JP4094456B2

JP4094456B2 - 超音波手術装置

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Publication number: JP4094456B2
Application number: JP2003059859A
Authority: JP
Inventors: 一恵田中
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: JP2004267332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子を用いた超音波手術装置に関するものであり、特に、装置内外の故障や異常を検出可能な超音波手術装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の超音波手術装置について説明する。超音波振動子を用いる従来の超音波手術装置としては、たとえば、外科用超音波メスや超音波加工装置等が知られている。
【０００３】
上記外科用超音波メスや超音波加工装置等に使用される超音波振動子は、変換効率を高めるため、基本共振周波数およびその近傍で駆動することが望ましい。具体的には、超音波振動子への駆動電圧と電流を比較して、超音波振動子の駆動周波数を共振周波数と一致させるように制御するＰＬＬ（フェーズロックループ）方式による駆動装置が公知の技術として知られている。
【０００４】
図３は、超音波振動子の等価回路を示す図である。この種の超音波振動子は、基本共振点の近傍において、このような等価回路として表すことができる。図示のように、超音波振動子の制御容量Ｃｄをキャンセルするために、Ｌ×Ｃ＝Ｌｄ×ＣｄとなるようなコイルＬｄを制御容量Ｃｄに対して並列または直列に接続する。このとき、超音波振動子の特性は、共振周波数Ｆｒ＝１／２π√（Ｌ×Ｃ）で純抵抗成分Ｒのみとなるので、電圧と電流の位相差が０となる。
【０００５】
図４は、駆動周波数の制御を示す図である。詳細には、図４（ａ）が、上記共振周波数Ｆｒを中心とする超音波振動子のインピーダンスＺ特性を示しており、図４（ｂ）には、超音波手術装置が共振点を追尾する様子が示されている。図示のとおり、共振周波数Ｆｒのときに最もインピーダンスが低いことがわかる。ここでは、ＰＬＬ動作によって電圧位相θｖと電流位相θｉとを比較した場合の位相差が０に向かうように駆動周波数を上昇または下降させる。これにより、共振周波数Ｆｒが負荷や温度変化により変動した場合であっても、反共振周波数Ｆ１とＦ２の間で追従し、常に共振周波数で駆動する追尾制御が可能となる。
【０００６】
図５は、従来の超音波手術装置（超音波駆動装置）の具体的な構成例を示す図である。ここで、図５に示す従来の超音波手術装置１００の動作について説明する。
【０００７】
超音波振動子１０１は、ＳＩＮ波形で駆動され、そのＳＩＮ波形は、ダイレクトディジタルシンセサイザー等で構成されるディジタル発振回路１０６にて生成される。ディジタル発振回路１０６にて生成されたＳＩＮ波形は、ＡＭＰ１０７にて増幅された後、超音波振動子１０１に供給される。
【０００８】
また、超音波振動子１０１に供給されている電圧，電流は、検出回路１０２にて検出され、検出回路１０２では、電圧，電流の各位相信号である電圧信号位相θｖ，電流信号位相θｉを生成する。位相差検出回路１０３では、位相差の方向（位相差＋／−）から駆動周波数を上昇／下降させるためのＵＰ／ＤＯＷＮ信号を生成する。
【０００９】
スイッチ１０４を介して上記ＵＰ／ＤＯＷＮ信号を受け取ったレジスタ１０５では、データ送出回路１０８から送出される中心周波数設定信号を保持し、当該ＵＰ／ＤＯＷＮ信号に応じて、ディジタル発振回路１０６出力のＳＩＮ波形の周波数を制御するための駆動周波数設定信号を生成する。
【００１０】
また、比較回路１１１では、データ送出回路１０８から送出される中心周波数設定信号と、レジスタ１０５で生成される駆動周波数設定信号と、を比較して周波数偏差を算出し、その周波数偏差が規定値以上の場合に、制御回路１０９，ディジタル発振回路１０６に対して周波数偏差検出信号を送信する。このとき、ディジタル発振回路１０６では、ＳＩＮ信号の出力を停止し、一方、制御回路１０９では、スイッチ１０４をＯＦＦ状態に設定し、さらに、フロントパネル１１０に警告を表示する。
【００１１】
このように、上記図５に示す従来の超音波手術装置は、周波数偏差により超音波出力の停止／継続を判断している。
【００１２】
一方、図６は、上記図５とは異なる、従来の超音波手術装置（超音波変換器駆動装置）の具体的な構成例を示す図である。ここで、図６に示す従来の超音波手術装置１００ａの動作について説明する。なお、ここでは、図５と異なる処理についてのみ説明する。
【００１３】
図６の超音波手術装置では、電圧信号位相θｖと電流信号位相θｉの位相差量を検出して出力の停止／継続を判断する。具体的な検出方法としては、位相差量検出回路１１３が、電圧信号位相θｖと電流信号位相θｉを比較してその位相差間のクロック数をカウントし、そのカウント値を位相差量とする（図７参照）。そして、この位相差量が規定値以内であれば、超音波出力を継続し、規定値以上であれば、超音波出力を停止する。
【００１４】
このように、上記図６に示す従来の超音波手術装置は、電圧と電流の位相差量により超音波出力の停止／継続を判断している。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００１−２５８０８９号公報
【特許文献２】
特許第２６４７７１４号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図５に示す従来の超音波手術装置においては、たとえば、超音波振動子に締結されたプローブにクラックがはいった状態で、急激に（ＰＬＬ追尾の応答速度以上の速さで）超音波振動子の共振周波数Ｆｒが変化してしまった場合に、ＰＬＬ制御を停止する判断が遅れ、超音波出力の停止処理に時間がかかってしまう、という問題があった。さらに、処理の遅れに伴って上記クラックが先端脱落にまで発展してしまう可能性がある、という問題もあった。
【００１７】
また、上記図６に示す従来の超音波手術装置においては、たとえば、電圧，電流信号をフィードバックしている信号線が切断された場合や、インピーダンスが高くなり一方の信号が入力されないような場合に、位相差量を正しく検出できない事態が発生することがあるため、超音波出力の停止処理が行われない（超音波出力を継続してしまう）可能性がある、という問題があった。具体的にいうと、上記のような場合には、図８に示すように一方が常時Ｈとなるため、電圧信号位相θｖと電流信号位相θｉの位相差量を正しく検出することができない。
【００１８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、故障や異常の検出を迅速かつ確実に行うことが可能な超音波手術装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる超音波手術装置にあっては、所定のフィードバック情報に基づく駆動信号の調整により、超音波振動子を共振周波数およびその近傍で駆動させる構成として、前記超音波振動子への駆動信号から電圧および電流に関する情報を検出し、当該情報に基づいて前記フィードバック情報を生成するフィードバック手段と、前記駆動信号の調整量に基づいて超音波出力の継続または停止を決定するための第１の制御信号を生成する第１の制御信号生成手段と、前記情報に基づいて超音波出力の継続または停止を決定するための第２の制御信号を生成する第２の制御信号生成手段と、前記第１および第２の制御信号の少なくともいずれか一方の信号に基づいて超音波出力の継続または停止を決定する動作決定手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、上記駆動信号の調整量に基づく第１の制御信号、および上記電圧および電流に関する情報に基づく第２の制御信号、に基づいて超音波振動子の動作の継続／停止を判断する構成により、従来技術で検知しきれなかった故障や異常を迅速かつ確実に検出する。
【００２１】
つぎの発明にかかる超音波手術装置において、前記第１の制御信号生成手段は、前記駆動信号の調整量として、予め規定された基準周波数と前記駆動信号の周波数との周波数偏差を用いることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、上記周波数偏差に基づく第１の制御信号、および上記電圧および電流に関する情報に基づく第２の制御信号、に基づいて超音波振動子の動作の継続／停止を判断する。
【００２３】
つぎの発明にかかる超音波手術装置において、前記第２の制御信号生成手段は、前記電圧および電流に関する情報として、電圧信号と電流信号の位相差を用いることを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、上記周波数偏差に基づく第１の制御信号、および上記電圧信号と電流信号の位相差に基づく第２の制御信号、に基づいて超音波振動子の動作の継続／停止を判断する。
【００２５】
つぎの発明にかかる超音波手術装置において、前記第２の制御信号生成手段は、前記電圧および電流に関する情報として、電圧の実効値と電流の実効値から算出したインピーダンスを用いることを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、上記周波数偏差に基づく第１の制御信号、および上記超音波振動子にかかるインピーダンスに基づく第２の制御信号、に基づいて超音波振動子の動作の継続／停止を判断する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる超音波手術装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２８】
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる超音波手術装置の実施の形態１の構成を示す図である。図１において、超音波手術装置１は、超音波振動子２と、ディジタル発振回路３（たとえば、ダイレクトディジタルシンセサイザ）と、アンプ回路（ＡＭＰ）４と、検出回路５と、位相差検出回路６と、レジスタ７と、データ送出回路８と、スイッチ回路９と、制御回路１０と、位相差量検出回路１１と、比較回路１２と、ＡＮＤ回路１３と、から構成される。なお、超音波振動子２には、術者が処置を行うときの処置具として用いる、プローブを締結することができる。また、超音波振動子２とプローブは一体化している場合もある。
【００２９】
上記のように構成される超音波手術装置１において、ディジタル発振回路３は、超音波振動子２を共振周波数で駆動させるための駆動信号を発生する。ＡＭＰ４は、ディジタル発振回路３出力の駆動信号を増幅させる。
【００３０】
また、検出回路５は、増幅後の駆動信号から電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉを検出する。位相差検出回路６は、検出回路５からのフィードバック信号である電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉとの位相差を検出して位相差信号を生成する。レジスタ７は、上記ディジタル発振回路３の発振周波数を決定するための後述する中心周波数設定信号（ディジタル周波数データ）を保持し、上記位相差信号によりディジタル周波数データを変化させて駆動周波数設定信号を生成する。
【００３１】
また、データ送出回路８は、超音波振動子２の共振周波数またはその近傍の周波数を示す中心周波数設定信号（ディジタル周波数データ）を生成する。制御回路１０は、スイッチ回路９とデータ送出回路８の動作を制御する。位相差量検出回路１１は、電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉとの位相差量に応じて位相差量検知信号を生成する。比較回路１２は、中心周波数設定信号と駆動周波数設定信号との周波数偏差に応じて周波数偏差検知信号を生成する。ＡＮＤ回路１３は、位相差量検知信号と周波数偏差検知信号のＡＮＤをとる。
【００３２】
ここで、上記超音波手術装置１の動作を詳細に説明する。まず、制御回路１０では、超音波振動子２が締結されたことを検知し、データ送出回路８に対して中心周波数設定信号（ディジタル周波数データ）をレジスタ７へ送信するように命令する。データ送出回路８では、この命令を受けて、中心周波数設定信号をレジスタ７へ送信する。
【００３３】
つぎに、レジスタ７では、位相差検出回路６から受け取る位相差信号（ＵＰ／ＤＯＷＮ信号）に基づいて実際に超音波振動子２を駆動するための駆動周波数設定信号を算出し、その信号をディジタル発振回路３へ送出する。ディジタル発振回路３では、受け取った駆動周波数設定信号に相当するＳＩＮ波形（駆動信号）を生成し、その信号をＡＭＰ４へ送出する。そして、ＡＭＰ４では、受け取った駆動信号を増幅して超音波振動子２を振動させる。
【００３４】
一方、超音波振動子２に供給されている増幅後の駆動信号（電圧信号、電流信号）を受け取った検出回路５では、電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉとを検出し、それらの信号を位相差検出回路６および位相差量検出回路１１へ送出する。そして、位相差検出回路６では、電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉの位相差に基づいて、駆動信号の周波数（周波数の上げ下げ）を調整するため上記位相差信号（ＵＰ／ＤＯＷＮ信号）を生成し、その信号をスイッチ９経由でレジスタ７に送出する。また、位相差量検出回路１１では、電圧信号位相θｖと電流信号位相θｉを比較してその位相差間のクロック数をカウントし、そのカウント値を位相差量とする。そして、その位相差量が、予め規定された所定量（たとえば、１０）以下であれば、駆動継続を示す位相差量検知信号（Ｈ）を送出し、当該所定量を超える場合は、駆動停止を示す位相差量検知信号（Ｌ）を送出する。
【００３５】
また、比較回路１２では、上記中心周波数設定信号と上記駆動周波数設定信号との周波数偏差を算出する。そして、その偏差が、予め規定された所定周波数（たとえば、１ｋＨｚ）以下であれば、駆動継続を示す周波数偏差検知信号（Ｈ）を送出し、当該所定周波数を超える場合は、駆動停止を示す周波数偏差検知信号（Ｌ）を送出する。
【００３６】
その後、ＡＮＤ回路１３では、上記位相差量検知信号と上記周波数偏差検知信号の少なくともいずれか一方の検知信号が駆動停止を示している場合に、ディジタル発振回路３および制御回路１０に対して駆動停止信号（Ｌ）を送出する。これにより、ディジタル発振回路３では、駆動信号の出力を停止し、また、制御回路１０では、スイッチ回路９をＯＦＦにする制御を行い、さらに、フロントパネル等にその旨を警告（表示）する。
【００３７】
このように、本実施の形態においては、周波数偏差および電圧と電流の位相差量に基づいて超音波振動子の停止／継続を判断する構成とした。これにより、従来技術で検知しきれなかった故障や異常を迅速かつ確実に検出できる。
【００３８】
実施の形態２．
前述の実施の形態１では、位相差量検知信号と周波数偏差検知信号の少なくともいずれか一方の検知信号が駆動停止を示している場合に、超音波振動子の駆動を停止し、警告を行った。この方法は、電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉの位相差がゼロクロスした状態で、ＰＬＬ制御を行う場合に有効である。これに対し、実施の形態２では、電圧信号位相θｖと電流位相信号θｉの位相差がゼロクロスしない場合に対応する。具体的には、超音波振動子２のインピーダンスの最小値を追尾する。
【００３９】
図２は、本発明にかかる超音波手術装置の実施の形態２の構成を示す図である。図２において、超音波手術装置１ａは、超音波振動子２と、ディジタル発振回路３と、ＡＭＰ４と、検出回路５ａと、ＩＭＰ検出回路１４と、アナログ／ディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）１５と、Ｆｒ検知回路１６と、ＩＭＰ比較回路１７と、比較回路１２と、ＡＮＤ回路１３ａと、から構成される。なお、前述の実施の形態１と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。本実施の形態では、前述の実施の形態１と異なる動作についてのみ説明する。
【００４０】
ここで、上記超音波手術装置１ａの動作を詳細に説明する。まず、検出回路５ａでは、電圧の実効値｜Ｖ｜と電流の実効値｜Ｉ｜を検出する。ＩＭＰ検出回路１４では、検出された電圧の実効値｜Ｖ｜と電流の実効値｜Ｉ｜から超音波振動子２にかかるインピーダンスの実効値｜Ｚ｜を算出する。
【００４１】
また、Ａ／Ｄ１５では、検出回路１４出力のインピーダンスの実効値｜Ｚ｜（アナログ信号）をディジタル信号に変換し、当該ディジタル信号（ＵＰ／ＤＯＷＮ信号）をＦｒ検知回路１６（たとえば、ＤＳＰ）に対して送出する。
【００４２】
また、Ｆｒ検知回路１６では、制御回路１０から送出される中心周波数設定信号を受け取り、上記ＵＰ／ＤＯＷＮ信号に基づいて、超音波振動子２にかかるインピーダンス値が最小値となるような駆動周波数設定信号を生成／出力する。たとえば、ディジタル発振回路３を制御して、中心周波数設定信号で示される周波数で発振させ、そのときのインピーダンスを「｜Ｚ｜０」と記憶する。つぎに、発振周波数を若干上昇させ、そのときのインピーダンスを「｜Ｚ｜＋」と記憶し、さらに、発振周波数を中心周波数設定信号で示される周波数よりも若干下降させ、そのときのインピーダンスを「｜Ｚ｜−」と記憶する。そして、これら３つのインピーダンスの中で最も値の小さいインピーダンスに対応する周波数を、共振周波数Ｆｒとして設定し、この状態で、ディジタル発振回路３の発振周波数を制御する。
【００４３】
また、比較回路１２では、中心周波数設定信号と駆動周波数設定信号との周波数偏差を算出する。そして、その偏差が、予め規定された所定周波数以下であれば、駆動継続を示す周波数偏差検知信号（Ｈ）を送出し、当該所定周波数を超える場合は、駆動停止を示す周波数偏差検知信号（Ｌ）を送出する。
【００４４】
また、ＩＭＰ比較回路１７では、ＩＭＰ検出回路１４にて検出されたインピーダンスの実効値｜Ｚ｜を、予め規定された所定値｜ＩＭＰ｜と比較する。そして、その差が、予め規定された所定値以下であれば、駆動継続を示すインピーダンス検知信号（Ｈ）を送出し、当該所定値を超える場合は、駆動停止を示すインピーダンス検知信号（Ｌ）を送出する。
【００４５】
その後、ＡＮＤ回路１３ａでは、上記インピーダンス検知信号と上記周波数偏差検知信号の少なくともいずれか一方の検知信号が駆動停止を示している場合に、ディジタル発振回路３および制御回路１０に対して駆動停止信号（Ｌ）を送出する。これにより、ディジタル発振回路３では、駆動信号の出力を停止し、また、制御回路１０では、フロントパネル等にその旨を警告（表示）する。
【００４６】
このように、本実施の形態においては、周波数偏差および超音波振動子にかかるインピーダンス値に基づいて超音波振動子の停止／継続を判断する構成とした。これにより、従来技術で検知しきれなかった故障や異常を迅速かつ確実に検出できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したとおり、本発明によれば、周波数偏差および電圧と電流の位相差量に基づいて超音波出力の停止／継続を判断する構成とした。または、周波数偏差および超音波振動子にかかるインピーダンス値に基づいて超音波出力の停止／継続を判断する構成とした。これにより、従来技術で検知しきれなかった故障や異常を迅速かつ確実に検出できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる超音波手術装置の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】本発明にかかる超音波手術装置の実施の形態２の構成を示す図である。
【図３】超音波振動子の等価回路を示す図である。
【図４】駆動周波数の制御を示す図である。
【図５】従来の超音波手術装置の具体的な構成例を示す図である。
【図６】従来の超音波手術装置の具体的な構成例を示す図である。
【図７】位相差量の検出方法を示す図である。
【図８】従来技術の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１，１ａ超音波手術装置
２超音波振動子
３ディジタル発振回路
４アンプ回路（ＡＭＰ）
５，５ａ検出回路
６位相差検出回路
７レジスタ
８データ送出回路
９スイッチ回路
１０制御回路
１１位相差量検出回路
１２比較回路
１３，１３ａＡＮＤ回路
１４ＩＭＰ検出回路
１５アナログ／ディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）
１６Ｆｒ検知回路
１７ＩＭＰ比較回路

Claims

所定のフィードバック情報に基づく駆動信号の調整により、超音波振動子を共振周波数およびその近傍で駆動させる超音波手術装置において、
前記超音波振動子への駆動信号から電圧および電流に関する情報を検出し、当該情報に基づいて前記駆動信号の発振周波数のＰＬＬ制御を行うフィードバック系と、
前記フィードバック系によってＰＬＬ制御される前記発振周波数と予め規定された基準周波数との周波数偏差に基づいて超音波出力の継続または停止を決定するための第１の制御信号を生成する第１の制御信号生成手段と、
前記フィードバック系によってフィードバックされた前記電圧および電流に関する情報に基づいて超音波出力の継続または停止を決定するための第２の制御信号を生成する第２の制御信号生成手段と、
前記第１および第２の制御信号に基づいて超音波出力の継続または停止を決定する動作決定手段と、
を備えることを特徴とする超音波手術装置。
前記第２の制御信号生成手段は、
前記電圧および電流に関する情報として、電圧信号と電流信号の位相差を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波手術装置。
前記第２の制御信号生成手段は、
前記電圧および電流に関する情報として、電圧の実効値と電流の実効値から算出したインピーダンスを用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波手術装置。