JP4230357B2 - 超音波発生システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波発生システムに関し、特に導波体に供給される共振捩じれ周波数を得て、維持することのできる発生システムに関するが、それに限定されるものではない。

捩じれ導波体は多数の固有周波数を有し、その僅かのものだけが利用可能である。大部分の共振状態は屈曲モードであり、それは好ましくはない。

理想的には、通常の駆動回路は細長い薄い捩じれ振動導波体を付勢することができる。しかしながら、通常の回路に対しては十分な別の共振モードから少なくとも１．０ｋＨｚの周波数差により分離されね必要があるような特有の捩じれモードを使用することが望ましい場合には困難がある。実際にそのような導波体は所望のモードの数百Ｈｚ内で別の共振モードを示す。

ヨーロッパ特許出願第1025806A号には超音波外科用装置が記載されており、それにおいては回路が共振状態に対する周波数を記憶し、非共振状態を検出した状態に対する信号を再生する。

これはフレキシブルな装置ではなく理想的に捩じれ振動モードには適してはいない。

したがって、本発明の目的は、インテリジェントな周波数発生制御回路を含むシステムを提供することである。

本発明の第１の特徴によれば、信号の予め定められた部分にわたって発生された信号の第１の走査を行い、予め定められた部分内の共振モードの数と、その周波数とを決定し、前記共振モードから中心周波数であるモードか、または、それに最も近い周波数におけるモードかのいずれかのモードを選択するステップを含んでいる超音波信号を発生する方法が提供される。

本発明の方法はさらに、選択された共振モードのそれぞれの側の走査限界を設定することが好ましい。
前記走査限界は信号の前記予め定められた部分よりも実質的に小さい周波数範囲をカバーしていることが有効であり、随意的にその１／１０よりも小さい。
発生装置が付勢される都度、システムはその中の最適周波数を選択するために前記走査限界内の第２の走査を実行することができる。
システムの使用中、選択された共振モードは接近した限界内で追跡されてもよい。

追跡は熱効果による周波数ドリフトまたは供給される負荷における変化による周波数ドリフトを考慮に入れなければならない。
エラー状態に応答して信号の発生を停止するステップを含んでいてもよい。
エラー状態は、選択された共振モードの周波数における不連続な変化を含んでいてもよい。

本発明の第２の特徴によれば、超音波振動を発生する手段と、その制御回路手段とを具備している前述の方法を実行するように構成されている超音波信号を発生するシステムが提供される。

システムは前記発生手段に接続されて動作する超音波振動の導波手段をさらに具備していることが好ましい。
ユーザに対するしてシステムの動作におけるエラーに対して信号する警報手段をさらに具備していると有効である。
随意的に、警報手段は液晶ディスプレイ装置のようなディスプレイ装置を備えていてもよい。
その代わりに、或いはそれに付加して警報手段は可聴警報手段を含んでいてもよい。
前記超音波振動は捩じれモードの振動であることが好ましい。
添付図面を参照にして本発明の実施形態を以下さらに詳しく説明する。

システムは電流波形を監視するために種々のインターフェースＡ乃至Ｄポートを有するマイクロプロセッサ（図示せず）を使用する。導波体およびシステムにより駆動される緊密に結合されたトランスデューサ構造は再現可能であり、ターゲットの捩じれ共振のいずれかの側の２００〜４００Ｈｚ内の望ましくない共振モードを表している。ほとんど全ての場合に、ターゲットモードはシステム間の１００〜２００Ｈｚ内で再現可能であり、通常いずれかの側で排除可能なモードを有している。

システムを設定するために、プロセッサは予め設定された周波数範囲を走査し、ターゲット周波数の周囲の３つの共振モードの位置を記録する。

その後、中央モードが選択され、或いは、２つのモードしか発見されなかった場合にはターゲット周波数に最も近いものが選択される。その後システムは設定されたターゲット周波数のいずれかの側で走査限界を設定する。これらの走査限界により規定されたウインドウはシステムの設定に使用された走査よりも遥かに小さい周波数範囲をカバーする。

この実施形態では、導波体は断続的な短いバーストで使用される。それは通常はフットスイッチスイッチにより発生装置を動作させるが他の方法が使用されることもできる。

この場合には、フットスイッチスイッチの各動作において発生装置が付勢されて、システムは第２の走査を行い、前に設定した走査範囲により特定されたウインドウ内の共振モードがあることだけをチェックする。周波数は少し移動しなければならず、新しい最適の周波数が設定される。

その後、システムは追跡相に入り、それはフットスイッチが押されている限り、或いは改善できないエラーが発見されるまで続けられる。これは適用された負荷における熱効果または変化による周波数ドリフトをシステムが考慮に入れることを可能にする。
システムはＬＣＤ（液晶表示装置）を備え、そこにシステム状態およびエラーメッセージが表示される。例えば、外科器具のハンドセットである導波体がスタート時にシステムに正確に接続されていない場合には、メッセージ“ハンドセットがありません”が表示される。

場合によっては外科器具のハンドセットは柔らかい組織ではなく、骨に接触した場合には表面が損傷して導波体の共振モードを変化させる可能性がある。そのような変化が顕著な場合には、第２の走査により、或いは追跡相によりエラーとして検出されなければならない。その場合には発生装置は停止され、メッセージ“ハンドセットを交換して下さい”がＬＣＤ上に表示される。システムはまたこれらのＬＣＤのメッセージに対応するためにブザーのような可聴警報器を備えている。

図１を参照すると、ステージ1 で始まる制御構成が示されており、そこにおいてはポート、ＬＣＤおよびＵＡＲＴ接続が設定される。メッセージはＬＣＤ上に表示され、システムが準備ができたことを示す。システム準備完了メッセージとハードウエア設定の結果は診断の目的のためＵＡＲＴを通って送られる。重大なハードウエアの故障は検出された場合には、ステージ2 はプログラムを中止し、エラーメッセージがＬＣＤ上に表示され、診断データはＵＡＲＴを通って送られる。重大なハードウエアの故障が検出されない場合には、ステージ3 が走査を開始し、動作ウインドウ内の各ディップを検出し、その大きさを測定する。最小の大きさの要求を満足させるディップが発見された場合には、ステージ3 の走査は連続して反復される。フットスイッチはステージ3 の走査期間中押されなければならず、それは最適の動作周波数の周囲のウインドウを設定する。

ステージ3 の走査が故障の場合には、警報ステージ5 が動作してエラーメッセージをＬＣＤ上に表示し、ブザーを鳴らせてユーザに警報する。

フットスイッチが再びステージ4 で押されたとき、マイクロ走査ステージ6 はステージ３の走査によって特定されたウインドウ内にただ１つのディップが存在することを検査する。その場合には、追跡（以下説明する）が開始される最適周波数が設定される。そうでない場合にはさらに警報ステージ7 がＬＣＤ上に別のエラーメッセージを表示し、ブザーを鳴らせてユーザに警報する。

マイクロ走査ステージ6 が成功を示すならば、それに続いて追跡ステージ8 が行われ、最適周波数が追従し、トランスデューサが使用状態にされる。追跡ステージ8 はフットスイッチが解除される（トランスデューサの動作を終了させるため）か、またはエラーが検出されると終了する。エラーがあることがステージ9 で決定された場合には、システムはステージ4 に戻り、フットスイッチにおける新しい圧力を待機する。エラーがない場合には、アイドル時間がステージ10でチェックされ、それが２秒のような予め定められた時間よりも小さいならば、システムは追跡ステージ8 へ戻る。期間が大きければ、システムは停止され、フットスイッチにおける新しい圧力を待機する。

図２を参照すると、ステージ11で開始される走査システムのフローチャートが示されており、ステージ11で低い周波数マーカーがＦ₀ に設定される。

約５ｍｓのステージ12における遅延の後、ハードウエアがスタートし、サンプル負荷電流がマイクロ制御装置ＡＤＣを使用してステージ13で供給され、その値はサンプルバッファに記憶される。

サンプルバッファが一杯でなければ、システムはステージ13に戻る。一杯であれば、ステージ14でサンプル値Ｙ（ｎ）乃至Ｙ（ｎ−16）が中央値Ｙ（ｎ−8 ）を除外して平均される。その結果は平均バッファ15に記憶される。

平均バッファ15が一杯でなければ、システムは再びステージ13に戻る。しかしながら、もしも平均バッファ15が一杯であれば、Ａv(ｎ−8 ）およびＡv(ｎ−16）がステージ16でサンプル値Ｙ（ｎ−8 ）と比較される。両方の平均Ａv(ｎ−8 ）とＡv(ｎ−16）がＹ（ｎ−8 ）よりも高いならば、ディップは検出されたと結論される。

ステージ17では、中央サンプル値Ｙ（ｎ−8 ）が以前に記録された値よりも低い場合には、前の値は廃棄されて、Ｙ（ｎ−8 ）とその周波数がディップログ中に記録される。

現在のディップログエントリがゼロでない場合には、ディップが検出される。ステージ18でディップに先行する１００Ｈｚ内にディップのログがない場合には、このエントリがログ中で確認される。１００Ｈｚ内にエントリがある場合には、最低の電流を生じるエントリが選択され、他のものは廃棄される。これは有効なディップとして確認され、ディップログバッファはインクリメントされる。

高い周波数のマーカーがステージ19で到達されない場合には、ステージ20でシステムはＦ₀ をインクリメントし、ステージ21における遅延の後、システムはステージ13へ戻る。高い周波数のマーカーがステージ19で到達された場合には、マイクロ走査は終了し、結果はステージ22において解析される。

この時点で、３つのディップがステージ23で検出された場合には、それは中間周波数が最適であると結論する。

そうでなく、２つのディップしかステージ24で検出されない場合には、２つの周波数の平均がステージ25で計算される。平均が中央周波数のマーカーよりも高い場合には、最適周波数は２つの検出されたディップの低い方であると結論される。平均が中央周波数のマーカーよりも低い場合には、最適周波数は２つの検出されたディップの高い方であると結論される。
ステージ26で１つのディップしか検出されない場合には、それが最適周波数であると結論される。
ディップが検出されない場合には走査は失敗である。

システムの追跡チャートを示している図３を参照すると、追跡はステージ27で開始し、ＶＣＯは上述のマイクロ走査によって選択された最適周波数に設定される。

ステージ28における例えば５ｍｓの遅延後、システムはステージ29でループに入り、そのループ30は、ゼロからスタートしてループ30の各サイクルで１つづつインクリメントされる変数ｉが変調アレイの長さｌ以上になるまで継続する。

ループ30では、ｉ＜ｌであれば、ＶＣＯ周波数は次の式にしたがって設定される。

Ｆ₀ ＝Ｆ_c ＋Ｍ_a (i)
ハードウエアの設定のための約１ｍｓの待機後、負荷電流は抽出され、その採取された値は周波数Ｆ₀ と共にサンプルバッファ中に記憶される。その後、システムはステージ29へリサイクルし、ｉを１つインクリメントしてｉとｌをもう一度比較する。

ｉが≧ｌにインクリメントされている場合には、ステージ31において最低の負荷電流を生成した周波数が最適である（サンプルバッファ中のデータの解析から）という結論が得られる。Ｆ_c はその後、この周波数に設定される。
ステージ32で作動フットスイッチが依然として押されている場合には、システムはステージ29へリサイクルする。そうでない場合には、追跡は終了する。

図４を参照すると制御回路のコンポーネントが示されている。
ＡＣフィードバック電流は１次ローパスフィルタおよび減衰器40に入力され、その後、精密整流器41および２次ローパスフィルタ42へ転送される。その結果得られた信号はマイクロ制御装置43へそのＡＮ／ＩＰ 1端子を通って供給される。

マイクロ制御装置43の第１の出力セット46は信号を出力し、それはＤＡＣ（デジタルアナログ変換器）47に対するデジタル入力を構成している。ＤＡＣ47の出力電圧Ｖ_out はそれに接続されたＶＣＯ48の入力電圧Ｖ_inである。ＶＣＯ48の出力信号Ｆ_ouはマイクロ制御装置43の第２の出力49からの周波数制御信号と結合され、その結合された信号は制御ゲート51の第１の入力端子50へ与えられる。制御ゲート51は、マイクロ制御装置43の第３（ＥＮ）の出力56に接続された第２の入力端子52と、増幅器過大温度モニタに接続された第３の入力端子53と、作動フットスイッチに接続された第４の入力端子54とを備えている。制御ゲート51の出力端子55は供給された信号に応答し、Ｄ級増幅器57へ接続され、制御ゲート51からの出力信号は増幅器57への入力信号Ｆ_inとなっている。増幅器57はＨＴ電圧調整器58により給電されている。その出力信号は整合ネットワーク59へ与えられ、その整合ネットワーク59は＋ｖｅおよび−ｖｅ負荷出力60を有しており、電流フィードバック（ＡＣ）61を出力する。

マイクロ制御装置43はエラーメッセージを表示するためのＬＣＤ44と、エラーの場合にユーザに警報するためのブザー45とを備えている。その第４の（ＵＡＲＴ）出力端子62を介してマイクロ制御装置43はＣＭＯＳ対ＲＳ332 変換器63に接続され、それは診断信号の出力のためのＲＳ232 ポート64を有している。

本発明による制御構造のブロックシステムの概略図。 システムのフローチャートのブロック概略図。 システムの追跡チャートのブロック概略図。 本発明によるシステムの概略ブロック図。

Claims (11)

1. 信号の予め定められた周波数範囲にわたって発生された信号の第１の走査を行い、
   前記予め定められた周波数範囲内の共振モードの数と、その周波数とを決定し、
   前記決定された共振モードから、３つの共振モードが決定された場合にはそれら３つの共振モードの周波数の中の中央の周波数の共振モードを捩じれ共振モードとして選択し、共振モードが３よりも少ない場合には前記予め定められた周波数範囲の中心周波数またはその中心周波数に最も近い周波数の１つの共振モードを捩じれ共振モードとして選択するステップを含んでいる超音波信号を発生する方法。
2. さらに、選択された共振モードのそれぞれの側の走査限界を設定するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
3. 前記走査限界は信号の前記予め定められた部分よりも実質的に小さい周波数範囲をカバーしている請求項２記載の方法。
4. 前記走査限界は前記予め定められた部分の周波数範囲の１／１０よりも小さい範囲をカバーしている請求項２または３記載の方法。
5. 発生装置が付勢される都度、システムはその中の最適周波数を選択するために前記走査限界内の第２の走査を実行する請求項２乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 選択された共振モードはシステムの使用中追跡される請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. エラー状態に応答して信号の発生を停止するステップを含んでいる請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記エラー状態には、選択された捩じれ共振モードの周波数における不連続な変化が生じた状態が含まれている請求項７記載の方法。
9. 超音波振動を発生する手段と、制御回路手段とを具備し、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法を実行するように構成されている超音波信号を発生するシステム。
10. 前記発生手段に接続されて動作する超音波振動のための導波手段をさらに具備している請求項９記載のシステム。
11. システムの動作におけるエラーをユーザに対して通知する警報手段をさらに具備している請求項９または１０記載のシステム。

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