JP4318890B2 - 超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横モード振動を検出するための方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に超音波外科システムに関し、特に、超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組織および血管を焼灼することにより軟質組織の切開および止血を同時に行なう二重の機能を実行するための外科器具として電気メスおよびレーザーが使用できることが知られている。しかしながら、これらの器具は凝固を行なうために極めて高い温度を使用しており、蒸発および発煙ならびにはねかえりを生じて、手術室の人員に対する感染性の病気の広がりの危険性を高める。加えて、このような器具の使用は熱的な組織損傷の比較的に広い領域を生じる場合が多い。
【０００３】
超音波駆動機構により高速度で振動している外科ブレードによる組織の切断および焼灼も良く知られている。このような超音波切断器具に付随する問題の一つは未調整または制振されていない振動および熱、ならびに、これらによる材料疲労である。そこで、手術室環境内において、ブレードを冷却するための熱交換装置を伴う冷却システムの使用によりこの加熱の問題を制御する試みがなされてきた。既知のシステムの一例において、例えば、超音波切断および組織破断システム等は切断部位の灌注および吸引のための循環水ジャケットおよび手段を増加した冷却システムを必要としている。また、別の既知のシステムは切断ブレードに低温流体の供給を必要としている。
【０００４】
トランスデユーサ内において発生する熱を制限するための手段として当該トランスデユーサに供給される電流を制限することが知られている。しかしながら、このような手段は患者の最も効果的な治療が必要とされる時にブレードに対して不十分な出力が生じる可能性がある。本特許出願の譲受人に譲渡されていて本明細書に参考文献として含まれるThomasに発行されている米国特許第５，０２６，３８７号は、ブレードに供給される駆動エネルギーを制御することにより、冷却剤を使用せずに超音波外科切断および止血システムにおける熱を制御するためのシステムを開示している。この特許によるシステムにおいては、一定の電圧、電流および、例えば、５５，５００サイクル／秒の周波数の電気的な信号を生成する超音波発生装置が備えられている。この発生装置は超音波トランスデユーサを形成している圧電セラミック素子を収容しているハンド・ピースにケーブルを介して接続されている。このハンド・ピース上のスイッチまたは別のケーブルにより発生装置に接続されているフット・スイッチに応答して、発生装置の信号がトランスデユーサに供給され、このトランスデユーサがその各素子の長手方向に沿う振動を生じる。さらに、一定の構造体がこのトランスデユーサを外科ブレードに接続しており、これにより外科ブレードが外科装置の信号のトランスデユーサへの供給時に振動して、超音波周波数において振動する。上記の構造体は所定の周波数で共振するように設計されており、これによりトランスデユーサにより開始される動作が増幅される。
【０００５】
上記トランスデユーサに供給される信号はブレードの負荷条件（組織に対する接触または後退）の連続的または周期的な感知に応じてトランスデユーサに対して要求に応じて出力を供給するように調整されている。この結果、この装置は、外科用メスの組織に対する接触の有無に応じて、アイドリング状態である低出力から、自動的に切断する状態である一定の選択可能な高出力に移行して動作する。第３に、ブレードが組織に対して接触していない時にアイドリング状態の出力レベルへの自動的な復帰を伴って高出力凝固モードが手動により選択できる。この超音波出力はブレードに対して連続的に供給されないので、周囲の熱の発生が少ないが、必要な時に切開および焼灼のために組織に対して十分なエネルギーを与えることができる。
【０００６】
上記Thomas特許における制御システムはアナログ型である。位相ロック・ループ（電圧制御発信器、周波数分割機、出力スイッチ、整合ネットワークおよび位相検出器を備えている）がハンド・ピースに供給される周波数を安定化する。さらに、ブレードにおける負荷によりハンド・ピースに供給される周波数、電流および電圧が変化するので、マイクロプロセッサがこれらのパラメータをサンプリングすることにより出力量を制御する。
【０００７】
Thomas特許において記載されているような、一般的な超音波外科システム内の発生装置における電力対負荷曲線は２個の部分を有している。第１の部分は負荷の増加時における増加している出力の正の勾配を有しており、この状態は定常的な電流供給を示している。第２の部分は負荷の増加時に減少している出力の負の勾配を有しており、この状態は定常的なまたは飽和状態の出力電圧を示している。上記第１の部分における調整された電流は各電子部品の設計により固定され、第２の部分における電圧はこの設計の最大出力電圧により制限される。この構成はこのような装置における出力の電力対負荷特性がハンド・ピースのトランスデユーサおよび超音波ブレードの多様な種類に対して最適化できないために柔軟性を欠いている。このような外科器具における従来的なアナログ型の超音波出力システムの特性は動作温度の変化による発生装置内の各電子部品における部品の許容度およびそれらの変化性の影響を受ける。特に、温度変化は周波数ロック範囲、駆動信号レベル、およびその他のシステム性能測定値等の重要なシステム・パラメータにおける広範囲な変化を生じる可能性がある。
【０００８】
効率的な様式で超音波外科システムを動作するために、開始時において、ハンド・ピースのトランスデユーサに供給される信号の周波数を一定の範囲にわたり掃引してその共振周波数を位置決めする。この共振周波数が見つかると、上記発生装置の位相ロック・ループがその共振周波数にロックし、電圧位相角度に対するトランスデユーサの電流を継続してモニターして、トランスデユーサをその共振周波数において駆動することにより共振状態に維持する。このようなシステムにおける重要な機能は共振周波数を変化する負荷および温度の変化においてトランスデユーサを共振状態に維持することである。しかしながら、上記のような従来的な超音波駆動システムは適応性のある周波数制御に関してほとんど、または全く柔軟性がない。このような柔軟性は不所望な共振を識別するためのシステム能力において重要である。特に、これらのシステムは一方向における共振、すなわち、各周波数の増減による共振に対して探索できるだけであり、これらの探索パタンは固定されている。このようなシステムは（ｉ）どの共振を飛び越えて、どの共振にロックするか等の、目的以外の共振を飛び越えること、または発見的な決定を行なうことができず、（ｉｉ）適当な周波数ロックが達成されている時のみに出力を確実に供給することができない。
【０００９】
また、上記従来技術の超音波発生装置のシステムは当該システムに適応性のある制御アルゴリズムを使用可能にして決定を実行可能にする振幅制御に関してほとんど柔軟性がない。例えば、これらの固定されたシステムはブレードにおける負荷および／または電圧位相角度に対する電流に基づく電流または周波数等の出力駆動に関して発見的な決定を行なう能力に欠けている。また、このことはトランスデユーサの使用寿命を増加してブレードに対応する安全な動作条件を確立することのできる一貫した効率的な性能のための最適なトランスデユーサの駆動信号を設定するシステム能力も制限する。さらに、このような振幅に関する制御および周波数制御の欠如はトランスデユーサ／ブレード・システムについての診断試験を行なうため、および一般に故障探求（トラブルシューティング）を支援するためのシステム能力を低下させる。
【００１０】
過去において行なわれていた一部の制限された診断試験はトランスデユーサに信号を送り、ブレードを動作させてシステムを共振状態またはその他の振動モードにする処理を含む。その後、システムがこれらのモードの一つになった時にトランスデユーサに供給される電気的な信号を測定することによりブレードの応答が決定される。本明細書に参考文献として含まれる２０００年１０月２０日に出願されている米国特許出願第０９／６９３，６２１号において記載されている超音波システムは出力駆動周波数を掃引する能力、超音波トランスデユーサおよびブレードの周波数応答をモニターする能力、この応答から各パラメータを抽出する能力、およびシステム診断のためにこれらのパラメータを使用する能力を備えている。この周波数掃引および応答測定モードは従来技術の超音波システムにおいて存在しない高い解像度、精度、および再現性により出力駆動周波数を段階付けできるようにデジタル・コードを介して達成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の超音波システムに付随する別の問題はハンド・ピース／ブレード内の不所望な振動である。超音波ブレードはハンド・ピース／ブレードの振動の長手軸に対して垂直な軸に沿っても振動する。このような振動は横モード振動と呼ばれる。長手方向（または縦方向）の振動をＸ，Ｙ，Ｚの座標軸におけるＺ方向であると考えると、ブレードのＹ軸に沿う振動が横方向の「フラップ・モード（flap mode）」の振動と呼ばれ、ブレードのＸ軸に沿う振動が横方向の「フック・モード（hook mode）」の振動と呼ばれる。一般的に、ブレードはこれらのブレード部分を囲むシース部分を有している。それゆえ、過度の横モードの振動は熱を発生し、この熱により高いブレード・シースの温度が生じる。このような過度の熱はブレードも加熱して、凝固の狭い領域を囲む組織に対して損傷を与える可能性があり、この損傷は患者の治癒および回復の時間に悪影響を及ぼす可能性がある。加えて、横モードの振動はブレード先端部の不良化を生じることも有り得る。さらに、これらの振動は損傷したトランスデユーサ・ディスク等のハンド・ピースにおける欠陥部分の指示手段にもなり得る。過度の横モードの振動は聴取可能な場合が多いが、超音波発生装置がハンド・ピース／ブレードを駆動不能になるまで使用者がこれらを無視する場合がかなり多い。それゆえ、過度に加熱されたブレードにより生じ得る組織損傷等の不所望な作用を防ぐために横モードの振動を検出することが有利である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横モード振動を検出するための方法である。発生装置の駆動周波数の中心に設定されているトラッキング・フィルターを用いて超音波発生装置の駆動周波数をモニターして、駆動信号が所定レベルを超える場合にその信号を減衰する。このトラッキング・フィルターは広い通過帯域を有している。あるいは、幾つかの領域に分割される一定の通過帯域を有するトラッキング・フィルターを用いて別の調波における共振等の別の縦方向の共振を回避する、あるいは、このような処置を採らない場合にフィルターのトラッキング精度により見落とす可能性のある別のスペクトルの特徴部分を回避する。本発明の実施形態において、上記トラッキング・フィルターはノッチ・フィルター（notch filter）またはノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体により実施されている。好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターまたは帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル型フィルターのいずれかである。
【００１３】
本発明によれば、出力が任意のブレードに対応する所定の閾値を超えているか否かを決定するために、電流センス回路または電圧センス回路の中に配置されているフィルターにおけるｒｍｓ値等の出力レベルをモニターする。好ましい実施形態において、フィルターが上記電圧センス回路の中に配置されている。このノッチ・フィルターのｒｍｓ値が所定のレベルを超えていれば、そのハンド・ピース／ブレードは横モード振動を含んでいる。あるいは、ブレードが横方向の挙動を示す寸前であるか否か、または何らかの横方向の挙動がブレードを使用に適さなくしているか否かを示すために、上記ｒｍｓ値の負荷についての変化速度が用いられる。
【００１４】
本発明の実施形態において、ブレードが頻発外の横モードを含むか否かを決定するために多数のノッチ・フィルターの互いに対する比率が用いられる。あるいは、ノッチ・フィルターの出力レベルの入力駆動信号レベルに対する比率がハンド・ピース／ブレードの中に存在している横モードの挙動の有無を示すために用いられる。
【００１５】
本発明の別の実施形態において、上記所定の閾値レベルがハンド・ピースを超音波発生装置に接続しているコネクタの中に保管されているブレードＩＤコードに基づいて設定される。
【００１６】
上記方法は超音波ハンド・ピース／ブレードにおける共振外の横モード振動の自動検出を行なう。さらに、この方法は不良のハンド・ピースおよび／またはブレードの容易な確認を可能にする。この結果、凝固の狭い領域を囲む組織に対する損傷の減少により患者の安全性および回復時間が改善される。加えて、上記方法は横モードの検出のための周波数掃引を行なうために発生装置のソフトウェア／ハードウェアにＦＦＴアナライザーを加えることに伴う費用を回避する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による方法を実施するためのシステムの概略図である。ケーブル２０内の第１の組のワイヤにより、電気的なエネルギー、すなわち、駆動電流がコンソール１０からハンド・ピース３０に送られ、このハンド・ピース３０がブレード３２等の外科装置を長手方向または縦方向に移動する。このブレードは組織の同時的な切開および焼灼のために使用できる。ハンド・ピース３０への超音波電流の供給は当該ハンド・ピース上に配置されているスイッチ３４の制御下に行なうことができ、このスイッチ３４はケーブル２０を介してコンソール１０内の発生装置に接続されている。さらに、この発生装置は別のケーブル５０によりコンソール１０に接続されているフット・スイッチ４０により制御することもできる。従って、外科医は自分の指によりハンド・ピース上のスイッチ３４を動作するか、自分の足によりフット・スイッチ４０を動作することにより、超音波電気信号をハンド・ピースに供給して、一定の超音波周波数においてブレードを縦方向に振動させることができる。
【００１８】
発生装置コンソール１０は液晶表示装置１２を備えており、この表示装置１２は最大の切断出力における割合または切断出力に付随する数値的な出力レベル等の種々の手段において選択された切断出力レベルを指示するために使用できる。さらに、この液晶表示装置１２は上記システムにおける別のパラメータを表示するためにも使用できる。さらに、パワー・スイッチ１１が装置を始動するために使用されている。出力供給時に、「待機（standby）」ライト１３が点灯する。待機モードにするために、このボタン１３を押す。動作の準備が完了すると、「準備完了（ready）」指示器１４が点灯して、待機ライトが消える。さらに、装置が最大出力を供給する場合に、ＭＡＸボタン１５が押される。また、比較的に少ない出力が望まれる場合には、ＭＩＮボタン１７が活性化される。この処理によりＭＡＸボタンは自動的に不活性化される。さらに、ＭＩＮボタンの活性時における出力レベルがボタン１６により設定される。
【００１９】
上記スイッチ３４またはスイッチ４０のいずれかの動作により超音波ハンド・ピースに出力を供給する場合に、上記の組立体は外科用メスまたはブレードを約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）において縦方向または長手方向に振動させ、この縦方向の移動量は使用者により調節可能に選択される様式で供給される駆動出力（電流）の量に比例して変更できる。比較的に高い切断出力が供給される場合には、ブレードはその超音波振動速度において約４０ミクロン乃至１００ミクロンの範囲内で縦方向に移動するように設計されている。このようなブレードの超音波振動はブレードが組織に対して接触する時に熱を発生する。すなわち、ブレードの組織内における加速により、ブレードを移動している機械的なエネルギーが極めて狭い局在化した領域内において熱的なエネルギー変わる。さらに、この局在化した熱により凝固の狭い領域が形成され、この凝固領域が１ミリ以下の直径の小血管における出血を減少または消去する。この場合のブレードの切断効率ならびに止血の程度は供給される駆動出力のレベル、外科医の切断速度、組織の種類による性質および組織の血管分布により変化する。
【００２０】
図２においてさらに詳細に示されているように、超音波ハンド・ピース３０は電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換してトランスデユーサの両端部における縦方向の振動を生じる圧電変換器またはトランスデユーサ３６を収容している。このトランスデユーサ３６はセラミック圧電素子の積層体またはスタックの形態であり、このスタックに沿う特定の点に配置されている動作ゼロ点を有している。このトランスデユーサ・スタックは２個の円筒体３１および円筒体３３の間に取り付けられている。さらに、円筒体３５が円筒体３３に取り付けられていて、この円筒体３５が別の動作ゼロ点３７におけるハウジングに取り付けられている。また、ホーン３８がその一端側において上記ゼロ点に、および他端側においてカップラー３９に取り付けられている。さらに、このカップラー３９にブレード３２が固定されている。この結果、ブレード３２はトランスデユーサ３６と共に超音波周波数で縦方向に沿って振動する。このトランスデユーサの両端部は、当該トランスデユーサがその共振周波数において約３８０ｍＡ・ＲＭＳの電流により駆動される時に、不動作の節部を構成している上記スタックにおける部分を伴って最大動作を達成する。しかしながら、この最大動作を行なう電流は各ハンド・ピースにより変化し、システムがハンド・ピースを使用できるように当該ハンド・ピースにおける不揮発性記憶装置の中に記憶されている弁である。
【００２１】
上記ハンド・ピースの各部分はこれらの組み合わせ体が同一の共振周波数において発振するように設計されている。特に、各構成要素は当該各要素の最終的な長さが１／２波長であるように調整されている。縦方向に沿う前後動作は直径が音響学的な取り付け式のホーン３８のブレード３２に近づくにつれて減少している場合に増幅される。従って、ホーン３８ならびにブレード／カップラーはブレードの動作を増幅してその音響システムの残部に対して共鳴している調和振動を行なうように形状付けられて寸法付けられており、このことにより、ブレード３２に近接している音響学的な取り付け式のホーン３８の端部における最大の前後動作が生じる。この結果、上記トランスデユーサ・スタックにおける動作はホーン３８により約２０ミクロン乃至２５ミクロンの動作に増幅される。さらに、上記カップラー３９における動作はブレード３２により約４０ミクロン乃至１００ミクロンの動作に増幅される。
【００２２】
上記ハンド・ピース内のトランスデユーサを駆動するための超音波の電気的信号を生じるシステムが図３および図４において示されている。この駆動システムは柔軟であり、所望の周波数および出力レベルの設定において駆動信号を生じることができる。このシステムにおけるＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサは適当な出力パラメータおよび振動周波数をモニターするため、ならびに、切断モードまたは凝固モードのいずれかにおいて供給される適当な出力レベルを生じるために用いられる。また、このＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサはハンド・ピース／ブレード等のシステムにおける各構成部品についての診断試験を行なうために使用されるコンピュータ・プログラムを記憶している。
【００２３】
例えば、上記ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０において記憶されている、位相補正アルゴリズム等の、プログラムの制御下において、始動中の周波数が、例えば、５０ｋＨｚ等の特定の値に設定できる。次に、共振に対する接近を示すインピーダンスにおける一定の変化が検出されるまで特定速度での掃引処理が行なわれる。その後、例えば、５５ｋＨｚ等の共振周波数をシステムがオーバーシュートしないようにこの掃引速度を減少できる。この掃引速度は、例えば、５０サイクル等の増加分における周波数変化を有することにより達成できる。また、さらに遅い速度が望まれる場合は、上記プログラムはこの増加分を、例えば、２５サイクルに減少することができ、これらは共に測定したトランスデユーサ・インピーダンスの大きさおよび位相に適応するように決定できる。もちろん、さらに速い速度も上記増加分の大きさを増すことにより達成できる。さらに、上記掃引速度は上記周波数の増加分を更新する速度を変化することにより変えることができる。
【００２４】
さらに、例えば、５１ｋＨｚ等における不所望な共振モードが分かっている場合には、上記プログラムは、例えば、６０ｋＨｚから低周波数側に周波数掃引して共振を検出できる。また、上記システムは５０ｋＨｚから掃引して不所望な共振の位置が決定している５１ｋＨｚを飛び越えることも可能である。いずれの場合においても、上記システムは高度な柔軟性を有する。
【００２５】
操作において、使用者は外科器具に対して使用するべき特定の出力レベルを設定する。この操作は上記コンソールのフロント・パネルにおける出力レベル選択スイッチ１６により行なわれる。このスイッチはＤＳＰ６０に供給される信号１５０を発生する。その後、ＤＳＰ６０は電線１５２（図４）を介して信号をコンソール・フロント・パネルの表示装置１２に送ることによりその選択された出力レベルを表示する。
【００２６】
外科ブレードを実際に振動させるためには、使用者はフット・スイッチ４０またはハンド・ピース・スイッチ３４を活性化する。この活性化により、信号が図３における電線１５４上に送られる。この信号はプッシュ−プル増幅器７８からトランスデユーサ３６に供給される出力を生じるために有効に作用する。上記ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がハンド・ピース・トランスデユーサの共振周波数のロック・オンを既に実行していて、出力がハンド・ピース・トランスデユーサに有効に供給されている場合に、一定の音響駆動信号が電線１５６上に送られる。この処理により音を出すためのシステム内における音響的指示が行なわれ、この指示により使用者に対して出力がハンド・ピースに供給されていること、および外科用メスが活性化していて動作状態にあることが通知される。
【００２７】
さらに、インピーダンス測定値および位相測定値を得るために、上記ＤＳＰ６０および図３および図４におけるその他の回路要素が用いられる。特に、プッシュ−プル増幅器７８は出力変圧器８６に対して超音波信号を供給し、この変圧器８６はさらにケーブル２６内の電線８５を介してこの信号をハンド・ピース内の圧電トランスデユーサ３６に供給する。この電線８５内の電流および電圧は電流センス回路８８および電圧センス回路９２により検出される。さらに、これら電流および電圧の各センス信号は平均電流回路１２０および平均電圧回路１２２にそれぞれ送られ、これらの回路はこれらの信号の平均値をそれぞれ取り出す。この平均の電圧はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２６によりＤＳＰ６０に入力されるデジタル・コードに変換される。同様に、平均の電流信号がアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２４によりＤＳＰ６０に入力されるデジタル・コードに変換される。さらに、ＤＳＰ６０において、電圧対電流の比率値が進行中の基準に基づいて計算されて、周波数の変化時における現在のインピーダンス値が得られる。この場合に、共振に接近するとインピーダンスにおける有意差のある変化が生じる。
【００２８】
上記電流センス回路８８および電圧センス回路９２からの各信号は各零交叉検出器１００，１０２に対しても供給される。これらの検出器は各信号が零を交叉する場合にいつでもパルスを発生する。検出器１００からのパルスは位相検出論理回路１０４に供給され、この論理回路１０４は上記信号により開始するカウンターを備えている。同様に、検出器１０２からのパルスが論理回路１０４に供給されて、上記カウンターを停止するために使用できる。この結果、このカウンターにより得られたカウント値が電線１０４上のデジタル・コードになり、このコードが上記電流と電圧との間の差を示す。さらに、この位相差の大きさは共振の指示手段でもある。これらの信号は位相ロック・ループの一部として使用することができ、この位相ロック・ループは、例えば、プッシュ−プル増幅器７８を駆動する直接デジタル合成（ＤＤＳ）回路１２８に対して一定の周波数信号を発生するためにＤＳＰ６０における一定の位相設定点に対して上記位相差を比較することにより、発生装置の周波数を共振に対してロック・オンする。
【００２９】
さらに、上記インピーダンスおよび位相の各値はブレードの緩みの有無を検出するための動作の診断段階において上述したように使用できる。この場合に、上記ＤＳＰ６０は共振における位相ロックの確立を探求せずに、むしろ、ハンド・ピースを特定の各周波数において駆動して、そのインピーダンスおよび位相を測定することによりブレードが固定されているか否かを決定する。
【００３０】
図５は本発明の好ましい実施形態を示しているフロー・チャートである。図３および図４において示されているＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０に記憶されているプログラムの制御下において、本発明の方法は、工程４００において示されているように、ハンド・ピース／ブレードを励起するために超音波発生装置を使用することにより実施される。好ましい実施形態において、この駆動信号は２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の電流範囲および５５．５ｋＨｚの周波数を有する超音波信号である。
【００３１】
次に、工程４１０において示されているように、有意差のある量の周波数ずれしている横モード振動が生じたか否かを検出するために電流センス回路８８または電圧センス回路９２（図４参照）において配置されているフィルターにより、上記駆動信号の負荷および温度の結果としての経時的な変化をモニター、すなわち、追跡またはトラッキングする。好ましい実施形態において、上記フィルターは電圧センス回路９２の中に配置されている。次に、工程４２０において示されているように、上記フィルターの出力信号を測定する。さらに、工程４３０において示されているように、測定した出力信号のレベルを所定の閾値に対して比較する。本発明の実施形態において、上記フィルターはノッチ・フィルターまたはノッチ・フィルターと帯域通過フィルターとの組み合わせ体である。さらに、好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル適応型フィルターのいずれかである。上記出力信号のレベルが所定のレベルを超えている場合に、ハンド・ピース／ブレードが周波数ずれしている共振モードを含んでいることになり、工程４３５において示されているように、「ブレードが横モードを有している（Blade Has Transverse Mode）」というメッセージが超音波発生装置に配置されているＬＣＤ（液晶表示装置）上に表示される。
【００３２】
別の実施形態において、上記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体からの出力信号のｒｍｓレベルの比率値が測定される。この測定されたｒｍｓ信号比率値は所定の閾値に対して比較される。好ましい実施形態において、この所定の閾値は約−２０ｄｂである。
【００３３】
図６は本発明の別の実施形態を示しているフロー・チャートである。図３および図４において示されているＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０に記憶されているプログラムの制御下において、超音波発生装置は、工程５００において示されているように、ハンド・ピース／ブレードを励起するために用いられる。好ましい実施形態において、この駆動信号は２００ｍａ乃至４００ｍａの電流範囲、および５５．５ｋＨｚの周波数を有する超音波信号である。
【００３４】
次に、工程５１０において示されているように、上記フィルターからの出力信号のｒｍｓ値の負荷に対する変化率を継続的にモニターする。このフィルターからの出力信号のｒｍｓ値のレベルにおける変化はブレードが横方向の挙動を示す直前にあるか否か、または何らかの横方向の挙動がブレードを不適当な使用状態にしているか否かを示すために用いられる。あるいは、上記フィルター出力のｒｍｓ値のレベルにおける負荷に対する変化は始動時（すなわち、ブレードが活性される時間ごと）に検出される。本発明の実施形態において、上記フィルターはノッチ・フィルターまたはノッチ・フィルターと帯域通過フィルターとの組み合わせ体である。さらに、好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル適応型フィルターのいずれかである。
【００３５】
次に、工程５２０において示されているように、上記測定したｒｍｓ値の負荷に対する変化率を所定の値に対して比較する。この増加している負荷に対応する変化率が所定の値よりも高い場合には、ハンド・ピース／ブレードが横方向の挙動を示す直前であるか、ブレードを不適当な使用状態にしている横モードの振動が含まれていることになり、工程５３０において示されているように、「ブレードが横モードを有している（Blade Has Transverse Mode）」というメッセージがＬＣＤ（液晶表示装置）上に表示される。本発明の実施形態において、上記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体に対応する所定値はゼロよりも大きい。
【００３６】
本発明の実施形態において、ブレードが周波数ずれしている横モードを含むか否かを決定するために多数個の帯域通過フィルターの互いに対する比率値が用いられる。あるいは、横モードの挙動が存在しているか否かを示すために入力駆動信号レベルに対する帯域通過フィルターの出力レベルの比率値が用いられる。
【００３７】
また、別の実施形態において、上記フィルターの出力をモニターするために２個以上のノッチ・フィルターが用いられている。この場合に、これら多数個のフィルターの出力ｒｍｓレベルが測定されて所定のレベルに対して比較される。このｒｍｓレベルが所定のレベルを超える場合には、横モードの挙動が存在していることになる。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態において、上記所定の閾値レベルがハンド・ピースを超音波発生装置に接続しているコネクターに記憶されているブレードＩＤコードに基づいて設定される。
【００３９】
上記の方法により、超音波ハンド・ピース／ブレードの振動における横モードの振動の自動検出が行なえる。また、不良のハンド・ピースおよび／またはブレードの容易な確認も行なえる。この方法は凝固の狭い領域を囲む組織に対する損傷の減少による患者の安全性および患者の治癒時間の改善を提供する。
【００４０】
以上において本発明を詳細に説明し図示したが、これらの説明および図示は例示を目的としていて、本発明の制限を目的としていないことが明らかに理解されると考える。なお、本発明の範囲および趣旨は本明細書に記載する特許請求の範囲およびその実施態様のみにより制限されるべきである。
【００４１】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（Ａ）超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、前記駆動信号の経時的な変化をモニターする工程と、フィルターからの出力信号のレベルを測定する工程と、前記出力信号を所定のレベルに対して比較する工程と、前記所定信号が前記所定のレベルを超えている場合に、前記発生装置における液晶表示装置上に一定のメッセージを表示する工程を含む方法。
（Ｂ）超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化をモニターする工程と、前記フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化を所定のレベルに対して比較する工程と、前記ｒｍｓ値が前記所定のレベルを超えている場合に、一定のメッセージを表示装置上に表示する工程を含む方法。
（１）前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む実施態様（Ａ）に記載の方法。
（２）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（１）に記載の方法。
（３）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（２）に記載の方法。
（４）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（３）に記載の方法。
（５）前記トラッキングがノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（Ａ）に記載の方法。
【００４２】
（６）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（５）に記載の方法。
（７）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（６）に記載の方法。
（８）前記所定のレベルがゼロよりも大きい実施態様（Ａ）に記載の方法。
（９）前記メッセージを表示する工程が、
前記液晶表示装置上に「ブレードが横モードを有している」というメッセージを表示する工程を含む実施態様（Ａ）に記載の方法。
（１０）前記駆動信号が約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数において供給され、電流が約２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の範囲内で供給される実施態様（Ａ）に記載の方法。
【００４３】
（１１）前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１２）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（１１）に記載の方法。
（１３）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（１２）に記載の方法。
（１４）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（１１）に記載の方法。
（１５）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００４４】
（１６）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（１５）に記載の方法。
（１７）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（１６）に記載の方法。
（１８）前記所定のレベルがゼロよりも大きい実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１９）前記メッセージを表示する工程が、前記液晶表示装置上に「ブレードが横モードを有している」というメッセージを表示する工程を含む実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２０）前記駆動信号が約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数において供給され、電流が約２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の範囲内で供給される実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００４５】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、従来に比して優れた超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横モード振動を検出するための方法が提供できる。
本発明の上記およびそれ以外の利点および特徴が以下の添付図面に基づいて記載されている本発明の好ましい実施形態の詳細な説明によりさらに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施している超音波外科切断止血システム用のコンソール、ならびに、ハンド・ピースおよびフット・スイッチの概略図である。
【図２】図１のシステムにおける超音波メス用ハンド・ピースの断面の概略図である。
【図３】本発明の方法を実施するための超音波発生装置を示している概略図である。
【図４】本発明の方法を実施するための超音波発生装置を示している概略図である。
【図５】本発明の方法の好ましい実施形態を示しているフロー・チャートである。
【図６】本発明の別の実施形態を示しているフロー・チャートである。
【符号の説明】
１０ コンソール
２０ ケーブル
３０ ハンド・ピース
３２ ブレード
３４ スイッチ
４０ フット・スイッチ
５０ 別のケーブル
４００ ハンド・ピース／ブレードの励起工程
４１０ 信号モニター工程
４２０ 信号レベル測定工程
４３０ 信号レベル閾値超過決定工程
４３５ メッセージ表示工程
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に超音波外科システムに関し、特に、超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組織および血管を焼灼することにより軟質組織の切開および止血を同時に行なう二重の機能を実行するための外科器具として電気メスおよびレーザーが使用できることが知られている。しかしながら、これらの器具は凝固を行なうために極めて高い温度を使用しており、蒸発および発煙ならびにはねかえりを生じて、手術室の人員に対する感染性の病気の広がりの危険性を高める。加えて、このような器具の使用は熱的な組織損傷の比較的に広い領域を生じる場合が多い。
【０００３】
超音波駆動機構により高速度で振動している外科ブレードによる組織の切断および焼灼も良く知られている。このような超音波切断器具に付随する問題の一つは未調整または制振されていない振動および熱、ならびに、これらによる材料疲労である。そこで、手術室環境内において、ブレードを冷却するための熱交換装置を伴う冷却システムの使用によりこの加熱の問題を制御する試みがなされてきた。既知のシステムの一例において、例えば、超音波切断および組織破断システム等は切断部位の灌注および吸引のための循環水ジャケットおよび手段を増加した冷却システムを必要としている。また、別の既知のシステムは切断ブレードに低温流体の供給を必要としている。
【０００４】
トランスデユーサ内において発生する熱を制限するための手段として当該トランスデユーサに供給される電流を制限することが知られている。しかしながら、このような手段は患者の最も効果的な治療が必要とされる時にブレードに対して不十分な出力が生じる可能性がある。本特許出願の譲受人に譲渡されていて本明細書に参考文献として含まれるThomasに発行されている米国特許第５，０２６，３８７号は、ブレードに供給される駆動エネルギーを制御することにより、冷却剤を使用せずに超音波外科切断および止血システムにおける熱を制御するためのシステムを開示している。この特許によるシステムにおいては、一定の電圧、電流および、例えば、５５，５００サイクル／秒の周波数の電気的な信号を生成する超音波発生装置が備えられている。この発生装置は超音波トランスデユーサを形成している圧電セラミック素子を収容しているハンド・ピースにケーブルを介して接続されている。このハンド・ピース上のスイッチまたは別のケーブルにより発生装置に接続されているフット・スイッチに応答して、発生装置の信号がトランスデユーサに供給され、このトランスデユーサがその各素子の長手方向に沿う振動を生じる。さらに、一定の構造体がこのトランスデユーサを外科ブレードに接続しており、これにより外科ブレードが外科装置の信号のトランスデユーサへの供給時に振動して、超音波周波数において振動する。上記の構造体は所定の周波数で共振するように設計されており、これによりトランスデユーサにより開始される動作が増幅される。
【０００５】
上記トランスデユーサに供給される信号はブレードの負荷条件（組織に対する接触または後退）の連続的または周期的な感知に応じてトランスデユーサに対して要求に応じて出力を供給するように調整されている。この結果、この装置は、外科用メスの組織に対する接触の有無に応じて、アイドリング状態である低出力から、自動的に切断する状態である一定の選択可能な高出力に移行して動作する。第３に、ブレードが組織に対して接触していない時にアイドリング状態の出力レベルへの自動的な復帰を伴って高出力凝固モードが手動により選択できる。この超音波出力はブレードに対して連続的に供給されないので、周囲の熱の発生が少ないが、必要な時に切開および焼灼のために組織に対して十分なエネルギーを与えることができる。
【０００６】
上記Thomas特許における制御システムはアナログ型である。位相ロック・ループ（電圧制御発信器、周波数分割機、出力スイッチ、整合ネットワークおよび位相検出器を備えている）がハンド・ピースに供給される周波数を安定化する。さらに、ブレードにおける負荷によりハンド・ピースに供給される周波数、電流および電圧が変化するので、マイクロプロセッサがこれらのパラメータをサンプリングすることにより出力量を制御する。
【０００７】
Thomas特許において記載されているような、一般的な超音波外科システム内の発生装置における電力対負荷曲線は２個の部分を有している。第１の部分は負荷の増加時における増加している出力の正の勾配を有しており、この状態は定常的な電流供給を示している。第２の部分は負荷の増加時に減少している出力の負の勾配を有しており、この状態は定常的なまたは飽和状態の出力電圧を示している。上記第１の部分における調整された電流は各電子部品の設計により固定され、第２の部分における電圧はこの設計の最大出力電圧により制限される。この構成はこのような装置における出力の電力対負荷特性がハンド・ピースのトランスデユーサおよび超音波ブレードの多様な種類に対して最適化できないために柔軟性を欠いている。このような外科器具における従来的なアナログ型の超音波出力システムの特性は動作温度の変化による発生装置内の各電子部品における部品の許容度およびそれらの変化性の影響を受ける。特に、温度変化は周波数ロック範囲、駆動信号レベル、およびその他のシステム性能測定値等の重要なシステム・パラメータにおける広範囲な変化を生じる可能性がある。
【０００８】
効率的な様式で超音波外科システムを動作するために、開始時において、ハンド・ピースのトランスデユーサに供給される信号の周波数を一定の範囲にわたり掃引してその共振周波数を位置決めする。この共振周波数が見つかると、上記発生装置の位相ロック・ループがその共振周波数にロックし、電圧位相角度に対するトランスデユーサの電流を継続してモニターして、トランスデユーサをその共振周波数において駆動することにより共振状態に維持する。このようなシステムにおける重要な機能は共振周波数を変化する負荷および温度の変化においてトランスデユーサを共振状態に維持することである。しかしながら、上記のような従来的な超音波駆動システムは適応性のある周波数制御に関してほとんど、または全く柔軟性がない。このような柔軟性は不所望な共振を識別するためのシステム能力において重要である。特に、これらのシステムは一方向における共振、すなわち、各周波数の増減による共振に対して探索できるだけであり、これらの探索パタンは固定されている。このようなシステムは（ｉ）どの共振を飛び越えて、どの共振にロックするか等の、目的以外の共振を飛び越えること、または発見的な決定を行なうことができず、（ｉｉ）適当な周波数ロックが達成されている時のみに出力を確実に供給することができない。
【０００９】
また、上記従来技術の超音波発生装置のシステムは当該システムに適応性のある制御アルゴリズムを使用可能にして決定を実行可能にする振幅制御に関してほとんど柔軟性がない。例えば、これらの固定されたシステムはブレードにおける負荷および／または電圧位相角度に対する電流に基づく電流または周波数等の出力駆動に関して発見的な決定を行なう能力に欠けている。また、このことはトランスデユーサの使用寿命を増加してブレードに対応する安全な動作条件を確立することのできる一貫した効率的な性能のための最適なトランスデユーサの駆動信号を設定するシステム能力も制限する。さらに、このような振幅に関する制御および周波数制御の欠如はトランスデユーサ／ブレード・システムについての診断試験を行なうため、および一般に故障探求（トラブルシューティング）を支援するためのシステム能力を低下させる。
【００１０】
過去において行なわれていた一部の制限された診断試験はトランスデユーサに信号を送り、ブレードを動作させてシステムを共振状態またはその他の振動モードにする処理を含む。その後、システムがこれらのモードの一つになった時にトランスデユーサに供給される電気的な信号を測定することによりブレードの応答が決定される。本明細書に参考文献として含まれる２０００年１０月２０日に出願されている米国特許出願第０９／６９３，６２１号において記載されている超音波システムは出力駆動周波数を掃引する能力、超音波トランスデユーサおよびブレードの周波数応答をモニターする能力、この応答から各パラメータを抽出する能力、およびシステム診断のためにこれらのパラメータを使用する能力を備えている。この周波数掃引および応答測定モードは従来技術の超音波システムにおいて存在しない高い解像度、精度、および再現性により出力駆動周波数を段階付けできるようにデジタル・コードを介して達成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の超音波システムに付随する別の問題はハンド・ピース／ブレード内の不所望な振動である。超音波ブレードはハンド・ピース／ブレードの振動の長手軸に対して垂直な軸に沿っても振動する。このような振動は横モード振動と呼ばれる。長手方向（または縦方向）の振動をＸ，Ｙ，Ｚの座標軸におけるＺ方向であると考えると、ブレードのＹ軸に沿う振動が横方向の「フラップ・モード（flap mode）」の振動と呼ばれ、ブレードのＸ軸に沿う振動が横方向の「フック・モード（hook mode）」の振動と呼ばれる。一般的に、ブレードはこれらのブレード部分を囲むシース部分を有している。それゆえ、過度の横モードの振動は熱を発生し、この熱により高いブレード・シースの温度が生じる。このような過度の熱はブレードも加熱して、凝固の狭い領域を囲む組織に対して損傷を与える可能性があり、この損傷は患者の治癒および回復の時間に悪影響を及ぼす可能性がある。加えて、横モードの振動はブレード先端部の不良化を生じることも有り得る。さらに、これらの振動は損傷したトランスデユーサ・ディスク等のハンド・ピースにおける欠陥部分の指示手段にもなり得る。過度の横モードの振動は聴取可能な場合が多いが、超音波発生装置がハンド・ピース／ブレードを駆動不能になるまで使用者がこれらを無視する場合がかなり多い。それゆえ、過度に加熱されたブレードにより生じ得る組織損傷等の不所望な作用を防ぐために横モードの振動を検出することが有利である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横モード振動を検出するための方法である。発生装置の駆動周波数の中心に設定されているトラッキング・フィルターを用いて超音波発生装置の駆動周波数をモニターして、駆動信号が所定レベルを超える場合にその信号を減衰する。このトラッキング・フィルターは広い通過帯域を有している。あるいは、幾つかの領域に分割される一定の通過帯域を有するトラッキング・フィルターを用いて別の調波における共振等の別の縦方向の共振を回避する、あるいは、このような処置を採らない場合にフィルターのトラッキング精度により見落とす可能性のある別のスペクトルの特徴部分を回避する。本発明の実施形態において、上記トラッキング・フィルターはノッチ・フィルター（notch filter）またはノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体により実施されている。好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターまたは帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル型フィルターのいずれかである。
【００１３】
本発明によれば、出力が任意のブレードに対応する所定の閾値を超えているか否かを決定するために、電流センス回路または電圧センス回路の中に配置されているフィルターにおけるｒｍｓ値等の出力レベルをモニターする。好ましい実施形態において、フィルターが上記電圧センス回路の中に配置されている。このノッチ・フィルターのｒｍｓ値が所定のレベルを超えていれば、そのハンド・ピース／ブレードは横モード振動を含んでいる。あるいは、ブレードが横方向の挙動を示す寸前であるか否か、または何らかの横方向の挙動がブレードを使用に適さなくしているか否かを示すために、上記ｒｍｓ値の負荷についての変化速度が用いられる。
【００１４】
本発明の実施形態において、ブレードが頻発外の横モードを含むか否かを決定するために多数のノッチ・フィルターの互いに対する比率が用いられる。あるいは、ノッチ・フィルターの出力レベルの入力駆動信号レベルに対する比率がハンド・ピース／ブレードの中に存在している横モードの挙動の有無を示すために用いられる。
【００１５】
本発明の別の実施形態において、上記所定の閾値レベルがハンド・ピースを超音波発生装置に接続しているコネクタの中に保管されているブレードＩＤコードに基づいて設定される。
【００１６】
上記方法は超音波ハンド・ピース／ブレードにおける共振外の横モード振動の自動検出を行なう。さらに、この方法は不良のハンド・ピースおよび／またはブレードの容易な確認を可能にする。この結果、凝固の狭い領域を囲む組織に対する損傷の減少により患者の安全性および回復時間が改善される。加えて、上記方法は横モードの検出のための周波数掃引を行なうために発生装置のソフトウェア／ハードウェアにＦＦＴアナライザーを加えることに伴う費用を回避する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による方法を実施するためのシステムの概略図である。ケーブル２０内の第１の組のワイヤにより、電気的なエネルギー、すなわち、駆動電流がコンソール１０からハンド・ピース３０に送られ、このハンド・ピース３０がブレード３２等の外科装置を長手方向または縦方向に移動する。このブレードは組織の同時的な切開および焼灼のために使用できる。ハンド・ピース３０への超音波電流の供給は当該ハンド・ピース上に配置されているスイッチ３４の制御下に行なうことができ、このスイッチ３４はケーブル２０を介してコンソール１０内の発生装置に接続されている。さらに、この発生装置は別のケーブル５０によりコンソール１０に接続されているフット・スイッチ４０により制御することもできる。従って、外科医は自分の指によりハンド・ピース上のスイッチ３４を動作するか、自分の足によりフット・スイッチ４０を動作することにより、超音波電気信号をハンド・ピースに供給して、一定の超音波周波数においてブレードを縦方向に振動させることができる。
【００１８】
発生装置コンソール１０は液晶表示装置１２を備えており、この表示装置１２は最大の切断出力における割合または切断出力に付随する数値的な出力レベル等の種々の手段において選択された切断出力レベルを指示するために使用できる。さらに、この液晶表示装置１２は上記システムにおける別のパラメータを表示するためにも使用できる。さらに、パワー・スイッチ１１が装置を始動するために使用されている。出力供給時に、「待機（standby）」ライト１３が点灯する。待機モードにするために、このボタン１３を押す。動作の準備が完了すると、「準備完了（ready）」指示器１４が点灯して、待機ライトが消える。さらに、装置が最大出力を供給する場合に、ＭＡＸボタン１５が押される。また、比較的に少ない出力が望まれる場合には、ＭＩＮボタン１７が活性化される。この処理によりＭＡＸボタンは自動的に不活性化される。さらに、ＭＩＮボタンの活性時における出力レベルがボタン１６により設定される。
【００１９】
上記スイッチ３４またはスイッチ４０のいずれかの動作により超音波ハンド・ピースに出力を供給する場合に、上記の組立体は外科用メスまたはブレードを約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）において縦方向または長手方向に振動させ、この縦方向の移動量は使用者により調節可能に選択される様式で供給される駆動出力（電流）の量に比例して変更できる。比較的に高い切断出力が供給される場合には、ブレードはその超音波振動速度において約４０ミクロン乃至１００ミクロンの範囲内で縦方向に移動するように設計されている。このようなブレードの超音波振動はブレードが組織に対して接触する時に熱を発生する。すなわち、ブレードの組織内における加速により、ブレードを移動している機械的なエネルギーが極めて狭い局在化した領域内において熱的なエネルギー変わる。さらに、この局在化した熱により凝固の狭い領域が形成され、この凝固領域が１ミリ以下の直径の小血管における出血を減少または消去する。この場合のブレードの切断効率ならびに止血の程度は供給される駆動出力のレベル、外科医の切断速度、組織の種類による性質および組織の血管分布により変化する。
【００２０】
図２においてさらに詳細に示されているように、超音波ハンド・ピース３０は電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換してトランスデユーサの両端部における縦方向の振動を生じる圧電変換器またはトランスデユーサ３６を収容している。このトランスデユーサ３６はセラミック圧電素子の積層体またはスタックの形態であり、このスタックに沿う特定の点に配置されている動作ゼロ点を有している。このトランスデユーサ・スタックは２個の円筒体３１および円筒体３３の間に取り付けられている。さらに、円筒体３５が円筒体３３に取り付けられていて、この円筒体３５が別の動作ゼロ点３７におけるハウジングに取り付けられている。また、ホーン３８がその一端側において上記ゼロ点に、および他端側においてカップラー３９に取り付けられている。さらに、このカップラー３９にブレード３２が固定されている。この結果、ブレード３２はトランスデユーサ３６と共に超音波周波数で縦方向に沿って振動する。このトランスデユーサの両端部は、当該トランスデユーサがその共振周波数において約３８０ｍＡ・ＲＭＳの電流により駆動される時に、不動作の節部を構成している上記スタックにおける部分を伴って最大動作を達成する。しかしながら、この最大動作を行なう電流は各ハンド・ピースにより変化し、システムがハンド・ピースを使用できるように当該ハンド・ピースにおける不揮発性記憶装置の中に記憶されている弁である。
【００２１】
上記ハンド・ピースの各部分はこれらの組み合わせ体が同一の共振周波数において発振するように設計されている。特に、各構成要素は当該各要素の最終的な長さが１／２波長であるように調整されている。縦方向に沿う前後動作は直径が音響学的な取り付け式のホーン３８のブレード３２に近づくにつれて減少している場合に増幅される。従って、ホーン３８ならびにブレード／カップラーはブレードの動作を増幅してその音響システムの残部に対して共鳴している調和振動を行なうように形状付けられて寸法付けられており、このことにより、ブレード３２に近接している音響学的な取り付け式のホーン３８の端部における最大の前後動作が生じる。この結果、上記トランスデユーサ・スタックにおける動作はホーン３８により約２０ミクロン乃至２５ミクロンの動作に増幅される。さらに、上記カップラー３９における動作はブレード３２により約４０ミクロン乃至１００ミクロンの動作に増幅される。
【００２２】
上記ハンド・ピース内のトランスデユーサを駆動するための超音波の電気的信号を生じるシステムが図３および図４において示されている。この駆動システムは柔軟であり、所望の周波数および出力レベルの設定において駆動信号を生じることができる。このシステムにおけるＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサは適当な出力パラメータおよび振動周波数をモニターするため、ならびに、切断モードまたは凝固モードのいずれかにおいて供給される適当な出力レベルを生じるために用いられる。また、このＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサはハンド・ピース／ブレード等のシステムにおける各構成部品についての診断試験を行なうために使用されるコンピュータ・プログラムを記憶している。
【００２３】
例えば、上記ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０において記憶されている、位相補正アルゴリズム等の、プログラムの制御下において、始動中の周波数が、例えば、５０ｋＨｚ等の特定の値に設定できる。次に、共振に対する接近を示すインピーダンスにおける一定の変化が検出されるまで特定速度での掃引処理が行なわれる。その後、例えば、５５ｋＨｚ等の共振周波数をシステムがオーバーシュートしないようにこの掃引速度を減少できる。この掃引速度は、例えば、５０サイクル等の増加分における周波数変化を有することにより達成できる。また、さらに遅い速度が望まれる場合は、上記プログラムはこの増加分を、例えば、２５サイクルに減少することができ、これらは共に測定したトランスデユーサ・インピーダンスの大きさおよび位相に適応するように決定できる。もちろん、さらに速い速度も上記増加分の大きさを増すことにより達成できる。さらに、上記掃引速度は上記周波数の増加分を更新する速度を変化することにより変えることができる。
【００２４】
さらに、例えば、５１ｋＨｚ等における不所望な共振モードが分かっている場合には、上記プログラムは、例えば、６０ｋＨｚから低周波数側に周波数掃引して共振を検出できる。また、上記システムは５０ｋＨｚから掃引して不所望な共振の位置が決定している５１ｋＨｚを飛び越えることも可能である。いずれの場合においても、上記システムは高度な柔軟性を有する。
【００２５】
操作において、使用者は外科器具に対して使用するべき特定の出力レベルを設定する。この操作は上記コンソールのフロント・パネルにおける出力レベル選択スイッチ１６により行なわれる。このスイッチはＤＳＰ６０に供給される信号１５０を発生する。その後、ＤＳＰ６０は電線１５２（図４）を介して信号をコンソール・フロント・パネルの表示装置１２に送ることによりその選択された出力レベルを表示する。
【００２６】
外科ブレードを実際に振動させるためには、使用者はフット・スイッチ４０またはハンド・ピース・スイッチ３４を活性化する。この活性化により、信号が図３における電線１５４上に送られる。この信号はプッシュ−プル増幅器７８からトランスデユーサ３６に供給される出力を生じるために有効に作用する。上記ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がハンド・ピース・トランスデユーサの共振周波数のロック・オンを既に実行していて、出力がハンド・ピース・トランスデユーサに有効に供給されている場合に、一定の音響駆動信号が電線１５６上に送られる。この処理により音を出すためのシステム内における音響的指示が行なわれ、この指示により使用者に対して出力がハンド・ピースに供給されていること、および外科用メスが活性化していて動作状態にあることが通知される。
【００２７】
さらに、インピーダンス測定値および位相測定値を得るために、上記ＤＳＰ６０および図３および図４におけるその他の回路要素が用いられる。特に、プッシュ−プル増幅器７８は出力変圧器８６に対して超音波信号を供給し、この変圧器８６はさらにケーブル２６内の電線８５を介してこの信号をハンド・ピース内の圧電トランスデユーサ３６に供給する。この電線８５内の電流および電圧は電流センス回路８８および電圧センス回路９２により検出される。さらに、これら電流および電圧の各センス信号は平均電流回路１２０および平均電圧回路１２２にそれぞれ送られ、これらの回路はこれらの信号の平均値をそれぞれ取り出す。この平均の電圧はアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２６によりＤＳＰ６０に入力されるデジタル・コードに変換される。同様に、平均の電流信号がアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１２４によりＤＳＰ６０に入力されるデジタル・コードに変換される。さらに、ＤＳＰ６０において、電圧対電流の比率値が進行中の基準に基づいて計算されて、周波数の変化時における現在のインピーダンス値が得られる。この場合に、共振に接近するとインピーダンスにおける有意差のある変化が生じる。
【００２８】
上記電流センス回路８８および電圧センス回路９２からの各信号は各零交叉検出器１００，１０２に対しても供給される。これらの検出器は各信号が零を交叉する場合にいつでもパルスを発生する。検出器１００からのパルスは位相検出論理回路１０４に供給され、この論理回路１０４は上記信号により開始するカウンターを備えている。同様に、検出器１０２からのパルスが論理回路１０４に供給されて、上記カウンターを停止するために使用できる。この結果、このカウンターにより得られたカウント値が電線１０４上のデジタル・コードになり、このコードが上記電流と電圧との間の差を示す。さらに、この位相差の大きさは共振の指示手段でもある。これらの信号は位相ロック・ループの一部として使用することができ、この位相ロック・ループは、例えば、プッシュ−プル増幅器７８を駆動する直接デジタル合成（ＤＤＳ）回路１２８に対して一定の周波数信号を発生するためにＤＳＰ６０における一定の位相設定点に対して上記位相差を比較することにより、発生装置の周波数を共振に対してロック・オンする。
【００２９】
さらに、上記インピーダンスおよび位相の各値はブレードの緩みの有無を検出するための動作の診断段階において上述したように使用できる。この場合に、上記ＤＳＰ６０は共振における位相ロックの確立を探求せずに、むしろ、ハンド・ピースを特定の各周波数において駆動して、そのインピーダンスおよび位相を測定することによりブレードが固定されているか否かを決定する。
【００３０】
図５は本発明の好ましい実施形態を示しているフロー・チャートである。図３および図４において示されているＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０に記憶されているプログラムの制御下において、本発明の方法は、工程４００において示されているように、ハンド・ピース／ブレードを励起するために超音波発生装置を使用することにより実施される。好ましい実施形態において、この駆動信号は２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の電流範囲および５５．５ｋＨｚの周波数を有する超音波信号である。
【００３１】
次に、工程４１０において示されているように、有意差のある量の周波数ずれしている横モード振動が生じたか否かを検出するために電流センス回路８８または電圧センス回路９２（図４参照）において配置されているフィルターにより、上記駆動信号の負荷および温度の結果としての経時的な変化をモニター、すなわち、追跡またはトラッキングする。好ましい実施形態において、上記フィルターは電圧センス回路９２の中に配置されている。次に、工程４２０において示されているように、上記フィルターの出力信号を測定する。さらに、工程４３０において示されているように、測定した出力信号のレベルを所定の閾値に対して比較する。本発明の実施形態において、上記フィルターはノッチ・フィルターまたはノッチ・フィルターと帯域通過フィルターとの組み合わせ体である。さらに、好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル適応型フィルターのいずれかである。上記出力信号のレベルが所定のレベルを超えている場合に、ハンド・ピース／ブレードが周波数ずれしている共振モードを含んでいることになり、工程４３５において示されているように、「ブレードが横モードを有している（Blade Has Transverse Mode）」というメッセージが超音波発生装置に配置されているＬＣＤ（液晶表示装置）上に表示される。
【００３２】
別の実施形態において、上記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体からの出力信号のｒｍｓレベルの比率値が測定される。この測定されたｒｍｓ信号比率値は所定の閾値に対して比較される。好ましい実施形態において、この所定の閾値は約−２０ｄｂである。
【００３３】
図６は本発明の別の実施形態を示しているフロー・チャートである。図３および図４において示されているＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０に記憶されているプログラムの制御下において、超音波発生装置は、工程５００において示されているように、ハンド・ピース／ブレードを励起するために用いられる。好ましい実施形態において、この駆動信号は２００ｍａ乃至４００ｍａの電流範囲、および５５．５ｋＨｚの周波数を有する超音波信号である。
【００３４】
次に、工程５１０において示されているように、上記フィルターからの出力信号のｒｍｓ値の負荷に対する変化率を継続的にモニターする。このフィルターからの出力信号のｒｍｓ値のレベルにおける変化はブレードが横方向の挙動を示す直前にあるか否か、または何らかの横方向の挙動がブレードを不適当な使用状態にしているか否かを示すために用いられる。あるいは、上記フィルター出力のｒｍｓ値のレベルにおける負荷に対する変化は始動時（すなわち、ブレードが活性される時間ごと）に検出される。本発明の実施形態において、上記フィルターはノッチ・フィルターまたはノッチ・フィルターと帯域通過フィルターとの組み合わせ体である。さらに、好ましい実施形態において、これらのノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターはスイッチ式容量型フィルター等のアナログ適応型フィルター、または有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルターまたは無限インパルス（ＩＩＲ）フィルター等のデジタル適応型フィルターのいずれかである。
【００３５】
次に、工程５２０において示されているように、上記測定したｒｍｓ値の負荷に対する変化率を所定の値に対して比較する。この増加している負荷に対応する変化率が所定の値よりも高い場合には、ハンド・ピース／ブレードが横方向の挙動を示す直前であるか、ブレードを不適当な使用状態にしている横モードの振動が含まれていることになり、工程５３０において示されているように、「ブレードが横モードを有している（Blade Has Transverse Mode）」というメッセージがＬＣＤ（液晶表示装置）上に表示される。本発明の実施形態において、上記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの組み合わせ体に対応する所定値はゼロよりも大きい。
【００３６】
本発明の実施形態において、ブレードが周波数ずれしている横モードを含むか否かを決定するために多数個の帯域通過フィルターの互いに対する比率値が用いられる。あるいは、横モードの挙動が存在しているか否かを示すために入力駆動信号レベルに対する帯域通過フィルターの出力レベルの比率値が用いられる。
【００３７】
また、別の実施形態において、上記フィルターの出力をモニターするために２個以上のノッチ・フィルターが用いられている。この場合に、これら多数個のフィルターの出力ｒｍｓレベルが測定されて所定のレベルに対して比較される。このｒｍｓレベルが所定のレベルを超える場合には、横モードの挙動が存在していることになる。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態において、上記所定の閾値レベルがハンド・ピースを超音波発生装置に接続しているコネクターに記憶されているブレードＩＤコードに基づいて設定される。
【００３９】
上記の方法により、超音波ハンド・ピース／ブレードの振動における横モードの振動の自動検出が行なえる。また、不良のハンド・ピースおよび／またはブレードの容易な確認も行なえる。この方法は凝固の狭い領域を囲む組織に対する損傷の減少による患者の安全性および患者の治癒時間の改善を提供する。
【００４０】
以上において本発明を詳細に説明し図示したが、これらの説明および図示は例示を目的としていて、本発明の制限を目的としていないことが明らかに理解されると考える。なお、本発明の範囲および趣旨は本明細書に記載する特許請求の範囲およびその実施態様のみにより制限されるべきである。
【００４１】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（Ａ）超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、前記駆動信号の経時的な変化をモニターする工程と、フィルターからの出力信号のレベルを測定する工程と、前記出力信号を所定のレベルに対して比較する工程と、前記所定信号が前記所定のレベルを超えている場合に、前記発生装置における液晶表示装置上に一定のメッセージを表示する工程を含む方法。
（Ｂ）超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化をモニターする工程と、前記フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化を所定のレベルに対して比較する工程と、前記ｒｍｓ値が前記所定のレベルを超えている場合に、一定のメッセージを表示装置上に表示する工程を含む方法。
（１）前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む実施態様（Ａ）に記載の方法。
（２）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（１）に記載の方法。
（３）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（２）に記載の方法。
（４）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（３）に記載の方法。
（５）前記トラッキングがノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（Ａ）に記載の方法。
【００４２】
（６）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（５）に記載の方法。
（７）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（６）に記載の方法。
（８）前記所定のレベルがゼロよりも大きい実施態様（Ａ）に記載の方法。
（９）前記メッセージを表示する工程が、
前記液晶表示装置上に「ブレードが横モードを有している」というメッセージを表示する工程を含む実施態様（Ａ）に記載の方法。
（１０）前記駆動信号が約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数において供給され、電流が約２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の範囲内で供給される実施態様（Ａ）に記載の方法。
【００４３】
（１１）前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１２）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（１１）に記載の方法。
（１３）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（１２）に記載の方法。
（１４）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（１１）に記載の方法。
（１５）前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００４４】
（１６）前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである実施態様（１５）に記載の方法。
（１７）前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである実施態様（１６）に記載の方法。
（１８）前記所定のレベルがゼロよりも大きい実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（１９）前記メッセージを表示する工程が、前記液晶表示装置上に「ブレードが横モードを有している」というメッセージを表示する工程を含む実施態様（Ｂ）に記載の方法。
（２０）前記駆動信号が約５５．５キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数において供給され、電流が約２００ミリアンペア（ｍａ）乃至４００ミリアンペア（ｍａ）の範囲内で供給される実施態様（Ｂ）に記載の方法。
【００４５】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、従来に比して優れた超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横モード振動を検出するための方法が提供できる。
本発明の上記およびそれ以外の利点および特徴が以下の添付図面に基づいて記載されている本発明の好ましい実施形態の詳細な説明によりさらに明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施している超音波外科切断止血システム用のコンソール、ならびに、ハンド・ピースおよびフット・スイッチの概略図である。
【図２】図１のシステムにおける超音波メス用ハンド・ピースの断面の概略図である。
【図３】本発明の方法を実施するための超音波発生装置を示している概略図である。
【図４】本発明の方法を実施するための超音波発生装置を示している概略図である。
【図５】本発明の方法の好ましい実施形態を示しているフロー・チャートである。
【図６】本発明の別の実施形態を示しているフロー・チャートである。
【符号の説明】
１０ コンソール
２０ ケーブル
３０ ハンド・ピース
３２ ブレード
３４ スイッチ
４０ フット・スイッチ
５０ 別のケーブル
４００ ハンド・ピース／ブレードの励起工程
４１０ 信号モニター工程
４２０ 信号レベル測定工程
４３０ 信号レベル閾値超過決定工程
４３５ メッセージ表示工程
Claims (8)
- 超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、
超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、
前記駆動信号の経時的な変化をモニターする工程と、
フィルターからの出力信号のレベルを測定する工程と、
前記出力信号を所定のレベルに対して比較する工程と、
前記所定信号が前記所定のレベルを超えている場合に、前記ハンド・ピース／ブレードが横振動を含んでいることを示すように、前記発生装置における液晶表示装置上に一定のメッセージを表示する工程を含み、
前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む方法。 - 超音波ハンド・ピース／ブレードにおける横振動を検出するための方法において、
超音波発生装置によりハンド・ピース／ブレードに駆動信号を供給する工程と、
フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化をモニターする工程と、
前記フィルターからの出力信号におけるｒｍｓ値の負荷についての変化を所定のレベルに対して比較する工程と、
前記ｒｍｓ値が前記所定のレベルを超えている場合に、前記ハンド・ピース／ブレードが横振動を含んでいることを示すように、一定のメッセージを表示装置上に表示する工程を含み、
前記モニター工程が、有意差のある量の周波数ずれしている横モードの振動が生じていたか否かを決定するために前記駆動信号をトラッキングする工程を含む方法。 - 前記トラッキング工程がノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターの少なくとも一方を用いて行なわれる請求項１または２に記載の方法。
- 前記ノッチ・フィルターおよび帯域通過フィルターがアナログ型フィルターおよびデジタル型フィルターのいずれかである請求項３に記載の方法。
- 前記アナログ型フィルターがスイッチ式容量型フィルターであり、前記デジタル型フィルターが有限インパルス応答フィルターまたは無限インパルス・フィルターのいずれかである請求項４に記載の方法。
- 前記所定のレベルがゼロよりも大きい請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
- 前記メッセージを表示する工程が、
前記液晶表示装置上に「ブレードが横モードを有している」というメッセージを表示する工程を含む請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。 - 前記駆動信号が約５５．５キロヘルツの周波数において供給され、電流が約２００ミリアンペア乃至４００ミリアンペアの範囲内で供給される請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。
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