JP4955549B2 - 超音波発生器システム - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は超音波発生器システムに関連する。排他的ではなくより詳細には、本発明は、導波管に適用されることになる、共振ねじり周波数を達成し維持することができる、発生器システムに関連する。

発明の背景

ねじり導波管は多くの数の自然周波数を持っているが、それらのわずかの数のみが有用である。共振条件の大多数は屈曲モードであり、このことは望ましくない。

理想的には、従来の駆動回路が細長いねじり振動可能導波管を動力できるとよい。しかしながら、従来の回路を満足させるために、何らかの代替共振モードから少なくとも１．０ｋＨｚの周波数差だけ離される必要があるので、一意のねじりモード共振を使用することが望ましい場合には困難性がある。実際には、そのような導波管は望ましいモードの数百Ｈｚの範囲内に代替共振モードを示す。

欧州特許出願第１０２５８０６Ａ号から、超音波外科手術用デバイスが提供されることが知られており、超音波外科手術用デバイスでは、回路が共振条件に対する周波数を記憶し、回路が非共振条件を検出するときはいつも、信号をその条件に回復させる。

これはねじり振動モードに理想的には適していない。

同時係属中の英国出願第２３８２９４３号からも、望ましい共振モードを選択する発生器システムが提供されることが知られている。

しかしながら、そのようなシステムは、動作途中の動作パラメータの瞬時変化に対処する柔軟性を常に持っているわけではない。

改良された周波数発生制御回路を提供することが、本発明の目的である。

プロシージャーのエンドポイントが近づいていることを示す、外科手術プロシージャーで使用するためのシステムを提供することが、本発明のさらなる目的である。

本発明の第１の観点にしたがうと、超音波信号を発生させるステップと、そこからのフィードバック信号を監視するステップと、フィードバック信号のスキャンを実行するステップと、最小値が生じる周波数を決定するステップと、最小値が生じる周波数に超音波信号の周波数を調整するステップとを含む共振超音波信号を発生させる方法が提供される。

本発明の第２の観点にしたがうと、超音波信号を発生させるステップと、そこからのフィードバックの定期的な読み取りを行うステップと、動作のエンドポイントを示す変化に対するフィードバック信号の波形を監視するステップとを含む、超音波動力の動作の進行を決定する方法が提供される。

好ましくは、変化は前記導波管の振幅の変動を含む。

本発明の第３の観点にしたがうと、超音波振動を発生させる手段と、そのために上記第１および／または第２の観点で説明したような方法を実行するように適合された制御回路手段とを具備する超音波発生システムが提供される。

好ましくは、システムは前記発生手段に対して動作するように接続された、前記超音波振動に対する導波管手段を具備する。

システムはシステムの動作中のエラーをユーザに信号送信するアラート手段を具備すると都合がよい。

オプション的に、アラート手段は液晶ディスプレイ手段のような表示手段を備えていてもよい。

代わりにまたは付加的に、アラート手段は可聴アラート手段を備えていてもよい。

前記超音波振動はねじりモードでの振動であると好ましい。

添付の図面を参照することで、本発明の実施をより詳細に説明する。

実施形態の詳細な説明

超音波外科手術用器具またはこれに類する物の超音波変換器がその超音波発生器に完璧に整合しているとき、すべての利用可能な電力は変換器に伝えられ、器具は最適効率で動作するだろう。しかし、これが常に実際の状況であるわけではない。

超音波器具の導波管は多くの数の自然共振周波数を持っているが、これらは屈曲およびねじり振動モードの両方にある。これらの共振のうちのわずかなものだけが、そこで器具が動作している（例えば、体組織のような）基体に十分に結合して、有用な量のエネルギーを基体に伝えている。基体とかかわっている器具を含んでいるシステムの正確な共振は、離隔時の器具の共振とはまったく異なるだろう。（例えば、組織内の体液を固める凝固器具が動作しているとき）器具の動作下で基体が変化するにつれて、共振の位置が変化するだろう。共振の振幅はその位置とともに変化することがある。

共振の周波数は、適応される負荷による変化とともに、熱影響の結果によってもドリフトするかもしれない。

したがって、変換器がその最適周波数に理想的に整合されまたは同調されていない場合、発生器からの電力の一部分は変換器により反射され、発生器に戻される。この反射電力は発生器および関係する制御回路を通過している電流の波形を変え、したがって、反射された電力（または反射された電力を示すパラメータ）は、特定の瞬間における変換器の最適動作周波数を追跡するのに使用することができ、デジタル周波数制御装置によって、それにしたがって発生器周波数を設定（または再設定）するのに使用することができる。

図１はこのアプローチを具体化する、超音波変換器への電力供給のための回路を示す。概念的に示す回路の大部分は従来の形式のものである。電力制御ユニット１は変換器に送られることになる超音波信号の振幅を制御し、ＶＣＯ２は信号の周波数を制御する。増幅器回路３は電源制御装置１により特定された振幅と、ＶＣＯ２により設定された周波数とを効果的に結合し、出力４を通して超音波変換器（表示しない）に渡される信号を生成させる。

発生された周波数と特定の瞬間に負荷がある変換器の最適共振周波数との間のミスマッチにより引き起こされる、この信号中の変化を検出するために、フィードバック信号が増幅器回路３から抽出される。最も有用なフィードバック信号は、スイッチングデバイスＱ３ ５を通る電流の流れを表しているフィードバック信号である。このフィードバック信号は、正負の２つの成分に分けることができる。正の成分は増幅器から流れ出している順方向電流を表し、負の成分は増幅器の負荷が反動的であるときに存在する（すなわち、出力信号と変換器／器具／基体共振が整合していない）。負の電流は、それが「オン」状態にある間はＱ３スイッチングデバイス５を通して、または、その内部フリーホールダイオードを通して流れる。

付近からのフィードバック信号が精密整流器６に渡され、精密整流器６はフィードバック信号を正負の成分に分離する。正の成分は、第１の２次ローパスフィルタ７によりフィルタされ、負の成分は、第２の２次ローパスフィルタ８によりフィルタされる。フィルタされた正の成分は、順方向電流信号を表し、電力制御装置１とマイクロ制御装置９の両方に渡される。フィルタされた負の成分は、戻り電流信号を表し、マイクロ制御装置９のみに渡される。

マイクロ制御装置９は、示されているシステムの動作を調節し、直接的に電力制御装置１と、そして、デジタルアナログコンバータすなわちＤＡＣ１０を通してＶＣＯ２との両方に、動作するようにリンクされている。マイクロ制御装置９は内部アナログデジタルコンバータを備えており、内部アナログデジタルコンバータはフィードバック信号の正負の成分のそれぞれからのデジタルデータをサンプルする。これらのデジタルデータは、所定の任意の段階において共振周波数を位置特定して、ＶＣＯ２を最適周波数に同調させるためにスキャンプロシージャーまたは機能を使用して、マイクロ制御装置９内で分析される。デジタルデータは、変換器および／または器具の誤動作を検出するような、診断目的でも使用される。

「スキャン機能」プロシージャーのフローチャートを図２に示す。このプロセスを起動するために、段階１１においてマイクロ制御装置９はＶＣＯ２に命令して、共振周波数があると思われる予め選択された周波数範囲に渡って、その発生された周波数を少しずつ増加させる。

周波数は一連の小さなステップで少しずつ増加され、各ステップにおいて、上（段階１２）に説明したように、フィードバック信号はサンプルされ、デジタル化される。

ローパスデジタルフィルタを通して、サンプルされたデータをもう一周波フィルタし、雑音を減少させる（段階１３）。

次に、フィルタされたデータは数値的に微分される（段階１４）。このことはデータ中に存在しているかもしれない何らかの勾配を除去するが、最も重要なことは、共振において、フィードバック信号の戻り電流／負の成分が最小値になることである。したがって、共振に対応する各周波数において、その１次微分はゼロになるだろう。

次の段階１５では、ここでも１次微分がゼロである最大値から最小値を区別するために、微分されたデータが正方向でゼロと交差する場所の周波数が選択される（すなわち、戻り電流の２次微分は正である）。

これらの選択された周波数は、各選択された周波数において計算されたデジタル的にフィルタされたパラメータ値とともに、ログ記録される（段階１６）、（これは、問題となっている最小値の深さと幅の単純な測定であってもよく、または、より複雑なパラメータであってもよい）。

これらの選択された共振周波数およびそれらの対応しているパラメータ値から、（当然ながら、１つより多いそのような周波数が識別されていると仮定して、）最も適している最小値／共振を選択するために周波数選択戦略が適用される（段階１７）。

このようにして選択された最適周波数は、ＤＡＣ１０を通して、その新しい動作周波数としてＶＣＯ２に渡される（段階１８）。システムは予め選択された間隔に対してこの周波数で動作し、その後、「スキャン機能」が再起動され、変換器／器具／基体の組合せに対する最適動作周波数が変化しているかどうかチェックし、変化している場合は新しい最適動作周波数を設定する。

したがって、基体への最大エネルギー伝送に対して理想的な周波数において、または、理想的な周波数に非常に近い周波数において器具は常に動作するだろう。

示されているシステムのさらなる機能は、特に、器具の動作が完了に近づいている間に信号振幅を調節することである。各ケースにおいて、増幅器回路３から取られたフィードバック信号の特性は、器具の動作のエンドポイントの近くでかなり変化する。

マイクロ制御装置９は、フィードバック信号の順方向電流／正の成分を使用して、反射すなわち負荷電流の振幅を測定し、これにより、動作のエンドポイントが近づいていることを検出する。デジタル制御アルゴリズムを使用して、マイクロ制御装置９はそれにしたがってＤＣ電圧供給を修正するように電力制御装置１に命令し、電力制御装置１は増幅器回路３に送る。

フィードバック信号の順方向電流／正の成分は、例えば、意図された振幅が確実に送られるように従来のフィードバック信号として、電力制御装置１に直接送られる。

システムはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）を含み、その上にシステムステータスおよびエラーメッセージが表示される。例えば、外科手術用器具のハンドセットであってもよい導波管が、スタートアップ時においてシステムに正しく接続されていない場合、メッセージ「ハンドセットなし」が表示される。

いくつかのケースでは、外科手術用器具ハンドセットは、それらが柔組織以外の骨に接触する場合に、表面損傷する可能性があり、このことは、導波管の共振モードを変えることがある。そのような変化が大きい場合、それはエラーとして検出されるべきである。このケースでは、発生器は停止され、「ハンドセットを交換せよ」というメッセージがＬＣＤ上に表示される。システムは、これらのＬＣＤメッセージに対応する、ブザーのような可聴の警告も持っている。

信号の発生は、共振モードの周波数の不連続的な変化により示されるもののような、他のエラー条件に応答して停止されてもよい。

図１は、本発明を実現する制御構造の回路図を概念的に示す。 図２は、システムのフローチャートを概念的に示す。

Claims (7)

1. 超音波発生システムにおいて、
   超音波振動を発生させる手段と、
   そのために共振超音波信号を発生させるように適合された制御回路手段と、
   前記制御回路手段からのフィードバック信号を監視する手段と、
   前記フィードバック信号をスキャンする手段と、
   前記フィードバック信号の最小値が生じる周波数、または、前記フィードバック信号の最小値が生じるそれぞれの周波数を決定する手段と、
   前記フィードバック信号の最小値が生じる周波数、または、前記フィードバック信号の最小値が生じるそれぞれの周波数のうちの選択されたものに前記超音波信号の周波数を調整する手段と
   を具備するシステム。
2. 前記発生手段に対して動作するように接続された、前記超音波振動に対する導波管手段をさらに具備する、請求項１記載のシステム。
3. 前記システムの動作中のエラーをユーザに合図するアラート手段をさらに具備する、請求項１または２記載のシステム。
4. 前記アラート手段は表示手段を備える、請求項３記載のシステム。
5. 前記アラート手段は可聴アラート手段を備える、請求項３または４記載のシステム。
6. 前記超音波振動はねじりモードの振動である、請求項１ないし５のいずれか１項記載のシステム。
7. 共振超音波信号を発生させる方法において、
   超音波振動を発生させる手段と、そのための制御回路手段とを提供するステップと、
   超音波信号を発生させるステップと、
   前記制御回路手段からのフィードバック信号を監視するステップと、
   前記フィードバック信号のスキャンを実行するステップと、
   前記フィードバック信号の最小値が生じる周波数、または、前記フィードバック信号の最小値が生じるそれぞれの周波数を決定するステップと、
   前記フィードバック信号の最小値が生じる周波数、または、前記フィードバック信号の最小値が生じるそれぞれの周波数のうちの選択されたものに前記超音波信号の周波数を調整するステップと
   を含む方法。

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