JP5351935B2 - キャビテーション効果を利用するパルス化された超音波動力供給のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
[発明の分野]
本発明は、概略、外科組織除去システムの分野に関し、特に、水晶体超音波吸引術などの外科的処置の際の変調パルス超音波動力供給に関する。本出願は、2002年10月21日出願、発明者Kadziauskas等の“新規の拡張されたマイクロバースト超音波動力供給システム及び方法”という名称の米国特許出願第10/278,775号の一部継続出願であり、その全部が参照の上本明細書に組み込まれる。
水晶体超音波吸引術は、白内障などの目に関する問題点の治療において成功裏に利用されている。水晶体超音波吸引手術は角膜切り口を利用し、少なくとも一つの水晶体超音波吸引術の携帯外科器具、即ちハンドピースの先端を挿入する。ハンドピースは、切り口の内部に配置されると超音波駆動されて眼レンズを乳状化し、若しくは混濁部を砕き微細片にする針を含む。砕かれた混濁部微細片は、続いて、制御されつつ同じハンドピース若しくは別のハンドピースを用いて、除去され得る。医師は、切り口を介してレンズインプラントを眼の中に挿入し得る。切り口は癒合されてもよく、その結果患者は通常劇的に視力が良くなる。
は位相角度である。この動力移転効率式を利用すると、最も効率的なハンドピース稼動ポイントは、位相が0°に再接近するときに発生する。従って、最適なハンドピース動力移転効率は、できるだけ0°に近い位相値を達成するため動力周波数を制御することを要求する。この目的の達成は、超音波ハンドピースの位相角度はトランスデューサの装荷(loading)にも依存するという事実により、面倒なものになっている。トランスデューサの装荷(loading)は、針を含む機械的共鳴ハンドピースシステムを介して発生する。
本発明の第1の実施形態では、外科的状況内部で実施される外科的処置の間にエネルギを供給するための方法が示される。上記方法は、流体内部に一時的キャビテーションを十分に誘導する第1のエネルギレベルでエネルギを印加する工程と、流体内部で一時的キャビテーションを達成した後の所定の期間にエネルギを与える工程とを含む。上記のエネルギを与える工程は、第1のエネルギレベルより低い第2のエネルギレベルでエネルギを印加する工程を含む。
[デバイス]
図1は、概略符号10により示される、ブロック図での水晶体超音波吸引システムを表す。該システムは図1にて点線で囲まれるコントロールユニット12を有し、該コントロールユニット12は、減圧源となる可変速度善導ポンプ14、パルス化された超音波動力源16、及び、ポンプ速度コントローラ20と超音波動力レベルコントローラ22とに制御出力を与えるマイクロプロセッサコンピュータ18を、含む。減圧センサ24は、コンピュータ18に入力を与え、該コンピュータ18は蠕動ポンプ14の入力側の減圧レベルを示す。適切な排出はベント26により為される。
コンピュータ18は、前述の減圧センサ24からの信号によって、蠕動ポンプ14へのインプットライン47内に減圧レベルをプリセットするように応答する。ハンドピース30の閉塞−非閉塞状況に対応するコントロールユニット内の操作は、図3の流れ図に示される。図3に示すように、ハンドピース吸引ラインが閉塞していれば、減圧センサ24に感知される減圧レベルは増加し得る。コンピュータ18は、吸引速度、減圧レベル及び超音波動力レベルに対するオペレータ設定可能リミットを設け得る。図3に示されるように、減圧センサ24の感知する減圧レベルがハンドピース吸引ライン40の閉塞の結果として所定の値に達すると、コンピュータ18はポンプ速度コントロータ20に信号を与え蠕動ポンプ14の速度を変更し、このとこにより吸引速度を変更する。ハンドピース/針30を閉塞する部材の特徴に依存して、蠕動ポンプ14の速度は増加もし得るし減少もし得る。閉塞する部材が壊れると、減圧センサ24は減圧レベルでの低下を示し、コンピュータ18に蠕動ポンプ14の速度を非閉塞時の操作速度に変更させる。
[38kHz操作]
1クロック周期期間=1/F@38kHz=26.32×10−6秒
Iに対する1期間の部位=90°=26.32×10−6秒
4で割る=6.59×10−6秒
1参照周期に対する積分器アウトプット=(150×103V/秒)×(26.32×10−6秒)=3.95ボルト
90°周期期間からの積分器アウトプット=(150×103V/秒)×(6.59×10−6秒)=0.988ボルト
A/Dコンバータからの結果としての数値カウント=3.95ボルト/256カウント=0.0154ボルト/カウント
38kHzでの90°に対するA/Dカウントの実際の数=0.988/0.0154=64カウント
[47kHz動作]
1クロック周期期間=1/F@47kHz=21.28×10−6秒
Iに対する1期間の部位=90°=21.28×10−6秒
4で割る=5.32×10−6秒
1参照周期に対する積分器アウトプット=(150×103V/秒)×(21.28×10−6秒)=3.19ボルト
90°周期期間からの積分器アウトプット=(150×103V/秒)×(5.32×10−6秒)=0.798ボルト
A/Dコンバータからの結果としての数値カウント=3.19ボルト/256カウント=0.0124ボルト/カウント
47kHzでの90°に対するA/Dカウントの実際の数=0.798/0.0124=64カウント
以下の節は概略、一般的に水晶体超音波吸引処置を実効的に実施するために採用されるマイクロバーストエネルギの配布のタイプに、概略関連する。図5を参照して、選択された動力レベルの関数として変動するパルスデューティ周期を生成するための超音波動力源の基本的コントロールを示す流れ図を示す。個々の動力パルスは20ミリ秒より短い期間を有してもよい。図5に示すように、かつ例示に過ぎないが、33%パルスデューティ周期は、動力レベルが所与の閾値を超えるまで動作するのであり、この場合は33%である。その時点では、超音波動力レベルが50%の閾値を超えるまではパルスデューティ周期は50%まで増加することになり、更にこの時点ではパルスデューティ周期は66%まで増加する。超音波動力レベルが66%の閾値を超えると、動力源が連続して稼動する、即ち、100%のデューティ周期となる。33、50及び60のパーセントが図5に示されているが、種々のデューティ周期シフト点を定義するために、種々のデューティ周期に加えて他のパーセントレベルが選択されてもよい、ということは理解されるべきことである。この構成でのパルス期間は20ミリ秒以下であればよい。本明細書で説明する追跡メカニズムを伴うこのような制御により、20ミリ秒以下の期間でエネルギのバーストが可能になる。
従前の操作のための種々のパルス特性が図14に示される。図14から、パルスの操作は、プロットAに示すように約25kHz〜約50kHzの周波数の動力の一定の印加でもよく、プロットBに示すように40ミリ秒のオンの期間と40ミリ秒のオフの期間との80ミリ秒毎に一度のもの、即ち、毎秒12.5パルスを示すものであってもよい。一方で、超音波動力供給は、プロットCに示すように20ミリ秒のオンと20ミリ秒のオフからなる40ミリ秒に一度発生するものであってもよい。プロットDは、10ミリ秒のオンと10ミリ秒のオフからなる20ミリ秒毎に加えられる動力を示す。プロットEに示すような他の非周期的な構成が採用されてもよく、それは40ミリ秒毎に周期的に10ミリ秒動力の印加があり、30ミリ秒のオフがあるようなものである。
本発明は、キャビテーションの有益な効果を利用しこれに従ってエネルギを印加することによって、図14の波形の拡張を示す。外科環境におけるキャビテーションは、塩水、水、若しくは他の利用可能流体などの流体内の瞬間の泡の激しい崩壊として定義され得る。キャビテーションは、細胞及び核が水晶体超音波吸引術を含む超音波外科システムで壊され切除される初歩的手段である。上記システムは、水晶体超音波吸引術ハンドピース30の先端から発出する音波圧力場を形成する一連の音波圧力波を与えることにより、キャビテーションを生成し得る。音波圧力波は、約38kHzの周波数などの、操作周波数でのレンズ先端の前後方の振動の結果である。
[数3]
Qs=Area*velocity
=(πr2)*ω*δ
=π*(0.00144)2*(2*π*24500)*(100*10−6)
Qs=100×10−6m/秒
[数4]
W=ρ0×c×k2×(Qs)/8π
ここで
[数5]
k=ω/c
=(2*π*f)/c
=2*π*24500/1500〜=100
W=1000*1500*1002*(10*10−6)2/8π
〜=6音波ワット
本発明は、以下のように安定キャビテーション及び一時的キャビテーションを利用する。動力は短いパルスで加えられるが、これらの短いパルスは上述のレンズ環境に対する分割されたエネルギレベルを有する。特に、図21に示すような波形が用いられ得る。他の類似の波形が利用されてもよく、それらはレンズ状況、先端サイズ、操作周波数、流体状況及び閉塞状況などの遭遇する状況に依存することになる。但し、それらに限定されるものではない。図21は、2ミリ秒などの短い持続期間の30ワットの初期エネルギ期間2101による、初期動力を供給する変調されたパルスを示す。30ワットはハンドピースへのインプットを示す。第2の期間2102は、2ミリ秒の期間に15ワットで供給される動力を示す。第3の期間2103は、この例では3ミリ秒間の、10ワットなどの特定レベルで供給される期間を示す。変調された即ち段階化された動力供給構成の目的は、できだけ速く一時的キャビテーションを生成するのに必要な距離より大きく針ストロークを初期化することである。一時的キャビテーションを誘導するのに要求される動力閾値に達すると、動力はパルスの残余の間弱められてもよい。
Claims (24)
- 針を有し、超音波振動するように構成されたハンドピースと、
パルス化された電気的動力を前記ハンドピースに与えるように構成された動力源と、
超音波振動の振幅をオペレータに選択させるように構成されたインプットデバイスと、
センサと、
関連する流体を有する眼内外科的状況内で行われる眼内外科的処置の間に前記動力源から前記ハンドピースに供給される超音波動力を制御するように構成されたコントローラと、
を含み、
前記コントローラは、長いオフ期間が後に続く少なくとも一つのパルス化されたエネルギオン期間の間に、超音波エネルギを眼内領域に印加することにより、供給される超音波動力を制御するように構成され、
前記パルス化されたエネルギオン期間の間に超音波エネルギを眼内領域に印加することは、
長くても10ミリ秒の持続期間を有する短いバースト期間が連続して、水晶体超音波乳化吸引手順の間に超音波エネルギを眼内領域に印加することを含み、
前記短いバースト期間は、短い停止期間により散在され、短い停止期間には長くても25ミリ秒の最小限の動力印加が行われ、
前記超音波エネルギを印加することは、さらに、前記センサにより感知される流れ又は減圧の変動に基づいて、眼内外科的処置の間に動力印加パラメータを動的に変更することを含み、
変更される動力印加パラメータは、長いオフ期間、パルス化されたエネルギオン期間、短いバースト期間、及び短い停止期間から成るグループから選択される少なくとも一つのパフォーマンスを含む、
装置。 - 針を有し、超音波振動するように構成されたハンドピースと、 パルス化された電気的動力を前記ハンドピースに与えるように構成された動力源と、
センサと、
関連する流体を有する眼内外科的状況内で行われる眼内外科的処置の間に前記動力源から前記ハンドピースに供給される超音波動力を制御するように構成されたコントローラと
を含み、
前記コントローラは、少なくとも一つのパルス化されたエネルギオン期間の間に、超音波エネルギを眼内領域に印加することにより、供給される超音波動力を制御するように構成され、
前記パルス化されたエネルギオン期間の間に超音波エネルギを眼内領域に印加することは、
最小限のエネルギが印加される短い停止期間により、散在される、一連の短いバースト期間の間に、超音波エネルギを印加することと、
長いオフ期間の間に超音波エネルギを供給することを抑制することとを含み、
前記長いオフ期間は、最小限のエネルギが印加される相対的に長い期間を含み、個々の長いオフ期間は個々のパスル化されたエネルギオン期間に続くものであり、
前記短いバースト期間と前記短い停止期間は、前記長いオフ期間と比較して、相対的に短期間であり、
前記超音波エネルギを印加することは、さらに、前記センサにより感知される流れ又は減圧の変動に基づいて、眼内外科的処置の間に動力印加パラメータを動的に変更することを含み、
変更される動力印加パラメータは、パルス化されたエネルギオン期間、短いバースト期間、短い停止期間、及び長いオフ期間から成るグループから選択される少なくとも一つのパフォーマンスを含む、
装置。 - 前記短いバースト期間が長くても10ミリ秒であり、前記短い停止期間が長くても25ミリ秒である、請求項2に記載の装置。
- 前記パルス化されたエネルギオン期間と一連の短いバースト期間との間に、印加されるエネルギは、同じ大きさである、請求項2に記載の装置。
- 複数のパルス化されたエネルギオン期間が、複数の長いオフ期間により、散在されている、請求項2に記載の装置。
- 前記コントローラは、更に、少なくとも一つの更なるパルス化されたエネルギオン期間の間に、超音波エネルギを印加することにより、供給される超音波動力を制御するように構成され、
前記更なるパルス化されたエネルギオン期間の間に超音波エネルギを印加することは、
最小限のエネルギが印加される更なる短い停止期間により、散在される、更なる一連の更なる短いバースト期間の間に、超音波エネルギを印加することと、
更なる長いオフ期間の間に超音波エネルギを供給することを抑制することとを含み、
前記更なる長いオフ期間は、最小限のエネルギが印加される更なる相対的に長い期間を含み、個々の更なる長いオフ期間は個々の更なるパスル化されたエネルギオン期間に続くものであり、
前記更なる短いバースト期間と前記更なる短い停止期間は、前記更なる長いオフ期間と比較して、相対的に短期間である、請求項2に記載の装置。 - 前記長いオフ期間が、少なくとも20ミリ秒である、請求項2に記載の装置。
- 更に、超音波振動の振幅をオペレータに選択させるように構成されたインプットデバイスを含む、請求項2に記載の装置。
- 針を有し、超音波振動するように構成されたハンドピースと、
パルス化された電気的動力を前記ハンドピースに与えるように構成された動力源と、
センサと、
関連する流体を有する眼内外科的状況内で行われる眼内外科的処置の間に前記動力源から前記ハンドピースに供給される超音波動力を制御するように構成されたコントローラと
を含み、
前記コントローラは、オン期間の間に、超音波エネルギのパルスを供給するように構成され、
前記超音波エネルギのパルスを供給することは、
少なくとも一つの相対的に短いエネルギのバーストを供給し、少なくとも一つの相対的に短い期間に停止することと、
前記オン期間の後に、且つ、後続のオン期間の開始の前に、相対的に長いオフ期間に停止することとを含み、
個々の相対的に短い期間と、前記相対的に長いオフ期間とに、停止することは、最小限のエネルギを印加することを含み、
個々の相対的に長いオフ期間は、個々のオン期間の後に自動的に発生し、外部エネルギレベル減衰活動の無いときに発生し、
前記超音波エネルギのパルスを供給することは、さらに、前記センサにより感知される流れ又は減圧の変動に基づいて、眼内外科的処置の間に動力印加パラメータを動的に変更することを含み、
変更される動力印加パラメータは、オン期間、相対的に短いエネルギのバースト、相対的に短い停止期間、及び相対的に長いオフ期間から成るグループから選択される少なくとも一つのパフォーマンスを含む、
装置。 - 前記相対的に長いオフ期間が、前記相対的に短い期間及び前記相対的に短いエネルギのバーストよりも、持続期間にて長い、請求項9に記載の装置。
- 前記相対的に短いバースト期間が長くても10ミリ秒であり、前記相対的に短いオフ期間が長くても25ミリ秒である、請求項10に記載の装置。
- 個々の相対的に短いバースト期間の間に印加されるエネルギは、同じ大きさである、請求項9に記載の装置。
- 複数のオン期間が、複数の相対的に長いオフ期間により散在されて、使用される、請求項9に記載の装置。
- 変更される動力印加パラメータの一つは、相対的に短いエネルギのバーストの間に印加されるエネルギの大きさを含む、請求項9に記載の装置。
- 前記相対的に長いオフ期間が少なくとも20ミリ秒である、請求項9に記載の装置。
- 針を有し、超音波振動するように構成されたハンドピースと、
パルス化された電気的動力を前記ハンドピースに与えるように構成された動力源と、
センサと、
関連する流体を有する眼内外科的状況内で行われる眼内外科的処置の間に前記動力源から前記ハンドピースに供給される超音波動力を制御するように構成されたコントローラと
を含み、
前記コントローラは、長いオフ期間が後に続く少なくとも一つのパルス化されたエネルギオン期間の間に、超音波エネルギを眼内領域に印加するように構成され、
前記パルス化されたエネルギオン期間の間に超音波エネルギを眼内領域に印加することは、
長くても10ミリ秒の持続期間を有する短いバースト期間が連続して、水晶体超音波乳化吸引手順の間に超音波エネルギを眼内領域に印加することを含み、
前記短いバースト期間は、短い停止期間により散在され、短い停止期間には長くても25ミリ秒の最小限の動力印加が行われ、
前記超音波エネルギを印加することは、さらに、前記センサにより感知される流れ又は減圧の変動に基づいて、眼内外科的処置の間に動力印加パラメータを動的に変更することを含み、
変更される動力印加パラメータは、パルス化されたエネルギオン期間、長いオフ期間、短いバースト期間、及び短い停止期間から成るグループから選択される少なくとも一つのパフォーマンスを含む、
装置。 - 前記パルス化されたエネルギオン期間と一連の短いバースト期間との間に、印加されるエネルギは、同じ大きさである、請求項16に記載の装置。
- 更に、超音波振動の振幅をオペレータに選択させるように構成されたインプットデバイスを含む、請求項16に記載の装置。
- 針を有し、超音波振動するように構成されたハンドピースと、
パルス化された電気的動力を前記ハンドピースに与えるように構成された動力源と、
センサと、
関連する流体を有する眼内外科的状況内で行われる眼内外科的処置の間に前記動力源から前記ハンドピースに供給される超音波動力を制御するように構成されたコントローラと、
を含み、
前記コントローラは、オン期間の間に、エネルギのパルスを供給するように構成され、
前記エネルギのパルスを供給することは、
少なくとも一つの相対的に短いエネルギのバーストを供給すること、
少なくとも一つの相対的に短い期間に停止することと、及び、
前記オン期間の後に、且つ、後続のオン期間の開始の前に、相対的に長いオフ期間に停止することとを含み、
個々の相対的に短い期間と、前記相対的に長いオフ期間とに、停止することは、最小限のエネルギを印加することを含み、
前記相対的に長いオフ期間は、最小限のエネルギが印加される相対的に長い期間を含み、一つの長いオフ期間は、個々のパルス化されたエネルギオン期間の後に続き、
前記エネルギのパルスを供給することは、さらに、前記センサにより感知される流れ又は減圧の変動に基づいて、眼内外科的処置の間に動力印加パラメータを動的に変更することを含み、
変更される動力印加パラメータは、パルス化されたエネルギオン期間、相対的に短いバースト、相対的に短い期間、及び長いオフ期間から成るグループから選択される少なくとも一つのパフォーマンスを含む、
装置。 - 前記短いバーストが長くても10ミリ秒であり、前記短い期間が長くても25ミリ秒である、請求項19に記載の装置。
- 前記長いオフ期間が少なくとも20ミリ秒である、請求項19に記載の装置。
- 前記オン期間と前記短いバーストの間に印加されるエネルギは、同じ大きさである、請求項19に記載の装置。
- 複数のオン期間が、複数の長いオフ期間により散在される、請求項19に記載の装置。
- 前記エネルギのパルスを供給することは、更に、
少なくとも一つの更なるパルス化されたエネルギのオン期間の間に超音波エネルギを印加することを含み、
前記更なるパルス化されたエネルギオン期間の間に超音波エネルギを印加することは、
最小限のエネルギが印加される更なる短い停止期間により、散在される、更なる一連の更なる短いバースト期間の間に、超音波エネルギを印加することと、
更なる長いオフ期間の間に超音波エネルギを供給することを抑制することとを含み、
前記更なる長いオフ期間は、最小限のエネルギが印加される更なる相対的に長い期間を含み、個々の更なる長いオフ期間は個々の更なるパスル化されたエネルギオン期間に続くものであり、
前記更なる短いバースト期間と前記更なる短い停止期間は、前記更なる長いオフ期間と比較して、相対的に短期間である、
請求項19に記載の装置。
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