JP5549489B2 - 流体噴射方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体をパルス状に噴射する流体噴射方法、流体噴射装置に関する。

従来、生体組織を切開または切除する手術具として、脈流発生手段の駆動によって流体を脈流に変換して流体をパルス状に高速噴射させる流体噴射装置が提案されている。この流体噴射装置は、流体噴射条件を決定する複数の制御パラメーターを同時に変更する１入力多制御パラメーター変更手段により、適切な流体噴射条件で流体噴射が可能である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−３９３８４号公報

パルス状に流体を噴射して生体組織を切開または切除する場合、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度が重要な流体噴射条件となる。しかしながら、特許文献１では、予め想定された複数の制御パラメーターの中から１入力多制御パラメーター変更手段により１組の流体噴射条件を選択して流体噴射条件を決定しているため、きめ細かく流体噴射条件を設定するためには膨大なパラメーターの組み合わせを用意しておく必要がある。このことは、使用者にとって最適な流体噴射条件を都度選択することが容易ではなく、操作性が悪いことが推測される。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る流体噴射方法は、所定の流体供給流量の流体を圧力室に供給することと、所定の周波数で前記圧力室の容積を変化させることによって、脈流を発生させることと、前記脈流を噴射することと、を含み、前記流体供給流量が、前記周波数に比例することを特徴とする。

ここで、圧力室の容積変化量はパルス一個当たりの切除力（切除深さ）を決定する。つまり、圧力室の容積変化量は圧力室から排出される流体の排除体積に相当する。そして、圧力室の容積変化の周波数は単位時間当たりの切除速度（切除軌跡長さ）を決定する。

流体噴射開口部から噴射される流体噴射流量は、圧力室から排出される流体の排除体積と容積変化の周波数との積に比例すると考えられるので、流体噴射流量と容積変化の周波数は比例の関係になる。従って、圧力室の容積変化の周波数を高くすれば流体噴射流量も増加する。本適用例では、容積変化の周波数に比例して流体供給手段からの流体供給流量を変化させることが可能である。よって、流体噴射流量に対して必要とされる流体供給流量を確保し、パルス一個当たりの切除力と切除速度それぞれを独立して適切に調整できることから、膨大なパラメーターの組み合わせを用意することなく、使用者は最適な流体噴射条件で容易に流体噴射装置を操作することができる。

［適用例２］上記適用例に係る流体噴射方法において、前記脈流を発生させることは、圧電素子に電圧を印加することによって前記圧力室の容積を変化させることを含み、前記圧力室の容積を減少させる期間に対応する電圧印加期間を、前記周波数に関わらず一定にすることが好ましい。

圧力室の容積変化は、容積変更手段の駆動波形の変化に相当する。したがって、圧力室の容積を減少させている時間に対応して容積変更手段の変化時間を一定にすれば、容積変化の周波数を変えても容積の減少時間における駆動波形のスルーレートは変化しないので、パルス一個当たりの切除力は変わりにくい。従って、単に周波数を変化させるよりも、パルス一個当たりの切除力を一定に維持しながら、切除速度を変化させることができる。

［適用例３］上記適用例に係る流体噴射方法は、前記流体供給流量は、前記圧力室から排出される流体の排除体積に比例することが好ましい。

流体供給流量と容積変化の周波数とが比例の関係にある場合、周波数に対する流体供給流量の変化は勾配をもった直線で表される。この際、排除体積を変化させれば流体噴射流量も変化するため流体供給流量に過不足が発生する。そこで、排除体積の変化に応じて上述の直線の勾配を変化させることで流体供給流量の変化量を変更することができ、流体供給流量の過不足を適切に補いながら、排除体積すなわちパルス一個当たりの切除力を変化させることができる。従って、適用例１より広い範囲で、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度それぞれを独立して調整でき、使用者は最適な流体噴射条件を容易に設定し操作することができる。

［適用例４］上記適用例に係る流体噴射方法は、前記流体供給流量が、前記排除体積と前記周波数との積以上であることが好ましい。

流体供給流量が流体噴射流量より少ない場合は供給不足によりパルス一個当たりの切除力が弱くなる。また、流体供給流量が流体噴射流量より多い場合は供給量過多となり流体噴射時以外に流体噴射開口部から流体が流出して手術部位の視認性が悪くなることが予測される。そこで、流体噴射開口部から噴射される流体噴射流量が圧力室から排出される流体の排除体積と容積変化の周波数との積に比例する場合、比例係数がほぼ１に近いときには、圧力室から排出される流体の排除体積と容積変化の周波数との積を流体噴射開口部から噴射される流体噴射流量として考えることができ、排除体積と周波数との積を流体供給量と等しくすることにより、所望のパルス一個当たりの切除力を得ると共に、良好な視認性を実現できる。

なお、流体噴射装置の構造や流体の噴射の程度によっては、流体噴射直後に流体のイナータンス効果で流体が流体噴射開口部側に引き込まれて、排除体積よりも流体が多く流出されることが考えられる。このような場合、パルス一個当たりの切除力が弱くなる可能性がある。そこで、流体供給流量を排除体積と周波数との積よりも若干大きくすることにより、少なくともイナータンス効果による流出分だけ流体供給流量を増加することができるため、所望のパルス一個当たりの切除力を得ると共に、手術部位の視認性への影響を低減できる。

［適用例５］本適用例に係る流体噴射装置は、所定の流体供給流量の流体を圧力室に供給する流体供給手段と、所定の周波数で前記圧力室の容積を変化させることによって脈流を発生させ、前記脈流を噴射する脈流発生手段と、前記流体供給流量が前記周波数に比例するように、前記流体供給手段及び前記脈流発生手段の少なくともいずれかを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

流体噴射開口部から噴射される流体噴射流量は、圧力室から排出される流体の排除体積と容積変化の周波数との積に比例すると考えられるので、流体噴射流量と容積変化の周波数は比例の関係になる。従って、圧力室の容積変化の周波数を高くすれば流体噴射流量も増加する。本適用例では、容積変化の周波数に比例して流体供給手段からの流体供給流量を変化させることが可能である。よって、流体噴射流量に対して必要とされる流体供給手段からの流体供給流量を確保し、パルス一個当たりの切除力と切除速度それぞれを独立して適切に調整できる。従って、膨大なパラメーターの組み合わせを用意することなく、使用者は最適な流体噴射条件で容易に流体噴射装置を操作することができる。

実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図。 脈流発生部を流体の噴射方向に沿って切断した断面図。 駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図。 圧電素子の駆動波形の１例を示す駆動波形図。 圧力室の容積変化を示す模式図であり、（ａ）は圧電素子に電圧を印加しない状態、（ｂ）は電圧を印加した場合を示す。 駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフ。 排除体積を変化させる場合の圧電素子の駆動波形を模式的に表す駆動波形図。 排除体積を変化させた場合の駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフ。 実施形態２に係る駆動波形を模式的に表す駆動波形図。 流体供給流量と排除体積の関係を模式的に示すグラフ。 駆動周波数を変化させた場合の排除体積と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフ。 繰り返し周波数を低くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図。 繰り返し周波数を高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図。 繰り返し周波数をさらに高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図。 排除体積と駆動周波数との積と流体供給流量との関係を模式的に表すグラフ。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施形態では、生体組織を切開または切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する。従って、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図である。図１において、流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、流体供給手段としてのポンプ１０と、ポンプ１０から供給される流体を脈流に変換させる脈流発生手段としての脈流発生部２０と、ポンプ１０と脈流発生部２０の駆動を制御する制御手段としての駆動制御部１５を備えている。ポンプ１０と脈流発生部２０とは流体供給チューブ４によって接続されている。

脈流発生部２０には、細いパイプ状の接続流路管９０が接続され、接続流路管９０の先端部には流路径が縮小された流体噴射開口部９６を有するノズル９５が挿着されている。

また、脈流発生部２０には、流体噴射条件切替え操作部２５を有し、本実施形態では流体噴射条件切替え操作部として切除力ダイアル２６、切除速度ダイアル２７と、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２８が備えられている。

このように構成される流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体供給容器２に収容された流体は、ポンプ１０によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。脈流発生部２０には、圧力室８０（図２、参照）と、この圧力室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０とダイアフラム４０と、が備えられており、圧電素子３０を駆動して圧力室８０内において脈流を発生させ、接続流路管９０、ノズル９５を介して流体をパルス状に高速噴射する。

ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。

同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。

次に、本実施形態に係る脈流発生部２０の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈流発生部２０を流体の噴射方向に沿って切断した断面図である。脈流発生部２０は、ポンプ１０から流体供給チューブ４を介して圧力室８０に流体を供給する入口流路８１と、圧力室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０及びダイアフラム４０と、圧力室８０に連通する出口流路８２と、を有して構成されている。入口流路８１には流体供給チューブ４が接続されている。

ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、ケース５０とケース７０によって密着されている。圧電素子３０は、本実施形態では積層型圧電素子であって、両端部の一方がダイアフラム４０に、他方が底板６０に固着されている。

圧力室８０は、ケース７０のダイアフラム４０に対向する面に形成される凹部とダイアフラム４０とによって形成される空間である。圧力室８０の略中央部には出口流路８２が開口されている。

ケース７０とケース５０とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。ケース７０には、出口流路８２に連通する接続流路９１を有する接続流路管９０が嵌着され、接続流路管９０の先端部にはノズル９５が挿着されている。そして、ノズル９５には、流路径が縮小された流体噴射開口部９６が開口されている。

次に、本実施形態の駆動制御部の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図である。駆動制御部１５は、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動回路１５２と、圧電素子３０を駆動制御する圧電素子駆動回路１５３と、ポンプ駆動回路１５２と圧電素子駆動回路１５３とを制御する制御回路１５１と、を有して構成されている。

なお、制御回路１５１には、ポンプ１０からの流体供給流量を決定するポンプ１０の駆動周波数と、パルス一個当たりの切除力を決定する圧力室８０の容積変化量（圧力室８０から排出される排除体積）と、切除速度を決定する圧力室８０の容積変化の周波数（圧電素子３０の駆動周波数に相当する）を、切除力ダイアル２６、切除速度ダイアル２７からの指令に基づき算出する演算回路が含まれている（図示せず）。また、圧電素子駆動回路１５３には、圧電素子３０の所定の駆動波形を生成する波形形生成回路（図示せず）が含まれる。

次に、本実施形態における脈流発生部２０の流体吐出動作について図１、図２を参照して説明する。本実施形態の脈流発生部２０の流体吐出は、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１と出口流路８２側の合成イナータンスＬ２の差によって行われる。

まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。

つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。

ここで、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、入口流路８１の範囲において算出される。この際、ポンプ１０と入口流路８１を接続する流体供給チューブ４は柔軟性を有するため、合成イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。

また、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２は、本実施形態では出口流路８２と接続流路９１の範囲のイナータンスである。なお、接続流路管９０の管壁の厚さは、流体の圧力伝播に対して十分な剛性を有している。

そして、本実施形態では、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１が出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路８１の流路長及び断面積、出口流路８２の流路長及び断面積を設定する。

次に、流体吐出動作について説明する。
ポンプ１０によって入口流路８１には、所定の圧力で流体が供給されている。その結果、圧電素子３０が動作を行わない場合、ポンプ１０の吐出力と入口流路８１側全体の流路抵抗の差によって流体は圧力室８０内に流動する。

ここで、圧電素子３０に駆動信号が入力され、圧電素子３０がダイアフラム４０の圧力室８０側の面に対して垂直方向（矢印Ａ方向）に急激に伸長したとすると、伸長した圧電素子３０によってダイアフラム４０が押圧され、ダイアフラム４０が圧力室８０の容積を縮小する方向に変形する。圧力室８０内の圧力は、入口流路８１側及び出口流路８２側の合成イナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。

この圧力は、入口流路８１に加えられていたポンプ１０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路８１から圧力室８０内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路８２からの流出は増加する。

さらに、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路８１から圧力室８０へ流入する流量の減少量よりも、出口流路８２から吐出される流体の増加量のほうが大きくなる。その結果、接続流路９１にパルス状の流体吐出、つまり、脈流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管９０内（接続流路９１）を伝播して、先端のノズル９５の流体噴射開口部９６から流体が噴射される。

ここで、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２の流路径よりも縮小されているので、流体はさらに高圧となり、パルス状の液滴となって高速噴射される。

一方、圧力室８０内は、入口流路８１からの流体流入量の減少と出口流路８２からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。そして、圧電素子３０を元の形状に復元すると、ポンプ１０の圧力と、圧力室８０内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路８１の流体は圧電素子３０の動作前（伸長前）と同様な速度で圧力室８０内に向かう流れが復帰する。

入口流路８１内の流体の流動が復帰した後、圧電素子３０の伸長があれば、流体噴射開口部９６からパルス状の液滴を継続して噴射する。
（実施形態１に係る脈流発生部の駆動方法）

続いて、脈流発生部２０の駆動方法について説明する。
まず、圧電素子３０の駆動波形について説明する。
図４は、圧電素子の駆動波形の１例を示す駆動波形図である。駆動波形の１周期は、正の電圧方向にオフセットして位相が−９０度ずれたｓｉｎ波形と休止期間とを合わせた時間である。圧電素子３０は正の電圧が印加されると伸長（図２、矢印Ａ方向）するものとすると、時間ｔ１（以降、電圧上昇時間ｔ１と表す）の区間は圧力室８０の容積を減少させている時間に相当する。また、時間ｔ２（電圧降下時間ｔ２と表す）の区間では圧電素子３０の電荷を除去する区間であって、圧電素子３０は縮小する。つまり、電圧降下時間ｔ２の区間では圧力室８０の容積は増加する。

ここで、駆動波形の周波数を変化させる場合には休止期間の長さを変えるので、電圧上昇時間ｔ１は変わらず、電圧上昇のスルーレートが変わらない。従って、パルス一個当たりの切除力は変わらない。なお、本実施形態では、圧力室８０の容積変化の周波数は、圧電素子３０の駆動周波数に相当する。

次に、駆動波形の１周期における圧力室の容積変化量について説明する。
図５は、圧力室の容積変化を示す模式図であり、（ａ）は圧電素子に電圧を印加しない状態、（ｂ）は電圧を印加した場合を示している。なお、電圧印加期間における容積変化は、圧電素子３０の圧電特性によって異なるが、本実施形態では電圧を印加することで容積を縮小させる場合を例示する。図５（ａ）は、圧電素子３０は電圧が印加されない初期状態にあるので、圧力室８０の容積も縮小されない状態（図中、ダイアフラム４０の位置をＢで示す）にある。

なお、容積変化量はダイアフラム４０の変位可能な面積と圧電素子３０の伸長した分の長さの積で表される。
ここで、圧電素子３０に所定の電圧を印加すると、図５（ｂ）に示すように圧力室８０の容積は減少される（図中、ダイアフラム４０の位置をＢ’で示す）。ここで、ダイアフラム４０がＢからＢ’まで移動すると、圧力室８０は、図中斜線で表す分だけ容積が変化する。そして、この容積に相当する流体が出口流路８２から送出される。従って、以降、この圧力室８０の容積変化分を流体の排除体積と表す。

従って、圧電素子３０の駆動電圧のゲインを固定すれば、圧電素子３０による排除体積はほぼ一定である。ここで、排除体積を一定にした状態で、圧電素子３０の駆動周波数を上げれば、駆動周波数に応じて流体噴射流量も比例的に増加する。よって、ポンプ１０からの流体供給流量も流体噴射流量に合わせて増加させる必要がある。
（流体噴射方法）

続いて、本実施形態における流体噴射方法について説明する。
図６は、駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。
排除体積が初期設定の状態で圧電素子３０の駆動周波数を変化させる場合を説明する。まず、切除力を切除力ダイアル２６にて設定する。切除力ダイアル２６では所望の排除体積を選択して以降固定する。なお、切除力ダイアル２６による切除力の設定は、圧電素子３０の圧電定数などの条件が既に分かっている場合には、排除体積を決める条件となる駆動電圧のゲインを排除体積の代わりに用いてもよい。

そして、切除速度ダイアル２７を操作して所望の駆動周波数を選択し、流体噴射流量を設定する。流体噴射流量は、排除体積と圧電素子３０の駆動周波数の積で算出される。従って、排除体積が一定の場合、圧電素子３０の駆動周波数を高くすることで、流体噴射流量が駆動周波数に比例し増加する。流体噴射流量を増加させると切除速度が高くなる。

このように駆動周波数を高くして流体噴射流量を増加させる場合には、ポンプ１０からの流体供給流量を増加させる必要がある。そこで、図６に示すように、圧電素子３０駆動周波数に比例する関係となるようにポンプ１０からの流体供給流量を決定する。
なお、圧電素子３０の駆動周波数とポンプ１０の流体供給流量は、制御回路１５１に含まれる演算部によって演算され、圧電素子駆動回路１５３、ポンプ駆動回路１５２に入力し、それぞれの駆動条件で駆動する。

本実施形態によれば、圧力室８０の容積変化の周波数、つまり、圧電素子３０の駆動周波数を高くすれば流体噴射流量も増加する。従って、圧力室８０の排除体積を最適（一定）に維持しながら駆動周波数を変化させることに伴う流体噴射流量の変化に比例してポンプ１０からの流体供給流量を変化させることにより、必要とされる流体供給流量を確保し、パルス一個当たりの切除力と切除速度それぞれを独立して適切に調整できることから、膨大なパラメーターの組み合わせを用意することなく、使用者は最適な流体噴射条件で容易に流体噴射装置を操作することができる。

また、流体供給流量過多になり、流体噴射時以外に余分な流体がノズル９５から流出して、手術部位の視認性が悪くなるというような問題を排除することができる。

続いて、流体供給流量と駆動周波数とが比例の関係にあるときに（図６、参照）、排除体積を変化させる場合について説明する。
まず、切除力ダイアル２６を操作して排除体積を設定する。排除体積は、圧電素子３０の伸長長さとダイアフラム４０の可動面積の積により算出される。伸長長さは、圧電素子３０へ印加する電圧を制御することで決定される。このようにして、パルス一個当たりの切除力を決定する。

図７は、排除体積を変化させる場合の圧電素子の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。切除力ダイアル２６にてパルス一個当たりの切除力を調整するとき、排除体積を増やす場合には駆動波形のゲイン（電圧）を上げ、排除体積を減らす場合には駆動波形のゲイン（電圧）を下げる。つまり、駆動波形のゲイン分だけ排除体積が相対的に変化する。

次に、切除速度ダイアル２７を操作して圧電素子３０の駆動周波数を設定する。
図８は、排除体積を変化させた場合の駆動周波数と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。流体供給流量は駆動波形の周波数（駆動周波数）と比例の関係であって直線で表される（図６も参照する）。流体供給流量は流体噴射流量と少なくとも同量とする。流体噴射流量は、排除体積と圧電素子３０の駆動周波数の積で算出されることから、図８に示すように排除体積を増やす場合には直線の勾配を排除体積増加分に合わせて大きくさせ、排除体積を減らす場合には直線の勾配を排除体積減少分に合わせて小さくさせればよい。

この際、駆動波形はゲインを変化させると、図７に示すように、駆動波形の電圧上昇時間ｔ１のスルーレートも変化する。このことにより厳密には流体噴射流量と排除体積とは比例しない。従って、直線の勾配を変化させる場合には、直線の傾きのデータを制御回路１５１（図３、参照）にルックアップテーブルとして格納しておき、切除力ダイアル２６操作時に、ルックアップテーブルから読み出せばよい。

したがって、流体供給流量と圧電素子３０の駆動周波数とが比例の関係にある場合、排除体積を変化させれば流体噴射流量も変化するため流体供給流量に過不足が発生する。そこで、排除体積の変化に応じて上述の直線の勾配を変化させることで流体供給流量の変化量を変更することができ、流体供給流量の過不足を適切に補いながら、排除体積すなわちパルス一個当たりの切除力を変化させることができる。従って、適用例１より広い範囲で、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度それぞれを独立して調整でき、使用者は最適な流体噴射条件を容易に設定し操作することができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る流体噴射方法について説明する。実施形態２は、前述した実施形態１が、流体供給流量を圧電素子の駆動周波数に対して比例の関係で変化させていることに対して、流体供給流量を排除体積に対して比例の関係で変化させることに特徴を有している。なお、流体噴射装置１、脈流発生部２０の構成及び流体噴射作用は実施形態１と同様であるため説明を省略する。

図９は、本実施形態に係る駆動波形を模式的に表す駆動波形図、図１０は、流体供給流量と排除体積の関係を模式的に示すグラフである。図９に図示した駆動波形は矩形波を例示している。この駆動波形の周波数をあげる場合には休止期間の長さを変える。なお、駆動波形は矩形波のため、駆動電圧のゲインを変えても電圧上昇のスルーレートは変わらない。従って、駆動電圧のゲインを上げてダイアフラム４０変位を大きくすることによって圧電素子の１駆動における排除体積が増加すれば、流体噴射流量も排除体積に比例して増加する。

ここで、圧電素子３０の駆動周波数を最適（一定）にした状態で、切除力ダイアル２６を操作して所望の排除体積を選択する。すると、制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２と圧電素子駆動回路１５３に駆動命令が入力され、ポンプ１０及び圧電素子３０が駆動する。つまり、ポンプ１０から流体噴射流量の変化に応じた流体供給流量で流体が供給される。

ここで、流体噴射流量は排除体積と駆動周波数の積に比例するため、排除体積の変化に比例して流体噴射流量が変化する。従って、流体噴射流量に対して過不足なく流体を供給するためには、図１０に表すように排除体積の変化に比例して流体供給流量を変化させればよい。

このように、本実施形態では、排除体積の変化に対して流体供給流量を比例して変化させることにより必要とされる流体供給流量を確保し、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度それぞれを独立して調整でき、最適な流体噴射条件を容易に設定し操作することができる。

また、流体供給流量過多になることを抑制し、流体噴射時以外に余分な流体がノズル９５から流出して、手術部位の視認性が悪くなるというような問題を排除することができる。

次に、上述したように、流体供給流量と排除体積とが比例の関係にあるときに（図１０、参照）、駆動周波数を変化させる場合について説明する。
図１１は、駆動周波数を変化させた場合の排除体積と流体供給流量の関係を模式的に示すグラフである。流体供給流量は排除体積に対して比例の関係であってある勾配をもった直線で表わされる（図１０も参照する）。

流体噴射流量は、排除体積と圧電素子３０の駆動周波数の積の比例で算出されることから、図１１に示すように駆動周波数を上げる場合には直線の勾配を駆動周波数増加分に合わせて大きくさせ、駆動周波数を下げる場合には直線の勾配を駆動周波数減少分に合わせて小さくさせればよい。

なお、駆動波形によっては、駆動周波数を変化させると、駆動波形の電圧上昇のスルーレートも変化する場合がある。このとき厳密には流体噴射流量は駆動周波数に比例しない。従って、直線の勾配を変化させるためには、直線の傾きのデータを制御回路１５１（図３、参照）にルックアップテーブルとして格納しておき、切除速度ダイアル２７操作時に、ルックアップテーブルから読み出せばよい。

このように、圧電素子３０の駆動周波数を変化させれば流体噴射流量も変化するため流体供給流量に過不足が発生する。そこで、圧電素子３０の駆動周波数に応じて上述の直線の勾配を変化させることで流体供給流量の変化量を変更することができ、流体供給流量の過不足を適切に補いながら、圧電素子３０の駆動周波数すなわち単位時間当たりの切除速度を変更することができる。従って、適用例１より広い範囲で、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度それぞれを独立して調整でき、使用者は最適な流体噴射条件を容易に設定し操作することができる。
（実施形態３）

続いて、実施形態３に係る流体噴射方法について説明する。実施形態３は、前述した実施形態１及び実施形態２に対して、駆動周波数を変化させる場合、圧力室８０の容積を減少させている時間に対する圧電素子３０の駆動波形の電圧上昇時間をほぼ一定にしていることを特徴としている。なお、流体噴射装置１、脈流発生部２０の構成及び流体噴射作用は実施形態１と同様であるため説明を省略する。

ここで、基本の駆動波形を図４と同じにした場合において、繰り返し周波数を低くした場合について説明する。
図１２は、繰り返し周波数を低くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。このような場合、休止期間を長くするだけで圧力室８０の容積を減少させている時間に対する圧電素子３０の駆動波形の変化時間、つまり、電圧上昇時間ｔ１は変化させる必要がないからスルーレートも変わらない。従って、パルス一個当たりの切除力を変化させずに圧電素子３０の駆動周波数を変更することができる。すなわち、パルス一個当たりの切除力と単位時間当たりの切除速度をそれぞれ独立して調整することを可能にし、前述した実施形態１及び実施形態２の考え方に適合可能である。

次に、繰り返し周波数を高くした場合について説明する。
図１３は、繰り返し周波数を高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。図１３に表す駆動波形では、基本の駆動波形（図４、参照）に対して、休止期間は短くなっているが、存在している。従って、電圧上昇時間ｔ１は変化させる必要がなくスルーレートが変わらない。すなわち、前述した実施形態１及び実施形態２の考え方に適合可能である。

次に、繰り返し周波数を更に高くした場合について説明する。
図１４は、繰り返し周波数をさらに高くした場合の駆動波形を模式的に表す駆動波形図である。つまり、図１４で表す駆動波形の１周期が、図１３に表す１周期よりも短くなった場合を表している。このような駆動波形では休止期間が存在しないために、単に図１３に示される基本の波形の間隔を短くしただけでは前後の波形が交差してしまう。そこで、圧力室８０の容積を拡大している電圧降下時間ｔ２を基本の波形よりも短くすることで、電圧上昇時間ｔ１を基本の電圧上昇時間に対して変えないように駆動波形を形成する。これにより、電圧上昇時間ｔ１は変化しないため、スルーレートが変化しないため、実施形態１及び実施形態２の考え方に適合可能となっている。

圧電素子３０の駆動電圧のゲインを変えないとき、電圧上昇時間ｔ１を一定にしておけば、駆動周波数を変化させても電圧上昇時間ｔ１のスルーレートは変わらないため、パルス一個当たりの切除力が変わりにくい。従って、単に駆動周波数を変化させるよりも、パルス一個当たりの切除力を一定に維持しながら、切除速度を変化させることができる。なお、前述の通り、ｔ１は圧電素子３０の駆動波形の形状や極性に関わらず、圧力室８０の容積を減少させている時間に対応していればよい。
（実施形態４）

続いて、実施形態４に係る流体噴射方法について説明する。実施形態４は、ポンプ１０からの流体供給流量を、排除体積と駆動周波数との積に等しくするか、排除体積と駆動周波数との積よりも大きくすることを特徴としている。なお、流体噴射装置１、脈流発生部２０の構成及び流体噴射作用は実施形態１と同様であるため説明を省略する。

図１５は、排除体積と駆動周波数の積と流体供給流量との関係を模式的に表すグラフである。流体噴射流量は排除体積と駆動周波数との積で決定される。なお、流体供給流量と流体噴射流量とが比例の関係にあるが、流体供給流量が流体噴射流量より少ない場合は供給不足によりパルス一個当たりの切除力が弱くなる。また、流体供給流量が流体噴射流量より多い場合には供給量過多となり流体噴射時以外にノズル９５から流体が流出して手術部位の視認性が悪くなることが予測される。そこで、容積変化量と前記周波数との積は流体噴射流量を等しくすることにより、所望のパルス一個当たりの切除力を得ると共に、良好な視認性を容易に実現できる。

なお、圧力室の容積を変化させ、且つ入口流路側の合成イナータンスと出口流路側の合成イナータンスの差によって流体をパルス状に噴射する脈流発生部を有する流体噴射装置では、流体噴射直後に流体のイナータンス効果で流体が流体噴射開口部９６側に引き込まれて、排除体積よりも多く流出されることが考えられる。このような場合、流体噴射流量が流体供給流量より大きくなるため、パルス一個当たりの切除力が弱くなる可能性がある。そこで、少なくともイナータンス効果による流出分だけ流体供給流量を増加する必要がある。従って、流体供給流量を排除体積と駆動周波数との積（流体噴射量）よりも多くしておくことが望ましい。

ここで、流体供給流量を流体噴射流量より多くした場合、流体噴射時以外に余分な流体がノズル９５から流出し、手術部位の視認性が悪くなることが考えられる。そこで、供給流量を排除体積と駆動周波数との積と同じか、排除体積と駆動周波数との積の２倍以下の範囲にすることがより好ましい。

これは、イナータンス効果により流体がノズル９５側に引っ張られる量は、本来の排除体積よりも少ないことから、余分な流体がノズル９５から流出することよりもパルス一個当たりの切除力の確保を重視しているからである。

このように、排除体積と駆動周波数との積を流体供給流量と等しくすることにより、所望のパルス一個当たりの切除力を得ると共に、良好な視認性を実現できる。

また、流体供給流量を排除体積と駆動周波数との積の２倍以下にすれば、所望のパルス一個当たりの切除力を得ると共に、手術部位の視認性への影響を低減できる。
（変形例）

上述の実施形態では、圧力室の容積変更手段として、圧電素子３０を駆動してダイアフラム４０を変位させることによって脈流を発生させる構成としたが、圧電素子３０を駆動してプランジャー（ピストン）を変位させることによって脈流を発生させる構成としてもよい。

１…流体噴射装置、１０…流体供給手段としてのポンプ、２０…脈流発生部、３０…容積変更手段としての圧電素子、４０…ダイアフラム、８０…圧力室、９６…流体噴射開口部。

Claims (3)

1. パルス状に流体を噴射して生体組織を切開または切除するための流体噴射装置の流体噴射方法において、
   所定の流量の流体を圧力室に供給することと、
   第一の周波数で前記圧力室の容積を変更させる容積変更手段によって、脈流を発生させることと、
   前記脈流をパルス状に噴射することと、
   前記圧力室の容積を変更する周波数を、前記第一の周波数から、前記第一の周波数より高い第二の周波数に変更することと、
   を含み、
   前記周波数の変更に伴い、前記流量を前記圧力室から排出される流体の排除体積と前記第二の周波数との積の１倍より多く２倍以下に増加させることを特徴とする流体噴射方法。
2. 請求項１に記載の流体噴射方法であって、
   前記容積変更手段は、圧電素子を駆動してプランジャーを変位させることを特徴とする流体噴射方法。
3. 請求項１に記載の流体噴射方法であって、
   前記容積変更手段は、圧電素子を駆動してダイヤフラムを変位させることを特徴とする
   流体噴射方法。

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