JP6001224B1 - 駆動装置及び駆動装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

駆動装置(12)は、超音波振動子への出力電圧を基本成分と高調波成分とに分解する出力電圧分解部(1221)と、超音波振動子に流れる出力電流を基本成分と高調波成分とに分解する出力電流分解部(1222)と、出力電圧の基本成分及び高調波成分に基づいて、Ｃｂ電流の基本成分と高調波成分とを算出するＣｂ電流算出部(1223)と、出力電流の基本成分及び高調波成分と、Ｃｂ電流の基本成分と高調波成分とに基づいて、超音波振動子の駆動電流の基本成分及び高調波成分を算出する駆動電流算出部(1224)と、駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算する駆動電流合算部(1226)と、合算された駆動電流が目標値となるように定電流制御データを生成する定電流制御部(1227)とを備える。

Description

本発明は、駆動装置及び駆動装置の制御方法に関する。

生体組織に対して切開、止血、凝固等の処置をすることが可能な装置の１つとして、超音波手術装置が知られている。超音波手術装置は、一般に、超音波振動子と、駆動装置と、プローブとを有している。超音波振動子は、ピエゾ素子等の圧電素子を含む。駆動装置は、超音波振動子を超音波振動させるための駆動電力を超音波振動子に供給する。プローブは、超音波振動子で発生した超音波振動を超音波手術装置の先端部まで伝達する。このような超音波手術装置では、超音波振動子の負荷変動があったとしてもプローブにおいて安定した振幅の振動が行われるように、駆動装置から超音波振動子に供給する電流を一定に保つ定電流制御が行われている。例えば、日本国特開平１１−７０１１８号公報において提案されている超音波手術装置は、プローブにかかる機械的負荷に対応する超音波振動子の駆動時のインピーダンスを求め、このインピーダンスを駆動装置にフィードバックすることによって、駆動装置から超音波振動子に供給される電流が一定になるように制御している。

超音波振動子は、その構造等から物理的に定まる共振周波数を有している。そして、共振周波数の付近の周波数で駆動されている超音波振動子の電気的等価回路は、超音波振動子の機械的振動特性を表すインダクタ及びキャパシタと機械的負荷を表す抵抗とからなる直列共振回路に、超音波振動子の圧電素子や電極板による浮遊容量成分を表したキャパシタを並列に接続した回路である。この等価回路のうち、直列共振回路に流れる電流だけが超音波振動子の振動に寄与する。このため、プローブを安定した一定の振幅で振動させるためには、等価回路の直列共振回路に流れる電流を精度良く検出する必要がある。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、より安定した超音波振動をさせるための駆動装置及びこのような駆動装置の制御方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の駆動装置は、インダクタ、第１のキャパシタ及び抵抗からなる直列回路に第２のキャパシタが並列に接続された電気的等価回路で表される超音波振動子を有し、前記超音波振動子で発生した超音波振動によって生体組織を処置する超音波処置具と電気的に接続された駆動装置であって、前記超音波振動子を駆動させるための交流の駆動電圧によって前記超音波振動子に印加される出力電圧を基本成分と高調波成分とに分解する出力電圧分解部と、前記駆動電圧によって前記超音波振動子に流れる出力電流を基本成分と高調波成分とに分解する出力電流分解部と、前記出力電圧分解部で得られた前記出力電圧の基本成分及び高調波成分と、前記第２のキャパシタの静電容量値とに基づいて、前記第２のキャパシタに流れるキャパシタ電流の基本成分と高調波成分とを算出するキャパシタ電流算出部と、前記出力電流分解部で得られた前記出力電流の基本成分及び高調波成分と、前記キャパシタ電流算出部で算出された前記キャパシタ電流の基本成分及び高調波成分とに基づいて、前記直列回路に流れる駆動電流の基本成分及び高調波成分を算出する駆動電流算出部と、前記駆動電流算出部で算出された前記駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算する駆動電流合算部と、前記駆動電流合算部で合算された駆動電流が目標値となるように前記駆動電圧を制御するための定電流制御データを生成する定電流制御部とを具備する。

前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様の駆動装置の制御方法は、インダクタ、第１のキャパシタ及び抵抗からなる直列回路に第２のキャパシタが並列に接続された電気的等価回路で表される超音波振動子を有し、前記超音波振動子で発生した超音波振動によって生体組織を処置する超音波処置具と電気的に接続された駆動装置の制御方法であって、前記超音波振動子を駆動させるための交流の駆動電圧によって前記超音波振動子に印加される出力電圧を基本成分と高調波成分とに分解することと、前記駆動電圧によって前記超音波振動子に流れる出力電流を基本成分と高調波成分とに分解することと、前記出力電圧の基本成分及び高調波成分と、前記第２のキャパシタの静電容量値とに基づいて、前記第２のキャパシタに流れるキャパシタ電流の基本成分と高調波成分とを算出することと、前記出力電流の基本成分及び高調波成分と、前記キャパシタ電流の基本成分及び高調波成分とに基づいて、前記直列回路に流れる駆動電流の基本成分及び高調波成分を算出することと、前記駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算することと、前記合算された駆動電流が目標値となるように前記駆動電圧を制御するための定電流制御データを生成することとを具備する。

本発明によれば、より安定した超音波振動をさせるための駆動装置及びこのような駆動装置の制御方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の適用例としての超音波手術装置の主な構成を示すブロック図である。 図２は、制御回路の詳細な構成を示すブロック図である。 図３は、共振周波数付近で駆動されている超音波振動子の電気的等価回路図である。 図４Ａは、出力電流の基本成分と、Ｃｂ電流の基本成分と、駆動電流の基本成分との関係を示す図である。 図４Ｂは、出力電流の２次高調波成分と、Ｃｂ電流の２次高調波成分と、駆動電流の２次高調波成分との関係を示す図である。 図４Ｃは、出力電流の３次高調波成分と、Ｃｂ電流の３次高調波成分と、駆動電流の３次高調波成分との関係を示す図である。 図５は、駆動電流の合算について示す図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る超音波手術装置の動作を示すフローチャートである。 図７は、スキャン処理について示すフローチャートである。 図８Ａは、本発明の一実施形態に係るスキャン処理の効果を示す第１の図である。 図８Ｂは、本発明の一実施形態に係るスキャン処理の効果を示す第２の図である。 図９は、変形例２の超音波手術装置の動作を示すフローチャートである。 図１０は、静電容量算出処理について示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の適用例としての超音波手術装置の主な構成を示すブロック図である。超音波手術装置１は、駆動装置１２を有する。駆動装置１２は、超音波処置具に電気的に接続されている。

駆動装置１２は、超音波処置具の超音波振動子１４を一定の振幅で超音波振動させるように出力信号を生成する。駆動装置１２は、制御回路１２２と、Ｄ／Ａ回路１２４と、駆動電圧生成回路１２６とを有している。

制御回路１２２は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって構成されている。制御回路１２２は、駆動電圧生成回路１２６によって生成された駆動電圧に従って超音波振動子１４に印加される出力電圧及び超音波振動子１４に流れる出力電流をデジタル信号として取り込み、取り込んだ出力電圧及び出力電流に基づいて生成した定電流制御データをＤ／Ａ回路１２４に出力する。定電流制御データは、例えば超音波振動子１４を定電流駆動するために駆動電圧生成回路１２６で生成すべき駆動電圧の電圧値を示すデータである。また、制御回路１２２は、取り込んだ出力電圧及び出力電流に基づいて生成した周波数データをＤ／Ａ回路１２４に出力する。周波数データは、例えば駆動電圧の周波数値を示すデータである。制御回路１２２については後で詳しく説明する。

Ｄ／Ａ回路１２４は、制御回路１２２からデジタル信号として出力される定電流制御データ及び周波数データをアナログ信号に変換し、この変換によって得られた定電流制御信号及び周波数信号を駆動電圧生成回路１２６に出力する。

駆動電圧生成回路１２６は、Ｄ／Ａ回路１２４から出力された定電流制御信号及び周波数信号に基づいて駆動電圧を生成して超音波振動子１４に印加する。駆動電圧は、例えば定電流制御信号と周波数信号との乗算によって生成される交流電圧である。

超音波処置具は、超音波振動子１４と、プローブ１６とを主に有している。超音波振動子１４は、例えば圧電素子であり、駆動電圧生成回路１２６によって印加される駆動電圧に従って超音波振動する。

プローブ１６は、細長形状のシース１８の内部を通って超音波振動子１４に連結されており、超音波振動子１４の振動に伴って振動する。把持部２０は、シース１８の先端部（超音波振動子１４と面していない側の端部とする）に回動するように取り付けられており、図示しない操作部の操作に応じて回動する。例えば術者による図示しない操作部の操作によって把持部２０が回動することにより、プローブ１６と把持部２０との間で血管等の生体組織が把持される。

図２は、制御回路１２２の詳細な構成を示すブロック図である。制御回路１２２は、出力電圧分解部１２２１と、出力電流分解部１２２２と、Ｃｂ電流算出部１２２３と、位相差検出部１２２４と、駆動電流算出部１２２５と、駆動電流合算部１２２６と、定電流制御部１２２７と、周波数制御部１２２８とを有している。

出力電圧分解部１２２１は、超音波振動子１４に印加される出力電圧Ｅをデジタル信号として取り込み、取り込んだ出力電圧Ｅを、基本成分と高調波成分とに分解する。例えば、出力電圧分解部１２２１は、出力電圧Ｅを、基本成分Ｅ１と、２次高調波成分Ｅ２と、３次高調波成分Ｅ３とに分解する。出力電流分解部１２２２は、超音波振動子１４を流れる出力電流Ｉをデジタル信号として取り込み、取り込んだ出力電流Ｉを、基本成分と高調波成分とに分解する。例えば、出力電流分解部１２２２は、出力電流Ｉを、基本成分Ｉ１と、２次高調波成分Ｉ２と、３次高調波成分Ｉ３とに分解する。これらの分解は、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて行われる。

図３は、共振周波数付近で駆動されている超音波振動子１４の電気的等価回路図である。図３に示すように、共振周波数Ｆｒの付近で振動している超音波振動子１４は、超音波振動子１４の機械的振動特性を表すインダクタ及びキャパシタ（第１のキャパシタ）と機械的負荷を表す抵抗とからなる直列共振回路ＳＲＣに、超音波振動子１４の圧電素子や電極板による浮遊容量成分を表した制動キャパシタ（第２のキャパシタ）Ｃｂを並列に接続した回路と考えることができる。図３の等価回路において、出力電圧Ｅの印加によって超音波振動子１４に流れる出力電流Ｉのうち、超音波振動子１４の振動に寄与するのは、直列共振回路ＳＲＣを流れる駆動電流Ｉｄのみであり、制動キャパシタＣｂを流れるキャパシタ電流（以下、Ｃｂ電流と記す）Ｉｃｂは駆動には全く寄与しない。すなわち出力電圧Ｅと電流Ｉｃｂとの位相差は９０°である。したがって、超音波振動子１４を正確に定電流制御するためには正確な駆動電流Ｉｄを求める必要がある。ここで、駆動電流Ｉｄは出力電圧Ｅ及び出力電流Ｉの影響による高調波成分を有しているので、駆動電流Ｉｄの絶対値と位相とは基本成分及び高調波成分毎に異なるものとなる。そこで、本実施形態では、一旦、Ｃｂ電流Ｉｃｂの基本成分及び各高調波成分を求めることによって駆動電流Ｉｄの基本成分及び各高調波成分を求め、その後に駆動電流Ｉｄの基本成分及び各高調波成分を合算することで高調波成分の影響を考慮した正確な駆動電流Ｉｄを算出する。出力電圧分解部１２２１及び出力電流分解部１２２２における分解は、Ｃｂ電流Ｉｃｂ及び駆動電流Ｉｄの基本成分及び各高調波成分を求めるための処理である。

Ｃｂ電流算出部１２２３は、超音波振動子１４を流れる出力電流Ｉのうち、超音波振動子１４の振動に寄与しない電流であるＣｂ電流Ｉｃｂの基本成分及び各高調波成分の絶対値を算出する。超音波振動子１４を図３の等価回路で表すことができるとすると、Ｃｂ電流Ｉｃｂの基本成分の絶対値Ｉｃｂ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｃｂ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｃｂ３は、出力電圧の基本成分Ｅ１と、２次高調波成分Ｅ２と、３次高調波成分Ｅ３と、共振周波数Ｆｒと、制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂとから、例えば以下のように算出される。
Ｉｃｂ１＝２π×Ｆｒ×Ｃｂ×Ｅ１
Ｉｃｂ２＝２π×Ｆｒ×Ｃｂ×Ｅ２
Ｉｃｂ３＝２π×Ｆｒ×Ｃｂ×Ｅ３
制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂは、例えば、Ｃｂ記憶部１２２３ａに記憶された固定値である。静電容量値Ｃｂは、超音波手術装置１を反共振周波数で駆動したときの出力電流を測定することによって測定される。

位相差検出部１２２４は、出力電圧Ｅの基本成分Ｅ１と出力電流Ｉの基本成分Ｉ１との位相差θ１１、出力電圧Ｅの２次高調波成分Ｅ２と出力電流Ｉの２次高調波成分Ｉ２との位相差θ１２、出力電圧Ｅの３次高調波成分Ｅ３と出力電流Ｉの３次高調波成分Ｉ３との位相差θ１３をそれぞれ検出する。

駆動電流算出部１２２５は、出力電流Ｉの基本成分の絶対値Ｉ１と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの基本成分の絶対値Ｉｃｂ１と、位相差θ１１とを用いて、駆動電流Ｉｄの基本成分の絶対値Ｉｄ１を算出する。また、駆動電流算出部１２２５は、出力電流Ｉの２次高調波成分の絶対値Ｉ２と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの２次高調波成分の絶対値Ｉｃｂ２と、位相差θ１２とを用いて、駆動電流Ｉｄの２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２を算出する。また、駆動電流算出部１２２５は、出力電流Ｉの３次高調波成分の絶対値Ｉ３と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの３次高調波成分の絶対値Ｉｃｂ３と、位相差θ１３とを用いて、駆動電流Ｉｄの３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３を算出する。図４Ａは、出力電流Ｉの基本成分Ｉ１と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの基本成分Ｉｃｂ１と、駆動電流Ｉｄの基本成分Ｉｄ１との関係を示しており、図４Ｂは、出力電流Ｉの２次高調波成分Ｉ２と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの２次高調波成分Ｉｃｂ２と、駆動電流Ｉｄの２次高調波成分Ｉｄ２との関係を示しており、図４Ｃは、出力電流Ｉの３次高調波成分Ｉ３と、Ｃｂ電流Ｉｃｂの３次高調波成分Ｉｃｂ３と、駆動電流Ｉｄの３次高調波成分Ｉｄ３との関係を示している。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの関係からも分かるように、駆動電流Ｉｄは、出力電流ＩからＣｂ電流Ｉｃｂをベクトル的に差し引くことにより得られる。したがって、駆動電流Ｉｄの基本成分の絶対値Ｉｄ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３はそれぞれ以下の関係から算出される。
Ｉｄ１２＝Ｉ１２＋Ｉｃｂ１２−２×Ｉ１×Ｉｃｂ１×ｓｉｎθ１１
Ｉｄ２２＝Ｉ２２＋Ｉｃｂ２２−２×Ｉ２×Ｉｃｂ２×ｓｉｎθ１２
Ｉｄ３２＝Ｉ３２＋Ｉｃｂ３２−２×Ｉ３×Ｉｃｂ３×ｓｉｎθ１３

また、駆動電流算出部１２２５は、出力電圧Ｅの基本成分Ｅ１と駆動電流Ｉｄの基本成分Ｉｄ１との位相差θ２１、出力電圧Ｅの２次高調波成分Ｅ２と駆動電流Ｉｄの２次高調波成分Ｉｄ２との位相差θ２２、出力電圧Ｅの３次高調波成分Ｅ３と駆動電流Ｉｄの３次高調波成分Ｉｄ３との位相差θ２３をそれぞれ算出する。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃの関係からも分かるように、位相差θ２１、θ２２、θ２３はそれぞれ以下の関係から算出される。
ｔａｎθ２１＝（Ｉ１×ｓｉｎθ１１−Ｉｃｂ１）／（Ｉ１×ｃｏｓθ１１）
ｔａｎθ２２＝（Ｉ２×ｓｉｎθ１２−Ｉｃｂ２）／（Ｉ２×ｃｏｓθ１２）
ｔａｎθ２３＝（Ｉ３×ｓｉｎθ１３−Ｉｃｂ３）／（Ｉ３×ｃｏｓθ１３）

駆動電流合算部１２２６は、駆動電流Ｉｄの基本成分の絶対値Ｉｄ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３、及びそれぞれの位相差θ２１、θ２２、θ２３に基づいて基本成分の絶対値Ｉｄ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３を合算することによって駆動電流Ｉｄを算出する。図５は、駆動電流Ｉｄの基本成分の絶対値Ｉｄ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３の合算について示す図である。図５に示すように、最終的な駆動電流Ｉｄは、基本成分Ｉｄ１、２次高調波成分Ｉｄ２、３次高調波成分Ｉｄ３をベクトル的に加算することによって得られる。

定電流制御部１２２７は、駆動電流Ｉｄに基づいて定電流制御データを生成する。例えば、定電流制御部１２２７は、駆動電流合算部１２２６によって算出された駆動電流Ｉｄと超音波振動子１４の振幅に応じて予め定められた目標値とを比較し、駆動電流Ｉｄと目標値との差異がなくなるような定電流制御データを生成し、生成した定電流制御データをＤ／Ａ回路１２４に出力する。

周波数制御部１２２８は、周波数制御データをＤ／Ａ回路１２４に出力する。また、周波数制御部１２２８は、出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄとの位相差に基づいて共振周波数Ｆｒを検出するためのスキャン処理も行う。

以下、本実施形態に係る超音波手術装置１の動作を説明する。図６は、超音波手術装置１の動作を示すフローチャートである。図６の処理は、例えば術者によって超音波手術装置１の動作の開始が指示された場合に行われる。

ステップＳ１０１において、周波数制御部１２２８は、スキャン処理を行う。スキャン処理は、超音波振動子１４の共振周波数Ｆｒを検出するための処理である。以下、図７を参照してスキャン処理について説明する。図７は、スキャン処理について示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを初期値に設定する。初期値は、例えば超音波振動子１４の特性等から予想される共振周波数の値よりも十分に高い値に設定される。例えば、共振周波数が４７ｋＨｚの付近であると予測される場合、初期値は４８ｋＨｚに設定される。この設定は一例である。

ステップＳ２０２において、周波数制御部１２２８は、定電流制御部１２２７に対してスキャン処理用の定電流制御データを出力させる。これにより、超音波振動子１４の振動が開始する。スキャン処理用の定電流制御データは、予め定められている固定のデータである。

ステップＳ２０３において、周波数制御部１２２８は、図６のステップＳ１０２からステップＳ１０６と同様にして算出される駆動電流Ｉｄの閾値以上の上昇を検知したか否かを判定する。ステップＳ２０３において駆動電流Ｉｄの閾値以上の上昇を検知していないと判定された場合には、処理はステップＳ２０４に移行する。ステップＳ２０３において駆動電流Ｉｄの閾値以上の上昇を検知したと判定された場合には、処理はステップＳ２０６に移行する。駆動電流Ｉｄが急激に上昇したということは、現在の周波数が共振周波数Ｆｒの付近であることを意味している。

ステップＳ２０４において、周波数制御部１２２８は、駆動電流Ｉｄの絶対値が閾値以上であるか否かを判定する。ステップＳ２０４において駆動電流Ｉｄの絶対値が閾値以上でないと判定された場合には、処理はステップＳ２０５に移行する。ステップＳ２０４において駆動電流Ｉｄの絶対値が閾値以上であると判定された場合には、処理はステップＳ２０６に移行する。駆動電流Ｉｄの絶対値が大きいということは、現在の周波数が共振周波数Ｆｒの付近であることを意味している。

ステップＳ２０５において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを変更する。その後、処理はステップＳ２０３に戻る。例えば、周波数制御部１２２８は、周波数を低くするように周波数制御データを変更する。

ステップＳ２０６において、周波数制御部１２２８は、出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより大きいか否かを判定する。ステップＳ２０６において出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより大きくないと判定された場合には、処理はステップＳ２０７に移行する。ステップＳ２０６において出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより大きいと判定された場合には、処理はステップＳ２０８に移行する。

ステップＳ２０７において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを変更する。その後、処理はステップＳ２０６に戻る。例えば、周波数制御部１２２８は、周波数を低くするように周波数制御データを変更する。

ステップＳ２０８において、周波数制御部１２２８は、出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより小さいか否かを判定する。ステップＳ２０６において出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより小さくないと判定された場合には、処理はステップＳ２０９に移行する。ステップＳ２０８において出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより小さいと判定された場合には、処理はステップＳ２１０に移行する。出力電圧Ｅと駆動電流Ｉｄの位相差がゼロより大きい状態とゼロより小さい状態の両方が検知されたということは、その間に位相差がゼロとなる状態、すなわち共振周波数Ｆｒが存在していることを意味する。

ステップＳ２０９において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを変更する。その後、処理はステップＳ２０８に戻る。例えば、周波数制御部１２２８は、周波数を低くするように周波数制御データを変更する。

ステップＳ２１０において、周波数制御部１２２８は、共振周波数Ｆｒを算出する。共振周波数Ｆｒは、位相差がゼロとなる周波数であり、位相差がゼロより大きい状態における周波数とゼロより小さい状態における周波数とを用いた補間演算によって算出される。

ステップＳ２１１において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを共振周波数Ｆｒに対応した値にロックする。その後、図７の処理は終了し、処理は図６のステップＳ１０２に移行する。

図７のスキャン処理では、位相差の検知処理に移行するのか否かの判定に、駆動電流Ｉｄの変化量だけではなく、駆動電流Ｉｄの絶対値も用いられる。位相差の検知処理に移行するのか否かの判定に駆動電流Ｉｄの変化量だけが用いられたとすると、例えば図８Ａに示すようなスキャン処理の開始時点で駆動電流Ｉｄが大きくなっており、駆動電流Ｉｄの閾値以上の上昇を検知できないような場合には位相差の検知処理に移行しないことになる。これに対し、位相差の検知処理に移行するのか否かの判定に駆動電流Ｉｄの絶対値も用いることにより、図８Ｂに示すように、駆動電流Ｉｄの十分な変化が検知できないような場合であっても、位相差の検知処理に移行することができる。

図７の処理は、超音波手術装置１の動作の開始が指示されたときに必ず行わなければならないものではない。例えば、図７の処理は、超音波手術装置１の電源投入のときだけ行われても良い。

以下、図６の説明に戻る。共振周波数Ｆｒでの超音波振動子１４の振動の開始後、ステップＳ１０２において、出力電圧分解部１２２１は出力電圧Ｅを、基本成分Ｅ１と、２次高調波成分Ｅ２と、３次高調波成分Ｅ３とに分解する。また、出力電流分解部１２２２は、出力電流Ｉを、基本成分Ｉ１と、２次高調波成分Ｉ２と、３次高調波成分Ｉ３とに分解する。

ステップＳ１０３において、Ｃｂ電流算出部１２２３は、Ｃｂ記憶部１２２３ａから制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂを取得する。そして、Ｃｂ電流算出部１２２３は、出力電圧の基本成分Ｅ１と、２次高調波成分Ｅ２と、３次高調波成分Ｅ３と、共振周波数Ｆｒと、制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂとから、Ｃｂ電流Ｉｃｂの基本成分Ｉｃｂ１、２次高調波成分Ｉｃｂ２、３次高調波成分Ｉｃｂ３をそれぞれ算出する。

ステップＳ１０４において、位相差検出部１２２４は、出力電圧Ｅの基本成分Ｅ１と出力電流Ｉの基本成分Ｉ１との位相差θ１１、出力電圧Ｅの２次高調波成分Ｅ２と出力電流Ｉの２次高調波成分Ｉ２との位相差θ１２、出力電圧Ｅの３次高調波成分Ｅ３と出力電流Ｉの３次高調波成分Ｉ３との位相差θ１３をそれぞれ検出する。

ステップＳ１０５において、駆動電流算出部１２２５は、駆動電流Ｉｄの基本成分の絶対値Ｉｄ１、２次高調波成分の絶対値Ｉｄ２、３次高調波成分の絶対値Ｉｄ３をそれぞれ算出するとともに、出力電圧Ｅの基本成分Ｅ１と駆動電流Ｉｄの基本成分Ｉｄ１との位相差θ２１、出力電圧Ｅの２次高調波成分Ｅ２と駆動電流Ｉｄの２次高調波成分Ｉｄ２との位相差θ２２、出力電圧Ｅの３次高調波成分Ｅ３と駆動電流Ｉｄの３次高調波成分Ｉｄ３との位相差θ２３をそれぞれ算出する。

ステップＳ１０６において、駆動電流合算部１２２６は、駆動電流Ｉｄの基本成分Ｉｄ１の絶対値、２次高調波成分Ｉｄ２の絶対値、３次高調波成分Ｉｄ３の絶対値、及びそれぞれの位相差θ２１、θ２２、θ２３に基づいて基本成分Ｉｄ１、２次高調波成分Ｉｄ２、３次高調波成分Ｉｄ３を合算することによって駆動電流Ｉｄを算出する。

ステップＳ１０７において、定電流制御部１２２７は、駆動電流Ｉｄに基づいて定電流制御データを生成する。これにより、超音波振動子１４の駆動電流Ｉｄの値が一定になり、超音波振動子１４の振幅も一定の振幅になる。

ステップＳ１０８において、定電流制御部１２２７は、図６の処理を終了するか否かを判定する。例えば、術者によって超音波手術装置１の動作の終了が指示された場合に図６の処理を終了すると判定される。ステップＳ１０８において図６の処理を終了しないと判定された場合には、処理はステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０８において図６の処理を終了すると判定された場合には、処理は終了する。

以上説明したように本実施形態によれば、超音波振動子１４の振動に寄与する駆動電流を一定にする定電流制御を行うことができる。超音波振動子１４を流れる出力電流には、駆動電流とＣｂ電流とが含まれるが、これらの駆動電流とＣｂ電流の何れも高調波成分を含むものである。本実施形態では、まず、Ｃｂ電流の基本成分及び各高調波成分を求めてから、駆動電流の基本成分及び各高調波成分を求めてこれらを合算している。これにより、出力電流から駆動電流のみを分離することができる。このようにして分離した駆動電流を一定にする定電流制御により、超音波振動子１４の振動振幅を高精度に制御することが可能である。

［変形例１］
以下、本実施形態の変形例を説明する。前述した実施形態では、出力電圧分解部１２２１は、出力電圧Ｅを、基本成分Ｅ１と、２次高調波成分Ｅ２と、３次高調波成分Ｅ３とに分解している。また、出力電流分解部１２２２は、出力電流Ｉを、基本成分Ｉ１と、２次高調波成分Ｉ２と、３次高調波成分Ｉ３とに分解している。しかしながら、分解数はこれに限定されるものではない。すなわち、出力電圧分解部１２２１及び出力電流分解部１２２２は、出力電圧Ｅ及び出力電流Ｉを、基本成分と２次高調波成分とに分解するものであっても良いし、基本成分と４次以上の各高調波成分とに分解するものであっても良い。

［変形例２］
また、前述した実施形態では、制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂは固定値であるとしている。これに対し、超音波手術装置１の動作開始時や電源投入時に静電容量値Ｃｂを測定するようにしても良い。以下、このような変形例を説明する。図９は、変形例２の超音波手術装置１の動作を示すフローチャートである。なお、図９の処理は、最初のステップＳ１１１において静電容量算出処理が行われる以外は図６の処理と同様である。したがって、以下では静電容量算出処理について説明する。図１０は、静電容量算出処理について示すフローチャートである。

ステップＳ３０１において、周波数制御部１２２８は、周波数制御データを反共振周波数Ｆａｒに対応した値に設定する。反共振周波数Ｆａｒは、出力電圧Ｅと出力電流Ｉとの位相差が最大（９０°）になる周波数である。反共振周波数Ｆａｒは、例えば、図７と同様に周波数制御データを順次変更していき、出力電圧Ｅと出力電流Ｉとの位相差が最大となったときに周波数をロックすることで得られる。

ステップＳ３０２において、Ｃｂ電流算出部１２２３は、出力電流Ｉを検出する。図３の等価回路が反共振周波数で駆動されるとき、直列共振回路ＳＲＣは開放されていると考えることができる。このとき、出力電流Ｉは、Ｃｂ電流Ｉｃｂと一致する。すなわち、図３の等価回路が反共振周波数で駆動されるときには、出力電流Ｉを検出することによってＣｂ電流Ｉｃｂを検出することができる。

ステップＳ３０３において、Ｃｂ電流算出部１２２３は、制動キャパシタＣｂの静電容量値Ｃｂを算出する。その後、図１０の処理が終了し、処理は図９のステップＳ１０１に移行する。なお、静電容量値Ｃｂは、例えば以下のように算出される。
Ｃｂ＝Ｉｃｂ／（２π×Ｆａｒ×Ｅ）＝Ｉ／（２π×Ｆａｒ×Ｅ）
以上説明した変形例２では、静電容量値Ｃｂを固定値としないことにより、より正確にＣｂ電流を算出することが可能である。

上述した実施形態による各処理は、コンピュータとしてのＣＰＵ等に実行させることができるプログラムとして記憶させておくこともできる。この他、メモリカード、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の外部記憶装置の記憶媒体に格納して配布することができる。そして、ＣＰＵ等は、この外部記憶装置の記憶媒体に記憶されたプログラムを読み込み、この読み込んだプログラムによって動作が制御されることにより、上述した処理を実行することができる。

Claims (6)

1. インダクタ、第１のキャパシタ及び抵抗からなる直列回路に第２のキャパシタが並列に接続された電気的等価回路で表される超音波振動子を有し、前記超音波振動子で発生した超音波振動によって生体組織を処置する超音波処置具と電気的に接続された駆動装置であって、
   前記超音波振動子を駆動させるための交流の駆動電圧によって前記超音波振動子に印加される出力電圧を基本成分と高調波成分とに分解する出力電圧分解部と、
   前記駆動電圧によって前記超音波振動子に流れる出力電流を基本成分と高調波成分とに分解する出力電流分解部と、
   前記出力電圧分解部で得られた前記出力電圧の基本成分及び高調波成分と、前記第２のキャパシタの静電容量値とに基づいて、前記第２のキャパシタに流れるキャパシタ電流の基本成分と高調波成分とを算出するキャパシタ電流算出部と、
   前記出力電流分解部で得られた前記出力電流の基本成分及び高調波成分と、前記キャパシタ電流算出部で算出された前記キャパシタ電流の基本成分及び高調波成分とに基づいて、前記直列回路に流れる駆動電流の基本成分及び高調波成分を算出する駆動電流算出部と、
   前記駆動電流算出部で算出された前記駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算する駆動電流合算部と、
   前記駆動電流合算部で合算された駆動電流が目標値となるように前記駆動電圧を制御するための定電流制御データを生成する定電流制御部と、
   を具備する駆動装置。
2. 前記第２のキャパシタの静電容量値を記憶しておく記憶部をさらに具備し、
   前記キャパシタ電流算出部は、前記記憶部から前記第２のキャパシタの静電容量値を取得する請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記キャパシタ電流算出部は、前記超音波振動子を反共振周波数で駆動したときに前記超音波振動子に流れる出力電流に基づいて前記第２のキャパシタの静電容量値を算出する請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記駆動電流算出部は、前記出力電圧の基本成分及び前記出力電流の基本成分の位相差に基づいて前記出力電流の基本成分から前記キャパシタ電流の基本成分を差し引くことによって前記駆動電流の基本成分を算出するとともに、前記出力電圧の高調波成分及び前記出力電流の高調波成分の位相差に基づいて前記出力電流の高調波成分から前記キャパシタ電流の高調波成分を差し引くことによって前記駆動電流の高調波成分を算出する請求項１に記載の駆動装置。
5. 前記駆動電流合算部は、前記出力電圧の基本成分及び前記駆動電流の基本成分の位相差と前記出力電圧の高調波成分及び前記駆動電流の高調波成分の位相差とに基づいて、前記駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算する請求項１に記載の駆動装置。
6. インダクタ、第１のキャパシタ及び抵抗からなる直列回路に第２のキャパシタが並列に接続された電気的等価回路で表される超音波振動子を有し、前記超音波振動子で発生した超音波振動によって生体組織を処置する超音波処置具と電気的に接続された駆動装置の制御方法であって、
   前記超音波振動子を駆動させるための交流の駆動電圧によって前記超音波振動子に印加される出力電圧を基本成分と高調波成分とに分解することと、
   前記駆動電圧によって前記超音波振動子に流れる出力電流を基本成分と高調波成分とに分解することと、
   前記出力電圧の基本成分及び高調波成分と、前記第２のキャパシタの静電容量値とに基づいて、前記第２のキャパシタに流れるキャパシタ電流の基本成分と高調波成分とを算出することと、
   前記出力電流の基本成分及び高調波成分と、前記キャパシタ電流の基本成分及び高調波成分とに基づいて、前記直列回路に流れる駆動電流の基本成分及び高調波成分を算出することと、
   前記駆動電流の基本成分及び高調波成分を合算することと、
   前記合算された駆動電流が目標値となるように前記駆動電圧を制御するための定電流制御データを生成することと、
   を具備する駆動装置の制御方法。

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