JP6824309B2 - ハンドピースの機械的インピーダンスに応じて超音波式ハンドピースを駆動するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的に、超音波駆動式の外科用ハンドピースに関する。より具体的には、
本発明は、ハンドピースの機械的構成要素（mechanical component）のインピーダンスの
変化に応じてハンドピースに駆動信号を印加することに関する。

超音波式手術器具は、医学的及び外科的な手技（procedure）を行うにあたって有用な
手術器具である。一般に、超音波式手術用ツールは、少なくとも１つの圧電ドライバを備
えたハンドピースを有している。前記ドライバに先端部が機械的に接続され、該先端部は
、ドライバが配置されているハウジング又はシェルから前方に延びている。先端部はヘッ
ドを有している。ヘッドには、特定の医学的又は外科的な作業を行うための寸法とされた
機構、多くの場合に歯又は溝（flute）が設けられている。超音波式ツールシステムは制
御コンソールも備えている。制御コンソールは、ドライバにＡＣ駆動信号を供給する。ド
ライバに駆動信号が印加されると、ドライバは周期的に膨張及び収縮する。ドライバの膨
張、収縮により、先端部内に、より具体的には先端のヘッド内に同様の動きが誘発される
。先端部がこのように動くと、先端部は振動していると見なされる。先端部内の振動して
いるヘッドは、特定の外科的又は医学的作業を行うために、ある組織に当てられる。例え
ば、幾つかの先端ヘッドが硬組織に当てられる。硬組織の１つの形態は骨である。このタ
イプの先端ヘッドが振動すると、先端ヘッドが前後に振動することによって、隣接する硬
組織を除去する、すなわち鋸引き（saw）する。更に別の先端ヘッドは、軟組織に当てら
れるように設計される。この先端ヘッドが振動すると、歯が多くの場合に切断動作によっ
て組織を除去する。また、幾つかの超音波式ツールは、組織及び周囲の体液内にキャビテ
ーションを誘発することによって組織を除去する。先端ヘッドが前後に動く結果として、
キャビテーションが生じる。具体的には、これらの振動の結果、組織及び周囲の体液内に
小さな空隙すなわち空洞が形成される。これらの空洞は、極めて低圧の非常に小さな領域
である。組織を形成する細胞の含有物とこれらの空洞との間に圧力差が生じる。この圧力
差が相対的に大きいために、細胞壁が破裂する。細胞壁の破裂によって、組織を形成する
細胞が除去すなわち切除される。

超音波式先端のヘッドは多くの場合に比較的小さい。幾つかのヘッドは１．０ｃｍ未満
の直径を有する。超音波式ツールは基本的に、ヘッドが当てられた場所に隣接する組織の
みを除去する。それゆえ、ヘッドの表面積が相対的に小さいために、超音波式ハンドピー
スは、硬組織及び軟組織の両方を正確に除去するのに有用なツールであることがわかって
いる。

ハンドピース又はツールとも呼ばれる場合がある超音波式手術器具の場合、効率的に機
能するために、適切な特性を有する駆動信号がツールに印加されるべきである。駆動信号
が適切な特性を有していない場合は、先端ヘッドが、最適な振幅に満たない振動を受ける
場合があり、及び／又は可能な限り高速に振動しない場合がある。ハンドピースがいずれ
かの状態にある場合には、組織を除去する、所与の時点におけるハンドピースの能力がか
なり低下する場合がある。

超音波式ハンドピースが効率的に動作するのを確実にする１つの手段は、ハンドピース
の共振周波数にある駆動信号をハンドピースに印加することである。駆動信号が所与の電
圧又は電流にある場合、共振周波数にある駆動信号を印加することにより、共振から外れ
た周波数において同じ電圧を印加する場合と比べて、相対的に大きな振幅において先端の
振動が誘発される。

更に他の超音波式ツールシステムは、ハンドピースの反共振周波数において駆動信号を
印加するように設計される。反共振周波数は、ハンドピースが最も高いインピーダンスを
有することになる周波数とすることができる。

本出願人のＳＯＮＯＰＥＴ（商標）超音波式アスピレータは、可変駆動信号を生成し、
取り付けられたハンドピースに印加するように設計された構成要素を備えたコンソールを
有している。コンソール内部には共振回路がある。コンソールの製造時に、この共振回路
のインダクタンス及びキャパシタンスは、コンソールとともに使用されることが意図され
ている特定のハンドピースのインピーダンスに基づく関数として設定される。コンソール
から出力される駆動信号の特性は、このインピーダンス回路にかかる電圧に応じて設定さ
れる。

多くの手技において、ＳＯＮＯＰＥＴコンソールは駆動信号を出力する。この駆動信号
は、ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数と基本的に同一であるか、又はさもなけ
れば少なくともこの共振周波数に近い。しかし、多くの通常の使用状況において、超音波
式ハンドピースは著しい機械的負荷を受ける場合がある。これは、例えば、先端部が骨に
押し付けられるときに生じる可能性がある。この状況では、先端部にかかる機械的負荷が
、ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスに著しい変化を引き起こす場合がある
。この事象が発生すると、制御コンソールは、ハンドピースの機械的構成要素の共振周波
数に近い周波数にある駆動信号を出力できない場合がある。

さらに、従来技術のコンソール内部のインピーダンス回路は通常、そのコンソールがと
もに使用されることになる特定のハンドピースに応じて設定されるインダクタンス及びキ
ャパシタンスを有する。異なった内部インダクタンス、キャパシタンス及び抵抗を有する
ハンドピースがコンソールに取り付けられると、コンソールから出力される駆動信号が、
ハンドピースの効率的な動作を助長する特性を有しない可能性がかなり高い。これは、あ
る１つのハンドピースとともに使用するために設計されたコンソールを別のハンドピース
に対して駆動信号を供給する電源として使用することを、不可能ではないにしても難しく
する。

本発明は、新規で有用な超音波式手術用ツールシステムに関する。本発明のツールシス
テムは、設計限界内で、システムハンドピースに印加される駆動信号が、ハンドピース先
端部において適切な振幅の振動を誘発するのを確実にするように設計される。より詳細に
は、種々のハンドピースが制御コンソールに取り付けられたときに、そのシステムは駆動
信号をそのように設定することができる。また、そのシステムは、ハンドピースを使用す
る結果として、ハンドピースのインピーダンス特性が変化したときに、駆動信号の特性を
調整する。

本発明のシステムは、ハンドピースが取り付けられる制御コンソールを有する。制御コ
ンソールは、駆動信号を生成し、ハンドピースに供給する。制御コンソールは、駆動信号
の周波数と、ハンドピースに供給される電流とを設定する。供給される電流は、駆動信号
の電圧を制御（regulate）することによって設定される。駆動信号のこれらの特性は、２
つの変数及び１つの定数に応じて設定される。変数のうちの１つは駆動信号の電圧である
。第２の変数は、ハンドピースを通る電流、すなわち、駆動信号の電流である。定数は、
ハンドピース内部の１つ又は複数の圧電ドライバのキャパシタンスである。

これら３つの入力に基づいて、制御コンソールは、駆動信号の周波数及び電圧レベルを
設定する。駆動信号の周波数は、目標周波数にできる限り厳密に一致するように設定され
る。これは、先端部ヘッドの振動がその最も効率的な周波数にあるのを確実にすることで
ある。電圧は、先端部ヘッドの振動の振幅の制御を提供するように設定される。

本発明の幾つかのバージョンでは、駆動信号は、ハンドピースの機械的構成要素に印加
される電流の等価成分を制御するために調整される。駆動信号の周波数は、信号がハンド
ピースの機械的構成要素の共振周波数及び／又は反共振周波数に関連する目標周波数にあ
ることを確実にするように調整することができる。

駆動信号の電圧及び電流は、制御コンソール内部の回路によって測定される。

ドライバキャパシタンスは、駆動信号の多くの一連の調整にわたって、このキャパシタ
ンスが変化しないままであるという点で定数であると見なされる。本発明の幾つかのバー
ジョンでは、ドライバキャパシタンスは、コンソールに取り付けられたハンドピースと一
体に構成されるメモリから読み出されたデータから得られる。あるいは、一組の呼出信号
（interrogation signal）に基づいて、コンソールは定期的にドライバキャパシタンスを
求めることができる。

ハンドピースの目標周波数は部分的には、ハンドピースの機械的構成要素の関数である
。また、目標周波数は、これらの構成要素にかけられる、変化する負荷の関数である。目
標周波数は、ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数とすることができる。本発明の
幾つかのバージョンでは、目標周波数は、ハンドピースの機械的構成要素の反共振周波数
である。本発明の更に別のバージョンでは、目標周波数は、ハンドピースの機械的構成要
素の共振周波数と反共振周波数との間の周波数である。本発明の更に別のバージョンでは
、目標周波数は、共振周波数と反共振周波数との間の帯域の外にある。

それゆえ、本発明のシステムの特徴は、コンソールが駆動信号を選択的に調整すること
である。ハンドピースに負荷がかけられた結果として目標周波数が変化すると、駆動信号
が、目標周波数又はその付近にとどまるように調整される。

本発明の更なる特徴は、コンソールが、様々なキャパシタンスを有するドライバを備え
たハンドピースに駆動信号を供給できることである。同様に、本発明のハンドピースは、
単一の特定のコンソールにのみ接続する必要はない。

本発明の幾つかの代替的バージョンでは、駆動信号の周波数のみが設定される。この周
波数は、駆動信号がハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分をもたら
すことと、信号がこれらの構成要素のために望ましい目標周波数に近い周波数にあること
とを確実にするために、レギュレートされる。

本発明は特許請求の範囲において詳細に示される。本発明の上記の特徴及び利点並びに
更なる特徴及び利点は、以下の図面とともに取り上げられる以下の詳細な説明から理解さ
れる。

本発明の機構を有する超音波式ツールシステムの基本的な要素を示す説明図である。 システムのツールすなわちハンドピースの機械的構成要素の説明図である。 本発明のシステムの制御コンソール及びハンドピースの両方の構成要素の電気的構成要素の説明図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、ハンドピースを流れる電流を表す説明図及びハンドピースの別の構成要素のインピーダンスを表す説明図である。図７は、ハンドピースが機械的負荷を受けたときに、ハンドピース内部の構成要素によって形成されているインピーダンス回路が、どのように形を変えると見なすことができるかを示す説明図である。 ハンドピース内部のメモリ内に記憶されるデータのタイプを表す説明図である。 図６Ｂとともに、本発明のシステムの動作の流れ図を構成する説明図である。 図６Ａとともに、本発明のシステムの動作の流れ図を構成する説明図である。 ハンドピースドライバのインピーダンスと、ハンドピースの機械的構成要素の等価インピーダンスとの代替的モデルを表す説明図である。 先端部が空気内にあり、この先端部が負荷を受けるときの、ハンドピースの周波数に対する機械的リアクタンスのリアクタンス変化を表すグラフである。 図１０は、ハンドピースの機械的構成要素への可変インピーダンスの追加を表す説明図である。図１４は、ハンドピースドライバのインピーダンスと、ハンドピースの機械的構成要素の等価インピーダンスとの代替的モデルを表す説明図である。 ハンドピースの機械的構成要素の可変インピーダンスの追加がこれらの構成要素のリアクタンスをどのようにもたらすかを表すグラフである。 本発明の先端部と一体に構成されるメモリから制御コンソールに対してデータをどのように供給することができるかを表すブロック図である。 先端部内部のメモリ内に記憶されるデータのタイプを表す説明図である。 図１５Ｂとともに、本発明の超音波式外科用ツールシステムをレギュレートするための代替的なプロセスステップを表す流れ図を構成する説明図である。 図１５Ａとともに、本発明の超音波式外科用ツールシステムをレギュレートするための代替的なプロセスステップを表す流れ図を構成する説明図である。

［Ｉ．システム概説及びハードウェア］
本発明の機構を有する超音波式ツールシステム３０について、図１及び図２を参照しな
がら包括的に説明する。システム３０はハンドピース３２を有している。ハンドピース３
２は、該ハンドピースの近位端（proximal end）を形成する本体又はシェル３４を有して
いる（「近位（proximal）」は、ハンドピースを握る施術者に近く、ハンドピースが当て
られる部位から離れていることを意味するものと理解されたい。「遠位（distal）」は、
施術者から離れていて、ハンドピースが当てられる部位に近いことを意味すると理解され
たい。）。

１つ又は複数の振動式圧電ドライバ４０（４つが示されている）が、シェル３４内部に
配置されている。各ドライバ４０は、ドライバに電流が印加されると、瞬時の膨張又は収
縮を受ける材料から形成されている。これらの膨張、収縮は、ドライバ４０の長手方向軸
上で生じ、この軸はドライバの近位側の面と遠位側の面との間で延びている。一対のリー
ド４１が各ドライバ４０から離れるように延びている。リード４１は、ドライバの対向す
る近位側の面及び遠位側の面に取り付けられている。全てではないが、多くのハンドピー
ス３２は、ディスク形状の圧電ドライバ４０を有している。これらのドライバ４０は、ス
タック内で端面同士が向かい合うようにして配置されている。リード４１は、システム３
０の構成要素であり、電流が駆動信号の形態でドライバ４０に印加される。絶縁ディスク
３７は、隣接するドライバ４０に接続される隣接するリード４１を互いに分離するもので
ある。絶縁ディスク３７のうちの１つを示している。図２において、ドライバ４０は互い
に離間したものとして示されている。これは、構成要素の図示を容易にするためである。
実際には、絶縁ディスク３７及びドライバ４０は隙間なく当接している。

ポスト３９は、絶縁ディスク３７及びドライバ４０を貫通して長手方向に延びている。
ポスト３９は、ドライバの同一直線上にある長手方向軸に沿ってドライバを貫通して延び
ている。絶縁ディスク３７及びドライバ４０の内部にあって、ポスト３９がそこを通って
延びている貫通孔は図示していない。ポスト３９は、最も近位側に位置するドライバ４０
及び最も遠位側に位置するドライバの両方から外側に突出している。

最も近位に位置するドライバ４０の近位側の面に、近位端マス（proximal end mass）
３６が取り付けられている。ポスト３９の露出した近位端面にマス３６が固着されている
。ポスト３９がねじを切られている場合には、マス３６はナットとすることができる。

ホーン４２は、最も遠位に位置するドライバ４０の遠位側の面から前方に延びている。
図示していないが、これらの構成要素間に絶縁ディスク３７がある場合がある。ホーン４
２は、ドライバ４０の直径に近似的に等しい直径を有する基部を有している。ドライバか
ら遠位に向かって前方に延びるにつれて、ホーン４２の径は減少する。ポスト３９の露出
した遠位端面にはホーン４２が固着されている。ポスト３９がねじを切られる場合、ホー
ンのベースには、ポスト３９を受け入れるために、ねじを切られた閉端孔（不図示）が形
成される場合がある。ハンドピース３２は、ドライバ４０のスタックが近位マス３６とホ
ーン４２との間で締め付けられるように構成されている。

先端部４８は、ホーン４２の遠位端から前方に延びている。カラー４４によって表され
る結合アセンブリは、通常、先端部４８をホーン４２とハンドピース３２の残りの部分と
に取外し可能に保持するものである。結合アセンブリの構造は、本発明の一部ではない。
先端部４８は細長い軸部（stem）５０を有している。軸部５０は先端部の一部であり、結
合アセンブリを通して、ホーン４２に取り付けられている。軸部５０はハンドピースシェ
ル３４の前方に延びている。先端部４８は、軸部５０の遠位端においてヘッド５２を有す
るものとして形成されている。幾つかの先端ヘッド５２は平滑面を有している。幾つかの
ヘッド５２には歯５３が形成されている。ヘッド５２の形状は、本発明の一部ではない。
先端ヘッド５２は、その手技が実行される患者の部位に当てられるハンドピース３２の部
分である。

先端部４８によっては、硬組織すなわち骨に直接当てられるように設計された歯が設け
られている。このタイプのものが往復運動すると、従来の鋸歯が組織を切断するのと同じ
ようにして、歯が組織を切断する。

図２においてリングとして表されるスリーブ５５が、通常、先端軸部５０を覆うように
配置されている。スリーブ５５は通常、軸部がホーン４２に取り付けられている付近の場
所から、ヘッド５２に近い約０．５ｃｍの場所まで延びている。ハンドピース３２と先端
部４８とスリーブ５５とはともに、先端部の外面とスリーブの包囲している内面との間に
延びている流体フローコンジット（fluid flow conduit）をスリーブが定めるように構成
されている。また、スリーブ５５は、スリーブの近位端に隣接し、このコンジットまで延
在する取付金具（図示せず）も有している。コンジットは、スリーブの遠位端において開
いている。ハンドピースが使用中のとき、洗浄溶液がスリーブ取付金具から、スリーブ下
方に流れ、先端ヘッド５２に隣接して排出される。そのシステムの幾つかのバージョンで
は、流体は、先端ヘッドの機械的振動がその中を通って組織に伝達される媒質としての役
割を果たす。この洗浄溶液は、ヘッドの振動の結果として先端ヘッドによって生成される
熱エネルギーに対するヒートシンクとしても機能する。

図示していないが、先端部、ホーン４２及びハンドピースポスト３９は多くの場合に、
先端ヘッド５２からハンドピースの近位端までの流体流路を合わせて定めるコンジットを
備えたものとして形成される。ハンドピースが動作しているとき、これらのコンジットを
通して吸引が生じる。吸引は、スリーブ５５を通って排出され、先端が当てられた部位か
ら離れていく洗浄流体を吸い込む。また、吸引は、組織を先端ヘッドに向かって吸い込む
。先端ヘッドと組織との間の間隔を短くすることによって、先端ヘッドから組織までの機
械的振動の伝達が改善される。

また、ハンドピース３２は、メモリ５８も有している。メモリ５８は、後に論じられる
ように、ハンドピースの特性を記述するデータを含む。メモリ５８は、ＥＰＲＯＭ、ＥＥ
ＰＲＯＭ又はＲＦＩＤタグの形をとることができる。メモリの構造は本発明の一部ではな
い。本発明の大部分のハンドピース３２は、メモリを含み、このメモリは、読み出すこと
ができるデータを含むことに加えて、ハンドピースの製造後にメモリに書き込まれるデー
タを記憶することができる。図示されない補助構成要素が、メモリからのデータの読み出
し及びメモリへのデータの書き込みを容易にするために、ハンドピースに取り付けられる
。これらの構成要素は、以下の構成要素、すなわち、導体、露出したコンタクト／コンタ
クトピン、コイル／アンテナ又はアイソレーション回路のうちの１つ又は複数からなる。

制御コンソール６４も本発明のシステム３０の一部である。制御コンソール６４は、ハ
ンドピース３２が接続されるケーブル６２を介して駆動信号を供給する。システム３０の
全てではないが、多くのバージョンにおいて、ハンドピース３２及びケーブル６２は単一
のユニットとして組み立てられる。駆動信号はドライバ４０に印加される。任意の所与の
時点で、同じ駆動信号が各ドライバ４０に印加される。駆動信号を印加することによって
、ドライバは、同時に、かつ周期的に膨張及び収縮する。ドライバ４０のスタックは多く
の場合、長さが１ｃｍ〜５ｃｍである。ドライバの一度の膨張、収縮サイクルにわたる運
動の距離、すなわち、振幅は、１ミクロン〜１０ミクロンとすることができる。ホーン４
２はこの運動を増幅する。結果として、完全に収縮した位置から完全に膨張した位置まで
動くときに、ホーン４２の遠位端と、その延長で考えると先端ヘッド５２とは通常、最大
で１０００ミクロン、そしてより多くの場合に５００ミクロン以下だけ動く。先端部４８
によっては、先端軸部の長手方向の膨張、収縮がヘッドに回転運動も誘発するように更に
設計される。先端部の周期的運動を引き起こすようにハンドピース３２が作動するとき、
ヘッド５２は振動していると考えることができる。

図３に示しているように、制御コンソール６４内部の構成要素には、電源６８が含まれ
る。電源６８は通常、１ＶＤＣ〜２５０ＶＤＣの定電圧信号を出力する。本発明の多くの
バージョンにおいて、電源６８によって出力される電圧の最大電位は１５０ＶＤＣ以下で
ある。電源６８によって出力される信号の電位は選択的に設定することができる。本発明
の説明されるバージョンでは、電源６８はＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ（Ｖ＿Ｓ）信号を受信
する。電源６８は、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号に応じて出力電圧のレベルを確立する。
電源６８によって生成される出力電圧は、調整可能型の増幅器７０に印加される。制御信
号、具体的には、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ（Ｆ＿Ｓ）信号が、増幅器７０に印加され
る。増幅器７０によって生成される出力信号の周波数は、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信
号に応じたものである。増幅器７０からの出力信号は、フィルタ７２に印加される。本発
明の幾つかのバージョンでは、増幅器７０は多くの場合、Ｄ級増幅器である。増幅器７０
からの出力信号はフィルタ７２に印加される。フィルタ７２は、増幅器７０からフィルタ
に印加された方形波の正弦波バージョンを出力する。本発明の幾つかのバージョンでは、
フィルタ７２はバンドパスフィルタである。フィルタ７２から出力される信号は通常、１
０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである。多くの場合に、信号は２０ｋＨｚの最小周波数を有する
。

フィルタ７２からの出力信号は、制御コンソール６４の一部でもある、変圧器７６の一
次巻線７８に印加される。変圧器７６の二次巻線８２の両端に存在する電圧が、ケーブル
６２を通してハンドピースドライバ４０に印加される駆動信号である。この電圧は通常、
最大でＡＣピーク１５００ボルトである。駆動信号は、ドライバ４０の両端に並列に印加
される。より具体的には、駆動信号は、各対のリード４１に並列に印加される。

変圧器７６は再生コイル８０を有している。再生コイル８０の両端に存在する電圧は、
電圧測定回路８６に印加される。再生コイル８０にかかる信号に基づいて、回路８６は、
ハンドピース３２に印加される駆動信号の電圧である電圧Ｖ_Ｓの電位及び位相を表す信号
を生成する。同じく制御コンソール６４内に配置されたコイル９０は、変圧器二次巻線８
２から延びている導体のうちの１つに極めて近接して位置している。コイル９０にかかる
信号は、電流測定回路９２に印加される。回路９２は、ハンドピースに供給される駆動信
号の電流である電流ｉ_Ｓの大きさ及び位相を表す信号を生成する。

圧電ドライバ４０に供給される駆動信号の特性を表すＶ_Ｓ信号及びｉ_Ｓ信号は、同じく
制御コンソール６４内部にあるプロセッサ９６に印加される。また、制御コンソール６４
はメモリリーダ１０２も有している。メモリリーダ１０２は、ハンドピースメモリ５８内
のデータを読み出すことができる。メモリリーダ１０２の構造は、ハンドピースメモリ１
０２を補完するものである。したがって、メモリリーダは、ＥＰＲＯＭ若しくはＥＥＰＲ
ＯＭ内のデータを読み出すことができるアセンブリ、又はＲＦＩＤタグに問い合わせ、Ｒ
ＦＩＤタグからデータを読み出すことができるアセンブリとすることができる。メモリ５
８から読み出されるデータが、駆動信号がハンドピース３２に供給される導体を介して読
み出される本発明の幾つかのバージョンでは、メモリリーダはアイソレーション回路を含
むことができる。リーダ１０２によって読み出されたデータはプロセッサ９６に印加され
る。

プロセッサ９６は、電源６８に印加されるＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号を生成する。ま
た、プロセッサ９６は、増幅器７０に印加されるＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号も生成
する。これらの信号は、制御コンソール６４によって供給される駆動信号の電圧及び周波
数をレギュレート（又は制御）（regulate）する制御信号である。プロセッサ９６は、ハ
ンドピースの特性と、Ｖ_Ｓ及びｉ_Ｓに関して得られた測定値とに応じて、制御信号をアサ
ートする。

制御コンソール６４に接続されるのは、オン／オフスイッチである。図１において、オ
ン／オフスイッチはフットペダル１０４によって表されている。ペダル１０４の状態は、
プロセッサ９６によって監視される。オン／オフスイッチは、システム３０のオン／オフ
状態をレギュレートするユーザ作動式の制御部材である。図１において、フットペダル１
０４は、複数のペダルを含むフットペダルアセンブリの一部として示されている。追加さ
れるペダルを用いて、洗浄ポンプ、吸引ポンプ又はライトなどのデバイスを制御すること
ができる。これらの補助デバイスは本発明の一部ではない。

制御コンソール６４は、スライドスイッチ１０６を有するものとして示されている。ス
イッチ１０４と同様に、スイッチ１０６の状態は、プロセッサ９６によって監視される。
スイッチ１０６は、先端ヘッド５２の振動の振幅の大きさを制御するために施術者によっ
て設定される。フットペダル１０４及びスイッチ１０６は、システム３０にオン／オフ及
び振幅設定コマンドを入力する手段を一般的に表すものであると理解されたい。システム
の幾つかの構成では、単一の制御部材が両方の機能を実行することができる。したがって
、レバー又はフットペダルが最初に押下されたときに、システムによって先端ヘッドが相
対的に小さな振幅からなる振動サイクルを受けるように、システムを構成することができ
る。レバー又はフットペダルを押下し続ける結果として、先端ヘッド５２がより大きな大
きさからなる振動サイクルを受けるように、制御コンソールはハンドピースに印加される
駆動信号を再設定する。

ディスプレイ１０８は制御コンソール６４に内蔵されている。ディスプレイ１０８上の
画像は、プロセッサ９６によって生成されるものとして示される。ディスプレイ１０８上
に表される情報は、ハンドピース、そして場合によっては、先端部を特定する情報と、シ
ステムの動作速度の特性を記述する情報とを含む。

［ＩＩ．動作原理］
制御コンソール６４を構成する複数の構成要素は合わせて、ハンドピースに駆動信号を
出力するように構成され、理想的には、その結果として、先端ヘッド５２の相対的に大き
な前後への往復振動が生まれる（ヘッド運動の振幅は可能な限り大きい）。これは、先端
部が組織を除去することができる実効性が、一般に、組織に当接して先端ヘッドが運動す
る長さに関連するためである。

先端ヘッド５２の大きな振幅の往復運動を助長する１つの手段は、設計限度内で、ハン
ドピースに印加される駆動信号の電流を最大にし、保持することである。これは、ハンド
ピース３２に印加される電流と、先端ヘッドの運動の振幅との間に比例関係があるためで
ある。ハンドピースに印加される電流ｉ_Ｓは、数学的には、図４Ａ及び図４Ｂに示す２つ
の成分を有すると考えることができる。第１の成分は、電流ｉ_Ｏ、すなわち、ドライバ４
０のキャパシタンスに印加される電流である。第２の成分は、電流ｉ_Ｍ、すなわち、ハン
ドピース３２の機械的構成要素に印加される電流の数学的に等価な成分である。ハンドピ
ースの機械的構成要素は、駆動信号の印加に応じて振動する、ハンドピースの構成要素で
ある。これらの構成要素は、近位端マス３６と、ポスト３９と、ドライバ４０と、結合ア
センブリを有するホーン４２と、先端部４８とを含む。ドライバ４０は、これらの構成要
素のうちの一部に含まれる。その理由として、ドライバ４０は振動するため、本発明にお
いて振動する機械的アセンブリの一部であるからである。スリーブ５５は通常、これらの
構成要素のうちの１つとは見なされない。これは、スリーブ５５は振動するが、スリーブ
は振動系の一部ではないからである。より具体的には、スリーブ５５は、振動系に負荷を
かける構成要素と見なすことができる。

本発明のこのシステムは、ハンドピースのインピーダンスの変化とは別に、機械的構成
要素に印加される電流の等価成分ｉ_Ｍを一定に保つように設計される。

ハンドピース３２を形成する構成要素のインピーダンスに基づいて、電流ｉ_Ｍが求めら
れ、それゆえ、制御される。ハンドピースのドライバ４０及び機械的構成要素は、互いに
並列に接続された２つのインピーダンス回路と考えることができる。ここで、ｚ_Ｏはドラ
イバ４０のスタックのインピーダンスである。ドライバのインピーダンスは基本的に、ド
ライバ４０のキャパシタンスＣ_Ｏと、駆動信号の周波数との関数である。このモデルは、
駆動信号がドライバに印加される際に通るケーブル６２及び任意の他の構成要素のキャパ
シタンスが無視できる程度であることを前提とする。したがって、インピーダンスＺ_Ｏは
、容量性リアクタンス成分、１／ｊωＣ_Ｏのみを有する。変数「ω」は、駆動信号の角周
波数である。インピーダンスＺ_Ｏは、無視できるほどの抵抗性リアクタンス成分及び誘導
性リアクタンス成分を有する。

インピーダンスＺ_Ｍは、ハンドピースの機械的構成要素の実効インピーダンスの数学的
な等価成分である。インピーダンスＺ_Ｍは、ハンドピースの機械的構成要素のインダクタ
ンスＬ_Ｍと、抵抗Ｒ_Ｍと、キャパシタンスＣ_Ｍとの機械的等価成分に基づく。インピーダ
ンスＺ_Ｈは、ハンドピース全体のインピーダンスである。それゆえ、インピーダンスＺ_Ｈ
は、以下の式に従って計算される。

図４Ａ及び図４Ｂのモデルの場合、

である。したがって、

である。ドライバ４０を流れる電流は、以下の式に従って計算される。

上記は、スタックのインピーダンスが、スタックのキャパシタンス及び駆動信号の周波数
のみに基づくという理解に基づいている。したがって、

である。式（５）及び他の式において、電流ｉ_Ｓ及び電圧Ｖ_Ｓはいずれも、それぞれが大
きさ成分及び位相成分を有するベクトルであることを理解されたい。上記で論じられたよ
うに、ドライバキャパシタンスＣ_Ｏは既知であり、駆動信号を制御する目的の場合には、
一定である。駆動信号の周波数が比較的一定であると仮定すると、その際、Ｖ_Ｓすなわち
駆動信号の電位をレギュレートすることによって、ハンドピースの機械的構成要素に印加
される駆動電流を一定に保つことができる。

ハンドピース３２の機械的構成要素に印加される電流の等価成分をレギュレートするこ
とに加えて、本発明のシステム３０は、駆動信号の周波数をレギュレートする。より詳細
には、駆動周波数は、ハンドピース３２の機械的構成要素の共振周波数に基づいた目標周
波数となるようにレギュレートされる。常にではないが、多くの場合に、機械的構成要素
の共振周波数が目標周波数である。電流の一定の等価成分を前提とし、機械的構成要素が
共振周波数において振動すると、ハンドピースの周期的な膨張、収縮（振動）が最も高い
振幅となるため、共振周波数が目標周波数として選択される。特定の共振タイプは、機械
的共振と呼ばれる。

駆動信号の周波数をそのように設定することができる１つのプロセスは、機械的共振に
おいて、ドライバ４０のスタック及び機械的構成要素を通る電流が９０度だけ位相がずれ
るはずであるという理解に基づく。これは、ハンドピースの機械的構成要素の容量性リア
クタンス及び誘導性リアクタンスの位相シフト効果が互いに相殺するためである。ドライ
バは、駆動信号が印加される周波数範囲において、無視できるほどの誘導性リアクタンス
を有する。結果として、ドライバは電流において９０度の位相シフトを誘発するが、ハン
ドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分では９０度の位相シフトは誘発さ
れない。

電流ｉ_Ｏ及びｉ_Ｍは、以下のように、極形式で表すことができる。

定数Ａ及びＢはそれぞれ電流ｉ_Ｏ及びｉ_Ｍの大きさに比例する。機械的構成要素を通る電
流の位相角は、ドライバを通る電流と９０度（π／２ラジアン）だけ位相がずれているた
め、

である。ｉ_Ｏをｉ_Ｍで割ることによって、以下の関係が導かれる。

式（９Ａ）の結果を直交形式に変換すると、以下の結果が導かれる。

式（９Ｃ）の最終結果は、９０度の余弦が０であり、９０度の正弦が１であるという事実
に基づく。これは、数学的には、ハンドピースが機械的共振にあるとき、ドライバ４０を
通る電流と、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分との比の実数成
分が０であることを意味する。すなわち以下の通りである。

上記の比が負である１つの理由は、ハンドピースのインピーダンスを共振比−Ｒｅ＝０．
０から反共振比−Ｒｅ＝１．０まで正規化することを可能にするためである。これは、ハ
ンドピースの性能をモデル化するのを容易にする。また、以下に論じられるように、比が
負であると仮定することは、駆動信号の周波数を設定することに関連付けられるプロセス
を簡単にする。

上記の式（４Ｂ）によるドライバ電流と、式（５）によるハンドピースの機械的構成要
素に印加される電流の等価成分とを式（１０）の関係に代入することは、機械的共振にお
いて、以下の関係が成り立つことを意味する。

ドライバキャパシタンスＣ_Ｏは一定である。式（１１）に異なる周波数を入れることによ
って、ハンドピースの機械的共振に一致する駆動信号の周波数を反復的プロセスによって
求めることができる。このプロセスに関して、電位及び電流が与えられた場合に、周波数
と、ドライバ４０を通る電流とハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成
分との比の実数成分との間には、線形の関係があることを理解されたい。これは、比を求
めるために式（１１）に２つの異なる周波数を入れることによって、機械的共振に相対的
に近い周波数を補間によって求めることができることを意味する。

［ＩＩＩ．実際の動作］
システム３０の動作を促すべく、ハンドピースの組立時に、ハンドピース内部のメモリ
５８にデータがロードされる。図５のフィールド１１２によって表されるようなこれらの
データは、ハンドピース３２を識別するデータを含む。これらのデータは、コンソール６
４がハンドピースに駆動信号を印加できることを検証するのに有用である。フィールド１
１２内のデータは、コンソールディスプレイ１０８上に提示されるハンドピースに関する
情報のタイプも示すことができる。フィールド１１４は、ドライバ４０のスタックのキャ
パシタンスＣ_Ｏを示すデータを含む。ドライバのキャパシタンスは、ハンドピース３４を
組み立てるプロセスの際に解析によって求めることができる。多くの場合、ドライバのキ
ャパシタンスの和は５００ｐＦ〜５０００ｐＦである。ハンドピースに印加される最大電
流、すなわち、電流

に関するデータは、フィールド１１６に含まれる。電流

は多くの場合に１Ａｍｐピーク未満であり、そして、より多くの場合に０．５Ａｍｐピー
ク以下である。フィールド１１８は、電流

、すなわち、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の最大等価成分を示すデー
タを含む。電流

は通常、０．２５Ａｍｐピーク以下である。駆動信号の最大電位、すなわち、電圧

はフィールド１２０に記憶される。電圧

は多くの場合に１５００ボルトＡＣピークである。

同じくハンドピースメモリに記憶されるのは、ハンドピース３２に印加される駆動信号
の最小周波数及び最大周波数を示すデータである。フィールド１２２に記憶される最小周
波数は通常、制御コンソールによって供給することができる駆動信号の最小周波数である
。フィールド１２４に記憶される駆動信号の最大周波数は通常、５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚで
あり、最小周波数より大きい。

フィールド１２６は、コントローラ９６から出力される制御信号をフィルタリングする
ための係数を含む。本発明の多くのバージョンにおいて、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号及
びＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号の計算は、これらの信号に関する目標値の計算から開
始する。ＰＩＤ制御ループを用いて、これらの信号のそれぞれに関する最終レベルを確立
する。フィールド１２６は、これらの制御ループに関するそれぞれの係数を含む。フィー
ルド１１２、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４及び１２６内のデータは、フィー
ルド１１４内のデータと同様に、ハンドピースを組み立てるプロセスの一部としてハンド
ピースメモリ５８に記憶されることを理解されたい。

ハンドピースメモリ５８は、使用履歴フィールドとしてフィールド１２８も含む。制御
コンソール６４は、ハンドピースの使用時に、ハンドピースの動作のログを与えるために
、フィールド１２８にデータを書き込む。

本発明のシステム３０の動作は、図６Ａ及び図６Ｂの流れ図を参照することによって理
解される。ステップ１４０は、システム３０の初期設定を表している。ステップ１４０は
、ハンドピース３２に先端部４８を取り付けることを含む。ケーブル６２がハンドピース
３２と一体に構成されていない場合は、ステップ１４０の一部として、ケーブルがハンド
ピース３２に接続される。ハンドピースをコンソールに接続するために、ケーブル６２が
制御コンソール６４に接続される。必要に応じて、フットペダル１０４がコンソール６４
に取り付けられる。ハンドピースを作動させる前に、施術者は、先端ヘッド振動の振幅を
設定するために、スイッチ１０６を位置決めする。

ハンドピース３４が制御コンソール６４に接続されると、ステップ１４２において、コ
ンソールプロセッサ９６が、メモリリーダ１０２を通して、ハンドピースメモリ５８内に
記憶されたデータを読み出す。コンソール６４がハンドピース３２に駆動信号を印加でき
ることを検証するためにプロセッサ９６が実行する場合がある任意のチェックは、図示さ
れておらず、本発明の一部ではない。これらのチェックは、フィールド１１２及び１２８
に記憶されているデータに基づく。これらのチェックは、ハンドピースがコンソールとと
もに使用するために設計されたものであることを検証することと、使用履歴に基づいて、
ハンドピースが作動する状態にあることを検証することとを含むことができる。ハンドピ
ースがこれらのチェックに合格したものと仮定すると、システム３０は使用できる状態に
ある。

ステップ１４４は、プロセッサ９４が、フットペダル１０４又は他の制御部材から、施
術者がハンドピース３２を作動させることを所望していることを示す信号を待つことを表
している。プロセッサ９６がこの信号を受信する前に、プロセッサは、結果として電源６
８から電力信号を出力することになる信号をアサートしない。

施術者は、制御部材を押下することによって、ハンドピースを作動させる。プロセッサ
９６は、このイベントが生じたという信号の受信に応じて、ステップ１４８において、目
標電流とも呼ばれる場合のある電流

を計算する。目標電流

は、ハンドピース３２の機械的構成要素に印加されるべきであるとプロセッサが判断する
電流である。目標電流

は、ハンドピースメモリから取得された電流

と、先端部振動の振幅を調整するための施術者による制御１０６の設定とに基づく。目標
電流は、一次方程式を用いて計算することができる。

係数Ｄは０．０以上、１．０以下である。例えば、施術者が、ハンドピース先端部５０が
最大振幅の振動を受けるように制御を設定する場合、すなわち、ハンドピース先端部を最
大振幅の振動を有する振動に関わらせたい場合には、プロセッサ６４は、係数Ｄを１に設
定する。制御スイッチ１０６の設定が、振動が最大値未満の振幅になるべきであることを
示す場合には、プロセッサ６４は、係数Ｄを１未満の値に設定する。

その後、ステップ１５０において、プロセッサ９６は、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号を
生成し、出力する。最初に、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号は、電源がハンドピースメモリ
５８から得られた最大駆動信号電圧

よりもかなり小さい駆動信号を出力するように設定される。例えば、本発明の幾つかのバ
ージョンでは、このＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号は、駆動信号が、電圧

の０．０２〜０．１０である初期電位を有するように設定される。より詳細には、ＶＯＬ
ＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号は、電圧

の０．０３〜０．０７である電位を有するように設定される。電源６８から出力される電
圧と、駆動信号の電圧Ｖ_Ｓとの間の関係は通常、一次の関係である。ＶＯＬＴＡＧＥ＿Ｓ
ＥＴ信号を目標駆動信号電圧に応じて求めることは、目標駆動信号電圧の電位と、プロセ
ッサ９６にあらかじめ記憶されている係数及びオフセット値とに基づく。

ステップ１５０の一部として、プロセッサ９６によって、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ
信号も生成され、出力される。制御部材がハンドピースを作動させるために最初に押下さ
れるとき、プロセッサ６４はＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を生成し、その信号によっ
て、コンソールは初期周波数において駆動信号を出力する。この初期周波数は、駆動信号
がハンドピースに印加されるべき最も低い取り得る周波数か、駆動信号が印加されるべき
最も高い取り得る周波数か、又はこれら２つの限界周波数間の任意の周波数とすることが
できる。

具体的には取り上げられないが、ステップ１５０において、プロセッサは、コンソール
内部にある電源６８、増幅器７０及び任意の安全構成要素に対する任意の必要なイネーブ
ル信号をアサートする。これらの信号のアサーションは、電源６８が増幅器に必要なレー
ル信号を出力することと、増幅器７０が意図した方形波を出力することと、駆動信号が誘
導的に得られる元となる信号が、トランスファー７６の一次巻線７８に印加されることと
を確実にする。

変圧器７６に電流が流れる結果として、ハンドピース３２に駆動信号が印加される。こ
の結果、ドライバ４０の周期的な膨張、収縮が生じる。ドライバ４０のこの運動は、先端
ヘッド５２を振動させる。このようにして、ステップ１５０の実行の結果として生じるサ
ブステップの結果として、ハンドピース３４が作動する。ステップ１５０は、下記で論じ
られるように、施術者がハンドピース３２を停止することを所望しているとプロセッサ９
６が判断するまで絶えず実行される。

その後、システム３０は、出力駆動信号が先端ヘッド５２において適切な振幅の振動を
誘発するのを確実にするために、フィードバック制御プロセスに関与する。この制御を実
行するために、ステップ１５４において、システム９６は、ハンドピースに流れる駆動信
号の電圧Ｖ_Ｓを監視する。これは、電圧測定回路８６によって生成された出力信号のプロ
セッサ９６による監視である。また、ステップ１５４において、プロセッサ９６は電流ｉ
_Ｓ、すなわち、ハンドピースを流れる電流も監視する。これは、電流測定回路９２によっ
て生成される出力信号の監視である。

ステップ１５６において、プロセッサ９６は、ハンドピースの機械的構成要素に印加さ
れる電流の等価成分、すなわち電流

を決定する。電流

は、式（５）に基づいて計算される。プロセッサ９６は、この決定の基礎となる４つの変
数、すなわち、電流測定回路９６からの電流ｉ_Ｓと、プロセッサが駆動信号の周波数を設
定することに基づく周波数ωと、電圧測定回路８６からの電圧Ｖ_Ｓと、ドライバキャパシ
タンスＣ_Ｏとを定めるデータを有するため、この決定を行うことができる。ドライバキャ
パシタンスＣ_Ｏは式（５）において変数であるが、ハンドピースメモリ５８から読み出さ
れる決まった既知の変数である。

ステップ１５８において、電流

が電流

と比較される。より詳細には、この比較は、ハンドピースの機械的構成要素を通る実際の
電流が、目標の流れに等しいか、又は実質的に同じであるか否かを判断するために行われ
る。ここで、実質的に同じとは、両電流が互いに２０ｍＡｍｐ以下にあるときの状態、よ
り多くの場合には、互いに１０ｍＡｍｐ以下にあるときの状態であると見なされる。シス
テム３０の幾つかのバージョンでは、機械的構成要素に印加される電流の等価成分が５０
ｍＡｍｐ未満である場合において、電流差が２ｍＡｍｐ以下であるとき、より一般的には
、１ｍＡｍｐ以下であるとき、電流

が電流

と実質的に同じであると見なされる。あるいは、両電流が互いの１０％以下にある場合、
より好ましくは互いの５％以下にある場合、理想的には互いの１％以下にある場合に、電
流が実質的に同じであると見なすことができる。

両電流が実質的に等しい場合には、システム３０は、ハンドピースの機械的構成要素に
印加される電流の等価成分のレベルが、正しい周波数にあることを前提とした駆動信号を
印加することによって先端ヘッド５２において適切な振幅の振動を誘発するレベルである
という状態にある。システム３０がこの状態にある場合には、プロセッサ９６はステップ
１６４に進む。

多くの状況において、ステップ１５８の比較は、実際の電流

が目標電流

と実質的に等しくないことを示す。システム３０がこの状態にあるとき、プロセッサ９６
は、ステップ１６０において、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号を再設定する。より具体的に
は、プロセッサ９６は、式（３）に基づいて、結果として、ハンドピースの機械的構成要
素を流れる、調整された電流が目標電流

に実質的に等しくなるような、駆動信号電圧Ｖ_Ｓの値を計算する。ステップ１６０のこの
計算は、ドライバキャパシタンス及び駆動信号周波数が一定のままであることに基づいて
行われる。

その後、ステップ１６０において、駆動信号電位に関するこの新たな目標値に基づいて
、ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号が調整され、発電機６８に出力される。

ステップ１６４において、プロセッサは、駆動信号がハンドピースの機械的構成要素の
共振周波数にあるか、又は実質的に等しいか否かを判断する。この判断は、式（１１）の
比が０に等しいか、又は実質的に等しいか否かを評価することによって行われる。ここで
、０に実質的に等しいとは、Ｒｅが０．１０以下であり、好ましくは０．０５以下であり
、より理想的には０．０１以下であることを意味する。

ステップ１６４の比較は、ハンドピースに印加される駆動信号が、ハンドピースの機械
的構成要素の共振周波数にあるか、又は実質的に等しいことを示すことができる。これが
、駆動信号に関する目標状態である。これは、駆動信号が、相対的に高い振幅となるよう
な膨張、収縮を助長する周波数において、ドライバ４０の膨張、収縮を誘発していること
を意味する。その延長で考えると、この結果として、先端ヘッドが作動し、相対的に大き
な振動になる。

ステップ１６４の評価において、駆動信号が機械的構成要素の共振周波数において、又
はその付近においてハンドピースに印加されていないと判断される場合がある。プロセッ
サ９６がこの判断を行った場合は、ステップ１６６において、プロセッサは、駆動信号の
周波数を再設定する。式（１１）の左辺に関する比が負であるため、負の結果をもたらす
ステップ１６４の計算は、ステップ１６６において、駆動信号の周波数を増加させるべき
であるというプロセッサ９６からの指示と解釈される。ステップ１６４の計算が正の結果
をもたらす場合には、駆動周波数がハンドピースの機械的構成要素の共振周波数により近
いことを確実にするために、プロセッサ９６は、その結果を、ハンドピースの状態が駆動
信号の周波数を下げる必要がある状態にあることを示すものと解釈する。

プロセッサ９６は、増幅器７０に印加されるＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を調整す
ることによって、ハンドピースに印加される駆動信号の周波数を再設定する。ステップ１
６６において、プロセッサは、電流ｉ_Ｓ、電圧Ｖ_Ｓ及びドライバキャパシタンスＣ_Ｏが一
定であると仮定する。反復プロセスにおいて、式（１１）に異なる周波数が入れられる。
式（１１）の新たな実行の結果として、ドライバを通る電流と、ハンドピースの機械的構
成要素に印加される電流の等価成分との比の実数成分が０より小さい（又は実質的に小さ
い）と判断される場合がある。この状態となった場合には、その後、次の反復において、
入れられる周波数が先に入れられた周波数より高まることになる。式（１１）の実行及び
評価の結果として、その比が０より大きい（又は実質的に大きい）と判断される場合があ
る。この状態となった場合には、その後、次の反復において、入れられる周波数が先に入
れられた周波数より下がることになる。この計算の最終結果として、比が０又は実質的に
０になった場合に、駆動信号の周波数は、入れられた周波数に設定される。その後、プロ
セッサ１６６は、この計算の結果に基づいて、増幅器７０に出力されるＦＲＥＱＵＥＮＣ
Ｙ＿ＳＥＴ信号を調整する。その後、今度は、制御コンソール６４が、ハンドピース３２
の機械的構成要素の共振周波数にある駆動信号をハンドピースに出力することになる。

図示していないが、ハンドピース３２に印加される駆動信号の特性は、ハンドピースか
ら読み出された限界パラメータによって制限されることを理解されたい。具体的には、Ｖ
ＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号の調整は、駆動信号が最大電圧レベル

によって定められた電位を超えないことを確実にするために制限される。ＶＯＬＴＡＧＥ
＿ＳＥＴ信号の調整は更に、ハンドピースに印加される駆動信号の電流が

を超えないことと、機械的構成要素の電流が

を超えないこととを確実にするために制限される。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ステップ１６０、又は必要に応じてステップ１６４の実行
後に、システムはステップ１４４にループバックするように示されている。これは、目標
電流

を再計算するプロセスと、駆動信号の電位及び周波数を選択的に調整するプロセスとが一
般的に、システムが作動中の限り実行されるためである。

制御ループが繰り返し実行される幾つかの理由がある。一般的に、調整の結果として、
駆動信号の周波数が調整された場合は、ドライバインピーダンスＺ_Ｏと、ハンドピースの
機械的構成要素のインピーダンスＺ_Ｍとの両インピーダンスが変化することになると理解
されたい。この結果として、ハンドピースを通る電流、より詳細には、ハンドピースの機
械的構成要素を通る電流

に変化が生じる。システム３０は、これらの変化を、測定値Ｖ_Ｓ及びｉ_Ｓの変化として検
出する。したがって、ステップ１６４が実行された後に、ステップ１５８の次の評価は、
システムが、電流が目標電流

からシフトしている状態にあることをおそらく示す。これは、駆動信号の電圧の大きさを
調整するために、ステップ１６０の新たな実行を必要とする。

同様に、駆動信号の電位を調整した結果として、電圧Ｖ_Ｓ及び電圧ｉ_Ｓの変化も生じる
。これは、ステップ１６４が実行される次の時点で、その評価が、駆動信号がハンドピー
スの機械的構成要素の共振周波数にもはやないことを示すことを意味する。

制御ループを通して何度か循環した後に、コンソール６４は駆動信号をアサートし、そ
の結果として、ハンドピースの機械的構成要素を通る電流が

に実質的に等しくなり、ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数になる。起動時に、
先端ヘッドが組織に当てられていないとすると、システムは、２秒以下、そしてより多く
の場合に、１秒以下でこの状態に達すると考えられる。

制御ループが絶えず実行される更なる理由は、ハンドピース３２がいかに利用されるか
の本質そのものに関係している。ハンドピースが機能するために、ヘッド５２が組織に当
接して配置される（ステップは図示していない）。これは、組織に当接した歯の前後運動
の結果として、組織が鋸引き、すなわち、除去されるからである。ここでも、本発明の幾
つかの実施態様では、この前後運動の結果として、組織に隣接する体液に、そして場合に
よっては組織そのものにキャビテーションが引き起こされる。

ヘッドが組織に当接して配置されると、ハンドピースを形成する構成要素に機械的負荷
がかかる。この機械的負荷により、ハンドピースの機械的負荷のインピーダンスを変わる
。また、システム３０が作動しているとき、ハンドピースの機械的構成要素の温度が多く
の場合に変化する。構成要素温度のこの変化によって、これらの構成要素の特性が変化す
る。構成要素の特性が変化すると、目標周波数がシフトする可能性がある。ハンドピース
の機械的構成要素の特性のこれらのシフトが、インダクタンスＬ_Ｍ、抵抗Ｒ_Ｍ及びキャパ
シタンスＣ_Ｍのそれぞれの変化によって、図７に表されている。

インピーダンス及び共振周波数が結果として変化すると、その結果として、ハンドピー
スを通る電流ｉ_Ｓと、機械的構成要素を通る電流

との両方の流れに変化が生じる。それゆえ、制御ループを絶えず実行することによって、
インピーダンスのこれらの変化が生じたときに、駆動信号を再設定して、電流の機械的構
成要素が目標電流

に実質的に等しくなり、駆動信号の周波数がハンドピースの機械的構成要素の共振周波数
と実質的に等しくなることを確実にする。駆動信号の特性をこれらの目標パラメータ近く
に保持することは、先端ヘッド５２がさらされる機械的負荷が変化しても、ヘッドの振動
の振幅が実質的に一定のままであることを確実にする。

さらに、ハンドピース３２が作動している期間に、施術者は先端ヘッドの振動の振幅を
調整することを望む場合がある。この調整は、スイッチ１０６又は類似の制御部材を再設
定することによって行われる（調整は図示していない）。この調整が行われると、ステッ
プ１４８を次に実行する際に、新たに計算された目標電流

が、以前に計算された目標電流と異なることになる。これは更には、ステップ１５８の次
の実行の結果として、電流

が目標電流

ともはや実質的に等しくないと判断されることを意味する可能性が高い。上記の理由のた
め、この結果として、駆動信号の電位及び周波数が調整される可能性が高い。

したがって、ステップ１４４の評価から始まる上記の制御ループは、フットペダル１０
４又は他のオン・オフ制御が作動したままである限り、絶えず実行される。施術者は、フ
ットペダル１０４を解除することによってハンドピースを停止する。この結果として、プ
ロセッサは、ステップ１４４の後続の実行のうちのいずれかにおいて、この制御部材がオ
フ位置にあるという信号を受信する。プロセッサ９６がこの信号を受信したことに応じて
、プロセッサは、駆動信号を出力させるようにアサートされていた信号の印加をネゲート
する。このステップは図示していない。システム３０は待機状態に戻り、施術者がハンド
ピース３２を作動することを所望しているか否かを判断するために、オン・オフ制御部材
からの信号を絶えず監視する。

本発明のシステム３０は、ステップ１６４及び１６６を繰り返し実行することによって
、システムが、駆動信号を、ハンドピース３２の機械的構成要素の共振周波数に実質的に
等しい周波数に保つように構成される。この関係は、これらの構成要素の機械的負荷及び
／又は温度変化に起因してハンドピースの機械的構成要素の共振周波数が変化したときに
も保たれる。したがって、本発明のシステムは、ハンドピースの先端及び他の構成要素が
機械的負荷にさらされるか、又は温度変化を受けた場合であっても、所望の振幅において
先端のヘッドを振動させることができる。これは、先端ヘッドが所望の振幅において絶え
ず振動することを確実にするために、システムを使用する手術要員が駆動信号を絶えず調
整しなければならない必要性を小さくする。

また、１つの手技の過程において、先端ヘッドが突然、組織に押し付けられる場合があ
る。これは、ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスを急激に著しく増加させる
。この急激なインピーダンス変化に応じて、本発明のシステム３０は、駆動信号の電位及
び周波数を迅速に調整する。駆動信号のこれらの特性の調整は、先端ヘッド振動が所望の
振幅を保持するのを確実にするための役割を果たす。これは、ハンドピースに突然、機械
的負荷がかかる結果として、先端ヘッド振動の振幅も突然、低下してしまう程度を抑える
。

システム３０の更なる特徴は、システムが、駆動信号の電圧と電流との間の特定の位相
関係を追跡しないことである。代わりに、システム３０は、ハンドピースの機械的構成要
素に印加される駆動信号の等価成分の位相を追跡する。上記で説明した理由により、これ
は、供給される駆動信号が、ハンドピースの機械的共振を保持する特性を有することを確
実にする。

本発明のシステム３０は、ハンドピースの制御が、制御コンソール内部の構成要素のキ
ャパシタンス、抵抗又はインダクタンスをハンドピースの特性に整合させることに基づか
ないものとなるように更に構成される。これは、単一のコンソール６４を用いて、独自の
ドライバキャパシタンスを有する別のハンドピースとともに本発明のシステム３０を構成
できることを意味する。コンソールは、ドライバキャパシタンスを表す、ハンドピースメ
モリ５８から読み出されたデータに基づいて、ハンドピースごとにシステムを構成する。
同様に、本発明のシステム３０を組み立てるために、１つのハンドピースを複数の異なっ
た制御コンソールとともに用いることができる。

本発明のシステム３０は、ハンドピースの機械的構成要素に、目標電流に実質的に等し
い電流の等価成分を印加するように更に設計されている。この目標電流は、先端ヘッド振
動の所望の振幅を施術者が設定することに基づく。したがって、本発明のシステムは、施
術者に、先端ヘッド振動の振幅を制御する比較的正確な手段を提供する。

［ＩＶ．駆動信号周波数制御の第１の代替的方法］
本発明のシステム３０の代替的構成では、駆動信号の目標周波数は、ハンドピースの機
械的構成要素の反共振周波数に設定される。反共振周波数は、ハンドピース３２のインピ
ーダンスが最大となる周波数である。理想的には、これは無限大に近づく。

本発明のこのバージョンでは、ステップ１６４において、圧電ドライバ４０に供給され
る電流と、ハンドピース３２の機械的構成要素に印加される電流の等価成分との比の実数
成分は以下のように評価される。

ステップ１６４の評価の結果、比が実質的に１に等しくない場合は、プロセッサは、ス
テップ１６６において、式（１３）に異なる周波数を入れる。このプロセスは、プロセッ
サが実質的に１に等しい周波数を決定するまで継続する。この周波数は反共振周波数であ
る。その後、プロセッサは、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を出力し、その信号の結果
として、制御コンソールはこの周波数において駆動信号を供給する。

本発明の他のバージョンでは、プロセッサ９６は、共振周波数又は反共振周波数とは異
なる目標周波数を得るために、圧電ドライバ４０に供給される電流と、ハンドピース３２
の機械的構成要素に印加される電流の等価成分との比の実数成分を評価することができる
。したがって、評価は、０と１との間の値、更には１より大きい値まで行うことができる
。

［Ｖ．駆動周波数制御の第２及び第３の代替的方法］
本発明のシステム３０の幾つかの構成に関し、図４Ｂの回路は、ハンドピースを構成す
る機械的構成要素のインピーダンスを極めて簡略化して示したものである。本発明のこれ
らのバージョンの場合、図８に示しているように、数学的には、幾つかの超音波式ツール
の機械的構成要素は、互いに並列接続された複数のＲＬＣ直列接続回路を有するものと見
なすことができる。これは、これらの構成要素が、ある周波数範囲において、それら構成
要素が共振状態となる複数の周波数を有することを意味する。ここで、インピーダンスの
リアクタンス成分（reactive component）は０である。このタイプのハンドピース３２及
び先端部４８のインピーダンスＺ_Ｈは、以下のように表される。

ここで、

はそれぞれ、ハンドピースの機械的構成要素の各ＲＬＣブランチのインダクタンス、抵抗
及びキャパシタンスである。

これらの複数の共振周波数が、ハンドピースに印加されることになる駆動信号の周波数
範囲内にある場合は、このタイプのハンドピース及び先端部アセンブリに駆動信号を印加
する際に困難が生じる可能性がある。この問題の性質は図９を参照することによって理解
される。ここで、プロット１８２は、先端部が空気中で動作するときの、ハンドピースの
機械的構成要素のある周波数範囲に対するリアクタンスを表している。駆動信号は、２５
．２０ｋＨｚ〜２５．６５ｋＨｚの範囲、すなわち、図９の２つの太い垂直線１８１及び
１８３内のエリアの周波数範囲にわたってハンドピースに印加される。この周波数範囲内
で、機械的インピーダンスのリアクタンス成分は、約２５．５４ｋＨｚにおいて一度、リ
アクタンス０の点を通る。また、ハンドピースの機械的リアクタンスは、約２５．８６ｋ
Ｈｚにおいて、駆動周波数の範囲外にあるリアクタンス０の点を通る。しかし、２度目に
通るのは、制御コンソール６４が駆動信号を印加する範囲外であるため、機械的リアクタ
ンスがこの周波数において０であることは、システムの動作に影響を及ぼさない。

プロット１８４は、振動中に、先端部が負荷に押し付けられたときの、周波数に対する
ハンドピースの機械的構成要素のリアクタンスの変化を表している。この負荷は、先端部
が除去することを意図している組織であると理解される。上記で論じられたように、この
結果として、ハンドピースを形成する機械的構成要素の等価抵抗及びリアクタンスが変化
する。所与の周波数におけるリアクタンスは、プロット１８２からプロット１８４まで変
化する。ここで、駆動信号が印加される周波数範囲内で、ハンドピースの機械的構成要素
の等価リアクタンスは、２５．３０ｋＨｚ及び２５．４５ｋＨｚにおいて２回、リアクタ
ンス０の点を通る場合があることが確認できる。

最も効率的に機能する特定のハンドピース及び先端部アセンブリの場合、通常、２つの
共振周波数のうちの低い方の周波数、又はそれに近い周波数において駆動信号を印加する
ことが望ましい。それゆえ、２つの共振周波数のうちのこの低い方の周波数が目標周波数
である。ステップ１６４が実行される所与の時点において、ステップ１６４の評価の結果
は、

という結果を返す場合がある。上記は、プロット１８４の例に関して、駆動周波数が２５
．４５ｋＨｚより高い場合に、上記のようなステップ１６４を実行したときに返されるこ
とになる結果である。これが、ステップ１６４の評価結果である場合には、ステップ１６
６を実行する際に、制御プロセッサ６６は、駆動信号の周波数を高める。この結果、駆動
信号、実際にはドライバ４０が、所望の目標周波数から更に離れた周波数において、ハン
ドピースの機械的構成要素を振動させる。

上記で確認された事象が生じる可能性を小さくするために、本発明の幾つかのバージョ
ンでは、システムは、ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスに仮想インピーダ
ンスＸ_ａｄｊを選択的に追加する。図式的には、図１０において見られるように、仮想イ
ンピーダンスＸ_ａｄｊは、ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスの数理的モデ
ルと直列に存在するものと見なされる。

図１１は、ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスにこの仮想インピーダンス
を追加した効果を表している。図１１において、プロット１８４は、図９に示したような
、先端部に負荷がかかっているときのハンドピースの機械的構成要素のリアクタンスの同
様のプロットである。プロット１８５は、仮想インピーダンスＸ_ａｄｊのリアクタンス成
分である。ここで、仮想インピーダンスのリアクタンス成分は、ハンドピースの機械的構
成要素のリアクタンスが０である周波数において０であると仮定される。プロット１８６
は、プロット１８４及び１８６のリアクタンスの和である。プロット１８６に示している
ように、仮想インピーダンスが機械的リアクタンスに追加されると、全リアクタンスは、
駆動周波数が印加されることになる周波数範囲において一度しか０を通らない。

図１２は、ハンドピースの機械的構成要素の実際のインピーダンスに仮想インピーダン
スを追加するように設計された本発明の一バージョンの代替的な構成要素の部分的なブロ
ック図である。長方形によって表されているハンドピース１９０は、上記で説明されたハ
ンドピース３２と同様の機構を有している。これらの機構には、駆動信号をハンドピース
内部のドライバ４０に供給するための導電性ソケット又は他のコンタクト１９６及び１９
８が含まれる。駆動信号は、ハンドピースが接続されている制御コンソールソケットと一
体に構成されたピン又は他の導電性コンタクト１８８及び１８９から供給される。図示を
容易にするために、ケーブル６２は図１２には示していない。

ハンドピース１９０内部の特定のメモリ５８はＲＦＩＤタグである。メモリ５８はＲＦ
ＩＤタグであるため、同じくハンドピース１９０内部に示されており、メモリ５８に接続
されるのはコイル又はアンテナ２０２である。コイル２０２は、制御コンソールソケット
に接続されているケーブルの端部にあると理解される。コイル２０２は、コンソールソケ
ット内に配置された相補的なコイル１８７と誘導的に信号を交換するように構成され、位
置決めされている。図示していないが、コンソールコイル１８７は、コンソールメモリリ
ーダ１０２に接続されている。メモリリーダ１０２は、コイル１８７を介して受信された
信号を、プロセッサ９６によって読み取ることのできる信号に変換する。また、メモリリ
ーダ１０２は、ハンドピースメモリ５８に、プロセッサ９６がメモリに書き込みたいデー
タを出力する。

第２のコイルすなわちコイル２０６もハンドピース１９０内に配置されている。コイル
２０２は通常、ハンドピース１９０の近位端に隣接して位置しているが、コイル２０６は
遠位端に隣接して位置している。より詳細には、コイル２０６は、以下に論じられるスリ
ーブコイル２１２と信号を交換するように位置決めされている。ハンドピース１９０内部
にある導体２０４は、コイル２０２をコイル２０６に接続するものである。

図１２において先細りユニットとして表されるのは、スリーブ５５である。このスリー
ブ５５から先端部４８が延びている。スリーブ５５内に配置されているのは、先端部メモ
リ２１４である。メモリ２１４がスリーブ５５内にある場合であっても、メモリ２１４は
２つの理由により「先端部メモリ」と呼ばれる。第一に、先端部４８及びスリーブ５５は
、別々の構成要素であるが、通常は１つのキットとして合わせてパッケージされる。第二
に、メモリ５５に含まれるデータは、先端部４８の作動を制御するために主に使用される
。スリーブ５５に組み込まれたコイル２１２は、先端部メモリ５５に接続されている。

図１３は、先端部メモリ２１４内に記憶されるデータのうちの幾つかを表している。先
端部識別データフィールド２１８は、フィールド１１２内のハンドピース識別データに類
似した先端部識別データを含む。最小電流フィールド２２０及び最大電流フィールド２２
４がある。フィールド２２０及び２２２は、メモリ２１４が関連付けられている特定の先
端部に関してハンドピースの機械的構成要素に印加されるべき電流の等価成分の範囲を示
すデータを含む。ハンドピースメモリ内の最大電圧フィールド１２０に類似の最大電圧フ
ィールド２２４がある。駆動周波数フィールド２２６及び２２８がある。フィールド２２
６及び２２８内のデータは、ハンドピースメモリの最小駆動周波数フィールド１２２及び
最大駆動周波数フィールド１２４において定められるハンドピース駆動信号の周波数範囲
とは異なる場合がある、駆動信号のための先端部特有の周波数範囲をそれぞれ規定する。
ＰＩＤ係数フィールド２３０は制御信号のためのフィルタリング係数を含み、先端部に関
して、ハンドピースＰＩＤ係数フィールド１２６におけるデータよりも厳密な場合がある
。先端部使用履歴フィールド２３２は、先端部の使用に関するデータを含む。コンソール
プロセッサ９６は、メモリリーダ１０２を通して、フィールド２３２にデータを書き込む
ことができる。

また、先端部メモリは、目標周波数フィールド２３４及びインピーダンス調整係数フィ
ールド２３６も含む。目標周波数フィールド２３４は、ハンドピースに印加される駆動信
号の周波数範囲内にある周波数ω_{ｔａｒｇｅｔ}を表すデータを含む。より詳細には、周波
数ω_{ｔａｒｇｅｔ}は、先端部に負荷がかかるときに、機械的リアクタンスが最小となるハ
ンドピースの駆動周波数範囲内にある周波数である。先端部がさらされる負荷は手技によ
って異なり、１つの手技内でも異なることを理解されたい。これは、手技によって、及び
１つの手技内で、ハンドピースの機械的リアクタンスが最小点になる周波数が一定ではな
いことを意味する。それゆえ、周波数ω_{ｔａｒｇｅｔ}は、そのハンドピース負荷の場合に
リアクタンス最小点が予想される通常予想される範囲内の周波数である。係数フィールド
２３６は、周波数に対するリアクタンスの変化を規定する上記の係数ｍを含む。

ハンドピース１９０が取り付けられる本発明のシステムは、ハンドピース３２が駆動さ
れるのと概ね同じようにして駆動される。それにもかかわらず、図６Ａ及び図６Ｂにおい
て概説したようなプロセスステップには幾つかの違いがある。ステップ１４２において、
制御プロセッサ９６は、単にハンドピースメモリ５８内のデータを読み出す以上のことを
する。また、ステップ１４２において、制御プロセッサは、先端部メモリ２１４内のデー
タを読み出す。

ハンドピースメモリ５８及び先端部メモリ２１４内のデータに基づいて、プロセッサが
これらのデータに基づいて、システムが先端部４８を振動させることができるか否かを判
断するステップは図示していない。システムが先端部を振動させるのに適していないこと
を示すデータは、先端部がその設計された寿命を過ぎて使用されていることを示すデータ
を含む。システムが先端部を振動させるべきでないことを示す他のデータは、その先端部
が、ハンドピースが振動させることを意図したものでないことを合わせて示す、ハンドピ
ース及び先端部からの識別データを含む。システムが現在の構成において先端部を駆動す
るのに適していない場合には、通常、制御プロセッサ９６によって、コンソールが駆動信
号をハンドピース１９０になぜ供給しないかを示す情報がディスプレイ１０８に提示され
る。本発明の幾つかのバージョンでは、この情報は警告としてのみ提示される。この情報
が提示された後に、施術者は依然として、ハンドピースを作動させる機会を与えられる。

ステップ１４８において、プロセッサ９４は、ツールメモリ２１４から得られた最大電
流値に基づいて、目標電流

を設定する。駆動信号の周波数範囲は、同じくメモリ２１４から得られた周波数範囲に基
づいて設定することができる。

駆動信号の特性をどのように決定するかに関する更なる変更が、ステップ１６４が行わ
れるときに生じる。本発明のこのバージョンでは、制御プロセッサ９６は、ハンドピース
の機械的構成要素が共振しているか否かを判断するために、式（１１）の評価を使用しな
い。代わりに、プロセッサは、ハンドピースの機械的構成要素が共振しているか否かを評
価するために以下の式を使用する。

ただし、ω_{ｔａｒｇｅｔ}は先端部メモリフィールド２３４から読み出された目標共振周波
数である。係数ｍは、周波数に応じて仮想インピーダンスを確立するための勾配を設定す
る係数である。これは、先端部メモリフィールド２３６から読み出される係数である。こ
のようにして、変数ｍ及びω_{ｔａｒｇｅｔ}は、図１１においてプロット１８５によって表
されるような、仮想インピーダンスのリアクタンス成分のゼロ交差及び勾配を定める。ｍ
（ω−ω_{ｔａｒｇｅｔ}）成分を追加すると、図（１５）の左辺におけるスカラーは、式（
１１）の比と比較して、変更された比と見なすことができる。

駆動信号の周波数範囲内のリアクタンスの機械的構成要素の実数成分のリアクタンスの
複数のゼロ交差が存在する場合には、ステップ１６４の評価に仮想インピーダンスを含め
ることによって、その評価が、所望の共振周波数に対して駆動信号を下げる必要があるか
、又は上げる必要があるかを依然として示すのを確実にする。このようにして、プロット
１８６の例を用いるとき、ステップ１６４のこのバージョンの評価が負の結果を示す場合
には、信号を共振に追い込むために、周波数が上がらなければならないことを明らかに意
味する。同様に、その評価が正の結果を示す場合には、駆動信号の周波数は明らかに下げ
なければならない。

本発明のこのバージョンは、施術者がまず組織に当接して先端部ヘッド５２を配置し、
その後、ハンドピース３２を作動させることを所望している場合にも有用である。この状
況では、ハンドピース及び先端部は、作動するときに、既に負荷がかけられている。その
機械的特性によって、幾つかの先端部は、負荷がかけられた状態で始動するとき、負荷の
抵抗が振動を基本的に振動がないレベルにまで直ちに減衰させるという特性を有する。ハ
ンドピース及び先端部がその状態にあるとき、システムは基本的に失速状態にあると見な
すことができる。システムがこの状態にあるとき、ハンドピースの機械的構成要素のリア
クタンスは、駆動周波数範囲にわたって基本的に一定である。基本的には、インピーダン
スの機械的抵抗性成分は、誘導性インピーダンス及び容量性インピーダンスの機械的な等
価成分よりも著しく大きくなる。これは、例えば、プロット１８４によって表されるよう
に周波数とともにリアクタンスの変化があると、検出が難しいということを意味する。

このようにして、このような状態が存在する本発明のバージョンでは、上記の式（１６
）の調整部分は、周波数とともに変化する比の主成分になる。したがって、たとえハンド
ピース及び先端部が失速しても、プロセッサは、ステップ１６４を実行すると、駆動周波
数が、負荷がかけられた状態の共振周波数において先端部を駆動するために必要とされる
駆動周波数と、どの程度近いかに関する何らかの情報を依然として得ることになる。実際
には、システムがこの状態にあるときに通常生じることは、プロセッサが駆動信号の周波
数を高めることである。このように駆動信号の周波数を高めると、ハンドピースドライバ
及び先端部は、ハンドピースが失速状態を抜け出す周波数において振動する。

本発明のシステムに組み込まれる可能性のある全ての先端部について仮想インピーダン
スを考慮する必要がない場合があることを理解されたい。そのような調整が不要な先端部
の場合、インピーダンス調整係数ｍは０に設定される。その結果、式（１５）は式（１１
）に簡略化される。

本発明の第４の代替的バージョンでは、この仮想インピーダンスの追加を用いて、駆動
信号がハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスの反共振周波数にあるものとなる
ように、駆動信号周波数の設定がレギュレートされる。したがって、式（１３）及び式（
１５）が以下のように組み合わせられる。

本発明の更に別のバージョンでは、式（１５）及び式（１６）の左辺における変更後の
比は、共振周波数と反共振周波数との間の周波数を表す目標比と比較することができる。

［ＶＩ．駆動周波数制御の第４の代替的手段］
本発明の更に別のバージョンでは、駆動信号の周波数のみが調整される。本発明のこの
バージョンでは、駆動信号の周波数は、ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数又は
その付近にあって、かつハンドピースの機械的構成要素に印加されるべき電流の等価成分
に関する望ましい目標又はその付近の電流レベルにある駆動信号を印加するために調整さ
れる。

本発明のこのバージョンは、図１５Ａ及び図１５Ｂの流れ図を参照することによって理
解される。本発明のこのバージョンでは、ステップ１４０、１４２、１４４、１４８及び
１５４が、図６Ａ及び図６Ｂの流れ図に示したプロセスに関して上記で説明されたのと実
質的に同じように実行される。本発明のこのバージョンでは、ハンドピースが最初に作動
するときに、上記で説明されたステップ１５０に対する代替であるステップ１５０Ａが、
ハンドピースが最初に作動するときに実行される。ステップ１５０Ａにおいて、プロセッ
サ９６は、ハンドピースに印加されるべき最も高い電圧を表すＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信
号を出力する。また、プロセッサ９６は、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を生成し、出
力する。ステップ１５０において初期のＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を決定するため
に用いられるのと同じプロセスを、ステップ１５０Ａにおいて用いて、ステップ１５０Ａ
において同じ信号を出力することができる。

ステップ１５４が実行された後に、本発明のこの方法では、ステップ２５２において、
プロセッサは、ハンドピースの機械的構成要素を通る等価電流に対するドライバ４０を通
る電流の比、すなわち、式（１１）の左辺の比を計算する。ステップ２５４において、こ
の比が目標比（target ratio, ＴＦ）と比較される。初期状態において、目標比は、ハン
ドピースの機械的構成要素に対する駆動信号の所望の目標周波数を表すスカラー値である
。例えば、共振周波数においてハンドピースの機械的構成要素を駆動することが望ましい
場合には、初期の目標比は０（zero）である。反共振周波数においてハンドピースの機械
的構成要素を駆動することが望ましい場合には、初期目標比は１（unity）である。初期
目標比は、これらの値の間にある場合がある。これは、ハンドピースの機械的構成要素が
、共振周波数における応答性と反共振周波数における応答性との間の応答性を有する周波
数において先端部を駆動させることが望ましい場合に当てはまる。

この比較に基づいて、必要に応じて、ステップ２５６において、駆動信号の周波数が選
択的に再設定される。ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号のこの解析及び再設定動作は、ス
テップ１６４及び１６６の解析及び周波数再設定動作に類似している。

ステップ２５４、そして必要に応じてステップ２５６が実行された後に、ステップ２５
８において、プロセッサは、ハンドピースの機械的構成要素を通る等価電流、すなわち、
電流

を求める。ステップ２５８はステップ１５６に類似している。ステップ２６０において、
この計算された電流が目標電流、すなわち、電流

と比較される。ステップ２６０はステップ１５８に類似している。

計算された電流が目標電流に相対的に近い場合、プロセッサ９６は、システムが、駆動
信号がハンドピースの機械的構成要素のための望ましい目標周波数に実質的に等しい周波
数にあり、かつこれらの構成要素を通る等価電流が電流のこの等価成分の目標に実質的に
等しい状況にあると判断することになる。システムがこの状態にある場合には、プロセッ
サはステップ１４４にループバックする。このループバックは、ステップ１６４又はステ
ップ１６６が実行された後に実行されるステップ１４４へのループバックに類似している
。

ステップ２６０を実行した結果、計算された電流と目標電流との間にかなりの差がある
と判断される場合がある。多くの状況において、これは、計算された電流が目標電流より
高いためである。本発明のシステムがこの状態にある場合には、ステップ２６２において
、プロセッサは目標比の値を調整する。この新たな比はＴＲ^ＡＤＪである。これは、目標
駆動周波数から離れた駆動周波数の後続の再設定動作の結果として、ハンドピースの機械
的構成要素に印加される電流の等価成分に同様の減少が生じるためである。

ステップ２６４において、ハンドピースの機械的構成要素を通る電流の等価成分に対す
るドライバを通る電流の比が、調整後の目標比と比較される。大抵の場合、その比較は、
実際の比が、調整後の目標比とはかなり異なることを示すことになる。この状況において
、プロセッサは、ステップ２６６において、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号を調整する
。ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号は、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流
の等価成分をこの等価電流のための目標に近づくレベルに再設定させるために必要とされ
る信号に新たな駆動信号がより近くなるように再設定される。初期の目標電流と調整後の
目標電流との違いがわずかである場合には、ステップ２６６は実行されなくてもよい。

ステップ２６４を実行した後に、そして多くの場合に、ステップ２６２を実行した後に
、プロセッサ９６は、ステップ１４４の実行にループバックする。

本発明のこのバージョンにより、ハンドピースのための所望の目標周波数に近い周波数
にあって、かつ、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分がこの電流
についての目標に結果として近い駆動信号が、駆動信号の電位の設定を必要とすることな
く、ハンドピースに供給される。

［ＶＩＩ．ドライバキャパシタンスを得る代替的又は付加的な手段］
本発明の別のバージョンでは、制御コンソール６４の内部に、少なくとも１つの圧電ド
ライバのキャパシタンスＣ_Ｏを測定することのできる回路がある。例えば、ある周波数範
囲にわたって掃引（sweep）される駆動信号を出力することによってキャパシタンスを得
ることができる。この期間中に、異なる周波数を有する駆動信号についてのＶ_Ｓ及びｉ_Ｓ
の測定値が生成される。これらのデータに基づいて、プロセッサ９６は、ドライバキャパ
シタンスＣ_Ｏを数学的に求める。

本発明のシステム３０は、ドライバキャパシタンスを表すデータを有するメモリをハン
ドピースに設けることを不要とするために、このキャパシタンスを求めるプロセスを実行
するように構成することができる。本発明のこれらのバージョンでは、システムは、ステ
ップ１４０すなわちシステムの初期設定の一部として、ドライバキャパシタンスを求める
。

システムが、ドライバのキャパシタンス値を表すデータをハンドピースに関連付けられ
たメモリから得ることができる場合であっても、システム３０にドライバキャパシタンス
を求めるこの機能を設ける理由もある。システムにこの機能を与えることが望ましく、シ
ステムにこのプロセスを実行させることが望ましい１つの理由は、ハンドピースの動作状
態を判断することである。具体的には、このシステムは、このステップを実行し、プロセ
ッサによって生成されたドライバキャパシタの決定値と、ハンドピースメモリから得られ
たキャパシタンス値、すなわち、ステップ１４２において得られた値とを比較するように
構成することができる。これらのキャパシタンス値が実質的に等しくない場合には、プロ
セッサはこの違いを、ハンドピースが誤動作状態にある可能性があることを示すものと解
釈する。この誤動作は、ドライバが何らかのタイプの損傷を受けたことに起因して生じる
可能性がある。その際、プロセッサは、ハンドピースが適切に機能していないおそれがあ
ることを示すメッセージをアサートする。施術者は、この情報を用いて、この特定のハン
ドピースを用いて手技を進めることが適切であるか否かを判断することができる。

本発明のいずれの構成においても、本システムは、手技が開始された後であっても、ド
ライバキャパシタンスを求めるように更に構成することができる。上記で言及したように
、ドライバキャパシタンスは、本発明に従って駆動信号を供給する目的を果たすために、
実質的に一定である。それにもかかわらず、手技中に、時間の経過とともに、ドライバキ
ャパシタンスが変化する可能性があるという状況も起こり得る。例えば、長時間、すなわ
ち、１０分以上にわたってハンドピースが使用される場合には、ドライバ４０を含むハン
ドピースは、摩擦によって誘発された発熱を受ける場合がある。この発熱は、ドライバ４
０が繰り返し膨張、収縮する結果である。ハンドピースの温度変化の結果として、ドライ
バキャパシタンスに変化が生じる場合がある。したがって、初期のキャパシタンスがハン
ドピースメモリ５８から読み出されるときであっても、システムは、ドライバキャパシタ
ンスを求めるプロセスを定期的に実行する場合がある。

本発明のこの構成では、求められたドライバキャパシタンスが以前のキャパシタンスの
設定範囲内にある場合には、プロセッサ９６は、この新たに求められたドライバキャパシ
タンスを可変ドライバキャパシタンスＣ_Ｏとして使用し、駆動信号の特性を設定する。し
かし、新たに求められたドライバキャパシタンスが、以前のドライバキャパシタンスの設
定範囲外にある状況も生じる場合がある。プロセッサ９６は、この状態にあるシステム３
０を、ハンドピース３２が誤動作状態となっているという兆候として解釈するように設定
することができる。プロセッサ９６がこの判断を行った場合には、プロセッサは、ハンド
ピースがこの状態にあるおそれがあることを示すメッセージを表示させる。

［ＶＩＩＩ．ハンドピースの機械的構成要素のインピーダンスの代替的モデル］
本発明の代替的構成では、ドライバ４０に印加される電流と、ハンドピースの機械的構
成要素に印加される電流の等価成分とのモデルは、これらの構成要素の抵抗、インダクタ
ンス及びキャパシタンスの代替的モデルに基づいたものとすることができる。

図１４は、電流と、等価印加電流とにインピーダンスを与えるハンドピースの構成要素
の配置の１つの代替的モデルを表している。このモデルにおいて、キャパシタンスは２つ
の成分、すなわち、合成キャパシタンス（combined capacitance）Ｃ_Ａと混合キャパシタ
ンス（blended capacitance）Ｃ_Ｘとを有する。これらのキャパシタンスの各々は、式（
１４）及び式（１５）によって表されるように、ハンドピース４０の機械的構成要素のド
ライバキャパシタンス及び等価キャパシタンス両方の関数である。

インダクタンスは混合インダクタンスＬ_Ｘである。このインダクタンスは、ハンドピース
の機械的構成要素の等価インダクタンスと、これらの構成要素の等価キャパシタンスと、
ドライバキャパシタンスとの関数である。式（１９）は、混合インダクタンスを求める１
つの方法である。

抵抗は混合抵抗Ｒ_Ｘである。式（１７）に示しているように、混合抵抗は、ハンドピース
の機械的構成要素の等価抵抗と、これらの構成要素の等価キャパシタンスと、ドライバキ
ャパシタンスとの関数である。

これは、ハンドピースのインピーダンスと、ハンドピースの機械的構成要素に印加され
る電流の等価成分と、ハンドピースの機械的構成要素を流れる等価電流の比の実数成分と
を計算するために用いられる式も同様に変わることを意味する。

さらに、図示していないが、ハンドピースの機械的構成要素の等価インピーダンスの他
のモデルにおいて、インピーダンスに寄与する３つの成分、すなわち、抵抗、インダクタ
ンス又はキャパシタンスのうちの２つは、互いに並列に存在する場合があることを理解さ
れたい。このモデルでは、第３の構成要素は、２つの並列の構成要素と直列に存在する。

［ＩＸ 付加的な代替バージョン］
上記は本発明の特定のバージョンに関するものである。本発明の幾つかのバージョンは
、説明されたものとは異なる機構を有する場合がある。例えば、本発明の異なるバージョ
ンの上記の機構を組み合わせることができる。

本発明の構造的特徴も、説明されたものとは異なっていてもよい。例えば、ドライバが
配置されるポストは、ホーンを用いて加工することができる。同様に、ハンドピースにか
かる電圧、及びハンドピースを流れる電流を測定するために、他の手段を用いることがで
きる。したがって、この信号検知を実行するために、インダクタではなく、抵抗を利用す
ることもできる。本発明の複数のバージョンにおいて、隣接するドライバ間に絶縁ディス
クが存在しない場合がある。最も近位のドライバとマス３６との間、又はドライバとホー
ンとの間に絶縁要素が存在する場合がある。ドライバの数は、開示されたドライバの数よ
り少ない場合もあり、多い場合もある。

本発明の幾つかのバージョンでは、信号フットペダル又はハンドスイッチが、ハンドピ
ースのオン、オフ状態と、ハンドピースに印加される駆動信号の大きさとの両方を制御す
るために用いられる制御部材である。

同様に、システムの電気的構成要素は、説明されたものとは異なっていてもよい。例え
ば、制御コンソールの幾つかのバージョンは、Ｄ級増幅器を含まない場合がある。本発明
の１つの代替のバージョンでは、電源から出力された信号はＡ級増幅器に出力される。本
発明のこのバージョンの一実施形態では、プロセッサ９６は、駆動信号のピーク電圧を確
立するために、電源６８にＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号を依然として出力する。また、プ
ロセッサ６８は、増幅器に対し、ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号として、可変周波数正
弦波信号を出力する。増幅器は、このＦＲＥＱＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号に基づいて、所望
の周波数を有する駆動信号を供給するように、電源からの信号を選択的に増幅する。本発
明のこのバージョンの更に別の実施形態では、電源は、決まった電位のＤＣ信号を出力す
る。プロセッサは、周波数及びピークピーク電圧の両方に関して変化する正弦波を出力す
る。このようにして、この信号は、合成されたＶＯＬＴＡＧＥ＿ＳＥＴ信号及びＦＲＥＱ
ＵＥＮＣＹ＿ＳＥＴ信号である。この正弦波は、増幅器に印加される。この信号に基づい
て、増幅器は、電力信号からの一定の信号を選択的に増幅し、選択された駆動信号を生成
する。本発明のこれらのバージョンでは、ハンドピース３２に信号を供給する前に、増幅
器によって出力される駆動信号をフィルタリングする必要がない場合がある。

プロセスにおけるステップは、説明されたものとは異なったシーケンスにおいて実行し
てもよい。したがって、図６Ａ及び図６Ｂの流れ図に関して説明された本発明のバージョ
ンに関して、システムは、駆動信号の電圧を調整する前に、駆動信号の周波数を調整する
ように構成することができる。図１５Ａ〜図１５Ｃに関して説明された本発明のバージョ
ンにおいて、ドライバ４０を通る電流と、目標周波数に対してハンドピースの機械的構成
要素に印加される電流の等価成分との比の比較のうちの１つは省略することができる。本
発明のこのバージョンにおいて、ステップ２６０及び２６２を実行した結果として、その
比が、ほとんどの場合に調整されつつある目標比と比較されることが理解される。

同様に、制御アルゴリズムを変更してもよい。例えば、ハンドピースドライバ４０に供
給される電流と、ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分との間の比
を変更するために用いられるアルゴリズムの構成要素は、必ずしも目標周波数と実際の周
波数との１次の差であるとは限らない場合がある。本発明の幾つかのバージョンでは、こ
れらの周波数間の２次又は更に高次の差を用いて、基本となる比を変更する成分を生成す
ることができる。本発明の他のバージョンでは、周波数に関する差の第１の範囲内では、
その成分は、これらの周波数に関する差のある次数に基づく。これらの周波数に関する差
の第２の範囲内では、その成分は、周波数に関する差の第２の次数に基づく。同様に、本
発明の幾つかのバージョンでは、周波数に関する差のある範囲にわたる成分が、周波数に
関する差の一定の次数に基づく。本発明のこのバージョンでは、変更成分を求めるために
用いられる係数は、周波数に関する差に応じて異なる場合がある。

それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨及び範囲に含まれる全てのその
ような変更及び変形を包含することを目的としている。

Claims (14)

1. 超音波式ハンドピースの先端部を振動させるためのシステムであって、前記ハンドピースは、前記先端部を振動させるために可変でＡＣの駆動信号が印加されるドライバを有し、
   前記ドライバに印加される前記駆動信号を生成するアセンブリと、
   前記駆動信号の電圧を測定するアセンブリと、
   前記駆動信号の電流を測定するアセンブリと、
   前記駆動信号の電圧と前記駆動信号の電流と前記駆動信号の周波数と前記ドライバのキャパシタンスとに基づいて、前記ドライバに印加されている電流と、前記ハンドピースの機械的構成要素に印加されている電流の等価成分との比を計算し、前記計算された比の実数成分に基づいて、前記駆動信号を生成するアセンブリから出力される前記駆動信号の周波数を設定するプロセッサと
   を備えるシステム。
2. 前記プロセッサは、
   前記ハンドピースの機械的構成要素に印加される電流の等価成分についての目標電流を求め、
   前記駆動信号の電圧と前記駆動信号の電流と前記駆動信号の周波数と前記ドライバのキャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械的構成要素に印加されている電流の等価成分を計算し、
   前記目標電流を、計算された前記電流の等価成分と比較し、
   前記比較に基づいて、前記駆動信号を生成するアセンブリから出力される前記駆動信号の電位を設定するか、又は前記計算された比と比較される目標比を調整して前記駆動信号の周波数を設定する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記プロセッサは、
   前記ハンドピースの先端部に関する所望の振動の大きさを示すユーザ入力コマンドを表す信号を受信し、
   前記ハンドピースの先端部に関する前記所望の振動の大きさを示す前記ユーザ入力コマンドを表す信号に基づいて、前記目標電流を求める、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記プロセッサは、前記駆動信号の電流と前記ドライバに印加される電流との差を求めることにより、前記ハンドピースの機械的構成要素に印加されている電流の等価成分を計算するものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記プロセッサは、前記ドライバのキャパシタンスと前記駆動信号の電圧及び周波数とに応じて、前記ドライバに印加される電流を求めるものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記プロセッサは、
   前記計算された比が、前記ハンドピースの機械的構成要素の振動に関する目標周波数に基づく目標比と実質的に等しいかどうかを判定し、
   前記判定により、前記計算された比が前記目標比に実質的に等しくないことが判明した場合に、前記駆動信号の周波数を調整し、
   前記ハンドピースの機械的構成要素の振動に関する前記目標周波数は、前記ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数と、前記ハンドピースの機械的構成要素の反共振周波数と、前記ハンドピースの機械的構成要素の共振周波数と反共振周波数との間の周波数とのいずれかである、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記プロセッサは、前記ハンドピースに関連付けられているメモリから、前記ドライバのキャパシタンスを表すデータを取得する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記プロセッサは、前記ハンドピースに出力され、所定の周波数範囲にわたって掃引される駆動信号について測定された電圧及び電流に基づいて、前記ハンドピースの前記ドライバのキャパシタンスを求めるものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記プロセッサは更に、
   前記ドライバに印加されている電流と、前記ハンドピースの機械的構成要素に印加されている電流の等価成分との比を計算した後に、前記計算された比と前記駆動信号の周波数と前記ハンドピースの振動のための目標周波数とに基づいて、変更された比を生成し、
   前記変更された比に基づいて、前記駆動信号の周波数を選択的に設定する、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記プロセッサは、前記駆動信号の周波数と前記目標周波数との差に基づいて、前記変更された比を生成するものである、請求項９に記載のシステム。
11. 前記駆動信号を生成するアセンブリは、一定の周波数にある信号を出力する電源と、前記電源から出力された信号を受信し、前記電源からの信号を増幅して可変周波数信号を出力する増幅器とを有しており、
    前記プロセッサは、前記増幅器に接続され、前記増幅器から出力される信号の周波数を制御することにより前記駆動信号の周波数を設定するものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記プロセッサは、前記増幅器に接続されており、前記増幅器から出力される信号の振幅を制御することにより、前記駆動信号の電位を設定するものである、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記駆動信号を生成するアセンブリは、可変電圧の信号を出力する電源を有しており、
    前記プロセッサは、前記電源に接続されており、前記電源から出力される信号の電圧を制御することにより前記駆動信号の電位を設定するものである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
14. 超音波式ハンドピースの先端部を振動させる方法であって、前記ハンドピースは、前記先端部を振動させるために可変でＡＣの駆動信号が印加されるドライバを有し、
    前記ドライバに前記駆動信号を供給するステップと、
    前記駆動信号の電圧及び電流を測定するステップと、
    前記駆動信号の電圧と前記駆動信号の電流と前記駆動信号の周波数と前記ドライバのキャパシタンスとに基づいて、前記ドライバに印加されている電流と、前記ハンドピースの機械的構成要素に印加されている電流の等価成分との比を計算するステップと、
    前記計算された比の実数成分に基づいて、前記駆動信号の周波数を設定するステップと
    を含む方法。

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