JPH0677720B2 - 超音波発振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、外科手術用の新規な超音波発振装置に関する
ものである。

外科用手術具中、メスは生体組織を切開することを目的
としているが、電気メスやレーザーメスの如く細胞組織
を焼灼すると同時に毛細血管等の血管をも焼灼し、切開
と共に止血をも行なう機能を持ち、切開と同時に止血を
行なう手術分野には適した手術具である。しかしなが
ら、これらの手術具は組織の切開と同時に血管や神経類
をも同時切断する故に、肝蔵や脳組織のように、血管や
神経類が多数集積している手術部位、或いは他の手術部
位でも血管や神経類を残したい手術においては電気メ
ス、レーザーメスの利用はなかなか難しく、従来から使
われているステンレス刃、鋼刃或いはモスキート等に頼
っている。

本発明はかかる手術部位、即ち血管や神経類が集中して
いる手術部位に於いて、血管や神経類を傷つけることな
く、切除すべき細胞を破砕により切断除去し得る新規な
超音波方式のメスに使用するための超音波発振装置を提
供するものである。

超音波による組織の切断或いは破砕能を応用した手術具
としては、整形外科、一般外科分野では、骨や関節を切
削するもの、眼科領域で白内障の手術具、また歯科用で
は歯石除去用の超音波手術具等が実用化されている。し
かしながらこれらの超音波応用手術具では組織を応範囲
に破砕するだけの超音波振動の振幅とパワーを発揮する
ものではなく、極めて限定した術野に専用の手術具とし
て用いられているものである。

本発明に依る超音波メスは、生体組織の広範囲な分野で
十分な組織破砕能力を発揮し得る超音波振動の振幅とパ
ワーを出し得る新規な超音波メス用回路及びメス部とな
るホーン、手術部位周辺の洗浄及び破砕した細胞片の乳
化、及び乳化された細胞片を吸引除去するシステムの３
要素からなる新規な超音波方式のメスを提供するもので
ある。

以下、図面にもとづき詳述する。

本発明における超音波メスに使用している超音波発振装
置は、第１図に示す電源部（１）、増幅部（２）、整合
部（３）、及び帰還部（４）からなる超音波発振機と、
電気振動エネルギーを機械振動エネルギーに変換する超
音波変換器（５）とから基本的には構成されている。こ
れらの基本回路の詳細を第２図に従い詳述する。電源部
（１）は突入電流緩和回路（７）、整流回路（８）、平
滑回路（９）より構成される。商用交流電源（６）より
AC100Vまたは適切なる交流電圧により電源供給を受け、
突入電流緩和回路（７）に接続される。この突入電流緩
和回路（７）は本超音波メスの発振回路に電源投入する
際、この投入時に流れる過大な電流が交流電源を直流電
源に変換するＡ−Ｄ変換回路である整流回路（８）内の
整流素子を破壊する場合があり、これを緩和する目的で
設けたものであり、この突入電流緩和回路（７）の採用
により電源回路の保護、安定化を図っている。また整流
回路（８）で得られた直流波形には脈流のリップル率が
大きいと、超音波変換器（５）とホーン（10）とで構成
される機械振動系が安定を欠くので、このリップル率を
低減する目的で、平滑回路（９）を設けた。この平滑回
路（９）により、メス先端であるホーン（10）の先端部
は極めて安定した超音波振動が得られる。

増幅部（２）は、電力増幅回路（11）、起動衝撃緩和回
路（12）、スパイク波除去回路（13）及び振幅調整回路
（14）から構成される。電力増幅回路（11）には冷却無
しで連続発振を可能ならしめる低損失回路方式を用い
た。一般に超音波発振回路でハイパワーを出す場合に
は、発振スタート時に電力増幅素子及び超音波変換器
（５）が電気的衝撃を受け、性能劣化或いは破壊を招く
ことが多く、また超音波変換器（５）とホーン（10）と
で構成される機械振動系が負荷状態にある時の立上りが
困難となるケースが多く、本発明ではこれらの問題点を
解決すべく、起動衝撃緩和回路（12）を設け、電力増幅
回路（11）ならびに超音波変換器（５）の保護、安定化
を図り、且つ超音波メス部であるホーン（10）の負荷状
態からの立上りを極めて容易ならしめた。しかも、電力
増幅回路（11）からは、この電力増幅回路（11）の出力
の電圧波形である方形波に重畳するスパイク波が発生す
るが、このスパイク波が前記方形波の２倍以上となるこ
とが多く、増幅素子及び超音波変換器（５）の特性劣化
又は、破壊の原因となりがちであり、本発明はスパイク
波除去回路（13）を、電力増幅回路（11）の後に設ける
ことにより、前記スパイク波を除去し、電力増幅回路
（11）内の増幅素子及び超音波変換器（５）の保護、安
定化を可能ならしめた。また振幅調整回路（14）を設
け、ホーン（10）の先端、即ちメス先端部の振動振幅の
連続的変化を可能ならしめ、手術対象部位の状態に応じ
破砕度の調整を容易とした。

本発明の超音波メス用発振機の整合部（３）は、整合回
路（15）、振幅レベル設定回路（16）、帰還信号検出回
路（17）、及び超音波変換器（５）に負荷される電力を
検出する電力検出部（18）並びにホーン（10）の振幅を
表示する振幅検出部（19）より構成される。整合回路
（15）は、ホーン（10）の先端即ちメス先端の負荷が増
大した場合でもメス先端の振動振幅が低下することな
く、超音波変換器（５）に電気的パワーが低損失で投入
できる回路であり、この整合回路（15）により、手術分
野の負荷の変化に対して超音波振動のパワーを維持し得
る。しかも本発明では、超音波変換器（５）を安定動作
させるには、駆動振幅の適正化が重要であるが、振幅レ
ベル設定回路（16）により、超音波変換器（５）の低損
失、安定化を図っている。帰還信号検出回路（17）は、
ホーン（10）の先端部にかかる負荷条件ならびに温度に
よって変化する機械振動系の共振周波数と振幅とを検出
する回路であり、この信号を増幅前段、即ち電力増幅回
路（11）に帰還することによって、定振幅制御と周波数
の自動追尾を可能ならしめている。

本発明の超音波メス用発振機の帰還部（４）は、帰還信
号Ｑ調整回路（20）と帰還信号フィルター回路（21）と
からなる。前記帰還信号検出回路（17）によって検出し
た機械振動系の共振周波数と振幅とを帰還信号Ｑ調整回
路（20）及び帰還信号フィルター回路（21）を経て電力
増幅回路（11）に帰還させるものである。帰還信号Ｑ調
整回路（20）は、超音波発振の立上りを鋭くするには、
発振スタート時の帰還回路のＱを高くする必要がある
が、この超音波発振が定常状態に入ってから、ホーン
（10）の負荷変動に対して安定振動を維持するには、帰
還回路のＱは低い方が良く、この帰還回路のＱを自動調
整することによって振動の過渡状態と定常状態とを安定
化させる役割を持たせてある。一方、超音波変換器
（５）とホーン（10）とから成る機械振動系は、主共振
周波数以外にいくつかのスプリアス周波数を持っている
ことが多く、このスプリアス周波数は、超音波メスとし
ての不安定要素となる場合が多い。本発明では、このス
プリアス周波数を除去する目的で帰還信号フィルター回
路（21）を採用し、超音波メスとしての安定化を可能な
らしめた。

次に、本発明の超音波発振装置を使用した超音波メスの
ハンドピース部の１実施例について、第３図、第４図に
基づき詳述する。

第３図は本発明を応用した超音波メスのハンドピース部
の全体図である。ハンドピース部は超音波発振機の整合
部（３）に接続されるケーブル（22）、及びコネクター
（23）、握り部（24）、保護管（25）、超音波メス部で
あるホーン（10）、手術部位に生理食塩水等を供給する
イリゲーションパイプ（26）、手術部位の液状物質等を
吸引するための吸引パイプ（27）とから大きくは構成さ
れる。接続管（28）は、握り部（24）と保護管（25）と
をネジ等により機械的に接続するパイプである。握り部
（24）、接続管（28）、保護管（25）はハンドピース全
体の重量を下げ、術者の取り扱いを容易且つ楽に行なう
ために、アルミニウムやジュラルミン等の軽くて腐蝕に
対して強い金属或いは、フェノール樹脂、ABS樹脂等の
強度の高い合成樹脂等で構成するのが望ましい。超音波
メス部となるホーン（10）は超々ジュラルミン、チタン
合金等高周波の機械振動の伝達性が良く且つ破壊に対し
て強い材質よりなるが、このホーン（10）内には手術部
位にて発生する血液、洗浄用の生理食塩水、ホーン（1
0）により破砕された細胞片等を吸引除去するための吸
引孔（29）が設けてあり、この吸引孔（29）は保護管
（25）の外側に適宜の方法で接続したパイプジョイント
（30）を介して吸引パイプ（27）に接続される。吸引パ
イプ（27）の他の先端に吸引ニップル（31）をロウ付け
或いはアルゴン溶接等適切な方法で接続する。この吸引
ニップル（31）には図示していないが、真空ポンプ等の
吸引装置に図示していないが、ガラスビン等のトラップ
を介して接続する塩化ビニール、シリコーン樹脂等吸引
装置の吸引陰圧に耐え得る材質、形状のフレキシブルな
チューブを接続する。

イリゲーションパイプ（26）は、生理食塩水等の洗浄液
を手術部位に供給するためのものであるが、ホーン（1
0）の先端部近辺に開口端を設け且つホーン（10）に接
触させないで近接するよう配置するのが望ましい。ホー
ン（10）に接触すると、このホーン（10）が超音波振動
している故、イリゲーションパイプ（26）が破損する恐
れがあるし、またホーン（10）から余り離しすぎると脳
外科等のマイクロサジェリーの場合等では、このイリゲ
ーションパイプ（26）が邪魔となる場合がある。イリゲ
ーションパイプ（26）は、パイプジョイント（30）に適
宜の方法で固定または接続し、ホーン（10）との接触防
止或いはホーン（10）から離れすぎるのを防止する。イ
リゲーションパイプ（26）の他の先端にイリゲーション
ニップル（32）をロウ付け或いはアルゴン溶接等適切な
方法で接続する。このイリゲーションニップル（32）に
は、図示していないがペリスターポンプ等のローラー型
ポンプにより、図示していないが生理食塩水等の洗浄水
容器中の洗浄水を供給する塩化ビニール、シリコーン樹
脂等のローラー型ポンプのしごきに耐え得る材質、形状
で且つ医学的に安全であるフレキシブルなチューブを接
続する。

パイプ止メ具（33）は、前記吸引パイプ（27）及び前記
イリゲーションパイプ（26）を前記握り部（24）に固定
する止メ具である。吸引パイプ（27）、イリゲーション
パイプ（26）、吸引ニップル（31）、イリゲーションニ
ップル（32）、パイプジョイント（30）及びパイプ止メ
具（33）の材質はステンレススチール等の耐腐蝕性且つ
耐溶出性の材質が望ましい。

更に本発明の超音波メスのハンドピース部の内部構造、
振動特性等について、第４図に基づき詳述する。

前述の超音波変換器（５）は、電歪型振動子（34）、こ
の電歪型振動子（34）の前後、第４図では左右に超々ジ
ュラルミン或いは硬力アルミ合金等の高張力金属材料か
らなる裏打板（35）及び前面板（36）を設け、裏打板
（35）、電歪型振動子（34）、及び前面板（36）は互い
に図示していないが高張力金属材料からなるボルトによ
りきつく接続固定する、所謂BLT（ボルト締メランジュ
バン型振動子）型振動子構造とする。前面板（36）と超
音波メス部となるホーン（10）とは、高張力金属材料か
らなるイモネジで接続固定する。電歪型振動子（34）
は、PZT（ジルコン酸チタン酸鉛）が望ましく、その固
有振動数は1MHZ〜100MHZ、望ましくは10MHZ〜20MHZ程度
が良い。電歪型振動子（34）の両端に取り付ける裏打板
（35）及び前面板（36）は、裏打板（35）、電歪型振動
子（34）、前面板（36）、ホーン（10）で構成される超
音波変換器（５）の振動数が20KHZ〜40KHZ、望ましく
は、23KHZ〜28KHZになるように直径及び長さを決める。
ホーン（10）の形状は、ホーン（10）の先端部（38）の
振幅を決定する重要な因子であるが、一般的にはホーン
（10）の先端部（38）の振幅はホーン（10）の根元部
（39）の断面積とホーン（10）の先端部（38）の断面積
の比に反比例する。本発明の超音波メスに使用するホー
ン（10）の先端部（38）の振幅は、50μ〜250μ、好ま
しくは100〜150μが望ましい。またホーン（10）の材質
は高張力金属材料、望ましくはチタン合金が良い。

PZTからなる電歪型振動子（34）を用いた本発明の超音
波メスとなる超音波変換器（５）は、他の振動子、例え
ばフェライトを用いた磁歪型振動子の場合には、軸方向
の圧縮に対しては強いが、伸びに対しては弱く、その結
果振幅を高くとることできない。またニッケル系の磁歪
型振動子の場合は、本発明の電歪型振動子に比し耐衝撃
性に乏しく、ホーンの先端部に掛かる負荷が大きい場合
には破損する恐れがあり、また機械的Ｑが電歪型振動子
に比し低くならざるを得ず、その結果電気ロスが大きく
なり、その分振動子の発熱となり、この発生する熱を水
等の冷却手段で取り去らねば振動子の破損につながる。
本発明の電歪型振動子を用いた超音波変換器方式の超音
波メスでは、ホーン（10）の先端部（38）に掛かる負荷
に対して強く、且つ機械的Ｑを高くとれる故電気ロスも
少く、振動子の発熱が少く、冷却手段を用いなくても十
分耐久性を発揮できる利点があり、超音波メスの如く最
も信頼性を要求される用途には最適である。

次に本発明の電歪型振動子を用いた超音波メスのハンド
ピース部の振動特性を第４図に基づき説明する。第４図
の上段に図示するグラフは、超音波メスのハンドピース
部の各部の軸方向の振動パターンであり、電歪型振動子
（34）の軸方向の中心部で振幅ゼロ、またホーン（10）
の絞り開始部（40）の付近で振幅ゼロ、電歪型振動子
（34）とホーン（10）の絞り開始部（40）間はイモネジ
（37）付近をピークとする弧形となる。また裏打板（3
5）の左端（41）と電歪型振動子（34）間も、裏打板（3
5）の左端（41）が最大振幅となる半弧形となる。ホー
ン（10）の絞り開始部（40）とホーン（10）の先端部
（38）間は、ホーン（10）の先端部（38）が最大振幅と
なる半弧形となる。超音波メスの性能の１つであるホー
ン（10）の先端部（38）の振幅の大きさは、前述の通り
ホーン（10）の根元部（39）の断面積とホーン（10）の
先端部（38）の断面積の比に大略反比例するので、本超
音波メスの治療対象部野、手術の程度等によりこの断面
積を変え、各種振幅のホーン形状をとり得る。

次に本発明による超音波メスのハンドピース部の他の実
施例について第５図及び第３図に基づき説明する。

前述の通り、本発明による超音波メスの超音波変換器部
の振動子は、電歪型振動子を用いている故、振動子の電
気ロスが少く、その結果振動子部の発熱が少くできる
が、更に望むらくは振動子部で発生する熱を除去し得れ
ば振動子の耐久性は遥かに向上することは明らかであ
る。そこで第５図に示す如く、吸引孔（42）を超音波変
換器（５）の軸全長に亘って設け、第３図に示すイリゲ
ーションパイプ（26）と同じ方法でセットされたイリゲ
ーションパイプ（26）により手術部位に供給された生理
食塩水等の洗浄水を吸引孔（42）により吸引することに
より、中空型電歪型振動子（43）を冷却することができ
る。イモネジ部（44）及び中空型電歪型振動子（43）の
吸引孔（42）との気密化は図示していないが、Ｏ−リン
グ、テフロン製シールテープ等適切なるシール方法で気
密化をはかればよい。また第５図では、吸引孔（42）を
超音波変換器（５）の全長に亘って設けてあるが、裏打
板（45）上であれば超音波変換器（５）の軸と直角方向
に吸引孔の取り出し口を設けてもよい。

以上詳述した通り本発明による超音波発振装置を用いれ
ば外科手術用の超音波メスとして十分な超音波振動の振
幅とパワーが得られ、広範囲の分野で優れた組織破砕能
力を発揮でき、スムーズ且つ安全に施術を行なうことが
できるので極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波メスの基本的ブロック図、
第２図は第１図に示す基本的ブロック図の詳細図、第３
図は本発明を応用した超音波メスのハンドピース部の１
実施例、第４図はハンドピース部の１実施例及び振動特
性、第５図は、ハンドピース部の他の実施例を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電源部、増幅部、整合部、及び帰還部から
   基本的に構成される超音波発振器と、電歪型振動子の前
   後に金属製の前面板と裏打板とを配してボルトで圧縮接
   続し、前記超音波発振器の超音波信号を機械的振動に変
   換する超音波変換器とからなる超音波発振装置であっ
   て、 該超音波発振器を構成する各部の回路が、 電源部は、交流電源（６）より供給された交流電圧を直
   流に変換するための、整流回路（８）の前段に突入電流
   緩和回路（７）、後段に平滑回路（９）を接続してな
   り、 増幅部は、平滑回路（９）に電力増幅回路（11）を接続
   し、電力増幅回路（11）には振幅調整回路（14）及び起
   動衝撃緩和回路を各々接続すると共に、電力増幅回路
   （11）を出た電気信号をスパイク波除去回路（13）に入
   力するように接続してなり、 整合部は、スパイク波除去回路（13）に続いて、整合回
   路（15）、振幅レベル設定回路（16）及び帰還信号検出
   回路（17）の順で接続してなり、 帰還部は、帰還信号検出回路（17）から、帰還信号Ｑ調
   整回路（20）及び帰還信号フィルター回路（21）を経
   て、電力増幅回路（11）に帰還入力させるように接続し
   てなる ことを特徴とする超音波発振装置。