JPH07500273A - 電気外科手術装置 - Google Patents

電気外科手術装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 雄釦Ｖせｕ１芸１ □ 本発明は、患者の手術部位の組織を破砕及び吸引する外科手術用ハンドピースに 使用されている超音波発生用トランスデユーサを駆動するための電気装置と、そ の装置の電気回路内の電子制御ループとに関する６より詳しくは、本発明は、フ ィードバック制御を利用して振動周波数を機械的共振周波数に維持しつつ超音波 外科手術装置を駆動するための装置に関する。本発明は更に、振幅を制御するた めの手段に関すると共に、動作を監視して、システムのパラメータがアナログ制 御ループにおける限界を超えたときに正常動作を回復するためのディジタル・イ ンターフェースにも関する。本発明は更に、その装置の組織選択性を制御するた めの手段も提供する。
超音波振動を利用した外科手術装置を用いて不都合な組織を正確に且つ安全に破 砕して吸引除去できるようになったことから、様々な価値ある手術方法が開発さ れた６当初は、この外科手術吸引法は、例えば米国特許第３５８９３６３号が開 示しているように、白内障で混濁した組織を破砕及び除去するために適用されて いた。その後、手持式装置から超音波エネルギを印加することによって細かな制 御を行ないつつ組織を１層ずつ選択的に除去して行くことが好都合な、例えば神 経外科手術を特徴とする特殊な幾つかの外科手術にも、同様の手術法が適用され るようになり、それによって大きな成功が得られている。
当業界において公知の装置のうちに、振幅が略々一定で周波数が約２０ないし約 ３０キロヘルツから約４０ないし約５０キロヘルツまでという振動特性を有する 連続振動を発生するようにした装置がある。米国特許第４０６３５５７号、同４ ２２３６７６号、及び同４４２５１１５号には軟組織の除去に適した装置が開示 されており、その装置は特に、血液を含んでいて非常に弾性的に変形し易い組織 を除去するのに適したものである６また、その装置は、外科医が組織の破砕及び 除去を行なおうとする際には連続運転することができ、通常、その装置の操作は 、足踏式スイッチで行なわれている。
手術部位の組織を超音波で破砕し、その手術部位から組織の破片及び体液を吸引 除去するようにした公知の装置の１つに、米国、コネチカット州、スタンフォー ドに所在のＶａｌｌｅｙｌａｂ、　Ｉｎｃ、社が製造及び販売しているｒＣＵＳ Ａ　ｍｏｄｅｌ　Ｓｙｓｔｅｗ＋２００　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ａｓｐｉｒａ ｔｏｒＪという超音波吸引装置がある。この装置については更に米国特許第４８ ２７９１１号を併せて参照されたい。この種の超音波吸引装置では、縦方向に振 動させている、その装置の先端チップ部を組織に接触させると、その先端チップ 部が、穏やかに、選択性をもって、しかも正確に組織を破砕して、その組織を除 去することができる。この独創的な外科手術装置の数々の利点のうちの幾つかを 列挙するならば、腫瘍摘出手術の際に健康な組織を損傷することが殆どないこと 、破砕後に血管だけを残すことが可能であること、組織の治癒が早まること、周 囲の組織の縁部を焦がしたり引き裂いたりしないこと、健康な組織に対して最小 限の引張力しか作用させないこと、それに、組織の破砕及び除去を選択的に制御 するための触覚による優れたフィードバックが可能なこと等がある。
超音波破砕装置を使用する外科手術法の多くは、組織の切断や手術部位の止血を 行なうための補助的な装置を必要としている。例えば深部凝固によって大体積の 組織を乾燥させる乾燥法や、スプレー凝固によって組織の表面を乾燥させる高周 波法等には止血が必要である。
米国特許第４９３１０４７号並びに同５０１５２２７号は、超音波振動を利用し た外科手術のための破砕吸引装置に止血機能を付加した装置を開示している。
その装置は、凝固能力と、組織の破砕及び吸引を、周囲の組織に僅かな外傷しか 与えずに行なえるように強化した破砕吸引機能との、両方の機能を効果的に提供 するものである。
米国特許第４７５０４８８号、並びに、同米国特許の２件の継続特許である米国 特許第４７５０９０２号及び同４９２２９０２号には、超音波による破砕と、吸 引と、焼灼とを組み合わせて利用するようにした、方法及び装置が開示されてい る。
ツールの先端チップ部の超音波振動で組織を破砕する装置では、破砕効率並びに エネルギ利用効率を最適化するために、超音波振動発生用トランスデユーサを共 振周波数で動作させることが望まれる６そのトランスデユーサが、圧電性結晶体 トランスデユーサである場合には、そのトランスデユーサの振動周波数は、その 振動を発生させる電気駆動信号の周波数に等しい。動作効率が最大になるのはそ のトランスデユーサを、そのトランスデユーサの共振周波数で振動させるときで ある。しかしながら、例えば温度、熱膨張量、それに負荷インピーダンス等の動 作パラメータが変化すると、共振周波数は偏移する。従って、偏移する共振周波 数を追跡するために、駆動信号の周波数を制御して変化させる必要がある。
米国特許第４７５０４８８号が開示している回路は、周波数制御ループを含んで おり、その周波数制御ループは、圧電性トランスデユーサへの電圧入力と電流入 力とに比例する２つの信号を加え合わせて得たフィードバック信号に応じて動作 するようにしたものである。
米国特許第４９６５５３２号が開示している超音波トランスデユーサ駆動回路は 、周波数制御手段を含んでおり、その周波数制御手段は、第１位相検出信号と第 ２位相検出信号とに応じて変化するフィードバック制御信号を利用するようにし たものである。
本発明によって明らかになったことは、圧電性トランスデユーサに機械的に結合 したフィードバック用の圧電性結晶体を含んだ独創的な制御ループを用いること によって、効率的な周波数制御が行なえるということである。
米国特許第４０１２６４７号は、周波数を同調させた回路の中にフィードバック 用の圧電性結晶体を使用し、その回路から発生される。フィルタを通過した信号 によって、超音波システムの駆動信号を制御するということを開示している。
この米国特許が開示しているシステムは、外科手術装置ではなく、また、超音波 振動子と、増幅器と、同調用インダクタンスとを組み合わせた上で、フィードバ ック用の結晶体から増幅器の入力へフィードバックをかけることによって、発振 回路を構成している。これに対して本発明の新規な回路では、制御ループの一部 に、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を組み込んでいる。また、フィードバック用の圧 電性結晶体からのフィードバック信号をこの制御ループへ入力して、この制御ル ープに増幅器を駆動させている。この新規な回路の利点は、この回路は機械的共 振周波数を追跡する際に電気的相互作用を伴わないということにある。
フィードバック制御ループを備えた超音波外科手術装置の動作時に頻繁に発生す る問題の１つに、その制御ループが、目標としている共振周波数にではなく、そ の近くの不都合な周波数に同調してしまう傾向を示すということがある。
この問題が実際に発生するか否かは、システムの周波数スペクトルと、制御ルー プの特性とにかかっている。制御ル丁プの減衰が小さ過ぎると、動作の開始時や 負荷の急変時の大きな過渡オーバーシュートのために、駆動周波数が、近くの別 の周波数へ変化させられてしまう。制御ループが近くの不都合な周波数に同調し てしまう傾向は、その制御ループのオーバーシュートが大きいほど、また、同調 してしまうその近くの周波数が近接しているほど強く現れる。
要求性能の点で、また製造時のばらつきのために、純粋にアナログ式の構成で上 述の不都合を生じることのない制御システムを製造することは困難である。更に 、超音波振動子の製造に関する困難な問題の１つに、材料及び製造工程のばらつ きのために、共振周波数にばらつきが生じるということがある。超音波振動子の 共振周波数にばらつきがあると、制御ループの動作中の誤差信号の大きさが大き くなる。そして、上述の不都合が発生する確率は、誤差信号の大きさに正比例し て上昇する。
本発明によって明らかになったことは、次のようなシステムを用いることによっ て上述の不都合を回避し得るということであり、そのシステムとは、マイクロプ ロセッサを用いたシステムであって、アナログ制御ループに相互作用的に結合し ており、また、動作を監視してシステムのパラメータがアナログ制御ループの限 界をこえたときに正常動作を回復するための、ディジタル・インターフェースを 提供するシステムである。
ｘ男の概！ 本発明によれば、組織の破砕及び吸引のための外科手術用ハンドピースの超音波 発生用圧電性結晶体トランスデユーサを駆動するための電気装置が提供され、こ の装置は、増幅器に直列に接続した電圧制御発振器と、フィードバック用圧電性 結晶体から位相比較器及びループ・フィルタを介して前記電圧制御発振器へ接続 している第１電子制御ループとを備えており、前記フィードバック用圧電性結晶 体は、前記トランスデユーサに機械的に結合していて前記トランスデユーサの実 際の振動周波数の関数であるフィードバック信号を発生するようにしてあり、前 記位相比較器は、前記フィードバック信号の位相と駆動信号の位相とを比較して 、該駆動信号を前記トランスデユーサの共振周波数に維持する制御信号を発生す るようにしてあり、前記増幅器は電圧源増幅器であって、該電圧源増幅器の出力 部を、同調用インダクタを並列に接続した前記圧電性結晶体トランスデユーサに 接続しであることを特徴とする装置である。
好ましくは、前記ハンドピースに圧電性結晶体トランスデユーサを収容するよう にし、該トランスデユーサを、トランスデユーサとしての作用を及ぼし得るよう にして、先端チップ部を有するツールに連結し、該トランスデユーサが、本発明 に係る装置から供給される電気駆動信号によって活動化されたならば、前記ツー ルの前記先端チップ部を超音波振動させ、それによって、該先端チップ部が外科 手術部位の組織を破砕し得るようにし、また更に、前記ハンドピースが、破砕さ れた組織を前記外科手術部位から除去するための吸引手段を備えているようにす るのが良い。
前記圧電性結晶体トランスデユーサには同調用インダクタを並列に接続して回路 網を形成してあり、この回路網は、前記トランスデユーサの動作周波数に対応し た共振周波数を持ち、前記電圧源増幅器から実際の負荷への結合を最適化してい る。圧電性結晶体は電圧によって制御されるデバイスであるため、前記電圧源増 幅器に前記同調用インダクタを並列に接続することの利点は、圧電性によって駆 動される振動子の制御をより直接的に行なえるということである６また好適実施 例においては、前記電圧源増幅器の出力部に小さな抵抗値の抵抗を直列に接続し て更に安定性を高めている。この好適実施例は、従来用いられていた同調用イン ダクタを直列に接続した構成と比べれば顕著な進歩であり、なぜならば、インダ クタンスによる位相遅れが存在しないために応答が迅速化されているからである 。
本発明は更に、以上に記載した種類の装置であって、更に第２制御ループを備え た装置を提供するものである。その第２制御ループは、前記トランスデユーサの 振動振幅を検出して振幅信号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調節可能 なコマンド信号と比較する手段と、前記振幅信号のレベルが前記コマンド信号の レベルと等しくなるように前記駆動信号を必要に応じて調節することにより、負 荷が変動しても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるようにする手段とを含 んでいる制御ループである。
前記第２制御ループは、ＲＭＳ−ＡＣフィードバック信号をＤＣへ変換するコン バータを含んでいるものであることが好ましい。
本発明は更に、１つないし複数の電子制御ループを監視して、該電子制御ループ に制御されている動作の実行中に発生するエラー状態を検出し且つそのエラー状 態に応答するための制御システムを提供するものでもある。その制御システムは 、アナログ−ディジタル・コンバータとマルチプレクサとに結合したマイクロプ ロセッサを備えており、各々の前記電子制御ループからの出力を前記マルチプレ クサに入力するようにしてあり、該マルチプレクサからの出力を前記コンバータ においてディジタル形式に変換して入力ディジタル信号を発生させ、該入力ディ ジクル信号を前記マイクロプロセッサの中で処理することにより、適当なアルゴ リズムをもって応答してエラー状態を脩正するようにしである制御システムであ る。
以上に述べた制御システムが特に適している用途は、本発明に係る装置に含まれ ている前述の第１制御ループ等の、周波数制御ループの監視に使用するという用 途や、本発明に係る装置に含まれている前述の第２制御ループ等の、増幅利得制 御ループの監視に使用するという用途であるが、ただし、好適実施例においては 、それら第１制御ループと第２制御ループとの両方を監視するためにその制御シ ステムを使用している。この好適実施例については、以下に添付図面の図１を参 照しつつ、更に具体的に説明する。
本発明は更に、以上に説明した種類の装置であって、しかも超音波外科手術吸引 装置に組織選択性を付与するための手段を含んでいる装置を提供するものであり 、その手段は、前記増幅利得制御ループの出力部に接続した制限回路を含んでお り、該制限回路を介して操作者が前記増幅利得制御ループの最大誤差信号出力に 調節を施して制限を加えることができるようにしたものである。
本発明の装置と組み合わせて使用する外科手術用ハンドピースは、例えば、本願 の基礎米国出願の譲受人に併せて譲渡された米国特許出願１−号に説明され且つ その請求項に記載されているような種類のハンドピースとすることが好ましく、 同米国出願の開示はこの言及を持って本願に組み入れるものとする。
従って、好適なハンドピースの一例を挙げるならば、圧電性結晶体トランスデユ ーサを含んでおり、該トランスデユーサを、トランスデユーサとしての作用を及 ぼし得るようにして、先端チップ部を有するツールに連結してあり、該トランス デユーサは、電気駆動信号によって活動化されたならば、前記ツールの前記先端 チップ部を超音波振動させ、それによって、該先端チップ部が外科手術部位の組 織を破砕し得るようにしてあり、更に、破砕された組織をその外科手術部位から 除去するための吸引手段を備えたハンドピースである。また、前記トランスデユ ーサと前記フィードバック用結晶体とは、電気的に絶縁したハウジングの中に収 容し、様々な動作を選択して起動させるためのスイッチ手段をそのハウジングに 取付けて、そのハンドピースを手で操作し得るものとすることが好ましい。
凹皿の間里女説朋 これより添付図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明して行く。添付図面に ついては以下のとおりである。
図１は、本発明の一実施例に係る制御ループを模式的に示した図、図ＩＡは、図 １の２つの点Ａの間の変更回路部分を示した図、図２は、動作を監視してシステ ムのパラメータがアナログ制御ループの限界を超えたときに正常動作を回復する ためのステップを示したアルゴリズムの図、図３は、位相同期ループの誤差をチ ェックしてその誤差を「０」にするために必要な調節を施すステップを示したア ルゴリズムの図、図４は、本発明の装置と共に使用する好適なハンドピースの一 例を示した部分断面側面図、 図５は、図４の５−５線に沿った正面断面図。
図６は、図４の６−６線に沿った背面断面図、そして。
図７は、前記ハンドピースの上面図である。
兄咀の用訓女説服 添付図面の図１に示した装置は電圧制御発振器（ＶＣＯ）１を含んでおり、この ＶＣＯＬは、電力増幅器２を介して駆動用圧電性結晶体３を正弦波状発振電圧で 駆動している。この発振電圧は、電圧源増幅器である電力増幅器２の出力から駆 動用圧電性結晶体３へ供給されており、駆動用圧電性結晶体３にはインダクタ４ を並列に接続しである。インピーダンス整合用変成器Ｔを付加した構成とするこ ともできる（図ＩＡ）。更には、安定性を得るために、小さな抵抗値の抵抗Ｒを 電力増幅器の出力に接続しても良い（図ＩＡ）。ＶＣＯの出力の発振周波数はそ のｖＣＯの入力へ供給される電圧の大きさに応じて決まる。ｖＣＯの周波数範囲 の中点は、システムが正常動作をしているときに周波数がその点にくることが予 期される点に設定すべきであり、また、その周波数範囲は、システムの通常使用 時に周波数が変化する範囲をカバーするように設定すべきである。
駆動用圧電性結晶体３は、ＶＣＯから供給される正弦波状発振電圧に応答してそ の発振電圧の周波数と同じ周波数で振動し、その結果、超音波振動アセンブリの 全体がその周波数で振動することになる。
超音波振動アセンブリはフィードバック用結晶体５を備えており、このフィード バック用結晶体５も超音波振動アセンブリと共に振動する。圧電性結晶体に応力 を加えると、それに応答して圧電性結晶体は、加えられた応力に比例した電圧を 発生する。こうして発生する電圧は、超音波振動アセンブリがどのように振動し ているのかを表わす指標になる。振動アセンブリの変位の大きさは、フィードバ ック用結晶体の両面の間に発生する電圧のレベルで表わされる。振動アセンブリ が所与の周波数で正弦波状に振動しているときには、フィードバック用結晶体か ら得られる電圧信号は、その周波数の正弦波になる。振動アセンブリの振動の共 振周波数は、振動アセンブリを駆動するために必要な電力が最小になる周波数に 他ならない。共振周波数は、駆動信号の正弦波とフィードバック信号の正弦波と の間の位相差が９０度になることによって１判別することができる。
駆動信号６とフィードバック信号７との２つの信号は、位相比較器８の夫々の入 力へ供給されている。この位相比較器８の出力９は、正弦波信号である駆動信号 と、同じく正弦波信号であるフィードバック信号との間の、位相角のコサインを 与えるものである。
駆動用結晶体の共振周波数がＶＣＯの中心周波数と一致していれば、Ｖｃｏは駆 動用結晶体をその共振周波数で駆動する。この場合、位相比較器へフィードバッ クされる、駆動信号とフィードバック信号との間の位相角は９０度になり、従っ て、ループ・フィルタ１０と、後述する増幅器１１とを介してＶｃｏへ供給され る電圧は「０」ボルトになり、そのためｖｃｏは、振動アセンブリをその共振周 波数で駆動し続けることになる。
負荷が加わったためにその共振周波数が急変したならば、２つの正弦波信号の間 の位相角はもはや９０度ではなくなる。位相比較器の出力は９ｏ度以外の別の角 度のコサインとなり、それはもはやｒＱＪではない。ｖｃｏは、これを検知して （位相比較器の出力は利得増幅器１１を介してｖｃＯへ供給されている）、出力 周波数を偏移させ、その偏移の大きさは、位相比較器から出力された信号に利得 増幅器１１の利得を乗じた積に比例した大きさであり、その偏移の方向は、駆動 信号とフィードバック信号との間の位相角を９０度へ復帰させるような方向であ る。位相角が９０度へ復帰すべく９０度という値へ近づいて行くにつれて、位相 角のコサインは「０」へ復帰すべく「ｏ」という値へ近づいて行く。位相角が９ ０度へ近付けるだけ近付き、そしてそれに伴って、ｖｃｏへ供給されている電圧 が、ｖＣＯの中心周波数とは異なった、新たな共振周波数と一致した周波数での 発振を維持するのに充分な電圧レベルになった時点で、その系は平衡状態に達す る。尚、増幅器の利得を大きくするほど誤差は小さくなる。
振動系が機械的なものである場合には、その振動系の振動の周波数ないし振幅が 変化しようとするときにその変化の速度を抑制しようとする慣性が存在するため に、問題は更に複雑になっている。振動アセンブリの先端チップ部へ急に負荷が 加わって、振動アセンブリの共振周波数を変化させることがあり得る。位相比較 器８はこれに応答して、増幅器１１を介してｖｃｏへ、周波数を修正させる電圧 を供給する。この増幅器の利得が過大であると、ＶＣＯは駆動周波数を、機械的 な振動系である振動アセンブリが対応し得る変化速度の限度を超えた速い速度で 変化させようとする。振動アセンブリが、共振する適切な周波数に達したときに は、ｖＣＯは既にその周波数を通り過ぎて幾分オーバーシュートしている。その ためループは、今度は逆方向へ修正しようとして再びオーバーシュートし、以後 、同じことを繰り返す。システムが安定であれば、オーバーシュートは各サイク ル毎に小さくなって行き、最終的に収束する。一方、システムが不安定であれば 、オーバーシュートは各サイクル毎に小さくなることはなく、一定の大きさのま まで発振を続けるか、或いは各サイクル毎に大きくなって、最終的にシステムは 、近（の別の周波数に同調するか、或いは損傷することになる。
位相比較器８、この位相比較器８の出力９、利得増幅器１１．及びＶＣＯｌかも 成るループは、位相同期ループ（ＰＬＬ）を構成しており、この位相同期ループ の部分を、図中に破線１２で囲って示した。
振幅を制御するために、第２の制御ループ１３を備えている。このループ１３は 自動利得制御ループ（ＡＧＣ）である。操作者は、振動させる先端チップ部に必 要な振動振幅をコマンド人力１４で設定する。フィードバック用結晶体から返さ れてくる正弦波７を、ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１５によって、その正弦波の振幅 の関数であるＤＣレベルへ変換するようにしている。この信号１６が、続いて加 算ノード１７へ供給され、この加算ノード１７の出力１８は、フィードバック信 号とコマンド人力１４との間の差を表わす誤差信号であり、この誤差信号１８が 誤差増幅器１９へ供給されている。誤差増幅器１９はその出力に、加算ノード１ ７への２つの入力１４及び１６の間の差に比例した信号を発生する。信号２゜は 、駆動用圧電性結晶体３を駆動している電力増幅器２の出力である駆動信号の振 幅を制御している。以上のシステムが平衡状態にあるときには、上述の２つの入 力１４及び１６の間に最小限の大きさの差が存在しており、ただしその差の大き さば、２０におけるレベルを、駆動用結晶体を駆動し得るレベルにし、また、１ ４と１６との間のこの最小限の差を発生させる信号をフィードバック用結晶体か らフィードバックさせることができるだけの、充分な大きさになっている。利得 を大きく設定すれば誤差を小さくできるが、不安定になるのを避けるためには利 得に安全率を見ておく必要がある。
超音波吸引装置の特徴の１つに、ある特定の種類の組織だけを、それに隣接する 別の種類の組織には殆どないし全（影響を与えることなく破砕して吸引する、組 織選択性という特徴がある。外科手術の種類によっては、組織選択性を備えてい ることが望ましいような外科手術もあり、また１組織選択性の低い破砕能力を発 揮することが望まれる外科手術もある。
本発明によって判明したところによれば、ＡＧＣが供給する駆動信号の最大振幅 を制限回路２１で変化させることによって、この組織選択性を強めたり弱めたり することができる。
マルチプレクサ２２はその入力として、自動ｆ１１得制御ループ（ＡＧＣ）１３ の誤差信号２３と、ＰＬＬの誤差信号２４とを受け取っている。このマルチプレ クサ２２の出力はアナログ−ディジタル・コンバータ２５へ供給されており、こ のアナログ−ディジタル・コンバータ２５の出力は、マイクロプロセッサ（μＰ ）２６へ供給されている。マイクロプロセッサ２６の出力信号２７は、中心周波 数調節装置２８へ供給されており、この装置２８の出力はＶＣＯｌへ供給されて いる。マイクロプロセッサ２６の第２の出力信号２９は、切り換え装置３０へ供 給されており、この出力信号２９によって、コマンド入力が、「０」または小振 幅の基準点３１と、操作者が設定した振幅設定点３２との間で切り換えられるよ うにしている。
このシステムが通常の動作をしているときのその動作を、図２のアルゴリズムに 示した。先ずＡＧＣループの誤差信号２０をポーリングして、その誤差信号のレ ベルをチェックする（３３）。その差の大きさが所定値よりも大きかったならば （＞Ａ）（３４）、それは、システムがストール状態にあることを表わしている 。ストール状態とは、実際の振動の振幅がコマンド人力１４に対応した振幅より もはるかに小さくなっており、従って、加わっている負荷が過大であることが表 わされており、そのために制御ループが、近くの望ましくない周波数に同調して いるか、或いは、その他の何らかのエラー状態になっている状態である。ストー ル状態にあることが表わされていなければ、ポーリング（３３，３４）を反復し て実行し、この場合には、ＰＬＬは正常に動作し続けることができる。一方、ス トール状態にあることが表わされていたならば、Ｐ　Ｌ　Ｌの誤差をチェックす る（−３５）、ＰＬＬの誤差が異常に大きかったならば（＞Ｂ）（３６）、それ は、近くの望ましくない周波数に同調してしまっていることを表わしている。
ストール状態にあることが表わされていて、しかも、ＰＬＬの誤差が所定値以下 であったならば（＞Ｂ）（３７）、以下のアルゴリズムを実行する。先ずマイク ロプロセッサ・システム２６の中のタイマを、修正作業に費やすことを許されて いる最大時間にセットする（３８）、このアルゴリズムのこの部分でマイクロプ ロセッサ・システム２６が実行する対話動作は、適当な聴覚手段、視覚手段、触 覚手段、ないしはその他の伝達手段を用いて、操作者に対して、超音波外科手術 装置のハンドピースに加わっている圧力が過大であるということを表示すること である（３９）。マイクロプロセッサは、圧力がゆるめられたが否かを知るため のポーリング（４０，４１）と、タイマを調べて前述の時間が超過したか否か知 るためのポーリング（４２，４３）とを、反復して実行する。ストール状態が解 消したならば、マイクロプロセッサは、タイマをクリアしく４４）、更に、前述 の操作者への伝達手段をクリアして（４４）、ポーリング（３３，３４）の実行 へ戻る。一方、ストール状態が解消されないうちに、タイマをチェックした際に （４２）制限時間を超過したことが分かったならば（４３）、、システムの動作 を停止させて、それ以上の操作を禁止する（４５）と共に、前述の伝達手段によ ってそのエラー状態を操作者へ告知する（４５）。ＡＧＣループの誤差が所定値 を超えており（３４）、それと同時にＰＬＬループの誤差も所定値を超えている （３６）という状況は、システムが、近くの望ましくない共振周波数に同調して しまったことを表わしている。この状況を解消するための１つの方法は、超音波 外科手術装置にそれまで加わえられていた圧力を完全に解消させ（４６）、タイ マを設定しく４７Ｌそして、ＡＧＣループのためのコマンド人力をｒＯＪ３１へ 切り換えることである。
スイッチ３０を介してＡＧ、Ｃループのコマンド人力１４へ「０」ボルト３１を 供給することによって、振動を停止させる。続いて超音波発生器に、蓄えられて いたエネルギを発散させるための充分な時間を与える（４８）。スイッチ３０を 操作してコマンド入力を操作者設定レベル３２へ復帰させる（４９）、超音波発 生器に、定常状態の振動振幅レベルを得るための充分な時間を与える（４９）。
誤差レベルを再度チェックすると共に（５０，５１，５，２，５３）、タイマを 再度チェックする（５４）。即ち、エラー状態が持続していたならば（５１）、 タイマをチェックする（５４）。このアルゴリズムのこの部分は、エラー状態が 解消されるか、或いはタイマ値が超過する（５５）かの、いずれかになるまで反 復して実行する。タイマ値が超過する（５５）より前に、エラー状態が解消され たならば（５０，５１，５２，５３）、タイマをクリアしく５６）、そしてこの アルゴリズムは、ＰＬＬの中心周波数の調節（図３参照）を実行する（５７）。
このＰＬＬ誤差修正アルゴリズムを実行し、前述の伝達手段をクリアし、更にタ イマをクリアしたならば（５６）、超音波発生器は通常動作へ復帰する。一方、 タイマ値が超過したならば（５５）、超音波発生器をディスエーブルしく５８） 、そして更に、前述の伝達手段を介して、操作者へエラー・メツセージを表示す る（５８）。
図２に（５７）で表わした動作は、例えば、図３に例示したアルゴリズム等によ って規定される動作である。同図のアルゴリズムでは、先ず最初にポーリング（ ５９，６０）を行なって、振動が起動されたか（６１）否か（６２）を判定する 。振動の開始時には、操作者が設定したコマンド大力に指示されている振幅レベ ルと実際の振幅レベルどの間の差を、ＡＧＣループの誤差信号のレベルから判定 する（６３）。その誤差信号が「ＯＪでなければ（６４）、それは、負荷が加わ った振動状態にあることを表わしており、そのためこのアルゴリズムは、通常動 作（６５）へ進む。一方、その誤差信号がｒＯＪであったならば（６６）、ＰＬ Ｌループの誤差信号をチェックして、ＰＬＬループの誤差が「０」であるが否か を判定する（６７）。そして、その誤差が「０」であったならば（６８）、アル ゴリズムは通常動作（６つ）へ進む。一方、その誤差がｒＯＪでなかったならば （７０）、その誤差の方向を判定した上で（７１，７２）、ＶＣＯに対する調節 量を適切な方向へインクリメントし、即ち、より高い周波数へのインクリメント （７３）と、より低い周波数へのインクリメント（７４）との、該当する方を実 行する。ループのセトリング・タイムが経過した後に（タイムアウトの後に）（ ７５）、再びその誤差のチェックを行なう（６７）。以上のことを、その誤差が ［ＯＪになるまで（６８）反復して実行し、その誤差が「０」になったならばシ ステムを通常動作へ復帰させる（６９）。
添付図面の図４〜図７に例示したハンドピースはハウジング１１０を備えたもの であり、このハウジング１１０は、電気絶縁性を有するプラスチック材料で製作 することが好ましい。このハウジングは、その中に圧電性結晶体トランスデユー サを収容しており、そのトランスデユーサは、複数のリング形の圧電性結晶体を 重ね合わせた積層体１１１を含んでいる。それら結晶体の各々は隣接する結晶体 に機械的に結合しており、それら結晶体の各々が、その結晶体の両側に設けた互 いに逆極性の電極を介して交流電力で付勢されるようにしである。また、互いに 同一の極性の複数の電極１０６を単一の部材として形成することにより、ハンド ピースの内部の配線の本数を低減させている。トランスデユーサの後端には、フ ィードバック用圧電性結晶体１１２を設けである。フィードバック用圧電性結晶 体１１２は、このトランスデユーサの駆動用結晶体に機械的に結合しており、そ れら駆動用結晶体と共通に接地しである。フィードバック用結晶体は更に、フィ ードバック信号をハウジングの後端の電気接点へ伝達するための電気配線（不図 示）に接続した突出電極を備えており、フィードバック信号はその電気接点から 更にコネクタを介して制御回路に接続されている。駆動用結晶体とフィードバッ ク用結晶体とを含めたこの圧電性結晶体アセンブリの全体は、絶縁セラミックス 部材１０８と絶縁スリーブ１０９とで、前部ドライバ１０７及び後部ドライバ１ ３２から電気的に絶縁されている。駆動用結晶体と、フィードバック用結晶体と 、それらに付随する夫々の電極とは、それらの内側と外側との両方を、ポリマー 製のコーティングによって電気的に絶縁してあり、それによって、結晶体におけ る絶縁破壊、並びに絶縁用セラミックス部材１０８における絶縁破壊を防止して いる。
トランスデユーサは更に、組織の切断ないし乾燥に使用する高周波電力を前部ド ライバ１０７へ伝達するための電気配線（不図示）に接続した突出電極１３３を 備えている。
トランスデユーサの前端にはリング形のフランジ部１１３を形成してあり、この フランジ部１１３をゴム製の装着部材１１４の中に装着した上で、その装着部材 １１４を、ハウジングの内面と鋼製ワッシャ１１５との間に挟持している。トラ ンスデユーサの後端は、振動吸収接続部材を介して接点板１１６に取付けてあり 、この接点板１１６は、ハウジング１１０の内部に、気密状態が得られるように して接着しである。
駆動用圧電性結晶体からの電気配線と、フィードバック用圧電性結晶体からの配 線とは、ハウジングの後端に備えた夫々の電気接点部材１１７（図６）に接続し ている。それら電気接、？３．部材は、コネクタ１１８をハウジングに接続した ときに、そのコネクタ１１８に備えられているそれら電気接点部材に対応した形 状の夫々のソケット部材と電気的に接続する。夫々の電気配線は、一方では超音 波発生器に接続しており、他方ではコネクタ１１８の後端に結合したケーブル１ ２０を介して制御回路に接続している。コネクタ１１８の複数のＯリング１３３ は、洗浄液と、吸引液と、その伯のハンドと−スの外部の液体とを、互いに分離 し、且つ、電気接点から隔離している。コネクタ１１８をハンドピースに接続す るときには、超音波発生用電力配線、フィードバック用配線、電気外科処１用高 圧配線、吸引用チューブ、及び洗浄用チューブが一度に接続される。この構造に よって、ハンドピースを、ケーブル類とは別に滅菌処理することができるように している。
トランスデユーサの前端には中空のツール１２１を取付けてあり、このツール１ ２１は、このツールをトランスデユーサで超音波振動させているときに組織を破 砕することができる先端チップ部を備えている。ツール１２１の基端部には、ね じを切ってあり、また、その基端部の近傍の外周部１２２を六角形に形成しであ るため、トランスデユーサの前端のフランジ部１１３に取付けた前部プレートに 形成した対応するねじ部に、このツールを螺着することができる。前部プレート の周囲に位置するワッシャ１２４は、前述のゴム製の装着部材１１４に当接して おり、これらの装着用プレートとワッシャとの組合せによって、トランスデユー サの前端部近傍に液密の封止構造を形成している。この封止構造は、ハウジング のうちのトランスデユーサ及びトランスデユーサに付随する電気部品を収容して いる部分に洗浄液等が侵入するのを防止するために重要なものである。
洗浄液には多くの場合食塩水が使用され、その洗浄液は、導管部１２６の内面と ツール１２１の外面との間に形成されている流路１２５を通ってツールの先端チ ップ部へ供給される。洗浄液は、ハウジングの図中下方の部分に延在している連 通管路１２７から流路１２５へ流入するようにしてあり、この連通管路１２７へ は、コネクタ１１８に接続したチューブ（不図示）を介して外部の貯留槽から洗 浄液が供給されるようにしである。
ツール１２１を中空の形状に形成しであるのは、破砕した組織を手術部位から吸 引するためである。吸引を行なう際には通常、この中空のツールを介して、そし て更にチューブ１２８（図５及び図６）を介して吸い込むようにし、チューブ１ ２８は、ハウジングの中を軸方向に延在して、コネクタから外部へ延出している 。
洗浄液として使用する液体は導電性を有する液体であることがあり、その場合に は、その洗浄液が、前述の前部ドライバに印加されている高周波電力と同じ電位 を持つことがある。それゆえ操作者の安全のために、取外し自在な接続部には充 分な絶縁距離を確保する必要がある。かかる事情により、前述の導管部１２６は 、関連法規によって要求されている絶縁表面距離が得られるように、ハウジング １１０を覆う形状に設計しである。同様に、コネクタ１１８も、必要な絶縁表面 距離が得られるように、ハウジング１１０を覆う形状に形成するようにしても良 い。
図面に例示した実施例では、ハンドピースは、その動作を手で操作する方式のも のにしてあり、ハウジングにスイッチ・モジュール１２９を取付けである。図示 のモジュールは２個のスイッチを装備しており、それらスイッチはハウジングの 中の回路板に電気的に接続していて、それらスイッチによってハンドピースの動 作を操作するようにしている。尚、本発明の装置に使用するハンドピースは。
手で操作するスイッチを３個以上備えたものとすることもでき、また、足踏式ス イッチによってその動作を操作するものとしても良いことを理解されたい。
浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） 手続補正書 平成　６年　８月２ｚ虐」

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. １．組織の破砕及び吸引のための外科手術用ハンドピースの超音波発生用圧電性 結晶体トランスデューサを駆動するための電気装置において、増幅器に直列に接 続した電圧制御発振器と、フィードバック用圧電性結晶体から位相比較器及びル ープ・フィルタを介して前記電圧制御発振器へ接続している第１電子制御ループ とを備えており、前記フィードバック用圧電性結晶体は、前記トランスデューサ に機械的に結合していて前記トランスデューサの実際の振動周波数の関数である フィードバック信号を発生するようにしてあり、前記位相比較器は、前記フィー ドバック信号の位相と駆動信号の位相とを比較して、該駆動信号を前記トランス デューサの共振周波数に維持する制御信号を発生するようにしてあり、前記増幅 器は電圧源増幅器であって、該電圧源増幅器の出力部を、同調用インダクタを並 列に接続した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続してあることを特徴とす る装置。
  2. ２．前記圧電性結晶体トランスデューサを、トランスデューサとしての作用を及 ぼし得るようにして、先端チップ部を有するツールに連結してあり、該トランス デューサは、駆動信号によって活動化されたならば、前記ツールの前記先端チッ プ部を超音波振動させ、それによって、該先端チップ部が外科手術部位の組織を 破砕し得るようにしてあることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. ３．前記ハンドピースが、破砕された組織を前記外科手術部位から除去するため の吸引手段を備えていることを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. ４．前記電圧源増幅器の出力部に小さな抵抗値の抵抗を直列に接続して更に安定 性を高めていることを特徴とする請求項１記載の装置。
  5. ５．更に第２制御ループを備えており、該第２制御ループは、前記トランスデュ ーサの振動振幅を検出して振幅信号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調 節可能なコマンド信号と比較する手段と、前記振幅信号のレベルが前記コマンド 信号のレベルと等しくなるように前記駆動信号を必要に応じて調節することによ り、負荷が変動しても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるようにする手段 とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
  6. ６．前記第２制御ループが、ＲＭＳ−ＡＣフィードバック信号をＤＣへ変換する コンバータを含んでいることを特徴とする請求項５記載の装置。
  7. ７．前記第２制御ループの出力部に制限回路を接続してあり、該制限回路を介し て操作者が該第２制御ループの最大誤差信号出力に調節を施して制限を加えるこ とによって組織選択性が得られるようにしてあることを特徴とする請求項５記載 の装置。
  8. ８．１つないし複数の電子制御ループを監視して、該電子制御ループに制御され ている動作の実行中に発生するエラー状態を検出し且つそのエラー状態に応答す るための制御システムにおいて． アナログーディジタル・コンバータとマルチプレクサとに結合したマイクロプロ セッサを備えており、各々の前記電子制御ループからの出力を前記マルチプレク サに入力するようにしてあり、該マルチプレクサからの出力を前記コンバータに おいてディジタル形式に変換して入力ディジタル信号を発生させ、該入力ディジ タル信号を前記マイクロプロセッサの中で処理することにより、適当なアルゴリ ズムをもって応答してエラー状態を修正するようにしてあることを特徴とする制 御システム。
  9. ９．監視されている前記電子制御ループが、組織の破砕及び吸引のための外科手 術用ハンドピースの超音波発生用圧電性結晶体トランスデューサを駆動するため の装置に組み込まれている周波数制御ループであり、前記装置は、増幅器に直列 に接続した電圧制御発振器と、フィードバック用圧電性結晶体から位相比較器及 びループ・フィルタを介して前記電圧制御発振器へ接続している前記周波数制御 ループとを備えた装置であり、前記フィードバック用圧電性結晶体は、前記トラ ンスデューサに機械的に結合していて前記トランスデューサの実際の振動周波数 の関数であるフィードバック信号を発生するようにしてあり、前記位相比較器は 、前記フィードバック信号の位相と駆動信号の位相とを比較して、該駆動信号を 前記トランスデューサの共振周波数に維持する制御信号を発生するようにしてあ り、前記増幅器は電圧源増幅器であって、該電圧源増幅器の出力部を、同調用イ ンダクタを並列に接続した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続してあるこ とを特徴とする請求項８記載の制御システム。
  10. １０．監視されている前記電子制御ループが、増幅利得制御ループであり、該増 幅利得制御ループは、超音波発生用圧電性結晶体トランスデューサの振動振幅を 検出して振幅信号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調節可能なコマンド 信号と比較する手段と、前記振幅信号のレベルが前記コマンド信号のレベルと等 しくなるように前記駆動信号を必要に応じて調節することにより、負荷が変動し ても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるようにする手段とを含んでいるこ とを特徴とする請求項８記載の制御システム。
  11. １１．組織の破砕及び吸引のための外科手術用ハンドピースの超音波発生用圧電 性結晶体トランスデューサを駆動し、監視し、制御するための装置及び制御シス テムにおいて、 増幅器に直列に接続した電圧制御発振器と、フィードバック用圧電性結晶体から 位相比較器及びループ・フィルタを介して前記電圧制御発振器へ接続している第 １電子制御ループとを備えており、前記フィードバック用圧電性結晶体は、前記 トランスデューサに機械的に結合していて前記トランスデューサの実際の振動周 波数の関数であるフィードバック信号を発生するようにしてあり、前記位相比較 器は、前記フィードバック信号の位相と駆動信号の位相とを比較して、該駆動信 号を前記トランスデューサの共振周波数に維持する制御信号を発生するようにし てあり、前記増幅器は電圧源増幅器であって、該電圧源増幅器の出力部を、同調 用インダクタを並列に接続した前記圧電性結晶体トランスデューサに接続してあ り、 更に、第２制御ループを備えており、該第２制御ループは、前記トランスデュー サの振動振幅を検出して振幅信号を発生する手段と、該振幅信号を操作者が調節 可能なコマンド信号と比較する手段と、前記振幅信号のレベルが前記コマンド信 号のレベルと等しくなるように前記駆動信号を必要に応じて調節することにより 、負荷が変動しても振動の振幅が所望の動作振幅に維持されるようにする手段と を含んでおり、 更に、前記第１制御ループ及び前記第２制御ループを監視して、それら制御ルー プに制御されている動作の実行中に発生するエラー状態を検出し且つそのエラー 状態に応答するための制御システムを備えており、該制御システムは、アナログ ーディジタル・コンバータとマルチプレクサとに結合したマイクロプロセッサを 含んでおり、各々の前記制御ループからの出力を前記マルチプレクサに入力する ようにしてあり、該マルチプレクサからの出力を前記コンバータにおいてディジ タル形式に変換して入力ディジタル信号を発生させ、該入力ディジタル信号を前 記マイクロプロセッサの中で処理することにより、適当なアルゴリズムをもって 応答してエラー状態を修正するようにしてある、ことを特徴とする装置及び制御 システム。
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