JPS63502968A - 組織の超音波による外科的破砕・摘除装置 - Google Patents

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】 組織の超音波による外科的破砕・摘除方法および装置発明の背景 本発明は、超音波装置、特に組織を超音波により外科的に破砕し、摘除する超音 波外科装置ならびに方法に関する。より詳しくは、本発明は超音波で振動するチ ップ（先端部材）の振動をパルス化し、あるいは変調して、そのデユーティサイ クル（使用サイ”クル）を制御し、その切断特性を改良する方法ならびに装置に 関する。さらに詳しくは、本発明は、種々のプログラムされたグループにおける 所定の高振幅と低振幅との間で、個々に分離した設定増分において、超音波のデ ユーティサイクルを連続的に制御する、あるいは遠隔的に感知された１＜ラメー タに連続的に応答して、動作領域に伝えられた超音波エネルギーを正確に制御す る方法ならびに装置に関する。

各種の応用例に対して超音波エネルギーを効果的に利用する装置類は、多くの様 々な分野において周知である。

望ましくない組織をかなりの精密性と安全性をもって破砕し、かつ摘除するため に超音波振動外科装置を利用することによって、多くの価値ある外科的処置が発 達するに至った。従って、身体から組織を破砕して外科的に摘除するために、超 音波吸引器を利用することは周知となっている。最初に、外科的吸引技術は、例 えば米国特許第Ｌ５８９．３８３号および第３，６９３．ｐ１３号に開示されて いるように、白内障組織の破砕および摘除に適用された。

後になって、そのような技術は神経外科および他の専門外科に適用されて、かな りの成功をおさめているが、ここにおいて、精密に制御しながら、一層毎に組織 を選択的に摘除する小型の手で持てる装置による超音波技術の利用が可能である ことが証明された。

当業界で公知の幾つかの装置は、特徴として、約２０〜３０ＫＨ７から約４０〜 ５０ＫＨ２までの周波数でほぼ一定の振幅を有する連続的振動を発生する。米国 特許第３，５８９．３６３号には、白内障の摘除に利用されるのに特に適したこ のような装置の１つが記載されており、一方、米国特許第４．０６８．５５７号 には、軟組織の摘除に適した装置が記載されているが、この装置は血液の混合し た非常にしなやかな弾性組織を摘除するのに特に適している。このような装置は 、外科医が組織を破砕し、摘除しようとする場合、連続的に動作し、そして一般 に、足によるスイッチ（フットスイッチ）の制御によって動作する。

広範囲の外科的処置においてこのような装置を利用しようとする場合、幾つかの 制限が生ずる。例えば、連続的に振動する装置の作用の場合、幾つかのタイプの 身体の組織、骨あるいは結石を破砕する際に所望の効果を上げていない。超音波 周波数の範囲は、手で持てる装置の物理的特徴によって限定されるので、チップ において利用できる動きだけが、器具の切断特性を改良するための焦点となって いた。このように焦点が限定された結果、幾つかの利用例にとって効果がないこ とが明らかとなった。その理由は、チップにおいて利用できる動きが不十分であ るために、外科的に許容できる速度で固い組織を破砕し、摘除することができな いからである、あるいは利用できるストロークおよびストローク振幅が非常に大 きいので周囲の組織に損傷を与えすぎ、そして手術部位における液体の蒸発のた めに外科医の視界を曖昧にするからである。従って、当業界では、安全かつ有効 な組織摘除のために、振動装置の切断範囲および効率を拡大し得る方法ならびに 超音波装置を必要としてきたのである。

従って、もう１つの全体的な目的は、組織に伝達される際にエネルギーを正確に 制御して硬組織と軟組織の両方におけるその切断作用を高め、一方、周囲組織の 温度を設定レベル以下に保持する方法ならびに超音波装置を提供することにある 。この関係においては、許容できる平均エネルギーを超えないで、他のやり方で 外科的に許容され得るよりも高いストロークレベルを利用すること、すなわち、 より低いストロークレベルで、より高いストロークレベルの効果をシミュレート することが望ましい。

また、軟組織を破砕するときに可視度（可視性）および切断作用の制御を改善す ること、および従来技術装置の特徴である周囲組織領域への損傷なしに、改良さ れたしかも安全な破砕のためにより高いストロークレベルを利用することも、本 発明の目的である。

さらに、幾つかのタイプの癌性のおよび腫瘍性の組織を精密に制御して加熱する ことによって有効な効果をもたらし得ることは公知であるので、本発明の別の目 的は、腫瘍、増殖の周囲の組織の温度を設定レベルに正確に上昇させる方法なら びに装置を提供することにある。

従来技術の概念からは、このような本発明が示唆されるものでないことは明らか である。例えば、米国特許第３．８１２，８５８号には、組織の抵抗に従って、 患者に活性電極によりＲＦ電力を規則的に与え、さらに有効電流の周期を調節し 、かつ患者への有効電流を反復的に中断するデユーティサイクルタイマを組入れ た、当業者には周知の歯科用電気外科装置が記載されている。しかし、このよう な比較的長い中断期間は、それによって外科医が手術中の恐らく重大な時点にお いて電力の再印加を待たねばならないので、超音波装置には実用不可能であり、 そしてこのような技術は、本発明が関連するタイプの超音波外科装置には適用さ れなかった。

米国特許第４．３４３．１１１号に説明されている超音波機械加工の方法ならび に装置においては、工作機械に加えられる振動発振は、不規則な断面を超音波加 工するために同期的に中断され、発振は一連の時間間隔を置いたバースト（破裂 波）形式で与えられる。このような装置は、超音波手術あるいは器械に応用でき ることは考えられず、そしてそこに説明された技術は、本発明によって解決され る問題に適用することはできない。

本発明の上述した目的および他の目的は、添付の図面と関連して、以下の本発明 についての説明を考察することによって明らかになるであろう。

発明の概要 本発明の上記目的を達成し、かつ上述した問題に解決を与えるために、本発明に よる装置は、超音波により作動するハンドピースと、超音波発生器と、制御装置 と、制御装置と協働する制御パネルと、ハンドピースに伝えられる電力のオン／ オフ状態を制御するフットスイッチとを備えるタイプの外科装置の改良を含む。

この改良は、システム応答および最適破砕速度によって決定された繰返し率で、 比較的高速度で、超音波振動するチップを周期的にパルス化する手段からなる。

好適な実施態様においては、超音波振動するチップに連続的に供給される電力の オン／オフ状態は、約１対２（５０％）から約１対６　（１６，６７％）の範囲 内でのデユーティサイクルにおいて、約３３Ｈｚの周波数で、オンとオフの状態 の間でパルス化される。あるいはまた、電力供給は、超音波振動するチップの振 幅をパルス周波数に従って高振幅と比較的低い振幅との間で変化せしめるような 割合で、パルス化される。従って、超音波チップに与えられる波形は、事実上、 周期的に与えられるパルス変調波によって変調された約２３ＫＨ１の超音波搬送 波となっている。

当業界で公知の装置と協働してこの結果を達成する回路手段が、代表的に例示さ れている。

本発明の別の側面によれば、超音波振動するチップを比較的高速度でオンとオフ にパルス化して、骨、軟骨および他の硬組織に対する改良された急速な切断作用 を達成する方法が提供される。このような方法によれば、周囲の骨および軟骨の 熱傷あるいは不利な加熱を避けあるいは低減する一方、そのような硬組織を介し てチップを前進させるに要する力を明らかに低減させることができる。それはま た、別の方法であれば担当外科医の視界を曇らすこともあり得る洗浄液、組織お よび他の流体の蒸発を阻止する。この方法は、（ａ）デユーティサイクル、すな わちオン時間対オフ時間の制御段階において、すなわちより少ないストロークに より、器械は相当する組織の損傷を周囲領域に与えることなく、改良された安全 な破砕を行なうより高いストロークレベルを達成することができ、（ｂ）所定レ ベルのエネルギーあるいは熱を腫瘍あるいは悪性の腫瘍を取巻く組織に付与し、 そこにある望ましくない細胞を弱らせあるいは破壊するようにデユーティサイク ルを設定することを特徴としている。本発明の方法によれば、装置のデューフィ サイクルは、個々に分離した設定増分で、種々の予めプログラムされたグループ で連続的に制御され、あるいは、閉グループ系を形成する動作フィールドにおけ る温度のような遠隔的に感知されたパラメータに基づいて連続的に制御される。

本発明による方法を達成するための回路手段を開示する。

図面の簡単な説明 本発明のその他の特徴、側面および特性は、以下の説明から明らかになるであろ う。

図面において、 第１図は、当業界で公知の超音波外科装置の機能ブロック図であり、 第２図は、本発明が適用され得る第１図の一部分の機能ブロック図であり、 第３Ａ図〜第３Ｅ図は、従来技術における超音波振動ハンドピースに対する超音 波の連続的伝達を示す図であ動調整された変化例および変調された変化例を示し 、第４図は、第１図の装置を制御し、さらに温度応答入力を有する破砕速度制御 回路のブロック図であり、第５図は、第４図と類似した回路のブロック図であっ て、特定の制御器回路によるパルス波変更を利用して温度制御を行なう装置を示 し、 第６図は、連続的にオン時間を調整するための可変パルス制御装置を有する好適 な実施態様による超音波外科吸引器用の入力制御回路のブロック図であり、第７ 図は、動作フィールドの温度を制御する、本発明の別の実施態様による超音波外 科吸引器用の他の入力制御回路の概略図であり、 第８図は、連続的、個別的なオン時間調整を行なうための代表的な入力制御回路 であり、そして第９図は、所定のシーケンスに従ってバースト変調パルスを発生 する入力制御回路を示す。

好適な実施態様の詳細な説明 通常の従来技術による装置に対して、本発明による方法ならびに装置をより良く 理解するために、本出願人から市販されているような従来の装置について、第１ 図に関連して説明する。第１図のブロック図は、現在、ＣＵＳＡＮＳ−１００の 商標で市場において市販されている装置を表わす。参照数字１０で示されるこの 装置は、身体から組織を有効に摘除するためにハンドピース１２において利用で きる幾つかの主機能装置を組入れている。これらの装置には、参照数字１４で示 される振動装置、洗滌装置１５、吸引装置１６、およびハンドピース冷却装置１ ７が含まれており、これらは周知の制御装置１８と協働する。超音波振動外科手 術用チップ１１は、ハンドピース１２の一部を形成し、そして長手方向に振動さ れ、それによってその端と接触させて組織を破砕する。このような実施態様にお いて、振動レベルは手動で、連続して調整することがで、きて、チップの振幅を 変える。洗滌装置は、手術用チップ１１の外表面と内表面の間の凝固空間へのＩ Ｖ源（点滴源）からの殺菌した洗滌溶液の流量を制御して、動作フィールドに入 りかつ破砕された受片を保留しているチップ１１の近くでその流体を排出させる 。

吸引装置１６には、中空の手術用チップ１１に吸引力を作用させて、チップ１１ の端を介して流体を吸引し、使い捨て容器に入れるためのポンプが含まれている 。

超音波発生装置２０は、超音波周波数での電気エネルギーをハンドピース１２、 特にその内部の駆動コイルに与えて、チップ１１の振動ストロークを制御する。

前述の装置および超音波発生装置の各々は、制御パネル２１と協働する制御・イ ンクロック装置１８によって制御される。操作においては、制御パネル２１にお ける適切な押しボタンによって装置１０がオンした後、ハンドピース１２の振動 および超音波発生装置２０からハンドピース１２への超音波エネルギーの伝達は 、外科医によって操作されるフットスイッチ２２の制御下に置かれる。この装置 において、フットスイッチ２２が押されて装置ｌＯがオン状態にある間、発生装 置２０からの超音波エネルギーは連続的に、途切れることなくチップ１１すなわ ちハンドピース１２に与えられる。

超音波発生装置２０は、好ましくは２３ＫＨ２の周波数で、かつハンドピース・ フィードバックコイルから発生した信号によって、ハンドピース１２のチップ１ １に駆動力を供給するが、このフィードバックコイルハチツブのストロークの振 幅を監視し、がっ制御する。従来技術によるフィードバック制御装置は、米国特 許第４．０３１１ｉ、５５７号に示されているが、上記装置はこれらの機能を達 成するために利用することができる。上記米国特許の開示内容は引例として本明 細書中に引用加入する。

その構成態様において、制御装置１８には、制御回路モジュールにおける入力リ レーにより回路における振動を調整するために、フットスイッチ２２と協働する 制御入力が含まれている。このフットスイッチは連続するオン／オフ状態を制御 する制御入力に接続されている。実際の実施態様では、制御装置１８には多くの 他の制御補助装置が含まれているが、それらはここで開示される本発明に関連し たり、あるいはそれによって変更されるものではない。

制御パネル２１には、ハンドピースの振動するチップ１１に対して最大ストロー ク振幅を調整するポテンショメータ２４が含まれており、それは通常、外科医に よって設定される。従って、装置１ｏへの電力をオンにして、フットスイッチ２ ２を押すと、超音波電力は、連続的にかつ選択調整可能に、超音波発生装置２ｏ がらハンドピース１２に、従って振動するチップ１１に伝えられる。

第３Ａ図は、２３ＫＨ７の代表的周波数で、曲線２１におけるそのようなエネル ギーの連続的付加を示す。曲線２１ａで示されるように、ストロークの振幅は、 フットスイッチがオフの間（ポテンショメータ２４の調整によって）調整するこ とができ、それによっ゛てチップに対して別のストローク振幅が確立される。

第２図は、第１図のブロック図の一部分の簡略化したブロック図で、本発明の基 本的概念を示す。スイッチング回路２６は制御装置１８に接続され、そしてそれ と共働して超音波発生装置２０から振動チップ１１への超音波振動を周期的に中 断する。スイッチング制御回路２６と制御装置１８の間の接続は、実線２７で描 かれている。

しかし、破線２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、および２７ｄで示されるように、回路２ ６は、選択的に、他の装置と接続する、すなわち協働することもできる。実際に は、フットスイッチ２２が押されている間、ハンドピース１２に一般に与えられ る超音波搬送波形は（第３Ａ図）、第３Ｂ図および第３Ｃ図で示されるような変 調波形によって変調されて、説明する理由のために、チップ１１によって図示さ れる超音波電力を急速に中断し、従って第３Ｅ図における一般の場合として示さ れる付加波形を発生する。

第２図に示される装置は、スイッチングないし変調制御回路２６によって、超音 波発生装置のための超音波電力がハンドピース１２のチップ１１に精密に制御さ れた態様で伝えられるように配置され、構成されている。本発明の一側面におい ては、好ましくは２３ＫＨ２で伝えられる超音波電力は、スイッチング制御回路 ２６からの変調出力によって周期的に中断され、制御パネル上のポテンショメー タ２４にセットする制御振幅によって支配される高振幅と、適切な低レベルに電 子的に決定される低振幅との間で、ハンドピース１２へ伝えられる波形の振幅を 連続的に変化させる。この方法による本発明の別の側面は、第３Ｄ図に示される ように、所定の高振幅と、変調された周期的ベースでのオフ状態との間で振幅を 変えることである。繰返し率は、フットスイッチが押されている間、外科医が、 機械が作動するのを待っているという落着かない感じを持たないように、また伝 えられた超音波信号の周期的中断が外科医の手術に有利な効果をもたらすように 、十分な速さに決定される。このように、繰返し率は、外科医がハンドピースが 止まったことに気付かないように十分に高くなければならない。従って、例えば 、適切な繰返し率は少なくとも３０Ｈ２以上であると考えられ、そして正確な周 波数はシステム応答および特定の硬組織に対する最適破砕速度によって決定され る。

変調周波数の繰返し率によって、第３Ｅ図に示されるような伝達された変調超音 波搬送波形の波形を作り出、す。

従って、第３Ｅ図は、第３Ｂ図に変調されずに示されているものの変調された２ ３ＫＨｚ搬送波を示しているが、これは、第１図の実施態様で通常与えられる超 音波エネルギーを表わし、フットスイッチ２２が押されている間に、スイッチン グ制御回路２６によって確保される高／低（すなわちオン／オフ）変調効果に従 って変調されて伝達されたものである。

第３Ｅ図の波形は、現在のところ第３Ｄ図に示されるようなオン／オフ波形より 好ましいとされているが、それは電気音響装置の諸問題の１つが、機械的間隔に おいて、始動しかつ停止することが困難であり、そして比較的おそいことにある という理由による。その相対的な低速さは、始動あるいは繰返し率を制限する装 置の電子部分によってではなく、むしろ振動器それ自体の機械部品によって定め られる。ハンドピース１２の振動チップの振動を開始させるのに、数十ミリ秒に もなるがなりの時間量を要することが分っている。この始動あるいは過渡期間中 、チップ１１に対する駆動回路にとっての条件は、負荷が非常に低く、そして誘 導性から容量性に変わるという点で、比較的不利である。従って、これら不利な 条件は、ハンドピース１２上の振動器の物理的特性においておよびチップ１１に よって調節されて、付加的な応力を処理しなければならない。さらに、振動チッ プ１１がそのような重要な付加的応力にさらされる場合、より短い、恐らくかな り短い耐用期間を生ずる結果になるであろう。

従って、始動時間を短縮し、かつ電子部品と機械部品の両方に関連する応力を低 減するために、第３Ｄ図で示される本発明の１実施態様におけるように、振動を 完全に止めるのでなく、２つの振幅間で、すなわち第３Ｅ図に示されるように、 制御パネル２１のポテンショメータ２４を操作することによって外科医が選択す る作業振幅Ａ旧と、低振幅になるであろうスタンバイ振幅ＡＬＯＷとの間で、ス イッチする方が有利である。低振幅は、本発明の別の実施態様におけるように、 電子的に設定することもできるし、あるいはまた、装置の振動を維持させておく ことがその唯一の機能であるように実用的に低くするこもできる。一方、低振幅 はまた、外科医によって調整されることもできる。

第３Ｃ図の変調周波数が、変調波の周期率を決定し、そして高振幅の付加と低振 幅の付加との間の相対周期がデユーティサイクルを決定する。従って、第３Ｅ図 では、周期Ｔに対して、デユーティサイクルはＴ、／Ｔ、＋７２の比率によって 決定される。ここで、周期ＴはＴ、＋’ｒ２の和によって決定され、Ｔ１は振幅 が高である期間であり、そしてＴ２は振幅が低である期間である。換言すれば、 デユーティサイクルは、各サイクルにおける電力の全付加期間に対する高電力の 付加期間の比率である。従って、超音波発生装置２ｏからハンドピース１２へ与 えられる超音波エネルギーに対するデユーティサイクルを制御することが、本発 明の方法ならびに装置のもう１つの側面である。

本発明によるそのような方法ならびに装置によって、超音波外科装置１０の破砕 速度が制御されるのであるが、この装置において外科医はデユーティサイクルを 選択することができる、すなわちデユーティサイクルは、デユーティサイクルを 変更するために発生された制御信号に応答して、電子的にあるいは自動的にさえ もセットすることができる。さらに、振動チップ１１の高ストロークと低ストロ ークを付加する周期および相対的振幅を変えることによって可変デユーティサイ クルを利用することで、動作領域をとり巻く組織の温度を制御する作用をする。

従って、デユーティサイクルをそのように制御することによって、変調波の周期 内のある限られた期間中、ストロークを高振幅に増加することによって硬組織が 破砕されることができるが、一方、その組織に伝達される熱を制御することもで きるのである。組織が破砕されるとき、超音波エネルギーがハンドピースのチッ プから組織へ伝達されることは知られている。伝達されるエネルギーのある部分 は組織を破砕するのに利用されるが、その一部分は組織によって吸収され、それ を加熱する結果となる。ある極端な場合、組織が焼かれあるいは気化して、望ま しくない効果を生ずることもあり得る。従って、本発明で利用されるタイプの制 御は、健康な組織が破壊点まで過熱されるのを防止する。

一方では、このような制御は腫瘍細胞を治療処置することに価値がある。若干の 急速に増殖する腫瘍細胞は上昇温度に敏感であり、かつそのような高温によって 損傷を受けることは知られている。本発明の別の側面によれば、摘除しようとす る腫瘍性組織に隣接する健康な組織の温度を感知することによって、感知された 温度を利用して高ストロークと低ストロークのデユーティサイクルを自動的に変 化させ、隣接する健康な組織を破壊することなく、腫瘍の温度信号を最大値に上 げることができる。

この適用方法に従えば、低振幅は、例えば１ミル以下のようにできるだけ低くセ ットされるべきであり、そしてデユーティサイクルは約１０％から約９５％まで 、殆ど１００％近くまで、温度の関数として変えることができる。

本発明による方法を実行する機能回路を提供する便利な方法は、本発明の１側面 により修正された電源をスイッチするのに使用されるような標準ＰＷＭ制御装置 を利用することであり、温度の関数としてスイッチを制御する信号を利用するこ とである。ここで注意すべきことは、スイッチング周波数が、例えば３０〜１０ ０Ｈ２範囲内の低レベルにある。

従って、第２図は、第１図に示される手術用吸引器ｌＯの従来の制御装置１８を 変更するための機能ブロック図を示す。主として、現存の装置に低振幅調整ポテ ンショメータを付加するように、そして制御されたスイッチと組み合わせてスイ ッチング回路の高調整ポテンショメータを利用するように変更されて、本発明の 所望の結果を達成する。

従って、第４図でより特定して示されるように、破線４０の右側で示されるＣＵ ＳＡ１００用のスイッチング回路は、全体的に参照数字４１で示されるデユーテ ィサイクル変調器を含むことで変更されている。一実施態様においては、デユー ティサイクル変調器４１は、全体的に参照数字４２で示される選択されたパラメ ータの熱探触子あるいは他の遠隔センサに応答する。制御パネルの高振幅調整ポ テンショメータ２４は、ポテンショメータ４３を備えるものとして示されており 、現存の装置に装着されているバイアス電源は４４で、振動調整制御装置は４５ で示されている。バイアス電源４４はまた、低振幅調整ポテンショメータ４６に 接続されており、ポテンショメータ４６は低振幅制御スイッチ４７のための入力 を与えている。高振幅制御スイッチ４８は、その入力制御が高振幅調整ポテンシ ョメータ４３上のワイパ４９に接続されている。

発振器５０は３０Ｈ２以上の、所望の周波数で動作するようセットされており、 比較器５１に対する傾斜電圧を発生する。発振器は、抵抗器５３を介して、アー ス５２のような基準電位電源に接続され、一方、比較器５１への入力は、コンデ ンサ５４を介して基準電位電源５２に接続される。基準信号、すなわち遠隔セン サ４２からの出力信号は、誤り増幅器５６を介して、比較器５１の池の入力に与 えられる。比較器５１の出力は両方向性スイッチ４７を制御し、一方、比較器５ １の補足出力は、インバータ５８を介して、第２の両方向性スイッチ４８の出力 を制御する。

このように、スイッチ４７と４８とでマルチプレクサを形成し、このマルチプレ クサは、交互に、かつ種々の持続時間の間、外科医が制御する高振動調整ポテン ショメータ２４からの、及び設定された低振幅ポテンショメータ４６からの電圧 を、第１図の装置における振動調整制御装置に切り換える。あるいはまた、低振 幅調整ポテンショメータは、低振幅をあらかじめ決定するための基準電圧の設定 電源であることもできるし、あるいは、限定的な場合には、アースであることも できるが、この場合、上述の制限に従づてオン／オフ位置間で回路をスイッチす るために、スイッチ４７を削除することができる。

遠隔センサ４２は、隣接組織におけるような手術に近い所定部位において温度を 感知する熱探触子６０を備えている。あるいはまた、破砕速度、蒸気発生等のよ うな他のパラメータは、デユーティサイクル変調器４１への入力に対する制御パ ラメータとして利用することができる。探触子６０の出力は、誤り増幅器５６へ の入力を与えるに先立って、増幅器５９によって増幅される。

動作中、感知された温度入力が低いと、デユーティサイクルは高く、スイッチ４ ８に対する比較的長い周期によってひき起される高振幅振動の比較的長い期間を 可能にする。温度が上昇し、すなわち所望以上に高くなると、デユーティサイク ル変調器は超音波振動器１１のチップの低振幅ストロークの期間を増加させるよ うに作用し、従って過熱するあるいは過熱した組織に与えられるエネルギーを低 減する。

第５図は、同じ結果および機能を達成するためにＣＤ３５２４制御器４１Ａを使 用する第４図の特徴を実行するための幾分より詳細に示したブロック図である。

従って、詳細な説明は必要でないと思われる。

第５図の回路には、なお、動作部位での温度が高すぎる場合にその動作を中断す る修正機能が含まれている。

従って、信号は、リード６１を介して、ＰＷＭ制御器４１Ａにおける比較器の入 力に接続した出力を有する停止信号増幅器６２に与えられる。

第６図の回路は、第１図の装置の入力に、特にその入力制御リレーに、連続的オ ン時間調整を行なうために便利なものとなっている。第６図では、トリガ回路６ ２は、図示されるような時間合わせされた出力信号を発生する。

可変抵抗器６４と直列になっている抵抗器６３は、トリガ回路の出力に対するオ ン時間を決定し、その結果、最小オン時間が抵抗器６３の値によって確立される 。可変抵抗器６４は抵抗器６５およびコンデンサ６６と協働してオン時間を調整 するが、オフ時間は、当業界で周知のように、抵抗器６５およびコンデンサ６６ によってのみ決定される。トリガ回路に対するオン時間中、出力信号は高レベル にあり、第１図の制御装置１８を介して超音波発生装置２０をトリガする。

第７図は第６図に示されたものと同様の回路素子を組入れた適切な構成図を示す が、これら回路素子は超音波振動のオン時間を限定することによって、動作フィ ールドの温度を所定値より低く制御する。負温度係数熱センサ７０のインピーダ ンスは、感知された温度と共に変化するであろう。センサ７０は温度を監視しよ うとする場所に位置決めされる。熱センサ７０は、比較器７１のフィードバック の一部であるので、所望の温度は比較器７１の出力と入力の間に接続されたポテ ンショメータ７２の値によってセットされ、温度が上昇するとき、比較器７１の 出力は上昇し、そして熱センサ７０のインピーダンスの値も上昇する。この累積 効果の結果、オン期間は減少するが、その理由は、比較器７１の出力と同回路に その入力を有する第２の熱センサ７４が、論理スイッチン・グ回路６２のフィー ドバック回路における抵抗器７５と並列になっているからである。センサ７４の インピーダンスは抵抗器７５と並列になっているので、スイッチング回路６２か らのオン期間は減少し、そして増加する感知温度に応答する。一方、温度が減す ると、オン時間は増加する。第５図におけるように、出力は第１図に示される現 存装置の制御回路のリレーに接続されている。

従って、当然、オン時間中、トリガ回路６２の出力は高であるのでハンドピース １０の振動チップは作動される。信号が低レベルになると、超音波電力は瞬時の うちに、信号が再び高レベルになって再び作動される前に不動作にされる。第８ 図に示されるトリガ回路は、複数の抵抗器６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ，あるいは６ ４Ｄのうちのいずれか１つ、あるいはその組合せ、をトリガ回路Ｂ２のＲＣネッ トワークの中に選択的に接続することによって、オン時間が別々に変化すること ができるという点を除いて、第５図の回路と同様に動作する。従って、オフ時間 は、第５図に示されるトリガ回路と関連していたように、抵抗器６５およびコン デンサ６６によって決定される。

抵抗器６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ，および６４Ｄの各々は、それぞれ、全体的に参 照数字７８で示される論理制御回路によってそれぞれ制御される関連スイッチ６ ４Ａ’　。

６４Ｂ’　、６４Ｃ’　および６４ｐ′と直列回路になっている。

第９図に示されるトリが回路６２は、第８図と同様に、抵抗器６５およびコンデ ンサ６６によって定められた固定オフ時間を与えるが、ＲＣ回路網によって与え られるオン時間は順次に変化する。抵抗器６４Ａ〜６４Ｄはカウンタスイッチ８ ２によってＲＣ回路網内に順次に接続されており、このカウンタスイッチは、ト リガ回路６２の出力が低くなる度ごとに作動される。従って、抵抗器６４Ａ〜６ ４Ｄが各々の適切な値にセットされると、第１オン時間、第２オン時間、第３オ ン時間および第４オン時間は、５０，１００，１５０および２００　ｍ５ｅｃの ような所定値であって、それらは繰返しシーケンスで発生することができ、それ によって順次に変わる繰返し率を与える。

本発明による制御回路は、第１図の回路のために多くの異なる動作モードを与え るのに利用することができる。

例えば、モード１は、第１図に関連して述べた通常の方法でハンドピースを操作 する連続動作モードとなり得る。

第２モードは、代表的には１対２のオン／オフ・デユーティサイクルを有する３ ３Ｈ７の周波数率で、超音波電力の急速なオン／オフ中断となっている。第３モ ードは速い中間速度モードであり、第３Ｅ図の右側部分で代表的に例示されるよ うに、１８Ｈｚめ周波数および１対４のオン／オフ・デユーティサイクルで動作 する。モード４は７Ｈ７の周波数および１対４のオン／オフ・デユーティサイク ルで動作する低速モードである。最後に、モード５は１対６のオン／オフ・デユ ーティサイクルを有する５Ｈｚの周波数で動作する低速モードとなっている。

各モードにおいては、第４図の外部振動調整ポテンショメータ４５によって振動 セッテングが調整されるが、周波数およびデユーティサイクルは電子的に調整さ れる。

好ましくは、振幅は装置１０が連続モードにある間にセットされ、また自動中断 モードは例示したモード１〜４の中から選択される。その後、この選択されたモ ードは、フットスイッチ２２が押されるとロックされ、そしてフットスイッチ２ ２が解放されるまで変更されることはあり得ない。なお、本発明の主旨を実現す るために従来技術による回路をさらに変更することは、当業者の技術範囲内であ る。

本発明による方法に従い、かつ記載の装置によってなされる超音波破砕によって 、公知の吸引装置によって行なわれた一定ストローク振幅の超音波破砕では殆ど 効果のなかった硬組織および軟組織、特に骨および軟骨の両方に対する切断作用 が高められる。それに加えて、本発明によって、有効破砕のための一定振幅吸引 器により必要とされるストロークより小さい平均ストローク振幅の使用が可能と なるので、手術の有効性を犠牲にすることなく、破砕部位に隣接する組織の加熱 を低減することができる。

本発明によって得られる増大した破砕有効性のために、手術の速度を増加すると 共に、骨のような硬組織に押し入れるのに必要な力は低減し、よって手術者の疲 労を減らし、手術者による吸引器の制御が改善される。また、本発明による超音 波外科用吸引器における可変ストローク振幅を利用することにより、改善した破 砕が行なわれることによって軟組織での切開の可視制御が改善され、それによっ て吸引器による細胞破片の摘除が強化される。

振動器の高振幅ストロークのデユーティサイクルを変えることによって得られる 改良された制御は、超音波外科用吸引器によって行なわれる切開に隣接するまた はその近くの組織の温度を感知する手段と共に使用される場合、その制御はまた 、癌性のあるいは腫瘍の増殖を摘除しながら周囲の組織を低体温化する療法を行 なう際の利用に好適である。本発明による装置によって得られる改良された熱制 御のために、健康な組織を破壊するようなことはないが、同時に、隣接組織に侵 入するかも知れない急速に増殖する腫瘍細胞の生育性を低下させるような精密に 制御された温度まで隣接細胞を上昇させることができる。

本発明を現存のその良好な実施態様に特定して説明してきたが、ここで説明し、 かつ請求の範囲で限定された本発明の精神および範囲の中で数多くの修正例およ び変化例は当業者には明らかであろう。例えば、破砕の速度を表示するフィード バック信号は、高振幅ストロークの振幅すなわちデユーティサイクルを制御する の：こｆｆ１ｊ用することができる。

Ｈθｌ。

ＦＩＧ、　２゜ 絢 Ｈθ６゜ ＦＩＧ、θ。

Claims (50)

【特許請求の範囲】
1. １．超音波で作動される外科用器具および前記超音波で作動される外科用器具に 超音波振動を与える手段を含む外科用装置において、 前記ハンドピースに与えられる所定の超音波周波数の超音波振動の適用を制御す る手段を備えており、前記手段には、前記制御手段からの変調信号に応答して、 高振幅と比較的低振幅との間で変化すべく前記超音波信号を変翻するための変調 手段を含み、それによって超音波で作動される外科装置の振動の振幅を前記高振 幅と前記比較的低振幅との間で変化させることを特徴とする外科装置。
2. ２．前記低振幅がゼロであり、それによって前記所定の周波数における前記超音 波振動がオン状態とオフ状態の間で与えられることを特徴とする請求の範囲第１ 項記載の改良装置。
3. ３．前記装置が前記高振幅を調整する手段を含んでいることを特徴する請求の範 囲第１項記載の改良装置。
4. ４．前記制御手段が前記比較的低振幅を調整する手段を含んでいることを特徴と する請求の範囲第１項記載の改良装置。
5. ５．前記低振幅調整手段が前記低振幅を調整可能にセットするためのポテンショ メータを含んでいることを特徴とする請求の範囲第４項記載の改良装置。
6. ６．前記低振幅調整手段が前記低振幅を調整可能にセットする回路手段を含んで いることを特徴とする請求の範囲第４項記載の改良装置。
7. ７．前記制御手段が前記超音波振動に所定の変調周波数を与える発振器手段を含 んでいることを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
8. ８．前記発振器手段が約３０Ｈｚ以上の変調周波数を発生することを特徴とする 請求の範囲第７項記載の改良装置。
9. ９．前記超音波で振動する外科装置が、前記制御手段によって約５Ｈｚ以上の周 波数でその高振幅とその比較的低振幅との間でパルス化されることを特徴とする 請求の範囲第１項記載の改良装置。
10. １０．前記制御手段が、前記高振幅と比較的低振幅の超音波振動に対する可変の 予め選択されたデューティサイクルを与えるデューティサイクル制御手段を含ん でいることを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
11. １１．前記制御手段が、前記比較的高振幅と比較的低振幅の超音波振動に対する 可変の予め選択されたデューティサイクルを与えるデューティサイクル制御手段 を含んでおり、前記デューティサイクル制御手段は遠隔的に感知されたパラメー タに応答することを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
12. １２．前記パラメータが温度であることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の 改良装置。
13. １３．前記デューティサイクルが上昇する温度に応答して減少することを特徴と する請求の範囲第１２項記載の改良装置。
14. １４．前記デューティサイクルが、前記温度が所定値に上昇したときに減少する ことを特徴とする請求の範囲第１２項記載の改良装置。
15. １５．前記温度が所定値以下であるときに前記デューティサイクルが増大して前 記手術部位の温度を上昇させることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の改良 装置。
16. １６．前記外科装置はそれが適用される物質の少なくとも一部分の外科的摘除を 行ない、また前記制御手段は、装置が前記物質に適用されている間、前記外科的 摘除が中断されないような繰返し率およびデューティサイクルで、前記外科装置 のストローク振幅を変化させることを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装 置。
17. １７．さらに外科装置が適用されている間、該装置が適用される物質に隣接する 物質の温度を感知する手段を備えており、前記制御手段は、前記温度感知手段に 応答して、前記温度の関数であるデューティサイクルで前記ストロークの振幅を 変えることを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
18. １８．前記デューティサイクルは前記温度の逆サイクル関数であることを特徴と する請求の範囲第１７項記載の改良装置。
19. １９．前記制御手段は繰返し率を順次変化させる手段を含み、該繰返し率により 前記ストローク振幅が所定のシーケンスに従って前記高振幅と前記比較的低振幅 との間で自動的に変化することを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
20. ２０．前記制御手段は、前記超音波振動の中断の総時間サイクルを１，０００ｍ ｓより少なく制御することを特徴とする請求の範囲第１項記載の改良装置。
21. ２１．超音波振動するチップを支持するハンドピースと、前記チップに超音波振 動を与える超音波発生装置と、所定の量初のオン周期と所定の最後のオフ周期と の間における前記超音波の適用を制御する制御手段とを有するタイプの超音波外 科用器具であって、前記超音波振動を搬送波として変調して、高振幅とより低い 振幅の範囲で所定の割合で前記振動チップのへの前記変調された超音波エネルギ ーの適用を周期的に中断し、比較的硬組織における改良された切断作用を達成す るための制御装置を備えていることを特徴とする超音波外科用器具。
22. ２２．前記制御手段と協働して、前記高振幅を調整可能な所定の高振幅と調整可 能な所定の低振幅との間で変化させる回路手段をさらに含んでいることを特徴と する請求の範囲第２１項記載の装置。
23. ２３．前記回路手段が、前記所定の高振幅と低いゼロ振幅との間における中断を 制御するスイッチであることを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装置。
24. ２４．前記回路手段が前記超音波搬送信号をおよそ３０Ｈｚ以上のオーダーの周 波数で変調する手段を含んでいることを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装 置。
25. ２５．前記回路手段が、パラメータを感知して、それを表わすパラメータに基づ く制御信号を発生する手段をさらに含んでおり、前記制御手段は前記パラメータ に基づく制御信号に応答して前記変調された超音波信号のデューティサイクルを 変化させることを特徴とする請求の範囲第２２項記載の装置。
26. ２６．前記デューティサイクルは約５０％から約１００％の範囲内にあることを 特徴とする請求の範囲第２５項記載の装置。
27. ２７．前期低振幅がゼロであり、それによって前記所定周波数での前記超音波振 動がオン状態とオフ状態の間で与えられることを特徴とする請求の範囲第２１項 記載の装置。
28. ２８．前記制御手段が前記高振幅を調整する手段を含んでいることを特徴とする 請求の範囲第２１項記載の装置。
29. ２９．前記制御手段が前記低振幅を調整する手段を含んでいることを特徴とする 請求の範囲第２１項記載の装置。
30. ３０．前記低振幅調整手段が前記低振幅を調整可能にセットするためのポテンシ ョメータを含んでいることを特徴とする請求の範囲第２９項記載の装置。
31. ３１．前期低振幅調整手段が前記低振幅を調整可能にセットする回路手段を含ん でいることを特徴とする請求の範囲第２９項記載の装置。
32. ３２．前記制御手段が前記超音波振動に所定の変調周波数を与える発振器手段を 含んでいることを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装置。
33. ３３．前期発振器手段が約３０Ｈｚ以上の変調周波数を発生することを特徴とす る請求の範囲第３２項記載の装置。
34. ３４．前記超音波で振動する外科装置が、前記制御手段によって約５Ｈｚ以上の 周波数でその高振幅と低振幅との問でパルス化されることを特徴とする請求の範 囲第２１項記載の装置。
35. ３５．前記制御手段が、前記高振幅と低振幅の超音波振動に対する可変の予め選 択されたデューティサイクルを与えるデューティサイクル制御手段を含んでいる ことを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装置。
36. ３６．前記制御手段が、前記比較的高振幅と前記比較的低振幅の超音波振動に対 する可変の予め選択されたデューティサイクルを与えるデューティサイクル制御 手段を含んでおり、前記デューティサイクル制御手段は遠隔的に感知されたパラ メータに応答することを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装置。
37. ３７．前記パラメータが温度であることを特徴とする請求の範囲第３６項記載の 装置。
38. ３８．前記デューティサイクルが上昇する温度に応答して減少することを特徴と する請求の範囲第３７項記載の装置。
39. ３９．前記デューティサイクルが、前記温度が所定値に上昇したときに減少する ことを特徴とする請求の範囲第３８項記載の装置。
40. ４０．前記温度が所定値以下であるときに前記デューティサイクルが増大して前 記手術部位の温度を上昇させることを特徴とする請求の範囲第３７項記載の装置 。
41. ４１．前記外科装置は、それが適用される物質の少なくとも一部分の外科的摘除 を行ない、また前記制御手段は、装置が前記物質に適用されている間、前記外科 的摘除が中断されないような繰返し率およびデューティサイクルで、前記外科装 置のストローク振幅を変化させることを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装 置。
42. ４２．さらに外科装置が適用されている間、該装置が適用される物質に隣接する 物質の温度を感知する手段を備えており、前記制御手段は、前記温度感知手段に 応答して、前記温度の関数であるデューティサイクルで前記ストロークの振幅を 変えることを特徴とする請求の範囲第４１項記載の装置。
43. ４３．前記デューティサイクルは前記温度の逆サイクル関数であることを特徴と する請求の範囲第４２項記載の装置。
44. ４４．前記制御手段は、繰返し率を順次変化させる手段を含み、該繰返し率によ り前記ストロークの振幅が所定シーケンスに従って前記高振幅と前記比較的低振 幅との間で自動的に変化することを特徴とする請求の範囲第２１項記載の装置。
45. ４５．前記制御手段は、前記超音波振動の中断の総時間サイクルを１，０００ｍ ｓより少なく制御することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
46. ４６．超音波で振動するチップを比較的高速度でオンとオフにパルス化し、骨、 軟骨および他の組織に対する改良されたより高速の切断作用を達成する方法であ って、前記方法は、 超音波信号源を前記超音波振動チップに与える段階と、前記超音波振動チップに 与えられた前記超音波信号の付加を、所定の高振幅と所定の低振幅間の所定デュ ーティサイクルの間、周期的に中断する段階とから成ることを特徴とする超音波 振動チップのパルス化方法。
47. ４７．周期的に中断する段階は、さらに、前記所定の低振幅がゼロであることを 特徴とする請求の範囲第４５項記載の方法。
48. ４８．前記所定時間は５Ｈｚより大きいことを特徴とする請求の範囲第４５項記 載の方法。
49. ４９．周期的に中断する段階は、さらに、前記デューティサイクルが約１５％と １００％より少ないものとの間にあることを特徴とする請求の範囲第４５項記載 の方法。
50. ５０．周期的に中断する段階は、さらに、前記所定周波数が各々のセットの中断 の間で変化することを特徴とする請求の範囲第４５項記載の方法。