JPWO2017168708A1 - 関節用超音波処置システム - Google Patents

Abstract

関節用超音波処置システムは、所定の周波数の超音波振動を発生させる超音波振動子と、前記超音波振動により骨または軟骨を処置するための処置部と、前記処置部の前記超音波振動の周波数を測定する周波数測定部と、所定の時間での前記周波数測定部が測定する周波数の変化を表す傾きを算出する算出部と、前記傾きの絶対値が所定の傾きの絶対値以上に変化したかどうかを判断するコントローラと、を有する。

Description

この発明は、関節用超音波処置システムに関する。

近年、超音波処置具を関節の処置に用いることが検討されている。関節は、主として、軟骨と、皮質骨及び海綿骨から成る骨で構成されている。超音波処置具として、例えば特開２００３−１１６８７０号公報に開示されているように、軟骨や骨を切削することができる超音波処置具が知られている。

関節の処置では、術者は、軟骨のみの切削を目的とすることがある。
しかしながら、軟骨下骨を切削することなく軟骨のみを切削することを術者の手技に頼ることは難しい。そのため、術者は、軟骨の切削を終了した後に、意図せずに、処置対象ではない骨（軟骨下骨）を切削してしまうおそれがある。

この発明は、軟骨もしくは骨の何れを処置しているのかを検出することができる関節用超音波処置システムを提供することを目的とする。

この発明の一態様に係る関節用超音波処置システムは、所定の周波数の超音波振動を発生させる超音波振動子と、前記超音波振動により骨または軟骨を処置するための処置部と、前記処置部の前記超音波振動の周波数を測定する周波数測定部と、所定の時間での前記周波数測定部が測定する周波数の変化を表す傾きを算出する算出部と、前記傾きの絶対値が所定の傾きの絶対値以上に変化したかどうかを判断するコントローラと、を有する。

図１は、第１の実施形態に係る関節用超音波処置システムのブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る環境温度に対するプローブの共振周波数のグラフである。 図３は、第１の実施形態に係る時間に対するプローブ温度のグラフである。 図４は、第１の実施形態に係る時間に対する共振周波数のグラフである。 図５は、第１の実施形態に係る時間に対する出力電圧のグラフである。 図６は、第１の実施形態に係る処置中の組織を検出するための処理を示すフローチャートである。 図７は、第１の実施形態に係る時間に対する出力電圧のグラフである。 図８は、第２の実施形態に係る処置中の組織を検出するためのフローチャートである。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながらこの発明を実施するための第１の実施形態に係る関節用超音波処置システム（以下、処置システムという）について説明する。
図１は、一例となる処置システム１００のブロック図である。
処置システム１００は、関節用超音波処置具（以下、処置具という）１、超音波電源装置２、スピーカ３及びディスプレイ４を有する。

処置具１は、プローブ１１及びハンドピース１２を有する。
プローブ１１は、超音波振動を伝達する。プローブ１１はチタン合金材等の良振動伝達性を有する素材でロッド状に形成されている。プローブ１１は、略一方向に延在する。プローブ１１は、その先端に処置部１１１を有する。処置部１１１は、超音波振動により、関節における処置対象となる軟骨および／または骨を処置する。処置部１１１の超音波振動の周波数は、プローブ１１の共振周波数に対応している。また、処置部１１１の超音波振動の周波数は、後述する超音波電源装置２から振動子１２１へ出力する電流（以下、出力電流という）及び電圧（以下、出力電圧という）の周波数に対応する。処置部１１１は、軟骨の処置および／または骨の処置に適した任意の形状で構成されていてもよい。なお、処置は、溶解および切削を含むものである。

ここで、軟骨と骨の違いについて簡単に説明する。軟骨と骨とは成分が相違している。軟骨はコラーゲンの含有量が多く、例えば６０℃から７０℃程度で溶融することがわかっている。他方、骨は例えばカルシウムやリン酸等の石灰成分の含有量が多いため、軟骨よりも硬い。また、骨は、融点が数１００℃を超えるとされている。なお、軟骨は、軟組織ということもある。骨は、硬組織ということもある。以下で用いられる骨という用語は、皮質骨及び海綿骨のうちの少なくとも何れか一方を指すものとする。また、皮質骨を例とした説明は、骨に対しても適用される。

ハンドピース１２は、術者の持ち手として構成されている。ハンドピース１２は、振動子（超音波振動子）１２１を有する。振動子１２１は、プローブ１１に接続されている。
振動子１２１は、所定の周波数の超音波振動を発生させ、超音波振動をプローブ１１に伝達する。

超音波電源装置２は、振動子１２１に対して、出力電流及び出力電圧を供給する。超音波電源装置２は、振動子１２１に対する出力電流及び出力電圧のＯＮ／ＯＦＦによって、処置具１の動作のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
超音波電源装置２は、コントローラ２１、第１メモリ２２、アンプ回路２３、電流検知回路２４、電圧検知回路２５及び演算回路２６を有する。

コントローラ２１は、超音波電源装置２の各部を制御する。コントローラ２１は、振動子１２１に供給するための基準となる出力電流及び出力電圧を生成する。コントローラ２１は、基準となる出力電流及び出力電圧をアンプ回路２３に供給する。
第１メモリ（記憶部）２２は、各種情報を記憶する。一例として、第１メモリ２２は、後述するように、骨を処置する際の周波数の時間変化を表す傾きの絶対値となる閾値Ａを記憶する。

アンプ回路２３は、出力電流及び出力電圧を増幅する。アンプ回路２３は、出力電流及び出力電圧を振動子１２１に供給する。

電流検知回路２４は、アンプ回路２３と振動子１２１との間に配置されている。電流検知回路２４は、アンプ回路２３が振動子１２１に供給する出力電流の値（以下、出力電流値という）を検知する。電流検知回路２４は、演算回路２６に出力電流値を送信する。

電圧検知回路２５は、アンプ回路２３と振動子１２１との間に配置されている。電圧検知回路２５は、アンプ回路２３が振動子１２１に供給する出力電圧の値（以下、出力電圧値という）を検知する。電圧検知回路２５は、演算回路２６に出力電圧値を送信する。

演算回路２６は、演算器２６１、第２メモリ２６２及び比較器２６３を有する。
演算器２６１は、処置部１１１の超音波振動の周波数を測定する。演算器２６１は、周波数測定部ということもある。演算器２６１による測定例については後述する。
第２メモリ（記憶部）２６２は、演算器２６１が測定した周波数の値を一時的に記憶する。
比較器２６３は、所定の時間での演算器２６１が測定する、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きを算出する。比較器２６３は、算出部ということもある。比較器２６３による算出例については後述する。

スピーカ３は、コントローラ２１からの報知指示に基づいて警告メッセージを音声で出力する。
ディスプレイ４は、コントローラ２１からの報知指示に基づいて警告メッセージを画面に表示する。

次に、コントローラ２１による出力電流及び出力電圧の周波数の調整について説明する。
コントローラ２１は、演算器２６１から出力電流値及び出力電圧値を受信する。コントローラ２１は、出力電圧値、出力電流値及び出力電圧−出力電流間の位相差に基づいてインピーダンスを検出する。なお、インピーダンスは、処置具１自体のインピーダンスと、処置部１１１が接している組織に起因するインピーダンスを合わせた値である。コントローラ２１は、出力電圧値、出力電流値及びインピーダンスを参照して、プローブ１１の共振周波数を検知する。コントローラ２１は、検知した共振周波数を出力電流及び出力電圧の周波数とするように調整する。

次に、皮質骨を処置する際の共振周波数の時間変化を表す傾きＧｂについて説明する。
傾きＧｂは、以下で説明するように、図２に示すグラフ及び図３に示すグラフから求めることができる図４に示すグラフから導くことができる。

図２は、一例となる環境温度に対するプローブの共振周波数のグラフである。図２は、任意の第１のプローブ及び第２のプローブそれぞれについてのグラフを示している。図２によれば、環境温度が高くなるにつれ、プローブ１１の共振周波数は略線形的に下がることが分かる。ここでは、プローブの共振周波数をＦ［ｋＨｚ］とし、環境温度をＴ１［℃］とする。そうすると、Ｆ［ｋＨｚ］はＴ１［℃］の関数として、Ｆ＝ｆ（Ｔ１）で表すことができる。

図３は、一例となる時間に対するプローブ温度のグラフである。図３は、処置を行ったときの、軟骨及び皮質骨それぞれについての複数の測定結果（時間に対するプローブ１１の温度）の平均を示している。図３中のｎは、測定回数を示している。図３によれば、軟骨及び皮質骨の何れの場合であっても、プローブ温度は、時間経過に従って上昇していることが分かる。さらに、軟骨と皮質骨とでは、所定時間当たりのプローブ温度の変化（上昇率）が異なることも分かる。具体的には、皮質骨を処置する際のプローブ温度の上昇率は、軟骨を処置する際のプローブ温度の上昇率よりも大きいことが分かる。ここでは、プローブ温度をＴ２［℃］とし、時間をｔ［秒］とする。そうすると、Ｔ２［℃］はｔ［秒］の関数として、Ｔ２＝ｇ（ｔ）で表すことができる。

図４は、一例となる、軟骨に対して処置を行ったときの、時間に対する共振周波数のグラフである。
図４に示すグラフは、図２に示すグラフの環境温度と、図３に示すグラフのプローブ温度とを対応付けることで導くことができる。図２に示す関数Ｆ＝ｆ（Ｔ１）におけるＴ１に図３に示す関数Ｔ２＝ｇ（ｔ）におけるＴ２を対応付けることで、時間［秒］に対するプローブの共振周波数［ｋＨｚ］の関数として、Ｆ＝ｆ（ｇ（ｔ））が導かれる。図４によれば、皮質骨を処置する際の共振周波数は、軟骨を処置する際の共振周波数よりも低いことが分かる。また、皮質骨を処置する際の共振周波数の時間変化及び軟骨を処置する際の共振周波数の時間変化は、図３を微分することで各温度下において直線とみなすことができる。皮質骨を処置する際の共振周波数の時間変化を表す傾きＧｂの絶対値は、軟骨を処置する際の共振周波数の時間変化を表す傾きＧｃの絶対値よりも大きいことが分かる。

次に、電圧検知回路２５が検知する出力電圧の波形について説明する。
図５は、一例となる時間に対する出力電圧のグラフである。出力電圧は正弦波である。上述のように、出力電圧の周波数は、コントローラ２１によりプローブ１１の共振周波数に調整されている。そのため、骨を処置する際の出力電圧の周波数は、軟骨を処置する際の出力電圧の周波数よりも低い（図４参照）。なお、電流検知回路２４が検知する出力電流の波形は、図５に示す出力電流の波形と同様である。

次に、出力電圧の周波数に基づく処置中の組織の検出について説明する。
図６は、一例となる処置中の組織を検出するため処理を示すフローチャートである。

演算器２６１は、電圧検知回路２５が検知した出力電圧をモニタする（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１では、演算器２６１は、図７に示すように、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いて出力電圧が０となる時間ｔ_１、ｔ_２、…、ｔ_Ｎを取得する。

演算器２６１は、出力電圧の周波数を算出する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、演算器２６１は、Ｆ_ｉ＝１／２（ｔ_ｉ＋１−ｔ_ｉ）に基づいて出力電圧の周波数を算出する。ここで、ｉ＝１、２、…、Ｎである。なお、上述のように出力電圧の周波数は処置部１１１の超音波振動の周波数に相当するので、演算器２６１は、処置部１１１の超音波振動の周波数を算出するともいえる。

演算器２６１は、ステップＳ１０２で算出した出力電圧の周波数Ｆ_ｉの値を第２メモリ２６２に格納する（ステップＳ１０３）。また、演算器２６１は、ステップＳ１０２で算出した出力電圧の周波数Ｆ_ｉの値を比較器２６３に送信する。

比較器２６３は、演算器２６１が算出した周波数Ｆ_ｉ＋１及び第２メモリ２６２が記憶している周波数Ｆ_ｉを用いて、周波数変動｜Ｆ_ｉ＋１−Ｆ_ｉ｜を算出する（ステップＳ１０４）。比較器２６３による処置部１１１の超音波振動の周波数の変化（周波数変動）は、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きに相当する。比較器２６３は、周波数変動の値をコントローラ２１に送信する。

コントローラ２１は、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きの絶対値が所定の傾きの絶対値以上に変化したかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５では、コントローラ２１は、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きの絶対値に相当する周波数変動と閾値Ａとを比較し、周波数変動の値が閾値Ａ以上か否かを判断する（ステップＳ１０５）。閾値Ａは、例えば０．０７〜０．１３［ｋＨｚ／ｓ］の範囲で設定される。閾値Ａにおける０．０７とは、軟骨切削時の傾きのとりうる範囲のうち最も傾きの絶対値が小さいものであり、０．１３とは、骨切削時の傾きのとりうる範囲のうち最も傾きの絶対値が大きいものである。すなわち、０．０７よりも絶対値が大きい傾きの場合は、軟骨切削から外れていると考えられ、０．１３よりも大きくなった時点で確実に骨を切削していると判断できる。そのため、０．０７から０．１３の間の値を閾値とすることで、閾値は、軟骨切削が終わり、骨の切削が始まったと考えるには妥当な値と考えられる。なお、軟骨や骨の切削時に傾きのとりうる範囲が生じる理由は、図４に記載のグラフ（関数）を算出する際に例えば、図２のグラフのプローブの種類による値の違いにより生じることや、図３のプローブ温度の上昇率を算出する際に生じること等が考えられるためである。なお、この範囲の値は、一定の押し付け力量が３Ｎで一定の場合であるが、押し付け力量の変化に応じて、閾値を変動させてもよい。周波数変動の値が閾値Ａ以上である場合、処置部１１１は骨を処置しているといえる。周波数変動の値が閾値Ａ未満である場合、処置部１１１は軟骨を処置しているといえる。

周波数変動の値が閾値Ａ以上でない場合（ステップＳ１０５、Ｎｏ）、処理はステップＳ１０５からステップＳ１０２に遷移する。周波数変動の値が閾値Ａ以上である場合（ステップＳ１０５、Ｙｅｓ）、コントローラ２１は、周波数変動の値が閾値Ａ以上となる回数をカウントする（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６では、コントローラ２１は、周波数変動の値が閾値Ａ以上となる回数がＢ回以上か否かを判断する。ここで、Ｂは、１以上の整数である。Ｂが２以上に設定されていれば、コントローラ２１は、少なくとも２回は上述のステップＳ１０５を処理する。そのため、処置部１１１が処置している組織の判別精度は向上する。

周波数変動の値が閾値Ａ以上となる回数がＢ回未満である場合、処理は、ステップＳ１０６からステップＳ１０２に遷移する。
周波数変動の値が閾値Ａ以上となる回数がＢ回以上である場合、コントローラ２１は、警告信号を発生させる（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、コントローラ２１は、警告信号として、振動子１２１による超音波振動の停止指示、及び、報知指示のうちの少なくとも何れか一方を出力する。

超音波電源装置２は、コントローラ２１が発生させる警告信号の内容に応じて処理する（ステップＳ１０８）。一例として、アンプ回路２３は、コントローラ２１からの停止指示に基づいて、振動子１２１への出力電流及び出力電圧の供給を停止する。なお、アンプ回路２３は、振動子１２１への出力電流及び出力電圧の供給の停止に代えて、出力電流及び出力電圧を弱めるようにしてもよい。別の例として、スピーカ３は、コントローラ２１からの報知指示に基づいて警告メッセージを音声で出力する。警告メッセージは、処置部１１１が骨に達していることを術者に伝える内容であればよい。同様に、ディスプレイ４は、コントローラ２１からの報知指示に基づいて警告メッセージを画面で出力する。

第１の実施形態によれば、関節用超音波処置システム１００は、軟骨もしくは骨の何れを処置しているのかを検出することができる。そのため、関節用超音波処置システム１００は、軟骨のみの切削を目的とする関節の処置において、術者が軟骨の切削を終了した後に意図せずに骨の切削を進めることを最小限にとどめることができる。

次に、第１の実施形態のいくつかの変形例について説明する。
第１の変形例について説明する。処置システム１００は、出力電圧の周波数に代えて、出力電流の周波数に基づいて処置中の組織を検出してもよい。上述のステップＳ１０１において、演算器２６１は、電流検知回路２４が検知した出力電流をモニタする。上述のステップＳ１０２において、演算器２６１は、出力電圧の周波数の算出と同様に、出力電流の周波数を算出する。

第２の変形例について説明する。処置システム１００は、出力電圧の周波数に代えて、出力電力の周波数に基づいて処置中の組織を検出してもよい。上述のステップＳ１０１において、演算器２６１は、電流検知回路２４が検知した出力電流と電圧検知回路２５が検知した出力電圧の積である出力電力をモニタする。上述のステップＳ１０２において、演算器２６１は、出力電圧の周波数の算出と同様に、出力電力の周波数を算出する。

第３の変形例について説明する。第１メモリ２２は、閾値Ａのデータに加えて、軟骨を処置する際の共振周波数の時間変化を表す傾きの絶対値となる閾値Ｂのデータを記憶していてもよい。この例では、上述のステップＳ１０５において、コントローラ２１は、周波数変動が閾値Ａあるいは閾値Ｂの何れに近いのかを判断する。周波数変動が閾値Ａに近い場合、処置部１１１は骨を処置しているといえる。周波数変動が閾値Ａに近い場合、上述のステップＳ１０６において、コントローラ２１は、周波数変動が閾値Ａに近いと判断された回数をカウントする。周波数変動が閾値Ｂに近い場合、処置部１１１は軟骨を処置しているといえる。周波数変動が閾値Ｂに近い場合、処理は上述のステップＳ１０５から上述のステップＳ１０２に遷移する。
第３の変形例によれば、関節用超音波処置システム１００は、押し付け力量に関係なく、軟骨もしくは骨の何れを処置しているのかを精度よく検出することができる。

第４の変形例について説明する。上述のステップＳ１０５において、コントローラ２１は、周波数変動が急激に変化したか否かを判断するようにしてもよい。ステップＳ１０５では、例えば、コントローラ２１は、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きの絶対値が所定の傾きの絶対値以上に変化したかどうかを判断する。このとき、所定の傾きの絶対値は、処置部１１１の超音波振動の周波数の変化を表す傾きの絶対値の３０％増加した値である。周波数変動が急激に変化していない場合、処理は上述のステップＳ１０５から上述のステップＳ１０２に遷移する。周波数変動が急激に変化した場合、コントローラ２１は、上述のステップＳ１０６を省略し、上述のステップＳ１０７を処理する。なお、この例では、第１メモリ２２は、閾値Ａのデータを記憶していなくてもよい。
第４の変形例によれば、関節用超音波処置システム１００は、押し付け力量に関係なく、軟骨もしくは骨の何れを処置しているのかを精度よく検出することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。ここでは、主として第１の実施形態と異なる部分について説明する。
第２の実施形態は、出力電圧の周波数に応じて、軟骨もしくは骨の何れを処置しているのかを検出する態様である。

第２の実施形態に係る処置システム１００は、図１における演算回路２６内の第２メモリ２６２及び比較器２６３を省略することができる。ここでは、処置システム１００は、図４及び図５に示す軟骨処置と骨処置との周波数の差を用いて、組織の検出を行う。上述したように、骨を処置する際の出力電圧の周波数は、軟骨を処置する際の出力電圧の周波数よりも低い。第１メモリ２２は、閾値Ａのデータに代えて、周波数の閾値（ｘ値）のデータを記憶する。

次に、出力電圧の周波数に基づく処置中の組織の検出について説明する。
図８は、一例となる処置中の組織を検出するため処理を示すフローチャートである。
コントローラ２１は、定格（設定）出力（α値）を発生させる（ステップＳ２０１）。α値は、第１の実施形態で説明した基準となる出力電流及び出力電圧に相当する。

演算器２６１は、出力電圧の周波数を検知する（ステップＳ２０２）。ステップ２０２では、演算器２６１は、電圧検知回路２５が検知した出力電圧に基づいて、上述のステップＳ１０２と同様に、出力電圧の周波数を算出する。演算器２６１は、出力電圧の周波数の値をコントローラ２１に送信する。

コントローラ２１は、出力電圧の周波数の値が第１メモリ２２に記憶されている閾値（ｘ値）以下か否かを判断する（ステップＳ２０３）。出力電圧の周波数の値が閾値（ｘ値）以下ではない場合、処置部１１１は軟骨を処置しているといえる。出力電圧の周波数の値が閾値（ｘ値）以下である場合、処置部１１１は骨を処置しているといえる。

出力電圧の周波数の値が閾値（ｘ値）以下ではない場合（ステップＳ２０３、Ｎｏ）、処理はステップＳ２０３からステップＳ２０１に遷移する。
出力電圧の周波数の値が閾値（ｘ値）以下である場合（ステップＳ２０３、Ｙｅｓ）、コントローラ２１は、上述のステップＳ１０７と同様に、警告信号を発生させる（ステップＳ２０４）。次に、超音波電源装置２は、上述のステップＳ１０８と同様に、コントローラ２１が発生させる警告信号の内容に応じて処理する（ステップＳ２０５）。

第２の実施形態によれば、関節用超音波処置システム１００は、第１の実施形態で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

次に、第２の実施形態の変形例について説明する。処置システム１００は、出力電圧の周波数に代えて、出力電流の周波数あるいは出力電力の周波数に基づいて処置中の組織を検出してもよい。この場合、上述のステップＳ２０２において、演算器２６１は、第１の実施形態で説明したように、出力電流の周波数あるいは出力電力の周波数を算出すればよい。

これまで、いくつかの実施形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

Claims (5)

1. 関節用超音波処置システムにおいて、
   所定の周波数の超音波振動を発生させる超音波振動子と、
   前記超音波振動により骨または軟骨を処置するための処置部と、
   前記処置部の前記超音波振動の周波数を測定する周波数測定部と、
   所定の時間での前記周波数測定部が測定する周波数の変化を表す傾きを算出する算出部と、
   前記傾きの絶対値が所定の傾きの絶対値以上に変化したかどうかを判断するコントローラと、
   を有する関節用超音波処置システム。
2. 前記所定の傾きの絶対値は、前記傾きの絶対値の３０％増加した値である、請求項１記載の関節用超音波処置システム。
3. 前記骨を処置する際の周波数の時間変化を表す傾きの絶対値となる閾値Ａを記憶する記憶部と、を有し、
   前記コントローラは、前記傾きの絶対値と前記閾値Ａとを比較する、
   請求項１記載の関節用超音波処置システム。
4. 前記傾きの絶対値が前記閾値Ａ以上である場合、前記コントローラは、前記超音波振動子による前記超音波振動の停止指示、及び、報知指示のうちの少なくとも何れか一方を出力する、請求項３に記載の関節用超音波処置システム。
5. 前記閾値Ａは、０．０７〜０．１３［ｋＨｚ／ｓ］の範囲で設定される、請求項１に記載の関節用超音波処置システム。

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