(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）キャリブレーション信号を発生するためのブロード・スペクトル源及びパワー信号を発生するための単一周波数源であって、前記キャリブレーション信号とパワー信号が超音波ハンドピースのための駆動信号を発生させる増幅器と連結しているプログラム可能なブロード・スペクトル源及び単一周波数源、及び
ｂ）前記駆動信号に応答して前記超音波ハンドピースによって発生される応答信号を解析し且つ複数のフィードバック制御ループパラメータを発生するプログラム可能なプロセッサー
の構成を有する超音波ハンドピースのチューニング及び制御を行うための装置。
【請求項２】
前記プログラム可能なブロード・スペクトル源は、ピンク・ノイズ発生器である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プログラム可能なプロセッサーは、高速フーリエ変換デジタルシグナルプロセッサーである請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記単一周波数源は、電圧制御発振器である請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、超音波装置、特に、眼の水晶体超音波吸引用のハンドピースを制御する装置及び方法に関する。
発明の背景
眼の手術に適した典型的な超音波手術用機器は、超音波で駆動されるハンドピース、付属した中空のチップ（hollow  cutting  tip）、洗浄スリーブ及び電気的制御コンソールから構成される。ハンドピースアセンブリは、電気ケーブル及びフレキシブルチューブにより制御装置に付属されている。電気ケーブルを通して、コンソールは、ハンドピースによって付属するチップに送られる電力レベルを変化させ、及びフレキシブルチューブは、洗浄液を供給し且つハンドピースアセンブリを通じて眼から吸引液を引く。
ハンドピースの動作部分は、中心にあり、中空の共振バー又はホーンが、１組の圧電性結晶に直接付属している。その結晶は、水晶体超音波吸引の間、ホーン及び付属するチップに、要求される超音波振動を供給し、それはコンソールによって制御される。その結晶／ホーンアセンブリは、その中心点に相対的にしっかりと備えつけられることによって、中空の本体の中又はハンドピースの外枠の中に吊り下げされている。ハンドピース本体は、直径を狭めた部分又は本体の末端のノーズコーンにより終っている。ノーズコーンは、洗浄スリーブを受け付けられるように外側にねじ山が切られている。同様に、ホーンの穴（horn  bore）は、チップの外側のねじ山を受け止められるように、その末端には内側にねじ山が切られている。その洗浄スリーブは、また、ノーズコーンの外側のねじ山に締め込まれる、内側にねじ山が切られた穴を有している。そのチップは、チップが洗浄スリーブの開口端から予め決められた量を過ぎただけ突出するように調整される。超音波ハンドピース及びチップは、さらに完全に米国特許3,589,363号、4,223,676号、4,246,902号、4,493,694号、4,515,583号、4,589,415号、4,609,368号、4,869,715号及び4,922,902号に開示されており、それらの全ての記載はここに参照として組み込まれている。
水晶体超音波吸引を行う場合、チップの端部及び洗浄スリーブは、眼の前面部分への経路を得るために、角膜、強膜又は眼の組織の他の位置において予め決められた幅の小さな切開部に挿入される。チップは、洗浄スリーブの長手方向の軸に沿って、結晶駆動超音波ホーンによって、超音波により振動されており、そこで選択された元の位置になる組織と接触して乳化させる。チップの中空の穴は、順にハンドピースからコンソールへの吸引ラインとつながっているホーンの穴とつながっている。コンソールの中の減圧又は吸引源が、乳化した組織を、チップ開口端を通して眼から、チップの穴、ホーンの穴、及び吸引ライン、そして収集器に引く又は吸引する。乳化した組織の吸引は、生理食塩水の散布溶液又は、洗浄スリーブの表面とチップの外側との間の小さな環状のギャップを通じて手術位置に注入された洗浄水によって補助される。
ホーンアセンブリは、圧電素子及び高耐久性限界不活性物質（high  endurance  limit  inert  materials）の両者を含み、それは、慎重に適切な動作でチューニングされなければならない超音波ハンドピースに使用される。ここで、「チューニング（tune）」とは、ハンドピースの負荷又は非負荷の動作状態における共振周波数を見つける又はトラッキングするプロセスを言う。ハンドピースを共振周波数で動作させると、結晶のエネルギーの蓄積容量を有効に使え、それは共振する点において最も効率的に生ずる。適切なチューニングを行うことによって、ハンドピースは、非負荷動作の間に機械的なエネルギーを蓄積することができ、そして負荷の場合にカットされた物質にこのエネルギーを放出する。この結果、短い時間間隔で、ハンドピースへの電源によってではなくハンドピース自身によって、多くのエネルギーが物質の中に注がれることができる。これは、電源に、変換器の安定状態の電源要求のみを提供するように設計されることを許容し、多数回にわたって大きな負荷がかかる可能性のある過渡負荷状態を考慮する必要がなくなる。
従来のチューニング及び制御システムは、多くは水の中で、手術中ハンドピースが負荷に遭遇する前に、制御された負荷状態の下で直列及び並列共振周波数を決定した。ハンドピースは、一時には１つの周波数で、周波数の範囲上で励起される。それぞれの周波数へのハンドピースの応答、アドミッタンス（駆動電圧に対する駆動電流の比を計測することによる）が記録される。相対的に軽い負荷状態である手術前の状態における、典型的なハンドピースの典型的なアドミッタンス対周波数の関係が、図１に図示されている。最大記録アドミッタンス（Ys）は直列共振（fs）に対応し、及び最小アドミッタンス（Yp）は並列共振（fp）に対応している。直列共振でパワー信号によりハンドピースを駆動することは、最も効率よく電気を機械エネルギーに変換する結果となる。
しかしながら、手術中にハンドピースが機械的に負荷状態とされると、アドミッタンス対周波数カーブの形が変化し、それによって直列及び並列共振周波数の特性が変化してしまう。図２におけるカーブ“A"は、軽い負荷状態とされたハンドピースにおける図１に示されるアドミッタンス対周波数カーブの特性を表している。例えば、カーブ"B"は、同じハンドピースが機械的に負荷状態とされた場合のアドミッタンス対周波数カーブを表している。カーブ“B"は右にシフトされていること（fs,B＞fs,A）及びカーブ"B"の最大アドミッタンスはカーブ“A"の最大アドミッタンスより低いこと及びカーブ"B"の最小アドミッタンスはカーブ“A"の最小アドミッタンスにより高いことを見ることができる。ある機械的な負荷状態は、またカーブ"A"を低い周波数に向かって（左に向って）シフトさせることができる。
カーブ“C"は、ハンドピース中の結晶が室温より幾分高くなった場合の同じハンドピースにおけるアドミッタンス対周波数カーブを表している。カーブ"C"は、カーブ“A"に対して一般的に上方且つ左側（例えば、高いアドミッタンス及び低い周波数値）にシフトされる。パワー信号が当初決められた直列共振でハンドピースに送られた場合、例えば、パワー信号の効率は劇的に落ちてしまう。このように、パワー信号の周波数を調整せずにハンドピースを負荷状態とさせることは、パワー信号の効率を減少させてしまう。
手術中、手術前の相対的非負荷状態における直列及び並列共振周波数の平均周波数でパワー信号を用いて働かせ、且つ一定のアドミッタンスが継続するようにパワー信号を調整することによって、ハンドピースをリアルタイムでチューニングする１つのアプローチがある。このタイプのシステムは、さらに詳細に米国特許第5,431,664号（以下‘664特許という）に記載されており、それは参照として組み込まれている。端的にいって、このタイプのシステムは、ハンドピースを、式により最大及び最小アドミッタンスの平均として決定される一定のアドミッタンス（Y0）にチューニングする。（商業的に使用可能な一定アドミッタンス制御システムは、Y0を平均ではない他のポイント、例えばY0＝0.3Ys＋0.7Ypに固定する。）ハンドピースは多くのタイプの状況で負荷されるので、アドミッタンス対周波数カーブは周波数軸に沿ってシフトする。そのようなシフトは、例えば図２におけるカーブ“A"及びカーブ"B"によって示されており、そこでカーブ“B"はハンドピースの負荷による質量反作用（mass  reactive）についての可能な応答を表している。'664特許における制御システムは、アドミッタンスをY0に維持するために駆動信号の周波数を調整する。
このタイプのチューニング及び制御システムが広範囲な負荷状態に対して効率的である一方で、ハンドピースが決して直列共振で動作しないので多少の効率を損じている。さらに、アドミッタンス軸に沿ったアドミッタンス対周波数カーブのシフトは、図２におけるカーブ“C"によって示されるような、このタイプの一定アドミッタンス制御システムを非効率的なものとしてしまい得る。チューニングアドミッタンス（Y0）は、機械的に負荷状態とされ且つ過熱されたハンドピースの応答を示し得るカーブ"C"の何れの部分でも見つけることができない。
直列共振に一致させるために駆動周波数を調整する制御システムにおいては、典型的にフェーズ・ロックド・ループ回路が非常に狭いチューニング範囲で使用されている。このように、ハンドピースが広範囲で変化する負荷状態にさらされる場合に、超音波ハンドピースをその直列共振にチューニングさせることができる方法及び制御装置のための要望が存在し続けている。
発明の要約
本発明は、ほぼ一定の振幅及び広い帯域幅を有する信号によってハンドピースを励起させ且つそれに直列及び並列共振を決定するためにハンドピースからの応答を解析することによって、超音波装置をチューニング及び制御する方法の従来技術を改良するものである。本発明のチューニング応用例において、キャリブレーション信号（calibration  signal）のためのハンドピースの応答は、手術前の状態におけるハンドピースの直列及び並列共振を決定する高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサーによって計測及び解析される。この情報は、そのハンドピース及び制御システムのための適当な動作周波数を確保するために、ハンドピースの存在する従来のリアルタイム制御システムに送られる。このタイプのチューニング応用例は、ハンドピースが直列と並列共振との間の周波数で駆動されるか（米国特許第５、431、664号に記載される定アドミッタンスシステムのような）、又は直列共振で駆動されるかに拘わらず、いずれのタイプのハンドピース制御システムにおいて有用である。
本発明は、また、手術進行中における超音波ハンドピースのリアルタイム制御にも使用することができ得る。ハンドピースをチューニング及び制御する制御システム及び方法の第１の実施形態において、本発明のチューニング実施形態とのつながりで記載されている手術進行の前にハンドピースはチューニングされ得る。その代わりに、直列の値は、ハンドピースの仕様を基礎として推定され得る。一旦、直列共振の初期値が決定されると、そのシステムは、好ましくはキャリブレーション信号とパワー信号の合計である駆動信号をハンドピースに印加する。キャリブレーション信号は相対的に広い帯域幅及び相対的に低い振幅を有しており、パワー信号はハンドピースを充分なストロークで駆動するための１つの周波数及び充分に高い振幅を有している。好ましくは、パワー信号は直列共振におけるものであろう。第１のこの制御実施形態において、キャリブレーション信号は、直列共振の全てのポテンシャル値の非常に広い範囲の周波数を包含し、したがってそれを独立に制御する必要はない。
パワー信号の周波数のみが、手術状態において、ハンドピースの一定のキャリブレーション信号に対する応答の変化を基礎として調整される。パワー信号の調整は、例えば、高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサーによって達成される。そのプロセッサーは、駆動信号の校正部分に対するハンドピースの応答を計測し、例えば、パワー信号の周波数を調整するための適当な制御信号の一部となった相当する制御パラメータを発生するために比例−積分−微分制御理論を応用する。その比例−積分−微分制御理論は、（適当にプロセッサーがプログラミングされることによって）高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサー又は別個のデジタル比例−積分−微分制御回路によって実行され得る。
この第１の実施形態は、しかしながら、そのキャリブレーション信号が上述したものより幾分狭い帯域幅を有し、そしてキャリブレーション信号の中心周波数がハンドピースへの負荷がそれの応答に影響を与えるように調整されるように、変更的に構成することも可能である。キャリブレーション信号の調整は、ちょうどパワー信号の調整と同じ方法となるであろう。
この第１の実施形態における両方のバージョンのために、高速フーリエ変換解析の前にパワー信号の周波数はハンドピースの応答からフィルターされる。このフィルターを行うステップは、適当にプログラミングされた高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサー又はハンドピースとデジタル信号プロセッサーとの間のノッチフィルターによって実行されることができる。
本発明に対応した制御システム及び方法の第２の実施形態において、本発明のチューニング実施形態とのつながりで記述されている様に手術の進行が始まる前に、ハンドピースはチューニングされ得る。代替案として、直列の値はハンドピースの仕様を基礎に推測される得る。一旦、直列共振の初期値が決定されると、システムはハンドピースにほぼ一定の振幅を有するがチューニングの間に使用される初期のキャリブレーション信号より狭い帯域幅を有するマルチ周波数駆動信号を印加する。このブロード・スペクトル駆動信号は、（初期のチューニングプロセスで使用された低い振幅のキャリブレーション信号と対比して）充分なストロークでハンドピースを駆動するのに充分高い振幅を有するものとなるであろう。駆動信号の帯域幅は、非共振エネルギーの応用に起因するハンドピースの要望されない過熱を避けるために、ハンドピースをチューニングするために使用されたキャリブレーション信号のそれより狭い。好ましくは、そのような駆動信号は、駆動信号の効率を最大化させるであろう直列共振のほぼ中心となるであろう。その駆動信号の帯域幅は、また、どのように直列共振が変化したかを制御システムが決定することができるように、充分なフィードバックを制御システムに提供できる位に充分広くなければならない。勿論、この中心周波数は、直列共振のほぼ中心に信号が残ることを可能とするように直列共振を変化させる調整が必ず必要である。
上記に記載した全ての実施形態において、好ましくは、高速フーリエ変換デジタル信号プロセッサーが、駆動信号に対するハンドピースの応答を解析することに使用される。応答の解析を基礎として、駆動信号の中心周波数は、それが継続的に直列共振（他の周波数でもまた適切であり得るが）に対応するように調整される。この調整は、第１の実施形態におけるパワー信号の周波数調整とのつながりで上記に記載されたまったく同じ方法により達成される。
したがって、本発明の目的は、手術に使用されている間にハンドピースが負荷される前に、早く且つ正確に超音波ハンドピースの応答を計測するチューニングシステムを提供することにある。
さらに、本発明の目的は、超音波ハンドピースの分離された手術前のチューニング手順を実行する要求を防止する制御システム及び方法を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、機械的な負荷状態下で、少なくともハンドピースの直列共振及びある実施形態においては並列共振を決定するために、機械的な負荷状態の超音波ハンドピースの周波数応答の解析をリアルタイムで実行し、及び継続的に少なくともハンドピースに送られる駆動信号の周波数を調整する制御システム及び方法を提供することにある。
本発明の他の目的、形態及び効果は、図面及び以下の図面及び請求の範囲の記載を参照することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、直列及び並列共振の付近における典型的な超音波ハンドピースのアドミッタンス対周波数のグラフである。
図２は、ハンドピースが機械的又は熱的に負荷状態とされた場合に典型的な超音波ハンドピースの応答がシフトし得る方法を図示したアドミッタンス対周波数のグラフである。
図３は、本発明に対応した手術手順前のハンドピースをチューニングさせるためのシステム及び方法のブロック図である。
図４は、手術手順が実行される前にハンドピースをチューニングし、及び本発明に対応した手順の間ハンドピースを制御するためのシステム及び方法の１つの実施形態のブロック図である。
図５は、手術手順が実行される前にハンドピースをチューニングし、及び本発明に対応した手順の間ハンドピースを制御するためのシステム及び方法の２番目の実施形態のブロック図である。
発明の詳細な説明
本発明のシステム及び方法は、一般的に、少なくとも超音波ハンドピースを駆動するための信号（“駆動信号”）の成分を発生させるためのブロード・スペクトル源で働く。本発明に対応した少なくともあるシステムにおいて、ブロード・スペクトル源はプログラム可能で、それによって、その源に送られるある入力情報を変更することによって容易に調整可能である。しかしながら、本発明に対応した他のシステム及び方法は、固定スペクトル源で問題なく働き得る。高速フーリエ変換（“FFT"）デジタル信号プロセッサー（"DSP"）が、駆動信号のブロード・スペクトル成分に対するハンドピースの応答を解析するために使用され得る。リアルタイムの応用例における本発明のシステム及び方法において、FFT  DSPの出力は、適切なフィードバック信号の中に表現された制御パラメータを発生させるために使用され、そのフィードバック信号は駆動信号の形態を変化させるために駆動信号を発生させる回路に送られる。ここで使用される“駆動信号”の用語は、少なくとも超音波ハンドピースに単独でパワーを与えるたえめの信号、単独でハンドピースをチューニングのため又は調整のために有用である信号、及びそのようなパワー信号及びそのようなチューニング又はキャリブレーション信号との結合を含む。
図３〜５は、超音波ハンドピースをチューニング及び制御するために本発明における３つのシステムを図示したブロック図である。図３は、手術手順がスタートされる前にハンドピース20をチューニングするシステム及び方法を図示したブロック図である。図３に示されるシステムの動作及び方法の実行は、直列及び並列共振を含んだ充分に広い範囲に渡ってハンドピース20の応答特性を決定する結果となる。応答を基礎として、ハンドピース20を制御するための従来のシステムにおける適当な制御回路（そのような回路は図３には示されていない）に送られ得る制御パラメータが発生される。
ブロード・スペクトル源10は、例えば、調整可能な中心周波数、帯域幅、及び駆動信号15を発生するための増幅器12と共同して使用される平均振幅を有する、プログラム可能なピンクノイズ（pink  noise）発生器である得る。駆動信号15は、好ましくは、ハンドピース20の直列及び並列共振の全てのポテンシャル値を包含するために充分な幅を有している帯域幅16、及び帯域幅16に渡って相対的に一定の振幅を有する信号である。駆動信号15の帯域幅16は、25KHzから80KHzまでのスペクトルの全ての部分として定義され、それは最近の眼の手術に使用される超音波ハンドピースを励起させる典型的な動作スペクトルである。発明者は、ほぼ100Hzから10、000Hzが帯域幅16には適切であり、およそ4,000Hzが好ましいことを発見した。そのような帯域幅16の値は、ハンドピース20が非共振エネルギーの応用によって過熱されることなく、事実上fs及びfpの全てのポテンシャル値を包含するのに充分に広い。帯域幅の他の範囲は、他の超音波応用例にはさらに適切かもしれない。そしてこの書面に記載されているシステム及び方法全般の動作は、それらの応用例に使用されるハンドピースの制御のために同じように有用である。
図３に示される応答信号27は、FFT  DSP30によって解析されたハンドピース20の実際の電圧対周波数応答を図示している。アドミッタンスカーブ25は、ハンドピース20によって示されるであろうアドミッタンス対周波数の関係を表している。駆動信号15及び応答信号27を入力として（FFT  DSP30の入力部分を保護するために、たぶんそれぞれが減衰された後に）受取った後、FFT  DSP30は、応答信号27の駆動信号15に対する比を計算することによって、アドミッタンスカーブ25の形を決定する。一旦、アドミッタンスカーブ25が発生されると、FFT  DSP30は、アドミッタンスカーブ25の上に示されているように絶対的な最大及び最小アドミッタンスのそれぞれに対応した周波数として、直列共振fs及び並列共振fpを認定する。fs及びfpの値を基礎として、FFT  DSP30は、存在する制御システム（図示されない）との使用に適した適当なフィードバック・ループ・パラメータ40を発生する。FFT  DSP30は、また、例えば、直列及び並列共振の間のアドミッタンスカーブ25の傾きのような他の制御パラメータも認識し得る。
FFT  DSP30は、商業的なサンプルが入手可能な多目的、プログラム可能なプロセッサーであり得る。例えば、1290−Ｄ  Reamwood  Avenue,Sunnyvale,California  94089のStanford  Research  Systemsが最近販売している２つのFFT  DSPである、１つの入力チャネルを有するモデルSR760及びモデルSR770である。Stanford  Researchは、２つのチャネルの、FFT  DSP150としての使用に適したFFT信号解析器を、モデルSR780として市場で販売している。これら全てのStanford  ResearchのFFT  DSPは、少なくとも100KHzのリアルタイム帯域幅及び90dBのダイナミックレンジを有しており、完全にプログラム可能な中央周波数、帯域幅、解析ルーチン及び出力を有している。３つの全てのFFT  DSPは、供給されたインターフェース（一体化された表示器上で示される一連のメニュー駆動オプション）を使用することによって、又標準RS−232又はGPIBインターフェースを通してコマンドを出力可能な分離されたコンピュータを使用することによってプログラムされる。SR780における２つの入力の能力は、２つの入力信号間の数学的比較を実行するためにそれがプログラムされることを可能とする。
このように、FFT  DSP30は、応答信号27及び駆動信号15を入力として受取り、そして、手術手順の間、ハンドピースに送られるリアル・タイム駆動信号を制御する回路への転送に適切な制御パラメータ40を含んだアナログ又はデジタル制御信号を発生するように構成される。図３に図示されるそのシステム及び方法は、システムが、例えば、‘664特許に示されるような定アドミッタンスタイプのシステムであるか、ハンドピースの直列共振に駆動信号がセットされているシステムであるかによらず、従来の超音波ハンドピース制御システムの全てのタイプに有用である。
図４は、本発明に対応したリアル・タイムの超音波ハンドピースのチューニング及び制御するための制御システム及び方法の１つの実施形態を図示したものである。駆動信号135を発生させるために働く２つのソースは、ブロード・スペクトル源110及び単一調波数源（single  frequency  source）120（例えば、電圧制御発振器）である。ブロード・スペクトル源110は、ハンドピース20の直列及び並列共振（fs及びfp）の値の全てのポテンシャルを包含するのに充分に広い帯域幅116を有するキャリブレーション信号115を発生する。図３に示されるチューニング実施形態とちょうど同じように、帯域幅116は、25KHzから80KHzまでのスペクトルの全ての部分であることが可能であり、100Hzから10,000Hzが帯域幅116には適切であり、およそ4,000Hzが好ましい。さらに、キャリブレーション信号115は、ハンドピースの加熱に顕著に寄与しない充分に低い振幅である。単一周波数源120は、特に強い予め決められた駆動周波数fd（例えば、直列共振で）の信号を有するパワー信号125を発生する。fdの値は、図３との関連において記載されているようにハンドピース20をチューニングすることによって決められ、そこでハンドピース20は従来の方法によってチューニングされ、又はハンドピース20の仕様に基づいてfdの値を推測することによって決められる。さらに、パワー信号125は、キャリブレーション信号115の振幅より実質的に高く且つ負荷状態においてハンドピース20を効率的に駆動するのに充分な高さの振幅を有している。最近のFFT  DSPのダイナミックレンジに基づいて、パワー信号125とキャリブレーション信号115のそれぞれの振幅の比は、90dBと同じくらい高くすることができる。90dBより大きい比とは、キャリブレーション115に対するハンドピース20の応答が最近のFFT  DSPによって計測できないくらい小さいことを意味する。しかしながら、キャリブレーション信号115に対するパワー信号125の比が、10dB以下であると、キャリブレーション115がそれ自身でハンドピース20を駆動するのに十分な強さになるが、しかしながら、そのような信号のほとんどのエネルギーが非共振エネルギーとなってしまうので非効率的な方法である。パワー信号125の平均振幅とキャリブレーション信号115との間が20dBから40dBの比であることが好ましい。この範囲の振幅比を使用することは、充分にクリーンなキャリブレーション信号とノイズ比に対する高い信号に帰着する。
少なくとも、単一周波数源120の周波数は、制御システムがハンドピース20の機械的又は熱的負荷に起因するハンドピース20の応答の変化を補償するように調整されなければならない。ブロード・スペクトル源110も、また、プログラム可能、又はそうでなければ、キャリブレーション信号115の帯域幅、中心周波数、及び振幅が適当な入力に基づいて調整し得るように調整可能である。商業的に入手可能な装置が、ブロード・スペクトル源110及び単一周波数源120として使用するための適当なものとして使用することができる。Stanford  ResearchのモデルSR770及びSR780のFFT信号解析器は、ブロード・スペクトル源110及び単一周波数源120のいずれかとして適当なソースを含んでいる。SR770及びSR780の出力をパワー信号として使用するのに適当なものとして作るには増幅を典型的に必要とするが、このソースの出力の中心周波数、帯域幅及び関係する振幅は完全にプログラム可能である。
キャリブレーション信号115及びパワー信号125は、合計され且つ増幅器130によって、ハンドピース20に次に送られる駆動信号135を発生するために増幅される。ハンドピース20の応答は、応答信号145として示され、それは２チャネルFFT  DSP150（例えば、SR780）の１つの入力チャネルに送られる。駆動信号135は、２チャネルFFT  DSP150の他の入力チャネルに送られる。増幅器130によって導入され且つ本来的に駆動信号135に影響を受けるこの合計の変化のために、キャリブレーション信号115とパワー信号125の合計ではなく、むしろ駆動信号135がFFT  DSP150に送られる。勿論、FFT  DSP150の損害を防止するために、FFT  DSP150に送られる前に、駆動信号135及び応答信号145の両方に減衰を要求し得ることも可能である。
FFT  DSP150は、駆動信号135によって応答信号145を割ることによるアドミッタンスカーブ25を決定するようにプログラムされ、タスクはStanford  ResearchのSR780によって容易に達成される。FFT  DSP150がfs（又は更新されたアドミッタンスカーブ25の他の重要な特性値）の新しい値を決定した後に、制御信号160を構成する制御パラメータを発生するために比例積分微分（“PID"）理論を与えるためにまたプログラムされ得る。制御信号160に基づいて、単一周波数源120のfdは適当に変更される。PID理論を使用することは、fdの過剰な補償を防止し且つ図４に示される制御システムによって引き起こされるfdの不適当な振動のポテンシャルを減少させるための最良の方法である。さらに、ハンドピース20が遭遇しがちな負荷の状況のタイプによる制御システムに課せられる要求に応じて、fs（又は他のパラメータ）の変化に対するfdの調整のために、PID理論以外の良く知られた理論を使用し得る。例えば、システムは、比例又は比例積分制御の使用のみを要求し得る。PID制御及び他の制御理論は業界で良く知られており、したがって、この出願においてはこれ以上記載しない。
しかしながら、PIDロジック（FFT  DSP内の）の実行ソフトウエアの使用は、図４に示される制御システムにおいて許容されない遅延という結果に終り得る。そのような遅延を回避するために、特別な目的で、デジタルPID制御が、FFT  DSP150の出力において制御システムに挿入され得る。そのようなデジタルPID制御器は、FFT  DSP150の出力においてPID理論を実行し且つ制御信号160を発生し得る。そのようなデジタルPID制御器は、商業的に入力可能な集積回路の多数又は多くの広範囲に知られた構成のうちの何れか１つをアレンジした分離された要素のうちの何れか１つであり得る。制御信号160が、FFT  DSPによって発生したか、又は適当なデジタルPID制御器によって発生したかによらず、単一周波数源120は、好ましくは、負荷の下でそれが新しく発見されたfsに対応するようにfdを調整するために信号160を制御する。完全なサイクルが、fdをfsに又はハンドピースの応答持性における予め決められた他の位置に維持するために繰り返される。
図４には示されていないが、制御信号160は、キャリブレーション信号115の帯域幅、中心周波数又は振幅の１つ又はそれ以上を変更するために、ブロード・スペクトル源110に送られる。そのような実施形態において、キャリブレーション信号115の帯域幅116は、上述した帯域幅固定の実施形態（帯域幅は100から10,000Hzであって、好ましくは4,000Hz）に比べて際立って狭くし得る。このタイプの制御システムでの使用に適当な帯域幅は、以下の式によって決定され得る：帯域幅＝A|fs−fp|、そこでＡはおよそ0.1と10との間の値であり、好ましくは約1.0と2.0との間である。この範囲の帯域幅は、fsが、依然、応答信号145の中に含まれることを確保するのに充分な広さである。しかしながら、帯域幅は、また、非共振エネルギーによって駆動されることに起因するハンドピースの要望しない過熱を防止するのに充分に狭い。本質的に、図４に示される制御実施形態のこの変更例において、パワー信号125のみよりむしろ、完全な駆動信号135が、周波数軸にそってシフトし、そして帯域幅116は、上述した図４の制御実施形態いにおけるものより狭い。
Stanford  Research  SR780は、駆動信号135（上述した、ブロード及び狭いスペクトル駆動信号135の両者ための）を発生するのに充分柔軟性のあるプログラム可能なソースを含んでいる。このように、SR780は、駆動信号135を提供するため、応答信号145を計測するため、アドミッタンスカーブ25及びfsとfpに対応した値を決定するため、及び使用されるハンドピース20が遭遇する機械的及び／又は熱的負荷を補償するための駆動信号135を変更するために制御信号160を発生させるために、プログラムされることが可能である。
図５は、本発明に対応した超音波ハンドピースのチューニング及び制御のための制御システム及び方法の第２の実施形態を図示したブロック図である。増幅器220と組み合わされたブロード・スペクトル源210は、駆動信号215を発生している。ハンドピース20の初期チューニングは、図３とのつながりで記載されているように達成される。駆動信号215は、予め決められた駆動周波数fd上にほぼその中心を取ったほぼ連続した周波数スペクトルにおいて、ほぼ一定の振幅を有している。発明の好ましい実施形態において、ハンドピース20が手術中のいかなるタイプの負荷に遭遇する前に、fdは、知られた状態下でハンドピース20の直列共振fsに対応する。駆動信号215の帯域幅216は、図３に示される駆動信号15の帯域幅16より実質的に狭い、しかし帯域幅216は、fs（fsではなくfdの値がまた選択され得る、しかしfsをfdと同じになるように選択するとそれに伝えられるパワーを使用するハンドピース20の効率を最大化することとなる）を含む期待するハンドピース20のアドミッタンス対周波数カーブの一部分が含むのに充分に広い。図３に示される制御実施形態の変更例とのつながりで正に記載されるように、帯域幅は式：帯域幅＝A|fs−fp|、そこで“A"はほぼ0.01と１との間の値で、好ましくは約0.1、によって決定される。
FFT  DSP240は、制御信号250を発生し、図４に示されるFFT  DSP150は、ほぼ同じ方式で制御信号160を発生する。例えば、機械的な負荷がハンドピース20に与えられた場合、又は幾分室温より高く暖められた場合、ハンドピース20の応答信号225は、図５に示されるように低い周波数に向かってシフトされ得る。たとえ、ハンドピース20があらゆる負荷に遭遇する前にその２つが同じであっても、fsはfd以下である。アドミッタンスカーブ25の対応する部分26は、駆動信号215に対する応答信号225の比としてFFT  DSP240によって計算される。一旦、アドミッタンスカーブ25の一部分26が決定されると、FFT  DSP240は、一部分26の最大アドミッタンスに対応したfsの新しい値を見つける。
fsがそれがもはやアドミッタンスカーブ25の一部分26のなかに居ないくらい遠くに離れてしまった場合、次に一部分26の傾きはfsの見込み値を決定するのに使用されることができる。それの全ての範囲において一部分26の正の傾きは、fsがアドミッタンスカーブ25の現在の部分26の最高の周波数より大きいことを示すだろう。それの全ての範囲において一部分26の負の傾きは、fsが部分26の最低の周波数より小さいことを示すだろう。
fsがアドミッタンスカーブ25の部分26の中に位置しているかいないかに拘わらず、PID理論が、fdが調整される方法をやわらげるのに使用される。図３に示される制御システムにおけるPID理論の応用例は、図４に示されたシステムとの関係で記載されているものとほぼ同じである。PID理論は、FFT  DSP240又は分離された特別の目的のデジタルPID回路（図示されず）によって実行される。
本発明の実施形態が上記に記載されてているが、これらの記載は図示及び説明を目的のために与えられるものである。変形、変更、改良及び上述したシステム及び方法から出発したものは、要約すると、超音波ハンドピースに対して少なくとも駆動信号の要素を供給するブロード・スペクトル源を働かせ、そして、ハンドピースをチューニング又は使用されている又は両方の間ハンドピースの動作特性を変更するために補償する手段としてその駆動信号に対するハンドピースの応答を使用する、本発明の範囲又は思想から離れない限り適応し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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