(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波式ハンドピースに取り付けられるように構成された先端部を振動させるためのアセンブリであって、
前記ハンドピースは、電圧と周波数が可変であるＡＣ駆動信号が印加される少なくとも１つのドライバを有し、前記先端部は、外科的作業を行うために、ある組織に当てられるヘッドを有し、前記先端部は複数のモードで振動するように作られており、
前記ハンドピースの少なくとも１つの前記ドライバに印加される前記ＡＣ駆動信号を生成するアセンブリと、
前記ハンドピースに印加された前記ＡＣ駆動信号の電圧を測定し、前記ＡＣ駆動信号の電圧を表す信号を出力するアセンブリと、
前記ハンドピースを流れる電流を測定し、前記ハンドピースを流れる電流を表す信号を出力するアセンブリと、
前記ＡＣ駆動信号の電圧を表す信号と、前記ハンドピースを流れる電流を表す信号とを受信し、前記ＡＣ駆動信号の電圧と前記ハンドピースを流れる電流とに基づいて、前記ＡＣ駆動信号を生成する前記アセンブリを制御し、前記ＡＣ駆動信号の特性を定めるプロセッサと
を備え、
前記プロセッサは更に、
少なくとも１つの前記ドライバのキャパシタンスを表すデータを受信するステップと、
測定された前記ＡＣ駆動信号の電圧を複数の成分に分けるステップであって、測定された前記電圧の各成分は前記先端部の特定の振動モードに関連する測定電圧を表すものである、ステップと、
測定された前記ハンドピースを流れる電流を複数の成分に分けるステップであって、測定された前記電流の各成分は、前記先端部の特定の振動モードに関連する、前記ハンドピースを流れる測定電流を表すものである、ステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する周波数特性と、当該振動モードに関連する測定電圧と、当該振動モードに関連する、前記ハンドピースを流れる測定電流と、少なくとも１つの前記ドライバのキャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械的要素を流れる、計算された等価電流を求めるステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する前記ハンドピースの機械的要素を流れる、前記計算された等価電流を、当該振動モードに関連する前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流と比較し、該比較の結果に基づいて、当該振動モードに関する電圧特性を求めるステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する少なくとも１つの前記ドライバを流れる電流の、当該振動モードに関連する、前記ハンドピースの機械的要素を流れる計算された等価電流に対する比を求め、前記比を当該振動モードの目標比と比較し、該比較の結果に基づいて、当該振動モードに関連する周波数特性を調整するステップであって、複数の振動モードのうちの少なくとも２つの振動モードの周波数特性は互いに異なるものである、ステップと、
前記複数の振動モードの電圧特性及び周波数特性に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の波形の構造を決定し、各振動モードに対応する成分を有する前記ＡＣ駆動信号を前記アセンブリに生成させるために、前記ＡＣ駆動信号を生成する前記アセンブリにコマンドをアサートするステップであって、各成分は当該振動モードについて決定された電圧特性及び周波数特性によって定められる、ステップと
を行うものである、アセンブリ。
【請求項２】
前記プロセッサは更に、前記ＡＣ駆動信号の印加により、前記先端部の前記ヘッドの進行経路が前記先端部に設けられた機構により単一の振動サイクルにおいて非線形な進行経路となるように、前記ハンドピースの少なくとも１つの前記ドライバに印加される前記ＡＣ駆動信号の波形の構造を決定するものである、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記プロセッサは更に、前記先端部の振動モードごとに、メモリに記憶されたデータに基づいて、当該振動モードに関連する前記ＡＣ駆動信号の成分についての初期周波数特性を定めるステップを行うものである、請求項１又は２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記プロセッサは更に、前記ＡＣ駆動信号の各成分についての初期周波数特性を定めるための前記データを、前記先端部に関連付けられているメモリから読み込むものである、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記プロセッサは更に、前記先端部の振動モードごとに、メモリに記憶されたデータに基づいて、当該振動モードに関連する前記ＡＣ駆動信号の成分についての初期電圧特性を定めるステップを行うものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記プロセッサは更に、前記ＡＣ駆動信号の各成分についての初期電圧特性を定めるための前記データを、前記先端部に関連付けられているメモリから読み込むものである、請求項５に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記プロセッサは更に、前記先端部の少なくとも１つの振動モードについて、施術者により設定されるコマンドに基づいて前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流を求めるステップを行うものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記プロセッサは更に、前記先端部の複数の振動モードについて、施術者により設定されるコマンドに基づいて前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流を求めるステップを行うものである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記プロセッサは更に、前記ＡＣ駆動信号の印加により、前記先端部の前記ヘッドが前記先端部に設けられた機構により単一の振動サイクルにおいて、あるループ上を動くものとなるように、少なくとも１つの前記ドライバに印加される前記ＡＣ駆動信号の波形の構造を決定するものである、請求項１〜７に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記ＡＣ駆動信号を生成する前記アセンブリは可変利得増幅器を備えており、
前記プロセッサは、前記増幅器が前記ＡＣ駆動信号の周波数を有し、前記ＡＣ駆動信号の電位に少なくとも比例する信号を出力するものとなるように、前記増幅器により生成される信号の利得を調整するものである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記ＡＣ駆動信号を生成する前記アセンブリは、前記ＡＣ駆動信号に比例する信号が印加される一次巻線と、前記ＡＣ駆動信号が生成される二次巻線とを有する変圧器を備えており、
前記ＡＣ駆動信号の電圧を測定する前記アセンブリは、前記変圧器と一体化された再生コイルを備えており、前記二次巻線の信号が前記再生コイルの信号を誘導するものである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記ハンドピースを流れる電流を測定するための前記アセンブリは、ある導体に隣接するコイルを備えており、前記導体を介して前記ＡＣ駆動信号が前記ハンドピースに印加され、前記コイルは、前記ＡＣ駆動信号が当該コイルの信号を誘導するものとなるように配置されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記プロセッサは、前記ＡＣ駆動信号の少なくとも１つの成分について、前記ＡＣ駆動信号の当該成分の周波数を、前記先端部の振動モードに関連する周波数特性として使用し、前記ＡＣ駆動信号の当該成分は、少なくとも１つの前記振動モードについて、前記ハンドピースの機械的要素を流れる、計算された等価電流を求めるために関連付けられる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記プロセッサはさらに、
少なくとも１つの前記ドライバのキャパシタンスを表すデータを前記ハンドピースに関連付けられるメモリから取得し、
前記超音波式ハンドピースに取り付けられるように構成された先端部を振動させるための前記アセンブリの少なくとも初期動作時に、前記先端部の振動モードごとに、前記ハンドピースのメモリから取得された前記ドライバのキャパシタンスのデータに基づいて、前記ハンドピースの機械的要素を流れる計算された等価電流を求める、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
超音波式ハンドピースのドライバに電圧と周波数が可変であるＡＣ駆動信号を印加する方法であって、前記超音波式ハンドピースは前記ドライバに取り付けられた先端部を振動させるものであり、前記先端部の振動モードは複数あり、
前記ドライバのキャパシタンスを求めるステップと、
前記ＡＣ駆動信号を前記ドライバに印加するステップであって、前記ＡＣ駆動信号は複数の成分を有し、前記ＡＣ駆動信号の各成分は前記先端部の複数の前記振動モードの異なる１つに関連している、ステップと、
前記ＡＣ駆動信号の電圧を測定し、前記ＡＣ駆動信号を少なくとも２つの成分に分けるステップであって、測定された前記ＡＣ駆動信号の各成分は前記先端部の特定の振動モードに関連する電圧を表すものである、ステップと、
前記ハンドピースを流れる電流を測定し、前記電流を複数の成分に分けるステップであって、測定された前記電流の各成分は、前記先端部の特定の振動モードに関連する、前記ハンドピースを流れる測定電流を表すものである、ステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する周波数特性と、当該振動モードに関連する測定電圧と、当該振動モードに関連する、前記ハンドピースを流れる測定電流と、前記ドライバのキャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械的要素を流れる、計算された等価電流を求めるステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する前記ハンドピースの機械的要素を流れる、前記計算された等価電流を、当該振動モードに関連する前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流と比較し、該比較の結果に基づいて、当該振動モードに関する電圧特性を求めるステップと、
前記先端部の振動モードごとに、当該振動モードに関連する前記ドライバを流れる電流の、当該振動モードに関連する、前記ハンドピースの機械的要素を流れる計算された等価電流に対する比を求め、前記比を当該振動モードの目標比と比較し、該比較の結果に基づいて、当該振動モードに関連する周波数特性を調整するステップであって、複数の前記振動モードのうちの少なくとも２つの振動モードの周波数特性は互いに異なるものである、ステップと、
複数の前記振動モードの電圧特性及び周波数特性に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の波形の構造を決定し、前記ドライバに印加される前記ＡＣ駆動信号が各振動モードに対応する成分を有するものとなるように前記ＡＣ駆動信号を調整するステップであって、各成分は当該振動モードについて決定された電圧特性及び周波数特性によって定められる、ステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記ドライバに対する前記ＡＣ駆動信号の印加のステップにおいて、前記先端部のヘッド（１５６）の進行経路が前記先端部に設けられた機構により単一の振動サイクルにおいて非線形となるように前記ＡＣ駆動信号が構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記先端部の少なくとも１つの振動モードについて、施術者により設定されるコマンドに基づいて前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流を求めるステップを更に含む請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記先端部の各振動モードについて、施術者により設定されるコマンドに基づいて前記ハンドピースの機械的要素を流れる目標等価電流を求めるステップを行う請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ドライバに対する前記ＡＣ駆動信号の印加は、変圧器を備えたアセンブリにより行われ、前記変圧器は、前記ＡＣ駆動信号に比例する信号が印加される一次巻線と、前記ＡＣ駆動信号が生成される二次巻線とを有し、
前記ＡＣ駆動信号の電圧の測定は、再生コイルにかかる電圧を測定することにより行われ、前記再生コイルは前記ＡＣ駆動信号が生成される前記変圧器と一体に設けられている、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、包括的には、超音波駆動式の手術用ハンドピースに関する。より具体的には、本発明は、複数の振動モードを有する超音波駆動式ハンドピースと、先端ヘッド部が非線形振動するようにハンドピースを駆動する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波式手術器具は、幾つかの医学的及び外科的な手技（procedure）を行うのに有用な手術器具である。一般に、超音波式手術用ツールは、少なくとも１つの圧電ドライバを含むハンドピースを備える。先端部は、ドライバに機械的に連結され、ドライバが配置されたハウジング又はシェルから前方に延びている。先端部はヘッドを有する。ヘッドには、特定の医学的又は外科的作業が行えるようなサイズの機構（多くの場合、歯）が設けられる。超音波式ツールシステムは制御コンソールも備える。制御コンソールは、ドライバにＡＣ駆動信号を供給する。ドライバに駆動信号が印加されると、ドライバは周期的に膨張及び収縮する。ドライバの膨張・収縮は、先端部内に、より具体的には先端部のヘッド内に同様の動きをもたらす。先端部がそのように動く場合、先端部は振動していると見なされる。先端部において振動しているヘッドは、特定の外科的又は医学的作業を行うために、組織に当てられる。例えば、幾つかの先端ヘッドが硬組織に当てられる。硬組織の１つの形態は骨である。このタイプの先端ヘッドが振動すると、先端の歯が前後に振動することによって、隣接する硬組織を鋸引きし、すなわち除去する。更に別の先端ヘッドは、軟組織に当てられるように設計される。また、幾つかの超音波式ツールは、組織及び周囲の体液内にキャビテーションを誘発することによって当該組織を除去する。先端ヘッドが前後に動く結果、キャビテーションが生じる。具体的には、これらの振動の結果、組織及び周囲の体液内に小さな空隙、すなわち、空洞（キャビティ）が形成される。これらの空洞は、極めて圧力の低い、小さな領域である。組織を形成する細胞とこれらの空洞との間に圧力差が生じる。この圧力差が相対的に大きいために、細胞壁が破裂する。細胞壁の破裂によって、組織を形成する細胞が除去、すなわち、切除される。
【０００３】
超音波式先端のヘッドは多くの場合に比較的小さい。幾つかのヘッドは１．０ｃｍ未満の直径を有する。超音波式ツールは基本的に、ヘッドが当てられた場所に隣接する組織のみを除去する。ヘッドの表面積が相対的に小さいために、超音波式ハンドピースは、硬組織及び軟組織の両方を正確に除去するのに有用なツールであることがわかっている。
【０００４】
ほとんどの先端は、駆動信号が印加されると、先端ヘッドが単一のモードにおいて振動するように設計される。ここで、振動モードは、先端ヘッドが動く移動経路であると理解されたい。先端部の大半は線形に振動するように設計される。これは、ヘッドが、ある軸に沿って往復運動することを意味する。この軸は、先端に沿って近位から遠位に向かう長手方向の軸に基本的に合致する。幾つかの先端は、振動すると、そのヘッドがねじれ振動又は回転振動するように設計される。これは、ヘッドが起動されて振動状態になると、先端の長手方向軸の周りで回転することを意味する。更に別の先端は、屈曲（flex）するように設計される。これは、先端が起動されると、先端の長手方向軸が前後に曲がることを意味する。先端が曲がる、すなわち、屈曲するのに応じて、先端ヘッドが動く。
【０００５】
先端ヘッドが長手方向にのみ振動する場合、問題が生じる可能性がある。これは、このタイプの先端ヘッドの運動が頻繁に先端シャフトに沿った組織内にキャビテーションを誘発するためである。これは、先端が、除去されるべきではない軟組織に極めて近い硬組織、すなわち骨を除去するために使用されるときに、問題となる可能性がある。除去されるべきでない軟組織のタイプは、血管と、神経系の一部である組織との両方を含む。キャビテーションの結果、この軟組織の望ましくない除去が生じる可能性があるため、このような問題が生じる。
【０００６】
現時点で、この望ましくないキャビテーションを低減する先端部が入手可能である。これらの先端部は、２つのモードで振動するように設計される。先端部は長手方向に振動する。また、先端部は、先端シャフトの長手方向軸の周りでねじれるようにも振動する。そのような先端部の一つが、本願出願人であるStryker Corporation（ミシガン州カラマズー所在）から市販されるＬｏｎｇ  Ｍｉｃｒｏ  Ｃｌａｗ  ｔｉｐである。この先端部の構造は、米国特許第６，９５５，６８０号「COUPLING VIBRATION ULTRASONIC HAND PIECE」において開示されており、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部となすものとする。
【０００７】
異なるモードにおいて振動することができる先端に駆動信号が印加されると、先端ヘッドは、振動変位の和である運動を受ける。駆動されると、長手方向及びねじれ方向に同時に振動することができる先端のヘッドは、長手方向及び回転方向に同時に振動する。図１に、先端ヘッド部のある点におけるこの運動を示す。これらの同時振動の結果、先端ヘッド部上のある点は、らせんの一部にそって往復運動する。したがって、この運動は、ヘッドの長手軸の近位側及び遠位側に沿っており、かつ長手軸の周りで回転する。
【０００８】
先端をこのように振動させる利点は、先端シャフトが長手方向に振動する範囲が小さくなるということである。この結果、シャフトに隣接する組織の望ましくない除去も同様に低減される。
【０００９】
上記の超音波式ツールシステムは有用であるが、不都合がないわけではない。１つの不都合は、このシステムが機能するには、２つの振動モードが同じ周波数で生じなければならないということである。これにより、先端部をこのモードで振動するように特別に設計することが必要となる。これにより、先端部のサイズ及び形状が制限される。これは、ある特定の組織除去手技を行うために、部位に当てることができる先端部を提供することを難しくする可能性がある。さらに、この要件に合わせて先端部を設計しなければならない場合、先端部を製造するのに比較的費用がかかる可能性がある。
【００１０】
さらに、先端ヘッドがこのタイプの運動を受けるとき、先端ヘッドの個々の歯が、螺旋の一部において往復運動する。この運動は、長さが通常３００ミクロン未満の軌道にわたる。実際には、単一の歯の運動は、先端シャフトの長手方向軸に対して斜めの線に沿っている。個々の歯が骨に切り込むとき、歯はこの軸に対して斜めの溝を形成する。溝内で歯が往復運動すると、先端部は、溝の方向以外の方向へのヘッドの運動を妨げる抵抗を受ける。各歯が各溝内を動くため、この抵抗はかなり大きなものになる可能性がある。これは、施術者が、先端部を所望の方向に導く、すなわち、位置決めする能力を妨げる。
【００１１】
さらに、任意の切除作業の結果、切除された物質は、切除を行っているツールの付近にデブリ（debris）を形成する。これは、組織を除去するために超音波式手術用ツールが使用される状況に当てはまる。超音波式手術用ツールの歯が線形の移動経路において往復運動すると、歯の間にデブリが蓄積する傾向がある。このようなデブリの蓄積は、歯が組織を掘り進み、除去する能力に悪影響を及ぼす。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、新規で有用な超音波式手術用ツールシステムに関する。本発明のシステムは、振動時に複数のモードで振動する先端部を備えている。本発明のシステムは、振動時に、先端ヘッドを非線形な進行経路に沿って動かす駆動信号を先端部に印加する駆動システムを更に有している。
【００１３】
本発明のシステムは通常、重畳的駆動信号を提供することのできる駆動システムを有する。この重畳的駆動信号は、複数の異なる成分の和である。通常、駆動信号は、先端部の振動モードごとに１つの成分を有する。本発明の多くのバージョンにおいて、各成分は周波数特性を有する。この周波数特性は、先端部の特定の振動モードの目標周波数にあるか、又はその付近にある周波数である。ここで、振動モードは、長手方向、ねじれ方向又は伸縮方向の単一の平面における先端部の振動とすることができる。通常、異なる振動モードの周波数特性は互いに異なる。あるいは、振動モードは、２以上の平面において同時に生じる振動とすることができる。ここで、目標周波数は、先端部が振動することになる具体的な周波数範囲についての周波数範囲内にある、先端部の共振周波数及び反共振周波数を含んだ先端部の共振周波数と反共振周波数との間のいずれかの周波数である。
【００１４】
本発明の更なる特徴は、駆動信号の各成分の特性すなわち周波数及び電圧を変えることである。超音波式ツールの使用中に、先端ヘッドが抵抗、すなわち、機械的負荷を受けるため、これらの特性が変化する。この負荷により、ハンドピースの機械的要素の等価インピーダンスが変化する。ハンドピースにおけるこの特性の変化は、駆動信号の印加に応じて、先端ヘッドがどのように動くかすなわち振動するかを変更する。先端ヘッドが、施術者によって望まれる運動に関わることを確実にするために、本発明のシステムは駆動信号を調整する。この駆動信号の調整は、駆動信号の成分の特性を調整することによって実行される。
【００１５】
本発明は特許請求の範囲において詳細に示される。本発明の上記の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面とともに取り上げられる以下の詳細な説明から更に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術のシステムを使用して作動する先端ヘッドの振動運動を示す図である。
【図２】本発明の機構を備える超音波式ツールシステムの基本的要素を示す図である。
【図３】ツールの機械的要素、すなわち、システムのハンドピース、先端及びスリーブの概略的な組立分解図である。
【図４】ハンドピース及び先端部の電気的要素を示し、これらの要素が制御コンソールにいかに接続されるかを示すブロック図である。
【図５】ハンドピース内部のメモリ内に記憶されるデータのタイプを表す図である。
【図６】ツール先端と一体化されるメモリに記憶されるデータのタイプを示す図である。
【図７】本発明のシステムの制御コンソール及びハンドピース構成要素の電気的要素のブロック図である。
【図８】本発明のシステムによる、ハンドピースに印加される駆動信号の波形を示す図である。
【図９Ａ．９Ｂ】図９Ａは、ハンドピースを流れる電流を表す図である。図９Ｂは、ハンドピースの異なる要素のインピーダンスを表す図である。
【図１０Ａ】図１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄとともに、本発明のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１０Ｂ】図１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄとともに、本発明のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１０Ｃ】図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｄとともに、本発明のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１０Ｄ】図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃとともに、本発明のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明による、先端が作動するときの超音波先端部のヘッド上の単一の点の運動を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［Ｉ．システムの概説及びハードウェア］
図２及び図３を参照して、本発明の機構を備えた超音波式ツールシステム３０を包括的に説明する。システム３０はハンドピース３２を備えている。先端部１４２は、ハンドピース３２に取り付けられており、ハンドピース３２から遠位に向かって前方に延びている（「遠位（distal）」は、ハンドピースが当てられる部位に向かって、施術者から離れていることを意味すると理解されたい。「近位（proximal）」は、ハンドピースを持つ施術者側、すなわちハンドピースが当てられる部位から離れていることを意味するものと理解されたい）。先端部１４２は、所望の医療的・外科的手技を行うために組織に当てられるシステム３０内の要素である。また、システム３０は、制御コンソール２４０を備えている。制御コンソール２４０は、ハンドピース３２に印加される駆動信号を供給する。駆動信号の印加に応じて、ハンドピース３２は先端部１４２を振動させる。
【００１８】
ハンドピース３２は、図２にのみ示される本体又はシェル３４を含む。図３及び図４から、シェル３４内に１以上の振動圧電ドライバ３６（４つが示される）が配置されているのを見ることができる。各ドライバ３６は、ドライバに電流が印加されると、瞬時の膨張又は収縮を受ける材料から形成されている。これらの膨張・収縮は、ドライバ３６の長手方向の軸上で生じる。この軸はドライバの近位側の面と遠位側の面との間で延びている。一対のリード３８が各ドライバ３６から離れるように延びている。リード３８は、ドライバの対向する近位側の面及び遠位側の面に取り付けられている。全てではないが、多くのハンドピース３２は、ディスク形のドライバ３６を含む。ドライバ３６は、端部同士を接続して１つのスタックとして配置される。リード３８は、駆動信号がそれを介してドライバ３６に印加されるシステム３０の要素である。１つが示される絶縁ディスク４０が、隣接するドライバ間に配置されている。図２において、ドライバ３６及び絶縁ディスク４０は互いに離間したものとして示される。これは、要素を例示するのを容易にするためである。実際には、ドライバ３６及び絶縁ディスク４０は隙間なく接している。
【００１９】
ポスト４４は、ドライバ３６、リード３８及び絶縁ディスクを貫通して長手方向に延びている。ポスト４４は、ドライバ３６、リード３８及び絶縁ディスク４０を貫通し、これらの要素の同一直線をなす長手方向の軸に沿って延びている。ドライバ３６、リード３８及び絶縁ディスクの内部にある貫通孔は見えないが、その貫通孔を通ってポスト４４が延びている。ポスト４４は、最も近位側に位置するドライバ３６及び最も遠位側に位置するドライバの両方から外側に突出している。
【００２０】
近位端マス（proximal end mass）４６が、最も近位に位置するドライバ３６の近位側の面に隣接して位置し、接している。マス４６は、ポスト４４の近位端部分に取り付けられる。ポスト４４がねじ切りされる場合には、マス３６はナットとすることができる。
【００２１】
図３にのみ示されるホーン（horn）４８は、最も遠位側に位置するドライバ３６の遠位側の面から前方に延びている。ホーン４８は、ドライバ３６の直径にほぼ等しい直径を有する基部を有する。ドライバ３６から遠位に向かって前方に向かうにつれて、ホーン４８の径は減少する。ポスト４４の露出した遠位端面はホーン４８に固着される。本発明の多くのバージョンにおいて、ポスト４４及びホーン４８は一体成形ユニットである。ハンドピース３２は、ドライバ３６及び絶縁ディスクのスタックが近位端マス３６とホーン４８との間で圧縮されるように構成されている。
【００２２】
ハンドピースシェル３４内には、ハンドピースメモリ５６も配置されている。メモリ５６は、ハンドピース３２及び先端部１４２の動作を制御するために使用されるデータを含む。メモリ５６は、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ又はＲＦＩＤタグの形をとることができる。メモリの構造は本発明の一部ではない。例示のために、ハンドピースメモリ５６はＲＦＩＤタグである。メモリ５６に接続されるコイル５４が示される。コイル５４は、制御コンソール２４０がそれを介してハンドピースメモリ５６に対して読出し及び書込みを行う、ハンドピースに関連付けられる要素である。
【００２３】
図５は、ハンドピースメモリ５６に記憶されるデータのタイプを示す。これらのデータは、フィールド６２によって表されるように、ハンドピース３２を識別するデータを含む。これらのデータは、コンソール２４０がハンドピースに駆動信号を印加できることを検証するのに有用である。フィールド６２内のデータは、コンソールディスプレイ２７８上に提示されるハンドピースに関する情報のタイプを示すこともできる。ハンドピースメモリ５６内の他のデータは、ドライバ３６への駆動信号の供給を制御するために使用される。これらのデータの使用は後述するが、ここでは、データのタイプを説明する。フィールド６４は、キャパシタンスＣＯ、すなわち、ドライバ３６のスタックのキャパシタンスを示すデータを含む。ドライバキャパシタンスは、ハンドピース３４の組立工程中に解析することによって求めることができる。多くの場合、ドライバのキャパシタンスの和は５００ｐＦ〜５０００ｐＦである。フィールド６６には、ハンドピース３６に印加されるべき最大電流に関するデータである電流
【数１】
0006623212.tif 000002
が含まれる。電流
【数２】
0006623212.tif 000003
は多くの場合、１Ａｍｐピーク未満であり、更に、多くの場合、０．５Ａｍｐピーク以下である。フィールド６８は、後述するハンドピースの機械的要素を流れる最大等価電流、すなわち
【数３】
0006623212.tif 000004
を示すデータを含む。電流
【数４】
0006623212.tif 000005
は通常、０．２５Ａｍｐピーク以下である。フィールド７０に、駆動信号の最大電位、すなわち電圧
【数５】
0006623212.tif 000006
が記憶される。電圧
【数６】
0006623212.tif 000007
は多くの場合に、１５００ボルトＡＣピークである。
【００２４】
また、ハンドピースメモリ５６には、ハンドピース３２に印加されるべき駆動信号の最小周波数及び最大周波数を示すデータも記憶される。フィールド７２に記憶される最小周波数は通常、制御コンソールによって供給することができる駆動信号の最小周波数である。フィールド７４に記憶される駆動信号の最大周波数は通常、最小周波数より５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚＨｚ高い。
【００２５】
フィールド７６は、コントローラ９６から出力される制御信号をフィルタリングするための係数を含む。これらの信号のそれぞれの最終レベルを定めるために、ＰＩＤ制御ループが使用される。フィールド７６は、これらの制御ループごとの係数を含む。フィールド６２、６６、６８、７０、７２、７４及び７６内のデータは、フィールド６４内のデータと同様に、ハンドピースの組立工程の一部として、ハンドピースメモリ５６に記憶されることを理解されたい。
【００２６】
また、ハンドピースメモリ５６は、使用履歴フィールドとしてフィールド７８も含む。制御コンソール２４０は、ハンドピース３２の使用中に、ハンドピースの動作のログを与えるために、フィールド１２８にデータを書き込む。
【００２７】
図４に戻ると、ハンドピース３２の内部に、２つの導体１３２も示されるのを見ることができる。導体１３２は、コイル５４からハンドピースの遠位端まで延びている。導体１３２は、同じくハンドピース３２内に配置される第２のコイルであるコイル１３４に接続される。
【００２８】
先端部１４２は、ハンドピースのホーン４８から前方に延びている。先端部１４２は、全体として円筒形のシャフト１４４を有する。本発明のすべてではないが、幾つかのバージョンでは、シャフト１４４は、それぞれが異なる断面径を有する複数の部分を有する。本発明の例示されるバージョンでは、先端部のシャフト１４４は、近位部分１４６を有する。シャフト近位部分１４６には、先端部とハンドピース３２とを取外し可能に結合するのを容易にするように設計された結合機構が形成される。本発明の１つのバージョンでは、ハンドピース結合機構は、ホーン４８から前方に延びているボス（boss）４９である。ボス４９の外面には、ねじ切り（図示せず）が形成される。先端結合機構は、シャフト近位部分１４５を部分的に貫通してシャフト１４４の近位端から内側に延びている閉端穴１４５である。穴１４５には、ハンドピースホーン４８と一体化されるねじ切りされたボスと係合するように設計されたねじ切り（図示せず）が設けられる。
【００２９】
本発明の図示されるバージョンでは、シャフト１４４は、シャフト近位部分１４６から前方に延びた中央部分１５０を有する。中央部分１５０は、近位部分１４６の直径より小さい直径を有する。図示されるシャフト１４４は遠位部分１５６を有する。シャフト遠位部分１５６は、中央部分１５０の直径より小さい直径を有する。
【００３０】
ヘッド１５８は、先端部１４２の最も遠位の部分である。ヘッド１５８は、シャフト近位部分１５６に隣接して前方に位置する。ヘッド１５８には場合によって、歯又は溝（flute）（図示せず）が形成される。先端ヘッド１５８は、所望の手技を実行するために組織に対して押し付けられるシステム３０の部分である。歯又は溝は、ヘッド１５８が動くと、これらの歯又は溝が組織を押圧するように設計される。ヘッドが動いた結果として、歯又は溝が組織を除去する。先端の歯又は溝の幾何学的形状は、本発明の一部ではない。
【００３１】
ハンドピース３２は全体として、ドライバが往復運動すると、先端部１４２に同様の振動運動を誘発するように設計される。先端の長手方向の軸に沿って、より詳細には、シャフトに沿って前後に運動するという点で、これらの往復運動は長手方向の振動である。本発明の先端部には、シャフトの近位端に加えられる近位から遠位への振動を、少なくとも２つの異なるタイプの振動に変える機構が更に設けられる。図示される先端部１４２において、これらの機構は、シャフト中央部分１５０の外面から内側に延びるらせん状溝１５２である。溝１５２の存在により、シャフト近位部分に加えられる長手方向運動の一部が、溝の前方にある先端の部分を、長手方向に振動させるのに加えて、回転方向に振動させる運動となる。回転振動は、シャフト１４４の長手方向軸の周りに延びる円弧内でシャフト及び先端部が振動することを意味すると理解されたい。
【００３２】
本発明のシステム３０に組み込まれる先端部１４２は、複数の振動モードの共振周波数が異なるものとなるように更に設計される。多くの場合、これらの共振周波数は、互いに２００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの間隔がある。
【００３３】
スリーブ１７０は、先端シャフト１４４の周囲に配置される。スリーブ１７０はプラスチックから形成される。スリーブの近位端には、スリーブをハンドピースホーン４８の遠位端に着脱可能に連結するのを容易にする機構が形成される。システム３０を形成する要素は、スリーブが、先端シャフト１４４から径方向に離間し、かつ先端ヘッド１６０から長手方向に離間するように形成される。より具体的には、この要素は、先端部の通常の振動中に、先端がスリーブと接しないように寸法合わせされる。
【００３４】
本発明の一部ではないが、スリーブ１７０には多くの場合に接続部品（fitting）１７２が形成されることを見て取ることができる。接続部品１７２は、灌注ラインを受けるように形成される。システム３０の使用中に、多くの場合に、灌注流体がスリーブ１７０に流し込まれる。流体は、先端部１４２とスリーブ１７０との間の間隙に行きわたるように流れ、スリーブの開口した遠位端から流れ出る。ハンドピースポスト４４及び先端１４２には、連続した穴が形成される（穴は図示されない）。手技中に、これらの穴を通して吸引が行われる。吸引により、先端ヘッド１５８が当てられた部位から、灌注流体と、手技によって形成され、流体に混じるデブリとが吸い出される。また、吸引により、先端ヘッド１５８に向かって組織が吸い出される。先端ヘッド１５８に向かって組織をこうして吸い出すことにより、先端ヘッドによる組織の切除を促進する。
【００３５】
スリーブ内に配置されるのは、図３において破線の長方形として示される先端部メモリ１８４である。メモリ１８４は、このメモリがスリーブ１７０内に配置されてはいるが、メモリが先端部１４２の動作を制御するために使用されるため、先端部メモリと呼ばれる。さらに、先端部１４２及びスリーブ１７０は通常、単一のパッケージとして一緒に流通する。先端部１４２は通常、ハンドピース３２に最初に結合される。先端部１４２が所定の位置に配置された後に、スリーブ１７０がハンドピースに嵌め込まれる。先端部メモリ１８４は通常、ハンドピースメモリ５６と同じタイプのメモリである。したがって、本発明の図示されるバージョンでは、先端部メモリ１８４はＲＦＩＤタグである。スリーブ１７０に埋め込まれた、図４にのみ示されるコイル１８２は、先端部メモリ１７２の入力ピンに接続される。システム３０を形成する要素は、スリーブ１７０がハンドピース３２に嵌め込まれるときに、ハンドピースコイル１３４及びコイル１８２が誘導性の信号交換に関わることができるように構成される。
【００３６】
図６は、先端部メモリ１８４内に含まれるデータのタイプを示す。フィールド１８８によって表されるように、これらのデータは、先端部識別情報フィールドを含む。フィールド１８８内のデータは、先端部を識別し、ハンドピースメモリのハンドピース識別情報フィールド１１２内のハンドピースを識別するデータに類似である。フィールド１９０には、ハンドピースの機械的要素を流れる最大等価電流、
【数７】
0006623212.tif 000008
を示すデータが記憶される。この概念は後で説明する。フィールド１９１は、駆動信号の第１の成分のための最大電位
【数８】
0006623212.tif 000009
を示すデータを記憶する。フィールド１９２には、駆動信号の成分のうちの第１の成分において機械的要素を流れるべき最大等価電流
【数９】
0006623212.tif 000010
を示すデータが記憶される。フィールド１９３は、駆動信号の第２の成分のための最大電位
【数１０】
0006623212.tif 000011
を示すデータを記憶する。フィールド１９４は、駆動信号の成分のうちの第２の成分において機械的要素を流れるべき最大等価電流
【数１１】
0006623212.tif 000012
を示すデータを記憶する。フィールド１９６は、駆動信号の第１の成分の最小周波数を規定するデータを含む。フィールド１９８は、駆動信号の第１の成分の最大周波数を規定するデータを含む。フィールド２０２は、駆動信号の第１の成分のための第１の目標周波数ωＴＲＧＴ１を規定するデータを含む。フィールド２０４は、駆動信号の第１の成分のための目標周波数に関連付けて使用される仮想インピーダンス係数ｍ１を含む。
【００３７】
フィールド２０６は、駆動信号の第２の成分の最小周波数を規定するデータを含む。フィールド２０８は、駆動信号の第２の成分の最大周波数を規定するデータを含む。フィールド２１０は、駆動信号の第２の成分のための目標周波数ωＴＲＧＴ２を規定するデータを含む。フィールド２１２は、駆動信号の第２の成分のための目標周波数に関連付けて使用される仮想インピーダンス係数ｍ２を含む。
【００３８】
ＰＩＤ係数フィールド２１６は、先端部のための、ハンドピースメモリのＰＩＤ係数フィールド７６内のデータより詳細な場合がある制御信号のためのフィルタリング係数を含む。また、先端部メモリ１８４は、先端部使用履歴フィールド２１８も含む。システム３０の動作中に、制御コンソール２４０は、先端部１４２の使用に関するフィールド２１８にデータを書き込む。
【００３９】
次に、図２、図４及び図７に関して説明される制御コンソール２４０は、ハンドピース３２に駆動信号を供給し、その結果、先端部１４２が振動する。これらの要素は、電源２４２を含む。電源２４２は、通常ＤＣ１Ｖ〜ＤＣ２５０Ｖの定電圧信号を出力する。本発明の多くのバージョンにおいて、電源２４２から出力される電圧の最大電位はＤＣ１５０Ｖ以下である。電源２４２によって生成される電圧は、可変利得増幅器２４４に印加される。制御信号、具体的には、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ（Ｗ＿Ｓ）信号が増幅器２４４に印加される。ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号は、増幅器によって生成される信号の利得を定める。本発明の多くのバージョンにおいて、増幅器２４４は、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号に応じて、ＡＣ信号を出力することができる可変利得Ａ級増幅器である。より詳細には、増幅器２４４は、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数を有する信号を出力することができる。多くの場合に、信号は、２０ｋＨｚの最小周波数を有する。
【００４０】
増幅器２４４からの出力信号は、同じく制御コンソール２４０の一部である、変圧器２４８の一次巻線２５４に印加される。変圧器２４８の二次巻線２５８の両端に存在する電圧が、ハンドピースドライバ３６に印加される駆動信号である。この電圧は通常、最大で１５００ボルトＡＣピークである。駆動信号は、ドライバ３６の両端に並列に印加される。
【００４１】
変圧器２４８は、再生コイル（tickler coil）２５６を含む。再生コイル２５６の両端に存在する電圧は、電圧測定回路２６２に印加される。再生コイル２５６の両端の信号に基づいて、回路２６２は、電圧ＶＳ、すなわち、ハンドピース３２に印加される駆動信号の電圧の電位及び位相を表す信号を生成する。同じく制御コンソール７２内に配置されるコイル２６４は、変圧器の二次巻線２５８から延びている導体のうちの１つに極めて近接して位置する。コイル２６４の両端の信号は、電流測定回路２６６に印加される。回路２６６は、電流ｉＳ、すなわち、ハンドピースを流れる駆動信号の電流の大きさ及び位相を表す信号を生成する。
【００４２】
変圧器の二次巻線２５８の両端に存在する駆動信号は、制御コンソールと一体化されるソケット（ソケットは図示せず）に取り付けられる２つの導電性コンタクト２６６において存在する。
【００４３】
駆動信号は、図１においてのみ見られるケーブル２３０によってハンドピースドライバに印加される。システム３０の多くの構成において、ハンドピース３０及びケーブル２３０は単一のユニットである。ケーブル２３０は、コンタクト２６６が位置する制御コンソールソケットに接続される。
【００４４】
ハンドピース３２及びケーブル２３０が単一のユニットである本発明のバージョンでは、ハンドピースコイル５４は、ケーブルと一体化されるプラグ内に配置される。コンソールソケット内に相補コイル２６８が配置される。システムを形成する要素は、ケーブル２３０と一体化されるプラグがハンドピースソケットに差し込まれると、コイル５４及び２６８が誘導作用によって信号を交換できるように構成される。
【００４５】
駆動信号電圧ＶＳ及び電流ｉＳを表す信号は、ハンドピースドライバ３６に供給され、同じく制御コンソール２４０内部にあるプロセッサ２７６に印加される。また、制御コンソール２４０は、メモリリーダ２７２も備えている。メモリリーダ２７２は、一端がコンソールコイル２６８に接続され、他端がプロセッサ２７６に接続される。メモリリーダ２７２は、コイル２６８の両端に存在する信号を、プロセッサ２７２が読み出すことができるデータ信号に変換する。また、メモリリーダ２７２は、プロセッサ２７２から出力される信号に応じて、コイル２６８にかかる信号を出力し、その信号によって、コイルは信号を出力し、結果としてハンドピースメモリ５６及び先端部メモリ１８４にデータが書き込まれることになる。メモリリーダ２６８の構造は、ハンドピースメモリ１０２を補完するものである。したがって、メモリリーダは、ＥＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ内のデータを読み出すことができるアセンブリ（手段、機能部、部品、装置）（assembly）とすることができるか、又はＲＦＩＤに呼び掛け、そこからデータを読み出すことができるアセンブリとすることができる。
【００４６】
プロセッサ２７２は、増幅器２４４に印加されるＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号を生成する。このようにして、プロセッサ２７６は、制御コンソール２４０から出力され、ハンドピース３２に印加される駆動信号の特性を設定する。プロセッサ２７６によって設定される駆動信号の特性は、駆動信号の電圧及び周波数である。プロセッサ２７６は、これらの特性を、ハンドピース３２の特性及び先端部１３４の特性に応じて決定する。また、プロセッサ９６は、電圧ＶＳ及び電流ｉＳの取り込まれた測定値に応じて駆動信号を決定する。
【００４７】
ディスプレイ２７８は、制御コンソール２４０に組み込まれている。ディスプレイ２７８上の画像は、プロセッサ２７６によって生成されるように示される。ディスプレイ２７８上に表示される情報は、ハンドピース３２及び先端部を識別する情報、並びにシステムの動作状態の特性を記述する情報を含む。ディスプレイ２７８は多くの場合、タッチスクリーンディスプレイである。プロセッサ２７２によって、ディスプレイ上にボタンの画像が提示される。それらのボタンを押下することによって、施術者は、システム３０の具体的な動作特性として自分が望むものを設定することができる。
【００４８】
ディスプレイ２７８上に提示されるボタンに加えて、通常、制御コンソールに関連付けられる少なくとも１つのオン・オフスイッチが存在する。図２及び図７において、このオン・オフスイッチは、フットスイッチ２８０によって表される。フットスイッチ２８０は、そのスイッチが押下された程度に応じて変化する信号を生成するように構成される。その信号はプロセッサ２８０に供給される。フットスイッチ２８０によって供給される信号の状態に基づいて、プロセッサ２７６は、先端部が振動するか否かと、先端ヘッドの振動の大きさとの両方を制御するために、駆動信号の生成を調整する。
【００４９】
［ＩＩ．動作の基本］
本発明のシステム３０は、制御コンソール２４０が、結果として先端ヘッド１５８が非線形と見なすことができる動きの経路に沿って動くことになる駆動信号を出力するように設計される。本発明の目的において、非線形の進行経路は、先端ヘッド１５８が前後に振動するときに、ヘッドの単一の点の動きが空間内の点の異なる２つの組に沿っているような進行経路である。先端ヘッドが、開始点に対して、単一の運動サイクルのアウトバウンド段階（outbound phase）に関与するとき、先端ヘッドは第１の点の組に沿って進行する。先端ヘッドが開始点に戻るために同じサイクルのインバウンド段階（inbound phase）に関与するとき、先端ヘッドは、第１の点の組とは異なる第２の点の組に沿って進行する。さらに、先端ヘッドが第１の完全な振動サイクル中に進行する点の組は、次の振動サイクルにおいて先端ヘッドが進行する点の組とは異なる場合がある。振動サイクル中に、先端ヘッドがそれに沿って進行する点の組は、単一の平面内に存在しない場合があることは理解されたい。点の組は複数の平面内に存在する場合がある。別の言い方をすると、点の組は、１以上の軸の周りで回転することができる。
【００５０】
図８は、先端ヘッド１５８の上記の運動を誘発するために、制御コンソール２４０がハンドピースドライバ３６に出力する駆動信号の波形を示す。駆動信号は、ここで駆動信号成分と呼ばれる２つのＡＣ信号の和である。各駆動信号成分は、独自の周波数及び独自の電位を有する。通常、これらの異なる成分の周波数は異なる。また、多くの場合に、駆動信号の異なる成分の電位は互いに異なる。
【００５１】
本発明の多くのバージョンの更なる特徴は、駆動信号の各成分が、先端部の特定の振動モードの目標周波数又はその付近にある周波数であることである。システム３０は、振動モードが、長手方向、ねじれ方向又は伸縮方向の単一の平面内の先端部の振動であるように構成することができる。ここで、長手方向平面内の振動は、先端１４２の長手方向軸に沿った往復運動であることは理解されたい。ねじれ方向平面における振動は、先端ヘッドの長手方向軸に対して垂直な平面内の先端ヘッド１５８の回転往復運動であると理解されたい。屈曲運動は、先端の長手方向軸が配置される平面内の先端ヘッドの往復運動である。したがって、屈曲運動は、シャフト１４４の周りの先端の撓みである。この屈曲運動は、シャフトの周りで３６０度の任意の方向において生じる場合がある。代替的には、先端部４２の振動モードは、２つの平面内の先端部の同時往復運動である振動とすることができる振動モードとすることができる。例えば、１つの振動モードは、動きが先端シャフトの長手方向軸と交差する第１のラインに沿っているような、長手方向及びねじれ方向とすることができる。第２のモードは、１つのラインに沿っている第２の合成された長手方向及びねじれ方向の運動とすることができる。これらの２つの振動モードの違いは、第２のモードの振動が、第１のモードの振動のラインとは別のラインに沿っていることである。
【００５２】
本発明による振動モードのための「目標周波数」は、先端部１４２が振動する周波数範囲内の周波数である。目標周波数は通常、振動モードのための共振周波数、振動モードのための反共振周波数、又は共振周波数と反共振周波数との間の周波数のうちの１つである。先端部の振動モードの共振周波数は互いに異なるので、振動モードの目標周波数も同様に、異なるものと理解されたい。
【００５３】
本発明の多くのバージョンでは、駆動信号の各成分の電位は、ハンドピース３２及び先端部１４２の機械的要素として知られているものを通して目標等価電流を流すのを助長するように設計された電位である。これらの要素は、ドライバ３６と、ポスト４４と、近位端マス４６と、ホーン４８と、先端部１５２とを含む。スリーブ１７０は通常、等価電流が流れる要素とは見なされない。これは、スリーブ１７０が振動するとき、スリーブの振動は他の要素の振動に起因するためである。更なる説明を簡単にするために、このことを、単に、ハンドピースの機械的要素を流れる等価電流と呼ぶことにする。この言い回しは、シェル１７０がハンドピース３２の機械的要素と見なすことができる場合であっても使用されることになる。
【００５４】
図９Ａは、駆動信号電流ｉＳが２つの成分にどのように分けられるかを表す概略図である。第１の成分は電流ｉＯであり、すなわち、ハンドピースドライバ３６を流れる電流である。第２の成分は電流ｉＭであり、すなわち、ハンドピースの機械的要素を流れる等価電流である。オームの法則によれば、ドライバを流れる電流及びハンドピースの機械的要素を流れる等価電流は、駆動信号電圧ＶＳ及びこれらの要素のインピーダンスの関数である。図９Ａにおいて、ＺＯは、ハンドピースドライバ３６のインピーダンスである。インピーダンスＺＭは、ハンドピースの機械的要素の等価リアクタンスである。
【００５５】
ドライバ３６のインピーダンスは、主にその容量性リアクタンスに起因する。したがって、図９Ｂの概略図において、ドライバインピーダンスＺＯは、単にドライバキャパシタンスＣＯの関数であると表される。本発明のシステム３０の目的において、ドライバキャパシタンスＣＯは概ね一定である。ハンドピースの機械的要素の等価インピーダンスは、抵抗成分、誘導性リアクタンス成分及び抵抗成分を有する。したがって、図９Ｂにおいて、機械的等価インピーダンスＺＭは、抵抗ＲＭ、キャパシタンスＣＭ及びインダクタンスＬＭの関数として表される。図９Ｂにおいて、機械的等価抵抗ＲＭ、等価キャパシタンスＣＭ及び等価インダクタンスＬＭは可変として示される。これは、ハンドピースのこれらの特性が、先端部が組織に当てられると先端部１４２が晒される機械的抵抗に応じて変化するためである。
【００５６】
任意の一時点において、ハンドピースの機械的要素を流れる等価電流は、以下の式に基づいて求められる。
【数１２】
0006623212.tif 000013
ただし、ωは駆動信号の角周波数（radial frequency）である。式（１）がいかに導出されるかに関する詳細な説明は、２１０３年８月７日に出願の本出願人の米国仮特許出願第６１／８６３，１５２号「SYSTEM AND METHOD FOR DRIVING AN ULTRASONIC HANDPIECE AS A FUNCTION OF THE MECHANICAL IMPEDANCE OF THE HANDPIECE」において見いだすことができ、その内容は、国際公開第２０１５／０２１２１６号、米国特許出願公開第＿＿＿＿＿号として公開されている、本出願人の同じく引用することにより本明細書の一部をなすものとするＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０５００３４号において公開されている。上掲された特許出願はいずれも、引用することにより明確に本明細書の一部をなすものとする。上述したように、本発明のシステム３０によって供給される駆動信号は、複数の成分を有する。それゆえ、駆動信号の個々の成分についてハンドピースの機械的要素を流れる等価電流は、以下の式に基づく。
【数１３】
0006623212.tif 000014
「−Ｘ」及び「Ｘ」は、等価電流が計算される駆動信号の特定の成分を識別するものである。
【００５７】
既に述べたように、本発明のシステム３０は、駆動信号の各成分が、ハンドピースの機械的要素の目標周波数にできる限り近接して追従する周波数にあるように、駆動信号を制御するように更に構成される。
【００５８】
一般に、駆動信号の周波数と目標周波数との関係は、ハンドピースドライバ３６を流れる電流と、ハンドピースの機械的要素を流れる等価電流との比の実数成分を最初に求めることによって求めることができる。この比は、以下の式によって表される。
【数１４】
0006623212.tif 000015
引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国仮特許出願第６１／８６３，１５２号は、上記の比が、駆動信号の周波数と、ハンドピースの機械的要素の目標周波数との関係を与える理由に関する詳細な説明を提供する。
【００５９】
本発明によるハンドピースドライバに印加される駆動信号は複数の成分から構成されるため、単一の成分の場合の比は、以下の通りである。
【数１５】
0006623212.tif 000016
【００６０】
この比が、一定の目標比（target ratio, ＴＲ）と比較される。目標比は通常、０及び１を含む、０〜１の数である。駆動信号の成分が振動モードの共振周波数にあることが目的である場合には、目標比は０である。駆動信号の成分が振動モードの反共振周波数にあることが目的である場合には、目標比は１である。駆動信号の成分の目標周波数が振動モードの共振周波数と反共振周波数との間の周波数にある本発明の実施態様では、駆動周波数は、０と１の間の分数である。
【００６１】
式（２Ａ）の比を目標比と比較するときに、それだけでは、駆動信号成分の周波数と所望の目標周波数との関係の良好な度合いを与えない状況が存在する場合がある。これは、組織に対する先端ヘッド１５８の配置の結果として生じる可能性がある。より具体的には、幾つかの先端ヘッドの固有の特徴は、先端ヘッドが組織に当たるように配置され、負荷をかけられるときに、目標周波数を含む周波数範囲にわたってハンドピースの機械的要素の等価リアクタンスに大きな変動があることである。さらに、ときには、施術者が、ハンドピース３２を作動させる前に、組織に当たるように先端ヘッド１５８を位置決めしたい場合がある。これが生じるとき、ハンドピースの機械的要素の等価インピーダンスの抵抗成分は、このインピーダンスのこの成分の容量性リアクタンス及び誘導性リアクタンスの両方より、かなり大きい場合がある。これらの状況のいずれにおいても、式（２Ａ）の比が目標比により近いものとなるように駆動信号成分の周波数を変更する後述のステップは、目標周波数に近い周波数にある成分を有する駆動信号を供給することにはつながらない場合がある。
【００６２】
したがって、駆動信号の成分が、その成分が関連付けられる振動モードのための目標周波数に近い周波数にあるか否かを判断するために、式（２Ａ）の以下の変更バージョンが使用される。
【数１６】
0006623212.tif 000017
式（２Ｂ）において、プラスの符号の右側にある部分は、駆動信号の成分の実際の周波数ωＸと、ωＴＲＧＴ−Ｘ、すなわち、駆動信号の成分のための所望の目標周波数との差に応じて、基本となる比を変更する。指数Ａは、その変更が２つの周波数間の二次以上の差に基づく場合があるために存在する。係数ｍＸは、実際の周波数と目標周波数との差に応じて比の変更を定義するための勾配を定義する係数である。
【００６３】
［ＩＩＩ．実際の動作］
本発明のシステム３０の動作は、先端部１４２をハンドピース３２に連結することから開始する。スリーブ１７０が先端にわたって嵌められ、ハンドピース３２にも取り付けられる。ケーブル２３０が制御コンソール２４０に取り付けられる。その時点で、コンソール２４０は、オンに切り替えられる準備ができている。上記のサブステップが、システムの初期の組立及び起動、すなわち、図１０Ａのステップ３０２を構成する。制御コンソール２４０が最初にオンに切り替えられると、プロセッサ２７６は、ステップ３０４において、ハンドピースメモリ５６及び先端部メモリ１８４に記憶されたデータを読み出す。プロセッサ２７６は、メモリリーダ２７２への適切なコマンドをアサートすることによってこれらのデータを受信する。
【００６４】
読み出されたデータに基づいて、ステップ３０６において、プロセッサは、システムの初期設定を完了する。ステップ３０６は、システム３０が使用するのに適切に構成されているか否かを判断するために、幾つかの評価を実行することを含む。これらの評価は、ハンドピースが、制御コンソール２４０が駆動信号を供給することができるハンドピースであるか否かを判断することと、先端部１４２が、ハンドピースによって作動させるのに適した先端部であるか否かを判断することとを含む。これらの評価は、ハンドピース識別情報フィールド６２及び先端部識別情報フィールド１８８のデータに基づくことができる。また、プロセッサ２７６は、ハンドピース使用履歴フィールド７８及び先端使用履歴フィールド２１８から読み出されたデータに基づいて、ハンドピース３２及び先端部１４２が、使用する状態にあるか否かを評価する。使用するのに適していない場合があることを示すデータの一例は、特定の要素、すなわち、ハンドピース又は先端部が、その要素のための設計製品寿命を超える回数又は総時間にわたって使用されてきたことを示すデータである。
【００６５】
要素がシステムとして使用するのに適切に組み立てられたとみなすと、プロセッサ２７６は、ディスプレイ２７８上に、この達成に関する情報を提示する。また、プロセッサ２７６は、先端ヘッド１５８の振動が施術者によって望まれる動きであるのを確実にするために、システムがいかに構成されるべきであるかを示す情報を入力するよう施術者に促す。上記は全てステップ３０６の一部である。施術者の初期設定コマンドの受信もステップ３０６の一部である。
【００６６】
ハンドピースメモリ５６及び先端メモリ１８４のデータと、施術者によって入力されたコマンドとに基づいて、プロセッサ２７６は、ステップ３０８において、駆動信号の成分ごとにハンドピースの機械的要素を流れる、選択された最大等価電流ｉＳＥＬＥＣＴＭＡＸ−Ｘを定める。システムの本動作例は、図３の先端部１４２に基づく。具体的には、この先端部１４２は、駆動信号が２つの平面、すなわち長手方向及び屈曲方向における先端ヘッド１５８の動きをもたらすように設計される。したがって、駆動信号は２つの成分からなる。すなわち、第１の成分は、長手方向平面の振動に関連付けられる目標周波数に基づき、第２の成分は、ねじれ方向平面の振動に関連付けられる目標周波数に基づく。ステップ３０８において、選択された最大等価電流は、以下の式を用いて、駆動信号の成分ごとに定められる。
【数１７】
0006623212.tif 000018
選択最大等価電流
【数１８】
0006623212.tif 000019
は、先端部が動く経路に関する施術者の設定に基づくものであると理解されたい。係数ＢＸは、施術者の設定に基づいてプロセッサ２７６が生成する係数である。したがって、ステップ３０８の実行の第１の部分は、施術者の設定に基づいて、プロセッサ２７６が適切な係数ＢＸを生成する部分である。係数ＢＸは、ルックアップテーブルへの参照に基づいて生成することができる。あるいは、係数ＢＸは、本発明の一部でないアルゴリズムに基づく。これらのアルゴリズムは、施術者が設定した動きの経路に関する情報に基づいて、係数ＢＸを出力し、係数ＢＸは、結果として、
【数１９】
0006623212.tif 000020
等価電流を生成し、それにより、駆動信号を定めるときに、先端ヘッドを所望の進行経路において動かす駆動信号がハンドピースに印加される。
【００６７】
本発明の説明されるバージョンでは、駆動信号は２つの成分を有する。したがって、ステップ３０８において、式（３）は２回実行される。その式が最初に実行されるとき、第１の駆動信号成分のための最大等価電流、すなわち、最大電流フィールド１９２の等価電流
【数２０】
0006623212.tif 000021
が変数ｉＭＡＸ−Ｘとして用いられる。式（３）が二度目に実行されるとき、フィールド１９４の等価電流
【数２１】
0006623212.tif 000022
が変数
【数２２】
0006623212.tif 000023
として用いられる。選択最大等価電流が生成されると、システム３０は作動する準備が完了する。
【００６８】
ステップ３１０は、プロセッサが、施術者がハンドピースを作動させたい、すなわち、先端ヘッド１５８を振動させたいということを指示するために制御部を作動させたか否かを判断するのを待っていることを示す。本発明の説明対象の実施形態では、プロセッサ２７６は、フットスイッチ２８０によって出力される信号を監視することによって、ステップ３１０を行う。施術者が先端部を作動させたいとき、施術者はフットスイッチ２８０を押下する。先端ヘッドの振動の大きさは、施術者が、フットスイッチ２８０が押下される程度をコントロールすることによって設定される。
【００６９】
プロセッサ２７６が、フットスイッチから、スイッチが押下されたことを示す信号を受信すると、プロセッサはステップ３１２を行う。ステップ３１２において、プロセッサ２７２は、駆動信号の各成分の目標等価電流である
【数２３】
0006623212.tif 000024
及び
【数２４】
0006623212.tif 000025
を定める。本発明の多くの態様において、各目標等価電流は、以下に示す一次式を用いて計算される。
【数２５】
0006623212.tif 000026
係数Ｄの範囲は、０．０〜１．０（０．０及び１．０を含む）である。例えば、先端ヘッドが最大振幅の振動を受けることを施術者が望む場合、フットスイッチ２８０は通常、完全に押下される。プロセッサ２７６は、フットスイッチ２８０がこの状態にあることを示す信号の受信に応じて、係数Ｄを１に設定する。先端ヘッド１５８が最大振幅未満の振動を有することを施術者が望む場合、施術者はフットスイッチ２８０を完全には押下しない。プロセッサ２７６は、フットスイッチ２８０が部分的にのみ押下されたという信号を受信すると、スイッチが押下された程度に応じて、係数Ｄを０〜１の値に設定する。
【００７０】
コンソール２４０が最初に図１０Ａ〜図１０Ｄの制御ループを実行する場合、すなわち、ステップ３１０の評価結果が正であった後のループの最初の実行時に、プロセッサ２７６はステップ３１４を実行する。ステップ３１４では、駆動信号の成分の初期特性が生成される。各成分の周波数は、変数ＦＲＥＱ＿ＣＯＭＰ−Ｘと呼ばれる。各成分の電圧は、変数ＶＯＬＴＡＧＥ＿ＣＯＭＰ−Ｘと呼ばれる。駆動信号の各成分は、初期周波数及び初期電位を有する。ある成分の初期周波数は、先端メモリ１５８から読み出されるような、当該成分の最小周波数である。第１の成分であれば、これは、メモリフィールド１９６内に含まれる周波数である。第２の成分であれば、これは、メモリフィールド２０６内に含まれる周波数である。初期電位は、駆動信号の当該成分の最大電位未満の電位である。本発明の幾つかの態様では、初期電位は、駆動信号の当該成分のための最大電位
【数２６】
0006623212.tif 000027
の０．０３〜０．０７倍である。駆動信号の第１成分の場合、先端メモリフィールド１９１の電位が
【数２７】
0006623212.tif 000028
として用いられる。駆動信号の第２成分の初期電位を計算する場合、先端メモリフィールド１９３の電位が
【数２８】
0006623212.tif 000029
としての役割を果たす。
【００７１】
次に、駆動信号の各成分の特性に基づいて、制御コンソール２４０はステップ３１５において駆動信号を出力する。ステップ３１５の一部として、プロセッサ２７６は、駆動信号の２つの成分の和を表す波形を生成する。この波形は、図８に示す波形の形状を有する。プロセッサ２７６は、この波形を表すＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号を生成する。その後、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号は、利得制御信号が供給される増幅器２４４の入力部に印加される。
【００７２】
増幅器２４４は、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の受信に応じて、ステップ３１５の一部として、電源２４２からの信号を選択的に増幅・減衰させる。増幅器の出力信号は、変圧器の一次巻線２５４に印加される。変圧器２４８は、ケーブル２３０を通して、ハンドピースドライバ３６に駆動信号を出力する。上記は全てステップ３１５の一部である。
【００７３】
ハンドピースドライバ３６に駆動信号が印加されたことに応じて、ドライバは周期的に膨張及び収縮する。ドライバの膨張・収縮は、駆動信号の電位に比例する。膨張・収縮は、駆動信号の振幅に比例するとともに、駆動信号の周波数にある。ハンドピースホーン４８は、これらの膨張及び収縮を増幅し、近位部分１４６に伝える。これらの振動は、先端部の長手方向の平面に沿っている。溝１５２は、このシャフトの動きの一部をねじれ方向平面内の振動に変える。これらの振動の変化する電位と、先端部の構造とにより、先端ヘッド１５８は振動するように仕向けられ、その動きは図１１に示すように非線形である。図１１において、最も左にある等号の直ぐ右に、この動きを単一の楕円進行経路として示す。
【００７４】
本発明において、駆動信号の各成分は同じ周波数を有しないため、２つの連続した振動サイクルの進行経路は同一にはならない。この結果、先端ヘッドは、線形でないことに加えて、経時的に向きが変わる振動を受ける。図１１の単一の楕円ループは実際には、閉じたループにはならない。図１１において、中央に位置する等号の右にある中央のプロットは、先端ヘッドが複数の振動サイクルに関わった後の先端ヘッド上のある点の経路を示す。図１１において、等号の右端にあるプロットは、先端ヘッドが更に多くの振動サイクルに関わった後の先端ヘッドの点の経路を示す。これらのプロットは、ある期間にわたって、先端ヘッド上の点、すなわち、歯における点が１つの面を張る（subtend）ことを示す。図１１の表面は元々曲がって見えるが、その表面は１以上の軸の周りで曲がる場合があることは理解されたい。先端ヘッドの点のこの動きにおいて暗示されるのは、連続した複数の振動サイクルにおいて、点の進行経路の向きが変化するということである。
【００７５】
システム３０は、出力される駆動信号が先端ヘッド１５８の所望の運動をもたらし続けるのを確実にするために、フィードバック制御プロセスに関わる。この制御を実行するために、ステップ１５４において、プロセッサ２７２は、ステップ３１６において、システム９６は、ハンドピースを流れる駆動信号の電圧ＶＳを監視する。これは、電圧測定回路２６２により生成された出力信号をプロセッサ２７２によって監視することである。この監視の一部として、プロセッサは電圧ＶＳを複数の成分に分ける。具体的には、電圧ＶＳは、駆動信号を構成する成分ごとに１つの成分に分けられる。本発明の説明対象の態様では、駆動信号は２つの成分を有する。それゆえ、電圧ＶＳは、第１成分の電位
【数２９】
0006623212.tif 000030
及び第２成分の電位
【数３０】
0006623212.tif 000031
に分けられる。本発明の幾つかのバージョンでは、プロセッサ２７２は、高速フーリエ変換により電圧ＶＳの成分をこのように分ける。
【００７６】
フィードバック制御の一部として、ステップ３１８において、プロセッサ２７２は、ハンドピースを流れる駆動信号電流である電流ｉＳを監視する。この監視は、電流測定回路２６６を用いて実行される。駆動信号電位と同様に、駆動信号電流は、駆動信号の成分ごとに１つの成分の、複数の成分からなる。したがって、ステップ３１８の一部として、プロセッサは、駆動信号電流を、第１成分特性電流
【数３１】
0006623212.tif 000032
及び第２成分特性電流
【数３２】
0006623212.tif 000033
に分ける。ステップ３１８において、プロセッサ２７２は、高速フーリエ変換を実行して、測定されたハンドピース電流ｉＳの、
【数３３】
0006623212.tif 000034
及び
【数３４】
0006623212.tif 000035
へのこのような分解を行う。
【００７７】
ステップ３２０において、プロセッサは、駆動信号の成分ごとに等価電流を求める。この等価電流は、測定されるのではなく、計算されるので、計算等価電流と呼ばれる場合もある。ステップ３２０において、式（１Ａ）を利用して、
【数３５】
0006623212.tif 000036
すなわち、駆動信号の第１成分の計算等価電流と、
【数３６】
0006623212.tif 000037
すなわち、駆動信号の第２成分の計算等価電流とが求められる。
【００７８】
計算電流
【数３７】
0006623212.tif 000038
及び
【数３８】
0006623212.tif 000039
を求めるために使用される変数は、駆動信号電位の各成分の各電位
【数３９】
0006623212.tif 000040
及び
【数４０】
0006623212.tif 000041
を含む。上記の計算された第１成分電流特性
【数４１】
0006623212.tif 000042
及び第２の成分電流特性
【数４２】
0006623212.tif 000043
は、ステップ３２０において行われる計算等価電流を求めるための入力変数でもある。計算等価電流をそれぞれ求める際の第３の変数は、駆動信号の当該成分の周波数特性である。駆動信号の第１成分の場合、これはω１であり、第２成分の場合、これはω２である。ステップ３２０において、それまでに生成された駆動信号の第１成分及び第２成分の周波数特性が、これらの変数として利用される。これは、本発明の少なくとも好ましい態様において、周波数特性の測定された表現及び計算された表現が、駆動信号の出力を調整するフィードバックデータとして利用されないことを意味する。
【００７９】
式（１Ａ）は、ハンドピースドライバ３６の更なる変数、すなわち、キャパシタンスＣ０を有する。プロセッサ２７２は、このキャパシタンスとして、ハンドピースメモリフィールド６４から読み出されたドライバキャパシタンスを利用する。
【００８０】
ステップ３２２において、駆動信号の第１成分の計算等価電流が、駆動信号の当該成分の目標等価電流と比較される。等価電流が目標等価電流未満である場合には、関連する振動モードにおける振動が先端ヘッド１５８の所望の運動を助長するのに十分な振幅にならない可能性が高いため、この比較が行われる。ハンドピースの機械的要素が晒される等価電流が目標等価電流より大きい場合には、先端ヘッド１５８は、施術者が望む振幅よりも大きい振幅の振動を受けている場合がある。
【００８１】
本発明の幾つかのバージョンでは、計算等価電流が目標電流の１０％以内である場合には、ハンドピースの機械的部分に印加される等価電流が所望の振動を助長している。あるいは、２つの電流が互いに５％以内、理想的には１％以内である場合には、電流は十分な大きさである。
【００８２】
２つの等価電流がほぼ等しい場合には、システム３０は、ハンドピースの機械的要素を流れる等価電流が、駆動信号の印加が正確な周波数で、関連する振動モードにおいて先端ヘッド５２に適切な振幅の振動をもたらしていると想定されるレベルの状態にある。システム３０がこの状態にある場合には、プロセッサ９６はステップ３２６に進む。
【００８３】
多くの場合、ステップ３２２における比較は、計算された機械的等価電流
【数４３】
0006623212.tif 000044
が目標電流
【数４４】
0006623212.tif 000045
にほぼ等しいというわけではないことを示す。システム３０がこの状態にあるとき、プロセッサ２７２は、ステップ３２４において、駆動信号の第１成分の電位特性をリセットする。より具体的には、プロセッサ２７２は、式（３）に基づいて、結果として、目標等価電流
【数４５】
0006623212.tif 000046
にほぼ等しい調整された電流がハンドピースの機械的要素を流れるようにする電位ＶＯＬＴＡＧＥ−ＣＯＭＰ１の値を計算する。ステップ３２４のこの計算は、ドライバキャパシタンスと、一定のままである駆動信号の周波数特性とに基づいて実行される。
【００８４】
ステップ３２６において、プロセッサ２７２は、駆動信号の第１成分の周波数特性が、駆動信号の当該成分の目標周波数にあるか、又はほぼ等しいかどうかを判断する。この判断は、第１成分の周波数特性の結果として、駆動信号の出力が先端ヘッドの所望の運動を助長することになっていることを確実するために行われる。ステップ３２６では、式（２Ｂ）の比を目標比と比較することによって、この判断が行われる。計算等価電流を生成するためにステップ３１８において使用された変数が、この比を生成するために使用される。この比を生成するために使用される残りの変数は、周波数成分の目標値である。これは、先端部メモリ１８４のフィールド２０２の変数ωＴＡＲＧＥＴ１である。係数ｍ１は、先端部メモリ１８４の係数フィールド２０４のものである。指数Ａは、比を変更するもの（ratio modifier）を生成する全ての計算について一定であり、同一であるとする。指数Ａが変化しうることも本発明の範囲内にある。
【００８５】
周波数特性は、場合によって、比が目標比の１０％以内にある場合に、目標周波数特性にほぼ等しいと見なされる。本発明の更に別のバージョンでは、比が目標比の５％以内である場合に、より好ましくは目標比の１％以内である場合に、ほぼ等しいと見なされる。
【００８６】
ステップ３２６の比較は、駆動信号の第１成分の周波数特性が、駆動信号の当該成分の目標周波数にあるか、ほぼ等しいことを示す場合がある。これは、駆動信号が、ドライバ４０の膨張・収縮を誘発しつつあり、結果として、所望のパターンにおいて先端ヘッドが動くことを意味する。システム３０がこの状態にある場合、プロセッサ２７２はステップ３３０の実行に進む。
【００８７】
ステップ３２６の評価において、駆動信号の第１成分の周波数特性の結果として、先端ヘッド運動に関して所望のパターンを誘発しない駆動信号の出力が生じていると判断される場合がある。プロセッサ２７２がこの判断を行う場合には、ステップ３２８において、プロセッサは、駆動信号の当該成分の周波数特性ＦＲＥＱ−ＣＯＭＰ１を調整する。式（２Ｂ）の左辺に関する比が負であるため、負の結果をもたらすステップ１６４の計算は、符号３２８において、駆動信号の第１成分の周波数特性が上げられるべきであるというプロセッサ２７２による指示として解釈される。ステップ３２６の計算が正の結果をもたらす場合には、プロセッサ２７２は、その結果を、先端ヘッドが所望の進行経路を通る可能性を高めるために、ハンドピースが、第１成分の周波数特性を下げる必要がある状態にあることを示していると解釈する。
【００８８】
ステップ３２６の実行後に、又は必要に応じてステップ３２８の実行後に、プロセッサはステップ３３０を実行する。ステップ３３０は、駆動信号の第２成分の計算等価電流と、この等価電流の目標との比較である。ステップ３３０はステップ３２２と実質的に同じである。ステップ３２２とステップ３３０との違いは、ステップ３３０では、計算された
【数４６】
0006623212.tif 000047
が目標電流
【数４７】
0006623212.tif 000048
と比較されるということである。２つの値がほぼ等しいとすれば、駆動信号の第２成分の電圧特性は調整されない。プロセッサはステップ３３４を実行する。
【００８９】
ステップ３３０において比較された２つの値が実質的に等しくない場合には、ステップ３３２において、プロセッサは、駆動信号の第２成分の電圧特性をリセットする。ステップ３３２の意味は、駆動信号の第１成分の電圧特性をリセットするためにステップ３２４における意味と実質的に同じである。ステップ３３２の一部として、プロセッサ２７２は、駆動信号の第２成分の電圧特性の任意のリセットに基づいて、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号をリセットする。駆動形態の特性も同様に変化する。
【００９０】
ステップ３３０、そして必要に応じて、ステップ３３２が実行された後に、ステップ３３４において、駆動信号の第２成分の周波数特性が評価される。この評価は、駆動信号の第１成分の周波数特性を評価するためにステップ３２６において使用されたのと同じプロセスを用いて実行される。ステップ３３４において、駆動信号の第２成分の変数が式（２Ｂ）に適用される。式（２Ｂ）のこの使用では、駆動信号の第２成分が適切な周波数特性を有するか否かを判断するために、比の変更成分において、先端メモリフィールド２１０の目標周波数ωＴＡＲＧＥＴ２  ｉｓが使用される。比の変更成分の係数として、先端部メモリのフィールド２０８の係数ｍ２が使用される。ステップ３３４の評価は、駆動信号の第２成分の周波数特性が目標周波数に十分に等しいことを示す場合がある。システム３０がこの状態にあるとき、プロセッサは、制御部が起動されたままであるか否かを判断するために、ステップ３１０に戻る。
【００９１】
あるいは、ステップ３３４の評価は、駆動信号の第２成分の周波数特性が目標周波数にほぼ等しいというわけではないということを示す場合がある。システム３０がこの状態にあるとき、プロセッサ２７６はステップ３３６において、この周波数特性をリセットする。
【００９２】
ステップ３３６の実行後、プロセッサはステップ３１０に戻る。このステップの実行時に、ステップ３１０の評価が、オン・オフスイッチが起動されたままであることを示す場合には、ステップ３１２が再び実行される。振動の大きさがそれまでの設定からリセットされるべきであることを示すコマンドを、施術者が入力する場合があるため、このステップが再び実行される。
【００９３】
駆動信号の各成分の周波数特性及び電圧特性がこれまでに設定されているため、制御ループの今回の実行において、ステップ３１４は実行されない。代わりに、以前に生成された駆動信号成分特性の組に基づいて、ステップ３１５が再び実行される。ステップ３１５が前回実行されてから、駆動信号成分の特性が変化した場合には、この結果として、プロセッサ２７６は新たなＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号を生成する。その後、制御コンソールは、それに応じて、駆動信号の各成分の特性に対してそれまでに計算された調整に基づいて特性が調整されている新たな駆動信号を出力することになる。
【００９４】
制御ループの後続の実行時に、駆動信号が先端ヘッド１５８の所望の運動を誘発しているか否かを判断するために、変数ω１及びω２として、駆動信号の各成分のリセットされた周波数特性が利用されることを理解されたい。
【００９５】
ハンドピースが停止することになる時点が必然的にある。施術者は、オン・オフスイッチを操作するのを止める。ステップ３１０において、このイベントが生じたと判断されると、プロセッサ２７６は、結果としてコンソール２４０の他の要素がハンドピースへの駆動信号の印加を終了するコマンドをアサートする（このステップは不図示）。
【００９６】
図示していないが、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の初期設定時及び後続の再調整時の両方において、プロセッサ２７２は、駆動信号が、ハンドピースメモリ５６及び先端部メモリ１８４の両方から読み出される境界特性によって制限されることを確実にする。これらの制限は、ハンドピースメモリのフィールド７０の最大駆動信号電圧に基づく駆動信号の電圧と、先端部メモリのフィールド１９１内の電圧データに基づく駆動信号の第１成分の電圧特性と、先端部メモリのフィールド１９３内の電圧データに基づく駆動信号の第２成分の電圧特性と、ハンドピースメモリのフィールド６６のデータに基づく駆動信号の最大電流と、ハンドピースメモリのフィールド６８のデータに基づくハンドピースへの最大等価電流と、先端部メモリのフィールド１９２のデータに基づく駆動信号の第１成分に関する最大等価電流と、先端部メモリのフィールド１９４のデータに基づく駆動信号の第２成分に関する最大等価電流とを制限することを含む。
【００９７】
駆動信号の周波数特性も、ハンドピースメモリ５６及び先端部メモリ１８４からそれぞれ読み出されたデータに基づいて、同様に設定される。このようにして、駆動信号の全体の境界を定めるために、ハンドピースメモリのフィールド７２及び７４のデータが使用される。先端部メモリのフィールド１９６及び１９８の周波数範囲データは、駆動信号の第１成分の周波数特性の周波数範囲を定める。先端部メモリのフィールド２０６及び２０８の周波数範囲データは、駆動信号の第１成分の周波数特性の周波数範囲を定める。
【００９８】
先に述べたように、本発明のシステム３０は、単一の振動サイクルにおいて、先端ヘッド上のある点がある線に沿って単純に往復運動しないように、先端ヘッド１５８を振動させるように構成される。代わりに、その点は非線形の経路に関わる。歯、すなわち、先端ヘッドの点が骨に当たって動くと、歯は骨に突き当たり、その直後に、骨と擦れ合う。骨に突き当たると、骨が砕かれ、組織の除去につながる。歯が骨と擦れ合った直後の動作により、除去されたばかりの物質が骨から取り除かれる。したがって、本発明のシステム３０が骨を除去する時点と、除去された組織を取り除く時点との間は短い。次の振動サイクルにおいて、比較的小量のデブリのみが存在する。これらのデブリを最小限に抑えることで、これらのデブリの存在が骨切除プロセスに悪影響を及ぼす程度も同様に小さくなる。
【００９９】
本発明のシステムが非線形運動において先端ヘッドの歯を駆動させるとき、単一のサイクルにおいて、歯の外周の基本的には全体が、先端ヘッドが当てられた組織に押し付けられる。組織に押し付けられた歯のこの運動は、結果として組織を所望のように削り取る、すなわち、除去する。単一の運動サイクルにおいて、基本的に歯の全表面が組織に押し付けられるので、各表面は少なくとも何らかの摩耗に晒される。したがって、本発明は、歯表面が明らかに不均一な摩耗を受ける程度を小さくする。個々の歯の不均一な摩耗を最小限に抑えることで、歯の切除効率が低下する程度が同様に抑えられると考えられる。これは、１つの手技において、先端部の歯の組の切除効率が、無用に、先端部を交換することが求められるレベルにまで劣化する可能性を小さくする。
【０１００】
さらに、単一の運動サイクルにおいて、基本的には、歯の各表面が組織に押し付けられるため、そのサイクルにおいて、歯の単一の表面が長時間にわたって組織に押し付けられることはない。これにより、長時間にわたっていると、表面が組織にそのように絶えず押し付けられた場合に生じる可能性のあった、歯表面の摩擦による加熱が抑えられる。この加熱の抑制は、この熱が、やむを得ず発生する場合であっても、先端ヘッドに隣接する組織を包囲する組織に損傷を与える可能性のある程度を小さくする。
【０１０１】
システム３０が、異なる周波数からなる複数の振動モードにおいて先端部を振動させることができることを更に理解されたい。このシステムとともに複数の先端部を使用することができ、その先端部は、２つのモードにおいて振動するときに、共通の周波数において振動する先端部に限られない。複数のモードにおいて振動するときに、共通の周波数において振動する先端部を提供しなければならないことに関連する大きな製造上の制約及びコストがある。これらの制約及びコストは通常、複数のモードにおいて振動するときに、異なる周波数において振動する先端部を提供する場合には無関係である。それゆえ、本発明のシステム３０は、製造面及び経済面の両方に関して、異なるモードにおいて同時に振動することができる異なる先端部を提供する実現可能性を高めるものである。
【０１０２】
本発明の更なる特徴は、施術者が先端ヘッドの非線形の経路を設定できることである。より具体的には、施術者によるこの経路の設定に応じて、プロセッサ２７６は、ステップ３０８において、振動モードごとに個々の最大等価電流ｉＳＥＬＥＣＴＭＡＸ−Ｘを設定する。１つの電流ｉＳＥＬＥＣＴＭＡＸ−Ｘを比較的大きくなるように設定し、第２の電流ｉＳＥＬＥＣＴＭＡＸ−Ｘを比較的小さくなるように設定することによって、結果として生じる駆動信号は、先端ヘッドの単一の運動サイクルにおいて、先端部が第１の振動経路に沿って相対的に大きな運動を受け、第２の振動経路において相対的に小さな運動を受けることになる信号となる。２つの振動モードに関する電流ｉＳＥＬＥＣＴＭＡＸ−Ｘをほぼ等しくなるように設定することによって、駆動信号は、結果として先端部が２つの異なる振動経路において変位に関してより同等である同時の運動を受けることができる運動をもたらすことになる。
【０１０３】
ときには、施術者が、先端シャフトの長手方向軸から大きく径方向に離間した組織に先端ヘッドを当てたい場合がある。そのように位置する組織において手技を実行するために、先端シャフトの長手方向軸に対して非対称に位置するヘッドを備えた先端部を提供することが望ましい。この非対称性によって、先端ヘッドは必然的に複数のモードにおいて振動する。通常、これらの振動モードは異なる周波数にある。本発明のシステム３０は、これらの複数のモードにおける振動を制御することによって、先端ヘッドが振動するときに、その運動が、予測可能であり、かつ結果として組織の効率的な除去につながる経路に沿っていることを確実にできるようにする。
【０１０４】
さらに、本発明に従って振動状態となる先端ヘッドは非線形のパターンにおいて動くため、各歯が、切除された組織を進行経路から押しのける傾向がある。このようにして組織を歯から取り除くことは、これらのデブリが後続の振動サイクルにおける組織切除の効率を低下させる程度を小さくする。
【０１０５】
上記の説明は、本発明のシステムの１つのバージョンに関する。本発明のシステムの他のバージョンは、これまでに説明したものとは異なる特徴を有する場合がある。例えば、本システムの幾つかの先端部は、３つ以上の振動モードを有する場合がある。このシステム構成の場合、駆動信号は３つ以上の成分を有することになる。これらの成分のうちの幾つかのための目標周波数特性は、同一ではなくても、互いに近い場合があることを更に理解されたい。同様に、ときには、ハンドピースの機械的要素に印加される等価電流は、駆動信号の複数の成分について、厳密にではないが、ほぼ同一である場合がある。
【０１０６】
システムの要素の構造は、説明されてきたものとは異なる場合がある。したがって、システムの幾つかのバージョンでは、コンソールの内部に、互いに同時に、かつ独立して動作する複数の信号発生器がある。プロセッサは、これらの信号発生器のそれぞれによって生成される信号の電圧及び周波数を調整する。より具体的には、プロセッサは、信号発生器が駆動信号の特定の成分を出力するように各信号発生器を制御する。これらの個々の成分は、ハンドピースドライバ３６に印加される駆動信号を生成するために、互いに加算される。
【０１０７】
本発明の幾つかのバージョンでは、ハンドピースに駆動信号を供給するアセンブリは、コンソール変圧器に印加される電圧を変更する増幅器を含まない場合がある。本発明のこれらのバージョンでは、駆動信号が基にする信号を供給するアセンブリは、可変電流源を含む。
【０１０８】
したがって、本発明の代替のバージョンにおいて、ハンドピースにかかる駆動信号の電位及びハンドピースを流れる電流の測定結果を与えるために、開示されたコイル２５６及び２６４以外のアセンブリが利用される場合があることを理解されたい。本発明の幾つかのバージョンでは、１以上の抵抗器回路網が、電圧及び電流のこれらの測定結果が決定される基となる信号を提供することができる。
【０１０９】
本発明の全てのバージョンにおいて、ドライバキャパシタンスは、ハンドピースと一体化されるメモリから読み出されたデータに基づく必要はない。本発明の代替のバージョンでは、プロセッサは、種々の周波数において駆動信号を出力し、駆動信号の電圧及び電流を測定することによって、ドライバのキャパシタンスを求める。
【０１１０】
本発明の幾つかのバージョンでは、周波数掃引を実行することに基づいて、プロセッサは、各振動モードの共振モード及び反共振モードを特定する。
【０１１１】
本発明の幾つかの構成では、先端ヘッド１５８のある点の進行経路は、あらゆる意図及び目的において、非線形であるが、その経路は線形な経路として現れることを理解されたい。
【０１１２】
図１１において、例示されている非線形経路は、基本的に楕円である経路と見なされる。これは例示であり、これに限定されないことを理解されたい。本発明の他の単一の振動経路は他の形状を有する場合がある。これらの形状は、基本的に円形及び基本的に三日月形の形状を含む。更に、非線形経路が互いに交差する経路を含むことも、本発明の範囲内にある。このタイプの経路の従来の形は８の字形の経路である。
【０１１３】
本発明の幾つかのバージョンでは、駆動信号の成分のうちの１以上の成分の電位は固定される場合がある。本発明のこれらのバージョンでは、ハンドピースの機械的要素に印加される等価電流は、その成分に関連する目標周波数の調整によって制御される。
【０１１４】
さらに、一般的に駆動信号の成分の周波数特性は異なるが、これはいつでも当てはまるとは限らない場合があることを理解されたい。ときには、先端部１５８にかけられる機械的な負荷のタイプに基づいて、駆動信号の２以上の成分の周波数特性が同一である場合がある。
【０１１５】
それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲に入る全てのそのような変更及び変形を包含することである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ．９Ｂ】
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【図１０Ａ】
0006623212.tif 000058
【図１０Ｂ】
0006623212.tif 000059
【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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