(57)【要約】コンソール２２を用いて超音波式外科用ツール２０を制御するシステム１０及び方法１２が提供される。第１駆動信号４０が超音波式外科用ツール２０に印加される。超音波式外科用ツール２０に第１駆動信号４０を印加することから生じる高調波信号４４の特性が取得される。高調波信号４４の特性に基づいてキャンセル信号７０が生成される。第１駆動信号４０及びキャンセル信号７０を合成して、正弦波である第２駆動信号８０を生成する。第２駆動信号８０を印加することから生じる高調波信号４４の存在が、第１駆動信号４０を印加することから生じる高調波信号４４の存在に比べて低減されるように、第２駆動信号８０が超音波式外科用ツール２０に印加される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波式外科用ツール（２０）を制御し、高調波信号（４４）の存在を低減する方法（１２）であって、
前記超音波式外科用ツール（２０）を第１駆動信号（４０）により駆動するステップと、
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第１駆動信号（４０）により駆動するステップにより生じる前記高調波信号（４４）の特性を取得するステップであって、前記特性は少なくとも前記高調波信号（４４）の周波数及び位相である、ステップと、
前記高調波信号（４４）の周波数と同様の周波数と、前記高調波信号（４４）の位相との関係でシフトされた位相とを有するキャンセル信号（７０）を生成するステップと、
前記第１駆動信号（４０）と前記キャンセル信号（７０）とを合成し、正弦波である第２駆動信号（８０）を生成するステップと、
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動するステップであって、前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動するステップにより生じる高調波信号（４４）の存在が、前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第１駆動信号（４０）により駆動するステップにより生じる高調波信号（４４）の存在に比べて低減される、ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記高調波信号（４４）の特性を取得するステップは更に、前記第１駆動信号（４０）に関する電流及び電圧のサンプルを生成するステップとして定められ、前記高調波信号（４４）の特性は、生成された前記電流及び電圧のサンプル内に存在するものである、請求項１に記載の方法（１２）。
【請求項３】
前記高調波信号（４４）の特性を取得するステップは更に、生成された前記電流及び電圧のサンプルの高速フーリエ変換を解析し、前記高調波信号（４４）の特性を求めるステップとして定められる、請求項２に記載の方法（１２）。
【請求項４】
前記高調波信号（４４）の特性を取得するステップは更に、生成された前記電流及び電圧のサンプルを用いて前記高調波信号（４４）を監視し、前記高調波信号（４４）が所定のレベルに達するまで前記超音波式外科用ツール（２０）に対する機械電流を増加させるステップとして定められる、請求項２又は３に記載の方法（１２）。
【請求項５】
前記キャンセル信号（７０）を生成するステップは更に、前記高調波信号（４４）の位相との関係で１８０度の任意の倍数だけシフトされた位相を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するステップとして定められる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法（１２）。
【請求項６】
前記特性は更に前記高調波信号（４４）の振幅を含み、前記キャンセル信号（７０）を生成するステップは更に、前記高調波信号（４４）の振幅以上の振幅を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するステップとして定められる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法（１２）。
【請求項７】
前記キャンセル信号（７０）を生成するステップは更に、前記高調波信号（４４）の振幅の２倍である振幅を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するステップとして定められる、請求項６に記載の方法（１２）。
【請求項８】
前記キャンセル信号を生成するステップは更に、前記キャンセル信号（７０）の振幅を調整し、前記キャンセル信号（７０）の振幅の調整が前記高調波信号（４４）にどのような影響を及ぼすかを監視し、前記キャンセル信号（７０）の振幅を、他の振幅に比べて前記高調波信号（４４）に対する最大のキャンセル効果を有する振幅として選択するステップとして定められる、請求項６又は７に記載の方法（１２）。
【請求項９】
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動するステップと、
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動するステップにより生じる第２の高調波信号の特性を取得するステップと、
取得された前記第２の高調波信号の特性に基づいて、第２のキャンセル信号を生成するステップと、
前記第２駆動信号と前記第２のキャンセル信号とを合成し、正弦波である第３駆動信号を生成するステップと、
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第３駆動信号により駆動するステップであって、前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第３駆動信号により駆動するステップにより生じる第２の高調波信号の存在が、前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動するステップにより生じる第２の高調波信号の存在に比べて低減される、ステップと
を更に含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法（１２）。
【請求項１０】
高調波信号（４４）の存在を低減するために超音波式外科用ツール（２０）を制御するコンソール（２２）であって、
前記超音波式外科用ツール（２０）を第１駆動信号（４０）により駆動し、
前記超音波式外科用ツール（２０）に前記第１駆動信号（４０）を印加することにより生じる前記高調波信号（４４）の特性を取得し、前記特性は少なくとも前記高調波信号（４４）の周波数及び位相であり、
前記高調波信号（４４）の周波数と同様の周波数と、前記高調波信号（４４）の位相との関係でシフトされた位相とを有するキャンセル信号（７０）を生成し、
前記第１駆動信号（４０）と前記キャンセル信号（７０）とを合成し、正弦波である第２駆動信号（８０）を生成し、
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動し、前記第２駆動信号（８０）の印加により生じる高調波信号（４４）の存在が、前記第１駆動信号（４０）の印加により生じる高調波信号（４４）の存在に比べて低減される、コンソール。
【請求項１１】
前記第１駆動信号（４０）に関する電流及び電圧のサンプルを生成することにより前記高調波信号（４４）の特性を取得するように更に構成され、前記高調波信号（４４）の特性は生成された前記電流及び電圧のサンプル内に存在するものである、請求項１０に記載のコンソール（２２）。
【請求項１２】
生成された前記電流及び電圧のサンプルの高速フーリエ変換を解析し、前記高調波信号（４４）の特性を求めることにより、前記高調波信号（４４）の特性を取得するように更に構成される請求項１１に記載のコンソール（２２）。
【請求項１３】
生成された前記電流及び電圧のサンプルを用いて前記高調波信号（４４）を監視し、前記高調波信号（４４）が所定のレベルに達するまで前記超音波式外科用ツール（２０）に対する機械電流を増加させるように更に構成される請求項１１又は１２に記載のコンソール（２２）。
【請求項１４】
前記高調波信号（４４）の位相との関係で１８０度の任意の倍数だけシフトされた位相を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するように更に構成される請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のコンソール（２２）。
【請求項１５】
前記特性は前記高調波信号（４４）の振幅をも含み、前記高調波信号（４４）の振幅以上の振幅を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するように更に構成される請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のコンソール（２２）。
【請求項１６】
前記高調波信号（４４）の振幅の２倍である振幅を有する前記キャンセル信号（７０）を生成するように更に構成される請求項１５に記載のコンソール（２２）。
【請求項１７】
前記キャンセル信号（７０）の振幅を調整し、前記キャンセル信号（７０）の振幅の調整が前記高調波信号（４４）にどのように影響を及ぼすかを監視し、他の振幅に比べて前記高調波信号（４４）に対する最大のキャンセル効果を有する前記キャンセル信号（７０）の振幅を選択することにより、前記キャンセル信号（７０）を生成するように更に構成される請求項１５又は１６に記載のコンソール（２２）。
【請求項１８】
前記超音波式外科用ツール（２０）を前記第２駆動信号（８０）により駆動し、
前記超音波式外科用ツール（２０）に前記第２駆動信号（８０）を印加することにより生じる第２の高調波信号の特性を取得し、
前記第２の高調波信号の特性に基づいて、第２のキャンセル信号を生成し、
前記第２駆動信号（８０）と前記第２のキャンセル信号とを合成し、正弦波である第３駆動信号を生成し、
前記第３駆動信号の印加により生じる第２の高調波信号の存在が、前記第２駆動信号（８０）の印加により生じる第２の高調波信号の存在に比べて低減されるように、前記超音波式外科用ツール（２０）に前記第３駆動信号を印加するように更に構成される請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のコンソール（２２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１５年７月１５日出願の米国仮特許出願第６２／１９２，８３８号の利益を主張するものである。この米国仮特許出願の全開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【０００２】
本発明は、概して、超音波式外科用ツールを制御するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、外科用ツールの動作により生じる望ましくない信号の存在を低減するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
超音波式吸引器等の超音波式外科用ツールは通常、超音波トランスデューサと、そのトランスデューサに接続され、組織に接する先端部とを有するハンドピースを備えている。外科用ツールにはコンソール又は発電部（generator）が接続され、特定の駆動信号をトランスデューサに出力することにより外科用ツールが制御される。外科用ツールは、組織を凝固させる等のために、開放術又は侵襲性が最小限の外科的手技において使用される。
【０００４】
多くの先端部・トランスデューサの組み合わせにおいて、トランスデューサは、ある周波数成分を有する正弦波駆動信号により駆動される。超音波式先端部は通常、単一の支配的な振動モード（例えば、縦モード）のみを有する周波数成分において動作するように設計される。
【０００５】
先端部の振動運動は、業界において機械電流（mechanical current）と呼ばれるものに直接的に関連する。機械電流がハンドピース電圧と同相であるときに、先端部は共振状態において動作する。トランスデューサは、ある周波数成分を有する正弦波信号で駆動されるので、ハンドピースへの電流は、結果として、ある周波数成分を有する正弦波である。
【０００６】
従来の超音波式先端部及びハンドピースの組み合わせによっては、必然的に、高調波歪みを引き起こす高調波信号を示すものがある。そのような高調波信号により、ハンドピースへの電流が、ハンドピースへの電圧に対して可変の位相シフトを示す場合がある。従来のシステムでは、ハンドピースへの電圧及び電流の両方において、相当の高調波歪みが存在する。高調波信号により、ハンドピースへの電圧及び電流が、高調波等の付加的な周波数成分を示し、それにより、電圧及び電流の波形が、乱れた正弦波になる。そのような高調波は、先端部の望ましくない振動を引き起こす。望ましくない振動は、外科用ツールの性能に悪影響を及ぼす。例えば、そのような望ましくない振動は、先端部にかかる応力を高め、ある特定の場所において望ましくない過度の熱を生じさせる。そのような望ましくない過度の熱は、疲労及び周囲組織の加熱に起因して、先端部の寿命を縮める。さらに、システムは、過度の熱から生じる温度上昇に起因して変化する先端部の音響特性の付加的な負荷効果を克服するために、より高い電圧において動作しなければならない。それにより今度は、望ましくない振動エネルギーがハンドピースから制御コンソールに返されるため、コンソールの性能が低下する。
【発明の概要】
【０００７】
したがって、本発明によれば、超音波式外科用ツールを駆動することにより生じる高調波信号の存在を低減するために、超音波式外科用ツールを制御するコンソールが提供される。本コンソールは、超音波式外科用ツールに第１駆動信号を印加するように構成される。本コンソールは、超音波式外科用ツールに第１駆動信号を印加することにより生じる高調波信号の特性を取得する。本コンソールは、高調波信号の特性に基づいて、キャンセル信号を生成する。本コンソールは、第２駆動信号を生成するために第１駆動信号とキャンセル信号とを合成する。第２駆動信号は正弦波である。第２駆動信号の印加により生じる高調波信号の存在が、第１駆動信号の印加により生じる高調波信号の存在に比べて低減されるように、本コンソールは、超音波式外科用ツールに第２駆動信号を印加するように構成される。
【０００８】
また、本発明によれば、超音波式外科用ツールを駆動することにより生じる高調波信号の存在を低減するために、超音波式外科用ツールを制御する方法も提供される。本方法は、超音波式外科用ツールを第１駆動信号により駆動するステップを含む。超音波式外科用ツールを第１駆動信号により駆動するステップにより生じる高調波信号の特性が取得される。本方法は、高調波信号の特性に基づいて、キャンセル信号を生成するステップを含む。第２駆動信号を生成するために第１駆動信号とキャンセル信号とが合成される。第２駆動信号は正弦波である。本方法は、超音波式外科用ツールを第２駆動信号により駆動することにより生じる高調波信号の存在が、超音波式外科用ツールを第１駆動信号により駆動することにより生じる高調波信号の存在に比べて低減されるように、超音波式外科用ツールを第２駆動信号で駆動するステップを含む。
【０００９】
さらに、本発明によれば、高調波信号の存在を低減するために、超音波式外科用ツールを制御する方法が提供される。高調波信号は、周波数、位相及び振幅を含む。本方法は、超音波式外科用ツールを第１駆動信号で駆動することと、超音波式外科用ツールを第１駆動信号で駆動することから生じる高調波信号の特性を取得することと、高調波信号の周波数と同様の周波数と、高調波信号の位相との関係で１８０度シフトされた位相と、高調波信号以上の振幅とを有するキャンセル信号を生成することとを含む。本方法は、超音波式外科用ツールを駆動するために第２駆動信号を出力することを更に含む。第２駆動信号は、正弦波であり、第１駆動信号とキャンセル信号との合成に基づくものである。
【００１０】
本システム及び方法は、有利な点として、高調波信号の存在を低減し、それにより、外科用ツールの振動から生じる高調波歪みを低減することができる。高調波信号の存在を低減することにより、本システム及び方法は、外科用ツール、すなわち、ハンドピースと先端部との組み合わせのインピーダンス、先端部の特有の振動変位を維持するために必要とされる電力及び電圧、先端部の加熱、コンソールに返されるエネルギー、及び／又は望ましくない（例えば、高調波）振動周波数を実効的に低減することができる。これらの変更により、外科用ツールの組織切除性能を向上させることができる。
【００１１】
さらに、高調波信号の悪影響を低減することによって、本システム及び方法は、多くの場合に高調波歪みを示す、種々のタイプ及び形状の超音波式ツール及び先端部を使用する多用途性を高める。本システム及び方法は更に、切断性能を高めるために、先端部の２つの異なる共振モードを同時に制御（例えば２モード制御）できるようにする。
【００１２】
以下の説明を読んだ後に、本発明の理解が進むので、本発明の他の特徴及び利点が容易に認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態によるコンソール及び超音波式外科用ツールの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるコンソール及び外科用ツールの構成要素のブロック図である。
【図３】一例による、コンソールから外科用ツールに印加される第１駆動信号の出力の波形を示すグラフである。
【図４】一例による、外科用ツールのハンドピース及び先端部の組み合わせの電気機械回路モデルの一例を示す図である。
【図５】高調波キャンセル方法を適用する前の、図３の第１駆動信号から生じるハンドピースの電圧及び電流の波形のグラフである。
【図６】図５のハンドピース電圧の波形の高速フーリエ変換の図である。
【図７】図５のハンドピース電流の波形の高速フーリエ変換の図である。
【図８】回路の各分岐内の電流に対する、第１駆動信号を印加することから生じる、基本駆動周波数と、高調波信号の高調波周波数とのそれぞれの寄与を更に示す、図４の電気機械回路モデルの図である。
【図９】本発明の一実施形態による、超音波式外科用ツールを図３の第１駆動信号で駆動することから生じる高調波信号の存在を低減するために、超音波式外科用ツールを制御する方法の流れ図である。
【図１０】基本周波数成分及び高調波周波数成分を示す、ハンドピース電流の高速フーリエ変換の波形のグラフである。
【図１１】基本周波数成分及び高調波周波数成分を示す、ハンドピース電流の波形のグラフである。
【図１２】図１１のハンドピース電流の基本周波数成分の波形を分離したグラフである。
【図１３】図１１のハンドピース電流の高調波周波数成分の波形を分離したグラフである。
【図１４】図１３の高調波周波数成分を低減するように構成されるキャンセル信号の波形のグラフである。
【図１５】図１２の基本周波数成分（第１駆動信号）と、図１４のキャンセル信号との合成に基づいて生成された、コンソールから印加される第２駆動信号の出力の波形を示すグラフである。
【図１６】図１８のハンドピース電圧の波形の高速フーリエ変換の図である。
【図１７】図１８のハンドピース電流の波形の高速フーリエ変換の図である。
【図１８】高調波キャンセル方法を適用した後の図１５の第２の駆動信号から生じるハンドピースの電圧及び電流の波形のグラフである。
【図１９】ハンドピース及び先端部の組み合わせを制御する重要なパラメータに及ぼす本発明の方法の有利な効果を実証する表である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ｉ．システム概要
図を参照すると、幾つかの図を通して類似の数字が類似の又は対応する部分を示しており、超音波式外科用ツール２０を駆動することから生じる高調波信号の存在を低減するために、超音波式外科用ツール２０を制御するためのシステム１０及び方法１２の態様が全体を通して示される。
【００１５】
図１に示すように、システム１０は、超音波式外科用ツール２０と、超音波式外科用ツール２０を制御するためのコンソール２２とを有する。外科用ツール２０はコンソール２２に接続される。外科用ツール２０の例は、限定はされないが、医療用デバイスを含み、限定はされないが、超音波式吸引器、超音波シーラー、超音波カッタ等を含む。
【００１６】
外科用ツール２０はハンドピース２１を有する。図２に示すように、ハンドピース２１内にトランスデューサ２４が収容される。トランスデューサ２４は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するのに適した、圧電セラミック要素等の任意の適切な要素又は構成要素を備えたものとすることができる。外科用ツール２０は、組織に関与するように構成される遠位端を有する先端部２６を更に有する。組織への関与の例として、組織の切断及び／又は組織の封止が挙げられる。先端部２６はトランスデューサ２４に接続することができる。
【００１７】
外科用ツール２０は様々な交換可能な先端部２６を利用することができる。先端部２６は、ハンドピース２１に永続的に又は着脱可能に固定することができる。先端部２６は、任意の適切な機能及び構成を有することができ、例えば、軟組織切除の先端部及び細骨切断（fine bone dissection）の先端部を含むことができる。好ましい先端部２６の例は、限定はされないが、軟組織用のＳｔｒｙｋｅｒ（商標）  Ｓｔｒａｉｇｈｔ（商標）、Ｓｔｒｙｋｅｒ（商標）  Ｂａｒｒａｃｕｄａ（商標）、及び硬組織用のＳｔｒｙｋｅｒ（商標）  Ｃｌａｗ（商標）、Ｓｔｒｙｋｅｒ（商標）  Ｋｎｉｆｅ（商標）、Ｓｔｒｙｋｅｒ（商標）  Ｐａｙｎｅｒ（商標）を含む。
【００１８】
一実施形態において、コンソール２２は、メモリ２８と、コントローラ３０と、増幅器３２とを有する。メモリ２８は、外科用ツール２０を制御するための関連するデータを記憶するように構成される。メモリ２８は、不揮発性メモリ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の任意の適切なタイプのメモリとすることができる。コンソール２２は、外科用ツール２０の制御を助けるために、メモリ２８に記憶される任意の適切なファームウェア又はソフトウェアを有することができる。コントローラ３０はメモリ２８に接続される。コントローラ３０は、メモリ２８に記憶された命令を実行するための１つ以上のプロセッサを含むことができる。コントローラ３０は、外科用ツール２０に信号を出力するための増幅器３２と通信する。増幅器３２は、一実施形態においては線形増幅器である。
【００１９】
コントローラ３０は、サンプリングモジュール３４、信号発生部３６及び信号合成部３８と通信することができる。図２において、サンプリングモジュール３４、信号発生部３６及び信号合成部３８は、コントローラ３０の一部であるか、又はコントローラ３０と一体に構成される。あるいは、サンプリングモジュール３４、信号発生部３６及び信号合成部３８のいずれか１つ又はその組み合わせを、コントローラ３０から物理的に独立しているものとなるように、コントローラ３０の物理的に外部に設けることができる。さらに、場合によっては、サンプリングモジュール３４、信号発生部３６及び信号合成部３８のいずれかを、同じ構成要素により一体に構成されるか、又は同じソフトウェアによって実施されるように組み合わせることができる。サンプリングモジュール３４は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール３７と通信することができ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）モジュール３７を含むものとすることができる。
【００２０】
サンプリングモジュール３４、信号発生部３６、ＦＦＴモジュール３７及び信号合成部３８のいずれも、実行可能な命令を含むことができる。この実行可能な命令は、１つ以上のプロセッサにより実行されるためにコンソール２２のメモリ２８に記憶される。サンプリングモジュール３４、信号発生部３６、ＦＦＴモジュール３７及び信号合成部３８の機能は以下に詳細に説明する。
【００２１】
ＩＩ．第１の駆動信号及び高調波信号
コンソール２２は、超音波式外科用ツール２０に対して、より具体的にはトランスデューサ２４に対して第１の駆動信号４０を印加するように構成される。トランスデューサ２４は、第１の駆動信号４０の電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。第１の駆動信号４０は、第１の駆動信号４０を増幅させる、コンソール２２内の増幅器３２から出力される。第１の駆動信号４０は低電圧である。例えば、第１の駆動信号４０の電圧は０ＶＡＣ〜１００ＶＡＣであり、より具体的には、０ＶＡＣ〜１０ＶＡＣであり、更に具体的には、０ＶＡＣ〜５ＶＡＣである。増幅器３２は、所望の機械電流を維持するために、必要に応じて、第１の駆動信号４０の電圧を１０００ＶＡＣまで増幅させる。外科用ツール２０のコンソール２２は、操作者が第１の駆動信号４０を選択的に制御できるようにする任意の適切なスイッチ又はボタンを含むものとすることができる。
【００２２】
図３に、１つの特定のハンドピース２１に対する第１駆動信号４０の一例を示す。このハンドピース２１は、鋭角ジョイント部（sharp angle joint）と、微小ストレート先端部（micro straight tip）２６とを有する。微小ストレート先端部２６は、８０ｍＡの機械電流において空中（in air）で２５．５ｋＨｚの電圧正弦波駆動信号で駆動される。具体的には、図３は第１の駆動信号４０の電圧出力である。第１の駆動信号４０は正弦波形を有する。言い換えると、第１の駆動信号４０は、滑らかな繰返しの振動を示す波形を有する。したがって、第１の駆動信号４０はパルス波又は矩形波ではない。第１の駆動信号４０の波形の正弦性は、先端部２６内に超音波振動を与えるのに重要である。第１の駆動信号４０の正弦波形は、第１の駆動信号４０の波長λ１に関連する周波数成分を含む。その周波数成分は、基本（第１高調波）駆動周波数４１の成分である。基本駆動周波数４１の成分は、所望の共振周波数としても知られている場合がある。この例において、基本駆動周波数４１の成分は２５．５ｋＨｚである。基本駆動周波数４１の成分は、例えば、２５ｋＨｚ〜５５ｋＨｚの範囲内の周波数を含む、任意の適切な周波数とすることができることは、当業者は認識されよう。第１の駆動信号４０は、位相「Ｐ１」及び振幅「ａ１」を更に有する。コンソール２２は、信号発生部３６を用いて、第１の駆動信号４０を生成するように構成される。
【００２３】
第１の駆動信号４０は、幾つかの特性を含む。第１の駆動信号４０の特性は一般に、第１の駆動信号４０の波形に関連する。第１の駆動信号４０の任意の特性は、時間領域又は周波数領域に基づく特性とすることができる。例えば、図３に示すような時間領域に関して、第１の駆動信号４０の特性は、波長λ１、位相「Ｐ１」及び振幅「ａ１」のうちの少なくとも１つを含むことができる。図６及び図７に示すような、以下に示す周波数領域に関して、例えば、第１の駆動信号４０の特性は、第１の駆動信号４０の周波数、大きさ及び位相のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、周波数は基本駆動周波数４１の成分である。第１の駆動信号４０の特性は、あらかじめ決定される場合があるか、又は既知である場合がある。あるいは、第１の駆動信号４０の特性を測定する場合がある。例えば、第１の駆動信号４０の特性は、以下に説明するように、第１の駆動信号４０を印加することに関連する電流又は電圧の測定値から導き出すことができる。第１の駆動信号４０の任意の特性を、時間領域のパラメータ及び周波数領域のパラメータから個別に、又は組み合わせて導出できることは当業者には認識されよう。
【００２４】
図４に、ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせの電気機械回路モデルの一例を示す。図４において、ＶＳは、コンソール２２からの出力駆動電圧（電圧源）である。以下において、出力駆動電圧をハンドピース電圧ＶＨＰとも呼ぶ。図４において、ＲＳはコンソールの直列抵抗である。ＲＳに流れる電流は、供給元電流ｉＳであり、以下においてハンドピース電流ｉＨＰとも呼ぶ。ハンドピース電流ｉＨＰは、ハンドピース２１のインピーダンスによって決定することができる。このインピーダンスは、ハンドピース２１の１つ以上の特徴から導き出すことができる。例えば、インピーダンスは、先端部２６の負荷、ハンドピース２１の音響特性、切除される組織の音響特性、トランスデューサ２４の特性、ハンドピース２１の振動等に起因する。
【００２５】
図４に示すように、静的なハンドピースのキャパシタンスはＣｏであり、静的なキャパシタンスＣｏに流れる電流はｉｃｏである。振動共振モードは、直列のＲｍ、Ｌｍ及びＣｍによって表される。ただし、ｉｍは所望の機械電流を表す。所望の機械電流ｉｍは、ハンドピース２１にかかる負荷によって誘発される。先端部２６の振動運動は、所望の機械電流ｉｍに直接的に関連する。先端部２６の振動による変位は、機械電流ｉｍが増加するにつれて増加する。先端部２６は、所望の機械電流ｉｍがハンドピース電圧ＶＨＰと同相であるときに共振状態において作動する。
【００２６】
図４のモデルは、標準的なバターワース・バンダイク（Butterworth-VanDyke）モデルに基づくが、一般的な構成要素Ｘとモデルに及ぼすその影響とを取り込むことによって改善される。一般的な構成要素Ｘは、外科用ツール２０、より具体的には、ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせに第１駆動信号４０を印加することによる高調波信号４４を生じさせる理論的な構成要素である。高調波信号４４は、基本駆動周波数４１の成分の２次高調波、３次高調波若しくは４次高調波等の、より高次の任意の高調波、又はその任意の組み合わせを含むことができる。高調波信号４４は、高調波歪みの原因であるため、一般に望ましくない信号である。以下において、高調波信号４４の周波数は、高調波周波数４３の成分と呼ぶ。高調波信号４４は、必然的に、ハンドピース２１及び先端部２６の特定の組み合わせに基づいて生じている場合がある。場合によっては、高調波信号４４は、先端部２６の最小閾値の変位がなされるまで現れない。このような挙動は、非線形挙動と見なされる。一般的な構成要素Ｘに流れる電流ｉｘは、望ましくない機械電流を表す。モデルの幾つかのバージョンにおいて、一般の構成要素Ｘは、所望の機械電流ｉｍによって決まるか、又は所望の機械電流ｉｍに関連する振動電流源とすることができる。
【００２７】
図５に、本明細書において説明される高調波キャンセル方法１２を適用する前の、ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰの波形と、ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰの波形に及ぼす高調波信号４４の例示的な影響とを示す。第１の駆動信号４０は正弦波であり、ある信号周波数成分を有するので、ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰは、結果として正弦波であり、ある信号周波数成分を有する。この場合、基本駆動周波数４１の成分は、高調波周波数４３の成分を伴うため、ハンドピース電流ｉＨＰの波形は、ハンドピース電圧ＶＨＰに対して可変の位相シフトφを示す。ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰは、複数の周波数成分を示すので、その波形は純粋な正弦波ではない。ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰは、とりわけ、利用される具体的な先端部２６に応じて異なる。
【００２８】
図６及び図７に、図５のハンドピース電圧ＶＨＰ及びハンドピース電流ｉＨＰの波形ごとのそれぞれの高速フーリエ解析を示す。この解析は、図５に示したように、観測された歪みの最も大きな原因となる一つの周波数（又は複数の周波数）を特定するものである。この例において、ＦＦＴ解析により、基本駆動周波数４１の成分（すなわち２５．５ｋＨｚ）が、高調波信号４４の付加的な高調波周波数４３の成分（例えば、５１ｋＨｚ）を伴うことが明らかである。高調波信号４４は、結果として生じる高調波歪みの原因である。ハンドピース電圧ＶＨＰの場合、高調波周波数４３の成分は、基本駆動周波数４１の成分の大きさの４０％を超える大きさを示す。ハンドピース電流ｉＨＰの場合、高調波周波数４３の成分は、基本駆動周波数４１の成分の大きさの９０％を超える大きさを有する。図６及び図７は、高調波周波数４３の成分の一例を示すものであることを理解されたい。したがって、高調波周波数４３の成分は、図６及び図７の高調波周波数とは異なる場合があり、異なる大きさを有する場合がある。
【００２９】
データを更に解析すると、ハンドピース電圧ＶＨＰ及びハンドピース電流ｉＨＰの波形における高調波信号４４間の位相角θが１０３度であることが明らかになる。この位相角θは９０度より大きく、それは負の力率（power factor）を与え、（コンソールが５１ｋＨｚにおいて電力を生成する代わりに）ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせが５１ｋＨｚにおいて電力を生成することを示す。この場合、２５．５ｋＨｚの振動は、ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせの非線形振動の挙動に起因して５１ｋＨｚの振動を誘発する。５１ｋＨｚの振動は、トランスデューサ２４内の圧電要素を動かし、それにより、機械エネルギーのうちの一部を５１ｋＨｚの電気エネルギー、すなわち、高調波周波数４３の成分に変換する。
【００３０】
図８に、図４の回路の各分岐内の電流に対する、基本駆動周波数４１の成分及び高調波周波数４３の成分のそれぞれの寄与を示す。この寄与は、Ｃｏのインピーダンスに対してＲｍの値が低いという仮定と、Ｒｍ、Ｌｍ、Ｃｍの直列インピーダンスが高調波周波数４３の成分において相対的に高いインピーダンスを有するという仮定とに基づく。図８において、基本駆動周波数４１の成分及び高調波周波数４３の成分はそれぞれ、ハンドピース電流ｉＨＰに大きく寄与する。基本駆動周波数４１の成分は、静的キャパシタンスＣｏに流れる電流ｉｃｏ及び所望の機械電流ｉｍに大きく寄与する。これに対し、高調波周波数４３の成分は、静的キャパシタンスに流れる電流ｉｃｏ及び所望の機械電流ｉｍに実質的に寄与しない。さらに、望ましくない機械電流ｉｘに関して、基本駆動周波数４１の成分は実質的に寄与しないのに対し、高調波周波数４３の成分は大きく寄与する。したがって、このモデルによれば、ハンドピース電流ｉＨＰ内に存在する高調波信号４４は、一般の構成要素Ｘに流れる望ましくない機械電流ｉｘの存在に直接的に関係する。
【００３１】
ＩＩＩ．第２の駆動信号と高調波信号の低減
システム１０及び方法１２は、上述の高調波信号４４の存在を低減するものである。図９に示すように、方法１２は、ステップ２００において、超音波式ツール２０に第１駆動信号４０を印加することを含むことができる。ステップ２０２において、超音波式外科用ツール２０に第１駆動信号４０を印加することにより生じる高調波信号４４の少なくとも１つの特性が取得される。ステップ２０６において、取得された高調波信号４４の特性に基づいて、キャンセル信号７０が生成される。ステップ２０８において、コンソール２２が、第１の駆動信号４０とキャンセル信号７０とを合成し、第２の駆動信号８０を生成する。第２の駆動信号８０は正弦波である。ステップ２１０において、コンソール２２は、第２駆動信号８０を超音波式外科用ツール２０に印加する。第２駆動信号５０を印加することにより生じる高調波信号４４の存在は、第１駆動信号４０を印加することにより生じる高調波信号４４の存在に比べて低減される。この方法１２の具体的なステップを以下に詳細に説明する。
【００３２】
コンソール２２は、ステップ２０２を実行して、高調波信号４４の特性を取得する。高調波信号４４の特性は、時間領域又は周波数領域に基づく特性とすることができる。例えば、時間領域に関して、高調波信号４４の特性は、波長λ２、位相「Ｐ２」及び振幅「ａ２」のうちの少なくとも１つを含むことができる（図１３を参照）。周波数領域に関して、以下に説明する図６及び図７に示すように、例えば、高調波信号４４の特性は、高調波信号４４の周波数、大きさ及び位相のうちの少なくとも１つを含むことができる。例えば、高調波信号４４の周波数は高調波周波数４３の成分であり、より具体的には、第２の高調波周波数（例えば５１ｋＨｚ）である。高調波信号４４の任意の特性が、時間領域及び周波数領域から個別に、又は組み合わせて取得できることは、当業者は認識されよう。
【００３３】
上記のように、第１の駆動信号４０の特性はあらかじめ決定される場合があるか、又は既知である場合がある。したがって、第１の駆動信号４０の特性及び高調波信号４４の特性は、別の時点において決定することができる。あるいは、又はこれに加えて、第１の駆動信号４０の特性が未知である場合には、コンソール２２はステップ２０２を実行して、第１の駆動信号４０の特性を更に取得することができる。言い換えると、第１の駆動信号４０の特性及び高調波信号４４の特性は、同時に、又は別々の時点において決定することができる。
【００３４】
一実施形態において、コンソール２２は、１つには、第１の駆動信号４０の印加に関連する電流及び電圧のサンプルを生成することによって、高調波信号４４の特性を取得する。より具体的には、電圧サンプルはハンドピース電圧ＶＨＰに基づき、電流サンプルはハンドピース電流ｉＨＰに基づく。高調波信号４４の特性は、高調波信号４４の波形に関連する。それゆえ、高調波信号４４の特性は、電流及び電圧のサンプル内に存在し、そのサンプルから抽出することができる。
【００３５】
一例において、コンソール２２は、測定するか、又は既知の静的キャパシタンス値Ｃｏから開始することにより、高調波信号４４の特性を取得する。第１の駆動信号４０の基本周波数４１の成分のための電圧及び電流の両方の大きさ及び位相はあらかじめ決定されるか、又は既知であり、メモリ２８からアクセスすることができる。この情報がわかると、コンソール２２は、ハンドピース２１及び先端部２６を、基本周波数４１の成分（例えば、２５．５ｋＨｚ）において相対的に低い振動レベルに設定されるような第１の駆動信号４０で駆動する。コンソール２２は、共振を監視するトラッキングアルゴリズムを使用することによって、基本周波数４１の成分においてハンドピース２１及び先端部２６を駆動し続けることができる。トラッキングアルゴリズムは、コントローラ３０によって実行される。コントローラ３０は、ハンドピース２１及び先端部２６が振動するのに応じて、それらの共振を絶えず測定し、及び／又は計算する。トラッキングアルゴリズムは、測定された共振が所望の共振から外れる場合には、設計された共振を達成するために適切な調整を行うように構成される。トラッキングアルゴリズムは、外科用ツール２０の動作中に絶えず実施することができる。任意の適切なトラッキングアルゴリズムを実施できることは当業者には認識されよう。
【００３６】
コンソール２２は、サンプリングモジュール３４を用いて、第１の駆動信号４０を印加することにより生じる電流及び電圧のサンプルを取得する。コンソール２２は、例えば、上記の図５において示したような、ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰをサンプリングすることによって、電流及び電圧サンプルを取得する。あるいは、コンソール２２は、ハンドピース２１及び先端部２６のインピーダンスを監視し、及び／又はサンプリングし、電流及び電圧サンプルを導き出すことができる。コンソール２２は、アナログ／デジタル変換デバイス等を用いて、更なる解析のために電流及び電圧サンプルを変換する。コンソール２２は、第１の駆動信号４０及び／又は高調波信号４４をサンプリングするか又はその特性を解析するために、図５に示したような波形を生成する必要がないことを当業者は理解されたい。代わりに、バイナリ値等の非視覚的データに基づいて、サンプルを生成し、解析することができる。コンソール２２は、外科用ツール２０への第１駆動信号４０の印加中に、又は印加後にサンプルを取得することができる。取得されたサンプルは、コントローラ３０がサンプル取得後の任意の適切な時点においてサンプルにアクセスすることができるように、メモリ２８に記憶することができる。
【００３７】
コンソール２２は、サンプルを解析して、高調波信号４４の特性を取得する。高調波信号４４の特性を取得することによって、コンソール２２は、ハンドピース電流ｉＨＰ及びハンドピース電圧ＶＨＰの両方において（例えば、第２の高調波周波数４３における）歪みを測定することができる。一例において、コンソール２２は、ＦＦＴ解析技法を用いて、高調波信号４４の特性を取得する。ここで、コンソール２２、より具体的には、ＦＦＴモジュール３７は、電流及び電圧サンプルのＦＦＴを実行する。コンソール２２は、任意の駆動信号の印加中に電流及び電圧サンプルをリアルタイムに取得し、処理することができる。
【００３８】
図１０に、サンプリングされたハンドピース電流ｉＨＰのＦＦＴの一例を示す。２５．５ｋＨｚ及び５１ｋＨｚの周波数成分は、スペクトルの他の部分に比べて振幅が大きいことが示されている。コンソール２２が、サンプルに基づいて、測定された歪みがかなり小さいと判断した場合は、コンソール２２は、許容できない高調波振動が生じるまで、機械電流ｉｍを増加させ続けることができる。ここで、コンソール２２は、高調波周波数４３の成分（第２の高調波）の振幅が基本駆動周波数４１の成分すなわち２５．５ｋＨｚの振幅と概ね同程度になるまで、機械電流ｉｍを増加させる。
【００３９】
高調波信号４４の特性は、上記の図６及び図７に基づいて更に理解することができる。これらの図に、説明された例においてＦＦＴを実行した結果を表すグラフを示す。簡単にするために、図６及び図７の内容は繰り返さない。ＦＦＴが変換を示すデータをもたらすことができ、それゆえ、高調波信号４４の特性を取得するために、図６、図７及び図１０に示すようなグラフを生成する必要はないことを、当業者は理解されよう。したがって、ある特定の実施形態において、電流及び電圧波形のＦＦＴは、第２の駆動信号８０を能動的に生成するために実行され、それゆえ、ＦＦＴは診断のためだけに使用されるわけではない。
【００４０】
高調波信号４４の特性を判断するために、コンソール２２は更に、第１の駆動信号４０の特性と高調波信号４４の特性を比較することができる。一例において、コンソール２２は、第１の駆動信号４０の位相Ｐ１と高調波信号４４の位相Ｐ２との差を求める。あるいは、コンソール２２は、基本周波数４１の成分におけるハンドピース電圧ＶＨＰの位相と高調波周波数４３の成分におけるハンドピース電流ｉＨＰの位相との差を求める。言い換えると、コンソール２２は、第１の高調波周波数におけるハンドピース電圧ＶＨＰに対する第２の高調波周波数におけるハンドピース電流ｉＨＰの位相を求める。第１の高調波周波数におけるハンドピース電圧ＶＨＰに対する、第２の高調波周波数におけるハンドピース電流ｉＨＰの位相は、位相角としても知られる。
【００４１】
これを行うために、コンソール２２は、ハンドピース電圧ＶＨＰ及びハンドピース電流ｉＨＰの少なくとも一方に関して、高調波周波数４３の成分から基本周波数４１の成分を分離する。例として、図１１に、図５に示したハンドピース電流ｉＨＰに類似の、サンプリングされたハンドピース電流ｉＨＰを示す。サンプリングされたハンドピース電流ｉＨＰの波形は、２つの周波数成分、すなわち、基本周波数４１の成分及び高調波周波数４３の成分を含む。
【００４２】
図１２に、ハンドピース電圧ＶＨＰから抽出された基本周波数４１の成分の波形を示す。とりわけ、この例において、図１２の波形は、図３の第１の駆動信号４０の供給元波形と同一である。すなわち、分離された基本周波数４１の成分を含む波形は、第１駆動信号４０を印加することにより生じる高調波信号４４がもたらされる前の第１駆動信号４０の供給元波形と同等である。
【００４３】
図１３に、図１１のハンドピース電流ｉＨＰから抽出された高調波周波数４３の成分を分離した波形を示す。したがって、図３は、第１駆動信号４０を印加することにより生じる、分離された高調波信号４４を示すものである。図示されるように、高調波信号４４は、高調波信号４４の波長λ２に関連する周波数成分を含む正弦波形を有する。また、高調波信号４４は、位相「Ｐ２」及び振幅「ａ２」をも有する。
【００４４】
一実施形態において、コンソール２２は、位相角を計算することにより、基本周波数４１の成分におけるハンドピース電圧ＶＨＰの位相と、高調波周波数４３におけるハンドピース電流ｉＨＰの位相との差を求める。この例では、ハンドピース電圧ＶＨＰ及びハンドピース電流ｉＨＰの具体的な周波数、位相及び振幅を用いて、コンソール２２は、以下の式から位相角を計算する。
【数１】
2018520788.tif 000002
【００４５】
ここで、コンソール２２は、ハンドピース電流ｉＨＰの高調波周波数４４（５１．５ｋＨｚ）が、基本周波数４１の成分（２５．５ｋＨｚ）におけるハンドピース電圧ＶＨＰに対して−９０度だけ位相がずれていると判断する。位相が−９０度だけずれていると判断すると、コンソール２２は、キャンセル信号７０を調整できるようになる。主に、高調波信号４４の振幅を数学的にキャンセルするために、キャンセル信号７０の位相は、高調波信号４４の位相に対して１８０度シフトされる。キャンセル信号７０は、第１駆動信号４０に関連する。キャンセル信号７０の電流は、必然的に、キャンセル信号７０の電圧と同相である。判明した高調波電流の波形は、第１駆動信号４０から９０度だけシフトされる。キャンセル信号７０により高調波信号４４をキャンセルするために、キャンセル信号７０は、第１駆動信号４０に対して逆の方向に９０（−９０）度だけシフトされる。結果として、キャンセル信号７０の位相は、高調波信号４４の位相に対して１８０度シフトされる。
【００４６】
方法１２は、ステップ２０６において、高調波信号４４の特性に基づいて、コンソール２２においてキャンセル信号７０を生成することを含む。キャンセル信号７０は、高調波信号４４の存在を低減し、それにより、高調波信号４４の影響を最小化するように構成される。一実施形態において、キャンセル信号７０は、高調波信号４４の存在を低減することに関して最も高い効果を有するものとなるように作られる。実際には、キャンセル信号７０は、望ましくない機械電流ｉｘの１つ以上の特性に基づく。したがって、キャンセル信号７０は、望ましくない機械電流ｉｘ内の高調波信号４４の存在を最小化する。言い換えると、本明細書において説明される例において、キャンセル信号７０は、第２の高調波周波数４３の成分における望ましくない機械電流ｉｘを最小化し、それにより、ハンドピース電流ｉＨＰの高調波歪みを最小化する。コンソール２２は、信号発生部３６を用いて、キャンセル信号７０を生成する。生成されたキャンセル信号７０に関連するデータをメモリ２８に記憶することができる。
【００４７】
図１４に、キャンセル信号７０の波形の一例を示す。図示されるように、キャンセル信号７０は、キャンセル信号７０の波長λ３に関連する周波数成分を含む正弦波形を有する。また、キャンセル信号７０は、位相「Ｐ３」及び振幅「ａ３」をも有する。
【００４８】
一実施形態において、コンソール２２は、高調波信号４４の周波数に基づいて、キャンセル信号７０を生成する。例えば、キャンセル信号７０の周波数は、高調波信号４４を最小化するように定めることができる。より具体的には、コンソール２２は、キャンセル信号７０の周波数が高調波信号４４の周波数に類似のものとなるようにキャンセル信号７０を生成する。その場合、図１４のキャンセル信号７０の波長λ３は、図１３の高調波信号４４の波長λ２と同じである。より具体的には、この例において、キャンセル信号７０の周波数は、高調波信号４４について求められた周波数である５１ｋＨｚに設定される。高調波信号４４と同じ周波数を有することによって、キャンセル信号７０は、基本周波数４１の成分に影響を及ぼすことなく、又はそうでなくても他の望ましくない周波数をもたらすことなく、高調波周波数４３の成分の影響を低減するために、高調波周波数４３の成分を直接の対象とする。キャンセル信号７０の周波数が、高調波周波数４３の成分に厳密には等しくないが、類似である場合があることを、当業者は認識されよう。例えば、キャンセル信号７０の周波数は、高調波信号４４の残存効果を考慮するために、高調波周波数４３よりも数百ヘルツ大きいか、又は小さい場合がある。別の例において、キャンセル信号７０の周波数は、高調波周波数４３より１ｋＨｚ大きいか、又は小さい場合がある。
【００４９】
キャンセル信号７０は更に、キャンセル信号７０の位相Ｐ３が高調波信号４４の位相Ｐ２に対してシフトしたものとなるように作ることができる。一実施形態において、キャンセル信号７０の位相Ｐ３は高調波信号４４を最小化するように定められる。一例において、キャンセル信号７０の位相Ｐ３は、高調波信号４４の位相Ｐ２に対して１８０度シフトされる。したがって、図１４のキャンセル信号７０の位相Ｐ３は、図１３の高調波信号４４の位相Ｐ２に対して半周期シフトされる。位相Ｐ３を高調波信号４４の位相Ｐ２に対して１８０度シフトさせることによって、キャンセル信号７０の振幅ａ３が、図１４に示すように高調波信号４４の振幅ａ２の正反対となるため、キャンセル信号７０による高調波信号４４のキャンセル効果が最大となる。キャンセル信号７０の位相Ｐ３が高調波信号４４の位相Ｐ２に対して１８０度以外の角度だけシフトされる場合があることを、当業者は認識されよう。例えば、キャンセル信号７０の位相Ｐ３は、５４０度、−１８０度等の、１８０度の任意の正又は負の奇数倍だけシフトされる場合がある。
【００５０】
キャンセル信号７０は、キャンセル信号７０の振幅ａ３が高調波信号４４の振幅ａ２に対して調整されるように更に設計することができる。一実施形態では、図１４に示すように、キャンセル信号７０の振幅ａ３は高調波信号４４の振幅ａ２に等しい。キャンセル信号７０の振幅ａ３を高調波信号４４の振幅ａ２に等しくすることによって、キャンセル信号７０による高調波信号４４のキャンセル効果が最大となる。すなわち、キャンセル信号７０の振幅ａ３は、図１４に示すように、高調波信号４４の振幅ａ２に等しく、その逆である（位相シフトに基づく）。
【００５１】
あるいは、必要に応じて、キャンセル信号７０は更に、キャンセル信号７０の振幅ａ３が高調波信号４４の振幅ａ２よりも大きいか、又は小さいものとなるように設計することができる。例えば、ある場合に、キャンセル信号７０の振幅ａ３は、高調波信号４４の振幅ａ２の２倍である。本明細書において具体的には説明されない種々の他のレベルに従って、キャンセル信号７０の振幅ａ３を高調波信号４４の振幅ａ２との関係で設定できる場合があることが当業者には認識されよう。一実施形態において、キャンセル信号７０の位相ａ３は高調波信号４４を最小化するように設計することができる。
【００５２】
他の実施形態では、キャンセル信号７０の振幅ａ３は、高調波信号４４に及ぼすキャンセル信号７０の振幅変化の影響を監視するように設計された振幅調整アルゴリズムに基づいて決定される。例えば、振幅調整アルゴリズムは、相対的に小さい振幅ａ３から始めて、高調波周波数４３の成分が最小化されるまで振幅ａ３を増加させることができる。コンソール２２は、フィードバックループを用いて、高調波周波数４３の成分への影響を監視することができる。
【００５３】
コンソール２２が、高調波信号４４の任意の特性のうちの少なくとも１つ、又はその組み合わせに基づいて、キャンセル信号７０を生成できることが当業者には認識されよう。例えば、キャンセル信号７０は、高調波信号４４の周波数及び振幅ａ２に基づくが、高調波信号４４の位相Ｐ２に基づかずに生成される場合がある。あるいは、キャンセル信号７０は、高調波信号４４の周波数及び位相Ｐ２に基づくが、高調波信号４４の振幅ａ２に基づかずに生成される場合がある。そのような、キャンセル信号７０を設計する際に高調波信号４４の幾つかの特性が考慮されない状況では、キャンセル信号７０は、例えば、代わりの、又はデフォルトの周波数、位相又は振幅に基づいて生成することができる。
【００５４】
ステップ２０８において、コンソール２２は、第１駆動信号４０とキャンセル信号７０とを合成して、第２駆動信号８０を生成する。言い換えると、コンソール２２は、キャンセル信号７０と、元の又は供給元の第１駆動信号４０とを合成することにより、第２の駆動信号８０を生成する（結果的に高調波信号４４が生じない）。コンソール２２は、信号合成部３８を用いて、これら２つの信号を足し合わせる。コンソール２２は、メモリ２８にある、第１駆動信号４０及びキャンセル信号７０についての情報にアクセスすることができる。
【００５５】
図１５に、本明細書において説明される例の場合の第２駆動信号８０の出力駆動電圧を示す。第１駆動信号４０と同様に、第２駆動信号８０は、外科用ツール２０の適切な超音波動作を助けるために正弦波である。
【００５６】
キャンセル信号７０は、ハンドピース電圧ＶＨＰと実効的に合成される。その場合、第２駆動信号８０の出力駆動電圧は、変更されたハンドピース電圧ＶＨＰ’と理解することができ、すなわち、第１駆動信号４０の元のハンドピース電圧ＶＨＰとの関係で変わる場合がある。図１５の第２駆動信号８０は、２５．５ｋＨｚの第１駆動信号４０（図１２）と、５１ｋＨｚのキャンセル信号７０（図１４）との合成に基づく。その場合、第２駆動信号８０の電圧出力は、２５．５ｋＨｚの駆動信号と５１ｋＨｚのキャンセル信号との両方を含む。言い換えると、キャンセル信号７０は、主駆動電圧ＶＨＰの基本周波数４１の成分を確保するために第２の周波数成分７７を与える。この第２の周波数成分７７は、高調波周波数４３の成分に比べて１８０度位相がずれている位相シフトを有する第２の高調波周波数４３の成分にあり、それにより、高調波周波数４３の成分を実効的に最小化する。
【００５７】
コンソール２２、より具体的に信号合成部３８は、数学的な演算を用いて、第１駆動信号４０とキャンセル信号７０とを合成する。本明細書において説明される例の場合、信号合成部３８は、以下の式［２］を用いて信号を合成する。
【数２】
2018520788.tif 000003
【００５８】
より具体的には、第１駆動信号４０及びキャンセル信号７０のそれぞれの周波数、位相及び振幅を入力すると、式［２］は、次のように表される。
【数３】
2018520788.tif 000004
【００５９】
ステップ２１０では、コンソール２２が、第２駆動信号８０を超音波式外科用ツール２０に印加する。第１駆動信号４０と同様に、コンソール２２は、超音波式外科用ツール２０に、より具体的にはトランスデューサ２４に対して第２駆動信号４０を印加する。すなわち、増幅器３２が第２駆動信号８０の電圧を増幅し、トランスデューサ２４が第２駆動信号８０の電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。
【００６０】
キャンセル信号７０を導入することによって、第２駆動信号８０は、高調波信号４４の低減を示すように特に設計される。第２駆動信号８０は、望ましくない振動運動に対抗する力が生まれるようにトランスデューサ２４を駆動する。この対抗する力が望ましくない振動を実効的にキャンセルする。実際に、第２駆動信号８０を印加することにより生じる高調波信号４４の存在が、第１駆動信号４０を印加することにより生じる高調波信号４４の存在に比べて低減される。より具体的には、第２駆動信号８０を印加した後の望ましくない機械電流ｉｘ内の高調波信号４４の存在が低減される。言い換えると、本明細書において説明される例において、第２の高調波周波数４３の成分における望ましくない機械電流ｉｘは、第２駆動信号８０を印加した後に最小化され、それにより、ハンドピース電流ｉＨＰ内の高調波歪みが最小化される。
【００６１】
幾つかの実施形態において、コンソール２２は、外科用ツール２０の動作中にキャンセル信号７０を繰り返し生成するように構成される。例えば、コンソール２２は、「ｎ」個の駆動信号（第１、第２、第３の駆動信号等）を出力し、各「第ｎの」駆動信号を印加することにより生じる高調波信号（存在する場合）の特性を取得することができる。コンソール２２は、先端部２６の使用の間中、又は外科的手技の間中に、高調波歪みを追跡し、「ｎ個の」キャンセル信号を与えることができる。このような場合、各「第ｎの」駆動信号、各「第ｎの」キャンセル信号及び結果として生じる各高調波信号は、互いに異なる場合がある。幾つかの実施形態において、高調波信号４４が適切なレベルにあるとコンソール２２が判断するまで、コンソール２２は、このプロセスを継続する。例えば、高調波信号４４が所定の閾値未満である（例えば、高調波周波数４３の成分の大きさが基本周波数４１の成分の大きさの５％未満である）とコンソール２２が判断するまで、又は高調波信号４４が除去されるまで、コンソール２２はこのプロセスを継続することができる。
【００６２】
コンソール２２は、キャンセル信号７０又は各「第ｎの」キャンセル信号を生成するために、任意の適切な方法を用いて、高調波信号４４のレベルを測定し、追跡することができる。一例において、コンソール２２は、Ｃｏに関する既知の値を用いて、ハンドピース電流ｉＨＰ内の高調波周波数４３の成分を計算する。０付近まで最小化されると、Ｃｏに流れる電流ｉＣ０の高調波周波数４３成分は、残存する望ましくない運動電流（motional current）ｉｘを表す。
【００６３】
図１５に、高調波キャンセル方法１２を適用した後の、変更されたハンドピース電流ｉＨＰ’及びハンドピース電圧ＶＨＰ’の波形を示す。図５の波形と比べて、図１５の波形に及ぼす高調波信号４４の影響は大きく最小化されている。第２駆動信号８０を印加した後、基本駆動周波数４１の成分は高調波周波数４３の成分によって大きく影響を受けることはないので、ハンドピース電流ｉＨＰ’の波形は、ハンドピース電圧ＶＨＰ’に対して最小の位相シフトφを示す。さらに、ハンドピース電流ｉＨＰ’及びハンドピース電圧ＶＨＰ’は、主に１つの周波数成分、すなわち、基本駆動周波数４１成分のみを示すので、波形は実質的に正弦波である。
【００６４】
図１６及び図１７に、図１５の変更されたハンドピース電圧ＶＨＰ’及びハンドピース電流ｉＨＰ’の波形ごとのそれぞれの高速フーリエ解析を示す。図６及び図７に比べて、ＦＦＴ解析は、基本駆動周波数４１の成分（すなわち、２５．５ｋＨｚ）が高調波信号４４の高調波周波数４３の成分（例えば、５１ｋＨｚ）から実質的に影響を受けないことを明らかにしている。さらに、５１ｋＨｚにおける高調波周波数４３の成分の大きさが低減されている。ハンドピース電圧ＶＨＰ’の場合、高調波周波数４３の成分の大きさは、第１駆動信号４０から生じる高調波周波数４３の成分の大きさの２５％である。ハンドピース電流ｉＨＰ’の場合、高調波周波数４３の成分の大きさは実質的に除去される。
【００６５】
さらに、機械電流ｉｍは、先端部２６の機械的変位に関連するため、ハンドピース電流ｉＨＰ内の歪みを最小化することは、ハンドピース電圧ＶＨＰ内の歪みを最小化することよりも優先することができる。したがって、ハンドピース電流ｉＨＰよりもハンドピース電圧ＶＨＰ内の歪みの方が大きいが、両方の波形が５１ｋＨｚ周波数において著しい改善を示す。
【００６６】
さらに、方法１２を用いて高調波周波数４３の成分を抑えることによって、先端部２６の非線形制御及び２モード制御を実施する機会が与えられる場合がある。本明細書において与えられる例において、非線形挙動は、外科用ツール２０が基本駆動周波数４１の成分、２５．５ｋＨｚの電圧正弦波で駆動されるときに、ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせが、高調波周波数４３の成分、５１ｋＨｚにおいて振動するような挙動である。高調波周波数４３の成分を抑えることによって、先端部２６を動的に制御して、従来では到達するのが難しかった体内の領域に、外科医が近づきやすくすることができる。言い換えると、高調波信号４１の成分の悪影響を低減することによって、システム１０及び方法１２は、多くの場合に高調波歪みを示す、種々のタイプ及び形状の超音波式ツール及び先端部を使用する多用途性を高める。システム１０及び方法１２は更に、切断性能を高めるために、先端部２６の２つの異なる共振モードを同時に制御（例えば２モード制御）できるようにする。さらに、キャンセル信号７０は高調波信号４４を低減するが、キャンセル信号７０は、ツール２０の２モード制御を達成するために、付加的な周波数成分を第２駆動信号８０の中にもたらすように構成することもできる。
【００６７】
図１９に、ハンドピース２１及び先端部２６の組み合わせを制御する数多くの重要なパラメータの大きな改善を示す表を与える。例えば、第２駆動信号８０の印加中に測定されたハンドピース電圧ＶＨＰ’及びハンドピース電流ｉＨＰ’は、第１駆動信号４０の印加中に測定されたハンドピース電圧ＶＨＰ及びハンドピース電流ｉＨＰに比べて、２２％〜２３％だけ低減されている。同様に、第２駆動信号８０の印加中に測定されたハンドピース２１及び先端部２６のインピーダンスは、第１駆動信号４０の印加中に測定されたハンドピース２１及び先端部２６のインピーダンスに比べて２３％だけ低減されている。重要なこととして、第２駆動信号８０の印加中に測定された５１ｋＨｚ成分におけるハンドピース電流ｉＨＰ’の相対的な大きさが、実質的に除去され、すなわち、第１駆動信号４０の印加中と比べて９８．８％だけ低減されている。さらに、この例において、第２駆動信号８０の印加後に５１ｋＨｚに存在する望ましくない機械電流ｉｘは３．４ｍＡであった。これは、８３ｍＡであった、第１駆動信号４０の印加後に５１ｋＨｚに存在する望ましくない機械電流ｉｘよりも著しく小さく、それにより、望ましくない振動の著しい低減を示す。
【００６８】
これらの結果は、システム１０及び方法１２が高調波信号４４の存在を実効的に低減し、それにより、外科用ツール２０の振動から生じる高調波歪みを低減することを明確に示すものである。それにより、システム１０及び方法１２は、外科用ツール２０のインピーダンス、先端部２６の特有の振動変位を維持するために必要とされる電力及び電圧、先端部２６の加熱、コンソール２２に返されるエネルギー、及び高調波周波数４３の成分を明確に低減している。それにより、更には、システム１０及び方法１２は、外科用ツール２０の組織切除性能を大きく改善する。
【００６９】
幾つかの実施形態が上記の説明で論じられた。しかし、本明細書で論じる実施形態は、網羅的であることが意図されていないか、又は本発明が任意の特定の形態に限定されることが意図されていない。使用されている用語は、限定的ではなく、説明の言葉（words of description）の性質内にあることを意図される。多くの変更及び変形が、上記教示を考慮して可能であり、本発明は、具体的に述べられる以外の方法で実施することができる。
【００７０】
詳述された明細書から本発明の数多くの特徴及び利点が明らかであり、それゆえ、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨及び範囲に入る本発明の全てのそのような特徴及び利点に及ぶことを意図している。さらに、当業者には数多くの変更及び変形が容易に思い浮かぶことになるので、本発明を図示及び説明されたのと全く同じ構成及び動作に限定することは望ましくなく、それゆえ、本発明の範囲内に入る、全ての適切な変更形態及び均等物が採用される場合がある。
【図１】
2018520788.tif 000005
【図２】
2018520788.tif 000006
【図３】
2018520788.tif 000007
【図４】
2018520788.tif 000008
【図５】
2018520788.tif 000009
【図６】
2018520788.tif 000010
【図７】
2018520788.tif 000011
【図８】
2018520788.tif 000012
【図９】
2018520788.tif 000013
【図１０】
2018520788.tif 000014
【図１１】
2018520788.tif 000015
【図１２】
2018520788.tif 000016
【図１３】
2018520788.tif 000017
【図１４】
2018520788.tif 000018
【図１５】
2018520788.tif 000019
【図１６】
2018520788.tif 000020
【図１７】
2018520788.tif 000021
【図１８】
2018520788.tif 000022
【図１９】
2018520788.tif 000023
【国際調査報告】
2018520788.tif 000024
2018520788.tif 000025
2018520788.tif 000026
2018520788.tif 000027