(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電式超音波白内障乳化吸引法ハンドピースの電圧・電流位相関係を求める方法であって：
圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電圧に対応するＡＣ電圧信号を得るステップと；
前記圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電流に対応するＡＣ電流信号を得るステップと；
前記圧電式ハンドピースに印加される操作周波数を特定するステップと；
前記ＡＣ電圧と電流との間の位相関係を求めるステップと；
前記操作周波数および前記位相関係からデジタル位相信号を発生するステップと、から構成され、
前記ＡＣ電流信号から電流サイクルの開始点を求め、
前記電流サイクルの開始の後、前記ＡＣ電流信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（ＶＩ）を発生させ、
前記電流サイクルの開始の後、前記ＡＣ電圧信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（Ｖｖ）を発生させ、
Ａ／Ｄ変換器を使用し、前記電圧（Ｖｖ）を電圧（ＶＩ）と比較して前記圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電圧と電流の間の位相関係を求めることにより前記デジタル位相信号（Ｓｐ）を出力させ、
当該デジタル位相信号（Ｓｐ）は操作周波数には依存しないものであることを特徴とする方法。
【請求項２】
圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電圧・電流位相関係を求める装置であって：
圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電圧に対応するＡＣ電圧信号を得る手段と；
前記圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電流に対応するＡＣ電流信号を得る手段と；
前記ＡＣ電流信号から、電流サイクルの開始点を求める手段と；
前記電流サイクルの開始の後、前記ＡＣ電流信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（ＶＩ）を発生する手段と；
前記電流サイクルの開始の後、前記ＡＣ電圧信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（Ｖｖ）を発生する手段と；
前記圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電圧と電流の間の位相関係を求めるために（Ｖｖ）と（ＶＩ）とを比較し、その結果に対応した位相信号（Ｓｐ）であって周波数には依存しないものを発生させるＡ／Ｄ変換器手段と；
からなる装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、一般に圧電式の超音波白内障乳化吸引法（ｐｈａｃｏｅｍｕｌｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の手持ち手術具（以下、ハンドピースと呼ぶ）の周波数調整、より具体的には、圧電変換器に印加される電圧とその圧電変換器に流れる電流の間の位相角度を求める方法、更に具体的には、超音波白内障乳化吸引システムのための複数周波数の明瞭な位相検出器に関する。
超音波白内障乳化吸引法は通常、超音波振動をする中空針とその電子制御を備えたハンドピースを含んでいる。
本技術分野でよく知られているように、超音波白内障乳化吸引法のハンドピースは、前記圧電変換器に電力を供給し制御するための電線と、そしてハンドピースに潅水を供給し、ハンドピースを通して目からの吸引液を回収するためのチューブにより、制御装置に接続されている。
前記ハンドピースの中空針は、通常そこに印加されるＡＣ電圧によって励起されるクリスタルの圧電作用により、その長手方向に沿って駆動すなわち励起される。駆動されたクリスタルの動きは、結合される前記針の動きが直接クリスタルの駆動周波数に依存し、共振周波数において最大の動きとなるようにハンドピース内の機械式共振システムによって増幅される。
前記共振周波数は、クリスタルで振動される結合針の質量により一部影響を受ける。
容量性回路では、前記ハンドピースに印加された電圧を示す正弦曲線と、その結果ハンドピース内に生ずる電流との間に９０度の位相差がある。これは角度φで表され、−９０°に等しい。誘電回路では、前記位相角φは＋９０°に等しく、さらに抵抗回路では勿論φ＝０となる。
超音波白内障乳化吸引法のハンドピースに用いられる周波数幅は、通常約３０ｋＨｚから約５０ｋＨｚの間である。周波数領域は、各ハンドピース毎に存在し、これはハンドピースのインピーダンスと位相で特徴付けられる。
この周波数領域は、高位周波数と低位遮断周波数によって仕切られている。この領域の中心は、通常前記ハンドピースの電気位相が最大値に達する点に定められる。
この領域の外部の周波数において、ハンドピースの電気的位相は−９０度に等しくなる。
ハンドピースの電力伝達効率は、式（Ｖ＊Ｉ）（ｃｏｓφ）で与えられる。これは、前記位相がφ角度に最も近いときに最も効率的なハンドピース動作点が生ずることを意味する。
最適なハンドピース電力伝達効率を維持するためには、位相値ができるだけゼロに近づくよう前記周波数を制御することが重要である。
この目標は、前記超音波ハンドピースの位相角が、針を含めた機械的共振システムを介して起る変換器の負荷にも影響を受けるため、複雑である。
つまり、針が目の中の表皮や液体に触れると圧電クリスタルに負荷を生み、これに付随して位相角にも変化を及ぼす。
したがって、負荷に影響されず手術用ハンドピースによって組織内へ一定のエネルギが伝えられる最適な位相角を達成するための駆動回路の調整には、ハンドピースの操作する間、前記位相角を常時求めて測定することが重要である。
このように、ハンドピースが超音波白内障乳化吸引法の対象組織に使用されている間、及びその組織が目から除かれる間を通して、ハンドピースへの自動周波数調整を提供することが重要である。この自動周波数調整は、前記ハンドピース電気信号をモニタし、選択された指標に対して一定を維持するよう周波数を調整することにより達成される。
いずれにせよ、超音波白内障乳化吸引法用のハンドピース制御回路は、一般に位相検出器と通常呼ばれる、電圧と電流との間の位相を測定する回路を含むことができる。しかしながら、前記超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの操作周波数に依存せずに位相差を測定するには問題がある。なぜなら、上述のように位相差はハンドピースの動作周波数に依存しており、ハンドピースの応答調整を提供するための補償を行なうには、測定における空気と時間遅れとには複雑なキャリブレーション回路が必要とされるからである。
位相検出は、類似周波数の２つの周期的な電気信号を、その２つの信号間の時間差（位相）に比例した電圧を発生させる電気回路に流すプロセスである。
前記位相検出器によって発生するこの電圧は、通常は電子回路により、もしくはＡ／Ｄ変換器にサンプルされて時間平均化され、その後デジタル的に平均化される。
この平均化信号は、従来型の電圧計で読むことができ、もしくはマイクロプロセサによる処理のためのデータとして使用される。この平均化は、電気的ノイズを取り除くことにもなる。
先に説明したように、位相検出器の出力は、２つの信号（の発生）の時間差に比例する。定義としては、従来型の位相検出器の電気出力は、前記信号位相の関数ではあるが、それはまた使用される周波数に直接比例するものであることを意味する。これは、定量的な位相値を取り出すよう前記位相検出器の出力を読むときには、前記使用される周波数は確実に知られ、それは補われねばならないことを意味する。前述のように、キャリブレーション回路は前記周波数変動を把握できるが、そのような回路は通常非常に複雑であり、場合によってはマイクロ制御機の使用が必要となる。加えて、これらアプローチはいずれも、通常超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースに見られるような時間経過に伴う性能の変動をきたすことはない。
この問題は、米国特許第５，４３１，６６４号によって認識され、位相角度の代わりに変換機のアドミタンスを周波数調整の指数として使用する解決策を提供している。その必要な回路は勿論複雑であり、したがって、圧電式の超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電気的位相をリアルタイムに求める方法であって、ハンドピース操作の全期間に亘って安定しており、制御器用の追加のキャリブレーション回路を必要としない方法に対する継続したニーズが存在している。
発明の概要
本発明によれば、圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電圧・電流位相関係を求める方法は、一般に、圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電圧に対応するＡＣ電圧信号と、圧電式ハンドピースの操作ＡＣ電流に対応したＡＣ電流信号とを受け取るステップを含む。
前記ＡＣ電圧信号から、電圧サイクルの開始点が得られる。より具体的には、前記ＡＣ電圧が０ボルトの値をクロスして増加するときに、その開始点が特定できる。
前記ＡＣ電流信号から、電流サイクルの開始点が得られる。より具体的には、前記ＡＣ電流が０電流の値をクロスして増加するときに、その開始点が特定できる。
前記電流サイクルの開始の後、そのＡＣ電流信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（ＶI）が得られる。加えて、前記電流サイクルの開始の後、前記ＡＣ電圧信号が最大値に達するまでに必要な時間に対応する電圧（Ｖv）が得られる。
Ｈ．Ｐ．電圧とハンドピース電流に対応する信号が得られ、ロジックレベルに変換されると、その後それらが処理に使用される。
ハンドピースクロック周波数を半減したものに等しい参照クロックが得られる。この信号は、１クロックサイクルを１単位のボルトに変換する積分器に入力される。この電圧は、周波数に逆比例する。
前記電圧ロジック信号及び電流ロジック信号は、この２つの信号の位相差に比例したパルスを生み出す回路に提供される。
上述の２つの回路の名称は、Ｖ（参照）とＶ（位相）である。Ｖ（参照）は、Ａ／Ｄ変換器の電圧参照に提供される。その結果のＡ／Ｄ変換器の出力は、実際のハンドピース位相の角度に比例したデジタル値であり、周波数に依存していない。
【図面の簡単な説明】
本発明の利点と特性は、添付図面を参照して説明する以下の詳細説明によってより理解される。
図１は、圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースに印加された電圧を示す正弦曲線と、それによるハンドピース内の電流との間の９０度位相差のプロットである。
図２は、典型的な圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの位相関係とインピーダンスのプロットである。
図３は、本発明にかかる方法を実施するに適した改善された検出回路のブロック図である。
発明の詳細な説明
超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースに用いられる通常の周波数レンジは、約３０ｋＨｚの間である。ハンドピースに印加される周波数が共振点よりもかなり高いか、もしくは低いと、それは電気的にコンデンサとして応答する。この動的な状況を示すのが図１で、図において、曲線１０（実線）は、ハンドピース電流に対応した正弦曲線を示し、曲線１２（破線）は、ハンドピース電圧に対応した正弦曲線を示す。
典型的な超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースのインピーダンスは、周波数と共に変動する。すなわち、インピーダンスは周波数に対して応答性を有する。典型的なハンドピースの位相とインピーダンスの周波数の依存性が関数として図２に示されており、そこでは、曲線１４は、ハンドピース駆動周波数に対する電流と電圧の間の位相差を示し、曲線１６は、周波数の関数としてのハンドピースのインピーダンスの変化を示す。このインピーダンスは、一般的な周波数レンジについて、「Ｆｒ」で低く、「Ｆａ」で高い値を示す。
ハンドピースの自動周波数調整は、既に簡単に説明したように、通常はハンドピースの電気信号をモニタし、選択された指標に対して整合性を保つように周波数を調整することによって行なわれる。
前記超音波白内障乳化吸引法ハンドピースの先端で発生する負荷を補うため、負荷が検出されている間はハンドピースへの駆動電圧を上げることができ、負荷が除かれたら下げられる。この位相検出器は、この種のシステムにおいては通常は制御器の一部である。
このような従来型の位相検出器においては、その典型的な出力は、図１に示すような電圧と電流の波形の位相差（例えば−９０度）に応じた電圧となる。図２に示すように、ハンドピースを使用する間は、波形はその位相が変化し、それに伴って出力波形も変化することを考慮することが重要である。
従来、電気位相を測定するための標準技術は、位相及び周波数に応じた電圧を読むことだった。この種の回路では、周波数変化がキャリブレーションデータを不正確なものとすることから、単一周波数を使用してキャリブレーションをすることができる。
これは、単一周波数システムにおいても同様に見られる。補正された位相値は、回路指数の変動によって変化する。
他の典型的なアプローチは、マイクロプロセサーを使用し、位相検出器の出力と周波数検出器の出力とを比較し、真の位相を演算することである。このアプローチは、かなり複雑であり、個々の回路の特性変化と分解能とに依存する。
図３に示すブロック図２０は、本発明にかかる方法を実施するのに適した改善された位相検出器を表すものである。示された各機能ブロックは、以下に説明する各ブロック毎に表示された機能を生み出す最新技術のデザインと要素から構成されている。
超音波白内障乳化吸引法用ハンドピース（図示せず）からの電圧入力２２と電流２４が、前記超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースへの電圧信号経路上に設けられる減衰器２６と、電流感知抵抗器２８及びハンドピース電流用の固定ゲイン増幅器とをそれぞれ使用して、適切な信号に変換される。
その後、ＡＣ電圧信号３０とＡＣ電流信号３２が、コンパレータ３４、３６に送られ、これらが超音波白内障乳化吸引法の電圧及び電流のアナログ表示値をロジックレベルのクロック信号に変換する。
前記コンパレータ３４からの出力が、周波数半減と表示されたＤフリップフロップ集積回路５０に入力される。集積回路５０の出力５２は、積分器５４と表示された操作増幅器（オペアンプ）に入力される。この積分器５４の出力５６は、最終的な振幅がハンドピース周波数に逆比例するのこぎり歯状の波形である。タイミング発生器４５は、前記電圧信号に同期したクロックを使用し、Ａ／Ｄ変換器のタイミングと各サイクルの終りに前記積分器をリセットするタイミングとを発生させる。
この信号は、ライン５６を介してＡ／Ｄ変換器の電圧参照（基準）に入力される。
電圧の先端から電流の後端までを検出する検出器４０は、ハンドピース電圧信号の先端を分離するためにＤフリップフロップ集積回路を使用する。この信号は、ハンドピース電圧とハンドピース電流との間のタイミングプロセスを開始するための開始信号として使用される。前記先端後端検出器４０の出力４２は、ハンドピース電圧波形の先端とハンドピース電流波形の下降エッジとの発生の時間差に比例したパルスである。
他の集積回路４４が、検出器４０から得られたハンドピース位相信号４２用に使用される。この集積回路４４の出力４６は、のこぎり歯状の波形で、最大振幅が超音波白内障乳化吸引法電圧の先端の開始点とハンドピース電流波形の開始の後端との時間差に比例している。この集積回路４４の出力４６は、アナログ入力部すなわちＡ／Ｄ（アナログからデジタルへの変換器）集積回路６０に入力される。
したがって、Ａ／Ｄ変換器６０への正の参照入力５６は、操作周波数に逆比例した電圧である。前記位相電圧信号４６は、前記電圧開始の先端と電流開始の後端との間の位相差に比例し、そして操作周波数に逆比例している。この構成においては、周波数電圧参照５６と位相電圧４６の２つの信号は、周波数幅の間をお互いに相手を追跡しており、したがって前記Ａ／Ｄ変換器６０の出力は、操作周波数からは独立した位相を生む。
この方法を使用する利点は、前記システム制御器（図示せず）には、０から２５５のカウントが常に位相の０から３５９度を表す真の時間デジタル位相信号が提供されることにある。
顕著となる利点は、使用される周波数に関係なく測定値が一定するので、いかなる形式のキャリブレーションをも必要とされないことである。
例えば、３８ｋＨｚ及び４７ｋＨｚのＡＭＰｓ操作周波数と、１５０×１０3Ｖ／２のライズタイムを持つ積分器と、２５６カウントを持つ８ビットＡ／Ｄ変換器を使用すると、一定の比が維持され、周波数の変化は何ら結果に影響を及ぼさない。これは以下の例に示される。
例１−３８ｋＨｚ操作
１クロックサイクル期間＝1/F  ＠38ｋＨｚ＝26.32×10-6S
Ｉに対する１期間部分＝90度＝26.32×10-6S/4＝6.59×10-6S
１参照サイクルに対する積分器出力
＝（150×103V/S）×（26.32×10-6S）＝3.95ボルト
９０度サイクル期間からの積分器出力
＝（150×103V/S）×（6.59×10-6S）＝.988ボルト
Ａ／Ｄ変換器からの結果数値カウント
＝3.95ボルト／256カウント＝.0154ボルト／カウント
３８ｋＨｚにおける９０度に対する実際のＡ／Ｄカウント数
＝0.988／0.0154＝64カウント
例２−４７ｋＨｚ操作
１クロックサイクル期間＝1/F  ＠47ｋＨｚ＝21.28×10-6S
Ｉに対する１期間部分＝90度＝20.28×10-6S/4＝5.32×10-6S
１参照サイクルに対する積分器出力
＝（150×103V/S）×（21.28×10-6S）＝3.19ボルト
９０度サイクル期間からの積分器出力
＝（150×103V/S）×（5.32×10-6S）＝.798ボルト
Ａ／Ｄ変換器からの結果数値カウント
＝3.19ボルト／256カウント＝.0124ボルト／カウント
４７ｋＨｚにおける９０度に対する実際のＡ／Ｄカウント数
＝.798/.0124＝64カウント
これまで本発明にかかる圧電式超音波白内障乳化吸引法用ハンドピースの電圧・電流位相関係を求める方法について、本発明が有利に使用できる形態を示す目的で述べてきたが、本発明はこれらに限定されるものではない点理解されるべきである。したがって、本技術分野の当業者によってなされるいかなる、そして全ての改造、変更、同等な構成は、添付の請求の範囲によって定められる本発明の範囲に含まれるものと考えるべきものである。
【図１】
0003974662.tif 000002
【図２】
0003974662.tif 000003
【図３】
0003974662.tif 000004