(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波外科機器における超音波スタックを励起する方法において、
前記超音波外科機器は、
第１と第２の共振器の間に位置する１つまたは２つのピエゾ圧電部を備える前記超音波スタックと、
前記第２の共振器に接続された伝達ロッドと、
前記伝達ロッドに接続された手術用具先端部と、
を具備し、
当該方法は、
第１の周波数の第１の電気的励起信号で前記ピエゾ圧電部を駆動することにより前記ピエゾ圧電部を励起するステップと、
このステップと同時に、前記共振器が２つの励起周波数で共振するように、前記第１の周波数の倍数である第２の周波数の第２の電気的励起信号で前記ピエゾ圧電部を駆動することにより前記ピエゾ圧電部を励起するステップと、
を具備し、
前記第１および第２の電気的励起信号は、それぞれ、第１および第２の入力パワーで供給され、
前記第２の電気的励起信号の入力パワーは前記第１の電気的励起信号の入力パワーの５０％以上とされ、前記２つの励起信号の入力パワーにより前記外科機器が切開および凝結を組み合わせた効果を与えることができる、
方法。
【請求項２】
超音波外科機器において、
第１と第２の共振器の間に位置する１つまたは２つのピエゾ圧電部と、
前記ピエゾ圧電部に接続された電源と、
前記第２の共振器に接続された伝達ロッドと、
前記伝達ロッドに接続された手術用具先端部と、
を具備し、
前記電源は、前記共振器が２つの励起周波数で共振するように、前記ピエゾ圧電部に少なくとも第１の周波数における第１の信号と第２の周波数における第２の信号を含む励起信号を同時に供給し、
前記第１および第２の信号は、それぞれ、第１および第２の入力パワーで供給され、
前記第２の周波数は前記第１の周波数の整数倍であり、
前記第２の信号の入力パワーは前記第１の信号の入力パワーの５０％以上とされ、前記２つの励起信号の入力パワーにより当該機器が切開および凝結を組み合わせた効果を与えることができる、
超音波外科機器。
【請求項３】
請求項２記載の超音波外科機器において、
前記第２の周波数が、前記第１の周波数のほぼ２倍である、請求項２記載の超音波外科機器。
【請求項４】
請求項１記載の超音波外科機器において、
第１の信号の入力パワーが、第２の信号の入力パワー以上である、超音波外科機器。
【請求項５】
請求項３記載の超音波外科機器において、
前記超音波スタックは基本周波数を有し、前記第１の周波数は前記基本周波数である、超音波外科機器。
【請求項６】
超音波外科機器において、
第１のピエゾ圧電部と、
第２のピエゾ圧電部と、
前記第１のピエゾ圧電部の第１の端面と接する第１の共振器と、
前記第１のピエゾ圧電部の第２の端面と前記第２のピエゾ圧電部の第１の端面と接する第２の共振器と、
前記第２のピエゾ圧電部の第２の端面と接する第３の共振器と、
前記第１および第２のピエゾ圧電部に接続された電源と、
前記第３の共振器に接続された伝達ロッドと、
前記伝達ロッドに接続された手術用具先端部と、
を具備し、
前記電源は、前記各共振器が２つの励起周波数で共振するように、前記第１および第２のピエゾ圧電部に少なくとも第１の周波数における第１の信号と第２の周波数における第２の信号を含む励起信号を同時に供給し、
前記第１および第２の信号はそれぞれ第１および第２の入力パワーで供給され、
前記第２の周波数は前記第１の周波数の整数倍であり、
前記第２の信号の入力パワーは前記第１の信号の入力パワーの５０％以上とされ、前記２つの励起信号の入力パワーにより前記機器が切開および凝結を組み合わせた効果を与えることができる、
超音波外科機器。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波外科機器において、
Ａが奇数で、λが第１の周波数の波長であるときに、前記超音波スタックの一端面からの距離がほぼＡλ／４の位置に前記第１のピエゾ圧電部を配置した、超音波外科機器。
【請求項８】
請求項７に記載の超音波外科機器において、
Ｂが奇数で、λ1が前記第２の周波数の波長であるときに、前記超音波スタックの一端面からの距離がほぼＢλ／４の位置に前記第２のピエゾ圧電部を配置した、超音波外科機器。
【請求項９】
請求項６に記載の超音波外科機器において、
Ｃが偶数であるときに、前記超音波スタックの一端面からの距離がおよそＣλ／８の位置に前記第１のピエゾ圧電部を配置した、超音波外科機器。
【請求項１０】
請求項６に記載の超音波外科機器において、
ＣとＤは値が異なる偶数であるときに、前記超音波スタックの一端面からの距離がほぼＣλ／８の位置に第１のピエゾ圧電部を配置し、前記超音波スタックの前記一端面からの距離がほぼＤλ／８の位置に第２のピエゾ圧電部を配置した、超音波外科機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は外科手術用超音波装置、特に、２以上の励起周波数により駆動されるピエゾ圧電素子を用いる外科手術用超音波装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外科手術用超音波装置は、例えば生体組織の切断、切開などの医療処置に用いられる。生体組織の切断、切開などは外科手術用装置の末端にある外科手術用具により行われ、その外科手術用具の先端部で超音波出力を生体組織に伝達する。超音波出力は外科手術用具の先端部の周辺の生体組織意を焼灼するためにも用いられ、その周辺生体組織の血液を凝固することで止血を行う。
【０００３】
超音波振動は、ハンドピース内にある１または２以上のピエゾ圧電素子の電気的励起により、外科手術用具の先端部に誘導される。ピエゾ圧電素子は外科手術用装置の共振周波数で励起される。ここで、外科手術用装置の基準共振周波数をｆ0 、その波長をλ0 で示すと、λ0 はｃ／ｆ0 に等しい。ここで、ｃは装置内の音速を示す。電気的励起信号がサイン波であるかサイン波の成分を有することにより、ピエゾ圧電素子は、電気的励起信号の周波数と等しい周波数の機械的な定常波振動を生じる。ピエゾ圧電部で生じる振動は、共振器でフィルターされ、少なくとも１以上の速度変換器で増幅され、外科手術用具の先端部に伝達される。
【０００４】
ここで記述される外科手術用超音波装置において、ハンドピースは、“ランジュバン  スタック”あるいは“スタック”として知られ、１組の共振器で囲まれる１以上のピエゾ圧電部を備える。共振器は、一般にピエゾ圧電部の両側面に接する金属部分をなす。また、共振器の長さは、おおよそ、ピエゾスタックの中心から４分の１波長（λ0 ／４）である。ピエゾ圧電素子と共振器を含むスタックは、およそ、２分の１波長（λ0 ／２）の長さである。共振器は機械的バンドパスフィルターとして作動し、有効周波数あるいは有効周波数の高調波以外の周波数の音波を、除去、あるいは、ほとんど減少させる。
【０００５】
スタックの一端は、電気的励起信号をピエゾ圧電素子に伝達するワイヤー、あるいはケーブルを接合するよう適合されている。多くのそのような装置において、共振器は電気的に接地されており、励起信号は、スタック内に交互に並ぶピエゾ圧電素子の組に伝えられる。スタックのもう一方の端は、一般に、外科手術用具の先端部又はスタックから外科手術用具の先端部に音信号を伝達する伝達ロッドのどちらかに接合するよう適合されている。
【０００６】
上述したような外科手術用装置において、共振器と外科手術用具の先端部の間に速度変換器を挿入することにより、音波は増幅される。速度変換器は、装置の断面積を減少することで音波を増幅させる。それゆえ、共振器の出力部より径の小さい伝達ロッドを使用することにより、共振器と伝達ロッドの接合部は、速度変換器として作動し、伝達ロッドを介して伝達される音波の強度を増幅する。外科手術用具の先端部の径を伝達ロッドより小さくする場合、伝達ロッドとその先端部の接触面における同様な階段的接合部は、第２の速度変換器として作用し、さらに、その先端部の音波の強度を増加させる。一般に、共振器及び伝達ロッドの長さは、速度変換器が定常波の節に位置するように選択される。
【０００７】
前述のように、音定常波は周波数ｆの電圧がピエゾ圧電素子に供給されることによって起こされる。ピエゾ圧電素子を横切る電圧の印加は、電位勾配方向にピエゾ圧電素子の膨張、収縮を生じさせる。ピエゾ圧電素子の変位方向（例えば、膨張、収縮）は供給される信号の極性で決定される。このように、周波数ｆのサイン波から構成される電気的励起信号が供給される時、連続的に膨張、収縮を繰り返す。スタック自身の機械的膨張、収縮は一組のピエゾ圧電素子を使用することで避けられる。その一組のピエゾ圧電素子において、極性を有する電気的信号の印加は、第１ピエゾ圧電素子を膨張させ、第２のピエゾ圧電素子を収縮させるからである。
【０００８】
外科手術用装置は、どの共振周波数に対しても駆動、あるいは励起される。基準共振周波数ｆ0 を有するその装置は、ｆ0 の高調波周波数（即ち、ｆ0 の整数倍）であるｆe の励起信号により駆動される。励起周波数ｆe の信号の波長をλe とする。その装置の基準共振周波数はｆ0 であるので、ｆ0 でピエゾ圧電素子を駆動する電気的励起信号は、ｆ0 の振動を手術用具の先端部に起こす。
【０００９】
電気的励起信号が、励起信号の高調波成分を含んできれいなサイン波でない場合（例えば、方形波、ノコギリ波）、手術用具の先端部は、ｆ0 あるいはｆ0 の高調波振動数で振動することが期待される。電気的励起信号がきれいなサイン波でない場合でも、装置の非線形性が、手術用具の先端部を、ｆ0 あるいはｆ0 の高調波振動数で振動させるからである。いずれの場合も、手術用具の先端部での振動の大きさは、ｆ0 の場合に１番大きく、ｆ0 の高調波振動では本質的により小さい。ほとんどの場合に、高調波振動の音波出力は基準振動の２５％以下である。このように、既存の生成器において、励起周波数以外の周波数で手術用具の先端部から伝えられる音波出力は、装置の励起周波数で伝えられる音波出力の、多くても２５％である。
【００１０】
励起振動とその高調波振動の音波の出力比は、きれいなサイン波と励起信号との間のずれの度合いを変数とする関数である。従って、ｆ0 の励起信号がピエゾ圧電素子を駆動する場合、本質的に手術用具の先端部での全ての仕事（例えば、生体組織の切開、焼灼）はｆ0 で行われる。他の励起周波数ｆe の励起信号がピエゾ圧電素子を駆動する場合、本質的に手術用具の先端部での全ての仕事はｆe で行われる。
【００１１】
ある一定の振動周波数は、特定用途の超音波装置の効果を高めると考えられている。例えば、装置を生体組織の切断あるいは切開に用いる場合、ある周波数は特に有効であり、一方、生体組織の焼灼に用いる場合には、他の周波数が有効である。それゆえ、例えば装置の基準周波数である１番目の周波数と、１あるいは２以上の高調波周波数により圧電素子を励起させれば、ある応用においては、装置の性能の実質的改定となると考えられる。例えば、装置が生体組織の切開と凝結に使用される場合、生体の切開用には基準周波数の、生体の焼灼用には基準周波数の高調波周波数の出力を与えるように励起信号を選択的に調節してもよい。
【００１２】
生体組織に供給される超音波出力の周波数に依存して、異なった有効な効果を、生体組織に供給される超音波出力は生じる。そのため、例えば、ピエゾスタックが、装置の基準周波数である第１の励起周波数と、少なくとも１以上の、基準周波数の高調波周波数との両方で励起されるよう、超音波装置を設計することが有効であろう。第１の励起周波数の高調波周波数で供給される音波出力を、第１の励起周波数で供給される音波出力の５０％以上になるよう超音波装置を設計することは、より有効であろう。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の外科手術用超音波装置は以上のように構成されているので、異なる周波数の超音波振動を、超音波装置の作用部に発生させることができず、超音波振動の周波数毎に異なる複数の効果を超音波装置の作用部で達成することができない課題があった。
また、異なる周波数の超音波振動を複数同時に、超音波装置の作用部に発生させることも不可能であり、超音波振動の周波数毎に異なる効果を複数同時に、超音波装置の作用部で達成することができないなどの課題があった。
【００１４】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、異なる周波数の超音波振動を作用部において発生することが可能であり、複数の効果を達成することのできる超音波装置、及び同時に作用部において異なる周波数の超音波振動を同時に発生して複数の効果を同時に達成することのできる超音波装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係るスタックを励起する方法は、第１の周波数の電気的励起信号でピエゾ圧電部を励起する工程と、第１の周波数の整数倍である第２の周波数の電気的励起信号でピエゾ圧電部を励起する工程とを備えるものである。
【００１６】
本発明の他の態様に係る超音波装置は、第１と第２の共振器の間に位置するピエゾ圧電部と、そのピエゾ圧電部に結合し、第１の周波数の信号と第１の周波数の整数倍である第２の周波数の信号を少なくとも含む励起信号を、ピエゾ圧電部に供給するパワーソースとを備えるものである。
【００１７】
本発明のさらに別の態様に係る超音波スタックは、第１のピエゾ圧電部と、第２のピエゾ圧電部と、第１のピエゾ圧電部の第１の端面と接する第１の共振器と、第１のピエゾ圧電部の第２の端面と前記第２のピエゾ圧電部の第１の端面とに接する第２の共振器と、第２のピエゾ圧電部のもう一方の端面と接する第３の共振器とを備えるものである。
【００１８】
この発明は、第１の周波数ｆ1 と、好ましくはｆ1 の周波数の整数倍である第２の周波数ｆ2 等の複数の周波数で、励起信号がピエゾ圧電素子を駆動する外科手術用超音波装置に関する。この発明に係る一つの実施形態において、第２の周波数ｆ2 での励起信号のパワーは、本質的に、第１の周波数ｆ1 での励起信号のパワーに等しいかそれ以上である。この発明に係る他の実施形態において、第２の周波数ｆ2 での励起信号のパワーは、第１の周波数ｆ1 での励起信号のパワーの５０％以上である。さらに、この発明に係る他の実施形態において、第１の周波数ｆ1 での励起信号のパワーは、第２の周波数ｆ2 での励起信号のパワーの５０％以上である。また、この発明に係る他の実施形態では、周波数ｆ2 は周波数ｆ1 の２倍である。さらに、この発明に係る装置では、複数のピエゾ圧電部を含み、各ピエゾ圧電部は、基準周波数か、基準周波数の高調波周波数で駆動されるので、手術用具の先端部は複数の周波数で振動する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
図１は本発明に係る外科手術用超音波装置の第１の実施の形態の側面図である。図１で図示される発明に係る実施の形態において、外科手術用超音波装置１４は、伝達ロッド６０を介して手術用具の先端部４０に接続されるスタック１０を備えている。信号ワイヤ１６は超音波スタック１０に電気的励起信号を伝える。また、スタック１０は、ピエゾ圧電素子５０の最初の側面５２に接合される第１の共振器２０と、ピエゾ圧電素子５０の第２の側面５４に接合される第２の共振器３０を備えている。
【００２０】
伝達ロッド６０は第２の共振器３０の出力部と手術用具の先端部４０を連結する。また、手術用具の先端部４０は刃４４あるいは生体組織に超音波力を伝達する器具を含む。図１に図示されるように、例えばねじ込みにより、伝達ロッド６０を第２の共振器３０に締め付けることで、伝達ロッド６０を第２の共振器３０に接合する。また、例えばねじ込みにより、手術用具の先端部４０を伝達ロッド６０に締め付けることで、手術用具の先端部４０を伝達ロッド６０に接合する。図１において、伝達ロッド６０は共振器３０より小さく、階段状接合面２５をつくる。また、手術用具の先端部４０を伝達ロッド６０より小さくすることで、階段的接合面２７が、伝達ロッド６０と手術用具の先端部４０との間に形成される。階段的接合面２５と２７は速度変換器として作動し、手術用具の先端部４０に伝えられる振動の大きさを増加させる。
【００２１】
超音波装置１４は、スタック１０の振動から操作者を分離するための包装（図示されず）を含む。スタック１０は、ピエゾ圧電部、あるいは変換アセンブリ５０を含む。この実施の形態において、ピエゾ圧電部５０は対置するピエゾ圧電結晶の組を１またはそれ以上含む。ピエゾ圧電結晶の組は離して対置された共振器２０、３０の間に挟まれている。また、ピエゾ圧電部５０は、図６に示される様な制御装置から供給される高周波数の電気力に反応し、振動する。操作中、ピエゾ圧電部５０は、手術用具の先端部４０に伝達する高周波数の振動を、定常波パターン状につくりだす。ピエゾ圧電部５０は、例えば、１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの間の、基準超音波振動をつくりだす。また、好ましくは、約２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの間の基準超音波振動が選択的につくりだされる。
【００２２】
振動のカツプリング、または伝達用の長いロッド６０が、直接にかつ真ん中に、第２の共振器３０を介してピエゾ圧電部５０に接合される。伝達ロッド６０は、手術用具又は作用器具の先端部４０にも接合される。また、伝達ロッド６０は、その軸方向に延びている吸気導管あるいは通路（図示されず）を有している。吸気通路は、一端で作用器具の先端部４０の中心孔（図示されず）と接続され、もう一端はハンドピースから吸入管ポンプ（図示されず）に導かれる吸気導管に接続される。吸入ポンプの動作は、外科手術部にある、ばらばらにされた生体組織片と流体を、外科手術用具の先端部４０の中心孔とハンドピースを介して、適度な収集容器（図示されず）に吸引するものである。
【００２３】
図２は、本発明に係る第２の実施の形態である外科手術用超音波装置１１４の側面図である。外科手術用超音波装置１１４は手術用具の先端部１４０に伝達ロッド１６０を介して接続されるスタック１１０を備えている。外科手術用超音波装置１１４は、使用に際し、スタック１１０の振動から操作者を分離するための包装を有する。図２の実施の形態において、スタック１１０は、第１の超音波ピエゾ圧電部１５０と第２の超音波ピエゾ圧電部１６２、あるいは変換アセンブリを含む。この実施の形態において、ピエゾ圧電部１５０と１６２は、対置するピエゾ圧電結晶の組を１あるいは１以上含む。ピエゾ圧電部１５０と１６２は中心部分１４５により分離され、離されて対置された共振器１２０と１３０に挟まれている。中心部分１４５は、本質的に固体金属部から構成される。ピエゾ圧電部１５０と１６２は、フットスイッチ等の制御により、図７に示される様な、制御装置から供給される高周波数の電気力に反応し、駆動する。
【００２４】
駆動中、手術用具の先端部１４０に伝達される高周波数の機械振動をピエゾ圧電部１５０と１６２は、定常波にてつくりだす。ピエゾ圧電部１５０と１６２は、例えば、１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの間の、基準超音波振動をつくりだすよう駆動する。また、好ましくは、約２０ｋＨｚから８０ｋＨｚの間の基準超音波振動が選択的につくりだされる。
【００２５】
直接にかつ真ん中に、共振器１３０と中心部分１４５を介してピエゾ圧電部１５０と１６２に結合するのは、振動のカップリングあるいは伝達用の長いロッド１６０である。そして、伝達ロッド１６０は、また、外科手術用具あるいは作用器具の先端部１４０に結合される。図２で示される実施の形態はまた、伝達ロッド１６０の吸気導管、スタック１１０の吸気通路、外科手術用具の先端部１４０の中心孔を備えている。
【００２６】
図１、２で示される実施の形態において、ピエゾスタック５０、１５０と１６２は複数のピエゾ圧電素子を備えている。信号ワイヤ１６と１１６から供給される電気信号はピエゾ圧電素子を励起し、それらを振動させ、そして、ここで記述される超音波を生み出す。信号ワイヤ１６と１１６から供給される電気信号は、例えば、実効値約１／２アンペアの電流で実効値約５００ボルトの電圧である。スタック５０、１５０と１６２の個々の素子は、膨張と収縮を各組の素子で相殺するよう、交互に積み重ねられる。
【００２７】
図１、図２で示されるような超音波装置において、スタックで定常音波を起こすことによって出力が外科手術用具の先端部に伝達される。スタック内で定常波を生み出すために、スタックはλ0 ／２の整数倍の長さに設計される。ここでλ0 は基準周波数ｆ0 の波長である。スタックの長さがλ0 ／２に設計されている場合に、定常波には、基準周波数あるいはどのような高調波周波数でも誘導可能である。定常波の、最小値点あるいは０交点は一般に節と呼ばれる。スタックの長さに沿った物理的位置において、伝達ロッドと手術用具の先端部で定常波が最小値となる点は、節点とみなされる。
【００２８】
定常波の最大値あるいはピークを示す点は一般に腹と呼ばれる。それゆえ、スタックの長さに沿った物理的位置にて、伝達ロッドと手術用具の先端部で定常波が最大値となる点は、腹点と呼ばれる。スタックの各終端は、振動が自由で、腹点である。腹点はスタックの長さに沿って１／２波長毎に起こる。効果的にスタックを励起し、望みの励起周波数の定常波を生み出すために、励起を起こす部分、例えばピエゾ圧電素子は、一般に１あるいはそれ以上の節位置に置かれる。定常波において、節は通常、腹からλ／４離れた位置にある。増幅のため、節にピエゾ圧電部を位置させたいので、スタックの基準周波数ｆ0 の高調波周波数ｆx 、波長λx の信号でスタックを駆動する場合、ピエゾ圧電領域は、そのスタックの両端からλx ／４の位置に置かれる。
【００２９】
基準周波数あるいは基準周波数の奇数倍で、スタックが励起される場合において、そのスタックで生じる定常波は、スタックの両端からλ0 ／４の位置に節をもつ。また、その２点間の距離はλ0 ／２である。それゆえ、基準周波数あるいは基準周波数の奇数倍の周波数の励起周波数を望む場合、ピエゾ圧電領域はスタックの両端からＡλ0 ／４に置かれる。ここでＡは任意の奇数である。ピエゾ圧電部をスタックの両端からＡλ0 ／４の位置に置くことは、操作者が選択的に基準周波数あるいは基準周波数の奇数倍の周波数でピエゾ圧電領域を駆動するのに有利である。代わりに、基準周波数の奇数倍以外あるいは特殊な周波数でスタックを駆動するように設計する場合、その励起信号により生じる定常波のいずれかの節にピエゾ圧電領域を置く。節は常にＡλe ／４に位置するので、ピエゾ圧電部はスタックの両終端からＡλe ／４に置かれる。ここでＡは任意の奇数で、λe は励起周波数である。それゆえ、もし、励起周波数ｆe が基準周波数のＸ倍である場合、定常波の節はλ0 ／４Ｘに位置する。
【００３０】
長さλ／２のスタックにおいて、波長λの定常波は、そのスタックの両端からλ／４の位置に節をもつ。定常波が最小値を示す位置にピエゾ圧電部を置くことが一般に有利なので、長さがλ／２であるスタックのピエゾ圧電部は、スタックの中心点、つまり、そのスタックの両端からλ／４の位置におかれる。λ／２より長いスタックでは、そのスタックの長さはλ／２の奇数倍の長さである（例えば、λ／２、３λ／２、５λ／２、７λ／２．．．．Ａλ／２）。
【００３１】
図１において、λ0 は基準周波数ｆ0 の波長を示す。図１で示すように、ピエゾ圧電部５０の中心点は、円錘共振器２０の第１の端面１２から約４分の１波長（λ0 ／４）の位置である。さらに、階段状接合面２５はピエゾ圧電部５０の中心点からおよそ４分の１波長（λ0 ／４）の位置である。従来のスタックにおいて、共振器はピエゾ圧電部の径と等しい一定の径をもつている。スタックでの共振器の物理的長さは、ピエゾ圧電部の長さ、共振器に使用する金属の質量、スタックの基準振動等を変数とする関数であらわされる。しかしながら、図１におけるスタックでは、選択された共振器の長さはおよそ２分の１波長（λ／２）である。
【００３２】
図１で示される実施の形態において、信号ワイヤー１６から供給される電気信号は、少なくとも第１と第２の励起信号を含んでいる。第１の励起信号の周波数ｆ1 は基準周波数の奇数倍である（例えば、ｆ0 ，３ｆ0 ，５ｆ0 ，７ｆ0 ．．．．）。
第２の励起信号の周波数ｆ2 も基準周波数ｆ0 の奇数倍である。ここで、ｆ2 はｆ1 とは異なる周波数である。このようにピエゾ圧電部５０はｆ1 ，ｆ2 で励起され、スタック１０で周波数ｆ1 ，ｆ2 の定常超音波を生み出す。結果として、外科手術用具の先端部４０から生体組織に伝達される音波出力は、周波数ｆ1 の成分と周波数ｆ2 の成分を有する。図１で示される実施の形態において、図６で示されるパワー供給器は、ｆ1 で供給される超音波出力が実質的に、ｆ2 で供給される超音波出力に等しいか、それより大きくなるようにｆ1 とｆ2 の電気的励起信号を生み出すように設計されている。他の例において、ｆ1 で供給される超音波出力は、ｆ2 で供給される超音波出力の７５％以内である。また、他の例において、ｆ1 で供給される超音波出力は、ｆ2 で供給される超音波出力に等しい。図１で示される各要素は、任意の整数倍の大きさにすることで、特定用途用の適切なサイズとすることができる。
【００３３】
図２において、スタック１１０はおおよそλ0 の長さである。ここで、λ0 は基準周波数ｆ0 の波長を示す。図２において、ピエゾ圧電部１５０と１６２は節点に位置する。図２で示されるように、ピエゾ圧電部１５０の中心点は、共振器１２０の終端１１２から約４分の１波長（λ0 ／４）の位置である。さらに、階段状接合面１２５はピエゾ圧電部１６２の中心点からおよそ４分の１波長（λ0 ／４）の位置である。ピエゾ圧電部１５０と１６２はおおよそ２分の１波長（λ0 ／２）離れている。スタックの共振器１２０、１３０と中心部分１４５の物理的長さは、ピエゾ圧電部の厚さ、共振器に使用される金属の質量、スタックの基準振動等を変数とする関数であらわされる。しかしながら、中心部分と共振器の長さは、図２におけるスタックの長さが、およそ１波長（λ0 ）になるように選択されれてい  る。図２で示される実施の形態において、信号ワイヤー１１６から供給される少なくとも第１と第２の励起信号を含んでいる。第１の励起信号の周波数ｆ1 は基準周波数の奇数倍である（例えば、ｆ0 ，３ｆ0 ，５ｆ0 ，７ｆ0 ．．．．）。
【００３４】
第２の励起信号の周波数ｆ2 も基準周波数ｆ0 の奇数倍である。ここで、ｆ2 はｆ1 とは異なる周波数である。図２で示される実施の形態２において、周波数ｆ1 の励起信号は第１のピエゾ圧電部１５０のピエゾ圧電素子を励起し、一方、周波数ｆ2 の励起信号は第２のピエゾ圧電部１６２のピエゾ圧電素子を励起する。図２で示される実施の形態において、図７で示されるパワー供給器は、ｆ1 で供給される超音波出が実質的にｆ2 で供給される超音波出力に等しいか、それより大きくなるようにｆ1 とｆ2 の電気的励起信号を生み出すように設計されている。他の例において、ｆ1 で供給される超音波出力は、ｆ2 で供給される超音波出力の７５％以内である。また、他の例において、ｆ1 で供給される超音波出力は、ｆ2 で供給される超音波出力に等しい。
【００３５】
図２で示される実施の形態において、第１のピエゾ圧電部１５０と第２のピエゾ部分１６２は、それぞれ第１の終端１１２と階段状接合面１２５からおおよそλ0 ／４の位置にある。他方、ここで記述されるように、ピエゾ圧電部１５０と１６２は、基準周波数のいずれかの節に位置する。基準周波数の節点に選択的にピエゾ圧電部を置くことで、基準周波数の奇数倍でピエゾ圧電部が励起される場合、定常波は生じる。このように、スタックは、１あるいはそれ以上の、基準周波数の奇数倍の高調波周波数で外科手術用具の先端部を駆動するために用いられる。しかしながら、もし外科手術用具の先端部が基準周波数の奇数倍以外の高調波周波数で駆動される場合は、ピエゾ圧電領域の位置は、このように選択された定常波の節の位置に選択されないといけない。即ち、励起周波数の節点と一致するようにピエゾ圧電部の位置が選択された実施の形態において、ピエゾ圧電部はスタックの両終端からＡλe ／４に置かれる。ここでＡは任意の奇数で、λe は励起周波数ｆe の波長である。
【００３６】
複数の励起信号が別々のピエゾ圧電部に供給される場合、各ピエゾ圧電部はスタックの両終端からＡλe ／４に置かれる。ここでＡは任意の奇数で、λe はピエゾ圧電部の励起周波数ｆe の波長である。図２で示される各要素は、任意の整数倍の大きさに増大することで、特殊用途用の適切なサイズとすることができる。
【００３７】
図３はこの発明に係るもう１つの実施の形態の側面図である。ここで、ピエゾ圧電部は、スタックの基部に近い方の端面からおよそλ0 ／８とλ0 ／４の位置に置かれる。図３で示される装置は本質的に図２で示される装置と同一である。また、図２で説明した要素と同一な要素については説明を省略する。図３で示される実施の形態において、信号ワイヤー３１６から、電気的信号は少なくとも第１と第２の励起信号を含んでいる。第１の励起信号の周波数ｆ1 は基準周波数の偶数倍である（例えば、２ｆ0 ，４ｆ0 ，６ｆ0 ．．．．）。第２の励起信号の周波数ｆ2 は基準周波数ｆ0 の奇数倍である。ここで、ｆ2 はｆ1 とは異なる周波数である。
【００３８】
図３で示される実施の形態において、周波数ｆ1 の励起信号は第１のピエゾ圧電部３５０のピエゾ圧電素子を励起し、一方、周波数ｆ2 の励起信号は第２のピエゾ圧電部３６２のピエゾ圧電素子を励起する。図３で示される実施の形態において、図７で示されるパワー供給器は、ｆ1 で供給される超音波出力が実質的に、ｆ2 で供給される超音波出力に等しいか、それより大きくなるようにｆ1 とｆ2 の電気的励起信号を生み出すように設計されている。他の例において、ｆ1 で供給される超音波出力は、ｆ2 で供給される超音波出力に等しい。
【００３９】
図３で示される実施の形態において、第１のピエゾ圧電部３５０と第２のピエゾ圧電部３６２は、それぞれ最初の終端３１２からおおよそλ0 ／８とλ0 ／４の位置にある。しかしながら、もし外科手術用具の先端部が、基準周波数の奇数倍以外の高調波周波数で駆動される場合は、ピエゾ圧電領域の位置は、この選択された定常波の節の位置に従って選択されないといけない。即ち、励起周波数の節点と１致するようにピエゾ圧電部の位置が選択された実施の形態において、ピエゾ圧電部はスタックの両終端からＡλe ／８に置かれる。ここでＡは奇数で、λe はピエゾ圧電部の励起周波数ｆe の波長である。複数の励起信号が各ピエゾ圧電部に供給される場合、第２のピエゾ圧電部はスタックの両終端からＡλe ／４に置かれる。ここでＡは奇数で、λe はピエゾ圧電部の励起周波数ｆe の波長である。図３で示される各要素は、任意の整数倍の大きさにすることで、特殊用途用の適切なサイズとすることができる。
【００４０】
図４は１連の励起波形を示す。図４（ａ）は第１のサイン波の励起波形を示し、その励起波は例えば２５ｋＨｚの周波数を有する。図４（ｂ）は第２のサイン波の励起波形を示し、その励起波は例えば５０ｋＨｚの周波数を有する。図４（ａ）と４（ｂ）で示されるサイン波型信号の波高値はおよそ等しい。図４（ｃ）で示す波形は、図４（ａ）と４（ｂ）で示す励起信号の幾何学的な足し合わせを示す。このように、図１のピエゾ圧電部５０のピエゾ圧電素子が、例えば図４（ａ）で示されるような、例えば基準周波数と、図４（ｂ）で示されるような基準周波数の高調波周波数で駆動される場合、外科手術用具の先端部４０は両周波数で励起される。
【００４１】
図５は、ある波長λX に対し、どのようにピエゾ圧電部の位置が選択されるかを示す図である。図５において、ピエゾ圧電領域は、λX ／４と３λX ／４等に置かれる。その位置は周波数ｆx で生じる定常波の節点に１致する。
【００４２】
図６は、図１で示される装置と共に使用される制御装置を示す。図６において、能動素子の組（６１２）を含むスタック６１０は、電気的にインピーダンス整合回路６０９と結合されている。パワー増幅器６０８は加算器６０７からの信号を受け、増幅された駆動信号をインピーダンス整合回路６０９に出力する。加算器６０７は第１のオシレータ６０５からの周波数ｆ1 の信号と第２のオシレータ６０６からの周波数ｆ2 の信号とを加える。フィードバックループ６１１は、第１の増幅調整回路６０１と、第２の増幅調整回路６０３と、第１の周波数調整回路６０２と、第２の周波数調整回路６０４とに入力を供給する。増幅調整回路６０１と周波数調整回路６０２はオシレータ６０５を駆動し、増幅調整回路６０３と周波数調整回路６０４はオシレータ６０６を駆動する。
【００４３】
図７は、図２、３で示される装置と共に使用される制御装置を示す。図７において、２つの能動素子の組７１３と７１４を含むスタック７１０は、電気的に、それぞれ、インピーダンス整合回路７０９と７１２に結合されている。パワー増幅器７０７と７０８は、それぞれ、オシレータ７０５と７０６からの信号を受け、増幅された駆動信号をインピーダンス整合回路７１２と７０９に出力する。オシレータ７０５は周波数ｆ1 の信号をパワー増幅器７０７に供給する。オシレータ７０６は周波数ｆ2 の信号をパワー増幅器７０８に供給する。フィードバックループ７１１は、増幅調整回路７０１と、周波数調整回路７０２に入力値を供給する。増幅調整回路７０１と周波数調整回路７０２はオシレータ７０５を駆動する。フィードバックループ７１５は、増幅調整回路７０３と、周波数調整回路７０４に入力値を供給する。増幅調整回路７０３と周波数調整回路７０４はオシレータ７０６を駆動する。
【００４４】
多くの励起信号の供給源、例えばジェネレータ、は図４で示されるようなきれいなサイン波を生成しないことが、当業者には知られている。駆動信号がきれいなサイン波でない場合に、励起信号は、基準周波数と、１あるいはそれ以上の、基準周波数の高調波周波数とを共に有している。そのような信号において、高調波振動数の信号の波高値は、基準波より、本質的に小さい（例えば、普通、基準波のパワーの２５％以下である）。従って、高調波周波数での先端部の変位距離は、基準周波数での先端部の変位距離より小さくなる。故意に励起信号の信号レベルを、基準周波数での５０％、あるいはそれ以上、好ましくは等しくすると、先端部の変位距離は、高調波周波数において実質的に増加し、装置の特定の特性を増加させることとなる。例えば、基準周波数で駆動し、ナイフとして装置を使用する場合、止血の特性は、第１の高調波周波数あるいは第２の高調波周波数での励起信号の波高値を大きくすることで改善される。この発明に係る他の実施の形態において、高調波励起信号の位相は、基準周波数の信号の位相に対して連続的にずらされる。これによる、外科手術用具の先端部の変位により、オシレータとしての装置の特性が強調されることとなる。
【００４５】
なお、この発明に係るスタックは、伝達ロッドと外科手術にて切開あるいは切断に使用する先端部に結合するように述べられてきたが、この発明に係るハンドピースは、多くのその他の超音波装置として使用可能であることは、当業者にはあきらかである。この発明に係るスタックは、例えば、超音波ハサミのハンドピースとして、あるいは超音波トロカールの密閉装置として使用することができる。さらに、この発明に係るスタックは、超音波焼灼用のハンドピースとして使用することができる。このように、ここで述べられた外科手術用先端部は、ここで述べたものを含めた多くの超音波手術具を代表するものである。
【００４６】
この発明の好適な実施の形態を以上に説明したが、これらが発明を例示する目的のみのために示されていることは、当業者には明らかであろう。また、この発明の本質から離れることなく、当業者により、多くのこの発明の変形が行われるであろう。従って、この発明は、請求項の範囲と趣旨によってのみ限定される。
【００４７】
本発明の好適な実施態様として、以下のようなものがある。
（Ａ） 第１と第２の共振器の間に位置するピエゾ圧電部を含む、医療装置の超音波スタックを励起する方法であって、第１の周波数の電気的励起信号で前記ピエゾ圧電部を励起する工程と、前記第１の周波数の整数倍である第２の周波数の電気的励起信号で前記ピエゾ圧電部を励起する工程とを備えた方法。
（１）  第２の周波数が、第１の周波数のおよそ２倍であることを特徴とする実施態様（Ａ）記載のスタックを励起する方法。
（２）  第２の周波数の信号の入力パワーが、第１の周波数の信号の入力パワーの５０％以上であることを特徴とする実施態様（Ａ）記載のスタックを励起する方法。
（３）  第１の周波数の信号の入力パワーが、第２の周波数の信号の入力パワーの５０％以上であることを特徴とする実施態様（Ａ）記載のスタックを励起する方法。
（４）  第１の周波数が前記スタックの基準周波数であることを特徴とする実施の態様（１）記載のスタックを励起する方法。
（Ｂ） 第１と第２の共振器の間に位置するピエゾ圧電部と、前記ピエゾ圧電部に接続され、第１の周波数の第１の信号と前記第１の周波数の整数倍である第２の周波数の第２の信号を少なくとも含む励起信号を前記ピエゾ圧電部に供給するパワーソースとを備えた超音波装置。
（５）  第２の周波数が、第１の周波数のおよそ２倍であることを特徴とする実施態様（Ｂ）記載の超音波装置。
【００４８】
（６）  第１の周波数の信号の入力パワーが、第２の周波数の信号の入力パワーの５０％以上であることを特徴とする実施態様（Ｂ）記載の超音波装置。
（７）  第２の周波数の信号の入力パワーが、第１の周波数の信号の入力パワー以上であることを特徴とする実施態様（Ｂ）記載の超音波装置。
（８）  第１の周波数が前記スタックの基準周波数であることを特徴とする実施の態様（５）記載の超音波装置。
（Ｃ） 第１のピエゾ圧電部と、第２のピエゾ圧電部と、前記第１のピエゾ圧電部の第１の端面と接する第１の共振器と、前記第１のピエゾ圧電部の第２の端面と前記第２のピエゾ圧電部の第１の端面と接する第２の共振器と、前記第２のピエゾ圧電部の第２の端面と接する第３の共振器とを備える超音波スタック。
（９）  第１のピエゾ圧電部が第１の周波数の励起信号を受け、第２のピエゾ圧電部が第１の周波数と異なる第２の周波数の励起信号を受けることを特徴とする実施態様（Ｃ）記載の超音波スタック。
（１０）  第２の周波数が、第１の周波数の整数倍であることを特徴とする実施の態様（９）記載の超音波スタック。
【００４９】
（１１）  Ａが奇数で、λが第１の周波数の波長であるときに、超音波スタックの一端面からの距離がおよそＡλ／４の位置に前記第１のピエゾ圧電部を置くことを特徴とする実施の態様（１０）記載の超音波スタック。
（１２）  Ｂが奇数で、λが前記第２の周波数の波長であるときに、超音波スタックの一端面からの距離がおよそＡλ／４の位置に第２のピエゾ圧電部を置くことを特徴とする実施態様（Ｃ）記載の超音波スタック。
（１３）  Ｃが偶数であるときに、超音波スタックの一端面からの距離がおよそＣλ／８の位置に第１のピエゾ圧電部を置くことを特徴とする実施態様（Ｃ）記載の超音波スタック。
（１４）  ＣとＤは値が異なる偶数であるときに、超音波スタックの一端面からの距離がおよそＣλ／８の位置に第１のピエゾ圧電部を置き、超音波スタックの一端面からの距離がおよそＤλ／８の位置に第２のピエゾ圧電部を置くことを特徴とする実施態様（Ｃ）記載の超音波スタック。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の周波数の超音波振動を超音波装置の作用部で発生させることが可能となり、周波数により異なる複数の効果を超音波装置の作用部において達成することが可能となる。
また、複数の周波数の超音波振動を超音波装置の作用部で同時に発生させることも可能であり、周波数により異なる複数の効果を超音波装置の作用部において同時に達成することが可能となる。
さらに、パワーソースから第１の周波数の第１の信号とこれの整数倍の周波数の第２の信号を含んだ励起信号をピエゾ圧電部に印加してこれを励起することにより、周波数の異なる超音波振動を同時に超音波装置の作用部で発生させて同時に複数の効果を達成することが可能となる。
さらに、複数のピエゾ圧電部とその共振器を各々配置して各々のピエゾ圧電部において異なる超音波振動を励起することも可能であり、設計の自由度を確保しながら、多様な周波数の超音波振動を作用部において発生させることのできる超音波装置がえられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １つのピエゾ圧電部を含む外科手術用装置の実施形態の側面図である。
【図２】  ２つのピエゾ圧電部を含む外科手術用装置の実施形態の側面図である。
【図３】  ２つのピエゾ圧電部を含む外科手術用装置の実施形態の側面図である。
【図４】  基準周波数の波形、第１の高調波周波数の波形、基準周波数の波形と第１の高調波周波数の波形を幾何学的合成した波形、を含む１連の励起波形を示す図である。
【図５】  本発明の実施の一形態におけるピエゾ圧電部の配置可能な位置を示した図である。
【図６】  図１で示された外科手術装置を結合して使用するためのコントロール装置を示す図である。
【図７】  図２、３で示された外科手術装置を結合して使用するためのコントロール装置を示す図である。
【符号の説明】
２０  第１の共振器
３０  第２の共振器
５０  ピエゾ圧電部
１２０  第１の共振器Ａ
１３０  第３の共振器
１４５  第２の共振器Ａ
１５０  第１のピエゾ圧電部
１６２  第２のピエゾ圧電部
【図１】
0003936001.tif 000002
【図２】
0003936001.tif 000003
【図３】
0003936001.tif 000004
【図４】
0003936001.tif 000005
【図５】
0003936001.tif 000006
【図６】
0003936001.tif 000007
【図７】
0003936001.tif 000008