(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子を持つモーターを含み外科用デバイスを収容しかつ駆動するよう構成されたハンドピースを有し、ハンドピースに対する相対位置が連続的に変化するようにモーターによって駆動される少なくとも１つの外科用デバイスと共に機能するよう適用した外科用システムであって、
前記モーターを制御するためのコントローラ（１６）と、前記コントローラに電気的に接続された停止スイッチとを備え、
前記コントローラは、モーターを停止するために、前記停止スイッチの動作に応答し、
前記モーターが、ハンドピースに対するモーターの相対位置を少なくとも表示する電気信号を生成するためのセンサー（１４）を備え、
前記外科用システムが、ユーザが選択したハンドピースに対する外科用デバイスの開始−停止位置Ｂに対応するモーターの開始−停止位置Ａを前記コントローラに認識させるための位置識別子Ｐをさらに備え、
前記コントローラが、前記モーターの開始−停止位置Ａに対するモーターの現在位置を認識させるために前記相対位置を表示する電気信号に応答し、外科用デバイスが実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂにあるようにモーターを停止させるために、前記停止スイッチの動作に応答することを特徴とする外科用システム。
【請求項２】
前記外科用システムが、マニュアルスイッチを含み、
前記コントローラが、前記マニュアルスイッチが押されたときのモーターの位置を前記モーターの開始−停止位置Ａにマークをするために、前記マニュアルスイッチの動作に応答する請求項１の外科用システム。
【請求項３】
予め定められた決定位置を検出可能な検出素子を持つ外科用デバイスと共に用いる外科用システムであって、
前記検出素子が実質的にデバイスの前記決定位置にあるときはいつでも、前記センサーは、前記検出素子に応答して、そのデバイスの決定位置を認識させる電気信号を生成させ、
前記コントローラが、前記外科用デバイスの駆動された動きを実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂで止めるために、少なくとも前記生成された電気信号に応答する請求項１の外科用システム。
【請求項４】
前記検出素子が、前記外科用デバイスの駆動部材に取り付けられ、前記センサーが、前記ハンドピースの固定された要素部材に取り付けられた外科用デバイスと共に用いる請求項３の外科用システム。
【請求項５】
前記検出素子が、前記外科用デバイスの駆動部材に取り付けられ、外科的行為を果たすために、前記外科用デバイスの駆動部材が、外科用デバイスの非駆動部材と協同し、前記ハンドピースが、固定された前記センサーを含み、前記モーターが、前記センサーに対して前記デバイス駆動部材を位置決めさせるために、前記外科用デバイスに結合されており、外科用デバイスと共に用いる請求項３の外科用システム。
【請求項６】
前記コントローラが、前記相対的な位置の電気信号に応答して前記モーターの位置を追跡する追跡手段と、マニュアルスイッチとをさらに備え、前記コントローラの追跡手段が、前記マニュアルスイッチが作動されたとき、前記電機子の位置に関連した前記電機子の位置を追跡する請求項１の外科用システム。
【請求項７】
前記コントローラが、２つの操作モードである連続モードと振動モードのために前記モーターを制御し、
前記コントローラが、前記連続モードと前記振動モードの両方において、実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂで前記外科用デバイスの駆動動作を停止するために前記停止スイッチに応答し、
前記振動モードにおいて、実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂで、前記外科用デバイスの駆動動作を反転させる請求項１乃至６のいずれかの外科用システム。
【請求項８】
前記コントローラが、２つの操作モードである連続モードと振動モードのために前記モーターを制御し、前記コントローラが、前記連続モードと前記振動モードの両方において、実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂで前記外科用デバイスの駆動動作を停止するために前記停止スイッチに応答し、
前記位置識別子Ｐが、前記振動モードにおいて前記デバイスの駆動動作を反転させる反転位置を確認し、前記振動モードにおいて、実質的に前記反転位置で、前記外科用デバイスの駆動動作を反転させる請求項１乃至６のいずれかの外科用システム。
【請求項９】
前記デバイスの開始−停止位置Ｂと反転位置が同じである請求項２の外科用システム。
【請求項１０】
前記外科用デバイスが、身体の手術位置で組織を切断するために、前記モーターによって動作させられる関節鏡外科用器具と、固定された延長部材と、駆動される可動部材とを備え、
前記可動部材が前記モーターによって駆動されるとき、前記組織を切断できるように前記固定延長部材と可動部材とが協同的に配置され、
前記ハンドピースは前記外科用デバイスの近端部を収容し、
前記外科用デバイスは、その遠端部で、前記固定延長部材に対する前記可動部材の位置に応じて、完全に開き、完全に閉じ、あるいは一部分が開く可変アパーチャを画定し、それによって前記アパーチャに選択的な開口の程度を与えるように前記可動部材を停止させることのできる請求項１の外科用システム。
【請求項１１】
前記可動部材は、前記センサー１４と協同して、前記電気信号を生成するために、埋めこまれた少なくとも一つの磁石からなる請求項１０の外科用システム。
【請求項１２】
さらに、前記ハンドピースが、ホール効果受取素子を備え、前記可動部材が、回転する磁石を備え、前記ホール効果受取素子が前記磁石に応答して電気信号を生成することを特徴とする閉鎖ループ方法で動作する請求項１０又は１１の外科用システム。
【請求項１３】
前記コントローラが、前記停止スイッチの作動に応答して、実質的に前記デバイスの開始−停止位置Ｂで、前記外科用デバイスと共に前記モーターを停止するために、所定の手続きに従ってモーターの回転速度を減少させる請求項１の外科用システム。
【請求項１４】
前記コントローラが、前記停止スイッチの作動に応答して、前記デバイスの開始−停止位置Ｂで、前記外科用デバイスと共に前記モーターを停止させるのに先行して、モーターの回転速度を所定のしきい値より小さくなるように減少させる請求項１の外科用システム。
【請求項１５】
前記ハンドピースが、モーターの出力動作を前記外科用デバイスに連結するための歯車減速器を備え、これによってモーターの既知の位置が外科用デバイスの単一の手術位置と一致しない請求項１乃至１４のいずれかに記載の外科用システム。
【請求項１６】
前記歯車減速器が、１／〔電機子の１回転毎の前記センサーの出力の変化の数〕の倍数である歯車減速比を持つ請求項１５の外科用システム。
【請求項１７】
前記コントローラが、開放ループ制御モードで作動する請求項１の外科用システム。
【発明の詳細な説明】
この発明は、モーター駆動型の外科用システムに関し、特に、すべてデジタルモーターによって制御される外科用システムの要素の相対的な位置を制御するためのシステムに関する。
たとえば、関節鏡視下切断装置を用いたブラシレスモーターの回転速度を制御するためのデジタル速度制御システムがよく知られている。
これらのブラシレスモーターで制御された装置は、一般的には、外科的アセンブリに応用され、米国出願番号第１３５，２９７号と米国特許第５，２７０，６２２号に記載されているようなすべてデジタル設計されたシステムを用いている。それらの装置は、モーター電機子の回転速度と位置に関してすぐれた制御を提供するがこの制御によってモーターと外科的アセンブリとの間の歯車を適切に減少させて、外科的アセンブリを正確かつ精密に制御することができる。そのようなデジタル制御システムは、一般的にブラシレスモーターを用いる従来のアナログ制御システムを越える長所を備えている。
しかしながら、これらのモーターすべてにおいて、固定されたハウジングに対応し、ハウジングの中で回転するように回転可能に駆動される外科的部材の相対的位置、特に、たとえば外科用デバイスの遠端の先にある切断アパーチャの相対的な開口は未知である。この点に関して、アパーチャの性質は制御システムには未知であるという点で、特に、外科用デバイスの取りはずし可能な回転する先端の回転可能な位置とそれを収納する固定ハウジングとの間に制御システムにわかる一定の関係を維持する方法がないという点で、ブラシレス（全デジタル）モーターとブラシモーターのどちらも、同じ困難さを与える。
それゆえに、駆動型外科的部材の回転位置の相対的所在に関する制御を改善すること、特に、医者に関節鏡視下切断装置の効率と有効性および切断処理が進行するときの正確さを改善することを可能にする装置を提供することを目的とする。
ブラシレスモーターの制御における技術状態を進歩させること、特に、制御される関節鏡視下切断装置に関係した技術状態を進歩させることが、この発明の一般的な目的である。
この発明の別の目的は、改善された切断効率性，正確性および応答の再現性を有する全デジタルモーター制御型外科用切断デバイスを提供することである。
この発明の別の目的は、特に外科的処理に用途を持つ改善されたモーター制御されるシステムを提供することである。
この発明のさらなる目的は、モーターで駆動された外科的ツールを正確にかつくり返し可能に制御する方法と装置を提供することである。
したがって、モーターを含み外科用デバイスを収容しかつ駆動するよう適用したハンドピースを有しハンドピースによって連続する位置を通して駆動される少なくとも１つの外科用デバイスと共に機能するよう適用した外科用システムであって、前記外科用デバイスの駆動を制御するためのコントローラと前記コントローラに電気的に接続された停止スイッチとを備え、前記コントローラは、実質的に開始−停止位置で前記外科用デバイスの駆動された動きを停止するために、前記停止スイッチの動作に応答し、前記モーターが、少なくともモーター駆動相対位置を表示する電気信号を生成するためのセンサーをそのモーターの中に備え、前記コントローラが、モーター駆動相対位置に対する前記モーター駆動の現在位置を同定するために前記相対位置の電気信号に応答することを特徴とする外科用システムが提供される。
これらの目的と以後明らかとなるであろう他の目的に合わせ、この発明は、ブラシレスモーターのためのすべてデジタル化された外科用制御システムを使用する。このシステムは、所望のモーターの動作を表示するコマンド信号を供給するためのデジタル信号プロセッサを備える。このプロセッサあるいはコントローラは、モーター駆動の各位相について、そして外部制御信号に応答して、電機子を回転させるためのデジタルの転換信号を生成する。制御信号によって確立されたデューティサイクルを持ちデジタルパルス幅を変調した信号は、電機子の回転速度を制御する。
このシステムは、さらにコントローラとのデジタル通信に、スイッチ要素たとえば多重位相ブリッジを持つ。このブリッジは、それぞれの位相ごとに、それぞれの転換信号と各パルス幅変調信号とに応答して、パルス幅変調信号の存続期間中持続するオン状態を持つデジタルの２状態制御信号を生成するために動作するものである。
また、さらに、このシステムは、コントローラとのデジタル通信に、電機子の位置を表示する位置センサー信号をモーターの回転につれて生成するための要素を備える。コントローラは、実際の電機子の回転速度を表示するデジタル信号を生成するために位置センサー信号を処理するように動作するものである。
この発明は、一つの観点において、外科用デバイスの駆動位置が既知かつ特定の場所に止まるように、モーターがたえず自動的に反転する振動モードの終了時に、あるいは連続モードにおいては切断サイクルの終了時に、モーターをシャットダウンあるいは停止させることを特徴とすることができる。
この発明の特別の観点によれば、外科用システムは、少なくとも１つの外科用デバイスと共に機能するよう適用される。外科用システムは、モーターを含むハンドピースを備えており、そのモーターは、外科用デバイスを収容し、かつ駆動するよう適用される。外科用デバイスは、コントローラの制御に基づいて、ハンドピースによって連続した位置で駆動するものである。外科用システムは、少なくともモーター駆動の相対的位置を表示する電気信号を生成するためのモーター内センサーと、モーター駆動の初期位置に対してモーター駆動の現在位置を同定するための相対的位置の電気信号に応答するコントローラとを特徴とするものである。このシステムは、さらに、駆動される外科用デバイスのための開始−停止位置、すなわち、外科用デバイスが止まったとき、外科用デバイスを置く位置を、コントローラに対して確認する位置識別子を特徴とすることができる。停止スイッチは、電気的にコントローラに接続されてよく、実質的に開始−停止位置で外科用デバイスの駆動動作を停止するために、コントローラは、停止スイッチの動作に応答する。
この発明のさまざまなの観点において、モータのコントローラは、開放ループあるいは閉鎖ループのどちらの様式でも動作させることができる。ある１つの開放ループの具体例において、マニュアルスイッチが備えられ、コントローラは、駆動型の外科用デバイスの位置を開始−停止位置にマークするために、マニュアルスイッチの動作に応答する。マニュアルスイッチの操作に先立って、外科用デバイスが望まれる開始−停止位置に着くまで、外科用デバイスの駆動部分をゆっくり増加させることができる。
閉鎖ループ動作モードでは、この発明は、さらに、外科用デバイスが決定位置に実質的に位置したときに、そのデバイスの決定位置を識別する電気信号を発生させるための、外科用デバイスに固定された、センサー要素を特徴としてよく、コントローラは、少なくとも発生された電気信号に応答して、実質的に前に決定された開始−停止位置に、外科用デバイスの駆動部材を停止させることができる。閉鎖ループ動作モードでは、いくつかの具体例において、外科用デバイスは、ハンドピースに対して一方向に適合され（one-way keyed）、そこに位置電気信号を与えるセンサー要素が配置される。
一般的なシステムでは、コントローラは外科用デバイスの絶対位置を知らないので、コントローラは元の位置に対するモーターの相対的位置に依存する。これらの例では、元の（開始−停止）位置を確認しながらマニュアルスイッチを作動するとき、コントローラは、モーターの電機子の元の位置に対するモーターの電機子の位置を追跡する。停止信号が与えられたとき、電機子が所定のしきい値を越える速度で回転している場合には、コントローラは、駆動型外科用デバイスを開始−停止位置で止めるように設計された停止手続きを始める前に、速度がしきい値に下がるまで待つ（また駆動された部材を積極的に減速してもよい）ことが好ましい。
この発明の１つの側面に従えば、概ね上記したような連続動作モードに加えて、モーターが最初一方向に駆動され、次に他方向に駆動される、モータの駆動の動きが振動する第２の動作モードを備えてもよい。この動作モードでは、発明は、方向の反転が起こる振動停止位置即ち反転の停止位置を加えたオプションを備える。振動停止位置の設定は、開始−停止位置の設定と実質的に同一の方法で実行でき、実際２つの位置は同一であり得る。好ましくは、動作において、コントローラは、方向反転する前に、一定の時間一方向にモーターを回転させ、許された時間が終了した後、駆動される外科的部材が所定の又は選択された振動停止位置に到着するようにする。
この方法において、外科用デバイスの遠端部のアパーチャが既知の開口特性、閉特性、あるいは部分開口特性を持つ既知の位置において、外科用デバイスが、いつでも開始及び／又は反転するように制御することができる。
この発明は、コントローラが、たとえば組織や他の物質の切断及び除去のための関節鏡視下手術に用いられると、システムの効率性と信頼性の両方を促進させる外科用切断デバイスの反復的で正確な動作を提供するものである。
この外科用コントロールシステムは、切除及び／又は流体コントロールのためにモーター駆動される外科用切断刃に組織を引きあてるための特別な用途を持つ。
この発明の特性と考えられる新規な特徴は、添付された請求項に特に記載されている。しかしながら、発明そのものは、その構成とその動作方法の相方についてその付加的な目的と効果と共に、付随する図面と合わせて読めば、下記の特別な具体例の記載から最もよく理解されるであろう。
図１は、この発明の全デジタル化された速度と位置制御システムの全体の概略ブロック図である。
図２は、図１のシステムの特別な具体例の詳細ブロック図である。
図３は、コントローラの動作の一部を示したフローチャートである。
図４は、コントローラの動作の別の局面を示したフローチャートである。
図５は、この発明のコントローラの動作のさらに別の局面を示したフローチャートである。
図６は、この発明のシステムを用いた外科手続きの概略ブロック図である。
図７は、外科用ツールの透視図である。
図８は、図７の横断面図である。
図９は、この発明のコントローラの動作の別の局面のフローチャートである。
図１０は、この発明のホール効果スイッチの出力を示している。
図１１から１３は、動作の閉鎖ループ方法についての異なる具体例の概略図である。
この発明は、モータここではブラシレス三相ＤＣモータの速度と、特にこの開示発明の目的のために、その相対位置を制御する制御システムについて記載されている。さて図１において、本発明の全デジタル（all-digital）モータ制御システムは、回転する電機子１２を有するブラシレス三相ＤＣモータ１０を備えている。モータは、電機子の位置を検出するために電機子の回りに搭載された複数の従来型ホール効果センサー１４を有している。
このシステムは、フィリップス（Philips）によってNo.87C552として製造された集積回路チップとして構成されていることが好ましいデジタル信号プロセッサすなわちコントローラ１６を備えている。コントローラ１６はコネクタ１７ａおよび１７ｂを介してそれぞれモータ１０およびフットペダルスイッチ（図示せず）につながっている。コントローラ１６は、回線１９および２０（図２）を通る加速（speed-up）および減速（speed-down）信号に基づいて、所望の電機子速度を指し示す内部デジタル速度信号を生成する。プロセッサ（あるいはコントローラ）１６は、以下に詳細に記載するように、ホール効果素子からの回線２２を通る信号から実際の電機子速度を指し示すモータ出力速度を測定する。
電源を入れると、コントローラ１６は、添付の付録Ａの第Ａ−１頁から第Ａ−８頁に詳細に規定されたソフトウェアプログラムを実行する。コントローラ１６は、電機子を回転させるために協働する６つの転換信号の組を生成し、２つずつがそれぞれ図示した四極のブラシレスモータの各位相に対応する。より詳細には、図示した実施態様のコントローラはそのプログラムの中に、ホール効果素子からの信号によって決まる電機子の角位置（angular position）の関数としての、６つの転換ビットパターンのリストを持つ参照テーブル（look-up table）を有しており、各パターンは電機子に対する別々のコマンドを表している。転換信号は、三相のブリッジ回路２６と、任意にブリッジ駆動回路２４（図２参照）を通って供給されその中で処理され、それによって、それぞれがモータードライブの各位相に対応する３つの位置制御信号が配線２７を通じてモータ１０に出力される。（ホール効果センサー１４は電機子の回転を感知し、二状態（two-state）ホール効果信号を生成し、それに応答してコントローラ１６は転換信号を生成する。）
コントローラ１６のこの後者の様相は図３の動作フローチャートに図示されている。転換信号の生成はブロック２８によって図示されている。ホール効果センサの読み取りはブロック３０に表されている。新しい状態は３２に記憶されている。コントローラ１６は、電機子の物理的反転が起こったと認識したとき（ブロック３４）、反転入力コマンドが与えられ（ブロック３６）、次の転換ビットパターンがモータに出力される（ブロック３８）。もし反転が起こらなかった場合、転換ビットパターンは、ブロック３６を通らずに送られる。その後、以下に述べるタコメータ（TAC）信号を生成するために機能する内部カウンタと位置レジスタを増加させる（incremented）（ブロック４０）。次にコントローラは、割り込みから戻る。（図示した四極の（三位相の）モータに関しては、電機子が機械的に３０°回転するごとにビットパターンが変化する。）前記の速度信号を生成するために、タコメータ信号が処理される。
図４において、コントローラ１６はまた、所望の速度値に応答してＰＷＭレジスタをロードすることにより、電機子の回転速度に依存するデューティサイクル（あるいはパルス幅）を有するデジタルパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成する。（ブロック４２）図示した実施態様におけるＰＷＭ信号は、４２．５マイクロセカンドの固定したＰＷＭサイクルを有する。ＰＷＭ信号は、高状態（high state）と低状態（low state）を有する。コントローラは、ＰＷＭ信号の継続時間（duration）を決定し、従って好ましい場合では０から４２．５μｓまで電機子の速度を決定する。このようにＰＷＭ信号のデューティサイクルは０から１００％まで制御される。
図１および図２に示され、先行技術においてよく知られているように、ＰＷＭ信号がブリッジ駆動回路２４に供給され、それは三相ブリッジ２６に対する切り替え信号（switching signal）を生成する。次には、ブリッジ２６は、各位相に対し、それぞれオン状態とオフ状態とを有する上述のモータ制御信号を生成する。
前述のホール効果センサは相対的位置信号を生成してコントローラに戻し、そこで信号変化がその起こる都度累積される。ＴＡＣカウンタからの得られたカウントは、コントローラ１６によって処理され、タコメータ信号を生成し、それがプロセッサ１６によってディスプレイ５１に送られて、モータの実際の回転速度を示す。
図６は典型的な近代的外科処置例えば関節鏡検査法あるいは腹腔鏡検査法の構成を示す概略的ブロックダイアグラムである。処置が行われる患者の関節あるいはその他の領域が、６２で示されている。第一カニューレ６４がその領域に導入され、食塩溶液の供給源に結合される。ポンプ６６は、関節において正の圧力例えば０から１５０ｍｍ水銀柱ゲージを維持する。またビデオカメラおよび光源６８が、領域を観察しテレビジョンモニタ（図示せず）上で像を表示するために、カニューレ６４に接続される。また一端に外科器具を有する第二カニューレ７０が領域６２の中に導入される。ここでその器具は、モータードライブ７２を備えた、手で支えるシェーバである。切削からの食塩水と血液と残骸は、その領域からカニューレ７０の中の空洞を通りさらにホース７４を通って除去され、それはポンプハウジング６６上に位置するピンチバルブ７６に通じて領域からの流れを調節することを助ける。流出物は次に廃物収集器７８に送られ、典型的に１５０から７６０ｍｍ水銀柱の絶対圧力に維持された減圧源８０に送られる。カニューレ７０とホース７４の間には外科器具の残余部７５が存在している。
そのような処置において領域６２における圧力が一定であることが大切である。このことは、関節の物理的寸法が常に変化しており、関節から漏出（leaking）があり、不安定でかつ未確定体積である関節の領域において特に維持することが困難である。外科医が、真空への接続を開閉し液体の流れによって組織の破片を除去する外科用システムを操作する時、高速に変化する真空が生じ得る。外科的領域における圧力が一定であることが良い外科的処置のために必須である。特に重要なことは、圧力が決して過度に大きくならないことであるが、それは患者を傷つけるからである。一定の圧力は領域６２の中へ流入する食塩水の速度に対する精密な制御に直接の関係を有している。ポンプ速度の小さな変化が圧力の非常に大きい変化を生み出す。この発明の制御システムによれば、実質的に一定な圧力が非常にきつい許容度に到るまで維持できることが見いだされた。このことは特に、駆動パルスデューティサイクルを変化させることができ、従って回転周波数もまた１ＲＰＭの何分の１から例えば１０００ＲＰＭまで変化させることのできる、ポンプにおけるパルス駆動モータによって達成される。外科的領域内への典型的な流速は毎分０．０から２．５リットルである。
図７は、カニューレ７０の端部に表れる外科用デバイス、刃身アセンブリの一部分の部分的に切り取った概略的斜視分解図である。遠端部８４が閉鎖された刃身アセンブリの固定中空管８２は、典型的に切り取り部分８６を形成する開口部を有する。同じく中空管である回転可能な内部刃身８８は、その遠端領域９０において鋭いエッジ９１を持つ切り取り面を有する。内部刃身はモータによって駆動され、モータアセンブリにしっかりと収容された管８２の中で回転する。真空が中央空洞を通って液体と残骸を引き出して除去する。
内部刃身は、通常一定の速度で駆動され、連続した単一方向モードかまたは振動モードのどちらかで回転する。内部刃身は、モータ１０に相当するシェーバ７２内のモータによって駆動される。内部刃身に印加されるトルクを精密に制御することが望ましいが、これはもしトルクが例えば内部刃身８８の回転管（spinning tube）に一片の骨や金属やその他の断片が引っかかったりするため大きすぎると内部刃身自体や管８２やカニューレ７０が砕け、患者の関節に残骸をまき散らす結果となるからである。その場合残骸を除去しなければならないが、それは容易な作業ではない。また、結果として、その領域に対する損傷が伴う。この発明の制御システムはそのようなトルク制御を提供する。
上に述べたように、この発明のシステムは、ブラシレスモータに電圧すなわち電気的駆動エネルギー例えば一連のパルスを特定のデューティサイクルで印加する。タコメータは上記のようにモータ電機子の実際の速度を測定し、所望の電機子回転速度と駆動されたモータからのホール効果センサ波形（図１０）から得られた実際の出力速度とを比較する。もしある物体が外科用デバイスの中で詰まると、モータは通常より多くのパワーを必要とし、従って、より多くの平均電圧及び／又は電流の形態をとるデューティサイクルの増加を要求する。ソフトウェアはモータの実際の速度を、モータに命令された速度と比較し、もし印加された電圧に対して速度が遅すぎる時は、コントローラはデューティサイクルを減少させ（それにより対応して平均電圧あるいは電流を減少させ）、これがトルクを減少させて、内部刃身８８あるいは管８２に起こり得る破断を防ぐ。外科医は次にカメラ６８を通してカニューレの端部の状態を観察し、もし何かが詰まっていれば食塩水の流量を増加させたり道具を操作したりして詰まりを取り除く。またこの状況において開口部を開いた状態にして道具を停止することが望ましい。以下に記載するようにもしこの状態がシステムに予め設定されていれば本発明はこの状態を達成させることができる。またもし必要ならば、外科医は道具を変えることができる。
図８は図７のカニューレを通して見た断面図であるが、内部刃身がその中に挿入されている。この発明において、切削エッジ９１を有する内部刃身８２はある方向に回転し次に別の方向に回転する、すなわち振動するように駆動することができる。例えば、システムは内部刃身を時計回りに０．６秒駆動し、次に反時計回りに０．６秒駆動しその後このプロセスを繰り返すようにすることができる。内部刃身本体８８が一方向に回転し次に反対方向に回転するにつれて、開口部８６の中に移動する組織が切り取られ、次に究極的にホース７４まで供給している内部中空開口部９２を通じて食塩液を流すことにより、真空の作用により除去される。
振動運動は回転する内部刃身だけに限られるものではなく、ドリルや、円形木やすり（circular rasps）や回転式回転外科用メス（scalpels）および全ての範囲のモータ駆動道具のために用いることができることが理解される。
また上述したように、本発明によれば内部刃身８８は、連続動作モードあるいは振動動作モードのいずれの動作モードにおいても、規定の位置から回転を開始しそこで停止することが望ましい。連続モードにおいては、内部刃身は使用者の制御のもとで一つの方向に動作を開始し動作を停止するが、反転はしない。このモードにおいては内部刃身が同じ場所で、例えばその開口部と切削エッジの位置が合っている時、すなわち実質的に管８２の遠端の開口部が切り取り部分８６にある時に、回転を開始し停止することが望ましい。このように、内部刃身の回転の開始と停止に対する制御が所望の如く達成され、それによって開口部が開いた状態にされ、真空と結果として生じる溶液の流れによって断続的に外科的行為が行われる領域に物体がないようにするか、あるいは一方で、もし望ましいと判断されれば閉じた状態にしたりあるいは部分的に開いた状態にすることも可能である。同様に外科用デバイスの操作を毎回同じ位置で開始することができることは、外科医に実質的な確信性をもって切除すべき組織の型や位置や品質を予測する能力を賦与する。
また上記に記載した振動動作モードにおいていつも、開口部を同じ状態にしてすなわち望ましくは開いた状態で、あるいは可能性のある場合として閉じた状態であるいはそれらの間のある位置において、方向の反転が起こることが外科医にとって有利であり特に有用である。したがってこのことにより例えば、流出物が反転過程の間、関節から引き出されないようにしたり、あるいは一方において、たとえ瞬間的にではあっても回転運動が止まってしまい組織が切り取れない時、反転の間、流出物の一部分あるいは全部の流れが関節から引き出されるようにすることができる。既知で予測可能な形で反転が起こることを確実に予測できる能力は、記載の外科用デバイスに対し実質的な有利性を提供する。本発明によれば、コントローラは、上記の開口部制御を以下の様にして実行することができる。
さて図２と図９のフローチャートとソフトウェア付録を参照すると、この発明の好ましい実施態様において、コントローラ１６は開放ループの形で動作する。言い替えればコントローラは、所望の開始及び停止動作が実行されるべき位置を学習し、配線２２を通って駆動モータから来るホール効果信号と、モータの性質およびモータ電機子シャフトとその結果としての出力軸１２との間に相互接続された何らかのギア減速機構についての、コントローラのプログラミングに組み込まれている知識に基づいて、その位置からの外科用デバイスの駆動部分の位置を追跡する。この発明の図示した実施態様において、モータは、５：１のギア減速機構を有する四極（三相モータ）であり、したがって、出力シャフト１２の一回転のそれぞれに対しモータ１０の電機子の５回転を要求する。
初期操作において、使用者あるいは外科医は、外科用デバイスを進ませ、その遠端にある開口部をその正しい位置に置く（ブロック１１０）。このことは、加速（speed up）スイッチ１１２を提供することにより効果的に達成することができ、そのスイッチは作動させると、モータを少しずつ進め、それによって、１つの図示した実施態様において駆動内部刃身をそれが管８２の中の開口部とうまく位置が合うまで移動させる。上述した通り、このことは、開いているか、閉じているかあるいは部分的に開いた開口部のいずれかを提供することになる。この発明のこの特定の実施態様において、スイッチ１１２はスイッチ１１３によって補われて、モータが前進方向か反転方向かのいすれかに進むことができるようにしている。モータが一旦所望の位置に設定されると、第三のスイッチ１１４が作動されてコントローラメモリをその位置に設定する（ブロック１１６）。このことにより、コントローラ１６のメモリカウンタがクリアされる結果となり、ホール効果スイッチ配線１０２、１０４、１０６の何れかに状態の変化が起こる度にメモリカウンタを進める。
付録Ａのソフトウェアに記載されたこの発明の好ましい実施態様においては、スイッチ１１２および１１３（あるいはそのフットペダル相当物があればそれ）が同時に押下される。それに応答して、コントローラは駆動内部刃身を進め、所望の位置でのスイッチの開放によりコントローラはメモリカウンタを所望の開始停止位置に相当する「ゼロ」にリセットする。
図１０において、ホール効果スイッチから来る信号の検討からわかるように、電機子の１つの完全な回転に相当する７２０度の電気的サイクル毎に１２の状態変化が起こる。従って、出力シャフト１２の１回の完全な回転に対し、配線２２を通してモータセンサによって提供される６０の状態変化が存在する。従ってコントローラにおいては、モータ回転の方向によって前向きあるいは後向きに、６０を法として（modulo 60）カウントするカウンタが備えられ、コントローラソフトウェアは、一旦設定されたら、モータがカウント「ゼロ」に対応する位置において止まらなければならないということを認識する。このように、１１６においてコントローラメモリが（「ゼロ」に）設定された後、１１８において連続したあるいは振動の動作を開始することができる。連続動作モードの間、モータは第一の方向に（前進あるいは反転）動作し、停止コマンドが与えられるまでここと上の記載に従ってそれを行うことを継続する。
この発明の好ましい実施態様においては、フットペダル（図示せず）の押下によりモータの動作が開始され、フットペダルの開放が停止スイッチとして作用して、コントローラにモータ１０の回転を停止するよう命令する。これが１２０に示されている。しかしながらコントローラは、停止コマンドの作動を認識した後、モータの回転を継続し、この実施例においてはそのカウンタにおいてカウントゼロに対応する以前に予め定められた条件の所で停止するようにする。これが１２２に示されている。しかしながらブロック１２４において記載したように、もしモータの回転速度が規定された閾値よりも大きい時、本発明の好ましい実施態様に従ってモータは最初その閾値より下の速度（例えば１０００ｒｐｍ）まで速度が落とされ、次に１２６において予め定められた位置において制御された停止に導く。このことは特にブラシレスモータにおいて起こるが、それは例えばステッピングモータと異なり、モータドライブの慣性が電機子をある位置から別の位置まで前進させることを助けるようにモータが作られているからである。
この発明の図示した実施態様においては、制御ループは非同期の位置エラー制御ループとして動作する。この制御方法は一般的に実行し易いが、同期制御及び／又は速度エラー制御ループを含むその他の方法を用いることも可能であり、あるいくつかの状況においては、開始−停止位置において停止させる際の精度を改善することが可能である。
モータ電機子の位置が測定される精度は配線２２を通して状態変化が起こる頻度によって決定され、この図示した実施態様においては（モータの減速器１２７の５：１のギア減速比を考慮にいれて）、出力シャフトの完全な一回転毎に６０の状態変化が起こるので、配線２２上の状態変化は、外科用デバイスの６度の回転毎に起こることがわかる。（図１０も参照のこと）このように、モータの停止の精度は、その他の誤差を無視して約プラスまたはマイナス６°（３６０°の回転を６０で除算したもの）である。
この開放ループ制御モードにおいてはまた、ギア減速比が１／［電機子の１回転毎のホール効果状態変化の数］（図示した実施態様においては１／１２）の倍数に正確に一致しなければならない「ａ」の値を持つことが大切である。そうでなければ、駆動されている部材の位置が少しずつずれ、従って開始−停止位置および以下に述べる反転位置において外科用デバイスの駆動部材の位置決めをする際に誤差を生じる。
この発明の好ましい実施態様において、図５を参照すると、上に述べたように、モータとコントローラは、振動モードで動作することも有利である。このモードにおいては、この発明の好ましい実施態様によれば、使用者は第二の位置すなわちモータの反転が起こる振動モード反転位置を設定する能力を持っている。図５を参照すると、操作者すなわち外科医はまず外科用デバイスの駆動される部材の位置決めをして、例えば反転が起こって欲しいと外科医が望む正しい開口位置に駆動される部材があるようにする。このことはブロック１３０に示されている。その位置が一旦設定されると（前と同様、スイッチ１１２を用いて）コントローラメモリは、その位置を記録するよう設定される。ここにおいても反転位置は開始−停止位置が設定された後で設定され、従って典型的にはその位置は開始−停止位置以外の場所になるということが注記される。反転位置に対して電機子の位置を追跡するためにコントローラによって別の追跡カウンタが用いられてもよい。またそのかわりに開始−停止追跡カウンタを用いることもできる。（反転位置に対するデフォールト値は開始−停止位置である）。その値はコントローラによって記憶され、一旦記録されると、外科用デバイスは以前記録された（precorded）開始−停止位置に戻される。このことはブロック１３２に示されている。振動モード反転位置を記録するために、別のスイッチ１３４を用いることもできる。しかしながら、付録Ａの好ましいソフトウェアによれば、一旦コントローラが振動動作モードにある時、スイッチ１１２および１１３を同時に閉じて次に開放する上記の手続きを用いて駆動内部刃身を所望の位置に移動させ、スイッチが開放されたときその位置を振動追跡カウンタに記憶させることができる。
次にスイッチ１３６を作動させることにより振動モード動作を実行することができる。図示した実施態様においては、スイッチ１３６を動作させると、モータは第一方向に動き始め、ある固定した長さの時間だけそうすることを継続する。その他の実施態様においては、回転数を設定することができるが、しかしながら好ましい実施態様においては、固定した長さの時間、例えば１秒未満、好ましくは約０．６秒の時間を用いる方がよいと考えられる。ブロック１３８に示したように振動動作が一旦始まると、外科用デバイスの動きの方向が、時間のタイムアウトが起こるまで同じ方向に継続する。このことは１４０に示されている。タイムアウトが起こった後、コントローラはモーター回転の方向をそれが振動反転位置に達するまで継続し、その位置においてコントローラは方向の反転を実行する。このことは１４２に示されている。次にタイムアウトタイマーが例えば０．６秒にリセットされ、１４４に示されたように停止コマンドが与えられていない限りシステムが繰り返す。もし、タイムアウトカウンタが動作している間に１４６に示されたように停止コマンドが与えられた場合、システムはタイムアウトループから抜け、（上に記したように回転速度が閾値を越えない限り）開始−停止位置を次に横切ったときに回転を停止する。このことは１４８に示されている。
外科的処置の間の何れかの時刻にもし新しい外科用デバイスがモータに導入されるか、あるいは医師が開始−停止あるいは振動反転位置をリセットしたいと望むならば、図５および９に関連して上に記載した手続きを繰り返す必要がある。その後、システムの動作が上に記述したように進行する。
この発明の好ましい実施態様に従って、開放ループシステムを記述した。開放ループ配置においては、振動反転あるいは開始−停止位置の相対位置は、外界からの影響による追跡機構と電機子の物理的位置との分断（decoupling）により変化することがある。従って、安全性をさらに望む場合、あるいはその他の理由によって、ハンドピース及び／又は外科用デバイスに追加磁石及び／又は検知素子をつけ加えることにより、システムを閉鎖ループ配置で動作させることが可能である。
さて図１１を参照すると、外科用デバイス２００に接続されたモータ１０が図示されており、回転する駆動外科部材ここでは内部刃身８８の近端の外周に磁石２０１が埋め込まれている。ホール効果受取素子２０２が、外科用システムに対する絶対参照点を確立するためにモータハンドピースの中に埋め込まれている。このように、ホール効果受取スイッチ２０２からの電気信号を受け取ることのできるコントローラは、内部刃身がいつホール効果受取スイッチ２０２に向かい合っているかを正確に判定することができる。この実施態様においては、閉鎖ループ方法の好ましい使用に従って、コントローラはホール効果スイッチ受取素子２０２からの信号を用いて、開放ループプロセスに関連して上に記載したように得られた信号を補いチェックする。これには２つの理由がある。まず、医師は、開始／停止位置あるいは反転位置として、内部刃身の近端にある磁石２００がホール効果スイッチ受取器２０２に位置があっていることに対応する開口部設定を用いないことを望むかも知れない。（実際素子が一方向に適合されて（keyed）いない限り、このことはランダムな位置整合になる。）第二に、この実施態様においてはただ１つの磁石が用いられているだけであり、現在の設計のブラシレスモータを直ちに（”on a dime”）停止させることは不可能なので、実際の終端停止点は変わり得るだけでなく、磁石によって指定されたものとは違ったものとなり、実際、終端点は磁石が受取器２０２のそばを通過する時刻におけるモータの回転速度の関数になる。
開放ループ方法に加えて、上記の追加制御を提供するために閉鎖ループ方法を用いることができる。
図１２において、閉鎖ループ方法の第２の実施態様において、回転磁石２１０が２１２において動くモータ駆動シャフト１２に埋め込まれている。対応するホール効果受取スイッチ２１４が、モータ制御のための正確な参照点を確立するためにモータハンドピースの中に置かれているが、しかしながらこの実施態様においては、外科的素子を受け入れる駆動シャフトは、部材（開口部）を駆動シャフト磁石２１０に関して正しく位置させるために駆動部材に関して単一の方向性を有しなければならない。この実施態様は、図１１の実施態様に関連して上に述べた同じ位置の正確さの問題を持っている。
さて図１３において、閉鎖ループ方法の第３の実施態様において、単一の変調素子、外科用デバイスの内部駆動部材の回転部分に埋め込まれており、かつ既存の受取ホール効果スイッチ２２２およびすでに存在している素子のタイプの検知磁石２２４と位置が整合している磁石２２０により、コントローラが固定管部材８２に対して駆動回転部材の絶対的位置を決める別の方法が提供される。しかしながら、図１１および図１２に関して図示されている実施態様においては、この実施態様もまた、閉鎖ループあるいは開放ループ技術の何れかにより解決される同じ位置の正確さの問題を持っている。外科用システムの固定部材に対する同デバイスの駆動部材の停止および開始位置と振動反転位置を制御するためのこの発明のその他の実施例が、当業者にとって明らかになるであろう。それらは例えば、閉鎖ループアプローチに付随する複雑なアルゴリズムを設計することや、ここにおいて記載され望ましいブラシレスモータに対し、もっと正確なステッパモータを用いることや、光学的エンコーダなどのシステムの位置の正確さを増加させるためのその他の方法を含むものである。以下のクレームの範囲に含まれるこれらやこの発明のその他の実施態様が当業者に明らかになるであろう。
この発明を、ブラシレス三相ＤＣモータのための全デジタル速度制御システムに具体化されているような形で図示し記載してきたが、この発明の精神から全く逸脱することなく様々の変形や構造的変化を形成することができるので、この発明をここに示された詳細だけに限定することは意図されていない。
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【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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