(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
始動時におけるブレード共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
振動数掃引を行なってブレードの共振振動数を決定する工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉した場合に、当該共振振動数上において、駆動信号レベルは動作レベルで必要とされる値に調整される工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、駆動信号レベルを増加して、マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉するまで継続して振動数掃引を行なう工程を含む方法。
【請求項２】
前記駆動信号を供給する工程が所定の駆動振動数において超音波信号によりハンド・ピース／ブレードを励起することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記駆動信号が約１４０ボルトの電圧レベルを有している請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ブレードの共振振動数に対してロックが行なわれるまで、各掃引処理の間に進行的に高くなる駆動電流／電圧レベルにおいて負荷をかけた状態における始動が行なわれる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
中程度乃至強度の駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を決定する工程と、
多数の共振振動数がハンド・ピース／ブレード内に存在しているか否かを決定する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在している場合に、駆動振動数レベルを減少して振動数掃引を継続的に行なう工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在していない場合に、発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していないかどうかを決定するための検査を行なう工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、駆動信号レベルを増加して、マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉するまで継続して振動数掃引を行なう工程を含む方法。
【請求項６】
始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
狭い範囲の振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を決定する工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、多数の共振振動数がハンド・ピース／ブレード内に存在しているか否かを決定する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在していない場合に、駆動信号レベルを増加して掃引振動数を増加する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在している場合に、振動数掃引範囲を減少する工程と、
前記狭い範囲の振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を決定する工程に帰還する工程を含む方法。
【請求項７】
始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
ハンド・ピース／ブレードにおいて理想的な振動数から振動数掃引を行なって当該ハンド・ピース／ブレードの共振振動数を決定する工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、当該ハンド・ピース／ブレードにおいて理想的な振動数の概ね近傍において掃引を行なう工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、前記以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程に帰還する工程を含む方法。
【請求項８】
前記理想的な振動数が約５５ｋＨｚである請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程が一定の振動数範囲を増加することを含む請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
関連出願
本発明は本発明と同一の発明の名称を有していて本明細書に参考文献として含まれる２０００年１０月２０日に出願されている米国仮特許出願第６０／２４１，８９５号に関連し、これに基づく優先権を主張する。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に超音波装置の分野に関し、特に、始動時に比較的重い負荷がかけられているブレードの共振振動数を掃引して、これにロックする超音波システムの能力を改善するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気的な外科用メスおよびレーザーが組織および血管を焼灼することにより軟質組織の切開および止血を同時に行なうという２種類の機能を実行するための外科装置として使用できることが知られている。しかしながら、このような装置は凝固状態を形成するために極めて高い温度を使用するために気化および発煙ならびにはねかえりを生じる。さらに、このような装置を使用することにより、比較的広い熱的な組織損傷の領域を形成する場合が多い。
【０００３】
超音波駆動機構による高速で振動する外科ブレードによる組織の切断および焼灼も良く知られている。このような超音波切断装置に付随する問題の一例は無調整または無減衰状態の振動および熱、およびこれらによる材料疲労である。動作空間の環境内において、ブレードを冷却するための熱交換器によるシステムの冷却処理を含むことによる上記加熱の問題を制御する試みがこれまで行なわれてきた。例えば、既知のシステムの一例において、超音波切断および組織フラグメント化システムは循環水ジャケットおよび切断部位の灌注および吸引のための手段を備えた冷却システムを必要とする。別の既知のシステムは切断ブレードへの低温流体の供給が必要である。
【０００４】
トランスデューサ内に発生する熱を制限するための手段として当該トランスデューサに供給する電流を制限することが知られている。しかしながら、このことにより患者の最も効果的な治療を必要とする時にブレードに不十分な出力を供給することが起こり得る。本特許出願の譲受人に譲渡されていて本明細書に参考文献として含まれるThomasに発行されている米国特許第５，０２６，３８７号はブレードに供給する駆動エネルギーを制御することにより冷却剤を使用することなく超音波外科切断および止血システムにおける発熱を調整するためのシステムを開示している。この特許によるシステムにおいて、超音波発生装置は特定の電圧、電流および例えば１秒当たり５５，５００サイクルの振動数の電気的信号を生成する超音波発生装置が備えられている。この発生装置はケーブルを介してハンド・ピースに接続されており、このハンド・ピースが圧電セラミック素子を収容して超音波トランスデューサを形成している。ハンド・ピース上のスイッチまたは別のケーブルにより発生装置に接続しているフット・スイッチに応じて、この発生装置の信号がトランスデューサに供給されて、その素子における長手方向の振動が生じる。一定の構造体がこのトランスデューサを外科ブレードに接続しており、これにより、外科ブレードが発生装置からの信号のトランスデューサへの供給時に超音波振動数で振動する。さらに、上記の構造体は所定の振動数で共振するように構成されているので、トランスデューサにより開始される動作が増幅できる。
【０００５】
トランスデューサに供給される信号はブレードの負荷状態（組織に対する接触または後退）についての継続的または周期的な感知情報に応じて適宜トランスデューサに出力を供給するように制御される。この結果、装置は低出力のアイドリング状態から、外科用メスの組織への接触の有無に自動的に応じて選択可能な高出力の切断処理状態に到達する。第３の高出力凝固モードはブレードが組織に接触していない時のアイドリング出力レベルへの自動復帰を伴って手動により選択可能である。この超音波出力はブレードに継続的に供給されないので、周囲の発熱を減少しながら、必要に応じて切開および焼灼のために組織に十分なエネルギーを供給できる。
【０００６】
上記Thomas特許におけるコントロール・システムはアナログ型である。位相ロック・ループ（電圧制御型オシレータ、周波数分割器、電源スイッチ、整合ネットワークおよび位相検出器を含む）がハンド・ピースに供給される振動数を安定化する。ハンド・ピースに供給される振動数、電流および電圧等のパラメータはブレード上の負荷により変化するので、マイクロプロセッサがこれらをサンプリングすることにより出力量を制御する。
【０００７】
上記Thomas特許において記載されているような典型的な超音波外科システム内の発生装置における出力対負荷曲線は２個の部分を有している。第１の部分は負荷の増加に従って出力が増加する定常的な電流供給を示している正の勾配を有している。第２の部分は負荷の増加に従って出力が減少する定常的または飽和状態の出力電圧を示している負の勾配を有している。第１の部分に対応して調整される電流は各電子部品の設計により固定され、第２の部分の電圧は設計における最大出力電圧により制限される。このようなシステムの出力における出力対負荷の特性は種々のハンド・ピース・トランスデューサおよび超音波ブレードに対して最適化できないために上記の構成は柔軟性に欠ける。外科装置用の従来のアナログ型超音波出力システムの性能は部品の許容度および動作温度変化による発生装置の電子部品における可変性により影響を受ける。特に、温度変化は振動数ロック範囲、駆動信号レベル、およびその他のシステム性能測定値を含む重要なシステム・パラメータにおいて多様な変化を生じる。
【０００８】
効率的な様式で超音波外科システムを動作するために、始動時においてハンド・ピース・トランスデューサに供給される信号振動数を一定範囲において掃引することにより共振振動数を位置決めする。この位置が見つかると、発生装置の位相ロック・ループがその共振振動数に対してロックされ、電圧位相角度に対してトランスデューサ電流を継続してモニターして、その共振振動数でトランスデューサを駆動することにより当該装置を共振状態に維持する。このようなシステムにおける重要な機能はトランスデューサを負荷の存在下に共振する状態に維持することおよび共振振動数を変化する温度変化である。しかしながら、これら従来の超音波駆動システムは適応振動数制御に対して柔軟性がほとんどまたは全く無い。このような柔軟性は不所望な共振を識別するシステム能力において重要である。特に、これらのシステムは一方向における共振に応じて探索できるのみである、すなわち、振動数の増減を伴い、これらの探索パタンが固定されている。このシステムは（ｉ）無関係の共振モードを飛び越えること、またはどの共振を飛び越えるかまたはロックするか等の任意の発見的決定（heuristic decisions）を行なうことができず、（ｉｉ）適当な振動数の係止が行なわれている時のみにおいて出力供給を確実に行なうことができない。
【０００９】
さらに、従来技術の超音波発生装置システムは当該システムにおいて適応制御アルゴリズムの使用および決定動作を可能にする振幅制御においても柔軟性がほとんど無い。例えば、これらの固定されたシステムはブレード上の負荷および／または電圧位相角度に対する電流に基づいて例えば電流または振動数等の出力駆動要素に関する発見的決定を行なう能力に欠けている。このことはトランスデューサの有効寿命を延ばしてブレードに対する安全な動作条件を確定する一定の効率的な性能に対応する最適なトランスデューサ駆動信号レベルを設定するためのシステム能力も制限する。さらに、このような振幅および振動数に関する制御の欠如により、トランスデューサ／ブレード・システムについての診断検査および全体的なトラブルシューティングの支援を行なうシステム能力が低下する。
【００１０】
本明細書に参考文献として含まれる２０００年１０月２０日に出願されている米国特許第０９／６９３，６２１号に記載されている超音波システムは出力駆動振動数を掃引して、超音波トランスデューサおよびブレードの振動数応答をモニターし、この応答からパラメータを抽出して、これらのパラメータをシステム診断情報として使用する能力を有している。この振動数掃引および応答測定モードはデジタル・コードを介して達成され、その出力駆動振動数が従来技術の超音波システムにおいて存在しない高い解像度、精度、および再現性により段階付けできる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
既存の超音波システムにはこれに付随する問題点があり、例えば、ブレードが特定の負荷状態である時に当該システムを始動することが困難である場合がある。ブレードに負荷がかかる状態はブレードが皮膚組織に接触している時、またはその結果として破片等がブレードとブレード・シースとの間に挟まっている時に生じる。このような超音波発生装置の使用者が訴えている主な不都合点は中程度乃至重量級の負荷がかけられている状態において始動できないことである。また、軽量または中程度の負荷の存在下においては、ブレードとブレード・シースとの間の破片等がブレードに負荷をかけてブレードの始動性能または自由な通常の状態におけるブレードの始動能力を低下する可能性がある。
【００１２】
最小の減衰レベルを有する音響システムは重い負荷がかけられている、すなわち、減衰状態のシステムよりもさらに容易に動作が開始できる。さらに、このようなトランスデューサを駆動するために使用される電子部品は容易に始動できるハンド・ピース／ブレードと共に使用される場合に最良に動作する。また、比較的高い電圧／電流値により重い負荷がかけられている音響システムが比較的容易に動作し、比較的低い電圧／電流値の場合よりもさらに大きく動作できるので、共振を開始してこれにロックする能力を高めることができる。しかしながら、低電圧において重い負荷がかけられている状態のハンド・ピース／ブレードを使用して始動を行なうことは不可能である。さらに、連続的に共振していた後に重い負荷がかけられたハンド・ピース／ブレードは共振し続けることができる。
【００１３】
一般に、一定の振動数範囲にわたり掃引を行なってブレードの共振を位置決めする初期的な試みを行なう場合に、トランスデューサに対して印加される電圧は比較的低い。このことにより以下の状態が生じる。第１に、不十分な電流のフィードバック信号レベルにより負荷をかけている状態における始動が制限される。この場合に、このブレードおよび負荷のインピーダンス値は、共振時にハンド・ピースに印加される電圧レベルが発生装置内の検出回路において小さ過ぎて読み取ることができない電流フィードバック信号を生成する程度である。
【００１４】
第２に、別の制限因子は「突き刺さり（sticktion）」、すなわち、ブレードが負荷に対して突き刺さることである。この場合に、ハンド・ピースに供給されるエネルギーはブレード動作を開始するために不十分であり、ハンド・ピース／ブレードが極めて大きな機械的負荷が存在するかのように応答する。このような状態は高度に減衰したハンド・ピース／ブレードを生じて、電流と電圧との間の位相角度がゼロに交わらず、零交叉による共振の検出が不能になる。一方、ブレードが動作状態になると、この「静的慣性（static inertia）」力または「静止摩擦（static frictional）」力はその始動時における値よりも小さくなる。この時点においては、共振のロックを不能にすることなく負荷を増加して駆動信号を減少できる。さらに別の制限作用はブレードにおける粘着、すなわち、血液およびその他の破片物がブレードとシースとの間に付着してブレードの負荷が増大することである。さらに、この粘着自体がブレードに負荷を加えて負荷をかけた状態においてブレードが有効に始動する能力を低下する。
【００１５】
さらに、初期においてブレードの一次的な目的とする共振振動数が未知であるために、発生装置によりかなり広い振動数範囲にわたって掃引を行なう場合が多い。この「広範囲な掃引（wide sweep）」の手法は幾つかの不都合点を有している。第１に、共振の位置決めに時間がかかる。掃引範囲の一端部において掃引を始めた場合に主要な共振位置が他端部にあれば、この主要な共振位置を見つけ出すまでに相当量の時間を費やす。第２に、二次的な共振（求めていない共振）を一次的な共振と間違えることが有り得る。別のブレードの共振（本明細書においてこれらを二次的な共振と称する）が存在するために、上記の振動数掃引により一次的な共振を検出するまえに二次的な共振を検出する可能性がある。この掃引範囲を制限することにより、偶発的な二次的共振へのロックの可能性を減少できる。しかしながら、このような掃引範囲の制限はブレードにおける許容の一次的共振範囲を狭めるためにブレード構成を複雑化してその自由度を狭めることになる。
【００１６】
さらに、従来の超音波装置における別の問題点は出力に対する振動数制御ロックの安定性が振動数がブレードの共振領域に近づくに従ってトランスデューサの「リンギング（ringing）」により影響を受けることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は始動時に重い負荷をかけられているブレードの共振振動数を掃引してこれに対してロックする超音波システムの能力を改善するための方法である。このことは高い駆動電圧または高い駆動電流を供給することにより達成できる。ハンド・ピースに対する駆動信号を増加することにより、スペクトル分析装置を用いた場合に見られるような改善されたさらに明瞭な共振が得られる。すなわち、負荷をかけた状態において、増加した駆動信号により最大の位相がさらに高く（さらに誘導性が多く）なり、最小インピーダンスの大きさがさらに低くなり、最大インピーダンスの大きさがさらに高くなる。それゆえ、始動時におけるハンド・ピース／ブレードに対する励起駆動信号の増加は超音波発生装置に付随する制限要因を大幅に緩和し、このことにより、始動時における最大負荷の許容性が高まる。
【００１８】
本発明によれば、上記ブレードは進行的にさらに強まる信号により駆動され、このことによりブレードの実際の動作における共振のより速くてより正確な認識が可能になり、別の共振を所望の共振振動数と偶発的に間違えることが回避できる。共振を横切るモード（すなわち、ハンド・ピース／ブレードの振動の長手軸に垂直な軸に沿う振動）のような不所望な振動モードはブレードを振動するエネルギー・レベルが一定の実質的なレベルになるまで励起されない。この作用はブレードの既知の共振振動数範囲内の極めて低いレベルにおいてブレードを初期的に超音波により駆動するために有利に利用できる。目的となるブレードの動作時における共振は上記掃引処理中に共振インピーダンス測定を行なうことにより認識でき、この共振におけるインピーダンス値は効率良く共振するためにさらにエネルギーを必要とする別の不所望な共振よりもさらに確固としていて識別の可能性が高い。共振位置が全く決まらない場合は、駆動強度を高めて別の掃引処理を行なう。この方法はブレードの共振が得られるまで連続的にさらに高い駆動レベルにおいて繰り返される。
【００１９】
本発明の実施形態の一例において、（低レベルの駆動信号により掃引を開始するのではなく）中程度乃至強度の駆動信号が掃引処理中にブレードに供給されて共振振動数の位置決めが行なわれる。多数個の共振が検出された場合は、一次的共振が見られるまで進行的にさらに低いレベルにおいて掃引を繰り返す。さらに、本発明のこの実施形態を用いる方法はトランスデューサのリンギングを最少にしながら超音波システムの始動性能を改善し、このことはシステムＱ値（すなわち、最小のシステム・インピーダンス値）が高く位相−振動数プロットにおける位相応答勾配が大きい場合の「無負荷（no-load）」状態において特に顕著である。高い駆動レベルにおいて掃引を開始することのさらに別の利点はより迅速な共振振動数の認識およびロックを可能にする重度の減衰状態のブレードにおけるさらに確固とした共振振動数を得るための能力である。
【００２０】
本発明の別の実施形態において、進行的に広くなる掃引処理を行ない、強度が観察された共振に基づいて変化する駆動信号を用いる。このような組み合わせにより、時間を節約する狭い掃引による利点とブレードを確実に共振可能にする高出力による利点の両方が提供できる。例えば、高い駆動レベルにおける狭い掃引を初期的に行ない、共振が見つからない場合に、さらに掃引を広げる。また、多数個の共振を検出した場合には、信号レベルを下げる。このような様式の掃引処理により、不所望な共振振動数においてブレードを偶発的に駆動することなく減衰状態のブレードにおける所望の共振振動数の迅速な認識が容易に行なえる。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、上記の共振に対する掃引処理はブレードにおける最も中心の振動数または理想的な共振振動数から開始される。共振の位置が決まらない場合は、このブレードの中心の振動数または理想的な振動数の位置から一定の増加した距離において、当該理想的な共振振動数に極めて近い振動数範囲に集中する極めて密接した掃引処理により、振動数の検査を行なう。この場合においても共振が全く見られなければ、上記の初期的な振動数範囲から僅かに外側の位置の振動数についての検査を行なう。さらに全く共振が見つからなければ、掃引した振動数範囲を拡張して共振振動数の探索を再び行なう。時間を節約するために、それぞれ信号的に広がる振動数の掃引処理において既に行なった振動数を飛ばして、再検査する広げた範囲内における未検査の振動数のみに集中する。これにより、大抵のブレードが統計学的に中心の振動数または理想的な振動数の位置に近い一次的共振振動数を有するので、この共振振動数の認識処理が加速される。
【００２２】
本発明の方法はさらに大きな負荷の存在下において始動能力を有する超音波システムを提供する。この方法はさらに迅速に始動してさらに容易にブレードの共振振動数にロックできる能力を有するシステムも提供し、「粘着（gunk）」またはブレードとシースとの間に入り込んだ破片に関連する問題を減少し、ブレードが組織に適用された後のブレード先端部における負荷の許容度を高める。すなわち、このシステムはさらに大きな負荷の存在下における使用中においてブレードの共振振動数にロックされた状態に維持できる。さらに、組織負荷の許容度および「粘着（gunk）」によるロック解除の回避性が大幅に改善されるために、使用者は超音波外科ブレード・システムの動作中に比較的容易に処理および操作を行なうことができる。さらに、二次的な共振に発生装置をロックするという従来の危険性を生じることなくブレードの中心の振動数または理想的な共振振動数の近くの場所に二次的な共振を配置できるので、ブレード設計の簡略化を行なうことができる。加えて、ブレードの一次的な共振振動数が中心の振動数からさらに離れて配置できるので、共振振動数についての進行的に広がる探索により認識することも可能である。
本発明の上記およびその他の特徴および利点は以下の添付図面に基づく本発明の好ましい実施形態の詳細な説明によりさらに明らかになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による方法を実施するためのシステムを示している図である。ケーブル２０内の一式のワイヤにより、電気的エネルギー、すなわち、駆動電流がコンソール１０からハンド・ピース３０に送られ、このハンド・ピース３０において、電気的エネルギーが外科メス用ブレード３２のような外科装置に長手方向に沿う超音波振動動作を与える。このブレード３２は組織の同時的な切開および焼灼処理のために使用できる。ハンド・ピース３０に対する超音波電流の供給は当該ハンド・ピース３０上に配置されているスイッチ３４の制御下に行なうことができ、このスイッチ３４はケーブル２０内のワイヤを介してコンソール１０の中の発生装置に接続している。さらに、この発生装置１０はフット・スイッチ４０により制御可能であり、このフット・スイッチ４０は別のケーブル５０を介してコンソール１０に接続している。従って、使用時において、外科医は、自分の指でハンド・ピース上のスイッチ３４を操作するか自分の足でフット・スイッチ４０を操作して、ハンド・ピースに対して超音波電気信号を供給することによりブレードを一定の超音波振動数で長手方向に沿って振動させることができる。
【００２４】
発生装置のコンソール１０は液晶表示装置１２を備えており、この表示装置１２は最大切断出力率または切断出力に付随する数値的出力レベル等の種々の手段において選択される切断出力レベルを指示するために使用できる。この液晶表示装置１２はシステムにおける別のパラメータを表示するために使用することもできる。出力スイッチ１１を使用して装置を始動する。ウォーミング・アップ状態において、「待機（standby）」ライト１３が点灯する。動作準備が完了すると、「準備完了（ready）」インジケータ１４が点灯して、待機ライトが消える。装置が最大出力を供給する場合に、ＭＡＸボタン１５が押される。それよりも少ない出力が必要である場合には、ＭＩＮボタン１７を作動する。さらに、ＭＩＮボタン１７を作動する際の出力レベルがボタン１６により設定される。
【００２５】
出力がスイッチ３４またはスイッチ４０のいずれかの操作により超音波ハンド・ピースに供給される場合に、この組立体は外科用メスまたはブレードを約５５．５ｋＨｚで長手方向に沿って振動させ、この長手方向の移動量は使用者により調節可能に選択される駆動出力（電流）の量に比例して変化する。比較的高い切断出力が供給される場合に、ブレードはその超音波振動速度において約４０ミクロン乃至１００ミクロンの範囲内で長手方向に移動するように設計されている。このようなブレードの超音波振動によりブレードが組織に接触する際に熱が発生する。すなわち、ブレードが組織内において加速することにより移動するブレードの機械的エネルギーが極めて狭い局在化した領域内で熱エネルギーに変換する。この局在化した熱が狭い領域の凝固を形成し、これにより直径が１ミリメートルよりも小さい血管における出血が減少または消去できる。このブレードの切断効率および止血の程度は供給される駆動出力のレベル、外科医の切断速度、組織の性質および血管分布により変化する。
【００２６】
図２においてさらに詳細に示すように、超音波ハンド・ピース３０は電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換してトランスデューサの各端部において長手方向に沿う振動動作を生じるための圧電変換トランスデューサ３６を収容している。トランスデューサ３６はそのスタック（堆積体）に沿う特定の点に配置されている動作ゼロ点（motion null point）を有する積み重ね状のセラミック圧電素子の形態である。このトランスデューサ・スタックは２個のシリンダ３１とシリンダ３３との間に取り付けられている。さらに、シリンダ３５がシリンダ３３に取り付けられており、当該シリンダ３５は別の動作ゼロ点３７においてハウジング内に取り付けられている。さらに、ホーン３８はその一端側においてゼロ点３７に取り付けられていて、その他端側においてカップラー３９に取り付けられている。ブレード３２はこのカップラー３９に固定されている。この結果、ブレード３２はトランスデューサ３６による一定の超音波振動数の速度で長手方向に沿って振動する。トランスデューサの各端部は当該トランスデューサの共振振動数において一定の最大電流により駆動する場合に不動の節部を構成するスタックの部分を伴って最大の動作を行なう。しかしながら、この最大動作を行なう電流は各ハンド・ピースにより変化し、システムが使用できるハンド・ピースの不揮発性メモリーに記憶されているバルブである。
【００２７】
ハンド・ピースの各部品はその組み合わせ体が同一共振振動数で振動するように設計されている。特に、最終的なこれらの各要素の長さが１／２波長になるように各要素が同調される。長手方向に沿う前後方向の動作は音響学的取付ホーン３８のブレード３２に近い方の直径が減少するに従って増幅される。従って、ホーン３８およびブレード／カップラーはブレード動作を増幅して音響システムにおける残りの部分に対して同調した共振振動を行なうように形状付けられて寸法付けられており、このことにより、ブレード３２に近接している音響学的取付ホーン３８の端部において最大の前後動作が生じる。トランスデューサ・スタックにおける動作がホーン３８により増幅されて約２０ミクロン乃至２５ミクロンまで移動する。さらに、カップラー３９における動作がブレード３２により増幅されて約４０ミクロン乃至１００ミクロンまでブレードが移動する。
【００２８】
ハンド・ピースの中のトランスデューサを駆動するための超音波電気信号を形成するシステムを図３および図４に示す。この駆動システムは柔軟であり、所望の振動数および出力レベル設定値において駆動信号を形成できる。システム内のＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサを使用して適当な出力パラメータおよび振動周波数をモニターして切断または凝固動作モードのいずれかにおいて供給される適当な出力レベルを生じる。ＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサはさらにトランスデューサ／ブレードのようなシステム中の構成部品について診断検査を行なうために使用するコンピュータ・プログラムも記憶している。
【００２９】
例えば、ＤＳＰまたはマイクロコンピュータ６０に記憶されている位相補正アルゴリズム等のプログラムの制御下において、始動中の振動数を特定値、例えば、５０ｋＨｚに設定できる。このことは共振に接近していることを示すインピーダンスにおける変化を検出するまで特定速度で掃引することにより行なうことができる。その後、掃引速度を減少してシステムが共振振動数、例えば、５５ｋＨｚをオーバーシュートしないようにする。この掃引速度は、例えば、５０サイクルの増加分における振動数変化を得ることにより達成できる。比較的遅い速度が望まれる場合は、プログラムにおいて、例えば、２５サイクルにその増加分を減少することができ、両方の場合が測定したインピーダンスの大きさおよび位相に基づいて適応できる。もちろん、上記増加分の大きさを増加することによりさらに大きな速度が達成できる。さらに、上記の掃引速度は振動数の増加分の更新速度を変化することにより変更できる。
【００３０】
例えば、５１ｋＨｚにおいて不所望な共振モードが存在することが分かっている場合に、上記プログラムは、例えば６０ｋＨｚから振動数を下げて掃引して共振を見つけることができる。さらに、上記システムは５０ｋＨｚから掃引して不所望な共振が存在している５１ｋＨｚを飛び越えることができる。いずれの場合においても、このシステムは高度の柔軟性を有している。
【００３１】
動作時において、使用者は外科装置において使用する特定の出力レベルを設定する。この処理はコンソールのフロント・パネル上の出力レベルスイッチ１６により行なわれる。このスイッチはＤＳＰ６０に供給される信号１５０を発生する。その後、ＤＳＰ６０はコンソール・フロント・パネルの表示装置１２に対して配線１５２（図４）上に信号を送ることにより所定の出力レベルを表示する。さらに、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０はデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１３０によりアナログ信号に変換されるデジタル電流レベル信号１４８を発生する。得られた基準のアナログ信号は電流設定点として加算ノード１３２に供給される。回路１２０からの平均出力電流を示す信号がノード１３２のネガティブ入力に供給される。ノード１３２の出力は電流エラー信号または振幅制御信号であり、その出力の振幅を調節するために直接デジタル合成（ＤＤＳ）回路１２８に供給され、その出力における振動数はＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０からの配線１４６上の信号により制御される。電流レベル信号１４８、ＤＡＣ１３０、加算ノード１３２、および平均出力電圧１２２により供給される信号の調整により、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０による出力電流の調節が可能になり、定常的な電流モードでない場合の所望の出力対負荷曲線が作成可能になる。
【００３２】
実際に外科ブレードを振動させるために、使用者はフット・スイッチ４０またはハンド・ピース・スイッチ３４を作動する。この作動により図３における配線１５４上に信号が送られる。この信号は出力をプッシュ−プル増幅器７８からトランスデューサ３６に供給するために有効である。ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がハンド・ピース・トランスデューサの共振振動数をロックして出力がハンド・ピース・トランスデューサに継続的に供給されるようになると、オーディオ・ドライブ信号が配線１５６上に送られる。このことによりシステム内の音響指示手段が音を発生して、使用者に対して出力がハンド・ピースに供給されて外科用メスが動作状態になっていることを通知する。
【００３３】
図３および図４に示すシステムにおけるＤＳＰまたはマイクロプロセッサ内に記憶されているプログラムの制御下において、本発明の方法は１４０ボルトのような比較的高い電圧レベルまたは比較的高い電流レベルにおいてトランスデューサ３６を掃引することにより実施されて、始動時において存在するブレード３２上の、例えば、「ひきずり（drag）」および慣性作用等のブレード上の負荷に対処して、認識可能でロックできる共振動作を引き起こすのに十分な動作を誘発する。重い負荷がかかっているブレードは高度に減衰したシステムを形成し、この場合に、トランスデューサのインピーダンスは比較的高くなる。電圧が高いほど、多量の電流がその比較的高いインピーダンスの中に流れることができるようになり、容易に測定できる適当な電流が生じる。ＤＳＰ６０またはマイクロプロセッサは適当なパラメータをモニターするために使用され、このパラメータはこの場合にトランスデューサの共振振動数であり、この値は振動数の最大位相または最小インピーダンスの大きさより示される。
【００３４】
図５は本発明の方法の好ましい実施形態を示すフロー・チャートである。工程４００において、駆動信号が最初にハンド・ピース／ブレードに供給される。次に、工程４１０において、振動数掃引が行なわれてハンド・ピース／ブレードの共振振動数が位置決めされる。さらに、工程４２０に示すように、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なっているか否かを決定するための検査を行なう。ロックが行なわれている場合は、この方法は終了する。ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なっていない場合は、工程４３０において、駆動振動数のレベルが増加されて、工程４１０が繰り返される。このようにして、この方法はＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なうまで「ループ（loop）」状に継続する。
【００３５】
本発明の別の実施形態において、ブレード３６の共振振動数上へのロックが行なわれるまで各掃引処理の間に進行的に高くなる電流／電圧により負荷をかけた状態における始動が行なわれる。この結果、フィードバック制御回路の制限による偶発的なブレードの位置ずれによるオーバーシュートを引き起こす大きすぎる信号によりブレード３６を駆動することが回避される。ブレードの目的となる動作における共振は掃引中の共振インピーダンス測定を行なうことにより認識できる。それゆえ、特定の駆動電流により関与する振動数範囲にわたって掃引処理した後にブレード共振の位置決めができない場合は、この共振を検出する試みはさらに高い電流レベルにより行なわれる。さらに、ブレード共振が得られるまで連続的に高められた駆動レベルにおいてこれらの工程が繰り返される。あるいは、特定振動数範囲内のインピーダンスの最大位相または最小の大きさが検出可能であり、この振動数における駆動電流を増加して共振を検出する。共振振動数の位置決めの際に、電流駆動信号は必要とされる動作レベルまで必要に応じて減少される。このようにして、ブレードの実際的な動作上の共振のさらに迅速でさらに正確な認識、およびその他の共振との偶発的な混同の回避が行なえる。
【００３６】
図６は本発明の方法の別の実施形態を示すフロー・チャートである。この場合に、低い駆動電流レベルにおいて掃引を開始するのではなく、中程度乃至強度の駆動信号がブレードに供給される。工程５００において示すように、このような駆動信号が先ずハンド・ピース／ブレードに供給される。次に、工程５１０において、振動数掃引を行ってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする。その後、工程５２０において、ハンド・ピース／ブレード内に多数の共振が存在するか否かを決定するために検査を行なう。さらに、工程５４０において、多数の共振が存在する場合に、駆動信号のレベルを下げて、工程５１０に帰還する。ハンド・ピース／ブレード内に多数の共振が存在しない場合は、工程５３０において示すように、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なっているか否かを決定するための検査を行なう。ロックが行なわれている場合は、この方法は終了する。また、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なっていない場合は、工程５４０において駆動信号のレベルが増加されて、工程５１０が繰り返される。このようにして、上記の方法は１個の一次的な共振が見つかってＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なえるようになるまで「ループ状（looping）」に継続する。このような様式における掃引処理により、処理時間を実質的に減少できる。高い駆動レベルにおいて掃引処理を開始する場合の別の利点は高度に減衰した状態のブレードにおけるさらに確固とした共振振動数を得る能力であり、これにより、さらに迅速な共振の認識およびロックが行なえる。
【００３７】
図７は本発明の方法の別の実施形態を示すフロー・チャートである。この場合に、進行的に広がる掃引処理を行ない、進行的に上方に傾斜して増加する強度を有する駆動信号がブレードを駆動するために用いられる。このような組み合わせにより、時間を節約する狭い掃引範囲およびブレードを確実に共振できる高い出力の両方の利点が提供できる。工程６００において、駆動信号がハンド−ピース／ブレードに供給される。工程６１０において示すように、狭い振動数の掃引を行って、ハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする。次に、工程６２０において示すように、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なっているか否かを決定するための検査を行なう。ロックが行なわれている場合は、この方法は終了する。ロックが行なわれていない場合は、工程６３０において示すように、ハンド・ピース／ブレードにおいて多数の共振が存在しているか否かを決定するための検査を行なう。ハンド・ピース／ブレード内に多数の共振が存在していない場合は、工程６４０において入力信号が減少されて、この方法が工程６５０に進行する。ハンド・ピース／ブレード内に多数の共振が存在する場合は、この方法は工程６５０に直接的に進行して、当該工程において振動数掃引範囲が狭められた後に工程６１０に進行する。このようにして、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なうまで、この方法は「ループ状（looping）」に継続する。この本発明による実施形態はブレードを不所望な共振において偶発的に駆動することなく減衰状態のブレードの所望の共振を迅速に認識することを容易にする。
【００３８】
図８は本発明の方法のさらに別の実施形態を示すフロー・チャートである。本発明の実施形態においては、共振の掃引処理がブレードにおける最も中心の位置または理想的な振動すから開始される。工程７００において示すように、一定の駆動振動数が先ずハンド・ピース／ブレードに供給される。次に、工程７１０において、ハンド・ピース／ブレードにおける理想的または中心の共振振動数から始めて、振動数掃引を行なうことによりハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする。さらに、工程７２０において、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを既に行なっているか否かを決定するための検査を行なう。ロックが行なわれている場合は、この方法は終了する。ロックが行なわれていない場合は、工程７３０において、ハンド・ピース／ブレードの共振振動数の概ね近傍において掃引を行なう。その後、工程７４０において示すように、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを既に行なっているかを決定するための検査を再び行なう。ロックが行なわれている場合は、この方法は終了する。
【００３９】
工程７５０において、ロックが行われていなければ、それまでの掃引振動数から外側の方向に（すなわち、振動数範囲を広げる）掃引を行なう。さらに、工程７６０において、ＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行っているか否かを決定するために検査を再び行なう。ロックが行なわれていれば、この方法は終了する。ロックが行なわれていなければ、工程７５０に帰還する。この方法はＤＳＰまたはマイクロプロセッサ６０がロックを行なうまでこの様式において「ループ状（looping）」に継続する。時間を節約するために、各進行的に広がる振動数掃引は既に処理した振動数を飛ばして、再検査する広げた範囲内の未検査の振動数のみに集中する。従って、大部分のブレードがハンド・ピース／ブレードの中心または理想的な振動数に比較的近い一次的な共振振動数を有しているので、共振振動数の認識が加速できる。
【００４０】
本発明の方法により、加速された共振振動数の掃引が行なえる。このことは比較的大きな電圧／電流により駆動した場合にトランスデューサ／音響システムのさらに確固とした電気的応答が得られることに部分的に起因しており、より明瞭化されたトランスデューサの応答を生じる。さらに、信号トラックが容易に行なえて、共振振動数のロックが容易に得られる。
【００４１】
以上において、本発明を詳細に図示および説明したが、これらは例示を目的としていることが明らかに理解でき、（本発明を）制限するためのものではないと考えるべきである。本発明の範囲および趣旨は本明細書において記載する特許請求の範囲およびその実施態様における用語のみにより限定される。
【００４２】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（Ａ）始動時におけるブレード共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
振動数掃引を行なってブレードの共振振動数を位置決めする工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、駆動信号レベルを増加して、マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉するまで継続して振動数掃引を行なう工程を含む方法。
（１）前記駆動信号を供給する工程が所定の駆動振動数において超音波信号によりハンド・ピース／ブレードを励起することを含む実施態様（Ａ）に記載の方法。
（２）前記駆動信号が約１４０ボルトの電圧レベルを有している実施態様（１）に記載の方法。
（３）前記ブレードの共振振動数に対してロックが行なわれるまで、各掃引処理の間に進行的に高くなる駆動電流／電圧レベルにおいて負荷をかけた状態における始動が行なわれる実施態様（Ａ）に記載の方法。
（Ｂ）始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
中程度乃至強度の駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする工程と、
多数の共振振動数がハンド・ピース／ブレード内に存在しているか否かを決定する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在している場合に、駆動振動数レベルを減少して振動数掃引を継続的に行なう工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在していない場合に、発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定するための検査を行なう工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、駆動信号レベルを増加して、マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を捕捉するまで継続して振動数掃引を行なう工程を含む方法。
（Ｃ）始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
狭い範囲の振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、多数の共振振動数がハンド・ピース／ブレード内に存在しているか否かを決定する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在していない場合に、駆動信号レベルを増加して掃引振動数を増加する工程と、
多数の共振がハンド・ピース／ブレード内に存在している場合に、振動数掃引範囲を減少する工程と、
前記狭い範囲の振動数掃引を行なってハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする工程に帰還する工程を含む方法。
（Ｄ）始動時におけるハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法において、
駆動信号を超音波発生装置により超音波ハンド・ピース／ブレードに供給する工程と、
ハンド・ピース／ブレードにおいて理想的な振動数から振動数掃引を行なって当該ハンド・ピース／ブレードの共振振動数を位置決めする工程と、
発生装置内に配置されているマイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、当該ハンド・ピース／ブレードにおいて理想的な振動数の概ね近傍において掃引を行なう工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程と、
マイクロプロセッサがブレードの共振振動数を既に捕捉しているか否かを決定する工程と、
マイクロプロセッサがハンド・ピース／ブレードの共振振動数を捕捉していない場合に、前記以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程に帰還する工程を含む方法。
（４）前記理想的な振動数が約５５ｋＨｚである実施態様（Ｄ）に記載の方法。
（５）前記以前の掃引振動数から外側の方向に振動数掃引を行なう工程が一定の振動数範囲を増加することを含む実施態様（４）に記載の方法。
【００４３】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、始動時においてハンド・ピース／ブレードの共振の捕捉性を改善するために超音波システムを駆動するための方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための超音波外科切断および止血システム用のコンソール、およびハンド・ピースおよびフット・スイッチの斜視図である。
【図２】図１の超音波外科切断および止血システムの超音波外科用メスのハンド・ピースにおける概略的切断図である。
【図３】図１の超音波外科切断および止血システムのハンド・ピースにおけるトランスデューサを駆動するためのシステムを示すブロック図である。
【図４】図１の超音波外科切断および止血システムのハンド・ピースにおけるトランスデューサを駆動するためのシステムを示すブロック図である。
【図５】本発明の方法の好ましい実施形態のフロー・チャートである。
【図６】図５の方法の別の実施形態のフロー・チャートである。
【図７】図５の方法の別の実施形態のフロー・チャートである。
【図８】図５の方法の別の実施形態のフロー・チャートである。
【符号の説明】
１０  コンソール
２０  ケーブル
３０  ハンド・ピース
３２  外科メス用ブレード
４０  フット・スイッチ
５０  ケーブル
【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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