(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの外科用デバイスを作動するようにされたモーターを備えるハンドピースを備え、かつ前記外科用デバイスを受容しかつ駆動するようにされ、その外科用デバイスが、前記ハンドピースにより駆動される外科用システムであって、
その前記システムが、コントローラと、前記外科用デバイスを駆動するモータドライブ回路と、スイッチバスと、
前記スイッチバスに接続され、前記ハンドピースに取り付けられたアドレスで呼出し可能なスイッチであって、そのスイッチの存在またはスイッチの状態を認識するための電子アドレス信号に応答するスイッチとからなり、
前記アドレスで呼出し可能なスイッチが、前記スイッチバスと電気的な信号通信をし、前記ハンドピース内に位置し、ハンドピースの中に挿入される外科用デバイスの中の磁界生成素子に対応する少なくとも一つのアドレスで呼出し可能なホール効果デバイスを備え、
前記コントローラは前記ドライブ回路を制御し、
前記コントローラが、前記モータドライブの作動をコントロールするためにスイッチバスを通る前記スイッチからの電子信号に応答し、
前記コントローラが前記外科用デバイスに対応するパラメータを予め設定するために少なくとも１つの前記アドレスで呼出し可能なホール効果デバイスの状態を表示する信号に応答する外科用システム。
【請求項２】
前記スイッチの状態を認識するためのアドレスで呼出し可能なスイッチのそれぞれが、ホール効果センサと、磁石を含む可動スイッチ素子とからなり、前記コントローラが、前記モータドライブを作動するために前記ホール効果センサの状態の変化に応答する請求項１の外科用システム。
【請求項３】
前記スイッチバスが、各ホール効果デバイスに接続された２芯バスである請求項１の外科用システム。
【請求項４】
種々のフットスイッチコマンドを識別する電気信号を与えるためにコントローラに接続されたフットスイッチをさらに備え、
前記フットスイッチが、アドレスで呼出し可能なスイッチ集合体を備え、
前記スイッチ集合体が、ホール効果スイッチとホール効果スイッチの状態を変更するための作動ボタン素子を持ち、コントローラによってポーリングされたとき、前記フットスイッチが、スイッチ状態をコントローラに表示し、前記スイッチ状態に応答して、前記コントローラが前記モータの動作を制御する、請求項３の外科用システム。
【発明の詳細な説明】
この発明は、一般に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動作を制御するためのシステムに関する。
例えば、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、外科用アセンブリに応用され、１９９５年５月１日に出願された米国出願第４３１，６１５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の明確に規定されたシステムを用いている。それらは、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、それによってモーターとアセンブリとの間の歯車による適切な減速を通じて、外科用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。
外科用アセンブリは、ハンドピース部分と外科用デバイスを備えている。ブラシレスモーターとその制御装置を中に収容したハンドピースは、複数のモードのうち１つで外科用デバイスと接続しておりそれを駆動する。このようにたとえば、外科用デバイスは振動モードで駆動されることができ、所定の位置に戻るように駆動されることができ、種々の速度で駆動されることができる。外科用デバイスを貫通してハンドピースの外へと移動する流体が不用意にブラシレスモータの中へ漏れ出しそれを損傷することのないように、ハンドピースは密封されたユニットとして設計される。
外科的システムが精巧になるにつれて、そして物理的に小さい寸法の装置を要求する関節鏡視下手術などのさまざまの外科術に関連して、ハンドピース内の空間に対する競争が増大する。さらに外科医は、装置の制御パネルにおけるような自己の口頭による命令に応答して第三者がモーターを制御するのに頼ったり、さまざまの操作を達成することを可能にするフットペダル制御にのみ頼るよりも、自分の指先によってモーターの制御を行うという「満足感」がある。さらにさまざまの既知のシステムにおいて電気的変換器（transducer）センサアセンブリが、外科用デバイスとハンドピースの両方に配置されコントローラがさまざまのクラスの外科用デバイスに自動的に適合することを可能にしている。ハンドピース内に配置された全ての電気的変換センサはハンドピース内の空間に匹敵し、重要なことにはコントローラに対する電気的接続を必要とする。その結果として、電気的結合ケーブルは、ハンドピースがより精巧になり複雑になるにつれて、サイズが大きくなる。
さらに、ブラシレスモータの制御において、制御信号とモータ速度および位置との間で高度に安定で正確で好ましくは線形の関係を提供するための要求が常に存在する。装置の正確で信頼性があり便利な制御が操作の成功にしばしば結びつくので、このことは医学的外科術に関連して特に重要である。
発明の要約
本発明による典型的なシステムは、所望のモータ動作を指示するコマンド信号を供給するデジタル信号プロセッサあるいはコントローラを有する。モータドライブの各位相に対してかつ外部制御信号に応答して、プロセッサあるいはコントローラは、モーター電機子を回転させるデジタル通信信号を生成する。制御信号によって設定されたデューティサイクルを有するデジタルパルス幅変調信号は線形関係制御回路を通じて電機子の回転速度を制御する。
システムは、コントローラとデジタル通信する例えば多重位相ブリッジおよびドライバなどのスイッチング素子を有する。ブリッジは、各位相に対してかつコントローラからのそれぞれの転換信号に応答して、転換信号によって制御されるオン状態とコントローラからのパルス幅変調信号の継続時間（すなわちデューティサイクル）に対応する電圧の大きさを有するデジタル制御信号を生成するように作用する。
システムはさらに、モーターが回転するにつれてモーター電機子位置を表示する位置センサ信号を生成する、コントローラとデジタル通信する素子を有する。コントローラは、位置センサ信号を処理し、実際の電機子回転速度を表示するデジタル信号を生成するように作用する。
本発明のある１つの特定の観点によれば、外科用システムが少なくとも１つの外科用デバイスを作動する。外科用システムはモーターを備えるハンドピースを有し、外科用デバイスを受容しかつ駆動するようになっている。外科用デバイスは、コントローラの制御下で、ハンドピースによる連続した位置で駆動される。外科用システムは、モータードライブ回路を通じて外科用デバイスを制御するコントローラを有することを特徴とし、ハンドピース内のアドレスで呼出可能なスイッチがスイッチ状態（スイッチが存在するかどうかおよびその状態など）を表示するためスイッチバスを通じてコントローラからのアドレッシング信号に応答し、コントローラはモータドライブの動作を制御するためスイッチバスを通じてスイッチからの電気信号に応答する。
ある特定の実施態様によれば、アドレスにより呼出可能なそれぞれのスイッチは、磁界に応答してコントローラへの状態信号を生成するホール効果センサと、磁気的エネルギー源を備えた可動スイッチ素子を有する。そこでコントローラは、駆動されるモーターを少なくとも部分的に、そしてそれによって外科用デバイスを動作させるために、例えば手動で動かすことのできるボタン磁石の運動に応答して、ホール効果センサの状態変化に応答する。
外科用システムはさらに、スイッチバスと電気的に通信しハンドピース内に位置して、ハンドピースの中に挿入される外科的装置の中の磁界生成素子に応答する、アドレスで呼出可能な少なくとも１つのホール効果素子を特徴とする。そこで外科用デバイスは、ホール効果デバイスに対応した特定の場所において磁石を備えていても良い。コントローラは、認識された外科用デバイスに対応する外科用システムのパラメータをあらかじめ設定するためアドレスで呼出可能な少なくとも１つのホール効果デバイスの状態を表示する信号に応答する。
ある特定の実施態様においては、スイッチバスは、それぞれのスイッチをコントローラに接続する２芯（two-wire）バスである。別の観点においては、外科用システムはさまざまのフットスイッチコマンドを識別する電気信号を提供するためコントローラに接続されたフットスイッチを備えることができる。フットスイッチはアドレスで呼出可能なホール効果スイッチ素子と、そのホール効果スイッチの状態を変更する手動のボタン素子を特徴とする。このようにフットスイッチは、ホーリングされた時スイッチ状態をコントローラに表示することができ、コントローラはスイッチ状態に応答し、それによって、駆動されるモーターの動作を制御する。
【図面の簡単な説明】
本発明のその他の特色と利点は、次の図面を参照した以下の記載により明らかになるであろう。
図１は、この発明の全デジタル化された速度と位置の制御システムの全体の概略ブロック図である。
図２Ａと２Ｂは、図１のシステムの特別な実施態様の詳細ブロック図を表す。
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観点を示したフローチャートである。
図５は、この発明のシステムを用いた外科手続の概略ブロック図である。
図６は、外科用ツールの透視図である。
図７は、図８の横断面図である。
図８は、この発明のモータのホール効果スイッチの出力を示している。
図９は、スイッチバスに接続されたホール効果スイッチ集合体の電気的概略図である。
図１０Ａは、外科用ハンドピースの透視図である。
図１０Ｂは、図１０Ａのハンドピースを含む外科用システムのブロック図である。
図１０Ｃは、図１０Ａの外科用ハンドピースの側面断面図である。
図１０Ｄは、図１０Ｃの断面図の部分拡大図である。
図１０Ｅは、図１０Ａのハンドピースの回路基板の上面図である。
図１０Ｆは、図１０Ｅの回路基板の端面図である。
図１１は、この発明の２つの入力デバイスの機能性を図示したブロック図である。
図１１Ａは、アドレスで呼出し可能なホール効果集合体に関するコントローラの動作を図示したフローチャートである。
図１２は、アドレスで呼出し可能なホール効果集合体の故障の場合における動作を図示したフローチャートである。
図１３は、ハンドピースと器具のクラスを識別するためのコントローラの動作を図示したフローチャートである。
図１４Ａ、１４Ｂ及び図１５は、ドライブレベル回路の他の外観を図示した概略図である。
図１６Ａと図１６Ｂは、三相ブリッジとドライバ回路の外観を図示した概略図を表わす。
特別な実施態様の記述
図１によれば、この発明の全デジタル（all-digital）モータ制御システム８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のホール効果センサー１４（図示された実施態様では３つ）を有している。
このシステムは、好ましくはフィリップス（philips）によって製造され、モデル番号８７Ｃ５５２として販売された集積回路チップである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は三相ブリッジ及びドライバ回路１８を通ってモータ１０と接続される。コントローラ１６は、ライン１９を通り、所望の電機子速度を示すデジタル速度信号を生成する。（電機子速度は、モータ１０の中のホール効果デバイス１４からライン２２を通る信号から決定される以下に詳説するライン２０を通るオペレータ信号に基づき、さらに以下に詳説されるであろう実際のモータ回転速度に基づく。）
電源を入れると、コントローラ１６は、添付した実例１に詳細に示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、モータ電機子を回転させるために協働する６つの転換信号２６の組を生成し、２つずつがそれぞれ図示した４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、モータホール効果素子１４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とドライブ回路１８と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、モータドライブの各位相に対応する３つの位置制御信号がライン２７を通してモータ１０に出力される。（ホール効果センサ１４は、電機子の回転を感知し、二状態（two-state）ホール効果信号（図８に図示される）を生成し、それに実質的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取りはブロック３０で表わされている。ホール効果センサ１４の新しい読取り状態は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、そして、３８での次の転換ビットパターンは最後のものと同じである。その後、タコメータ（ＴＡＣ）信号を生成するために作用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、割込みから戻る。（図示した４極の（三相の）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（図８）。）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一部分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マイクロ秒の固定した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，図２Ａ，図２Ｂに示されるように、ＰＷＭ信号が、ドライブレベル回路２４を介して三相ブリッジと駆動回路１８に供給され、先行技術でよく知られているように、回路１８は、回路１８の三相ブリッジ部のための切り替え信号（switching signal）を生成する。次には、ブリッジ部は、各位相に対し、ライン２７を通して、それぞれオン状態とオフ状態とを有する上記のモータ制御信号を生成する。
前述のホール効果センサ１４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によってとりわけディスプレイ５１に送られて、モータの実際の回転速度を示す。
図５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で図でもって示されている。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６９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１０を備えたハンドピース４００によって駆動される。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ハンドピース４００が存在している。
図６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と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か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、その領域に対する外傷（trauma）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大きさが変化する一連のパルスを印加する。タコメータ信号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８）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、（ライン２７を通した）より大きな平均電圧及び／又は電流の形態をとるデューティサイクルの（ライン１９を通した）増加を要求する。しかしながら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モータへの平均電圧あるいは電流を減少させ）、これがモータ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。内容の全体を参照によりここに組み込む係属中の国際出願番号ＷＯ９６／３２０６７の中に記載されているように、もしこの状態がシステムに予め設定されていれば、この状態は達成させられる。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７は図６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。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。
図１０Ａを参照すれば、外科用ハンドピース４００は、さまざまな使いすての外科用切断器具を受け入れるように構成されている。ハンドピースは、一般的に円筒形状を持ち、アルミニウムで作られたハウジング４０１を含んでいる。その遠端部において、ハンドピースは、外科用器具の取り付けのために、中空のインタフェース部４０５を含んでいる。ハンドピースは十分にオートクレーブによる処理が可能なものである。
インタフェース部４０５は、外科用器具の挿入のためにみぞ（slot）４０７を持つ凹部４０６を含んでいる。インタフェース部４０５の中の環状のフランジ４０８は、外科用器具をハンドピース４００に軸方向にしっかり締めつけるために外科用器具とかみ合わせられる。環状のフランジ４０８は、斜道形状のリーディングエッジと背面カットされたトレーリングエッジとを有する。ガイド穴４０９は、放射状方向に外科用器具をハンドピースに締めつけ、外科用器具の回転を防止する。
また、図１０Ｂを参照すれば、ハンドピース４００は、その近端部で、外科用システム５００のコンソール５０５に取付けるためのケーブル４１０も含む。ケーブル４１０は、ネジ切りした（threaded）のコネクタ４１２によってハンドピースに接続される。ケーブル４１０を通して、コンソール５０５は、作動速度と、ハンドピース４００の中に配設されたモータ１０の方向を制御する。そして、それによって、モータ電機子が回転する方向と速度を制御する。
図１０Ｂに図示されるように、コンソール５０５は、システムを活動させあるいは不活動にするための電源スイッチ５２２と、ハンドピースモータ１０の速度を増加（５２５）あるいは減少（５３０）させるためのボタン群を含む。情報を表示するために、コンソールは、診断メッセージのための蛍光表示５３５と、モータ速度のデジタル表示（５４０）と、モータ速度のための許容範囲（５４５，５５０）と、許容範囲内のモータ速度の棒グラフ表示５５５を含む。コンソール５０５にケーブル５６０を介して付属されたフットスイッチ集合体５５５は、操作者が、作動の開口ロックモードと同様に、モータ１０の作動の前進，反転及び振動モードを選択することをできるようにするものである。フットスイッチとハンドピースの両方からのラインはそれぞれ光絶縁デバイス（図２ＢでＯ／Ｉと名称づけられている）あるいは、静電荷防止デバイス（図２Ａと２ＢでＥＳＤと名称づけられている）によってコンソールに終端されている。コンソールは、また、ケーブル４１０を接続することのできる２つの入力接続器５６１，５６２の１つを選択するためのスイッチ５６３を含んでいる。
また、図１０Ｃと１０Ｄを参照すれば、ハンドピース４００は、バルブ４１６を制御するハンドル４１５を含み、そしてそれによって、ハンドピース４００を通して吸引チャネル４１７（aspiration channel）を制御する。ハンドル４１５は、ハンドピースの遠端部の近くのハンドピースの底部上に位置し、ハンドピースの長手方向の軸４２５に垂直である軸４２０のまわりに回転する。この方向づけは、ハンドピース４００を持つ人によって、吸引チャネル４１７を介した流れの片手の指による制御ができるようにする。吸引チャネル４１７は、ハンドピースの近端部にある吸引せん（aspiration spigot）４３０で終端する。
３つの織地バンド４３５は、ハンドピース４００の周囲の円弧を形成する。これらのバンドは、にぎり易さを与えるものであり、ハンドピースの外表面に切れ目をつけることによって形成される。
３つの押しボタンスイッチ１００ａ，１００ｂと１００ｃは、ハンドピース４００の遠端部の近くに配置され、三角形の形状に配置される。スイッチは、丸く、同一サイズであり、ケーブル４１０を介してコントローラ１６（図２Ｂ）へ制御信号を与える。コントローラ１６は、ハンドピース４００の中のモータ１０を制御するために、スイッチ信号を利用する。１つの実施態様としては、スイッチは、
１）作動の前進，反転及び振動モードを循環するように、
２）速度の巡回範囲を循環するように、及び
３）活動化あるいは不活動化するように、コンソールにモータの制御をさせる。他の実施態様では、スイッチは、それぞれ１）前進，２）反転、あるいは３）振動モードのいずれかで、モータが作動するように、コンソールにモータの制御をさせる。以下に述べるように、コントローラは、同じハンドピースを用いて、コントローラ１６の再プログラミングをすることなしにこれらの異なる実施態様を成しとげることができる。後者の形状では、スイッチのいずれか一つを押すことでモータを活性化し、モータがそれに対応するモードで作動するようにする。この後、どれかのスイッチを押すことでモータは不活性化される。たとえば、前進モードから反転モードへ変換するために、操作者は、モータを不活性化するために、３つのスイッチのうちどれか一つを押し、その後、反転モードでモータを再活動させるために反転スイッチを押す。スイッチ１００ａ，１００ｂ，１００ｃのそれぞれが、モータが前進，反転あるいは振動モードで作動するように、コントローラ１６にモータ１０の制御をさせるとき、開口フットスイッチ集合体は、冗長な制御を与え、開口ロックモードを除いては不必要である。
スイッチ１００ａ，１００ｂ及び１００ｃのそれぞれは、磁気を帯びたスイッチ素子６０５をおおうように配置されたラバーブーツ（rubber boot）６００を含んでいる。ラバーブーツ６００は、金属カバー６１５によって、ハンドピース４００のハウジング４０１に固定される１枚のシリコンラバー６１０で形成される。
それぞれの磁気スイッチ素子６０５は、ステンレス鋼スイッチカバー６２５に固定され、かつステンレス鋼スイッチ底部６３５の円筒形開口６３０の中に配置される磁石６２０を備える。スプリング６４０は、スイッチカバー６２５をスイッチ底部６３５から離させ、ラバーブーツ６００は、単一のユニットとしてスイッチ素子６０５を維持する。
スイッチ１００ｃを押し下げることによって、スイッチ底部６３５を越えて、ハンドピース４００のハウジング４０１の中の凹地６４５に、磁石６２０が届くようになる。上記したように、スイッチ底部６３５は、磁石６２０によって得られる磁界を吸収しそれによって磁石６２０をシールドする磁気的に弱い材料である、ステンレス鋼で作られる。対照的に、ハンドピース４００のハウジング４０１は、磁界を吸収しないで、磁石６２０をシールドしない材料，アルミニウムで作られる。このように、スイッチ１００ｃを押し下げることによって、磁石６２０の部分がシールドされた位置からシールドされない位置にまで動くようにさせられる。
スイッチ１００ｃが押し下げられ、磁石６２０が凹地６４５の中に達したとき、磁石６２０によって生成された磁界は、ホール効果センサ６５０によって検出される。ホール効果センサ６５０は、ハンドピース４００のハウジング４０１の一部分６５５によって、磁石６２０と物理的に絶縁されている。その一部分６５５は、スイッチ１００ｃを介したいかなる可能性のある漏出経路に対しても障壁を与える。しかしながら、ハウジング４０１はアルミニウムで作られ、磁石６２０によって作られた磁界を吸収しないので、磁石３２０が凹地６４５に位置しているとき、ホール効果センサ６５０は、磁気的に磁石６２０から絶縁されない。もし、ハウジング４０１が、プラスチックやオーステナイトの磁気を帯びていないステンレス鋼のような他の磁気を帯びていない材料で作られるなら、類似の結果が得られる。
ホール効果センサ６５０は、以下に述べるように、磁界に応答する。センサは、高密度ＣＭＯＳロジックステージを駆動する高分析バイポーラホール効果スイッチング回路を備える。ロジックステージとは、スイッチバス上のシリアルアドレスパルスをデコードし、適切なアドレスを受けるとレスポンスを生成するものである。このレスポンスは、ホール効果センサが磁界を検出したかどうかを表示するものである。
図１０Ｅと１０Ｆを参照すれば、ホール効果センサ６５０は、ハンドピース４００のハウジングの中のチャネル６６５の中に配置される回路基板６６０上に搭載される。回路基板６６０は平らで、１５ミル厚さで、わずかにたわみやすいものである。ホール効果センサ６５０は、回路基板６６０の中の切り抜き細工（cutout）の中に配置され、ホール効果センサ６５０とコンソール５０５とを電気的に接続するバスを形成する一対の回路経路６７５に半田付けされる導線６７０によって回路基板に接続される。
ホール効果センサ６８０と６８５は、それぞれ、スイッチ１００ａと１００ｂに対応し、回路基板６６０の側面の切り抜き細工に配置される。センサ６８０と６８５は、回路基板６６０に対して角度がつけられ、回路パス６７５に半田付けされた導線６７０によって接続されている。スイッチ１００ｄと１００ｅの１対の付加的なホール効果センサは、上記したように、ハンドピース４００の中に取りつけられた器具のタイプを識別するために外科用切断器具の中の磁石に応答し、かつ角度がつけられ、同様の方法で接続される。最後に、回路基板６６０は、チャネル６６５の中に回路基板６６０を挿入するのに助けとなる延長部６９５を含む。
図２Ａ，２Ｂを参照すれば、この発明の好ましい実施態様において、ハンドピースは、複数の手動操作されるコントロールスイッチ１００を含んでいる。そのスイッチは、前の実施態様においてシステムコントローラハウジングの前面パネル上に見つけることができる。上記したように、これらのスイッチは、図示した実施態様において、ブラシレスモータの電機子の回転についての前進モード（１００ａ），反転モード（１００ｂ）あるいは振動モード（１００ｃ）を制御してもよい。一般に、これらのスイッチは、それぞれ、各スイッチから別々の１対の導線を必要とするが、ハンドピースの後部から出て、コントローラハウジングまでのケーブル４１０を形成している。しかしながら、この発明によれば、手動制御されるスイッチ１００は、以前使用されたような押ボタン機械スイッチよりもむしろ、ホール効果スイッチ集合体によって置きかえられる。その集合体は、モータ位置を検出するのに使うことのできるものと匹敵するホール効果センサと磁石の組合せとを含む。この発明の好ましい実施態様において、図１０Ｃ，図１０Ｄで図示されたハンドピースの機械的切断面を参照すれば、上記したように、ホール効果スイッチデバイス１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、今まで用いられていた機械式押ボタンスイッチに取ってかわり、可動かつばねを組み合わせた押しボタンの中の磁石がホール効果センサの方へ前進するにつれてホール効果センサの状態が変化するように作動する。このように、ホール効果センサの方へ磁石が近づくことは、デバイスの状態を制御し、その状態に影響を与え、次にコントローラによって電気的に測定される。
図９を参照すれば、この発明の好ましい実施態様では、ハンドピースのホール効果センサ１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ及び１００ｅは、それぞれ２芯スイッチバス１１４に接続されている。各ホール効果集合体は、電気的に番地を与えることができる。好ましい図示されたユニットは、アレグロマイクロシステムズ株式会社（Allegro Microsystems, Inc）の部品番号Ａ３０５４ＳＵ−ＸＸとして製造される。ここで“ＸＸ”は、デジタル数字であり、センサのアドレスを表わしている。そこで、各ホール効果センサは、コントローラからスイッチバス１１４を通した初期要求に応答して、デジタル磁気検出信号を与えることができる。さらに、識別された特別なアレグロユニットは、同じバスによってセンサに電力を与えることができる。（アレグロユニットは、もし望むならば、磁界の存在によって磁気的に活性化させられるのと同様の方法で、機械的にスイッチ作動させることもできる。）
そこで動作において、コントローラ１６は、バスドライバ（インタフェース）１０１を通して、よく知られた手順で、ホール効果センサ“ＩＣ’ｓ”のおのおのにポーリングしたり、問合せを送ったりすることができ、前記したように、モーターの動きを制御するためにスイッチの状態を測定することができる。
特に、この発明の好ましい図示された態様では、５つのホール効果センサＩＣ，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅが使われる。（他の実施態様では、より多くの又はより少ないセンサＩＣを使うことができる。）図１０Ｃ，１０Ｄに記載されているように、３つのセンサＩＣ，１００ａ，１００ｂ及び１００ｃは、ハンドピースにおいて、押しボタンでモータのコントロールができるようにするために与えられるものである。２つの他のホール効果センサＩＣ，１００ｄと１００ｅは、使用される外科用器具が属する系統を検出するために与えられるものである。以下に述べるように、６番目のホール効果センサＩＣ，１００ｆは、また、同じスイッチバス１１４、そしてコントローラに接続されて、図示した実施態様においてフットスイッチの中に配置され、システムの開口ロックモードが、初期化されたかどうかを測定するものである。
コントローラは、押しボタンがコントローラパネルやその他の場所に現れるとき、以前使われていたのと同様に、モータを制御するために、さまざまな押しボタンの活動に反応する。
さらに、上記したように、コントローラは、また、（ホール効果センサ１００ｄ，１００ｅの４つの異なる状態に対応して）外科用器具の（図示された実施態様の）４つのクラスまでを認識する。使われる外科用器具の特別のクラスや系統に応じて、コントローラは、特に、使われる外科用器具のクラスの最大速度のようなパラメータを設定する。それゆえに、コントローラは、また、再プログラムやシステムの調整を必要とせずに、異なるハンドピースと外科用器具の異なるクラスの両方に自動的に適合することもできる。動作のこの有利な手段は、従来のシステムにはない重要かつ特別安全な特徴を与えるものである。
図１１によれば、この発明のコントロールシステムは、電気的に外科用アセンブリをコントローラに接続するために２つの別々の特別な接続１１７ａ，１１７ｂ（図１０Ｂのコネクタ５６１と５６２）を備えている。この接続は、コントローラハウジングのフロントパネルにおいて、スイッチ５６３によって一方のコネクタから他方のコネクタへ手動で切り替えられる。コネクタ１１７は、電気的にそれぞれが１極かつ２方向スイッチとして働き、スイッチモジュール１１９の中に含まれる電子的スイッチ要素の集団によって切りかえられる。スイッチ５６３の出力は、スイッチモジュール１１９の状態を制御する。新しい外科用アセンブリが接続されるとき、コントローラは、システムを自動的にリセットする。その結果、新しく接続されたハンドピースに加えられる電力はいつも安全にオフ状態で加えられる。この発明の好ましい実施態様によれば、コントロール信号は、切り換えられる信号接続の性質に依存して、アナログあるいはデジタルの信号パスのいずれの場合でも高速、清浄な１極，２方向性操作によって電子的に作用するアナログとデジタルスイッチング技術を用いて切りかえられる。この発明の図示された実施態様では、ハンドピースからモニタされあるいはハンドピースに与えられるさまざまなフットスイッチ，モニターコントロールなどデジタル（ホール効果デバイス）信号に対応するデジタル信号パスとアナログ信号パスが存在する。また、コントローラは従来の外科用デバイスに関連したパラメータを「憶えている」ために、スイッチモジュール１１９の中に含まれる不揮発性メモリシステム１２１を用いる。これらのパラメータは、システムが以前のハンドピースに戻すよう切り換えるとき、システムに初期的に呼び戻されるパラメータであり、新しいハンドピースのための種々の速度及びその他のパラメータを再プログラムすることなしに、外科医がハンドピース（よって器具）を、迅速かつ楽々と切り換えるようにするものである。
この発明の他の観点において、種々の先行技術のシステムで用いられるように、パルス幅変調信号は、三相モータと非線形関係を持つことが見出されており、また、三相モータへの駆動電流を持つことが見出されている。それゆえに、したがって、この発明は、パルス幅変調信号を、図２ＢにＭ＋  ＶＡＲとして表示されたライン１６０を通して、ＤＣ電源レベルに変換するためのドライブレベル回路２４に特徴がある。この回路は、三相ブリッジとドライバ回路１８を制御するために用いられる。このようにして、ＤＣモータに加えられた電力は、動作させるためのパルス幅変調信号に実質的に線形関係を引き起こす。
図２Ａと２Ｂを参照すれば、この発明の図示した実施態様において、コントローラは、表示システム，テレビモニタ６９ともインタフェースすることができる。ＲＳ２３２ポート１７０を用いることによって、医者はコントローラに大画面形式で、外科用システムの速度と作動モードとを表示させることができ、その結果コントローラハウジングパネル上の相対的に小さなＬＥＤ表示を通して読むよりももっと容易かつ迅速に読むことができるようになる。
この発明の図示した実施態様の動作のまた別の観点において、図１１Ａのフローチャートを参照すれば、電力投入（power-up）に際して、コントローラは、１８０で、ホール効果センサＩＣの「存在」と、その状態をともに決定するために、スイッチバス１１４に接続されたアドレス付け可能なホール効果センサＩＣのポーリングを開始する初期リセット状態に入る。１８２で、その存在が認識されると次に、ハンドピースのクラス及び、もし用いられる外科用器具がハンドピース内に挿入されているならばそのタイプを識別するためにコントローラは、１８４でルックアップテーブルを用いる。もし、何も挿入されないなら、システムは、（ホール効果センサ１００ｄ，１００ｅと並列位置に磁石がないことに対応して）クラス“００”をデフォルトとし、そのクラスに関連したデフォルトパラメータを用いる。
それから、コントローラは、ループ１８６で、押ボタンのいずれかが押下げられたかどうか、すなわち、ホール効果センサに付随する押ボタンか、あるいは、フロントパネル又はフットスイッチで利用できる手動ボタンのいずれかが押下げられたかどうかを識別しかつ測定することを継続する。発明の好ましい実施態様に従えば、このことは、もしあるならば、活性化信号の存在を測定するために、スイッチバスにそってアドレスで呼出し可能なスイッチ素子のそれぞれをポーリングし、さらに手動スイッチのそれぞれの信号レベルをチェックすることによって、発生させられる。一度スイッチの活性化が検出されると、１９０で、種々のスイッチに応答して、コントローラは、適切なパラメータを設定し、その後、もし必要ならば、１９２でモータの回転を開始させる。モータ回転の初期化の際、種々のスイッチに応答して、上記したように、コントローラは、種々のスイッチによって呼び出された速度とモードで、ＤＣモータを作動させる。１９４で、コントローラは、変化するスイッチ素子を監視しつづけ、そして、さらなるスイッチ素子の作動に従って、スイッチ素子を通して与えられた要求指示と合致するように作動モード，作動速度および／または作動方向を変化させるように作動する。
図１２のフローチャートを参照すれば、アドレスで呼出し可能なホール効果スイッチ素子の１つが正しく作動できない場合、すなわち、２００において、コントローラによって生成されたアドレス信号に対して正しく応答できない場合、コントローラは、２０２でその素子を識別し、２０４で、そのスイッチがエラーモードにあることを表示パネル上に表示するような、付加的な能力を持っている。このことは、利用者にそのかわりに異なるハンドピース又はフットスイッチを取り付けることができるようにし、この発明に付加的な安全性と利点を与えるものである。
この発明において、図１３を参照すれば、コントローラは、（２１０で）ホール効果アセンブリのアドレスからハンドピースのモデルとスタイルを含めて、使用されるハンドピースを識別することができる。それから、コントローラは、２１２で、番号あるいは機能が異なるホール効果センサの異なる構成を持つ変化するハンドピースに適合させることができる。このようにして、この発明のシステムは、たとえば、ホール効果センサのアドレスに応答して、そのハンドピースに関連して予め記録されたパラメータの組を識別するために、２１４で、単にルックアップテーブルを利用することによって、多くの異なるハンドピースユニットと共に作動できる。この柔軟性は、コントローラのさらなる不必要な再プログラミングをすることなしに達成できる。この発明の図示した実施態様の柔軟的特徴は、ホール効果スイッチがそのアドレスによって唯一つに識別されうるので利用可能になるが、この発明の実施態様のためにさらなる付加的な効果を与える。
上記したように、図２Ｂを参照すれば、マイクロプロセッサベースのコントローラは、ライン１９を通してパルス幅変調信号を出力する。その信号は、コントローラ１６によって正しいと判断された駆動レベルに対応するデューティサイクルを持つ。ＥＰ−Ａ−６４９２１７で図示されたような、従来の駆動回路の実施態様において、ライン１９を通る２つのレベルのパルス幅変調信号は、ライン２７を通って制御出力信号をゲートする三相ブリッジに直接印加されていた。このため、パルス幅変調信号は、モータ１０に供給される平均電流を変化させるのに用いられていた。しかしながら、その構成におけるモータ速度とパルス幅変調のデューティサイクルとの間の関係は線形でないことがわかった。したがって、パルス幅変調デューティサイクルとモータ回転速度の間に線形もしくは線形に近い関係を与えるためには、別のアプローチが必要であった。
図２Ｂを参照すれば、コントローラ１６は、ライン１９を通して、パルス幅変調信号を生成する。この信号は、ＰＷＭ０で示されている。その信号は、ライン１６０を通して、三相ブリッジとドライバ１８とに与えられるＤＣ出力レベルを持つパルス幅変調用電源である、ドライブレベル回路２４に導かれる。
図１４Ａと図１４Ｂを参照すれば、ライン１９を通るパルス幅変調信号は、比較器２００を用いて、直角にさせられる。
それから、比較器の出力は、抵抗２０４と平行なキャパシタ２０２を用いて積分される。ライン２０６を通して積分器ネットワークの出力は、ゼロと５ボルト（論理レベル）の間で変化し、そして、比較器２０８へ一つの入力として印加される。
比較器の他の入力は、ＤＣレベル回路２１４（図１５）によって生成された可変ＤＣレベルである。ライン２１８を通るゲートドライブレベルがＦＥＴデバイス２２０，２２２をオンするように働くとき、回路２１４は、インダクタ２１６を通る電流を駆動するように作動する。ライン２１８を通るゲートドライブ信号はゲートドライブ回路２２６によって生成される。ライン２２６に従って、比較器２２８は、ライン２３０を通る三角傾斜信号と、ライン２３２を通る電圧エラー出力とを比較する。傾斜信号、すなわち、High論理電圧とグランドの間の電圧変化を持つ三角波形状は、マルチバイブレータ回路２３２の出力を用いて生成され（図１４Ａと１４Ｂ）、そのライン２３４を通る出力はキャパシタ積分器２３６に印加される。
図１４Ａと１４Ｂを参照すれば、ライン２３２を通した電圧比較出力は、ライン２０６を通した望まれた出力電圧と、ライン１６０を通るモータへの現在の実際の出力電圧とを比較する増幅器２０８を用いて生成される。もし、モータの電圧を上げる必要があるならば、増幅器２０８の出力は正であり、モータの出力を下げる必要があるならば、ライン２４０上の増幅器２０８の出力は負である。作動する増幅器２０８は、モータ電圧の突然の変化が起こらないように、フィルターモードで接続される。
今、回路２２６（図１５）について、モータへ配送するために付加的なエネルギーが、コントローラによって要求されるとき、ライン２３２を通る信号はその値が減じられ、それによって、増幅器２２８の出力において、より大きな「時刻通りの」（高電圧値）が与えられる。結果として、トランジスタ２５０と２５２は、交互にオンとオフをくり返し、ＦＥＴ２２０と２２２をオンにするためにライン２１８を通して出力を与える。そしてそれによって、ライン１６０を通る出力信号を生成するためにインダクタ２１６を通る電流をドライブする。ライン２３２上の電圧レベルが、ライン２３０を通る三角信号の値よりも大きいとき、トランジスタ２５０は、オンとなり、それによってＦＥＴ２２０と２２２をオンとする。ライン２３２を通る信号の値が、ライン２３０を通る三角信号の値よりも小さいとき、トランジスタ２５２はオンとなり、トランジスタ２５０はオフとなる。このようにして、ＦＥＴゲート信号は、三相ブリッジとドライブ回路１８によってモーターに正しく位相合せして印加されるライン１６０を通る可変電圧信号を生成する。
図１６Ａと１６Ｂを参照すれば、三相ドライバーとブリッジ１８は、ライン２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ及び２６ｆ）を通る転換入力を受けとり、ライン２７（２７ａ，２７ｂ及び２７ｃ）を通って三相モータドライブ出力を、モータ１０へ与える。それぞれの転換信号のためのドライバーは、増幅器２７０によって、ドライブトランジスタ２７２の各位相ゲートのための２つの転換信号の一つを与えられる。ドライバ部は、三相ＤＣモータを連続的に駆動するために、正しい時刻に正しい位相で、ライン１６０を通る生成された電圧制御信号の値に等しいライン２７を通る電圧信号を与えるＦＥＴデバイス２７４のゲートを制御する。このように、ライン１６０上の信号レベルの値が変化するにつれて、パルス幅変調信号デューティサイクルでの変化に応答して、モータ１０の回転速度は、そのサイクル、したがってコントローラ１６によって生成されたパルス幅変調信号と線形関係を持って変化する。
図１４Ａと１４Ｂを再び参照すれば、三相モータ１０へ加えられる電流は、ライン３００を通り、精密抵抗３０４を経由して、ライン３０６を通るシステム電力帰還へ通過する帰還を持っている。
抵抗３０４を通して現れる電圧は、モータ１０に加えられる電流を表わすものであり、差分的に差動増幅回路３０８によって増幅され、その出力はライン３１０を通って利用される（図２Ａと２Ｂも参照）。この出力は、コントローラのＡ−Ｄコンバーター（ＡＤＣ７）の１つに印加され、コントローラ１６によって読まれ、かつ監視される。
要約すれば、この発明によれば、図１０Ａに図示された密封したハンドピースは、コントローラ１６に接続ケーブル４１０を設けるためには限られた空間しかない。この空間は、医療従事者の希望をみたすためハンドピースの大きさが減少するにつれ及び／又は同じ従事者を満足させるためハンドピース内に備えられる機能の数が増大するにつれて、さらに制限される。
サイズを減少させることとハンドピースの機能を増加することの組合わせと、きびしい内科／外科の手術環境下でハンドピースを密封する必要性は、ハンドピースの内部からコントローラまで通すことのできる物理的なワイヤの数にきびしい制限を与える。このように、ハンドピース上に３つの付加的な手動操作されるボタンを単に加えることは、少なくとも６つの付加的なワイヤを備えることが通常要求されるであろう。そのかわりに、この発明の図示された実施態様に従えば、次に述べるように、２つのワイヤを減少させることができる。
通常、従来の構成に従えば、ハンドピースに挿入される外科用器具のクラスを検出するために、ハンドピースは、２つのホール効果センサ１００ｄ，１００ｅを持つ。このことは、ホール効果センサからコントローラへ戻る経路となる４つのワイヤ（各センサにつき２つ）を要求する。上記したように、この発明の図示された実施態様に従えば、ホール効果センサＩＣは、それぞれ同じ２芯スイッチバス１１４に接続され、３つ（あるいはそれ以上）の付加的な、手動操作されるホール効果センサ１００ａ，１００ｂ，１００ｃに加えて、存在する２つのホール効果センサのために、ただ２つのワイヤだけが要求されるにすぎない。このことは有利なことに、ハンドピースからコントローラにまでおよびワイヤケーブルのサイズに影響を与え、実際に予期しない将来の状況を取扱うためにいくつかの付加的な「余分の」ワイヤを与えることもできる。
この発明は、ブラシレス三相ＤＣモータのための全デジタル化速度コントロールシステムの態様として図示し記述してきたが、種々の修正と構造の変更を、この発明の精神から逸脱することなしにできるので、示された詳細な内容に限定するつもりはない。
実例１
次のプログラムリストは、例として挙げるだけであるが、この発明の外科用システムのコントローラによって実行されるのに適切なプログラムであり、添付図面を参照して記述された実施の態様に用いるのにふさわしいものである。
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【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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