(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動周波数設定信号に応じて超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成する超音波振動子駆動信号生成手段と、
前記超音波振動子駆動信号生成手段より前記超音波振動子に供給される前記駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号とを検出する位相信号検出手段と、
前記位相信号検出手段で検出した前記電圧位相信号と前記電流位相信号とに基づいて当該駆動信号の電圧位相と電流位相との位相差の大きさを所定クロックに応じて検知する位相差大きさ検知手段と、
前記位相差大きさ検知手段で検知した、所定クロックに応じた前記位相差の大きさに係る位相差データを過去所定回数分保管する位相差データ保管手段と、
前記位相差データ保管手段に保管された過去所定回数分の前記位相差データの平均値と所定の初期設定周波数信号とに基づいて、前記超音波振動子をＰＬＬ駆動による周波数制御をするための周波数可変データを生成し、当該周波数可変データに基づいて、前記駆動周波数設定信号を生成して前記超音波振動子をＰＬＬ駆動する駆動周波数設定信号生成手段と、
前記駆動周波数設定信号生成手段より出力される当該駆動周波数設定信号と所定の初期設定周波数信号との差を検出し、当該差が所定の範囲外に達した際は、前記駆動周波数設定信号生成手段によるＰＬＬ駆動を解除するための信号を出力する監視手段と、
を具備したことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
【請求項２】
駆動周波数設定信号に応じて超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成する超音波振動子駆動信号生成手段と、
前記超音波振動子駆動信号生成手段より前記超音波振動子に供給される前記駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号とを検出する位相信号検出手段と、
前記位相信号検出手段で検出した前記電圧位相信号と前記電流位相信号との位相差信号に所定の分周処理を施す位相差信号分周手段と、
前記位相差信号分周手段において分周処理が施された前記位相差信号と所定の初期設定周波数信号とに基づいて、前記超音波振動子をＰＬＬ駆動による周波数制御をするための周波数可変データを生成し、当該周波数可変データに基づいて、前記駆動周波数設定信号を生成して前記超音波振動子をＰＬＬ駆動する駆動周波数設定信号生成手段と、
前記駆動周波数設定信号生成手段より出力される当該駆動周波数設定信号と所定の初期設定周波数信号との差を検出し、当該差が所定の範囲外に達した際は、前記駆動周波数設定信号生成手段によるＰＬＬ駆動を解除するための信号を出力する監視手段と、
前記監視手段の検出結果に基づいて、前記ＰＬＬ駆動時と前記ＰＬＬ駆動解除時とで前記位相差分周手段における分周比を変化させる位相差分周比変化手段と、
を具備したことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波振動子駆動装置、更に詳しくは超音波振動子の共振周波数への追従駆動の制御部分に特徴のある超音波振動子駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、外科手術用の超音波メスや超音波加工装置等に使用されている超音波振動子は、その基本共振周波数もしくはその近傍において駆動することが望ましい。また、超音波振動子の共振周波数が、負荷条件、温度、振動子の破損等により存在しなくなった場合、超音波振動子の駆動を禁止し、術者に対する警告を行う必要がある。
【０００３】
そこで、例えば特開平７−３１３９３７号公報に示されるように、超音波振動子の駆動装置で、振動子の駆動周波数を共振周波数と一致させるように制御するアナログ回路で構成されたＰＬＬ（位相制御ループ）方式による振動子駆動と、駆動周波数が所定の範囲にあるか否かを確認して、異常の場合には駆動を停止するとともに異常を告知する方法が開示されている。
【０００４】
しかし、アナログ回路で構成されたＰＬＬ方式は、複数の種類の共振周波数の振動子を駆動するためには、複数の発信源が必要であること、またアナログ回路で構成されているため温度変化により特性が変化すること、さらに回路を可変抵抗等で調整する必要があること等の問題があった。
【０００５】
そのため、近年では、上記問題に対して、ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）とＵＰ／ＤＯＷＮカウンタを用い、デジタル回路で構成されたＰＬＬ方式（以下、デジタル式ＰＬＬ）で共振周波数追尾が行われている。
【０００６】
図６は、従来の超音波凝固切開装置９１でのデジタル式ＰＬＬ９２におけるフィードバック回路のブロック図であって、超音波出力信号を検出回路１０１により、電圧、電流を検出して、その位相信号θv（電圧位相信号）、θI（電流位相信号）を位相比較器１０２へ入力している。
【０００７】
位相比較器１０２では、電圧位相信号、電流位相信号の位相差を検知して、出力周波数を上下させる制御信号（以下、位相差+/-信号）を出力し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０３に、その制御信号を入力する。
【０００８】
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０３は、ＣＰＵ１０４からの初期設定周波数信号、位相比較器１０２からの位相差+/-信号に基づき、実際に出力する周波数（以下、駆動周波数設定信号）を出力する。
【０００９】
ＤＤＳ１０５では、駆動周波数設定信号に基づいて、実際に正弦波を出力する。この正弦波は、電力増幅器１０６、検出回路１０１を介して、ハンドピース１０８内の振動子１０９に伝達され、ハンドピース１０８の先端が超音波振動を行い、組織の凝固切開を行う。
【００１０】
また、監視回路１１０は、駆動周波数設定信号のモニタを行い、初期設定周波数信号との差が所定の範囲にあるか否かを確認して、所定の範囲外にある場合は、ＰＬＬ非ロック信号をＣＰＵ１０４へ送信し、超音波凝固切開装置９１の駆動を停止する。
【００１１】
図７は、一般的な振動子と超音波凝固切開装置１の出力回路のインダクタＬbの等価回路を示している。振動子の等価回路は、Ｃa、Ｌa、Ｒの直列回路とＣbの並列回路で表される。また、通常、発振回路には、前記振動子の制動容量成分をキャンセルするためのマツチング用のコイルＬbがある。
【００１２】
図８は、図７の等価回路の電気的特性を示したものである。縦軸がインピーダンスＺと位相θ、横軸が周波数である。
【００１３】
図８のＦ1は第１の反共振周波数、Ｆrは共振周波数、Ｆ2は第２の反共振周波数である。
【００１４】
通常、振動子を超音波駆動させるときには、駆動周波数を共振周波数Ｆrに周波数追尾させるようにＰＬＬ駆動を行う。
【００１５】
また、振動子の異常により、共振周波数Ｆrが存在しなくなった場合、駆動周波数が所定の範囲（ＰＬＬロック可能範囲）から外れる。従来、これを監視し、超音波凝固切開装置９１の駆動停止を行っていた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような超音波振動子の駆動においては、一瞬発生するインピーダンスＺが高くなったような状況では、電流位相信号が検知出来なくなり、一瞬のうちに駆動周波数が変化し、所定の範囲外へ夥ってしまうため、ＣＰＵ１０４は、異常と認識、装置が停止してしまうという問題点があった。
【００１７】
つまり、ハンドピース１０８で組織を把持すると、インピーダンスＺ、位相θ特性は、図９に示すように、インピーダンスが高く、その変化は鈍くなることが分かっている。
【００１８】
従来、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ１０３では、位相比較器１０２からの出力に対して、１対１の割合で駆動周波数設定信号を上下させていたため、このようにインピーダンスＺが高く、変化が鈍い状態が一瞬でも発生すると、上記のように電流位相信号が検知できなくなるため、共振周波数を追尾出来ず、駆動周波数が所定変位外へ変化し異常と認識、装置停止となるといった問題がある。
【００１９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、インピーダンスＺが高くなることが一瞬でも発生するような状況においても駆動信号を共振周波数に確実に追尾させると共に、超音波振動子の破損等による異常時には異常を認識し装置の停止を行うことのできる超音波振動子駆動装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の超音波振動子駆動装置は、駆動周波数設定信号に応じて超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成する超音波振動子駆動信号生成手段と、前記超音波振動子駆動信号生成手段より前記超音波振動子に供給される前記駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号とを検出する位相信号検出手段と、前記位相信号検出手段で検出した前記電圧位相信号と前記電流位相信号とに基づいて当該駆動信号の電圧位相と電流位相との位相差の大きさを所定クロックに応じて検知する位相差大きさ検知手段と、前記位相差大きさ検知手段で検知した、所定クロックに応じた前記位相差の大きさに係る位相差データを過去所定回数分保管する位相差データ保管手段と、前記位相差データ保管手段に保管された過去所定回数分の前記位相差データの平均値と所定の初期設定周波数信号とに基づいて、前記超音波振動子をＰＬＬ駆動による周波数制御をするための周波数可変データを生成し、当該周波数可変データに基づいて、前記駆動周波数設定信号を生成して前記超音波振動子をＰＬＬ駆動する駆動周波数設定信号生成手段と、前記駆動周波数設定信号生成手段より出力される当該駆動周波数設定信号と所定の初期設定周波数信号との差を検出し、当該差が所定の範囲外に達した際は、前記駆動周波数設定信号生成手段によるＰＬＬ駆動を解除するための信号を出力する監視手段と、を具備したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の第２の超音波振動子駆動装置は、駆動周波数設定信号に応じて超音波振動子を駆動するための駆動信号を生成する超音波振動子駆動信号生成手段と、前記超音波振動子駆動信号生成手段より前記超音波振動子に供給される前記駆動信号の電圧位相信号と電流位相信号とを検出する位相信号検出手段と、前記位相信号検出手段で検出した前記電圧位相信号と前記電流位相信号との位相差信号に所定の分周処理を施す位相差信号分周手段と、前記位相差信号分周手段において分周処理が施された前記位相差信号と所定の初期設定周波数信号とに基づいて、前記超音波振動子をＰＬＬ駆動による周波数制御をするための周波数可変データを生成し、当該周波数可変データに基づいて、前記駆動周波数設定信号を生成して前記超音波振動子をＰＬＬ駆動する駆動周波数設定信号生成手段と、前記駆動周波数設定信号生成手段より出力される当該駆動周波数設定信号と所定の初期設定周波数信号との差を検出し、当該差が所定の範囲外に達した際は、前記駆動周波数設定信号生成手段によるＰＬＬ駆動を解除するための信号を出力する監視手段と、前記監視手段の検出結果に基づいて、前記ＰＬＬ駆動時と前記ＰＬＬ駆動解除時とで前記位相差分周手段における分周比を変化させる位相差分周比変化手段と、を具備したことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について述べる。
【００２３】
図１ないし図３は本発明の第１の実施の形態に係わり、図１は超音波手術装置の構成を示す構成図、図２は図１の超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図、図３は図２の周波数変化設定回路の作用を説明する説明図である。
【００２４】
本実施の形態の超音波手術装置は、図１に示すように、超音波出力を行う超音波凝固切開装置１と、処置を行うハンドピース２と、超音波凝固切開装置１の超音波出力を制御するフットスイッチ３とから構成される。
【００２５】
図２に示すように、ハンドピース２には振動子４を設けており、振動子４は、超音波凝固切開装置１のデジタル式ＰＬＬ１１の出力に基づいた駆動周波数の、電力増幅器１２において増幅された駆動信号により検知回路１３を介して駆動されるようになっている。
【００２６】
また、検出回路１３は、振動子４に供給されている電圧、電流を検出して、その位相信号θv（電圧位相信号）、θI（電流位相信号）を生成している。
【００２７】
デジタル式ＰＬＬ１１は、θｖとθＩの位相差の方向（+/-）とその大きさを検出し位相差+/-信号を生成するための、位相比較器２１、周波数変化設定回路２２、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３、ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザ）２４で構成されている。
【００２８】
周波数変化設定回路２２はＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）によって構成され、位相比較器２１からの出力である位相差+/-信号をイネーブルとして入力しクロックをカウントすることにより位相差の大きさを検知する位相差信号大きさ検知部２２ａと、位相差信号大きさ検知部1１３ａの結果過去３回分を保管する第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、上記第１〜第３データ保管部２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの値を平均することにより起動周波数の変化値の演算を行い演算結果に応じたパルス信号（ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号）を出力する変化値演算部２２ｅからなる。
【００２９】
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３は、ＣＰＵ２５から送信された初期設定周波数信号を基とし、周波数変化設定回路２２からの出力（ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号）のエッジを検出し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号１パルスに対して、駆動周波数を所定の周波数変化分変化させることにより駆動周波数設定信号を生成する。
【００３０】
また、ＤＤＳ２４は、駆動周波数設定信号に応じた正弦波形を出力する。
【００３１】
つまり、デジタル式ＰＬＬ１１は、位相比較器２１の出力を基とし、周波数変化設定回路２２に於いて、駆動周波数設定信号を変化させるＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を生成し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３を介してＤＤＳ２４から出力される駆動周波数が共振周波数の追尾を行うように制御するようにしている。
【００３２】
また、監視回路２６は、振動子４に加わっている駆動周波数信号と、初期設定周波数信号の差が所定の範囲内であるか否かを監視し、その差が所定の範囲外となった場合、ＣＰＵ２５へＰＬＬ非ロック信号を送信する。
【００３３】
図３に、本実施実施の形態のデジタル式ＰＬＬ１１内の周波数変化設定回路２２における動作を示す。
【００３４】
周波数変化設定回路２２は、上述したようにＤＳＰで構成されており、クロック、ＣＰＵ２５からの初期設定周波数信号、位相比較器２１からの位相差+/-信号が入力されている。
【００３５】
周波数変化設定回路２２内の位相差大きさ検知部１３ａでは、図３（ｂ）に示した位相差−（＋）信号をイネーブルとして入力し、図３（ａ）に示したクロックをカウントすることにより、位相差−信号の大きさを検知する（カウント結果は、図３（ｂ）に示したCn）。
【００３６】
検知したデータCnは、第１データ保管部２２ｂへ保管され、それまで第１及び第２データ保管部２２ｂ、２２ｃに保管されていたデータ（Ｃn-1、Ｃn-2）は、それぞれ第２及び第３データ保管部２２ｃ、２２ｄにおいてストックされる。
【００３７】
変化値演算部２２ｅでは、当該回路内において、ストックされている３回分の位相差大きさ検知部結果（Ｃn、Ｃn-1、Ｃn-2）の平均を行い、平均分のパルス信号を生成することにより出力ＵＰ（ＤＯＷＮ）カウント信号とする。
【００３８】
ＵＰ（ＤＯＷＮ）カウント信号＝（Ｃn＋Ｃn-1＋Ｃn-2）/３
Ｃn：位相差+/-信号が”Ｌ”の間のクロックカウント数
ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３では、ＣＰＵ２５から送信された初期設定周波数信号を基とし、上述のＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号１パルスに対して駆動周波数設定信号を所定変化分変化させる（図３（ｃ））。
【００３９】
前述を基に、ＤＤＳ２４は、出力の正弦波形の周波数を変化させ、周波数追尾を行っている。
【００４０】
上記演算で、過去のデータとの平均をとることにより、一瞬のインピーダンスの変化によって、非ＰＬＬロックとなるような駆動周波数の大きな周波数の変化が発生しない。
【００４１】
また、振動子４の破損等により、インピーダンスの高い状態が常時起きていた場合には、非ＰＬＬロック状態となる。
【００４２】
つまり、超音波振動子使用時、共振周波数付近で駆動しているときには、一瞬発生するするインピーダンスＺが高くなった様な状況においても一瞬のうちに周波数が変化せず、超音波振動子の破損等による異常時には異常を認識し装置の停止ができるよう適切に構成した超音波凝固切開装置が実現できる。
【００４３】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図である。
【００４４】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００４５】
図４に示すように、第２の実施の形態では、周波数変化設定回路２２の入力に、監視回路２６の出力であるＰＬＬロック／非ロック信号を加える。
【００４６】
そして、共振周波数追尾時（ＰＬＬロック時）と、非追尾時（非ＰＬＬロック時）において、変化値演算部２２ｅにおける、平均値をとるデータ数を変化させる。
【００４７】
ＰＬＬロック時には、第１〜第３データ保管部２２ｂ〜２２ｄの３データ（Cn、Cn-1、Cn-2）の平均をとることにより、駆動周波数の変化値演算を行う。
【００４８】
しかし、非ＰＬＬロック時には、第１データ保管部２２ｂのデータCnを、そのまま、駆動周波数設定信号の変化値とする。
【００４９】
これにより、ＰＬＬロック時には、一瞬のインピーダンスの高い状態が起きても、ＰＬＬロックは安定している。一方、非ＰＬＬロック時には、より早い周波数の変化を生じさせることができ、ＣＰＵ２５へ早急に異常状態を検知させることができる。
【００５０】
図５は本発明の第３の実施の形態に係る超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図である。
【００５１】
第３の実施の形態は、第１の実施の形態とほとんど同じであるので、異なる点のみ説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００５２】
第１及び第２の実施の形態では、位相差+/-信号をイネーブルとし、クロックをカウントし、ＤＳＰを用いた演算を行い、演算結果の数のＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号のパルスをＵＰ／ＤＯＷＮカウンタに出力することにより周波数追尾制御を行っていたが、本実施の形態では、図５に示すように、周波数変化設定回路２２の代わりにカウンタ３１を用い、位相差+/-信号を分周し、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を生成する。
【００５３】
本実施の形態の場合、第１及び第２の実施の形態のように、位相差+/-信号の大きさは、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号に反映されない（位相差が大きくても小さくても結果に周波数追尾に影響しない）が、位相差+/-信号を分周することにより、位相差+/-信号パルス数に対するＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号のパルス数を少なくできる。そのため、θv、θIにノイズが生じた場合でも駆動周波数の変化への影響を小さくすることができる。
【００５４】
また、ＰＬＬロック／非ロック時に応じて分周比を４分周から２分周へ変化させることにより、ＰＬＬロック時には、位相差+/-信号４パルス数に対してＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を１パルス、ＰＬＬ非ロック時には、位相差+/-信号２パルス数に対してＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号を１パルス出力する。
【００５５】
そして、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ２３では、ＵＰ／ＤＯＷＮカウント信号１パルスに対して、駆動周波数設定信号を１Ｈｚ変化させる。これにより、第１及び第２の実施の形態と同等の効果を安価に得るにことができる。
【００５６】
また、超音波凝固切開装置１内部回路全体の応答を遅らせ、当該回路全体の発振防止にも役立つ。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、インピーダンスＺが一瞬高くなったような状況においても駆動信号を共振周波数に確実に追尾させると共に、超音波振動子の破損等による異常時には異常を認識し装置の停止を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波手術装置の構成を示す構成図
【図２】図１の超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図
【図３】図２の周波数変化設定回路の作用を説明する説明図
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る超音波凝固切開装置の構成を示すブロック図
【図６】従来の超音波凝固切開装置の構成を示す構成図
【図７】一般的な負荷（振動子）と出力回路の等価回路を示す図
【図８】図７の等価回路の特性を示す第１の特性図
【図９】図７の等価回路の特性を示す第２の特性図
【符号の説明】
１…超音波凝固切開装置
２…ハンドピース
３…フットスイッチ
１１…デジタル式ＰＬＬ
１２…電力増幅器
１３…検知回路
２１…位相比較器
２２…周波数変化設定回路
２２ａ…位相差信号大きさ検知部
２２ｂ…第１データ保管部
２２ｃ…第２データ保管部
２２ｄ…第３データ保管部
２２ｅ…変化値演算部
２３…ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ
２４…ＤＤＳ
２５…ＣＰＵ
２６…監視回路
【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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