(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変直列共振周波数を有する超音波ハンドピースを制御する方法であって、
ａ．以下のｉ〜ｉｉｉの信号、すなわち、
ｉ．直列共振周波数の既知の現在値にほぼ等しい第１周波数の第１信号と、
ｉｉ．前記第１周波数より大きい第２周波数の第２信号と、
ｉｉｉ．前記第１周波数より小さい第３周波数の第３信号とを有する駆動信号を発生するステップと、
ｂ．前記駆動信号で前記ハンドピースを励振するステップと、
ｃ．前記第１周波数の第１アドミタンス、前記第２周波数の第２アドミタンス、及び前記第３周波数の第３アドミタンスを測定するステップと、
ｄ．前記第１アドミタンス、前記第２アドミタンス及び前記第３アドミタンスの相対値に基づいて将来の直列共振周波数を予測するステップ、及び
ｅ．前記将来の直列共振周波数に対応するように前記第１周波数を変化させるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記第２周波数と前記第１周波数の差の絶対値に等しいディザ増分を計算するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記将来の直列共振周波数に対応するように前記第１周波数を変化させるステップがさらに、
ａ．以下のｉまたはｉｉの場合、すなわち、
ｉ．前記第３アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さく、前記第１アドミタンスが前記第２アドミタンスより小さいかまたはそれに等しい場合、または
ｉｉ．前記第３アドミタンスが前記第２アドミタンスより小さく、前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さい場合、前記第１周波数を低減するステップと、
ｂ．前記第３アドミタンスが前記第２アドミタンスにほぼ等しく、前記第３及び第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さい場合、前記第１周波数をほぼ一定に維持するステップ、および
ｃ．以下のｉまたはｉｉの場合、すなわち、
ｉ．前記第１アドミタンスが前記第３アドミタンスより小さく、前記第３アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さいかまたはそれに等しい場合、または
ｉｉ．前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さく、前記第１アドミタンスが前記第３アドミタンスより小さい場合、前記第１周波数を増大するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記低減及び増大ステップが各々さらに、前記第１周波数をそれぞれ低減または増大するディザ増分を求めるステップを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ディザ増分が、前記ハンドピースの直列共振周波数の初期値と並列共振周波数の初期値の差のほぼ０．００１〜０．１倍である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ディザ増分が、前記ハンドピースの前記直列共振の初期値と前記並列共振の初期値の差のほぼ０．０１倍である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記ディザ増分を調整するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
外科処置時に、特有の無負荷直列共振周波数を有する超音波水晶体吸引ハンドピースを制御する方法であって、
ａ．前記ハンドピースの前記無負荷直列共振周波数にほぼ等しい第１周波数の第１駆動信号を発生するステップと、
ｂ．前記第１駆動信号で前記ハンドピースを励振するステップと、
ｃ．前記第１周波数での第１アドミタンスを測定するステップと、
ｄ．前記第１周波数からディザ増分だけ異なった第２周波数を決定するステップと、
ｅ．前記第２周波数の第２駆動信号を発生するステップと、
ｆ．前記第２駆動信号で前記ハンドピースを励振するステップと、
ｇ．前記第２周波数での第２アドミタンスを測定するステップと、
ｈ．前記第１アドミタンスと前記第２アドミタンス、及び前記第１周波数と前記第２周波数の比較に基づいて第３周波数での将来の直列共振周波数を予測するステップと、
ｉ．前記第１周波数を前記第２周波数に等しくかつ前記第１アドミタンスを前記第２アドミタンスに等しく設定するステップと、
ｊ．前記第２周波数を前記第３周波数に等しく設定するステップ、および
ｋ．前記外科処置が終了するまでステップｅ〜ｊを反復するステップとを含む方法。
【請求項９】
前記決定ステップがさらに、
ｉ．以下のＡまたはＢの場合、すなわち、
Ａ．前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さく、前記第１周波数が前記第２周波数より小さい場合、または、
Ｂ．前記第２周波数が前記第１周波数より大きいかまたはそれに等しく、前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより大きいかまたはそれに等しい場合、前記第３周波数を前記第２周波数より大きい値に設定するステップか、または、
ｉｉ．以下のＡまたはＢの場合、すなわち、
Ａ．前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより小さく、前記第１周波数が前記第２周波数より大きいかまたはそれに等しい場合、または、
Ｂ．前記第２アドミタンスが前記第１アドミタンスより大きいかまたはそれに等しく、前記第２周波数が前記第１周波数より小さい場合、前記第３周波数を前記第２周波数より小さい値に設定するステップかを含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、超音波装置、特に眼科の水晶体超音波吸引（phacoemulsification)ハンドピース用ディザ制御システムと方法に関する。
【０００２】
発明の背景
眼科処置に適した典型的な超音波外科装置は、超音波駆動方式ハンドピース、付属の中空切断チップ（hollow cutting tip) 、灌注スリーブ（irrigating sleeve)、及び電子制御コンソールからなる。ハンドピース組立体は電気ケーブルと可撓管によって制御コンソールに取り付けられる。電気ケーブルを通じて、コンソールはハンドピースによって付属切断チップに伝送される電力レベルを変化させ、可撓管はハンドピース組立体を通じて眼に灌注流体（irrigation fluid) を供給し、眼から吸引流体（aspiration fluid) を引き込む。
【０００３】
ハンドピースの動作部分は、１組の圧電性結晶に直接取り付けられた、中央に位置する中空共振バー（hollow resonating bar)、またはホーンである。結晶は水晶体超音波吸引の際ホーンと付属切断チップの両方を駆動するために必要な超音波振動を供給し、コンソールによって制御される。結晶／ホーン組立体は、比較的可撓性のない取り付けによって、ハンドピースの中空本体またはシェル内の節点に吊される。ハンドピース本体の末端は、直径の小さい部分またはノーズコーン（nosecone) となる。ノーズコーンは外側にねじが切られており、灌注スリーブを受け入れる。同様に、ホーンの内側は末端の内側にねじが切られており、切断チップの外側ねじを受ける。灌注スリーブの内側にもねじが切られており、それがノーズコーンの外側ねじにねじ込まれる。切断チップは、先端が灌注スリーブの開放端から所定の量だけ突出するよう調整される。超音波ハンドピースと切断チップは、米国特許第3,589,363 号、第4,223,676 号、第4,246,902 号、第4,493,694 号、第4,515,583 号、第4,589,415 号、第4,609,368 号、第4,869,715 号及び第4,922,902 号にさらに完全に説明されており、これらの内容全体は、引用によって本明細書の記載に援用する。
【０００４】
水晶体超音波吸引を行うために使用される場合、切断チップと灌注スリーブの端部は眼の組織の角膜、強膜または他の位置の所定の幅の小さな切開部に挿入され、眼の前眼房へのアクセスを得る。切断チップは、結晶駆動方式超音波ホーンによって灌注スリーブ内の縦軸に沿って超音波振動し、選択された組織に接触し、その場で乳化する。切断チップの中空の内側（bore）はホーンの内側に通じ、次にそれがハンドピースからコンソールへの吸引ラインに通じる。コンソール内の減圧または真空発生源が、切断チップの開放端、切断チップの内側、ホーンの内側及び吸引ラインを通じて、眼の乳化組織（emulsified tissue)を収集装置に引き込みまたは吸引する。乳化組織の吸引は、灌注スリーブの内面と切断チップの外面の間の小さな環状ギャップを通じて手術部位に注入された食塩水洗浄溶液によって促進される。
【０００５】
超音波ハンドピースで使用される、圧電性かつ高耐久限度の不活性材料を含むホーン組立体は、正しい動作のためには注意深く同調しなければならない。ここで使用される場合、「同調」とは、負荷のある、または無負荷の条件で動作するハンドピースの共振周波数を見出して追跡する処理を指す。ハンドピースを共振周波数で動作させることは、共振時に最も効率的になる結晶のエネルギー蓄積能力を利用することになる。正しく同調されている場合、ハンドピースは無負荷動作中に機械的エネルギーを蓄積し、負荷時にこのエネルギーを切断される物質に放出する。その結果、短い期間に、ハンドピース自体によって、ハンドピースの電源によらない大量のエネルギーを物質に放出することができる。このため、変換器の定常状態の必要電力だけを提供し、その何倍も大きいことのある負荷時の過渡電力は提供しない電源を設計することができる。
【０００６】
従来の同調及び制御システムは、ハンドピースが手術時に遭遇する負荷の対象となる前に、多くの場合食塩水中の制御された負荷状態で、直列及び並列共振周波数を求める。ハンドピースは、一度に１つの周波数の、ある範囲にわたる周波数で励振される。アドミタンス（駆動電流に対する駆動電圧の比）として測定される、各周波数に対するハンドピースの応答が記録される。この比較的軽負荷の手術前条件での典型的なハンドピースの典型的アドミタンス対周波数の関係が図１に示される。記録された最大アドミタンス（Ｙs ）は直列共振（ｆs ）に対応し、最小アドミタンス（Ｙp ）は並列共振（ｆp ）に対応する。ハンドピースを直列共振の電力信号で駆動することは、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの最も効率的な変換ということになるが、これは電気的直列共振が機械的共振と同じ周波数で発生するからである。
【０００７】
しかし、手術時のように、ハンドピースに機械的負荷がかかっている場合、アドミタンス対周波数曲線の形状と位置は変化し、ひいては特性直列及び並列共振周波数（characteristic series and parallel resonant frequency)も変化する。図２の曲線「Ａ」は、軽負荷ハンドピースについて図１に示されるアドミタンス対周波数特性の曲線を示す。曲線「Ｂ」は、例えば同じハンドピースに機械的負荷がかかっている場合のアドミタンス対周波数の曲線を示す。見られるように、曲線「Ｂ」は右にシフトしており（ｆs,B ＞ｆs,A ）、曲線「Ｂ」の最大アドミタンスは曲線「Ａ」の最大アドミタンスより低く、曲線「Ｂ」の最小アドミタンスは曲線「Ａ」の最小アドミタンスより高い。ある機械的負荷条件は曲線「Ａ」を低い周波数の方向に（左に）シフトすることもある。
【０００８】
曲線「Ｃ」は、ハンドピース内の結晶の温度が室温よりいくらか高くなっている場合の同じハンドピースのアドミタンス対周波数の曲線を示す。曲線「Ｃ」は、曲線「Ａ」に対して一般に上左方向（すなわち、アドミタンスが高く周波数の値が低い）にシフトしている。例えば電力信号を当初決定された直列共振で供給すると、電力信号の効率は劇的に低下する。すなわち、電力信号の周波数を調整せずにハンドピースに負荷をかけると、電力信号の効率と予測可能性は低下する。
【０００９】
手術時に実時間でハンドピースを同調するアプローチの１つは、比較的負荷のない手術前条件で直列及び並列共振周波数の平均である周波数の電力信号を利用し、一定のアドミタンスが維持されるように電力信号の周波数を調整するものである。この種のシステムは、引用によって本明細書の記載に援用する、米国特許第5,431,664 号（「 '６６４号特許」）でさらに十分に説明されている。簡単に言えば、この種のシステムは、等式Ｙ0 ＝（Ｙs ＋Ｙp ）／２による最大及び最小アドミタンスの平均として決定される一定のアドミタンス値（Ｙ0 ）に基づいてハンドピースを同調する。（市販の定アドミタンス制御システムの中には、例えばＹ0 ＝０．３Ｙs ＋０．７Ｙp といった平均以外の点にＹ0 を固定するものがある。）ハンドピースが様々な種類の条件下で負荷をかけられると、アドミタンス対周波数曲線は周波数軸に沿ってシフトする。このシフトは、例えば図２の曲線「Ａ」と曲線「Ｂ」によって示され、曲線「Ｂ」は大きな無効負荷に対するハンドピースの可能な応答を示す。 '６６４号特許で説明される制御システムは駆動信号の周波数を調整し、アドミタンスをＹ0 に維持する。
【００１０】
この種の同調及び制御システムは比較的広い範囲にわたる負荷条件で有効であるが、ハンドピースは直列共振で使用されることがないのである程度効率の損失がある。さらに、図２の曲線「Ｃ」によって示されるような、アドミタンス軸に沿ったアドミタンス対周波数曲線のシフトのために、この種の定アドミタンス制御システムの効果がなくなることがある。機械的に負荷をかけられ加熱されたハンドピースの応答を記述する曲線「Ｃ」のどの部分にも同調アドミタンス（Ｙ0 ）は見られない。駆動周波数を調整して直列共振に一致させる制御システムは典型的には、非常に狭い同調範囲の位相同期ループ回路を使用する。
【００１１】
超音波ハンドピースを同調及び制御するもう１つのアプローチは、実時間機械的負荷に対するハンドピースの応答を求めるための広帯域でほぼ一定振幅の較正信号の使用に依存する。この種のシステムは、その全体を引用によって本文書の記載に援用する、１９９６年１２月１８日出願の、米国特許出願第08／769,257 号（「 '２５７号出願」）で説明されている。簡単に言えば、広帯域較正信号が超音波ハンドピースに供給され、ハンドピースの応答が高速フーリエ変換デジタル信号分析器によって求められる。駆動信号と、おそらくは較正信号の様相はハンドピースの応答に基づいて変化する。この広帯域アプローチは、特定のハンドピースについてアドミタンス対周波数応答曲線の形状について詳細な情報を生じる。しかし、ハンドピースの同調と制御を実現するためには、この詳細な情報は必要ないことがある。
【００１２】
従って、ハンドピースが幅広く変化する負荷条件にさらされている時超音波ハンドピースを直列共振に同調することのできる方法と制御システムに対する必要性が依然として存在している。
発明の概要
本発明は、外科処置の前にハンドピースを自動的に同調し、手術時にハンドピースをディザ駆動信号で励振することで、超音波装置を同調及び制御する従来技術の方法に対する改善を行う。手術時に負荷をかけられる前に、ハンドピースは直列及び並列共振の全ての期待値を包含する十分な広さの周波数同調範囲にわたる一連の単一周波数信号で励振される。各連続単一周波数信号間の増分差は、ハンドピース応答の十分な解像度を生じるのに十分な小ささである。この増分差は、ハンドピースの直列共振と並列共振の間の期待される差（またはハンドピースの帯域幅）よりはるかに小さい。例えば、数百ヘルツの帯域幅の典型的なハンドピースの場合約１０Ｈｚの差で十分である。
【００１３】
ハンドピースの応答は、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）によって、各同調周波数に対応するアドミタンスとして測定される。ＤＳＰは全ての同調周波数で一連のアドミタンス値を記録し、同調周波数範囲全体にわたってハンドピースのアドミタンス対周波数の関係を求める。直列共振は最大アドミタンスが発生する周波数に対応し、並列共振は最小アドミタンスが発生する周波数に対応する。また代りに、各ハンドピースの周波数応答が、 '２５７号出願の例で説明されたように高速フーリエ変換分析を使用して求められることもある。
【００１４】
【外１】
0003805980.tif 000002
【００１５】
ｆn+1 ＝ｆn ＋δ［sign（ｆn −ｆn-1 ）sign（Ｙn −Ｙn-1 ）］
ここでｎ＝２である。またｘ≧０ならばsign（ｘ）＝１、そうでなければsign（ｘ）＝−１である。
本発明のこの実施形態が直列共振を追跡する精度は主として周波数がδだけ変更される頻度に大部分依存する。周波数が変更される頻度が高いほど、δは小さくなり、ｆn は直列共振の実際の値にさらに近く対応するようになる。各時間増分に一定の量（δ）だけ周波数を変化させる代わりに、比例積分微分制御アルゴリズムを使用して、ｆn+1 だけでなく、対応する駆動電圧Ｖn+1 とディザ増分をも決定することがある。フェイルセイフ機構として、システムは｜ｆn+1 −ｆ0 ｜を検査し、この差があらかじめ決められたしきい値より大きいかを判定することができる。このしきい値の値はハンドピースにかかる負荷条件の種類に応じて変化するが、しきい値の典型的な値は、無負荷条件で測定されるハンドピースの帯域幅の約１〜１０倍である。｜ｆn+1 −ｆ0 ｜がこのしきい値より大きい場合、制御システムは制御論理が失敗したと想定し、手術前同調手順を再起動して実際の直列共振を正確に求める。それからシステムはｆ0 ＝ｆs をリセットし、周波数制御ルーチンを再開する。
【００１６】
本発明の第２実施形態では、手術前同調手順が行われた後、ハンドピースに供給される駆動信号はディザがかけられ、第１周波数（同調手順の期間に決定される直列共振）の電力信号と、第１周波数からδまたはδの倍数だけ異なる較正周波数の少なくとも２つの較正成分との間で交替する。直列及び並列共振の間の差と比較するとδは非常に小さいので較正成分はハンドピースを駆動する際電力信号とほとんど同じくらい有効（おそらく状況によってはさらに有効）である。この実施形態で使用されるディザ増分δは、上記で論じられた本発明の第１実施形態で使用されるディザ増分に等しいことも等しくないこともある。較正周波数には、第１周波数より小さい少なくとも１つの周波数と、第１周波数より大きい少なくとも１つの周波数とが含まれる。本質的に、直列共振のすぐ前の既知の値にごく近い周波数で、手術前同調手順の縮小版が繰返し行われる。
【００１７】
各個別の周波数（第１周波数と各較正周波数）でのハンドピースのアドミタンスが測定され、応答の集合が分析されて直列共振の有望な新しい値が求められる。新しい直列共振が決定されると、適当な制御信号が生成され、第１周波数がその直列共振に対応するように変更される。較正成分の数、ディザ増分、較正成分の振幅、及び駆動信号が較正成分と電力信号を通じてスィープする順序は、制御システムの効率を最適化するよう変えられることがある。
【００１８】
従って、ハンドピースの少なくとも直列共振を推定し、ハンドピースに供給される電力信号の少なくとも周波数を連続的に調整するために、機械的に負荷をかけられた超音波ハンドピースの周波数応答の実時間分析を行う制御システム及び方法を提供することが本発明の目的である。
ハンドピースのアドミタンス対周波数応答特性を求めるために、直列及び並列共振の全ての可能な値を包含するのに十分な広さの周波数範囲に対する超音波ハンドピースの応答を急速かつ正確に測定する同調システムを提供することが本発明のさらに別の目的である。
【００１９】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、図面と、図面及び請求項の以下の説明を参照することでさらに明らかになるであろう。
図面の詳細な説明
外科処置が開始される前に、本発明によるシステムと方法が使用され、上記で説明されたように超音波ハンドピースを同調する。具体的には、電圧制御発振器（「ＶＣＯ」）はほぼ一定の振幅の一連の単一周波数信号でハンドピースを駆動し、ＤＳＰは各単一周波数信号に対するハンドピースの応答を測定する。ＶＣＯがスィープする周波数の範囲（同調周波数範囲）は、現在眼科手術で使用されている典型的な既存の超音波ハンドピースの動作スペクトルである２５ｋＨｚ〜８０ｋＨｚのスペクトルの何れかの部分として規定される。ほぼ１００Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの範囲が同調周波数範囲として適しており、約４，０００Ｈｚが好適である。同調周波数範囲のこの値は、ｆs とｆp のほとんど全ての可能性のある値を包含するのに十分な広さである。他の超音波適用業務の場合他の同調周波数範囲の方が適していることもあり、本明細書で説明されるシステムと方法の総合的な動作は、こうした適用業務で使用されるハンドピースを同調し制御するために等しく有益である。
【００２０】
外科処置時にハンドピースを制御するために使用される場合、本発明のシステム及び方法は一般に、超音波ハンドピースを駆動する信号（「駆動信号」）を発生する信号源として、増幅器と組み合わされたＶＣＯを利用する。駆動信号の周波数は、直列共振のすぐ前の既知の推定値（「電力周波数」）からディザ増分だけ変更される。本発明の実施形態の中には、駆動信号に電力周波数の上下のディザをかけるものと、前のディザ駆動信号に対するハンドピースの応答に基づいて１つの方向（電力周波数の上または下）にだけディザをかけるものがある。本発明によるシステムの少なくとも一部では、ＶＣＯはプログラム可能であり、ＶＣＯに供給されるいくつかの入力情報を変化させることで容易に調整できる。デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）が使用されて、駆動信号の各成分（電力周波数とディザ周波数での）に対するハンドピースの応答を測定し、それらの応答を比較して実際の直列共振の有望な値を求めることがある。ＤＳＰの出力が使用されて適当な制御信号の中に具現される制御パラメータを生成するが、これはＶＣＯに供給され、駆動信号の様相を変更する。
【００２１】
図３は、超音波ハンドピース７０を同調及び制御する、本発明によるシステムの好適実施形態を示すブロック図である。図３に示されるシステムは、直列共振が上昇する見込みか低下する見込みかを判定し、直列共振の変化を追従するように電力信号６５の周波数を調整する。図３に示されるシステムは、それぞれ電力信号６５ａ及び６５ｂの以前の周波数（ｆn-1 ）と現在の周波数（ｆn ）のハンドピース７０の応答（応答信号７５ａ及び７５ｂ）を調べる（アドミタンスＹn-1 及びＹn として測定される）ことでこの結果を達成する。ｆn-1 とｆn の差がディザ増分δであるが、これは一定の値であることも、ハンドピース７０の応答に応じて変化することもある。
【００２２】
図３に示される実施形態では、ＶＣＯ５０と増幅器６０の組合せは駆動信号６５を発生するが、これはそれぞれ周波数ｆn-1 及びｆn の駆動信号６５ａから６５ｂに増分的に変化する可変信号である。各駆動信号６５ａ及び６５ｂは好適にはほぼ等しい振幅であるが、駆動信号６５が定電流または定アドミタンス制御システムを使用して制御されるか否かによって等しくない振幅を有することがある。周波数ｆn-1 は直列共振ｆs のすぐ前の既知の推定値にほぼ対応する。図３に示される例では、周波数ｆn はｆn-1 よりディザ増分δだけ大きいが、適当な状況下では、ｆn はｆn-1 より小さいことがある。
【００２３】
応答信号７５ａ及び７５ｂの周波数は駆動信号６５ａ及び６５ｂの周波数に対応する。図３に示される例では、応答信号７５ａの振幅は応答信号７５ｂの振幅より小さい。駆動信号６５ａと応答信号７５ａは同期してＤＳＰ８０に供給される。ＤＳＰ８０は応答信号７５ａの電流を駆動信号６５ａの電圧で（おそらくはＤＳＰ８０の入力部を保護するために各々減衰させた後で）除算して対応する周波数ｆn-1 でのアドミタンスＹn-1 を求め、このアドミタンス値が保存される。同様に、ＤＳＰ８０は応答信号７５ｂの電流を駆動信号６５ｂの電圧で除算することでｆn でのアドミタンスＹn を求める。点（Ｙn-1 ，ｆn-1 ）と（Ｙn ，ｆn ）はアドミタンス曲線７７に沿って存在するが、これはハンドピース７０によって示されるアドミタンス対周波数関係の表示である。アドミタンス曲線７７のピークは直列共振の実際の値ｆ’s を規定する。
【００２４】
例えば、図３に示される実際の直列共振ｆ’s はｆn-1 またはｆn の何れかより大きい。この条件下では、ＤＳＰ８０にプログラムされる制御論理は、ｆn+1 はディザ増分だけ増大するべきであると判定し、この増大を実現するためＶＣＯ５０に適当な制御信号８５を送信する。しかし、図４に示されるアドミタンス曲線７７は、遭遇しうる可能なシナリオの１つに過ぎない。アドミタンス対周波数曲線の何らかのシフトに対して適当に応答する、ＤＳＰ８０によって実現される論理は、以下の等式によって規定される。
ｆn+1 ＝ｆn ＋δ［sign（ｆn −ｆn-1 ）sign（Ｙn −Ｙn-1 ）］
ここでｎ≧２である。またｘ≧０ならばsign（ｘ）＝１、そうでなければsign（ｘ）＝−１である。
【００２５】
もちろん、本発明のこの実施形態による制御システムは、アドミタンス曲線７７に沿った最後の２つより多い点に基づいてｆn+1 を計算することもある。理論的には、ｆn+1 を決定するために使用されるデータが多いほど、ｆn+1 はｆ’s に近く追従する。当業者が認識するように、外部負荷の性質とデータが得られる速度によっては、最後の２つより多いデータ点を分析するのが有益なことがある。図３に示される制御システムが直列共振を追跡する精度は、主として制御システムが電力周波数をポーリング（poll）し更新する頻度によって決定される。ディザ増分は、直列共振の変化率と、制御システムのデューティサイクルＰctrl（デューティサイクルは、制御システムが電力周波数をポーリングし更新する頻度の逆数である）の関数である。ディザ増分を規定する等式は、δ≧（ｄｆs ／ｄｔ）Ｐctrlである。例えば、直列共振が１００ｍｓに６００Ｈｚだけ変化し、制御システムのデューティサイクルが１ｍｓである場合、ディザ増分は少なくとも６Ｈｚである。実際の直列共振を追跡する際に結果として生じる誤差ｆe は、ディザ増分とほぼｆe ＝２δの関係にある。ｆe の大きさを小さくするためには、δはハンドピースの帯域幅と比較して小さく、好適には約０．１（ｆp −ｆs ）≧δ≧０．００１（ｆp −ｆs ）、さらに好適には約０．０１（ｆp −ｆs ）であるべきである。すなわち、デューティサイクルＰctrlはできるだけ短くすべきである。Ｐctrlが１ｍｓである直前に論じた例では、６Ｈｚのディザ増分は、典型的なハンドピース帯域幅３００Ｈｚの約１／５０（典型的な帯域幅の０．０２倍）であり、結果として電力周波数を直列共振に近い帯域幅の約±４％の範囲内に保持するのに十分なハンドピースの制御が得られる。しかし、Ｐctrlが１０ｍｓである場合、δは６０Ｈｚに等しく、電力周波数は直列共振に近い帯域幅の約±４０％の範囲内となる。すなわち、Ｐctrlが短いほど、制御システムによる直列共振の追跡は正確になる。デューティサイクルの短い方が、狭い帯域幅でハンドピースを使用できるようにもなるが、これは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する際典型的にはさらに効率的である。
【００２６】
図３に示される制御システムは、ハンドピース３０のアドミタンスに依存して駆動信号６５の電圧を変化させることもある。アドミタンスの対応する減少は、一般にハンドピースの効率の低下（力率の低下）とハンドピース３０のストローク（stroke）の減少を示す。このストロークの減少は、例えばハンドピース３０の機械的負荷や、駆動信号６５の周波数補償が低速であること（その結果、駆動信号と直列共振の周波数の差が大きくなる）によって発生することがある。ハンドピース３０の切断能力（これはハンドピースのストロークに直接関係する）を維持するために、駆動信号６５の電圧を増大することでハンドピース３０に供給される電力が増大される。すなわち、アドミタンスが減少すると、駆動信号６５の電圧は増大する。
【００２７】
駆動信号６５の電圧を制御する１つの可能な方法は、駆動信号６５の電流Ｉを一定に維持する論理をＤＳＰ８０内に実現することである。このシステムではＩ＝（Ｙ）（Ｖ）であり、ここで、Ｙはハンドピース７０の測定されたアドミタンス（信号７５の電流を駆動信号６５の電圧で除算することによってＤＳＰ８０により決定される）であり、Ｖは駆動信号６５の電圧である。Ｙが減少する負荷条件下では、Ｖを調整しなければＩも減少する。駆動信号６５の電流Ｉを一定に維持するためには、駆動信号６５の電圧が増大される。従来のＰＩＤ制御論理をＤＳＰ８０内で応用し、Ｉを一定にする全ての計算とＶの調整を行うことができる。このＰＩＤ制御論理は、駆動信号６５の電圧の後で信号７５の電流を変化させうるハンドピース７０の応答の遅延を補償する。
【００２８】
図３に示される制御システムはまた、アドミタンスのすぐ前の変化｜Ｙn −Ｙn-1 ｜に基づいてディザ増分を変化させることもある。一般に、アドミタンスの変化が大きいほど、ディザ増分は大きい（すなわちδ∝｜Ｙn −Ｙn-1 ｜）。δの小さい初期値は一般に直列共振がシフトする方向を示す。この初期方向が決定されると、δはその後の周波数シフトの補償を高速にするため増大される。しかし、直列共振のシフトが、直列共振のいくつかの任意シフトが発生するような性質のものである場合、δは一定の比較的小さい値である方が有益である。δが可変である場合、変量δと駆動信号６５の電圧の変化は、例えば周知のＰＩＤ制御論理を使用して実現される。あるハンドピースの種類または外科技術に対するシステム応答を「カスタマイズ」することが可能である。例えば、直列共振が約２００〜３００Ｈｚ下向きにシフトするような負荷が時折だけハンドピースにかけられる場合、制御システムは、初期シフトの後上記で説明されたような負荷のかけられたハンドピースの閉ループ制御によって、何らかの負荷が感知された場合約２００〜３００Ｈｚの直列共振のシフトを必要とすることを想定することがある。
【００２９】
状況によっては、図３に示される制御システムは直列共振を十分に近く追跡できないことがある。訂正ルーチンは、こうした失敗のためにハンドピース３０の有効性が容認できないほど損なわれるのを防止する。｜ｆn+1 −ｆ0 ｜があらかじめ決められたしきい値より大きいことが見出された場合、制御システムは制御論理が失敗したと想定する。こうした失敗を見付けると、制御システムは実際の直列共振を正確に求めるため手術前同調手順を再起動する。次にシステムはｆ0 をｆs にリセットし、周波数制御ルーチンを再開する。
【００３０】
図４は、超音波ハンドピースを同調及び制御する、本発明によるシステムの第２実施形態を示すブロック図である。図４に示されるシステムの動作と方法の性能は、電力周波数ｆ2 （直列共振ｆs のすぐ前の既知の値に近い）に比較的近くそれを含む１組の離散的周波数（例えばｆ3 及びｆ1 ）でのハンドピース３０の応答特性を求めることに帰結する。図４に示される実施形態では、ＶＣＯ１０と増幅器２０の組合せは駆動信号２５を発生するが、これはそれぞれ周波数ｆ1 ，ｆ2 及びｆ3 で連続して駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃを通じてスィープする可変信号である。各駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃは好適にはほぼ等しい振幅である。周波数ｆ2 は直列共振ｆs の１つ前の既知の値にほぼ対応し、周波数ｆ1 はｆ2 より小さく、ｆ3 はｆ2 より大きい周波数である。好適にはｆ1 及びｆ3 はｆ2 とディザ増分（δ）だけ異なっており、好適なディザ増分は、約０．１（ｆp −ｆs ）≧δ≧０．００１（ｆp −ｆs ）、さらに好適には約０．０１（ｆp −ｆs ）として規定される。
【００３１】
駆動信号２５が駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃを通じてスィープするので、ハンドピース３０の応答信号３５も、応答信号３５ａ、３５ｂ及び３５ｃによって示されるように変化する。図４に示される例では、応答信号３５ａの振幅は応答信号３５ｂの振幅より小さく、応答信号３５ｂの振幅は応答信号３５ｃの振幅より小さい。駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃと応答信号３５ａ、３５ｂ及び３５ｃはＤＳＰ４０に同時に供給される（おそらくはＤＳＰ４０の入力部を保護するために各々減衰させた後で）。ＤＳＰ４０は、それぞれ応答信号３５ａ、３５ｂ及び３５ｃの電流をそれぞれ駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃの電圧で除算し、対応する周波数ｆ1 ，ｆ2 及びｆ3 でのアドミタンス値Ｙ1 ，Ｙ2 及びＹ3 を求める。点（Ｙ1 ，ｆ1 ）、（Ｙ2 ，ｆ2 ）及び（Ｙ3 ，ｆ3 ）はアドミタンス曲線３７に沿って存在するが、これはハンドピース３０によって示されるアドミタンス対周波数関係の表示である。アドミタンス曲線３７のピークは直列共振の実際の値ｆ’s を定義する。
【００３２】
例えば、図４に示される実際の直列共振ｆ’s は、較正周波数（ｆ1 及びｆ3 ）及び電力周波数（ｆ2 ）のいずれより大きい。こうした条件下では、ＤＳＰ４０にプログラムされた制御論理は、新しい駆動周波数をｆ2 ＋δ（すなわちｆ3 ）または、例えばｆ2 プラス、アドミタンス曲線の元の形状に基づく異なった増分として決定する。次にＤＳＰ４０は適当な制御信号４５を発生してＶＣＯ１０に送信し、駆動信号６５の周波数を変更する。較正周波数ｆ1 及びｆ3 も、引き続きｆ2 との差がディザ増分δとなるように増大される。しかし、図４に示されるようなアドミタンス曲線３７は、遭遇しうる可能なシナリオの１つに過ぎない。
【００３３】
図５ａ〜図５ｉは、図４で示される制御システムが遭遇しうる全ての可能なアドミタンス対周波数曲線の定性的表示である。図５ａ〜図５ｄは、ｆ’s に近付けるためにｆ2 を増大しなければならない場合を示す。図５ａに示される状況ではｆ2 に対して必要とされる調整は最大であり、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄでは、ｆ2 に対して必要とされる調整は徐々に小さくなる。図５ｅは、ｆ2 の調整を必要としない場合を示す。図５ｆ〜図５ｉは、ｆ’s に近付けるためにｆ2 を低減しなければならない場合を示し、図５ｆ、図５ｇ、図５ｈ及び図５ｉでは、ｆ2 に対して必要とされる調整は徐々に大きくなる。もちろん、本発明によるシステムは、制御論理の変更を伴って２つより多い較正成分を利用することもある。下の表は、ｆ’s にほぼ対応するようにｆ2 を調整するＤＳＰ４０（駆動信号２５ｂと共に、２つの較正成分、駆動信号２５ａ及び２５ｃを使用する）によって適用される論理を要約したものである。
【００３４】
【表１】
0003805980.tif 000003
【００３５】
ｆ2 が調整される量は、アドミタンス曲線３７上の隣接する点によって規定される各直線の勾配を比較することによって求められる。例えば、曲線３７の（すなわち関数Ｙ（ｆ）の）１次及び２次導関数の近似値は、一定のディザ増分δを使用する制御システムにおいて、３つの点（Ｙ1 ，ｆ1 ）、（Ｙ2 ，ｆ2 ）及び（Ｙ3 ，ｆ3 ）を使用して次のように求められる。
【００３６】
dY／df≒（Y2−Y3）／２δおよびd2 Y／d2 f≒（Y2＋Y3−２Y1）／δ2
ここで、δ＝ｆ2 −ｆ1 ＝ｆ1 −ｆ3 である。
δが変化するシステムにおけるＹ（ｆ）の１次及び２次導関数は次の等式によって近似される。
dY／df≒（Y3−Y2）／（f3−f2）および
d2 Y／df2 ≒[(Y3−Y2）／（f3−f2）−（Y2−Y1）／（f2−f1)]／（f2−f1）
上記で説明されたシステムはＹ（ｆ）の１次及び２次導関数の近似値を求めるために必要な最小数のデータ点３を利用する。較正周波数の数を増大することは、もちろんＹ（ｆ）の１次及び２次導関数を正確に判定するために利用可能なデータ点の数を増大することになるので、実際の直列共振のより良好な推定が可能になる。しかし、個々のデータ点は曲線３７がすでにシフトした後の曲線３７上の点の位置を反映するので、３つより多いデータ点を収集及び分析する処理に固有の時間遅延のため、分析の精度は低下する。曲線３７の形状を最も良好に決定するデータ点の最適数は、電力信号２５ｂと較正信号２５ａ及び２５ｃの間の時間遅延、及びアドミタンス曲線３７に沿ってデータ点を分析するＤＳＰ４０によって発生する時間遅延に依存する。どちらの時間遅延が長くても、データ点の最適数は少なくなる（３が最小である）。図３で示される制御システムのＤＳＰ８０に関連して上記で同様に論じられたように、図４に示される制御システムのＤＳＰ４０は、アドミタンス曲線３７の形状と振幅によって、ディザ増分または駆動信号電圧またはその両方を変更する論理を実現する。
【００３７】
ＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０は、その例が市販されている多目的プログラム可能プロセッサである。例えば、９４０８９、カリフォルニア州サニーヴェール、リームウッド・アヴェニュー１２９０−Ｄのスタンフォード・リサーチ・システムズは、１つの入力チャネルを有する２つの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ＤＳＰ、モデルＳＲ７６０及びＳＲ７７０を現在販売している。スタンフォード・リサーチは、ＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０として使用するのに適した２チャネルＦＦＴ信号分析器、モデルＳＲ７８０を販売している。これらのスタンフォード・リサーチのＤＳＰは全て、少なくとも１００ｋＨｚの実時間帯域幅と９０ｄＢのダイナミックレンジを有し、中心周波数、帯域幅、分析ルーチン及び出力は完全プログラム可能である。３つのＤＳＰは全て、供給されるインタフェース（一体型ディスプレイに表示される一連のメニュー方式オプション）を使用するか、標準ＲＳ−２３２ＣまたはＧＰＩＢインタフェースを通じて指令を出力できる別個のコンピュータを使用することでプログラムできる。ＳＲ７８０の二重入力能力によって、２つの入力信号の数学的比較を行うようプログラムすることが可能である。
【００３８】
ＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０は、ｆ’s の値を推定した後、比例積分微分（「ＰＩＤ」）論理を適用して制御信号４５の中に具現される制御パラメータを生成するようプログラムされることもある。ＰＩＤ論理を使用することは、駆動周波数の過補償を防止し、図３及び図４に示される制御システムによって駆動周波数の不安定な発振が発生する可能性を下げる最上の方法である。さらに、超音波ハンドピースが遭遇しやすい負荷条件の種類によって制御システムに課される要求によっては、ＰＩＤ論理以外の周知の制御論理を使用し、ｆ’s の変化について駆動周波数を調整することもある。例えば、システムは比例または比例積分制御の使用だけを必要とすることがある。ＰＩＤ及び他の制御論理の性質は周知であるので、本明細書ではこれ以上説明しない。
【００３９】
ソフトウェアによって実現されるＰＩＤ論理を使用（ＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０の中で）する結果、図３及び図４に示される制御システムの容認できない遅延を生じることがあるので、ＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０の出力で専用デジタルＰＩＤ制御装置が制御システムに挿入されることがある。このデジタルＰＩＤ制御装置はＤＳＰ４０またはＤＳＰ８０の出力でＰＩＤ論理を実行し、それぞれ制御信号４５または８５を発生する。このＰＩＤ制御装置は、多くの周知の構成の何れか１つに配置された多数の市販の集積回路または個別部品の何れか１つである。制御信号４５または８５はＤＳＰによって直接か、または、適切なデジタルＰＩＤ制御装置を通じて生成されるが、いずれにせよＶＣＯ１０またはＶＣＯ５０は好適には制御信号４５または８５を使用し、ｆ1 を調整して負荷時の新しく見出されたｆ’s にほぼ対応するようにする。このサイクル全体は絶えず繰り返され、ｆ1 をほぼハンドピースの実際の直列共振に維持する。
【００４０】
スタンフォード・リサーチのＳＲ７８０はまた、駆動信号成分２５ａ、２５ｂ及び２５ｃまたは６５ａ及び６５ｂを発生するのに十分な柔軟さのプログラム可能信号源を含んでいる。すなわち、ＳＲ７８０は、駆動信号２５または６５を提供し、応答信号３５ａ、３５ｂ、３５ｃ７５ａ、または７５ｂを測定し、アドミタンス曲線３７または７７とｆ’s の値を求め、制御信号４５または８５を発生して、使用中のハンドピースが遭遇する機械的及び／または熱的負荷を補償するように駆動信号２５または６５（かつひいては駆動信号２５ａ、２５ｂ及び２５ｃまたは駆動信号６５ａ及び６５ｂ）を変更するようプログラムすることができる。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態が上記で説明されたが、こうした説明は図示と説明の目的で与えられている。上記で開示されたシステムと方法からの変形、変更、修正及び逸脱が本発明の範囲または精神から離れることなく採用されることがあるのであって、本発明は、要約すると、周波数とアドミタンスの過去の値によって確立される傾向に基づいて１つの方向かまたは２つの方向の何れかにディザをかけられた駆動信号を発生する信号源を利用し、使用中のハンドピースの動作特性の変化を補償する手段として直列共振のすぐ前の既知の値にごく近い周波数でのハンドピースの応答を求めるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、定アドミタンス制御システムについて特定された典型的な制御アドミタンスを伴う、直列及び並列共振付近の典型的な超音波ハンドピースのアドミタンス対周波数のグラフである。
【図２】  図２は、ハンドピースに機械的及び熱的負荷がかけられた場合の典型的な超音波ハンドピースの応答がどのようにシフトするかを示すアドミタンス対周波数のグラフである。
【図３】  図３は、各構成要素によって生成される電気信号のグラフ表示を伴った、本発明によって外科処置時に超音波ハンドピースを同調及び制御するシステム及び方法の好適実施形態のブロック図である。
【図４】  図４は、各構成要素によって生成される電気信号のグラフ表示を伴った、本発明によって外科処置時に超音波ハンドピースを同調及び制御するシステム及び方法の代替実施形態のブロック図である。
【図５】  図５ａ〜図５ｉは、機械的に負荷をかけられたハンドピースの直列共振を推定するために図４に示される制御システムによって使用される１つの種類の論理を示すよう、２つの較正周波数と電力周波数に対応するアドミタンス応答がマークされる、直列共振付近のアドミタンス対周波数応答曲線の部分の一連のグラフである。
【図１】
0003805980.tif 000004
【図２】
0003805980.tif 000005
【図３】
0003805980.tif 000006
【図４】
0003805980.tif 000007
【図５ａ】
0003805980.tif 000008
【図５ｂ】
0003805980.tif 000009
【図５ｃ】
0003805980.tif 000010
【図５ｄ】
0003805980.tif 000011
【図５ｅ】
0003805980.tif 000012
【図５ｆ】
0003805980.tif 000013
【図５ｇ】
0003805980.tif 000014
【図５ｈ】
0003805980.tif 000015
【図５ｉ】
0003805980.tif 000016