JP2009261667A - 超音波ホーン及び超音波ハンドピース - Google Patents

Abstract

【課題】切削が進んでも切削効率が低下することを抑えることができる超音波ホーン等を提供する。
【解決手段】生体組織の切削に用いられる超音波ホーン２は、本体部２ｂと、本体部２ｂの先端に形成された先端部２ａとを有する。先端部２ａは、超音波ホーン２の少なくとも生体組織の切削時に生体組織内に挿入される部分において最も大きい外径を有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、超音波ホーン及び超音波ハンドピースに関し、特に骨組織の切削に適した超音波ホーン及び超音波ハンドピースに関する。

従来から、整形外科で行われる脊椎や頸椎の手術において、椎体に複数の椎弓根スクリューを固定し、それらの椎弓根スクリューをプレートに連結して椎体間の固定を行う術式が広く用いられている。椎体に椎弓根スクリューを固定する際には、術者は通常、椎体から椎弓を切除した後に、椎弓根スクリューをねじ込むためのガイド穴を椎弓根（ペディクル）の海綿骨にドリルを用いて形成する。ガイド穴は、通常は直径３〜４ｍｍ、長さ１３ｍｍ程度の大きさである。

海綿骨は、椎弓を切除した部分では比較的広い面積にわたって露出しており、そこから皮質骨の間に挟まれた狭い領域を通って椎体内につながっている。その狭い領域の皮質骨のすぐそばには神経根があるため、皮質骨をドリルで突き破ってしまうと、神経損傷や血管損傷を引き起こすおそれがある。また、椎弓根スクリューが適切な向きで固定されていないと、椎弓根スクリューをプレートに連結したときに椎弓根スクリューに加えられる力によって、近接する神経根を圧迫してしまう可能性がある。そのため、ガイド穴は、椎弓根スクリューを皮質骨の間の領域を通して椎体へ向かって真っ直ぐにねじ込むことができるように形成する必要がある。

通常、ドリルでガイド穴を形成する際には、レントゲン画像でガイド穴の形成部位を確認しながら操作を行うが、二次元画像であるレントゲン画像を頼りにガイド穴を適切に形成するには非常に熟練した技術が要求される。また、レントゲン撮影のためには手術操作を一時的に中断しなくてはならないため、手術の迅速化と患者負担の軽減化の観点からは、レントゲン撮影を行わずにガイド穴を形成できることが好ましい。

本願発明者らは、上記の事情に鑑みて鋭意検討した結果、超音波手術器を用いることにより、椎弓根の海綿骨にガイド穴を安全かつ容易に形成することができることを見出した。超音波手術器は、ドリルに比べて切削効率が高くなく、ガイド穴を開ける海綿骨は容易に切削可能だが、海綿骨に比べて硬い皮質骨は容易に切削することができない。そのため、超音波手術器による切削箇所が海綿骨から皮質骨に到達した際には、その手応えの違いがはっきりと術者に伝わる。したがって、術者は切削時の手応えを手がかりに海綿骨を掘り進むことにより、レントゲン画像による確認作業を行わなくてもガイド穴を安全かつ容易に形成することが可能である。

上記のような超音波手術器としては、特許文献１に開示されたものが公知である。
特開２００５−１５２０９８号公報

超音波手術器は、超音波振動を発生させる超音波振動機構と、その超音波振動機構から伝達される振動によって先端部で切削を行うホーンとを備えている。ホーンの先端部は、一般には直管状（ストレート形状）に形成されている。しかし、ホーンの先端部がいわゆるストレート形状であると、切削が進んで先端部が骨等の組織の中に挿入されていくにつれて、組織に接触するホーンの側面の面積が増えていく。組織に対するホーンの接触面積が増えると組織に対するホーンの摩擦が大きくなるため、組織の切削効率が低下し、さらには組織とホーンとの接触部に発熱が生じてしまう。

そこで本発明は、切削が進んでも切削効率が低下することを抑えることができる超音波ホーン及び超音波ハンドピースを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の超音波ホーンは、本体部と、該本体部の先端に形成された先端部とを有し、生体組織の切削に用いられる超音波ホーンであって、前記先端部は前記超音波ホーンの少なくとも前記生体組織の切削時に前記生体組織内に挿入される部分において最も大きい外径を有していることを特徴とする。

本発明によれば、切削が進んでも切削効率が低下することを抑えることができる超音波ホーン及び超音波ハンドピースを提供することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（超音波ハンドピース）
まず、図１から図４を参照して、本発明の一実施形態に係る超音波ハンドピースについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波ハンドピースを示す図である。

図１において、符号１は磁歪タイプ、電歪タイプ等の振動子を具え所定周波数の超音波を出力する超音波振動機構を収納する外筒部、符号２は外筒部の一端開口部に嵌挿されて超音波振動機構から伝達される振動によりその先端部で骨等の硬組織を切削するホーン、符号１ａはイリゲーション液や切削片等を吸引するためのチューブの継ぎ手、符号１ｂはイリゲーション液を注入するためのチュ−ブの継ぎ手、符号１ｃは高周波電気エネルギを超音波振動機構に送給するためのケーブルをそれぞれ示している。

超音波振動機構から伝達される振動により、ホーン２はその軸方向に所定の周波数で振動し、骨等の硬組織に当接する先端で所要箇所の切削を行う。

図２は図１に示した超音波ハンドピースの外筒部およびホーンの内部構造を示す断面図である。

円筒部１は、ホーン２と、その後端側に連結された超音波振動機構とを覆うように構成されている。超音波振動機構は、つば８、ピエゾ素子９，１０、電極１１，１２、前面板１３および裏打板１４を含んでいる。前面板１３と裏打板１４との間に挟まれる形態に配置されるピエゾ素子９，１０は、図１に示したケーブル１ｃを介して電極１１，１２に印加される高周波電源に応じて図面左右方向への振動を発生する。前面板１３はつば８と一体に形成され、また、裏打板１４の反ピエゾ素子１０側には不図示の支持部材が設けられている。各ピエゾ素子９，１０、前面板１３、裏打板１４は、つば８および上記の支持部材によって外筒部１内に支持されて、振動方向の規制が行われている。

上記の各構成部材の接合部にはねじがそれぞれ設けられており、互いに螺合することにより一体とされる。

超音波手術器は、超音波振動を利用して人体組織を破砕、乳化して吸引することにより、患部を選択的に除去するものである。円筒部１より突出するホーン２の先端部は、実際に切削箇所に当接する部分であり、その振幅量（移動量）も大きなものとなるために発熱量も極めて大きなものとなる。そのため、外筒部１の外周部には、先端チップの冷却および除去部分の吸引促進用のイリゲーション液を注入するための継ぎ手１ｂが設けられている。

上記のように構成されるホーン２、前面板１３、ピエゾ素子９，１０、裏打板１４および外筒部１には、その中心線に沿って吸入口１５が連設されており、破砕、乳化された組織は、吸入口１５および図１に示した継ぎ手１ａを介して、外部に設けられた吸引ポンプにより吸引される。また、上記の各構成部材は、吸入口１５を軸として略回転対称形に形成されている。

また、ホーン２には振動変換機構１７が設けられている。振動変換機構１７は本出願人により出願され、公開された特許文献１（特開２００５−１５２０９８号公報）に開示されているものと同じ内容のものである。

図３は振動変換機構１７の詳細を示す図である。振動変換機構１７は、図３に示すようにホーン２の周面を巻回するように形成された複数の溝部１７ａにより構成されている。

これら複数の溝部１７ａは、それぞれ所定間隔をもって並列に刻設されていて、周面においてホーン２の中心軸Ｘ−Ｘに対して所定の偏向角αを有し、この角度αは０度＜α＜９０度の範囲に設定されている。

また、溝部１７ａの形状は長方形をなしていて、その幅は０．５〜５ｍｍに、長さは３〜３０ｍｍに、そして深さは０．５ｍｍ以上の範囲に設定されている。

なお、振動変換機構１７としての溝部の設定位置は、ホーン２の周面に限られることはなく、ホーン２の先端と超音波振動機構の電歪素子との間においてホーン２、超音波振動機構、またはホーン２と超音波振動機構との間に介装される部材のいずれかの外側面に形成することができる。

図４は、ホーン２の先端における動作を示す図で、振動変換機構１７における縦振動の変換により生成された縦振動および捩れ振動の合成により、ホーン２の先端は中心軸回りに矢符Ａ方向の高速往復回動（捩れ振動）をなす一方、中心軸に沿って矢符Ｂ方向の高速往復動（縦振動）をなすことになる。

溝部による振動変換の作用は、現在時点では次のように推測され得る。図３に示すように溝部１７ａは縦振動により変形を繰り返し、この変形に際して縦方向の成分の一部が捩れ方向に変換されるものと考えられる。

上記の構成とすることにより、ホーン２の先端では高速往復回動と高速往復動が合成される。これにより組織の剪断効率が著しく向上するばかりか、切削作用における尖鋭度、いわゆる切れ味も格段に良好となるため、切削部位の組織には圧壊等が生ぜず、綺麗な状態での切削を実現できる。

使用に際しては、ホーン２の先端チップを切削部位に押し当てて、切削部位の組織を破砕、乳化する。このとき、継ぎ手１ｂを介して注入されたイリゲーション液は、円筒部１とホーン２の間を通る際にホーン２を冷却し、円筒部１から排出された後には組織の切削片とともに吸入口１５に吸引されて外部へ吸い出される。

（超音波ホーン）
次に、本発明の超音波ホーンの実施形態について説明する。

図５は本発明の一実施形態に係る超音波ホーンを示す部分断面図である。図５に示すホーン２は、本体部２ｂと、本体部２ｂの先端に形成された先端部２ａとを有している。ホーン２は、少なくとも切削時に骨等の組織内に挿入される部分では、先端部２ａの外径が他の部分の外径に比べて最も大きくなっている。ホーン２の内部には、図２を参照して説明した構成と同様に、ホーン２の先端から後端にかけて貫通した貫通穴である吸入口１５が形成されている。

本実施形態のホーン２は、全長が１１０ｍｍ、本体部２ｂの外径が２．５ｍｍ、吸入口１５の径が２．０ｍｍである。さらに、先端部２ａの径は２．８ｍｍ、先端部２ａの長さは３．０ｍｍである。ただし、これらの寸法はホーン２の一例を示すものにすぎず、本発明のホーンがこれらの寸法によって限定されるものではない。

図６は、ホーンによって組織を切削する様子を示す図である。

図６の左側に示す本実施形態のホーン２によれば、先端部２ａが他の部分よりも太く形成されていることにより、組織を掘り進んだときでもホーン２の先端部２ａだけが周囲の組織に接触することとなる。したがって、組織を掘り進んだ深さにかかわらず周囲の組織に対するホーン２の接触面積は一定であり、組織を掘り進んだときでも周囲の組織に対するホーン２の摩擦は大きくならない。そのため、ホーン２による組織の切削効率の低下を防ぐとともに、組織とホーン２との接触部に生じる発熱を低減することができる。

一方、図６の右側に示すようなストレート形状のホーン２’の場合には、上述したように、切削が進んで先端部が組織の中に挿入されていくにつれて組織に接触するホーン２’の面積が増える。そのため、組織に対するホーン２’の摩擦が大きくなるので、ホーン２’による組織の切削効率が低下し、さらにはホーン２’と組織との接触部における発熱量が増大してしまう。

図７は、海綿骨を切削するホーンの先端部が皮質骨の間の領域内へ導かれる様子を示す図である。

本実施形態のホーン２の先端部２ａの先端縁には面取り加工が施されている。そのため、ホーン２の先端部２ａが皮質骨の間の領域から逸れた方向に切削が進み、先端部２ａが皮質骨に突き当たった場合でも、先端部２ａの先端縁は鋭利になっていないので、皮質骨を傷つけてしまうことを防止できる。さらには、上述したようにホーン２の先端部２ａが海綿骨から皮質骨に到達すると術者にその手応えが伝わるので、図７の矢印で示すように面取り部を皮質骨に沿って滑らせるようにして切削方向を修正することで、皮質骨の間の領域に向けてドリル穴を正しく形成することができる。

図８は、ホーンの先端部に形成される面取りの形状を示す図である。ホーン２の先端部２ａに形成される面取りは、図８（ａ）に示すような直線状の面取りであってもよく、図８（ｂ）に示すような曲線状の面取りであってもよい。図８（ａ）に示す直線状の面取りを採用する場合は、ホーンの先端面に対する面取り形成面の角度βは０＜β＜９０°の間の任意の角度（例えば２０≦β≦８０°）とすることができる。また、図８（ｂ）に示す曲線状の面取りを採用する場合は、曲線部の曲率は任意である。

［超音波ホーンの変形例］
＜第１の変形例＞
次に、図５に示したホーンの第１の変形例を図９及び図１０を参照して説明する。

図９は、図５に示したホーンの第１の変形例を示す断面図である。図９に示すホーン２の内部に形成された吸入口１５は、一方の端部がホーン２の先端に開口している第１径部１５ａと、第１径部１５ａよりも大きい径を有し、第１径部１５ａの他方の端部に連通している第２径部１５ｂとを有している。

図１０は、ホーンによって切削された骨粉等がホーンの吸入口から吸入された様子を示す図である。図１０の左側に示すホーンは図９に示した形態のホーンであり、右側に示すホーンは図５に示した形態のホーンである。

本実施形態のホーン２によれば、先端部２ａの径を他の部分よりも大きくしたことにより、組織と接触する面積（実破砕面積）が小さくなって組織の切削効率が向上しているため、吸入口１５から吸引すべき骨片の単位時間あたりの量が従来よりも増大する。図１０の右側に示すように一定の径を有する吸入口１５が形成された構成でも、通常は骨片等を良好に吸入することができるが、この構成では時として吸入口１５の奥に骨片等の詰まりが生じることもある。吸入口１５内に骨片等の詰まりが生じると、ホーン２の超音波振動の妨げになって切削効率が低下してしまう。また、切削した骨片等が形成した穴の中に詰まって切削の妨げになるおそれもある。

これに対し、図９及び図１０の左側に示すホーン２の吸入口１５は、上記のように第１径部１５ａ及び第２径部１５ｂを有している。そのため、第１径部１５ａを通って吸入されてきた骨粉等が第２径部１５ｂに到達すると、骨粉の粒子が互いにばらけて固まりがほぐれることから、吸入口１５内に骨粉等が詰まることを防止することができる。そのため、吸入口１５内に骨粉等が詰まって切削効率が低下したり、切削した骨片等が形成した穴の中に詰まって切削の妨げになることを防ぐことができる。

また、ホーン２は超音波振動時に伸縮するため、超音波振動時には伸縮に伴って応力が発生している。そのため、ホーン２はそのような応力によって生じる金属疲労等によって破損してしまう可能性がある。特にホーン２の先端部２ａは、超音波振動時に発生する応力に加えて、切削時に組織に対して押し付けられる力が作用するため、破損が生じやすい。これに対し、図９及び図１０の左側に示すホーン２は、先端側の第１径部１５ａが他よりも細くなっているため、ホーン２の先端部２ａは肉厚が厚くなって強度が高められている。そのため、ホーン２の先端部２ａに破損が生じる可能性を低減することができる。

図１１は、図９に示したホーンの更なる変形例を示す断面図である。

吸入口１５内に骨粉等が詰まりにくくするには、第１径部１５ａの長さを短くすることが好ましい。図１１（ａ）に示す例では、第１径部１５ａは、ホーン２の先端部２ａが形成されている領域にのみ形成されており、先端部２ａの長さとほぼ同じ長さを有している。したがって、図１１（ａ）に示す第１径部１５ａは、図９に示した第１径部１５ａに比べて短くなっている。図１１（ａ）に示す構成によれば、第１径部１５ａで骨粉等が詰まりが生じる前に骨粉等が第２径部１５ｂへ送られるので、吸入口１５内に骨粉等の詰まりが生じることをほぼ無くすことができる。また、ホーン２の先端部２ａの肉厚を厚くして強度を高めることができるため、先端部２ａに破損が生じる可能性を低減することができる。さらには、第１径部１５ａの長さを先端部２ａの長さよりも短くすることにより、第１径部１５ａに骨粉等の詰まりが生じるおそれをより少なくすることができる。

さらに、図１１（ｂ）に示すように、吸入口１５は本体部２ｂの先端から後端に向けて径が次第に大きくなるテーパー状に形成されていてもよい。この構成によっても、吸入口１５内に骨粉等の詰まりが生じることを防ぐことができる。また、ホーン２の先端部２ａの肉厚を厚くして強度を高めることができるため、先端部２ａに破損が生じる可能性を低減することができる。

＜第２の変形例＞
図１２は、図５に示したホーンの第２の変形例を示す図である。

図１２に示すホーン２は、先端部２ａの周囲面にホーン２の長手方向に延びた複数の溝２ｃが形成されている。図４を参照して説明したように、ホーン２の先端部２ａは中心軸回りの捩れ振動と、中心軸に沿った縦振動とをなす。したがって、図１２に示すホーン２によれば、先端部２ａが捩れ振動を行う際に複数の溝２ｃのエッジによって骨組織等の切削がなされる。本変形例によれば、このようにして先端部２ａの側面によっても切削を行うことができるため、組織の切削効率をより向上させることができる。また、切削によって生じた骨片等をそれらの溝２ｃを通して除去することができるので、形成した穴に残る骨片等によって組織の切削が妨げられることを抑えることができる。

（その他）
図５や図９等では、ホーン２が先端部２ａとそれよりも外径が小さい本体部２ｂとを備え、２段の外径寸法を有する形状を示したが、ホーン２の外形形状はこれに限られない。例えば、ホーン２は、少なくとも切削時に骨等の組織内に挿入される部分において、先端部２ａから本体部２ｂへ向かって次第に細くなるテーパー状の外形形状を有していてもよい（図１３（ａ）参照）。あるいは、ホーン２は、少なくとも切削時に骨等の組織内に挿入される部分において、先端部２ａから本体部２ｂに向かって段々に細くなる多段形状の外形を有していてもよい（図１３（ｂ）参照）。

上記では本発明について実施形態およびその変形例を用いて説明したが、本発明はそれらの構成に限定されるものではない。また、上記の実施形態およびその変形例に係る構成は、可能な限りにおいて互いに組み合わせることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波ハンドピースを示す図である。 図１に示した超音波ハンドピースの外筒部およびホーンの内部構造を示す断面図である。 振動変換機構の詳細を示す図である。 ホーンの先端における動作を示す図である。 本発明の一実施形態に係るホーンを示す部分断面図である。 ホーンによって組織を切削する様子を示す図である。 海綿骨を切削するホーンの先端部が皮質骨の間の領域内へ導かれる様子を示す図である。 ホーンの先端部に形成される面取りの形状を示す図である。 図５に示したホーンの第１の変形例を示す断面図である。 ホーンによって切削された骨粉等がホーンの吸入口から吸入された様子を示す図である。 図９に示したホーンの更なる変形例を示す断面図である。 図５に示したホーンの第２の変形例を示す図である。 他の外形形状を有するホーンを示す部分断面図である。

符号の説明

２ ホーン
２ａ 先端部
２ｂ 本体部
２ｃ 溝
１５ 吸入口
１５ａ 第１径部
１５ｂ 第２径部

Claims (8)

1. 本体部と、該本体部の先端に形成された先端部とを有し、生体組織の切削に用いられる超音波ホーンであって、
   前記先端部は前記超音波ホーンの少なくとも前記生体組織の切削時に前記生体組織内に挿入される部分において最も大きい外径を有していることを特徴とする超音波ホーン。
2. 前記先端部の周囲面には、前記超音波ホーンの長手方向に延びた複数の溝が形成されている、請求項１に記載の超音波ホーン。
3. 前記先端部の先端縁に面取り加工が施されている、請求項１または２に記載の超音波ホーン。
4. 前記本体部には先端から後端まで貫通した貫通穴が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波ホーン。
5. 前記貫通穴は、一方の端部が前記本体部の先端で開口している第１径部と、前記第１径部よりも大きい径を有し、かつ前記第１径部の他方の端部に連通している第２径部とを有している、請求項４に記載の超音波ホーン。
6. 前記第１径部は前記先端部の長さと実質的に同じかそれよりも短い長さを有している、請求項５に記載の超音波ホーン。
7. 前記貫通穴は、前記本体部の先端から後端に向けて径が次第に大きくなるテーパー状に形成されている、請求項４に記載の超音波ホーン。
8. 超音波振動を発生する超音波振動機構と、該超音波振動機構に連結された超音波ホーンと、前記超音波振動機構及び前記超音波ホーンの一部を覆う外筒部と、を有する超音波ハンドピースであって、
   前記超音波ホーンは、請求項１から７のいずれか１項に記載の超音波ホーンであることを特徴とする超音波ハンドピース。

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