JP2010084678A - 流体噴射装置、流体噴射方法および手術装置 - Google Patents
流体噴射装置、流体噴射方法および手術装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うこと。
【解決手段】流体が流入する流体室と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加する。
【選択図】図７
【解決手段】流体が流入する流体室と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加する。
【選択図】図７
Description
本発明は、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置、流体噴射方法および手術装置に関する。
従来、流体を噴射して対象部位の切開または切除等を行う流体技術が知られている。
例えば、医療の分野においては、生体組織を切開または切除する流体噴射装置として、ポンプ室の容積を圧電素子により変化させて流体の吐出動作を行うマイクロポンプと、マイクロポンプの出口流路に一方の端部が接続され、他方の端部が出口流路の直径よりも縮小された開口部（ノズル）が設けられた接続流路と、接続流路が穿設されマイクロポンプから流動される流体の脈動を前記開口部に伝達し得る剛性を有する接続管と、が備えられ、流体は脈動波群と休止部との繰り返しで流動され、高速で開口部から噴射される流体噴射装置というものが知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１記載の技術によれば、脈動する流体を高速で噴射することが可能であり、その制御も容易である。また、脈動する流体の噴射は手術等において組織の切開能力が高い一方、流体量が少なくてすむため、術野に流体が滞留することが少ない。従って、視認性が向上し、組織の飛散を防ぐ効果があった。
特開２００８−８２２０２号公報
例えば、医療の分野においては、生体組織を切開または切除する流体噴射装置として、ポンプ室の容積を圧電素子により変化させて流体の吐出動作を行うマイクロポンプと、マイクロポンプの出口流路に一方の端部が接続され、他方の端部が出口流路の直径よりも縮小された開口部（ノズル）が設けられた接続流路と、接続流路が穿設されマイクロポンプから流動される流体の脈動を前記開口部に伝達し得る剛性を有する接続管と、が備えられ、流体は脈動波群と休止部との繰り返しで流動され、高速で開口部から噴射される流体噴射装置というものが知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１記載の技術によれば、脈動する流体を高速で噴射することが可能であり、その制御も容易である。また、脈動する流体の噴射は手術等において組織の切開能力が高い一方、流体量が少なくてすむため、術野に流体が滞留することが少ない。従って、視認性が向上し、組織の飛散を防ぐ効果があった。
ところで、特許文献１記載の技術を含め、流体を噴射して対象部位の切開または切除等を行う従来の流体噴射装置においては、細密な作業を行うために、流体を噴射するユニット（ハンドピース）が対象部位に密着した状態で使用されることが想定される。
しかしながら、例えば従来の流体噴射装置を手術に用いた場合、施術者が手術中に術部を傷つけないようにノズルの接触を保ちながら手術を継続することは実質的に極めて困難である。したがって、流体噴射装置においては、対象部位にノズルが密着していない状態で流体の噴射が行われる可能性がある。
しかしながら、例えば従来の流体噴射装置を手術に用いた場合、施術者が手術中に術部を傷つけないようにノズルの接触を保ちながら手術を継続することは実質的に極めて困難である。したがって、流体噴射装置においては、対象部位にノズルが密着していない状態で流体の噴射が行われる可能性がある。
このような場合、従来の流体噴射装置では、密着状態と乖離状態とで同等の噴出が行われているため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射され切除してしまう事態が発生し得る。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な従来の流体噴射装置においては、流体の吐出制御をより適切に行うことが望まれていた。
本発明の課題は、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことである。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な従来の流体噴射装置においては、流体の吐出制御をより適切に行うことが望まれていた。
本発明の課題は、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことである。
以上の課題を解決するため、第１の発明は、
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする流体噴射装置である。
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする流体噴射装置である。
このような構成により、流路管の先端が液中にある場合には、より高い噴射速度で流体が噴射し、流路管の先端が空中にある場合には、より低い噴射速度で流体が噴射する。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
また、第２の発明は、
前記制御手段が、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる周期に設定された電圧パルス波形を前記駆動信号として印加することを特徴としている。
このような構成により、駆動信号の周期を条件に合わせて設定することにより、空中および液中における流体の噴射速度を適切なものとすることができる。
前記制御手段が、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる周期に設定された電圧パルス波形を前記駆動信号として印加することを特徴としている。
このような構成により、駆動信号の周期を条件に合わせて設定することにより、空中および液中における流体の噴射速度を適切なものとすることができる。
また、第３の発明は、
前記制御手段は、空中での流体の最大噴射速度が毎秒２０メートル未満となる前記駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴としている。
このような構成により、空中で流体が噴射されたとしても、生体組織の切開または切除等の能力を有しない速度で流体が噴射されることとなるため、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
前記制御手段は、空中での流体の最大噴射速度が毎秒２０メートル未満となる前記駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴としている。
このような構成により、空中で流体が噴射されたとしても、生体組織の切開または切除等の能力を有しない速度で流体が噴射されることとなるため、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
第４の発明は、
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、直前に行われた流体の吐出によって前記接続流路管内に流体と気体が混合された気液混合部が形成され、該気液混合部が残存した状態（例えば、図７の（ｂ）における時刻ｔ＝ｔ４の状態）で、引き続き流体の吐出が行われる駆動信号を前記脈動発生部に印加することを特徴とする流体噴射装置である。
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、直前に行われた流体の吐出によって前記接続流路管内に流体と気体が混合された気液混合部が形成され、該気液混合部が残存した状態（例えば、図７の（ｂ）における時刻ｔ＝ｔ４の状態）で、引き続き流体の吐出が行われる駆動信号を前記脈動発生部に印加することを特徴とする流体噴射装置である。
このような構成により、空中で流体が吐出される場合、気液混合部が流路管内に存在する状態で後続の脈動波が流路管先端部分に到達するため、気液混合部が存在しない場合に比べて、低い噴射速度で流体が噴射する。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態（即ち、液中でない状態）で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態（即ち、液中でない状態）で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
また、第５の発明は、
前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、前記接続流路管における流体噴射口の背後に前記気液混合部が形成されるように駆動信号を印加することを特徴としている。
このような構成により、パルス状の流体が流路管から吐出された場合に、パルス状の流体に追従して流体が吐出した流路管内の空間に気液混合部が形成されるため、簡単な制御によって、より適切に流体の吐出制御を行うことができる。
前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、前記接続流路管における流体噴射口の背後に前記気液混合部が形成されるように駆動信号を印加することを特徴としている。
このような構成により、パルス状の流体が流路管から吐出された場合に、パルス状の流体に追従して流体が吐出した流路管内の空間に気液混合部が形成されるため、簡単な制御によって、より適切に流体の吐出制御を行うことができる。
第６の発明は、
圧力発生素子によって圧力が加えられた流体を、流体経路を介して流体噴射口から噴射する際に、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなるように流体を噴射することを特徴とする流体噴射方法である。
このような方法により、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
圧力発生素子によって圧力が加えられた流体を、流体経路を介して流体噴射口から噴射する際に、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなるように流体を噴射することを特徴とする流体噴射方法である。
このような方法により、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
また、第７の発明は、
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする手術装置である。
流体が流入する流体室（例えば、図２の流体室５０１）と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段（例えば、図２の圧電素子４０１およびダイアフラム４００）と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部（例えば、図２の脈動発生部１００）と、一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管（例えば、図２の接続流路管２００）と、前記入口流路に流体を供給する流体供給手段（例えば、図１の流体容器１０およびポンプ２０）と、前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段（例えば、図４の制御部３０）とを備え、前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする手術装置である。
このような構成により、流路管の先端が液中にある場合には、より高い噴射速度で流体が噴射し、流路管の先端が空中にある場合には、より低い噴射速度で流体が噴射する。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
このように、本発明によれば、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
したがって、切開あるいは切除等の対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、より低い噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、流体を噴射して対象部位を切開または切除する場合に、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
このように、本発明によれば、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、物体の切断や切除、手術用のウォーターパルスメス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施の形態では、生体組織を切開または切除することに好適な手術装置としての流体噴射装置を例示して説明する。従って、実施の形態にて用いる流体は、水または生理食塩水である。
以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、物体の切断や切除、手術用のウォーターパルスメス等様々に採用可能であるが、以下に説明する実施の形態では、生体組織を切開または切除することに好適な手術装置としての流体噴射装置を例示して説明する。従って、実施の形態にて用いる流体は、水または生理食塩水である。
（第１実施形態）
本実施形態における流体噴射装置は、流体の噴射を行う場合に、圧電素子の駆動態様によって、空中において流体を噴射する場合と液中において流体を噴射する場合とで、流体の噴射速度が異なることがあるという見地に基づき、空中では噴射速度が低く、液中では噴射速度が高くなるように圧電素子を駆動するものである。
このように圧電素子を駆動することにより、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
本実施形態における流体噴射装置は、流体の噴射を行う場合に、圧電素子の駆動態様によって、空中において流体を噴射する場合と液中において流体を噴射する場合とで、流体の噴射速度が異なることがあるという見地に基づき、空中では噴射速度が低く、液中では噴射速度が高くなるように圧電素子を駆動するものである。
このように圧電素子を駆動することにより、流体を噴射して対象部位を切開または切除可能な流体噴射装置において、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体噴射装置１の概略構成を示す説明図である。
図１において、流体噴射装置１は、基本構成として、流体を収容する流体容器１０と、一定の圧力を発生して脈動発生部１００に流体を供給するポンプ２０と、流体の噴射を制御する制御部３０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１００と、を備えている。なお、本実施形態において、制御部３０とポンプ２０とは一体のユニットとして構成され、制御部３０と脈動発生部１００とは、各種信号を入出力するための信号線によって接続されている。
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体噴射装置１の概略構成を示す説明図である。
図１において、流体噴射装置１は、基本構成として、流体を収容する流体容器１０と、一定の圧力を発生して脈動発生部１００に流体を供給するポンプ２０と、流体の噴射を制御する制御部３０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１００と、を備えている。なお、本実施形態において、制御部３０とポンプ２０とは一体のユニットとして構成され、制御部３０と脈動発生部１００とは、各種信号を入出力するための信号線によって接続されている。
（流体経路の構成）
初めに、流体噴射装置１の流体経路の構成について説明する。
本実施形態において、脈動発生部１００は、圧電素子によって発生させた圧力によって流体を噴射する流体噴射ユニットを構成している。なお、流体噴射ユニットは、液体噴射装置１をウォーターパルスメスとして構成した場合、手術等において術者が把持して使用するハンドピースに相当する。
脈動発生部１００には、細いパイプ状の接続流路管２００が接続され、接続流路管２００の先端部には流路が縮小されたノズル２１１が挿着されている。
初めに、流体噴射装置１の流体経路の構成について説明する。
本実施形態において、脈動発生部１００は、圧電素子によって発生させた圧力によって流体を噴射する流体噴射ユニットを構成している。なお、流体噴射ユニットは、液体噴射装置１をウォーターパルスメスとして構成した場合、手術等において術者が把持して使用するハンドピースに相当する。
脈動発生部１００には、細いパイプ状の接続流路管２００が接続され、接続流路管２００の先端部には流路が縮小されたノズル２１１が挿着されている。
この流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体容器１０に収容された流体は、接続チューブ１５を介してポンプ２０によって吸引され、一定の圧力で接続チューブ２５を介して脈動発生部１００に供給される。脈動発生部１００には流体室５０１（図２、参照）と、この流体室５０１の容積変更手段とを備えており、容積変更手段を駆動して脈動を発生して、接続流路管２００、ノズル２１１を通して流体を高速で噴射する。脈動発生部１００の詳しい説明については、図２、図３を参照して後述する。
なお、流体容器１０から流体を供給するための圧力を発生する機能を実現する手段としては、ポンプ２０を用いる場合に限らず、種々の形態が可能である。例えば、輸液バッグをスタンド等によって脈動発生部１００よりも高い位置に保持するようにして供給圧力を発生してもよいし、あるいは、脈動発生部１００の容積変更手段が流体を吐出する脈動の作用を利用して、流体室５０１に流体容器１０から流体を吸引することとしてもよい。これらの場合、ポンプ２０は不要となり、構成を簡素化することができる他、消毒等が容易になる利点がある。
なお、流体容器１０から流体を供給するための圧力を発生する機能を実現する手段としては、ポンプ２０を用いる場合に限らず、種々の形態が可能である。例えば、輸液バッグをスタンド等によって脈動発生部１００よりも高い位置に保持するようにして供給圧力を発生してもよいし、あるいは、脈動発生部１００の容積変更手段が流体を吐出する脈動の作用を利用して、流体室５０１に流体容器１０から流体を吸引することとしてもよい。これらの場合、ポンプ２０は不要となり、構成を簡素化することができる他、消毒等が容易になる利点がある。
ポンプ２０の吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、脈動発生部１００と輸液バッグの液上面との高度差が圧力となる。輸液バックを用いるときには０．１〜０．１５気圧（０．０１〜０．０１５ＭＰａ）程度になるように高度差を設定することが望ましい。
なお、この流体噴射装置１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００である。従って、脈動発生部１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を脈動発生部１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
また、特に、脳手術のときのように、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておくことが要求される。
なお、この流体噴射装置１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００である。従って、脈動発生部１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を脈動発生部１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
また、特に、脳手術のときのように、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておくことが要求される。
次に、本実施形態による脈動発生部１００の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈動発生部１００の構造を示す図であり、図２の（ａ）は断面図、図２の（ｂ）は分解図である。なお、図２の（ａ）は、後述する図３におけるＡ−Ａ’断面図である。
図２において、脈動発生部１００には、流体の脈動を発生する脈動発生手段を含み、流体を吐出する流路としての接続流路２０１を有する接続流路管２００が接続されている。
脈動発生部１００は、上ケース５００と下ケース３０１とをそれぞれ対向する面３０２において接合され、４本の固定螺子６００（図示は一部省略）によって螺着されている。下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。
図２は、本実施形態に係る脈動発生部１００の構造を示す図であり、図２の（ａ）は断面図、図２の（ｂ）は分解図である。なお、図２の（ａ）は、後述する図３におけるＡ−Ａ’断面図である。
図２において、脈動発生部１００には、流体の脈動を発生する脈動発生手段を含み、流体を吐出する流路としての接続流路２０１を有する接続流路管２００が接続されている。
脈動発生部１００は、上ケース５００と下ケース３０１とをそれぞれ対向する面３０２において接合され、４本の固定螺子６００（図示は一部省略）によって螺着されている。下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。
圧電素子４０１は、積層型圧電素子であってアクチュエータを構成する。圧電素子４０１の一方の端部は上板４１１を介してダイアフラム４００に、他方の端部は底板３１１の上面３１２に固着されている。
また、ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。圧電素子４０１に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積を変更する。
ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０が積層配設される。
また、ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。圧電素子４０１に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積を変更する。
ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０が積層配設される。
上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に凹部が形成され、この凹部とダイアフラム４００とから構成され流体が充填された状態の回転体形状が流体室５０１である。つまり、流体室５０１は、上ケース５００の凹部の封止面５０５と内周側壁５０１ａとダイアフラム４００によって囲まれた空間である。流体室５０１の略中央部には出口流路５１１が穿設されている。
出口流路５１１は、流体室５０１から上ケース５００の一方の端面から突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
出口流路５１１は、流体室５０１から上ケース５００の一方の端面から突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
なお、以上説明した流体室５０１の形状は、本実施形態（図２、参照）では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよく限定されない。例えば、出口流路５１１と封止面５０５との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室５０１内の気泡を排出しやすくなる。
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されており、接続流路２０１の直径は出口流路５１１の直径より大きい。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。このノズル２１１には流体噴射開口部２１２が穿設されている。流体噴射開口部２１２の直径は、接続流路２０１の直径より小さい。
上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されており、入口流路管５０２に入口流路側の接続流路５０４が穿たれている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されており、入口流路管５０２に入口流路側の接続流路５０４が穿たれている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通されている。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側にパッキンボックス５０６が形成されており、パッキンボックス３０４，５０６にて形成される空間にリング状のパッキン４５０が装着されている。
ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
流体室５０１内は、流体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４００、補強板４１０、上ケース５００、下ケース３０１それぞれの接合部において流体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン４５０によって漏洩を阻止している。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押し圧するので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押し圧するので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。
続いて、上ケース５００に形成される入口流路５０３について図面を参照してさらに詳しく説明する。
図３は、入口流路５０３の形態を示す平面図であり、上ケース５００を下ケース３０１との接合面側から視認した状態を表している。
図３において、入口流路５０３は、上ケース５００の封止面５０５の周縁部溝状に形成されている。
入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。
図３は、入口流路５０３の形態を示す平面図であり、上ケース５００を下ケース３０１との接合面側から視認した状態を表している。
図３において、入口流路５０３は、上ケース５００の封止面５０５の周縁部溝状に形成されている。
入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。
また、入口流路５０３は、流体室５０１の内周側壁５０１ａに対して略接線方向に向かって連通している。ポンプ２０（図１、参照）から一定の圧力で供給される流体は、内周側壁５０１ａに沿って（図中、矢印で示す方向）流動して流体室５０１に旋回流を発生する。旋回流は、旋回することによる遠心力で内周側壁５０１ａ側に押し付けられるとともに、流体室５０１内に含まれる気泡は旋回流の中心部に集中する。
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。従って、本実施形態において、入口流路５０３は旋回流発生部である。図３では、入口流路５０３は平面形状が湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。従って、本実施形態において、入口流路５０３は旋回流発生部である。図３では、入口流路５０３は平面形状が湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。
なお、図２に示したように、ダイアフラム４００と入口流路５０３が形成されている封止面５０５の周縁部との間には、補強板４１０が配設されている。補強板４１０を設ける意味は、主にダイアフラム４００の耐久性を向上することである。入口流路５０３の流体室５０１との接続部には切欠き状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００が高い周波数で駆動されたときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊を発生することが考えられる。そこで、切欠き部がない連続した開口部を有している補強板４１０を配設することで、ダイアフラム４００に応力集中が発生しないようにしている。
なお、本実施形態において、補強板４１０は、流体室５０１の容積を決定する機能も有している。
また、上ケース５００の外周隅部には、４箇所の螺子孔５００ａが開設されており、この螺子孔位置において、上ケース５００と下ケース３０１とが螺合接合される。
なお、図示は省略するが、補強板４１０とダイアフラム４００とを接合し、一体に積層固着することができる。固着手段としては、接着剤を用いる貼着としても、固層拡散接合、溶接等を採用することが可能であるが、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面において密着されていることがより好ましい。
また、上ケース５００の外周隅部には、４箇所の螺子孔５００ａが開設されており、この螺子孔位置において、上ケース５００と下ケース３０１とが螺合接合される。
なお、図示は省略するが、補強板４１０とダイアフラム４００とを接合し、一体に積層固着することができる。固着手段としては、接着剤を用いる貼着としても、固層拡散接合、溶接等を採用することが可能であるが、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面において密着されていることがより好ましい。
（制御系統の機能構成）
続いて、流体噴射装置１の制御系統の機能構成について説明する。
本実施形態において、脈動発生部１００から流体を吐出させるために圧電素子４０１に入力される駆動信号は、ノズル２１１が空中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（以下、「空中最大噴射速度」と言う。）が、ノズル２１１が液中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（以下、「液中最大噴射速度」と言う。）より小さくなる電圧パルス波形に設定されている。また、液中最大噴射速度は、生体組織の切開または切除能力を有する噴射速度（毎秒約２０メートル以上）であり、空中最大噴射速度は、生体組織の切開または切除能力を有しない噴射速度（毎秒約２０メートル未満）である。
続いて、流体噴射装置１の制御系統の機能構成について説明する。
本実施形態において、脈動発生部１００から流体を吐出させるために圧電素子４０１に入力される駆動信号は、ノズル２１１が空中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（以下、「空中最大噴射速度」と言う。）が、ノズル２１１が液中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（以下、「液中最大噴射速度」と言う。）より小さくなる電圧パルス波形に設定されている。また、液中最大噴射速度は、生体組織の切開または切除能力を有する噴射速度（毎秒約２０メートル以上）であり、空中最大噴射速度は、生体組織の切開または切除能力を有しない噴射速度（毎秒約２０メートル未満）である。
図４は、流体噴射装置１の制御系統を示す機能構成図である。
図４において、液体噴射装置１の制御系統は、主に制御部３０によって構成され、制御部３０は、波形記憶部３１と、信号制御部３２と、電圧増幅器３３とを備えている。
波形記憶部３１は、圧電素子の駆動信号（ただし、増幅前の原信号）を表す１周期分の電圧パルス波形を記憶している。
本実施形態において、電圧パルス波形としては、正弦波における正極側の振幅を切り出した波形（以下、「基本パルス波形」と言う。）を用いることや、基本パルス波形の頂点から次の基本パルス波形の立ち上がり点まで振幅を漸減させた波形（以下、「合成波」と言う。）を用いることが可能であるが、ここでは、合成波を用いる場合を例に挙げて説明する。
図４において、液体噴射装置１の制御系統は、主に制御部３０によって構成され、制御部３０は、波形記憶部３１と、信号制御部３２と、電圧増幅器３３とを備えている。
波形記憶部３１は、圧電素子の駆動信号（ただし、増幅前の原信号）を表す１周期分の電圧パルス波形を記憶している。
本実施形態において、電圧パルス波形としては、正弦波における正極側の振幅を切り出した波形（以下、「基本パルス波形」と言う。）を用いることや、基本パルス波形の頂点から次の基本パルス波形の立ち上がり点まで振幅を漸減させた波形（以下、「合成波」と言う。）を用いることが可能であるが、ここでは、合成波を用いる場合を例に挙げて説明する。
図５は、波形記憶部３１が記憶している電圧パルス波形を示す模式図である。
波形記憶部３１は、デジタル値として電圧パルス波形を記憶しているが、図５においては、説明の便宜のため、アナログ形式で電圧パルス波形を示している。
図５に示すように、波形記憶部３１は、周期の開始部分において基本パルス波形の頂点（振幅Ｖａ）まで立ち上がった後、その頂点から１周期の終了時点まで、振幅が漸減する合成波の電圧パルス波形を記憶している。
図５に示す合成波の電圧パルス波形は、１つの基本パルス波形を先頭に配列し、波線で示す４つの基本パルス波形の周期分をスペース（振幅ゼロの状態）とした波形を基に構成されている。
波形記憶部３１は、デジタル値として電圧パルス波形を記憶しているが、図５においては、説明の便宜のため、アナログ形式で電圧パルス波形を示している。
図５に示すように、波形記憶部３１は、周期の開始部分において基本パルス波形の頂点（振幅Ｖａ）まで立ち上がった後、その頂点から１周期の終了時点まで、振幅が漸減する合成波の電圧パルス波形を記憶している。
図５に示す合成波の電圧パルス波形は、１つの基本パルス波形を先頭に配列し、波線で示す４つの基本パルス波形の周期分をスペース（振幅ゼロの状態）とした波形を基に構成されている。
即ち、図５に示す合成波の電圧パルス波形は、１つの実体的な基本パルス波形（１マーク）について、４つの基本パルス波形分のスペース（４スペース）を挿入した波形であるため、このような周期の電圧パルス波形を１ｍ４ｓ（１マーク４スペース）と称する。
本実施形態において、１ｍ４ｓの電圧パルス波形の場合、ノズル２１１が空中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（空中最大噴射速度）が、ノズル２１１が液中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（液中最大噴射速度）より小さくなり、１ｍ１３ｓ程度に周期が長くなると、ノズル２１１が空中にある場合および液中にある場合のいずれにおいても、同程度の最大噴射速度となる。
本実施形態において、１ｍ４ｓの電圧パルス波形の場合、ノズル２１１が空中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（空中最大噴射速度）が、ノズル２１１が液中にある状態で流体が吐出された場合の最大噴射速度（液中最大噴射速度）より小さくなり、１ｍ１３ｓ程度に周期が長くなると、ノズル２１１が空中にある場合および液中にある場合のいずれにおいても、同程度の最大噴射速度となる。
なお、空中最大噴射速度と液中最大噴射速度とが異なる電圧パルス波形の周期は、接続流路管２００やノズル２１１からなる流体経路の特性によって異なるが、同一の振幅を有する電圧パルス波形であれば、長周期（低周波）の信号から徐々に短周期（高周波）にしていくことで、その境界を見出すことができる。
したがって、空中最大噴射速度と液中最大噴射速度とが有意に異なる信号周期の境界値は、流体噴射装置１を使用した実験値として取得することができる。
なお、本実施形態における流体噴射装置１において、空中最大噴射速度と液中最大噴射速度とが異なる電圧パルス波形の境界周期は１ｍ５ｓであり、駆動信号として、上述のように、１ｍ５ｓより短周期である１ｍ４ｓの電圧パルス波形を用いている。
したがって、空中最大噴射速度と液中最大噴射速度とが有意に異なる信号周期の境界値は、流体噴射装置１を使用した実験値として取得することができる。
なお、本実施形態における流体噴射装置１において、空中最大噴射速度と液中最大噴射速度とが異なる電圧パルス波形の境界周期は１ｍ５ｓであり、駆動信号として、上述のように、１ｍ５ｓより短周期である１ｍ４ｓの電圧パルス波形を用いている。
信号制御部３２は、流体噴射装置１全体を制御する機能を有している。具体的には、信号制御部３２は、後述する吐出制御処理を実行し、不図示のフットスイッチ等から流体の吐出開始を指示する吐出開始信号が入力されると、波形記憶部３１に記憶された電圧パルス波形を読み出し、読み出した電圧パルス波形を示すデジタル値（増幅前の原信号）を電圧増幅器３３に出力する。
なお、吐出開始信号は、対象部位の切開等を行う際、流体噴射装置１から流体の噴射を開始させるために術者がスイッチを操作して入力する信号である。
電圧増幅器３３は、例えばプッシュプル回路を備える増幅器によって構成され、信号制御部３２から入力された電圧パルス波形のデジタル信号をアナログ信号に変換し、そのアナログ信号を増幅して脈動発生部１００の圧電素子４０１に印加する。
なお、吐出開始信号は、対象部位の切開等を行う際、流体噴射装置１から流体の噴射を開始させるために術者がスイッチを操作して入力する信号である。
電圧増幅器３３は、例えばプッシュプル回路を備える増幅器によって構成され、信号制御部３２から入力された電圧パルス波形のデジタル信号をアナログ信号に変換し、そのアナログ信号を増幅して脈動発生部１００の圧電素子４０１に印加する。
（動作）
次に、本実施形態における動作について説明する。
（流体噴射装置１の制御動作）
図６は、信号制御部３２が実行する吐出制御処理を示すフローチャートである。
吐出制御処理は、流体噴射装置１の電源投入と共に実行が開始され、電源投入中は繰り返し実行される。
図６において、吐出制御処理が開始されると、信号制御部３２は、吐出開始信号が入力されているか否かの判定を行い（ステップＳ１）、吐出開始信号が入力されていないと判定した場合、ステップＳ１の処理を繰り返す。
次に、本実施形態における動作について説明する。
（流体噴射装置１の制御動作）
図６は、信号制御部３２が実行する吐出制御処理を示すフローチャートである。
吐出制御処理は、流体噴射装置１の電源投入と共に実行が開始され、電源投入中は繰り返し実行される。
図６において、吐出制御処理が開始されると、信号制御部３２は、吐出開始信号が入力されているか否かの判定を行い（ステップＳ１）、吐出開始信号が入力されていないと判定した場合、ステップＳ１の処理を繰り返す。
一方、ステップＳ１において、吐出開始信号が入力されていると判定した場合、波形記憶部３１に記憶された電圧パルス波形を読み出す（ステップＳ２）。
そして、信号制御部３２は、読み出した電圧パルス波形を示すデジタル信号を電圧増幅器３３に出力する（ステップＳ３）。
次いで、信号制御部３２は、吐出開始信号の入力が中止されたか否かの判定を行い（ステップＳ４）、吐出開始信号の入力が中止されていないと判定した場合、信号制御部３２は、ステップＳ２の処理に移行し、吐出開始信号の入力が中止されたと判定した場合、吐出制御処理を繰り返す。
そして、信号制御部３２は、読み出した電圧パルス波形を示すデジタル信号を電圧増幅器３３に出力する（ステップＳ３）。
次いで、信号制御部３２は、吐出開始信号の入力が中止されたか否かの判定を行い（ステップＳ４）、吐出開始信号の入力が中止されていないと判定した場合、信号制御部３２は、ステップＳ２の処理に移行し、吐出開始信号の入力が中止されたと判定した場合、吐出制御処理を繰り返す。
（流体噴射装置１全体の動作）
続いて、上記制御動作が行われた場合の流体噴射装置１全体の動作について説明する。
本実施形態の脈動発生部１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）の差によって行われる。
まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
続いて、上記制御動作が行われた場合の流体噴射装置１全体の動作について説明する。
本実施形態の脈動発生部１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）の差によって行われる。
まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、または直列接続と同様に合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、または直列接続と同様に合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。従って、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスに置き換えてもよい。
なお、接続流路管２００の管壁の厚さは、流体の圧力伝播には十分な剛性を有している。
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定する。
なお、接続流路管２００の管壁の厚さは、流体の圧力伝播には十分な剛性を有している。
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定する。
次に、脈動発生部１００の動作について説明する。
ポンプ２０によって入口流路５０３には、常に一定圧力の液圧で流体が供給されている。その結果、圧電素子４０１が動作を行わない場合、ポンプ２０の吐出力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって流体は流体室５０１内に流動する。
ここで、フットスイッチ等の操作により、制御部３０に吐出開始信号が入力されたとする。
このとき、吐出制御処理を実行する信号制御部３２によって、波形記憶部３１から電圧パルス波形が読み出され、電圧増幅器３３を経て圧電素子４０１に印加される。
そして、電圧パルス波形が圧電素子４０１に入力され、急激に圧電素子４０１が伸張すると、流体室５０１内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。
ポンプ２０によって入口流路５０３には、常に一定圧力の液圧で流体が供給されている。その結果、圧電素子４０１が動作を行わない場合、ポンプ２０の吐出力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって流体は流体室５０１内に流動する。
ここで、フットスイッチ等の操作により、制御部３０に吐出開始信号が入力されたとする。
このとき、吐出制御処理を実行する信号制御部３２によって、波形記憶部３１から電圧パルス波形が読み出され、電圧増幅器３３を経て圧電素子４０１に印加される。
そして、電圧パルス波形が圧電素子４０１に入力され、急激に圧電素子４０１が伸張すると、流体室５０１内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。
この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。従って、入口流路側に設けられる逆止弁は必要ない。
しかし、入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５０３から流体が流体室５０１へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射される。
しかし、入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路５０３から流体が流体室５０１へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射される。
ここで、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
一方、流体室５０１内は、入口流路５０３からの流体流入量の減少と出口流路５１１からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と、流体室５０１内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５０３の流体は圧電素子４０１の動作前と同様な速度で流体室５０１内に向かう流れが復帰する。
一方、流体室５０１内は、入口流路５０３からの流体流入量の減少と出口流路５１１からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と、流体室５０１内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５０３の流体は圧電素子４０１の動作前と同様な速度で流体室５０１内に向かう流れが復帰する。
入口流路５０３内の流体の流動が復帰した後、圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
また、上述の電圧パルス波形による吐出動作において、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射された直後、流体の粘性および接続流路２０１のイナータンスによって、接続流路管２００における先端部分の流体が、直前に噴射された流体に追従して吐出される。
そのため、空中において流体を噴射した場合、流体の噴射直後、接続流路管２００におけるノズル２１１の背後の位置には、一時的に流体中に空気が混入した部分（以下、「気液混合部」と言う。）が発生する。
また、上述の電圧パルス波形による吐出動作において、ノズル２１１の流体噴射開口部２１２から流体が噴射された直後、流体の粘性および接続流路２０１のイナータンスによって、接続流路管２００における先端部分の流体が、直前に噴射された流体に追従して吐出される。
そのため、空中において流体を噴射した場合、流体の噴射直後、接続流路管２００におけるノズル２１１の背後の位置には、一時的に流体中に空気が混入した部分（以下、「気液混合部」と言う。）が発生する。
図７は、流体噴射時における接続流路管２００の状態を示す図であり、図７の（ａ）は、空中において１ｍ１３ｓの電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合を示す図、図７の（ｂ）は、空中において１ｍ４ｓの電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合を示す図、図７の（ｃ）は、液中において１ｍ４ｓの電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合を示す図である。なお、図７において、接続流路管２００の状態は、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ６の順に遷移するものである。
図７の（ａ）に示すように、空中において長周期の電圧パルス波形（１ｍ１３ｓ）で圧電素子４０１を駆動した場合、ノズル２１１背後に発生した気液混合部がスペースのタイミング（振幅ゼロの期間）内にポンプ２０による流体の圧力等によって徐々にノズル２１１から押し出される。そして、気液混合部が消失し、後続のパルスが流体噴射開口部２１２までの流体を高圧で押し出せる状態となった後に、次の噴射が行われる。
一方、図７の（ｂ）に示すように、空中において短周期の電圧パルス波形（１ｍ４ｓ）で圧電素子４０１を駆動した場合、液中に比較してノズル２１１外部に噴射した際の流体抵抗値が小さいので吐出が長く続き、ノズル２１１背後に発生した気液混合部がスペースのタイミング内に完全に消失しないまま、後続のパルスが到達するため、流体が高圧で押し出されない状態で次の噴射が行われることとなる。
一方、図７の（ｂ）に示すように、空中において短周期の電圧パルス波形（１ｍ４ｓ）で圧電素子４０１を駆動した場合、液中に比較してノズル２１１外部に噴射した際の流体抵抗値が小さいので吐出が長く続き、ノズル２１１背後に発生した気液混合部がスペースのタイミング内に完全に消失しないまま、後続のパルスが到達するため、流体が高圧で押し出されない状態で次の噴射が行われることとなる。
したがって、長周期の電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合、空中においても生体組織の切開等が可能な速度で流体が噴射される。
これに対し、短周期の電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合、空中において生体組織の切開等が行われない速度で流体が噴射される。
さらに、図７の（ｃ）に示すように、液中においては気液混合部が発生しないことから、短周期の電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合でも、生体組織の切開等が可能な速度で流体を噴射することができる。本実施形態における短周期の電圧パルス波形は、液中における流体の噴射速度（液中最大噴射速度）が、空中において長周期の電圧パルス波形を用いた場合の噴射速度（空中最大噴射速度）と同程度となる範囲の周期に設定されている。
これに対し、短周期の電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合、空中において生体組織の切開等が行われない速度で流体が噴射される。
さらに、図７の（ｃ）に示すように、液中においては気液混合部が発生しないことから、短周期の電圧パルス波形で圧電素子４０１を駆動した場合でも、生体組織の切開等が可能な速度で流体を噴射することができる。本実施形態における短周期の電圧パルス波形は、液中における流体の噴射速度（液中最大噴射速度）が、空中において長周期の電圧パルス波形を用いた場合の噴射速度（空中最大噴射速度）と同程度となる範囲の周期に設定されている。
即ち、本実施形態における駆動信号の電圧パルス波形は、空中では気液混合部の影響によって、生体組織の切開等が行われない範囲の最大噴射速度となり、液中では生体組織の切開等が可能な範囲の最大噴射速度となる周期に設定されている。
以上のように、本実施形態に係る流体噴射装置１は、空中最大噴射速度が液中最大噴射速度より小さくなる電圧パルス波形を、圧電素子４０１の駆動信号として印加する。
そのため、ノズル２１１が液中にある場合、即ち、生体組織の切除または切開が行われている場合には、切開等の能力を有する噴射速度で流体が噴射し、ノズル２１１が空中にある場合、即ち、生体組織の切除または切開が行われていない場合には、切開等の能力を有しない噴射速度で流体が噴射する。
以上のように、本実施形態に係る流体噴射装置１は、空中最大噴射速度が液中最大噴射速度より小さくなる電圧パルス波形を、圧電素子４０１の駆動信号として印加する。
そのため、ノズル２１１が液中にある場合、即ち、生体組織の切除または切開が行われている場合には、切開等の能力を有する噴射速度で流体が噴射し、ノズル２１１が空中にある場合、即ち、生体組織の切除または切開が行われていない場合には、切開等の能力を有しない噴射速度で流体が噴射する。
したがって、施術者がハンドピースを受け渡す場合等に、誤操作によって、対象部位にノズルが密着していない状態で流体の吐出が行われたとしても、切開能力のない噴射速度で流体が噴射するのみであるため、周囲に流体が飛散したり、想定外の部位に流体が噴射されたりした場合の影響を軽減することができる。
即ち、本実施形態に係る流体噴射装置１においては、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
即ち、本実施形態に係る流体噴射装置１においては、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
なお、図７においては、流体噴射時にノズル２１１の背後に気液混合部が発生する場合を例に挙げて説明したが、流体経路の特性によっては、ノズル２１１の背後のみならず、接続流路管２００の中央部等、流体室５０１の出口からノズル２１１までのいずれかの個所に気液混合部が発生することが考えられる。
このような場合にも、本実施形態のように、空中最大噴射速度が液中最大噴射速度より小さくなる電圧パルス波形を圧電素子４０１に印加することで、空中で誤操作により流体が噴射された場合の影響を軽減し、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
このような場合にも、本実施形態のように、空中最大噴射速度が液中最大噴射速度より小さくなる電圧パルス波形を圧電素子４０１に印加することで、空中で誤操作により流体が噴射された場合の影響を軽減し、流体の吐出制御をより適切に行うことが可能となる。
１ 流体噴射装置、１０ 流体容器、１５，２５ 接続チューブ、２０ ポンプ、３０ 制御部、３１ 波形記憶部、３２ 信号制御部、３３ 電圧増幅器、１００ 脈動発生部、２００ 接続流路管、２０１ 接続流路、２１１ ノズル、２１２ 流体噴射開口部、４００ ダイアフラム、４０１ 圧電素子、５０１ 流体室、５０３ 入口流路、５１１ 出口流路
Claims (7)
- 流体が流入する流体室と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部と、
一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、
前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする流体噴射装置。 - 前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる周期に設定された電圧パルス波形を前記駆動信号として印加することを特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
- 前記制御手段は、空中での流体の最大噴射速度が毎秒２０メートル未満となる前記駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする請求項１または２記載の流体噴射装置。
- 流体が流入する流体室と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部と、
一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、
前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、直前に行われた流体の吐出によって前記接続流路管内に流体と気体が混合された気液混合部が形成され、該気液混合部が残存した状態で、引き続き流体の吐出が行われる駆動信号を前記脈動発生部に印加することを特徴とする流体噴射装置。 - 前記制御手段は、空中で流体が吐出される場合に、前記接続流路管における流体噴射口の背後に前記気液混合部が形成されるように駆動信号を印加することを特徴とする請求項４記載の流体噴射装置。
- 圧力発生素子によって圧力が加えられた流体を、流体経路を介して流体噴射口から噴射する際に、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなるように流体を噴射することを特徴とする流体噴射方法。
- 流体が流入する流体室と、駆動信号により前記流体室の容積を変更する圧力発生素子を備えた容積変更手段と、前記流体室に連通する入口流路および出口流路と、を有する脈動発生部と、
一端が前記出口流路に連通し、他端が流体噴射口に連通する接続流路を有する流路管と、
前記入口流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記圧力発生素子に駆動信号を印加し、前記容積変更手段による前記流体室の容積の変更を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、液中での流体の最大噴射速度が空中での流体の最大噴射速度より大きくなる駆動信号を前記圧力発生素子に印加することを特徴とする手術装置。
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