JP3735242B2 - Ultrasonic transducer drive - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インピーダンス特性が異なる複数の超音波処置具を選択的に接続する超音波振動子駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波振動の応用技術として従来から超音波凝固切開、超音波クリップ溶着、超音波トラカール等の超音波を利用した各種の手術装置が考えられている。
【０００３】
この種の超音波手術装置では、生体組織を処置する処置部を備えたハンドピースの内部に、超音波振動を発生する超音波振動子と、この超音波振動子からの超音波振動を前記処置部に伝達するプローブとが内蔵されている。
【０００４】
そして、超音波手術装置の使用時には処置部を生体組織の処置対象部位（被処置部）に当接させた状態で、超音波振動子からの超音波振動をプローブを介して処置部に伝達し、この超音波振動によって生体組織を処置するようになっている。
【０００５】
従来より種々の超音波手術装置が提案されており、例えば特開平１１−２６７１３０号公報では、使用されている処置具の駆動電圧（負荷）状態を検出し、その情報を視認性よく表示するという構成の超音波手術装置が提案されている。
【０００６】
また、特開平８−９４８８号公報では、複数の異なった共振周波数を有する振動子の接続にあたり基本共振周波数に確実に駆動開始できるように、複数の振動子を個別に判別する接続検知手段を有し、前記接続検知手段の検出結果に基いて駆動周波数が可変可能な可変発振源を有する構成の超音波手術装置が提案されている。
【０００７】
さらに、特開平２−２９０２８１号公報では、複数の異なった共振周波数を有する振動子の接続にあたり効率よく振動子を駆動するために、各振動子のインピーダンスを検出する手段と振動子を駆動するにあたり振動子とのマッチングをとるための可変マッチング手段を有し、インピーダンスの検出結果によって最適条件となるようマッチング手段の定数を制御する構成の超音波手術装置が提案されている。
【０００８】
また、一般的に振動子の振幅は振動子に流れる電流値に比例関係と有るため、振動子への供給電流を一定にする定電流制御を行うことで振動子の振幅を一定に制御することが可能となっていることは公知の技術であって、出力インピーダンスを可変とすることによって生じる整合トランスヘの供給電流の変動を、出力インピーダンスの可変結果により各々電流設定の範囲を決定する手段が設けられ切り替えを行う構成となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１１−２６７１３０号公報の構成では、得られる（表示できる）情報は振動子駆動時の電圧情報若しくは駆動インピーダンスのみであるため、接続される振動子により表示したい内容は変更できないといった問題がある。
【００１０】
また、上記特開平８−９４８８号公報の構成では、処置具の接続結果によって変更可能なパラメーターは駆動開始に必要な可変発振源の周波数であり、その他に効率よく振動子（処置具）を駆動させるパラメータの変更は行えないといった問題がある。
【００１１】
さらに、上記の問題を解決している特開平２−２９０２８１号公報の構成では、一旦振動子を駆動した上で、接続されている振動子のインピーダンスを検出した結果により、効率よく駆動するために駆動装置の出力インピーダンスを変化させているため、振動子を駆動するステップが必要となるといった問題がある。
【００１２】
また、出力インピーダンスを可変とすることによって生じる整合トランスヘの供給電流の変動を、出力インピーダンスの可変結果により各々電流設定の範囲を決定する手段が設けられ切り替えを行う構成となっており、様々な振動子に対応する為には上記電流設定手段がその数分必要となるといった問題がある。すなわち、拡張性に富んでいない解決手段しか開示されていない。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型で安価に、処置具を効率よく駆動させる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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波振動子駆動装置は、インピーダンス特性が異なる複数の超音波処置具を選択的に接続する超音波振動子駆動装置において、接続された超音波処置具を判別する判別手段と、前記超音波処置具の設けられた超音波振動子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段の駆動電流を検出する電流検出手段と、前記判別手段の判別結果に応じて前記駆動手段の出力インピーダンスを切り替えるマッチング手段と、前記マッチング手段の切り替えに連動して前記電流検出手段の検出レベルを切り替える切り替え手段と、前記電流検出手段の検出結果に応じて前記駆動手段の出力を制御する出力制御手段とを備えて構成される。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１ないし図７は本発明の一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の超音波処置具の構成を示す構成図、図３は図１の増幅回路の構成を示す構成図、図４は図３の増幅回路の半導体素子（電力増幅部）の熱損メカニズムを説明する説明図、図５は図１の可変電源の構成を示す構成図、図６は図１の検出回路（ＤＥＴ）の構成を示す構成図、図７は図６の電流検出部の変形例の構成を示す構成図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態の超音波手術装置１は、商用電源２より電力が供給され、超音波処置具である例えば先端形状が挟み形状である挟み型処置具３ａ、先端形状が穿刺形状である穿刺型処置具３ｂ、先端形状がフック形状であるフック型処置具３ｃ、先端形状がパイプ形状であるパイプ型処置具３ｄ等が着脱自在に取り付けられ、これら超音波処置具が超音波駆動されるようになっている。以下、これら処置具３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを単に超音波処置具３と略記する。
【００１８】
なお、超音波処置具３としては、その他にも長手方向の長さや屈曲の度合いなどの組み合わせによって様々な先端形状のものが考えられる。
【００１９】
超音波手術装置１は、商用電源２より入力した電力より超音波エネルギを発生せしめる電源に変換する可変電源４と、可変電源４より供給された電源を基に超音波エネルギを発生せしめる増幅回路５と、増幅回路５より出力される超音波エネルギより電圧、電流等の電気的信号を検出する検出回路（ＤＥＴ）６と、超音波処置具３とのマッチングを適正化するためのマッチング手段である出力トランス７と、検出回路（ＤＥＴ）６より検出される電流信号Iの大きさを一定に制御するための定電流制御回路８と、検出回路（ＤＥＴ）６より検出される電圧信号Vと電流信号Iの位相を一致させるＰＬＬ制御回路９と、定電流制御回路８の出力信号とＰＬＬ制御回路９にて得られた周波数信号とを乗算する乗算器１０とを備え、乗算器１０の乗算結果を増幅回路５に入力することによって、定電流フィードバックとＰＬＬフィードバックを実現している。
【００２０】
また、超音波手術装置１は、装置全体の制御を行う制御回路１１を備え、検出回路（ＤＥＴ）６は、この制御回路１１からの制御信号により検出レベルを可変可能としている。また、制御回路１１は、出力ＳＷ１７からのオン信号により超音波手術装置１の出力を制御するようになっている。
【００２１】
さらに、超音波手術装置１は、接続された超音波処置具３がどの様な処置具形状であるか判別するための超音波処置具３の識別信号を検出するＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）１６を有し、制御回路１１の制御によりＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）１６が検出した超音波処置具３の種別に応じた音を発生する音源回路１２と、制御回路１１の制御によりＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）１６が検出した超音波処置具３の種別に応じた情報を表示する表示回路１３とが設けられている。
超音波処置具３にはプラグ１５が設けられており、超音波手術装置１のコネクタ１４とこのプラグ１５を嵌合することで、超音波手術装置１と超音波処置具３とを着脱自在に接続できるようになっている。
【００２２】
図２に示すように、超音波処置具３は、超音波手術装置１より供給される超音波エネルギーを機械振動に変換する振動子１８を備え、その先端にはネジ締結部１８ａを有しているおり、振動子１８は内包する超音波処置具の外装１９により覆われている。
【００２３】
また、超音波処置具３の前述したように様々な形状を有しているプロープ２０は振動子１８に着脱自在に接続されるようになっており、プロープ２０の基端に設けられたネジ部２０ａを振動子１８のネジ締結部１８ａに螺合させることで着脱自在に接続される。なお、振動子１８とプローブ２０のネジ形状によって着脱可能な組み合わせが限定されている。
【００２４】
外装１９内には超音波処置具３毎の識別信号を設定したＩＤ決定手段であるＩＤ部２１が設けられており、このＩＤ部２１により様々な超音波処置具３が超音波手術装置１に接続されても超音波手術装置１のＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）１６にて判別可能となっている。
【００２５】
表１に接続される超音波処置具３の駆動時のインピーダンス（超音波手術装置１から見た負荷）を場合分けして示す。このように超音波処置具３の形状により駆動時のインピーダンスは複数のレベルに分けることができ、このインピーダンスを考慮して制御することで超音波手術装置１の効率を向上させることが可能となる。
【００２６】
【表１】

図３に示すように、増幅回路５は、乗算器１０より入力された信号を増幅するオペアンプ２２と、オペアンプ２２より入力される信号を可変電源４より供給された電源を基に電力増幅する半導体素子２３ａ、２３ｂとを備えて構成される。すなわち、半導体素子２３ａ及び２３ｂのペアーにて電力増幅部を構成している。
【００２７】
なお、図３では半導体素子２３ａ、２３ｂは、トランジスタにて記載しているがＦＥＴで構成されていてもよい。また、図３の符号２４ａ、２４ｂは抵抗であり、抵抗２４ａの抵抗値と抵抗２４ｂの抵抗値によって増幅回路５の電圧増幅率は決定される。
【００２８】
上記増幅回路５はリニア増幅の構成が取られているが、スイッチング増幅器で構成すると、半導体のスイッチング時に発生するノイズによりＰＬＬ制御の安定性に欠けるために、一般的にリニア増幅が用いられている。リニア増幅の場合、増幅器としての出力効率が良くないため、不必要なエネルギは熱損として消費されてしまうため、冷却器の大型化や強制冷却手段などにより解決されているが実状である。
【００２９】
図４に増幅回路５の半導体素子（電力増幅部）２３ａの熱損メカニズムを示す。増幅回路５から見たインピーダンス（負荷）が低い状態で出力が行われると、半導体素子（電力増幅部）２３ａがＯＮしている状態では、可変電源４より供給される電圧ＶinからＯＮ時に出力する電圧Ｖoutを差し引いた電圧、つまり図４の左斜線部の電圧が印加されることとなる。
【００３０】
また、半導体素子（電力増幅部）２３ａがＯＮの時には、図４の網線部の電流Ｉoutが出力されていることから、半導体素子（電力増幅部）２３ａにて熱損となる電力Ｐは式１にて計算できる。
【００３１】
Ｐ＝（Ｖin−（Ｖoutの実効値））×（Ｉoutの実効値）
ここで本超音波手術装置１は定電流制御が行われていることから、Ｉoutの実効値が一定と考えると、Ｖoutの実効値が低ければ低いほど半導体素子（電力増幅部）２３ａが発熱することが分かる。
【００３２】
なお、上記の考え方は半導体素子（電力増幅部）２３ｂの場合も同様であることはいうまでもない。
【００３３】
上記問題はＶinを出力電圧確保可能な電圧に低減させること、もしくはＶoutが大きくなるようにすることで解決可能である。
【００３４】
図５に示すように、可変電源４は、複数の昇圧比となる出力端を有する絶縁トランス２５と、最終的に増幅回路５へ供給する可変電源の電圧を可変させるための絶縁トランス２５の出力を切り換えるリレーからなる電圧切り替え部２６ａ、２６ｂと、電圧切り替え部２６ａ、２６ｂより供給される交流電力を整流平滑し直流電力にエネルギ変換する交流直流変換器２７と、交流直流変換器２７にて変換された直流電力を分圧する分圧部２８と、交流直流変換器２７の出力と分圧部２８の出力とを切り換え増幅回路５に出力するリレーからなる電圧切り替え部２６ｃとから構成される。
【００３５】
電圧切り替え部２６ａ、２６ｂを設けて可変電源４を構成することにより、絶縁トランス２５から供給される交流電圧の昇圧比が自在に決定可能であり、超音波手術装置１に接続された超音波処置具３の種別結果によって駆動時のインピーダンスの大きさも決定されるため、制御回路１１にて適正な可変電源が増幅回路５に供給されるように切り替えることができる。
【００３６】
なお、交流直流変換器２７の直流電力の電圧が可変に出力可能な構成であれば、上記構成を取らなくても、制御回路１１からの制御信号によって増幅回路５に適正な可変電源が供給可能となる。
【００３７】
また、交流直流変換器２７の直流電力の電圧が固定の出力であっても、分圧部２８によって分圧された電圧である直流電源を電圧切り替え部２６ｃにて切り替えることにより上記と同様の効果が得られる。
【００３８】
また、商用電源２側に絶縁トランス２５の昇圧比が変更可能な入力端を設け、商用電源２と絶縁トランス２５との間に電圧切り替え部を配置しても同様の効果が得られることは図示するまでもない。
【００３９】
図６に示すように、検出回路（ＤＥＴ）６は、増幅回路５により出力された超音波エネルギの電圧成分を検出しＰＬＬ制御回路９及び制御回路１１に出力する電圧検出部２９と、増幅回路５により出力された超音波エネルギの電流成分を検出し定電流制御回路８、ＰＬＬ制御回路９及び制御回路１１に出力する電流検出部３０とを備えて構成される。
【００４０】
電流検出部３０は、電流検出を行う電流センサ３３と、電流センサ３３にて検出された電流信号を電圧信号に変換する抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃにて構成されている。
【００４１】
出力トランス７は、超音波処置具３に内在されている振動子１８を効率的に駆動するためのマッチング手段であることは前述した通りであるが、具体的には振動子１８の駆動インピーダンスによって昇圧比を変更可能なように入力端子が複数設けてある。
【００４２】
そして、検出回路（ＤＥＴ）６は、出力トランス７の入力端子を切り替えるための切り替え部３２ａ、３２ｂを備え、切り替え部３２ａ、３２ｂの切り替え端子は上述した抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃを短絡する制御も同時に行っている。
【００４３】
さて、増幅回路５の効率を向上するためのもう一つの解決方法として、増幅回路５から見たインピーダンス（負荷を）高くすることは上述の通りである。
【００４４】
つまり、駆動インピーダンスの大きい超音波処置具３が超音波手術装置１に接続された際にはマッチング手段である出力トランス７の昇圧比を低減することで実現可能である。
【００４５】
駆動インピーダンスの大きい超音波処置具３が接続されたことをＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）１６によって制御回路１１が判別した場合には、出力トランス７の入力端子７ａに接続されるように切り替え部３２ａ、３２ｂを切り替える。
【００４６】
その逆に駆動インピーダンスが小さい超音波処置具３が接続されたと制御回路１１が判別した場合には、出力トランス７の入力端子７ｃに接続されるように切り替え部３２ａ、３２ｂを切り替える。
【００４７】
このようにすることによって、増幅回路５から見た駆動インピーダンスは、昇圧比の２乗の逆数に比例した値となるため、結果として増幅回路５から見た駆動インピーダンスの変動範囲を著しく狭めることが可能となる。
【００４８】
ところが、駆動インピーダンスの範囲を狭める制御のために出力トランス７の昇圧比を変更しているために、昇圧比の逆数にあたる電流を出力トランス７に供給しなくてはならない。
【００４９】
よって、電流検出部３０の検出結果は昇圧比の逆数にあたる電流値を検出し定電流制御回路８に伝達しなければならない。
【００５０】
先行技術では、上記定電流制御回路を複数設けて出力トランス７の切り替え端子毎に設けて、それを出力トランス７の昇圧比切り替えに応じて適正な定電流制御回路を接続する構成となっており、拡張性に富んでいなかった。
【００５１】
本実施の形態では、電流センサ３３に接続されている抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃを出力トランス７のタップ切り替えに応じて変更することで、電流検出部３０にて検出された電流信号を電圧信号に変換する際の定数を変更させ実現を可能としている。
【００５２】
例えば、出力トランス７に設けられている入力端子の各々の巻数比が７ａ：７ｂ：７ｃ＝１：２：３であれば、電流検出手段の抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃはすべて同じ定数とすればよい。つまり入力端子７ａが選択されている場合には超音波エネルギの電流成分は３倍流れればよいので、１／３の電流成分検出つまり抵抗３１ａと抵抗３１ｂがＧＮＤにシ∃ートされるようになっていれば良い。また入力端子７ｃが選択されている際には抵抗３１ａ、抵抗３１ｂがＧＮＤに非接続状態となれば良い。
【００５３】
図７に電流検出部３０の変形例を示す。図７に示すように、変形例の電流検出部３０’では、電流センサ３３に接続されている電圧変換用抵抗３１は１つ接続している。
【００５４】
よって、電流センサ３３と抵抗３１にて検出された電流信号の電圧変換の倍率を変更する構成として、増幅器３４と増幅器３４の増幅率を決定する抵抗３５（３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ）を設けている。
【００５５】
増幅器３４の増幅率の変更方法は切り替え部３２にて切り替わる端子を抵抗３５ａ及び３５ｂに並列に設けることで可能となる。
【００５６】
この際の倍率は出力トランス７の昇圧変更比の逆数となるのは、前述した抵抗３１ａ、３１ｂ、３１ｃと同様の考え方であり、動作説明は割愛する。
【００５７】
このように本実施の形態では、超音波手術装置１に接続される超音波処置具３がどのような駆動インピーダンスを有していても、増幅回路５へ供給される可変電源Ｖinを適正化することで増幅回路５にて損失するエネルギを低減させることが可能であり、増幅回路５の効率が向上するので、冷却手段の小型化及び強制冷却手段の削除が可能となり、小型で安価に、処置具を効率よく駆動させることができる。
【００５８】
また、接続された超音波処置具３の結果によって、音源回路１２を用い各々異なった音を鳴らすことで、術者が出力しようとしている超音波処置具３が何に該当するか判断が容易になる。
【００５９】
また、超音波処置具３によって術者が知り得たい情報も異なってくるが、例えば、先端形状が挟みの様な形状であれば、駆動時にどの程度の力量で挟んでいるかは定電流駆動時の印加電圧で略判断可能であるし、フック形状であれば、駆動し生体に印加した供給した電流や電圧より演算可能なエネルギであり、また穿刺形状であればどの程度の時間穿刺したのかタイマを有していれば判断可能である。この様に接続された超音波処置具３に応じた情報の表示を制御回路１１から表示回路１３に行うことで、より術者はより円滑な作用を行う事が可能となる。
【００６０】
［付記］
（付記項１） 超音波振動を発生する複数の超音波振動子と、前記超音波振動子からの超音波振動を処置部に伝える複数のプローブとを備え、前記プローブの形態毎に異なった識別情報を有するＩＤ手段を有した複数の超音波処置具と、
前記超音波処置具に接続され、前記超音波振動子を駆動する駆動装置と
を具備し、
前記駆動装置は定電流制御手段を有し、
前記駆動装置に接続され前記超音波振動子からの超音波振動の出力オンオフを制御するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段に応じて出力状況を告知手段と
を備えた超音波手術装置において、
前記超音波処置具の種別を前記ＩＤ手段により判別する超音波処置具判別手段と、
前記駆動装置に入力された電源電圧を変化せしめる可変電源手段と、
前記駆動装置の出力インピーダンスを変化せしめるように複数の端子を有したマッチング手段と
を有し、
前記定電流制御手段は、
前記出力インビーダンスの逆数に比例する定数に可変可能な電流検出手段を有し、
前記マッチング手段と前記電流検出手段及び前記告知手段は、
前記超音波処置具判別手段の結果によって制御される
ことを特徴とする超音波手術装置。
【００６１】
（付記項２） 前記可変電源手段は、
異なる昇圧比を有する複数の入出力端子を有する絶縁手段と、
前記入出力端子を切り替える切り替え手段と、
前記切り替え手段の出力を整流する整流平滑手段と
を備えたことを特徴とする付記項１に記載の超音波手術装置。
【００６２】
（付記項３） 前記可変電源手段は、
前記整流平滑手段の出力信号を複数の電圧値に分圧する分圧手段と、
前記分圧手段によって分圧された電圧値を選択する選択手段と
を備えたことを特徴とする付記項２に記載の超音波手術装置。
【００６３】
（付記項４） 前記可変電源手段は、
可変交流直流変換手段で構成されている
ことを特徴とする付記項１に記載の超音波手術装置。
【００６４】
（付記項５） 前記電流検出手段は、
前記マッチング手段に入力される電流値を検出する電流センサを備え、
前記電流センサは、検出定数を複数有し、
前記マッチング手段に設けてある入力端毎の比と前記電流センサの検出定数毎の比が逆数に比例するように切り替わる
ことを特徴とする付記項１に記載の超音波手術装置。
【００６５】
（付記項６） 前記告知手段は、前記振動子駆動時の出力音を鳴らす可変音源手段であり
前記可変音源手段は、超音波処置具判別手段の結果によって音程、リズム、音量が変更可能なことを特徴とする請求項１に記載の超音波手術装置。
【００６６】
（付記項７） 前記告知手段は、前記振動子駆動時の出力状態を視認する為の可変表示手段であり
前記可変表示手段は、超音波処置具判別手段の結果によって表示形態が切り替えられることを特徴とする請求項１に記載の超音波手術装置
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、小型で安価に、処置具を効率よく駆動させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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の超音波処置具の構成を示す構成図
【図３】図１の増幅回路の構成を示す構成図
【図４】図３の増幅回路の半導体素子（電力増幅部）の熱損メカニズムを説明する説明図
【図５】図１の可変電源の構成を示す構成図
【図６】図１の検出回路（ＤＥＴ）の構成を示す構成図
【図７】図６の電流検出部の変形例の構成を示す構成図
【符号の説明】
１…超音波手術装置
２…商用電源
３…超音波処置具
４…可変電源
５…増幅回路
６…検出回路（ＤＥＴ）
７…出力トランス
８…定電流制御回路
９…ＰＬＬ制御回路
１０…乗算器
１１…制御回路
１２…音源回路
１３…表示回路
１４…コネクタ
１５…プラグ
１６…ＩＤ検出回路（ＩＤ ＤＥＴ）
１７…出力ＳＷ
１８…振動子
１９…外装
２０…プロープ
２１…ＩＤ部
２２…オペアンプ
２３ａ、２３ｂ…半導体素子（電力増幅部）
２４ａ、２４ｂ…抵抗
２５…絶縁トランス
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…電圧切り替え部
２７…交流直流変換器
２８…分圧部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer driving apparatus that selectively connects a plurality of ultrasonic treatment instruments having different impedance characteristics.
[0002]
[Prior art]
In general, various surgical apparatuses using ultrasonic waves such as ultrasonic coagulation and incision, ultrasonic clip welding, ultrasonic trocar, etc. have been considered as applied techniques of ultrasonic vibration.
[0003]
In this type of ultrasonic surgical apparatus, an ultrasonic transducer that generates ultrasonic vibrations inside the handpiece that includes a treatment unit that treats living tissue, and the ultrasonic vibrations from the ultrasonic transducers are treated as described above. The probe which transmits to a part is incorporated.
[0004]
When the ultrasonic surgical apparatus is used, the ultrasonic vibration from the ultrasonic transducer is transmitted to the treatment portion through the probe in a state where the treatment portion is in contact with the treatment target site (treated portion) of the living tissue. A living tissue is treated by this ultrasonic vibration.
[0005]
Conventionally, various ultrasonic surgical devices have been proposed. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-267130, a driving voltage (load) state of a treatment instrument used is detected and the information is displayed with high visibility. An ultrasonic surgical apparatus having a configuration has been proposed.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-9488 has connection detection means for discriminating a plurality of vibrators individually so that driving can be surely started at the basic resonance frequency when connecting a plurality of vibrators having different resonance frequencies. An ultrasonic surgical apparatus having a variable oscillation source capable of changing the drive frequency based on the detection result of the connection detection means has been proposed.
[0007]
Furthermore, in Japanese Patent Laid-Open No. 2-290281, in order to drive a vibrator efficiently in connecting a plurality of vibrators having different resonance frequencies, the means for detecting the impedance of each vibrator and the vibrator are driven. There has been proposed an ultrasonic surgical apparatus having a variable matching means for matching with a transducer and controlling the constants of the matching means so as to satisfy the optimum condition based on the impedance detection result.
[0008]
In general, the amplitude of the vibrator is proportional to the value of the current flowing through the vibrator. Therefore, the constant amplitude control that keeps the current supplied to the vibrator constant makes the vibrator amplitude constant. It is a well-known technique, and means for determining the current setting range for each variation of the supply current to the matching transformer caused by making the output impedance variable is determined based on the variable output impedance result. Switching is performed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-267130, the information that can be obtained (displayed) is only voltage information or driving impedance at the time of driving the vibrator, so that the contents to be displayed cannot be changed by the connected vibrator. There's a problem.
[0010]
In the configuration of the above Japanese Patent Laid-Open No. 8-9488, the parameter that can be changed depending on the result of connecting the treatment instrument is the frequency of the variable oscillation source necessary for starting the drive, and in addition, the vibrator (treatment instrument) is efficiently driven. There is a problem that the parameter to be changed cannot be changed.
[0011]
Furthermore, in the configuration of Japanese Patent Laid-Open No. 2-290281 that solves the above-mentioned problem, in order to drive the vibrator efficiently by driving the vibrator once and then detecting the impedance of the connected vibrator. Since the output impedance of the driving device is changed, there is a problem that a step for driving the vibrator is required.
[0012]
In addition, it is possible to change the supply current to the matching transformer caused by making the output impedance variable, and to change the current setting range based on the result of variable output impedance. There is a problem that the current setting means is required for several times in order to cope with the child. That is, only solutions that are not highly scalable are disclosed.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an ultrasonic transducer driving apparatus that can efficiently drive a treatment instrument in a small size and at a low cost.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The ultrasonic transducer driving apparatus according to the present invention is an ultrasonic transducer driving apparatus that selectively connects a plurality of ultrasonic treatment instruments having different impedance characteristics, and a determination unit that determines the connected ultrasonic treatment instrument, A drive unit that drives an ultrasonic transducer provided with an ultrasonic treatment instrument, a current detection unit that detects a drive current of the drive unit, and an output impedance of the drive unit that is switched according to a determination result of the determination unit Matching means, switching means for switching the detection level of the current detection means in conjunction with switching of the matching means, and output control means for controlling the output of the drive means according to the detection result of the current detection means Configured.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
1 to 7 relate to one embodiment of the present invention, FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultrasonic surgical apparatus, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the ultrasonic treatment instrument of FIG. 1, and FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the amplifier circuit in FIG. 1, FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the heat loss mechanism of the semiconductor element (power amplifier) of the amplifier circuit in FIG. 3, and FIG. 5 shows the configuration of the variable power supply in FIG. FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the detection circuit (DET) of FIG. 1, and FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a modification of the current detection unit of FIG.
[0017]
As shown in FIG. 1, the ultrasonic surgical apparatus 1 according to the present embodiment is supplied with power from a commercial power source 2 and is an ultrasonic treatment instrument, for example, a sandwich-type treatment instrument 3 a having a sandwiched tip shape, and a tip shape. A puncture-type treatment instrument 3b having a puncture shape, a hook-type treatment instrument 3c having a tip-shaped hook shape, a pipe-type treatment instrument 3d having a tip-shaped pipe shape, and the like are detachably attached. It is designed to be ultrasonically driven. Hereinafter, these treatment tools 3a, 3b, 3c, and 3d are simply referred to as an ultrasonic treatment tool 3.
[0018]
In addition, as the ultrasonic treatment instrument 3, various tip shapes can be considered depending on combinations of the length in the longitudinal direction and the degree of bending.
[0019]
The ultrasonic surgical apparatus 1 includes a variable power source 4 that converts power input from a commercial power source 2 into a power source that generates ultrasonic energy, and an amplification circuit 5 that generates ultrasonic energy based on the power supplied from the variable power source 4. And a matching means for optimizing the matching between the ultrasonic treatment instrument 3 and the detection circuit (DET) 6 that detects an electrical signal such as voltage and current from the ultrasonic energy output from the amplifier circuit 5. A constant current control circuit 8 for controlling the magnitude of the current signal I detected by the output transformer 7, the detection circuit (DET) 6, and the voltage signal V and current detected by the detection circuit (DET) 6. A PLL control circuit 9 that matches the phase of the signal I, and a multiplier 10 that multiplies the output signal of the constant current control circuit 8 and the frequency signal obtained by the PLL control circuit 9. By input to the amplifier circuit 5 realizes a constant current feedback and PLL feedback.
[0020]
The ultrasonic surgical apparatus 1 includes a control circuit 11 that controls the entire apparatus, and the detection circuit (DET) 6 can change the detection level by a control signal from the control circuit 11. In addition, the control circuit 11 controls the output of the ultrasonic surgical apparatus 1 by an ON signal from the output SW 17.
[0021]
Furthermore, the ultrasonic surgical apparatus 1 includes an ID detection circuit (ID DET) 16 that detects an identification signal of the ultrasonic treatment instrument 3 for determining what shape the treatment instrument 3 is connected to. A sound source circuit 12 that generates a sound corresponding to the type of the ultrasonic treatment device 3 detected by the ID detection circuit (ID DET) 16 under the control of the control circuit 11, and an ID detection circuit ( A display circuit 13 for displaying information according to the type of the ultrasonic treatment device 3 detected by the ID DET) 16 is provided.
The ultrasonic treatment instrument 3 is provided with a plug 15, and the ultrasonic surgical apparatus 1 and the ultrasonic treatment instrument 3 can be freely attached and detached by fitting the plug 14 with the connector 14 of the ultrasonic surgical apparatus 1. It can be connected.
[0022]
As shown in FIG. 2, the ultrasonic treatment instrument 3 includes a vibrator 18 that converts ultrasonic energy supplied from the ultrasonic surgical apparatus 1 into mechanical vibration, and has a screw fastening portion 18 a at the tip thereof. In addition, the vibrator 18 is covered with an exterior 19 of an ultrasonic treatment tool that is included.
[0023]
Further, the probe 20 having various shapes as described above of the ultrasonic treatment instrument 3 is detachably connected to the vibrator 18, and a screw portion provided at the proximal end of the probe 20. The screw 20a is screwed into the screw fastening portion 18a of the vibrator 18 to be detachably connected. Note that the detachable combinations are limited by the screw shape of the transducer 18 and the probe 20.
[0024]
An ID unit 21 that is an ID determining unit that sets an identification signal for each ultrasonic treatment instrument 3 is provided in the exterior 19, and various ultrasonic treatment instruments 3 are attached to the ultrasonic surgical apparatus 1 by the ID unit 21. Even if connected, the ID detection circuit (ID DET) 16 of the ultrasonic surgical apparatus 1 can discriminate.
[0025]
Table 1 shows the impedance (load as viewed from the ultrasonic surgical apparatus 1) when driving the ultrasonic treatment tool 3 connected to each case. Thus, the impedance at the time of driving can be divided into a plurality of levels depending on the shape of the ultrasonic treatment instrument 3, and the efficiency of the ultrasonic surgical apparatus 1 can be improved by controlling in consideration of this impedance. .
[0026]
[Table 1]

As shown in FIG. 3, the amplifier circuit 5 is a semiconductor that amplifies power based on an operational amplifier 22 that amplifies the signal input from the multiplier 10, and a power source that is supplied from the variable power source 4. It comprises elements 23a and 23b. That is, the power amplifying unit is composed of a pair of semiconductor elements 23a and 23b.
[0027]
In FIG. 3, the semiconductor elements 23a and 23b are described as transistors, but may be configured as FETs. Reference numerals 24a and 24b in FIG. 3 are resistors, and the voltage amplification factor of the amplifier circuit 5 is determined by the resistance value of the resistor 24a and the resistance value of the resistor 24b.
[0028]
The amplifier circuit 5 has a configuration of linear amplification, but if it is configured by a switching amplifier, since the PLL control is not stable due to noise generated during semiconductor switching, linear amplification is generally used. . In the case of linear amplification, since the output efficiency as an amplifier is not good, unnecessary energy is consumed as heat loss, and this is solved by increasing the size of the cooler or forced cooling means.
[0029]
FIG. 4 shows a heat loss mechanism of the semiconductor element (power amplifier) 23a of the amplifier circuit 5. When output is performed in a state where the impedance (load) viewed from the amplifier circuit 5 is low, the output is performed from the voltage Vin supplied from the variable power source 4 when the semiconductor element (power amplifier) 23a is ON. The voltage obtained by subtracting the voltage Vout, that is, the voltage in the left hatched portion in FIG. 4 is applied.
[0030]
In addition, when the semiconductor element (power amplifying unit) 23a is ON, the current Iout of the mesh portion in FIG. 4 is output, and thus the power P that causes heat loss in the semiconductor element (power amplifying unit) 23a is expressed by the equation 1 can be calculated.
[0031]
P = (Vin− (effective value of Vout)) × (effective value of Iout)
Here, since constant current control is performed in the ultrasonic surgical apparatus 1, assuming that the effective value of Iout is constant, the lower the effective value of Vout, the more the semiconductor element (power amplification unit) 23a generates heat. I understand that.
[0032]
Needless to say, the above concept is the same for the semiconductor element (power amplification unit) 23b.
[0033]
The above problem can be solved by reducing Vin to a voltage that can secure the output voltage, or by increasing Vout.
[0034]
As shown in FIG. 5, the variable power source 4 includes an insulating transformer 25 having an output terminal having a plurality of boosting ratios, and an output of the insulating transformer 25 for changing the voltage of the variable power source to be finally supplied to the amplifier circuit 5. Voltage switching units 26a and 26b composed of relays for switching between, AC power supplied from the voltage switching units 26a and 26b are rectified and smoothed, and converted into DC power, and converted by the AC / DC converter 27. The voltage dividing unit 28 that divides the DC power that has been generated, and the voltage switching unit 26 c that includes a relay that switches the output of the AC / DC converter 27 and the output of the voltage dividing unit 28 to the amplifier circuit 5.
[0035]
By configuring the variable power supply 4 by providing the voltage switching units 26a and 26b, the step-up ratio of the AC voltage supplied from the insulating transformer 25 can be freely determined, and the ultrasonic treatment connected to the ultrasonic surgical apparatus 1 Since the magnitude of the impedance at the time of driving is also determined by the type result of the tool 3, the control circuit 11 can be switched so that an appropriate variable power supply is supplied to the amplifier circuit 5.
[0036]
In addition, as long as the voltage of the DC power of the AC / DC converter 27 can be variably output, an appropriate variable power supply can be supplied to the amplifier circuit 5 by the control signal from the control circuit 11 without taking the above-described configuration. It becomes.
[0037]
Further, even if the voltage of the DC power of the AC / DC converter 27 is a fixed output, the same effect as described above can be obtained by switching the DC power source, which is the voltage divided by the voltage dividing unit 28, by the voltage switching unit 26c. Is obtained.
[0038]
It is also shown that the same effect can be obtained by providing an input terminal capable of changing the step-up ratio of the insulation transformer 25 on the commercial power supply 2 side and arranging a voltage switching unit between the commercial power supply 2 and the insulation transformer 25. Needless to do.
[0039]
As shown in FIG. 6, the detection circuit (DET) 6 detects a voltage component of the ultrasonic energy output by the amplifier circuit 5 and outputs it to the PLL control circuit 9 and the control circuit 11, and the amplifier circuit 5 includes a current detection unit 30 that detects the current component of the ultrasonic energy output by 5 and outputs the current component to the constant current control circuit 8, the PLL control circuit 9, and the control circuit 11.
[0040]
The current detection unit 30 includes a current sensor 33 that performs current detection, and resistors 31a, 31b, and 31c that convert current signals detected by the current sensor 33 into voltage signals.
[0041]
As described above, the output transformer 7 is a matching means for efficiently driving the transducer 18 included in the ultrasonic treatment instrument 3. Specifically, the output transformer 7 depends on the driving impedance of the transducer 18. A plurality of input terminals are provided so that the boost ratio can be changed.
[0042]
The detection circuit (DET) 6 includes switching units 32a and 32b for switching the input terminals of the output transformer 7, and the switching terminals of the switching units 32a and 32b also perform control for short-circuiting the resistors 31a, 31b, and 31c. Going at the same time.
[0043]
As another solution for improving the efficiency of the amplifier circuit 5, increasing the impedance (load) as seen from the amplifier circuit 5 is as described above.
[0044]
That is, this can be realized by reducing the step-up ratio of the output transformer 7 which is a matching means when the ultrasonic treatment instrument 3 having a large driving impedance is connected to the ultrasonic surgical apparatus 1.
[0045]
When the control circuit 11 determines that the ultrasonic treatment device 3 having a large driving impedance is connected by the ID detection circuit (ID DET) 16, the switching unit 32a is connected to the input terminal 7a of the output transformer 7. , 32b.
[0046]
On the contrary, when the control circuit 11 determines that the ultrasonic treatment instrument 3 having a low driving impedance is connected, the switching units 32a and 32b are switched so as to be connected to the input terminal 7c of the output transformer 7.
[0047]
By doing so, the driving impedance viewed from the amplifier circuit 5 becomes a value proportional to the reciprocal of the square of the boost ratio, and as a result, the fluctuation range of the driving impedance viewed from the amplifier circuit 5 can be significantly narrowed. It becomes possible.
[0048]
However, since the step-up ratio of the output transformer 7 is changed for the control to narrow the drive impedance range, a current corresponding to the reciprocal of the step-up ratio must be supplied to the output transformer 7.
[0049]
Therefore, the current detection unit 30 must detect a current value corresponding to the reciprocal of the step-up ratio and transmit it to the constant current control circuit 8.
[0050]
In the prior art, a plurality of the constant current control circuits are provided for each switching terminal of the output transformer 7 and an appropriate constant current control circuit is connected according to the step-up ratio switching of the output transformer 7. It was not rich in extensibility.
[0051]
In the present embodiment, by changing the resistors 31a, 31b, and 31c connected to the current sensor 33 in accordance with the tap switching of the output transformer 7, the current signal detected by the current detection unit 30 is converted into a voltage signal. It can be realized by changing the constant at the time of conversion.
[0052]
For example, if the turns ratio of each of the input terminals provided in the output transformer 7 is 7a: 7b: 7c = 1: 2: 3, the resistors 31a, 31b, 31c of the current detection means are all set to the same constant. Good. That is, when the input terminal 7a is selected, the current component of the ultrasonic energy only needs to flow three times, so that the current component detection of 1/3, that is, the resistor 31a and the resistor 31b are set to GND. It only has to be. In addition, when the input terminal 7c is selected, the resistor 31a and the resistor 31b may be disconnected from GND.
[0053]
FIG. 7 shows a modification of the current detection unit 30. As shown in FIG. 7, in the current detection unit 30 ′ of the modification, one voltage conversion resistor 31 connected to the current sensor 33 is connected.
[0054]
Therefore, the resistor 35 (35a, 35b, 35c, 35d) for determining the amplification factor of the amplifier 34 and the amplifier 34 is provided as a configuration for changing the voltage conversion magnification of the current signal detected by the current sensor 33 and the resistor 31. ing.
[0055]
The method of changing the amplification factor of the amplifier 34 can be achieved by providing a terminal to be switched by the switching unit 32 in parallel with the resistors 35a and 35b.
[0056]
The magnification at this time is the reciprocal of the step-up change ratio of the output transformer 7, which is the same concept as the resistors 31a, 31b, 31c described above, and the explanation of the operation is omitted.
[0057]
Thus, in the present embodiment, the variable power supply Vin supplied to the amplifier circuit 5 is optimized regardless of the driving impedance of the ultrasonic treatment instrument 3 connected to the ultrasonic surgical apparatus 1. As a result, the energy lost in the amplifier circuit 5 can be reduced and the efficiency of the amplifier circuit 5 can be improved. Therefore, the cooling means can be reduced in size and the forced cooling means can be eliminated. The tool can be driven efficiently.
[0058]
Further, depending on the result of the connected ultrasonic treatment tool 3, it is easy to determine what the ultrasonic treatment tool 3 that the operator is trying to output corresponds to by using the sound source circuit 12 to produce different sounds. Become.
[0059]
In addition, information that the surgeon wants to know differs depending on the ultrasonic treatment tool 3. For example, if the tip shape is a pinch shape, how much force is pinched at the time of driving is determined by constant current driving. If it is a hook shape, it is energy that can be calculated from the supplied current and voltage applied to the living body, and if it is a puncture shape, a timer indicating how long it has been punctured If it has, it can be judged. By displaying information according to the ultrasonic treatment tool 3 connected in this way from the control circuit 11 to the display circuit 13, the operator can perform a smoother action.
[0060]
[Appendix]
(Additional Item 1) A plurality of ultrasonic transducers that generate ultrasonic vibrations and a plurality of probes that transmit ultrasonic vibrations from the ultrasonic transducers to a treatment unit, and different identifications for each form of the probes A plurality of ultrasonic treatment instruments having an ID means having information;
A drive device connected to the ultrasonic treatment instrument and driving the ultrasonic transducer;
The driving device has constant current control means,
Switch means connected to the drive device for controlling on / off of ultrasonic vibration output from the ultrasonic transducer;
In an ultrasonic surgical apparatus provided with an output state notification means according to the switch means,
An ultrasonic treatment instrument discriminating means for discriminating the type of the ultrasonic treatment instrument by the ID means;
Variable power supply means for changing the power supply voltage input to the driving device;
A matching means having a plurality of terminals so as to change the output impedance of the driving device;
The constant current control means includes
Current detecting means that can be varied to a constant proportional to the inverse of the output impedance;
The matching means, the current detection means and the notification means are:
An ultrasonic surgical apparatus controlled by the result of the ultrasonic treatment instrument discrimination means.
[0061]
(Additional Item 2) The variable power supply means includes:
Insulating means having a plurality of input / output terminals having different boost ratios;
Switching means for switching the input / output terminals;
The ultrasonic surgical apparatus according to claim 1, further comprising rectifying and smoothing means for rectifying the output of the switching means.
[0062]
(Additional Item 3) The variable power supply means includes:
Voltage dividing means for dividing the output signal of the rectifying and smoothing means into a plurality of voltage values;
The ultrasonic surgical apparatus according to claim 2, further comprising selection means for selecting a voltage value divided by the voltage dividing means.
[0063]
(Additional Item 4) The variable power supply means includes:
The ultrasonic surgical apparatus according to Additional Item 1, wherein the ultrasonic surgical apparatus is configured by variable AC / DC conversion means.
[0064]
(Additional Item 5) The current detection means includes:
A current sensor for detecting a current value input to the matching means;
The current sensor has a plurality of detection constants,
The ultrasonic surgical apparatus according to claim 1, wherein a ratio for each input end provided in the matching unit and a ratio for each detection constant of the current sensor are switched so as to be proportional to an inverse number.
[0065]
(Additional Item 6) The notification means is a variable sound source means for outputting an output sound when the vibrator is driven, and the variable sound source means can change a pitch, a rhythm, and a sound volume according to a result of the ultrasonic treatment instrument determination means. The ultrasonic surgical apparatus according to claim 1.
[0066]
(Additional Item 7) The notification means is a variable display means for visually recognizing an output state at the time of driving the vibrator, and the variable display means indicates that a display form is switched depending on a result of the ultrasonic treatment instrument determination means. The ultrasonic surgical device according to claim 1, characterized in that
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an effect that the treatment instrument can be efficiently driven in a small size and at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic surgical apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic treatment instrument in FIG. 1. FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the heat loss mechanism of the semiconductor element (power amplification unit) of the amplifier circuit of FIG. 3. FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the variable power supply of FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the detection circuit (DET) in FIG. 1. FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a modification of the current detection unit in FIG.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic surgery apparatus 2 ... Commercial power supply 3 ... Ultrasonic treatment tool 4 ... Variable power supply 5 ... Amplification circuit 6 ... Detection circuit (DET)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Output transformer 8 ... Constant current control circuit 9 ... PLL control circuit 10 ... Multiplier 11 ... Control circuit 12 ... Sound source circuit 13 ... Display circuit 14 ... Connector 15 ... Plug 16 ... ID detection circuit (ID DET)
17 ... Output SW
18 ... vibrator 19 ... exterior 20 ... probe 21 ... ID part 22 ... operational amplifier 23a, 23b ... semiconductor element (power amplification part)
24a, 24b ... resistor 25 ... insulating transformers 26a, 26b, 26c ... voltage switching unit 27 ... AC / DC converter 28 ... voltage dividing unit

Claims (1)

インピーダンス特性が異なる複数の超音波処置具を選択的に接続する超音波振動子駆動装置において、
接続された超音波処置具を判別する判別手段と、
前記超音波処置具の設けられた超音波振動子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段の駆動電流を検出する電流検出手段と、
前記判別手段の判別結果に応じて前記駆動手段の出力インピーダンスを切り替えるマッチング手段と、
前記マッチング手段の切り替えに連動して前記電流検出手段の検出レベルを切り替える切り替え手段と、
前記電流検出手段の検出結果に応じて前記駆動手段の出力を制御する出力制御手段と
を備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。In an ultrasonic transducer driving apparatus that selectively connects a plurality of ultrasonic treatment instruments having different impedance characteristics,
A discriminating means for discriminating the connected ultrasonic treatment tool;
Driving means for driving an ultrasonic transducer provided with the ultrasonic treatment instrument;
Current detection means for detecting a drive current of the drive means;
Matching means for switching the output impedance of the driving means in accordance with the discrimination result of the discrimination means;
Switching means for switching the detection level of the current detection means in conjunction with switching of the matching means;
An ultrasonic transducer drive apparatus comprising: output control means for controlling the output of the drive means in accordance with a detection result of the current detection means.

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