JP5080460B2 - 流量監視による吸引制御 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、小型外科手術システムにおける吸引制御に関し、特に、眼科用の小型外科手術システム吸引制御に関する。

外科手術において小さく切開する際、特に、眼科外科手術の場合、患部に小さなプローブを挿入して、組織を、切開、除去、あるいは、処置する。このような外科手術の際には、通常、目に液体を注入し、患部から注入された液体と組織を吸引する。外科手術の条件と目的に応じて、効果的で安全な液体と組織の除去方法が模索される。

本発明以前に使用されていた吸引システムのタイプは、一般に、システムで使用されるポンプのタイプよって、流量制御、あるいは、真空制御として特徴付けられる。各タイプのシステムは、それぞれ固有の長所を持っている。

真空制御吸引システムは、所望の真空レベルを設定して操作する。流量は、眼球内圧力、真空レベル、および、流路抵抗に依存する。実際の流量に関して情報を得ることができない。真空制御吸引システムは、通常、ベンチュリポンプ、あるいは、ダイアフラムポンプを使用する。真空制御吸引システムは、応答性が良い、真空レベルを下げる制御性が良い、および、気体を吸引する過程、例えば、気体と液体を交換する過程での流体力学的な挙動が優れているという長所を持つ。この種のシステムの欠点は、流量に関する情報に欠け、閉塞検出の欠如に伴う、水晶体超音波吸引、あるいは、切断を行っている間に過渡的な大きな流れを発生することである。真空制御吸引システムは、比較的小さく切開する外科手術ではリアルタイムで流量を計測できないという問題を持つため、流量制御モードで作動させることは困難である。

流量制御吸引システムは、所望の吸引流量を設定して作動させる。流量制御吸引システムは、通常、蠕動、スクロール、あるいは、ベーンポンプを使用する。流量制御吸引システムは、閉塞下で、流量が安定し、自動的に真空レベルを上げるという長所を持つ。この種のシステムの欠点は、比較的応答が遅いこと、伸展性の大きな部品を使用した時に望ましくない閉塞破れを起こすこと、および、先端が閉塞している間は真空がリニアに減少しないことである。流量制御吸引システムは、真空測定時の時間遅延が制御ループを不安定にして迅速な挙動を妨げるので、真空制御モードで作動させるのは困難である。

現在、入手可能な眼球用外科手術システムのひとつである、シュトルツ・インスツール社のＭＩＬＬＥＮＩＵＭシステムは、真空制御吸引システム（ベンチュリポンプを使用）と流量制御吸引システム（スクロールポンプを使用）の両方を備えている。この２つのポンプは同時に使用できず、それぞれのポンプには、別々の吸引チューブとカセットが必要である。

もうひとつの、現在、入手可能な眼球用外科手術システムである、アルコン研究所社のＡＣＣＵＲＵＳ（登録商標）システムは、連続作動する、ベンチュリポンプと蠕動ポンプを備えている。ベンチュリポンプは、患部から物体を小さい収集チャンバーに吸引する。蠕動ポンプは、吸引物を小さい収集チャンバーから大きな収集袋に吸い上げる。蠕動ポンプは、患部に吸引力を供給しない。このように、システムは、真空制御吸引システムとして作動する。

したがって、小型外科手術システムでは、吸引された組織と液体を有効かつ安全に除去する改良された方法の需要は依然として残っている。

本発明は、小型外科手術システムにおける、吸引制御方法である。所望の吸引流量は、加圧された気体源、真空発生器、および、ポンプを使って吸引室の中で生成される。液体は、外科手術装置からこの吸引室へ吸引される。 この液体の実際のレベルは、吸引室の中で決定される。

本発明の一側面として、吸引流量は、この液体の実際のレベルに応じて計算される。吸引流量の変化は、閉塞を検出するように監視される。

本発明の別の側面として、吸引抵抗は、吸引流量に応じて計算される。吸引抵抗の変化は、閉塞を検出するように監視される。

図１を参照することによって、本発明の好適な実施形態と効果を最もよく理解することが出来る。小型外科手術システム１０は、加圧された気体源１２、遮断弁１４、真空比例弁１６、オプショナルの第二の真空比例弁１８、圧力比例弁２０、真空発生器２２、圧力変換機２４、吸引チャンバー２６、流体レベルセンサ２８、ポンプ３０、収集袋３２、吸引ポート（吸引口）３４、外科手術装置３６、コンピュータ、あるいは、マイクロプロセッサ３８、および、比例制御装置４０を備えている。システム１０の部品は、流体的に、配管４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６、および、５８を介して連通されている。システム１０の部品は、電気的に、インターフェイス６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４および、７６を介して接続されている。弁１４は、好適には、“ＯＮ／ＯＦＦ”ソレノイド弁であることが望ましい。弁１６−２０は、好適には、“比例（可変）”ソレノイド弁であることが望ましい。真空発生器２２は、真空を発生する適当な装置であればよいが、好適には、遮断弁１４と真空比例弁１６（、あるいは／および、１８）が開き、加圧された気体源１２からの気体が真空発生器２２を通過する場合に真空を発生する、真空ユニット、あるいは、ベンチュリユニットであることが望ましい。圧力変換機２４は、直接的、あるいは、間接的に圧力と真空度を測定できる適当な装置であればよい。流体レベルセンサ２８は、吸引チャンバー２６の中の流体４２のレベルを測定できる適当な装置であればよいが、好適には、このレベルを連続的に測定できることが望ましい。ポンプ３０は、真空を発生できる適当な装置であればよいが、好適には、蠕動ポンプ、スクロールポンプ、あるいは、ベーンポンプであることが望ましい。マイクロプロセッサ３８は、フィードバック制御、好適には、ＰＩＤ制御を実装できることが望ましい。比例制御器４０は、システム１０、および／あるいは、外科手術装置３６を比例制御できる適当な装置であればよいが、好適には、フットコントローラが望ましい。

好適には、システム１０は、明確に区別される３つの吸引制御方法、すなわち、真空制御、吸引制御、および、流量制御を使用するのが望ましい。
真空制御モードでは、マイクロプロセッサ３８は、インターフェイス６６を介して遮断弁１４を作動せしめ、インターフェイス７０を介して圧力弁２０を閉じた状態に維持する。比例制御器４０とマイクロプロセッサ３８は、真空比例弁１６（および、より高い真空を得るためには、オプショナルの第二の真空比例弁１８）を、インターフェイス６０、６４、６８を介して、比例的に開閉するのに使われる。外科医は、最大真空レベルをマイクロプロセッサ３８に入力する。そして、外科医は、比例制御器４０を使って、外科手術装置３６と吸引チャンバー２６に真空発生器２２を通して供給される真空を、ゼロと前記最大真空レベルの間で、所望する真空度に比例的に変えることができる。外科手術装置３６によって吸引された流体４２で吸引チャンバー２６が満たされると、圧力変換機２４は、吸引チャンバー２６内の実際の真空度を測定し、これに対応する信号を、インターフェイス７２を経由して、マイクロプロセッサ３８に送信する。次に、比例制御器４０によって指示される所望の真空度を維持するため、マイクロプロセッサ３８は、インターフェイス６４、６８を経由して真空比例弁１６、１８にフィードバック信号を送信する。

吸引制御モードでは、マイクロプロセッサ３８は、弁１４、１６、１８、および、２０を作動せしめる。システム１０は、小さな正の値の圧力値から大きな負の圧力値（真空度）の吸引範囲を外科手術装置３６と吸引チャンバー２６に供給するように構成されている。この範囲は、好適には、略＋１５０ｍｍＨｇから略−６５０ｍｍＨｇである。外科医は、比例制御装置４０を使用して、この範囲で、加圧された気体源１２と真空発生器２２を介して、外科手術装置３６と吸引チャンバー２６に供給される吸引を、所望の吸引に比例的に変えることができる。この所望の吸引に対応する信号が、インターフェイス６０を経由して、マイクロプロセッサ３８に送信される。圧力変換機２４は、吸引チャンバー２６内の実際の吸引圧力に対応する信号を、インターフェイス７２を介して、マイクロプロセッサ３８に送信する。これを受け、マイクロプロセッサ３８は、外科手術装置３６と吸引チャンバー２６内の吸引を所望の値に維持するように、それぞれ、インターフェイス６４、６８、および、７０を介して、弁１６、１８、および、２０の任意の組み合わせに、フィードバック信号を送る。この吸引制御モードで、目から外科手術装置３６と吸引チャンバー２６の中への流れが発生しないように、マイクロプロセッサ３８が、弁１６、１８を閉じ、弁２０を開いて、目の中の圧力と等しい吸引チャンバー２６内の圧力を作り出せることは、当業者にとって明らかである。

流量制御モードでは、マイクロプロセッサ３８は、弁１４、１６、１８、および、２０を作動せしめる。システム１０は、流量ゼロから流量の最大値までの流量範囲を外科手術装置３６と吸引チャンバー２６に供給するように構成されている。外科医は、比例制御装置４０を使用して、この範囲で、外科手術装置３６と吸引チャンバー２６の流量を所望の吸引流量に比例的に変化させることができる。流量は、下記の計算式で計算できる。
Ｑ_suction ＝ Ｑ_pump（Ｎ，Ｐ） ＋ Ａ ｄｚ／ｄｔ
ここで、
Ｑ_suction：吸引流量
Ｑ_pump：ポンプの流量
Ｎ：ポンプ３０の回転速度
Ｐ：圧力変換機２４で測定された吸引圧力
Ａ：吸引チャンバー２６の断面積
ｚ：流体レベルセンサ２８で測定された吸引チャンバー２６の中の流体４２のレベル
である。
所望するＱ_suctionに対応する信号は、インターフェイス６０を経由して、マイクロプロセッサ３８に供給される。マイクロプロセッサ３８は、インターフェイス７４を経由して、所望するＱ_suctionに応じて、ポンプ３０にポンプ回転速度Ｎに対応する信号を送信する。流体レベルセンサ２８は、インターフェイス７６を経由して、マイクロプロセッサ３８に吸引チャンバー２６内の流体の実際のレベルに対応する信号を送信する。
上述したように、Ｑ_suctionを所望の値に維持するために、マイクロプロセッサ３８は、流量制御モードを使用する。より具体的には、マイクロプロセッサ３８は、Ｑ_suctionを所望の値に維持するように、吸引チャンバー２６内の流体の実際のレベルに応じてＱ_suctionを計算し、それぞれ、インターフェイス６４、６８、および、７０を介して、弁１６、１８、および、２０の任意の組み合わせにフィードバック信号を送信する。吸引制御モードでは、その一制御として、圧力変換機２４は、インターフェイス７２を経由して、吸引チャンバー２６内の実際の吸引圧力Ｐに対応する信号をマイクロプロセッサ３８に送信する。流量制御モードで、マイクロプロセッサ３８が、流量を維持するように、吸引チャンバー２６内の流体４２のレベルを一定値に維持（ｄＺ／ｄｔ＝０）できることは、当業者にとって明らかである。

吸引制御モードで、吸引抵抗は、次のように定義できる。
Ｉ ＝ （Ｐ_suction − Ｐ_reference）／ Ｑ_suction
ここで、
Ｉ ；吸引抵抗、
Ｑ_suction ；吸引流量、
Ｐ_suction ；圧力変換機２４で測定された吸引圧力、
Ｐ_reference ；参照圧力、例えば、小型外科手術システムの吸引回路における、目の中の圧力、あるいは、注入圧力、洗浄圧力、あるいは、小型外科手術システムの注入回路内の大気圧である。
上述したように、従来の真空制御システムは、吸引回路内の閉塞を検出できず、従来の流量に基づいた吸引システムは、計測された真空度を監視することで、吸引回路内での閉塞を検出できた。ところが、Ｑ_suction、あるいは、Ｉの変化を監視することが、小型外科手術システムの吸引回路内での閉塞を検出する、より効果的で安全な方法であるということが発見された。また、Ｑ_suction、あるいは、Ｉの変化を監視して閉塞検出する方が、外科医にとって、閉塞の原因となる物体を特徴づけ易い。さらに、Ｑ_suctionよりもＩの変化を監視する方が望ましいと考えられている。好適には、マイクロプロセッサ３８が、このようなＱ_suction、あるいは、Ｉの変化をリアルタイムで監視する方が望ましい。

一端、Ｑ_suction、あるいは、Ｉの変化を監視することで閉塞を検出すると、マイクロプロセッサ３８は、その他の外科手術パラメータを自動的に調整するので、外科手術のスピードと安全性を高めることができる。たとえば、外科手術装置３６が、水晶体吸引プローブであれば、超音波エネルギー、所望する吸引圧力、所望する吸引流量、あるいは／および、注入圧力が、Ｑ_suction、あるいは、Ｉの変化に応じてリアルタイムで調整される。別の例として、外科手術装置３６が、硝子体切除プローブであれば、切除率、ポート開口デューティ・サイクル、所望する吸引圧力、所望する吸引流量、あるいは／および、注入圧力が、Ｑ_suction、あるいは、Ｉの変化に応じてリアルタイムで調整される。さらに、マイクロプロセッサ３８は、Ｉの変化を使用して、（聴覚、視覚、あるいは、触覚を通じて伝える）適当な装置を介して、たとえば、粘性などの流体、あるいは、組織の特性を、外科医に報告することもできる。

以上、実施例を用いて本発明を説明したが、当業者は多様な変形態様を考案することができる。たとえば、小型外科手術システムの吸引回路での閉塞検出に関して、本発明を説明したが、小型外科手術システムの注入回路での閉塞検出にも応用することができる。

以上の記載により、本発明の構成と動作は明らかである。ここに記載された装置と方法は好適な実施例であって、如何なる設計変更も変形例も、請求項で定義される本発明の範囲から逸脱せずその範囲に入るものである。

小型外科手術システムの吸引制御を示した概略図である。

Claims (18)

1. 小型外科手術システムの吸引制御装置において、
   加圧された気体源と、
   前記気体源に流体的に連結している真空発生器と、
   前記気体源と前記真空発生器に流体的に連通している吸引チャンバーと、
   前記吸引チャンバーに作動可能に連結されている流体レベルセンサと、
   前記吸引チャンバーに流体的に連通されているポンプと、
   比例制御器と、
   前記流体レベルセンサ、前記ポンプ、および、前記比例制御器に電気的に接続されているコンピュータを備え、
   前記比例制御器を用いて所望する前記吸引チャンバーの吸引流量を選択した時、前記流体レベルセンサは、前記吸引チャンバー内の実際の流体レベルを測定し、該測定した流体レベルに対応する信号を前記コンピュータへ送信し、前記コンピュータは、前記測定した流体レベルに応じて吸引流量を計算し、閉塞を検出するために前記吸引流量の変化を監視することを特徴とする小型外科手術システムの吸引制御装置。
2. 前記吸引チャンバーに流体的に連通している、組織を吸引する外科手術装置をさらに備え、前記コンピュータが、前記閉塞に応じて前記外科手術装置の外科手術パラメータを調整し、該外科手術パラメータが、超音波エネルギー、所望の吸引流量、所望の吸引圧力、注入圧力、切除率、ポート開口デューティ・サイクルからなるグループの中から選択されることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記真空発生器が、真空ユニットであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
4. 前記真空発生器が、ベンチュリ・ユニットであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
5. 前記ポンプが、蠕動ポンプであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
6. 前記小型外科手術システムが、眼科用小型外科手術システムであることを特徴とする、請求項１記載の装置。
7. 小型外科手術システムの吸引制御方法において、
   前記小型外科手術システムは、
   加圧された気体源と、
   前記気体源に流体的に連結している真空発生器と、
   前記気体源と前記真空発生器に流体的に連通している吸引チャンバーと、
   前記吸引チャンバーに作動可能に連結されている流体レベルセンサと、
   前記吸引チャンバーに流体的に連通されているポンプと、
   前記流体レベルセンサおよび前記ポンプに電気的に接続されているコンピュータを備え、
   当該吸引制御方法は、
   前記加圧された気体源、前記真空発生器、および、前記ポンプが前記吸引チャンバー内の所望の吸引流量を生成する工程と、
   前記吸引チャンバー内の流体の実際のレベルを前記流体レベルセンサが測定する工程と、
   前記流体の実際のレベルに応じて前記コンピュータが吸引流量を計算する工程と、
   閉塞を検出するために前記コンピュータが前記吸引流量の変化を監視する工程を有することを特徴とする小型外科手術システムの吸引制御方法。
8. 前記監視工程に応じて、組織を吸引するための外科手術装置の外科手術パラメータを前記コンピュータが調整する工程であって、前記外科手術パラメータが、超音波エネルギー、所望の吸引流量、所望の吸引圧力、注入圧力、切開率、ポート開口デューティ・サイクルからなるグループの中から選択される、工程を更に有することを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 小型外科手術システムの吸引制御装置において、
   加圧された気体源と、
   前記気体源に流体的に連結している真空発生器と、
   前記気体源と前記真空発生器に流体的に連通している吸引チャンバーと、
   前記吸引チャンバーに作動可能に連結されている流体レベルセンサと、
   前記吸引チャンバーに流体的に連通されているポンプと、
   比例制御器と、
   前記流体レベルセンサ、前記ポンプ、および、前記比例制御器に電気的に接続されているコンピュータを備え、
   前記比例制御器を用いて所望する前記吸引チャンバーの吸引流量を選択した時、前記流体レベルセンサは、前記吸引チャンバー内の実際の流体レベルを測定し、該測定した流体レベルに対応する信号を前記コンピュータへ送信し、
   前記コンピュータは、
   前記測定した流体レベルに応じて、吸引流量を計算し、
   前記吸引流量に応じて、吸引抵抗を計算し、
   閉塞を検出するために、前記吸引抵抗の変化を監視することを特徴とする小型外科手術システムの吸引制御装置。
10. 前記吸引チャンバーに流体的に連通している、組織を吸引する外科手術装置をさらに備え、前記コンピュータが、前記閉塞に応じて前記外科手術装置の外科手術パラメータを調整し、該外科手術パラメータが、超音波エネルギー、所望の吸引流量、所望の吸引圧力、注入圧力、切開率、ポート開口デューティ・サイクルからなるグループの中から選択されることを特徴とする、請求項９記載の装置。
11. 前記真空発生器が、真空ユニットであることを特徴とする、請求項９記載の装置。
12. 前記真空発生器が、ベンチュリ・ユニットであることを特徴とする、請求項９記載の装置。
13. 前記ポンプが、蠕動ポンプであることを特徴とする、請求項９記載の装置。
14. 前記小型外科手術システムが、眼科用小型外科手術システムであることを特徴とする、請求項９記載の装置。
15. 前記コンピュータが、前記吸引抵抗に応じて、組織の特徴を外科医に伝達することを特徴とする、請求項１０記載の装置。
16. 小型外科手術システムの吸引制御方法において、
    前記小型外科手術システムは、
    加圧された気体源と、
    前記気体源に流体的に連結している真空発生器と、
    前記気体源と前記真空発生器に流体的に連通している吸引チャンバーと、
    前記吸引チャンバーに作動可能に連結されている流体レベルセンサと、
    前記吸引チャンバーに流体的に連通されているポンプと、
    前記流体レベルセンサおよび前記ポンプに電気的に接続されているコンピュータを備え、
    当該吸引制御方法は、
    前記加圧された気体源、前記真空発生器、および、前記ポンプが前記吸引チャンバー内の所望の吸引流量を生成する工程と、
    前記吸引チャンバー内の流体の実際のレベルを前記流体レベルセンサが測定する工程と、
    前記流体の実際のレベルに応じて、前記コンピュータが吸引流量を計算する工程と、
    前記吸引流量に応じて、前記コンピュータが吸引抵抗を計算する工程と、
    閉塞を検出するために、前記コンピュータが前記吸引抵抗の変化を監視する工程を有することを特徴とする小型外科手術システムの吸引制御方法。
17. 前記監視工程に応じて、組織を吸引するための外科手術装置の外科手術パラメータを前記コンピュータが調整する工程であって、前記外科手術パラメータが、超音波エネルギー、所望の吸引流量、所望の吸引圧力、注入圧力、切開率、ポート開口デューティ・サイクルからなるグループの中から選択される、工程を更に有することを特徴とする、請求項１６記載の方法。
18. 前記吸引抵抗に応じて、前記コンピュータが流体の特徴を外科医に伝達する工程を更に有することを特徴とする、請求項１６記載の方法。

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