JP2001170066A

JP2001170066A - 超音波処置具

Info

Publication number: JP2001170066A
Application number: JP36294299A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miyawaki; 宮脇　　誠
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の周波数により駆動可能で、選択された駆
動周波数によらず処置部の振動速度が一定な超音波処置
具の提供を目的としている。【解決手段】本発明は、複数の周波数で駆動可能な超音
波振動子４と、超音波振動子に着脱自在に取り付けられ
且つ超音波振動を先端の処置部１５に伝達する振動伝達
部材２とから構成される超音波処置具において、駆動周
波数によらず、振動伝達部材２の先端処置部１５におけ
る振動速度がほぼ等しいことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波振動を利用し
て治療を行なう超音波処置具に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波処置具は、外科手術において生体
組織を出血することなく乳化、破砕、凝固、切開等する
ために用いられ、一般的には２０〜６０ｋＨｚの範囲に
おける１種類の固定周波数による手術システムが普及し
ている。

【０００３】生体組織の弾性や脆性など物理的特性の差
異のため、超音波振動の周波数によって処置性能が異な
ることは当業者に良く知られているところである。例え
ば、硬い組織には２０ｋＨｚ程度の低い周波数が効果的
であり、柔らかい組織には４０〜６０ｋＨｚの高い周波
数がより有効である。また、低い周波数では組織の乳
化、破砕が良好に行なえ、高い周波数ではより凝固性が
増すことも知られている。

【０００４】ここで、超音波振動が生体に与える総合的
な効果量（破砕量、凝固範囲、出血の有無）としては、
振動振幅ではなく振動速度（＝２π《振幅》×《周波
数》）が大きく影響し、２０〜１００ｋＨｚの範囲にお
いて５〜１５ｍ／ｓ²程度で出血することなく且つ有効
な効果を得ることが可能である。なお、特開平９−１３
５８４２号公報や特開平１１−１１３９２０号公報に
は、複数の周波数を選択的に或いは多周波調和振動とし
て出力可能な超音波処置具が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、超音波処置具
は、所定の駆動周波数で振動する超音波振動子と、超音
波振動子で発生する振動を伝達するための振動伝達部材
とを備えており、前記振動伝達部材の先端の処置部で生
体組織に処置を施す。また、前記振動子で発生する超音
波出力は、生体組織の処置を行なうためには振動エネル
ギが小さいため、通常は、振動伝達部材にホーンと呼ば
れる断面積縮小部を構成することにより、所望の振動エ
ネルギに増幅している。ところが、駆動周波数を切換え
た際に、振動伝達部材の振動分布が変化することによ
り、振動伝達部材のホーンによる振幅増加率あるいは振
動速度増幅率（以下、変成比という。）が大きく変わ
り、処置効果の低下や意図せぬ出血、さらに、応力集中
による振動伝達部材の破損を引き起こす可能性がある。

【０００６】駆動電源装置から振動子に供給する電力を
周波数に応じて変化させて周波数間の振動エネルギの補
正を行なう従来の方法は、振動子の強度や発熱による特
性劣化が発生しない狭い範囲でのみしか実現できず、振
動伝達部材の変成比の補正を行なうことは事実上困難で
ある。また、複数の振動伝達部材から構成される超音波
処置システムを構築するためには、全ての振動伝達部材
の変成比を周波数間で同等にするか、あるいは、全ての
振動伝達部材において駆動周波数間での変成比の変化を
一定比率に揃える必要がある。

【０００７】このように、従来の多周波数の超音波処置
具では、選択された駆動周波数ごとに処置部の振動速度
が異なり、十分な処置効果を確保できないという問題が
あった。

【０００８】本発明は前記事情に着目してなされたもの
であり、その目的とするところは、複数の周波数により
駆動可能で、選択された駆動周波数によらず処置部の振
動速度が一定な超音波処置具を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載された発明は、複数の周波数で駆動
可能な超音波振動子と、超音波振動子に着脱自在に取り
付けられ且つ超音波振動を先端の処置部に伝達する振動
伝達部材とから構成される超音波処置具において、駆動
周波数によらず、振動伝達部材の先端処置部における振
動速度がほぼ等しいことを特徴とする。

【００１０】また、請求項２に記載された発明は、複数
の周波数で駆動可能な超音波振動子と、超音波振動子に
着脱自在に取り付けられ且つ超音波振動を先端の処置部
に伝達する振動伝達部材とから構成される超音波処置具
において、駆動周波数によらず、振動速度変換率がほぼ
等しくなるホーンを振動伝達部材に具備したことを特徴
とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について説明する。

【００１２】図１〜図４は本発明の第１の実施形態を示
している。図１に示されるように、本実施形態の超音波
処置具は、トランスデューサーユニット１と、振動伝達
部材２と、シースユニット３とから構成されている。振
動伝達部材２の先端は、超音波振動エネルギによって生
体組織を処置する処置部１５として形成されている。ト
ランスデューサーユニット１は、ボルト締めランジュバ
ン型振動子４（以下、ＢＬＴという。）がケーシング９
に内蔵されて成る。ＢＬＴ４は、チタン酸バリウムまた
はジルコン酸チタン酸鉛などの圧電素子６と電極板７と
を複数枚ずつ交互に積層することによって構成されてお
り、ボルト部５ｄを有するフロントマス５とナット部８
ｄを有するバックマス８とが締め付けられることにより
組み立てられる。フロントマス５の先端５ａには、振動
伝達部材２が着脱自在に取り付ける雌ねじが切られてい
る。また、フロントマス５にはその全長にわたって貫通
孔５ｂが形成されている。

【００１３】ＢＬＴ４は、その全長を半波長とする周波
数ｆ１の基本振動モードと、基本振動ｆ１の３倍の周波
数ｆ２（＝３×ｆ１）における２つの振動モードで、共
に効率よく駆動できるように設計されている。ここ
で、それぞれの周波数の波長をλ_１、λ_２とする。な
お、波長は素材の音速Ｃと周波数ｆとから決定され、λ
＝ｃ／ｆである。

【００１４】図２の（ａ）中には、基本振動の振動分布
が実線で、また、３倍の周波数ｆ２の振動分布が破線で
示されている。

【００１５】一般に、複数の周波数で駆動可能なＢＬＴ
４において、基本振動の整数倍の高次周波数振動におけ
る振動速度は、基本振動の振動速度より減少する傾向に
ある。本実施形態では、フロントマス５に断面積縮小部
を設け、主にｆ２の振動を増幅することにより、ｆ１と
ｆ２の周波数によらずフロントマス５の先端部での振動
速度をほぼ同等としている。また、ＢＬＴ４にあって
は、図２の（ｂ）に示すように、それぞれの振動モード
の節点付近に圧電素子６と電極板７とが配置されること
により、ｆ１とｆ２の振動速度の差異を極力小さくする
ことが可能である。あるいは、駆動電源装置（図示しな
い）からＢＬＴ４に供給される電力の制御を行なうこと
により、ＢＬＴ４の振動モード間で発生する振動速度の
差異を補正することも可能である。

【００１６】周波数ｆ１，ｆ２両方の振動モードにて振
動の節となる位置にはフランジ部５ｃが形成されてい
る。フランジ部５ｃの前後をゴム部材１０で挟み込み、
ケーシング９と締め付けリング１１とをネジ止めするこ
とにより、ＢＬＴ４がケーシング９に保持されている。

【００１７】ＢＬＴ４の基端側ではボトル部５ｄがバッ
クマス８から後方に突出しており、このボルト部５ｄに
は、シール部材１２を挟んでケーシング９に取り付けら
れた口金１３が水密状態で接続されている。なお、口金
１３には吸引ポンプ（図示しない）から延びる吸引チュ
ーブが接続される。

【００１８】電極板７にはリード線１４ａ，１４ｂが半
田付けされている。これらのリード線１４ａ，１４ｂ
は、ケーシング９の後端に取付けられたコード１４ｃに
接続されている。なお、コード１４ｃは電源装置（図示
しない）に接続される。

【００１９】図１に示されるように、シースユニット３
は、樹脂性のシース１９と、シース取り付け部材２０
と、シース取り付け部材２０に取り付けられた送水用口
金２１とから構成されている。シース取り付け部材２０
の基端部２０ａには、トランスデューサーユニット１の
ケーシング９がクリック状に着脱自在に嵌合されてい
る。

【００２０】振動伝達部材２の振動分布が図２の（ａ）
に示されている。本実施形態では、振動伝達部材２は、
周波数ｆ１で半波長×２、ｆ２で半波長×６の定在波振
動となる。振動伝達部材２の基端部にはＢＬＴ４の先端
ネジ部５ａに対応したネジ部２ａが形成されており、し
たがって、振動伝達部材２はＢＬＴ４に着脱可能に接続
される。また、振動伝達部材２にはその全長にわたって
貫通穴２ｂが形成されている。

【００２１】振動伝達部材２は、図２の（ａ）中のＡ，
Ｂで示す位置にステップホーンを備えおり、これらのス
テップホーンで振動速度を増幅している。この振動速度
の増幅率（以下、変成比という。）は、後述するよう
に、ｆ１，ｆ２の両方の周波数で同程度となる。なお、
物理的に振幅の増加率と振動速度の増加率は等しくな
る。

【００２２】図２の（ａ）中の＊で示された部分に関
し、断面積をＳ１からＳ２に縮小させたステップホーン
の面積縮小位置（図中、Ｌで示されている）と変成比と
の関係が図３に示されている。周波数ｆ１での変成比が
実線で、また、ｆ２の周波数の変成比が破線で示されて
いる。図３において、変成比は周波数によらず振動の節
位置において極大値Ｓ１／Ｓ２をとる。ここで、実線と
破線の交点位置（Ａ，Ａ’，Ａ”）にてステップホーン
を構成すると、ｆ１とｆ２の両方の周波数にて変成比を
ほぼ同等とすることができる。このような点は、周波数
ｆ１の半波長の範囲において３箇所存在するが、本実施
形態では、変成比が最大となるＡの位置にてホーンを構
成している。これと同様に、先端側のλ₁／２の振動系
においても、Ｂにてステップホーンを構成している。

【００２３】最大変成比（Ｓ１／Ｓ２）を変化させた時
のｆ１，ｆ２の振動拡大率が図４に示されている。基本
周波数ｆ１の節位置以外の破線と実線との交点は僅かに
その位置を変えるため、基本周波数ｆ１の節位置にてホ
ーンを構成することが設計を行なう上で容易である。

【００２４】次に、上記構成の超音波処置具の作用につ
いて説明する。

【００２５】まず、処置を行なうべき生体組織を最も効
果的に処置が可能な周波数を電源装置の周波数切換えス
イッチ（図示せず）にて選択する。また、電源装置の出
力設定レベルを選択する。

【００２６】以上の設定が完了したら、先端処置部１５
を組織に接触させてフットスイッチ（図示せず）を踏
む。これにより、選択された周波数および出力レベルに
て超音波振動が制御される。同時に、送水用口金２１か
ら冷却水が振動伝達部材２とシースユニット３との間か
ら先端側に流れる。また、吸引用口金１３には吸引ポン
プが接続され、先端処置部１５にて破砕された組織を吸
引することができる。

【００２７】ｆ１，ｆ２で駆動される超音波振動の先端
処置部１５での振動速度は、電源装置の出力設定レベル
が同じであれば略同等となり、破砕量自体は略等しくな
る。特に、出血しやすい組織を処置する場合には、一般
に、出力設定を下げて用いられるが、選択する周波数間
での振動速度の差がないため、違和感なく出力設定を行
なうことが可能である。さらに、振動速度拡大によるホ
ーン部での応力の著しい増加を回避することができる。

【００２８】図５〜図７は本発明の第２の実施形態を示
している。

【００２９】図５に示されるように、本実施形態では、
ホーンの形状のみが第１の実施形態と異なる。すなわ
ち、本実施形態では、長さＬｈのエクスポーネンシャル
ホーン２２が振動伝達部材２に設けられている。一般的
に、エクスポーネンシャルホーン２２はステップホーン
と比較して応力を低減することができる。

【００３０】図６には、Ｌｈが比較的短い（Ｌｈ《λ₂
／４）場合における周波数ｆ１，ｆ２の各振動モードの
振動拡大率がそれぞれ実線および破線で示されている。
この場合は、ステップホーンと同様に、ｆ１での節位置
にてｆ１，ｆ２の振動拡大率を同等にすることができ
る。

【００３１】また、図７には、Ｌｈが比較的長い（Ｌh
≒λ₂／４）場合におけるのｆ１，ｆ２の各振動モード
の振動拡大率がそれぞれ実線および破線で示されてい
る。図７から分かるように、ｆ１の節位置にてホーンを
構成すると、ｆ２の振動拡大率が小さくなる。このた
め、ホーン長が長い場合は、ｆ１の節とｆ２の節との間
で振動拡大率が同等なホーンを構成する。

【００３２】以上は、コニカルホーン（テーパーホー
ン）、カテノイダルホーンについても同様である。すな
わち、ホーン部が長い場合には、互いに隣り合うｆ１と
ｆ２の節位置の中間部にホーンを構成することにより、
変成比を同等にすることが可能である。

【００３３】図８は本発明の第３の実施形態を示してい
る。本実施形態では、振動伝達部材２の先端に鍵型部１
８が設けられている。なお、それ以外の構成は第１また
は第２の実施形態と同一である。

【００３４】このような構成によれば、鍵型部１８の内
側１８ａで生体組織を引掛け、低い周波数ｆ１にて振動
させることにより、出血することなく組織を切開するこ
とができる。また、鍵型部１８の先端１８ｂを組織に押
し当てて、高い周波数ｆ２にて振動させることにより止
血凝固することができる。

【００３５】なお、以上説明してきた技術内容によれ
ば、以下に示されるような各種の構成が得られる。

【００３６】１．複数の周波数で駆動可能な超音波振動
子と、超音波振動子に着脱自在に取り付けられ且つ超音
波振動を先端の処置部に伝達する振動伝達部材とから構
成される超音波処置具において、駆動周波数によらず、
振動伝達部材の先端処置部における振動速度がほぼ等し
いことを特徴とする超音波処置具。

【００３７】２．複数の周波数で駆動可能な超音波振動
子と、超音波振動子に着脱自在に取り付けられ且つ超音
波振動を先端の処置部に伝達する振動伝達部材とから構
成される超音波処置具において、駆動周波数によらず、
振動速度変換率がほぼ等しくなるホーンを振動伝達部材
に具備したことを特徴とする超音波処置具。

【００３８】３．一方の周波数が他方の約３倍の周波数
であり、振動伝達部材の小さい周波数における振動の節
付近に少なくとも１つのホーンを構成することを特徴と
する第2項に記載の超音波処置具。４．一方の周波数が他方の約３倍の周波数であり、振動
伝達部材の小さい周波数における振動の節と前記節に最
も近い大きい周波数における振動の節との中間位置にホ
ーンを構成したことを特徴とする第２項に記載の超音波
処置具。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の周波数により駆動可能で、選択された駆動周波数
によらず処置部の振動速度が一定な超音波処置具を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波処置具の
側断面図である。

【図２】図１の超音波処置具の各振動モードでの振動分
布を示す図である。

【図３】図２の（ａ）中の＊で示された部分に関し、断
面積をＳ１からＳ２に縮小させたステップホーンの面積
縮小位置と変成比との関係を示す図である。

【図４】最大変成比（Ｓ１／Ｓ２）を変化させた時のｆ
１，ｆ２の振動拡大率を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る超音波処置具の
エクスポーネンシャルホーンを有する振動伝達部材の要
部側面図である。

【図６】エクスポーネンシャルホーンの長さＬｈが比較
的短い（Ｌｈ《λ₂／４）場合における周波数ｆ１，ｆ
２の各振動モードの振動拡大率を示す図である。

【図７】Ｌｈが比較的長い（Ｌh≒λ₂／４）場合におけ
るのｆ１，ｆ２の各振動モードの振動拡大率を示す図で
ある。

【図８】本発明の第３の実施形態に係る超音波処置具の
振動伝達部材の要部側面図である。

【符号の説明】

２…振動伝達部材４…超音波振動子１５…処置部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の周波数で駆動可能な超音波振動子
と、超音波振動子に着脱自在に取り付けられ且つ超音波
振動を先端の処置部に伝達する振動伝達部材とから構成
される超音波処置具において、駆動周波数によらず、振動伝達部材の先端処置部におけ
る振動速度がほぼ等しいことを特徴とする超音波処置
具。
【請求項２】複数の周波数で駆動可能な超音波振動子
と、超音波振動子に着脱自在に取り付けられ且つ超音波
振動を先端の処置部に伝達する振動伝達部材とから構成
される超音波処置具において、駆動周波数によらず、振動速度変換率がほぼ等しくなる
ホーンを振動伝達部材に具備したことを特徴とする超音
波処置具。