JP5295965B2 - 超音波発射システムおよびこのシステムを組み込んだ超音波処理器 - Google Patents

Description

本発明は超音波発射システムに関する。脆い物質、特にある一定の種類の生物組織を超音波を使って破壊し除去する超音波処理器または他の表面処理用の処理器に、このシステムを組み込むことができる。よく知られる用途の１つとして、このシステムは水晶体超音波乳化吸引器（machine de phacoemulsification）に組み込まれる。そしてこのような器具は、白内障手術に使用できる。この手術は眼の水晶体に対して行われるが、水晶体は、一旦混濁すると透明な人工水晶体に取り替えるために破壊する必要がある。水晶体超音波乳化吸引器は、超音波による水晶体の破壊と砕片の除去とを一回の手術で行うことを可能とし、眼と患者への負担を最小限に抑えるものである。

超音波発射システムは、その機能を発揮するために次のように作製される。超音波発射システムは、一般には水溶液である、透明な流体の流れを処理表面に向けることが可能な循環路を備える。また、超音波発射システムは、除去すべき物質を破壊することを目的とした超音波を発生させる。超音波は流体によって伝えられ、処理表面にぶつかる。そして、超音波にぶつかると脆い物質は乳化する（破壊され、分裂する）。その砕片はその表面から剥がれ、流体に混ざる。砕片を含んだ流体は、吸引され除去される。

このような超音波発射システムを作製するにあたり、実質的に円筒形の本体を用いることが知られている。この本体は長手方向軸を有し、その内部に、
その軸の方向に振動を発生させるための圧電アセンブリと、
本体の内部を移動できるように取り付けられた、圧電アセンブリによって生じた振動を増幅するためのソノトロードアセンブリまたは「ソノトロード」と、
その軸方向についてのソノトロードと自身との間に圧電アセンブリが配置されたプレストレスリングと、を備える。

また超音波発射システムは、圧電アセンブリに交流電圧を印加するための電力供給制御手段も備える。

さらに超音波発射システムは、その前方端部に、超音波発射システムを延長して円筒形の本体の前にある表面に作用することを可能にするカニューレを備える。

したがって、超音波発射システムでは、圧電材料は、大きな力で一定の動きを課したり維持したりする（たとえば、航空宇宙領域で鏡を変形させる）ためではなく、超音波を発射するために使用されるので、全く異なる機能を呈する。

圧電アセンブリを作製するにあたり、それが単層で構成されるために、「塊状（massive）」と言われるセラミックをこの圧電アセンブリに用いることが知られている。

このような塊状セラミックを用いて圧電効果による振動を発生させるためには、通常、高い電源電圧、すなわち実効値約５００ボルト（Ｖｒｍｓ）、またはピークピーク値で約１０００ボルトの電源電圧が必要である。このような電圧は、特にカニューレの端部において１００マイクロメートル（μｍ）に近い振幅の動きを得るためには必須である。

このような超音波発射システムは、この高い電圧により、（フランスの）作業規定に採用されている用語で言う低圧と高圧の境目に分類される。

そのため、効力がある空気中の安全距離は、３０センチメートル（ｃｍ）から２メートル（ｍ）の範囲である。したがって、動作不良または絶縁が不十分な場合、このような超音波発射システムは潜在的に危険性を有するため、取扱いに注意が必要である。

本発明の目的は、超音波発射システムの電源電圧を低減可能にすることにより前述の欠点を改善することである。

この目的は、圧電アセンブリが圧電材料層の積層体によって構成され、その各圧電材料層が励起電極を備えるとともに２０μｍ〜１００μｍの範囲の厚さを有することによって達成される。これらの層は、圧電効果によって超音波を発生させるため、発射層と呼ばれる。

圧電アセンブリは、振動部、すなわち圧電アセンブリ、ソノトロードおよびハンドピースの共振周波数に近い周波数範囲で作動させることが好ましいが、この周波数はハウジングとカニューレにも依存する。このような周波数範囲で作動させることにより、電力を動力へ効率的に変換することができる。

利点として、使用時に圧電アセンブリが連続的な振動ストレスを受けても、圧電材料層はその薄さ（および、通常設けられるその中心を貫通する孔の存在）にも拘わらず非常に耐久性があり、固いことが分かった。

さらに、積層体の振動動作も非常に良好であることが分かった。圧電材料層間に多くの励起電極が存在することは、これらの電極によってそれに対応する数の機械的界面が圧電材料層間に生じることになるものの、圧電アセンブリの端部で所望の超音波を発生させる点については不利にはならない。

このような圧電材料層の積層体を使用することにより、電源電圧を１Ｖｒｍｓ〜５０Ｖｒｍｓの範囲の交流電圧に制限することができる。したがって、本超音波発射システムは電気的リスクが低く、前述の用語で言う「非常に低圧」のカテゴリに分類することができる。

さらに、本超音波発射システムは、高周波、たとえば４０キロヘルツ（ｋＨｚ）から５０ｋＨｚの範囲で作動させられることが多い。電流知覚閾値は、低周波で１０ミリアンペア（ｍＡ）であるのに対し、このような周波数では、あるとしても約１００ｍＡである。このため、本超音波発射システムは、超音波を発生させる点で性能を保ちながら、同じ電圧でも低周波で作動する他のシステムよりも安全である。

別の側面で、本発明は、本体の内部で一体化されるとともに、圧電アセンブリに連結されて、圧電アセンブリによって与えられた振動を表す電気信号、たとえば振動の振幅および／または周期数を表す電気信号、を送る圧電検知素子に関する。このようなセンサは、他の層と同様に１層または複数層の圧電材料層のみで構成される。しかし、この層は、励起電極によって励起されバイアスされることで圧電効果による超音波発射に寄与する代わりに、電力供給制御手段の制御部に接続される。つまり、他の層と異なり、この層はセンサとして働き、自身が受けた振動の関数である信号を送る。

このように作製されたセンサは、リアルタイムで作動し、本超音波発射システム内で発生した振動、たとえば振動の振幅および周期数、を評価する。このため、このセンサは、本超音波発射システムの端部における負荷または動作にかかわらず適用可能である。

意図する効果によっては、圧電アセンブリの励起周波数を調整し、本超音波発射システム内で結合して振動する要素の共振周波数に近づけることにより振動の振幅を大きくすること、あるいはその周波数から遠ざけることにより振幅を小さくすることが可能である。

もちろん、電源電圧を調整して、超音波発射の強度を調節してもよい。センサを使って超音波の発射を調節するこれらの方法は、圧電アセンブリに供給される電圧および電流ならびにそれらの位相差に基づいて定める従来の方法に比べて、より大きな効果をもたらす。

非限定的な例である以下の実施形態の詳述から、本発明を十分理解することができ、その利点がよりよく理解できる。

以下の添付図を参照して、説明する。
図１は、本発明に係る超音波発射システムを組み込んだ水晶体超音波乳化吸引用ハンドピースの線図である。 図２は、本発明に係る超音波発射システムの断面図である。 図３は、本発明に係る超音波発射システムの電力供給制御手段の簡略図である。 図４は、圧電アセンブリ１がどのように形成されているかを示す数層の圧電材料層であり、これらの層のうち１つは部分的に切り取られている。

下に説明する本発明の好適な実施形態は、本発明の超音波発射システムを組み込んだ水晶体超音波乳化吸引用ハンドピースに関する。しかしながら、本超音波発射システムが他の用途および他のタイプの機器に使用可能であることは明らかである。

図１を参照して、本発明の超音波発射処理器を説明する。本超音波発射処理器は、カニューレ２０と、超音波発射システム１００と、流体供給のためのタンク３０、ポンプ４０およびパイプ５０と、流体除去のためのタンク７０、ポンプ８０およびパイプ９０と、電力供給制御手段６０と、ポンプ４０を制御するとともに圧力計１２０を使用するためのデバイス１１０と、を備える。

カニューレ２０は、超音波発射システム１００の前方端部に固定される。カニューレ２０は、除去面へ流体を噴射するための円筒形の外装と、その除去面から流体を吸い上げるための円筒形の内部ニードルと、を備える。

流体は、ポンプ４０によってタンク３０から送り出され、パイプ５０を通って超音波発射システム１００に注入される。そして、超音波発射システム１００を通過して、カニューレ２０によって除去面へ送られる。超音波によって除去面上に発生した砕片を含んだ後、流体はカニューレ２０によって吸い上げられ、超音波発射システム１００内へ戻る。そして流体は、そこからポンプ８０によってタンク７０へ、パイプ９０を経由して送られる。

使用するポンプは、動作が様々に異なるものでもよい。例えば、ベンチュリポンプや、開回路の蠕動ポンプ、閉回路の蠕動ポンプ、偏心ポンプなどを使用できる。

流体の経路では、流体の流れを調節デバイス１１０によって調節する。除去すべき部位に十分かつ過剰でない量の流体を確実に供給するために、ポンプ４０の流速がポンプ８０の流速の関数として調整される。この目的のために、ポンプ４０の流速は、流体除去パイプ９０に設けられた圧力計１２０によって定められる。

超音波発射システム１００は、電力供給ケーブル１４および制御ケーブル１０によって、電力供給制御手段に電気的に接続される。

図２を参照して、本超音波発射システムの構造をさらに詳細に説明する。

本超音波発射システムの主要部分は、円筒形の本体６に収容される。本体６は、圧電アセンブリ１と、ソノトロード２と、プレストレスリング３と、後方吸引部４と、二次的部品と、を備える。

ソノトロード２は、超音波発射システムの中心を延びる中心部と、実質的に管状であり、中心部の直径より実質的に小さい直径を有するとともに、中心部の両側からそれぞれ超音波発射システムの後部および前部に向かってその軸（本体６の軸）に沿って伸びる後部および前部と、を有する。

さらに本超音波発射システムは、流体供給パイプ８を有する。この流体供給パイプ８は、本体６の前部に設けられた開口を貫通し、ソノトロード２の管状の前部を囲むチャンバ５へ流体を送ることができる。本体６のチャンバ５は、栓７によって前方で閉塞されている。この栓７は、チャンバ５からカニューレ２０の外装上に流体を通過させる通路９を備える。栓７はまた、カニューレ２０へと通じるとともに漏出を起こさないようにカニューレ２０をソノトロード２に接続する軸方向の孔も備える。流体は、カニューレの内部、つまり外装に収容された内部ニードルの中を経由して戻る。カニューレからの流体は、本体６の一端から他端まで軸に沿って伸びるとともにソノトロード２および後方吸引部４を通過する内部通路１３を通る。そして流体は、そこから吸引ポンプ８０によってパイプ９０を経由して吸入され、タンク７０へと送られる。

後方吸引部４は、円筒形の本体６に固定されている。後方吸引部４は、円筒形の本体６の後端へ接着接合され、その後端を閉塞する。後方吸引部４は、後方に伸びるとともに流体吸入パイプ９０が接続される円筒形の終片部１２を備える。また後方吸引部は、その全長を貫通する前記内部通路１３も有する。

後方吸引部は、ソノトロード２の固定部でもある。ソノトロード２を固定できるように、ソノトロード２の管状後部が外側にねじ山を有し、後方吸引部４が内側にねじ山を備えた前方向の開口を有する。ソノトロード２の後部は、後方吸引部４にねじ込まれる。

プレストレスリング３および圧電アセンブリは、ソノトロードおよび後方吸引部４に固定される。プレストレスリング３および圧電アセンブリは、ソノトロードの管状後部の外形に対応する円筒形の内腔（または開口）を備える。これにより、プレストレスリング３（後方吸引部の隣に配置されている）と圧電アセンブリ１を、ソノトロードの管状後部に外側からはめることができる。ソノトロードがねじ込まれると、プレストレスリング３および圧電アセンブリ１は、ソノトロード２の中心部と後方吸引部４の間に介在することになる。ソノトロード２のねじ込み固定をきつくすることにより、圧電アセンブリ１を動作させるのに必要な、圧電アセンブリ１が本体６の軸に沿って軽く圧縮された状態を作ることができる。プレストレスリング３はワッシャーとしても働き、ねじ込みをきつくすることによって発生した剪断応力を分散させる。さらに、プレストレスリング３は、圧電アセンブリの動作を最適化するべく選ばれた材料からなり、これにより、特に、圧電アセンブリ１によって与えられたエネルギーを本システムの後方ではなく前方へ伝えることができる。

圧電アセンブリ１、ソノトロード２、プレストレスリング３および後方吸引部４の前部は、超音波を容易に発射できるよう、本体６の内部を移動できるように取り付けられている。

ケーブル１４は、圧電アセンブリに電力を供給する役割を果たす。この電力の効果の下、圧電アセンブリ１は圧電効果により応答し、超音波振動を発生させる。この振動はソノトロード２に伝わり、実質的にシステムの前方へ伝播する。

ソノトロードは、特に振動を増幅する役割を果たす。この目的のために、ソノトロードは、圧電アセンブリが発生させる振動をできるだけ多くとらえるために、圧電アセンブリと広い面積で接する中心部を有する。この中心部は、実質的に円筒形でもよく、直径は圧電アセンブリと同じでもよい。

ソノトロードは、その管状前部にその中心部を接続する、実質的に円錐形の接合部分を有する。ソノトロードの前部の直径をソノトロードの中心部の直径より大幅に小さくすると、円筒形本体の前方とカニューレへ伝わる超音波振動が大きく増幅されるという有利な結果となる。

さらに、Ｏリングガスケット１５が、円筒形の本体６の内部でソノトロードを包囲する。Ｏリングガスケット１５が密閉するため、流体がチャンバ５からソノトロードの中心部の周囲に流れ出して電気ケーブルが存在する本体６の後部に達することはない。

また上述のように、圧電検知素子１１は、圧電センサの機能を果たすために圧電アセンブリに結合されてもよい。この検知素子は、任意に、他の層と同じ特性および同じ電極を有してもよい。また検知素子は、複数の圧電材料層で構成されてもよいし、１つの圧電材料層（「塊状」タイプの）で構成されてもよい。また相当な厚さ、たとえば１ミリメートルを超える程度の厚さでもよい。

好ましくは、この圧電検知素子１１は、プレストレスリング３と圧電アセンブリ１との間に配置されている。

図３を参照して、本発明の超音波発射システムの電力供給制御手段を説明する。この電力供給制御手段は、ケーブル１４を通じて圧電アセンブリ１に電力を供給し、ケーブル１０を通じて圧電センサから情報を受け取る。図２に示したとおり、ケーブル１０およびケーブル１４は、円筒形の本体６の内部を電極まで伸びている。

圧電アセンブリを効果的に調節するために、ひいては本超音波発射システムを確実に効果的に動作させるために、電力供給制御手段６０は、
電力供給手段６１と、
圧電検知素子１１によって届けられた信号を参照値Ｖと比較するための手段６２と、
比較の結果の関数として圧電アセンブリに与えられる電気信号の周波数および／または電圧を決定するとともに、対応する制御設定値を電力供給手段６１に送るための手段６３（示された例においては制御回路）と、を備える。

図４を参照して、圧電アセンブリ１の構造を説明する。

上述のとおり、このアセンブリは圧電材料層の積層体によって構成され、各層には励起電極１８が設けられている。好ましくは、これらの層は薄く、厚さが２０μｍから１００μｍの範囲にあってもよい。分かり易くするために、３つの圧電材料層１６、およびそれらの電極１７ａ、１７ｂ、１８のみを示し、最上層は部分的に切り取って図示している。

これらの層は様々なセラミックでできていてもよく、特にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をベースとした焼結材料でできていてもよい。

自然な形態として、図示した実施形態では、本体の断面は円形で、圧電材料層は円盤状であり、各圧電材料層が円形の中央開口を有する。本超音波発射システムの断面は任意の形状であってもよいが、この形状は圧電材料層によって形成されることが分かる。

これらの層には、一方が正極で他方が負極である２つの外部電極（端部電極）１７ａ，１７ｂによって電力が供給される。これらの端部電極は、ケーブル１４から内部電極１８へ電気を送る役割を果たす。圧電アセンブリによって構成される円柱体において、これらの端部電極は、互いに接触しないよう別々の角度部位を占める。

各内部電極１８は、実質的に円盤状で、圧電材料層１６の厚さに比べて薄く、直径は圧電材料層１６の直径よりわずかに小さい。また各内部電極１８は、端部電極と接続するために、一方の端部電極に向かって半径方向に伸びる拡張部を有する。一方、各内部電極は直径が圧電材料層の直径より小さく他方の端部電極と接触できないため、他方の端部電極から絶縁されたままになる。内部電極は、圧電材料層と圧電材料層の間、および圧電材料層の積層体の両端に配置される。これらの内部電極は、正の端部電極および負の端部電極に交互に接続される。

こうして、各圧電材料層には、その両側にある反対の電位の２つの内部電極によってバイアスがかけられる。これにより、これらの電極によって伝えられる電気振動の周期で、かつ関数として、圧電効果による振動を発生させることができる。

上記実施形態は、例えば眼科手術で使用される水晶体超音波乳化吸引システムなどの、生物組織を除去するための超音波処理器に関する。しかしながら、本発明の超音波発射システムはあらゆる超音波処理器に使用可能であり、特に、生物組織または他の組織に関わらず、除去する組織が脂肪組織、脂肪、結石などであると考えられるすべての種類の除去手術に使用可能である。

Claims (12)

1. 長手方向軸を有する実質的に円筒形の本体（６）を備え、
   前記本体（６）の内部に、
   前記軸の方向に沿って振動を発生させるための圧電アセンブリ（１）と、
   前記本体の内部を移動できるように取り付けられた、前記圧電アセンブリ（１）によって生じた振動を増幅するためのソノトロードアセンブリ（２）と、
   軸方向についての前記ソノトロードアセンブリ（２）と自身との間に前記圧電アセンブリ（１）が配置されたプレストレスリング（３）と、を有し、
   前記圧電アセンブリ（１）に交流電圧を印加するための電力供給制御手段（６０）をさらに備えた超音波発射システム（１００）であって、
   前記圧電アセンブリ（１）が圧電材料層の積層体によって構成され、
   前記圧電材料層の各層が励起電極を備えるとともに２０μｍ〜１００μｍの範囲の厚さを有し、
   前記電力供給制御手段（６０）が、１Ｖｒｍｓ〜５０Ｖｒｍｓの範囲の交流電圧を送ることを特徴とする、超音波発射システム（１００）。
2. 前記本体（６）の内部で前記圧電アセンブリ（１）に結合された圧電検知素子（１１）をさらに備え、前記圧電検知素子（１１）が、与えられた振動を表す電気信号を送ることを特徴とする、請求項１に記載の超音波発射システム（１００）。
3. 前記本体（６）の内部で前記圧電アセンブリ（１）に結合された圧電検知素子（１１）をさらに備え、前記圧電検知素子（１１）が、与えられた振動の振幅および／または周期数を表す電気信号を送ることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の超音波発射システム（１００）。
4. 前記圧電検知素子（１１）が、前記圧電アセンブリ（１）と前記プレストレスリング（３）との間に配置されていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の超音波発射システム（１００）。
5. 前記圧電検知素子（１１）が、前記軸方向について少なくとも１ｍｍの厚さを有する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
6. 前記圧電検知素子（１１）が、単一の圧電材料層を備えたことを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
7. 前記圧電検知素子（１１）が、複数の圧電材料層を備えたことを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
8. 前記電力供給制御手段（６０）が、
   電力供給手段（６１）と、
   前記圧電検知素子（１１）によって届けられた前記信号を参照値（Ｖ）と比較するための手段（６２）と、
   比較の結果の関数として前記圧電アセンブリ（１）に与えられるべき電気信号の周波数および／または電圧を決定するとともに、対応する制御設定値を前記電力供給手段（６１）に送るための手段（６３）と、を備えたことを特徴とする、請求項２〜７のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
9. 前記圧電アセンブリ（１）が、チタン酸ジルコン酸鉛をベースとした焼結材料を含有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
10. 前記ソノトロードアセンブリ（２）の管状の前部を囲み、当該超音波発射システム（１００）から噴射されるべき流体が送られるチャンバ（５）と、
    前記チャンバ（５）に送られた流体を前記チャンバ（５）から当該超音波発射システム（１００）の外部であって当該超音波発射システム（１００）に取り付けられるカニューレ（２０）の外装上へと通過させる通路（９）と、をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の超音波発射システム（１００）と、前記超音波発射システム（１００）に取り付けられたカニューレ（２０）と、流体を供給するためのタンク（３０）、ポンプ（４０）およびパイプ（５０）と、流体を除去するためのタンク（７０）、ポンプ（８０）およびパイプ（９０）と、前記ポンプ（４０）を調節するためのデバイス（１１０）と、を備えたことを特徴とする超音波処理器。
12. 超音波処理器を備えた水晶体超音波乳化吸引アセンブリの製造方法であって、前記超音波処理器として請求項１１に記載の超音波処理器を組み込む工程を含むことを特徴とする、製造方法。

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