JPWO2017149613A1 - 関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システム - Google Patents

Abstract

関節用超音波処置具は、第１の周波数および第１の振幅で振動する骨切削モードと、前記第１の周波数よりも高い周波数である第２の周波数および前記第１の振幅よりも小さい第２の振幅で振動する軟骨溶解モードと、を有し、前記第１の周波数と前記第１の振幅との積である第１の振動速度と、前記第２の周波数と前記第２の振幅との積である第２の振動速度とが一致または略一致する。

Description

この発明は、関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システムに関する。

超音波処置具として、例えば特開２００３−１１６８７０号公報に開示されているように、骨や軟骨を切削することができる超音波処置具が知られている。このような超音波処置具は、機械的な振動による切削（以下、ハンマリング効果という）の機能と、組織に対する摩擦熱による切削（溶解）の機能を併せ持つ。
近年、超音波処置具を関節の処置に用いることが検討されている。関節は、軟骨と、皮質骨及び海綿骨から成る骨を有する。超音波処置具は、軟骨だけでなく、皮質骨及び海綿骨の処置にも用いられる。

軟骨の切除機序と皮質骨及び海綿骨の切削機序は、軟骨と皮質骨及び海綿骨の性質の相違に起因して、相違していることがわかってきている。軟骨の切除機序は、超音波振動による処置具と軟骨との間の摩擦熱であると考えられている。他方、皮質骨及び海綿骨の切削機序は、超音波振動が伝達されている処置具による皮質骨及び海綿骨へのハンマリング効果であると考えられている。上述したように、超音波処置具は、ハンマリング効果による切削の機能と摩擦熱による切削の機能とを併せ持つ。このため、術者が超音波処置具で軟骨のみを切削しようとしているときにも、超音波処置具のハンマリング効果が軟骨近傍の皮質骨及び海綿骨に作用することが考えられる。皮質骨及び海綿骨を切削することなく軟骨だけを切削することを術者の手技に頼ることは難しい。

このため、超音波処置具は、軟骨を切削するために、ハンマリング効果の機能よりも摩擦熱による切削の機能を優位にすることが要求されている。

この発明は、関節内の処置対象に応じて動作モードを切り替え可能な関節用超音波処置具及び関節用超音波処置システムを提供することを目的とする。

この発明の一態様に係る関節用超音波処置具は、第１の周波数および第１の振幅で振動する骨切削モードと、前記第１の周波数よりも高い周波数である第２の周波数および前記第１の振幅よりも小さい第２の振幅で振動する軟骨溶解モードと、を有し、前記第１の周波数と前記第１の振幅との積である第１の振動速度と、前記第２の周波数と前記第２の振幅との積である第２の振動速度とが一致または略一致する。

図１は、一実施形態に係る関節用超音波処置システムのブロック図である。 図２は、一実施形態に係る関節用超音波処置具を示す模式図である。 図３は、一実施形態に係る関節用超音波処置具における振動速度の拡大率を示す表である。 図４は、一実施形態に係る関節用超音波処置具の変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照しながらこの発明を実施するための一実施形態について説明する。
関節用超音波処置システム（以下、処置システムという）について説明する。
図１は、処置システム１００のブロック図である。
処置システム１００は、関節用超音波処置具（以下、処置具という）１、制御部２及び操作部３を有する。

処置具１は、プローブ１１及び振動子１２を有する。
プローブ１１は、超音波振動を伝達する振動伝達部の一例である。プローブ１１は、超音波振動の伝達により、その先端の後述する処置部１１５１で、関節における処置対象となる軟骨、または、皮質骨及び海綿骨から成る骨を切削する。軟骨と、皮質骨及び海綿骨とは成分が相違している。軟骨はコラーゲンの含有量が多く、例えば６０℃から７０℃程度で溶融することがわかっている。他方、皮質骨及び海綿骨は例えばカルシウムやリン酸等の石灰成分の含有量が多いため軟骨よりも硬い。また、皮質骨及び海綿骨は、融点が数１００℃を超えるとされている。以下、皮質骨及び海綿骨を代表して、皮質骨について説明するが、「皮質骨」の用語は、「皮質骨及び海綿骨のうちの少なくとも何れか一方」と適宜読み替えることができるものとする。

プローブ１１は、後述するように、その先端の摩擦熱エネルギーＷ_μが超音波振動の周波数に依らずに一致するように構成されている。なお、本実施形態で使用される用語「一致する」は、「一致または略一致する」ことを意図している。

摩擦熱エネルギーＷ_μについて説明する。
摩擦熱エネルギーＷ_μは、以下の式（１）で表される。

ここで、μは、静止摩擦係数である。Ｎは、垂直抗力である。静止摩擦係数と垂直抗力の積であるμＮは、摩擦力である。ｆは、プローブ１１を伝達する超音波振動の周波数である。ｕ_０は、プローブ１１の先端の振幅である。周波数と振幅の積であるｆｕ_０は、プローブ１１の先端の振動速度である。ｔは、時間である。
式（１）によれば、摩擦熱エネルギーＷ_μは、振動速度に比例する。

振動子１２は、超音波振動生成部の一例である。振動子１２は、例えばボルト締めランジュバン型振動子（ＢＬＴ）である。振動子１２は、プローブ１１に接続されている。振動子１２は、制御部２から供給される駆動信号に応じて後述するプローブ１１の長手軸Ｌに沿って振動（縦振動）し、超音波振動を生成する。振動子１２は、超音波振動をプローブ１１に伝達する。

振動子１２は、第１のモードまたは第２のモードで異なる超音波振動をプローブ１１に伝達する。
第１のモードは、皮質骨及び海綿骨を処置するための骨切削モードである。第１のモードは、プローブ１１が処置具１における基本モード（１次モードともいう）の固有共振周波数の超音波振動を伝達するモードである。基本モードの固有共振周波数を第１の周波数という。第１の周波数の超音波振動を第１の超音波振動という。
第１のモードでは、振動子１２は、第１の周波数で振動し、第１の超音波振動を生成する。振動子１２は、第１の超音波振動をプローブ１１に伝達する。

第２のモードは、軟骨を処置するための軟骨溶解モードである。第２のモードは、プローブ１１が処置具１における高次モードの周波数の超音波振動を伝達し、プローブ１１の先端の振幅を第１のモードよりも小さくするモードである。高次モードの周波数は、第１の周波数のｎ倍の周波数である。第１の周波数のｎ倍の周波数を第２の周波数という。第２の周波数の超音波振動を第２の超音波振動という。
ここで、ｎは２以上の整数である。高次モードの周波数は、好ましくは第１の周波数の奇数倍である。第２のモードでは、処置部１１５１が組織と接触する１秒当たりの回数は第１のモードよりも増える。
第２のモードでは、振動子１２は、第２の周波数で振動し、第２の超音波振動を生成する。振動子１２は、第２の超音波振動をプローブ１１に伝達する。

制御部２は、第１のモードまたは第２のモードで異なる駆動信号を振動子１２に供給する。第１のモードにおいて、制御部２は、第１の駆動信号を振動子１２に供給する。第１の駆動信号の周波数は、第１の周波数である。第２のモードにおいて、制御部２は、第２の駆動信号を振動子１２に供給する。第２の駆動信号は、第１の駆動信号と同じ振幅及び第２の周波数である。振動子１２は、第１のモードまたは第２のモードの何れの動作モードでも同じ所定電力で駆動する。

制御部２は、周波数逓倍回路２１、正弦波生成回路２２、超音波アンプ回路２３、電圧電流検知回路２４、インピーダンス演算器２５、メモリ２６、比較器２７及びコントローラ２８を有する。

周波数逓倍回路２１は、コントローラ２８からの第１のモードでの動作命令または第２のモードでの動作命令に応じて異なる処理を行う。
第１のモードでは、周波数逓倍回路２１は、コントローラ２８から供給される第１の周波数の信号の周波数を逓倍する処理を停止する。周波数逓倍回路２１は、第１の周波数の信号を正弦波生成回路２２に供給する。
第２のモードでは、周波数逓倍回路２１は、コントローラ２８から供給される第１の周波数の信号の周波数を逓倍する。周波数逓倍回路２１は、第１の周波数をｎ倍した第２の周波数の信号を正弦波生成回路２２に供給する。

正弦波生成回路２２は、振動子１２を駆動するための正弦波の駆動信号を生成する。
第１のモードでは、正弦波生成回路２２は、上述の第１の駆動信号を生成する。正弦波生成回路２２は、第１の駆動信号を超音波アンプ回路２３に供給する。
第２のモードでは、正弦波生成回路２２は、上述の第２の駆動信号を生成する。正弦波生成回路２２は、第２の駆動信号を超音波アンプ回路２３に供給する。

超音波アンプ回路２３は、正弦波生成回路２２から供給される第１の駆動信号または第２の駆動信号を増幅する。超音波アンプ回路２３は、増幅した第１の駆動信号または増幅した第２の駆動信号を振動子１２に供給する。

電圧電流検知回路２４は、超音波アンプ回路２３が振動子１２に供給する第１の駆動信号または第２の駆動信号を参照して、出力電圧の値（電圧波形の振幅）、出力電流の値（電流波形の振幅）及び電圧−電流間の位相を検知する。電圧電流検知回路２４は、出力電圧の値、出力電流の値及び電圧−電流間の位相をインピーダンス演算器２５に供給する。

インピーダンス演算器２５は、出力電圧の値、出力電流の値及び電圧−電流間の位相に基づいてインピーダンス（｜Ｚ｜）を演算する。インピーダンス演算器２５は、インピーダンス値（｜Ｚ｜）を比較器２７に送信する。

メモリ２６は、各種情報を記憶する。
一例として、メモリ２６は、皮質骨処置用の閾値及び軟骨処置用の閾値を記憶する。
皮質骨処置用の閾値は、処置部１１５１が皮質骨と接していることを検知するために設定されている。皮質骨処置用の閾値は、処置具１自体のインピーダンスと、処置対象である皮質骨に起因するインピーダンスを合わせた値に基づいている。
軟骨処置用の閾値は、処置部１１５１が軟骨と接していることを検知するために設定されている。軟骨処置用の閾値は、処置具１自体のインピーダンスと、処置対象である軟骨に起因するインピーダンスを合わせた値に基づいている。
皮質骨処置用の閾値及び軟骨処置用の閾値は排他的に設定されている。
別の例として、メモリ２６は、第１のモードの動作プログラムを記憶する。メモリ２６は、第２のモードの動作プログラムを記憶する。

比較器２７は、インピーダンス演算器２５からのインピーダンス値をメモリ２６に記憶されている皮質骨処置用の閾値及び軟骨処置用の閾値と比較する。比較器２７は、比較結果をコントローラ２８に送信する。

コントローラ２８は、制御部２内の各部を制御する。
一例として、コントローラ２８は、以下のように第１のモードまたは第２のモードに動作モードを設定する。
コントローラ２８は、比較器２７からの比較結果を参照して、処置部１１５１が軟骨または皮質骨の何れと接しているのかを検知する。

コントローラ２８は、処置部１１５１が皮質骨と接していることを検知すると、動作モードを第１のモードに設定する。現在の動作モードが第１のモードである場合、コントローラ２８は、動作モードを第１のモードのまま維持する。現在の動作モードが第２のモードである場合、コントローラ２８は、動作モードを第２のモードから第１のモードに変更する。具体的には、コントローラ２８は、第１のモードでの動作命令を周波数逓倍回路２１に送信する。

コントローラ２８は、処置部１１５１が軟骨と接していることを検知すると、動作モードを第２のモードに設定する。現在の動作モードが第２のモードである場合、コントローラ２８は、動作モードを第２のモードのまま維持する。現在の動作モードが第１のモードである場合、コントローラ２８は、動作モードを第１のモードから第２のモードに変更する。具体的には、コントローラ２８は、第２のモードでの動作命令を周波数逓倍回路２１に送信する。

操作部３は、制御部２に対する設定を受け付ける。操作部３は例えばスイッチである。
一例として、操作部３は、動作モードの変更を受け付ける。コントローラ２８は、動作モードの変更に基づいて、メモリ２６の動作プログラムを参照して、第１のモードまたは第２のモードでの動作命令を周波数逓倍回路２１に送信する。
別の例として、操作部３は、周波数逓倍回路２１での逓倍数の変更を受け付ける。コントローラ２８は、操作部３での逓倍数の変更に基づいて、周波数逓倍回路２１での逓倍数を変更する命令を周波数逓倍回路２１に送信する。周波数逓倍回路２１は、コントローラ２８からの命令に基づいて逓倍数を変更する。

上述のプローブ１１について説明する。
図２の上段は、プローブ１１の一例を示す模式図を示す。図２の下段は、プローブ１１を伝達する第１の超音波振動の振動速度（実線）及び第２の超音波振動の振動速度（破線）を示す模式図を示す。図２では、第２の超音波振動の第２の周波数を第１の周波数の３倍高次周波数とする。なお、図２では、振動速度を長手軸Ｌに直交する方向に示しているが、これは模式的に示しているだけであり、実際の振動方向は長手軸Ｌに沿っている。

図２の上段を参照してプローブ１１の構成について説明する。
プローブ１１は、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金で形成されている。
プローブ１１は、基端Ａ１と基端Ａ１とは反対側の先端Ａ２とで規定される長手軸Ｌに沿って延在する。基端Ａ１は、振動子１２が接続されている。

プローブ１１は、長手軸Ｌに沿って延在する細長い中空の筒形状又は中実のロッド形状に構成されている。プローブ１１は、第１の周波数に基づく半波長の長さに設定されている。なお、プローブ１１は、第１の周波数に基づく半波長の整数倍の長さに設定されていてもよい。

プローブ１１は、第１の延設部１１１、第１の外径変化部１１２、第２の延設部１１３、第２の外径変化部１１４及び第３の延設部１１５を有する。プローブ１１は、一体で構成されていても、各部が別個の部材で構成されていてもよい。プローブ１１は、２以上の部材で構成されていてもよい。

第１の延設部１１１は、長手軸Ｌに沿って延在する形状である。第１の延設部１１１は、例えば一様な外径の円柱形状である。第１の延設部１１１は、基端Ａ１側に長手軸Ｌと直交する基端面Ｂ１を有する。基端面Ｂ１は、振動子１２が接続されている。第１の延設部１１１は、先端Ａ２側に長手軸Ｌと直交する第１の境界面Ｂ２を有する。第１の境界面Ｂ２は、第１の延設部１１１と第１の外径変化部１１２の境界となる面である。なお、第１の延設部１１１及び第１の外径変化部１１２が一体で構成されている場合、第１の境界面Ｂ２は仮想的な面である。基端面Ｂ１及び第１の境界面Ｂ２は円形状の面である。基端面Ｂ１の外径は、図２では第１の境界面Ｂ２の外径と一致しているが、異なっていてもよい。第１の境界面Ｂ２の外径を第１の外径ｄ１１という。

第１の外径変化部１１２は、基端Ａ１側から先端Ａ２側にかけて外径を徐々に小さくした円錐台形状である。長手軸Ｌに沿った第１の外径変化部１１２の長さを第１の長さＬ１という。第１の外径変化部１１２は、基端Ａ１側に上述の第１の境界面Ｂ２を有する。第１の外径変化部１１２は、先端Ａ２側に長手軸Ｌと直交する第２の境界面Ｂ３を有する。第２の境界面Ｂ３は、第１の外径変化部１１２と第２の延設部１１３との境界となる面である。なお、第１の外径変化部１１２及び第２の延設部１１３が一体で構成されている場合、第２の境界面Ｂ３は仮想的な面である。第２の境界面Ｂ３は円形状の面である。第２の境界面Ｂ３の外径を第２の外径ｄ１２という。ｄ１２はｄ１１よりも小さい。
第１の外径変化部１１２は、第１の超音波振動及び／または第２の超音波振動の速度を拡大する。第１の外径変化部１１２による振動速度（及びこれに比例するエネルギー）の拡大率については後述する。

第２の延設部１１３は、長手軸Ｌに沿って延在する形状である。第２の延設部１１３は、例えば一様な外径の円柱形状である。第２の延設部１１３は、基端Ａ１側に上述の第２の境界面Ｂ３を有する。第２の延設部１１３は、先端Ａ２側に長手軸Ｌと直交する第３の境界面Ｂ４を有する。第３の境界面Ｂ４は、第２の延設部１１３と第２の外径変化部１１４の境界となる面である。なお、第２の延設部１１３及び第２の外径変化部１１４が一体で構成されている場合、第３の境界面Ｂ４は仮想的な面である。第３の境界面Ｂ４は円形状の面である。第３の境界面Ｂ４の外径は、図２では第３の境界面Ｂ４の外径と一致しているが、異なっていてもよい。第３の境界面Ｂ４を第３の外径ｄ２１とする。

第２の外径変化部１１４は、第１の外径変化部１１２よりも先端Ａ２側にある。第２の外径変化部１１４は、基端Ａ１側から先端Ａ２側にかけて外径を徐々に小さくした円錐台形状である。長手軸Ｌに沿った第２の外径変化部１１４の長さを第２の長さＬ２という。第２の外径変化部１１４は、基端Ａ１側に上述の第３の境界面Ｂ４を有する。第２の外径変化部１１４は、先端Ａ２側に長手軸Ｌと直交する第４の境界面Ｂ５を有する。第４の境界面Ｂ５は、第２の外径変化部１１４と第３の延設部１１５との境界となる面である。なお、第２の外径変化部１１４及び第３の延設部１１５が一体で構成されている場合、第５の境界面Ｂ５は仮想的な面である。第４の境界面Ｂ５は円形状の面である。第４の境界面Ｂ５の外径を第４の外径ｄ２２という。ｄ２２はｄ２１よりも小さい。
第２の外径変化部１１４は、第１の超音波振動及び／または第２の超音波振動の速度を拡大する。第２の外径変化部１１４による振動速度（及びこれに比例するエネルギー）の拡大率については後述する。
第２の外径変化部１１４は、フランジ１１４１を有する。フランジ１１４１は、第２の外径変化部１１４と一体で構成されていても、別体で構成されていてもよい。第２の外径変化部１１４におけるフランジ１１４１の位置及びフランジ１１４１の作用については後述する。

第３の延設部１１５は、長手軸Ｌに沿って延在する形状である。第３の延設部１１５は、例えば一様な外径の円柱形状である。第３の延設部１１５は、基端Ａ１側に上述の第４の境界面Ｂ５を有する。第３の延設部１１５は、先端Ａ２側に長手軸Ｌと直交する先端面Ｂ６を有する。先端面Ｂ６は円形状の面である。先端面Ｂ６の外径は、図２では第１の境界面Ｂ２の外径と一致しているが、異なっていてもよい。
第３の延設部１１５は、先端Ａ２近傍に処置部１１５１を有する。処置部１１５１は、関節における処置対象となる軟骨及び／または皮質骨と接する。処置部１１５１は、超音波振動することで被検体を処置する。処置部１１５１は、処置対象を切削可能な形状に加工されていてもよい。

図２の下段を参照してプローブ１１を伝達する第１の超音波振動及び第２の超音波振動について説明する。
第１の超音波振動（実線）は定在波である。第１の超音波振動は、プローブ１１の基端Ａ１及び先端Ａ２の位置に長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹を有する。第１の超音波振動は、プローブ１１の基端Ａ１と先端Ａ２の間に１つの節を有する。

第２の超音波振動（破線）は定在波である。第２の超音波振動は、プローブ１１の基端Ａ１及び先端Ａ２の位置に長手軸Ｌに沿って前後に移動する腹を有する。第２の超音波振動は、プローブ１１の基端Ａ１と先端Ａ２の間に３つの節を有する。３つの節のうち最も基端Ａ１側にある節を第１の節という。第１の節よりも先端Ａ２側にある節を第２の節という。第２の節よりも先端Ａ２側にある節を第３の節という。第２の超音波振動の第１の節及び第３の節の位置は、第１の超音波振動の節の位置とは一致しない。他方、第２の超音波振動の第２の節の位置は、第１の超音波振動の節の位置と一致する。第１の超音波振動の節の位置と一致する第２の超音波振動の第２の節の位置を共通の節の位置という。なお、第２の周波数が第１の周波数の奇数倍であれば、プローブ１１には共通の節が存在する。

図２を参照してプローブ１１における第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４の位置について説明する。
プローブ１１は、第２の超音波振動の第１の節の位置に第１の外径変化部１１２を有する。図２に示すように、プローブ１１は、例えば第１の境界面Ｂ２の位置が第２の超音波振動の第１の節の位置と一致するように第１の外径変化部１１２を有する。
プローブ１１は、共通の節の位置に第２の外径変化部１１４を有する。図２に示すように、プローブ１１は、例えば第３の境界面Ｂ４の位置が共通の節の位置と一致するように第２の外径変化部１１４を有する。

フランジ１１４１は、共通の節の位置である第３の境界面Ｂ４の位置にある。フランジ１１４１は、プローブ１１を図示しないケーシングに固定する。フランジ１１４１は、プローブ１１が長手軸Ｌと直交する方向に振動することを防止する。共通の節の位置は、第１の超音波振動及び第２の超音波振動の速度がゼロとなる位置である。このため、フランジ１１４１は、プローブ１１の先端Ａ２に伝達する第１の超音波振動及び第２の超音波振動を阻害することはない。

第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４の構成について説明する。
第１のモードにおける第１の外径変化部１１２による振動速度の拡大率を第１の拡大率という。第１のモードにおける第２の外径変化部１１４による振動速度の拡大率を第２の拡大率という。第１の拡大率と第２の拡大率の積を第１の合計拡大率という。第２のモードにおける第１の外径変化部１１２による振動速度の拡大率を第３の拡大率という。第２のモードにおける第２の外径変化部１１４による振動速度の拡大率を第４の拡大率という。 第３の拡大率と第４の拡大率の積を第２の合計拡大率という。

第１の拡大率及び第３の拡大率は、第１の周波数、第２の周波数、第１の外径変化部１１２の材質、第１の長さＬ１、第１の外径ｄ１１及び第２の外径ｄ１２等で変化する。第２の拡大率及び第４の拡大率は、第１の周波数、第２の周波数、第２の外径変化部１１４の材質、第２の長さＬ２、第３の外径ｄ２１及び第４の外径ｄ２２等で変化する。
第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４は、第１の合計拡大率が第２の合計拡大率と一致するように、適宜に構成されている。

第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４の作用について説明する。
第１の外径変化部１１２は、第２の超音波振動の第１の節の位置にあるので、第２の超音波振動の速度を拡大する。他方、第１の外径変化部１１２は、第１の超音波振動の拡大にほとんど寄与しない。その理由は、第１の超音波振動の節が第１の外径変化部１１２から離れた位置にあるからである。このため、第１の拡大率は、略１倍である。
このように、第１の外径変化部１１２は、第１の超音波振動の速度及び第２の超音波振動の速度のうち第２の超音波振動の速度を選択的に拡大する。

第２の外径変化部１１４は、第１の超音波振動及び第２の超音波振動の共通の節の位置にある。このため、第２の外径変化部１１４は、第１の超音波振動の速度及び第２の超音波振動の速度の両方を拡大する。
ただし、第２の外径変化部１１４による第２の拡大率及び第４の拡大率は、以下の理由により相違する。第２の拡大率及び第４の拡大率は、波長に対する第２の外径変化部１１４の長さＬ２に関係する。波長に対する第２の外径変化部１１４の長さＬ２の割合は、第１のモードよりも第２のモードの方が大きい。つまり、波長に対する第２の外径変化部１１４の外径の変化は、第１のモードよりも第２のモードの方が緩やかである。このため、第４の拡大率は、第２の拡大率よりも小さい。

プローブ１１は、第１のモードにおいて第１の周波数及び第１の振幅で振動する。プローブ１１は、第１のモードにおいて第１の周波数と先端Ａ２の第１の振幅の積である第１の振動速度を先端Ａ２で発生させる。プローブ１１は、第２のモードにおいて第２の周波数及び第１の振幅よりも小さい第２の振幅で振動する。プローブ１１は、第２のモードにおいて第２の周波数と第１の振幅よりも小さい先端Ａ２の第２の振幅の積である第２の振動速度を先端Ａ２で発生させる。第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４の作用により、第２のモードにおける第２の振動速度は、第１のモードにおける第１の振動速度と一致または略一致する。プローブ１１の先端Ａ２の振動速度に比例して、摩擦熱エネルギーW_μは第１のモードと第２のモードで一致または略一致する。

上述のように第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４の作用は互いに相違する。このため、第１の外径変化部１１２は、第１の合計拡大率が第２の合計拡大率と一致するように、第２の外径変化部１１４の構成に応じて適宜に構成することができる。ここでは、第２の外径変化部１１４の構成に応じて第１の外径変化部１１２を構成する例について説明する。なお、ここでは説明を省略するが、第２の外径変化部１１４も同様に第１の外径変化部１１２の構成に応じて構成することができる。

第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４は第１の合計拡大率が第２の合計拡大率と一致するように構成されているので、以下の式（２）が成り立つ。
（第３の拡大率）／（第１の拡大率）＝（第２の拡大率）／（第４の拡大率） 式（２）
なお、本実施形態で使用される記号「＝」は、「一致または略一致する」ことを意図している。
上述のように第１の拡大率は略１倍である。式（２）は、以下の式（３）とすることができる。
（第３の拡大率）＝（第２の拡大率）／（第４の拡大率） 式（３）
第１の外径変化部１１２は、式（３）を満たすように構成することができる。

さらに、第１の合計拡大率と第２の合計拡大率を一致させるために、第１の外径変化部１１２は、第２の外径変化部１１４よりも緩やかに外径変化することが好ましい。このため、第１の外径変化部１１２は、以下の式（４）及び式（５）のうちの少なくとも何れか一方を満たすように構成されている。
（第１の外径ｄ１１）／（第２の外径ｄ１２）＜（第３の外径ｄ２１）／（第４の外径ｄ２２） 式（４）
（第１の長さＬ１）＞（第２の長さＬ２） 式（５）

第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４による拡大率の具体例について説明する。
ここでは以下のような条件が用いられる。プローブ１１はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖで構成されている。第１のモードは、第１の周波数が４７ｋＨｚの基本モードである。第２のモードは、第２の周波数が第１の周波数の３倍高次周波数の３倍高次モードである。第２の外径変化部１１４の各パラメータは、以下のように設定されている。第３の外径ｄ２１は５ｍｍである。第４の外径ｄ２２は３ｍｍである。第２の長さＬ２は１０ｍｍである。

図３は、第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４による拡大率を示す表である。
第２の外径変化部１１４による拡大率について説明する。第２の外径変化部１１４による振動速度の拡大率は、上述の条件に基づいて算出される。第２の拡大率は、５．８３倍である。第４の拡大率は、３．２５倍である。第４の拡大率は、第２の拡大率よりも小さくなることが分かる。
第１の外径変化部１１２による拡大率について説明する。上述のように第１の拡大率は、略１倍である。第３の拡大率は、式（３）を参照して１．７９倍と算出される。

第１の合計拡大率は略５．８３倍であり、第２の合計拡大率は、５．８３倍である。このように、第１の外径変化部１１２が第３の拡大率を１．７９倍とするように構成されることで、第１の合計拡大率と第２の合計拡大率は一致する。

第１のモード及び第２のモードの効果について説明する。
上述したように、プローブ１１の先端Ａ２の振動速度に比例して、摩擦熱エネルギーＷ_μは第１のモードと第２のモードで一致する。第１のモードと第２のモードで摩擦熱エネルギーＷ_μが一致するためには、それぞれのモードで周波数が決まっているため、振幅の大きさが変化することになる。具体的には、第１のモードの超音波振動は、第２のモードの超音波振動よりも低い周波数で振動するため、第１のモードの超音波振動の振幅は、第２のモードの超音波振動の振幅よりも大きくなる。
第１のモードでは、プローブ１１の先端Ａ２の振幅は、第２のモードでのプローブ１１の先端Ａ２の振幅よりも大きい。このため、処置具１は、関節内の処置対象となる皮質骨を切削するのに十分かつ適切なハンマリング効果を処置部１１５１に生じさせる。術者は、第１のモードが設定されている処置具１を用いて、関節内の処置対象となる皮質骨を切削することができる。また、処置具１は、ハンマリング効果を処置部１１５１に生じさせるだけでなく、処置部１１５１と接触した組織との間に摩擦熱も生じさせる。このため、処置具１は、第１のモードにおいて、軟骨も切削（溶解）することができる。

第２のモードでは、摩擦熱エネルギーＷ_μは、第１のモードにおける摩擦熱エネルギーＷ_μと一致する。このため、第２のモードでの摩擦熱による切削の機能は、第１のモードでの摩擦熱による切削の機能と変わらない。処置具１は、関節内の処置対象となる軟骨を切削するのに十分かつ適切な摩擦熱を処置部１１５１と接触した軟骨との間に生じさせる。術者は、第２のモードが設定されている処置具１を用いて関節内の処置対象となる軟骨を切削することができる。第２のモードが設定されている処置具１での軟骨の切削に要する時間は、第１のモードが設定されている処置具１での軟骨の切削に要する時間よりも長くなることはない。
さらに、第２のモードでは、プローブ１１の先端Ａ２の振幅は、第１のモードでのプローブ１１の先端Ａ２の振幅よりも小さい。このため、処置部１１５１におけるハンマリング効果は、第１のモードでの処置部１１５１におけるハンマリング効果よりも低下する。術者は、第２のモードが設定されている処置具１を用いて関節内の処置対象となる軟骨を切削する際に、第１のモードよりも、軟骨近傍の処置対象外の皮質骨を切削し難くなる。
このように、第２のモードでは、摩擦熱による切削の機能は、ハンマリング効果の機能よりも優位になる。

本実施形態によれば、処置具１及び処置システム１００は、処置対象に応じて、十分なハンマリング効果の機能を有する第１のモード、または、ハンマリング効果の機能よりも摩擦熱による切削の機能を優位にする第２のモードの何れかで動作することができる。

本実施形態の変形例について説明する。
図４は、本実施形態に係る処置具１の変形例を示す模式図である。
図４の上段は、プローブ１１の一例を示す模式図を示す。図４の下段は、プローブ１１を伝達する第１の超音波振動の振動速度（実線）及び第２の超音波振動の振動速度（破線）を示す模式図を示す。図４に示すプローブ１１は、第１の外径変化部１１２及び第２の外径変化部１１４を有する位置が図２に示すプローブ１１と異なっている。

プローブ１１は、第２の超音波振動の第１の節の位置が第１の境界面Ｂ２よりも先端Ａ２側かつ第２の境界面Ｂ３よりも基端Ａ１側となるように第１の外径変化部１１２を有していてもよい。
プローブ１１は、共通の節の位置が第３の境界面Ｂ４よりも先端Ａ２側かつ第４の境界面Ｂ５よりも基端Ａ１側となるように第２の外径変化部１１４を有していてもよい。
第２の外径変化部１１４は、共通の節の位置にフランジ１１４１を有する。

別の変形例として、プローブ１１は、３つ以上の外径変化部を有していてもよい。例えば、プローブ１１は、共通の節の位置以外に、第２の超音波振動の複数の節の位置それぞれに外径変化部を有していてもよい。この場合、プローブ１１の先端Ａ２の振動速度が第１のモードと第２のモードで一致又は略一致することが条件となる。

別の変形例として、振動子１２は、上述のプローブ１１と同様に構成されていてもよい。これにより、振動子１２による振動速度の拡大率は向上する。なお、振動子１２による振動速度の拡大率を１倍とする場合には、振動子１２は、プローブ１１と同様の構成を有する必要はない。

これまで、一実施形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

１…関節用超音波処置具、２…制御部、３…操作部、１１…プローブ、１２…振動子、２１…周波数逓倍回路、２２…正弦波生成回路、２３…超音波アンプ回路、２４…電圧電流検知回路、２５…インピーダンス演算器、２６…メモリ、２７…比較器、２８…コントローラ、１００…関節用超音波処置システム、１１１…第１の延設部、１１２…第１の外径変化部、１１３…第２の延設部、１１４…第２の外径変化部、１１５…第３の延設部、１１４１…フランジ、１１５１…処置部。

Claims (9)

1. 関節用超音波処置具において、
   第１の周波数および第１の振幅で振動する骨切削モードと、
   前記第１の周波数よりも高い周波数である第２の周波数および前記第１の振幅よりも小さい第２の振幅で振動する軟骨溶解モードと、
   を有し、
   前記第１の周波数と前記第１の振幅との積である第１の振動速度と、前記第２の周波数と前記第２の振幅との積である第２の振動速度とが一致または略一致することを特徴とする関節用超音波処置具。
2. 前記第２の周波数は、前記第１の周波数の奇数倍である、請求項１に記載の関節用超音波処置具。
3. 前記骨切削モードは、皮質骨及び海綿骨を処置するためのモードであり、
   前記軟骨溶解モードは、軟骨を処置するためのモードである、
   請求項１に記載の関節用超音波処置具。
4. 基端と前記基端とは反対側の先端とで規定される長手軸に沿って延在し、前記骨切削モードにおいて第１の超音波振動を伝達し、前記軟骨溶解モードにおいて第２の超音波振動を伝達する振動伝達部を有し、
   前記振動伝達部は、前記基端側から前記先端側にかけて外径を徐々に小さくし、前記第１の超音波振動及び／または前記第２の超音波振動の速度を拡大する第１の外径変化部と、前記第１の外径変化部よりも前記先端側において、前記基端側から前記先端側にかけて外径を徐々に小さくし、前記第１の超音波振動及び／または前記第２の超音波振動の速度を拡大する第２の外径変化部を有する、請求項１に記載の関節用超音波処置具。
5. 前記振動伝達部は、前記第２の超音波振動の第１の節の位置に前記第１の外径変化部を有し、前記第１の超音波振動の節の位置と一致する前記第２の超音波振動の第２の節の位置に前記第２の外径変化部を有する、請求項４に記載の関節用超音波処置具。
6. 前記第２の外径変化部は、前記第２の節の位置にフランジを有する、請求項５に記載の関節用超音波処置具。
7. 前記第１の外径変化部は、前記軟骨溶解モードにおける前記第１の外径変化部による振動速度の拡大率が前記骨切削モードにおける前記第２の外径変化部による振動速度の拡大率を前記軟骨溶解モードにおける前記第２の外径変化部による振動速度の拡大率で割った値と一致または略一致するように構成されている、請求項５に記載の関節用超音波処置具。
8. 前記第１の外径変化部において前記長手軸と直交する前記基端側の面の外径を第１の外径とし、
   前記第１の外径変化部において前記長手軸と直交する前記先端側の面の外径を第２の外径とし、
   前記第２の外径変化部において前記長手軸と直交する前記基端側の面の外径を第３の外径とし、
   前記第２の外径変化部において前記長手軸と直交する前記先端側の面の外径を第４の外径とし、
   前記長手軸に沿った前記第１の外径変化部の長さを第１の長さとし、
   前記長手軸に沿った前記第２の外径変化部の長さを第２の長さとしたときに、
   前記第１の外径変化部は、
   （前記第１の外径）／（前記第２の外径）＜（前記第３の外径）／（前記第４の外径）、及び
   （前記第１の長さ）＞（前記第２の長さ）
   のうちの少なくとも何れか一方を満たすように構成されている、請求項５に記載の関節用超音波処置具。
9. 超音波振動生成部を有する請求項１に記載の関節用超音波処置具と、
   前記骨切削モードにおいて前記第１の周波数の第１の駆動信号を前記超音波振動生成部に供給し、前記軟骨溶解モードにおいて前記第１の駆動信号と同じ振幅及び前記第２の周波数の第２の駆動信号を前記超音波振動生成部に供給する制御部と、
   を有する関節用超音波処置システム。

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