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特許7556835同時の長手方向動作及びねじれ方向動作と、実質的なねじれ方向振動とが可能なチップを備える超音波手術用具システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-17
(45)【発行日】2024-09-26
(54)【発明の名称】同時の長手方向動作及びねじれ方向動作と、実質的なねじれ方向振動とが可能なチップを備える超音波手術用具システム
(51)【国際特許分類】
A61B 17/32 20060101AFI20240918BHJP
【ＦＩ】
A61B17/32 510
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021151990
(22)【出願日】2021-09-17
(62)【分割の表示】P 2018532147の分割
【原出願日】2016-12-14
(65)【公開番号】P2022008434
(43)【公開日】2022-01-13
【審査請求日】2021-10-15
(31)【優先権主張番号】62/269,542
(32)【優先日】2015-12-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】506410062
【氏名又は名称】ストライカー・コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100099623
【弁理士】
【氏名又は名称】奥山 尚一
(74)【代理人】
【識別番号】100125380
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 綾子
(74)【代理人】
【識別番号】100142996
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 聡二
(74)【代理人】
【識別番号】100166268
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 祐
(74)【代理人】
【識別番号】100180231
【弁理士】
【氏名又は名称】水島 亜希子
(74)【代理人】
【氏名又は名称】有原 幸一
(72)【発明者】
【氏名】ダウニー，アダム
【審査官】北村 龍平
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１５／０２１２１６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００１－１７８７３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０５１３５４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｂ １７／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡＣ駆動信号の印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体と、対向する近位端及び遠位端を含むチップであって、該チップの前記近位端は、前記少なくとも１つの駆動体の前記拡張及び前記収縮が前記近位端において長手方向振動を引き起こすように前記少なくとも１つの駆動体に結合され、前記近位端と前記遠位端との間の特徴部は、前記近位端に存在する前記長手方向振動を、長手方向成分及びねじれ方向成分を有する前記遠位端における振動に変換する、チップとを含む超音波ハンドピースと、前記超音波ハンドピースの前記少なくとも１つの駆動体に印加される可変周波数を有する前記ＡＣ駆動信号を生成することと、
前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの隣接する機械共振モードの共振周波数間のある周波数に設定することであって、前記ある周波数は、前記チップを前記隣接する機械共振モードにおいて同時に振動させるものであり、ここで、前記隣接する機械共振モードのうちの第１のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分は、前記隣接する機械共振モードのうちの第２のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルし、前記遠位端は実質的にねじれ方向の移動経路で運動するものである、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を行うように構成されている、前記超音波ハンドピースの前記チップを振動させる制御コンソールと
を備える超音波用具システム。
【請求項2】
前記隣接する機械共振モードのうちの前記第１のものに関連した前記チップの振動の前記長手方向成分は、前記隣接する機械共振モードのうちの前記第２のものに関連した前記チップの振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルし、前記移動経路に沿った前記遠位端の運動の間、前記チップの前記遠位端と前記チップの長手方向軸に垂直である軸との間の角度は３０度を超えないものである、請求項１に記載の超音波用具システム。
【請求項3】
前記制御コンソールは、前記ＡＣ駆動信号の電流を測定するアセンブリと、
前記ＡＣ駆動信号の電圧を測定するアセンブリと
を備え、
前記制御コンソールは、前記測定された電流及び電圧に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定するように構成されている、請求項１又は２に記載の超音波用具システム。
【請求項4】
前記制御コンソールは、前記少なくとも１つの駆動体のキャパシタンスを求めることと、
前記測定された電流及び電圧と前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を行うように構成されている、請求項３に記載の超音波用具システム。
【請求項5】
前記制御コンソールは、前記測定された電流及び電圧と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスと、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数とに基づいて、前記超音波ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の仕事当量を計算することと、
前記超音波ハンドピースの前記機械構成要素に印加される電流の前記仕事当量に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を行うように構成されている、請求項４に記載の超音波用具システム。
【請求項6】
前記制御コンソールは、前記測定された電圧と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスと、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数とに基づいて、前記少なくとも１つの駆動体を通る電流を計算することと、
前記測定された電流と前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流との間の差を求めることと
を行うように構成されることによって、前記測定された電流及び電圧と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスと、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数とに基づいて、前記超音波ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の仕事当量を計算するように構成されている、請求項５に記載の超音波用具システム。
【請求項7】
前記制御コンソールは、前記少なくとも１つの駆動体を通る電流と、前記超音波ハンドピースの前記機械構成要素に印加される電流の前記仕事当量との間の比を計算することと、
前記計算された比に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を行うように構成されている、請求項５又は６に記載の超音波用具システム。
【請求項8】
前記制御コンソールは、前記計算された比を目標比と比較することと、
前記計算された比と前記目標比との前記比較に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を行うように構成されることによって、前記計算された比に基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を設定するように構成されている、請求項７に記載の超音波用具システム。
【請求項9】
前記制御コンソールは、前記計算された比の実数成分を目標比と比較するように構成されることによって、前記計算された比を前記目標比と比較するように構成されている、請求項８に記載の超音波用具システム。
【請求項10】
前記超音波ハンドピースは、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスを示すデータを記憶するメモリを備え、前記制御コンソールは、前記少なくとも１つの駆動体のキャパシタンスを示す前記データを前記超音波ハンドピースの前記メモリから読み出すように構成されることによって、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスを求めるように構成されている、請求項４～９のいずれか１項に記載の超音波用具システム。
【請求項11】
ＡＣ駆動信号の印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体と、対向する近位端及び遠位端を含むチップであって、該チップの前記近位端は、前記少なくとも１つの駆動体の前記拡張及び前記収縮が前記近位端において長手方向振動を引き起こすように前記少なくとも１つの駆動体に結合され、前記近位端と前記遠位端との間の特徴部は、前記近位端に存在する前記長手方向振動を、長手方向成分及びねじれ方向成分を有する前記遠位端における振動に変換する、チップとを含む超音波ハンドピースを制御する方法であって、前記超音波ハンドピースの前記少なくとも１つの駆動体に印加される可変周波数を有する前記ＡＣ駆動信号を生成することと、
前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの隣接する機械共振モードの共振周波数間のある周波数に設定することであって、前記ある周波数は、前記チップを前記隣接する機械共振モードにおいて同時に振動させるものであり、ここで、前記隣接する機械共振モードのうちの第１のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分は、前記隣接する機械共振モードのうちの第２のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルし、前記チップの前記遠位端は実質的にねじれ方向の移動経路で運動するものである、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を含む方法。
【請求項12】
前記隣接する機械共振モードのうちの前記第１のものに関連した前記チップの振動の前記長手方向成分は、前記隣接する機械共振モードのうちの前記第２のものに関連した前記チップの振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルし、前記移動経路に沿った前記遠位端の運動の間、前記チップの前記遠位端と前記チップの長手方向軸に垂直である軸との間の角度は３０度を超えないものである、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記ＡＣ駆動信号の電流及び電圧を測定することと、前記少なくとも１つの駆動体のキャパシタンスを求めることと、
前記測定された電流及び電圧と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの前記隣接する機械共振モードの共振周波数間の前記ある周波数に設定することと
を更に含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項14】
前記超音波ハンドピースは、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスを示すデータを記憶するメモリを備え、前記少なくとも１つの駆動体のキャパシタンスを求めることは、前記少なくとも１つの駆動体のキャパシタンスを示す前記データを前記超音波ハンドピースの前記メモリから読み出すことを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
ＡＣ駆動信号の印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体と、対向する近位端及び遠位端を含むチップであって、該チップの前記近位端は、前記少なくとも１つの駆動体の前記拡張及び前記収縮が前記近位端において長手方向振動を引き起こすように前記少なくとも１つの駆動体に結合され、前記近位端と前記遠位端との間の特徴部は、前記近位端に存在する前記長手方向振動を、長手方向成分及びねじれ方向成分を有する前記遠位端における振動に変換する、チップとを含む超音波ハンドピースを制御する制御コンソールであって、前記超音波ハンドピースの前記少なくとも１つの駆動体に印加される可変周波数を有する前記ＡＣ駆動信号を生成するアセンブリと、
前記ＡＣ駆動信号の前記可変周波数を前記超音波ハンドピースの隣接する機械共振モードの共振周波数間のある周波数に設定するように構成されているプロセッサであって、前記ある周波数は、前記チップを前記隣接する機械共振モードにおいて同時に振動させ、ここで、前記隣接する機械共振モードのうちの第１のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分は、前記隣接する機械共振モードのうちの第２のものに関連した前記チップの振動の長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルし、前記チップの前記遠位端は実質的にねじれ方向の移動経路で運動するものである、プロセッサと
を備える制御コンソール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、包括的には、超音波駆動型手術用（surgical：外科用）ハンドピースに関する。より詳細には、本発明は、複数の振動モードを有する超音波駆動型ハンドピースと、チップヘッド（tip head）が基本的にねじれ方向振動である振動を受けるようにこのハンドピースを駆動する方法とに関する。
【背景技術】
【0002】
超音波手術器具は、幾つかの医学的処置及び外科的処理を実行するのに有用な手術器具である。一般に、超音波手術用具は、少なくとも１つの圧電駆動体（piezoelectric driver：圧電ドライバ）を含むハンドピースを含む。チップ（tip）が駆動体に機械的に結合され、駆動体が配置されるハウジング又はシェルから前方に延在する。チップはヘッドを有する。ヘッドは、特定の医療／外科作業を成し遂げるように寸法を合わせられた機構、多くの場合に歯を設けられる。超音波用具システムは、制御コンソールも備える。この制御コンソールは、ＡＣ駆動信号を駆動体に供給する。駆動信号が駆動体に印加されると、駆動体は周期的に拡張及び収縮する。駆動体の拡張／収縮は、チップに沿って伝播する音波を誘発する。これらの音波は、チップ、特にヘッドに前後運動を誘発する。チップがそのように運動すると、チップは振動しているとみなされる。チップの振動しているヘッドは、組織に対して適用されて、特定の外科作業又は医療作業を実行する。例えば、幾つかのチップヘッドは、硬組織に対して適用される。硬組織の１つの形態は骨である。このタイプのチップヘッドが振動されると、チップ歯、すなわち鋸の前後（back and forth：往復）振動が、付近の硬組織を切除する。更に他のチップヘッドは、軟組織に接触して配置されるように設計されている。
【0003】
幾つかの超音波用具は、組織及び周囲の流体にキャビテーションを誘発することによって組織を切除する。キャビテーションは、チップヘッドがキャビテーションを誘発する速度以上の速度で前後運動する結果として生じる。キャビテーションは、チップ付近の組織及び周囲の流体に小さな空隙、すなわちキャビティを形成することである。これらのキャビティは、極めて低い圧力の非常に小さなゾーンである。これらのキャビティと付近の組織を形成する細胞との間の境界にわたる圧力差。この圧力差の大きさが比較的大きいために、細胞壁は破裂する。これらの細胞壁の破裂によって、組織を形成する細胞は切除、すなわちアブレート（ablate）される。幾つかのチップには、チップヘッドの側部から横方向外方に突出した歯が形成されている。
【0004】
物理的に、多くのチップが細長いシャフトを備える。シャフトの近位端、すなわち後端は、ハンドピースに接続される。ヘッド、すなわちチップヘッドは、シャフトの遠位端、すなわち自由端に位置する。ヘッドは、時に、シャフトの隣接部分から外方に突出しているものがある。超音波チップのヘッドは多くの場合に比較的小さい。幾つかのヘッドは１．０ｃｍ未満の直径を有する。超音波用具は、ヘッドが適用された場所に隣接する組織を切除する。ヘッドの表面積が比較的小さいために、超音波ハンドピースは、硬組織及び軟組織の双方を正確に切除するのに有用な用具であることがわかっている。
【0005】
組織を選択的に切除するのに用いられる他の切断器具は、ドリルビット及びバーである。ドリル又はバーが機能するために、器具は多くの場合に回転される。ここで、「回転」とは、器具を通る長手軸の回りの３６０度の動作を繰り返すことを意味するものと解釈される。この回転の機械的力は、組織の抵抗力に対抗すると、器具を切断経路から飛び出させる可能性がある。この回転の更に別の望ましくない効果は、器具のシャフトが、切除の対象でない組織を一定不変に圧迫すると、回転が組織を引き裂くか又はそれ以外の損傷を組織に与える可能性があるということである。これとは対照的に、超音波チップは、シャフトもヘッドも回転しない。これは、このタイプの器具が処置において用いられると、組織がチップの回転の結果として損傷を受け得る可能性が基本的に取り除かれることを意味する。
【0006】
ほとんどのチップは、駆動信号が印加されると、チップヘッドが主として単一モードで振動するように設計されている。ここで、振動モードとは、チップヘッドが進む際に沿う移動経路であると解釈される。チップの大部分は、長手方向に振動するように設計されている。これは、ヘッドが、チップに沿った近位遠位間の長手方向軸と基本的に一致している軸に沿って前後運動することを意味する。
【0007】
問題は、チップが長手方向に振動するときに発生する可能性がある。このタイプのチップは、上記で論述したように、チップヘッドの側面が組織に対して適用されて振動されると、歯が組織を切断、すなわち切除するように設計されている。代替的に、又はこの切断と組み合わさって、歯は、付近の組織をアブレートするキャビテーションを促進する。この問題は、時に、チップのシャフトの遠位端が、ヘッドのこの端部が押圧される組織にキャビテーションを誘発する速度で振動する可能性があることから生じる。このキャビテーションは、切除の対象ではない組織の不要なアブレーション、すなわち切除を引き起こす可能性がある。この不要な組織切除を低減することによって提起される難題は、この切除がチップヘッドの遠位端において行われているということによって更に複雑化される。このロケーションは、通常、開業医（practitioner）の視界からは見えないロケーションである。その結果、チップのこの配置のために、開業医がこの不要な組織アブレーションが行われているか否かを判断することは困難である可能性がある。
【0008】
長手方向モード以外のモードで振動する幾つかのチップが利用可能である。幾つかのチップは、それらのヘッドが振動されると、ねじれ方向振動、すなわち回転振動を行うように設計される。これは、そのヘッドが励振されて振動すると、チップの長手方向軸の回りに回転することを意味する。更に他のチップは、屈曲するように設計される。この回転は、３６０度未満の角度に対する円弧の回りの前後運動である。これは、チップが励振されると、チップの長手方向軸が前後に曲がることを意味する。チップヘッドは、この曲げ、すなわち、チップの屈曲とともに運動する。
【0009】
超音波ハンドピースと一体的な特性は、当該ハンドピースの機械共振周波数である。ここで、ハンドピースは、駆動体と、チップを含めた、駆動体に結合されたハンドピースの構成要素との双方を意味するものと解釈される。機械共振周波数は、チップがこの周波数において振動されると、チップヘッドがピーク範囲の振動運動を受けるこれらの構成要素の周波数である。長手方向に振動するチップの場合、ピーク範囲は、最大の前後距離であると解釈される。ねじれ方向又は屈曲方向に振動するチップの場合、最大範囲は、振動サイクルの単一フェーズにおける最大円弧であると解釈される。ここで、ピーク範囲の運動は、駆動体が共振周波数を僅かに下回る周波数又は僅かに上回る周波数で振動した場合に生じる運動よりも大きさが大きい運動であると解釈される。
【0010】
幾つかのハンドピースは、それらの構造のために、複数の機械共振モードを有する。これは、このタイプのハンドピースが、隣接する周波数と比較して、ハンドピースが振動さと、チップヘッドがピーク範囲の動作を行う複数の周波数を有することを意味する。各機械共振周波数は、機械共振モードのうちの個々の１つに関連付けられる。
【0011】
本出願人の国際公開第２０１５／０２１２１６号／米国特許出願公開第＿＿＿号は、駆動信号がチップの機械共振周波数と可能な限り厳密に一致する周波数になるようにこの信号の周波数を調節する手段を開示している。これらの国際公開／米国特許出願公開の内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。一般に、このプロセスは、以下の式、すなわち、国際公開第２０１５／０２１２１６号における式（１１）の評価結果が真であるか否かを判断することによって実行される。
駆動体に印加される駆動信号の周波数は、この比の前項及び後項の双方の変数として機能する。国際公開第２０１５／０２１２１６号は、駆動信号周波数がハンドピースの特定の機械共振モードの共振周波数になるようにこの駆動信号周波数を調節することを教示している。通常、この共振周波数は、チップヘッドの最大ピーク範囲の動作の振動を誘発するハンドピースの機械共振状態のためのものである。
【数1】
【0012】
上記比を求める計算が正の結果を与える場合、最大の所望の振動動作をもたらす共振周波数とより厳密に一致するように、駆動信号の周波数を減少させることが必要である。通常、上記比を計算するために選択される変数は、長手方向モード振動及びねじれ方向モード振動が最大の大きさを有する共振状態の共振周波数においてチップを振動させる駆動信号の周波数を求めるために選択される。
【0013】
図１において、ほぼ２４．４５ｋＨｚの周波数ｆ１は、ハンドピースの機械共振モードのうちの第１のものに関連付けられた周波数である。この周波数は、チップが無負荷状態にあるときのこの共振モードの共振周波数である。チップは、自由空間において振動しているときに無負荷状態にある。チップが組織に適用されると、チップの負荷は自由空間の負荷よりも上昇する。この結果、機械共振モード（複数の場合もある）の共振周波数（複数の場合もある）が変化する。チップの共振周波数（複数の場合もある）は、他の理由によっても変化する場合がある。これらの理由には、チップ温度の変化又はチップに適用される負荷の音響性質の変化が含まれる。この理由によって、国際公開第２０１５／０２１２１６号は、式（１）の評価結果が真であるか否かを連続的に評価することを教示している。チップが組織に適用された結果、機械共振モードの共振周波数は変化する。したがって、チップを含むシステムの効率的な動作を確保するために、国際公開第２０１５／０２１２１６号は、信号が、該当する機械共振モードのリアルタイムの共振周波数に可能な限り厳密に一致する周波数になるように、式（１）に基づいて、ハンドピースに印加される駆動信号を連続的に調整することを教示している。
【0014】
チップヘッド付近のチップシャフトの長手方向動作によって引き起こされる望ましくない効果を大幅に低減するように設計された幾つかのチップが現在利用可能である。通常、このチップは、２つのモードで同時に振動するように設計されている。多くの場合、このチップは、長手方向モード及びねじれ方向モードの双方で振動するように設計されている。これらの２つのモードで同時に振動することが可能な１つのチップは、ミシガン州カラマズーにある本出願人のStryker Corporation社から販売されているロングマイクロクロー（Long Micro Claw）チップである。このチップの構造は、「COUPLING VIBRATION ULTRASONIC HAND PIECE」という発明の名称の米国特許第６，９５５，６８０号に開示されている。この米国特許の内容は、引用することによって、明確に本明細書の一部をなすものとする。手短に言えば、このタイプのチップは、駆動体から伝達される長手方向振動を分解する特徴部を有し、この長手方向振動は２つの成分に分解される。具体的には、これらの特徴部は、各振動が長手方向成分、すなわち長手方向モード振動と、ねじれ方向成分、すなわちねじれ方向モード振動とを有するように振動を分解する。
【0015】
これらのチップヘッド振動は、長手方向モード振動の和及びねじれ方向モード振動の和に等しい振動である。
【0016】
上述したチップは、該当する周波数範囲では、２つの機械共振モードを有する。図１において、周波数ｆ１は、第１の機械共振モードに関連付けられた共振周波数である。周波数ｆ２、すなわち２５．３２ｋＨｚは、第２の機械共振モードに関連付けられた共振周波数である。チップが、第１の機械共振モードに関連付けられた機械共振周波数において振動されると、チップの遠位部分は、駆動信号がこの共振周波数を僅かに下回るとき又は僅かに上回るときの動作範囲と比較してピーク範囲にある長手方向動作及びねじれ方向動作の双方を受ける。チップが、第２の機械共振モードに関連付けられた機械共振周波数において振動されると、チップの遠位部分は、駆動信号がこの共振周波数を僅かに下回るとき又は僅かに上回るときの動作範囲と比較してピーク範囲にある長手方向動作及びねじれ方向動作の双方を受ける。ほぼ２５ｋＨｚの駆動信号が印加されるチップの場合、「僅かに下回る」の定義は、機械共振周波数を１００Ｈｚ～３００Ｈｚ下回る周波数とすることができる。このタイプのチップの場合、「僅かに上回る」の定義は、機械共振周波数を１００Ｈｚ～３００Ｈｚ上回る周波数とすることができる。
【0017】
多くの場合に、チップが機械共振モードのうちの一方において振動されるときに生成される運動のピーク範囲は、チップが他方の機械共振モードに関連付けられた周波数において振動されるときの動作のピーク範囲よりも大きな動作範囲である。上述の、引用することによって本明細書の一部をなす国際公開第２０１５／０２１２１６号は、運動のピーク範囲が最大の大きさを有する機械共振モードの共振周波数においてチップを振動させる駆動信号を印加供給（apply source）することを教示している。図１では、これは周波数ｆ１である。
【0018】
本出願人の国際公開第２０１６／０２２８０８号／米国特許出願公開第＿＿＿号として公開された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４４０２３号は、ハンドピースに印加される駆動信号の印加を調節する代替のシステムを開示している。この国際出願の内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。この文献は、複数の成分を有する駆動信号をハンドピースにどのように印加することができるのかを開示するシステムを対象としている。駆動信号の第１の成分は、電位を有し、第１の機械共振モードに関連付けられた周波数、すなわち図１における周波数ｆ１にある。駆動信号の第２の成分は、電位を有し、第２の機械共振モードに関連付けられた周波数にある。これは、図１における周波数ｆ２である。駆動信号のこれらの個々の成分の電位及び周波数を調整することによって、２つの機械共振モードに関連付けられた振動の長手方向成分の和の大きさを調整することができる。駆動信号の個々の成分の電位の調整は、２つの共振状態の振動のねじれ方向成分の和の大きさも設定する。これらの個々の振動成分を調整することによって、チップヘッドが非直線とみなすことができる移動経路に関与するようにチップを振動させることができる。ここで、非直線の移動経路は、チップヘッド上の単一の点が単一の前後振動サイクルに関与するとき、サイクルの第１のフェーズでは、この点が空間内の第１の点集合上を通過し、第２のフェーズ、すなわち戻りフェーズでは、チップが空間内の第２の点集合上を通過するような移動経路である。この第２の点集合は第１の点集合と異なる。１つの例では、単一のサイクルにおける移動経路は、基本的に長円形である。
【0019】
非直線移動経路でチップを駆動することの利点は、第１のフェーズにおいて、歯が骨に衝突し、その後、次の動作のフェーズにおいて、骨を摩擦するということである。チップの歯の動作の衝突フェーズの間、チップは、骨を破砕して所望の量の骨を切除する。歯が骨を摩擦する動作フェーズの間、歯は、歯の衝突フェーズの結果として形成されたばかりの残骸を除去する。これらの残骸の除去の結果、次の振動サイクル中の残骸の存在が骨切断プロセスに悪影響を及ぼす程度が同様に低減される。
【0020】
上述した理由によって、２つの振動モード、すなわち、長手方向モード及びねじれ方向モードの同時の振動をチップに受けさせる駆動信号を超音波ハンドピースに印加することは有用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0021】
しかしながら、ねじれ方向モード振動及び長手方向モード振動の双方を行うよう駆動されるように設計されたチップであっても、チップのシャフトに沿って或る長手方向動作を受ける。上述した理由によって、この動作は、チップヘッドの遠位端の付近に不要なキャビテーションをもたらす可能性があり、ひいては、不要な組織アブレーションをもたらす可能性がある。したがって、実質的にねじれ方向でありかつ長手方向成分が存在しても最小限の振動をチップに実施させるような駆動信号をハンドピースに印加することができるのであれば最良である幾つかの状況が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【0022】
本発明は、新規でかつ有用な超音波手術用具システムに関する。本発明のシステムは、チップを有するハンドピースと、チップを振動させる駆動信号を供給する補完制御システムとを備える。コンソール及びチップは、駆動信号がチップに印加されると、チップが主としてねじれ方向モードにある運動を行うように集合体として構成される。
【0023】
本発明のシステムは、チップを有するハンドピースを備える。本発明のチップは、長手方向振動の成分をねじれ方向振動に変換する特徴部を有する。
【0024】
本発明は、チップを含む、ハンドピースを形成する機械構成要素の特性のために、ハンドピースが、第１の機械共振モードの共振周波数と第２の機械共振モードの共振周波数との間に長手方向機械キャンセル周波数を有するという原理に基づいている。駆動信号がこの周波数においてハンドピース駆動体に印加されると、ハンドピースの機械構成要素は励振されて、第１の機械共振モード振動及び第２の機械共振モード振動の双方をチップに同時に誘発する。本発明が基礎とする更なる原理は、機械構成要素が励振されて、２つの機械共振モードで同時に振動すると、これらの共振モードに関連付けられた長手方向振動は互いに異相であり、ねじれ方向振動は同相であるということである。
【0025】
ハンドピースがそのように振動される結果、個々のモードの長手方向振動は異相であるので、これらの振動は互いにキャンセルし合う。個々のモードのねじれ方向振動は同相であるので、チップ、より詳細にはヘッド及びシャフトの隣接するセクションは、感知可能なねじれ方向振動を行う。したがって、本発明のチップヘッドは、実質的なねじれ方向振動を受ける一方、ヘッド及びシャフトの隣接するセクションは、長手方向振動が存在しても、最小限の長手方向振動しか受けない。
【0026】
本発明は、ハンドピースに印加される駆動信号の特性を監視することによって、駆動信号の特性を連続的に調整するシステムを対象とする。より詳細には、駆動信号の周波数は、この信号がハンドピースの長手方向機械キャンセル周波数に可能な限り厳密に等しくなることを確保するように連続的に調整される。
【0027】
駆動信号のこの連続的な監視及びこの信号の周波数のその後の調整が必要である理由は、ハンドピースの機械構成要素に適用される負荷が変化すると、長手方向機械キャンセル周波数が同様にシフトするからである。
【0028】
本発明は特許請求の範囲において詳細に示される。本発明の上記の及び他の特徴及び利点は、添付の図面とともに取り上げられる以下の「発明を実施するための形態」から更に理解される。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】ハンドピース駆動体のキャパシタンスに起因する電流と、本発明のハンドピースを含むハンドピースの周波数にわたるハンドピースを通る電流の仕事当量（mechanical equivalent of current）との比の実数成分のグラフ表現である。
【図2】本発明の特徴を備える超音波用具システムの基本構成要素を示す図である。
【図3】システムの用具、ハンドピース、チップ及びスリーブの機械構成要素の概略分解図である。
【図4】ハンドピース及びチップの電気構成要素と、これらの構成要素が制御コンソールにどのように接続されるのかを示すブロック図である。
【図5】ハンドピースの内部のメモリに記憶されたデータのタイプを示す図である。
【図6】用具チップと一体となったメモリに記憶されたデータのタイプを示す図である。
【図7】本発明のシステムの制御コンソールの電気構成要素及びハンドピース構成要素のブロック図である。
【図8】本発明による、チップが振動されたときの長手方向軸の回りのチップヘッドの点の移動経路を２次元で表す図である。
【図9】チップを備えるハンドピースの長手方向振動及びねじれ方向振動に関連付けられた境界及び節点のロケーションの概略図である。
【図10】振動サイクルの第１のフェーズ中における、ハンドピースの長手方向振動及び機械振動の個々の成分、並びにこれらの成分の和の概略図である。
【図11】振動サイクルの第２のフェーズ中における、長手方向振動及び機械振動の個々の成分、並びにこれらの振動の和の概略図である。
【図12】本発明による、電気電流及び仕事当量が印加されるインピーダンスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
Ｉ．システムの概説及びハードウェア
ここでは、本発明の特徴を備える超音波用具システム３０を、図２及び図３を参照することによって全般的に説明する。システム３０はハンドピース３２を備える。チップ１４２は、ハンドピース３２に取り付けられ、ハンドピース３２から遠位前方に延在する。（「遠位」とは、ハンドピースが適用される部位に向けて、開業医から遠ざかることを意味するものと解釈される。「近位」とは、ハンドピースが適用される部位から遠ざかって、ハンドピースを保持する開業医に向かうことを意味するものと解釈される。）チップ１４２は、組織に適用されて所望の医学的処置／外科的処置を行うシステム３０の構成要素である。システム３０は制御コンソール２３０も備える。制御コンソール２３０は、ハンドピース３２に印加される駆動信号の信号源である。駆動信号の印加に応答して、ハンドピース３２はチップ１４２を振動させる。
ここでは、本発明の特徴を備える超音波用具システム３０を、図２及び図３を参照することによって全般的に説明する。システム３０はハンドピース３２を備える。チップ１４２は、ハンドピース３２に取り付けられ、ハンドピース３２から遠位前方に延在する。（「遠位」とは、ハンドピースが適用される部位に向けて、開業医から遠ざかることを意味するものと解釈される。「近位」とは、ハンドピースが適用される部位から遠ざかって、ハンドピースを保持する開業医に向かうことを意味するものと解釈される。）チップ１４２は、組織に適用されて所望の医学的処置／外科的処置を行うシステム３０の構成要素である。システム３０は制御コンソール２３０も備える。制御コンソール２３０は、ハンドピース３２に印加される駆動信号の信号源である。駆動信号の印加に応答して、ハンドピース３２はチップ１４２を振動させる。
【0031】
ハンドピース３２は、図２にのみ見られる本体又はシェル３４を備える。図３及び図４から、１つ以上の振動圧電駆動体３６（４つが示されている）がシェル３４の内部に配置されていることを見て取ることができる。各駆動体３６は、電流がその駆動体に印加されると、瞬間的な拡張又は収縮を受ける材料から形成される。駆動体の拡張／収縮は、駆動体３６の長手方向軸、すなわち、駆動体の近位側を向いた面と遠位側を向いた面との間に延びる軸上のものである。１対のリード線３８が各駆動体３６から延在する。リード線３８は、駆動体の対向する近位側を向いた面及び遠位側を向いた面に取り付けられる。全てではないが多くのハンドピース３２は、ディスク形状を有する駆動体３６を備える。駆動体３６は、端から端に積重して配列される。リード線３８は、駆動信号が駆動体３６に印加される際に経由するシステム３０の構成要素である。１つが図示されている任意選択の絶縁ディスク４０が、隣接する駆動体３６の間に配置される。図３では、駆動体３６及び絶縁ディスク４０は、互いに離隔して示されている。これは、これらの構成要素の図示を容易にするためである。実際には、駆動体３６及び絶縁ディスク４０は密接に当接している。
【0032】
支柱４４が、駆動体３６、リード線３８及び絶縁ディスクを長手方向に通って延在する。支柱４４は、駆動体３６、リード線３８、及び絶縁ディスク４０を通り、これらの構成要素の同一直線上にある長手方向軸に沿って延在する。支柱４４が延在して通る駆動体３６、リード線３８及び絶縁ディスク４０の内部の貫通孔は見えない。支柱４４は、最も近位に配置された駆動体３６及び最も遠位に配置された駆動体の双方の外方に突出している。
【0033】
近位端質量体４６は、最も近位に位置する駆動体３６の近位側を向いた面に隣接して位置し、この面に当接する。質量体４６は、支柱４４の近位端セクションに取り付けられる。支柱４４がねじ切り加工されている場合、質量体３６はナットとすることができる。
【0034】
図３に見られるホーン（horn：円錐部）４８は、最も遠位に位置する駆動体３６の遠位側を向いた面から前方へ延在する。ホーン４８は、駆動体３６の直径にほぼ等しい直径を有する基部を有する。駆動体３６から遠位前方へ延びるにつれて、ホーン４８の直径は減少する。支柱４４の露出した遠位端セクションは、ホーン４８に添着される。本発明の多くの態様（versions：バージョン）において、支柱４４及びホーン４８は、単一片（single piece：一体成形）ユニットである。ハンドピース３２は、駆動体３６及び絶縁ディスクの積重したものが近位質量体４６とホーン４８との間に圧縮されるようにして構築される。
【0035】
ハンドピースシェル３４内には、ハンドピースメモリ５６も配置される。メモリ５６は、ハンドピース３２及びチップ１４２の動作を調節するのに用いられるデータを含む。メモリ５６は、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ又はＲＦＩＤタグの形態を取ることができる。メモリの構造は本発明の一部ではない。例示として、ハンドピースメモリ５６はＲＦＩＤタグである。メモリ５６に接続されたコイル５４が示されている。コイル５４は、制御コンソール２３０がハンドピースメモリ５６に対する読み出し及び書き込みを行う際に経由するハンドピースに関連付けられた構成要素である。
【0036】
図５は、ハンドピースメモリ５６に記憶されたデータのタイプを示している。これらのデータは、フィールド６２によって表されるように、ハンドピース３２を特定するデータを含む。これらのデータは、コンソール２３０がハンドピースに駆動信号を印加することができることを検証するのに有用である。フィールド６２内のデータは、コンソールディスプレイ２６８上に提示されるハンドピースに関する情報のタイプも示すことができる。ハンドピースメモリ５６内の他のデータは、駆動体３６への駆動信号の供給を調節するのに用いられる。これらのデータの使用は以下で論述されるが、データのタイプはここで説明される。フィールド６４は、キャパシタンスＣＯ、すなわち、駆動体３６のスタックのキャパシタンスを示すデータを含む。駆動体キャパシタンスは、ハンドピース３４を組み立てるプロセス中の解析によって求めることができる。多くの場合、駆動体のキャパシタンスの総量は、５００ｐＦ～５０００ｐＦである。ハンドピース３６に印加されるべき最大電流、すなわち、電流ｉＳ
ＭＡＸに関するデータは、フィールド６６に含まれる。電流ｉＳ
ＭＡＸは、多くの場合には１アンペアピーク未満であり、より多くの場合には０．５アンペアピーク以下である。フィールド６８は、ハンドピースの以下で論述する機械構成要素を流れるべき以下で論述する電流の最大仕事当量ｉＭ
ＭＡＸを示すデータを含む。電流ｉＭ
ＭＡＸは、通常、０．２５アンペアピーク以下である。駆動信号の最大電位、すなわち、電圧ＶＳ
ＭＡＸは、フィールド７０に記憶される。電圧ＶＳ
ＭＡＸは、多くの場合に１５００ボルトＡＣピークである。
【0037】
ハンドピースメモリ５６には、ハンドピース３２に印加されるべき駆動信号の最小周波数及び最大周波数を示すデータも記憶される。フィールド７２に記憶された最小周波数は、通常、制御コンソールが供給することができる駆動信号の最小周波数である。フィールド７４に記憶された駆動信号の最大周波数は、通常、最小周波数よりも高い５ｋＨｚ～４０ｋＨｚである。
【0038】
フィールド７６は、コントローラ９６によって出力される制御信号を制御する係数を含む。ＰＩＤ制御ループが、これらの信号のそれぞれの最終レベルを確立するのに用いられる。フィールド７６は、これらの制御ループのそれぞれの係数を含む。フィールド６２、６６、６８、７０、７２、７４及び７６内のデータは、フィールド６４内のデータと同様に、ハンドピースを組み立てるプロセスの一部としてハンドピースメモリ５６に記憶されることが理解されるであろう。
【0039】
ハンドピースメモリ５６は、使用履歴フィールドとしてフィールド７８も含む。制御コンソール２３０は、ハンドピース３２の使用中、ハンドピースの動作のログを提供するためにデータをフィールド１２８内に書き込む。
【0040】
図４に戻ると、ハンドピース３２の内部には、２つの導体１３２も示されていることを見て取ることができる。導体１３２は、コイル５４からハンドピースの遠位端に延在する。導体１３２は、ハンドピース３２に同様に配置された第２のコイル、すなわちコイル１３４に接続されている。
【0041】
チップ１４２は、ハンドピースホーン４８から前方へ延在する。チップ１４２は、概ね円柱状のシャフト１４４を有する。本発明の全ての態様ではなく、幾つかの態様では、シャフト１４４は、それぞれ異なる断面直径を有する複数のセクションを有する。本発明の図示した態様では、チップシャフト１４４は、近位セクション１４６を有する。シャフトの近位セクション１４６には、チップをハンドピース３２に着脱可能に連結することを容易にするように設計された連結特徴部が形成されている。本発明の１つの態様では、ハンドピース連結特徴部は、ホーン４８から前方へ延在するボス４９である。ボス４９の外面は、ねじ切り加工（図示せず）を用いて形成される。チップ連結特徴部は、シャフトの近位セクション１４５を部分的に通ってシャフト１４４の近位端から内方へ延在する閉鎖端穿孔１４５である。穿孔１４５は、ハンドピースホーン４８と一体のねじ切り加工されたボスに係合するように設計されたねじ切り加工（図示せず）を用いて提供される。
【0042】
本発明の図示した態様では、シャフト１４４は、シャフトの近位セクション１４６から前方へ延在する中央セクション１５０を有する。中央セクション１５０は、近位セクション１４６の直径よりも小さな直径を有する。図示したシャフト１４４は、遠位セクション１６０を有する。シャフトの遠位セクション１６０は、中央セクション１５０の直径よりも小さな直径を有する。シャフト１４４のテーパ型遷移セクションは識別されない。１つの遷移セクションは、近位セクション１４６と中央セクション１５０との間にある。第２の遷移セクションは、中央セクション１５０と遠位セクション１６０との間にある。シャフトの遠位セクションは、セクション１６０が遠位に延びるにつれて、シャフトの直径が僅かに減少するように、それ自体が僅かなテーパを有する。
【0043】
ヘッド１６４は、チップ１４２の最遠位部分である。ヘッド１６４は、シャフトの遠位セクション１６０の直前方に位置する。ヘッド１６４には、歯又は縦溝（図示せず）が形成されることがある。チップヘッド１６４は、所望の処置を行う組織に対して押圧されるシステム３０の部分である。歯又は縦溝は、ヘッド１６４が運動するとき、当該歯又は縦溝が組織を圧迫するように設計される。ヘッドの動作の結果、歯又は縦溝は組織を切除する。チップの歯又は縦溝の幾何形状は、本発明の一部ではない。
【0044】
ハンドピース３２は、一般的には、駆動体の前後動作がチップ１４２に同様の振動運動を誘発するように設計される。これらは、運動がチップの長手方向軸、より詳細にはシャフトに沿って前後するという点で長手方向振動である。本発明のチップ１４２には、シャフト１４４の近位端に印加される近位遠位間の振動運動を２つの振動運動に変換する特徴部が更に設けられる。図示したチップ１４２では、これらの特徴部は、シャフトの中央セクション１５０の外面から内方へ延在する螺旋溝１５４である。溝１５４が存在するために、シャフトの近位セクション１４６に印加される長手方向運動の小部分は、チップのそれよりも遠位のセクションを、長手方向に振動させることに加えて、回転振動させる運動に変換される。回転振動とは、シャフト１４４の長手方向軸の回りに延びる円弧状のシャフト及びチップの振動を意味するものと解釈される。
【0045】
スリーブ１７０が、チップシャフト１４４の周囲に配置されている。スリーブ１７０は、プラスチックから形成される。スリーブの近位端には、ハンドピースシェル３４の遠位端にスリーブを解除可能に連結することを容易にする特徴部が形成されている。システム３０を形成する構成要素は、スリーブが、チップシャフト１４４から径方向に離隔されるとともにチップヘッド１６０から長手方向に離隔されるように形成される。より具体的には、これらの構成要素は、チップの正常な振動中に、チップがスリーブに当接しないように寸法決めされる。
【0046】
本発明の一部ではないが、スリーブ１７０には、多くの場合に、取付具１７２が形成されていることを見て取ることができる。取付具１７２は、灌注ラインを収容するように形成されている。システム３０の使用中、灌注流体は、多くの場合に、スリーブ１７０内に流入される。この流体は、チップ１４２とスリーブ１７０との間の間隙を通ってチップ１４２の周囲を流れ、スリーブの開放遠位端から流出する。ハンドピース支柱４４及びチップ１４２には、連続した穿孔（これらの穿孔は図示せず）が形成されている。処置中、吸引がこれらの穿孔を通じて行われる。吸引によって、チップヘッド１６４が適用される部位から、灌注流体とともに、この流体内に同伴される処置によって形成された残骸も吸い込まれる。吸引によって、組織もチップヘッド１６４に向かって吸い込まれる。このチップヘッド１６４に向かう組織の吸い込みによって、チップヘッドによる組織の切断が向上される。
【0047】
スリーブの内部には、図３において点線の方形として見られるチップメモリ１８４が配置されている。メモリ１８４はチップメモリと呼ばれる。なぜならば、このメモリは、スリーブ１７０内に配置されていても、チップ１４２の動作を制御するのに用いられるからである。さらに、チップ１４２及びスリーブ１７０は、通常、単一のパッケージとして併せて販売される。チップ１４２は、通常、まず最初にハンドピース３２に連結される。チップ１４２が定位置に連結された後、スリーブ１７０がハンドピースに嵌合される。チップメモリ１８４は、通常、ハンドピースメモリ５６と同じタイプのメモリである。したがって、本発明の図示した態様では、チップメモリ１８４はＲＦＩＤタグである。スリーブ１７０に組み込まれた、図４にのみ見られるコイル１８２は、チップメモリ１７２の入力ピンに接続される。システム３０を形成する構成要素は、スリーブ１７０がハンドピース３２に嵌合されると、ハンドピースコイル１３４及びコイル１８２が電磁誘導信号交換を行うことができるように構築される。
【0048】
図６は、チップメモリ１８４に含まれるデータのタイプを示している。フィールド１８８によって表されるように、これらのデータは、チップ識別フィールドを含む。フィールド１８８内のデータは、チップを特定し、ハンドピースメモリ識別フィールド１１２内のハンドピースを特定するデータに類似している。フィールド１９０には、特定のチップ１４２のときにハンドピースの機械構成要素を流れるべき電流の最大総仕事当量ｉＭ
ＭＡＸを示すデータが記憶される。フィールド１９２は、チップを振動させるのに用いられるハンドピース駆動体に印加されるべき駆動信号の最小電圧ＶＳ
ＭＩＮを示すデータを含む。フィールド１９３は、チップを振動させるのに用いられるハンドピース駆動体に印加されるべき駆動信号の最大電圧ＶＳ
ＭＡＸを示すデータを含む。
【0049】
フィールド１９４は、機械共振モードのうちの１つの最低可能周波数（ＭＩＮ ＭＲＭ ＦＲＥＱ）を規定するデータを含む。フィールド１９５は、フィールド１９５が最低可能周波数を規定する機械共振モードの最高可能周波数（ＭＡＸ ＭＲＭ ＦＲＥＱ）を規定するデータを含む。通常、フィールド１９４及び１９５は、第１の機械共振モードの周波数の範囲を規定するデータを含む。この周波数の範囲は、第１の共振モードの周波数と第２の共振モードの周波数との間の差の関数である。例えば、これらの２つの機械共振モードの周波数の間の差が２０００Ｈｚ以上である場合、フィールド１９４及び１９５のデータに含まれる周波数の範囲は、１０００Ｈｚとすることができる。より多くの場合に、フィールド１９４及び１９５内のデータによって規定された機械共振周波数を中心とする周波数の範囲は４００Ｈｚ以下である。本発明のより好ましい態様では、機械共振周波数を中心とする周波数の範囲は１００Ｈｚ以下である。
【0050】
フィールド１９６は、チップ１４２の以下で論述する長手方向機械キャンセル周波数の最低可能周波数（ＭＩＮ ＬＣＭ ＦＲＥＱ）を規定するデータを含む。フィールド１９８は、長手方向機械キャンセル周波数の最高可能周波数（ＭＡＸ ＬＣＭ ＦＲＥＱ）を規定するデータを含む。フィールド１９６及び１９８内のデータによって規定された周波数範囲も、２つの機械共振モードの共振周波数の関数である。この周波数範囲は、通常、チップが無負荷状態にあるときのチップの長手方向機械キャンセル周波数を中心とする。この周波数範囲は、チップを駆動することができる機械共振モードに関連付けられた周波数範囲と部分的に重複する場合がある。ただし、長手方向機械キャンセル周波数を中心とするチップの動作の周波数範囲は、チップを駆動することができる機械共振モードの共振周波数まで及ぶべきではない。
【0051】
ＰＩＤ係数フィールド２０４は、チップにとって、ハンドピースメモリのＰＩＤ係数フィールド７６内のデータよりも具体的であり得る制御信号の制御係数を含む。チップメモリ１８４は、チップ使用履歴フィールド２０６も含む。システム３０の動作中、制御コンソール２３０は、チップ１４２の使用に関するデータをフィールド２０６に書き込む。
【0052】
図２、図４及び図７に関してここで説明する制御コンソール２３０は、チップ１４２の振動をもたらす駆動信号をハンドピース３２に供給する。これらの構成要素は、電源装置２３２を含む。電源装置２３２は、通常は１ＶＤＣ～２５０ＶＤＣの定電圧信号を出力する。本発明の多くの態様では、電源装置２３２によって出力される電圧の最大電位は２００ＶＤＣ以下である。電源装置２３２によって生成される電圧は、可変利得増幅器２３４に印加される。制御信号、具体的には、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ（Ｗ＿Ｓ）信号が増幅器２３４に印加される。ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号は、周波数及び振幅の双方が変化する。したがって、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ周波数は、増幅器が、電位及び周波数の双方が変化する出力信号を生成するように、増幅器２３４によって生成される信号の利得及び周波数を変化させるのに用いられる。制御コンソール２３０に組み込むことができる１つのそのような増幅器は、米国仮特許出願第６２／１５９，６７２号に開示されている。この米国仮特許出願の内容は、引用することによって本明細書の一部をなす国際公開第２０１６／１８３０８４号／米国特許出願公開第＿＿＿号に開示されている。より詳細には、増幅器２３４は、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数を有する信号を出力することが可能である。多くの場合に、この信号は、２０ｋＨｚの最小周波数と４０ｋＨｚの最大周波数とを有する。
【0053】
増幅器２３４からの出力信号は、制御コンソール２３０の一部でもある変圧器２３８の１次巻線２４４に印加される。変圧器２３８の２次巻線２４８の両端間に存在する電圧が、ハンドピース駆動体３６に印加される駆動信号である。この電圧は、通常、最大１５００ボルトＡＣピークである。この駆動信号は、駆動体３６にわたって並列に印加される。
【0054】
変圧器２３８は再生コイル２４６を備える。再生コイル２４６の両端間に存在する電圧は、電圧測定回路２５２に印加される。再生コイル２４６の両端間の信号に基づいて、回路２５２は、電圧ＶＳ、すなわち、ハンドピース３２に印加される駆動信号の電圧の電位及び位相を表す信号を生成する。制御コンソール２３０に同様に配置されたコイル２５４は、変圧器の２次巻線２４８から延在する導体のうちの一方に極めて近くに位置する。コイル２５４の両端間の信号は、電流測定回路２５６に印加される。回路２５６は、電流ｉＳ、すなわち、ハンドピース３２に供給される駆動信号の電流の大きさ及び位相を表す信号を生成する。
【0055】
変圧器の２次巻線２４８の両端間に存在する駆動信号は、制御コンソールと一体となったソケット（ソケットは図示せず）に取り付けられた２つの導電接点２５０に存在する。
【0056】
駆動信号は、図２にのみ見られるケーブル２２８によってハンドピース駆動体に印加される。システム３０の多くの構成において、ハンドピース３０及びケーブル２２８は単一ユニットである。ケーブル２２８は、接点２５０が位置する制御コンソールのソケットに接続される。
【0057】
ハンドピース３２及びケーブル２２８が単一ユニットである本発明の態様では、ハンドピースのコイル５４は、ケーブルと一体となったプラグに配置される。コンソールのソケットには、補完コイル２５８が配置されている。システムを形成する構成要素は、ケーブル２２８と一体となったプラグがハンドピースのソケットに取り付けられると、コイル５４及び２５８が電磁誘導によって信号を交換することができるように構成される。
【0058】
ハンドピースに供給される駆動信号の電圧ＶＳ及び電流ｉＳを表す信号は、同様に制御コンソール２３０の内部にあるプロセッサ２６６に印加される。制御コンソール２３０はメモリリーダ２６２も備える。メモリリーダ２６２は、一方の端部においてコンソールのコイル２５８に接続され、反対側の端部においてプロセッサ２６６に接続される。メモリリーダ２６２は、コイル２５８の両端間に存在する信号を、プロセッサ２６６が読み取ることができるデータ信号に変換する。メモリリーダ２６２は、プロセッサ２６６によって出力された信号に応答して、ハンドピースメモリ５２及びチップメモリ１８４へのデータの書き込みをもたらす信号をコイルに出力させる信号もコイル２５８の両端に出力する。メモリリーダ２６２の構造は、ハンドピースメモリ１０２を補完する。したがって、メモリリーダ２６２は、ＥＰＲＯＭ又はＥＥＰＲＯＭ内のデータを読み出すことが可能なアセンブリとすることもできるし、ＲＦＩＤタグにインタロゲートしＲＦＩＤタグからデータ読み出すことが可能なアセンブリとすることもできる。
【0059】
プロセッサ２６６は、増幅器２３４に印加されるＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号を生成する。したがって、プロセッサ２６６は、制御コンソール２３０によって出力されてハンドピース３２に印加される駆動信号の特性を設定する。プロセッサ２６６によって設定される駆動信号の特性は、駆動信号の電圧及び周波数である。プロセッサ２６６は、これらの特性を、ハンドピース３２の特性及びチップ１３４の特性の関数として求める。プロセッサ２６６は、駆動信号も、電圧ＶＳ及び電流ｉＳの取得された測定値の関数として求める。
【0060】
ディスプレイ２６８は、制御コンソール２３０に組み込まれている。ディスプレイ２６８上の画像は、プロセッサ２６６によって生成されたとおりに示される。ディスプレイ２６８上に示される情報には、ハンドピース３２及びチップを特定する情報と、システムの動作状態の特性を記述した情報とが含まれる。ディスプレイ２６８は、多くの場合に、タッチスクリーンディスプレイである。プロセッサ２６６は、ボタンの画像をディスプレイ上に提示させる。これらのボタンを押下することによって、開業医は、システム３０の特定の動作特性として自身が所望するものを設定することができる。
【0061】
ディスプレイ２６８上に提示されるボタンに加えて、通常、制御コンソールに関連付けられた少なくとも１つのオン／オフスイッチが存在する。図２及び図７では、このオン／オフスイッチは、フットスイッチ２７０によって表されている。フットスイッチ２７０は、スイッチが押下される程度とともに変化する信号を生成するように構成される。この信号はプロセッサ２６６に供給される。フットスイッチ２７０によって供給される信号の状態に基づいて、プロセッサ２６６は、チップが振動するか否かと、チップヘッドの振動の大きさとの双方を制御するために駆動信号の生成を調節する。
【0062】
ＩＩ．動作の基本原理
本発明のシステム３０は、チップヘッド１６４が実質的にねじれ方向とみなすことができる移動経路に沿って運動することをもたらす駆動信号を制御コンソール２３０が出力するように設計される。ここで、実質的にねじれ方向の移動経路は、チップヘッド１６４上の点の移動経路、すなわち、図８の線ＰＴが、線ＰＡに対して３０度以下、好ましくは１５度以下、より好ましくは８度以下の鋭角αにあるものと解釈される。線ＰＡは、線ＬＡ、すなわち、チップ１４２を通る長手方向軸に垂直であると解釈される。線ＬＡ及び線ＰＡは、図８の平面内にあると解釈される。図８では、線ＰＴは、チップヘッドの単一の点の移動経路を２次元で表している。したがって、線ＬＡ、ＰＡ及びＰＴが交差する箇所の左側では、線ＰＴは、線ＰＡの下方にかつ図８の平面から外部に延びる。線ＬＡ、ＰＡ及びＰＴが交差する箇所の右側では、線ＰＴは、線ＰＡの上方に図８の平面内に延びる。したがって、ヘッドがねじれ方向動作と長手方向動作とを同時に行う場合にヘッド１６４上の点が運動する移動経路は、この点が線ＰＡの回りに部分的に回転するとともに、線ＬＡに平行な長手方向移動経路に沿って上下運動する移動経路である。完全な状態の下では、チップヘッド１６４は、ねじれ方向運動を行い、長手方向運動を行わない。チップヘッド１６４がこのタイプの運動を行う場合、線ＰＡと線ＰＴとの間の鋭角は０度になることが理解される。
本発明のシステム３０は、チップヘッド１６４が実質的にねじれ方向とみなすことができる移動経路に沿って運動することをもたらす駆動信号を制御コンソール２３０が出力するように設計される。ここで、実質的にねじれ方向の移動経路は、チップヘッド１６４上の点の移動経路、すなわち、図８の線ＰＴが、線ＰＡに対して３０度以下、好ましくは１５度以下、より好ましくは８度以下の鋭角αにあるものと解釈される。線ＰＡは、線ＬＡ、すなわち、チップ１４２を通る長手方向軸に垂直であると解釈される。線ＬＡ及び線ＰＡは、図８の平面内にあると解釈される。図８では、線ＰＴは、チップヘッドの単一の点の移動経路を２次元で表している。したがって、線ＬＡ、ＰＡ及びＰＴが交差する箇所の左側では、線ＰＴは、線ＰＡの下方にかつ図８の平面から外部に延びる。線ＬＡ、ＰＡ及びＰＴが交差する箇所の右側では、線ＰＴは、線ＰＡの上方に図８の平面内に延びる。したがって、ヘッドがねじれ方向動作と長手方向動作とを同時に行う場合にヘッド１６４上の点が運動する移動経路は、この点が線ＰＡの回りに部分的に回転するとともに、線ＬＡに平行な長手方向移動経路に沿って上下運動する移動経路である。完全な状態の下では、チップヘッド１６４は、ねじれ方向運動を行い、長手方向運動を行わない。チップヘッド１６４がこのタイプの運動を行う場合、線ＰＡと線ＰＴとの間の鋭角は０度になることが理解される。
【0063】
システム３０の動作の土台となる主要な原理は、溝１５４、すなわち、チップの長手方向運動をねじれ方向運動に変換する特徴部が存在するために、チップを備えるハンドピースが、互いに離隔した共振周波数を有する第１の機械共振モード及び第２の機械共振モードを有するということである。駆動信号が２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚの範囲内にある場合に動作するシステムの多くの態様について、２つの機械共振モードの共振周波数は、少なくとも２５０Ｈｚ離隔するべきである。本発明のより好ましい態様では、これらの共振周波数は少なくとも５００Ｈｚ離隔している。
【0064】
システムの動作の土台となる第１の付随原理は、駆動信号が、第１の機械共振モードに関連付けられた共振周波数にあるハンドピース駆動体３６に印加されると、チップヘッドが、この周波数における長手方向振動及びねじれ方向振動の組み合わさったものを受けるということである。チップヘッドは、第２の機械共振モードに関連付けることができる感知可能な振動運動を行わない。
【0065】
システムの動作の土台となる第２の付随原理は、駆動信号が、第２の機械共振モードに関連付けられた共振周波数にあるハンドピース駆動体３６に印加されると、チップヘッドが、この周波数における長手方向振動及びねじれ方向振動の組み合わさったものを受けるということである。チップヘッドは、第１の機械共振モードに関連付けることができる感知可能な振動運動を行わない。
【0066】
次に、図９を参照して、ハンドピースに関連付けられた振動の境界及び節点を説明する。近位端質量体４６の近位端は、ハンドピースの長手方向振動の近位無制約境界（unconstrained boundary）を表す。ここで、ハンドピースは、チップ１４２を備えるものと解釈される。近位無制約長手方向境界の遠位前方には、第１の長手方向節点、すなわち、近位長手方向節点がある。この節点は、最も遠位の駆動体３６に隣接して位置することができる。近位長手方向節点の前方には，第２の長手方向節点、すなわち、遠位長手方向節点が存在する。この節点は、チップ１４２において螺旋溝１５４の近位のロケーションに位置する。これらの長手方向節点においては、駆動体がハンドピースにおいて誘発する長手方向の拡張／収縮の波は、ハンドピース又はチップの拡張も収縮も行わない。各長手方向節点の両側では、駆動体によって生成される音波が、ハンドピースの対向した拡張動作及び収縮動作を誘発する。したがって、ハンドピースの各共振モード中に、駆動体が、近位無制約境界と近位長手方向節点との間でハンドピースの拡張を誘発すると、２つの長手方向節点の間では収縮が行われ、遠位長手方向節点の遠位では拡張が行われる。同様に、共振モードについて、駆動体は、近位無制約境界と近位長手方向節点との間で収縮を誘発し、ハンドピースは、長手方向節点の間で拡張を受け、遠位長手方向節点の遠位で収縮を受ける。
【0067】
遠位長手方向節点の遠位にありかつ溝１５４の近位にあるロケーションにおいて、ハンドピースは、固定ねじれ方向境界を有する。このロケーションの遠位では、溝１５４が存在するために、チップを通過する各長手方向の拡張／圧縮波の小部分が、チップをねじる運動に変換され、ねじれ方向運動を誘発する。溝１５４の前方には、ねじれ方向節点が存在する。このねじれ方向節点では、チップはねじれ方向運動を行わない。ねじれ方向節点の遠位では、チップは、固定されたねじれ方向平面とねじれ方向節点との間のチップのセクションがツイストする方向とは反対の方向にツイストする。
【0068】
チップヘッド１６４の遠位端は、ハンドピースの長手方向振動及びねじれ方向振動の双方について無制約境界である。この境界は無制約境界である。なぜならば、チップヘッドは、チップの運動を制約する固定した物体に取り付けられないからである。この理由によって、駆動信号がハンドピースに印加されると、チップシャフト１４４を通じてチップヘッド１６４に伝達される振動運動は、チップヘッドの振動動作を誘発する。
【0069】
駆動信号が、第１の機械共振モードと第２の機械共振モードとの間の周波数においてハンドピース駆動体に印加されると、ハンドピースの機械構成要素は、第１の機械共振モード及び第２の機械共振モードのそれぞれに関連付けられた複数の振動を同時に行うように駆動される。したがって、駆動信号が、第１の機械共振モードの共振周波数と第２の機械共振モードの共振周波数との間の周波数においてハンドピース駆動体に印加されると、駆動体３６がハンドピースの残部に印加する力は、第１の機械共振モードに関連付けられた成分と第２の共振モードに関連付けられた成分とを有する長手方向の拡張／収縮を誘発する。第２の機械共振モードに関連付けられた長手方向振動は、第１の機械共振モードに関連付けられた長手方向振動と異相であることが更に理解される。
【0070】
同様に、駆動信号が、第１の機械モードの共振周波数と第２の機械モードの共振周波数との間の周波数においてハンドピース駆動体に印加されると、溝１５４の遠位のチップ１４２の機械構成要素は、第１の機械共振モードに関連付けられた成分と第２の機械共振モードに関連付けられた成分とを有するねじれ方向振動を行う。第２の共振モードに関連付けられたチップのねじれ方向振動は、第１の共振モードに関連付けられたチップのねじれ方向振動と同相であることが更に理解される。これは、チップが、第２の機械共振モードにおいて振動されることに起因する長手方向の収縮（又は拡張）運動を行うとき、チップは、第１の機械共振モードにおいて振動されることに起因する長手方向の拡張（又は収縮）運動を行うときと同じ方向のねじれ運動を強いられることを意味する。
【0071】
これらの原理に基づくと、本発明のシステム３０は、ハンドピースの第１の機械共振モードに関連付けられた共振周波数と第２の機械共振モードに関連付けられた共振周波数との間にある駆動信号をハンドピース駆動体３６に印加するように構成される。駆動信号が駆動体に印加される際の特定の周波数は、ここでは、長手方向機械キャンセル周波数ｆＬＣと呼ばれるものである。図１のプロットにおいて、長手方向モードキャンセル周波数ｆＬＣは２４．９７ｋＨｚである。
【0072】
駆動信号が、長手方向機械キャンセル周波数において駆動体３６に印加されると、ハンドピースは、長手方向機械キャンセルモードと呼ばれるモードで動作する。図１０及び図１１は、ハンドピースがこのモードで動作するときのチップの振動動作の成分を示している。図１０は、駆動体がハンドピースの残部に第１の力を印加したときに起こることを示している。適宜、駆動体は、外向き双方向矢印２８０によって表される拡張力を出力している。駆動体は、単一の振動サイクルの第１のフェーズ中にこの力をチップの他の機械構成要素に印加するとみなすことができる。本発明において、ハンドピースの機械構成要素は、機械エネルギーを機械負荷に印加するハンドピースの振動構成要素である。これらの構成要素には、駆動体３６、支柱４４、近位端質量体４６、ホーン４８及びチップ１４２が含まれる。スリーブ１７０は、通常、電流の当量が流れる構成要素とみなされない。この理由は、スリーブ１７０が振動している間、このスリーブの振動は他の構成要素の振動に起因しているからである。換言すれば、スリーブ１７０は、ハンドピースの他の機械構成要素の振動が印加される機械負荷の一部である。したがって、スリーブ１７０は、本発明の運動及び信号フローの解析を目的としたものであり、ハンドピースの機械構成要素のうちの１つとみなされない。
【0073】
駆動体３６が長手方向機械周波数において拡張力をハンドピースの残部に印加した結果、ハンドピースの機械構成要素は、励振状態になり、それら自体の長手方向動作を受ける。これらの構成要素は第１の機械共振モードにおいて振動する傾向があることから、遠位長手方向節点の遠位では、この動作は、長手方向拡張動作である。これは、図１０の右向き矢印２８４によって表される。この動作は、拡張動作である駆動体の動作と同様であるが、この動作は、駆動体３６の振動と異相である。螺旋溝１５４が存在するために、ねじれ方向境界では、この長手方向動作の小部分は、チップ１４２のねじれ方向動作に変換される。ねじれ方向境界の付近では、この動作は、曲線矢印２８８の方向にある。ハンドピースを遠位端から見下ろすと、この動作は、反時計回り運動として見える。ねじれ方向節点からチップヘッドまでのチップに沿ったロケーションでは、この動作は、同じ視点から見ると、時計回り回転、すなわち、矢印２９０によって表される回転として見える。
【0074】
ハンドピースの機械構成要素は、第２の機械共振モードにおいて振動させることも必要である。したがって、第１のモードにおいてハンドピースの構成要素の異相の長手方向拡張振動を引き起こすこれらの機械構成要素に印加される同じ拡張力の印加によって、遠位長手方向節点の遠位のこれらの同じ構成要素には、第２の機械共振モードにおいて異相の長手方向収縮振動が誘発される。これらの収縮振動は、左向き矢印２９２によって表される。ねじれ方向境界の遠位に螺旋溝１５４が存在するため、これらの長手方向振動の小部分はねじれ方向振動に変換される。ねじれ方向境界の直接隣接した箇所では、これらの振動は、曲線矢印２９４によって表されるように反時計回り方向である。ねじれ方向節点の遠位では、これらの振動は、矢印２９６によって表されるように時計回り方向である。
【0075】
したがって、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号が、信号の１つのフェーズ中に駆動体３６に印加されると、ハンドピース機械構成要素が長手方向節点の遠位で拡張する傾向は、これらの構成要素が収縮も行おうとする傾向によってキャンセルされる。チップヘッド１６４は、したがって、長手方向動作を基本的に行わない。
【0076】
このフェーズにおいて同時に、螺旋溝がない場合にはハンドピース構成要素の長手方向運動を誘発する対抗力は、螺旋溝１５４が存在する結果、ねじれ方向境界の遠位においてねじれ方向運動に変換される。これらのねじれ方向運動は、矢印によって表されるように互いに同相である。これらのねじれ方向運動は、互いに同相であるので累積的である。換言すれば、振動サイクルの或るフェーズ中、チップヘッド１６４のねじれ方向動作は、ハンドピースが機械共振周波数のうちの単一の一方において振動するように駆動されるために、チップヘッドがねじれ方向動作に励振された場合のチップヘッドのねじれ方向動作よりも大きい。この理由によって、図１０では、ねじれ方向節点の近位のねじれ方向振動の和を表す曲線矢印３０２が、矢印２８８及び２９４のいずれのものよりも長くなるように示されている。同じ理由によって、ねじれ方向節点の遠位のねじれ方向振動の和を表す曲線矢印３０４は、矢印２９０及び２９６のいずれのものよりも長くなるように示されている。
【0077】
図１１は、駆動体３６が、単一の振動サイクルの第２のフェーズ中において収縮力を印加したときに起こることを示している。駆動体が収縮した結果、支柱４４は、内向き双方向矢印３１０によって表されるように、ナット４６及びホーン４８を互いの方に向けて引動する。この力の印加と、これらの構成要素が第１の機械共振モードにおいて振動しようとする傾向との結果、遠位長手方向節点の遠位では、この力は、長手方向収縮動作として見える。この動作は、図１１の左向き矢印３１２によって表される。この動作は、駆動体３６の収縮と異相である。螺旋溝１５４が存在するために、ねじれ方向境界では、この長手方向動作の小部分は、チップ１４２のねじれ方向動作に変換される。ねじれ方向境界の付近では、この動作は、曲線矢印３１４の時計回り方向である。ねじれ方向節点からチップヘッド１６４までのチップに沿ったロケーションでは、この動作は、同じ視点から見ると、反時計回り回転、すなわち、矢印３１６によって表される回転として見える。
【0078】
ハンドピースの機械構成要素は、第２の機械共振モードにおいて振動させることも必要である。したがって、第１のモードにおいてハンドピースの構成要素の異相の長手方向収縮振動を引き起こすこれらの機械構成要素に印加される同じ収縮力の印加によって、遠位長手方向節点の遠位のこれらの同じ構成要素には、第２の機械共振モードにおいて異相の長手方向拡張振動が誘発される。これらの拡張振動は、右向き矢印３２０によって表される。ねじれ方向境界の遠位に螺旋溝１５４が存在するため、これらの長手方向振動の小部分はねじれ方向振動に変換される。ねじれ方向境界の直接隣接した箇所では、これらの振動は、曲線矢印３２２によって表されるように時計回り方向である。ねじれ方向節点の遠位では、これらの振動は、矢印３２４によって表されるように反時計回り方向である。
【0079】
それゆえ、振動サイクルのこの第２のフェーズにおけるハンドピースの振動動作の和は、このサイクルの第１のフェーズにおける振動動作の一部を反転したものである。この場合も、互いに異相である長手方向振動は、互いにキャンセルし合う。この理由によって、チップの長手方向動作は実質的に最小である。２つの機械共振モードに関連付けられたねじれ方向振動は同相である。この理由によって、チップ１４２は、ねじれ方向動作、すなわちツイスト（twist）を行う。曲線矢印３１４、３１６、３２２及び３２４に対する曲線矢印３２６及び３２８の相対的な長さによって表されるように、このツイストの大きさは、ハンドピースが機械共振モードのうちのいずれか単一の一方で振動しようとする傾向に起因して誘発されるツイストよりも大きい。
【0080】
その結果、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号が駆動体３６に印加されると、ハンドピース機械構成要素は、シャフト１４４及びチップヘッド１６４の（存在しても）最小限の長手方向動作しか有しないヘッドの実質的なねじれ方向振動、すなわち、ツイスト振動が存在するパターンで振動するように駆動される。
【0081】
ハンドピースを長手方向機械キャンセル周波数において振動させるために駆動体３６に印加される駆動信号の特性の理解は、図１２を最初に参照することによって得られる。この図は、ハンドピースの構成要素を通る電流フローを表している。駆動信号の電流ｉＳは、構成要素の３つのセットを通って並列に印加されるものとみなすことができる。構成要素の第１のセットは、駆動体３６自体からなる。これらの構成要素にわたるインピーダンスＺ０は、以下の式のように、基本的に駆動体のリアクタンスである。
駆動体のキャパシタンスは、本発明においては、一定である。したがって、駆動体のインピーダンスに影響を及ぼす唯一の変数は、ω、すなわち、ラジアンを単位とする駆動信号の周波数である。
【数2】
【0082】
駆動信号電流ｉＳが印加されて通る構成要素の第２のセットは、ハンドピースを第１の機械共振モードにおいて振動させるハンドピースの機械構成要素である。この電流は、実際の電気電流でないことが理解される。代わりに、この電流は、これらの構成要素の機械振動を誘発するためにこれらの構成要素を流れる電流の仕事当量である。これらの構成要素には、駆動体３６、支柱４４、近位端質量体４６、ホーン４８及びチップ１４２が含まれる。この場合も、スリーブ１７０は、ハンドピースの他の機械構成要素の振動が印加される機械負荷の一部である。したがって、スリーブ１７０は、電流の仕事当量が流れる構成要素のうちの１つではないことが理解されるであろう。
【0083】
図１２では、この電流の仕事当量は、ハンドピースの第１の機械共振モード振動に関連付けられており、より具体的には、ハンドピースの電流の第１の共振モード仕事当量であるので、ｉ１である。この仕事当量が印加されて通るインピーダンスＺ１は、第１の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の抵抗特性に起因する抵抗構成要素Ｒ１と、第１の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の誘導特性に起因する誘導リアクタンス構成要素Ｌ１と、第１の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の容量特性に起因する容量リアクタンス構成要素Ｃ１とを有する。したがって、このインピーダンスＺ１は、以下の式に基づいて計算される。
これらのハンドピース機械構成要素が適用される負荷が変化すると、これらの構成要素の抵抗特性、誘導特性及び容量特性は変化する。この理由によって、図１２では、Ｒ１、Ｌ１、及びＣ１は変数として示されている。
【数3】
【0084】
駆動電流ｉＳの一部分が印加されて通る構成要素の第２のセットは、ハンドピースを第２の機械共振モードにおいて振動させるハンドピースの機械構成要素である。電流のこの部分、すなわち電流ｉ２は、ハンドピースを通る電流の第２の共振モード仕事当量とみなすことができる。電流の仕事当量ｉ２が印加されて通るインピーダンスＺ２は、第２の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の抵抗特性に起因する抵抗構成要素Ｒ２と、第２の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の誘導特性に起因する誘導リアクタンス構成要素Ｌ２と、第２の機械共振モードにおいて振動するときのハンドピース機械構成要素の容量特性に起因する容量リアクタンス構成要素Ｃ２とを有する。したがって、このインピーダンスは、以下の式に基づいて計算される。
【数4】
【0085】
上述したように、ハンドピースの機械構成要素が適用される負荷の変化は、ハンドピースの抵抗特性、誘導特性及び容量特性の変化をもたらす。したがって、図１２では、Ｒ２、Ｌ２、及びＣ２は変数として示されている。
【0086】
数学的には、キルヒホッフの電流法則を考慮すると、駆動信号電流ｉＳの上記分解は、したがって、以下のように分解することができる。
式（５Ａ）を並べ替えると、以下の関係が得られる。
これは、ハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量が、駆動信号の電流と駆動体３６を通る電流フローとの間の差に等しいことを意味する。式（２）を考慮すると、以下の式が得られる。
ここで、ｆは、駆動信号の角周波数である。式（６）を式（５Ｂ）に代入すると、以下の結果が得られる。
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【0087】
長手方向機械キャンセル周波数は、第１の機械共振モードの共振周波数を上回っている。したがって、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号がハンドピースに印加されると、インピーダンスＺ１は、ｊωＬ１に起因して概ね誘導性となる。長手方向機械キャンセル周波数は、第２の機械共振モードの共振周波数を下回っている。したがって、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号がハンドピースに印加されると、インピーダンスＺ２は、１／ｊωＣ２に起因して概ね容量性となる。これは、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号が駆動体３６に印加されると、インピーダンスＺ１はインピーダンスＺ２と１８０度異相であることを意味する。したがって、Ｚ１及びＺ２のリアクタンス性構成要素は、基本的に互いにキャンセルし合う。これは、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号がハンドピースに印加されると、Ｚ１及びＺ２の並列インピーダンスは純粋に抵抗性であることを意味する。
【0088】
長手方向機械キャンセル周波数においては、任意の周波数と同様に、駆動体３６のインピーダンスＺ０は純粋に容量性である。
【0089】
長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号が駆動体に印加されたときに上記インピーダンスが存在することは、ハンドピースがこの状態にあるときに、電流ｉＯと電流の仕事当量ｉ１＋ｉ２との間の位相角は９０度異相であることを意味する。
【0090】
ハンドピースを通る電気電流及び電流の仕事当量の双方は、大きさ及び位相を有するので、これらの電流は、以下の極形式で表すことができる。
及び
したがって、これらが９０度異相であるとき、ｉ０をｉ１＋ｉ２によって除算することによって、以下の式が得られる。
式（８Ａ）の右辺を直交座標形式の数値（rectangular number）に変換することによって、以下の式が得られる。
式（１０Ｃ）の最終結果は、９０度の余弦は０であり、９０度の正弦は１であることに基づいている。
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【0091】
上記結果は、駆動信号が長手方向機械キャンセル周波数にあるとき、駆動体３６を通る電気電流フローとハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量との比の実数成分は０に等しいことを意味する。数学的には、以下となる。
式（５）及び（７）を式（１１Ａ）に代入することは、駆動信号が長手方向機械キャンセル周波数にあるとき、以下の式となることを意味する。
【数13】
【数14】
【0092】
式（１１Ｂ）の前項及び後項は、従来技術の式（１）の前項及び後項と同一である。長手方向振動と実質的にねじれている振動とをチップヘッド１６４に同時に受けさせるために駆動信号をハンドピースに印加することとの間には相違がある。チップヘッド１６４にねじれ方向振動及び長手方向振動を同時に誘発するようにハンドピースを駆動したいとき、目標周波数は、チップの機械共振モードのうちの１つに関連付けられた共振周波数である。多くの場合、これは、第１の機械共振モードに関連付けられた共振周波数である。これとは対照的に、本発明に従って駆動信号をハンドピースに印加するとき、目標周波数は、チップ１４２の長手方向機械キャンセル周波数である。この周波数は、チップメモリのフィールド１９６及び１９８内のデータによって規定された周波数の範囲内にある。
【0093】
２つのシステム間の第２の相違は、本発明のシステムの比の極性が式（１）の比の極性と逆であるということである。この理由は、ハンドピースが機械共振モードにあるように駆動信号を調節すると、駆動体に印加される電流をハンドピースに印加される電流の仕事当量によって除算したものと周波数との間の関係の傾きが正であるからである。これは、式（１）の比を負にすることによって、システム状態の評価が負の結果を与える場合、コントローラは、システムが、共振モードの共振周波数にあるハンドピースに駆動信号を印加するために、駆動信号の周波数を増加させることが必要である状態にあるものと解釈することを意味する。逆に、式（１）の評価が正の数値を与える場合、コントローラは、システムが、共振モードの共振周波数にあるハンドピースに駆動信号を印加するために、駆動信号の周波数を減少させることが必要である状態にあるものと解釈する。
【0094】
これとは対照的に、長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号をハンドピースに印加するように本発明によるシステムを調節するとき、駆動体に印加される電流をハンドピースに印加される電流の仕事当量によって除算したものと周波数との間の関係の傾きは負である。上記で論述したように、式（１１Ｂ）の比は、式（１）の比と逆の極性を有する。これは、本発明のシステム状態の評価が正の結果を与える場合、プロセッサ２６６は、システム３０が、共振モードの共振周波数にあるハンドピースに長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号を印加するために、駆動信号の周波数を増加させることが必要である状態にあるものと解釈することを意味する。逆に、式（１１Ｂ）の評価が負の数値を与える場合、プロセッサ２６６は、システムが、長手方向機械キャンセル周波数にあるハンドピースに駆動信号を印加するために、駆動信号の周波数を減少させることが必要である状態にあるものと解釈する。
【0095】
上記から、ハンドピースの機械構成要素を通る電流の総仕事当量は、ハンドピースを通る電流の仕事当量の和に等しいことも理解されるであろう。数学的には、以下の式となる。
【数15】
【0096】
ＩＩＩ．実際の動作
本発明のシステム３０の動作は、チップ１４２をハンドピース３２に連結することから開始する。スリーブ１７０がチップ上に嵌合され、ハンドピース３２にも取り付けられる。ケーブル２２８が制御コンソール２３０に取り付けられる。コンソール２３０は、その後、いつでもオンにすることができる。上記サブステップは、システムの初期アセンブリ及び起動を形成する（図１３Ａにおけるステップ３３２）。制御コンソール２３０が最初にオンにされると、プロセッサ２６６は、ハンドピースメモリ５６及びチップメモリ１８４に記憶されたデータを読み取る（ステップ３３４）。プロセッサ２６６は、適切なコマンドをメモリリーダ２６２にアサートすることによってこれらのデータを受信する。
本発明のシステム３０の動作は、チップ１４２をハンドピース３２に連結することから開始する。スリーブ１７０がチップ上に嵌合され、ハンドピース３２にも取り付けられる。ケーブル２２８が制御コンソール２３０に取り付けられる。コンソール２３０は、その後、いつでもオンにすることができる。上記サブステップは、システムの初期アセンブリ及び起動を形成する（図１３Ａにおけるステップ３３２）。制御コンソール２３０が最初にオンにされると、プロセッサ２６６は、ハンドピースメモリ５６及びチップメモリ１８４に記憶されたデータを読み取る（ステップ３３４）。プロセッサ２６６は、適切なコマンドをメモリリーダ２６２にアサートすることによってこれらのデータを受信する。
【0097】
ステップ３３６において、プロセッサは、読み取られたデータに基づいて、システムの初期構成を完了する。ステップ３３６は、システム３０が使用のために適切に構成されているか否かを判断する複数の評価の実行を含む。これらの評価は、ハンドピースが、制御コンソール２３０が駆動信号を供給することができるものであるか否かを判断することと、チップ１４２がハンドピースによる作動に適したものであるか否かを判断することとを含む。これらの評価は、ハンドピース識別フィールド６２及びチップ識別フィールド１８８からのデータに基づくことができる。プロセッサ２６６は、ハンドピース３２及びチップ１４２が、ハンドピース使用履歴フィールド７８及びチップ使用履歴フィールド２１８からの読み取りデータに基づいて使用できる状態にあるか否かも評価する。使用が適切でない場合があることを示すデータの一例は、特定の構成要素、ハンドピース又はチップが、多数回用いられてきたことを示すデータ、又は全時間がその構成要素の設計されたライフサイクルを越えて用いられてきたことを示すデータである。
【0098】
ハンドピースメモリ５６、チップメモリ１８４及び開業医コマンド内のデータに基づいて、プロセッサは、ステップ３３８において、ハンドピースの機械構成要素に流される電流の選択された最大当量ｉＭ
ＳＥＬＥＣＴＭＡＸを確立する。電流ｉＭ
ＳＥＬＥＣＴＭＡＸは、チップメモリ１８４から読み取られた電流の最大仕事当量ｉＭ
ＭＡＸよりも大きくないものと解釈される。
【0099】
ステップ３４０は、プロセッサ２６６が、チップ１４２が振動されることを示すために制御部材が作動されているか否かを判断するのを待機することを表している。本発明の説明される実施形態では、プロセッサ２６６は、フットスイッチ２７０によって出力される信号を監視することによってステップ３４０を実行する。開業医は、チップ１４２を作動させたい場合、フットスイッチ２７０を押下する。チップヘッド振動の大きさは、開業医がフットスイッチ２７０の押下の程度を制御することによって設定される。
【0100】
開業医が制御部材を押下したことに応答して、プロセッサは、ステップ３４２において、電流の目標仕事当量と呼ばれることがある目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴを計算する。目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴは、プロセッサがハンドピース３２の機械構成要素に印加されるべきと判断した機械的電流（mechanical current）である。目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴは、ハンドピースメモリから取り出された電流ｉＭ
ＭＡＸと、フットスイッチ２７０が押下された程度とに基づく。目標電流は、以下の１次方程式を用いて計算することができる。
係数Ｄは、０．０以上１．０以下である。例えば、開業医が、ハンドピースチップ１６４が最大振幅の振動を受けるようにフットスイッチ２７０を押下した場合、プロセッサ２６６は、係数Ｄを１に設定する。フットスイッチ２７０の設定が、振動が最大未満の振幅にあることを示す場合、プロセッサ２６６は、係数Ｄを１未満の値に設定する。
【数16】
【0101】
次に、ステップ３４４において、プロセッサ２６６は、初期ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号を生成する。この信号の電位は、電源装置に、ハンドピースメモリ５８から取り出された最大駆動信号電圧ＶＳ
ＭＡＸよりもかなり小さい駆動信号を出力させるように設定される。例えば、本発明の幾つかの態様では、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電位は、電圧ＶＳ
ＭＡＸの０．０２～０．１０である電位を有する駆動信号の出力をもたらすように設定される。より詳細には、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号は、駆動信号の電圧を、電圧ＶＳ
ＭＡＸの０．０３～０．０７である電位にするように設定される。ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電圧と駆動信号の駆動信号電圧ＶＳとの間の関係は、通常、１次関係である。ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電圧を目標駆動信号電圧の関数として求めることは、目標駆動信号電圧の電位と、プロセッサ９６に事前に記憶された係数及びオフセット値とに基づく。
【0102】
ステップ３４４の一部として、プロセッサ２６６は、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の周波数も設定する。制御部材が、ハンドピースを作動させるために最初に押下されると、プロセッサ２６６は、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の周波数を、最小可能長手方向機械キャンセル周波数、すなわち、チップメモリ１８４内のフィールド１９６からの周波数と、最大可能機械キャンセル周波数、すなわち、チップメモリ内のフィールド１９８からの周波数との間になるように設定する。具体的に言及しないが、ステップ３４２において、プロセッサ３４４は、あらゆる必要なイネーブル信号を電源装置２３２、増幅器２３４及びコンソール２３０の内部のあらゆる安全構成要素にアサートする。これらの信号のアサートによって、電源装置２３２は、必要なレール信号を増幅器に確実に出力するようになり、増幅器２３４は、意図された信号を変圧器の１次巻線２４４の両端に印加する。駆動信号が誘発され、２次巻線２４８の両端に現れる。
【0103】
変圧器２３８の両端の信号フローの結果、駆動信号はハンドピース３２に印加される。この結果、駆動体３６は、周期的に拡張／収縮する。駆動体は、ハンドピースの第１の機械共振モードと第２の機械共振モードとの間の周波数において振動するので、ハンドピース自体は、これらの共振モードの双方における同時異相振動を行う。この結果、ねじれ方向境界の遠位のチップの部分は、公称的な場合でのみ仮に長手方向であったとしても（only if nominally if at all longitudinal）実質的にねじれ方向の振動を行う。
【0104】
次に、システム３０は、出力駆動信号が適切な振幅及び方向の振動をチップヘッド１６４に誘発することを確実にするフィードバック制御プロセスを行う。この制御を行うために、ステップ３４６において、コンソール２３０は、ハンドピースにわたる駆動信号の電圧ＶＳを監視する。具体的には、ステップ３４６において、電圧測定回路２５２によって出力された駆動信号電圧ＶＳを表す信号が、プロセッサ２６６に印加される。また、ステップ３４６において、コンソール２３０は、電流ｉＳ、すなわち、ハンドピース３２に供給される駆動信号の電流も監視する。ステップ３４６のこの部分では、電流測定回路２５６によって生成された出力信号がプロセッサ２６６に印加される。
【0105】
ステップ３４８において、プロセッサ９６は、印加される電流の総仕事当量ｉＭを求める。この計算は、式（７）及び（１２）の組み合わせに基づく。プロセッサ２６６はこれを求めることができる。なぜならば、プロセッサは、これを求める際に基礎となる４つの変数、すなわち、電流測定回路２５６からの電流ｉＳと、プロセッサが駆動信号の周波数を設定することに基づく周波数ωと、電圧測定回路２５２からの電圧ＶＳと、駆動体キャパシタンスＣＯとを規定するデータを有するからである。駆動体キャパシタンスＣＯは変数であるが、式（７）では、ハンドピースメモリ５６から読み取られる固定された既知の変数である。
【0106】
ステップ３５０において、電流の総仕事当量ｉＭが電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴと比較される。より詳細には、この比較は、ハンドピースの機械構成要素を通る実際の電流フローが目標フローと等しいか否か又は実質的に同じであるか否かを判断するように行われる。ここで、実質的に同じとは、電流が互いの２０ミリアンペア以内、より多くの場合に互いから１０ミリアンペア以内、好ましくは２ミリアンペア以内、より好ましくは１ミリアンペア以内にあるときの状態と考えられる。代替的に、電流は、互いの１０％以内、より好ましくはそれぞれの５％以内、理想的には互いの１％以内である場合に実質的に同じである考えることができる。
【0107】
電流が実質的に等しい場合、システム３０は、ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の当量が、正しい周波数にあると仮定される駆動信号の印加が適切な振幅の振動をチップヘッド５２に誘発しているレベルにある状態にある。システム３０がこの状態にある場合、プロセッサ９６はステップ１６４に進む。
【0108】
多くの状況において、ステップ３５０の比較は、電流の総仕事当量ｉＭが目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴに実質的に等しくないことを示す。システム３０がこの状態にあるとき、プロセッサ９６は、ステップ３５２において、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電圧を再設定する。より具体的には、プロセッサ９６は、式（７）に基づいて、目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴに実質的に等しいハンドピースの機械構成要素を通る調整された電流フローをもたらす駆動信号電圧ＶＳの値を計算する。ステップ３５２のこの計算は、駆動体キャパシタンスと、一定のままである駆動信号周波数とに基づいて実行される。
【0109】
ステップは特定されないが、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電圧の再設定の結果として、増幅器は、変圧器の１次巻線２４４の両端に印加される信号の電位を再設定する。この結果、変圧器の２次巻線２４８の両端に現れる駆動信号電圧ＶＳは変化する。
【0110】
ステップ３５６において、プロセッサは、駆動信号の周波数がハンドピースの長手方向機械キャンセル周波数にあるか否か又はこの周波数と実質的に等しいか否かを判断する。この判断は、式（１１Ｂ）の比が０に等しいか否か又は０に実質的に等しいか否かを評価することによって行われる。ここで、０に実質的に等しいとは、比の実数成分が０．１０以下、好ましくは０．０５以下、より理想的には０．０１以下であることを意味する。
【0111】
ステップ３５６の比較は、ハンドピースに印加される駆動信号がハンドピースの長手方向機械キャンセル周波数にあるか又はこの周波数に実質的に等しいことを示す場合がある。これが駆動信号の目標状態である。これは、駆動信号が、ねじれ方向境界の遠位のチップのセクションが実質的なねじれ方向振動及び存在しても最小限の長手方向振動を行うことをもたらす駆動体３６の拡張／収縮を誘発していることを意味する。
【0112】
ステップ３５６の評価において、駆動信号は、長手方向機械キャンセル周波数において又はこの周波数の近くでハンドピースに印加されていないと判断される場合がある。プロセッサ２６６がこの判断を行った場合、ステップ３５８において、プロセッサは、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の周波数を再設定する（ステップ３５８）。ステップ３５６の評価の結果が否定的である場合、プロセッサ２６６は、システムを、式（１１Ｂ）の左辺の比が負であるために、ステップ３５８において、プロセッサ２６６は、システム３０が駆動信号の周波数を減少させるべき状態にあると解釈する状態にあるとみなす。ステップ３５６の計算が正の結果を与える場合、プロセッサ９６は、システム３０が、駆動信号周波数がハンドピースの長手方向機械キャンセル周波数により接近することを確保するために駆動信号の周波数を増加させることが必要である状態にあるとみなす。
【0113】
ステップ３５８において、プロセッサは、電流ｉＳ、電圧ＶＳ及び駆動体キャパシタンスＣＯが一定であると仮定する。反復プロセスにおいて、異なる周波数が式（１１Ｂ）に導入される。式（１１Ｂ）の新たな実行の結果、駆動を通る電流フローと、ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の当量との比の実数成分は０よりも小さい（又は実質的に小さい）と判断される場合がある。この状態が存在する場合、次の反復において、導入される周波数は、以前に導入された周波数よりも低い。式（１１Ｂ）の実行及び評価の結果、この比は０よりも大きい（又は実質的に大きい）と判断される場合がある。この状態が存在する場合、次の反復において、導入される周波数は、以前に導入された周波数よりも高い。計算の最終結果が、上記比が０又は実質的に０であるという場合、駆動信号の周波数は、導入された周波数に設定される。次に、プロセッサ２６６は、これらの計算の結果に基づいて、増幅器２３４に出力されるＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の周波数を調整する。次に、制御コンソール２３０は、ハンドピース３２の長手方向機械キャンセル周波数にある駆動信号をハンドピースに出力する。
【0114】
図示していないが、ハンドピース３２に印加される駆動信号の特性は、ハンドピースから読み取られる境界パラメータによって制限されることが理解される。具体的には、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の調整は、駆動信号が最大電圧レベルＶＳ
ＭＡＸによって指定される電位を越えないことを確保するように制限される。ＷＡＶＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の調整は、ハンドピースに印加される駆動信号の電流がｉＳ
ＭＡＸを越えないこと、及び電流の機械構成要素がｉＭ
ＭＡＸを越えないことを確保するように更に制限される。
【0115】
ステップ３５２及び３５８において行われるＷＡＦＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の電圧及び周波数の調整は、ハンドピースメモリ５６及びチップメモリ１８４から読み取られるＰＩＤ係数に基づくことも理解されるであろう。通常、チップメモリ１８４内の係数は、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号のこれらの特性が調整される係数である。
【0116】
図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、ステップ３５６又は必要な場合にはステップ３５８の実行後、システムは、ステップ３４０にループバックすることが示されている。これは、目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴを再計算するプロセスと、駆動信号の電位及び周波数を選択的に調整するプロセスとが、一般に、システムが作動された状態にある限り実行されるからである。
【0117】
制御ループが繰り返し実行されるのには複数の理由がある。一般に、駆動信号の周波数の調整の結果が調整されると、駆動体インピーダンスＺＯと、ハンドピースの機械構成要素のインピーダンスＺ１及びＺ２との双方のインピーダンスが変化する場合に、理解されるであろう。この結果、ハンドピースを通る電流フロー、より詳細には、ハンドピースの機械構成要素を通る電流の総仕事当量ｉＭが変化する。システム３０は、これらの変化を測定値ＶＳ及びｉＳの変化として検出する。したがって、ステップ３５６又は３５８が実行された後、次のステップ３５０の評価は、システムが、電流の総仕事当量ｉＭが目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴからシフトしている状態にあることを示す可能性が最も高い。これによって、ステップ３５２を新たに実行して、駆動信号の電圧の大きさを調整することが必要とされる。
【0118】
同様に、駆動信号の電位の調整は、電圧ＶＳ及び電流ｉＳの変化ももたらす。これは、ステップ１６４が次回実行されると、その評価は、駆動信号がもはやハンドピースの機械構成要素の長手方向モードキャンセル周波数にないことを示すことを意味する。
【0119】
制御ループを通る複数の繰り返しの後、コンソール２６６は、ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴに実質的に等しくかつハンドピース機械構成要素の長手方向モードキャンセル周波数にあるハンドピースの機械構成要素を通る電流フローをもたらす駆動信号をアサートする。起動時において、チップヘッドは組織に対して適用されていないものと仮定すると、システムは、２秒以内、より多くの場合には１秒以内にこの状態に達すると考えられる。
【0120】
制御ループが連続して実行される更なる理由は、ハンドピース３２がどのように用いられるかというまさにその性質と関係がある。ハンドピースが機能するために、ヘッド１６４は、組織に接触して配置される（ステップは図示せず）。これは、組織の鋸切断、アブレーション、乳化、集合的には切除をもたらす、組織に対する歯の前後動作であるからである。この場合も、本発明の幾つかの実施態様では、この前後動作は、組織の付近の流体、幾つかの場合には組織自体のキャビテーションをもたらすものである。
【0121】
ヘッド１６４が組織に接触して配置されると、ハンドピースを形成する構成要素に機械負荷がかかる。この機械負荷は、ハンドピースの機械構成要素のインピーダンスを変化させる。ここで、インピーダンスは、ハンドピースの第１の機械共振モード及び第２の機械共振モードの双方に関連付けられたインピーダンスであると解釈される。また、システム３０が作動されると、ハンドピースの機械構成要素の温度も多くの場合に変化する。この構成要素の温度変化は、これらの構成要素のインピーダンスの変化をもたらす。構成要素の性質の変化は、ハンドピースの長手方向機械キャンセル周波数のシフトを引き起こす可能性がある。
【0122】
インピーダンス及び長手方向機械キャンセル周波数の結果として生じる変化は、ハンドピースを通る電流ｉＳ及び電流の総仕事当量ｉＭの双方のフローの変化をもたらす。したがって、制御ループの連続的な実行は、インピーダンスのこれらの変化が生じたときに、電流の仕事当量が目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴに実質的に等しくなり、駆動信号の周波数がハンドピースの機械構成要素の長手方向機械キャンセル周波数に実質的に等しくなることを確保するように駆動信号が再設定されることを確保する。駆動信号の特性をこれらの目標パラメータの近くに維持することによって、チップヘッド５２が受ける機械負荷が変化すると、ヘッドの振動の振幅は実質的に一定のままであり、チップヘッド１６４及びシャフト１４４の隣接する遠位セクション１６０は、実質的な長手方向動作を行わないことが保証される。
【0123】
さらに、ハンドピース３２が作動されている期間中、開業医は、チップヘッド振動の振幅を調整したい場合がある。この調整は、制御部材２７０の再設定によって生じる（調整は図示せず）。この調整が行われると、ステップ１４８のその後の実行において、新たに計算された目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴは、以前に計算された目標電流と異なることになる。これは、ひいては、次のステップ３５０の実行の結果、電流の仕事当量ｉ１＋ｉ２がもはや目標電流ｉＭ
ＴＡＲＧＥＴに実質的に等しくないと判断されることを意味する可能性が最も高い。上述した理由から、これは、駆動信号の電位及び周波数の調整をもたらす可能性が最も高い。
【0124】
したがって、ステップ３４０の評価から開始する上記で説明した制御ループは、フットペダル２７０又は他のオン／オフコントロールが作動状態を維持している限り、連続して実行される。開業医は、フットペダル２７０を解放することによってハンドピースを起動解除する。この結果、プロセッサは、ステップ３４０のその後の実行のうちの１つにおいて、この制御部材がオフ位置にあることの信号を受信する。プロセッサ２６６がこの信号を受信したことに応答して、プロセッサは、駆動信号の出力を引き起こすようにアサートされていた信号の印加を無効にする（ステップは図示せず）。システム３０は、待機状態すなわち、オン／オフ制御部材からの信号を連続して監視し、開業医がハンドピース３２を作動させたいか否かを判断することに戻る。
【0125】
ハンドピースが作動された後、最終的には、振動するチップヘッド１６４を組織に適用することがもはや必要でない時が来ることが理解されるであろう。開業医は、制御部材、すなわちフットスイッチ２７０の押下を停止する。プロセッサ２６６は、ステップ３４０の次の実行においてこのイベントの発生を検出する。このイベントが発生すると、プロセッサは、ＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＲＴ信号の印加を無効にする（ステップは図示せず）。この結果、制御コンソールは、ハンドピース駆動体３６への駆動信号の印加を停止する。この結果、チップ１４２の振動は終了する。プロセッサ２６６は、ステップ３４０を繰り返し実行して、開業医がチップを再度振動させたいか否か、すなわち、制御部材２７０が再度作動されるか否かを引き続き判断する。
【0126】
本発明のシステム３０は、ステップ３５６及び３５８の反復実行によって、当該システムが、ハンドピース３２の長手方向機械キャンセル周波数に実質的に等しい周波数に駆動信号を維持するように構築される。この関係は、ハンドピース機械構成要素の共振周波数が、機械負荷及び／又はこれらの構成要素の温度変化に起因して変化する際に維持される。
【0127】
本発明のシステム３０は、ハンドピースのチップ及び他の構成要素が機械負荷を被るか又は温度変化を受けても、所望の振幅においてチップのヘッドを振動させることができる。これによって、このシステムを用いる手術要員が、駆動信号を連続して調整し、チップヘッドが所望の振幅において連続して振動することを確保しなければならない必要性が低減される。
【0128】
また、処置の経過中、チップヘッドは、組織に突然押圧される場合がある。これによって、ハンドピースの機械構成要素のインピーダンスの急速な大幅の増加が引き起こされる。このインピーダンスの急速な変化に応答して、本発明のシステム３０は、駆動信号の電位及び周波数を急速に調整する。駆動信号のこれらの特性の調整は、チップヘッド振動が所望の振幅を維持することを確保する働きをする。これによって、ハンドピースの突然の機械負荷が、チップヘッド振動の振幅の同様に突然の低減をもたらす程度が低減される。
【0129】
長手方向機械キャンセル周波数における駆動信号をハンドピースに印加することによって、本発明のシステム３０は、実質的にねじれ方向の振動をチップ１４２に誘発する。チップシャフト１４４は、長手方向振動動作が存在しても、この動作を最小限にしか行わない。処置の経過中、チップヘッドの配置を容易にするために、シャフト１４４は、チップヘッド１６４が適用される組織に隣接した組織に対して押圧される場合がある。シャフト１４４は、長手方向動作を最小限にしか行わないので、この動作が、シャフトが押圧される組織の不要な切除をもたらすキャビテーションを誘発することができる可能性は、完全ではなくても、同様に実質的に取り除かれている。
【0130】
このシステムは、プロセッサ２６６が、ハンドピース３２及びチップ１４２の特性を制御コンソール２３０の内部の構成要素のキャパシタンス、抵抗又はインダクタンスに整合させることを要しないことも同様に理解されるであろう。したがって、それぞれがそれ自体のインピーダンス特性を有する種々のハンドピース３２及びチップ１４２を備える本発明のシステム３０を構築するのに、単一のコンソール２３０を用いることができる。このコンソールは、ハンドピースメモリ５６及びチップメモリ１８４から読み取られたデータに基づいて、ハンドピース及びチップアセンブリごとにシステム３０を構成する。同様に、ハンドピース及びチップを種々の制御コンソールとともに用いて、本発明のシステム３０を組み立てることができる。
【0131】
本発明の上記で説明した態様では、各チップがそれ自体の長手方向機械キャンセル周波数を有する複数の異なるチップ１４２を単一のハンドピース３２に取り付けることができ、その後、この単一のハンドピースによって駆動することができることが同様に理解されるであろう。本発明のこの特徴の１つの利点は、それぞれがそれ自体の物理構造を有し、したがって、長手方向機械キャンセル周波数を有する複数の異なるタイプのチップを共通のハンドピースに取り付けることができるということである。この特徴の第２の利点は、製造後、各チップを評価して、そのチップの長手方向機械キャンセル周波数を求めることが可能になるということである。これは、各チップの駆動信号を供給するのに用いられるそのチップのデータが、個々のチップ間の製造ばらつきを考慮したものであることを意味する。この場合も、基本設計又は製造ばらつきのいずれかで異なる双方のタイプのチップを単一のハンドピースによって駆動することができる。これによって、関連付けられたチップ１４２との使用向けに特に関連付けられているハンドピースを提供する費用を必要としない本発明のシステムを提供することが容易になる。
【0132】
本発明のシステム３０は、目標電流に実質的に等しい電流の仕事当量をハンドピースの機械構成要素に印加するように更に設計されている。この目標電流は、チップヘッド振動の所望の振幅の開業医の設定に基づいている。したがって、本発明のシステムは、チップヘッド振動の振幅を制御する比較的正確な手段を開業医に提供する。
【0133】
ＩＶ．代替の実施形態
上記は、本発明の１つの特定の態様を対象としている。本発明の代替の態様は、説明したものとは異なる特徴を有することができる。
上記は、本発明の１つの特定の態様を対象としている。本発明の代替の態様は、説明したものとは異なる特徴を有することができる。
【0134】
例えば、本発明を構築するのに用いられる構成要素は、説明したものとは異なることができる。本発明の幾つかの態様では、ハンドピース３２及びチップ１４２は、単一片ユニットとすることができる。
【0135】
長手方向振動運動をねじれ方向振動運動に変換するチップと一体となった特徴部は、必ずしも螺旋溝でなくてもよい。本発明の幾つかの態様では、これらの特徴部は、溝であってもよいが、螺旋状でなくてもよい。代替の溝構造の一例は斜めの溝である。これらの２つの溝の間の相違は、螺旋溝がチップに沿って近位から遠位に延びて、チップの長手方向軸の回りに曲線状になっている長手方向軸を有するということである。斜めの溝は、形状が直線状である長手方向軸を有する。
【0136】
詳しく述べた周波数、電圧、電流、キャパシタンス及び他の定量化された値は、特許請求の範囲に存在しない限り、単なる例にすぎないと解釈され、本発明の範囲を限定するものではない。
【0137】
制御コンソール２３０は、電位及び周波数がともに変化する駆動信号を生成する他の構成要素を備えることができる。これらの構成要素の構成に応じて、コンソールは、駆動信号を生成するために入力信号が印加される変圧器を備えなくてもよい。同様に、本発明の幾つかの態様では、駆動信号電圧ＶＳ及び駆動信号電流ｉＳのうちの一方又は双方を表す信号を提供するために、インダクタと対照をなすものとして抵抗器回路をコンソールに組み込むことができる。
【0138】
同様に、本発明の幾つかの態様では、コンソールは、駆動信号の周波数を設定する第１の回路と、駆動信号の電位を設定する第２の回路、すなわち可変利得増幅器とを備えることができる。本発明のこれらの態様では、プロセッサ２６６。
【0139】
駆動信号の出力を調節するのに必要とされるハンドピース及びチップの特性を記述するデータを収容するメモリデバイスのタイプは、説明したものと異なってもよい。例えば、これらのメモリのうちの１つ以上は、ＥＥＰＲＯＭ、バーコード又は幾つかの他の機械可読デバイスとすることができる。本発明の幾つかの態様では、ハンドピース及びチップのうちの１つ以上は、メモリを有しなくてもよい。本発明のこれらの態様では、作業員は、システム３０が適切に構成されることを確保するために、ハンドピース及びチップの特性をコンソールに手動で入力する必要がある。
【0140】
コンソール２３０が駆動信号の電位及び周波数を設定するステップのシーケンスも同様に、説明したものと異なってもよい。例えば、システムの代替の構成では、コンソールは、駆動信号の電圧を設定する前に、この信号の周波数を最初に設定することができる。この場合も、本発明の構成に応じて、コンソールは、単一のＷＡＶＥＦＯＲＭ＿ＳＥＴ信号の対応する特性を設定することによって、駆動信号の周波数及び電圧を設定しなくてもよい。本発明の幾つかの態様では、駆動信号を実際に生成する構成要素の動作を調節するために、処理回路は２つの制御信号を生成することができる。これらの制御信号のうちの第１のものは、駆動信号の電圧を設定するのに用いられる。第２の制御信号は、駆動信号の周波数を設定するのに用いられる。
【0141】
本発明の説明した態様では、コンソール２３０は、チップの最低可能長手方向機械キャンセル周波数である周波数に駆動信号を初期設定するように構成される。本発明の他の態様は、代替の周波数を駆動信号の初期周波数として用いるように構成することができる。例えば、本発明の幾つかの態様では、駆動信号の初期周波数は、最高可能長手方向機械キャンセル周波数とすることができる。代替的に、駆動信号には、チップの最低長手方向機械キャンセル周波数と最高長手方向機械キャンセル周波数との間にある周波数を設定することができる。本発明の幾つかの態様では、チップと一体となったメモリは、長手方向駆動信号の初期周波数設定を規定するデータを含むことができる。
【0142】
上記説明では、駆動体キャパシタンスＣＯは一定であると仮定される。これは、本発明の理解を目的としたものである。実際には、駆動体キャパシタンスは、経時的にドリフトする場合がある。このドリフトは、駆動体の経時変化、又は単一の処置中においては駆動体の温度変化等の影響に起因する可能性がある。したがって、本発明のシステム内に統合された幾つかの制御コンソールは、駆動体キャパシタンスを求める手段を備える。これを求める正確な手段は本発明の一部ではない。処置中に随時、駆動体キャパシタンスを求めるこの手段は、電流の仕事当量を求めるのに用いられる評価において用いられる駆動体キャパシタンスＣＯの更新された測定値を提供するのに用いられる。
【0143】
さらに、本発明のシステムは、開業医の好み及び実施されている処置の特質に基づいて、３つの状態のうちの１つにおいてチップを振動させる駆動信号をハンドピースに印加するように構成することができる。第１のコマンドセットをコンソールに入力することによって、システムは、上述したように、すなわち、実質的にねじれ方向に、長手方向振動が存在しても最小限しか伴わずにチップを振動させる駆動信号を供給する。
【0144】
第２の代替のコマンドセットをコンソール２３０に入力することによって、システムは、機械共振モードのうちの１つにおいてチップを振動させる駆動信号を供給する。システムがこのモードにおいて動作するために、駆動信号の周波数は、チップがその機械共振モードにおいて振動されるときの駆動信号の周波数の範囲を規定するチップメモリ１８４のフィールド１９４及び１９５内のデータに基づいて設定される。コンソールは、そのように設定されると、引用することによって本明細書の一部をなす国際公開第２０１５／０２１２１６号に記載されているように動作する。システムがこのモードで動作するとき、ねじれ方向境界の遠位において、チップシャフト１４及びチップヘッド１６４は、同時の長手方向動作及びねじれ方向動作を行うことが理解されるであろう。開業医は、チップヘッド１６４の長手方向動作及びねじれ方向動作を組み合わせたものが組織への最適な切除をもたらし、シャフト１４４の長手方向運動の影響が許容可能であると考えられる場合に、ハンドピースをこのモードで動作させたい場合がある。
【0145】
第３のコマンドセットをコンソール２３０に入力することによって、システムは、第１の共振モードにおいてチップを駆動するのに必要とされる駆動信号と、第２の共振モードにおいてチップを駆動するのに必要とされる駆動信号とを組み合わせたものである駆動信号を駆動体３６にわたって供給する。コンソールがそのように設定されると、システムは、引用することによって本明細書の一部をなす国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４４０２３号に記載されているように動作する。開業医は、組織を切除するためにチップヘッド１６４に非直線運動を行わせることが望ましく、チップヘッドの長手方向運動の影響が許容可能である状況では、ハンドピースをこのモードで動作させたい場合がある。
【0146】
システム３０が第３のモードで動作することができるようにするために、チップメモリは、フィールド１９４の２つの態様と、フィールド１９５の２つの態様とを基本的に含む。フィールド１９４及びフィールド１９５の第１の態様には、第１の機械共振モードの共振周波数の範囲を規定するデータが記憶される。フィールド１９４及び１９５の第２の態様には、第２の機械共振モードに関連付けられた共振周波数の範囲を規定するデータが記憶される。
【0147】
同様に、第４のコマンドセットをコンソールに入力することによって、システムは、機械共振モードのうちの一方の共振周波数と長手方向機械キャンセル周波数との間の周波数にある駆動信号を供給するように設定することができる。したがって、システムがこの状態において動作されると、チップヘッド１６４及びシャフトの隣接する遠位セクション１６０の長手方向運動が部分的にキャンセルされる。この動作モードは、所与の処置について、チップに主としてねじれ方向動作を行わせ、長手方向動作を完全ではなく一部のみ伴う振動にチップヘッド１６４を励振することが適切である場合に望ましいものとすることができる。
【0148】
チップメモリに記憶することができる追加のデータには、共振モードのそれぞれの電流の仕事当量の範囲を規定するデータが含まれる。
【0149】
したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲に入る全てのそのような変形及び変更を包含することである。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
ＡＣ駆動信号の前記印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体（３６）を有するハンドピース（３２）と、前記駆動体に接続されるチップとを準備するステップであって、前記チップは、対向する近位端及び遠位端を有し、前記近位端（１６４）は、前記少なくとも１つの駆動体の前記拡張及び前記収縮に応答して長手方向に振動するように前記駆動体に接続され、前記チップは、前記チップの前記近位端において誘発される長手方向振動を、前記チップの前記遠位端の付近において、長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動に変換する、前記近位端と前記遠位端との間の特徴部（１５４）を有し、前記チップは、適用される前記組織に対して医療処置を行うように構成されたヘッド（１６４）を前記遠位端に有する、準備するステップと、
周波数及び電位の双方が変化するＡＣ駆動信号を電源装置（２３２、２３４、２３８）から前記ハンドピース（３２）に供給するステップ（３４４）と、
前記ハンドピース（３２）の機械構成要素を通る電流の目標仕事当量を求めるステップ（３４２）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の前記出力の両端間の前記電圧とを測定するステップ（３４６）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の両端間の前記電圧と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量を計算するステップ（３４６）と、
前記電流の目標仕事当量と前記計算された電流の仕事当量とを比較するステップ（３５０）と、
前記電流の目標仕事当量と前記計算された電流の仕事当量との前記比較に基づいて、前記電源装置によって供給される前記ＡＣ駆動信号の前記電位を選択的に設定するステップ（３５２）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の両端間の前記電圧と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算するステップ（３５６）と、
前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比に基づいて、前記電源装置によって供給される前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定するステップであって、前記周波数は、前記ハンドピース（３２）の２つの隣接する機械共振モードの共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）になるようにされ、前記少なくとも１つの駆動体（３６）は、前記チップを前記隣接する機械共振モードにおいて同時に振動させる振動を前記チップ（１４２）に誘発するようにされ、前記機械共振モードのうちの第１のものの前記チップヘッド（１６４）における前記振動の長手方向成分は、前記機械共振モードのうちの第２のものの前記チップヘッドの前記振動の長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするようにされる、設定するステップと、
を含む、超音波手術チップを振動させる方法。
請求項２：
前記計算された比を前記目標比と比較する前記ステップの前に、電源装置（２３２、２３４、２３８）から前記少なくとも１つの駆動体（３６）にＡＣ駆動信号を供給する前記ステップを最初に実行するとき、前記機械共振モードうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号の周波数を、前記ハンドピースの前記２つの隣接する機械共振モードの前記共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に設定するステップ（３４４）を更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項３：
前記ハンドピースを通る前記電流の仕事当量を計算する前記ステップ（３４６）は、前記ハンドピースに供給される前記電流（ｉＳ）と前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）との前記差を求めることによって実行される、請求項１又は２に記載の方法。
請求項４：
前記ハンドピースを通る前記電流の仕事当量を計算する前記ステップのとき、前記少なくとも１つの駆動体を通る電流（ｉ０）が、該少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンス（ＣＯ）と、前記駆動信号の前記電圧（ＶＳ）及び前記周波数（ω）との関数として計算される、請求項３に記載の方法。
請求項５：
前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比を計算する前記ステップ（３５６）の後、前記比は目標比と比較され、
前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定する前記ステップは、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比（３５６）と前記目標比との前記比較に基づいて実行される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
請求項６：
前記計算された比を前記目標比と比較する前記ステップが実行されるとき、前記計算された比は、０の目標比と比較される、請求項５に記載の方法。
請求項７：
前記プロセッサ（２６６）、前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量を計算する前記ステップと、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算する前記ステップとの少なくとも初期実行中に、前記計算は、前記ハンドピース（３２）に関連付けられたメモリ（５６）から読み取られた前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンス（ＣＯ）の表示値を入力変数として用いて実行される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
請求項８：
前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の目標仕事当量を求める前記ステップ（３４２）において、前記電流の目標機械構成要素当量は、前記ハンドピースチップ（１６４）の振動の前記所望の大きさを示すユーザ入力コマンドを表す信号に部分的に基づいて計算される、請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム。
請求項９：
前記ＡＣ駆動信号を供給する前記ステップは、定電圧における信号を出力する電源装置（２３２）と、該電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために該電源装置からの前記信号を増幅するように構成された可変利得増幅器（２３４）とを用いて実行され、
前記ＡＣ駆動信号の前記電位を設定する前記ステップ（３５２）は、前記増幅器（２３４）の前記利得を変化させることによって実行される、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１０：
前記ＡＣ駆動信号を供給する前記ステップは、ＤＣ信号又は定周波数におけるＡＣ信号のいずれかを出力する電源装置（２３２）と、前記電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために前記電源装置からの前記信号の前記周波数を変化させるように構成された信号ジェネレータ（２３４）とを用いて実行され、
前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定する前記ステップ（３５２）は、前記信号ジェネレータ（２３４）によって出力される前記信号の前記周波数を調節することによって実行される、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１１：
超音波手術用具システム（３０）であって、
ＡＣ駆動信号の前記印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体（３６）を有するハンドピース（３２）と、
対向する近位端及び遠位端を有するチップ（１４２）であって、該チップの前記近位端は、前記駆動体の前記拡張及び前記収縮が該チップの前記近位端を長手方向に振動させるように前記少なくとも１つの駆動体に連結され、該チップは、前記遠位端にヘッド（１６４）を有し、該ヘッドは、振動されると、該ヘッドが適用された組織に対して医療処置を行うように成形され、該チップは、該チップの前記近位に存在する前記長手方向振動を、前記遠位端において長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動に変換する特徴部（１５４）を前記近位端と前記遠位端との間に有する、チップと、
超音波ハンドピース（３２）の前記チップ（５０）を振動させるシステムであって、前記ハンドピースは、前記チップを振動させるＡＣ駆動信号が印加される少なくとも１つの駆動体（４０）を有する、システムと、
を備え、
前記システムは、
ハンドピースの少なくとも１つの駆動体（４０）に印加される可変ＡＣ駆動信号を生成するアセンブリ（２３２、２３４、２３８）と、
駆動信号電圧を表す信号を出力する前記駆動信号の前記電圧を測定するアセンブリ（２４６、２５２）と、
駆動信号電流を表す信号を出力する前記ハンドピースに印加される前記駆動信号の前記電流を測定するアセンブリ（２５４、２５６）と、
前記駆動信号電圧を表す信号及び前記駆動信号電流を表す信号から受信するプロセッサ（２６６）であって、前記駆動信号電圧と、前記駆動信号電流と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、
前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る電流の目標当量である電流の目標仕事当量を求めること（３４２）と、
前記駆動信号の前記電圧と、前記駆動信号の前記電流と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の仕事当量を計算すること（３５０）と、
前記電流の目標仕事当量を、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記計算された電流の当量と比較すること（３５０８）と、
前記電流の比較に基づいて、前記駆動信号を生成する前記アセンブリ（２３２、２３４、２３８）によって出力される前記駆動信号の前記電位を設定すること（３５２）と、
前記駆動信号の前記電圧と、前記駆動信号の前記電流と、前記駆動信号の前記周波数と、前記圧電駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記少なくとも１つの駆動体に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算すること（３５６）と、
前記計算された比に基づいて、前記ＡＣ駆動信号（６８、７０、７２）を生成する前記アセンブリによって出力される前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定すること（３５８）と、
を行うように構成された、プロセッサと、
を備え、
該超音波手術用具システムは、
前記プロセッサが、前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定するとき、前記プロセッサは、前記ハンドピース（３２）の前記２つの隣接する機械共振モードのうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が、前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号を、前記機械共振モードの共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に設定することを特徴とする、超音波手術用具システム。
請求項１２：
請求項１１に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６）は、前記比に基づいて前記駆動信号の前記周波数を設定する前に、前記機械共振モードのうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が、前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を、前記ハンドピースの前記２つの隣接する機械共振モードの前記共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に初期設定する（３４４）ように更に構成される、システム。
請求項１３：
請求項１１又は１２に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記駆動信号の前記電流（ｉＳ）と前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）との前記差を求めることによって、前記ハンドピース（３２）の前記機械構成要素に印加される前記電流の当量を計算するように構成される、システム。
請求項１４：
請求項１３に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンス（ＣＯ）と、前記駆動信号の前記電圧（ＶＳ）及び前記周波数（ω）との関数として、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）を求めるように構成される、システム。
請求項１５：
請求項１１～１４のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記少なくとも１つの駆動体（３６）に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の仕事当量との間の前記計算された比が、前記駆動周波数が目標比に実質的に等しいことを示すか否かを判断すること（３５６）と、
前記判断が、前記計算された比が前記目標比に実質的に等しくないことを示す場合、駆動信号の前記周波数を調整すること（３５８）と、
を行うように構成される、システム。
請求項１６：
前記プロセッサが、前記少なくとも１つの駆動体（３６）に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の仕事当量との間の前記計算された比が、前記駆動周波数が前記目標比に実質的に等しいことを示すか否かを判断するとき（３５６）、前記プロセッサは、前記計算された比が０の目標比に実質的に等しいか否かを判断する、請求項１５に記載のシステム。
請求項１７：
請求項１１～１６のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンスを表すデータを前記ハンドピース（３２）に関連付けられたメモリ（５６）から得ることと、
前記システムの少なくとも初期起動時に、前記ハンドピースメモリ（５６）から得られた前記駆動体のキャパシタンスのデータに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素に印加される前記電流の当量を計算することと、
前記ハンドピースメモリから読み取られた前記駆動体のキャパシタンスのデータに基づいて、前記圧電駆動体に印加される電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の当量との間の前記比を計算することと、
を行うように更に構成される、システム。
請求項１８：
請求項１１～１７のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記ハンドピースチップの振動の前記所望の大きさを示すユーザ入力コマンドを表す信号を受信することと、
前記ハンドピースチップの振動の前記所望の大きさを示す前記ユーザ指示コマンドを表す前記信号に部分的に基づいて、前記電流の目標仕事当量を求めること（３４２）と、
を行うように更に構成される、システム。
請求項１９：
請求項１１～１８のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、
前記駆動信号を生成する前記アセンブリは、定電圧における信号を出力する電源装置（２３２）と、該電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために該電源装置からの前記信号を増幅するように構成された可変増幅器（２３４）とを備え、
前記プロセッサ（２６６）は、前記増幅器に接続されて、前記増幅器の前記利得を調節することによって前記駆動信号の前記電位を設定する、システム。
請求項２０：
請求項１９に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記増幅器に接続されて、前記増幅器によって出力される前記信号の前記周波数及び前記振幅を調節することによって前記駆動信号の前記電位及び前記周波数を設定する、システム。
請求項２１：
請求項１１～２０のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記チップ（１４２）には溝（１５４）が形成され、該溝は、存在する結果として、前記少なくとも１つの駆動体（３６）から前記チップに印加される前記長手方向振動運動が長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動運動に変換されるように成形される、システム。
請求項２２：
請求項２１に記載のシステム（３０）であって、前記溝（１５４）は、前記チップ（１４２）の長手方向軸の回りに曲線を描くように螺旋状に成形される、システム。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
ＡＣ駆動信号の前記印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体（３６）を有するハンドピース（３２）と、前記駆動体に接続されるチップとを準備するステップであって、前記チップは、対向する近位端及び遠位端を有し、前記近位端（１６４）は、前記少なくとも１つの駆動体の前記拡張及び前記収縮に応答して長手方向に振動するように前記駆動体に接続され、前記チップは、前記チップの前記近位端において誘発される長手方向振動を、前記チップの前記遠位端の付近において、長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動に変換する、前記近位端と前記遠位端との間の特徴部（１５４）を有し、前記チップは、適用される前記組織に対して医療処置を行うように構成されたヘッド（１６４）を前記遠位端に有する、準備するステップと、
周波数及び電位の双方が変化するＡＣ駆動信号を電源装置（２３２、２３４、２３８）から前記ハンドピース（３２）に供給するステップ（３４４）と、
前記ハンドピース（３２）の機械構成要素を通る電流の目標仕事当量を求めるステップ（３４２）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の前記出力の両端間の前記電圧とを測定するステップ（３４６）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の両端間の前記電圧と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量を計算するステップ（３４６）と、
前記電流の目標仕事当量と前記計算された電流の仕事当量とを比較するステップ（３５０）と、
前記電流の目標仕事当量と前記計算された電流の仕事当量との前記比較に基づいて、前記電源装置によって供給される前記ＡＣ駆動信号の前記電位を選択的に設定するステップ（３５２）と、
前記ハンドピースに供給される前記電流と、前記電源装置の両端間の前記電圧と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算するステップ（３５６）と、
前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比に基づいて、前記電源装置によって供給される前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定するステップであって、前記周波数は、前記ハンドピース（３２）の２つの隣接する機械共振モードの共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）になるようにされ、前記少なくとも１つの駆動体（３６）は、前記チップを前記隣接する機械共振モードにおいて同時に振動させる振動を前記チップ（１４２）に誘発するようにされ、前記機械共振モードのうちの第１のものの前記チップヘッド（１６４）における前記振動の長手方向成分は、前記機械共振モードのうちの第２のものの前記チップヘッドの前記振動の長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするようにされる、設定するステップと、
を含む、超音波手術チップを振動させる方法。
請求項２：
前記計算された比を前記目標比と比較する前記ステップの前に、電源装置（２３２、２３４、２３８）から前記少なくとも１つの駆動体（３６）にＡＣ駆動信号を供給する前記ステップを最初に実行するとき、前記機械共振モードうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号の周波数を、前記ハンドピースの前記２つの隣接する機械共振モードの前記共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に設定するステップ（３４４）を更に含む、請求項１に記載の方法。
請求項３：
前記ハンドピースを通る前記電流の仕事当量を計算する前記ステップ（３４６）は、前記ハンドピースに供給される前記電流（ｉＳ）と前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）との前記差を求めることによって実行される、請求項１又は２に記載の方法。
請求項４：
前記ハンドピースを通る前記電流の仕事当量を計算する前記ステップのとき、前記少なくとも１つの駆動体を通る電流（ｉ０）が、該少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンス（ＣＯ）と、前記駆動信号の前記電圧（ＶＳ）及び前記周波数（ω）との関数として計算される、請求項３に記載の方法。
請求項５：
前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比を計算する前記ステップ（３５６）の後、前記比は目標比と比較され、
前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定する前記ステップは、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の前記比（３５６）と前記目標比との前記比較に基づいて実行される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
請求項６：
前記計算された比を前記目標比と比較する前記ステップが実行されるとき、前記計算された比は、０の目標比と比較される、請求項５に記載の方法。
請求項７：
前記プロセッサ（２６６）、前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の仕事当量を計算する前記ステップと、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算する前記ステップとの少なくとも初期実行中に、前記計算は、前記ハンドピース（３２）に関連付けられたメモリ（５６）から読み取られた前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンス（ＣＯ）の表示値を入力変数として用いて実行される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
請求項８：
前記ハンドピースの機械構成要素を通る電流の目標仕事当量を求める前記ステップ（３４２）において、前記電流の目標機械構成要素当量は、前記ハンドピースチップ（１６４）の振動の前記所望の大きさを示すユーザ入力コマンドを表す信号に部分的に基づいて計算される、請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム。
請求項９：
前記ＡＣ駆動信号を供給する前記ステップは、定電圧における信号を出力する電源装置（２３２）と、該電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために該電源装置からの前記信号を増幅するように構成された可変利得増幅器（２３４）とを用いて実行され、
前記ＡＣ駆動信号の前記電位を設定する前記ステップ（３５２）は、前記増幅器（２３４）の前記利得を変化させることによって実行される、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１０：
前記ＡＣ駆動信号を供給する前記ステップは、ＤＣ信号又は定周波数におけるＡＣ信号のいずれかを出力する電源装置（２３２）と、前記電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために前記電源装置からの前記信号の前記周波数を変化させるように構成された信号ジェネレータ（２３４）とを用いて実行され、
前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定する前記ステップ（３５２）は、前記信号ジェネレータ（２３４）によって出力される前記信号の前記周波数を調節することによって実行される、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１１：
超音波手術用具システム（３０）であって、
ＡＣ駆動信号の前記印加に応答して周期的に拡張及び収縮する少なくとも１つの駆動体（３６）を有するハンドピース（３２）と、
対向する近位端及び遠位端を有するチップ（１４２）であって、該チップの前記近位端は、前記駆動体の前記拡張及び前記収縮が該チップの前記近位端を長手方向に振動させるように前記少なくとも１つの駆動体に連結され、該チップは、前記遠位端にヘッド（１６４）を有し、該ヘッドは、振動されると、該ヘッドが適用された組織に対して医療処置を行うように成形され、該チップは、該チップの前記近位に存在する前記長手方向振動を、前記遠位端において長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動に変換する特徴部（１５４）を前記近位端と前記遠位端との間に有する、チップと、
超音波ハンドピース（３２）の前記チップ（５０）を振動させるシステムであって、前記ハンドピースは、前記チップを振動させるＡＣ駆動信号が印加される少なくとも１つの駆動体（４０）を有する、システムと、
を備え、
前記システムは、
ハンドピースの少なくとも１つの駆動体（４０）に印加される可変ＡＣ駆動信号を生成するアセンブリ（２３２、２３４、２３８）と、
駆動信号電圧を表す信号を出力する前記駆動信号の前記電圧を測定するアセンブリ（２４６、２５２）と、
駆動信号電流を表す信号を出力する前記ハンドピースに印加される前記駆動信号の前記電流を測定するアセンブリ（２５４、２５６）と、
前記駆動信号電圧を表す信号及び前記駆動信号電流を表す信号から受信するプロセッサ（２６６）であって、前記駆動信号電圧と、前記駆動信号電流と、前記少なくとも１つの駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、
前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る電流の目標当量である電流の目標仕事当量を求めること（３４２）と、
前記駆動信号の前記電圧と、前記駆動信号の前記電流と、前記駆動信号の前記周波数と、前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンスとに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素に印加される電流の仕事当量を計算すること（３５０）と、
前記電流の目標仕事当量を、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記計算された電流の当量と比較すること（３５０８）と、
前記電流の比較に基づいて、前記駆動信号を生成する前記アセンブリ（２３２、２３４、２３８）によって出力される前記駆動信号の前記電位を設定すること（３５２）と、
前記駆動信号の前記電圧と、前記駆動信号の前記電流と、前記駆動信号の前記周波数と、前記圧電駆動体の前記キャパシタンスとに基づいて、前記少なくとも１つの駆動体に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素を通る前記電流の仕事当量との間の比を計算すること（３５６）と、
前記計算された比に基づいて、前記ＡＣ駆動信号（６８、７０、７２）を生成する前記アセンブリによって出力される前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定すること（３５８）と、
を行うように構成された、プロセッサと、
を備え、
該超音波手術用具システムは、
前記プロセッサが、前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を設定するとき、前記プロセッサは、前記ハンドピース（３２）の前記２つの隣接する機械共振モードのうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が、前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号を、前記機械共振モードの共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に設定することを特徴とする、超音波手術用具システム。
請求項１２：
請求項１１に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６）は、前記比に基づいて前記駆動信号の前記周波数を設定する前に、前記機械共振モードのうちの前記第１のものの前記チップヘッド（１６４）の前記振動の前記長手方向成分が、前記機械共振モードのうちの前記第２のものの前記振動の前記長手方向成分を少なくとも部分的にキャンセルするように、前記ＡＣ駆動信号の前記周波数を、前記ハンドピースの前記２つの隣接する機械共振モードの前記共振周波数（ｆ１、ｆ２）の間の周波数（ｆＬＣ）に初期設定する（３４４）ように更に構成される、システム。
請求項１３：
請求項１１又は１２に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記駆動信号の前記電流（ｉＳ）と前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）との前記差を求めることによって、前記ハンドピース（３２）の前記機械構成要素に印加される前記電流の当量を計算するように構成される、システム。
請求項１４：
請求項１３に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンス（ＣＯ）と、前記駆動信号の前記電圧（ＶＳ）及び前記周波数（ω）との関数として、前記少なくとも１つの駆動体を通る前記電流（ｉ０）を求めるように構成される、システム。
請求項１５：
請求項１１～１４のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記少なくとも１つの駆動体（３６）に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の仕事当量との間の前記計算された比が、前記駆動周波数が目標比に実質的に等しいことを示すか否かを判断すること（３５６）と、
前記判断が、前記計算された比が前記目標比に実質的に等しくないことを示す場合、駆動信号の前記周波数を調整すること（３５８）と、
を行うように構成される、システム。
請求項１６：
前記プロセッサが、前記少なくとも１つの駆動体（３６）に印加される電流と、前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の仕事当量との間の前記計算された比が、前記駆動周波数が前記目標比に実質的に等しいことを示すか否かを判断するとき（３５６）、前記プロセッサは、前記計算された比が０の目標比に実質的に等しいか否かを判断する、請求項１５に記載のシステム。
請求項１７：
請求項１１～１６のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記少なくとも１つの駆動体（３６）の前記キャパシタンスを表すデータを前記ハンドピース（３２）に関連付けられたメモリ（５６）から得ることと、
前記システムの少なくとも初期起動時に、前記ハンドピースメモリ（５６）から得られた前記駆動体のキャパシタンスのデータに基づいて、前記ハンドピースの機械構成要素に印加される前記電流の当量を計算することと、
前記ハンドピースメモリから読み取られた前記駆動体のキャパシタンスのデータに基づいて、前記圧電駆動体に印加される電流と前記ハンドピースの前記機械構成要素に印加される前記電流の当量との間の前記比を計算することと、
を行うように更に構成される、システム。
請求項１８：
請求項１１～１７のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、
前記ハンドピースチップの振動の前記所望の大きさを示すユーザ入力コマンドを表す信号を受信することと、
前記ハンドピースチップの振動の前記所望の大きさを示す前記ユーザ指示コマンドを表す前記信号に部分的に基づいて、前記電流の目標仕事当量を求めること（３４２）と、
を行うように更に構成される、システム。
請求項１９：
請求項１１～１８のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、
前記駆動信号を生成する前記アセンブリは、定電圧における信号を出力する電源装置（２３２）と、該電源装置によって出力された前記信号を受信し、可変電位駆動信号を出力するために該電源装置からの前記信号を増幅するように構成された可変増幅器（２３４）とを備え、
前記プロセッサ（２６６）は、前記増幅器に接続されて、前記増幅器の前記利得を調節することによって前記駆動信号の前記電位を設定する、システム。
請求項２０：
請求項１９に記載のシステム（３０）であって、前記プロセッサ（２６６）は、前記増幅器に接続されて、前記増幅器によって出力される前記信号の前記周波数及び前記振幅を調節することによって前記駆動信号の前記電位及び前記周波数を設定する、システム。
請求項２１：
請求項１１～２０のいずれか１項に記載のシステム（３０）であって、前記チップ（１４２）には溝（１５４）が形成され、該溝は、存在する結果として、前記少なくとも１つの駆動体（３６）から前記チップに印加される前記長手方向振動運動が長手方向成分及びねじれ方向成分を有する振動運動に変換されるように成形される、システム。
請求項２２：
請求項２１に記載のシステム（３０）であって、前記溝（１５４）は、前記チップ（１４２）の長手方向軸の回りに曲線を描くように螺旋状に成形される、システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
