JP3841627B2

JP3841627B2 - 超音波凝固切開装置

Info

Publication number: JP3841627B2
Application number: JP2000253918A
Authority: JP
Inventors: 典弘山田; 朋樹舟窪
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: JP2002065688A

Description

【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切開あるいは凝固などの処置を行う超音波凝固切開装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波凝固切開装置における超音波伝達体の役割は、超音波振動子で発生された超音波を、加工もしくは切断する対象物に、拡大して伝達することである。一般に、圧電素子を利用した超音波振動子で発生された超音波を拡大する超音波伝達体は、超音波伝達体の軸心方向に振動を伝達させる。これを実現するためには、発熱等による損失や、所望の振動以外のモード、すなわち超音波伝達体の径方向に振幅を持つ横振動の発生を可能な限り抑制することが求められる。損失及び横振動の発生は、超音波伝達体の形状を太く短くすることである程度抑制できる。例えば、特開平１１−２２６４９９(従来技術１)に示されているように、横振れや異音の発生を防止するために、超音波伝達体である超音波ホーンの形状に、ある一定の規制を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、生体組織に超音波を加え凝固あるいは切除するための超音波凝固切開装置においては、内視鏡観察下での治療が求められている。この様な装置に用いられる超音波伝達体は細長の形状であることが必要である。例えば、特開平９−３８０９９(従来技術２)は、内視鏡に組み込まれる超音波凝固切開装置を開示している。この装置では、超音波振動子は発生された超音波を伝達棒を介して先端の固定刃に拡大して伝達することにより、生体組織の凝固・切開を行なう。この伝達棒は細長の形状であるために、固定刃部分で１０μｍ以上の大きい振幅を得ようとすると、横振動が発生し易い。
【０００４】
このような横振動は、超音波振動子で発生される超音波の振動数とは異なる振動数を持つため、可聴域の耳障りな異音を発生させることがある。また、横振動は、単に不所望な異音を発生させるだけでなく、伝達される超音波のエネルギーを損失させるため、切断等の処置の所要時間が長くなったり、最悪の場合には、切断等の処置を完了できないという事態を引き起こす可能性がある。
【０００５】
本発明は、このような不具合を解消するために成されたものであり、その主な目的は、超音波の伝達による損失が少なく、異音が発生し難い超音波凝固切開装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一つのアスペクトにおいては、生体組織に対して切開・凝固等の処置を行なうための超音波凝固切開装置であり、超音波振動を発生させるための超音波振動子と、超音波振動子で発生された超音波振動を伝達するための超音波伝達体と、超音波伝達体に取り付けられた固定刃と、固定刃に対して開閉動作される可動刃とを備えており、超音波伝達体は、その軸心方向に伝わる縦振動の節位置の少なくとも一つにおいて保持されており、保持された縦振動の節位置の少なくとも一つは、超音波伝達体に発生する径方向に振幅を持つ横振動の腹位置に一致している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態による超音波凝固切開装置について図面を用いて説明する。
【００１２】
図１に示されるように、本実施形態の超音波凝固切開装置１００は、生体組織に対して切開・凝固等の処置を行なうための処置部１１０と、処置部１１０を操作するための操作部１２０と、超音波振動を発生させるための超音波振動子ユニット１３０と、超音波振動子ユニット１３０で発生された超音波振動を処置部１１０に伝達するための伝達部１４０とを備えている。
【００１３】
図２に示されるように、超音波振動子ユニット１３０は、超音波振動を発生する超音波振動子１３２を含んでいる。超音波振動子１３２は、例えば、圧電素子と電極を交互に積層した構造体をホーン１３６と裏打板１３４とで挟みボルトで締結したボルト締めランジュンバン超音波振動子である。
【００１４】
伝達部１４０は、超音波振動子１３２で発生された超音波振動を伝達するための超音波伝達体１４２と、これを保持するための複数のスペーサ１４４と、これらを覆う保護部材であるシース１４６とを有している。
【００１５】
超音波伝達体１４２は、例えば、チタン合金製の円柱形の棒状部材である。チタン合金は、耐食性と強度が共に高く、生体適合性も有している。
【００１６】
超音波伝達体１４２は両端に雄ネジを有しており、また、超音波振動子１３２のホーン１３６の先端部分に雌ネジを有しており、超音波伝達体１４２とホーン１３６は螺合により連結されている。
【００１７】
超音波伝達体１４２は、五箇所において、シース１４６に固定されたスペーサ１４４に保持されている。保持の位置は、縦振動の伝達を阻害しないように、超音波伝達体１４２を伝わる縦振動の節位置が選ばれている。
【００１８】
図５(Ａ)と図５(Ｂ)に示されるように、スペーサ１４４は、ねじ１５０によりシース１４６に固定されており、また、超音波伝達体１４２を保持するための穴１５４を有している。スペーサ１４４の穴１５４には、シリコンゴム等の弾性材料から成る外止め部材１５６を介して、超音波伝達体１４２が通される。その結果、外止め部材１５６の弾性変形により、超音波伝達体１４２は所定の位置においてスペーサ１４４によって保持される。
【００１９】
スペーサ１４４に対する超音波伝達体１４２の組付けは、超音波伝達体１４２を伝搬する縦振動の節位置に当たる超音波伝達体１４２の所定の位置にマークを付け、そのマークの部分にシリコンゴム等の弾性材料から成る外止め部材１５６を嵌め込み、これをスペーサ１４４の穴１５４に通すことで行なわれる。
【００２０】
図２に示されるように、処置部１１０は、固定刃１１２と、可動刃１１４と、固定刃１１２に対して可動刃１１４を開閉動作可能に支持する可動刃支持ベース１１６とを有している。可動刃支持ベース１１６は、シース１４６の端部に設けられている。
【００２１】
固定刃１１２はチタン合金製の円柱形状部材であり、超音波の振幅を拡大するために、超音波伝達体１４２より細い径を有している。固定刃１１２は一方の端部に雌ネジを有しており、螺合により超音波伝達体１４２に取り付けられている。超音波伝達体１４２に取り付けられた固定刃１１２は、可動刃支持ベース１１６に形成された穴を通って延びている。
【００２２】
図１と図２に示されるように、操作部１２０は、固定ハンドル１２２と、可動操作ハンドル１２４とを有している。固定ハンドル１２２は超音波振動子ユニット１３０に固定されており、可動操作ハンドル１２４は固定ハンドル１２２に対して開閉操作可能に超音波振動子ユニット１３０に取り付けられている。
【００２３】
可動操作ハンドル１２４の端部は、超音波振動子ユニット１３０内において、操作棒１１８と回動可能に連結されている。操作棒１１８は、図５(Ｂ)に示されるように、スペーサ１４４の穴１５２を通って延びており、可動刃１１４の端部に回動自在に連結されている。これにより、固定ハンドル１２２に対する可動操作ハンドル１２４の開閉操作に応じて、可動刃１１４が固定刃１１２に対して開閉される。
【００２４】
一般に、振動の性質は、振幅、振動数、次数(波の数)により決まる。振動の節位置と腹位置は、次数に応じて決まる。振動の次数は、振動数により変わるが、媒体の材質および形状により決まる。
【００２５】
超音波伝達体１４２の軸心方向に進む縦振動の振動数は、超音波振動子１３２から発生する超音波振動と同じであり、超音波伝達体１４２に発生する横振動の振動数は、Duffingの方程式により、超音波振動子１３２から発生する超音波振動の１/２もしくは１/３のいずれかである。
【００２６】
従って、超音波伝達体１４２の材質と形状を適当に選ぶことにより、超音波振動子１３２から発生する超音波振動(縦振動)と、その超音波振動の１/２振動数の横振動と１/３振動数の横振動とを、所望の次数にすることができる。
【００２７】
本発明による超音波凝固切開装置１００では、所望の振動である超音波伝達体１４２の軸心方向に進む縦振動に付随して発生する径方向に振幅を持つ横振動の次数(波の数)が偶数になるように、超音波伝達体１４２の形状と材質が選ばれている。その結果、縦振動の節位置の少なくとも一つは、横振動の腹位置と一致している。また、超音波伝達体１４２は、少なくとも、横振動の腹位置と一致する縦振動の節位置において、スペーサ１４４により保持されている。これにより、縦振動の振幅を妨害することなく、横振動の発生が抑制されている。
【００２８】
以下、具体的な数値をあげて説明する。超音波振動子１３２は、ホーン１３６の先端部から振動数５０ｋＨｚの超音波振動を発生する。超音波伝達体１４２の材質であるチタン合金は、１１２ＧＰａのヤング率と、４.５ｋｇ/ｍ³の密度を有している。従って、超音波伝達体１４２に伝わる振動数５０ｋＨｚの超音波振動の１/４波長は、２４.７ｍｍである。
【００２９】
生体組織に対して処置を行なう固定刃１１２に超音波振動を最も効率よく伝えるため、超音波振動子１３２のホーン１３６の先端と固定刃１１２の先端で振幅が最大になる必要がある。言い換えれば、ホーン１３６の先端と固定刃１１２の先端は、超音波振動の腹位置になる必要がある。
【００３０】
また、用途の都合上、操作部１２０から処置部１１０までの距離は２００ｍｍ以上必要である。このような理由から、本実施形態では、超音波伝達体１４２の長さは、図２に示されように、超音波振動の波長の２.５倍(次数は５)である２４７ｍｍに設定されている。
【００３１】
また、超音波伝達体１４２は、縦振動の節位置にあたる位置において、スペーサ１４４に保持されている。従って、超音波伝達体１４２は、ホーン１３６の先端から２４.７ｍｍ、７４.１ｍｍ、１２３.５ｍｍ、１７２.９ｍｍ、２２２.３ｍｍの位置においてスペーサ１４４に保持されている。
【００３２】
前述したように、超音波伝達体１４２に発生する横振動の振動数は、Duffingの方程式より、縦振動である超音波振動の振動数の１/２もしくは１/３であるので、本実施形態では、１６.７ｋＨｚもしくは２５ｋＨｚの横振動が発生する。振動数１６.７ｋＨｚは可聴域にあるため、１/３振動数の横振動の振幅が大きくなると異音が発生する。
【００３３】
さらに、横振動の発生を抑えるため、超音波伝達体１４２の太さは、縦振動の節位置と横振動の腹位置が一致する寸法が選ばれている。超音波伝達体１４２の太さの決定は、具体的には、次のようにして行なわれる。
【００３４】
まず、図３に示されるように、有限要素法を用いたシミュレーションにより、様々な太さの超音波伝達体１４２の固有振動数を調査する。次に、その固有振動数の中で超音波振動の１/２及び１/３振動数に最も近い固有振動の次数を調査する。そして、両方の横振動の次数が偶数になる太さを選ぶ。
【００３５】
本実施形態では、超音波伝達体１４２の太さは３.０ｍｍが選ばれている。この太さにおいては、１/３振動数に最も近い固有振動の次数が１４、１/２振動数に最も近い固有振動の次数が１６である。
【００３６】
本実施形態では、結局、超音波伝達体１４２は、長さ２４７ｍｍ、太さ３.０ｍｍのチタン合金製の円柱状部材である。この超音波伝達体１４２においては、図４に示されるように、全長の中央部において、縦振動における３番目の節と、１/３振動数の横振動における８番目の腹と、１/２振動数の横振動における７番目の腹とが一致している。このため、横振動の発生が抑制されている。
【００３７】
本実施形態では、固定刃１１２の長さは超音波振動の半波長分であり、振動の伝達に対する寄与は、超音波伝達体１４２に比べて小さく、実質的に無視してもよい。しかし、固定刃１１２が超音波伝達体１４２の全長と同じ程度に長い場合には、固定刃１１２を含めた固有値解析を行なう必要がある。
【００３８】
以下、本実施形態の変形例について述べる。
【００３９】
第一の変形例では、超音波伝達体１４２の材質はアルミニウム合金であり、ヤング率は７２ＧＰａ、密度は２.７ｋｇ/ｍ³である。超音波伝達体１４２の全長は、超音波伝達体１４２を伝わる振動数５０ｋＨｚの超音波振動の波長の２.５倍である２７１ｍｍが選ばれている。超音波伝達体１４２の太さは、縦振動の１/２及び１/３振動数の横振動における次数が偶数になるように、３.８ｍｍに設定されている。
【００４０】
第二の変形例では、超音波伝達体１４２は、パイプ状の中空円筒形の部材であり、その材質は第一実施形態と同じチタン合金である。超音波伝達体１４２の全長は２４７ｍｍに設定されており、これは超音波伝達体１４２を伝搬する超音波振動の波長の２.５倍に等しい。超音波伝達体１４２の外径と内径は、縦振動の１/２及び１/３振動数の横振動における次数が偶数になるように、外径が６.４ｍｍ、内径が３.０ｍｍに設定されている。
【００４１】
また、超音波伝達体１４２の保持に関して、図６に示されるように、超音波伝達体１４２の保持強度を高めるために、超音波伝達体１４２は縦振動の節位置に溝１６０を有し、スペーサ１４４の穴１５４の側面は凹面１６２になっているとよい。このような保持は、横振動に対する負荷がより大きく、横振動の抑制が更に向上される。ただし、溝１６０は超音波伝達体１４２の振動特性に影響を与えるため、超音波伝達体の設計に際しては、溝１６０を考慮してシミュレーションを行なう必要がある。
【００４２】
次に、本発明の第二の実施の形態として、第一実施形態の超音波凝固切開装置に適用可能な別の超音波伝達体について図７と図８を用いて説明する。
【００４３】
図７に示されるように、本実施形態による超音波伝達体１４２は、比較的太い一定の太さの基端部１７２と、テーパー状のホーン部１７４と、比較的細い一定の太さの中腹部１７６とを有している。
【００４４】
本実施形態では、超音波振動子１３２は、ホーン１３６の先端部から振動数４７ｋＨｚの超音波振動を発生する。また、超音波伝達体１４２の材質は第一実施形態と同じであり、ホーン部１７４以外の超音波伝達体１４２に伝わる縦振動の１/４波長は、２６.５ｍｍである。
【００４５】
基端部１７２の太さは７ｍｍであり、中腹部１７６の太さは、超音波伝達体１４２の全長が３５０ｍｍ以上であることを前提条件として、第一実施形態と同様の考えに基づいて、シミュレーションにより決められている。
【００４６】
このシミュレーションにおいて、中腹部１７６と基端部１７２とを滑らかに接続するため、ホーン部１７４の形状は中腹部１７６の太さに応じて若干変えている。また、それに伴い、縦振動の次数が同じでも、超音波伝達体１４２の全長も変わる。
【００４７】
本実施形態では、縦振動の次数を７(波長の３.５倍)に固定して、中腹部１７６の太さを１ｍｍ〜７ｍｍの範囲で変化させるシミュレーションの結果、全長は３７０.６ｍｍ〜３９３.７ｍｍの範囲で変化した。
【００４８】
図８に示されるように、様々な太さの中腹部に対して超音波伝達体１４２の縦振動の１/２及び１/３振動数に最も近い固有振動の次数を調査した。
【００４９】
本実施形態では、超音波伝達体１４２の中腹部１７６の太さは３.５ｍｍに設定されており、この太さにおいて、１/２振動数の横振動の次数は２２、１/３振動数の横振動の次数は１８である。これにより、縦振動の節位置の少なくとも一つは、横振動の腹位置と一致している。
【００５０】
この超音波伝達体１４２は、縦振動の７つの節位置のうち、ホーン部１７４に存在する１つの節位置を除いた６つの節位置において、第一実施形態と同様に、シース１４６に固定されたスペーサ１４４に保持される。これにより、縦振動の伝達を阻害することなく、横振動の発生が抑制される。
【００５１】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の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。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、縦振動の伝達を阻害することなく横振動の発生が抑えられた、従って、超音波の伝達による損失が少なく、異音が発生し難い超音波凝固切開装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態による超音波凝固切開装置の外観を概略的に示している。
【図２】図１に示される超音波凝固切開装置の内部構造を概略的に示している。
【図３】図２に示される超音波伝達体の太さに対する横振動の次数の変化を示すグラフである。
【図４】第一の実施の形態における超音波伝達体と、これに伝わる縦振動の波形と、これに発生する横振動の波形とを示している。
【図５】図２に示される超音波伝達体の保持の一形態を示しており、(Ａ)は保持される前の様子を示し、(Ｂ)は保持されている様子を示している。
【図６】図２に示される超音波伝達体の保持の別の形態を示している。
【図７】第二の実施の形態による超音波伝達体を示している。
【図８】図７に示される超音波伝達体の太さに対する横振動の次数の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１００超音波凝固切開装置
１１２固定刃
１１４可動刃
１３２超音波振動子
１４２超音波伝達体

Claims

生体組織に対して切開・凝固等の処置を行なうための超音波凝固切開装置であり、
超音波振動を発生させるための超音波振動子と、
超音波振動子で発生された超音波振動を伝達するための超音波伝達体と、
超音波伝達体に取り付けられた固定刃と、
固定刃に対して開閉動作される可動刃とを備えており、
超音波伝達体は、その軸心方向に伝わる縦振動の節位置の少なくとも一つにおいて保持されており、保持された縦振動の節位置の少なくとも一つは、超音波伝達体に発生する径方向に振幅を持つ横振動の腹位置に一致している、超音波凝固切開装置。