JPH0321186B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、眼科外科において使用する超音波プ
ローブの分野に関するものである。

従来技術 眼科外科の分野においては、白内障等の目の中
における組織形成を破壊する為に超音波プローブ
を使用することが必要となることが屡々ある。従
来技術においては、この様なプローブは、内部に
超音波変換器を内蔵しており且つ大直径部分を先
端を目と接触させる為に使用される小直径部分と
を接続させるテーパ部分とを持つた金属ロツドと
して構成されていた。一端部から他端部への該ロ
ツドの全長は、今日まで、駆動周波数の１波長の
長さである。

典型的に、この様なプローブの駆動周波数は約
40kHzであり、且つプローブは約５インチの長さ
を持つている。プローブをチタンの如き軽量な金
属から形成しても、５インチの長さの金属ロツド
の重さは、眼科外科の領域の狭い区域において長
時間に渡つてプローブを繰返し操作した後に手の
小さな筋肉を疲れさせるのには十分な大きさであ
る。この５インチの長さは、又、動き回すのに比
較的不便なプローブとさせている。更に、チタン
等の珍しい金属をロツド用に使用する場合には、
ロツド用の物質のコストはばかにならなくなる。

本発明者等が知得している最も近い従来技術は
ユナイテツドソニツクス（United Sonics）社の
プローブである。このプローブは、現時点におい
ては、断定するのに十分に分かつているわけでは
ないが、単節プローブ、即ち定在波の節（ノー
ド）を１つ有するプローブ、であるか又はそうで
はない。駆動周波数は27kHzと思われる。そうで
あるならば、それは多分単節プローブである。こ
のユナイテツドソニツク社のプローブにおける問
題は、結晶の配置に関する問題である。このプロ
ーブにおいては、２つの結晶を使用している。第
１組の結晶は励起変換器であり、且つそれらは、
機械的増幅器セクシヨンの大きな直径の側におけ
るプローブの単一の節の非常に近傍に位置されて
いる。別の結晶が、針端部と反対側のプローブの
端部における腹（アンチノード）の近傍に位置さ
れている。この結晶は、プローブの振動周波数、
又はプローブ振動の何等かのその他の特性を検知
する為に使用される変換器であると思われる。節
にその様に近接して励起用結晶を配置させる場合
の問題は、結晶上の応力を著しく増大ささせるこ
とである。この増大した応力は、著しく結晶内の
損失を増大させ、且つ結晶内の電力散逸からのプ
ローブの加熱を著しく増大させる。即ち、増大し
た応力は、結晶のＱフアクタを減少させ、且つ一
方の端子から他方の端子への漏れ電流の量を著し
く増大させる。結果的に発生する温度変動は、プ
ローブ物質の弾性を変化させ、且つプローブの機
械的共振周波数を変化させる。このことは、プロ
ーブを離調させ、その際に電力転送の効果性を損
なうことがある。従つて、眼科外科において使用
することが可能な短寸で軽量の超音波プローブで
あつて、該結晶内の過剰的に高い電力散逸からの
加熱又は以上に高い応力を示すことのない超音波
プローブに対する必要性が存在している。

目 的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、上述した如き従来技術の欠点を解消し、眼科
外科において使用することが可能な短寸で軽量の
超音波プローブであつて、該結晶内の過剰的に高
い電力散逸からの加熱又は以上に高い応力を示す
ことのない超音波プローブを提供することを目的
とする。

構 成 本発明に拠れば、半波超音波プローブが提供さ
れる。本プローブは約2.5インチ（6.35cm）の長
さであり、且つ１つの節（ノード）及び２つの腹
（アンチノード）を持つている。本プローブは、
チタン、又は約40kHzにおける機械的共振の応力
に耐えることが可能なその他のオートクレーブ可
能な物質からなるシリンダ（円筒）から構成され
ている。該シリンダは、第１直径のシリンダから
なる励起部分を持つており、それは機械的増幅器
及び応力除去部分を介して第２直径部へテーパ状
に遷移している。該機械的増幅器の目的は、該結
晶が位置されているプローブの端部におけるプロ
ーブの振動振幅と比較して、手術中の区域と接触
しているプローブの先端の振動振幅を増加させる
ことである。好適には、第１部分が第２部分の直
径へテーパ変化を開始する点は1/4波長である。
より小さな第２直径を持つたロツド部分は、機械
的増幅器部分から延在しており且つその中に螺着
孔を持つた端部に終端している。更に小さな直径
の第３円筒部分は、第２直径部分の端部内の孔内
に螺合しており且つ本プローブを完成している。
手術中に目とコンタクトするのはこの部分であ
る。目と接触するこの第３部分の端部から第１部
分の最も離隔した端部への全長は、駆動周波数の
波長の半分である。好適実施例において、この駆
動周波数は約40kHzである。

本プローブは一対のピエゾ電気結晶を持つてお
り、それらは本プローブの第１部分の物質に機械
的に固着されている。好適には、これらの結晶
は、第１部分がテーパを開始する点から第１部分
の反対端部に位置されている。好適実施例におい
ては、単一の節、即ちロツドが励起され且つ機械
的共振状態で振動している場合に振動することの
ないロツド上の点、は直径が第２部分の直径へテ
ーパを開始する個所の第１部分上の位置と一致し
ている。該結晶は第１部分内に位置されている。
実験的に判明したことであるが、結晶を節にあま
りにも近く位置させると、結晶上の応力が高くな
り、それによりＱが減少され且つ漏れを増加させ
る。これは、結晶を加熱させ且つ結晶の半田接続
部を溶融させることがある。逆に、結晶を節から
遠くに位置させると、応力及び漏れは低下し、従
つて加熱は低くなるが、結晶のインピーダンスが
上昇し、その際に該結晶を駆動するのにより大き
な電圧を必要とする。結晶の配置に関する基準
は、結晶が耐えることの可能な応力レベルによつ
て設定すべきである。第１及び第３部分における
ロツドの２つの端部は腹、即ちロツドが共振して
い場合の最大の振動振れの点、である。本ロツド
の共振は、ロツドの機械的共振周波数と等しい電
気的駆動周波数で該結晶を駆動することによつて
発生される。該結晶を該節から可及的に離れたロ
ツド上に位置させることによつて、振動中の結晶
内の応力は減少され、且つ結晶のＱは高のままに
維持される。このことは、結晶内の電力散逸損失
を最小とさせ、且つ結晶が節の次に位置された場
合にそうである場合よりもプローブをより低温に
維持している。

実施例 第１図を参照すると、本発明の１実施例に基づ
いて構成された超音波プローブを示している。本
プローブは１０及び１２において２つの腹と１４
において１つの節を持つている。節（ノード）
は、本プローブが機械的共振において振動してい
る場合に振動することのないプローブ上の位置で
ある。腹は、振動運動の振れが最大であるプロー
ブ上の位置である。

本プローブは、直径Ｂを持つた第２部分２０の
直径へテーパ状に縮小するテーパ部分１８で終端
する直径Ａの第１部分１６から構成されている。
第２部分は、直径Ｃの第３部分が螺合されている
螺着孔を持つた端部２２に終端している。第２及
び第３部分及びテーパ部分との結合長さは1/4波
長である。

２つの連続するピエゾ電気結晶２４及び２６
が、励起用変換器として機能する為にプローブの
第１部分の物質に固着されている。典型的に、こ
れらの結晶は一体的に接着されており、且つこれ
ら２つの結晶を介して延在し且つロツドの第１部
分の物質内の螺着孔内に螺合する螺着スタツド３
４によつて第１部分の物質へ固着されている。好
適実施例においては、螺着ロツド３８は、断面に
おいて、第３図に示した如くに構成された端部キ
ヤツプの延長部である。端部キヤツプ３０は、導
電性物質から構成されており、肩部３２を具備す
ると共に、螺着端部３６を持つた円筒状突出部分
３４を具備している。肩部３２から反対側には、
孔４０へ大気圧以下の圧力を付与する為に外科用
チユービングを取付けることの可能なノズルが設
けられている。孔４０は、第４図に示したプロー
ブの係合部分内の同様な孔４２と連通する。第４
図は、断面図で、第１部分１６と、テーパ状機械
的増幅器部分１８と、第２部分２０とを有するプ
ローブの部分を示している。該機械的増幅器は、
プローブ部分１６の断面積を、プローブ部分２０
の一層小さな断面積へテーパ状に縮小させてい
る。これら２つの断面積の比は、先端部１２の振
動振幅が、結晶近傍のプローブの振動振幅と比較
して増大されている比である。

円筒スタツド３４の螺着部分３６が第１部分１
６内の螺着孔４４内に螺合される場合に孔の係合
が得られる。孔４２は、第４図に示した係合部分
を介して完全に延在し、且つ本プローブの針端部
における別の螺着孔６０へ結合されている。この
孔は、中空針６４の螺着端部６２と係合即ち噛み
合う。この針は、それが所定位置に螺合された時
に本プローブが完成され、且つそれを介して貫通
する孔（不図示）を持つており、且つ、本プロー
ブが組み立てられた場合に、孔４２及び４０と連
通する。

結晶２４及び２６は、第４図に示した係合部分
を具備する端部部材３０の上述した係合プロセス
によつて所定の位置に機械的に固定される。該結
晶は、その中に形成された孔を持つており、該孔
はスタツド３４の直径をクリアするのに十分な大
きさの直径である。該スタツドは、螺着孔４４内
へ螺合される前に、該結晶内のこれらの孔を介し
て通過される。その結果、該２つの結晶は肩部３
２の結晶界面と第４図に示した係合部分の結晶界
面４６との間に挟持される。好適実施例において
は、端部部材及び係合部材の両方はチタンの如き
金属から構成されているので、スタツド３４は結
晶の表面４８及び５０の間に電気的接続を形成す
べく機能する。該結晶は、表面４８及び５０が同
一の極性を持つ態様で配向される。従つて、電気
的コンタクト５０を結晶表面４８と結晶界面との
間に配置させ且つ別の電気的コンタクト５２を内
側表面５２／５４の間に配置させることによつ
て、別々の電気的コンタクトを互いに並列して２
つの結晶へ形成させることが可能であり、コンタ
クト５０は正又は負の端子として作用し且つコン
タクト５６は反対極性の端子として作用する。

交番電流駆動信号がコンタクト５０と５６との
間に印加されると、ピエゾ電気結晶は電気駆動周
波数の周波数で振動する。これは、第１図のプロ
ーブの物質を振動させる。本プローブ構成体は、
本プローブの質量に関係し且つプローブ物質の弾
性に関係する機械的共振周波数を持つている。電
気的周波数が機械的共振周波数に十分に近いと、
機械的共振が本プローブ内に存在し且つ振動の定
在波が存在する。この定在波は、第２図に２つの
形態で示してある。実線は、機械的増幅器部分１
８がないプローブのｘ軸に沿つての全ての位置に
対しての振動の振れの大きさを表している。点線
は、機械的増幅器部分１８を持つたプローブに対
しての振動の振れを表している。機械的振動振幅
の振れの大きさは、第１部分１６と第２部分２０
の断面積の比に依存している。

結晶２４及び２６は、好適実施例において、可
及的に節から離隔した位置に位置されている。こ
のことは、結晶上の応力の量を最小とさせ、且つ
結晶内の損失を最小とさせている。実験的な証拠
によれば、結晶を節１４の近傍に位置させた場
合、結晶上の応力はＱを減少させ且つ電気的コン
タクト５０及び５６間の漏れを増大させることが
示されている。この漏れは、該結晶及びプローブ
システムを表す等価回路における抵抗値に対して
の著しく増加した値によつて表される。この著し
く増加した抵抗は、結晶内の著しく増加した電力
散逸及びその結果としてのプローブの加熱に対応
している。このプローブの加熱は、プローブの物
質の弾性を変化させ、且つプローブの機械的共振
周波数を変化させる。電気的駆動周波数が機械的
共振周波数におけるシフトに整合すべく調節され
ていない場合に、プローブを離調させることがあ
る。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細
に説明したが、本発明はこれら具体例にのみ限定
されるべきものでは無く、本発明の技術的範囲を
逸脱すること無しに種々の変形が可能であること
は勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に基づいて構成され
た超音波プローブの概略側面図、第２図は機械的
共振中の本プローブの長さに沿つての振動の振れ
の比較量を示した説明図、第３図は結晶を所定の
位置に保持する為に第４図に示した係合部材と係
合する端部部材の概略断面図、第４図は第３図の
端部部材及び中空針と係合し且つ保持する為の内
部孔及び螺着孔を示したプローブの主体を示した
概略断面図、である。 （符号の説明）、１０，１２：腹（アンチノー
ド）、１４：節（ノード）、１６：第１部分、１
８：テーパ部分、２０：第２部分、２２：端部、
２４，２６：ピエゾ電気結晶、２８：螺着ロツ
ド、３０：端部キヤツプ、３２：肩部、３４：螺
着スタツド、４０，４２：孔、４４：螺着孔、５
０，５６：コンタクト、６４：中空針。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ある周波数で機械的に共振する超音波プロー
   ブにおいて、第１直径を持つた第１シリンダ、第
   ２直径を持つた第２シリンダ、前記第１シリンダ
   を前記第２シリンダへ接続させ且つ接続点におい
   て前記第１及び第２直径を整合させる円錐部、前
   記円錐部との接続部と反対端において前記第１シ
   リンダへ機械的に固着したピエゾ変換器、を有し
   ており、前記プローブの全長は前記周波数の波長
   の半分であり、且つ共振状態での定在波の節が前
   記円錐部と前記第１シリンダとの接続部に位置さ
   れることを特徴とするプローブ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記第１及
   び第２シリンダ及び前記円錐部はチタン金属から
   形成されていることを特徴とするプローブ。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記第１シ
   リンダは、螺着スタツドの周りに前記第１直径を
   持つた環状肩部を持つた端部部材、及び前記第１
   直径を持つており且つ前記螺着スタツドを受け入
   れる為に前記螺着スタツド直径と整合する直径を
   持つた一端部表面内に螺着孔を持つたシリンダ
   と、前記螺着スタツドが貫通することが可能な程
   度に十分に大きな孔を持つた一対のピエゾ結晶デ
   イスクとから構成される係合部材、から構成され
   ており、前記デイスクは前記第１直径を持つてお
   り且つ前記環状肩部と前記螺着孔を持つた前記係
   合部材における前記端部表面との間に位置されて
   おり、その際に前記スタツドが前記係合部材内の
   前記螺着孔と係合する場合に前記結晶デイスクが
   機械的に前記第１シリンダに結合されることを特
   徴とするプローブ。 ４ ある周波数において共振する超音波プローブ
   において、１側部において環状肩部から突出する
   螺着スタツドを有する端部部材が設けられてお
   り、前記環状肩部は前記スタツドが突出する表面
   と反対表面から突出するノズルを持つており、前
   記端部部材は前記螺着スタツドと前記環状肩部と
   前記ノズルとを介して軸方向に延在する流体通路
   を持つており、長さ方向の第１セグメントに対し
   て第１直径を持つており次いで長さ方向の第２セ
   グメントに対しての第２直径へ円錐状にテーパす
   る金属からなるシリンダを有する係合部材が設け
   られており、前記第１直径を持つた前記端部表面
   に第１螺着孔を持つており、前記孔の直径は前記
   スタツドの直径と整合し、前記スタツドがその中
   に係合されており、且つ前記第２直径を持つた前
   記端部表面内に第２螺着孔を持つており、且つ前
   記係合部材の全長を介して流体通路が延在してお
   り前記螺着孔へ開口していて前記端部部材内の前
   記流体通路の継続部として機能しており、第３直
   径を持つており且つ前記第２螺着孔の直径に整合
   する直径を持つた中空針が設けられており、前記
   中空針は前記第２孔内に螺合されて前記中空針内
   の前記流体通路は前記係合部材内の流体通路と流
   体連結されており、少なくとも１個のピエゾ結晶
   デイスクが前記端部部材の前記環状肩部と前記第
   １孔を持つた前記係合部材の表面との間に機械的
   に接着されており、前記結晶の反対極性の２つの
   端子と個別的に電気的接触をする手段が設けられ
   ており、前記プローブの全長は波長の半分であり
   且つ機械的共振の定在波の節は前記係合部材が前
   記第１直径から前記第２直径へテーパする点に位
   置されており且つ前記結晶デイスクの位置は前記
   係合部材の前記第１直径部分における前記節の位
   置から可及的に離隔されていることを特徴とする
   超音波プローブ。 ５ 超音波プローブにおいて、その長さが機械的
   共振の波長の半分であり、機械的共振周波数で振
   動する場合に発生する定在波におけるいずれの節
   からも可及的に離隔した位置において前記プロー
   ブにピエゾ変換器を取付けたことを特徴とする超
   音波プローブ。 ６ 超音波プローブにおいて、その長さが波長の
   半分であり、その波長は機械的共振の波長であ
   り、且つピエゾ変換器が最大応力の節位置から可
   及的に離隔して位置されていることを特徴とする
   超音波プローブ。