流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法
【課題】流体の噴射を適切に行うことが可能な流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法を提供する。
【解決手段】流体噴射装置１は、加圧した流体を流す流路２０１及び流路２０１に連通する流体噴射口２１２を有する流路管２００と、流路２０１に流体を供給する流体供給手段２０，１００と、流体供給手段２０，１００による流体の供給を制御する制御手段３０と、流路管２００の姿勢を検出し、検出した流路管２００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に入力する姿勢検出手段１２０と、を備える。そして、制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に応じて流体供給手段２０，１００による流体の供給を制御する。
【解決手段】流体噴射装置１は、加圧した流体を流す流路２０１及び流路２０１に連通する流体噴射口２１２を有する流路管２００と、流路２０１に流体を供給する流体供給手段２０，１００と、流体供給手段２０，１００による流体の供給を制御する制御手段３０と、流路管２００の姿勢を検出し、検出した流路管２００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に入力する姿勢検出手段１２０と、を備える。そして、制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に応じて流体供給手段２０，１００による流体の供給を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧した流体を噴射する流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば、加圧ポンプの駆動によって、流体源からハンドピースに設けられたノズルパイプに高圧流体を圧送し、ノズルパイプの噴射ノズルから高圧流体を噴射する流体噴射装置がある（特許文献１参照）。
そして、上記従来技術では、加圧ポンプの駆動を、ハンドピースに設けられたスイッチを操作することによって行う。
【特許文献１】特開平５−９２００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては、ハンドピースに設けられたスイッチが誤操作された場合、使用者の意図に反して噴射ノズルから高圧流体が噴射される恐れがある。
例えば、ハンドピースの受け渡しを行う際、意図せずにスイッチが操作された場合、誤って噴射ノズルから高圧流体が噴射される。
この場合、噴射対象物以外のものに向けて流体が噴射されたり、噴射ノズルから噴射された流体が周辺に飛散したりすることとなる。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、流体の噴射を適切に行うことが可能な流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、第一の発明に係る流体噴射装置は、加圧した流体を流す流路及び流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、流路に流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じた信号を制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、制御手段は、姿勢検出手段から入力された信号に応じて流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする。
【０００５】
第一の発明に係る流体噴射装置では、流路管の姿勢に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。例えば、流路管の姿勢が流体を噴射する姿勢として適切ではない場合、流体の噴射を行わないように制御することができるため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
ここで、流路としては、例えば、後述する接続流路２０１が該当する。流体噴射口としては、例えば、後述する流体噴射開口部２１２が該当する。流路管としては、例えば、後述する接続流路管２００が該当する。流体供給手段としては、例えば、後述するポンプ２０及び脈動発生部１００が該当する。制御手段としては、例えば、後述する制御手段３０が該当する。姿勢検出手段としては、例えば、後述する姿勢検出手段１２０が該当する。
【０００６】
また、第二の発明に係る流体噴射装置は、第一の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、姿勢検出手段から入力される信号に基づき、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度を検出し、検出した角度に応じて、流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする。
第二の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射をさらに適切に行うことが可能となる。例えば、通常、流体噴射装置は、流体の噴射方向が下方となる状態で使用される。すなわち、通常、流体噴射装置は、流体の噴射方向が上方となる状態で使用されることはない。したがって、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度がある程度大きくなった場合、流体の噴射を行わないように制御することができるため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【０００７】
また、第三の発明に係る流体噴射装置は、第二の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、検出した角度が所定範囲内である場合にのみ、流体供給手段による流体の供給の開始を可能とすることを特徴とする。
第三の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度が所定範囲内である場合にのみ流体供給手段による流体の供給の開始を可能とするため、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。例えば、流路管の受け渡しを行う際に、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
【０００８】
また、第四の発明に係る流体噴射装置は、第二又は第三の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、流体供給手段による流体の供給中において、検出した角度が所定範囲を超えた場合、流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止することを特徴とする。
第四の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度が所定範囲を超えた場合、流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止するため、流体の噴射を行っている際、誤って流体が飛散することを抑制することが可能となる。
また、第五の発明に係る流体噴射装置は、第三又は第四の発明に係る流体噴射装置において、所定範囲は、６０°以下であることを特徴とする。
第五の発明に係る流体噴射装置では、所定範囲が６０°以下に設定されているため、流体の噴射をさらに適切に行うことが可能となる。
【０００９】
また、第六の発明に係る流体噴射装置は、第一乃至第五のうちいずれか一の発明に係る流体噴射装置において、流路に連通する出口流路と、流体供給手段から流体が供給される入口流路と、出口流路及び前記入口流路に連通する流体室と、流体室の容積を変更可能な容積変更手段と、を有する脈動発生部を備え、脈動発生部が、流体供給手段を構成することを特徴とする。
第六の発明に係る流体噴射装置では、脈動発生部を備えることにより、脈動する流体を噴射することが可能となる。
ここで、出口流路としては、例えば、後述する出口流路５１１が該当する。入口流路としては、例えば、後述する入口流路５０３が該当する。流体室としては、例えば、後述する流体室５０１が該当する。容積変更手段としては、例えば、後述する圧電素子４０１が該当する。脈動発生部としては、例えば、後述する脈動発生部１００が該当する。
【００１０】
また、第七の発明に係る流体噴射手術器具は、加圧した流体を流す流路及び流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、流路に流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じた信号を制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、制御手段は、姿勢検出手段から入力された信号に応じて流体供給手段による流体の供給を制御し、噴射した流体により手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする。
第七の発明に係る流体噴射手術器具では、流路管の姿勢に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【００１１】
さらに、第八の発明に係る流体噴射方法は、流路管の流路に加圧した流体を供給し、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じて、流体の供給を制御し、流路に連通する流体噴射口から供給を制御された流体を噴射することを特徴とする。
第八の発明に係る流体噴射方法では、流路管の姿勢に応じて流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明に係る流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等に適用することが可能である。
本実施形態では、本発明に係る流体噴射装置を、生体組織を切開又は切除することに好適なウォーターパルスメスに適用した場合について説明する。したがって、本実施の形態で用いる流体は、水、生理食塩水、薬液等である。
【００１３】
（構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。
図１に示すウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）１は、流体を収容する流体容器１０と、一定の圧力で流体を供給するポンプ２０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１００と、脈動発生部１００及びポンプ２０を制御する制御手段３０とを備える。
流体容器１０は、水、生理食塩水、薬液等の流体を収容する。
ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に収容された流体を吸引する。また、ポンプ２０は、吸引した流体を、一定の圧力で接続チューブ２５を介して脈動発生部１００に供給する。ポンプ２０の吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。
【００１４】
なお、このウォーターパルスメス１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００または接続流路管２００である。したがって、脈動発生部１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を脈動発生部１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
脈動発生部１００は、流体室５０１（図２、参照）と、流体室５０１の容積変更手段とを備えている。本実施形態では、流体室５０１の容積変更手段として、圧電素子４０１を用いている。
【００１５】
次に、脈動発生部１００について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図２は、図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。なお、図２は、図４に示すＡ−Ａ´線の断面図である。図３は、図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。
図２及び図３に示すように、脈動発生部１００は、上ケース５００と、下ケース３０１とを有する。そして、上ケース５００及び下ケース３０１は、互いに対向する面において接合され、４本の固定螺子（図示せず）によって螺着されている。
下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。
【００１６】
圧電素子４０１は、積層型圧電素子であってアクチュエータを構成する。圧電素子４０１の一方の端部は、上板４１１を介してダイアフラム４００に固着されている。また、圧電素子４０１の他方の端部は、底板３１１の上面３１２に固着されている。
ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。容積変更手段としての圧電素子４０１に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積を変更する。このように、容積変更手段として圧電素子４０１とダイアフラム４００とを採用する構造にすることにより、構造の簡素化と、それに伴う小型化を実現できる。また、流体室５０１の容積変化の最大周波数を１ＫＨｚ以上の高い周波数にすることができ、高速脈動流の噴射に最適となる。
【００１７】
ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０（図３において図示せず）が積層配設される。
上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に凹部を有している。そして、この凹部とダイアフラム４００とから構成され流体が充填された状態の回転体形状が流体室５０１である。つまり、流体室５０１は、上ケース５００の凹部の封止面５０５と内周側壁５０１ａとダイアフラム４００とによって囲まれた空間である。流体室５０１の略中央部には出口流路５１１が穿設されている。
出口流路５１１は、流体室５０１から、上ケース５００の一方の端面に突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
【００１８】
なお、流体室５０１の形状は、本実施形態（図２参照）では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよい。例えば、出口流路５１１と封止面５０５との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室５０１内の気泡を排出しやすくなる。
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されている。接続流路２０１の直径は、出口流路５１１の直径より大きく形成されている。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。ノズル２１１には、流体噴射口２１２が穿設されている。流体噴射口２１２の直径は、接続流路２０１の直径より小さい。
【００１９】
上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されている。入口流路管５０２には、入口流路側の接続流路５０４が穿設されている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通している。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側にパッキンボックス５０６が形成されている。パッキンボックス３０４及びパッキンボックス５０６により形成される空間に、リング状のパッキン４５０が装着されている。
【００２０】
ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
流体室５０１内は、流体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４００、補強板４１０、上ケース５００、下ケース３０１それぞれの接合部において流体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン４５０によって漏洩を阻止している。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押し圧するので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。
【００２１】
次に、上ケース５００に形成される入口流路５０３について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図４は、図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。
図４に示すように、入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部に流体溜り５０７を設けることにより、接続流路５０４のイナータンスが入口流路５０３に与える影響を抑制することができる。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。
【００２２】
また、入口流路５０３は、流体室５０１の内周側壁５０１ａに対して略接線方向に向かって連通している。ポンプ２０（図１参照）から一定の圧力で供給される流体は、内周側壁５０１ａに沿って（図４において矢印で示す方向）流動して流体室５０１に旋回流を発生する。旋回流は、旋回することによる遠心力で内周側壁５０１ａ側に押し付けられるとともに、流体室５０１内に含まれる気泡は旋回流の中心部に集中する。
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。図４では、入口流路５０３は平面形状が湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。
【００２３】
なお、図２に示したように、ダイアフラム４００と入口流路５０３が形成されている封止面５０５の周縁部との間には、補強板４１０が配設されている。補強板４１０を設ける意味は、ダイアフラム４００の耐久性を向上することである。入口流路５０３の流体室５０１との接続部には切欠き状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００が高い周波数で駆動されたときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊を発生することが考えられる。そこで、切欠き部がない連続した開口部を有している補強板４１０を配設することで、ダイアフラム４００に応力集中が発生しないようにしている。
また、上ケース５００の外周隅部には、４箇所の螺子孔５００ａが開設されており、この螺子孔位置において、上ケース５００と下ケース３０１とが螺合接合される。
【００２４】
なお、図示は省略するが、補強板４１０とダイアフラム４００とを接合し、一体に積層固着することができる。補強板４１０とダイアフラム４００とを積層し、一体に固着すれば、脈動発生部１００の組立性を向上させることができる他、ダイアフラム４００の外周縁部の補強効果もある。固着手段としては、接着剤を用いる貼着としても、固層拡散接合、溶接等を採用することが可能であるが、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面において密着されていることがより好ましい。
さらに、図１に示すように、脈動発生部１００は、ハンドスイッチ１１０と、姿勢検出手段１２０とを備えている。なお、図２及び図３では、ハンドスイッチ１１０及び姿勢検出手段１２０の図示を省略している。
【００２５】
ハンドスイッチ１１０は、術者の操作によってＯＮ状態となっている場合、駆動開始信号を制御手段３０に入力する。
姿勢検出手段１２０は、脈動発生部１００に接続された接続流路管２００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に入力する。姿勢検出手段１２０は、脈動発生部１００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に常時入力する。姿勢検出手段１２０としては、ジャイロセンサ、加速度センサ等を用いることが可能である。
【００２６】
制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に基づいて、流体噴射開口部２１２の向きを検出する。ここで、流体噴射開口部２１２の向きとは、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向と同義である。
具体的には、制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に基づいて、接続流路管２００の姿勢を検出する。そして、制御手段３０は、検出した接続流路管２００の姿勢から、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度（以下、ノズル角度という）を検出する。なお、制御手段３０は、ノズル角度を常時検出する。
【００２７】
図５は、ノズル角度を示す模式図である。
図５に示すように、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸ａとは、ノズル２１１に穿設された流体噴射開口部２１２の中心軸をいう。また、鉛直軸ｂとは、中心軸の任意の点から鉛直下方に向かって延びる軸をいう。そして、ノズル角度αは、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸ａと鉛直軸ｂとのなす角度をいう。なお、噴射方向軸及び鉛直軸は、仮想の軸である。
そして、制御手段３０は、ハンドスイッチ１１０から入力された駆動開始信号及び検出したノズル角度に基づいて、ポンプ２０及び脈動発生部１００を制御する。
次に、制御手段３０によるポンプ２０及び脈動発生部１００の制御について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
【００２８】
図６は、流体噴射開始時における制御手段３０による処理を示すフローチャートである。図７は、流体噴射中における制御手段３０による処理を示すフローチャートである。
ここで、制御手段３０は、ウォーターパルスメス１の起動中、図６に示す処理及び図７に示す処理を繰り返し実行する。
まず、流体噴射開始時における制御手段３０による処理を説明する。流体噴射開始時には、ハンドスイッチ１１０がＯＦＦとなり、ハンドスイッチ１１０から制御手段３０への制御開始信号の入力がない状態となっている。この場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００は、駆動されていない。
【００２９】
図６に示すように、流体噴射開始時には、制御手段３０は、まず、ステップＳ１において、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されたか否かを判定する。そして、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に移行する。一方、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されていないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返す。
また、制御手段３０は、ステップＳ２において、検出したノズル角度が所定範囲内か否かを判定する。本実施形態では、検出したノズル角度が６０°以下か否かを判定する。そして、検出したノズル角度が６０°以下であると判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に移行する。一方、検出したノズル角度が６０°以下でないと判定した場合（Ｎｏ）、一連の処理を終了する。すなわち、検出したノズル角度が６０°以下でないと判定した場合（Ｎｏ）、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を行わない。
【００３０】
さらに、制御手段３０は、ステップＳ３において、ポンプ２０の駆動を開始して、ステップＳ４に移行する。
また、制御手段３０は、ステップＳ４において、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力を開始して、一連の処理を終了する。この場合、脈動発生部１００の圧電素子４０１に駆動信号が入力されることによって、脈動発生部１００の駆動が開始される。なお、制御手段３０が圧電素子４０１に入力する信号は、電圧信号である。
【００３１】
次に、流体噴射中における制御手段３０による処理を説明する。流体噴射中には、ハンドスイッチ１１０がＯＮとなり、ハンドスイッチ１１０から制御手段３０に制御開始信号が入力されている状態となっている。この場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００は、駆動されている。
図７に示すように、流体噴射中には、制御手段３０は、まず、ステップＳ１１において、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されたか否かを判定する。そして、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移行する。一方、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されていないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１２に移行する。
【００３２】
また、制御手段３０は、ステップＳ１２において、検出したノズル角度が所定範囲を超えたか否かを判定する。本実施形態では、検出したノズル角度が６０°を超えたか否かを判定する。そして、検出したノズル角度が６０°を超えたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移行する。一方、検出したノズル角度が６０°を超えていないと判定した場合（Ｎｏ）、一連の処理を終了する。すなわち、検出したノズル角度が６０°を超えていないと判定した場合（Ｎｏ）、脈動発生部１００及びポンプ２０の駆動を継続する。
さらに、制御手段３０は、ステップＳ１３において、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力を停止して、ステップＳ１４に移行する。
また、制御手段３０は、ステップＳ１４において、ポンプ２０の駆動を停止して、一連の処理を終了する。この場合、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力が停止されることによって、脈動発生部１００の駆動が停止される。
【００３３】
次に、本実施形態に係るウォーターパルスメス１の動作について説明する。
本実施形態に係るウォーターパルスメス１の脈動発生部１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）の差によって行われる。
まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００３４】
つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、又は直列接続と同様に合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
【００３５】
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。したがって、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスに置き換えてもよい。
なお、接続流路管２００の管壁の厚さは、流体の圧力伝播には十分な剛性を有している。
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定する。
【００３６】
次に、脈動発生部１００の動作について説明する。
制御手段３０がポンプ２０の駆動を開始すると、ポンプ２０によって入口流路５０３には、常に一定圧力の液圧で流体が供給される。その結果、圧電素子４０１が動作を行わない場合、ポンプ２０の吐出力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって、流体は流体室５０１内に流動する。
また、制御手段３０が圧電素子４０１に駆動信号を入力すると、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積が変更する。
すなわち、圧電素子４０１に駆動信号が入力され、急激に圧電素子４０１が伸張したとすると、流体室５０１内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。
【００３７】
この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。したがって、前述した特許文献１によるウォーターパルスメスのような、入口流路側に設けられる逆止弁はなくてもよい。
ここで、入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きい。したがって、入口流路５０３から流体が流体室５０１へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射口２１２から流体が噴射される。
【００３８】
すなわち、脈動発生部１００は、圧電素子４０１を駆動して脈動を発生することによって、ポンプ２０から供給された流体を、接続流路管２００、ノズル２１１を通して高速で噴射する。
ここで、ノズル２１１の流体噴射口２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
一方、流体室５０１内は、入口流路５０３からの流体流入量の減少と出口流路５１１からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と、流体室５０１内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５０３の流体は圧電素子４０１の動作前と同様な速度で流体室５０１内に向かう流れが復帰する。
【００３９】
入口流路５０３内の流体の流動が復帰した後、圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
また、上述した脈動発生部１００の動作において、流体室５０１が、略回転体形状を有し旋回流発生部としての入口流路５０３を備えていることと、出口流路５１１が略回転体形状の回転軸近傍に開設されていることから、流体室５０１内において旋回流が発生し、流体内に含まれる気泡は速やかに出口流路５１１から外部に排出される。
したがって、圧電素子４０１による流体室５０１の微小な容積変化においても、気泡によって圧力変動が阻害されることなく、十分な圧力上昇が得られる。
【００４０】
ここで、上述した脈動発生部１００の動作において、制御手段３０は、流体噴射開始時には、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力され、かつ、検出したノズル角度が６０°以下である場合にのみ、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を開始する。すなわち、制御手段３０は、検出したノズル角度が６０°以下でない場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を開始しない。
これにより、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向が流体を噴射する姿勢として適切ではない場合に、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
例えば、手術中においては、術者間で脈動発生部１００の受け渡しが頻繁に行われる。そして、脈動発生部１００の受け渡しを行う際に、意図せずにハンドスイッチ１１０が操作されても、検出したノズル角度が６０°以下でない場合には、流体の噴射が開始されない。したがって、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
【００４１】
また、制御手段３０は、流体噴射中には、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を停止する。
これにより、流体の噴射を行っている際、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向が流体を噴射する姿勢として適切ではなくなった場合に、誤って流体が飛散することを抑制することが可能となる。
したがって、本実施形態に係るウォーターパルスメス１によれば、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、駆動開始信号を制御手段３０に入力するスイッチとしてハンドスイッチ１１０を用いている。しかしながら、駆動開始信号を制御手段３０に入力するスイッチとして、ハンドスイッチ１１０に換えて、フットスイッチを用いてもよい。
また、上記実施形態では、流体供給手段としてポンプ２０及び脈動発生部１００を用いている。しかしながら、脈動発生部１００を備えずに、流体供給手段としてポンプのみを用いる構成としてもよい。この場合、接続流路管２００の流体噴射開口部２１２から噴射される流体は、連続流となる。
【００４３】
また、上記実施形態では、制御手段３０は、流体噴射中において、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を停止する構成となっている。しかしながら、流体噴射中において、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制する構成としてもよい。さらに、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、該検出したノズル角度に応じて、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制する構成としてもよい。なお、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制するとは、噴射される流体の強さを抑制すること及び噴射される流体の量を抑制することが含まれる。
さらに、上記実施形態では、所定範囲を６０°以下に設定している。しかしながら、所定範囲は、ある安全な範囲内で適宜設定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。
【図２】図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。
【図３】図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。
【図４】図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。
【図５】ノズル角度を示す模式図である。
【図６】流体噴射開始時における制御手段による処理を示すフローチャートである。
【図７】流体噴射中における制御手段による処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１ ウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）、２０１ 接続流路（流路）、２１２ 流体噴射開口部（流体噴射口）、２００ 接続流路管（流路管）、２０ ポンプ（流体供給手段）、１００ 脈動発生部（流体供給手段）、３０ 制御手段、１２０ 姿勢検出手段、５１１ 出口流路、５０３ 入口流路、５０１ 流体室、４０１ 圧電素子（容積変更手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧した流体を噴射する流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば、加圧ポンプの駆動によって、流体源からハンドピースに設けられたノズルパイプに高圧流体を圧送し、ノズルパイプの噴射ノズルから高圧流体を噴射する流体噴射装置がある（特許文献１参照）。
そして、上記従来技術では、加圧ポンプの駆動を、ハンドピースに設けられたスイッチを操作することによって行う。
【特許文献１】特開平５−９２００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来技術においては、ハンドピースに設けられたスイッチが誤操作された場合、使用者の意図に反して噴射ノズルから高圧流体が噴射される恐れがある。
例えば、ハンドピースの受け渡しを行う際、意図せずにスイッチが操作された場合、誤って噴射ノズルから高圧流体が噴射される。
この場合、噴射対象物以外のものに向けて流体が噴射されたり、噴射ノズルから噴射された流体が周辺に飛散したりすることとなる。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、流体の噴射を適切に行うことが可能な流体噴射装置、流体噴射手術器具及び流体噴射方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、第一の発明に係る流体噴射装置は、加圧した流体を流す流路及び流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、流路に流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じた信号を制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、制御手段は、姿勢検出手段から入力された信号に応じて流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする。
【０００５】
第一の発明に係る流体噴射装置では、流路管の姿勢に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。例えば、流路管の姿勢が流体を噴射する姿勢として適切ではない場合、流体の噴射を行わないように制御することができるため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
ここで、流路としては、例えば、後述する接続流路２０１が該当する。流体噴射口としては、例えば、後述する流体噴射開口部２１２が該当する。流路管としては、例えば、後述する接続流路管２００が該当する。流体供給手段としては、例えば、後述するポンプ２０及び脈動発生部１００が該当する。制御手段としては、例えば、後述する制御手段３０が該当する。姿勢検出手段としては、例えば、後述する姿勢検出手段１２０が該当する。
【０００６】
また、第二の発明に係る流体噴射装置は、第一の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、姿勢検出手段から入力される信号に基づき、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度を検出し、検出した角度に応じて、流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする。
第二の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射をさらに適切に行うことが可能となる。例えば、通常、流体噴射装置は、流体の噴射方向が下方となる状態で使用される。すなわち、通常、流体噴射装置は、流体の噴射方向が上方となる状態で使用されることはない。したがって、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度がある程度大きくなった場合、流体の噴射を行わないように制御することができるため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【０００７】
また、第三の発明に係る流体噴射装置は、第二の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、検出した角度が所定範囲内である場合にのみ、流体供給手段による流体の供給の開始を可能とすることを特徴とする。
第三の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度が所定範囲内である場合にのみ流体供給手段による流体の供給の開始を可能とするため、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。例えば、流路管の受け渡しを行う際に、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
【０００８】
また、第四の発明に係る流体噴射装置は、第二又は第三の発明に係る流体噴射装置において、制御手段は、流体供給手段による流体の供給中において、検出した角度が所定範囲を超えた場合、流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止することを特徴とする。
第四の発明に係る流体噴射装置では、流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度が所定範囲を超えた場合、流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止するため、流体の噴射を行っている際、誤って流体が飛散することを抑制することが可能となる。
また、第五の発明に係る流体噴射装置は、第三又は第四の発明に係る流体噴射装置において、所定範囲は、６０°以下であることを特徴とする。
第五の発明に係る流体噴射装置では、所定範囲が６０°以下に設定されているため、流体の噴射をさらに適切に行うことが可能となる。
【０００９】
また、第六の発明に係る流体噴射装置は、第一乃至第五のうちいずれか一の発明に係る流体噴射装置において、流路に連通する出口流路と、流体供給手段から流体が供給される入口流路と、出口流路及び前記入口流路に連通する流体室と、流体室の容積を変更可能な容積変更手段と、を有する脈動発生部を備え、脈動発生部が、流体供給手段を構成することを特徴とする。
第六の発明に係る流体噴射装置では、脈動発生部を備えることにより、脈動する流体を噴射することが可能となる。
ここで、出口流路としては、例えば、後述する出口流路５１１が該当する。入口流路としては、例えば、後述する入口流路５０３が該当する。流体室としては、例えば、後述する流体室５０１が該当する。容積変更手段としては、例えば、後述する圧電素子４０１が該当する。脈動発生部としては、例えば、後述する脈動発生部１００が該当する。
【００１０】
また、第七の発明に係る流体噴射手術器具は、加圧した流体を流す流路及び流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、流路に流体を供給する流体供給手段と、流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じた信号を制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、制御手段は、姿勢検出手段から入力された信号に応じて流体供給手段による流体の供給を制御し、噴射した流体により手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする。
第七の発明に係る流体噴射手術器具では、流路管の姿勢に応じて流体供給手段による流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【００１１】
さらに、第八の発明に係る流体噴射方法は、流路管の流路に加圧した流体を供給し、流路管の姿勢を検出し、検出した流路管の姿勢に応じて、流体の供給を制御し、流路に連通する流体噴射口から供給を制御された流体を噴射することを特徴とする。
第八の発明に係る流体噴射方法では、流路管の姿勢に応じて流体の供給を制御するため、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明に係る流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等に適用することが可能である。
本実施形態では、本発明に係る流体噴射装置を、生体組織を切開又は切除することに好適なウォーターパルスメスに適用した場合について説明する。したがって、本実施の形態で用いる流体は、水、生理食塩水、薬液等である。
【００１３】
（構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。
図１に示すウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）１は、流体を収容する流体容器１０と、一定の圧力で流体を供給するポンプ２０と、ポンプ２０から供給される流体を脈動流動する脈動発生部１００と、脈動発生部１００及びポンプ２０を制御する制御手段３０とを備える。
流体容器１０は、水、生理食塩水、薬液等の流体を収容する。
ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に収容された流体を吸引する。また、ポンプ２０は、吸引した流体を、一定の圧力で接続チューブ２５を介して脈動発生部１００に供給する。ポンプ２０の吐出圧力は概ね３気圧（０．３ＭＰａ）以下に設定する。
【００１４】
なお、このウォーターパルスメス１を用いて手術をする際には、術者が把持する部位は脈動発生部１００または接続流路管２００である。したがって、脈動発生部１００までの接続チューブ２５はできるだけ柔軟であることが好ましい。そのためには、柔軟で薄いチューブで、流体を脈動発生部１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。
脈動発生部１００は、流体室５０１（図２、参照）と、流体室５０１の容積変更手段とを備えている。本実施形態では、流体室５０１の容積変更手段として、圧電素子４０１を用いている。
【００１５】
次に、脈動発生部１００について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図２は、図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。なお、図２は、図４に示すＡ−Ａ´線の断面図である。図３は、図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。
図２及び図３に示すように、脈動発生部１００は、上ケース５００と、下ケース３０１とを有する。そして、上ケース５００及び下ケース３０１は、互いに対向する面において接合され、４本の固定螺子（図示せず）によって螺着されている。
下ケース３０１は、鍔部を有する筒状部材であって、一方の端部は底板３１１で密閉されている。この下ケース３０１の内部空間に圧電素子４０１が配設される。
【００１６】
圧電素子４０１は、積層型圧電素子であってアクチュエータを構成する。圧電素子４０１の一方の端部は、上板４１１を介してダイアフラム４００に固着されている。また、圧電素子４０１の他方の端部は、底板３１１の上面３１２に固着されている。
ダイアフラム４００は、円盤状の金属薄板からなり、下ケース３０１の凹部３０３内において周縁部が凹部３０３の底面に密着固着されている。容積変更手段としての圧電素子４０１に駆動信号を入力することで、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積を変更する。このように、容積変更手段として圧電素子４０１とダイアフラム４００とを採用する構造にすることにより、構造の簡素化と、それに伴う小型化を実現できる。また、流体室５０１の容積変化の最大周波数を１ＫＨｚ以上の高い周波数にすることができ、高速脈動流の噴射に最適となる。
【００１７】
ダイアフラム４００の上面には、中心部に開口部を有する円盤状の金属薄板からなる補強板４１０（図３において図示せず）が積層配設される。
上ケース５００は、下ケース３０１と対向する面の中心部に凹部を有している。そして、この凹部とダイアフラム４００とから構成され流体が充填された状態の回転体形状が流体室５０１である。つまり、流体室５０１は、上ケース５００の凹部の封止面５０５と内周側壁５０１ａとダイアフラム４００とによって囲まれた空間である。流体室５０１の略中央部には出口流路５１１が穿設されている。
出口流路５１１は、流体室５０１から、上ケース５００の一方の端面に突設された出口流路管５１０の端部まで貫通されている。出口流路５１１の流体室５０１の封止面５０５との接続部は、流体抵抗を減ずるために滑らかに丸められている。
【００１８】
なお、流体室５０１の形状は、本実施形態（図２参照）では、両端が封止された略円筒形状としているが、側面視して円錐形や台形、あるいは半球形状等でもよい。例えば、出口流路５１１と封止面５０５との接続部を漏斗のような形状にすれば、後述する流体室５０１内の気泡を排出しやすくなる。
出口流路管５１０には接続流路管２００が接続されている。接続流路管２００には接続流路２０１が穿設されている。接続流路２０１の直径は、出口流路５１１の直径より大きく形成されている。また、接続流路管２００の管部の厚さは、流体の圧力脈動を吸収しない剛性を有する範囲に形成されている。
接続流路管２００の先端部には、ノズル２１１が挿着されている。ノズル２１１には、流体噴射口２１２が穿設されている。流体噴射口２１２の直径は、接続流路２０１の直径より小さい。
【００１９】
上ケース５００の側面には、ポンプ２０から流体を供給する接続チューブ２５を挿着する入口流路管５０２が突設されている。入口流路管５０２には、入口流路側の接続流路５０４が穿設されている。接続流路５０４は入口流路５０３に連通している。入口流路５０３は、流体室５０１の封止面５０５の周縁部に溝状に形成され、流体室５０１に連通している。
上ケース５００と下ケース３０１との接合面において、ダイアフラム４００の外周方向の離間した位置には、下ケース３０１側にパッキンボックス３０４、上ケース５００側にパッキンボックス５０６が形成されている。パッキンボックス３０４及びパッキンボックス５０６により形成される空間に、リング状のパッキン４５０が装着されている。
【００２０】
ここで、上ケース５００と下ケース３０１とを組立てたとき、ダイアフラム４００の周縁部と補強板４１０の周縁部とは、上ケース５００の封止面５０５の周縁部と下ケース３０１の凹部３０３の底面によって密接されている。この際、パッキン４５０は上ケース５００と下ケース３０１によって押し圧されて、流体室５０１からの流体漏洩を防止している。
流体室５０１内は、流体吐出の際に３０気圧（３ＭＰａ）以上の高圧状態となり、ダイアフラム４００、補強板４１０、上ケース５００、下ケース３０１それぞれの接合部において流体が僅かに漏洩することが考えられるが、パッキン４５０によって漏洩を阻止している。
図２に示すようにパッキン４５０を配設すると、流体室５０１から高圧で漏洩してくる流体の圧力によってパッキン４５０が圧縮され、パッキンボックス３０４，５０６内の壁にさらに強く押し圧するので、流体の漏洩を一層確実に阻止することができる。このことから、駆動時において流体室５０１内の高い圧力上昇を維持することができる。
【００２１】
次に、上ケース５００に形成される入口流路５０３について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
図４は、図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。
図４に示すように、入口流路５０３は、一方の端部が流体室５０１に連通し、他方の端部が接続流路５０４に連通している。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部には、流体溜り５０７が形成されている。入口流路５０３と接続流路５０４との接続部に流体溜り５０７を設けることにより、接続流路５０４のイナータンスが入口流路５０３に与える影響を抑制することができる。そして、流体溜り５０７と入口流路５０３との接続部は滑らかに丸めることによって流体抵抗を減じている。
【００２２】
また、入口流路５０３は、流体室５０１の内周側壁５０１ａに対して略接線方向に向かって連通している。ポンプ２０（図１参照）から一定の圧力で供給される流体は、内周側壁５０１ａに沿って（図４において矢印で示す方向）流動して流体室５０１に旋回流を発生する。旋回流は、旋回することによる遠心力で内周側壁５０１ａ側に押し付けられるとともに、流体室５０１内に含まれる気泡は旋回流の中心部に集中する。
そして、中心部に集められた気泡は、出口流路５１１から排除される。このことから、出口流路５１１は旋回流の中心近傍、つまり回転形状体の軸中心部に設けられることがより好ましい。図４では、入口流路５０３は平面形状が湾曲されている。入口流路５０３は、直線で流体室５０１に連通させてもよいが、狭いスペースの中で所望のイナータンスを得るために、入口流路５０３の流路長を長くする必要性から湾曲させている。
【００２３】
なお、図２に示したように、ダイアフラム４００と入口流路５０３が形成されている封止面５０５の周縁部との間には、補強板４１０が配設されている。補強板４１０を設ける意味は、ダイアフラム４００の耐久性を向上することである。入口流路５０３の流体室５０１との接続部には切欠き状の接続開口部５０９が形成されるので、ダイアフラム４００が高い周波数で駆動されたときに、接続開口部５０９近傍において応力集中が生じて疲労破壊を発生することが考えられる。そこで、切欠き部がない連続した開口部を有している補強板４１０を配設することで、ダイアフラム４００に応力集中が発生しないようにしている。
また、上ケース５００の外周隅部には、４箇所の螺子孔５００ａが開設されており、この螺子孔位置において、上ケース５００と下ケース３０１とが螺合接合される。
【００２４】
なお、図示は省略するが、補強板４１０とダイアフラム４００とを接合し、一体に積層固着することができる。補強板４１０とダイアフラム４００とを積層し、一体に固着すれば、脈動発生部１００の組立性を向上させることができる他、ダイアフラム４００の外周縁部の補強効果もある。固着手段としては、接着剤を用いる貼着としても、固層拡散接合、溶接等を採用することが可能であるが、補強板４１０とダイアフラム４００とが、接合面において密着されていることがより好ましい。
さらに、図１に示すように、脈動発生部１００は、ハンドスイッチ１１０と、姿勢検出手段１２０とを備えている。なお、図２及び図３では、ハンドスイッチ１１０及び姿勢検出手段１２０の図示を省略している。
【００２５】
ハンドスイッチ１１０は、術者の操作によってＯＮ状態となっている場合、駆動開始信号を制御手段３０に入力する。
姿勢検出手段１２０は、脈動発生部１００に接続された接続流路管２００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に入力する。姿勢検出手段１２０は、脈動発生部１００の姿勢に応じた信号を制御手段３０に常時入力する。姿勢検出手段１２０としては、ジャイロセンサ、加速度センサ等を用いることが可能である。
【００２６】
制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に基づいて、流体噴射開口部２１２の向きを検出する。ここで、流体噴射開口部２１２の向きとは、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向と同義である。
具体的には、制御手段３０は、姿勢検出手段１２０から入力された信号に基づいて、接続流路管２００の姿勢を検出する。そして、制御手段３０は、検出した接続流路管２００の姿勢から、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度（以下、ノズル角度という）を検出する。なお、制御手段３０は、ノズル角度を常時検出する。
【００２７】
図５は、ノズル角度を示す模式図である。
図５に示すように、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸ａとは、ノズル２１１に穿設された流体噴射開口部２１２の中心軸をいう。また、鉛直軸ｂとは、中心軸の任意の点から鉛直下方に向かって延びる軸をいう。そして、ノズル角度αは、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向軸ａと鉛直軸ｂとのなす角度をいう。なお、噴射方向軸及び鉛直軸は、仮想の軸である。
そして、制御手段３０は、ハンドスイッチ１１０から入力された駆動開始信号及び検出したノズル角度に基づいて、ポンプ２０及び脈動発生部１００を制御する。
次に、制御手段３０によるポンプ２０及び脈動発生部１００の制御について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
【００２８】
図６は、流体噴射開始時における制御手段３０による処理を示すフローチャートである。図７は、流体噴射中における制御手段３０による処理を示すフローチャートである。
ここで、制御手段３０は、ウォーターパルスメス１の起動中、図６に示す処理及び図７に示す処理を繰り返し実行する。
まず、流体噴射開始時における制御手段３０による処理を説明する。流体噴射開始時には、ハンドスイッチ１１０がＯＦＦとなり、ハンドスイッチ１１０から制御手段３０への制御開始信号の入力がない状態となっている。この場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００は、駆動されていない。
【００２９】
図６に示すように、流体噴射開始時には、制御手段３０は、まず、ステップＳ１において、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されたか否かを判定する。そして、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に移行する。一方、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力されていないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返す。
また、制御手段３０は、ステップＳ２において、検出したノズル角度が所定範囲内か否かを判定する。本実施形態では、検出したノズル角度が６０°以下か否かを判定する。そして、検出したノズル角度が６０°以下であると判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に移行する。一方、検出したノズル角度が６０°以下でないと判定した場合（Ｎｏ）、一連の処理を終了する。すなわち、検出したノズル角度が６０°以下でないと判定した場合（Ｎｏ）、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を行わない。
【００３０】
さらに、制御手段３０は、ステップＳ３において、ポンプ２０の駆動を開始して、ステップＳ４に移行する。
また、制御手段３０は、ステップＳ４において、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力を開始して、一連の処理を終了する。この場合、脈動発生部１００の圧電素子４０１に駆動信号が入力されることによって、脈動発生部１００の駆動が開始される。なお、制御手段３０が圧電素子４０１に入力する信号は、電圧信号である。
【００３１】
次に、流体噴射中における制御手段３０による処理を説明する。流体噴射中には、ハンドスイッチ１１０がＯＮとなり、ハンドスイッチ１１０から制御手段３０に制御開始信号が入力されている状態となっている。この場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００は、駆動されている。
図７に示すように、流体噴射中には、制御手段３０は、まず、ステップＳ１１において、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されたか否かを判定する。そして、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移行する。一方、ハンドスイッチ１１０からの制御開始信号の入力が停止されていないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１２に移行する。
【００３２】
また、制御手段３０は、ステップＳ１２において、検出したノズル角度が所定範囲を超えたか否かを判定する。本実施形態では、検出したノズル角度が６０°を超えたか否かを判定する。そして、検出したノズル角度が６０°を超えたと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移行する。一方、検出したノズル角度が６０°を超えていないと判定した場合（Ｎｏ）、一連の処理を終了する。すなわち、検出したノズル角度が６０°を超えていないと判定した場合（Ｎｏ）、脈動発生部１００及びポンプ２０の駆動を継続する。
さらに、制御手段３０は、ステップＳ１３において、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力を停止して、ステップＳ１４に移行する。
また、制御手段３０は、ステップＳ１４において、ポンプ２０の駆動を停止して、一連の処理を終了する。この場合、脈動発生部１００の圧電素子４０１への駆動信号の入力が停止されることによって、脈動発生部１００の駆動が停止される。
【００３３】
次に、本実施形態に係るウォーターパルスメス１の動作について説明する。
本実施形態に係るウォーターパルスメス１の脈動発生部１００の流体吐出は、入口流路側のイナータンスＬ１（合成イナータンスＬ１と呼ぶことがある）と出口流路側のイナータンスＬ２(合成イナータンスＬ２と呼ぶことがある）の差によって行われる。
まず、イナータンスについて説明する。
イナータンスＬは、流体の密度をρ、流路の断面積をＳ、流路の長さをｈとしたとき、Ｌ＝ρ×ｈ／Ｓで表される。流路の圧力差をΔＰ、流路を流れる流体の流量をＱとした場合に、イナータンスＬを用いて流路内の運動方程式を変形することで、ΔＰ＝Ｌ×ｄＱ／ｄｔという関係が導き出される。
【００３４】
つまり、イナータンスＬは、流量の時間変化に与える影響度合いを示しており、イナータンスＬが大きいほど流量の時間変化が少なく、イナータンスＬが小さいほど流量の時間変化が大きくなる。
また、複数の流路の並列接続や、複数の形状が異なる流路の直列接続に関する合成イナータンスは、個々の流路のイナータンスを電気回路におけるインダクタンスの並列接続、又は直列接続と同様に合成して算出することができる。
なお、入口流路側のイナータンスＬ１は、接続流路５０４が入口流路５０３に対して直径が十分大きく設定されているので、イナータンスＬ１は、入口流路５０３の範囲において算出される。この際、ポンプ２０と入口流路を接続する接続チューブは柔軟性を有するため、イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
【００３５】
また、出口流路側のイナータンスＬ２は、接続流路２０１の直径が出口流路よりもはるかに大きく、接続流路管２００の管部（管壁）の厚さが薄いためイナータンスＬ２への影響は軽微である。したがって、出口流路側のイナータンスＬ２は出口流路５１１のイナータンスに置き換えてもよい。
なお、接続流路管２００の管壁の厚さは、流体の圧力伝播には十分な剛性を有している。
そして、本実施形態では、入口流路側のイナータンスＬ１が出口流路側のイナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路５０３の流路長及び断面積、出口流路５１１の流路長及び断面積を設定する。
【００３６】
次に、脈動発生部１００の動作について説明する。
制御手段３０がポンプ２０の駆動を開始すると、ポンプ２０によって入口流路５０３には、常に一定圧力の液圧で流体が供給される。その結果、圧電素子４０１が動作を行わない場合、ポンプ２０の吐出力と入口流路側全体の流体抵抗値の差によって、流体は流体室５０１内に流動する。
また、制御手段３０が圧電素子４０１に駆動信号を入力すると、圧電素子４０１の伸張、収縮に伴いダイアフラム４００を介して流体室５０１の容積が変更する。
すなわち、圧電素子４０１に駆動信号が入力され、急激に圧電素子４０１が伸張したとすると、流体室５０１内の圧力は、入口流路側及び出口流路側のイナータンスＬ１，Ｌ２が十分な大きさを有していれば急速に上昇して数十気圧に達する。
【００３７】
この圧力は、入口流路５０３に加えられていたポンプ２０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路側から流体室５０１内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路５１１からの流出は増加する。したがって、前述した特許文献１によるウォーターパルスメスのような、入口流路側に設けられる逆止弁はなくてもよい。
ここで、入口流路５０３のイナータンスＬ１は、出口流路５１１のイナータンスＬ２よりも大きい。したがって、入口流路５０３から流体が流体室５０１へ流入する流量の減少量よりも、出口流路から吐出される流体の増加量のほうが大きいため、接続流路２０１にパルス状の流体吐出、つまり、脈動流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管２００内を伝播して、先端のノズル２１１の流体噴射口２１２から流体が噴射される。
【００３８】
すなわち、脈動発生部１００は、圧電素子４０１を駆動して脈動を発生することによって、ポンプ２０から供給された流体を、接続流路管２００、ノズル２１１を通して高速で噴射する。
ここで、ノズル２１１の流体噴射口２１２の直径は、出口流路５１１の直径よりも小さいので、流体は、さらに高圧、高速のパルス状の液滴として噴射される。
一方、流体室５０１内は、入口流路５０３からの流体流入量の減少と出口流路５１１からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に真空状態となる。その結果、ポンプ２０の圧力と、流体室５０１内の真空状態の双方によって一定時間経過後、入口流路５０３の流体は圧電素子４０１の動作前と同様な速度で流体室５０１内に向かう流れが復帰する。
【００３９】
入口流路５０３内の流体の流動が復帰した後、圧電素子４０１の伸張があれば、ノズル２１１からの脈動流を継続して噴射することができる。
また、上述した脈動発生部１００の動作において、流体室５０１が、略回転体形状を有し旋回流発生部としての入口流路５０３を備えていることと、出口流路５１１が略回転体形状の回転軸近傍に開設されていることから、流体室５０１内において旋回流が発生し、流体内に含まれる気泡は速やかに出口流路５１１から外部に排出される。
したがって、圧電素子４０１による流体室５０１の微小な容積変化においても、気泡によって圧力変動が阻害されることなく、十分な圧力上昇が得られる。
【００４０】
ここで、上述した脈動発生部１００の動作において、制御手段３０は、流体噴射開始時には、ハンドスイッチ１１０から制御開始信号が入力され、かつ、検出したノズル角度が６０°以下である場合にのみ、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を開始する。すなわち、制御手段３０は、検出したノズル角度が６０°以下でない場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を開始しない。
これにより、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向が流体を噴射する姿勢として適切ではない場合に、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
例えば、手術中においては、術者間で脈動発生部１００の受け渡しが頻繁に行われる。そして、脈動発生部１００の受け渡しを行う際に、意図せずにハンドスイッチ１１０が操作されても、検出したノズル角度が６０°以下でない場合には、流体の噴射が開始されない。したがって、誤って流体の噴射が開始されることを抑制することが可能となる。
【００４１】
また、制御手段３０は、流体噴射中には、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を停止する。
これにより、流体の噴射を行っている際、流体噴射開口部２１２の流体の噴射方向が流体を噴射する姿勢として適切ではなくなった場合に、誤って流体が飛散することを抑制することが可能となる。
したがって、本実施形態に係るウォーターパルスメス１によれば、流体の噴射を適切に行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記実施形態では、駆動開始信号を制御手段３０に入力するスイッチとしてハンドスイッチ１１０を用いている。しかしながら、駆動開始信号を制御手段３０に入力するスイッチとして、ハンドスイッチ１１０に換えて、フットスイッチを用いてもよい。
また、上記実施形態では、流体供給手段としてポンプ２０及び脈動発生部１００を用いている。しかしながら、脈動発生部１００を備えずに、流体供給手段としてポンプのみを用いる構成としてもよい。この場合、接続流路管２００の流体噴射開口部２１２から噴射される流体は、連続流となる。
【００４３】
また、上記実施形態では、制御手段３０は、流体噴射中において、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、ポンプ２０及び脈動発生部１００の駆動を停止する構成となっている。しかしながら、流体噴射中において、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制する構成としてもよい。さらに、検出したノズル角度が６０°を超えた場合、該検出したノズル角度に応じて、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制する構成としてもよい。なお、流体噴射開口部２１２から噴射される流体を抑制するとは、噴射される流体の強さを抑制すること及び噴射される流体の量を抑制することが含まれる。
さらに、上記実施形態では、所定範囲を６０°以下に設定している。しかしながら、所定範囲は、ある安全な範囲内で適宜設定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係るウォーターパルスメスを示す概略構成図である。
【図２】図１に示すウォーターパルスメスの脈動発生部を示す断面図である。
【図３】図２に示す脈動発生部を分解した状態の概略を示す斜視図である。
【図４】図２に示す脈動発生部の入口流路を示す平面図であり、上ケースを下ケースとの接合面側から視認した状態を表している。
【図５】ノズル角度を示す模式図である。
【図６】流体噴射開始時における制御手段による処理を示すフローチャートである。
【図７】流体噴射中における制御手段による処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１ ウォーターパルスメス（流体噴射装置、流体噴射手術器具）、２０１ 接続流路（流路）、２１２ 流体噴射開口部（流体噴射口）、２００ 接続流路管（流路管）、２０ ポンプ（流体供給手段）、１００ 脈動発生部（流体供給手段）、３０ 制御手段、１２０ 姿勢検出手段、５１１ 出口流路、５０３ 入口流路、５０１ 流体室、４０１ 圧電素子（容積変更手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧した流体を流す流路及び該流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、
前記流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、
前記流路管の姿勢を検出し、検出した前記流路管の姿勢に応じた信号を前記制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段から入力された信号に応じて前記流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記姿勢検出手段から入力される信号に基づき、前記流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度を検出し、
検出した前記角度に応じて、前記流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
検出した前記角度が所定範囲内である場合にのみ、前記流体供給手段による流体の供給の開始を可能とすることを特徴とする請求項２記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記流体供給手段による流体の供給中において、検出した前記角度が前記所定範囲を超えた場合、前記流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止することを特徴とする請求項２又は３記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記所定範囲は、６０°以下であることを特徴とする請求項３又は４記載の流体噴射装置。
【請求項６】
前記流路に連通する出口流路と、前記流体供給手段から流体が供給される入口流路と、前記出口流路及び前記入口流路に連通する流体室と、前記流体室の容積を変更可能な容積変更手段と、を有する脈動発生部を備え、
前記脈動発生部が、前記流体供給手段を構成することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の流体噴射装置。
【請求項７】
加圧した流体を流す流路及び該流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、
前記流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、
前記流路管の姿勢を検出し、検出した前記流路管の姿勢に応じた信号を前記制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段から入力された信号に応じて前記流体供給手段による流体の供給を制御し、
噴射した流体により手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする流体噴射手術器具。
【請求項８】
流路管の流路に加圧した流体を供給し、
前記流路管の姿勢を検出し、
検出した流路管の姿勢に応じて、流体の供給を制御し、
前記流路に連通する流体噴射口から前記供給を制御された流体を噴射することを特徴とする流体噴射方法。
【請求項１】
加圧した流体を流す流路及び該流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、
前記流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、
前記流路管の姿勢を検出し、検出した前記流路管の姿勢に応じた信号を前記制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段から入力された信号に応じて前記流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記姿勢検出手段から入力される信号に基づき、前記流体噴射口の流体の噴射方向軸と鉛直軸とのなす角度を検出し、
検出した前記角度に応じて、前記流体供給手段による流体の供給を制御することを特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
検出した前記角度が所定範囲内である場合にのみ、前記流体供給手段による流体の供給の開始を可能とすることを特徴とする請求項２記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記流体供給手段による流体の供給中において、検出した前記角度が前記所定範囲を超えた場合、前記流体供給手段による流体の供給を抑制又は停止することを特徴とする請求項２又は３記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記所定範囲は、６０°以下であることを特徴とする請求項３又は４記載の流体噴射装置。
【請求項６】
前記流路に連通する出口流路と、前記流体供給手段から流体が供給される入口流路と、前記出口流路及び前記入口流路に連通する流体室と、前記流体室の容積を変更可能な容積変更手段と、を有する脈動発生部を備え、
前記脈動発生部が、前記流体供給手段を構成することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の流体噴射装置。
【請求項７】
加圧した流体を流す流路及び該流路に連通する流体噴射口を有する流路管と、
前記流路に流体を供給する流体供給手段と、
前記流体供給手段による流体の供給を制御する制御手段と、
前記流路管の姿勢を検出し、検出した前記流路管の姿勢に応じた信号を前記制御手段に入力する姿勢検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段から入力された信号に応じて前記流体供給手段による流体の供給を制御し、
噴射した流体により手術対象部位を切開又は切除することを特徴とする流体噴射手術器具。
【請求項８】
流路管の流路に加圧した流体を供給し、
前記流路管の姿勢を検出し、
検出した流路管の姿勢に応じて、流体の供給を制御し、
前記流路に連通する流体噴射口から前記供給を制御された流体を噴射することを特徴とする流体噴射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−５１８９６（Ｐ２０１０−５１８９６Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１９２７８（Ｐ２００８−２１９２７８）
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]