流体噴射装置、流体噴射装置の制御方法
【課題】パルス流噴射と連続流噴射とを切替え可能な流体噴射装置の制御方法を実現する。
【解決手段】流体噴射装置の制御方法は、流体室と前記流体室の容積を変更する容積変更手段とを有し、流体噴射開口部から流体をパルス流または連続流として噴射させる脈流発生部と、前記脈流発生部に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、パルス流噴射と連続流噴射とを選択的に切り替える噴射指令切替え手段と、が備えられる流体噴射装置の制御方法であって、前記容積変更手段を駆動し流体を脈流に変換してパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止し、パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて流体を連続流として噴射させる連続流噴射と、に前記噴射指令切替え手段により選択的に切替える。
【解決手段】流体噴射装置の制御方法は、流体室と前記流体室の容積を変更する容積変更手段とを有し、流体噴射開口部から流体をパルス流または連続流として噴射させる脈流発生部と、前記脈流発生部に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、パルス流噴射と連続流噴射とを選択的に切り替える噴射指令切替え手段と、が備えられる流体噴射装置の制御方法であって、前記容積変更手段を駆動し流体を脈流に変換してパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止し、パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて流体を連続流として噴射させる連続流噴射と、に前記噴射指令切替え手段により選択的に切替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス流噴射と連続流噴射とを切替え操作可能な流体噴射装置及び流体噴射装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、体腔内に導入されるチューブにポンプから液体を高圧で供給し、チューブ先端のノズルから液体を噴射し流体圧によって体腔内組織の切除を行う手術装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、流体室の容積を容積変更手段により急激に変化させ流体を脈流に変換してノズルからパルス状に高速噴射させ、衝撃圧によって生体組織の切除や切開を行う流体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−９９８５３号公報
【特許文献２】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、柔軟性を有するチューブで高圧液体をノズルまで導いているために、仮にポンプで脈流を発生させたとしても液体は連続流噴射となる。連続流噴射により生体組織の切開を行う場合、流体圧により術部を押し広げるように切開を行うことから、十分な切除能力を得るためには液体供給圧力を高めなければならない。
【０００６】
また、特許文献２によれば、容積変更手段によって流体を脈流に変換してノズルからパルス流噴射をしている。この際、パルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧により生体組織を削り取るように切開及び切除を行うことから、流体供給圧力は低圧でもよく、液体供給量も少なくてよい。
【０００７】
上述したように、連続流噴射とパルス流噴射では、生体組織の切除能力や切除特性が異なるため、手術部位や切除特性に合わせて連続流とパルス流とを使い分けることが望ましい。
【０００８】
そこで、連続流噴射用とパルス流噴射用の２種類の流体噴射装置を使い分けることが考えられるが、その都度、流体噴射装置を使い分けることは煩わしく、作業性を著しく低下させる。
【０００９】
また、特許文献２の流体噴射装置において容積変更手段の駆動を停止すれば、連続流噴射が可能になるが、そのままでは流体供給圧力が十分に得られず切除能力が低下してしまうという課題がある。特に、特許文献２のように逆止弁を持たずに流体のイナータンス効果で高圧のパルス流を実現する構成においては、流路の一部でイナータンスを大きくする為に管路断面積を非常に小さくしたり、長くしたりしているので流路抵抗も高くなり、単に容積変更手段の駆動の切り替えをしても連続流噴射では所望の圧力での噴射は得られにくい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１１】
［適用例１］本適用例に係る流体噴射装置は、流体室と、前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、前記流体室に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、前記容積変更手段を動作させて前記流体室の容積を変更することによって、前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止させた状態で前記パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切替える噴射指令切替え手段と、が備えられていることを特徴とする。
【００１２】
［適用例２］本適用例に係る流体噴射装置は、前記流体を噴射する流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）としたとき、前記流体噴射開口部の断面積Ａが、２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）であって、前記噴射指令切替え手段は、前記連続流噴射を行う場合の前記流体供給手段から流体を供給する流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように、前記流体供給圧力を高めること、を特徴とする
【００１３】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置の制御方法は、流体室に流体を供給することと、前記流体室の容積を変化させることによって前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記流体室の容積を維持することによって前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切り替えることと、を含み、前記切り替えることは、前記パルス流噴射の場合よりも、前記流体室に供給する前記流体の圧力を高めて前記連続流噴射を行うことを特徴とする。
【００１４】
上記適用例による流体噴射装置の構成及び制御方法によれば、一つの流体噴射装置を噴射指令切替え手段によりパルス流噴射または連続流噴射に切替えて使用することができる。よって、手術途中であっても切除特性に合わせて連続流噴射とパルス流噴射とに容易に切替えて手術することができる。
【００１５】
従って、パルス流噴射の場合は、少ない流量（低圧）で高い切除能力が得られるとともに、術視野を妨げることなく施術することができる。
【００１６】
また、連続流噴射の場合は、流体供給圧力を高めることによって切除能力を高めるとともに、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。
【００１７】
また、連続流噴射の場合に、噴射開口部の断面積Ａを２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）とし、流量が２０Ａ（ｍ3／秒）となるように流体供給圧力を高める。従って、直径が０．１〜０．３ｍｍの円形の流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上になる。これにより、噴射される連続流が生体組織の切開または切除等の能力を十分に有するため、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。また、生体組織の切開、切除、剥離などを微細に行ったり、同程度の太さの血管周りを切除するのに適合した施術を行ったりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図。
【図２】実施形態１に係る脈流発生部を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図。
【図３】実施形態１に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図。
【図４】連続流噴射とパルス流噴射の切除特性を模式的に示す説明図であり、（ａ）はパルス流噴射、（ｂ）は連続流噴射を示す。
【図５】流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、生体組織を切開または切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する。従って、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。
（実施形態１）
【００２０】
図１は、実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図である。図１において、流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、流体供給手段としてのポンプ１０と、ポンプ１０から供給される流体を脈流（以降、パルス流と表すことがある）に変換させる脈流発生部２０とポンプ１０と脈流発生部２０の駆動を制御する駆動制御部１５と、を備えている。ポンプ１０と脈流発生部２０とは流体供給チューブ４によって接続されている。
【００２１】
脈流発生部２０には、細いパイプ状の接続流路管９０が接続され、接続流路管９０の先端部には流路径が縮小された流体噴射開口部９６を有するノズル９５が挿着されている。なお、接続流路管９０は、流体噴射時において変形しない程度の剛性を有している。
【００２２】
また、脈流発生部２０には、噴射指令切替え手段２５を有し、本実施形態では噴射指令切替え手段としてパルス流噴射を選択するパルス流指令スイッチ２６と、連続流噴射を選択する連続流指令スイッチ２７と、流体噴射を停止するＯＦＦスイッチ２８とが備えられている。
【００２３】
このように構成される流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体供給容器２に収容された流体は、ポンプ１０によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。脈流発生部２０には、流体室８０（図２、参照）と、この流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０とダイアフラム４０と、が備えられており、圧電素子３０を駆動して流体室８０内において脈流を発生させ、接続流路管９０、ノズル９５を介して流体噴射開口部９６から流体をパルス状に高速噴射する。
【００２４】
なお、脈流発生部２０が駆動を停止している場合には、ポンプ１０から供給された流体は流体室８０を通って、流体噴射開口部９６から連続流噴射される。
【００２５】
ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。
【００２６】
同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。
【００２７】
次に、本実施形態に係る脈流発生部２０の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈流発生部を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図である。なお、図２は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。脈流発生部２０は、ポンプ１０から流体供給チューブ４を介して流体室８０に流体を供給する入口流路８１と、流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０及びダイアフラム４０と、流体室８０に連通する出口流路８２と、を有して構成されている。入口流路８１には流体供給チューブ４が接続されている。
【００２８】
ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、ケース５０とケース７０によって密着されている。圧電素子３０は、本実施形態では積層型圧電素子を例示しており、両端部の一方がダイアフラム４０に、他方が底板６０に固着されている。
【００２９】
流体室８０は、ケース７０のダイアフラム４０に対向する面に形成される凹部とダイアフラム４０とによって形成される空間である。流体室８０の略中央部には出口流路８２が開口されている。
【００３０】
ケース７０とケース５０とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。ケース７０には、出口流路８２に連通する接続流路９１を有する接続流路管９０が嵌着され、接続流路管９０の先端部にはノズル９５が挿着されている。そして、ノズル９５には、流路径が縮小された流体噴射開口部９６が開口されている。
【００３１】
次に、本実施形態の駆動制御部の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図である。駆動制御部１５は、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動回路１５２と、圧電素子３０を駆動制御する圧電素子駆動回路１５３と、ポンプ駆動回路１５２と圧電素子駆動回路１５３とを制御する制御回路１５１と、メインスイッチ２４と、を有して構成されている。
【００３２】
なお、制御回路１５１には、ポンプ１０からの流体供給量（つまり、供給圧力）を決定するポンプ１０の駆動周波数と、パルス一個の切除力を決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、切除速度を決定する流体室８０の容積変化の周波数（圧電素子３０の駆動周波数に相当する）と、を設定するプログラムが格納されている。
【００３３】
次に各スイッチの機能について説明する。メインスイッチ２４は、流体噴射装置１の起動及び停止機能を有しており、具体的には制御回路１５１のＯＮ（立ち上げ）及びＯＦＦ（停止）を行う。
【００３４】
パルス流指令スイッチ２６は、ポンプ１０の低圧駆動及び脈流発生部２０の起動を行い、連続流指令スイッチ２７では、ポンプ１０の高圧駆動及び脈流発生部２０の停止を行う。流体噴射装置１の駆動途中でパルス流噴射から連続流噴射に切替える場合には、連続流指令スイッチ２７を操作（ＯＮ）すればよい。また、連続流噴射からパルス流噴射に切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作（ＯＮ）すればよい。さらに、噴射停止させる場合はＯＦＦスイッチ２８を操作すればよい。
【００３５】
次に、本実施形態における脈流発生部２０のパルス流噴射動作について図１、図２を参照して説明する。本実施形態の脈流発生部２０の流体吐出は、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１と出口流路８２側の合成イナータンスＬ２の差によって行われる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、入口流路８１の範囲において算出される。この際、ポンプ１０と入口流路８１を接続する流体供給チューブ４は柔軟性を有するため、合成イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
【００３９】
また、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２は、本実施形態では出口流路８２と接続流路９１の範囲のイナータンスである。なお、接続流路管９０の管壁の厚さは、流体の圧力伝播に対して十分な剛性を有している。
【００４０】
そして、本実施形態では、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１が出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路８１の流路長及び断面積、出口流路８２の流路長及び断面積を設定する。
【００４１】
ポンプ１０によって入口流路８１には、所定の圧力で流体が供給されている。なお、ポンプ１０からの流体供給量はパルス流噴射量とほぼ等しい量であればよい。ここで、圧電素子３０が動作を行わない場合、ポンプ１０の吐出力と入口流路８１側全体の流路抵抗の差によって流体は流体室８０内に流動する。
【００４２】
圧電素子３０に駆動信号が入力され、圧電素子３０がダイアフラム４０の流体室８０側の面に対して垂直方向（矢印Ａ方向）に急激に伸長したとすると流体室８０の容積が縮小され、流体室８０内の圧力は、入口流路８１側及び出口流路８２側の合成イナータンス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。
【００４３】
この圧力は、入口流路８１に加えられていたポンプ１０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路８１から流体室８０内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路８２からの流出は増加する。
【００４４】
さらに、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路８１から流体室８０へ流入する流量の減少量よりも、出口流路８２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９１にパルス状の液体吐出、つまり、脈流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管９０内（接続流路９１）を伝播して、先端のノズル９５の流体噴射開口部９６から流体が噴射される。
【００４５】
ここで、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２の流路径よりも縮小されているので、流体はさらに高圧となり、パルス状の液滴となって高速噴射される。
【００４６】
一方、流体室８０内は、入口流路８１からの流体流入量の減少と出口流路８２からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に低圧状態（真空に近い状態）となる。そして、圧電素子３０を元の形状に復元すると、ポンプ１０の圧力と、流体室８０内の低圧状態の双方によって一定時間経過後、入口流路８１の流体は圧電素子３０の動作前（伸長前）と同様な速度で流体室８０内に向かう流れが復帰する。
【００４７】
入口流路８１内の流体の流動が復帰した後、圧電素子３０の伸長があれば、流体噴射開口部９６からパルス状の液滴を継続して噴射する。
【００４８】
ポンプ１０から所定の圧力で流体供給を継続しながら脈流発生部２０を駆動停止すると、流体は入口流路８１、流体室８０、出口流路８２を通過して流体噴射開口部９６に達する。この際、圧電素子３０は停止しているので流体は連続流として流体噴射開口部９６から噴射される。なお、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２及び接続流路９１の流路径よりもはるかに縮小されているため、ポンプ１０からの供給圧力より高い圧力で高速噴射される。
【００４９】
次に、連続流噴射とパルス流噴射との切除特性について説明する。
図４は、連続流噴射とパルス流噴射の切除特性を模式的に示す説明図であり、（ａ）はパルス流噴射、（ｂ）は連続流噴射を示している。パルス流噴射の場合、主にパルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧によって生体組織を削り取るように切除する（図中、矢印Ｃで表す）。この際、パルス一個の衝撃圧による切除力を決定する要因は、パルス流の流体粒の大きさを決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、パルス流の流体粒の速度を決定する流体室８０の容積を縮小させる速度（流体室８０の容積を縮小させる際の圧電素子３０の駆動時間に相当する）であるため、流体供給圧力は低圧でもよい。
【００５０】
連続流噴射の場合、連続的に噴射される流体の流体圧で生体組織を押し広げながら（図中、矢印Ｄで表す）切除（切開）が行われる。従って、流体圧による切除力はポンプ１０による流体供給圧力に影響される。つまり、流体圧による切除力を衝撃圧による切除力と同等以上にするためには、ポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めておかなければならない。
【００５１】
上述したように、パルス流噴射と連続流噴射の切除特性を使い分けることによって、様々な手術対象に対応することが可能となる。
【００５２】
次に、一つの流体噴射装置１をパルス流噴射と連続流噴射とに切替えて使用する場合の制御方法について説明する。
（流体噴射装置の制御方法）
【００５３】
図５は、流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図である。図１〜図３も参照する。なお、表１に制御の指令に係る各スイッチの機能を示す。
【００５４】
【表１】
まず、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１を起動させる（Ｓ１０）。つまり、制御回路１５１を立ち上げておく。次にパルス流噴射にするか連続流噴射にするかを選択する（Ｓ２０）。
【００５５】
パルス流噴射を選択する場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して噴射指令１を制御回路１５１に入力する（Ｓ２１）。連続流噴射を選択する場合には、連続流指令スイッチ２７を操作して噴射指令２を制御回路１５１に入力する（Ｓ４０）。
【００５６】
まず、パルス流噴射の場合を説明する。噴射指令１の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２に駆動指令が入力されポンプ１０が低圧駆動を開始する（Ｓ２２）。そして、脈流発生部２０には一定の圧力で流体供給が開始される。続いて、制御回路１５１から圧電素子駆動回路１５３に駆動指令が入力され脈流発生部２０（具体的には圧電素子３０）が起動され（Ｓ２３）、パルス流噴射を開始する。
【００５７】
パルス流噴射を継続した後、連続流噴射に切替えたい場合には次のステップに移行する。そこで、連続流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ２４）、連続流噴射にしない場合には、パルス流噴射をそのまま継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ２５）。噴射指令３に伴い制御回路１５１から圧電素子駆動回路１５３に停止命令が入力され脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）の駆動が停止され（Ｓ２６）、制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２に停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（Ｓ２７）、流体噴射動作が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００５８】
パルス流噴射から連続流噴射に切替える場合には、連続流指令スイッチ２７を操作して制御回路１５１に噴射指令２を入力する（Ｓ３０）。噴射指令２の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めて駆動するよう命令が入力され、ポンプ１０は高圧駆動される（Ｓ３１）。
【００５９】
連続流噴射の場合の流体供給圧力は、切除対象や切除特性から適切な圧力に予め設定され、そのプログラムは制御回路１５１に格納されている。ポンプ１０の高圧駆動開始とほぼ同時に脈流発生部２０が駆動停止し（Ｓ３２）、連続流噴射を開始する。
【００６０】
ここで、連続流噴射の場合の流体供給圧力について説明する。生体組織切除用の流体噴射装置では、噴射される連続流が生体組織の切開または切除の能力を十分に有するために、流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上であることが望ましい。従って、パルス流噴射から連続流噴射に切替える際には、流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上となるように流体供給圧力を設定することにより、連続流でも十分に生体組織の切開または切除の能力を備えることが可能となる。
【００６１】
連続流の場合における流体の流速は、供給される流量と流路の断面積によって決まる。ここで、流体供給手段から供給される流量をＱ（ｍ3／秒）、流体噴射開口部から噴射される液体の流速をＶ（ｍ／秒）、流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）とする。生体組織切除用の流体噴射装置では、切開、切除、剥離などを微細に行ったり、同程度の太さの血管周りを切除するのに適合した施術を行ったりするために、流体噴射ノズルの流体噴射開口部の直径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に設定されると良い。従って、流体開口部の断面積Ａは、２．５π×１０-9ｍ2〜２２．５π×１０-9ｍ2となることが望ましい。
【００６２】
このとき、流体噴射開口部から噴射される液体の流速Ｖは次式のように表せる。
Ｖ＝Ｑ／Ａ
流体噴射開口部から噴射される液体の流速Ｖが２０（ｍ／秒）以上であれば生体組織の切開または切除の能力を十分に備えるため、連続流において生体組織の切開または切除が可能となるための流体供給手段から供給される流量Ｑの条件について、以下の不等式が成り立つ。
Ｑ≧２０Ａ
従って、流体供給手段から供給される流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように流体供給圧力を高めれば、連続流が生体組織の切開または切除能力を備えることが可能となる。なお、流体供給圧力と流体供給手段から供給される流量との間には相互的な関係があるため、流体供給圧力を高めれば流体供給手段からの供給流量が増加する。
【００６３】
例えば、本実施形態において、流体噴射開口部９６の断面積が１×１０-8（ｍ2）であるとすると、連続流噴射の場合に、ポンプ１０の流体供給圧力を高めてポンプ１０からの流体供給量を２０×１０-8（ｍ3／秒）以上になるように設定すれば、流体噴射開口部９６から噴射される連続流の流速を２０（ｍ／秒）以上とすることができる。
【００６４】
なお、連続流噴射の場合におけるポンプ１０の圧力の上限は、ポンプ１０の性能で決めたり、流体噴射装置に使われている部品の耐圧（例えば、流体供給チューブ４の耐圧）に基づいて適宜上限を設定したりすればよい。
【００６５】
連続流噴射を継続した後、パルス流噴射に再度切替えたい場合には、パルス流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ３３）、パルス流噴射に移行しない場合にはそのまま連続流噴射を継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ４３）。噴射指令３に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ駆動停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（（Ｓ４４）、流体噴射が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００６６】
ステップ３３（Ｓ３３）で連続流噴射からパルス流噴射に再度切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して制御回路１５１に噴射指令１を入力する（Ｓ２１）。噴射指令１によってポンプ１０は低圧駆動に切替えられ（Ｓ２２）、続いて、脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）を起動し（Ｓ２３）、パルス流噴射に移行する。その後、ステップ２４（Ｓ２４）以降の制御ステップに沿って連続流噴射か、パルス流噴射かを選択制御する。
【００６７】
次に、流体噴射装置１を起動（Ｓ１０）した後に、連続流噴射させる場合の制御方法について説明する。流体噴射装置１起動後、連続流噴射を選択する（Ｓ２０）。次に連続流指令スイッチ２７を操作して噴射指令２を制御回路１５１に入力する（Ｓ４０）。噴射指令２の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ１０の流体供給圧力を高めて駆動するよう命令が入力され、ポンプ１０は高圧駆動される（Ｓ４１）。ここで、連続流噴射の場合のポンプ１０からの流体供給圧力は、パルス流噴射の場合の供給圧力よりも高く設定されている。
【００６８】
連続流噴射を継続した後、パルス流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ４２）、パルス流噴射に移行しない場合には、連続流噴射をそのまま継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ４３）。噴射指令３に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ駆動停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（Ｓ４４）、流体噴射が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００６９】
ステップ４２（Ｓ４２）で連続流噴射からパルス流噴射に切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して制御回路１５１に噴射指令１を入力する（Ｓ２１）。噴射指令１によってポンプ１０は低圧駆動に切替えられ（Ｓ２２）、続いて、脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）を起動し（Ｓ２３）、パルス流噴射に移行する。その後、ステップ２４（Ｓ２４）以降の制御ステップに沿って連続流噴射か、パルス流噴射かを選択制御する。
【００７０】
以上説明した流体噴射装置の構成及び制御方法によれば、一つの流体噴射装置を噴射指令切替え手段２５によりパルス流噴射または連続流噴射を選択的に切替えて使用することができる。よって、手術途中であっても切除特性に合わせて連続流噴射とパルス流噴射とに容易に切替えて手術することができる。
【００７１】
パルス流噴射の場合、主にパルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧によって生体組織を削り取るように切除する。従って、パルス一個の衝撃圧による切除力を決定する要因は、パルス流の流体粒の大きさを決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、パルス流の流体粒の速度を決定する流体室８０の容積を縮小させる速度（流体室８０の容積を縮小させる際の圧電素子３０の駆動時間に相当する）であるため、流体供給圧力は低圧でもよい。
【００７２】
例えば、本実施形態において、先に例示したように流体噴射開口部９６の断面積が１×１０-8（ｍ2）であるとする。この時、パルス流噴射であれば、ポンプ１０からの流体供給流量が２０×１０-8（ｍ3／秒）未満となるようなポンプ１０の流体供給圧力を設定しても、生体組織を切開または切除することが可能である。
【００７３】
従って、パルス流噴射の場合は、少ない流量（低圧）で高い切除能力が得られるとともに、術視野を妨げることなく施術することができる。
【００７４】
連続流噴射の場合、連続的に噴射される流体の流体圧で押し広げながら切除（切開）が行われる。従って、流体圧による切除力はポンプ１０による流体供給圧力に影響される。つまり、流体圧による切除力を衝撃圧による切除力と同等以上にするためには、ポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めておかなければならない。特に、特開２００８−８２２０２号公報や本実施の形態のように逆止弁を持たずに流体のイナータンス効果で高圧のパルス流を実現する構成においては有効である。
【００７５】
従って、連続流噴射の場合は、流体供給圧力を高めることによって切除能力を高めるとともに、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。
【００７６】
このようにパルス流噴射と連続流噴射の切除特性を使い分けることによって、様々な手術対象に対応することが可能となる。
【００７７】
なお、術者は流体噴射装置１を把持して手術を行う。噴射指令切替え手段２５は、流体噴射装置１に設けられるスイッチ群で構成されるため、術者は手元でパルス流噴射か連続流噴射か噴射停止するかを選択することが可能であり作業性が極めてよい。
【００７８】
また、パルス流噴射を選択する場合、連続流噴射を選択する場合、及び噴射停止させる場合それぞれにおいて、専用のパルス流指令スイッチ２６、連続流指令スイッチ２７、ＯＦＦスイッチ２８を設けているため、術者は１操作で流体噴射装置を所望の流体噴射状態に制御することができ、より一層作業性を高めることができる。
【００７９】
なお、以上説明した実施形態では、パルス流噴射と連続流噴射とをスイッチによって切り替える構成としたが、ノズル６５の先端にカメラ等のセンサーを備え、センサーの検出結果に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替えてもよい。
【００８０】
例えば、切除対象の生体組織を画像認識技術によってセンサーが検出するまでは連続流噴射を行ってノズル６５が生体内を侵入しやすいように生体組織を押し広げながら切除を行い、切除対象の生体組織を検出したときにパルス流噴射に切り替えることによって、悪性腫瘍等、飛散すると転移等の危険性が高い生体組織は少ない流体量で切除を行うといったことを術者がスイッチ操作を要することなく実現することができる。
【００８１】
また、実施形態では、パルス流噴射と連続流噴射とをスイッチによって切り替える構成としたが、流体供給容器２の流体残量に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替える構成としてもよい。例えば、流体残量が所定量以上の場合には多量の流体を使用できることから連続流噴射を行い、流体残量が所定量未満の場合には少量の流体で切除可能なパルス流噴射を行うようにしてもよい。特に砂漠等の流体が貴重な地域においては、流体を無制限に使用することが困難であることから、流体残量に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替える構成は好適である。
【００８２】
また、前述した実施形態では、ダイアフラム４０を圧電素子３０により押圧し脈流を発生させる構成としたが、これに限らず、脈流を発生させる構成であれば他の形態でも構わない。例えばピストン（プランジャー）を圧電素子を用いて駆動することによって流体室８０の容積を縮小させ、脈流を発生させてもよい。また、流体室８０内の液体をレーザー誘起によって泡状（バブル）にし、バブルを噴射させることによって脈流を発生するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１…流体噴射装置、１０…流体供給手段としてのポンプ、２０…脈流発生部、２５…噴射指令切替え手段、２６…パルス流指令スイッチ、２７…連続流指令スイッチ、２８…ＯＦＦスイッチ、３０…容積変更手段としての圧電素子、４０…ダイアフラム、８０…流体室、９６…流体噴射開口部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス流噴射と連続流噴射とを切替え操作可能な流体噴射装置及び流体噴射装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、体腔内に導入されるチューブにポンプから液体を高圧で供給し、チューブ先端のノズルから液体を噴射し流体圧によって体腔内組織の切除を行う手術装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、流体室の容積を容積変更手段により急激に変化させ流体を脈流に変換してノズルからパルス状に高速噴射させ、衝撃圧によって生体組織の切除や切開を行う流体噴射装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−９９８５３号公報
【特許文献２】特開２００８−８２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、柔軟性を有するチューブで高圧液体をノズルまで導いているために、仮にポンプで脈流を発生させたとしても液体は連続流噴射となる。連続流噴射により生体組織の切開を行う場合、流体圧により術部を押し広げるように切開を行うことから、十分な切除能力を得るためには液体供給圧力を高めなければならない。
【０００６】
また、特許文献２によれば、容積変更手段によって流体を脈流に変換してノズルからパルス流噴射をしている。この際、パルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧により生体組織を削り取るように切開及び切除を行うことから、流体供給圧力は低圧でもよく、液体供給量も少なくてよい。
【０００７】
上述したように、連続流噴射とパルス流噴射では、生体組織の切除能力や切除特性が異なるため、手術部位や切除特性に合わせて連続流とパルス流とを使い分けることが望ましい。
【０００８】
そこで、連続流噴射用とパルス流噴射用の２種類の流体噴射装置を使い分けることが考えられるが、その都度、流体噴射装置を使い分けることは煩わしく、作業性を著しく低下させる。
【０００９】
また、特許文献２の流体噴射装置において容積変更手段の駆動を停止すれば、連続流噴射が可能になるが、そのままでは流体供給圧力が十分に得られず切除能力が低下してしまうという課題がある。特に、特許文献２のように逆止弁を持たずに流体のイナータンス効果で高圧のパルス流を実現する構成においては、流路の一部でイナータンスを大きくする為に管路断面積を非常に小さくしたり、長くしたりしているので流路抵抗も高くなり、単に容積変更手段の駆動の切り替えをしても連続流噴射では所望の圧力での噴射は得られにくい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１１】
［適用例１］本適用例に係る流体噴射装置は、流体室と、前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、前記流体室に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、前記容積変更手段を動作させて前記流体室の容積を変更することによって、前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止させた状態で前記パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切替える噴射指令切替え手段と、が備えられていることを特徴とする。
【００１２】
［適用例２］本適用例に係る流体噴射装置は、前記流体を噴射する流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）としたとき、前記流体噴射開口部の断面積Ａが、２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）であって、前記噴射指令切替え手段は、前記連続流噴射を行う場合の前記流体供給手段から流体を供給する流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように、前記流体供給圧力を高めること、を特徴とする
【００１３】
［適用例３］本適用例に係る流体噴射装置の制御方法は、流体室に流体を供給することと、前記流体室の容積を変化させることによって前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記流体室の容積を維持することによって前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切り替えることと、を含み、前記切り替えることは、前記パルス流噴射の場合よりも、前記流体室に供給する前記流体の圧力を高めて前記連続流噴射を行うことを特徴とする。
【００１４】
上記適用例による流体噴射装置の構成及び制御方法によれば、一つの流体噴射装置を噴射指令切替え手段によりパルス流噴射または連続流噴射に切替えて使用することができる。よって、手術途中であっても切除特性に合わせて連続流噴射とパルス流噴射とに容易に切替えて手術することができる。
【００１５】
従って、パルス流噴射の場合は、少ない流量（低圧）で高い切除能力が得られるとともに、術視野を妨げることなく施術することができる。
【００１６】
また、連続流噴射の場合は、流体供給圧力を高めることによって切除能力を高めるとともに、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。
【００１７】
また、連続流噴射の場合に、噴射開口部の断面積Ａを２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）とし、流量が２０Ａ（ｍ3／秒）となるように流体供給圧力を高める。従って、直径が０．１〜０．３ｍｍの円形の流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上になる。これにより、噴射される連続流が生体組織の切開または切除等の能力を十分に有するため、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。また、生体組織の切開、切除、剥離などを微細に行ったり、同程度の太さの血管周りを切除するのに適合した施術を行ったりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図。
【図２】実施形態１に係る脈流発生部を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図。
【図３】実施形態１に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図。
【図４】連続流噴射とパルス流噴射の切除特性を模式的に示す説明図であり、（ａ）はパルス流噴射、（ｂ）は連続流噴射を示す。
【図５】流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明による流体噴射装置は、インク等を用いた描画、細密な物体及び構造物の洗浄、手術用メス等様々に採用可能であるが、生体組織を切開または切除することに好適な流体噴射装置を例示して説明する。従って、実施形態にて用いる流体は、水または生理食塩水等の液体である。
（実施形態１）
【００２０】
図１は、実施形態１に係る手術具としての流体噴射装置を示す構成説明図である。図１において、流体噴射装置１は、流体を収容する流体供給容器２と、流体供給手段としてのポンプ１０と、ポンプ１０から供給される流体を脈流（以降、パルス流と表すことがある）に変換させる脈流発生部２０とポンプ１０と脈流発生部２０の駆動を制御する駆動制御部１５と、を備えている。ポンプ１０と脈流発生部２０とは流体供給チューブ４によって接続されている。
【００２１】
脈流発生部２０には、細いパイプ状の接続流路管９０が接続され、接続流路管９０の先端部には流路径が縮小された流体噴射開口部９６を有するノズル９５が挿着されている。なお、接続流路管９０は、流体噴射時において変形しない程度の剛性を有している。
【００２２】
また、脈流発生部２０には、噴射指令切替え手段２５を有し、本実施形態では噴射指令切替え手段としてパルス流噴射を選択するパルス流指令スイッチ２６と、連続流噴射を選択する連続流指令スイッチ２７と、流体噴射を停止するＯＦＦスイッチ２８とが備えられている。
【００２３】
このように構成される流体噴射装置１における流体の流動を簡単に説明する。流体供給容器２に収容された流体は、ポンプ１０によって吸引され、一定の圧力で流体供給チューブ４を介して脈流発生部２０に供給される。脈流発生部２０には、流体室８０（図２、参照）と、この流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０とダイアフラム４０と、が備えられており、圧電素子３０を駆動して流体室８０内において脈流を発生させ、接続流路管９０、ノズル９５を介して流体噴射開口部９６から流体をパルス状に高速噴射する。
【００２４】
なお、脈流発生部２０が駆動を停止している場合には、ポンプ１０から供給された流体は流体室８０を通って、流体噴射開口部９６から連続流噴射される。
【００２５】
ここで脈流とは、流体の流れる方向が一定で、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動を伴った流体の流動を意味する。脈流には、流体の流動と停止とを繰り返す間欠流も含むが、流体の流量または流速が周期的または不定期な変動をしていればよいため、必ずしも間欠流である必要はない。
【００２６】
同様に、流体をパルス状に噴射するとは、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動した流体の噴射を意味する。パルス状の噴射の一例として、流体の噴射と非噴射とを繰り返す間欠噴射が挙げられるが、噴射する流体の流量または移動速度が周期的または不定期に変動していればよいため、必ずしも間欠噴射である必要はない。
【００２７】
次に、本実施形態に係る脈流発生部２０の構造について説明する。
図２は、本実施形態に係る脈流発生部を流体の噴射方向に沿って切断した切断面を示す断面図である。なお、図２は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。脈流発生部２０は、ポンプ１０から流体供給チューブ４を介して流体室８０に流体を供給する入口流路８１と、流体室８０の容積を変化させる容積変更手段としての圧電素子３０及びダイアフラム４０と、流体室８０に連通する出口流路８２と、を有して構成されている。入口流路８１には流体供給チューブ４が接続されている。
【００２８】
ダイアフラム４０は、円盤状の金属薄板からなり、ケース５０とケース７０によって密着されている。圧電素子３０は、本実施形態では積層型圧電素子を例示しており、両端部の一方がダイアフラム４０に、他方が底板６０に固着されている。
【００２９】
流体室８０は、ケース７０のダイアフラム４０に対向する面に形成される凹部とダイアフラム４０とによって形成される空間である。流体室８０の略中央部には出口流路８２が開口されている。
【００３０】
ケース７０とケース５０とは、それぞれ対向する面において接合一体化されている。ケース７０には、出口流路８２に連通する接続流路９１を有する接続流路管９０が嵌着され、接続流路管９０の先端部にはノズル９５が挿着されている。そして、ノズル９５には、流路径が縮小された流体噴射開口部９６が開口されている。
【００３１】
次に、本実施形態の駆動制御部の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る駆動制御部の概略構成を示すブロック説明図である。駆動制御部１５は、ポンプ１０の駆動制御を行うポンプ駆動回路１５２と、圧電素子３０を駆動制御する圧電素子駆動回路１５３と、ポンプ駆動回路１５２と圧電素子駆動回路１５３とを制御する制御回路１５１と、メインスイッチ２４と、を有して構成されている。
【００３２】
なお、制御回路１５１には、ポンプ１０からの流体供給量（つまり、供給圧力）を決定するポンプ１０の駆動周波数と、パルス一個の切除力を決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、切除速度を決定する流体室８０の容積変化の周波数（圧電素子３０の駆動周波数に相当する）と、を設定するプログラムが格納されている。
【００３３】
次に各スイッチの機能について説明する。メインスイッチ２４は、流体噴射装置１の起動及び停止機能を有しており、具体的には制御回路１５１のＯＮ（立ち上げ）及びＯＦＦ（停止）を行う。
【００３４】
パルス流指令スイッチ２６は、ポンプ１０の低圧駆動及び脈流発生部２０の起動を行い、連続流指令スイッチ２７では、ポンプ１０の高圧駆動及び脈流発生部２０の停止を行う。流体噴射装置１の駆動途中でパルス流噴射から連続流噴射に切替える場合には、連続流指令スイッチ２７を操作（ＯＮ）すればよい。また、連続流噴射からパルス流噴射に切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作（ＯＮ）すればよい。さらに、噴射停止させる場合はＯＦＦスイッチ２８を操作すればよい。
【００３５】
次に、本実施形態における脈流発生部２０のパルス流噴射動作について図１、図２を参照して説明する。本実施形態の脈流発生部２０の流体吐出は、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１と出口流路８２側の合成イナータンスＬ２の差によって行われる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、入口流路８１の範囲において算出される。この際、ポンプ１０と入口流路８１を接続する流体供給チューブ４は柔軟性を有するため、合成イナータンスＬ１の算出から削除してもよい。
【００３９】
また、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２は、本実施形態では出口流路８２と接続流路９１の範囲のイナータンスである。なお、接続流路管９０の管壁の厚さは、流体の圧力伝播に対して十分な剛性を有している。
【００４０】
そして、本実施形態では、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１が出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きくなるように、入口流路８１の流路長及び断面積、出口流路８２の流路長及び断面積を設定する。
【００４１】
ポンプ１０によって入口流路８１には、所定の圧力で流体が供給されている。なお、ポンプ１０からの流体供給量はパルス流噴射量とほぼ等しい量であればよい。ここで、圧電素子３０が動作を行わない場合、ポンプ１０の吐出力と入口流路８１側全体の流路抵抗の差によって流体は流体室８０内に流動する。
【００４２】
圧電素子３０に駆動信号が入力され、圧電素子３０がダイアフラム４０の流体室８０側の面に対して垂直方向（矢印Ａ方向）に急激に伸長したとすると流体室８０の容積が縮小され、流体室８０内の圧力は、入口流路８１側及び出口流路８２側の合成イナータンス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。
【００４３】
この圧力は、入口流路８１に加えられていたポンプ１０による圧力よりはるかに大きいため、入口流路８１から流体室８０内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路８２からの流出は増加する。
【００４４】
さらに、入口流路８１側の合成イナータンスＬ１は、出口流路８２側の合成イナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路８１から流体室８０へ流入する流量の減少量よりも、出口流路８２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９１にパルス状の液体吐出、つまり、脈流が発生する。この吐出の際の圧力変動が、接続流路管９０内（接続流路９１）を伝播して、先端のノズル９５の流体噴射開口部９６から流体が噴射される。
【００４５】
ここで、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２の流路径よりも縮小されているので、流体はさらに高圧となり、パルス状の液滴となって高速噴射される。
【００４６】
一方、流体室８０内は、入口流路８１からの流体流入量の減少と出口流路８２からの流体流出の増加との相互作用で、圧力上昇直後に低圧状態（真空に近い状態）となる。そして、圧電素子３０を元の形状に復元すると、ポンプ１０の圧力と、流体室８０内の低圧状態の双方によって一定時間経過後、入口流路８１の流体は圧電素子３０の動作前（伸長前）と同様な速度で流体室８０内に向かう流れが復帰する。
【００４７】
入口流路８１内の流体の流動が復帰した後、圧電素子３０の伸長があれば、流体噴射開口部９６からパルス状の液滴を継続して噴射する。
【００４８】
ポンプ１０から所定の圧力で流体供給を継続しながら脈流発生部２０を駆動停止すると、流体は入口流路８１、流体室８０、出口流路８２を通過して流体噴射開口部９６に達する。この際、圧電素子３０は停止しているので流体は連続流として流体噴射開口部９６から噴射される。なお、流体噴射開口部９６の流路径は、出口流路８２及び接続流路９１の流路径よりもはるかに縮小されているため、ポンプ１０からの供給圧力より高い圧力で高速噴射される。
【００４９】
次に、連続流噴射とパルス流噴射との切除特性について説明する。
図４は、連続流噴射とパルス流噴射の切除特性を模式的に示す説明図であり、（ａ）はパルス流噴射、（ｂ）は連続流噴射を示している。パルス流噴射の場合、主にパルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧によって生体組織を削り取るように切除する（図中、矢印Ｃで表す）。この際、パルス一個の衝撃圧による切除力を決定する要因は、パルス流の流体粒の大きさを決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、パルス流の流体粒の速度を決定する流体室８０の容積を縮小させる速度（流体室８０の容積を縮小させる際の圧電素子３０の駆動時間に相当する）であるため、流体供給圧力は低圧でもよい。
【００５０】
連続流噴射の場合、連続的に噴射される流体の流体圧で生体組織を押し広げながら（図中、矢印Ｄで表す）切除（切開）が行われる。従って、流体圧による切除力はポンプ１０による流体供給圧力に影響される。つまり、流体圧による切除力を衝撃圧による切除力と同等以上にするためには、ポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めておかなければならない。
【００５１】
上述したように、パルス流噴射と連続流噴射の切除特性を使い分けることによって、様々な手術対象に対応することが可能となる。
【００５２】
次に、一つの流体噴射装置１をパルス流噴射と連続流噴射とに切替えて使用する場合の制御方法について説明する。
（流体噴射装置の制御方法）
【００５３】
図５は、流体噴射装置の制御方法を示すフロー説明図である。図１〜図３も参照する。なお、表１に制御の指令に係る各スイッチの機能を示す。
【００５４】
【表１】
まず、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１を起動させる（Ｓ１０）。つまり、制御回路１５１を立ち上げておく。次にパルス流噴射にするか連続流噴射にするかを選択する（Ｓ２０）。
【００５５】
パルス流噴射を選択する場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して噴射指令１を制御回路１５１に入力する（Ｓ２１）。連続流噴射を選択する場合には、連続流指令スイッチ２７を操作して噴射指令２を制御回路１５１に入力する（Ｓ４０）。
【００５６】
まず、パルス流噴射の場合を説明する。噴射指令１の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２に駆動指令が入力されポンプ１０が低圧駆動を開始する（Ｓ２２）。そして、脈流発生部２０には一定の圧力で流体供給が開始される。続いて、制御回路１５１から圧電素子駆動回路１５３に駆動指令が入力され脈流発生部２０（具体的には圧電素子３０）が起動され（Ｓ２３）、パルス流噴射を開始する。
【００５７】
パルス流噴射を継続した後、連続流噴射に切替えたい場合には次のステップに移行する。そこで、連続流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ２４）、連続流噴射にしない場合には、パルス流噴射をそのまま継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ２５）。噴射指令３に伴い制御回路１５１から圧電素子駆動回路１５３に停止命令が入力され脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）の駆動が停止され（Ｓ２６）、制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２に停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（Ｓ２７）、流体噴射動作が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００５８】
パルス流噴射から連続流噴射に切替える場合には、連続流指令スイッチ２７を操作して制御回路１５１に噴射指令２を入力する（Ｓ３０）。噴射指令２の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めて駆動するよう命令が入力され、ポンプ１０は高圧駆動される（Ｓ３１）。
【００５９】
連続流噴射の場合の流体供給圧力は、切除対象や切除特性から適切な圧力に予め設定され、そのプログラムは制御回路１５１に格納されている。ポンプ１０の高圧駆動開始とほぼ同時に脈流発生部２０が駆動停止し（Ｓ３２）、連続流噴射を開始する。
【００６０】
ここで、連続流噴射の場合の流体供給圧力について説明する。生体組織切除用の流体噴射装置では、噴射される連続流が生体組織の切開または切除の能力を十分に有するために、流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上であることが望ましい。従って、パルス流噴射から連続流噴射に切替える際には、流体噴射開口部から噴射される連続流の流速が２０（ｍ／秒）以上となるように流体供給圧力を設定することにより、連続流でも十分に生体組織の切開または切除の能力を備えることが可能となる。
【００６１】
連続流の場合における流体の流速は、供給される流量と流路の断面積によって決まる。ここで、流体供給手段から供給される流量をＱ（ｍ3／秒）、流体噴射開口部から噴射される液体の流速をＶ（ｍ／秒）、流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）とする。生体組織切除用の流体噴射装置では、切開、切除、剥離などを微細に行ったり、同程度の太さの血管周りを切除するのに適合した施術を行ったりするために、流体噴射ノズルの流体噴射開口部の直径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度に設定されると良い。従って、流体開口部の断面積Ａは、２．５π×１０-9ｍ2〜２２．５π×１０-9ｍ2となることが望ましい。
【００６２】
このとき、流体噴射開口部から噴射される液体の流速Ｖは次式のように表せる。
Ｖ＝Ｑ／Ａ
流体噴射開口部から噴射される液体の流速Ｖが２０（ｍ／秒）以上であれば生体組織の切開または切除の能力を十分に備えるため、連続流において生体組織の切開または切除が可能となるための流体供給手段から供給される流量Ｑの条件について、以下の不等式が成り立つ。
Ｑ≧２０Ａ
従って、流体供給手段から供給される流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように流体供給圧力を高めれば、連続流が生体組織の切開または切除能力を備えることが可能となる。なお、流体供給圧力と流体供給手段から供給される流量との間には相互的な関係があるため、流体供給圧力を高めれば流体供給手段からの供給流量が増加する。
【００６３】
例えば、本実施形態において、流体噴射開口部９６の断面積が１×１０-8（ｍ2）であるとすると、連続流噴射の場合に、ポンプ１０の流体供給圧力を高めてポンプ１０からの流体供給量を２０×１０-8（ｍ3／秒）以上になるように設定すれば、流体噴射開口部９６から噴射される連続流の流速を２０（ｍ／秒）以上とすることができる。
【００６４】
なお、連続流噴射の場合におけるポンプ１０の圧力の上限は、ポンプ１０の性能で決めたり、流体噴射装置に使われている部品の耐圧（例えば、流体供給チューブ４の耐圧）に基づいて適宜上限を設定したりすればよい。
【００６５】
連続流噴射を継続した後、パルス流噴射に再度切替えたい場合には、パルス流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ３３）、パルス流噴射に移行しない場合にはそのまま連続流噴射を継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ４３）。噴射指令３に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ駆動停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（（Ｓ４４）、流体噴射が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００６６】
ステップ３３（Ｓ３３）で連続流噴射からパルス流噴射に再度切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して制御回路１５１に噴射指令１を入力する（Ｓ２１）。噴射指令１によってポンプ１０は低圧駆動に切替えられ（Ｓ２２）、続いて、脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）を起動し（Ｓ２３）、パルス流噴射に移行する。その後、ステップ２４（Ｓ２４）以降の制御ステップに沿って連続流噴射か、パルス流噴射かを選択制御する。
【００６７】
次に、流体噴射装置１を起動（Ｓ１０）した後に、連続流噴射させる場合の制御方法について説明する。流体噴射装置１起動後、連続流噴射を選択する（Ｓ２０）。次に連続流指令スイッチ２７を操作して噴射指令２を制御回路１５１に入力する（Ｓ４０）。噴射指令２の入力に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ１０の流体供給圧力を高めて駆動するよう命令が入力され、ポンプ１０は高圧駆動される（Ｓ４１）。ここで、連続流噴射の場合のポンプ１０からの流体供給圧力は、パルス流噴射の場合の供給圧力よりも高く設定されている。
【００６８】
連続流噴射を継続した後、パルス流噴射に切替えるかを判断し（Ｓ４２）、パルス流噴射に移行しない場合には、連続流噴射をそのまま継続し、その後停止させる場合にはＯＦＦスイッチ２８を操作して噴射指令３を制御回路１５１に入力する（Ｓ４３）。噴射指令３に伴い制御回路１５１からポンプ駆動回路１５２にポンプ駆動停止命令が入力されてポンプ１０が駆動停止し（Ｓ４４）、流体噴射が終了する。そして、メインスイッチ２４を操作して流体噴射装置１の全システムを停止させる（Ｓ５０）。
【００６９】
ステップ４２（Ｓ４２）で連続流噴射からパルス流噴射に切替える場合には、パルス流指令スイッチ２６を操作して制御回路１５１に噴射指令１を入力する（Ｓ２１）。噴射指令１によってポンプ１０は低圧駆動に切替えられ（Ｓ２２）、続いて、脈流発生部２０（つまり、圧電素子３０）を起動し（Ｓ２３）、パルス流噴射に移行する。その後、ステップ２４（Ｓ２４）以降の制御ステップに沿って連続流噴射か、パルス流噴射かを選択制御する。
【００７０】
以上説明した流体噴射装置の構成及び制御方法によれば、一つの流体噴射装置を噴射指令切替え手段２５によりパルス流噴射または連続流噴射を選択的に切替えて使用することができる。よって、手術途中であっても切除特性に合わせて連続流噴射とパルス流噴射とに容易に切替えて手術することができる。
【００７１】
パルス流噴射の場合、主にパルス化した流体の先頭波や流体粒の衝撃圧によって生体組織を削り取るように切除する。従って、パルス一個の衝撃圧による切除力を決定する要因は、パルス流の流体粒の大きさを決定する流体室８０の容積変化量（排除体積）と、パルス流の流体粒の速度を決定する流体室８０の容積を縮小させる速度（流体室８０の容積を縮小させる際の圧電素子３０の駆動時間に相当する）であるため、流体供給圧力は低圧でもよい。
【００７２】
例えば、本実施形態において、先に例示したように流体噴射開口部９６の断面積が１×１０-8（ｍ2）であるとする。この時、パルス流噴射であれば、ポンプ１０からの流体供給流量が２０×１０-8（ｍ3／秒）未満となるようなポンプ１０の流体供給圧力を設定しても、生体組織を切開または切除することが可能である。
【００７３】
従って、パルス流噴射の場合は、少ない流量（低圧）で高い切除能力が得られるとともに、術視野を妨げることなく施術することができる。
【００７４】
連続流噴射の場合、連続的に噴射される流体の流体圧で押し広げながら切除（切開）が行われる。従って、流体圧による切除力はポンプ１０による流体供給圧力に影響される。つまり、流体圧による切除力を衝撃圧による切除力と同等以上にするためには、ポンプ１０の流体供給圧力をパルス流噴射の場合よりも高めておかなければならない。特に、特開２００８−８２２０２号公報や本実施の形態のように逆止弁を持たずに流体のイナータンス効果で高圧のパルス流を実現する構成においては有効である。
【００７５】
従って、連続流噴射の場合は、流体供給圧力を高めることによって切除能力を高めるとともに、生体組織の剥離等の連続流噴射に適合した施術を行うことができる。
【００７６】
このようにパルス流噴射と連続流噴射の切除特性を使い分けることによって、様々な手術対象に対応することが可能となる。
【００７７】
なお、術者は流体噴射装置１を把持して手術を行う。噴射指令切替え手段２５は、流体噴射装置１に設けられるスイッチ群で構成されるため、術者は手元でパルス流噴射か連続流噴射か噴射停止するかを選択することが可能であり作業性が極めてよい。
【００７８】
また、パルス流噴射を選択する場合、連続流噴射を選択する場合、及び噴射停止させる場合それぞれにおいて、専用のパルス流指令スイッチ２６、連続流指令スイッチ２７、ＯＦＦスイッチ２８を設けているため、術者は１操作で流体噴射装置を所望の流体噴射状態に制御することができ、より一層作業性を高めることができる。
【００７９】
なお、以上説明した実施形態では、パルス流噴射と連続流噴射とをスイッチによって切り替える構成としたが、ノズル６５の先端にカメラ等のセンサーを備え、センサーの検出結果に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替えてもよい。
【００８０】
例えば、切除対象の生体組織を画像認識技術によってセンサーが検出するまでは連続流噴射を行ってノズル６５が生体内を侵入しやすいように生体組織を押し広げながら切除を行い、切除対象の生体組織を検出したときにパルス流噴射に切り替えることによって、悪性腫瘍等、飛散すると転移等の危険性が高い生体組織は少ない流体量で切除を行うといったことを術者がスイッチ操作を要することなく実現することができる。
【００８１】
また、実施形態では、パルス流噴射と連続流噴射とをスイッチによって切り替える構成としたが、流体供給容器２の流体残量に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替える構成としてもよい。例えば、流体残量が所定量以上の場合には多量の流体を使用できることから連続流噴射を行い、流体残量が所定量未満の場合には少量の流体で切除可能なパルス流噴射を行うようにしてもよい。特に砂漠等の流体が貴重な地域においては、流体を無制限に使用することが困難であることから、流体残量に応じてパルス流噴射と連続流噴射とを切り替える構成は好適である。
【００８２】
また、前述した実施形態では、ダイアフラム４０を圧電素子３０により押圧し脈流を発生させる構成としたが、これに限らず、脈流を発生させる構成であれば他の形態でも構わない。例えばピストン（プランジャー）を圧電素子を用いて駆動することによって流体室８０の容積を縮小させ、脈流を発生させてもよい。また、流体室８０内の液体をレーザー誘起によって泡状（バブル）にし、バブルを噴射させることによって脈流を発生するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１…流体噴射装置、１０…流体供給手段としてのポンプ、２０…脈流発生部、２５…噴射指令切替え手段、２６…パルス流指令スイッチ、２７…連続流指令スイッチ、２８…ＯＦＦスイッチ、３０…容積変更手段としての圧電素子、４０…ダイアフラム、８０…流体室、９６…流体噴射開口部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体室と、
前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、
前記流体室に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、
前記容積変更手段を動作させて前記流体室の容積を変更することによって、前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止させた状態で前記パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切替える噴射指令切替え手段と、
が備えられていることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記流体を噴射する流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）としたとき、
前記流体噴射開口部の断面積Ａが、２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）であって、
前記噴射指令切替え手段は、前記連続流噴射を行う場合の前記流体供給手段から流体を供給する流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように、前記流体供給圧力を高めること、
を特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
【請求項３】
流体室に流体を供給することと、
前記流体室の容積を変化させることによって前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記流体室の容積を維持することによって前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切り替えることと、
を含み、
前記切り替えることは、前記パルス流噴射の場合よりも、前記流体室に供給する前記流体の圧力を高めて前記連続流噴射を行うことを特徴とする流体噴射装置の制御方法。
【請求項１】
流体室と、
前記流体室の容積を変更する容積変更手段と、
前記流体室に所定の圧力で流体を供給する流体供給手段と、
前記容積変更手段を動作させて前記流体室の容積を変更することによって、前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記容積変更手段を停止させた状態で前記パルス流噴射の場合よりも前記流体供給手段からの流体供給圧力を高めて前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切替える噴射指令切替え手段と、
が備えられていることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記流体を噴射する流体噴射開口部の断面積をＡ（ｍ2）としたとき、
前記流体噴射開口部の断面積Ａが、２．５π×１０-9（ｍ2）≦Ａ≦２２．５π×１０-9（ｍ2）であって、
前記噴射指令切替え手段は、前記連続流噴射を行う場合の前記流体供給手段から流体を供給する流量が２０Ａ（ｍ3／秒）以上となるように、前記流体供給圧力を高めること、
を特徴とする請求項１記載の流体噴射装置。
【請求項３】
流体室に流体を供給することと、
前記流体室の容積を変化させることによって前記流体をパルス状に噴射させるパルス流噴射と、前記流体室の容積を維持することによって前記流体を噴射させる連続流噴射と、を切り替えることと、
を含み、
前記切り替えることは、前記パルス流噴射の場合よりも、前記流体室に供給する前記流体の圧力を高めて前記連続流噴射を行うことを特徴とする流体噴射装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−６９３５１（Ｐ２０１１−６９３５１Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１０１２（Ｐ２０１０−７１０１２）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【特許番号】特許第４６５５１６３号（Ｐ４６５５１６３）
【特許公報発行日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【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２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【特許番号】特許第４６５５１６３号（Ｐ４６５５１６３）
【特許公報発行日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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