JP2010077949A - 流体噴射装置、配管部材の成形方法、流体噴射ユニット、及び手術装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を噴射する構造における、殺菌又は滅菌の処理を容易にし、且つ密封性を高める。
【解決手段】加圧ポンプ２０から供給された流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁１１３が変動可能な流体室１１４を一体成形した配管部材１１０と、配管部材１１０の先端に一体成形され、流体室１１４の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズル１２０と、流体室１１４の外壁１１３を変動させる圧電素子１１５と、を備える。圧電素子１１５は、流体室１１４の外壁１１３の全周を覆うように設置する。配管部材１１０は、加圧流体を注入する中空成形によって流体室１１４が一体成形される。すなわち、先端が閉塞された一本の配管を金型にセットして加圧流体を注入することにより、入口流路１１１と出口流路１１２との間の外壁を金型に沿って膨出させて流体室１１４を一体成形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体噴射装置、及び流体噴射装置の制御方法、流体噴射ユニット、及び手術装置に関するものである。

従来、流体を噴射して対象部位の切断又は切除などを行う技術が知られている。
例えば、医療分野では、生体組織を切開又は切除する流体噴射装置として、ピエゾ素子の駆動によって容積が変化する流体室と、この流体室に連通されたノズルとを備え、流体室に流体を供給すると共に、ピエゾ素子を駆動することで、脈動する流体をノズルから高速噴射するものがあった（特許文献１参照）。
特開２００８−０８２２０２号公報

上記特許文献１に記載された従来例にあっては、異なる複数の部材を接合することによって流体室が形成されており、また流体室からノズルまでの流路も複数の部材を接合した構造になっているので、部品点数が増大するばかりでなく、各部材を殺菌又は滅菌するための処理工数が増大してしまう。さらに、各部材の接合箇所が密封されていないと流体の漏出を招くので、高い寸法精度や形状精度が要求され、コストの増大も招いてしまう。
本発明の課題は、流体を噴射する構造における、殺菌又は滅菌の処理を容易にし、且つ密封性を高めることである。

第１の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする。
このように、流体室を一体成形した一本の配管部材を備えることで、殺菌又は滅菌の処理が容易になり、且つ密封性を高めることができる。
第２の発明は、
ユーザからの駆動指令に応じて前記圧電素子を駆動制御する制御手段を備えることを特徴とする。
このように、ユーザからの駆動指令に応じて圧電素子が駆動制御されるので、ユーザが流体の噴射を任意に制御することができる。

第３の発明は、
前記配管部材の外周面との間に隙間を空けた状態で前記配管部材の先端側に周設されると共に、前記ノズル側の先端が開口し前記流体室側の基端が閉塞された外方配管と、前記外方配管の基端側に連通された吸引ポンプと、を備えることを特徴とする。
このように、配管部材の先端側に外方配管を周設し、外方配管に吸引ポンプを連通することで、吸引ポンプを駆動するときに、外方配管の先端から吸引することができる。すなわち、外方配管が一体化された配管部材により、一つのユニットで噴射機能と吸引機能とを兼ね備えることができる。
第４の発明は、
前記圧電素子は、前記流体室の外周全体を覆うように設置されることを特徴とする。
このように、流体室の外周全体を覆うように圧電素子を設置することで、流体室の外壁全周を変動させることができる。したがって、流体室の圧力変動の振幅を大きくすることができ、効果的に流体を噴射することができる。

第５の発明は、
前記圧電素子は、前記流体室の外周の一部に設置されることを特徴とする。
このように、流体室の外周の一部に圧電素子を設置することで、外周全体の肉厚化を抑制することができる。
第６の発明は、
前記流体室の外壁における前記圧電素子の設置箇所以外の部位を支持する支持部材を備えることを特徴とする。
このように、圧電素子の設置箇所以外の部位を支持することで、圧電素子が流体室の外壁を押圧したときに、その反動によって圧電素子の設置箇所以外の部位が膨出することを防げる。したがって、流体室の圧力低下を防止することができる。

第７の発明は、
流体が基端側から先端側へと流れる配管部材の流路上に、加圧流体を注入する中空成形によって、管内が収縮方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形することを特徴とする。
このように、中空成形することによって、流体室が一体成形された配管部材を、一本の配管から容易に成形することができる。
第８の発明は、
流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする。
このように、流体室を一体成形した一本の配管部材を備えることで、殺菌又は滅菌の処理が容易になり、且つ密封性を高めることができる。

第９の発明は、
流体を供給する供給手段と、前記供給手段から供給された流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする。
このように、流体室を一体成形した一本の配管部材を備えることで、殺菌又は滅菌の処理が容易になり、且つ密封性を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明は、具体例の一つに過ぎず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、適宜変更してもよい。また、参照する図面は、便宜上、模式的に描いたものであって、形状や縮尺は実際のものとは異なる点がある。
本実施形態では、医療分野で利用される流体噴射装置、つまり例えば水・生理食塩水・薬液などを利用して生体組織を切開又は切除する手術用のウォーターメスを例に説明するが、これに限定されるものではなく、顔料や染料による描画や、塗料による塗膜形成、洗浄液による洗浄、物体の切断や切除など、様々な用途に利用可能である。

（構成）
図１は、流体噴射装置１の全体図である。
流体噴射装置１は、流体を貯留した流体容器１０と、流体を吸入し吐出する加圧ポンプ２０と、この加圧ポンプ２０から吐出された流体を脈動させながら高速噴射する噴射ユニット１００と、加圧ポンプ２０及び噴射ユニット１００を駆動制御するコントローラ３０と、を備える。加圧ポンプ２０の吸入口は、接続チューブ１５を介して流体容器１０に連通し、加圧ポンプ２０の吐出口は、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００に連通している。したがって、加圧ポンプ２０は、接続チューブ１５を介して流体容器１０から流体を吸入し、接続チューブ２５を介して噴射ユニット１００へ流体を供給する。

なお、加圧ポンプ２０は省略し、輸液バッグをスタンド等で噴射ユニット１００よりも高い位置に保持することにより、流体を噴射ユニット１００へと供給してもよい。これによれば、構成を簡素化することができ、さらに消毒等が容易になる利点もある。加圧ポンプ２０を用いる場合には、吐出圧は約３気圧（０.３ＭＰａ）以下に設定する。また、輸液バッグを用いる場合には、０.１〜０.１５気圧（０.０１〜０.１５ＭＰａ）程度になるように、噴射ユニット１００と輸液バッグの液上面との高度差を設定する。

噴射ユニット１００は、ウォーターパルスメスのハンドピースとして、術者によって把持される部材である。したがって、噴射ユニット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、流体を噴射ユニット１００に送液可能な範囲で低圧にすることが好ましい。特に、脳手術のように、機器の故障が重大な事故を引き起こす恐れがある場合には、接続チューブ２５の切断等において高圧な流体が噴出することは避けなければならず、このことからも低圧にしておく必要がある。
噴射ユニット１００は、加圧ポンプ２０から供給された流体が基端側から先端側へと流れる配管部材１１０と、この配管部材１１０の先端に一体成形され流体を噴射するノズル１２０と、を備えている。

配管部材１１０の先端側は、配管部材１１０よりも大径の外方配管１３０が周設された二重構造になっており、外方配管１３０には吸引ポンプ４０が連通されている。吸引ポンプ４０の吸入口は、接続チューブ３５を介して外方配管１３０に連通し、吸引ポンプ４０の吐出口は、接続チューブ４５を介して排出容器５０に連通されている。したがって、吸引ポンプ４０は、噴射された流体や切除された生体組織片などを、接続チューブ３５を介して外方配管１３０から吸入し、接続チューブ４５を介して排出容器５０へと噴射ユニット１００へ流体や生体組織片を排出する。接続チューブ２５と同様に、接続チューブ３５もできるだけ柔軟であることが好ましい。

図２は、噴射ユニット１００の断面である。
配管部材１１０は、基端側の入口流路１１１と、先端側の出口流路１１２と、入口流路１１１から出口流路１１２への流路上に一体成形され、管内が収縮する方向に外壁１１３が変動可能な円筒状の流体室１１４と、を備える。流体室１１４の外壁１１３には、この外壁１１３を変動させる圧電素子１１５が周設されており、この圧電素子１１５には、この圧電素子１１５の外方への変形を阻止する円筒状の規制部材１１６が外嵌されている。圧電素子１１５は、流体室１１４の外壁の全周を覆うように設置されている。

ノズル１２０は、出口流路１１２の直径よりも小さい細孔で構成されている。
上記の構成により、術者からの噴射指令が入力されたときに、コントローラ３０は、加圧ポンプ２０を駆動して流体を噴射ユニット１００へ供給すると共に、圧電素子１１５を駆動して振動させる。圧電素子１１５は、規制部材１１４の内周面によって外方への変形が阻止されているので、その振動は流体室１１４の外壁１１３へと伝達される。これにより、流体室１１４の外壁１１３が振動し、流体室１１４の容積が変動するので、この流体室１１４に供給された流体が、出口流路１１２及びノズル１２０を介して脈動状態で高速噴射される。
噴射ユニット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）との差によって行われる。

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。
すなわち、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、形状が異なる複数の流路の直列接続に関する合成イナータンスは、電気回路におけるインダクタンスの並列接続や直列接続と同様に、個々の流路のイナータンスを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、入口流路１１１の範囲において算出される。この際、加圧ポンプ２０と入口流路１１１を接続する接続チューブ２５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。また、出口流路側のイナータンスＬ２は、出口流路１１２のイナータンスと見なしてもよい。
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１１１の流路長と断面積、及び出口流路１１２の流路長と断面積を設定する。

一方、外方配管１３０は、配管部材１１０に対して隙間を空けて周設されており、先端がノズル１２０の近傍で開口し、基端が流体室１１４の近傍で閉塞されている。外方配管１３０の基端側には、接続チューブ３５に連通される排出路１３１が軸直方向（径方向）に突設されている。
上記の構成により、術者からの吸引指令が入力されたときに、コントローラ３０は、吸引ポンプ４０を駆動し、噴射された流体や切除された生態組織片などを、外方配管１３０の先端から吸引し、排出容器５０へと排出する。

次に、配管部材１１０の成形方法について説明する。
配管部材１１０は、加圧流体を注入する中空成形によって流体室１１４が一体成形される。すなわち、先端が閉塞された一本の配管を金型にセットして加圧流体を注入することにより、入口流路１１１と出口流路１１２との間の外壁を金型に沿って膨出させて流体室１１４を一体成形する。流体室１１４の外壁１１３は、配管の膨出に伴って薄肉化するので、管内を収縮する方向に（径方向の内側に）変動可能な状態となる。

そして、閉塞された先端に、細孔を穿設することで、ノズル１２０を一体成形する。
（作用）
先ず、流体室１１４での流体動作と作用効果について説明する。
圧電素子１１５が急に伸張したときに、入口流路側のイナータンスＬ１、及び出口流路側のイナータンスＬ２が十分な大きさを有しているとすると、流体室１１４の圧力が急上昇して数十気圧に達する。この圧力は、入口流路１１１に加えられていた加圧ポンプ２０による圧力より大きいため、入口流路側から流体室１１４内への流体の流入はその圧力によって減少し、出口流路１１２からの流出は増加する。したがって、入口流路側に逆止弁を設ける必要がない。

入口流路１１１のイナータンスＬ１は、出口流路１１２のイナータンスＬ２よりも大きいため、入口流路１１１から流体室１１４へ流入する流体の減少量よりも、出口流路１１２から吐出される流体の増加量のほうが大きくなり、出口流路１１２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により、先端のノズル１２０から流体が噴射される。また、ノズル１２０を構成する細孔の直径は、出口流路１１２の直径よりも小さいので、流体は更に高圧・高速のパルス状の液滴として噴射される。
流体室１１４は、入口流路１１１からの流入量の減少と、出口流路１１２への流出量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、加圧ポンプ２０の圧力と流体室１１４の真空状態との双方によって、一定時間が経過した後に、入口流路１１１の流体は、圧電素子１１５の動作前と同等な速度で、流体室１１４へと流れる。

入口流路１１１で流動が再開した後、再び圧電素子１１５の伸張があれば、ノズル１２０からの脈動流を継続して噴射することができる。
このように、脈動状態で流体を噴射することで、連続噴射する場合と比べて流体が少量で済む。また、術野に飛散し滞留する流量が少ないことで回収もしやすいので、視認性の確保にも貢献する。また、切開・切除・切断する能力は、連続噴射する場合と比べても、同等か、それ以上であることが判明している。
さらに、配管部材１１０の出口流路１１２は、流体の脈動をノズル１２０に伝達し得る剛性を有しているので、流体の圧力伝播を妨げることなく、所望の脈動流を噴射することができる。

また、入口流路１１１のイナータンスを、出口流路１１２のイナータンスよりも大きく設定していることから、入口流路１１１から流体室１１４への流体の流入量の減少よりも大きい流出量の増加が出口流路１１２に発生し、パルス状の流体噴射が実現される。したがって、入口流路１１１側に逆止弁を設けなくてもよく、噴射ユニット１００の構造を簡素化できるとともに、内部の洗浄が容易になる他、逆止弁を用いることに起因する耐久性の不安を排除することができる。
なお、入口流路１１１及び出口流路１１２双方のイナータンスを十分大きく設定することにより、流体室１１４の容積を急激に縮小すれば、流体室１１４内の圧力を急激に上昇させることができる。
また、圧電素子１１５によって流体室１１４の容積を可変にしているので、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１１４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である。

次に、配管部材１１０の構造に関する作用効果について説明する。
流体室１１４を、異なる複数の部材を接合することによって形成したり、また流体室１１４からノズル１２０までの流路を、複数の部材を接合することによって形成したりした場合には、部品点数が増大するばかりでなく、各部材を殺菌又は滅菌するための処理工数が増大してしまう。さらに、各部材の接合箇所が密封されていないと流体の漏出を招くので、寸法精度や形状精度が厳しくなり、コストの増大も招いてしまう。
そこで、本実施形態では、配管部材１１０における流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁１１３が変動可能な流体室１１４を一体成形すると共に、配管部材１１０の先端にノズル１２０を一体成形している。

これにより、殺菌又は滅菌の処理が容易になり、且つ密封性を高めることができる。
また、配管部材１１０の先端側には、配管部材１１０の外周面との間に隙間を空けた状態で外方配管１３０が周設され、この外方配管１３０の基端側に吸引ポンプ４０を連通している。
これにより、吸引ポンプ４０を駆動するときに、噴射された流体や切除された生態組織片などを外方配管１３０の先端から吸引することができる。すなわち、外方配管１３０が一体化された配管部材１１０により、一つの噴射ユニット１００で噴射機能と吸引機能とを兼ね備えることができる。

また、圧電素子１１５は、流体室１１４の外周全体を覆うように設置される。
これにより、流体室１１４の外壁全周を変動させることができるので、流体室１１４の圧力変動の振幅を大きくすることができ、効果的に流体を噴射することができる。
配管部材１１０を成形する場合、加圧流体を注入する中空成形によって流体室１１４を一体成形する。
これにより、流体室１１４が一体成形された配管部材１１０を、一本の配管から容易に成形することができる。

（変形例）
なお、本実施形態では、流体室１１４の外壁全周を覆うように圧電素子１１５を設置しているが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、流体室１１４の外壁１１３の一部にだけ圧電素子１１５を設置してもよい。これにより、外周全体の肉厚化を抑制することができる。

この場合、流体室１１４の外壁１１３における圧電素子１１５の設置箇所以外の部位を支持する支持部材１１７を設ける。すなわち、流体室１１４と規制部材１１６との隙間を支持部材１１７によって埋める。これにより、圧電素子１１５が流体室１１４の外壁１１３を押圧したときに、その反動によって圧電素子１１５の設置箇所以外の部位が膨出することを防げる。したがって、流体室１１４の圧力低下を防止することができる。なお、支持部材１１７は、規制部材１１６と一体成形してもよい。
また、本実施形態では、配管部材１１０を成形する場合、加圧流体を注入する中空成形によって流体室１１４を一体成形する例について説明したが、これに限定されるものではなく、太い配管を用意し、流体室１１４以外の部分をローラで圧縮して、細管とすることによって配管部材１１０を成形してもよい。

流体噴射装置１の全体構成である。 噴射ユニット１００の縦断面である。 圧電素子１１５の他の設置例である。

符号の説明

１…流体噴射装置、１０…流体容器、１５…接続チューブ、２５…接続チューブ、２０…加圧ポンプ、３０…コントローラ、３５…接続チューブ、４５…接続チューブ、４０…吸引ポンプ、５０…排出容器、１００…噴射ユニット、１１０…配管部材、１１１…入口流路、１１２…出口流路、１１３…外壁、１１４…流体室、１１５…圧電素子、１１６…規制部材、１２０…ノズル、１３０…外方配管、１３１…排出路

Claims (9)

1. 流体を供給する供給手段と、
   前記供給手段から供給された流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、
   前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、
   前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする流体噴射装置。
2. ユーザからの駆動指令に応じて前記圧電素子を駆動制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
3. 前記配管部材の外周面との間に隙間を空けた状態で前記配管部材の先端側に周設されると共に、前記ノズル側の先端が開口し前記流体室側の基端が閉塞された外方配管と、
   前記外方配管の基端側に連通された吸引ポンプと、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射装置。
4. 前記圧電素子は、前記流体室の外周全体を覆うように設置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流体噴射装置。
5. 前記圧電素子は、前記流体室の外周の一部に設置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の流体噴射装置。
6. 前記流体室の外壁における前記圧電素子の設置箇所以外の部位を支持する支持部材を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の流体噴射装置。
7. 流体が基端側から先端側へと流れる配管部材の流路上に、加圧流体を注入する中空成形によって、管内が収縮方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形することを特徴とする配管部材の成形方法。
8. 流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、
   前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、
   前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする流体噴射ユニット。
9. 流体を供給する供給手段と、
   前記供給手段から供給された流体が基端側から先端側へと流れる流路上に、管内が収縮する方向に外壁が変動可能な流体室を一体成形した配管部材と、
   前記配管部材の先端に成形され、前記流体室の外壁の変動に応じて流体を噴射するノズルと、
   前記流体室の外壁を変動させる圧電素子と、を備えることを特徴とする手術装置。

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