电外科消融设备及消融生物组织的方法

专利名称：电外科消融设备及消融生物组织的方法
技术领域：
本发明涉及用于在生物组织治疗中使用微波辐射的设备和方法。
背景技术：
具有14GHz到15GHz之间频率的微波能量能够产生生物组织的可控 消融。在这些频率上，辐射的穿透深度是有限的，这可能是有益的。
WO 2004/047659和WO 2005/115235公开了使用微波辐射消融组织 并测量关于组织类型和/或状态的信息的设备和方法。这些文件公开了在 能量源和组织之间进行动态阻抗匹配的好处。
这些文件指出使用RF和低频微波治疗系统的缺点，在使用这些系统 时主导的能量传输机制为热传导并且穿透的深度(在此处定义为当能量源 降低到最大值的37%时能量所传播的距离)使得大量的组织在靶组织的 温度能够被升高到所需要的值之前被加热。

发明内容
本发明期望以WO 2004/047659和WO 2005/115235中公开的系统为 基础。 一般地说，本发明提供一种便携式设备，用于传送在微波频率上产 生的能量以由辐射产生具有期望穿透深度的可控消融，以使得能够有效地 治疗与例如线脉、疣、皮赘和痣的小组织结构相关的症状。该i殳备可以适 合于4吏用在难以接近治疗位置(Treatment site)的情况下或者在不便的 (不适宜的)治疗条件下。例如，可能的应用包括车祸伤者治疗、战场受 伤治疗、防止普通手术中失血过多的封闭(Sealing)以及兽医防止动物失 血过多的使用。
对于在战争创伤或事故伤害所造成的失血可能威胁生命的现场工作 的护理人员或军医来说，使用不需要市电电压源的系统停止伤口出血的能 力可能尤其具有吸引力。将便携性与产生高频微波能量的能力结合在一起 的系统特别具有优势，因为高频微波能量会立即将组织加热到可以发生有效的烧灼或凝结或消融的温度。高频微波能量的使用使得能量可以由非电 离辐射传送而不是由热传导传送，因此效果几乎是瞬时的。
本发明的便携性的另一优点可以是避免了 WO 2004/047659和WO 2005/115235中所公开的连接微波&生器和治疗天线的长微波电缆组件。 通iti^免此组件，本发明可以允许在接近所治疗的组织处进行测量，由此 消除相位和幅度随电缆弯曲而变化的不良影响。另夕卜，由于没有在传输电 缆中被损失，使用手持设备传递^组织的 一部分由微波源产生的能量可 以被优化。例如，如果传送电缆具有3dB的插入损失，那么只有一半在 源处产生的功率到iii且织负载。
因此，本发明的第一方面可以提供用于使用微波能量治疗生物组织的 设备，该设备包括具有微波发生器和天线的手持单元，其中微波发生器设 置为将微波能量传送给天线并且将其从天线辐射从而可控地消融生物组 织。手持单元可以具有类似于笔的几何外形。类似于笔的大小4吏得该单元 能够容易地被使用者操纵，同时保持了微波发生器位于接近天线处的优 点。在这种情况下，使用者可以是任意以下人员顾问医生或外科医生、 全科医师、会诊医生、护理人员、军医或兽医。
该设备可以包括两个单元。第一个单元可以是上述手持单元。可以为 特定的应用设计手持单元，特定应用例如是低功率线脉治疗或韧带紧缩， 或高功率疼痛治疗(神经丛的消融)或伤口处理。第二个单元可以是控制
单元，包括电源(例如，诸如电池组或开关式电源的直流电源)、控制电 路(例如晶体管导通/关断顺序电路，以及当遇到高反射功率时关闭微波 源的关闭系统)和用户接口 (例如包括条形显示器的状态显示器、微动开 关、LED等)。可以-使用低频电缆组件将这两个单元连接在一起，该电缆 组件包括用于将电送到手持单元(例如漏电源、栅-源电源等)的直流电 源线，以及用于在手持单元和控制单元(例如用于正向和反射功率检测器、 放大增益控制、功率水平控制等的信号)之间传送控制信号的低频控制信 号线。
本发明部分地产生于对小型微波工程部件可以在对医疗有用的频率 上使用的认识。另外，例如氮化镓(GaN)的新兴的器件技术，使得在实 践中能够实现更高的微波功率对直流功率的效率。本发明公开了如何可以 将这种部件设置为产生适合的电外科设备。
优选地，微波发生器包括微波频率源、放大器(例如单片微波集成电 路(MMIC)放大器)、循环器、功率倾卸负载(power dump load )。使用设置为检测正向和反射功率水平的传感元件实现对微波发生器的控制。 将传感结果作为控制信号提供给设置为控制微波发生器的控制单元。优选 地将传感元件提供在手持单元内，但也可以在控制单元内。传感元件可以 包括一个或更多微带线耦合器(或者连接在微波循环器内以提取小部分的
正向和反射功率的E-场探针)以及适合的二极管检测器，例如，隧道二 极管、零偏压肖特基二极管、闩沟道肖特基二极管或偏压肖特基二极管。 可选地，传感元件可以包括一个或更多波导耦合器。使用波导耦合器的一 个优点是通过结构的能量损失(插入损失)通常低于使用微带线耦合器的 可能损失。适合的波导耦合器的例子包括H'-环路耦合器、Riblet-Saad 耦合器、倍兹孔耦合器和Schwinger反相耦合器。
优选地，微波发生器包括分别用于产生微波功率脉冲和控制功率水平 的调制开关和衰减器单元(例如可由控制单元控制)。优选地将调制开关 和衰减器插入到频率源的输出和放大器的输入之间的微波排列(line-up ) 中。在一个实施例中，调制开关是单刀单掷(SPST) PIN 二极管开关， 而衰减器为8位64dB PIN 二极管数字衰减器或60dB可变电压衰减器。
可选地，可以改变(例如从控制单元)提供给用于形成功率放大器的 MMIC放大器或分立式晶体管的偏压以控制功率水平。例如，GaAs功率 器件可以用于在一定范围上改变栅-源电压，该范围可以使得器件的沟道 被切断(漏电流为零)直到沟道完全开启且器件工作在饱和状态(漏电流 为最大值)。与特定器件相关的跨导曲线的形状决定在零和最大漏电流之 间工作所需要的栅-源电压值，并且对于使用这种方法的功率控制可以达 到大约15dB的动态范围。本发明期望使部件的数量最小化从而能够实现 外形小巧的手持单元，因而对于实现本发明中的功率水平控制和脉沖功率 ^作，这种功率控制和开关(调制)的方法可能是优选的。与这种功率控 制方式相关的另外的优点是，用栅-源电压来切断沟道的操作意味着直流 电源也被置于零，从而使直流发热最小化并且使微波对直流功率的效率最 大化。应该注意到，使用普通A类偏置设置意味着即便在没有产生微波 能量的时候直流漏电流(静态电流)也总是存在；这种用栅-源电压来切 断的方法还保证了将静态电流降为零或接近于零(可能会有一些泄漏电流 通过，但由于它将是微安量级或者甚至是纳安量级的，因而这不会有显著 的影响)。
如果微》^iC生器包括调制(例如SPST)开关和衰减器单元，可以使 用微机电(MEM)开关来实现SPST开关。使用MEM器件的优点是高可靠性和小尺寸。现有的MEM器件可以在高达数十GHz的频率上工作。
在脉冲模式下操作微波发生器还可以在电池电源消耗方面优化设备 效率并且还可以避免手持单元过热。
还可以通过以不同于标准A类偏置的配置对用于形成功率放大器输 出级的功率器件进行偏置来优化微波功率对直流功率的效率。例如，可用 考虑A-B类、B类、C类、D类、E类或F类。本发明不限于4吏用以上所 提到的偏置类型。
优选地，微>:*^生器可工作在两种功率模式下适合于消融的高功率
模式和适合于組织类型/状态测量的低功率模式。对于低功率模式，可适 宜使用高增益驱动放大器(例如MMIC )。对于高功率模式，可以使用串 联连接的放大器链(或者用例如微波功率合成器(例如波导合成器或微带 合成器)结合在一起的多个适合的功率晶体管器件)。
认为对于实现本发明有用的微波频率范围在500MHz到60GHz之 间。已经发现对于实现本发明有用的具体频率范围是2.4-2.45GHz、 5.725-5.875GHz、 14國15GHz以及24誦24.25GHz。更具体地，提出频率点 2.45GHz、 5.8GHz、 14.5GHz以及24GHz。还可以考虑将915MHz和60GHz 附近的频率用于这里指出的未来医学应用。
频率的选捧取决于所要处理的组织、执行的具体过程以及在所选择的 频率产生足够微波能量的能力。半导体功率技术的发^^f吏得有可能在以上 所列出的频率上产生具有造成期望的受控热损伤及穿透深度所需的水平 的微波功率。
众所周知，^:波能量在生物组织内的穿透深;1A频率和组织介电特性
的函数，因此在需要处理精细结构并且导致最小量的附带损伤的情况下， 期望使用较高频带(例如来自所给出的范围)的微波频率。另一方面，在 期望对较大体积的组织造成热损伤，并且对周围组织损伤的风险没有比使 用点源热消融的优点重要的情况下，例如，对于较大伤口的处理，可能期 望使用较低频带的微波频率。在需要使用具有低穿透深度的高能量密度以 立即升高组织温度的情况下，例如防止失血过多时，可能期望使用高功率 和高频率的微波能量，即在被认为对于实现本发明有用的频带的较高端产
生的能量。例如，可能期望在24GHz的频率上产生50W的功率。
^i人为对于实现本发明有用的功率水平范围在1.5和50 W之间。在 需要低功率微波功率的情况下(低功率在此处定义为低于4 W)，直流电源可以是和微波发生器一直容纳在手持单元内的电池。这可以允许整个设 备包含单独便携单元。
在需要较高功率水平的情况下，期望使用上面讨论的两单元模型，即 电池组容纳在单独的单元内，该单元具有用于将两个单元连接在一起的直 流电缆。其优点是将手持单元的重量保持在易控制的水平，以允许手持单 元易于操作。
电池组的电池可以包括一次性或可充电电池。可以用于实现本发明的
电池技术的例子如下镍镉电池、锂聚合物电池、锂离子电池、铅酸电池、 碱性电池和亚硫酰氯锂电池。本发明不限于使用这些电池技术。例如，汽 车或交通工具电池可以为本发明的^更携系统提供直流能量。可以将设备连 接到汽车点烟器或连接到使用适合的直流连接器的救护车、坦克、消防车 或警车的电池。这种连接器可以是定制的连接器。在救护车的情况下， +12V直流电源将可供用于为护理人员或救护车工作人员使用的其它医疗 设备供电。如果该单元由交通工具的电池供电，优选地将微波功率器件(及 其它敏感微波部件)的启动电路和其它控制电路容纳在手持件内，使得其 可以从同一单独的例如+12V的直流能量源供电。
可以优选地将电池组和控制单元设计为4吏得其适合电池充电器，以便 在不使用的时候可以对该单元进行再充电。可以优选地将该系统开发为使 得可以将包含微波排列的手持件用适合的直流连接器(经由包含直流电力 传送电缆和任意低频控制信号的电缆组件)连接到电池组以及控制单元， 以使得能够将微波子组件连接到若干预先充电的电池组。
电池组可以是可附在使用者身体上的；配戴电池组的能力对于治疗战 争伤害和事故受害者尤其具有意义。当该单元4吏用在医生手术室、医院场 所时或诊所时，可以将其长期连接到电池充电器。
优选地，使若干电池/控制单元保持充电以侵_使用者总是能够4吏用为 该单元提供的直流能量源。当该i殳备用于例如30分钟或更久的长时间治 疗医疗过程时，这一点尤其具有优势。
优选地，用户接口包括指示使用当前电池组时的可用治疗时间或剩余 治疗时间的显示器。指示的手段可以是由多个发光二极管(LED)组成的 条形图或小LCD屏幕显示器。
在另一个实施例中，可以将控制电路脱离电池和手持单元单独容纳， 即该设备将包括三个单元。优选地,控制单元包括设置为实现微波发生器内部件的正确操作顺序 的时序电路。例如，当微波发生器包括晶体管功率器件时，可以将时序电 路设置为保证将功率器件的栅-源电压设置为切断漏极与源极间的沟道以 避免在连接漏电源之前有电流流过，以及在去掉漏极电压之前施加所述栅
-源电压以切断沟道。这一设置适合于将FET器件用于微^L良生器的输出 功率级(功率放大器)的情况，其中当沟道开启(或电流可以流过)时栅 -源电压为零。
控制单元还可以包括控制由微波发生器产生的微波功率水平的装置 以及对在该单元的输出处产生的微波功率产生脉冲或进行调制的装置。例 如，控制单元可以控制上面所讨论的调制开关和衰减器单元。对所产生的 微波功率水平的调制，以及对所选择的功率水平产生脉沖的操作还可以通 过改变施加在用于形成功率放大器输出级的FET器件的栅-源电压来实现 (当使用MMIC器件时，可以改变连接到该器件的直流电源电压或多个 直流电源电压之一 )。
优选地，控制单元包括传感装置，该传感装置包括模拟信号调节电路 (例如模拟比较器和运算放大器)和胶合逻辑(例如数字TTL、 CMOS 或ECL逻辑门或计数器)以处理由如上所述的传感元件产生的信号。所 执行的处理功能可以包括将栅-源电压调节到合适的水平，在反射功率 水平过高的情况下关断漏极电压源；驱动条形图显示器显示正向和/或净 输出功率水平；驱动指示正在向组织内传送微波功率、和/或检测到过多 的>^射功率、和/或出现故障状态、和/或该设备准备就绪并准备向组织内 传送微波功率的各LED。
可以提供开关以导通和关断漏电源，即在脉沖模式下^Mt系统。脉沖 模式操作可以使设备发热最小化并且降低手持件过M热的可能。为实现 这一特征，该开关可以使得导致沟道被切断所需的栅-源电压被施加到用
于形成微波功率放大器输出级的微波功率晶体管(或多个微波功率晶体 管)。可选地或附加地，可以将所有或部分的微波发生器安装在吸热装置 上和/或悬置于塑料外壳内，以将由于从吸热装置传热而导致手持单元变 得过热的风险降到最低。如下面会更详细地讨论的，手持单元可以包括冷 却系统以便将热量从微》^JC生器传走。
可以将时序电路设置为使得当在脉沖模式下操作系统时在漏电源之 前关断频率源，以防止频率源开启孩史波功率晶体管的可能，即频率源信号 产生的电压提供足够高的栅-源电压以导致高的漏电流流过。微波发生器中的天线优选为适合于以均匀的方式向所要治疗的生物 组织传送微波辐射场的伸长的部件。该天线可以是本发明的第二个方面。
特别适合的天线结构可以包括适当尺寸的同轴E-场针状(或单极)天线 和H-场环形天线。这些天线结构可以具有0.5mm到10mm范围的总直径 以A^不到2cm到大于12cm的长度。例如，同轴结构可以具有0.5mm 到2.2mm之间的外径以及2cm到4cm之间的长度。优选地，外导体(护 套)和内导体由例如不锈钢的硬金属制成以提供强度。内导体的外表面和
外导体的内表面可以覆盖例如银的高导电材料以使导体损耗以及相关的 结构发热最小化。
优选地，天线包括在其末端的电介质顶端，该电介质顶端适合于作为 辐射端(天线)工作以及在同轴天线结构和所要治疗的组织之间产生匹配 条件。电介质顶端可以具有适合于特定用途的形状。顶端可以是可替换的， 例如允许同样的天线结构用于针对不同目的的顶端。可以4吏用例如CST Microwave Studio⑧的电磁场模拟工具来结合生物组织模型对适合的天线 (天线罩)结构进行场模拟，其中生物组织模型在所感兴趣的频率上的相 对介电常数、损耗正切和电导率方面给出电介质信息。电>^模型可以与热 解析结合以提供关于在所考虑的整个组织体积中的温度分布的信息。
此处所^^开的天线结构可以用于上面所列出的医学应用。本发明导致 利用相对短的同轴治疗结构。第一种结构包括带有陶瓷顶端的同轴电缆， 将该陶瓷顶端做成半球形以使末端能够在组织的表面磨擦。该陶瓷顶端还 可以作为阻抗变换器在容纳于同轴电缆内的低介电常数电介质材料与皮 肤(或其他生物组织)的高介电常数间提供静态阻抗匹配。与第一种结构 相似，第二种结构将半球形天线罩的直径延伸以产生可以用于治疗更大的 组织结构或将能量扩散到更大表面区域的更大的辐射结构。
根据以上所讨论的第一方面，此处所公开的例如包括^f吏用阻抗变换器
特别适合用于治疗系统的高功5率版本。这种天线可以;吏得本发明能^用于 治疗创伤伤害，例如战伤或车祸伤。
在一个实施例中，由同轴转换器馈电的同轴电缆用于为容纳在半球形 陶瓷顶端内的四个辐射单元(单极)馈电。
天线结构可以覆有覆盖两导体但是对于微波能量透明的生物相容性 材料的薄层。例如，可以应用10微米厚的二氯对二甲苯二聚体(Parylene C)涂层。这种材料可以提供以下方面的优势避免流体或组织iiA^电介质(在陶瓷顶端与同轴结构外护套间的界面处i^0，并且还允许将结构 相对容易地插入组织。这在要将设备经皮肤插入以及要进行微创操作的情 况下具有优势。防止流体i^v的能力在4吏用系统测量组织特性时尤其具有 优势，因为同轴电缆内、外导体间的电介质内的iiA物可以妨碍进行有用 的幅勿相位测量。流体或组织i^还会限制组织消融过程的效率。
电介质顶端可以是锐化的，例如它可以是陶瓷锥。陶瓷锥可以作为阻 抗变换器以提供在同轴电缆和组织之间的静态阻抗匹配。尖锐的(尖的) 结构有助于线脉或韧带紧缩治疗。
优选地，将设备的阻抗与所治疗的组织进行动态匹配(例如，如WO 2004/047659和WO 2005/115235所z〉开的)。在本发明中，这可以濕_有利 的，因为可以将调谐滤波器包含在微i^L生器中接近组织治疗位置处。这 意味着消除了微波发生器和治疗天线之间相对较长的传输电缆的插入损 失的影响。
该设备可以包括反射功率监视器，其设置为识别从天线回收到的反射 信号的某种特性，并且使得可以响应所识别的特性自动地采取;f亍动。信号 的特性可以指示所治疗的组织的状态。例如，信号可能指示组织的阻抗没 有变化，这可能意味着输出的功率不足以进行有效的治疗。可以响应于这 种所识别的特性自动或手动地提高功率水平。在另一个例子中，可以将这 种设置用于减少或防止在治疗过程中可能发生的组织"劈裂(spitting)" 的现象。组织"劈裂"或"爆裂(po卯ing)"被认为是由在能量发射手术 器具(如探针)插入组织处的压力积累所导致的。来自器具的压力和能量 的结合可以导致将小量的組织从治疗位置去除。
反射功率的特性可以在劈裂事件即将发生之前给出指示。如果响应于 这一相关特性做出适合的操作则有可能防止劈裂事件发生。
因此，可以将反射功率监视器设置为检测由反射辐射检测器检测的反 射信号的特征事件，并且可以将功率水平调节器连接在源和天线之间，并 且设置为如果监视器检测到了特征事件，则自动调节由天线接收的微波辐 射信号的功率水平。
特征事件可以是反射信号的任何可检测的特性。例如，它可以U射 功率的某种变化率或U射功率在某时隙或持续时间段的恒定水平。可以 由反射功率的特性导出特征事件，例如反射功率可以用于确定组织阻抗的 变化；这些变化可以指示特征事件。如果这种设置检测出指示天线被保持在一个地方时间过长的事件(例如检测到了表示良好匹配条件的恒定电 压)，则可以降低功率以降低或防止附带损伤。
可以将反射功率监视器设置为检测反射信号的快速电压尖峰。例如，
监视器可以包括设置为测量反射信号的dv/dt (电压随时间的变化)值的 微分器。微分器可以设置为将测量值与阈值进行比较，从而特征事件为高 于阈值的dv/dt值。此设置可以用于检测组织"劈裂"，发明AiL现该现 象之前存在带有急剧上升和下降的尖峰。该设备可以在治疗过程中连续地 监M射功率，并且如果检测到了特征事件(dv/dt值高于阈值)，可以将 功率水平设置为立刻从第一值降至第二值。因此， 一经观测到已知会导致
"劈裂"的特征(信号)，该设备就可以立刻回退(或降低)功率水平。 功率水平的第一值可以比功率水平的第二值高一个或更多个数量级。
可以以模拟方式实现微分器(例如斜率检测器微分器)，即，使用分 立的运算放大器、信号比较器、电容器和电阻器以及MOSFET开关的结 构，或使用数字部件，例如计算机或DSP单元。
阈值可以是可调节的，例如使得能够选择对组织劈裂的灵敏度。
可以将功率水平调节器设置为在功率水平降低之后的恢复时间段内 将功率水平回升到第一值。实际上，可能需要将功率相对快速地回升以允
许在没有大量的仪器停机时间的情况下使治疗继续或者保证总的患者治 疗时间不会过长。对于肿瘤消融中的使用，必须确保达到组织内的临界温 度以确保将所有的癌组织/细胞完全消灭。因此恢复时间段可以是100毫 秒或更短。
可以将反射辐射检测器选择为对于代表被监视特性的反射信号的变 化敏感。因此，如果使用二极管检测器，例如将其连接到连接在源和天线 之间的定向耦合器的耦合端口 ，那么可以选择其上升/下降时间以俘获特 征事件。例如，检测器可以是上升/下降时间为1微秒或更短的二极管检 测器，以俘获可能表现出10毫秒的上升/下降时间、与组织劈裂事件相关 的电压尖峰。在一个实施例中，可以使用具有非常快的脉沖响应的基于隧 道二极管的检测器，例如Advanced Control Systems 7>司的编号为 ACTP1505N的产品。
功率水平调节器可以包括连接在源和天线之间的阻抗调节器。阻抗调 节器还可以用在阻抗匹配装置中，其中检测器可以设置为检测反射信号的 幅度和相位，并且阻抗调节器可以具有可调节的复阻抗，可以基于所检测的幅度和相位控制该复阻抗。在此设置中，阻抗调节器因此可以设置为将 设备的阻抗和负载(组织)的阻抗进行匹配以使得能够进行有效的功率传 递。阻抗匹配可以是动态的，例如调节可以实时地自动发生。当由监视器 检测到特征事件时，可以由对特征事件的响应代替阻抗匹配。
反射功率监视器还可以设置为提供例如用户信息以便在治疗过程中 指导外科医生。例如，监视器可以设置为在检测到特征事件时发出听觉或 视觉信号。听觉或视觉信号可以代表所检测到的事件。听觉信号可以是某 个范围的声音中的任何声音，或数字合成语音。
优选地，容纳在手持单元内的调谐滤波器包括一个或更多PIN 二极 管、变^i极管或雪崩二极管，其中二极管两端的电压变化造成微波信号 的相位变化或相移。例如，变^极管移相器的操作依靠二极管^区厚 度的变化，以导致二极管电容的变化。^层厚度的变化是由在二极管两 端施加反向偏压引起的，即，使阳;W目对于阴极为负以增加^区宽度， 从而降低电容。GaAs变容二极管是优选的。
可选地，MEMS器件也可以用在调谐滤波器中。例如，多个MEMS 开关可以用来根据组织的阻抗值接入或断开一 系列调谐元件。在适合的波 导腔内使用电子机械传动器来移动机械调谐杆(或螺钉)的机械调谐短截 线装置是一种可能的选择。
调谐滤波器可以包括一个或更多调谐元件。在需要无限的调谐范围 (可以使用史密斯圓图的所有区域)的情况下，调谐滤波器期望^^与相 邻短截线间的距离为所感兴趣频率处的波导长度的四分之一的三短截线 网络同样的性能。可以使用可变串联和可变并联元件实现此功能。例如， 长度可以在零到所感兴趣的频率处的四分之一波长之间变化的开路短截
长的一半的距离的装置，可以使任意负载阻抗与确定的源阻抗(例如通常 为50Q)相匹配。这种调谐设置可以使用两个变容二极管实现，其中一 个串联在源和负载之间，另一个并联靠近负栽。在一个优选的实施例中， 调谐装置使用串联连接的可调节同轴U形波导节(trombone)连同并联 连接的变容(或雪崩或PIN) 二极管。可以用适合的电子^调节器调节 同轴U型波导节的长度，以使得能够进行自动的相位调节。可以通# 二极管两端施加反向偏压来改变二极管内耗尽区的宽度，以使得能够自动 调节第二个并联连接调谐元件的容抗。理论上，容抗可以在0O与ooQ之
间变化，即从史密斯圆图上的短路向开路移动(或0到A/4)。系统的其它部件也可以用MEMS技术实现。由于对小外壳的要求和 在手持件内包含一系列微波部件的需要，MEMS器件在包含动态调谐和/ 或组织类型/状态测量的系统中的4吏用可能特别具有优势。
在将动态阻抗匹配和/或组织类型和/或状态识别特征集成到手持单元 中时，期望将微处理器、和/或微控制器、和/或PIC器件、和/或数字信号 处理器(DSP)包括在系统中。优选地，将这一器件(或这些器件)包含 在控制单元中以执行各种必要的信号处理功能，其中对于测量相位和/或 幅度信息以对调谐滤波器做必要调整从而保证微波能量正在被有效地传 送到生物组织内，和/或根据在天线末端射入(impinging)、测量的信号来 识别组织类型和/或状态而言，这些信号处理功能是需要的。在需要组织 类型和/或组织状态功能的情况下，优选地使用外差接收器以4吏得能够得 到相位和幅度信息；来自外差接收器的输出的信号将被i^^微处理器(或 其它数字处理设备)。可以通过使用定向耦合器或微波循环器提供确定组 织类型和/或组织状态识别所需要的信息。当使用微波循环器时，优选地 将正向和反射功率信号彼此相隔至少30dB。
微处理器单元(和/或PIC和/或DSP)还可以执行功率器件启动过程 (或定序)和感测功能(即作为模拟控制电路的替换)。同样地，小型微 处理器或PIC器件可以在即便没有执行动态组织匹配或组织类型和/或状 态测量时控制系统。例如，可以用单个孩史处理器或PIC器件4戈替模拟比 较器、运算放大器、计数器和胶合逻辑。
优选地，用户接口包括显示从微波源输出的正向功率水平和/或被传 送到纟皮治疗的生物组织内的净功率的显示器。可以将净功率定义为从微波 源(功率放大器)输出的正向功率与回到源的输出端口(功率放大器的输 出)的反射功率之间的差。指示这些功率水平的手段可以是由多个发光二 极管(LED)组成的条状图或小LCD屏幕显示器。
可以将可见光源附连到手持单元作为照明治疗区域的装置。光源可以 进一步包括透镜装置以将光束聚焦到位于天线结构末端的、微波能量照射 在组织上的位置处。期望将光源设置为产生与辐射天线产生的微波场"形 状"相似的光束。
本发明的第三方面可以与冷却装置和保证手持单元保持冷却的方法 有关。
如下面更具体说明的，本发明可以用于治疗线脉、提供疼痛緩解、紧缩肌肉组织、封闭受伤士兵或车祸受害者的血流、治疗鼻息肉以及治疗耳、
鼻和咽喉(ENT)感染。
线脉是极其常见的并且有时是令人馗抢的，主要影响,和腿部。虽 然认为它们可能是由于温度的变化、吸烟、激素变化、酒精和长时间站立 导致并且可能是遗传病，然而线脉的确切原因是未知的。可以d吏用此处介 绍的使用非常细的针状天线的便携式治疗系统来治疗线脉。
本发明的可能的应用还有去除鼻息肉。鼻息肉堵塞鼻孔并且大的息肉 能够妨碍鼻呼吸，迫^A通过嘴呼吸。它们还导致嗅觉的降低。有时候， 它们膨胀得非常严重以至于从鼻孔中露出。
息肉由鼻窦的软组织内层变得膨胀并且填充可用的空间导致，它可以 膨胀到鼻腔内形成被称为息肉的生长物。由于在眼睛和鼻子之间有若干小 的鼻窦，当息肉发生时，通常会有若干个。对于由息肉造成的鼻阻塞的最 有效的治疗是外科手术切除。本发明可以与辐射环状天线4吏用以治疗这种疾病。
本发明还可以用于紧缩例如腿或眼睛内的肌肉韧带。小型针状天线结 构又可以特别好地用于这些应用。在有必要使用锁孔手术以到达韌带时可 以使用便携式单元的高功率版本。
本发明还可以用于以疼痛緩解为目的消融神经末梢，例如，神经丛的 消融。这种特定的应用可以涉及对于经受癌症痛苦的病人的临终关怀以降 低痛苦并且可以提供对吗啡或止痛药的替代。本发明还可以用于治疗与稚 间盘已损伤的背部和颈部相关的疾病。
本发明的潜在应用不限于以上所列出的那些。本系统可以用于治疗其 它疾病，例如乳腺肿瘤的治疗、前列腺癌的治疗、肾肿瘤的治疗、脑肿瘤 的治疗、肝肿瘤的治疗以及生物组织切除。


下面结合附图讨论本发明的实施例，其中
图l为示出作为本发明的一个实施例的电外科消融/电疗系统的框图2为示出用于本发明另一个实施例的电外科消融/电疗系统的微波 排列的框图3为示出作为本发明另一个实施例的连接电池的便携式电外科系统的才匡图4为示出作为本发明另一个实施例的配置为执行动态阻抗匹配的 电外科系统的内部部件的框图5为示出作为本发明另一个实施例的双通道动态阻抗匹配电外科 系统的内部部件的框图6为适合用于;^发明的一个实施例的具有半球形顶端的治疗天线 的截面图7为适合于用于本发明的一个实施例的具有增大的顶端的治疗天 线的截面图8(a)和8(b)分别示出适合用于本发明的一个实施例的具有H-场环 形天线和单极天线的治疗天线的截面图9示出适合用于本发明的一个实施例的具有锐化顶端的治疗天线 的截面图IO示出作为本发明另一个实施例的电外科系统的示意图11示出适合用于本发明一个实施例的手持单元冷却装置的图解视图。
具体实施例方式
图1示出作为本发明的一个实施例的便携式电外科系统100的整体 图。该系统分为两个子系统102、 104并且使用例如包括直流供电电缆和 低频信号控制线的软电缆组件106将这两个单元连接。这种设置相对于使
而损失昂贵的微波功率，并且还克服了与伴随着弯曲产生的相位变化和幅 度变化相关的潜在限制，其中弯曲可能与微波电缆较长的长度有关。这一 设置还可以克服与沿电缆组件的温度变化相关的不良影响，例如，电缆发 热以及相位/幅度的变化。现在详细讨论两个子系统。
第一子系统为手持(便携)微波子组件102。孩"皮子组件102包含 频率源108，用于在预定频率上产生低功率信号；驱动放大器110，用于 放大由频率源产生的输出信号水平；以及功率放大器112，用于将由第一 放大器产生的信号放大至可以导致受控的组织破坏的水平。将功率放大器 112的输出连接到微波循环器114，微波循环器114用于保护功率放大器112的输出以避免由于治疗天线116末端处的阻抗失配导致过多的^Jt功 率。循环器114只允许微波能量以顺时针方向流动，因此任何返回ii^功 率放大器112的反射功率将被功率倾卸负载118吸收。在产生例如1.5 W 连续波的低输出功率水平的情况下，可从设计中省,波循环器和son 功率倾卸负载，同时保持设备可操作性(反射功率水平的最坏情况不会导 致功率放大器的输出级损坏)。分别使用二极管检测器120、 122检测正向 和反射功率水平以测量正向和反射功率部分。可以使用插入微波循环器 114的第一 (正向)和第三(反射)端口的定向耦合器或E-场探针对微波 功率进行取样。在二极管检测器120、 122输出端产生的信号4吏得能够对 正向和反射功率水平进行测量并且可由此信息计算被传送到组织内的净 功率(正向功率减去反射功率)，并且如果反射功率水平超过预定的阈值， 则关断功率放大器112 (和/或驱动放大器110 )。对于将低于l W到大约 3 W的功率水平用于治疗小组织结构或导致小体积组织坏死，即产生直径 小于5mm的球状凝结的应用，可以只需务使用驱动放大器110。 MMIC 放大器可以用于这种情况。适合用作频率源108的候选者包括电压控制振 荡器(VCO)、介质谐振振荡器(DRO)或耿氏二极管振荡器。例如， Hittite Microwave Corporation 的 MMIC VCO (产品号 HMC531LP5/531LP5E )是特别适合的。对于驱动放大器，TriQuint semiconductor 的 HEMT MMIC 晶体管(例如产品编号 TGA2卯4-EPU-FL 、TGA8658-EPU-SG 、TGA2卯2-SCC-SG 、 TGA8659-EPU-SG或TGA2502-EPU)是适合的。同样地，HEMT MMIC 晶体管可以用于功率放大器(例如产品号TGA2514-EPU&-FL )。然而， GaAs FET功率器件也是适合的(例如TriQuint Semiconductor的 TGA2924-EPU-SM 、 TGF2021國XX或TGF1034-24-EPU ，或Toshiba Microwave的TIM1414-8-252或TIM1414-18L-252 )。
可以在脉冲模式下操作上述晶体管，其中在脉冲模式下如果微波输出 功率为零，则将直流电源或漏极电压关断。在需要超过几瓦的功率水平的 情况下，脉沖模式操作是优选的，因为这保证包含微波子系统102的手持 单元的温度不会过高或者不会导致使用者的不适。也可以考虑使微波功率 对直流功率的效率能够超过50。/。的新技术器件以减轻或改善与手持i殳备 直i復热相关的问题。
为实现脉冲操作模式，使用控制单元104以保证以特定的顺序开启和 关断孩b皮功率发生器件108、 110、 112，以保证该单元在这一模式下工作 时不会发生器件损坏。在^f吏用分立器件时这一点尤为重要，因为期望在连接漏极电压之前通过施加适当的栅-源电压将沟道切断(即漏极和源极之 间的电流接近于零)。对于关断过程，期望通过在去除漏极电压之前施加 适当的栅-源电压来将沟道切断。
第二子系统包括控制单元104，控制单元104包含带有启动电路(未 示出)的电池组124，用于为GaAsFET器件的操作供电和t亭；控制电 路126;以及用户接口 128。可能期望将启动电路作为控制电路126的集 成部分。优选地，控制电路126可以具有小型微处理器或PIC器件的形 式，或者可以包括模拟比较器和运算放大器，以及数字逻辑器件(胶合逻 辑和计数器)。用户接口 128可以是LED条形图、单LED及开关、LCD 字母数字显示器及开关(微开关或薄膜开关)或小型触摸屏显示器中的任 何的组合。电池组可以是单个或多个一次性电池或者单个或多个可充电电 池。控制单元104还可以包含充电单元或者设置为接受标准市电充电器， 例如移动电话充电单元。
将两个子系统102、 104用单个或多个直流馈电电缆和多个低频信号 电缆连接。后者可以是适合于承载频率达到lOOMHz的信号的细同轴组 件。可以将直流馈电电缆和低频信号电缆容纳在单个护套中。优选地使用 软材料实现所述护套。软橡胶可以是最为适合的，例如，氯丁橡胶。
将适合的天线116连接到微波子组件102的输出。天线116可以是可 拆卸的，以例如使得能够将不同的天线结构连接到该设备的输出。经由例 如SMA、 SMB和MCX的微波连接器(未示出)连接天线116。推入配 合式连接器是优选的，以减轻螺故错扣或过紧的风险。
图2示出带有两个另外的微波部件的图1的微波子组件102。其中包 括了调制开关130以使得能够在脉冲模式下操作手持电外科系统。在必须 考虑与手持件相关的热效应的情况下，这一操作模式在以例如15W到 50W的较高的功率水平操作该单元时特别有用。图2还示出了功率控制 衰减器132，用于使得使用者能够控制传送到组织内的功率的水平。同样， 在该单元配置为可以输出达到或可能超过50W的功率水平的情况下，期 望包括这一特性。可以使用MEM技术实现调制开关130以及功率控制衰 减器132。源振荡器108也可以得益于MEM技术从而有助于使手持件的 总体尺寸小型化。
本发明不限于4吏用单独的(或外部的)调制开关和/或功率控制衰减 单元；可以通过改变施加到功率产生器件的电压来实现这些特性(或操 作)。由于直流或偏置电压水平的改变而导致的增益的变化可以大约为15dB。如果需要更大幅度的变化，可以使用包含一组PIM二极管的数字 衰减器。这可以提供达到(在某些情况下超过)64dB的增益变化。
图3示出将手持设备134经由软电源线135连接到例如汽车电池、救 护车电池、消防车电池或坦克电池的电池136的一个实施例。手持i殳备 134包括图1中的微波子组件102的微波排列。另外，手持单元134包括 启动和控制电路138 (例如包括上面所提到的控制电路128 )。在这个实施 例中，可能期望使用模拟器件实现控制电路，因为可能有利于限制整体系 统的功能。也可以考虑小型低功率PIC来实现此实施例的启动和控制功 能。
图4示出本发明的系统的另 一个实施例。这一实施例使用动态阻抗匹 配系统，以使得由功率放大器110、 112放大的微波能量能够在阻抗方面 与由生物组织的状态呈现在辐射天线(未示出)末端的负栽相匹配。可以 优选地进行共辄匹配。由于这样的事实因为这种匹配算法避免了反射功 率的发生，所需要的功率就是实际传送到组织内的功率，所以这一配置在 有效地向组织内进行能量传送、减少治疗时间以及准确定量导致受控组织 破坏所需要的能量剂量的能力方面提供了优势。图4中所示的系统类似于 图1的系统并且相似的部件相应地具有相同的参考编号。概括地i兌，该系 统包括经由电缆组件106连接到控制单元142的手持单元140。手持单元 140内包含附加的微波电路。附加的微波电路包括调谐滤波器144;四 个定向耦合器146、 148、 150、 152;时分多路复用开关154;以及双IF 外差接收器的第一级，包括第一本地振荡器156、用于去除主频率源150 的任何信号分量的带通滤波器158以及微波混频器162。手持件中所包含 的使得能够实现动态阻抗匹配的其它部件是第三频率源164，用于为双 IF外差接收器的第二级(包含在控制单元142中)提供本地振荡信号； 参考频率振荡器166,用于j吏得能够将三个信号振荡器156、 160、 164同 步在一起；以及第二带通滤波器168，其连接在主频率源160的输出和调 制开关130的输入之间以去除可能出现在第一本地振荡器信号156的频率 上的任何信号分量。
在这一设置中，时分多路复用开关154用于使得能够将来自反射信号 耦合器146、 148、 150、 152的四个耦合接口中的任一个的信号传送到双 IF下变频器电路(在混频器162处)，以使得能够执行相位和幅度提取。 可能有必要将在较后的耦合端口 150、 152或较前的耦合端口 146、 148处 可以得到的信息进行比较，以确定在调谐滤波器144内部(或外部)的调谐元件170所需要的调整，以使得能够将功率源(即由放大器110或串联 连接的放大器110、 112的链产生的功率)与组织负载阻抗匹配。如图所 示，可以通过调节三个二极管上的电压来实现调节。调谐器144可以采取 包含在调谐腔内的多个调谐短截线的形式，其中使用电子机械传动器移动 腔内的所述调谐短截线，并且使用例如PID控制器的控制器以保证良好 地限定调谐短截线(杆)的移动。可以考虑若干用于实现调谐滤波器114 的拓朴结构，但是为了能够实现紧凑的手持系统，可优选地使用PIN或 者变容二极管的设置。
微波混频器162的操作是4吏得能够将用于导致受控组织损害的一部 份高频微波信号频率下变地混合到较低频信号中，同时保持可以从四个定 向耦合器146、 148、 150、 152的耦合端口得到的相位和幅度信息。期望 从混频器162输出的频率是来自耦合器的第一输入RF1与来自本地振荡 器156的第二输入L01之间的差频。在图4所给出的配置中，由于本地 振荡器156工作在14.45GHz而主频率(耦合器所耦合到的频率)为 14.5GHz，因此RF1输入和LOl输入之间的差为50MHz。 50MHz信号 用于提料目位和幅度信息。本发明不限于使用所示出的使用四个定向耦合 器(146、 148、 150、 152)的i史置。例如，可以只4吏用后两个(150、 152)， 或者可以只^使用前两个(146、 148)。
期望使用MEM技术实现包含在手持单元140所示的排列中的尽量多 的微波器件以保证该单元尽可能得小和轻。
图4中的控制单元142包含双IF外差接收器的第二级，用于提取用 来控制包含在调谐滤波器144内的可调节元件的相位和幅度信息。双IF 外差接收器的第二级171包括第三带通滤波器172，用于去除除了在第 一混频器162的输出处产生的差频IF信号之外的信号；第二混频器174， 用于将频率再次下变混合至能够容易地使用标准的模数转换器件处理的 值；以及第四带通滤波器176，用于去除出现在系统中这一点出现的、频 率不同于在第二混频器174的输出处产生的差频IF信号的频率的所有信 号分量。在此实施例中，混频器产生来自第一混频器162的第一输入RF2 与来自第三频率源164的第二输入L02之间的差频。在此实施例中，第 三频率源工作在40MHz，所以差频为10MHz。将来自第四带通滤波器176 的输出i^数字处理器178，以使得能够将相位和幅度信息转换为某种格 式，此格式可以用于基于在定向耦合器146、 148、 150、 152(或其组合) 的偶合端口处测量并使用多路复用开关154传送到外差接收器的信息来控制调谐滤波器144内的可变元件，其中数字处理器178可以是一数字信号 处理器、微处理器或微控制器。可以只需要使用在较后的定向耦合器150、 152的耦合端口处可得到的信息来控制用于保持匹配条件的可变调谐元 件。
电池组180提供电外科单元工作所需要的直流电能。电池组180可以 包括一次性电池或可充电电池。电压控制单元182可以包括多个直流-直 流转换器，以使得能够将电池组180产生的单一电压转换成操作该单元所 需要的多个电压，例如，用于功率GaAs器件的漏极和栅-源电压、为微 处理器单元加电的电压，等等。在图5中详细示出并在下面讨论电压源和 控制信号。直流-直流转换器可以采取降压和升压转换器或直流调节器的 形式。可以优选地使用形成电池组的若干串联连接的电池产生的电压而不 使用直流-直流转换器，例如包含四个1.5V电池的电池组可以提供1.5V、 3V、 4.5V和6V幅值。使用这种方法的优点是消除了用于实现降压和升 压转换器的转换过程所产生的噪声并且没有功率转换损耗。
单刀四掷(SP4T)时分多路复用开关154的电极位置的选择、调制 开关130的开/关操作以及由可变衰减器132引入的衰减水平由微处理器 178产生的控制信号确定。
用户接口 184可以采取LED条形图、单LED和微开关、或带有微 开关或薄膜开关的字母数字LCD显示器、或者小型触摸屏显示器的形式。
使用包含直流电源电缆和低频信号电缆的电缆组件106将两个单元 140、 142连接在一起。对于图4所示的实现，期望使用同轴线186从包 含在第一单元140 (手持单元)内的第一混频器162的输出端口向包含在 第二单元142内的第三带通滤波器172的输入端口传送50MHz的IF信 号。所使用的同轴电缆可以是细电缆，并且不需要包含高性能电介质材料。 优选地将双IF外差接收器的第二级171容纳在第一单元140内，以进一 步降低对这两个单元间的传输线的性能要求。并且，可以使用一级外差接 收器以降j氐系统的复杂性。
图5示出了执行动态阻抗匹配和组织类型/状态识别 本发明的另一 个实施例。在这种配置中，在第一单元中包括低功率发射机186，以提供 可以用于在将天线推入生物组织中或放置于生物组织上时识别不同的解 剖学结构的单独的组织测量(电介质)通道。在此实施例中，使用波导开 关188和同轴开关190，以使得能够在被称为高功率受控消融模式和低功 率组织测量模式的两个操作通道间切换。由包含在控制单元142内的微处理器178提供能够使波导开关188和同轴开关190的开关位置转换的控制 信号。本发明不限于使用波导开关和同轴开关来在两种操作模式之间切 换，例如，可使用两个同轴开关、两个波导开关、PIN和波导开关的组合 或者PIN和同轴开关的组合。包含在手持件单元140内的低功率发射机 186由定向正向耦合器192馈电，定向正向耦合器192用于对主频率源160 产生的一部分信号，即对测量频率上的信号取样。将经耦合的信号送入带 通滤波器194的输入端口 ，带通滤波器194的功能^l^吏在测量频率上产生 的能量通过而拒绝在所有其它频率上产生的能量通过。将来自滤波器194 的输出馈送到第一定向耦合器196的输入，第一定向耦合器196被配置为 正向功率定向耦合器并且形成载波抵消电路的一部分。将来自第一定向耦 合器196的输出馈送到微波循环器198的第一端口 (输入端口 )。将循环 器198的第二端口经由波导开关188连接到测量天线。将微波循环器198 的第三端口连接到第二定向耦合器200的输入，第二定向耦合器200被配 置为正向功率定向耦合器并形成载波抵消电路的一部分。将来自第二定向 耦合器200的输出作为RF输入经由双IF外差接收器的同轴开关l卯馈 送到第一混频器162。
双IF外差接收器的配置和描述与图4所给出的相似。在测量模式下， 将相位和幅度信息从信号中提取出并使用微处理器178处理，以提供天线 末端所接触组织的组织类型和/或状态的相关信息。
为加强测量模式下正向传输信号与反射信号间的隔离，有必要在循环 器198的第一和第三端口之间提供高级别的隔离。优选地，将循环器198 在测量频率上调谐或优化为在信号路径具有低插入损耗而在隔离路径具 有高反射。可以用包括第一正向定向耦合器196、相位调节器202、可调 节衰减器204和第二正向耦合器200的栽波抵消电,供另外的隔离。载 波抵消电路从耦合器196的耦合端口取得部分传输信号并调节相位和功 率水平，使得其与到达循环器198的第三端口的任何不期望的信号具有 180°的相位差以及相同的幅度，从而使得能够将不期望的信号分量抵消 掉。使用第二正向耦合器200将载波抵消信号注入到循环器198的第三端 口的输出中。载波抵消电路还可以用于调节由输出天线(同轴杆和探针头) 导致的变化。
图5所示配置的所有其它元件都在上面给出的关于图4的说明中进行 了具体描述。
测量通道可以使用与消融通it^目同的部件。换句话说，本发明不限于使用两个单独的通道来实现测量和消融通道。因此可以将上面描述的低功 率电路省略。
可以在系统中提供其它微波部件以提供增强的测量灵敏度和保护，例 如，低噪声信号放大器、驱动放大器、信号隔离器、衰减器和附加信号滤 波器。未将这些部件在此示出，但是微波工程领域的技术人员可以明白这 种配置。
为了使系统可以识别组织类型和/或组织状态，有必要校准天线。可 以通过将负载或多个负载连接到天线末端以41_供已知的参考点(或多个已 知的参考点)来进行校准。
在进一步的实施例中，手持设备可以只提供组织类型和/或状态测量
功能。在此实施例中，图5中的实施例的下列微波部件不是必要的定向 耦合器192、带通滤波器168、调制开关130、增益控制器132、放大器 110、 112、循环器114、定向耦合器146、 148、 150、 152、调谐滤波器144、 波导开关188、时分多路复用开关154以及同轴开关1卯。只为测量用途 配置的设备可以用于识别各种组织类型或用于识别特定疾病的阶段。这种 介电测量设备的实施例的优点是微波收发器电路的位置接近测量天线末 端，这将降低或消除在测量电路(微波收发器186)与测量位置(或者测 量天线末端)分离的系统中可能出现的由于电缆弯折、弯曲、扭曲或挤压 导致的相位和幅度信息的变化。这种特性可以提高系统的测量灵敏度。可 以通过利用微电子机械系统(MEMS )技术将与图5所示的装置相似的包 括低功率微波电子部件以形成微波收发器的装置物理集成到非常小的封 装中。
图6示出了可以作为本发明的一个实施例的第一种天线结构。天线 206包括由一段刚性的同轴电缆制成的主体208，以及连接到其末端的具 有半球形的辐射顶端210。经由微波连接器218为同轴电缆馈电。主体208 具有例如铜的中心导体212，它由净皮保持在(例如由不锈钢制成的)外护 套216内的电介质材料214 (例如空气或聚四氟乙烯(PTFE)或特氟隆) 围绕。顶端210可以由硬;敞波陶瓷制成。顶端210还可以执行阻抗变换器 的功能以4吏得能够将同轴电缆208的阻抗与治疗组织的阻抗进4亍匹配。优 选地，阻抗匹配变换器可以是四分之一波长变换器，构成四分之一波长变 换器的长度等于所感兴趣的频率的四分之一波长的奇数倍，并且阻抗等于 电缆208的特征阻抗与组织阻抗的乘积的平方根。半球形顶端可以很好地 适合于需要将辐射器在组织上或在组织表面上摩擦，即不需要将辐射器插入组织内的应用。
图7示出另一种天线结构。这种天线220具有同轴主体221，同轴主 体221带有使用四个单极辐射元件224馈电以使得能够将微波能量均匀分 布的大半球形辐射头222。使用四分之一波长同轴变换器226以^1供具有 50 Q的阻抗的同轴主体221与装配在半球顶端内的四个辐射单极224之间 的良好阻抗匹配。顶端优选地由低损耗微波陶瓷材料制成。这种天线结构 可以用于治疗较大的损伤，或者用在此处定义为高的例如20W到50W的 功率水平，用作伤口封闭设备以治疗可能需要立刻停止从裂开的伤口流血 的战场伤害或事故受害者。此处所示的天线可以〗吏用以适合的SMA连接 器228端接在近端的6.35mm外径的刚性同轴电缆。 一种适合的电缆可 以是Haverhill Cable and Manufacturing Corporation的具有21dB/100英 尺的衰减以及10GHz上700W额定平均功率的型号为HC-12009-1的低 损耗铝制6.35mm电缆。
图8 (a)和8 (b)示出可以作为本发明的实施例的另外的天线结构。 每种结构都包括具有内导体231和外导体233的同轴主体230，由电介质 材料235将内导体231与外导体233分离。同轴主体在接近功率源(未示 出)的一端具有微波连接器236。
图8 (a)示出连接在同轴主体230末端的辐射环形天线232。这种结 构可以用于治疗小的表面损伤或鼻息肉。图8 (b)示出同轴主体230末 端的辐射单极天线234。这种结构可以用于治疗单独的线脉或者能够用于 某些耳/鼻/喉(ENT)过程，在这些过程中治疗通路受到限制并且需要小 天线结构。
图8 (a)和8 (b)所示的结构特别适合于与作为本发明的一个具体 实施例的2.5W电外科系统一起4吏用。此处考虑的天线结构的外直径在 0.5mm到2.2mm之间。天线结构的总长度的范围在1.5cm到6.0cm。
同轴电缆230的适合的产品包括Haverhill Cable and Manufacturing Corporation (www.haverhillcable.com)的HC 60004-1、 HC 10009-1和HC20000-1。可以使用适合的电磁场模拟工具(例如CST Microwave Studio )和适合的矢量网络分析器(例如Agilent 8720ET单元) 来确定辐射天线的形状。
图9示出了可以与本发明一使用的另外的天线结构。这种天线238由与天线242组成。辐射天线部分242还可以使得能够在同轴馈电电缆组件和 形成负栽阻抗的组织之间进行阻抗匹配。在可以将天线经由皮肤插入身体 内的不同组织结构的情况下，这种天线结构可以用于治疗单个(或非常小 团簇的)线脉、紧缩韧带(软骨或眼肌)，或者用于疼痛緩解应用(消融 神经丛)。由于可能需要将这种天线结构插入皮肤以治疗可能多巨离皮肤表 面若干厘米的组织，可能需要产生达到30W的输出功率水平，并且期望 天线的总长度超过10cm。
图IO示出完整的手持电外科器具的另一个实施例的示意图。该系统 包括四个主要部件。笫一，存在包含微波能量源、放大器和输出电路的手 持单元244。第二，存在包含直流电源(从内部7,2V可充电电池组产生) 和控制部件的控制单元246。第三，存在祐^殳计为向治疗位置(生物组织) 提供有效的能量传送的低损耗天线248。最后，存在允许向手持单元传递 直流电以及在手持单元244和控制单元246之间传递控制信号(可以使用 分离的细电缆组件双工或输送这些信号)的轻而软的直流馈电电缆。
本发明提供在高于常规小型发生器的频率上工作的笔型发生器。例 如，该微波发生器可以在14.5GHz上产生达到2.5W的最大功率。这样的 功率水平适合于预期的治疗应用并且允许微波能量向组织内穿透合适的 深度。可能需要考虑在如此高频率上工作的设备的热效应。例如，下面描 述的冷却装置中在整个设备和吸热装置上使用强制气流系统冷却微波发 生器。天线末端的进气口锥允许由置于外壳尾端的风扇将气体穿过小孔吸 入。可选地或附加地，可以通过使用隔热外套将操作者与所产生的内部热 量热隔离。
转到图10中所示的实施例，现在详细描述上面所指出的四个部件。
手持单元244包含供给由系统提供的微波能量的主要功能部件。在前 面的实施例中具体讨论了这些部件。另外的部件包括
——通断开关(例如掩組)252,其位于手持单元244上以允许由使用 者控制将微波能量施加在治疗位置。将开关按下以开始治疗，将开关抬起 以结束治疗。
——第一状态指示器254 (例如LED)。在正常的操作状态下，系统自 我调整以使从天线反射回微波源的微波能量的幅度最小。通过监视从天线 反射回的功率实现安全监视。如果其超过预定的水平，系统自动关闭功率 输出并亮起第一状态指示器254。 一旦反射功率降至这一水平以下并且使用者按下通断开关252，可以恢复输出功率输出并关闭第一状态指示器 254。
——第二状态指示器256 (例如具有与第一 LED不同颜色的另一个 LED)。监视微》:^L生器的内部温度。如果内部温度超过预定水平则自动 关断对手持单元244的供电。在这种情况下亮起第二状态指示器256。 一 旦温度降至该水平以下并且使用者按下通断开关，输出功率传送恢复并且 关闭第二状态指示器256。
控制单元246从内部7.2V可充电电池组产生其自身及手持单元244 所需要的直流电。它包含用指定的顺序开启独立电源以保证正确和安全地 启动微波系统所需要的控制部件(上面所详细说明的)。该控制单元还包
含
—一通断拨动开关258。拨动开关258允许使用者开、关整个系统以便 在不使用时节省电池能量。
——Jl射功率指示器260。将由手持单元244测量的反射功率大小显示 在控制单元246上的第一条形图指示器上，以便向使用者提供这一水平的 可见指示并且由此提供系统和治疗执行的实时评估。
——电池状态指示器262。控制单元246上的第二条形图指示器提供该 单元被开启以及电池能量剩余水平的指示。因此可以对于是继续治疗还是 为内部电池组充电做出评估。可以将外部充电单元包括在系统中用于为电 池充电。
天线248可以是i史计为向治疗位置拔:供有效的能量传送的单一用途、 低损耗结构(例如任意上面所描述的类型)。将其与匹配顶端264端接以 有效地向治疗位置传递微波辐射。如果没有连接天线组件，则该单元将识 别此情况并相应地停止功率输出。
图ll示出用于图10的手持单元244的冷却系统。将容纳在手持单元 244内的微波电路安^金属吸热装置上以提供足够的热质量。然而，对 手持单元244的冷却仍然是必要的，并且通过在器件和吸热装置上的强制 气流系统实现。外壳266容纳所安装的器件(未示出)和气流系统。
气流系统包括驱动位于外壳266尾(近)端的风扇270的小型马达 268。风扇270允许通过位于外壳266天线端的锥274内的小进气孔从周 围环境^^冷的空气。可以将外壳置于隔热外套(未示出)中以便为4吏用 者提供隔热。
权利要求
1.用于使用微波能量治疗生物组织的设备，所述设备包括具有微波发生器的手持单元以及天线，其中所述微波发生器设置为产生微波能量并将所述微波能量传送到所述天线，所述微波能量可以从所述天线辐射并可控地消融生物组织。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述手持单元包括伸长的笔 大小的外壳。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，包括连接到所述手持单元的 控制单元，所述控制单元包括用于所述设备的电源以及设置为向/从所述 微波发生器发送和接收控制信号的控制电路。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中，所述控制单元包括用户接 口 ，所述用户接口设置为允许用户IMt所述设备。
5. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中，所述微波发生器包括;錄波频率源，以及放大器，设置为放大来自所述频率源的输出以向所述天线提供正向功率；并且其中所述设备包括一个或更多传感元件，所述传感元件i殳置为检 测提供给所述天线的正向功率以及从所述天线接收的反射功率，所述传感 元件与所述控制单元通信，^f吏得基于由所述传感元件检测的正向和反射功 率来控制所述微^^生器。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中所述传感元件包括波导耦合器。
7. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中所述微波发生器包括 调制开关和功率水平控制器，分别用于使由所述微波发生器输出的微波功 率产生脉沖以及控制所述输出功率的大小。
8. 根据权利要求7所述的设备，其中所述功率水平控制器设置为 衰减所述微波功率输出和/或控制所述微波发生器中的放大增益。
9. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中所述微波发生器能够 在适合于消融的高功率模式和适合于组织类型/状态测量的低功率模式下操作。
10. 根据权利要求3所述的设备，其中所述控制单元包括时序电路， 其i殳置为引起所述微》^l生器内的部件的顺序操作。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述微波发生器包括 微波频率源，以及放大器，设置为放大来自所述频率源的输出以向所述天线提供正向功率；并且其中所述时序电路设置为在对所逸故大器关断漏电源之前关断 所述频率源，以避免所述频率源开启所逸故大器的可能.
12. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中，将所述微波发生器 的全部或部分装在吸热装置上。
13. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中所述天线为适合于以
14. 根据权利要求13所述的设备，其中所述同轴部件具有内导体和 外导体，并且所述内导体的外表面和所述外导体的内表面覆盖有高导电材料。
15. 根据权利要求13或14所述的设备，其中所述天线包括电介质顶端，所述电介质顶端适合于作为辐射端(天线)工作并且产生所述同轴 构件和所要治疗的组织之间的匹配条件。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中所述天线包括多个设置为将 微波能量传送给所述电介质顶端的馈电元件。
17. 根据任意在前权利要求所述的设备，包括在所述手持单元内、 设置为使所述设备的阻抗与所要治疗的组织动态匹配的调谐滤波器。
18. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中将可见光源附连到所 述手持单元，并且所述可见光源_没置为照明与所述辐射天线产生的微波场 形状相似的治疗区域。
19. 根据任意在前权利要求所述的设备，其中所述手持单元包括强 制气流系统，用于冷却所述微波发生器。
20. 根据权利要求23所述的设备，其中所述手持单元包括在其中形 成有进气孔的伸长的外壳，并且所述强制气流系统包括i殳置为驱动风扇的马达，由所述风扇将空气从周围环境吸入所述外壳以冷却所迷微波发生 器。
21. 用于发射微波辐射的天线，所述天线包括具有内导体和外导体 的伸长的同轴馈电结构，所述内导体的外表面和所述外导体的内表面覆盖 有高导电材料，所述同轴馈电结构与辐射元件端接并且适合于向所述辐射 元件传送微波能量，所述微波能量作为基本均匀的微波辐射场从所述辐射 元件发射。
22. 根据权利要求21所述的天线，其中所述天线是同轴E-场针状天 线或H-场环形天线。
23. 根据权利要求21或22所述的天线，其中所述辐射元件为电介 质顶端，所述电介质顶端适合于产生所述同轴构件和所要治疗的组织之间 的匹配务泮。
24. 根据权利要求23所述的天线，其中所述电介质顶端为陶瓷半球 天线罩。
25. 根据权利要求23或24所述的天线，其中所述馈电结构包括多 个设置为向所述电介质顶端传送微波能量的馈电元件。
全文摘要
公开了一种用于使用微波辐射(例如具有500MHz到60GHz之间的频率)治疗生物组织的便携式电外科系统(100)。该系统包括手持微波子组件(102)，该子组件产生并放大用于治疗的微波信号(可以是连续的或经调制的)并且包括用于传送辐射的治疗天线(116)。子组件(102)中的二极管检波器(120，122)可以检测正向和反射功率水平以使得能够确定净输出功率。可以提供动态阻抗匹配系统将子组件(102)中的放大器(110，112)产生的能量与生物组织负载进行匹配。因此在子组件中提供用于从微波信号中提取幅度和相位信息的调谐滤波器(144)和耦合器(146，148，150，152)。
文档编号A61B18/18GK101578075SQ200780049726
公开日2009年11月11日 申请日期2007年12月3日 优先权日2006年12月11日
发明者克里斯托弗·保罗·汉科克, 克里斯托弗·达夫, 穆罕默德·萨比·绍德里 申请人:医疗设备创新有限公司