屏蔽微波的组织传感器探头的制作方法与工艺

本发明涉及用于提供能量至生物组织的系统和方法，并且更特别地，涉及用于在微波消融术中精确地感测组织热参数的系统和方法。

背景技术：
基于能量的组织治疗在本领域中是公知的。各种类型的能量(例如，电、超声、微波、低温、热、激光等)施加到组织以获得所需的结果。电外科手术包括应用高射频电流至外科手术部位以切割、消融、凝结或密封组织。在单极电外科手术中，电源或有源电极将射频能量从电外科发生器传输至组织并且返回电极携带电流返回至发生器。在单极电外科手术中，电源电极通常为由外科医生手持的外科手术仪器并且应用至待治疗的组织。返回电极放置在有源电极远处以携带电流返回至发生器。在组织消融电外科手术中，射频能量可通过天线或探头传输至目标组织。有许多种类型的微波天线组件在使用，例如，单极天线、双极和螺旋形的，它们可在组织消融应用中使用。在单极天线和双极天线组件中，微波能量通常垂直地自导体的轴辐射。单极天线组件通常包括单个、细长的导体。典型的双极天线组件包括两个细长的导体，其为线性地排列并且相对于彼此端对端地定位，其中电绝缘体放置于二者之间。螺旋形天线组件包括与地平面相连的螺旋形导体。螺旋形天线组件可以多种模式操作，包括正常模式(全面模式)，其中由螺旋辐射的场在与螺旋轴垂直的平面中最大，以及轴模式(端射模式)，其中最大辐射沿着螺旋轴。至少部分地，可通过螺旋天线元件的物理特征确定螺旋天线组件的调谐，例如，螺旋直径、螺旋线圈之间的间距或距离，以及螺旋关于固定螺旋的探头组件的位置。典型的微波天线具有长的、薄的内导体，其沿着探头的纵轴延伸并且由介电材料所包围。外导体包绕介电材料并且沿着探头的轴延伸。在探头的另一变型中，其提供了有效的朝外的能量或热辐射，外导体的一部分或许多部分被选择性地移除。这种类型的构造通常称之为“漏隙波导”或“漏隙同轴”天线。微波天线探头的另一变型包括使得在均一螺旋模式如螺旋中形成的尖端针对有效辐射提供必需的配置。这种变型能用于在特定方向上引导能量，例如，垂直于轴、向前的方向(即，朝天线的远端)、或这些方向的任意组合。侵入性过程和设备已得到发展，其中微波天线探针通过正常的身体孔口直接插入治疗点，或经皮插入。这种侵入性的过程和设备潜在地提供了待治疗组织的更佳温度控制。因为恶性细胞变性要求的温度与对健康细胞有害的温度之间的细微差别，已知的加热模式和和预知的温度控制是重要的以使得加热局限于待治疗的组织。例如，在大约41.5摄氏度的阈值温度的过热治疗对大部分恶性生长的细胞几乎没有影响。但是，在轻微地上升温度高于大约43至45摄氏度的范围内或伴随上升温度的快速爆发，通常地观测到对大多数类型的正常细胞的热伤害。因此，在消融探针靠近健康组织放置时，需要十分小心沿消融探针长度上不超过这些温度。在组织消融的情况中，应用大约500MHz至大约10GHz范围内的高射频电流至目标组织点以产生消融体积，其可具有特别的尺寸和形状。消融体积与天线设计、天线调谐、天线阻抗和组织阻抗相关。组织阻抗可在消融过程中基于许多因素而改变，例如，组织变性或发生自组织微波能量吸收的干燥。组织阻抗的改变可导致探头与组织之间的阻抗不协调，其可影响微波消融能量至目标组织的传递。目标组织的温度和/或阻抗，以及非目标组织和附近的解剖学结构，可以不同的速率改变，其可为比预期值大、或小。外科医师需要以渐增的方式执行消融程序以避免暴露目标组织和/或临近组织至过度的温度和/或变性。在一定环境中，外科医师可需要依靠经验和/或公开的消融探头参数来确定对特定病人的合适消融协议(例如，消融时间、消融功率级、等)。一种在组织消融过程中监测并控制组织温度的方法是自组织传感器探头提供反馈。然而在组织传感器探头放置于靠近微波消融探头时，由微波消融探头产生的电磁场可降低组织传感器探头测量的准确性和精确性，其通过组织传感器探头的热物理现象的直接热搅拌或通过组织传感器探头中的诱导电流。这个问题的一个解决办法是在外科手术过程期间维持组织传感器探头和由微波场产生的电磁场之间合适的距离。但是，预测电磁场的位置和边界是有难度的。另外，自其它源的电磁能量可干扰组织传感器探头的操作。

技术实现要素：
公开的组织传感器探头和相应的外科消融系统增加了在微波消融手术期间的在消融探头附近采集温度测量的速度和准确性。这通过将探头内的温度传感器屏蔽于通过微波消融探头产生的电磁辐射和最大化热能量传输至温度传感器的响应时间来实现。一方面，本公开涉及一种电磁外科消融系统，其包括配置为准确地感测消融外科手术部位处或其附近的组织温度的组织传感器探头。电磁外科手术消融系统还包括选择性地提供外科消融能量至消融探头的发生器。外科手术消融系统还包括消融探头，其操作地耦合到发生器并配置为接收来自发生器的消融能量并传送消融能量至组织。外科手术消融系统还包括操作地耦合至发生器的控制器。控制器包括处理器和操作地耦合至处理器的存储器。组织传感器探头操作地耦合至控制器。组织传感器探头包括电导性外壳。电导性外壳的至少一部分由热导材料形成。电导性外壳可包括其具有远端和近端的细长圆柱形杆、电耦合至细长圆柱形杆远端的的热导尖端、以及电耦合至细长圆柱形杆近端的的盖。电导性细长圆柱形杆、电导性尖端、和电导性盖的中的至少一个可包括不锈钢、铜、和铝中的至少一种。组织传感器探头可包括高热导性材料，其布置在电导性外壳中并与热导性材料热关联。高热导性材料的至少一部分可布置在电导性尖端中。高热导性材料可具有低导电性。高热导性材料可包括银、金、碳纳米管、金刚石、铜、铝、热导凝胶、以及热导聚合物中的至少一种。组织传感器探头还包括布置在高热导性材料中并且自电导性外壳电绝缘的温度传感器。温度传感器可包括多个温度传感器，其沿着电导性细长圆柱形杆长度布置。温度传感器可配置为提供对应身体组织温度的温度传感器信号。温度传感器可包括荧光温度传感器、热电偶、热敏电阻、阻抗温度探测器、或红外温度计中的至少一种。外科手术消融系统还包括操作地与控制器耦合并配置为选择性地激活发生器的驱动器。驱动器可选自由手闸、脚踏开关、以及口头激活开关组成的群组。组织传感器探头也可包括布置在组织传感器探头的近端的把手。把手可包括抓力增强特征。在另一方面，本公开涉及一种组织传感器探头。组织传感器探头包括具有远端和近端的电导性细长圆柱形杆。组织传感器探头还包括电导性尖端，其耦合至电导性圆柱形杆的远端。电导性尖端闭合电导性圆柱形杆的远端并且具有高热导性。温度传感器还包括电导性盖，其耦合至细长圆柱形杆的近端以闭合电导性圆柱形杆的近端。电导性细长圆柱形杆、电导性尖端、以及电导性盖中的至少一个可由不锈钢、铜、和铝中的至少一种组成。组织传感器探头还包括布置在细长圆柱形杆远端的高热导性材料。高热导性材料布置在细长圆柱形杆的远端使得其与电导性尖端热关联。组织传感器探头还包括温度传感器探头，其布置在高热导性材料中并与电导性圆柱形杆和电导性尖端电绝缘。在一些实施方式中，温度传感器可配置为提供对应身体组织温度的温度传感器信号。温度传感器可包括荧光温度传感器、热电偶、阻抗温度探测器、或红外温度计中的至少一种。在一些实施方式中，温度传感器可包括多个温度传感器，其沿着电导性细长圆柱形杆的长度布置，所述杆配置为测量温度属性和梯度。组织传感器探头可包括把手，其布置在细长圆柱形杆的近端。在一些实施方式中，高热导性材料可具有低电导性。高热导性材料可包括银、金、碳纳米管、金刚石、铜、铝中的至少一种。高热导性材料的至少一部分可布置在电导性尖端中。附图说明本发明公开的上述及其他方面、特征和优势根据以下详细描述并结合附图将变得明显，其中：图1为根据本发明公开实施方式的具有电磁外科手术消融探头和组织传感器探头的微波消融系统的图表；图2为根据本发明公开实施方式的具有电磁外科手术消融探头和组织传感器探头的微波消融系统的方块图；图3为根据本发明公开实施方式的组织传感器探头的侧剖面视图；图4为根据本发明公开的其他实施方式的组织传感器探头的侧剖面视图；以及图5是示出操作根据本发明公开实施方式的具有组织感测探头的微波消融系统的方法的流程图。具体实施方式本发明公开的特定实施方式将在下文参考附图进行描述；但是，应该理解的是公开的实施方式仅为公开的示范，其可体现为不同的形式。公知的功能或构造不再详细描述以避免以不必要地细节模糊本发明公开。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应该解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的基础以及作为代表性基础以教导熟知本领域人员以实际上任何合适的细节结构来不同地应用本发明公开。在附图和随后描述中，术语“近端”，其传统地应该指代仪器的距离用户更近的端，而术语“远端”应该指代离用户更远的端。图1示出根据本发明公开的微波消融系统10的实施方式。微波消融系统10包括电磁外科手术消融探头100，其具有锥形的远端尖端120和馈电点122。消融探头100操作地由线缆15相连至连接器16，其还可操作地连接消融探头100至发生器组件20。发生器组件20可为消融能量电源，例如，处于大约915MHz至大约2.45GHz的微波或RF能量。公开的系统10包括组织传感器探头200，其配置为感测至少一个操作参数，例如，组织温度。在其他实施方式中，组织传感器探头200可配置为感测组织介电参数，例如，相对电容率、介电常数、介电损耗因子和/或导电性。组织传感器探头200操作地通过线缆215连接至连接器18，其还可操作连接组织传感器探头200至控制器组件30。驱动器40操作地耦合至控制器以使得用户如外科医师选择性地激活和去激活消融能量传输至病人组织。控制器30操作地耦合至发生器20以允许它们之间的通信，诸如但不限于控制信号和/或状态信号。图2示意了根据本发明公开的消融系统10的功能方块图。系统10包括控制器30，其包括一个或多个处理器31，所述处理器操作地耦合至存储器32、数据库33、和温度传感器电路35。在其他实施方式中，控制器30可包括一个或多个处理器31，所述处理器操作地耦合至其他传感器电路(未明确示出)，例如，介电传感器电路，其耦合至组织传感器探头200中的相应传感器。处理器31可配置为执行一组编程指令以执行在此公开的微波消融方法。控制器30包括适应于促进操作的耦合至驱动器40的驱动接口36和/或适应于促进操作的耦合至发生器20的发生器接口37。驱动器40可为任意合适的驱动器，诸如但不限于脚踏开关、手闸(其可安装在消融探头100和/或组织传感器探头200上)、口头激活开关(例如，咬激活开关和/或呼吸驱动开关)等。处理器31、存储器32、数据库33、温度传感器电路35、驱动器接口36和/或发生器接口37可为独立的组件或可为集成的，例如在一个或更多集成电路中。在控制器30中的各个组件可通过一个或更多通信总线或信号线38相连。存储器30和/或数据库33可包括一组可执行指令用于执行在此描述的微波消融方法。消融系统10的一个或多个元件可使用硬线连接和/或无线链路耦合。在使用期间，组织传感器探头200可布置于接近消融探头100的组织T处以获得至少一个组织参数。根据本发明公开的组织传感器探头200的实施方式现在参考图3和4进行描述。组织传感器探头200可为针状设备，其具有小的标准尺寸(例如，17标准尺寸或更小)。组织传感器探头200包括温度传感器231和并与微波发生器和控制器连接以使用自组织传感器探头200的组织温度测量使能反馈和控制。例如，用户可使用控制器以设定目标组织的温度的限制并基于温度限制和测量的组织温度应用高频能量至目标组织。参考图3，组织传感器探头200配置为形成“法拉第笼”或“法拉第屏蔽”。法拉第笼为由电导性材料制成的外壳或容器，其在电导性材料具有合适厚度时能屏蔽内部免于外部电磁辐射。在操作中，外部电场导致在法拉第笼的电导性材料内的电荷再分布从而消除外部电场在法拉第笼内部的效应。组织传感器探头200包括配置为法拉第笼的电导性外壳，其包括温度传感器231。通过这种方式，温度传感器231与电磁辐射隔离，其包括源自探头200外部的微波辐射。探头200包括细长的、通常圆柱形的杆223，其具有远端213和近端216。在一些实施方式中，细长杆223为由不锈钢或其他电导性金属如铝或铜所制成的圆柱形海波管。杆223的远端213包括电导性尖端221，例如金属套管针尖端。尖端221由电导性材料制成，其具有高热导性，例如铜、银、金、或这些材料的任意合金。在一些实施方式中，电导性材料也可具有允许尖端221长时间保持锐利的物理属性。电连接完全围绕在位于尖端221和细长杆223之间的连接而制成，其通过紧密的物理接触或通过焊接或激光焊接，以形成密封的、电导性外壳，所述外壳能阻断电磁辐射如微波辐射。热导性材料233在细长杆223的远端216处布置于细长杆223内，其直接位于尖端221之后并且与尖端221接触。在一些实施方式中，尖端221可包括空心中心，其中布置了热导材料233d。例如，热导材料233d可为高热导凝胶。热导材料233可具有高热导性，但低电导性。热导材料233可包括金、银、铜、热导凝胶或聚合物、或这些材料的任意组合。温度传感器231，例如热敏电阻或热电偶，以如下的方式布置在热导材料233之中，即使得电隔绝于电导尖端221和细长杆223。温度传感器231可使用热导性粘合剂或环氧基树脂固定在组织传感器探头200内。热导材料233快速地自身体组织传输热量至温度传感器231以提供对身体组织温度的准确和精确测量。温度传感器231与电绝缘导线235相连，例如涂敷有塑料绝缘或蒸镀绝缘体的线。线235自热导材料出现并且在组织传感器探头200的近端213处耦合至屏蔽线缆215。线235可彼此扭绞以形成双绞线。使用电导性金属盘237封顶或闭合细长杆223的远的近端。隔板状端口225，其维持与外部环境的电隔绝、穿过盘237并使能传送至屏蔽线缆215。组织传感器探头线235的双绞线穿过端口225进入屏蔽线缆215。线缆215的屏蔽可为金属丝编织或固体圆柱形导体。人类工程学把手227如提供有吸引力的设备外观的模制塑料布置在组织传感器探头200的近端213处。因此，圆柱形细长杆223、尖端221、和盖237形成电导性外壳，其将温度传感器231隔绝于组织传感器探头220外部的任何电磁干扰。同时，热导尖端221和热导材料233能快速地传输位于或临近于组织传感器探头200的热能量至温度传感器231以确保温度传感器231的快速热响应。用于形成圆柱形细长杆223、尖端221、和盖237的电导材料的类型以及电导材料的其他参数(例如，厚度)可基于由微波探头发射的电磁辐射参数(例如，频率、相位、极性)而选择。对于电导性材料的参数可基于自其它源的电磁辐射的参数而选择。外科手术消融系统可包括多个组织传感器探头200。组织传感器探头200可放在目标组织结构的边缘处以确保临界的组织结构不会由微波消融探头(例如，消融探头200)产生的高温所伤害。图4示意了根据本发明公开的另一实施方式的组织传感器探头200的侧剖面视图。热导材料233d可在尖端221的空心部分中延伸。热导材料233b、233c可沿着细长杆223长度布置在细长杆223内的不同位置处。温度传感器231b、231c布置在热导材料233b、233c中并连接至导线或线235。在这个配置中，可测量每个温度传感器233a-233c附近的组织温度以获得沿着细长杆223长度的组织温度梯度或曲线。例如，组织传感器探头200可平行于消融探头定向以测量辐射消融探头的温度。为了确保准确的温度测量，细长杆223或细长杆223的与热导材料233b、233c接触的那些部分可由热导材料制成。探头200可包括一个或多个布置在细长杆223上并且适应于吸引和吸收湿气如蒸汽和/或浓缩的水蒸汽的吸水套214，其可作为消融过程的副产物和细长杆223上的收集物而释放。在一些实施方式中，吸水套214为可滑动地布置在细长杆223上以使能选择性及附湿气、和/或使外科医师根据外科手术要求布置套214。套214可由任意合适的生物兼容性吸附材料形成，包括但不限于由原木浆组成的纸基材料，所述原木浆自经认证的森林获得。探头200包括位于探头200近端213的把手227。把手227可包括抓力增强特征，诸如但不限于滚花、皱褶、涂层(例如，硅基或橡胶化涂层)，其布置在把手227的外表面的至少一部分上。探头200包括自探头200延伸的线缆215，其适应于操作地通过温度传感器电路35与温度传感器231耦合。探头200的细长杆223可具有合适的长度和/或直径，其适合在消融过程中使用。在一些实施方式中，细长杆223具有大约10cm至大约30cm的长度。组织传感器探头200包括布置在探头杆223远端211的温度传感器231。温度传感器231可包括任何合适的温度感测传感器，包括但不限于荧光(例如，光纤)传感器、热电偶、热敏电阻、红外温度计(例如，发射测量)、电阻温度计(也称之为阻抗温度探测器或阻抗热量设备(RTD))、或现在或将来可知的其他温度传感器。温度传感器231为通过连接元件218操作地耦合至温度传感器电路35，其可包括电和/或光纤导体。温度传感器电路35适于自温度传感器231接收温度测量信号以确定组织温度，其转而可由控制器30和/或发生器20使用。图5示意了用于操作微波消融系统10的方法300，所述微波消融系统10包括发生器20、控制器30、消融探头100、和组织传感器探头200。方法300开始于步骤301，其中可执行一个或多个初始化，例如开电源自检(POST)、内存分配、输入/输出(I/O)初始化等。在步骤305中，决定是否存在激活信号，例如，驱动器40是否已由用户啮合以导致消融能量传输至组织。如果不存在激活信号，则重复此过程直至探测到激活信号(例如，系统进入“等待状态”)。基于接收激活信号，消融发生器如发生器20在步骤315激活以通过消融探头100传输消融能量至组织。在步骤315中，消融控制信号可由控制器30产生并通过发生器接口37传输至消融发生器20。在步骤320中，获得组织温度测量T。自组织传感器探头200的温度传感器231获得组织温度测量T。在步骤345中，使用组织温度测量以确定组织状态S。组织状态S可为感测的组织是否已接收到不足够的、足够的、和/或过量的消融能量的指示，例如，组织是否是欠消融的(“欠烧蚀的”)、消融的(“烧蚀的”)、或过度消融的(“烧焦的”)。可预期到其他的组织状态，例如，接近消融(预烧蚀的)状态。可使用检查表(未明确示出)以基于温度确定组织状态。在其他实施方式中，检查表可基于温度、透电率、和损失因子确定组织状态。例如，检查表可具有三维组织，其中表第一维代表组织温度，表第二维代表组织透电率，以及表第三维代表组织损失因子。通过这种方式，使用每个温度、透电率、和损失因子作为指数进入三维表以确定对应于此的特定组织状态。在一些实施方式中，检查表可包括在数据库33中。在步骤350中，可通过任意适合的通信方式报告组织状态信号至用户，诸如但不限于声音信号、视觉信号、触觉(触知)信号、和/或这些信号的组合。仅通过范例，欠消融状态可排除在报告之外，鉴于这是在消融过程初始状态期间通常观察到和期望的。当组织达到消融状态如获得接近消融状态时，可发出第一组织状态信号如短的声音信号以通知相应的用户。当组织达到消融状态时，可发出第二组织状态信号如更紧迫的声音信号，其单独地或与视觉信号组合。在一些实施方式中，可使用多个组织状态以传输消融进程的连续指示。通过这种方式，可辅助用户在消融过程中实时地得到准确和及时的消融进程评估。组织状态可与终结条件相关，从而获得终结状态指示消融过程完成和/或消融的传输将结束。在步骤355中，做出当前识别的组织状态是否是终结状态的决定。如果当前组织状态不是终结状态，过程重复步骤305，于是激活信号的存在得到确认，并且消融过程如刚刚所述的继续。相反地，如果到达终结状态，消融过程在步骤360中结束。应该理解的是，在此提供的方法的步骤可组合和/或与在此陈述不同顺序执行而不偏离本公开的范围和精神。在使用期间，组织传感器探头200放在操作部位的边界处，其对应所需消融区域的外界限。当消融能量应用至目标组织时(例如，发生器20激活并且消融探头100应用至操作部位)，组织传感器探头200提供组织参数(例如，温度和介电属性)至控制器30。随着消融区域扩大，控制器30继续监测探测位置的组织状态。当探测到组织终结状态时(例如，组织是“烧蚀的”)，控制器30使发生器20失效，进而使得外科医师执行精确形成的消融，其可导致改善的手术效果、减少的操作和/或恢复次数、以及提高的病人满意度。组织传感器探头200的远端213可通常位于与径向地自消融探头100的馈电点122横向延伸的平面一致。组织传感器探头200可布置于消融区域和临近的解剖结构之间，所述临近解剖结构可以是待保护以免于接收过多消融能量、高温、和/或作为消融过程的副作用发生的不期望的变性的关键结构。在这个范例中，组织终结状态可反映临界值，在其中断消融过程以保护关键结构免于受到破坏。本发明公开的所述实施方式意为示意性的而不是限制性的，并且不旨在代表本发明公开的每个实施方式。以上公开的实施方式和其他特征以及功能的其他变化、或其替代例，可制成或合意地组合成许多其他不同的系统或应用而不偏离本发明公开的精神或范围，其在所附权利要求书中以字面上和以法律上同等承认的阐述。权利要求书可包括硬件、软件、或其组合的各实施方式。