CN100589854C - 微波加热器 - Google Patents

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Abstract

一种微波加热器,包括同轴电输入(4)和填充有电介质(2)的波导(1),同轴输入的内导体(7)纵向延伸到波导的一端内,以激励TM01模式的微波,传向波导的远端面(8),从而当要治疗的生物组织与远端面接触时,发射微波。

Description

微波加热器
技术领域
本申请涉及一种适用于加热生物组织的微波加热器(microwaveapplicator)和一种加热治疗表面组织的方法。
背景技术
本申请人之前已经提出了一种外科手术用的微波加热器,包括通过包含高介电常数的电介质而具有缩减直径的波导。同轴电输入在电介质中产生TE11模式的微波,并且这些微波从波导的远端面辐射出去。
发明内容
根据第一方面,本发明在于一种微波加热器,包括同轴电输入和填充有电介质的波导,同轴输入的中心导体纵向延伸到波导的一端内,以激励TM01模式的微波,传向波导的远端面,从而当接触要治疗的生物组织时,从远端面发射微波。
选择TM01模式,因为其具有与同轴输入良好匹配的场图案,好于更为普遍使用的基本模式TE11。TM01还产生了同轴输入和波导之间的简单过渡。中心导体优选地在圆形波导内轴向对准,并在波导内延伸较短的尺寸,从而匹配波导的总体尺寸,尤其是其长度和直径以及电介质的介电常数和电输入的频率。
优选地,波导的远端面是平坦的,并且以行进到与远端面接触的生物组织中的平行波阵面辐射微波能量,并具有最小的横向扩散。微波的穿透深度依赖于频率和电输入功率,但典型地,对于显微外科中的局部加热治疗,只需要较小的穿透距离。在可选实施例中,远端面可以是稍微凸起的,并以波导的轴为中心,而不是平坦的。
本发明的另一特定重要特征是利用波导中的谐振的能力,从而当远端面与生物组织接触时,来自输入端的过渡的反射和来自远端面的、由于每一次电介质的变化而引起的反射是失相的,因此,增强了前向传输,当远端面未与生物组织接触时,所述反射是同相的,因此,增强了对同轴输入的反射。因此,只在与要治疗的生物组织接触时,才将微波能量从远端面向外传输任意可感知的距离,而这是操作模式下的关键安全性特征。
根据第二方面,本发明在于一种微波加热器,包括:波导;同轴电输入,中心导体纵向延伸到波导的一端内,以激励优选地为TM01模式的微波,传向波导的远端面,并发射到要治疗的生物组织中;低损电介质材料的隔膜,设置在波导内,从而与波导横向延伸,以反射沿着其传播的微波,与波导的末端相关地选择隔膜的纵向位置,从而来自波导接头和隔膜的反射波相干叠加组合,以产生具有抵消来自同轴波导接头的反射的正确幅度和相位的波。
优选地,选择隔膜的厚度和制成隔膜的电介质材料的介电常数,以确定微波从隔膜的后向反射的幅度,以便优化抵消同轴输入中的后向反射。
优选地,波导是充气的,波导的远端适合于接触(或近似接触)要治疗的表面组织。
本发明的第一或第二方面的微波加热器可以用在加热治疗表面组织的方法中,使波导的远端面与表面组织相接触,以进行治疗。
附图说明
现在,将参照附图、通过示例,对本发明进行描述,其中:
图1是根据本发明第一实施例的柔性腹腔镜检查微波加热器的轴向截面;
图2示出了当远端处于空气中时(曲线S)和当与生物组织接触时(曲线T)、图1所示的加热器的反射系数与微波频率的曲线图;
图3是根据本发明第二实施例的微波加热器的轴向截面;
图4是根据本发明第三实施例的微波加热器的轴向截面;
图5是根据本发明第四实施例的微波加热器的轴向截面;
图6是根据本发明第五实施例的微波加热器的轴向截面;以及
图7是根据本发明、将微波加热器用于医学治疗的示意图。
具体实施方式
图1所示的微波加热器由以下部件构成:波导1,由以铝箔3的外层覆盖的电介质圆柱体2形成;以及柔性同轴电缆输入电源4,在一端与波导相连,从而同轴电缆的外导体5通过铜箍6与铝带3电连接,以及同轴电缆的内导体7轴向延伸到电介质体2中较短的距离l。波导1的远端面8是平坦的,并且以如FEP或paralene等非粘性聚合物涂层覆盖。
优选地,波导1操作在TM01模式。
典型地,对于此微波加热器,为了在9.2GHz的频率处进行操作,波导的尺寸如下:总长L=12.9mm、直径D=5.2mm、l=5.9mm;以及电介质体的介电常数k=25。典型地,电介质是Emerson&Cummings出售的Hik 500f电介质材料。
图1所示的微波加热器在不同频率处的性能如图2的曲线所示,其中曲线S示出了当加热器的远端面8处于空气中时,反射系数S11的变化,而曲线T示出了当加热器的远端面8与要治疗的生物组织接触时,反射系数S11的变化。图2中S11数值上的下降表示良好的微波匹配,其在曲线T中、在9.2GHz的设计操作频率处得到了清楚的证明。在这些条件下,加热器将最大的微波能量传输到生物组织内,但如果破坏了与组织的接触,而使远端面处于空气或如CO2等气体中,则发射能量立即下降到非常低的水平,因为能量被反射回同轴电缆输入电源4。
应当清楚的是,可以相对便宜地制造如图1所示的微波加热器,因而可以作为针对显微手术的一次性产品出售。
具有5.2mm的缩减直径的、如图1所示的微波加热器适合于在腹腔镜手术中通过套针插入,以便在与生物材料接触时,按照受控的方式、在远端面附近产生局部加热效应。例如,这种加热器可以用于破坏较小的表面肿瘤,用于治疗卵巢癌、或治疗子宫内膜异位或任何表面损伤。
本发明的第二实施例如图3所示,结构上类似于图1,并将相同的参考数字用于等效的组件。但是,波导1包括刚性铝圆柱壁13,典型地为2mm厚,电介质体2由硬陶瓷材料构成,如介电常数K=25的稳定氧化锆(
Figure C0382407300061
2000)等。与图1所示的加热器的45瓦特的功率电平相比,此电介质材料赋予加热器处理较高功率电平的能力,典型地,高至200瓦特。优选地,波导1操作在TM01模式。
图3的加热器设计用于在较低的频率2.45GHz进行操作,并具有增加的长度L=50mm和直径D=20mm。应当清楚的是,直径D由操作频率和介电常数K来确定,并对其进行选择,以实现对组织的适当面积的治疗,通过增加的功率来平衡与图1相比增加的面积,以便在用于治疗目的的远端8提供适当的功率密度。
中心导体7的凸起l延伸到电介质体2中25mm,并且在外导体5和同轴电缆输入4的电介质和波导1之间设置空气间隙9,以允许同轴电缆的电介质填充物膨胀。
具有较大远端8的、图3所示的加热器更适合于治疗较大的表面破损肿瘤,如肝脏上的原发性和继发性肿瘤。
在本发明的可选实施例中,为了治疗较小的肝脏肿瘤,使用了与图3所示相同的结构,但以介电常数K=10的氧化铝代替了稳定氧化锆电介质,并且其尺寸如下:L=18mm、D=10mm、l=11mm、以及操作频率为9.2GHz。此加热器将治疗比图3更小面积的组织,但将引起较小的间接损害。
图4所示的微波加热器由以下部件构成:充气波导11,由铝圆柱壁13形成,具有针对在一端与波导相连的柔性同轴电缆输入电源的输入连接14。壁13的外表面覆盖有UPVC套筒16。同轴电缆的外导体通过黄铜配件17与波导的壁13电连接,同轴电缆的内导体与导体15相连,其轴向延伸到波导11中较短的距离1。PTFE套管18分离导体15和配件17,并形成二者之间的电绝缘体。有机玻璃隔膜20横向位于波导内,靠近凸凹截面(rebated section)21的开口端,凸凹截面21使其与开口端18间隔距离w。隔膜20的厚度为t。优选地,波导11操作在TM01模式。
加热器的操作频率是7GHz,其尺寸典型地为:L=108mm、D=42mm、1=13mm、w=27.7mm、以及t=4.3mm。与操作频率和隔膜的介电常数相关地选择这些尺寸,从而当波导的开口端与要治疗的表面组织接触而进行使用时,微波从组织以及同轴电缆14与波导11之间的过渡处的后向反射实质上由来自隔膜的反射所抵消,减小了同轴电缆内的反射。在此平衡情况下,微波能量的绝大部分传输到正在治疗的组织。具体地,隔膜20的厚度及构成其的材料的介电常数k将确定微波从其后向反射的多少。隔膜20相对于波导11的末端的位置将确定微波后向反射的相对相位。
如图4所示的微波加热器将适合于皮肤治疗,如牛皮癣的治疗等,尤其是因为探针的末端具有与正在治疗的组织的最小接触。优选地,波导11位于开口端的边缘可以用一些其他的保护(22)来涂覆或装配,如硅橡胶等,以便与组织接合。
本发明的可选实施例如图5所示,其中微波加热器由以下部件构成:波导31,被支撑在具有手柄33的刚性管32的一端;以及位于其另一端的输入电源连接34。通过手柄33保持并操作加热器,波导31形成治疗头。同轴电缆35延伸通过管32,并将输入电源连接34与波导31相连。
波导31由圆柱铝套筒36构成,在输入端与铝端帽37相连。铝支撑套管38在一端与端帽37中的中心孔39相连,并在另一端与管32相连,从而使同轴电缆35能够从中穿过。暴露同轴电缆35的外导体,并与端帽37电连接,暴露同轴电缆35的内导体41,以轴向伸入波导31中。将包括
Figure C0382407300071
2000的电介质圆柱体42装配在套筒36内,并利用中心孔43形成,以容纳内导体41。在同轴电缆的电介质填充物45的末端和波导的电介质体42之间形成空气间隙44。
手柄33由铝制造,并在输入端具有同心凹口45,以容纳输入电源连接34。手柄中的中心孔46容纳同轴电缆35。
优选地,波导31操作在TM01模式。
典型地,加热器设计用于在2.45GHz进行操作,以及波导的尺寸包括:长度L=50mm、内径D=20mm的套管36、暴露长度l=11.8mm的内导体41、以及长度为2mm的空气间隙44。典型地,管32是不锈钢的,并且直径为8mm、长度为250mm,或者能够达到将要治疗的组织的其他适当长度。可以沿着其长度在一个或多个位置46横向弯曲管32,以改善治疗头的辐射发射端面47能够与要治疗的组织面面接合的便宜性。
本发明的另一实施例如图6所示,类似于图5,由以下组件构成:位于刚性管52的一端的、形成了治疗头的波导51;以及位于管52的另一端的手柄和输入电源连接(未示出)。波导51由机械加工的铝组件构成,所述铝组件包括圆柱套筒54和具有开孔56的端壁55,用于容纳管52和同轴电缆57。将包括Hik 500f的电介质圆柱体58装配在套筒54的内部,并利用中心孔59形成,以容纳同轴电缆57的内导体60。同轴电缆57的外导体61与端壁55电连接,并在电缆57的电介质填充物63的末端和电介质体58之间形成空气间隙62。
典型地,加热器设计用于在9.2GHz进行操作,并且波导尺寸包括:长度L=16mm、内径为10mm的套管54、暴露长度为13mm的内导体60、以及2mm的空气间隙62。
类似于图1和图3的加热器,图5和图6所示的微波加热器可以用于治疗肿瘤或其他表面损伤,或用于治疗子宫内膜异位。将治疗头通过病人身体上的开口插入,或者通过套针,或者直接通过较大的切口。然后,操纵加热器,以使治疗头的端面与肿瘤或损伤附近的要治疗组织面对面接触。然后,将从治疗头的端面发射的微波辐射传输到肿瘤或损伤和周围组织中,以将其烧蚀。在完成治疗之前,可以根据需要重复此过程,以烧蚀位于不同位置的多个肿瘤或损伤。
根据本发明的微波加热器也可以用于对出血组织进行止血,通过使治疗头的端面与出血组织接触,并传输辐射以烧蚀该组织。
尽管上述医疗方法使用了所述微波加热器,应当清楚的是本发明还大体上涉及利用包括具有能够与组织面对面接合以将辐射传输到组织内的辐射发射表面的治疗头的微波加热器的任意形式,治疗组织表面上或内的肿瘤或损伤的方法,尤其是肝脏。
图7示出了对病人肝脏70上的表面肿瘤的医学治疗。在病人腹部进行切口,并以钳子71保持腹壁,以产生进入腹腔的开口。然后,使肝脏游离于周围组织,从而能够对其进行治疗。评估肝脏的情况,并做出给予治疗的决定,是否去除部分肝脏和/或烧蚀部分肝脏。在图中,所示肝脏具有多个表面肿瘤72需要烧蚀。操作微波加热器73,优选地,如图1到图6中的任一个所示,将治疗头的端面与肿瘤对准,并使端面与肿瘤接触。然后,接通加热器的电源,从而产生辐射肿瘤的微波,使肿瘤被烧蚀。然后,在减小或关闭电源之前或之后,将加热器抬离肝脏表面。然后,多次重复整个过程,以依次烧蚀每个表面肿瘤。
利用实时手术内超声扫描离评估肝脏表面内或上的肿瘤的位置和范围。同样,利用手术内超声扫描来评估治疗单个肿瘤时所得到的烧蚀范围。当在扫描输出中进行观察时,烧蚀组织表现为从加热器的端面发射的“热云”。因此,继续治疗,直到“热云”包围整个肿瘤和围绕其的安全余量。
较大的肿瘤可能需要去除部分肝脏。这通过切割肝脏来完成,将引起出血。于是,应用微波加热器通过将治疗头的端面与出血表面接触,并接通加热器的电源以烧蚀出血表面,来止血。然后,在整个出血表面上,重复此过程。
一旦完成对肝脏的治疗,以盐溶液清洗腹部,并缝合腹壁。

Claims (3)

1.一种微波加热器,包括:波导(1);同轴电输入(4),内导体(7)纵向延伸到波导的一端内,以激励TM01模式的微波,传向波导的远端面(8),并发射到要治疗的生物组织中;低损电介质材料的隔膜(20),设置在波导(1)内,从而与波导横向延伸,以反射沿着其传播的微波,与波导(1)的末端相关地选择隔膜(20)的纵向位置,从而来自隔膜(20)和所述末端的反射的相位用于减小或抵消同轴电输入(4)中的后向反射。
2.根据权利要求1所述的微波加热器,其特征在于选择隔膜(20)的厚度和制成隔膜的电介质材料的介电常数,以确定微波从隔膜(20)的后向反射的幅度,以便优化抵消同轴电输入中的后向反射。
3.根据权利要求1或2所述的微波加热器,其特征在于所述波导是充气的。
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