CN101234021B - 一种使由射频引起组织变热最小化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使由射频引起组织变热最小化的技术。本发明涉及一种给医疗装置无线提供功率的方法和系统，其中所述医疗装置位于有生命的对象体内并由外部射频能量供应能量。一个位于对象外部的射频驱动单元照射该医疗装置。一个无源天线放置在对象的外部，通常与所述驱动单元相对，改变场的方向以通常朝向所述装置。再辐射元件增加功率驱动单元产生的电磁场的均匀性，这降低了对象以及照顾对象的医务人员的局部组织变热。

Description

一种使由射频引起组织变热最小化的方法和设备

技术领域

本申请涉及远程给无线装置提供功率。具体而言，本申请涉及一种当给无线医疗装置提供功率时，使处于电磁场中身体组织变热最小化的技术。

背景技术

可植入或可插入的医疗装置经常是无线提供功率的，由通过位于病人体外的发射器传输射频(RF)能量。一个或多个与该装置合并的功率线圈接收射频能量。例如，一些无线定位应答器包含这样的功率线圈，一个或多个定位传感线圈用于接收外部产生的位置信号。上述应答器典型使用无线接收的能量，将位置信号转化成为高频信号，驱动功率线圈(或一个分开的传输线圈)将高频信号传输至外部放置的处理单元，该处理单元相应确定应答器的位置和方向。

例如，公开号No.2003/0120150的美国专利申请中记载了一个应答器和操作应答器的装置采用模拟高频信号的技术，发明名称是“无线定位传感器”，其公开内容在此引入作为参考。用于操作应答器的装置包含多个场发生器，多个场发生器在目标周围产生各自不同频率的电磁场，还包含一个射频驱动器，射频驱动器向无线应答器发射射频驱动场。应答器包含至少一个传感线圈，传感线圈中信号电流对电磁场做出响应地流动，应答器还包含一个功率线圈，功率线圈接收射频驱动场并从驱动场传输能量，用于应答器的提供功率。功率线圈也传送输出信号，用于传送信息给接收器或询问器。在医疗应用中，无论是模拟的还是数字的应答器，典型的包含多个传感线圈，例如三个相互正交的线圈，例如Ben Haim等人的欧洲专利EP0776176中公开的。由此可以精确确定应答器的位置和方向坐标。

这些定位应答器能够确定体内目标的位置和方位，不需要在传感线圈和外部处理单元之间有任何的有线连接。上述无线应答器可能植入到病人的体内，例如植入到病人的骨骼中，或者与可植入的医疗器械合并在一起。但是，需要注意的是当装置被射频驱动器有源驱动时，由电磁场的非均匀性引起局部组织变热是有害的。

一般情况下，人体内射频能量的沉积导致体温的增加。一份世界卫生组织的文件，环境健康标准(Enviromental Health Criteria)137，该文件可以从因特网上获得“http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc137.htm”，该文件表明当频率大于1MHz时，射频能量的比吸收率(SAR)阈值大约是1-4W/kg，超过此阈值就增加对健康的损害。当频率低于1MHz时，将产生震动和灼伤，其标准是基于人体内产生的感生电流制定的。此外，脉冲场可能更要引起注意。在脉冲电磁场的情况下，研究显示在一定条件下，当能量用很短的脉冲(1-10μs)传送时，当频率超过几百MHz时生物效应的阈值降低。上述脉冲的安全极限甚至无法通过有效证据加以识别。使病人以及医务人员尽可能少的处于上述场中是十分重要的。

发明内容

根据本发明公开的实施例，公开了一种给在有生命的对象体内医疗装置无线提供能量的方法和系统，使用外部射频能量并使组织中局部射频能量沉积最小化。一个在对象外部的射频驱动单元放置照射上述医疗装置。一个无源天线放置在对象外部，通常与上述驱动单元相对，使通常面对该装置的场再定向。该再辐射元件增强了由驱动单元产生的电磁场的均匀性，因此降低了对象和护理对象的局部组织变热。

本申请的实施例提供了一种能够给医疗装置无线提供能量的方法，该医疗装置放置在有生命的对象体内，在对象外部的第一位置产生一个射频能量场，该场延伸进入对象体内给装置供应能量，并且在对象体外的第二位置被动地再辐射场，第二位置通常与第一位置相对。

根据上述方法的一个方面，第二位置通常跨过对象与第一位置相对。

根据上述方法的另一个方面，该装置是一个应答器，具有从场中获得能量的位置传感器。

上述方法的一个方面，上述场具体是由位于第二位置的一个无源天线再辐射的。

根据上述方法的另一个方面，该无源天线包含单一一个的线圈。

根据上述方法的另一个方面，场的频率是13.6MHz，该无源天线的电容大约是100pF。

上述方法的附加方面，该场在第二位置产生共振。

上述方法的一个方面包含在场中屏蔽对象的一部分，受屏蔽的部分不包括该装置。

本申请的实施例提供了一种装置用于能够给医疗仪器无线提供能量。该仪器放置在有生命的对象体内，并由外部射频能量供应能量。一个射频驱动单元位于对象体外的第一位置，用于产生一个射频能量场，该场延伸进入对象体内照射该装置。一个再辐射元件放置在对象体外的场中的第二位置，使场改变方向，该再辐射元件通常面向该装置。

根据上述仪器的附加方面，该装置是一个应答器，具有位置传感器并从场中获得能量。

根据上述仪器的另一方面，该再辐射元件具体是一无源天线。

根据上述仪器的另一个方面，该无源天线包含单一一个线圈。

根据上述仪器的另一个方面，该无源天线在场的频率下产生共振。

附图说明

本发明的详细说明中，带有附图标记，通过示例的方式，与附图相结合，将会更好地理解本申请。其中，相同的部件采用相同的附图标记，其中：

图1图示了根据本发明的实施例给医疗装置无线提供功率的系统。

图2是图1中根据本发明的实施例，系统产生的场强曲线。

图3是根据本发明的实施例，以细长透视图显示的手术台上人体膝盖的有限元模型，其中天线已经示出。

图4是与图3中根据本发明的实施例，有限元模型相似的有限元模型的端视图，辐射模式是叠加的。

图5显示了根据本发明的实施例，一个有限元模型，其中天线是有源的，与图4中辐射叠加模式的有限元模型类似。

图6图示说明了根据本发明的可选择实施例，无线给医疗装置提供功率的系统，包括一个保护性的屏蔽护罩。

具体实施方式

下面的叙述中阐明多个特定细节，将有利于彻底理解本申请。但是，对于本领域技术人员而言，本申请可以不使用上述特定细节。例如，公知的电路和控制逻辑并没有详细叙述，因为这些对本申请并不是必需的。

现在转向附图，从附图1开始，根据本申请的实施例，图1图示说明了给医疗装置无线提供功率的系统10。该系统10包括一个功率驱动单元12，其放置在对象14的体外，一个可植入或可插入的无线医疗装置16。典型的，该医疗装置16合并在导管中(未示出)或者植入在对象14体内。该医疗装置16包含至少一个功率线圈18，用于接收从功率驱动单元12发送的能量。为了在应用中，该医疗装置16可以实现无线定位应答器的功能，典型的系统10进一步包括一个或多个定位信号发生器20，定位信号发生器20用来产生位置信号，由合并在医疗装置16中的至少一个定位传感线圈22接收。一个控制单元24控制并给定位信号发生器20和功率驱动单元12提供能量。

适于作为医疗装置16使用的应答器，其传输数字高频信号在公开号为No.2005/0099290的美国专利申请中攻来了，该发明名称是“数字无线定位传感器”，其中公开的内容在此引入作为参考。

为了有效传输能量到医疗装置16，上述功率驱动单元12典型的与对象14的外部组织靠近或接触，在医疗装置16的周围。上述功率驱动单元12产生一个射频信号，典型的具有在兆赫范围(例如，13.6MHz)的频率，以驱动功率线圈18并且因此给医疗装置16提供功率。由功率驱动单元12产生的RF场26的强度通常随着与功率驱动单元12距离的增加而迅速下降。因此，为了给医疗装置16提供足够高的场强度，相对高的功率电平(例如，在大约12W/kg和大约20W/kg之间)是必需的，根据具体的应用，医疗装置16典型的放置在距离功率驱动单元12几厘米到几十个厘米的位置。这样的强场可能导致不期望地加热对象14位于功率驱动单元12周围的组织、和操作程序的医生以及辅助医疗人员(未示出)的组织。

为了增加场26的均匀性，上述系统10进一步包括一个无源天线28，无源天线典型的包含至少一个线圈或环30。例如，上述天线28可以包含一个80cm的环，典型的具有100pF电容。但是，该电容是可以变化的，只要环在由功率驱动单元12产生的场的频率下发生共振即可。上述天线28位于对象14的一侧，另一侧放置的是功率驱动单元12，典型的与功率驱动单元12的距离大约为1到1.5米。典型的，上述天线28全部是无源的；不需要能量源或耦合到控制单元。上述天线28再辐射一部分场的能量。结果，与没有天线28的情况相比，通常在天线28和医疗装置16附近的场26更强一些，在功率驱动单元12的附近场相对弱一些。

现在看图2的参考，根据本申请的具体实施方式，图2是图1中系统产生的理论模拟场强曲线。该理论示例说明，曲线32代表没有使用天线28时场26的强度(图1)，距离功率驱动单元12的距离从0m到1.5m，沿功率驱动单元12大体向上的方向并通过对象14。可以看出，强度随着到驱动单元的距离增加而迅速下降。曲线34表示了使用天线28时场26的强度，天线28与功率驱动单元的距离是1.5m。天线28的再辐射使曲线变平坦，使产生的场更均匀。

例子

现在看图3的参考，根据本申请的实施例，图3是以细长透视图显示的手术台上人体膝盖38的有限元模型36。在该模型示例中，肌肉的电导率被认为是0.6Seim。一个功率驱动元件40放在膝盖38下面。无源再辐射天线42，44放置在膝盖38上面。

现在看图4的参考，根据本申请的实施例，图4是与有限元模型36(图3)相似的有限元模型46的侧视图，其中没有天线42和44。显示了由驱动元件48产生的模拟辐射模式。可以看出，区域50具有强的RF辐射，与操作地点52重叠。

现在看图5的参考，根据本申请实施例，图5显示了一个有限元模型46，其中天线42，44(图3)在模拟中是有源的。图5与图4也有些不同，大多数的有限元模型被去掉以更好的表示辐射模式。代替的是，矩形54概括描述了有限元模型46的膝盖部分的位置。由区域56表示最强的RF辐射的区域，其与区域50(图4)相比面积减小很多。区域56占据了仅位于矩形54的底部中的操作位置的相对小的一部分。

可选择实施例

现在看图6的参考，根据本发明的实施例，图6图示说明了给医疗装置无线提供功率的系统，包括一个防护罩58。防护罩58包含一种阻挡RF能量的材料(例如，铝箔，铜屏蔽罩，黄铜，铁)，该防护罩58与地面60耦合且放置在功率驱动单元12和对象14的不需要暴露在场26(图1)中的组织之间。在图6所示的例子中，医疗装置16已经植入或插入到对象14的左腿62中，防护罩58被配置成保护右腿64不受场26的影响。用于在给医疗装置16提供功率时保护对象身体的其它部位和操作治疗程序的医生(未示出)的配置对于本领域技术人员是显而易见的。防护罩58可以附加地或可选地应用于天线28(图1)。

图6中的装置产生的场不是均匀的。然而，增加一个再发射天线将降低这种不均匀性，因为距离天线较远处发场的作用相对变化不大，而距离天线近处的场减弱了。

本领域技术人员可以认识到本申请并非限定在上文特别示出或描述的部分。本申请的范围包括上文各种特点的组合和次组合，以及本领域技术人员通过阅读本申请后对其进行的不属于现有技术的变化和修改。

Claims (12)

1.一种给医疗装置无线提供功率的方法，所述医疗装置位于有生命的对象体内，该方法包括以下步骤：

在所述对象外部的第一位置处产生一个射频能量场，所述射频能量场延伸进入所述对象体内给所述医疗装置供应能量；和

通过在所述对象外部的第二位置处放置一个无源天线，使朝向所述医疗装置的射频能量场重定向并且从所述对象外部的第二位置朝向所述第一位置无源地再辐射所述射频能量场，以便增强所述射频能量场的均匀性，

其中所述第二位置跨过所述对象与所述第一位置相对。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述医疗装置是一个应答器，该应答器具有从在第一位置处产生的所述射频能量场中获得能量的位置传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述无源天线包含单一一个线圈。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在第一位置处产生的所述射频能量场的频率是13.6MHz，所述无源天线的电容大约是100pF。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述第二位置对所述射频能量场产生共振来完成再辐射。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括保护所述对象的一部分不受在第一位置处产生的所述射频能量场的影响，所述对象的一部分不包括所述医疗装置。

7.一种给医疗装置无线提供功率的设备，所述医疗装置位于有生命的对象体内并由外部射频能量供应能量，所述设备包括：

放置在所述对象外部的第一位置处的射频驱动单元，用于产生一个射频能量场，所述射频能量场延伸进入所述对象体内以照射所述医疗装置；

一个无源天线，其被放置在所述对象外部的第二位置处的所述射频能量场中以便使朝向所述医疗装置的射频能量场重定向并且从所述对象外部的第二位置朝向所述第一位置无源地再辐射所述射频能量场从而增强所述射频能量场的均匀性，

其中所述第二位置跨过所述对象与所述第一位置相对。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述医疗装置是一个应答器，该应答器具有从在第一位置处产生的所述射频能量场中获得能量的位置传感器。

9.根据权利要求7所述的设备，其中所述无源天线包括单一一个线圈。

10.根据权利要求7所述的设备，其中在第一位置处产生的所述射频能量场的频率是13.6MHz，所述无源天线的电容大约是100pF。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述无源天线在第一位置处产生的所述射频能量场的频率下产生共振。

12.根据权利要求7所述的设备，还包括一个防护罩，其减少所述对象的一部分暴露在第一位置处产生的所述射频能量场的辐射能量。

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