CN101868189A - 手术切除装置 - Google Patents

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Abstract

一种手术切割装置具有治疗通道和测量通道，用于在切割边缘从源向天线传送微波能量。测量通道在比治疗通道更低的功率操作以便确定何时可以安全地施加更高能量。该装置可以在切割边缘向一个或者多个天线递送不同频率的微波辐射，以例如提供不同治疗效果。源可以针对如下天线生成输出，该天线的频率可以被选择以例如实现最有效的操作。选择可以在前向信号的频率扫描期间基于检测的反射信号的幅值和相位是自动的。可以人工提升经由切割元件送往组织的功率以处理大血管。该装置可以包括反射功率监视器，反射功率监视器用于识别从天线接收的反射信号中的表现以触发自动抢先动作的反射功率监视器。

Description

手术切除装置
技术领域
本发明涉及布置成将微波能量可控地送入生物组织中的手术切除装置。
背景技术
这里的公开内容建立于申请人于2006年10月10日提交的第0620060.4号更早的英国专利申请的内容。该文献描述一种手术切割(例如切除)装置，该装置包括耦合到手术仪器的微波辐射源，该手术仪器具有与用于切割生物组织的刀片关联的天线，其中天线被布置成从源向刀片切穿组织时所在的区域可控地递送微波能量。微波能量可以凝结血液以在切割区域有效地密封出血。这种效果在对血管高度分布的器官如肝脏或脾脏进行手术时可以特别地有益。
由于辐射能量的穿透深度有限，所以使用高微波频率(例如10GHz或者更高)相比使用较低微波频率的系统和RF(射频)系统提供了特别的优势，以及使得小的锋利刀片结构能够将能量有效地辐射到组织中以通过能够沿着刀片的长度产生均匀场来密封出血而同时能够切穿组织以去除患病或者癌组织部分的能力。微波频率越高，能量分布变得越有局部性，并且在发生切割动作的部位处的能量密度相应地高，因此变得越易于有效地密封出血，因为将切割刀片引入到高度灌注(perfuse)的生物组织结构中。能够局限能量的分布的能力在限制对健康组织引起的损害数量方面有利。该特征在要求移除大部分患病的肝脏时可能特别地有利，此时尽可能多地保留器官或者健康组织是至关重要的。基本上均匀的场分布可以沿着切割边缘实现均匀凝结或者其它组织效果。使用较低频率的微波能量(例如1GHz或者更少)可能导致天线的无辐射区域，这降低设备产生有效凝结的能力。通过沿着刀片的边缘发射具有适当能量密度的均匀微波能量场，在外科医生切穿组织结构时有效地密封伤口。
在该说明书中，微波意味着频率范围在2GHz与100GHz之间、但是优选为在10GHz与25GHz之间，并且甚至更优选为在14GHz与24GHz之间。例如，可以使用14.5GHz或者24GHz的点频(spot frequencies)。
较高频率(例如24GHz)与较低频率(例如14.5GHz)相比可以提供比如更小尺寸的波导线缆组件、更小尺寸的天线(即可以使刀片看起来外观相似并且具有与标准解剖刀片相同的物理尺寸)和更小穿透深度这样的优点。例如在肝脏中穿透深度在24GHz为1.1mm而在14.5GHz为2mm。更小的穿透深度可以在刀片切入组织时允许更高能量密度和发生更瞬时的密封或者凝结。
第0620060.4号英国专利申请公开了天线的辐射区域可以被动态地调节或者阻抗匹配为可变组织负载阻抗(即辐射刀片或者结构的远端可以调整成治疗组织的复阻抗的复共轭)以便优化送入组织中的功率电平并且最小化反射功率。此外还公开了天线可以被布置成使得能够进行组织特征的测量，例如使用如WO 2004/047659或者WO 2005/115235中公开的治疗系统。
发明内容
这里的公开内容呈现多个特征，每个特征可以在上文讨论的手术装置中单独或者在任何组合中实施。
可选择通道
在第一方面中，该装置可以被布置成提供治疗通道和测量通道，治疗通道和测量通道是用于从源到天线的微波能量的不同路径。测量通道可以提供比治疗通道更低的功率电平的能量以允许确定何时可以安全地施加来自治疗通道的较高能量，例如可以首先在低功率条件下建立反射信号的电平，而如果发现微波能量被吸收到组织负载中，则可以激活高功率源。
因此，根据第一方面，可以提供一种手术切割装置，该装置包括：微波辐射源，被布置成生成微波辐射；手术仪器，具有：切割元件，该切割元件具有用于切割生物组织的边缘；以及天线，该天线连接到源并且布置成在切割元件的边缘发射基本上均匀的微波辐射场；以及反射辐射检测器，被布置成接收从天线反射回的信号，其中天线可选择性地经由用于传送用于治疗的第一功率电平的微波信号的第一通道和用于传送用于测量的第二功率电平的微波信号的第二通道连接到源，并且其中天线经由信号转移单元连接到检测器，该信号转移单元被布置成将沿着第二通道从天线反射的信号直接路由到检测器。
由于在测量通道中直接向检测器提供反射信号，所以第二功率电平可以较低。对照而言，在间接(例如经由耦合器)提供反射信号时，前向信号必须高到足以保证耦合的反射信号有高到足以可测量的幅度。为了实现这一点而需要的功率电平可能足以在组织中产生影响，例如消融或者加热，这可能是不期望的。本发明允许将安全水平的微波辐射递送到组织中。来自‘安全’测量通道的检测信号可以用来决定何时将较高的功率电平用于治疗。这种安全特征可以延伸到限制设备在空气中发射的功率。例如，如果天线的回波损耗在空气中限制为约1dB，则这意味着如果递送的功率为80W则反射63.55W、但是16.45W辐射到自由空间中。这中情形是最不期望的。
信号转移单元因此可以包括第二通道上的低功率收发器以测量反射功率电平以便确定何时应当激活高功率源。这样的布置可以允许行波管(TWT)或者磁电管或者其它谐振腔型结构用来在第一通道上生成微波功率。这种类型的设备可能难以在用于进行有效和安全测量的功率电平工作。
第一功率电平可以是第二功率电平的两个或者更多个数量级。例如，第一功率电平可以达到300W；第二功率电平可以是100mW或者更少。
每个通道可以包括用于传播电磁辐射的信号路径。通道可以包括诸如波导组件、同轴线缆等线缆。
第一通道可以包括连接于源与天线之间的放大器，用以放大由源生成的微波辐射，以提供第一功率电平的微波信号。第二通道可以旁路放大器。生成的第二(较低)功率电平的信号因此可以在噪声和信号幅度/相位变化方面比第一(较高)功率电平的信号更稳定，其中较高功率设备可能生成信号失真和其它不需要的效果。这可能归因于如下事实：在第二通道中不需要其包括第一通道中的主要噪声源的部件。例如，第二通道中仅有的不可忽略的噪声源可能是源(例如低功率振荡器)和可选地例如用以补偿沿着第二通道的传输损耗的低噪声放大器。如果包括低噪声放大器，则它优选地具有少于3dB的噪声系数。
信号转移单元可以包括在第二通道上连接于源、天线与检测器之间的循环器，该循环器被布置成引导从源到天线的前向信号和从天线到检测器的反射信号。循环器因此可以充当隔离器以分离前向信号与反射信号。为了最小化前向信号任何泄漏到连接至检测器的端口中的效果，信号转移单元可以包括连接到循环器的载波抵消电路。例如，如果循环器的第一端口连接到源、第二端口连接到天线而第三端口连接到检测器，则载波抵消电路可以连接于第一与第三端口之间。在2006年10月10日提交的第0620064.6号英国专利申请中提供可以使用的适当的载波抵消电路的例子，并且通过引用结合于此。
信号转移单元可以包括第一通道上的定向耦合器，该定向耦合器被布置成耦合从天线到检测器的反射信号。信号转移单元可以包括第一通道上的前向定向耦合器(用以测量前向现存功率的一部分)和反向定向耦合器(用以测量反射功率的一部分)，这些定向耦合器分别被布置成耦合来自源的前向信号和从天线到检测器的反射信号。检测的信号可以用来计算送往组织的功率或者补偿组织在天线的辐射端处的阻抗改变。辐射天线可以被设计成与在特定状态(例如加工、部分加工或者未加工)的特定组织类型(即肝脏或者脾脏)良好匹配。
该装置可以包括第一通道上的阻抗调节器，其中检测器被布置成检测反射信号的幅值和相位，并且阻抗调节器具有基于检测的幅值和相位可控制的可调复阻抗。第一通道因此可以被布置成使该装置的阻抗与负载(组织)的可变阻抗匹配以实现有效功率传送。这可能是有用的，因为血液的阻抗将在它凝结时改变。阻抗匹配可以是动态的，例如可以实时自动出现调整。
该装置可以包括布置成将天线连接到第一通道或者第二通道的开关。开关可以是人工操作的(例如经由脚踏开关踏板)或者可以基于由检测器检测的信号来自动操作。例如，该装置可以被自动布置成在检测到天线在自由空间(例如空气)中的情况下切换到较低功率电平(例如第二通道)。天线的设计可以使得当天线的刀片从组织中取出并且暴露于空气时将检测大幅度的反射信号。下面讨论一种用于检测反射信号中的签名事件并且可以用于这种目的的设备。
开关可以是用于切换从源到天线的不同物理途径的设备(例如波导开关等)。该实施例可以使相同的源能够用来为治疗通道和测量通道生成例如具有相同频率的能量。在其它实施例中，可以例如通过具有分离的频率源或者使用频率混合器和局部振荡器的布置(其中从单个主控频率源得到局部振荡器信号)来在两个通道上使用不同频率。在这样的实施例中，开关可以包括具有两个可选择配置的滤波布置：用于在测量通道的频率阻塞能量而在治疗通道的频率传输能量的第一配置以及用于在治疗通道的频率阻塞能量而在测量通道的频率传输能量的第二配置。可以使用适当的带通、高通、带阻或者低通滤波器来实施滤波布置。例如，可以使用具有与各个配置相对应的滤波分布(通带频率范围、滚降特征、在通带中的插入损耗、波纹等)的带通滤波器，该配置可切换到向天线馈送的信号途径中。在这种情况下，每个通道可以持久地连接到向天线馈送的信号途径。
天线可以包括用于连接到源的馈送结构和布置成发射辐射场的辐射部分。切割元件可以包括辐射部分。因此可以在同时切割之时发射场，由此瞬时提供密封(烧灼)辐射。天线可以被布置成沿着切割元件的边缘发射场。切割元件可以包括用于从馈送结构接收能量的耦合部分。耦合部分可以被适配成使得切割元件接收来自馈送结构的基本上最大的场耦合。切割元件可以除了在近侧耦合部分和远侧辐射部分之外具有金属化表面。
馈送结构可以包括例如加载有切割元件的波导。
天线可以包括多个辐射元件，例如为了增加仪器的切割刀片的长度而并排附接的多个切割元件。可替代地，多个贴片天线可以与边缘邻近制作在单个切割元件上。馈送结构可以包括布置成在多个辐射元件中的每个辐射元件之间均匀地划分来自单个微波辐射源的功率的功率分离器。
天线可以并入到切割刀片中以形成辐射刀片结构。因此，辐射刀片的锐边(sharp edge)可以进行切割动作同时微波能量可以在刀片切穿组织时执行凝结或者密封高度灌注的组织结构的功能以防止失血。
辐射的微波能量的场分布可以集中于刀片的切割边缘处或者周围并且可以引导到组织结构中。
如GB 0620060.4中说明的那样，由于辐射能量的穿透深度有限，所以使用高微波频率(例如10GHz或者更高)相比使用较低微波频率的系统和RF(射频)系统提供了特别的优势，以及使得小的锐利刀片结构能够将能量有效地辐射到组织中以通过能够沿着刀片的长度产生均匀场来密封出血而同时能够切穿组织以去除患病或者癌组织部分的能力。微波频率越高，能量分布变得越有局部性，并且在发生切割动作的部位处的能量密度相应地高，因此变得越易于有效地密封出血，因为将切割刀片引入到高度灌注的生物组织结构中。在穿透深度小(即少于5mm)的频率使用微波能量的又一优点在于可以最小化对与切割/凝结刀片相邻的健康组织的不必要的破坏。基本上均匀的场分布可以沿着切割边实现均匀凝结或者其它组织效果。在本文中的基本上均匀意味着场被发射为使得沿着切割边缘递送的功率是一致的，例如沿着刀片边缘的功率密度分布可以在大部分(例如2/3或者更多)刀片长度上变化大约±20％(或者±1dB)。
使用较低频率的微波能量(例如1GHz或者更少)可能导致天线的无辐射区域，这减少了设备产生有效凝结的能力，从而可能导致无效密封和部分失血。通过沿着刀片的边缘发射具有适当能量密度的均匀微波能量场，在外科医生切穿组织结构时有效地密封伤口。
表现上面公开的本发明的切割/密封方面的天线结构也可以用于消融生物组织以例如在肝脏内实现癌肿瘤的受控和聚焦消融。通过产生局部或者聚焦微波能量的能力来实现这种用途。在消融背景中，多个辐射元件可以用来扩展能量分布。
另外，这里公开的天线结构可以用来获得关于生物组织结构的信息以例如区分组织类型和/或识别各种类型的癌肿瘤和/或确定肿瘤生长阶段和/或控制关联的电子仪器以使手术天线的辐射区域能够与生物组织的复阻抗阻抗匹配，以在能量源与治疗或者切除的生物组织之间实现最大功率传送。这后一特征可能在肝脏切除过程期间由于需要向肝脏组织和血液中有效地发射能量而尤其令人关注。这两个负载有不同阻抗值，因而期望能够在调谐系统中进行调整以使刀片和组织能够总是在阻抗方面良好匹配。这种阻抗的改变意味着在辐射刀片与负载之间的阻抗匹配将有改变，因此将沿着能量递送线缆反射回一部分功率，并且在接收器检测的、涉及反射功率的信号可以用来使得能够对可变调谐网络进行必要的调整。
可选择频率
在第二方面中，装置可以被布置成在不同频率递送微波辐射，以例如提供不同治疗效果。较高频率具有更小的穿透深度、因此用于局部聚焦治疗以例如通过切割元件来烧灼小血管。较低频率具有更大的穿透深度，这可以用于治疗更大的结构以例如密封或者烧灼更大的血管。可以在必要时、例如在外科医生看到或者系统检测到大出血时激活较低频率的辐射。
因此在第二方面的实施例中，可以包括第二频率微波源和功率递送天线布置以便烧灼使用高频微波辐射不能有效烧灼的大血管。第二源可以包括上述第一方面的特征，例如它可以可选择性地经由两个通道连接到它的天线：负责烧灼大‘出血口’的第一通道和用于感测何时有必要激活或者去激活第二能量源的第二通道。
根据本发明的第二方面，可以提供一种手术切割装置，该装置包括：微波辐射源，被布置成生成具有第一频率的第一微波辐射信号和具有第二频率的第二微波辐射信号；手术仪器，包括：切割元件，具有用于切割生物组织的边缘；第一天线，可连接到源以接收第一微波辐射信号并且被布置成沿着切割元件的边缘发射基本上均匀的、第一频率的微波辐射场；以及第二天线，可连接到源以接收第二微波辐射信号并且被布置成从手术仪器发射第二频率的微波辐射场，其中第二频率低于第一频率。
在这一方面中，手术仪器可以能够发射受控的两个不同频率的微波辐射。为了实现这一点，该仪器包括两个天线，这两个天线可以适于有效接收具有某一频率的微波信号并且发射对应于该信号的微波辐射场。可以在手术仪器上包括多于两个天线。可替代地或者附加地，天线可以被布置成在不同频带内发射微波辐射场。如果制作可以在宽的带宽(即1GHz至18GHz)内操作的结构，则可以仅需一个天线。可以采用一种在两个特定频率谐振的天线结构。具体而言，有可能利用为了提供较高频率的能量而在波导结构中建立的更高阶模式。例如，如果使用矩形波导，则主导模式TE10可以用来在较低微波频率递送能量，而更高阶模式TE31可以用来在感兴趣的较高微波频率递送能量。
另外，如果一个天线和馈送线缆用来在两个分离的频率辐射微波能量，则可能期望在发生器使用信号组合网络或者频率双工器以使得能够沿着递送线缆传递(或者传输)两个不同频率的能量。在这种布置中，可以沿着相同通道单独或者同时传输在不同频率操作的两个能量源。
该装置可以包括用于将第一天线和/或第二天线选择性地连接到源的开关。该装置可以被布置成在任何时间点从两个天线同时发射或者仅从一个天线发射。在一个实施例中，开关可以被布置成更改通向天线的信号途径(例如存在来自源的分离的信号路径)，例如波导或者同轴开关。在另一实施例中，开关可以被布置成更改滤波器配置(例如其中有在两个频率运送能量的公共信号路径)。
源可以包括用于产生第一微波辐射信号的第一信号发生器和用于产生第二微波辐射信号的第二信号发生器，该第一和第二信号发生器分别可连接到第一和第二天线。第一和第二信号发生器可以是布置成产生单个稳定频率的低功率振荡器，例如电介质谐振器振荡器(DRO)、压控振荡器(VCO)、耿氏(Gunn)二极管振荡器等。
第二信号发生器可以是布置成从第一信号发生器得到信号的装置。例如，可以使用适当的微波分频器来划分第一信号发生器产生的信号，或者可以使用适当的微波混频器将来自第一信号发生器的信号与参考振荡器信号混合以产生第二频率。从第一频率发生器得到第二频率的一个优点在于两个信号同步在一起。这可以在系统定时控制方面或者通过控制峰和槽在天线刀片产生的治疗波形中的位置来提供优点。如果将同时操作两个能量源，则这一点特别地有用，因为它避免如下情形，其中来自第一频率发生器的信号以破坏性的方式干扰或者取消来自第二频率发生器的信号。如果经由公共信号路径向手术仪器供应第一和第二频率的能量，则这种效果可能导致所不期望的组织效果。
如上面所提到的，第一和第二信号发生器可以沿着公共信号路径可连接到第一和第二天线。可以例如使用微带或者波导信号加法器或者组合器将来自发生器的信号组合到公共路径上。公共路径可以包括能够传播宽范围的频率(例如上至18GHz或者更高)的低损耗同轴线缆。可替代地，可以使用在宽的适当频带内操作的脊形波导。
手术仪器可以经由滤波布置连接到公共信号路径，该滤波布置保证仅在第一频率的能量到达第一天线而仅在第二频率的能量到达第二天线。滤波布置可以包括两个带通滤波器，例如用以通过在第一频率的能量而拒绝在第二频率的能量的第一滤波器和用以通过在第二频率的能量而拒绝在第一频率的能量的第二滤波器。因此，第一滤波器可以连接于公共路径与第一天线之间，而第二滤波器可以连接于公共路径与第二天线之间。对于具有频率间隔约为10GHz(例如第一频率为14.5GHz而第二频率为2.45GHz)的实施例，第一和第二带通滤波器可以具有40dB/十(decade)或者更多的滚降、即如果带通滤波器被设计成通过20GHz信号，在2GHz出现的不必要的信号将被衰减40dB。
在可替代实施例中，其中两个频率在频率空间中良好分离(例如24GHz和500MHz)，滤波布置可以包括如下偏置‘T’布置，其中第一滤波器为电感器(即允许直流或者较低频率的交流信号而不允许高频信号的电路、例如具有高电感电抗XL＝2πfL，其中f为频率而L为电感)，而第二滤波器为电容器(即允许高频信号通过而不允许直流或者较低频率的信号的电路，例如具有高电容电抗
Figure GPA00001140306900081
的电路，其中f为频率而C为电容)。
第一和第二信号发生器可以沿着分离的信号路径可连接到第一和第二天线。可以在允许传播微波辐射的介质中提供信号路径。该介质可以包括波导、同轴线缆等。可以针对第一和第二频率提供分离的传输介质。各传输介质可以适合于在相应的频率有效地传输信号。传输介质可以具有柔性以有助于操纵手术仪器。
该装置可以包括布置成接收从各天线反射回的信号的反射辐射检测器和连接于源与各天线之间的阻抗调节器，其中检测器被布置成检测反射信号的幅值和相位，并且阻抗调节器具有基于检测的幅值和相位可控制的可调复阻抗。
该装置因此可以被布置成使通过第一或者第二天线在负载(组织)所见的装置的阻抗与负载(组织)本身的阻抗相匹配以实现有效功率传送。阻抗匹配可以是动态的，例如可以实时自动出现调整。
本发明的第一和第二方面可以组合。因此，各天线可以可选择性地经由第一通道和第二通道连接到源，第一通道用于传送用于治疗的第一功率电平的源的微波信号，第二通道用于传送用于测量的第二功率电平的源的微波信号，并且其中各天线经由信号转移单元连接到检测器，该信号转移单元被布置成将沿着第二通道从天线反射的信号直接路由到检测器。以这种方式，可以获得信息以决定是否激活每个天线。第二天线可以发射第二(较低)功率电平的信号，而第一天线发射第一(较高)功率电平的。来自第二天线的第二功率电平的反射信号可以用来判决是否将第二天线切换到第一功率电平。
关于第一方面描述的任意特征也可以适用于第二方面。例如，第一功率电平可以是第二功率电平的两个或者更多个数量级。
每个天线可以包括可连接到源(例如经由专用或者公共信号路径)的馈送结构和布置成发射它的微波辐射场的辐射部分。例如，切割元件可以提供第一天线的辐射部分并且可以包括用于从第一天线的馈送结构(例如波导)接收能量的耦合部分。耦合部分可以被适配成使得切割元件从第一天线的馈送结构接收基本上最大的场耦合。切割元件可以在除了第一天线的耦合部分和辐射部分之外具有金属化表面。第一天线可以被布置成沿着切割元件的边缘发射它的微波辐射场。因此，辐射部分可以是切割元件的边缘，由此手术仪器提供辐射刀片结构。
第二天线也可以被布置成沿着切割仪器的边缘发射它的微波辐射场。第二天线可以是例如装配于切割元件上的自容式结构。例如，第二天线可以是附接到切割元件(例如与切割元件的边缘相邻)的单极、回路、贴片或者偶板子天线。可替代地，第二天线可以包括多个辐射元件，例如在切割元件上与它的边缘邻近制作的多个贴片天线。每个贴片发射的场可以相互补充以产生在目标区域基本上均匀的整个场。用于第二天线的目标区域可以局限于切割元件的边缘周围。它可以比第一天线发射的场从切割元件延伸的更远。第二天线的馈送结构可以包括布置成在多个辐射元件中的每个辐射元件之间均匀地划分来自源的功率的功率分离器。
第一频率可以在10至40GHz的范围，而第二频率可以在100MHz至5GHz范围。
本发明的第二方面也可以表达为一种手术仪器，该手术仪器具有：切割元件，具有用于切割生物组织的边缘；第一天线，被布置成在切割元件的边缘在第一频率发射基本上均匀的微波辐射场；以及第二天线，被布置成从切割元件在第二频率发射微波辐射场，第二频率低于第一频率。
第一天线可以与切割元件成整体，而第二天线可以装配于切割元件上。因此，切割元件可以被布置成直接接收(例如从波导)第一频率的微波辐射。切割元件可以包括陶瓷体，该陶瓷体具有用于附接到波导的耦合部分和包括用于切割生物组织的边缘的刀片部分。切割元件可以在除了耦合部分和刀片部分之外具有金属化表面，使得切割元件从刀片部分辐射在耦合部分接收的微波能量。可以基于第一频率选择陶瓷体的尺寸以保证从刀片部分发射基本上均匀的场。为了保证在蓝宝石(或者氧化铝)辐射刀片(该辐射刀片可以是特殊形状)与矩形波导腔之间存在良好的阻抗匹配，可以使用阻抗变换器。这可以考虑如下事实：刀片和波导腔在尺寸方面不同并且包含不同电介质材料而且允许其间的有效功率传送。变换器的选择主要依赖于带宽要求以及对产品或者设备设定的尺寸和重量约束。锥形变换器可以使用于宽的带宽应用中，但是这些结构往往相对较长、即它们通常由多个四分之一波长阻抗变换段组成。一种可替代结构是阶跃设计；这些允许相对窄的带宽操作、但是可以在物理上使用短的材料段来实现。其间的两种设计是多阶跃的设计，其中任何带宽增加以复杂度和尺寸的增加为代价。在本发明的实施例中可以优选这种结构。由于对手术切除工具的带宽要求低(即少于50MHz)并且要求设备小并且重量轻以易于由外科医生操纵的事实，认为两阶跃的设计提供最优解决方案。使用两个阶跃而提供的略微更宽的带宽允许考虑变换器或者其它部件中的制造容差或者源频率的略微变化。在两阶跃的变换器中，在两个如下阶跃中实现参数的改变，这些阶跃近似分离在感兴趣的频率的四分之一波长的奇数倍。
第一天线可以被布置成从切割元件的边缘辐射微波辐射。第二天线可以装配于切割元件上，例如装配于第一天线上。第二天线可以包括在切割元件的边缘装配的辐射部分。馈送部分也可以装配于切割元件上以将微波辐射送往辐射部分。馈送部分可以是例如附接到切割元件底部的同轴线缆。辐射部分可以包括微带天线，该微带天线例如是在与(非金属化)刀片部分相邻的金属化层上形成的电介质层上制作的。
可变治疗频率
在第三方面中，该装置被布置成从同一天线发射多个可选择的频率。例如，该装置可以在频带内发射或者被布置成在多个离散频率有效地发射。在这一方面中，源可以被布置成生成可以选择(例如调整)其频率的输出。例如，源可以是能够生成频率的范围使得能够实现组织结构消融的范围的宽带能量源。如上面所说明的，较高的微波频率可以适合于烧灼或者密封精细结构或者小血管，而较低的微波频率可以适合于烧灼或者密封较大的组织结构或者大血管。在该实例中，可以优选设计使用锥形结构而不是阶跃结构来使波导腔与刀片匹配的阻抗匹配变换器或者使用具有至少三个阶跃的阶跃结构以便增加操作带宽。
根据本发明的第三方面，可以提供一种手术切割装置，该装置具有：微波辐射源，被布置成生成具有稳定输出频率的微波辐射信号；以及手术仪器，具有：切割元件，该切割元件具有用于切割生物组织的边缘；以及天线，该天线连接到源以接收微波辐射信号并且被布置成发射与来自切割元件的边缘的微波辐射信号相对应的基本上均匀的微波辐射场，其中输出频率可调。因此，稳定输出频率可以选自于可以由源生成的频率范围。源可以包括用于在可选择频率范围内产生输入的宽带频率振荡器。可以在天线处针对某种条件如组织类型来选择输出频率。例如，可以选择输出频率以在天线与组织接触时建立谐振条件。可替代地，可以选择输出频率以对应于在治疗的生物组织中出现能量吸收峰值时的频率。
源可以包括变频信号发生器。变频发生器可以包括压控振荡器(VCO)，其中通过改变变容二极管上的电压来设置输出频率，变容二极管又改变了L-C谐振电路的电容。例如，来自Hittite Microwave公司的HMC5343LP4(E)可以在调谐电压在0V与10V之间变化时使用上述布置来产生范围在23.8GHz与24.8GHz之间的频率。
可替代地，变频发生器可以包括布置成在来自固定频率源的频率范围内生成能量的频率合成器。频率合成器可以用来在多个预设或者可编程频率中的任一个生成稳定且精确的输出信号。
变频信号发生器可以被布置成输出在频率范围内具有稳定频率的第一信号，并且放大单元被布置成将第一信号放大成具有适合于治疗的功率电平的第二信号，其中放大单元能够将具有频率范围内任意频率的信号放大至10W或者更高的功率电平。换而言之，放大单元可在信号发生器生成的频率范围内操作。该频率范围可以对应于标准波导传送的频率。可替代地，为了实现更大带宽而基本上没有增加模变风险，源生成的信号可以通过同轴线缆传送到放大单元、然后传送到天线。同轴线缆可以在相对宽的频率范围内表现低损耗。例如，频率范围可以是100MHz至18GHz。只要同轴线缆的外径与在可能感兴趣的最高微波频率的半波长不可比较或者大于该半波长，则横向电磁(TEM)波将传播。也可以考虑非标准波导结构，例如优选脊形波导结构，因为已知它们使微波能量能够在比使用标准矩形或者圆柱形波导结构可能实现的频带宽得多的频带内传播。在这种情况下，放大单元可以包括行波管(TWT)。在一个实施例中，放大单元可以能够将具有频率范围内任意频率的信号放大至100W或者更高的功率电平。
如上面所提到的，频率可以根据在天线边缘处的特定条件(例如组织负载或者吸收峰值)而可调。该装置可以检测该条件。例如，该装置可以包括布置成接收从天线反射回的信号的反射辐射耦合器和检测器，其中检测器被布置成检测反射信号的幅值和相位，由此源的可调频率基于检测的幅值和相位是可控制的。
在一个实施例中，源可以被布置成在频率范围内扫描前向微波辐射信号的输出频率，其中用于治疗的适当频率基于与扫描的前向信号相对应的反射信号的检测幅值和相位可从频率范围选择。利用这种布置可以发现用于特定组织类型中的特定天线配置的最适当的治疗频率。例如，某一天线形状可以在某些具体频率(‘最适点(sweet spot)’)更有效地辐射。可以通过扫描前向信号的频率并且监视从天线接收回的反射信号为扫描频率找到最适点。小的反射信号可以表明最适点、即将功率有效地送往组织中时所在的频率。可以使用离散模拟电路部件如运算放大器和比较器来用硬件实施零值或者最小值信号检测器，或者可以实施软件解决方案，其中使用模拟到数字转换器将模拟信号数字化，并且使用微处理器或者DSP单元来处理数字形式。
可以组合第一和第三方面的特征。因此，天线可以可选择性地经由用于传送用于治疗的第一功率电平的微波信号的第一通道和用于传送用于测量的第二功率电平的微波信号的第二通道连接到源，并且其中天线经由信号转移单元连接到检测器，该信号转移单元被布置成将沿着第二通道从天线反射的信号直接路由到检测器。可以在第二通道上扫描频率以最小化组织和/或仪器损坏的风险。当确定期望的频率时，该装置可以切换到第一通道。第一功率电平可以是第二功率电平的两个或者更多个数量级。
天线本身的结构可以包括上面关于本发明的第一或者第二方面讨论的任何特征。可以对不同天线形状进行场仿真建模以考察和确定用于优选发射频率的理论值。天线因此可以被配置成在源的频率范围内有效地发射。可调源提供的附加优点在于‘微调’频率以调整在用于特定天线的理论最佳频率值与实践中的最佳频率值之间的任何差异。
功率电平提升
在第四方面中，本发明可以允许人工提升经由切割元件递送的微波功率的治疗电平。这样做的一个优点在于使系统能够有效地处理大血管。在一个布置中，可以修改第0620060.4号英国专利申请中描述的系统以使装置的用户(例如外科医生)能够操作开关(例如脚踏开关踏板或者按钮)以提供进入组织中的功率的提升。当遇到大血管时可能需要在相同频率的较高功率电平。使用较高功率电平可以减少密封大的敞开血管所花费的时间。
根据本发明的第四方面，可以提供一种手术切割装置，该装置具有：微波辐射源，被布置成生成微波辐射；手术仪器，具有：切割元件，具有用于切割生物组织的边缘；以及天线，连接到源并且被布置成在切割元件的边缘发射基本上均匀的微波辐射场；以及放大单元，在源与天线之间，用于放大源生成的微波辐射信号，其中放大单元在用于将信号放大至第一功率电平的第一配置与用于将信号放大至比第一功率电平更高的第二功率电平的第二配置之间是人工可切换的。
典型治疗功率电平(即第一功率电平)范围可以为10至120W。提升的功率电平(即第二功率电平)可以将第一电平增加20至50W或者更多。例如，提升的功率电平可以高于120W，例如在120至300W或者更高的范围内。可获得的提升数量可能受系统内所用部件(例如反射功率保护循环器和关联功率甩负荷(dump load))的最大功率处理能力和用来实施辐射刀片的材料所限制。具体而言，期望通过允许功率在非常长的持续时间内非常高来避免过度压迫刀片材料。在材料中每单位体积耗散的功率P由
Figure GPA00001140306900131
给定，其中ε″为损耗因子而Erms 2为电场强度。
除了用于激活装置的正常操作的开关之外还可以提供用于提供功率提升的人工可操作开关。例如，可以适当地标记开关，例如不同着色的脚踏开关踏板。已经知道将两个脚踏开关踏板用于涉及到切割和凝结操作的现有(射频)电手术过程以例如分别产生高压波形和高电流，使得该装置兼容于现有手术技术。
放大单元可以包括放大器和布置成从源接收微波辐射信号并且生成用于驱动放大器的驱动信号的馈送单元，其中馈送单元被布置成生成第二配置中的驱动信号，该驱动信号的功率电平高于第一配置中的驱动信号的功率电平。因此，可以通过增加输入到放大器的功率电平来实施功率提升。馈送单元可以被布置成在第二配置中将放大器驱动成饱和。可替代地，馈送单元可以被布置成驱动放大器以在第二配置中在放大器的输出端口产生最大预定功率。例如，可能期望将上限设置成由装置产生的功率数量以避免不必要的组织损害。可以通过控制提供给放大器的驱动信号来实现这一点。可替代地，功率可以从用于正常操作的电平斜线上升至可以通过系统中使用的特定放大器布置递送的最大(饱和)功率电平。
馈送单元可以包括用于在第一配置中在源与放大器之间传送微波辐射信号的第一信号路径和用于在第二配置中在源与放大器之间传送微波辐射信号的第二信号路径，该第一和第二信号路径是人工可选择的以在第一与第二配置之间切换放大单元。分离的信号路径可能是有利的，因为在提升的治疗信号路径中可以旁路‘正常’治疗信号路径(在第一功率电平)上的排列(line-up)中的部件以使得能够有效地传输更高功率电平、即减少或者最小化源与天线之间的信号路径上的损耗。
源可以通过输入开关连接到馈送单元，该输入开关可操作用以将微波辐射信号引向第一或者第二信号路径。可替代地或者附加地，馈送单元通过输出开关连接到放大器，该输出开关可操作用以将来自第一或者第二信号路径的驱动信号引导到放大器。
激励器可以被布置成同时操作输入和输出开关以选择第一或者第二信号路径。如上面所提到的，激励器可以是脚踏开关踏板。
第二信号路径可以包括提升放大器，例如用于在第二配置中增加驱动信号的功率电平的预放大器。
该装置可以包括被布置成接收从天线反射回的信号的反射辐射检测器和在第一信号路径上的阻抗调节器，其中检测器被布置成检测反射信号的幅值和相位，并且阻抗调节器具有基于检测的测量信号的幅值和相位可控制的可调复阻抗。使用这种布置有可能实施能够在‘正常’切除操作(在第一功率电平)期间感测高度灌注的自动控制系统，由此该装置可以自动切换到第二功率电平。可以由通过反射功率测量信号所检测的恒定电压电平来表明可以用来表明已经出现大的不可控出血的条件，其中恒定电压电平在比平均持续时间或者时隙更长的时间内代表良好匹配条件、即来自反射功率监视器/检测器的低信号电平。这由于以下事实而可以是建立这种条件的有效手段：在正常操作中将预计会有由于连续阻抗改变所致的反射信号的定期改变，因为血液丰富条件在刀片沿着组织移动或者移动穿过组织时迅速改变成凝结条件。可以通过实验和临床试验来发现用于不同条件的电压电平和时隙，并且该系统可以被布置成使得能够建立各种时隙和电平。
第二信号路径可以旁路阻抗调节器(即在‘正常’操作中的功率控制单元)。当在第二信号路径上操作时，该装置因此可以被布置成过驱动放大器(或者将它驱动成饱和)。第二信号路径可以在短时间段(例如5-10秒或者更少)内用来使得能够治疗高度灌注(例如由于大的敞开血管)。
第四方面可以与第一方面组合。在这样的情况下有效地有三个功率电平：用于测量的低功率电平以及分别用于正常治疗和提升的治疗的两个高功率电平。因此，天线可以可选择性地经由包括放大单元的第一通道和旁路放大单元的第二通道连接到源，该第一通道用于提供用于治疗的第一或第二功率电平的微波信号，而该第二通道用于传送用于治疗的较低功率电平的微波信号，其中天线经由信号转移单元连接到检测器，该信号转移单元被布置成将沿着第二通道从天线反射的信号直接路由到检测器。
如上面所公开的，信号转移单元可以包括第二通道上连接于源、天线与检测器之间的循环器，该循环器被布置成引导从源到天线的前向信号和从天线到检测器的反射信号。
该装置可以包括被布置成允许选择第一或者第二通道的开关。通道开关可以与被布置成允许选择第一或者第二功率电平的开关分离。
第四方面也可以与上面提到的第一、第二或者第三方面中的任何其它方特征组合。具体而言，在与第二方面组合时，可以针对第一和第二频率二者提供提升布置。已经选择第二(较低)频率以处理大血管。提供提升能力可以提供用于解决极端条件如非常大量出血的后备。
事件监视器
在第五方面中，本发明可以提供一种布置成识别从天线接收回的反射信号中的某些表现并且使得能够响应于所识别的表现来自动采取行动的反射功率监视器。信号中的表现可以表明治疗的组织中的条件。例如信号可以表明组织的阻抗没有改变，这可以意味着递送的功率不足以有效治疗。可以响应于该识别的表现来自动或者人工增加(例如使用第四方面的提升想法)功率电平。在另一示例中，这种布置可以用来减少或者防止可能在治疗期间出现的现象或者组织‘喷溅(spitting)’。认为组织‘喷溅’或者‘爆裂(popping)’是由压力增大(其中将能量发射手术仪器(例如探针或者刀片)插入组织中)所引起。来自仪器的压力和能量的组合可以使少量组织从治疗部位去除并且在一些情况下在达到或者超过1m的范围内飘扬。非常期望避免血液或者例如肝脏组织(尤其是患病组织)在本装置的操作期间喷溅到外科医生或者其它人员身上。这种效果也可以描述为气穴(cavitational)效果。
如果辐射刀片在一个位置保持几秒或者可能甚至更少，则这种效果可能在切除过程中引起问题。尤其在需要在操作期间处理(即密封或者烧灼)大出血口(敞开血管)时可能出现该效果。由于在这里讨论的装置中可能出现的小刀片结构和高局部化功率电平，尤其是如果在遇到来自大血管的大出血时提供功率的提升，则沿着刀片的功率密度可以非常高。
发明人已经发现反射功率的表现可以预先表明何时将要出现喷溅事件。另外，发明人已经发现如果响应于相关表现采取的动作则有可能防止喷溅事件出现。
根据第五方面，可以提供一种手术切割装置，该装置包括：微波辐射源，被布置成生成微波辐射信号；手术仪器，具有：切割元件，具有用于切割生物组织的边缘；以及天线，连接到源并且被布置成在切割元件的边缘发射基本上均匀的微波辐射场；反射辐射检测器，连接于源与天线之间以检测从天线反射回的信号；反射功率监视器，被布置成检测由反射辐射检测器检测到的反射信号中的签名事件(signature event)；以及功率电平调节器，连接于源与天线之间并且被布置成如果监视器检测到签名事件则自动调整天线接收的微波辐射信号的功率电平。
签名事件可以是反射信号中的任何可检测的表现。例如，它可以是在一定时隙或者持续时间内反射功率的某一改变速率或者反射功率的恒定电平。可以由反射功率中的表现来得到签名事件，例如反射功率可以用来确定组织的阻抗改变；这些改变可以表明签名事件。在一个实施例中，这种布置可以用来保证如果辐射刀片在特定位置保持了比为了有效地切割组织并且凝结出血所需要的时间段更长的时间段，则它不会引起对组织的过度附带损害。如果该布置检测到表明刀片保持于一个位置过久(例如检测到表明良好匹配条件的恒定电压)的事件，则可以减少功率以减少或者防止附带损害。
反射功率监视器可以被布置成检测反射信号中的迅速电压尖峰。例如，监视器可以包括布置成测量用于反射信号的dv/dt(电压随时间的改变)值的差分器。差分器可以被布置成比较测幅值与阈值，由此签名事件是高于阈值的dv/dt值。这种布置可以用来检测组织‘喷溅’，发明人已经发现该‘喷溅’之前是具有骤升或者骤降的电压尖峰。该装置可以在治疗期间持续地监视反射功率，而如果检测到签名事件(在阈值以上的dv/dt值)，则功率电平可以被布置成将功率电平从第一值立即减少至第二值。因此，一旦观测到已知导致‘喷溅’的签名(信号)，该装置就可以回退(或者减少)功率电平。功率电平的第一值可以是功率电平的第二值的一个或者多个数量级。在一个实施例中，第一(治疗)功率电平为100W或者更高，而第二功率电平为10W或者更低。
可以用模拟方式(即使用离散运算放大器、信号比较器、电容器和电阻器以及MOSFET开关的布置)或者使用数字部件(例如计算机或者DSP单元)来实施微分器(例如斜率检测器微分器)。
阈值可以可调以例如使得能够选择对组织喷溅的灵敏度。
功率电平调节器可以被布置成在降低功率电平之后的恢复时间段将功率电平斜线回升至第一值。在实践中，可能需要相对迅速地斜线回升功率以允许治疗继续而基本上没有仪器停机时间或者保证总体患者治疗时间不过量。对于在肿瘤消融中的使用，必须保证达到组织内的临界温度以便保证已经完全破坏所有癌组织/细胞。恢复时间段因此可以是100ms或者更少。
可以选择反射辐射检测器以对反射信号中的改变敏感，这些改变代表监视的表现。因此，如果使用二极管检测器，该二极管检测器例如与连接于源与天线之间的定向耦合器的耦合端口相连接，则可以选择它的升/降时间以捕获签名事件。例如，检测器可以是升/降时间为1μs或者更少的二极管检测器以捕获可以表现10ms的升/降时间的、与组织喷溅事件关联的电压尖峰。在一个实施例中，可以使用具有非常快的脉冲响应的基于隧道二极管的检测器，例如来自Advanced Control Systems(高级控制系统)的第ACTP1505N号产品。
功率电平调节器可以包括连接于源与天线之间的阻抗调节器。阻抗调节器也可以使用于阻抗匹配布置中，其中检测器可以被布置成检测反射信号的幅值和相位，并且阻抗调节器可以具有基于检测的幅值和相位可控制的可调复阻抗。在这种布置中，阻抗调节器因此可以被布置成使装置的阻抗与负载(组织)的阻抗相匹配以实现有效功率传递。阻抗匹配可以是动态的，例如可以实时自动出现调整。当监视器检测到签名事件时，通过对该签名事件的响应可以超越阻抗匹配。
反射功率监视器也可以被布置成提供用户信息以例如在手术切除过程中指导外科医生。第五方面可以替代的表达为一种手术切割装置，该装置包括：微波辐射源，被布置成生成微波辐射信号；手术仪器，具有：切割元件，该切割元件具有用于切割生物组织的边缘；以及天线，该天线连接到源并且被布置成在切割元件的边缘发射基本上均匀的微波辐射场；反射辐射检测器，连接于源与天线之间以检测从天线反射回的信号；以及反射功率监视器，被布置成检测由反射辐射检测器检测到的反射信号中的签名事件，其中监视器被布置成在检测到签名事件时发射可听或者可视信号。可听或者可视信号可以代表检测的事件。因此，某个可听信号可以向外科医生提供信息以保证他/她以最优方式移动刀片。可听信号可以是声音范围中的任何声音或者是数字合成声音。该特征可以用来减少或者最小化在该过程期间对健康组织引起的附带损害，因为它可以避免外科医生让刀片与组织接触比需要的时间更长的时间段。
第五方面可以与上述第一、第二、第三或者第四方面的特征中的任何特征或者组合进行组合。
上面讨论的五个方面可以与第0620060.4号英国专利申请中公开的任何手术仪器一起使用。一般而言，手术仪器包括形成切割元件的例如电介质材料的主体，该切割元件例如具有刀片，该刀片具有用于切割组织的边缘。可以使用各种刀片形状，例如‘齿’形刀片、解剖刀形刀片、‘脱漆器’形刀片、凿形刀片、半球形刀片、切菜刀形刀片和雕刻刀形刀片。在使用‘齿’形刀片的实例中，可以优选的使齿采用在每个基拐角有60°角的三角形结构的形式以提供刺入组织中的能力。手术仪器可以是一次性的。
天线与手术仪器的主体一体地形成或者制作到该主体上。使用适当电磁场仿真建模工具，天线的配置可以被布置成使天线发射的场以基本上均匀方式集中于刀片的边缘。
手术仪器的一个实施例是加载波导天线，该波导天线使用蓝宝石材料以形成充当微波场辐射结构和锐利切割工具的刀片。可以例如使用电磁场仿真工具来设计波导内蓝宝石部分的形状(阻抗变换器)以及端部或者刀片壳的设计以提供生物组织、蓝宝石刀片与波导腔之间的良好阻抗匹配。可以使用电铸工艺在蓝宝石材料的表面上将它部分地金属化而仅暴露刀片的末端。用蓝宝石来实施辐射/切割刀片的一种可行替代是氧化铝。氧化铝是在开发低损耗微波部件时常规使用的良好工程材料并且具有与蓝宝石相似的微波特性。氧化铝由小蓝宝石晶体与少量玻璃键合在一起的大体积块组成。蓝宝石的比例决定氧化铝的质量。表1可以用来比较96％和99.5％的纯氧化铝结合蓝宝石的电特性。
  材料 相对介电常数(εr)   损耗正切(tan δ)
  96％的纯氧化铝 9.3996   0.0004
  99.5％的纯氧化铝 9.9   0.0001
  蓝宝石 11.5   0.00003
表1：用于集成的变换器和刀片的可行材料的特性比较
暴露的部分是辐射结构。由蓝宝石(或者氧化铝)材料制成的阶跃变换器在无载波导部分的阻抗与生物组织之间提供阻抗匹配，该无载波导部分的阻抗是与空气的阻抗、即377Ω接近的高阻抗(可以注意到对于敞开的波导部分在暴露于空气时通常给予-10dB的回波损耗)，该生物组织可以是例如在100Ω与1Ω之间的低阻抗。波导的尺寸依赖于操作频率。例如，WG18(WR62)柔性波导的部分可以用来在12.4GHz与18GHz之间的频率范围内操作。这是使用这里讨论的操作的点频之一的适当结构。其它波导在不同频率范围内操作。
附图说明
下面参照附图具体地描述上面概述的方面的实施例，其中：
图1是示出了作为发明第一方面的实施例的手术切割装置的部件的示意系统图，该手术切割装置具有治疗通道和针对来自源的辐射的测量通道；
图2是示出了作为发明第一和第二方面二者的实施例的、能够递送两种频率的微波辐射的手术切割装置的部件的示意系统图；
图2A是示出了作为发明第二方面的另一实施例的、能够递送两种频率的微波辐射的手术切割装置的部件的示意系统图；
图3是示出了作为发明第三方面的实施例的手术切割装置的部件的示意系统图，在该手术切割装置中由源递送的微波辐射的频率是可变的；
图3A是频率合成器中的部件的示意图；
图4是作为发明第二方面的实施例的、具有刀片和两个天线的手术仪器的侧视图；
图5是作为发明第二方面的另一实施例的、具有刀片和两个天线的另一手术仪器的部分横截面侧视图；
图6是作为发明第二方面的另一实施例的、具有刀片和两个天线的又一手术仪器的侧视图；
图7是示出了作为发明第一和第四方面的实施例的手术切割装置的部件的示意系统图，在该手术切割装置中可以提升治疗功率电平；
图8是示出了作为发明第五方面的实施例的手术切割装置的部件的示意系统图，在该手术切割装置中提供模拟微分器以检测反射功率信号中的签名事件；并且
图9是示出了如何根据反射信号中检测到的事件来更改向图8中所示的装置中的天线递送的功率的图表。
具体实施方式
可选择通道
图1示出了作为发明第一方面的实施例的手术切割装置100，该手术切割装置100例如适合于在手术切除过程(例如肝脏切除)中使用。许多个别部件与英国专利申请0620060.4中公开的装置中使用的部件相似。主要差异在于提供分离器106，该分离器106将源102的输出分离成用于从源102向手术仪器104上的天线(未示出)传送微波辐射的两个通道A、B。通道以不同的功率电平向手术仪器递送辐射。在这一方面中，有如下治疗通道A和测量(或感测)通道B，治疗通道A用于以将会密封或者烧灼由刀片切开的血管的功率电平递送辐射，而测量(或感测)通道B用于以基本上不会影响刀片处的组织、但是可以用来获得关于该组织的信息的较低功率电平递送辐射。
具体而言，图1示出了源102(例如振荡器源，比如VCO或者DRO)，该源102输出具有稳定频率的低功率信号(例如在0dBm与10dBm之间)。该频率可以是在10GHz以上的任何适当频率。例如，该频率可以是14.5GHz、24GHz或者更高。
来自源102的输出由功率分离器106分离成两个部分，该功率分离器106可以是-3dB耦合器、3dB功率分离器或者定向耦合器。可以用波导、微带或者同轴布置实现该设备。一个部分沿着治疗通道A定向，而另一部分沿着测量通道B定向。
在治疗通道A上，信号驱动向功率放大器单元108的输入，该功率放大器单元108在本实施例中包括预放大器110和功率放大器112。放大器110、112可以是能够在范围为10GHz与40GHz之间的频率生成在1W与500W之间的功率电平的行波管(TWT)、磁控管、速调管、半导体放大器等中的任意。在本实施例中，放大器可以具有20或者更多(例如分别为20和30)的增益。可以在功率放大器单元108中使用例如包括固态驱动器放大器和小型TWT的串联组合的微波功率模块。可能期望使用低损耗波导或者微带功率组合器来组合多个微波功率模块以产生期望的功率电平。功率放大器单元108的配置取决于由微处理器/DSP单元116提供的控制信号C3。
可调信号衰减器114位于分离器106与放大器单元108之间的治疗通道A上。衰减器114的功能在于减小来自分离器106的信号的幅度以使得能够控制由放大器单元108产生的输出功率。衰减器114根据来自微处理器/DSP单元116(在下面讨论)的控制信号C1而可调。衰减器114可以是PIN二极管衰减器并且优选地被布置成提供使得放大器单元108能够在衰减电平为最小值时被驱动成饱和而在衰减设置成最大值时充分地回馈功率的衰减范围，即可以设置电平使得系统能够在没有这样高度灌注的组织中或者功率电平未使血液凝结的情况下使得发生烧灼或者凝结。在前一种情况下，这种高控制电平使得能够发生凝结而不引起不必要的附带损害或者对与切割相邻的健康组织结构的损害。
来自功率放大器单元108的输出被馈送到微波循环器118的输入(第一)端口，该微波循环器的功能在于保护放大器单元108免受向放大器单元的输出级返回的反射功率的高电平，这可能引起对放大器单元的损害或者导致放大器由于在输出级处所见的阻抗失配而表现为好像振荡器。循环器118操作用以仅在顺时针方向上允许功率流。来自放大器单元108的输出的功率这样被转向功率循环器118的第二端口，功率在该端口经由定向耦合器120、122、波导开关124和传输线缆126引向手术仪器104。循环器118的第三端口连接到功率甩负荷(dump load)128，该功率甩负荷的功能在于吸收可以进入功率循环器118的第二端口的、沿着传输线缆126返回的反射功率。接收到第二端口中的任何反射功率被转向第三端口并且进入功率甩负荷128中。如在循环器118的第三端口处所见的阻抗被布置成与在向甩负荷128的输入处所见的阻抗相同。这确保没有向功率循环器118的第一端口返回的功率。在实践中，循环器118的第三端口与甩负荷的输入阻抗良好匹配，并且数量可忽略不计的功率从循环器118的端口三转移或传送至端口一。普遍实践是甩负荷的阻抗为50Ω。
来自循环器118的第二端口的输出功率被馈送到向前向功率定向耦合器120的输入中，该定向耦合器120被配置成通过对前向现存功率的一部分(即10％或者1％)进行采样来测量前向功率。前向定向耦合器120的耦合端口连接到检测器130，该检测器130将由耦合器120采样的微波功率转换成直流(DC)电平或者较低频率的交流(AC)电平。检测器130可以包括任何适当的二极管，例如齐纳二极管、零偏压肖特基二极管或者隧道二极管。可替代地，可以使用零差/外差检测单元代替检测器130。在后一个实施例中，可以测量相位和幅值二者。
来自检测器130的输出V1被馈送到模拟到数字转换器132，该输出V1在模拟到数字转换器132被转换成数字信号，使得它可以由微处理器/DSP单元116操作或者使用。
来自前向功率定向耦合器120的输出功率馈送到反向功率定向耦合器122的输入端口中，该反向功率定向耦合器被配置成通过对由于手术仪器104的远端与生物组织之间的失配而沿着线缆126返回的功率的一部分进行采样来测量反射功率，即反射系数大于或者小于零(例如0.5或者-0.5)、但是在-1至+1的限度内。实际值依赖于负载阻抗是大于还是小于线缆和刀片/变压器组件的特征阻抗。反向功率定向耦合器122的耦合端口连接到将由反向定向耦合器122采样的微波功率转换成直流电平(或者较低频率的交流信号)的检测器134。检测器134可以是包括任何适当的二极管(例如齐纳二极管、零偏压肖特基二极管或者隧道二极管)的二极管检测器。可替代地，可以使用零差/外差检测单元代替检测器134。来自检测器134的输出V2被馈送到模拟到数字转换器132中，该输出V2在模拟到数字转换器132被转换成数字信号，使得它可以由微处理器/DSP单元116操作或者使用。检测的信号的值用来确定将(或者需要)由系统采取的任何动作，即可能有必要增加来自放大器的输出功率以补偿刀片与组织之间的任何阻抗失配。
来自反向功率定向耦合器122的输出功率连接到波导开关124的第一端口SA。波导开关124被布置成将(高功率)治疗通道A或者(低功率)测量通道B连接到向手术仪器104进行馈送的线缆126。在图1中，选择治疗通道，即第一端口SA连接到输出端口SC。在该实施例中，波导开关124是单极双掷(SP2T)开关，其中第一端口SA和第二端口SB可选择性地连接到输出端口SC。公共触点(输出端口SC)连接到线缆126。可以使用其它开关类型，例如同轴开关或者高功率PIN/变容开关。
波导开关124的配置(即可移动波导部分在波导开关124内的位置以提供连接路径SA→SC或者SB→SC)取决于由微处理器/DSP单元116提供的控制信号C2。
在该实施例中，传输线缆126为柔性/可拧扭波导组件，但是可以使用低损耗同轴线缆组件来代替。可优选的用橡胶套覆盖柔性/可拧扭波导，即可以使用氯丁橡胶。
手术仪器104包括具有解剖刀的基本形式的刀片结构，其中在材料(例如氧化铝、蓝宝石等)的矩形块的一端加工两个成锐角的切割边。将矩形块的面(即侧表面以及顶表面和底表面)金属化。然而，在切割边处汇合的面未被金属化；氧化铝暴露于该位置以形成辐射部分。
可以基于关于手术仪器的整体结构和配置(例如工作波长)的信息、例如通过进行微波场仿真，来获得用于刀片结构的尺度。
在低功率测量或者检测模式中，波导开关124的第二端口SB连接到输出端口SC以使来自测量通道的(低功率)测量信号能够被发送到手术仪器104的远辐射端。
在测量通道B上，来自源102的信号被输入到低噪声、低功率放大器136。在一些实施例中，低功率放大器136可以省略，因为由源102生成而由分离器106分离的信号具有足够高的功率使得在手术仪器104的远端处反射的一部分发送信号具有高到足以可由反射功率检测器138检测的幅度。反射功率检测器可以是幅值检测器，例如如图所示二极管检测器或者任何其它合适的幅值检测器。可替代地，检测器138可以是布置成从反射信号提取幅值和相位信息二者的零差或者外差接收器。这里，可检测信号是幅度高到足以使得能够进行有效测量(即有可能区别信号分量与噪声分量)的信号。低功率放大器136可以是能够产生上至20dBm和更高的输出功率电平的低噪声半导体放大器(例如GaAs器件、HEMT、MMIC等)。如果并不要求提升测量信号，则可以优选从设计中省略低噪声放大器，因为接收器排列中的任何附加活动分量将向测量信号中引入噪声分量。
来自低功率放大器单元136的输出被馈送到微波循环器140的输入(第一)端口中，该微波循环器140的功能在于将来自手术仪器104的反射功率直接引向反射功率检测器138。循环器140操作用以仅在顺时针方向上允许功率流。来自低功率放大器136的输出的功率因此转向循环器140的第二端口，该功率在该端口经由波导开关124和传输线缆126引向手术仪器104。循环器140的第三端口连接到反射功率检测器138。接收到第二端口中的任何反射功率转向第三端口并且因此由检测器138接收。由于基本上所有反射信号本身被提拱给检测器138(即它未被耦合)，所以可以使用更低功率的输入信号，这可以减少或者最小化由于高于从手术仪器104散发的必需功率电平而对组织引起损害的辐射的风险。
从循环器140的第三端口输出的信号是手术仪器104的辐射刀片与生物组织或者空气之间的阻抗失配程度的函数。
在可替代的实施例(未示出)中，对在循环器140的第一端口的信号进行采样以便比较反射信号与入射信号之间的差异。另一可选特征是为了去除在循环器140的第一与第三端口之间出现的任何击穿信号而可以实施于这些端口之间的载波或者前向信号抵消电路(也未示出)。
使用反射功率检测器138来测量的反射信号被馈送到模拟到数字转换器132中，其中使用微处理器/DSP单元116对模拟电压电平进行数字化和处理。因此可以在通过设备递送任何高功率辐射之前，基于沿着测量通道B传输的检测测量信号对治疗通道A进行功率电平调整(例如经由控制信号C1和C3)。这可以提供对发射的辐射场的安全控制。
使用可以是单个踏板的脚踏开关142来人工激活递送到组织中的微波功率。脚踏开关142经由隔离电路144连接到微处理器/DSP单元116，该隔离电路144的功能在于在附接到用户/外科医生的脚踏开关142与装置100之间创建直流隔离(或者电隔离)以有效地中断原本存在并且形成电路一部分的任何直流路径。隔离电路144也可以调节信号使得它适合于由微处理器/DSP单元116处理、即脚踏开关踏板的按压可以转换成幅度为+5V的电压脉冲。
微处理器/DSP单元116通过向各种部件发送适当的控制信号C1、C2和C3来控制系统的操作，如所上文讨论。用户接口146与微处理器/DSP单元116通信以使得用户能够输入诸如功率电平命令、持续时间、能量递送等指令并且提供系统或者仪器的操作状态的显示。
在另一替代实施例中，装置100可以适合于如WO 2004/047659中所述提供动态阻抗匹配。因此，也可以在治疗通道A上提供另一对功率耦合器和调谐滤波器，由此调谐滤波器的阻抗例如基于来自耦合器的信号按照从微处理器/DSP单元116发送的信号可调，以匹配于组织在手术仪器104的远端处的阻抗。调谐滤波器可以是包括多个调谐杆或者柱的短线调谐器或者可以包括变容二极管阵列，其中通过调整在二极管两端的电压来改变电抗。
可选择频率-装置
图2示出了作为本发明第一和第二方面的实施例的装置200。装置200具有两个微波源102、202，每个微波源通过与图1中所示装置100对应的两个通道(高功率治疗和低功率测量)布置连接到手术仪器104。对从第一源102起的一排中的部件赋予与图1中提供相同功能的部件相同的标号。对从第二源202起的一排中的部件赋予相似的标号，不同在于它们以2为开头，例如分离器206执行与分离器106相似的功能。
图2中所示装置200中的源102、202生成不同频率的微波能量。第一源102生成比第二源202频率更高的能量。例如，源102可以提供10GHz或者更高(例如在10GHz与40GHz之间)的频率。在该示例中优选是14.5GHz或者24GHz。第二源202被布置成提供如下能量，该能量将产生穿透到组织中的大的深度以使得能够以有效的方式凝结或者密封使用第一(较高微波)频率不能有效处理的大血管以限制或者防止出血。该频率可以小于5GHz，例如在100MHz与5GHz之间。在该示例中优选为2.45GHz或者925MHz。
图2中所示装置200有效地包括构造相同的两个微波电路，不同在于它们使用在由其相应的源提供的不同频率操作的部件。
因此，第一电路对应于参照图1讨论的两个通道A、B并且不再加以描述。为求简洁，在模拟到数字转换器132与微处理器/DSP单元116之间的连接由控制信号C4表明。
第二电路也具有治疗通道C和测量通道D，并且以与图1中所示装置相似的方式进行布置。它包括频率源202、功率分离器206、可变衰减器214(由来自微处理器/DSP单元116的控制信号C5进行控制)、由来自微处理器/DSP单元116的控制信号C6控制的功率放大器单元208(包括预放大器210和功率放大器212)、循环器218、50Ω功率甩负荷228、前向功率耦合器220、反射功率耦合器222、前向功率检测器230(向模拟到数字转换器232递送输出V3)、反射功率检测器234(向模拟到数字转换器232递送输出V4)、由来自微处理器/DSP单元116的控制信号C7控制的波导开关224、低功率放大器236、低功率循环器240、检测器238和线缆组件226。
在两个电路中，来自三个检测器130、134、138、230、234、238的信号被馈送到相应的模拟到数字转换器132、232并且接口到公共微处理器/DSP单元116(分别由控制信号C4和C8表示)。然而，本发明可以不限于这种布置。例如，装置200可以将公共(例如单个)模拟到数字转换器用于两个电路，或者模拟到数字转换器132、232可以形成微处理器/DSP单元116的整体部分。
在图2中所示装置中，可以使用由四个检测器提供的信息来自动‘接通’治疗通道C以递送第二频率的高电平功率。可替代地，外科医生可以在他/她遇到大出血时人工激活波导开关224。在后一种情况下，脚踏开关142可以包括两个踏板以使外科医生能够按照需要带入(或者开启)在第二频率生成的能量。一种包括并排布置并且装配于单个罩内的两个踏板的布置可以例如具有蓝色踏板和黄色踏板。另一实施例可以允许通过激活连接到手术仪器的按钮开关在第二频率生成能量。外科医生可以在他/她操纵组织内的刀片时控制开关。
可以使用半波长偶极子、四分之一波长单极、半波长回路或者微带天线布置来递送在第二频率发展的能量。图2示出了使用同轴线缆226来递送能量，该同轴线缆沿着手术仪器104的底边延伸而中心导体向制作在辐射刀片的(未金属化)表面之一上的微带结构250馈送。下文参照图4、图5和图6更具体地讨论用于实施本发明第二方面的刀片结构。
在图2A中示出了本发明第二方面的另一实施例。对与图2中共同的特征赋予相同的标号并且这里不再描述它们。在本实施例中，单个模拟到数字转换器132用来转换从第一和第二电路接收的信号V1、V2、V3和V4。在本实施例中，各电路仅包括治疗通道。
图2和2A中所示实施例之间的主要差异在于使用图2A中的公共信号路径127和过滤布置来代替图2中的波导开关124、224和分离的信号路径126、226。因此，来自第一和第二电路的放大微波信号在功率组合器156中组合并且经由可以是低损耗同轴线缆的公共信号路径127发送到手术仪器104上的相应的天线。第一和第二电路分别具有第一带通滤波器154和第二带通滤波器156，这些带通滤波器被布置成在它们的相应电路的频率传输(或者传递)能量而在其它电路的频率阻塞能量。因此，滤波器保证在各电路上测量的反射信号仅为具有该电路的期望的频率的反射信号。
可以使用例如以上述方式由脚踏开关142控制的简单开关152、252来激活和去激活第一和第二电路。
可变治疗频率
图3示出了作为本发明第三方面的实施例的装置300。装置300具有与图1中所示装置100相似的排列，并且相同部件可以用来提供对应的功能。因此，装置300在频率源302与手术仪器304之间包括以下排列：可变衰减器314(由来自微处理器/DSP单元316的控制信号C2控制)、由来自微处理器/DSP单元316的控制信号C3控制的功率放大器单元308(包括预放大器310和功率放大器312)控制、循环器318、50Ω功率甩负荷328、前向功率耦合器320、反射功率耦合器322、前向功率检测器330(向模拟到数字转换器332递送输出)、反射功率检测器334(向模拟到数字转换器332递送输出)和线缆组件226。与图1相似，装置300可由经由隔离电路344连接到微处理器/DSP单元316的脚踏开关342控制。用户界面346允许操纵用于装置300的设置。
本发明的第三方面提供一种单宽带功率生成系统。该系统包括变频源302，该变频源302可以是压控振荡器或者是可以包含多个压控振荡器的频率合成器，其输出频率基于来自微处理器/DSP单元316的控制信号C1来控制；该信号事实上可以是多个数字控制线，例如8线、16线或者32线。源可以能够在感兴趣的范围内(例如从500MHz至24GHz或者更高)生成任何稳定频率，并且期望能够使用源以在该波段内的频率范围内(即在1GHz与10GHz之间)扫描(sweep)。
在一个实施例中，源包括频率合成器。图3A是作为频率合成器的源302中的部件的示意图。这里，源包括参考振荡器360(例如稳定晶体振荡器)、相位比较器362、低通滤波器364、压控振荡器(VCO)366和与连接在锁相环(PLL)布置中的可编程‘除以N’除法器368。
VCO366的输出频率fo是施加电压(即在它的变容二极管上施加的电压)的函数。来自相位比较器362的输出是与在它的两个输入处的信号之间的相位差成比例的电压；这种控制VCO366的频率使得经由除法器368来自VCO的相位比较器输入保持与参考输入fr的恒定相位差、即使得这些输入频率相等。输出频率fo因此保持于Nfr。N的大小可以例如基于控制信号C1而可变。合成器可以因此能够在一定范围内输出与N的不同值对应的一系列离散频率。该系列中的相邻频率间隔为fr。
可以在该实施例中使用的商业上可用的频率合成器的示例包括来自GED的LMPL-GSP范围的双频锁相频率合成器。这些产品可以在100MHz与7GHz之间的范围上产生频率。对于较高的频率，可以使用来自Elcom Technologies的VMESG系列宽带宽合成器。该系列中的设备可以操作达到20GHz。该系列内的一个产品提供分辨率为1Hz在50MHz与20GHz之间的频率范围。
功率放大单元308被布置成能够在位于500MHz与24GHz之间的频率范围(例如从8至16GHz的范围)内递送上至并且超过300W的微波功率。表2列举了可以适用于这种目的的由Thales Electronic Devices制造的设备。
Figure GPA00001140306900281
表2：用于宽带装置的放大器部件
在该实施例中，传输线缆326是低损耗同轴线缆。这可以实现期望的带宽而不可能出现模变。也可以使用波导，但是波导一般比同轴线缆具有更有限的带宽。脊形波导结构可以被视为一种相对于使用标准矩形波导可实现的频率带宽而言增加频率带宽的手段。
期望装置300具有前向和反射功率耦合器320、322二者以使得微处理器/DSP单元316能够根据检测的信号来计算与反射功率有关的幅值、相位或者相位和幅值信息。该信息可以用来实现为递送到组织的能量选择适当的频率、即基于检测的组织负载的条件来选择频率，例如可能期望搜寻反射功率中的零值以便建立应当使用的最优操作频率。
在一个优选实施例中，可以在一定范围上检查(scan)(扫描(swept))源302的可变频率。前向和反向功率耦合器320、322和他们相应的检测器330、334可以记录组织在频率范围上的响应并且可以使微处理器/DSP单元316能够在频率范围上获得例如关于装置300的回波损耗的信息。基于该信息可以自动选择源的操作频率。例如，可以用这种方式选择能量吸收峰值在特定组织类型(或者另一材料)中出现时所在的频率。这种布置可以有利是在于装置可以与可以在不同频率不同地做出响应的各种手术仪器一起使用。实际上，如果手术仪器是一次性用品，则本发明的该方面可以补偿作为制造工艺的一部分或者通过温度变化而出现的仪器之间的小差异。
可选择频率-手术仪器
本发明的第二方面提供一种装置，其中可以从同一手术切割仪器发射具有两个不同频率的微波能量。这可以通过在手术仪器上提供两个辐射结构，例如两个天线来实现。
图4示出了具有两个辐射结构的手术仪器400的第一实施例。手术仪器400是其末端形成为解剖刀形状的矩形波导(即电介质)材料块，该解剖刀形状具有在点406汇合的上和下成角度锐边402、404。下成角度锐边404比上成角度边长并且形成手术仪器的主刀片。
波导块直接耦合到装置的运送第一(较高)频率的微波能量的传输线缆。在除了与主刀片相邻的狭窄区域410之外的波导块的表面上(即在下成角度边404周围)提供金属化408。未金属化区域410因此充当第一频率的微波能量的天线(例如辐射刀片)。
沿着波导块的底部装配同轴线缆412。该同轴线缆412是装置的运送第二(较低)频率的微波能量的传输线缆。同轴线缆的中心导体414连接到充当第二频率的微波能量的天线的微带结构416并且向该微带结构馈送微波能量。在该实施例中，微带结构416朝向下成角度边404、装配于在金属化层408上设置的电介质材料带418上。因此，微带结构416发射的场也从手术仪器的辐射刀片发散。然而由于它具有较低的频率，所以来自微带结构416的场的穿透深度大于来自未金属化区域410本身的场的穿透深度。
在本实施例中，形成用来在第一频率递送能量的辐射刀片天线一部分的金属化层408也充当用于在第二频率产生的能量的地平面。因此，电介质材料418位于金属化层408(充当第二天线的第一导体或者地平面)与充当第二(有源)导体并且提供微带设计(未示出)的第二金属化层416之间。
同轴线缆的中心导体414使用焊料触点/接头或者其它传导机械手段来附接到第二导体416。电介质层418可以是在感兴趣的频率表现低损耗的喷涂电介质材料或者可以是附接到辐射刀片结构的金属化部分的电介质材料片，例如可以使用Kapton片。
图5示出了能够在两个不同微波频率向组织中发射能量的手术仪器500的第二实施例。与图4中所示仪器相似，手术仪器500包括其端部形成为解剖刀形状的波导块501，该解剖刀形状具有在点506汇合的上和下成角度锐边502、504。下成角度边504更长并且提供仪器500的主切割刀片。在除了与下成角度边504相邻的区域510之外的波导块501的表面上提供金属化层508。与图4相似，波导块直接耦合到装置的运送第一(较高)频率的微波能量的传输线缆(波导)520。未金属化区域510因此充当第一频率的微波能量的天线(例如辐射刀片)。
在本实施例中，整个金属化层508用作第二天线以将第二频率的能量辐射到生物组织中。经由同轴线缆524提供第二频率的能量，该同轴线缆524的内导体526连接到金属化层508并且向该金属化层508馈送第二频率的能量。因此，手术仪器500向单极型天线结构提供充当辐射器或者天线的波导块501的整个外部。为了使波导块501能够充当辐射器，隔离层522插入在传输线缆520的主体与波导块501之间以第二(较低)频率能量在这些部件之间提供电隔离。隔离层522可以是电介质材料，比如陶瓷材料。隔离层522并不防止在第一频率的辐射从传输线缆520向波导块501发送。同轴线缆的中心导体526穿透隔离层522。
在替代实施例中，可能期望防止或者限制在第二频率的微波场的辐射在波导块501的特定分段或者部分上/中进入或者传播。这可以通过将绝缘材料层附着到这些区域来实现。例如，可以使用陶瓷材料或者辐射吸收材料。
图6示出了能够在两个不同微波频率向组织中发射能量的手术仪器600的第三实施例。与图4中所示仪器相似，手术仪器600包括其端部形成为解剖刀形状的波导块601，该解剖刀形状具有在点606汇合的上和下成角度锐边602、604。下成角度边604更长并且提供仪器600的主切割刀片。在除了与下成角度边604相邻的区域610之外的波导块601的表面上提供金属化层608。与图4相似，波导块直接耦合到装置的运送第一(较高)频率的微波能量的传输线缆(未示出)。未金属化区域610因此充当第一频率的微波能量的天线(例如辐射刀片)。
在本实施例中，自容式贴片天线611装配于与未金属化区域610相邻的金属化层608上。因此，波导块601的表面区域覆盖有通过适当手段(例如粘合剂等)附着到刀片的第一电介质材料612、继而有用以充当地平面的第一金属化层614、继而有用以充当场传播所经过的介质的第二电介质层616、继而有第二金属化层618。
沿着波导块601的底部装配同轴线缆620。该同轴线缆620是装置的运送第二(较低)频率的微波能量的传输线缆。同轴线缆的中心导体622连接到贴片天线611并且向该贴片天线611馈送微波能量，因此贴片天线611充当第二频率的微波能量的天线。同轴线缆620的中心导体622附接到第二金属化层，而同轴线缆的外导体624附接到第一金属化层614。在本实施例中，从第二金属化层的边缘散发的场用来烧灼或者消融组织结构。
功率电平提升
图7示出了作为本发明第一和第四实施例的实施例的手术切割装置700。装置700具有通过与图1中所示装置100相对应的两个通道(高功率治疗和低功率测量)布置连接到手术仪器704的微波源702。对源702与手术仪器704之间的排列中执行与装置100中的对应部件相同的功能的部件赋予相似的标号，不同在于它们以7为开头，例如分离器706执行与分离器106相似的功能。
因此，该排列包括频率源702、功率分离器706、可变衰减器714(由来自微处理器/DSP单元716的控制信号C1控制)、由来自微处理器/DSP单元716的控制信号C3控制的功率放大器单元708(包括预放大器710和功率放大器712)、循环器718、50Ω功率甩负荷728、前向功率耦合器720、反射功率耦合器722、前向功率检测器730(向模拟到数字转换器732递送输出V1)、反射功率检测器734(向模拟到数字转换器732递送输出V2)、由来自微处理器/DSP单元716的控制信号C2控制的波导开关724、低功率放大器736、低功率循环器740、检测器738和线缆组件726。上面关于第一方面讨论了这些单元的功能，并且这里不再重复。
本发明的第四方面是装置的一种改进，由此可以通过驱动放大单元708以在与用于正常操作相同的频率产生最大功率来解决由大的敞开血管引起的灌注出血。
在该实施例中，装置700包括过驱动信号路径，该路径旁路(bypass)可变衰减器并且提升向放大单元708的输入以在全功率驱动放大单元708。一对单极双掷开关760、762在可变衰减器714的任一侧上连接于治疗通道A上。开关760、762可以是PIN开关并且被布置成采用其中通过可变衰减器714引导信号的第一配置(‘正常’操作)或者其中信号旁路可变衰减器714并且通过可以是低功率放大器的提升放大器764来引导的第二配置(‘提升式’操作)。经由从微处理器/DSP单元716接收的控制信号C4、C5来操作开关760、762。
因此，在正常操作中，通过将第一开关760的公共触点Sx连接到它的第一端口Sy来将由频率源702生成的信号连接到可变衰减器714的输入，而通过将第二开关762的公共触点Sx’连接到它的第一端口Sy’，来将来自可变衰减器714的输出信号连接到放大单元708。因此，来自源702的信号的衰减形式用来驱动放大单元708。这对应于上面参照图1讨论的治疗通道A的操作。
在提升式或者‘过驱动’操作中，开关760、762在从微处理器/DSP单元716接收对应的控制信号C4和C5之后采用它们的第二配置。在第二配置中，通过将第一开关760的公共触点Sx连接到它的第二端口Sz，来将由源702生成的信号连接到提升放大器764的输入，而通过将第二开关762的公共触点Sx’连接到它的第一端口Sz’，来将来自提升放大器764的输出信号连接到放大单元708。因此对由源702产生的信号重新路由，从而使用低功率放大器764来放大它，并且放大的信号用来将放大单元708驱动成饱和或者使它能够在它的输出端口产生最大功率。
低功率放大器764可以是可选的。例如，如果由源702产生的信号的幅度有足够高的幅度以将放大单元708驱动成饱和而无需附加增益，则低功率放大器764可以从该排列中省略。在本实例中第一开关760的第二端口Sz可以直接连接到第二开关762的第二端口Sz。旁路可变衰减器714以去除它的插入损耗，该插入损耗甚至在它的衰减设置成最小值时也可能超过1dB。
在一个替代实施例中，频率源702处理足够高的功率电平以使放大单元708的第二级能够在去除由可变衰减器714引入的所有(或者大量)衰减时被驱动成饱和。因此，可以通过向可变衰减器发送控制信号以瞬时减少衰减来实现本实施例中的人工激活的提升。在本实施例中，有可能从图7中所示微波排列中分别省略第一和第二开关760和762以及提升放大器764。
与图1中所示装置100相似，用户使用经由隔离单元744附接到微处理器/DSP单元716的脚踏开关布置742来操作装置700。在该实施例中，脚踏开关布置包括两个踏板743、745。第一踏板743被布置成控制波导开关724、即控制治疗通道A与测量通道B之间的切换。第二踏板745被布置成允许用户(例如外科医生)选择开关760、762在治疗通道上的配置、即选择正常治疗或者在全功率驱动放大器(‘提升式’治疗)。当用户在视觉上遇到不能使用在正常治疗期间递送的功率电平来有效处理的大出血时可能期望提升式治疗。
事件监视
图8示出了作为本发明第五方面的实施例的手术切割装置800的相关部分。装置800具有通过可以与图1中所示装置100相对应的布置连接到手术仪器804的微波源802(例如振荡器)。对在源802与手术仪器804之间的排列中执行与装置100中的对应部件相同的功能的部件赋予相似的标号，不同在于它们以8为开头，例如可变衰减器814执行与可变衰减器114相似的功能。
根据本发明的第五方面，装置800包括监视布置，该监视布置被布置成：如果在从反射功率耦合器822获得并且由检测器834检测的反射功率信号中检测到某一事件，则向微处理器/DSP单元816传达触发信号C3。在本实施例中，监视布置是能够监视检测的反射信号的dv/dt值并且在监视的值超过设置的阈值时生成触发信号的类似实施。
具体而言，经由缓冲放大器848向微分器850提供来自检测器834的检测信号(例如电压Vr)。缓冲放大器848插置于主装置排列与微分器850之间以防止微分器850向检测器834呈现所不期望的负载。微分器电路包括具有布置成电容值C的电容器852和具有布置成电阻R的电阻器854，使得来自微分器850的输出为
Figure GPA00001140306900331
向比较器856提供该输出，该比较器856被布置成如果
Figure GPA00001140306900332
的值(有效地为dVr/dt的值，因为这是仅有的变量)超过阈值则切换它的输出(例如以生成阶跃式触发信号860)。在本实施例中，比较器856比较与来自电位计858的输出。电位计858使得能够改变阈值。
在本实施例中，如果dVr/dt超过某一值，则生成触发信号860。高的dVr/dt值(例如5000V/s)可以表明将要出现喷溅事件(例如组织从治疗部位的猛烈喷射)。装置800被布置成对触发信号860做出反应以防止出现喷溅事件。如果微处理器/DSP单元816接收到触发信号C3，则立即向可变衰减器814发送响应控制信号C4，该可变衰减器立即增加衰减以减少送往组织的功率电平以防止喷溅事件。
减少功率电平以防止喷溅事件也阻止了治疗同样有效。因此期望响应信号C4操作可变衰减器以在减少正常治疗电平以防止喷溅事件之后迅速使功率斜线回升到正常治疗电平。
微处理器/DSP单元816也可以被布置成发送控制信号C1和C2以操作复位开关862、864(例如MOSFET开关)，复位开关862、864在检测到事件之后将差分器复位。这保证在新事件开始时将在电容器852和电阻器866两端的初始电压设置成零。
在上面讨论的实施例中，检测器834需要对代表监视的表现的反射信号的改变敏感。在这种情况下，检测器可能需要感测dVr/dt的迅速改变。因此，如果使用二极管检测器，则它的上升/下降时间必须短，例如1μs或者更少。例如，可以使用具有非常快的脉冲响应的基于隧道二极管的检测器，例如来自Advanced Control Systems(高级控制系统)的第ACTP1505N号产品。
在使用时，装置可以在正常治疗期间以100W递送频率为14.5GHz或者24GHz的微波辐射，并且用于在生成触发信号时的dVr/dt的阈值可以被设置成4000V/s。因此，当检测到dVr/dt的值为5000V/s(例如对应于反射功率信号在1ms内上升5V)时，功率电平瞬时减少至10W、然后在之后的100ms内斜线回升至100W。用户可以在治疗开始之前设置总治疗时间。装置可以自动补偿由防止喷溅事件而引起的‘停机时间’，例如使得10s的治疗时间在考虑为了防止喷溅而减少常规功率电平时可能事实上达到100s。
图9是本发明第五方面的装置递送的功率如何使用该装置对检测的反射信号做出反应的图形表示。图9中所示上图是来自检测器834的输出。有三个锐利电压尖峰870表明将要出现喷溅事件和电压渐增872表明天线与组织之间失配，这可以表明治疗是有效的。下图使用相同的时间刻度并且示出送往组织中的功率。在与各电压尖峰870相对应的位置处有从100W至10W的瞬时功率降874、接着为相对逐渐的斜线上升876。当出现失配时，递送的功率逐渐下降，因为失配防止全功率耦合到组织中。
本发明的第五方面也可以用来检测其它签名事件并且因此控制微波排列中的其它设备。例如，监视布置可以确定放大器何时被驱动成饱和或者第二频率源是否要连接到刀片。在这些情况下，监视布置可以检查与大的敞开血管关联的签名事件。该特定签名可以在持续时间(时隙)内采用恒定电压电平的形式，该持续时间比使系统在组织中的预定距离上产生切割/凝结的平均时间更大。可以根据实验建立各时隙的大小。

Claims (42)

1.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，被布置成生成微波辐射信号；
手术仪器，具有：切割元件和天线，所述切割元件具有用于切割生物组织的边缘，所述天线连接到所述源并且被布置成在所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的微波辐射场；
反射辐射检测器，连接于所述源与所述天线之间以检测从所述天线反射回的信号；
反射功率监视器，被布置成检测由所述反射辐射检测器检测到的所述反射信号中的签名事件；以及
功率电平调节器，连接于所述源与天线之间并且被布置成如果所述监视器检测到签名事件则自动调整所述天线接收的所述微波辐射信号的功率电平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述签名事件是：
(i)在一定时隙期间或者在一定持续时间内检测到的反射功率的预定改变速率或者反射功率的恒定电平；或者
(ii)由所述反射功率的表现的改变得到的所述组织的阻抗的某种改变。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述监视器包括微分器，所述微分器被布置成：
测量所述反射信号的dv/dt(电压随时间的改变)值；并且
比较所述测幅值与阈值，由此所述签名事件为高于阈值的dv/dt值。
4.根据权利要求1至3中的任一权利要求所述的装置，其中所述功率电平调节器被布置成：
一旦检测到所述签名事件就降低所述功率电平；并且
在降低功率电平之后的恢复时间段中斜线回升所述功率电平。
5.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，被布置成生成微波辐射信号；
手术仪器，具有：切割元件和天线，所述切割元件具有用于切割生物组织的边缘，所述天线连接到所述源并且被布置成在所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的微波辐射场；
反射辐射检测器，连接于所述源与所述天线之间以检测从所述天线反射回的信号；以及
反射功率监视器，被布置成检测由所述反射辐射检测器检测到的所述反射信号中的签名事件，
其中所述监视器被布置成在检测到签名事件时发射可听或者可视信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述可听或者可视信号代表所述检测到的事件以提供实现所述切割元件的最优移动的信息。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述天线可选择性地经由第一通道和第二通道连接到所述源，所述第一通道用于传送用于治疗的第一功率电平的微波信号，所述第二通道用于传送用于测量的第二功率电平的微波信号，并且
其中所述天线经由信号转移单元连接到所述检测器，所述信号转移单元被布置成将沿着所述第二通道从所述天线反射的信号直接路由到所述检测器。
8.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，布置成生成微波辐射；
手术仪器，具有：切割元件和天线，所述切割元件具有用于切割生物组织的边缘，所述天线连接到所述源并且被布置成在所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的微波辐射场；以及
反射辐射检测器，被布置成接收从所述天线反射回的信号，
其中所述天线可选择性地经由第一通道和第二通道连接到所述源，所述第一通道用于传送用于治疗的第一功率电平的微波信号，所述第二通道用于传送用于测量的第二功率电平的微波信号，并且
其中所述天线经由信号转移单元连接到所述检测器，所述信号转移单元被布置成将沿着所述第二通道从所述天线反射的信号直接路由到所述检测器。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中所述信号转移单元包括所述第二通道上的低功率收发器，所述低功率收发器被布置成测量所述反射信号的功率电平。
10.根据权利要求7至9中的任一权利要求所述的装置，其中所述第一功率电平是所述第二功率电平的两个或者更多个数量级。
11.根据权利要求7至10中的任一权利要求所述的装置，其中所述第一通道包括放大器，所述放大器连接于所述源与所述天线之间以放大所述源生成的所述微波辐射以提供所述第一功率电平的所述微波信号，并且其中所述第二通道旁路所述放大器。
12.根据权利要求7至11中的任一权利要求所述的装置，其中信号转移单元包括在所述第二通道上连接于所述源、所述天线与所述检测器之间的循环器，所述循环器被布置成引导从所述源到所述天线的前向信号和从所述天线到所述检测器的反射信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述信号转移单元包括连接到所述循环器的载波抵消电路。
14.根据权利要求7至13中的任一权利要求所述的装置，其中所述信号转移单元包括所述第一通道上的前向定向耦合器和反向定向耦合器，所述定向耦合器分别被布置成耦合来自所述源的前向信号和从所述天线到所述检测器的反射信号。
15.根据权利要求7至14中的任一权利要求所述的装置，包括所述第一通道上的阻抗调节器，其中所述检测器被布置成检测所述反射信号的幅值和相位，并且所述阻抗调节器具有基于所述检测的幅值和相位可控制的可调复阻抗。
16.根据权利要求7至15中的任一权利要求所述的装置，具有布置成将所述天线选择性地连接到所述第一通道或者所述第二通道的开关。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述开关包括具有两个可选择配置的滤波布置。
18.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述天线包括用于连接到所述源的馈送结构和被布置成发射所述辐射场的辐射部分，并且其中所述辐射部分是所述切割元件的部分。
19.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，被布置成生成具有第一频率的第一微波辐射信号和具有第二频率的第二微波辐射信号；
手术仪器，包括：
切割元件，具有用于切割生物组织的边缘，
第一天线，可连接到所述源以接收所述第一微波辐射信号并且被布置成沿着所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的、所述第一频率的微波辐射场，以及
第二天线，可连接到所述源以接收所述第二微波辐射信号并且被布置成从所述手术仪器发射所述第二频率的微波辐射场，
其中所述第二频率低于所述第一频率。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述第一和第二天线包括单个天线结构，所述单个天线结构在包括所述第一和第二频率的频带或者频率内可操作或者被布置成在所述第一和第二频率谐振。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述天线结构包括波导，并且所述第一和第二微波辐射信号对应于所述波导中的不同传播模式。
22.根据权利要求19所述的装置，包括用于将所述第一天线和/或第二天线选择性地连接到所述源的开关。
23.根据权利要求19所述的装置，其中所述源包括用于产生所述第一微波辐射信号的第一信号发生器和用于产生所述第二微波辐射信号的第二信号发生器，所述第一和第二信号发生器分别可连接到所述第一和第二天线。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述第二信号发生器被布置成从所述第一信号发生器得到信号。
25.根据权利要求23或者24所述的装置，其中所述第一和第二信号发生器经由公共信号路径可连接到所述手术仪器，并且其中所述手术仪器在滤波布置接收所述公共信号路径，所述滤波布置被布置成仅将所述第一频率的能量送往所述第一天线而仅将所述第二频率的能量送往所述第二天线。
26.根据权利要求19所述的装置，包括被布置成接收从所述天线反射回的信号的反射辐射检测器，其中每个天线可选择性地经由第一通道和第二通道连接到所述源，所述第一通道用于传送用于治疗的第一功率电平的源的微波信号，所述第二通道用于传送用于测量的第二功率的源的微波信号，并且其中每个天线经由信号转移单元连接到所述检测器，所述信号转移单元被布置成将沿着所述第二通道从所述天线反射的信号直接路由到所述检测器。
27.根据权利要求26所述的装置，具有连接于所述源与每个天线之间的阻抗调节器，其中所述检测器被布置成检测所述反射信号的幅值和相位，并且所述阻抗调节器具有基于所述检测的幅值和相位可控制的可调复阻抗。
28.根据权利要求19所述的装置，其中所述切割元件的所述边缘包括用于所述第一天线的辐射部分，并且所述第二天线装配于与所述切割元件的所述边缘相邻处，由此两个天线沿着所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的微波辐射场。
29.一种手术仪器，包括：
切割元件，具有用于切割生物组织的边缘；
第一天线，被布置成在所述切割元件的所述边缘在第一频率发射基本上均匀的微波辐射场；以及
第二天线，被布置成从所述切割元件在第二频率发射微波辐射场，所述第二频率低于所述第一频率。
30.根据权利要求29所述的手术仪器，其中所述切割元件包括陶瓷体和刀片部分，所述陶瓷体具有用于附接到波导的耦合部分，所述刀片部分包括用于切割生物组织的所述边缘，其中所述第一天线具有与所述刀片部分一体的辐射部分，并且所述耦合部分包括阻抗变换器。
31.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，被布置成生成微波辐射；
手术仪器，具有：切割元件和天线，所述切割元件具有用于切割生物组织的边缘，所述天线连接到所述源并且被布置成在所述切割元件的所述边缘发射基本上均匀的微波辐射场；以及
放大单元，在所述源与所述天线之间，用于放大所述源生成的所述微波辐射信号，
其中所述放大单元在第一配置和第二配置之间是人工可切换的，所述第一配置用于将所述信号放大至第一功率电平，所述第二配置用于将所述信号放大至比所述第一功率电平更高的第二功率电平。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述第一功率电平的范围为10至120W，所述第二功率电平比所述第一功率电平高20至50W或者更高。
33.根据权利要求31或者32所述的装置，其中所述放大单元包括放大器和被布置成从所述源接收所述微波辐射信号并且生成用于驱动所述放大器的驱动信号的馈送单元，其中所述馈送单元被布置成生成所述第二配置中的驱动信号，该驱动信号的功率电平高于所述第一配置中的驱动信号的功率电平。
34.根据权利要求33所述的装置，其中所述馈送单元包括用于在所述第一配置中在所述源与放大器之间传送所述微波辐射信号的第一信号路径和用于在所述第二配置中在所述源与放大器之间传送所述微波辐射信号的第二信号路径，所述第一和第二信号路径是人工可选择的以在所述第一与第二配置之间切换所述放大单元。
35.根据权利要求31至34中的任一权利要求所述的装置，包括被布置成接收从所述天线反射回的信号的反射辐射检测器和所述第一信号路径上的阻抗调节器，其中所述检测器被布置成检测所述反射信号的幅值和相位，并且所述阻抗调节器具有基于所检测的所述测量信号的幅值和相位可控制的可调复阻抗，并且其中所述装置具有控制系统，所述控制系统被布置成如果所述检测器在所述第一功率电平操作期间感测到高度灌注则将所述装置自动切换到所述第二功率电平。
36.根据权利要求35所述的装置，其中所述天线可选择性地经由包括所述放大单元的第一通道和旁路所述放大单元的第二通道连接到所述源，所述第一通道用于提供用于治疗的所述第一或第二功率电平的微波信号，所述第二通道用于传送用于测量的较低功率电平的微波信号，其中所述天线经由信号转移单元连接到所述检测器，所述信号转移单元被布置成将沿着所述第二通道从所述天线反射的信号直接路由到所述检测器。
37.一种手术切割装置，包括：
微波辐射源，被布置成生成具有稳定输出频率的微波辐射信号；以及
手术仪器，具有：切割元件和天线，所述切割元件具有用于切割生物组织的边缘，所述天线连接到所述源以接收所述微波辐射信号并且被布置成发射与来自所述切割元件的所述边缘的所述微波辐射信号相对应的基本上均匀的微波辐射场，
其中所述输出频率是可调的。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述源是能够在频率范围内发射信号的宽带频率振荡器，并且其中所述输出频率是可选择的以在所述天线与所述组织接触时建立谐振条件或者对应于在治疗的所述生物组织中出现能量吸收峰值时的频率。
39.根据权利要求37或者38所述的装置，其中所述源包括变频信号发生器和放大单元，所述变频信号发生器被布置成输出在频率范围内具有稳定频率的第一信号，所述放大单元被布置成将所述第一信号放大成具有适合于治疗的功率电平的第二信号，并且其中所述放大单元能够将具有所述频率范围内的任意频率的信号放大至10W或者更高的功率电平。
40.根据权利要求37所述的装置，包括被布置成接收从所述天线反射回的信号的反射辐射检测器，其中所述检测器被布置成检测所述反射信号的幅值和相位，由此所述可调输出频率基于所述检测的幅值和相位是可控制的。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述源被布置成在频率范围上扫描前向微波辐射信号的输出频率，由此用于治疗的适当频率基于与所述扫描的前向信号相对应的、所检测的反射信号的幅值和相位可选自于所述频率范围。
42.根据权利要求40或者41所述的装置，其中所述天线可选择性地经由第一通道和第二通道连接到所述源，所述第一通道用于传送用于治疗的第一功率电平的所述微波信号，所述第二通道用于传送用于测量的第二功率电平的所述微波信号，并且其中所述天线经由信号转移单元连接到所述检测器，所述信号转移单元被布置成将沿着所述第二通道从所述天线反射的信号直接路由到所述检测器。
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