CN104185454B - 用于组织消融的微波装置 - Google Patents

Abstract

用于生物组织消融的微波装置(10；100)，其包括同轴天线(11)，所述同轴天线(11)包括由绝缘材料层围绕的内部导体(13)、在所述绝缘材料层外部与其同轴的外部导体(12)、电连接至所述内部导体(13)的金属尖端(14)、端部短路的四分之一波长阻抗变换器(16；116)，所述阻抗变换器(16；116)包括由绝缘材料制成的套筒(15；115)，该套筒具有由金属材料层(16a；116a)覆盖的近端，所述金属材料层通过将所述金属材料沉积在所述绝缘材料的表面上而获得，所述金属材料层延伸的长度接近在所述微波装置(10；100)的操作频率处所述绝缘材料中电磁场的波长的四分之一或所述波长的四分之一的奇数倍，所述金属材料层电连接至所述外部导体(12)；所述微波装置(10；100)还包括插在所述套筒(15；115)上的金属套管(19)，所述金属套管通过粘合、钎焊、焊接或金属干涉而连接至所述金属材料层(16a；116a)。

Description

用于组织消融的微波装置

技术领域

本发明涉及用于组织消融的微波装置，尤其是用于生物组织的高热治疗的间质微波加热器，尤其用于所属组织的热消融。

背景技术

热消融包括通过将细胞的温度升高到超过不可逆的破坏阈值而破坏目标组织。该阈值与在给定温度下的暴露时间有关；在50℃与60℃之间的温度的情况下，所述时间是几分钟，而在60℃以上，细胞死亡几乎是瞬间的。温度升高通过借助或多或少侵入性的施加器将能量分配到目标组织而实现。通常用于热消融的能量形式包括机械波、射频电流、红外辐射、微波。

目前用于热消融的最有前途的能量形式中的一种是微波能量，其在能量传递效率与到生物组织中的穿透深度之间提供非常好的折衷。微波能量到要热消融的组织中的发送通过经皮的、内窥镜的、开腹的或腹腔镜的间质加热器的插入而进行，所述间质加热器由同轴天线构成，该同轴天线包括内部导体、覆盖内部导体的整个长度的一层绝缘材料、外部导体，该外部导体同轴地覆盖绝缘材料层和内部导体，除了其构成天线的辐射端部之外的远端部分之外。用于热消融的天线的设计已经考虑到了预期用途相关的特定结构要求，尤其是：生物兼容性、较强的力学阻力、球形凝固性坏死、天线的直径尽可能小。

用于确保球形凝固性坏死的天线要求继而是球形的辐射图和用于消散天线的供电线所产生的热量的冷却系统。在微波热消融系统的工作频率处，通过同轴电缆的传输功率的特征在于较大的衰减，同轴电缆的发热对应于该衰减。所产生的热量会使得在其整个长度上与天线的外杆接触的组织坏死。供电线路的冷却回路的存在使得热量可以被消除并且因而可以减少坏死的异常性。

用于微波热消融天线的许多设计的共同问题在于辐射图沿着天线供电线路的伸长，结果球度较低。这种伸长可以通过对天线设计的不同改进而避免。保持辐射图的良好封闭的最常见方法中的一种是使用称为电磁扼流器或仅称为扼流器的装置，其产生终止于短路的四分之一波长阻抗变换器。扼流器在物理上是同轴线，其由同轴地围绕天线的外部导体的圆筒形导体构成，并且在其近端处短路封闭在其上，而在其远端处是开放的。术语“远”和“近”是指装置的端部，或其分别面对天线的尖端或沿着相反方向的部分或部件的端部。

在天线的外部导体与圆筒导体之间，插置有由绝缘材料制成的一个或多个套筒，所述套筒填充扼流器的整个长度。扼流器的长度等于由天线发射的微波在所述绝缘体中的波长四分之一的奇数(通常是一)。与波长四分之一差别较大的长度使得扼流器具有次优化特性，然而对于获得近侧封闭的目的是用于的，并且因而对于天线的辐射图的显著球度是有用的。扼流器通常通过在围绕天线的外部导体的绝缘体周围插入金属圆筒而实现，该金属圆筒的内径等于绝缘体的外径并且其长度使得产生等于已经公开的电长度。距离天线的辐射端较远的金属圆筒的端部在天线的外部导体上短路，完成扼流器的结构。

上述类型的用于组织消融的微波装置在以申请人名义的工业发明印度专利0001361771中公开。

绝缘体的材料必须是对微波损耗较小的材料。具有这种特性的最常见的材料是聚合物和陶瓷。聚合物很少用于热消融天线中，这是因为天线会到达几百摄氏度的温度，在这种温度下所有目前已知的聚合物都会熔化或失去其机械特性。因而用于热消融的天线通常通过使用陶瓷作为绝缘体而制成。

用于热消融的所有天线都具有设计成分配微波的部分的复合结构，其中有不同材料的不同具体部分。假设需要非常小的总体横向尺寸，通常小于3mm，构成天线的具体部分厚度非常薄并且连接表面非常小。这通常使得微波天线易于在临床使用期间由于随后的部件分离而机械损坏。尤其是如果组织强烈粘附至天线，则在从病人收回天线时会发生这种机械损坏现象。在这种情况下，天线会经受医师的几公斤的牵引以获得其去除。

各金属部分之间的连接可以通过钎焊或机械干涉获得，由于其柔韧性，这尤其易于在金属之间实现。通常在热消融天线中部分之间最困难的连接通常是绝缘体与金属部分之间的连接。由于连接部分地由非金属部件形成，因此钎焊是不可能的，其将使得连接部所获得的对牵引的抵抗力能与所连接的材料相比较。在用于热消融的天线中陶瓷与金属之间的连接通常通过粘合或机械干涉实现。在前者情况下，连接部是结构中的弱点，这是因为粘合剂通常易于在温度升高时失去粘性。如上所述，估计的工作温度实际上是几百摄氏度。而且，将诸如绝缘材料和外部同轴导体或金属套管的不同材料粘合在一起通常不如将同类部分(例如金属)粘合在一起牢固。另一方面，如果通过机械干涉获得连接，则天线的总横向尺寸通常增大，这是因为陶瓷是不可延展的材料并且因此不适于变形，而这对于以有限的接触表面获得令人满意的机械干涉是必须的。为了对此进行补救，陶瓷与金属之间通过机械干涉的锁定必须借助宏观尺寸装置实现，例如通过螺栓或冲孔，结果增大了加热器的横向总尺寸。

除了辐射图的球度，不同类型的微波天线因而特征还在于采用工程方案达到对于机械应力尽可能大的抵抗力。

发明内容

本发明提供一种用于有机组织消融的微波装置，其具有微波的辐射图的优化球度、较大的机械抵抗力和尽可能减小的横向尺寸。

本发明的目的借助根据权利要求1所述的用于组织消融的微波装置而实现。

由于本发明，可以获得用于组织消融的微波装置，其中扼流器的横向尺寸最小化并且绝缘体与天线的金属部分之间的连接具有较强的机械抵抗力。

该结果通过将由陶瓷制成的绝缘体的表面金属化而制成扼流器而获得，这种金属化是通过将金属蒸汽物理或化学沉积在陶瓷材料的表面上而实现的。对于所有金属化的共同要素是几微米的金属层厚度及其到陶瓷基体的牢固附着。这具有两个重要优点：由于金属化层的最小厚度而可以制成最小横向尺寸的扼流器，并且与目前市场上可用的方案相比，可以使陶瓷绝缘体与天线的金属部分之间的连接具有较高韧性。这通过采用金属化层形成上述连接而成为可能。

附图说明

下文参照附图仅以非限制性示例的方式说明本发明的某些实施例，其中：

图1A和1B示出根据现有技术的用于组织消融的微波装置；

图2A是示出根据本发明的用于组织消融的微波装置的第一实施例的纵向剖视图；

图2B是图2A的具体部分的纵向剖视图；

图2C至2F是示出根据本发明的用于组织消融的微波装置的第一实施例的透视图；

图3A是示出根据本发明的用于组织消融的微波装置的第二实施例的纵向剖视图；

图3B是图3A的具体部分的纵向剖视图；

图3C至3E是示出根据本发明的用于组织消融的微波装置的第二实施例的透视图。

具体实施方式

在图1A至1B中，所示的根据现有技术的用于组织消融的微波装置1包括：

-同轴天线，其包括中空圆筒形的外部导体2、同轴地布置在外部导体2内的线形的内部导体3和图中未示出的绝缘材料，该绝缘材料插置在外部导体2与内部导体3之间；

-辐射部分，其由内部导体3的伸长部分构成，例如圆锥形的金属尖端4固定至该伸长部分，以使装置1能穿透组织；

-由绝缘材料制成的第一套筒5，所述绝缘材料优选地是陶瓷材料，所述第一套筒插入到外部导体2的远端上并且在其远端处固定至尖端4；所述第一套筒5具有直径较大的远端部分5a和直径较小的近端部分5b；

-十分之一波长阻抗变换器，所谓的“扼流器”，其由第二套筒6构成，该第二套筒由导电材料制成，同轴地插入在由绝缘材料制成的第一套筒5的近端部分5b上，扼流器的近端7短路封闭在同轴天线的外部导体2上；

-保护套管8，其套在同轴天线和扼流器上，以使装置1具有机械韧性。

如图1A和1B所示的用于组织消融的微波装置1具有两个缺点。第一个缺点是非常难以在装置的部件之间实现具有较高机械抵抗力的连接。尤其是由陶瓷材料制成的第一套筒5与金属尖端4之间的连接、构成扼流器的由导电材料制成的第二套筒6与第一套筒5的远端部分5a之间的连接以及套管与第一套筒5的第一远端部分5a之间的连接都是至关重要的。实际上，由于由陶瓷材料制成的第一套筒5的存在，无法通过焊接实现所述连接，并且因此必须采用通过粘合的连接，其机械抵抗力大大低于通过焊接实现的连接。

根据图1A和1B的模型设计的用于热消融的加热器的第二个缺点在于，扼流器必须具有较宽的横截面。

上述两个缺点都在根据本发明的用于组织消融的微波装置中得以克服。

图2A至2F示出了用于组织消融的微波装置10的第一实施例。

根据本发明的装置10包括同轴天线11，该同轴天线由外部导体12、与外部导体12同轴的内部导体13和图中未示出的绝缘材料构成，所述绝缘材料插置在内部导体13与外部导体12之间。

内部导体13在其远端处连接至例如圆锥形的尖端14，该尖端适于促进装置10穿透到病人身体组织中。

在同轴天线11的外部导体12上，插入有由绝缘材料制成的套筒15，优选地是耐高温的陶瓷材料。

在套筒15的近端处，形成有四分之一波长阻抗变换器16，所谓的扼流器，通过在其上沉积金属材料，即导电材料，的薄层16a而使所述近端的外表面金属化。

金属材料可以通过所述金属材料的蒸汽的物理或化学沉积而沉积。

所述近端的外表面的金属化延伸的长度等于在装置10的操作频率处电磁场的波长的四分之一，或所述波长的四分之一的奇数倍，从而确保对逆行表面电流的适当限制和因此天线11的辐射图的较高球度。由于与上述扼流器的长度接近但不完全相同的扼流器也能获得几乎球形的辐射图，因而意在本发明的通过以下方式包含创造性，即，阻抗变换器或扼流器的、所述套筒15的金属化的长度接近装置10的操作频率处的电磁场的波长的四分之一，或所述波长的四分之一的奇数倍。扼流器的短路可以通过金属圆筒17实现，该金属圆筒插到同轴天线的外部导体12上，与套筒15的所述近端接触，并且与同轴天线11的外部导体12和金属材料的所述层16a电连接。

为了使扼流器16的总横向尺寸最小，可以使金属化层16a的厚度等于所要求的最小值，以确保微波的几乎理想的反射。已知在绝缘体与金属之间的截面处，微波穿透金属内几微米，经过指数衰减。该模式的特征在于长度，已知为“穿透长度”，定义为绝缘体/金属表面与金属内一点之间的距离，在该点处，电场强度相对于所述表面处的电场强度减小的因数等于数e(奈培数)。为了获得扼流效应，金属层16a的厚度等于若干穿透长度，例如三个穿透长度，就足够。扼流器的厚度因而将是几微米，而现有技术已知的装置的扼流器的厚度是十分之几毫米。

该结果仅能通过上述将金属沉积在陶瓷表面上的技术获得，并且能构成扼流器，其总横向宽度至少可以：下文限定已知为微扼流器的扼流器的该具体实施方式。

套筒15的远端也覆盖有一层金属18，这种金属层借助与用于形成微扼流器16的相同的技术沉积。金属层18用于通过焊接将套筒15连接至尖端14，从而形成具有较强机械抵抗力的连接。

装置10通过插在所述套筒15上的金属套管19完成，并且可以通过插置在套管19与装置10的尖端14之间的由不粘塑料制成的第二套管20完成。

如果扼流器的短路由金属圆筒17形成，则对于后者有利的是在金属圆筒17与套管19之间设置液封系统。实际上，需要冷却剂在装置10内循环以去除由沿着同轴天线11的功率耗散和微波与有机组织的相互作用而产生的热量。金属圆筒17与套管19之间的液封用于防止冷却剂从装置10漏出并且溢出到周围组织中。

金属套管19可以有利地通过粘合、钎焊或例如卷边的机械干涉而固定至金属材料层16a，所述金属材料层16a形成与套管19的液封。

在图3A至3E中示出根据本发明的微波装置100的第二实施例。该第二实施例的与参考根据本发明的微波装置的第一实施例10在图2A至2F中所示的相同的细节用相同附图标记指示。

与上述装置10类似，装置100包括同轴天线11，该同轴天线由外部导体12和与外部导体12同轴的内部导体13构成，在内部导体13与外部导体12之间插置有绝缘材料。

内部导体13在其远端处连接至例如圆锥形的尖端14，该尖端适于促进装置100穿透到病人身体组织中。

在同轴天线11的外部导体12上，插入有由绝缘材料制成的套筒15，优选地是耐高温的陶瓷材料。

套筒115由远端第一部分115a和具有不同直径的近端第二部分115b构成，第一部分115a的直径大于第二部分115b的直径。

第二部分115b和第一部分115a的与第二部分115b相邻的部分由金属材料层116a覆盖，该金属材料层由所述金属材料的蒸汽的物理或化学沉积获得。金属材料层116构成上述四分之一波长阻抗变换器，或者扼流器，以与上述标准相同的标准形成。

金属材料层116a也在套筒115的第一部分115a与第二部分115b之间的连接表面117上延伸。

而且，金属材料层116a也在套筒115的近端的前表面118上延伸，直到其与同轴天线11的外部导体12接触为止，已形成扼流器的短路。所述短路可以通过焊接将金属材料层116a电连接至外部导体12而形成。

在套筒115的远端处，为了连接至尖端14，形成第二金属材料层119，其以与层116a类似的方式形成。第二层119用于允许套筒115与金属尖端14之间的焊接之间的连接，从而获得具有较强机械抵抗力的连接。

装置100通过金属材料的套管19完成，该套管插在套筒115的第二部分115b上，直到其抵靠在金属化连接表面117上为止，并且通过焊接、粘合或例如卷边的机械干涉固定至金属材料层116a，以获得确保套管19与套筒115之间的液封的连接，从而避免冷却液在套管20与套筒115之间渗透。

在实际实施例中，材料、尺寸和结构细节可以与所公开的不同，但技术上与其等同，而并不会落到本发明的范围之外。

Claims (18)

1.用于生物组织消融的微波装置(10；100)，其包括同轴天线(11)，所述同轴天线(11)包括由绝缘材料层围绕的内部导体(13)、在所述绝缘材料层外部与其同轴的外部导体(12)、电连接至所述内部导体(13)的金属尖端(14)、端部短路的四分之一波长阻抗变换器(16；116)，所述阻抗变换器(16；116)包括由绝缘材料制成的套筒(15；115)，该套筒具有由金属材料层(16a；116a)覆盖的近端，所述金属材料层通过将所述金属材料沉积在所述绝缘材料的表面上而获得，所述金属材料层(16a；116a)延伸的长度接近在所述微波装置(10；100)的操作频率处所述绝缘材料中电磁场的波长的四分之一的奇数倍，所述金属材料层电连接至所述外部导体(12)，其特征在于，所述微波装置还包括插在所述套筒(15；115)上的金属套管(19)，所述金属套管通过粘合、焊接或金属干涉而连接至所述金属材料层(16a；116a)。

2.根据权利要求1所述的微波装置(10；100)，其特征在于，所述绝缘材料是陶瓷材料。

3.根据权利要求1或2所述的微波装置(10；100)，其特征在于，所述金属材料层(16a；116a)通过将所述金属材料的蒸汽物理或化学沉积在所述套筒(15；115)的表面上而形成。

4.根据权利要求1或2所述的微波装置(10；100)，其特征在于，所述金属材料层(16a；116a)延伸的长度接近在所述微波装置(10；100)的操作频率处所述绝缘材料内电磁场的波长的四分之一的奇数倍，从而确保对逆行表面电流的限制并因此确保辐射图的球度。

5.根据权利要求1或2所述的微波装置(10；100)，其特征在于，所述金属材料层(16a；116a)的厚度是在所述金属材料与所述绝缘材料之间的界面处所述微波在所述金属材料中的穿透长度的至少三倍。

6.根据权利要求1或2所述的微波装置(10)，还包括金属圆筒(17)，该金属圆筒插到所述同轴天线(11)的外部导体(12)上，与由绝缘材料制成的所述套筒(15)的所述近端接触，所述金属圆筒(17)电连接至所述外部导体(12)和所述金属材料层(16a)。

7.根据权利要求6所述的微波装置(10)，其特征在于，所述微波装置设有液封装置。

8.根据权利要求1或2所述的微波装置(10)，其特征在于，所述金属材料层(16a)还在所述套筒(15)的近端的前表面(15a)上延伸并且电连接至所述外部导体(12)。

9.根据权利要求1或2所述的微波装置(10)，其特征在于，所述绝缘材料的表面上的所述金属材料层(16a)用于通过焊接、机械干涉或粘合而确保与所述金属套管(19)的液封。

10.根据权利要求9所述的微波装置(10)，还包括由不粘塑料制成的第二套管(20)，所述第二套管(20)能插置在所述金属套管(19)与所述尖端(14)之间。

11.根据权利要求1或2所述的微波装置(10)，其特征在于，所述套筒(15)的远端覆盖有另一金属材料层(18)，该另一金属材料层通过在所述绝缘材料的表面上沉积所述金属材料而获得。

12.根据权利要求11所述的微波装置(10)，其特征在于，所述另一金属材料层(18)通过焊接、金属干涉或粘合而连接至所述尖端(14)。

13.根据权利要求1或2所述的微波装置(100)，其特征在于，由绝缘材料制成的所述套筒(115)包括远端第一部分(115a)和具有不同直径的近端第二部分(115b)，所述第一部分(115a)的直径大于所述第二部分(115b)的直径，所述金属材料层(116a)在所述第二部分(115b)和所述第一部分(115a)的与所述第二部分(115b)相邻的部分上延伸。

14.根据权利要求13所述的微波装置(100)，其特征在于，所述金属材料层(116a)还在所述套筒(115)的第一部分(115a)与第二部分(115b)之间的连接表面(117)上延伸。

15.根据权利要求13所述的微波装置(100)，其特征在于，所述金属材料层(116a)还在所述套筒(115)的近端的前表面(118)上延伸，并且电连接至所述外部导体(12)。

16.根据权利要求13所述的微波装置(100)，其特征在于，在所述套筒(115)的远端处，为了连接至所述尖端(14)，通过沉积金属材料而形成第二薄层(119)。

17.根据权利要求16所述的微波装置(100)，其特征在于，所述第二薄层(119)通过焊接、机械干涉或粘合而连接至所述尖端(14)。

18.根据权利要求14所述的微波装置(100)，其特征在于，由金属材料制成的所述套管(19)插在所述套筒(115)的第二部分(115b)上，直到其抵靠在所述连接表面(117)上为止。