CN107809979A - 用于递送微波能量的具有阻抗变换器的电外科仪器 - Google Patents

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Abstract

一种电外科仪器，其用于将具有预定频率的微波能量递送到与所述仪器相接触的生物组织中，其中所述仪器包括第一同轴传输线，所述第一同轴传输线具有连接到其远侧端部的第二同轴传输线，所述第二同轴传输线具有被配置来在所述操作频率下将所述第一同轴传输线的阻抗匹配到所述仪器与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的远侧端部处的负载阻抗的长度和特性阻抗。

Description

用于递送微波能量的具有阻抗变换器的电外科仪器
发明领域
本发明涉及一种电外科仪器，其用于将微波频率能量递送到与仪器相接触的组织中。本发明还涉及一种制造这种仪器的方法。
电外科仪器的主要用途可以是用于止血，在这种情况下，装置可用于使血管预凝结或者用于一旦发生流血就使血管凝结。装置的主要目的可在于在胃肠道中使用，但是也可以或可替代地在身体的其他部位中使用。装置也可以或可替代地用于消融病灶，并且对于消融位于器官表面上的病灶可特别有用。
发明背景
电外科仪器是用于将微波频率电磁能量递送到生物组织以用于诸如对组织进行切割、凝结或消融等目的的仪器。
生物组织的凝结在手术期间主要有助于例如在手术期间已经切割组织之后使组织停止流血(止血)。组织的消融在手术期间有助于移除/破坏组织，例如肿瘤或病灶。
可用于将微波频率能量递送到生物组织中以用于这些目的的电外科仪器是已知的并且在过去已经用于外科手术。然而，发明人已经意识到，可将微波频率能量递送到组织中的现有电外科仪器无法容易地用于提供微波能量到局部化区域中的组织中的受控递送，所述受控递送在许多手术情形中将是有用的，例如在使血管凝结或消融胃肠(GI)道中的小肿瘤或病灶时。
发明概述
发明人已经意识到，需要一种电外科仪器，其可用于例如在胃肠(GI)道中以局部化方式提供微波频率能量到与所述仪器相接触的组织中的受控递送，以用于例如使所述组织凝结或消融所述组织的小区域的目的。
发明人已经意识到，实现微波频率能量到局部化区域的组织中的受控递送的有利方式将是通过抵靠组织按压同轴传输线(例如，同轴电缆)的暴露端部来从所述同轴传输线的所述暴露端部将微波频率电磁能量直接联接到所述组织。发明人已经意识到，以此方式递送到组织中的能量将局部化到所述组织的与所述同轴传输线的所述暴露端部相邻且关于所述同轴传输线的中央轴线对称的区域中。微波频率能量到组织中的这种局部化递送可产生例如这个局部化区域中的组织的受控凝结或局部化消融。
然而，发明人已经意识到，与同轴传输线的暴露端部相接触的生物组织相对于所述同轴传输线的阻抗而言对微波频率能量将存在低阻抗(例如，同轴传输线的阻抗的1/6)，并且因此所述同轴传输线与所述生物组织之间将存在显著的阻抗失配。这种阻抗失配将导致微波频率能量的显著比例在所述同轴传输线与所述组织之间的界面处反射，这将限制仪器的效率并且可能阻止足够的微波能量被递送到所述组织。
发明人已经意识到，此阻抗失配问题可通过以下方式来克服：在所述同轴传输线的所述暴露端部处提供阻抗变换器，以便将所述同轴传输线的阻抗更好地匹配到正被凝结的组织的阻抗，使得微波频率能量被有效联接/递送到所述组织而无所述能量的显著反射。
发明人已经意识到，这可在实践中通过以下方式来实现，同时仍达到从同轴传输线的暴露端部将能量直接联接到组织的优点：以联接到所述第一同轴传输线的远侧端部的另外同轴传输线的形式提供阻抗变换器，其中所述另外同轴传输线具有被配置来在所述仪器的所期望操作频率下将所述第一同轴传输线的阻抗更好地匹配到将要凝结的组织的阻抗的长度和特性阻抗。
发明人已经意识到，在这种配置下，能量可被直接联接/递送到与所述电外科仪器相接触的局部化组织区域以实现微波频率能量到所述组织的可控局部化递送，并且递送到所述组织的能量的量可通过由所述另外同轴传输线提供的更好的阻抗匹配来增加。
因此，最概括地讲，本发明涉及一种电外科仪器，其用于将具有预定操作频率的微波频率电磁能量递送到与所述仪器相接触的组织中，其中所述仪器包括第一同轴传输线，所述第一同轴传输线具有连接到其远侧端部的第二同轴传输线，所述第二同轴传输线具有被配置来在所述操作频率下将所述第一同轴传输线的阻抗更好地匹配到所述仪器与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的远侧端部处的负载阻抗的长度和特性阻抗。
根据本发明的第一方面，提供一种电外科仪器，其被配置用于将具有预定操作频率的微波频率能量递送到与所述仪器的远侧端部相接触的具有预定特性阻抗的组织中，所述仪器包括：用于传送微波频率能量的近侧同轴传输线，其包括第一内部导体、与所述第一内部导体同轴形成的第一外部导体、以及将所述第一内部导体和所述第一外部导体分开的第一介电层；用于传送微波频率能量的远侧同轴传输线，其包括连接到所述第一内部导体的第二内部导体、与所述第二内部导体同轴形成并且连接到所述第一外部导体的第二外部导体、以及将所述第二内部导体和所述第二外部导体分开的第二介电层；其中所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比是这样以使得：所述远侧同轴传输线的特性阻抗在所述近侧同轴传输线的特性阻抗与所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的远侧端部处的负载阻抗中间；并且其中所述远侧同轴传输线的长度是这样以使得：所述远侧同轴传输线是阻抗变换器，所述阻抗变换器在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与在所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗匹配。
在根据本发明的第一方面的仪器中，所述远侧同轴传输线充当阻抗变换器，所述阻抗变换器在所述预定操作频率下将所述近侧同轴传输线的所述阻抗更好地匹配到所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗。因为能量反射远离所述组织减轻，所述仪器因此可用于更有效地将电磁能量联接到所述组织中。
术语远侧同轴传输线的远侧端部处的负载阻抗意味着从所述远侧同轴传输线的所述远侧端部看(当朝向组织看时)的阻抗。
所述电外科仪器可用于通过以下方式将微波能量联接到组织中：用所述远侧同轴传输线的所述远侧端部直接接触所述组织，并且在所述预定频率下向所述近侧同轴传输线的近侧端部提供微波频率电磁能量。在这种情况下，所述同轴传输线的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗将由所述组织的所述预定特性阻抗确定。然而，所述负载阻抗将不是单独地组织中的平面波的阻抗，而替代地将是在所述远侧同轴传输线的远侧尖端存在并接触组织的情况下波在所述组织中的阻抗。这些阻抗是不同的。要匹配的精确负载阻抗可基于组织的预定特性阻力和远侧同轴传输线的特性通过模拟、计算或实验来确定。
可替代地，如以下所论述，在一些实施方案中，可提供另外远侧同轴传输线，在这种情况下，所述电外科仪器可用于通过以下方式将微波能量联接到所述组织中：用所述另外远侧同轴传输线的远侧端部直接接触所述组织，并且在所述预定频率下向所述近侧同轴传输线的近侧端部提供微波频率电磁能量。在这种情况下，所述另外远侧同轴传输线的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗将取决于所述组织的所述预定特性阻抗和所述另外远侧同轴传输线的特性(例如，所述另外远侧同轴传输线的阻抗)两者。
在任一种情况下，能量被更有效地联接/递送到所述组织的邻近与所述组织的接触点的局部化区域中的组织，使得可在这个局部化区域中实现微波频率能量到组织的受控递送。
所述仪器被优化用于将具有特定操作频率的微波频率能量递送到具有特定特性阻抗的特定类型的组织。当然，在实践中，在具有与所述特定特性阻抗类似的特性阻抗的不同类型的组织的情况下，和/或在具有与所述特定操作频率类似的频率的微波频率能量的情况下，所述仪器可在可接受的性能水平下使用。
词组“改进阻抗匹配”意味着减小所述第一同轴传输线的所述特性阻抗与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗失配。词组“改进阻抗匹配”可意味着减小所述仪器由于所述阻抗失配造成的回波损耗，即减小由于所述阻抗失配而反射远离所述组织(往回朝向发生器)的微波频率辐射的比或百分比。
词组“改进阻抗匹配”可意味着减小所述第一同轴传输线的所述特性阻抗的实数部分(成分)与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗的实数部分(成分)之间的阻抗失配。
换句话说，当提及通过远侧同轴传输线进行阻抗匹配时，正被匹配的阻抗可以是讨论中的阻抗的实数部分(成分)。因此，所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗的实数部分可在所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗的实数部分与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗的实数部分中间。再者，所述远侧同轴传输线可以是阻抗变换器，所述阻抗变换器改进所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗的所述实数部分与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗的所述实数部分之间的阻抗匹配。
贯穿本说明书，术语近侧端部用于意指最靠近微波频率电磁能量从发生器被输入到其中的仪器端部的端部。贯穿本说明书，术语远侧端部用于意指最远离微波频率能量从发生器被输入到其中的仪器端部的端部，换句话说，最靠近微波频率能量被递送到组织处的仪器端部的端部。
在实践中，组织很可能具有比近侧同轴传输线低的阻抗。因此，在实践中，远侧同轴传输线的阻抗很可能小于近侧同轴传输线的阻抗但大于组织的阻抗。例外，远侧同轴传输线的阻抗可在8欧姆与30欧姆之间(这对于一系列不同组织类型可以是适当的)，或者在8欧姆与15欧姆之间。组织也可以具有其阻抗的无功(虚数)部分(元素)，如以下更详细论述的。在一个实施方案中，远侧同轴传输线的阻抗可近似10欧姆。在8欧姆至15欧姆范围内的远侧同轴传输线的阻抗将适合所感兴趣的许多组织类型，并且高达30欧姆的阻抗将适合脂肪。
根据本发明的第一方面的电外科仪器可具有以下任选特征中的任一个，或者在它们可兼容的程度上，具有以下任选特征的任意组合。
所述第一内部导体和/或所述第二内部导体可以是实心的。换句话说，它们不是中空的。它们可以是实心圆柱体，例如实心线。
所述远侧同轴传输线的近侧端部可直接连接到所述近侧传输线的远侧端部。
所述远侧同轴传输线可关于其中央轴线对称。因此，在所述仪器的操作期间所得的与所述远侧同轴传输线相接触的组织中的功率吸收分布图也可以是关于所述远侧同轴传输线的中央轴线对称的。
所述近侧同轴传输线可关于其中央轴线对称。
所述近侧同轴传输线和所述远侧同轴传输线可被布置成使得它们的中央轴线位于同一条线上。
所述第一内部导体和/或所述第二内部导体可以是圆柱形的。所述第一内部导体和/或所述第二内部导体可包括单一金属，或者可包括多于一种金属，例如镀有铜和/或银的钢线。
所述第一外部导体和/或所述第二外部导体可以是管状的。所述第一外部导体和/或所述第二外部导体可由金属丝编织物形成。所述金属丝编织物可由镀有锡的铜线形成。
所述远侧同轴传输线的长度可基本上等于(2n+1)λ/4，其中λ是具有所述预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的波长，并且n是大于或等于0的整数。
因此，所述远侧同轴传输线可充当四分之一波长阻抗变换器，所述阻抗变换器将所述近侧同轴传输线的所述阻抗更好地匹配到所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗。
其中所述远侧同轴传输线的所述长度基本上等于(2n+1)λ/4，所述远侧同轴传输线的优选长度是λ/4，因为更长的长度将增大功率损耗。然而，在更长的长度下可达到可接受的性能。实质上，可在达到所述远侧同轴传输线的实际(有用)长度与达到所述远侧同轴传输线中的可接受功率损耗之间取得平衡。
为(2n+1)λ/4的所述远侧同轴传输线的长度可在所述预定操作频率下提供所述近侧同轴传输线与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的最佳阻抗匹配。然而，在并不精确地等于(2n+1)λ/4的长度(例如，大于或小于(2n+1)λ/4高达10％的长度，或者大于或小于(2n+1)λ/4高达20％的长度)下，可达到可接受(非最佳)阻抗匹配性能。在更大或更小的长度下，被反射并且因此为被递送到所述组织中的微波频率能量的比例将更大，所以所述电外科仪器的效率将更小。然而，仍可达到可接受(次最佳)效率。
再者，所述远侧同轴传输线的几何结构或所述组织负载的其他方面可对所述远侧同轴传输线对于阻抗匹配来说最佳的长度有影响。例如，端部效应诸如所述远侧同轴传输线的突然结束、组织负载的特性、以及所述远侧同轴传输线的所述内部导体和所述外部导体的直径上的步进变化可具有与集总部件(诸如，电感器或电容器)等效的效应，并且因此可引入小的相变，所述相变具有与减短或延长传输线类似的效应。这些影响可在实践中通过相对于为(2n+1)λ/4的长度对所述远侧同轴传输线的长度进行小的改变而得以有效地消除。因此，在实践中，所述远侧同轴传输线对于阻抗匹配来说最佳的长度可并不精确地等于(2n+1)λ/4。所述远侧同轴传输线对于特定配置来说最佳的长度可通过计算、模拟或实验确定。
如以上所提及，用于确定所述远侧同轴传输线的所述最佳长度的相关λ是所述微波频率辐射在所述远侧同轴传输线中的波长。为了使所述长度等于(2n+1)λ/4的所述第二同轴传输线的必要长度至少部分地取决于所述远侧同轴传输线的几何结构。例如，如果所述远侧同轴传输线具有圆锥形形状(如在以下所描述的示例性实施方案中的一个中)，则波长随着与圆锥形形状的尖端的距离而改变。此变化可使用贝塞耳函数来按数学方式描述。靠近所述圆锥形形状的尖端，波长比与尖端相距数个波长时的情况显著更长。如果不考虑此变化，所述圆锥形形状的两点之间的计算波长数可偏差了波长的显著部分。这这种圆锥形形状的情况下，等于为(2n+1)λ/4的长度的远侧同轴传输线的长度大于远侧同轴传输线的统一圆柱形形状的情况下的等效长度。
所述电外科仪器用于使组织凝结。术语使组织凝结可意味着使所述组织内的血液凝结，例如，使所述组织内的血管或管腔内的血液凝结。所述组织的凝结是借由将微波能量递送到所述组织中以加热所述组织来实现。
可替代地，所述电外科仪器可用于其他目的，例如，所述电外科仪器可用于使组织消融。因此，所述电外科仪器可被配置用于将微波频率能量递送到与远侧同轴传输线的远侧端部相接触的局部化组织区域中，以便通过加热所述组织来使所述组织消融(破坏或移除所述组织)。这可以是有用的，例如，在移除生物组织的表面的小肿瘤或病灶时。
第二外部导体的内径与第二内部导体的外径之比可以是这样以使得：所述远侧同轴传输线的特性阻抗基本上等于其中Zin所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗，并且ZL所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的负载阻抗。例如，在所述远侧同轴传输线的所述远侧端部用于直接接触所述组织的情况下，ZL是基于所述组织的所述预定特性阻抗(确切地，它是在所述远侧同轴传输线的远侧尖端存在并接触所述组织的情况下波在所述组织中的阻抗)。
当所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗等于时，所述近侧同轴传输线的阻抗可精确地匹配到所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗(假设所述远侧同轴传输线的最佳长度)，并且最大量的微波频率能量可被递送到所述组织。所述比的这个值因此是特别有利的值。当然，在与此值不同的远侧同轴传输线的阻抗的情况下，所述仪器的可接受性能是可达到的。例如，在高于或低于最佳值高达10％或者高于或低于最佳值高达20％的的远侧同轴传输线的阻抗下，可达到所述电外科仪器的可接受(非最佳)性能。
所述第二内部导体、所述第二外部导体和所述第二介电层在所述远侧同轴传输线的远侧端部面处可以是暴露的，以用于接触所述组织。因此，通过用所述远侧同轴传输线的所述暴露端部面接触所述组织，可将微波能量联接/递送到所述组织。如以上所提及，在这种情况下，所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗是基于所述组织的所述预定特性阻抗(确切地，所述负载阻抗是在所述远侧同轴传输线的所述远侧尖端存在并且接触所述组织的情况下波在所述组织中的阻抗)。
所述远侧同轴传输线的所述暴露端部面可基本上垂直于所述远侧同轴传输线的中央轴线。
所述远侧同轴传输线的所述暴露端部面可以是基本上平坦的。
所述电外科仪器可包括另外远侧同轴传输线，其包括连接到所述第二内部导体的第三内部导体、与所述第三内部导体同轴形成并且连接到所述第二外部导体的第三外部导体、以及将所述第三内部导体和所述第三外部导体分开的第三介电层。
所述第三内部导体、所述第三外部导体和所述第三介电层(later)在所述另外远侧同轴传输线的远侧端部面处可以是暴露的，以用于接触所述组织。因此，通过用所述远侧同轴传输线的所述暴露端部面接触所述组织，可将微波频率能量联接/递送到所述组织。如以上所提及，在这种情况下，所述另外远侧同轴传输线的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗取决于所述组织的所述预定特性阻抗和所述另外远侧同轴传输线的特性(包括所述另外远侧同轴传输线的阻抗)两者。
所述另外远侧同轴传输线可以是一定长度的同轴电缆。所述另外远侧同轴传输线可包括与所述近侧同轴传输线相同类型的同轴电缆。
所述另外远侧同轴传输线的横截面可与所述近侧同轴传输线的横截面相同。例如，所述第一内部导体和所述第三内部导体的直径可与所述第一外部导体和所述第三外部导体的直径相同。
所述另外远侧同轴传输线可由与所述近侧同轴传输线相同的材料制成。
所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗可与所述近侧同轴传输线的特性阻抗相同。例如，所述近侧同轴传输线和所述另外远侧同轴传输线都可具有50欧姆的阻抗。
所述另外远侧同轴传输线的长度可以是这样以使得：所述另外远侧同轴传输线在所述预定操作频率下基本上消除所述组织的所述预定特性阻抗的无功部分。因此，所述另外远侧同轴传输线消除所述预定特性阻抗的所述无功部分，并且所述远侧同轴传输线然后使随后的纯实数阻抗和所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗的实数部分相匹配(或改进两者之间的匹配)。因此，通过所述远侧同轴传输线和所述另外远侧同轴传输线的组合而考虑到阻抗的实数部分和无功部分两者。
如以上所提及，匹配到所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗的所述实数部分的所述随后的纯实数阻抗取决于所述组织的所述预定特性阻抗和所述另外远侧同轴传输线的特性(包括所述另外远侧同轴传输线的阻抗)两者。
所述另外远侧同轴传输线的适当长度可基于所期望实现方式的参数通过计算来确定，所述参数例如组织负载的特性和微波辐射的特性。所述适当长度还可通过计算机模拟/建模或实验来确定。
所述另外远侧同轴传输线可以是刚性的。换句话说，所述另外远侧同轴传输线可以是非柔性的。这在所述电外科仪器的操作期间有帮助，因为所述另外远侧同轴传输线形成刚性仪器尖端，所述刚性仪器尖端可抵靠组织按压而所述仪器尖端不在压力下变形。
所述电外科仪器可包括开路或短路短线，其并联连接到所述另外远侧同轴传输线。所述短线可连接到所述远侧同轴传输线的所述远侧端部。所述短线的特性(例如，其长度和特性阻抗)可被选择以消除所述组织的所述预定特性阻抗的所述无功部分。就斯密斯圆图而言，所述另外远侧同轴传输线可被认为是将所述阻抗的所述无功部分移动到恒定导纳圆上，并且连接到所述远侧同轴传输线的所述开路或短路短线清除或消除在所述远侧同轴传输线的所述近侧端部处所见的无功阻抗(+/-jB)。
所述短线的特性阻抗可与所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗相同。可替代地，所述短线的特性阻抗可不与所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗相同。
所述电外科仪器可包括并联连接到所述另外远侧同轴传输线的多根所述开路或短路短线。
所述远侧同轴传输线可以是刚性的。换句话说，所述远侧同轴传输线可以是非柔性的。这在所述电外科仪器的操作期间有帮助，因为所述远侧同轴传输线形成刚性仪器尖端，所述刚性仪器尖端可抵靠将要凝结的组织按压而所述仪器尖端不在压力下变形。
所述预定操作频率可以是5.8GHz。
换句话说，所述远侧同轴传输线的长度可以是这样以使得：所述远侧同轴传输线是阻抗变换器，所述阻抗变换器在5.8GHz的预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗匹配。例如，所述远侧同轴传输线的所述长度可基本上等于(2n+1)λ/4，其中λ是具有5.8GHz的预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的波长。
5.8GHz是适合于实现微波频率能量到局部化区域中的组织中的可控制递送以例如实现所述组织的凝结的频率。
所述第二内部导体的所述外径与所述第二外部导体的所述内径之间的间距可小于所述第一内部导体的外径与所述第一外部导体的内径之间的间距。换句话说，所述第二介电层的厚度可小于所述第一介电层的厚度。减小所述远侧同轴传输线中所述内部导体与所述外部导体之间的间距的优点在于：可使所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗变小。
然而，在替代性实施方案中，所述第二内部导体的所述外径与所述第二外径的所述内径之间的间距可以替代地大于所述第一内部导体的所述外径与所述第一外部导体的所述内径之间的间距，特别是在于所述第二介电层中使用高介电常数材料(诸如，二氧化钛)的情况下。
所述第二内部导体的所述外径可大于所述第一内部导体的所述外径。换句话说，所述第二内部导体可宽于所述第一内部导体。可替代地，所述第二内部导体的所述外径可小于所述第一内部导体的所述外径。换句话说，所述第二内部导体可窄于所述第一内部导体。
所述第二外部导体的所述外径可大于所述第一外部导体的所述外径。换句话说，所述第二外部导体可宽于所述第一外部导体。可替代地，所述第二外部导体的所述外径可小于所述第一外部导体的所述外径。换句话说，所述第二外部导体可窄于所述第一外部导体。
在所述第一内部导体与所述第二内部导体之间或在所述第一外部导体与所述第二外部导体之间在直径上存在差异的情况下，可对所述远侧同轴传输线的所述长度进行小的调整以补偿直径上的一个或多个步进的影响。所述调整的适当大小可按试验方式或通过模拟来计算、查找或确定。
在所述第一内部导体与所述第二内部导体之间以及所述第一外部导体与所述第二外部导体之间在直径上存在差异的情况下，所述内部导体之间在直径上的步进的轴向位置可不同于所述外部导体之间在直径上的步进的轴向位置，以便补偿直径上的步进的影响。
所述远侧同轴传输线与所述近侧同轴传输线相比可具有更大的外直径。换句话说，所述远侧同轴传输线可宽于所述近侧同轴传输线。
所述第二介电层可由与所述第一介电层不同的电介质制成。所述第二介电层与所述第一介电层相比可具有更高的相对电容率。例如，所述第二介电层可由玻璃陶瓷介质(诸如MACOR)制成。所述第一介电材料可以是PTFE。在相同厚度的所述第二介电层的情况下，在所述第二介电层中使用具有更高相对电容率的电介质导致所述第二介电层的更低阻抗。
所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗可以是50欧姆。
所述近侧同轴传输线可以是同轴电缆。例如，所述同轴电缆可以是Sucoform 86同轴电缆或Sucoform 47同轴电缆。
所述远侧同轴传输线可以是同轴电缆。
所述远侧同轴传输线可从其较宽近侧端部向其较窄远侧端部渐缩。换句话说，所述远侧同轴传输线从其近侧端部其向其远侧端部线性变窄，使得所述远侧端部窄于所述近侧端部。这可导致所述远侧同轴传输线具有截头锥体形状。所述远侧同轴传输线的所述远侧端部可具有是所述近侧端部的直径的一半的直径。所述远侧同轴传输线的这种配置导致微波能量被递送到所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述组织的更小区域中。将微波频率能量递送到组织中的这种另外的局部化在一些外科手术中可特别有用，例如，在尝试使小血管凝结时，或者在尝试消融小的表面肿瘤或病灶时。
在替代性实施方案中，所述远侧同轴传输线可以替代地从其较宽远侧端部向其较窄近侧端部渐缩。换句话说，所述远侧同轴传输线的渐缩可在与刚刚在上面所描述相反的方向上。
当然，所述远侧同轴传输线的其他形状也是可能的。
在所述远侧同轴传输线渐缩的情况下，所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比可沿着所述远侧同轴传输线基本上恒定，使得其阻抗沿着其长度基本上一致。
所述仪器可被配置用于将具有所述预定操作频率的微波频率能量递送到具有在45至180欧姆范围内或在45至60欧姆范围内的预定特性阻抗的组织中。例如，许多感兴趣的组织可具有在近似45至60欧姆之间的阻抗。指甲可具有近似120欧姆的阻抗，并且脂肪和骨头可具有近似180欧姆的阻抗。如以上所提及，所述组织还可对其阻抗具有无功(虚数)成分。
所述电外科仪器可包括多根所述远侧同轴传输线，以用于在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述组织之间的所述阻抗匹配。换句话说，存在串联连接的多根所述远侧同轴传输线，其中每一根被配置(就内径和外径之比以及长度而言)来在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述组织之间的阻抗匹配。这种布置在所述近侧同轴传输线的特性阻抗显著不同于所述组织的阻抗时可特别有益，因为可通过所述多根远侧同轴传输线增量地/逐渐地执行阻抗匹配
根据本发明的第二方面，可提供一种电外科系统，其包括：
根据本发明的第一方面的电外科仪器，其优选地具有以上所描述的任选特征中的一个或多个；以及
电外科发生器，其连接到所述近侧同轴传输线的近侧端部；
其中所述电外科发生器被配置来向所述近侧同轴传输线供应具有所述预定操作频率的微波频率电磁能量。
例如，控制器可被预设或编程来向所述近侧同轴传输线供应具有所述预定操作频率的微波频率能量。
所述电外科系统可用于使组织凝结，或用于消融组织。
所述电外科系统可包括用于所述电外科发生器的控制器；并且所述控制器可被配置来控制由所述发生器供应的所述微波频率能量的功率和/或持续时间，以将递送到所述组织的微波频率能量的量限制到低于预定量。
例如，所述控制器可被配置来控制所述微波频率能量的功率和/或持续时间以保持递送到所述组织的微波频率能量的量低于一个量(已知在所述量下，所述组织的穿孔或某种其他所不想要的效应开始出现)，或者低于是比这个量低的安全边际的量。因此，所述控制器可操作来防止所述发生器供应比这多的能量，例如，通过在达到所述限制时使所述发生器停止供应微波能量。
穿孔或某种其他所不想要的微波频率能量效应开始出现时的微波频率能量的量可以是例如根据计算或试验事先已知的。所述控制器因此可事先用将要使用所述仪器治疗的组织的类型以及所需要的治疗的类型(例如，凝结或消融)的相关信息来编程。例如，所述控制器可用可向所述组织供应的微波能量的上限的特定值来编程。可替代地，所述控制器可用可由所述发生器针对所述组织供应的功率和持续时间的特性组合来编程。
因此，可以使用所述仪器而有把握将不出现组织的穿孔或某种其他所不想要的效应，这是临床环境中的重要考虑因素。
所述电外科系统可包括用于感测指示递送到所述组织的所述微波频率能量的量的信息的传感器。例如，所述传感器可感测正在朝向所述组织传输的所述微波频率能量的幅值以及正从所述组织反射回的微波频率能量的幅值，并且可使用此信息来确定正被递送到所述组织的能量的量。当然，替代由单个传感器执行，这种功能性可由多个传感器执行。
所述控制器可被配置来控制所述发生器以提供15W的功率持续多达四秒的时段。发明人已经意识到，这导致足够的能量被递送到所述组织以实现所述组织的凝结，同时安全地避免了所述组织的穿孔或其他所不想要的效应。
根据本发明的第三方面，可提供一种制造根据本发明的第一方面的电外科仪器的方法，所述电外科仪器任选地具有以上所描述的任选特征中的一个或多个，所述方法包括：
确定所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗在所述近侧同轴传输线的特性阻抗与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗中间；
将所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比设定为所确定比；
确定所述远侧同轴传输线的长度，所述长度导致所述远侧同轴传输线是阻抗变换器，所述阻抗变换器改进所述近侧同轴传输线与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗匹配；以及
将所述远侧同轴传输线的所述长度设定为所确定长度。
根据本发明的第三方面的方法可用于制造被优化以用于在特定操作频率下使特定类型的组织凝结的电外科仪器。
根据所述方法，确定对于在所述指定操作频率下更好地阻抗匹配到所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述指定负载阻抗所必须的所述远侧同轴传输线的所述内部导体和所述外部导体的直径之比以及所述远侧同轴传输线的长度。然后制造出具有所述远侧同轴传输线的计算特性的电外科仪器。所得电外科仪器被优化用于在所述指定操作频率下使具有所述指定特性阻抗的所述指定组织凝结。
根据本发明的第三方面的方法可具有以下任选特征中的任一个，或者在它们可兼容的程度上，具有以下任选特征中的多于一个。
所述方法可包括：确定具有所述预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的波长λ；以及基于所确定波长λ，将所述远侧同轴传输线的所述长度设定为基本上等于(2n+1)λ/4，其中n是大于或等于0的整数。如以上所论述，就实现所述近侧同轴传输线与所述组织之间的最佳阻抗匹配而言，这可以是(近似)所述远侧同轴传输线的最佳长度。
所述方法可包括：确定所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗基本上等于其中Zin是所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗，并且ZL是所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗；如以上所论述，所述远侧同轴传输线的这个阻抗可提供最佳阻抗匹配。
确定所述波长和/或确定所述比可包括计算所述波长和/或所述比。可替代地，确定所述波长和/或确定所述比可包括在表格、数据库或其他程序或文件中找出/查找相关信息。
所述方法可包括：计算以及计算所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的特性阻抗等于所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗可计算、测量或在例如表格、数据库或数据表中查找。所述目标组织的所述特性阻抗可类似地计算、测量或在例如表格、数据库或数据表中查找。
根所述方法可包括：基于所述第二介电层的所述相对电容率，计算具有所述预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的所述波长。因此，可基于知道所述第二介电层中的所述介电材料的所述相对电容率以及已知物理常数来计算所述波长。
在所述电外科仪器包括所述另外远侧同轴传输线的情况下，所述方法可包括：确定所述另外远侧同轴传输线的长度，所述长度导致消除所述组织的所述预定特性阻抗的所述无功部分；以及将所述另外远侧同轴传输线的所述长度设定为基本上等于所确定长度。
以上所提及的任一方面中的第一介电材料、第二介电材料或第三介电材料中的任一者可以是气体(诸如，空气)或固体或液体。
附图简述
现将仅借助实例并且参照附图来论述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的一个实施方案的电外科仪器的计算机模拟；
图2是图1所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图；
图3示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的一个实施方案的电外科仪器的另外计算机模拟，其中仪器与肝组织表面的法向呈一定角度；
图4是图3所示的另外计算机模拟的在仪器的三个不同角度的情况下S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图；
图5示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的计算机模拟；
图6是图5所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图；
图7示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的计算机模拟，其中第一同轴传输线和第二同轴传输线比在图1的实施方案中窄；
图8是图7所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图；
图9示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的计算机模拟，其中第二同轴传输线比在图1的实施方案中窄；
图10是图9所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图；
图11是根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的示意性图解。
详述；其他选项和优选项
如以上所论述，发明人已经意识到，实现微波频率辐射到局部化区域中的组织中的受控递送的有利方式将是通过抵靠组织按压同轴传输线(例如，同轴电缆)的暴露端部来从所述同轴传输线的所述暴露端部将微波频率能量直接联接到所述组织。
然而，发明人已经意识到，与同轴传输线的暴露端部相接触的生物组织相对于所述同轴传输线的阻抗而言对微波频率能量将存在低阻抗，并且因此所述同轴传输线与所述生物组织之间将存在显著的阻抗失配。
发明人已经意识到，此问题可通过以下方式来克服：在所述同轴传输线的所述暴露端部处提供阻抗变换器，以便将所述同轴传输线的阻抗更好地匹配到所述组织的阻抗，使得微波频率能量被更有效地联接/递送到所述组织而具有所述能量的较不显著的反射。
发明人已经意识到，这可在实践中通过以下方式来实现，同时仍达到从同轴传输线的暴露端部将能量直接联接到组织的优点：以联接到所述第一同轴传输线的远侧端部的另外同轴传输线的形式提供阻抗变换器，其中所述另外同轴传输线具有被配置来在将所述第一同轴传输线的阻抗更好地匹配到所述另外同轴传输线的远侧端部处的负载阻抗的长度和特性阻抗。
因此，在图1所示的本发明的第一实施方案中，提供了电外科仪器1，所述电外科仪器1包括第一(近侧)同轴传输线3，其用于将微波频率能量从其近侧(后侧)端部传送到其远侧(前侧)端部。再者，提供了第二(远侧)同轴传输线5，其用于将微波频率能量从其近侧(后侧)端部传送到其远侧(前侧)端部。第二同轴传输线5在其近侧端部处连接到第一同轴传输线3的远侧端部，使得微波频率能量可从第一同轴传输线3直接传送到第二同轴传输线5。
第一同轴传输线3和第二同轴传输线5都关于其相应中央轴线对称。再者，第一同轴传输线3和第二同轴传输线5与彼此端对端地对准，使得它们的中央轴线位于同一条线上。
第一同轴传输线3包括圆柱形第一内部导体7、管状第一外部导体9以及将第一内部导体7和第一外部导体9分开的管状第一介电层11。第一介电层11直接设置在第一内部导体7的外表面上，并且第一外部导体9直接设置在第一介电层11的外表面上。
在这个实施方案中，第一同轴传输线是50欧姆的Sucoform 86同轴电缆。第一内部导体7具有0.53mm的直径，第一外部导体9具有1.65mm的内径(并且因此第一介电层11具有1.65mm的外径)，并且第一外部导体9具有2.1mm的外径。当然，在其他实施方案中，替代地可使用具有不同尺寸和特性的不同类型的同轴电缆，或者不同类型的同轴传输线。
在这个实施方案中，第一介电层11由具有为2.1的相对电容率的PTFE制成。当然，在其他实施方案中，可使用不同的介电材料。
在这个实施方案中，第一内部导体7是金属线。确切地，第一内部导体7是镀有铜和银的钢线。第一外部导体9是金属编织物。确切地，第一外部导体9是由镀有锡的铜线形成的编织物。当然，在其他实施方案中，可针对第一内部导体7和第一外部导体9使用不同的材料。
第一同轴传输线3的长度对于以下所描述的仪器1的操作不是关键的，并且可基于仪器1将要在其中使用的特定环境来选择。
第二同轴传输线5包括圆柱形第二内部导体13、管状第二外部导体15以及将第二内部导体13和第二外部导体15分开的管状第二介电层17。第二介电层17直接设置在第二内部导体13的外表面上，并且第二外部导体15直接设置在第二介电层17的外部表面上。
在这个实施方案中，第二内部导体13具有1.2mm的直径，这意味着第二内部导体13比第一内部导体7窄，并且第二外部导体15具有1.8mm的内径(并且第二介电层17因此具有1.8mm的外径)。第二外部导体15的外径比第一外部导体9的外径宽。当然，在其他实施方案中，第二内部导体13和第二外部导体15可具有不同尺寸。在这个实施方案中，第二外部导体15的外径是2.5mm。
在这个实施方案中，第二介电层17是玻璃陶瓷介质。确切地，第二介电层17是并且具有为5.67的相对电容率(其值可以是频率相关的，并且因此取决于电外科仪器正在其下被使用的特定微波辐射频率)。当然，在其他实施方案中，替代地可使用不同的介电材料。
第二内部导体13可包括不锈钢实心圆柱体。第二内部导体13的外部表面可涂布、例如镀有银。当然，可针对第二内部导体13使用其他材料。
第二外部导体15可包括不锈钢中空管。第二内部导体15的内部表面可涂布、例如镀有银。当然，可针对第二外部导体15使用其他材料。
第二内部导体13连接到第一内部导体7的远侧端部，使得它们的中央轴线对准。第二外部导体15也连接到第一外部导体9的远侧端部，使得它们的中央轴线对准。因此，微波频率能量从第一同轴传输线3传送到第二同轴传输线5。第一同轴传输线3和第二同轴传输线5因此可具有重合的中央轴线。
在这个实施方案中，第二介电层比第一介电层薄。
第二内部导体13、第二外部导体13和第二介电层17在第二同轴传输线5的平面式远侧端部面处是暴露的。第二同轴传输线5的平面式远侧端部面可抵靠组织被按压，以便将微波频率能量递送到组织中，如以下进一步描述。
图1所示的电外科仪器1可被配置来使用具有特定频率的微波能量使具有特定阻抗的组织凝结。这通过以下方式来实现：配置第二同轴传输线5的长度以及第二外部导体15的内径与第二内部导体13的直径之比，使得第二同轴传输线5用作在特定频率下将第一同轴传输线3的特性阻抗更好地匹配到组织的特性阻抗的阻抗变换器。
阻抗变换器的理论是本技术领域中众所周知的且理解的，并且因此这里不重复详细描述。
优选地，第二同轴传输线5被配置来将第一同轴传输线3的阻抗精确地匹配到组织的阻抗，使得最大量的微波能量被递送到组织。当然，在不精确地匹配阻抗的情况下，可达到电外科仪器1的可接受性能，因为微小的阻抗失配(例如，高达10％，或高达20％)可导致仅微小量的微波能量反射远离组织。
对于第二同轴传输线5用作在预定操作频率下将第一同轴传输线3的特性阻抗更好地匹配到肝组织的特性阻抗的阻抗变换器存在两个要求。第一，第二同轴传输线5的长度必须是这样以使得：第二同轴传输线5是在预定操作频率下改进第一同轴传输线3与组织之间的阻抗匹配的阻抗变换器。例如，第二同轴传输线可具有基本上等于(2n+1)λ/4的长度。第二，第二同轴传输线5的阻抗必须在第一同轴传输线3的阻抗与正在凝结的组织的阻抗中间。为了获得最佳阻抗匹配，第二同轴传输线5的阻抗必须基本上等于其中Zin是第一同轴传输线3的特性阻抗并且ZL是组织的预定特性阻抗。
在第二介电层17的介电材料中，微波频率能量以速度v行进，其中：
其中c是光速，μr是介电材料的相对磁导率，并且εr是介电材料的相对电容率(介电常数)。
假设介电材料是非磁性的并且因此具有为1的相对磁导率，微波频率能量在第二介电层17中以以下速度行进：
微波频率能量在第二介电层17中的波长λ因此由以下等式给出：
其中f是微波频率能量的频率。
因此，使用等式(3)，可基于可通过实验查出、计算出或求出的介电材料的相对电容率(介电常数)来确定具有所期望操作频率的微波能量在第二同轴传输线5中的波长。然后可容易地确定等于(2n+1)λ/4的第二同轴传输线5的长度，并且可将电外科仪器1中的第二同轴传输线5的长度设定成基本上等于所计算长度。
可替代地，如以上所论述，第二同轴传输线5的最佳长度可与此不同，因为它也可受第二同轴传输线5的特定几何形状影响。因此，可能地除了使用如以上所描述地计算的在第二同轴传输线5中的波长之外，可基于第二同轴传输线5的几何形状来计算最佳长度。可替代地，可基于模拟或实验来确定最佳长度。最佳长度是使回波损耗最小化、即使反射的微波频率能量的量或比例最小化(这对应于使第一同轴传输线3与组织之间的阻抗匹配最大化)的长度。当然，第二同轴传输线的实际长度不必是精确的最佳长度,，因为其他类似长度也可给出可接受(非最佳)的性能。
同轴电缆的阻抗由等式(4)给出。
其中μr是介电材料的相对磁导率，εr是介电材料的相对电容率(介电常数)，D是外部导体的内径，并且d是内部导体的外径。假设介电材料是非磁性的并且因此具有为1的相对磁导率，同轴传输线的阻抗由等式(5)给出。
根据等式(5)，在具有特定相对电容率的特定介电材料的情况下，同轴电缆的阻抗仅通过外部导体的内径与内部导体的外径之比来确定。因此，使用等式(5)，可计算提供具有特定阻抗的同轴电缆所必须的外部导体的内径与内部导体的外径之比。
因此，等式(5)可用于计算导致第二同轴传输线5的特性阻抗在第一同轴传输线3与组织的特性阻抗之间的第二外部导体15的内径与第二内部导体13的外径之比，并且可将电外科仪器中的所述比设定成计算值。
优选地，计算出导致第二同轴传输线5的特性阻抗基本上等于的比，其中Zin是第一同轴传输线的特性阻抗并且ZL是组织的预定特性阻抗，因为这提供了第一同轴传输线与组织之间的精确阻抗匹配，并且因此使递送到组织的微波能量的量最大化。
第二内部导体和第二外部导体的适当的特定直径可基于数个变量来确定，所述变量包括第一同轴传输线1中的对应直径、微波频率能量正被递送到的组织的几何结构、以及微波频率能量的频率。
在图1所展示的计算机模拟中，电外科仪器1被配置用于使用具有5.8GHz的特性频率的微波频率能量来使肝组织凝结。当然，在其他实施方案中，所期望操作频率可以是不同的，和/或将要凝结的所期望组织(以及对应特性阻抗)可以是不同的，和/或所述仪器可用于实现不同于凝结的效应，诸如消融。
在此计算机模拟中，为简单起见，将50欧姆的Sucoform 86电缆建模为10mm长。
使用CST微波工作室来在中心频率为5.8GHz的3.3GHz至8.3GHz的带宽上执行模拟。将肝负载建模为直接抵靠远侧同轴传输线的开路端部放置。将肝负载的阻抗建模为58+j10.6欧姆。与第二同轴传输线5中的MACOR电介质为5.67的介电常数相比，这对应于将肝负载建模为具有近似38的介电常数。
最后，针对具有2.5mm的外径的第二同轴传输线5选择1mm的第二内部导体13直径和1.65mm的第二介电层17外径。使用这些参数，通过执行各种模拟发现：用于使递送到肝组织的微波能量的量最大化的第二同轴传输线5的理想长度靠近9mm。
在将第二同轴传输线5的长度设定为9mm的情况下，第二内部导体13和第二介电层17的外径改变，并且发现：在合理带宽内，在5.8GHz的操作频率下，1.2mm的第二内部导体13外径和1.8mm的第二介电层17外径给出到肝组织的良好匹配。
在模拟中检查电外科仪器的性能，以确定组织中的吸收分布图以及所不想要的方向上的辐射水平，并且发现性能是可接受的。
图1示出根据本发明的一个实施方案的电外科仪器1的计算机模拟，所述电外科仪器1正用于使与仪器1的远侧端部相接触的肝组织凝结。第二同轴传输线5的长度和直径参数被设定成以上所确定的最佳参数。
在图1中可见：模拟中的肝组织21中的功率吸收分布图19局部化到肝组织21与远侧同轴传输线5的远侧端部直接相接触的区域中，并且是关于第一同轴传输线和第二同轴传输线的共享中央轴线圆形对称的。
这个结果证明：通过本发明，可以实现功率到与电外科仪器相接触的组织中的受控的局部化递送，以便在那个组织区域中引起受控的局部化凝结。
图2是图1所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图。如本技术领域中众所周知的，S参数是由于阻抗失配造成的微波能量的回波损耗，并且因此，S参数指示阻抗失配的程度。S参数由等式(6)限定。
PI＝SPR (6)
其中PI是仪器中朝向组织传出的功率，PR是反射远离组织的功率，并且S是S参数。
如图2所示，在模拟结果中，在5.8GHz的所期望操作频率的情况下，存在非常良好的阻抗匹配，这意味着在模拟中，在这个微波能量频率下，非常少的微波能量被反射远离肝组织。这证明：如以上所论述地配置电外科仪器的远侧同轴传输线的长度和直径参数可使由电外科仪器递送到与远侧同轴传输线的远侧端部相接触的所期望局部化组织区域中的微波能量的量最大化。
虽然这种良好匹配在实践中可能难以达到，但是这些结果还说明：阻抗的可接受匹配对于具有不同(但类似)相对电容率的一系列不同组织可以是可达到的。例如，在与肝组织相比具有稍高或稍低阻抗的不同类型的组织的情况下，可达到-15dB的稍差但仍可接受的S参数。
执行另外的模拟以确定使仪器倾斜从而使得仅远侧同轴传输线的远侧端部的拐角与组织相接触的效应。发现：对于远侧同轴传输线的远侧端部与组织表面之间的大于1度的角度，匹配不良。图3中示出5度倾斜的情况下的模拟吸收分布图，并且图4中示出1度、2度和5度倾斜的情况下的S参数(回波损耗)。
如图3所示，当电外科仪器倾斜以使得仅电外科仪器的部分接触组织时，微波功率被递送到进行接触的甚至更小的局部化组织区域中。如图3所示，功率递送分布图22与图1中的功率递送分布图19相比更小且更加局部化。
对于5度倾斜，与输入功率相比，辐射(即离开电外科仪器但未进入预期组织)的功率是-23.18dB，即约0.5％。回波损耗是-0.84dB，即，离开电外科仪器的所应用端部的功率的仅约17.5％，并且此功率的约97％被吸收到预期组织中。
如图4所示，增大仪器的中央轴线与组织表面的法向之间的角度/倾斜的量显著地增大回波损耗，这意味着微波功率的更多部分被反射并且微波功率的更少部分被递送到组织。因此在这些更高的倾斜角度下，电外科仪器将不太有效，但是微波能量将局部化到更小区域中。
图5示出根据本发明的第二实施方案的电外科仪器23的计算机模拟结果。根据第二实施方案的电外科仪器23与根据第一实施方案的电外科仪器1不同，因为在第二实施方案中，第二同轴传输线25从较宽近侧端部27向较窄远侧端部29渐缩。在这个实施方案中，远侧端部29具有近侧端部27的直径的近似一半。
确切地，在这个实施方案中，在第二同轴传输线的远侧端部29，第二内部导体的直径是0.6mm，第二介电层的直径是0.9mm，并且第二外部导体的外径是1.25mm。
在这个实施方案中，外部导体的内径与内部导体的外径之比沿着远侧同轴传输线的长度保持恒定，使得远侧同轴传输线的阻抗沿着其长度恒定。再者，远侧同轴传输线的与组织相接触的暴露远侧端部的比例与在图1的实施方案中相同。
如图5所示，第二同轴传输线25以此方式渐缩的优点在于：微波能量被递送到组织在第二同轴传输线25的远侧端部处的更小区域。这可通过将图1中的功率吸收分布图19与图5中的功率吸收分布图31进行比较看出。因此，在第二实施方案中，微波能量递送更加局部化。这可以是特别有用的，例如在期望将能量递送集中到特定区域或类型的组织中(例如，集中到血管或管腔中)时。
图6是图5所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图。在这个模拟中，第二同轴传输线25的长度是从第一实施方案的9mm延长到10mm，使得在5.8GHz的所期望操作频率下获得最低回波损耗。第二同轴传输线的长度变化是必须的，因为在第二同轴传输线的这种渐缩几何结构的情况下，微波频率能量的波长是更长的(这是其中第二同轴传输线的最佳长度不是λ/4的奇倍数的实例。
从图6可明白：回波损耗与在图1所展示的实施方案的情况下相比更加显著(比较图6和图2)。这可能是因为第二同轴传输线的几何结构(例如，长度以及直径之比)不是针对肝负载组织完全优化的。因此，在第二同轴传输线的这种几何结构的情况下，通过进一步优化第二同轴传输线的几何结构，可以达到更低的回波损耗。
然而，在这种回波损耗的情况下，仪器25的性能仍然是良好的，所以仪器25可成功地用于使组织凝结，并且如以上所论述的，这个实施方案具有将功率递送到更小体积的组织的优点。
这个实施方案中的第二同轴传输线25的渐缩性质的另外优点在于：与第一实施方案的情况相比，可以将同轴传输线25的远侧端部进一步按压到组织中，因为在这个实施方案中，远侧尖端是更窄的。
第二实施方案的其他特征与在第一实施方案中相同，并且为简明性，这里不重复其描述。
微波频率能量到组织的更局部化区域中的递送还可通过维持图1所示的第二同轴传输线的圆柱形形状但使用更窄同轴传输线来实现。这类似地产生第二同轴传输线的用于将微波频率能量递送到更局部化组织区域中的更窄远侧端部。
图7示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的计算机模拟，其中第一同轴传输线和第二同轴传输线比在图1的实施方案中窄。除了第一同轴传输线和第二同轴传输线的尺寸之外，图7所示的仪器的配置类似于图1所示的配置。这里将论述与图1所示的实施方案的不同之处。
在图7的实施方案中，第一同轴传输线是Sucoform 47同轴电缆。Sucoform 47同轴电缆包括与以上所论述的Sucoform 86同轴电缆相同的材料，但包括不同尺寸。确切地，在Sucoform 47电缆中，内部导体具有0.31mm的外径，PTFE介电层具有0.94mm的外径，并且外部导体具有1.20mm的外径。Sucoform 47电缆具有50欧姆的特性阻抗。
使用Sucoform 47作为第一同轴传输线相对于更宽Sucoform 86电缆的潜在缺点在于：Sucoform 47电缆具有更高的损耗，所以仪器的效率将是较低的。然而，使用Sucoform47的优点在于：尽管第二同轴传输线的直径更窄，但第一同轴传输线和第二同轴传输线在它们之间的连结处的相对比例类似于先前所描述的实施方案。
第二同轴传输线是比在图1中窄的圆柱形传输线。确切地，第二内部导体具有0.702mm的外径，第二介电层具有1.053mm的外径，并且第二外部导体具有1.462mm的外径。
如图7所示，这个实施方案中的第二同轴传输线5的更窄性质导致微波频率能量到肝组织中的更局部化递送(比较图1和图7，将不同标度考虑在内)。
图8是图7所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图。如通过比较图6和图8可见，这个实施方案的回波损耗可与图5所展示的渐缩实施方案的回波损耗相比较。
图9示出正用于使肝组织凝结的根据本发明的另外实施方案的电外科仪器的计算机模拟，其中第二同轴传输线比在图1的实施方案中窄。图10是图9所示的计算机模拟的S参数(回波损耗)的幅值对微波辐射的频率的绘图。
除了第二同轴传输线的尺寸之外，图9所示的仪器的配置类似于图1所示的配置。这里将论述与图1所示的实施方案的不同之处。
图9所示的实施方案中的第一同轴传输线是Sucoform 86同轴电缆，如在图1的实施方案中那样。然而，第二同轴传输线更窄，并且具有与在图7的实施方案中相同的尺寸。换句话说，第二内部导体具有0.702mm的外径，第二介电层具有1.053mm的外径，并且第二外部导体具有1.462mm的外径。如图9所示，与在图1的实施方案的情况下相比，在图9的实施方案的情况下，可实现微波频率能量到组织中的更局部化递送，这是因为图9中的第二同轴传输线的更窄远侧尖端。
图10显示：在使用更宽Sucoform 86电缆替代更窄Sucofrom 47电缆来给第二同轴传输线馈电时，回波损耗是可接受的。
使用更宽Sucoform 86同轴电缆作为第一同轴传输线的优点在于：在这根电缆中，功率损耗是较少的。因此，在将Sucoform 86电缆用作第一同轴传输线时，仪器的效率将更大。
以下的表1中列出图1、5、7和9中的第二同轴馈送电缆的远侧尖端的尺寸，以便于参考。
实施方案 内部导体直径 介电层直径 外部导体直径
图1 1.2mm 1.8mm 2.5mm
图5 0.6mm 0.9mm 1.25mm
图7和图9 0.702mm 1.053mm 1.462mm
表1
当然，在替代性实施方案中，尺寸可与表1中给出的那些不同。
总之，本发明的所有实施方案提供一种电外科仪器，其有效地将微波能量联接到与所述电外科仪器直接相接触的局部化组织区域中。
在电外科仪器的远侧端部(例如，第二同轴传输线的远侧端部)与组织之间进行良好接触的情况下，微波能量到组织的递送显著改进。在电外科仪器处于一定角度、使得在电外科仪器的远侧端部与组织之间存在空气间隙的情况下，回波损耗可能是不良的，特别是对于大于1度的角度。
在所有实施方案中，不管回波损耗如何，非常少的功率在所不想要的方向上(换句话说，在除了到与探针相接触的组织区域中的任何方向)辐射。
在所有实施方案中，电外科仪器可用于以一定角度接触组织，以使靠近第二同轴传输线的远侧端部的边缘的非常小块的组织凝结。
另外，对组织进行的更集中区域的加热也可通过使用渐缩第二同轴传输线将微波能量递送到第二同轴传输线的远侧端部处的更小组织区域中来实现。
微波频率能量到组织中的更集中递送也可通过使用更窄圆柱形第二同轴传输线来实现。为了减少功率损耗，可用更宽第一同轴传输线给更窄第二同轴传输线馈电。
图11是本发明的另外实施方案的示意性图解。如同先前所描述的实施方案，在这个实施方案中，电外科仪器包括第一同轴传输线3和第二同轴传输线5。图11所示的第一同轴传输线3和第二同轴传输线5的配置仅是示例性配置，并且第一同轴传输线和第二同轴传输线可以替代地具有另一种配置(形状、大小等)，例如，以上所描述并且在图1至图10中展示的其他实施方案的其他示例性配置中的一种。
在这个实施方案中，电外科仪器包括第三同轴传输线33。第三同轴传输线33包括连接到第二内部导体的第三内部导体、与第三内部导体同轴并连接到第二外部导体的第三外部导体、以及将第三内部导体和第三外部导体分开的第三介电材料层。
第三同轴传输线33与第一同轴传输线3和第二同轴传输线5轴向对准(与其同轴)。
在第三同轴传输线33的平面式远侧端部面处，第三内部导体、第三外部导体和第三介电材料层是暴露的。在使用中，如图11所展示，第三同轴传输线33的平面式远侧端部面可抵靠组织被按压，以将微波频率能量递送到组织中，如以下更详细描述的。因此，在这个实施方案中，第三同轴传输线33的远侧端部，而不是第二同轴传输线5的远侧端部(像在先前所描述的实施方案那样)，形成仪器的远侧端部。
第三同轴传输线33被配置来移除组织35的阻抗的无功部分(虚数成分)。一旦已经移除组织35的阻抗的无功部分，第二同轴传输线5就将随后的纯实数阻抗匹配到第一同轴传输线3的阻抗。因此，在这个实施方案中，将组织35的阻抗的实数和无功(虚数)部分两者的阻抗失配考虑在内并进行解决。
在这个实施方案中，第三同轴传输线33具有与第一同轴传输线3相同的阻抗(例如，50欧姆)。替代地，在这个实施方案中，第三同轴传输线33是与第一同轴传输线3相同类型的同轴电缆。
对于第三同轴传输线33消除/移除组织35的阻抗的无功部分适当的长度可例如，使用斯密斯圆图、基于变量(诸如，组织和第一同轴传输线的阻抗以及微波频率辐射的频率)来按数学方式确定。如果第三同轴传输线的计算长度太短以致于不切实际，可将λ/2的倍数添加到计算长度以确定更实际的适当长度。第三同轴传输线的适当长度可以可替代地通过计算机模拟/建模或者通过实验来确定。
作为实例，可使用以下步骤来确定第三同轴传输线的适当长度：假设组织阻抗(负载)是(10-j10)Ω并且第一同轴传输线的阻抗是50Ω：
(1)将组织阻抗归一化到第一同轴传输线的阻抗：
(2)在斯密斯圆图上绘出归一化阻抗并画出VSWR圆；
(3)将归一化负载旋转到实数r轴并记下从负载朝向发生器在波长上的移动。这移除了负载阻抗的无功(虚数)成分；
(4)如果Δλ太短以致于实际上无法实现，则将添加到此长度，直到达到实际长度为止。
一旦已经消除的组织的阻抗的无功部分，就可通过适当配置的第二同轴传输线将随后的纯实数阻抗匹配到第一同轴传输线的阻抗。确切地，可使用斯密斯圆图来从其中负载仅具有纯实数值的实数r轴(其可在中心的左侧或右侧)找出值，并且然后可通过乘以第一同轴传输线的阻抗来归一化，以找出将要匹配到第一同轴传输线的阻抗的实数阻抗。
以下是与图1的实施方案有关的简单数学实例，假设组织阻抗(负载)是(10-j10)Ω并且第一同轴传输线的阻抗是50Ω。
使用斯密斯圆图执行以上步骤导致将第三同轴传输线的所期望长度确定为0.033λ，并且将来自其中负载仅具有纯实数值的实数r轴的值确定为r新＝0.19。然后将有待由第二同轴传输线5匹配到第一同轴传输线3的阻抗的归一化负载确定为Z新＝0.19×50Ω＝9.5Ω。因此可将第二同轴传输线5的最佳阻抗确定为：
然后可基于这个值和等式(6)确定第二内部导体和第二外部导体的适当直径。
假设5.8 GHz的微波频率并且假设第二介电材料是具有为1.5的相对电容率的PTFE，可使用等式(3)将第二同轴传输线5的最佳长度、即确定为10.56mm。如果这个长度太短以致于不切实际，可通过将的倍数添加到所述长度来增大所述长度，以便达到31.68mm的长度。
如以上所提及，这个实例中的第三同轴传输线33的所期望长度是0.033λ，这对应于1.39mm的长度。再次，如果这个长度太短以致于不切实际，可通过将的倍数添加到所述长度来增大所述长度，以便达到22.51mm的长度。
以下是演示对在本发明的实施方案中进行阻抗匹配的需要的简单数学实例。这个实例假设为(12-j15)Ω的组织阻抗以及抵靠组织按压的具有50Ω的阻抗的单根同轴传输线。
在无任何阻抗匹配的情况下，将被反射的功率的量将是：
|Γ|＝0.731
递送到组织负载的功率的比例由下式给出：
P＝(1 0.7312)＝0.466
因此，在无阻抗匹配的情况下，功率的仅47％将被递送到负载，这意味着电外科仪器将是相对无效的。通过像在以上所描述的本发明的实施方案中那样执行阻抗匹配，可显著提高递送功率。
在一个实际实施方案中，第二同轴传输线和/或第三同轴传输线中的介电材料可以是空气或另一种气体。在这种情况下，可将一块材料定位在同轴传输线的端部之上，例如，一块Kepton带或云母窗。

Claims (32)

1.一种电外科仪器，其被配置用于将具有预定操作频率的微波频率能量递送到与所述仪器的远侧端部相接触的具有预定特性阻抗的组织中，所述仪器包括：
用于传送微波频率能量的近侧同轴传输线，其包括第一内部导体、与所述第一内部导体同轴形成的第一外部导体、以及将所述第一内部导体和所述第一外部导体分开的第一介电层；
用于传送微波频率能量的远侧同轴传输线，其包括连接到所述第一内部导体的第二内部导体、与所述第二内部导体同轴形成并且连接到所述第一外部导体的第二外部导体、以及将所述第二内部导体和所述第二外部导体分开的第二介电层；
其中所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比是这样以使得：所述远侧同轴传输线的特性阻抗在所述近侧同轴传输线的特性阻抗与所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的负载阻抗中间；并且
其中所述远侧同轴传输线的长度是这样以使得：所述远侧同轴传输线是阻抗变换器，所述阻抗变换器在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述仪器的远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的电外科仪器，其中所述远侧同轴传输线的长度基本上等于(2n+1)λ/4，其中λ是具有所述预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的波长，并且n是大于或等于0的整数。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电外科仪器，其中所述电外科仪器用于使组织凝结。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比是这样以使得：所述远侧同轴传输线的特性阻抗基本上等于其中Zin是所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗，并且ZL是所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述第二内部导体、所述第二外部导体和所述第二介电层在所述远侧同轴传输线的远侧端部面处是暴露的，以用于接触所述组织。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电外科仪器，其中所述电外科仪器包括另外远侧同轴传输线，其包括连接到所述第二内部导体的第三内部导体、与所述第三内部导体同轴形成并且连接到所述第二外部导体的第三外部导体、以及将所述第三内部导体和所述第三外部导体分开的第三介电层。
7.根据权利要求6所述的电外科仪器，其中所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗与所述近侧同轴传输线的特性阻抗相同。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的电外科仪器，其中所述另外远侧同轴传输线的长度是这样以使得：所述另外远侧同轴传输线在所述预定操作频率下基本上消除所述组织的所述预定特性阻抗的无功部分。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的电外科仪器其中所述另外远侧同轴传输线是刚性的。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的电外科仪器，其中所述电外科仪器包括：
开路或短路短线，其并联连接到所述另外远侧同轴传输线。
11.根据权利要求10所述的电外科仪器，其中所述短线的特性阻抗与所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗相同。
12.根据权利要求10所述的电外科仪器，其中所述短线的特性阻抗不与所述另外远侧同轴传输线的特性阻抗相同。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电外科仪器，其中所述电外科仪器包括并联连接到所述另外远侧同轴传输线的多根所述开路或短路短线。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述远侧同轴传输线是刚性的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述预定操作频率是5.8GHz。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述第二内部导体的所述外径与所述第二外部导体的所述内径之间的间距小于所述第一内部导体的外径与所述第一外部导体的内径之间的间距。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述第二介电层与所述第一介电层相比具有更高相对电容率。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗是50欧姆。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述近侧同轴传输线是同轴电缆。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述远侧同轴传输线从其较宽近侧端部向其较窄远侧端部渐缩。
21.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中：
所述仪器被配置用于将具有所述预定操作频率的微波频率能量递送到具有在45至180欧姆范围内的预定特性阻抗的组织中。
22.根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器，其中所述电外科仪器包括多根所述远侧同轴传输线，以用于在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述组织之间的所述阻抗匹配。
23.一种电外科系统，其包括：
根据前述权利要求中任一项所述的电外科仪器；以及
电外科发生器，其连接到所述近侧同轴传输线的近侧端部；
其中所述电外科发生器被配置来向所述近侧同轴传输线供应具有所述预定操作频率的微波频率能量。
24.根据权利要求23所述的电外科系统，其中：
所述电外科系统包括用于控制所述电外科发生器的控制器；并且
所述控制器被配置来控制由所述发生器供应的所述微波频率能量的功率和/或持续时间，以将递送到所述组织的微波频率能量的量限制到低于预定量。
25.根据权利要求24所述的电外科系统，其中所述电外科系统包括用于感测指示递送到所述组织的所述微波频率能量的量的信息的传感器。
26.根据权利要求24或权利要求25所述的电外科系统，其中所述控制器被配置来控制所述发生器以提供15W的功率持续多达四秒的时段。
27.一种制造根据权利要求1至22中任一项所述的电外科仪器的方法，所述方法包括：
确定所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗在所述近侧同轴传输线的特性阻抗与所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗中间；
将所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比设定为所确定比；
确定所述远侧同轴传输线的长度，所述长度导致所述远侧同轴传输线是阻抗变换器，所述阻抗变换器在所述预定操作频率下改进所述近侧同轴传输线与所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗之间的阻抗匹配；以及
将所述远侧同轴传输线的所述长度设定为所确定长度。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述方法包括：
确定具有所述预定操作频率的微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的波长λ；以及
基于所确定波长λ，将所述远侧同轴传输线的所述长度设定为基本上等于(2n+1)λ/4，其中n是大于或等于0的整数。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的方法，其中所述方法包括：
确定所述第二外部导体的内径与所述第二内部导体的外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的所述特性阻抗基本上等于其中Zin是所述近侧同轴传输线的所述特性阻抗，并且ZL是所述仪器的所述远侧端部与所述组织相接触时所述远侧同轴传输线的所述远侧端部处的所述负载阻抗；以及
将所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比设定为所确定比。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述方法包括：
计算以及
计算所述第二外部导体的所述内径与所述第二内部导体的所述外径之比，所述比导致所述远侧同轴传输线的特性阻抗等于
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述方法包括：基于所述第二介电层的所述相对电容率，计算具有所述预定操作频率的所述微波频率能量在所述远侧同轴传输线中的所述波长。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的方法，其中所述电外科仪器包括所述另外远侧同轴传输线，其中所述方法包括：
确定所述另外远侧同轴传输线的长度，所述长度导致消除所述组织的所述预定特性阻抗的所述无功部分；以及
将所述另外远侧同轴传输线的所述长度设定为基本上等于所确定长度。
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