CN109715099A - 用于电外科装置的微波能量转移部件 - Google Patents

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Abstract

一种微带阻抗变换器，所述微带阻抗变换器允许微波馈送线(例如常规的50Ω同轴电缆)与器械电缆的有效(即低损耗)耦合，其中所述器械电缆具有较低阻抗(例如，在12至14Ω的范围内)并且包括内部通道。所述微带阻抗变换器被构造成以不会不利地影响内部通道内的单独馈送(例如用于传送流体)的方式执行微波馈送线与器械电缆之间的阻抗匹配。

Description

用于电外科装置的微波能量转移部件
技术领域
本申请发明涉及电外科装置，所述电外科装置包括用于非侵入性或经皮插入治疗部位以使电磁辐射能够传送到生物组织的电外科器械。具体地，本申请涉及用于在电外科发生器与电外科器械之间有效地耦合能量的构件。
背景技术
电外科器械用于向生物组织传送电磁(EM)能量(特别是微波和射频能量)，用于诸如切割和/或烧灼生物组织的目的。
通常，用于将EM能量传送到身体组织的装置包括：包含EM能量源的发生器，以及用于将能量传送到生物组织的连接到发生器的电外科器械。
EM能量通常使用从发生器铺设到器械的电缆从EM发生器供应给电外科器械。用于此目的的常规电缆具有同轴传输线结构，其包括实心圆柱形内导体、围绕内导体的管状介电材料层以及围绕介电材料的管状外导体。此类同轴传输线具有标称特征阻抗(Zo)，通常为50Ω或75Ω。
电外科器械可包括辐射部分，例如位于远侧尖端的辐射部分。EM能量沿同轴电缆传输并从辐射部分发射。从辐射部分发射的能量被传送到治疗部位的生物组织，例如，以引起局部加热、组织切割或烧灼/凝结。
在EM能量横穿电外科器械装置时，所述EM能量经历阻抗，即对能量流的反对或阻力。阻抗的变化可导致功率损耗和装置内的多次反射。此类反射可能会导致装置的不当加热。
为了使功率损耗、反射和加热效果最小化，理想的是沿着装置内的能量传送路径匹配阻抗。在一个实例中，可以通过在能量传送路径内引入阻抗变换器结构来实现阻抗匹配。
US 6,190,382公开了一种用于消融患者心脏心房内的生物组织的电外科器械。所述器械包括可展开的单轨导轨，所述导轨精确地将射频发射天线引导至正确的治疗部位。微带区段被包括在将射频输送到天线的两根同轴电缆之间。
发明内容
在普遍的情况下，本发明提供了一种微带阻抗变换器，所述微带阻抗变换器允许微波馈送线(例如常规的50Ω同轴电缆)与器械电缆的有效(即低损耗)耦合，其中所述器械电缆具有较低阻抗(例如，在12至14Ω的范围内)并且可包括内部通道。微带阻抗变换器被构造成以不会不利地影响内部通道内的单独馈送的方式执行微波馈送线与器械电缆之间的阻抗匹配。
根据本发明，可提供一种电外科装置，所述电外科装置包括：微波馈送线，所述微波馈送线用于承载来自电外科发生器的具有一定频率的微波电磁(EM)能量；器械电缆，所述器械电缆用于插入患者体内的治疗部位，所述器械电缆包括：同轴传输线，所述同轴传输线用于输送微波EM能量，以及内部通道，所述内部通道用于提供进入治疗部位；和接合部，所述接合部被布置成在微波馈送线的远侧端部与器械电缆的近侧端部之间转移微波EM能量，其中所述微波馈送线在微波EM能量的频率下具有第一阻抗，其中所述器械电缆在微波EM能量的频率下具有第二阻抗，第二阻抗低于第一阻抗，并且其中所述接合部包括：微带阻抗变换器，所述微带阻抗变换器被布置成匹配第一阻抗和第二阻抗，以及中空导管，所述中空导管与所述内部通道流体连通。微带阻抗变换器可例如，通过采用下文列出的构型，布置成确保微波EM能量不会在接合部处耦合到中空导管中。
除非上下文另外指明，否则术语“导电”在本文中用于意指可传导电的。
在本文中，术语“近侧”和“远侧”分别指离治疗部位更远和更近的位置。因此，在使用中，近侧端部更靠近用于提供微波EM能量的发生器，而远侧端部更靠近治疗部位，即患者。
电外科器械可以是在外科手术期间使用的并且在治疗期间利用微波EM能量的任何器械或工具。在本文中，微波EM能量可意指具有300MHz至100GHz范围内的稳定固定频率的电磁能量。微波能量的优选的标定频率包括915MHz、2.45GHz、5.8GHz、14.5GHz、24GHz和31GHz。高于1GHz的频率是优选的。5.8GHz可能是最优选的频率。
微带阻抗变换器可包括平面介电基板，所述平面介电基板在其相对侧面上具有上表面和下表面，在下表面上具有接地导体层，而在上表面上具有微带导体层。介电基板可由任何合适的低损耗材料制成。具有高介电常数(例如大于5)的材料可能是优选的，以便使接合部能够紧凑。微带导体层可从介电基板的上表面的外围向后设置，以将微波EM场基本上限制在由上表面限定的区域内。
微带导体层可包括具有第一宽度(W1)的近侧微带轨道部分和具有第二宽度(W2)的远侧微带轨道部分，其中第二宽度大于第一宽度(W2>W1)。
远侧微带轨道部分可被布置成用作四分之一波阻抗变换器，并且可直接与器械电缆耦合。远侧微带轨道部分的电长度可是由四分之一波微带阻抗变换器输送的微波EM能量的四分之一波长的奇数倍。此区段的物理长度可取决于有效介电常数以及场在介电基板和空气内的伸展。第二宽度可被选择成使远侧微带轨道部分的特征阻抗Z0满足等式：
其中Zin是远侧微带轨道部分的阻抗，并且ZL是器械电缆在微波EM能量的频率下的阻抗。
对于近侧微带轨道部分和远侧微带轨道部分，介电基板和接地导体层的尺寸可以是相同的。微带导体层不必限于仅两个微带轨道部分。
近侧微带轨道部分可被构造成与微波馈送线有效地耦合。因此，第一宽度可被选择成使远侧微带轨道部分的特征阻抗基本上等于微波馈送线在微波EM能量的频率下的阻抗。
器械电缆中的同轴传输线可包括内导体、外导体和介电材料，所述介电材料将所述内导体与所述外导体分开。在同轴传输线的近侧端部，内导体可从介电材料和外导体向近侧延伸，以覆盖(并且优选地物理上接触)远侧微带轨道部分，以便与远侧微带轨道部分电连接。介电材料可从外导体的近侧端部向近侧延伸，以覆盖微带导体层与平面介电基板的远侧边缘之间的间隙。优选地，介电材料在此区域中与介电基板物理上接触，以防止在此区域中产生显著的微波EM场。外导体可与接地导体层电连接。
类似地，微波馈送线可包括同轴电缆，所述同轴电缆具有与近侧微带轨道部分电连接的主内导体和与接地导体层电连接的主外导体。这些连接可通过合适的连接器(例如，SMA连接器等)进行。
中空导管可安装在微带导体层上。例如，中空导管可以是在其远离器械电缆延伸时远离平面介电基板弯曲的管。当内部通道在同轴传输线的内导体内形成时，这种构型特别有用，因此在能量也与同轴传输线耦合或由同轴传输线输送的区域中时，固有地进入内部通道。
微波馈送线和器械电缆可在接合部处固定到平面介电基板。例如，微波馈送线和器械电缆可通过导电附接元件固定到平面介电基板，所述导电附接元件提供与接地导体层的电连接。
在一个实例中，接合部可包括围绕四分之一波微带阻抗变换器的导电护罩外壳。护罩外壳可以是包围接合部的盒子或网状物。护罩外壳可接地，例如，与微带阻抗变换器的接地层电连接。微波馈送线和器械电缆可通过护罩外壳固定到四分之一波微带阻抗变换器。中空导管可延伸穿过护罩外壳中的孔，以进入内部通道。
围绕变换器的护罩对于此结构可能是特别有利的，因为场线(E和H)将从所述结构辐射(由于结构是不对称的事实，因此场线将耦合到自由空间中)。护罩可作为法拉第笼工作，以防止这些场耦合到其他物体中或者对手术室或其他地方的其他设备造成干扰。护罩可被构造成确保接合部的场不受影响，即，不建立不当模式，诸如“盒子模式”。
附图说明
下文将参照附图详细论述本发明的实例，在附图中：
图1是本发明的一个实施方案的电外科装置的示意图；
图2A是适用于本发明的微带阻抗变换器结构的示意性侧视图；
图2B是图2A的微带阻抗变换器结构的示意性俯视图；
图3是连接在本发明的一个实施方案的电外科装置中的微带阻抗变换器的示意性侧视图；
图4是图3的微带阻抗变换器的示意性俯视图；
图5是示出图3和图4的电外科器械装置中的电场的模拟图；
图6是示出图3和图4的电外科器械装置中的功率损耗密度的模拟图；
图7是示出图3和图4的器械装置在一定频率范围内的模拟回波损耗特征的图；
图8是示出图3和图4的器械装置在一定频率范围内的模拟插入损耗特征的图。
具体实施方式
图1是提供本发明的上下文的电外科装置10的示意图。
电外科装置10包括EM发生器12，所述EM发生器产生EM能量(微波和/或射频能量)。发生器12连接到变换器20。变换器20是微带阻抗变换器100，下文参照图2至图4更详细地描述。变换器20位于发生器12与能量输送电缆30之间的接合部处。
在此实例中，能量输送电缆30是同轴传输线14。同轴传输线14包括由介电材料围绕的内导体，所述介电材料将内导体与外导体分开。同轴传输线14包括内部通道，例如，在内导体内部用于沿着电缆30运输材料(例如，盐水或器械)的内部通道。中空导管18在与变换器20的接合部处连接到电缆30的近侧端部。中空导管18与通道流体连通，因此用作将材料或器械引入通道中的构件。
能量输送电缆30是柔性且可转向的轴，所述轴包括同轴传输线14和通道。电缆30可在手术期间插入患者体内。电缆30可被构造成适用于非侵入性或经皮插入体内。电缆30可具有由柔性生物相容材料制成的外护套。
电缆30延伸远离发生器12并终止于远侧端部40。电外科器械80可安装在远侧端部40处或者可从远侧端部40处的通道突出。传输线14在远侧端部40处连接到器械80。电磁(EM)能量(例如微波EM能量)从发生器12传输通过变换器20，并通过传输线14传送到器械80。器械可包括辐射尖端，所述辐射尖端被布置成发射EM能量以供周围生物组织吸收。从辐射尖端发射的能量可消融和/或烧灼组织。
器械80还可包括与同轴传输线14的内部通道流体连通的开口。因此，由操作者引入中空导管18中的材料通过电缆30内的通道进入患者体内，并且可通过开口进入远侧治疗区域。
发生器12与电缆30的同轴传输线14之间的阻抗变换器20用于匹配或改进发生器12的阻抗与同轴传输线14的阻抗之间的匹配。当能量被引入同轴传输线14时，这防止了功率损耗和多次反射，因此可防止装置10内的不当加热效果。
图2A和2B分别是微带阻抗变换器结构100的侧视和俯视的的示意图。微带阻抗变换器100是可以使用印刷电路板技术制造的电传输线。微带变换器结构100包括三层。第一层是提供接地平面110的导电层。第二层是位于接地平面110顶部的介电基板115。第三层是在介电基板115顶部制造的导电层。第三层是有源层，并且在本文中称为微带导体层120。
介电基板115可以是任何介电材料。例如，可使用Rogers Corporation TMM10高频材料。其他基板材料包括用环氧树脂增强的玻璃(通常称为FR-4)，和陶瓷(例如氧化铝)。接地平面110和微带导体120可由任何导电材料(例如银、金等)制造。
微带导体层120具有宽度(W)，所述宽度在垂直于来自发生器12的EM能量的行进方向的方向上测量，即在同轴传输线14的轴向方向的横向上测量。微带导体层120的阻抗根据此宽度而变化。微带变换器100的特征阻抗随微带导体的宽度而变化。
如图2B的俯视图所示，微带导体层120包括具有不同宽度的两个轨道部分。在此实例中，第一(近侧，发生器侧)微带轨道122的宽度(W1)比第二(远侧，电缆侧)微带轨道124的宽度(W2)更窄。对于每个轨道部分，介电基板115和接地平面的几何形状是相同的，因此第一微带轨道122具有的阻抗值比第二微带轨道124更高。在一个实施方案中，例如，第一微带轨道122的宽度(W1)为2.5mm，而第二微带轨道124的宽度(W2)为6mm。如下文所解释，宽度(W1)可被选择成确保第一微带轨道具有与发生器基本上相同的阻抗，并且宽度(W2)可被选择成确保第二微波轨道具有使其能够作为四分之一波阻抗变换器工作的阻抗。在另一个实例中，第二微带轨道的宽度可比第一微带轨道的宽度更窄。如果器械电缆的阻抗高于发生器，则使用此构型。
微带导体120的每个轨道部分也具有在平行于EM能量的行进方向(即沿着同轴传输线14的轴向方向)上测量的长度。第一微带轨道122的长度(L1)比第二微带轨道124的长度(L2)更长。在一个实例中，长度L1为10mm，而长度L2为2.5mm。当长度(L2)在微带结构内传播时，长度(L2)可基本上等于EM能量的四分之一波长的奇数倍。可通过模拟等来选择长度(L1)，以确保变换器的场形状有效地传送EM能量。
介电基板115具有在垂直于EM能量的行进方向上测量的宽度以及在平行于EM能量的行进方向上测量的长度。介电基板可具有20mm的宽度并且可具有15mm的长度。因此，微带导体层120可从介电基板115的外围向后设置。在此实施方案中，电缆和SMA连接器是使用焊料附接的。出于此原因，导体层被向后设置以确保在变换器的近侧端部处没有连接导电层和接地层的焊料流的破坏/偶然。由于没有这种小间隙的SMA连接器的几何形状，连接器的外部将与导电层接触并且形成短路。
可用于控制变换器结构的阻抗的另一个参数是介电基板115的厚度或高度(H)。厚度尺寸垂直于微带导体层120的宽度(W)和长度(L)尺寸。
图3和图4分别是发生器(未示出)和能量输送电缆30之间的接合部200的示意性侧视图和俯视图。接合部包括如上所述的微带变换器100，所述微带变换器连接在发生器侧连接器150与由电缆30输送的同轴传输线的近侧端部之间。相同的附图标号用于对应的特征部，这些特征部不再描述。
发生器侧连接器150在微带变换器100的近侧侧面连接到第一微带轨道122。发生器侧连接器150可以是能够将EM能量发生器12连接到微带阻抗变换器100的任何连接器。例如，连接器150可以是标准SMA(SubMiniature版本A)连接器。连接器150具有中心导体销154，所述中心导体销电连接(例如焊接)到微带阻抗变换器100的第一微带轨道122。
连接器150的外部(接地)连接到微带阻抗变换器100的接地平面110。一种实现方法是使用连接器板156，所述连接器板围绕在连接器150的外部并且直接粘合到接地平面110，从而在连接器150的外部与微带阻抗变换器100的接地平面110之间形成连接。连接器板156可焊接或螺纹连接到接地平面110。
电缆30在与发生器12相反的端部处连接到微带阻抗变换器100。同轴传输线的内导体144和的介电材料146向近侧突出超出外导体(未示出)的近侧端部。内导体144和介电材料146覆盖在微带变换器100的顶表面上。内导体144电连接(例如粘合或焊接)到微带阻抗变换器100的第二微带轨道124。介电材料146位于第二微带轨道124与基板115的远侧边缘之间的间隙上，以确保内导体被隔离。
同轴传输线的外导体连接到微带阻抗变换器100的接地平面110。这可以使用电缆终端板136来实现，所述电缆终端板136围绕电缆并且与外导体电接触。例如，板136可以直接粘合(例如焊接)到接地平面110，从而在传输电缆的外导体与微带阻抗变换器100的接地平面110之间形成连接。
同时，中空导管18从内导体144的近侧端部突出并且远离微带变换器100的顶表面弯曲。
图3和图4的电外科器械装置如下操作。EM能量由发生器12产生，所述EM能量通过连接器150流入微带阻抗变换器100。EM能量从连接器150的连接器销154行进，并且进入第一微带轨道122。第一微带轨道122的宽度被选择使得其阻抗类似于发生器的阻抗。发生器的阻抗可以为约50Ω。然后，EM能量行进到第二微带轨道124中。第二微带轨道124比第一微带轨道122更宽。第二微带轨道124的宽度被选择成使得其具有正确的阻抗以用作四分之一波阻抗变换器。如上所述，其长度被选择成四分之一波长的奇数倍，以便使发生器阻抗的阻抗与电缆30的(较低)阻抗相匹配。
电缆30的阻抗可为约12至14Ω。当EM能量从第一微带轨道122行进到第二微带轨道124中时，所述EM能量经历的阻抗从约50Ω减小到例如约12至14Ω。因此，微带阻抗变换器100将发生器12的阻抗与穿过超级电缆30的传输电缆14的阻抗相匹配。
因此，在从发生器传送的能量的频率是f的情况下，第二微带轨道的长度L2可被计算为
其中c是光速，并且εeff是接合部的有效介电常数，其取决于微带线的几何形状以及介电基板和以已知方式围绕的材料(例如空气)的相对电容率εr。
并且为了确保第二微带轨道作为四分之一波阻抗变换器工作，其宽度被选择成使其特征阻抗Z0满足等式：
其中Zin是发生器阻抗(上文实例中为50Ω)，并且ZL是电缆阻抗(上文实例中为12Ω左右)。在一个实例中，第二微带轨道的宽度被选择成使Z0在24.5Ω左右。
在另一个实施方案中，连接器板156和电缆终端板136可集成到完全围绕微带阻抗变换器100的导电护罩外壳101中。护罩可由铜制成。例如，1mm厚的铜片作为法拉第笼以防止EM能量逸出。护罩可以是中空长方体，其长度是在平行于EM能量的行进方向上测量，其宽度是在垂直于EM能量的行进方向上测量，并且其高度是在垂直于其宽度和长度而测量。护罩可以具有25mm的长度、22mm的宽度和22mm的高度。
本发明人已经发现，当中空导管18连接到同轴传输线时，本文公开的微带变换器的构型为中空导管18提供了非常有效的隔离。这是特别有利的，因为它可以防止对穿过中空导管18的器械和/或液体的不当加热。
图5是示出装置中的电场的模拟图。较浅的阴影指示较强的电场，而较深的阴影指示较弱的电场。在电缆30和微带阻抗变换器100内存在强电场，但是在中空导管18中存在最小的电场。这确保了中空导管18中存在的器械和/或液体不会由于电场而经历不当加热效果。例如，中空导管18可含有诸如盐水的流体。盐水是良好的热导体，因此将空心导管与可能引起加热的电场隔离很重要。
图6是示出装置中的功率损耗密度的模拟图。较浅的阴影指示高功率损耗，而较深的阴影指示较低的功率损耗。电缆30和微带阻抗变换器100存在中度功率损耗，但是中空导管18的功率损耗最小。
图7是示出图3和图4的电外科器械装置在一定频率范围内的模拟回波损耗特征的图。可以看出，在5.8GHz周围存在低回波损耗，这是所需的使用频率和变换器用作四分之一波长变换器的频率。在5.8GHz处的回波损耗为-15dB，这意味着96％左右的功率被传送。
图8是示出图3和图4的电外科器械装置在一定频率范围内的模拟插入损耗特征的图。可以看出，在5.8GHz周围存在低插入损耗，这是所需的使用频率。在5.8GHz处的插入损耗为0.4dB左右，这意味着损耗为约8.8％。
图7和图8表明，变换器与电缆之间的接合部处的反射损耗的能量最小，这使得能够有效地将能量传送到同轴传输线中，而不会引起其他部件的不当局部加热。

Claims (20)

1.一种电外科装置，所述电外科装置包括：
微波馈送线，所述微波馈送线用于承载来自电外科发生器的具有一定频率的微波电磁(EM)能量；
器械电缆，所述器械电缆用于插入患者体内的治疗部位，所述器械电缆包括：
同轴传输线，所述同轴传输线用于输送所述微波EM能量，和
内部通道，所述内部通道用于进入所述治疗部位；和
接合部，所述接合部被布置成在所述微波馈送线的远侧端部与所述器械电缆的近侧端部之间转移所述微波EM能量，
其中所述微波馈送线在所述微波EM能量的所述频率下具有第一阻抗，
其中所述器械电缆在所述微波EM能量的所述频率下具有第二阻抗，所述第二阻抗低于所述第一阻抗，并且
其中所述接合部包括：
微带阻抗变换器，所述微带阻抗变换器被布置成匹配所述第一阻抗和所述第二阻抗，以及
中空导管，所述中空导管与所述内部通道流体连通。
2.根据权利要求1所述的电外科装置，其中所述微带阻抗变换器包括：
平面介电基板，所述平面介电基板在其相对侧面上具有上表面和下表面，
在所述下表面上的接地导体层；以及
在所述上表面上的微带导体层，
其中所述微带导体层从所述上表面的外围向后设置。
3.根据权利要求2所述的电外科装置，其中所述微带导体层包括具有第一宽度(W1)的近侧微带轨道部分和具有第二宽度(W2)的远侧微带轨道部分，其中所述第二宽度大于所述第一宽度(W2>W1)。
4.根据权利要求3所述的电外科装置，其中所述远侧微带轨道部分的电长度是由四分之一波微带阻抗变换器输送的所述微波EM能量的四分之一波长的奇数倍。
5.根据权利要求3或4所述的电外科装置，其中所述第二宽度被选择成使所述远侧微带轨道部分的特征阻抗Z0满足等式：
其中Zin是远侧微带轨道部分的阻抗，并且ZL是所述器械电缆在所述微波EM能量的所述频率下的阻抗。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电外科装置，其中所述第一宽度被选择成使所述远侧微带轨道部分的特征阻抗基本上等于所述微波馈送线在所述微波EM能量的所述频率下的阻抗。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电外科装置，其中所述同轴传输线包括内导体、外导体和介电材料，所述介电材料将所述内导体与所述外导体分开，并且其中，在所述同轴传输线的近侧端部，所述内导体从所述介电材料和外导体向近侧延伸以覆盖所述远侧微带轨道部分，并且所述介电材料从所述外导体的近侧端部向近侧延伸以覆盖所述微带导体层与所述平面介电基板的远侧边缘之间的间隙。
8.根据权利要求7所述的电外科装置，其中所述外导体电连接到所述接地导体层。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的电外科装置，其中所述微波馈送线包括同轴电缆，所述同轴电缆具有与所述近侧微带轨道部分电连接的内导体和与所述接地导体层电连接的外导体。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的电外科装置，其中所述中空导管安装在所述微带导体层上。
11.根据权利要求10所述的电外科装置，其中所述中空导管是在其远离所述器械电缆延伸时远离所述平面介电基板弯曲的管。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的电外科装置，其中所述微波馈送线和所述器械电缆在所述接合部处固定到所述平面介电基板。
13.根据权利要求12所述的电外科装置，其中所述微波馈送线和所述器械电缆可以通过导电附接元件固定到所述平面介电基板，所述导电附接元件提供与所述接地导体层的电连接。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电外科装置，其中所述接合部包括围绕所述四分之一波微带阻抗变换器的导电护罩外壳。
15.根据权利要求14所述的电外科装置，其中所述护罩外壳用作法拉第笼以限制在所述接合部处发射的EM场。
16.根据权利要求14或15所述的电外科装置，其中所述中空导管延伸穿过所述护罩外壳中的孔。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的电外科装置，其中所述微波馈送线和所述器械电缆通过所述护罩外壳固定到所述四分之一波微带阻抗变换器。
18.根据前述权利要求中任一项所述的电外科装置，其中所述内部通道位于所述同轴传输线的所述内导体内。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电外科装置，其中所述第二阻抗为12至14Ω。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电外科装置，其中所述微波EM能量的频率是选自5.8GHz、14.5GHz、24GHz和31GHz的稳定固定频率。
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