CN111655182B - 电外科装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于与电外科设备一起使用的能够产生高功率微波频率脉冲的装置。所述装置可以用于使生物组织凝固或消融。所述装置包括放大器阵容，其包括：微波信号发生器，所述微波信号发生器用于产生微波辐射；调制器，所述调制器被布置来使所述微波辐射脉冲化；以及放大器模块，所述放大器模块被布置来增加微波辐射脉冲的功率。所述放大器模块通过提供一组放大器来起作用，所述一组放大器所表现的增益大于在分割输入信号并然后组合输出信号的部件处所经历的总损耗。例如，如果所述阵列中的每个放大器具有10dBm的增益，则使用常规功率分裂器和组合器来获得功率明显高于常规电外科发生器提供的功率的输出微波信号是可行的。

Description

电外科装置
技术领域
本发明涉及一种电外科装置，其中微波频率能量被用来治疗生物组织。具体地，本发明涉及一种用于电外科发生器的放大器阵容(amplifier line-up)，其能够产生高功率微波频率脉冲以使生物组织凝固或消融。
背景技术
已知使用微波发射探针来治疗肺和其他身体组织中的各种病状。例如，在肺中，微波辐射可以用于治疗哮喘和使肿瘤或病灶消融。
GB 2 486 343公开了一种用于电外科装置的控制系统，所述电外科装置递送RF和微波能量两者来治疗生物组织。被递送到探针的RF能量和微波能量的能量递送分布都基于传送到探针的RF能量的采样电压和电流信息以及传送到探针和从探针传送出的微波能量的采样正向功率和反射功率信息来设定。
发明内容
本发明在最一般的方面中提供了用于与电外科设备一起使用的能够产生高功率微波频率脉冲的装置。所述装置可以用于治疗生物组织，例如使生物组织凝固或消融。
根据本发明，提供了用于电外科发生器的放大器阵容，所述放大器阵容包括：微波信号发生器，其用于产生微波电磁(EM)辐射；调制器，其被布置来使微波EM辐射脉冲化；和放大器模块，其连接到调制器并被布置来增加从其接收到的微波EM辐射脉冲的功率，所述放大器模块包括并联连接的放大器阵列，其中来自放大器阵列的输出信号被组合以产生输出微波信号；以及馈送结构，其用于将输出微波信号传送到探针。所述放大器模块通过提供一组放大器来起作用，所述一组放大器所表现的增益大于在分割输入信号并然后组合输出信号的部件处所经历的总损耗。例如，如果所述阵列中的每个放大器具有10dBm的增益，则使用常规功率分裂器和组合器来获得功率明显高于常规电外科发生器提供的功率的输出微波信号是可行的。
本发明提出了放大器阵容，其将给定的能量载荷作为一系列短持续时间的高功率脉冲递送。靶组织接收能量载荷并且因此表现出所需的消融效果。例如，2kJ能量载荷可以在生物组织中产生直径大约3.5cm的损伤。然而，可以选择脉冲的持续时间和幅值两者，以确保总体治疗时间相对较短，同时还使与馈送结构相关联的影响(例如，热损耗)最小化。
为了患者舒适并避免与组织中的灌注相关联的不想要的热效应，希望具有更短的总体治疗时间。如果目标能量载荷为2kJ，可以考虑将其作为20W连续波信号，持续100s来递送，或作为在远远更短的时间段(例如，等于或小于10s)内分布的一系列短2kW脉冲来递送。持续100秒的能量连续递送可能会导致患者不适并可能导致由于灌注所致的能量远离靶位点转移。这些影响能通过使用本文提出的脉冲技术来减轻。此外，因为人体在检测接收的能量(尤其是热能)并对其产生应答时表现出非零反应时间，所以以短束(例如，持续时间等于或小于人体反应时间的短束)施加高水平能量，人体可能没有足够时间来执行其天然热补偿机制。因为这些机制(例如，增加通向皮肤表面的血液流动，等等)的作用是将热能从受热区域转移出去，所以绕过这些机制的行为使得本发明能够提供更准确的递送能量的靶向或定位。
类似的效果适合于用于传送能量的结构。例如，携带20W连续波信号的电缆将在100s治疗时间段内显著变热。通过利用本文提出的脉冲技术，可以通过以具有比电缆的热响应更快的持续时间的脉冲递送能量来减少那些热效应。简单来说，通过缩短电缆实际传输功率的时间和通过缩短总体治疗时间，可以减少或避免不想要的热效应。
减少治疗时间的进一步优点是它允许使用更小直径的同轴电缆(其通常表现出更高的损耗)。这允许将探针插入到更小的生物结构或空腔中。
放大器模块可以包括功率分割器单元，其被布置来接收来自调制器的微波EM辐射脉冲并且然后将其分裂为针对放大器阵列的输入信号。类似地，放大器模块可以包括功率组合器单元，其被布置来组合来自放大器阵列的输出信号。功率分割器单元和功率组合器单元可以对称地布置。功率分割器单元可以具有单个一对多级或多个级联级。
所述阵容可以包括驱动放大器，其连接在调制器与放大器模块之间，例如以确保供应给放大器模块的微波EM辐射具有适当的功率。
输入脉冲在放大器模块中保持同步，使得放大的输出信号加性地组合。输出微波信号(即，组合信号)可以包括一系列微波脉冲，每个微波脉冲具有等于或大于400W，并且优选地等于或大于2kW的功率。所述微波脉冲可以各自具有等于或小于0.1s，优选地等于或小于1ms的持续时间。输出微波信号可以各自具有等于或小于50％，优选地等于或小于20％的占空比。
输出微波信号的幅值(功率)、持续时间和占空比可以例如基于目标能量载荷来选择，以确保总治疗时间小于阈值。所述阈值可以等于或小于20秒。以这种方式，高功率微波EM脉冲可以在构成电外科装置的部件不显著变热的情况下被递送到组织。这减少了对于冷却系统的需要，并且还可以帮助延长装置的有效运转时间和寿命。
放大器阵列可以包括8个放大器。优选地，放大器可以包括高电子迁移率晶体管(HEMT)。通过使用此类晶体管，所述装置可以在微波频率下以最小的损耗高效且有效率地运转，并且所述晶体管可以提供大的增益，使得放大器电路可以需要更少的放大器。例如，晶体管可以是氮化镓HEMT。每个晶体管可以具有至少10dBm的增益，并且可以具有至少56dBm或400W的输出功率。
馈送结构可以包括具有等于或小于3mm，优选地等于或小于2.2mm的直径的同轴电缆。
在某些实施方案中，放大器阵容可以被用在还包括用于产生RF EM辐射的射频(RF)信号发生器的电外科发生器中。在此类实施方案中，所述装置可以包括用于将RF EM辐射传送到探针的RF馈送结构，所述探针也可以被配置来递送RF EM辐射。
放大器阵容可以形成包括可连接在馈送结构的远端处的探针的电外科系统的一部分。所述探针可以通过外科观测设备(诸如内窥镜或支气管镜)的仪器通道插入。以这种方式，所述装置可以用于内窥镜式手术。术语“外科观测设备”在本文中可以用于意指配备有插入管的任何外科设备，所述插入管是在侵入性手术期间引入到患者体内的刚性或柔性(例如，可转向)导管。插入管可以包括仪器通道和光学通道(例如，用于传输光以在插入管的远端处照亮治疗部位和/或捕获治疗部位的图像)。所述仪器通道可以具有适合于接受侵入性外科工具的直径。仪器通道的直径可以为5mm或更小。
在本说明书中，“微波”可以广泛地用于指示400MHz至100GHz的频率范围，但是优选地，1GHz至60GHz的范围。已经考虑的特定频率为：915MHz、2.45GHz、3.3GHz、5.8GHz、10GHz、14.5GHz和24GHz。所述设备可以以这些微波频率中的多于一个频率递送能量。相比之下，本说明书使用“射频”或“RF”来指示低至少三个数量级，例如最高300MHz，优选10kHz至1MHz的频率范围。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明的实施方案，在附图中：
图1是已知电外科装置的总体系统示意图；
图2是示出作为本发明实施方案的微波放大器阵容的示意图；
图3是示出作为本发明实施方案的放大器模块的系统示意图。
具体实施方式
背景
图1示出了可用于理解本发明的诸如GB 2 486 343中所公开的电外科装置400的示意图。所述装置包括RF信道和微波信道。RF信道包含用于产生和控制功率水平适合于治疗(例如，切割或干燥)生物组织的RF频率电磁信号的部件。微波信道包含用于产生和控制功率水平适合于治疗(例如，凝固或消融)生物组织的微波频率电磁信号的部件。
微波信道具有微波频率源402，接着是功率分裂器424(例如，3dB功率分裂器)，其将来自源402的信号分隔为两个分支。来自功率分裂器424的一个分支形成微波信道，其具有功率控制模块，所述功率控制模块包括由控制器406通过控制信号V10控制的可变衰减器404和由控制器406通过控制信号V11控制的信号调制器408；和放大器模块，所述放大器模块包括驱动放大器410和功率放大器412，其用于产生用于从探针420递送的功率水平适合于治疗的正向微波频率EM辐射。在放大器模块之后，微波信道继续具有微波信号耦合模块(其形成微波信号检测器的一部分)，所述微波信号耦合模块包括环行器416，所述环形器被连接用于将来自所述源的微波频率EM能量沿其第一端口与第二端口之间的路径递送到探针；在环形器416的第一端口处的正向耦合器414；和在环形器416的第三端口处的反射耦合器418。在穿过反射耦合器之后，来自第三端口的微波频率EM能量被吸收在功率切断负载422中。微波信号耦合模块还包括由控制器406通过控制信号V12操作的开关415，其用于将正向耦合信号或反射耦合信号连接到外差接收机以进行检测。
来自功率分裂器424的另一个分支形成测量信道。测量信道绕过微波信道上的放大阵容，并且因此被布置来递送来自探针的低功率信号。由控制器406通过控制信号V13控制的主信道选择开关426可操作地用于选择来自微波信道或测量信道的信号以递送到探针。高带通滤波器427连接在主信道选择开关426与探针420之间以保护微波信号发生器免受低频率RF信号的影响。
测量信道包括被布置来检测从探针反射的功率的相位和幅值的部件，其可以产生关于存在于探针的远端处的物质，例如生物组织的信息。测量信道包括环形器428，其被连接用于将来自源402的微波频率EM能量沿其第一端口与第二端口之间的路径递送到探针。从探针返回的反射信号被引导到环形器428的第三端口中。环形器428用于提供正向信号与反射信号之间的隔离以有利于准确测量。然而，因为环形器没有在其第一端口与第二端口之间提供完整的隔离，即一些正向信号可能突破到第三端口并干扰反射信号，所以可以使用载波消除电路，其将正向信号(来自正向耦合器430)的一部分注入回从第三端口出来的信号(通过注入耦合器432)。载波消除电路包括相位调节器434以保证所注入部分与具有从第一端口突破到第三端口的任何信号的相位相差180°，以便将它消除。载波消除电路还包括信号衰减器436以确保所注入部分的幅值与任何突破信号相同。
为了补偿正向信号中的任何偏移，在测量信道上提供正向耦合器438。正向耦合器438的耦合输出和来自环形器428的第三端口的反射信号连接到开关440的相应输出端子，所述开关由控制器406通过控制信号V14操作，以将耦合正向信号或反射信号连接到外差接收机以进行检测。
开关440的输出(即，来自测量信道的输出)和开关415的输出(即，来自微波信道的输出)连接到次信道选择开关442的相应输入端子，所述次信道选择开关可由控制器406通过控制信号V15，结合主信道选择开关来操作，以确保当测量信道将能量供应到探针时，测量信道的输出连接到外差接收机，并且当微波信道将能量供应到探针时，微波信道的输出连接到外差接收机。
使用外差接收机来从次信道选择开关442输出的信号提取相位和幅值信息。在此系统中示出了单外差接收机，但是如果需要，可以使用双外差接收机(含有两个本地振荡器和混频器)，以便在信号进入控制器之前将源频率向下混合两次。外差接收机包括本地振荡器444和混频器448，以便将由次信道选择开关442输出的信号向下混合。选择本地振荡器信号的频率，以使得来自混频器448的输出处于适合于接收在控制器406中的中频。提供带通滤波器446、450以保护本地振荡器444和控制器406免受高频率微波信号的影响。
控制器406接收外差接收机的输出，并且从其确定(例如提取)指示微波或测量信道上的正向和/或反射信号的相位和幅值的信息。此信息可以用于控制微波信道上的高功率微波频率EM辐射或RF信道上的高功率RF EM辐射的递送。用户可以通过用户界面452与控制器406交互，如以上所讨论的。
图1所示的RF信道包括连接到栅极驱动器456的RF频率源454，所述栅极驱动器由控制器406通过控制信号V16控制。栅极驱动器456为RF放大器458提供运转信号，所述RF放大器为半桥式布置。所述半桥式布置的漏电压可通过可变DC电源460控制。输出变压器462将产生的RF信号转移到线上以用于递送到探针420。低通、带通、带阻或陷波滤波器464连接在此线上，以保护RF信号发生器免受高频率微波信号的影响。
电流变压器466连接在RF信道上以测量递送到组织负载的电流。分压器468(其可以从输出变压器上分接)用于测量电压。在通过相应的缓冲放大器470、472和电压钳位齐纳二极管474、476、478、480(在图1中示为信号B和C)调节之后，来自分压器468和电流变压器466的输出信号(即，指示电压和电流的电压输出)直接连接到控制器406。
为了得到相位信息，电压和电流信号(B和C)还连接到相位比较器482(例如，EXOR门)，其输出电压由RC电路484整合以产生与介于电压与电流波形之间的相位差成比例的电压输出(在图1中示为A)。此电压输出(信号A)直接连接到控制器406。
微波/测量信道和RF信道连接到信号组合器114，其将两种类型的信号单独或同时沿电缆组件116传送到探针420，所述信号从所述探针上被递送(例如，辐射)到患者的生物组织中。
本发明涉及修改或改进在上面所讨论的装置中的微波信道。
图2示出了根据本发明的实施方案的微波放大器阵容100的系统示意图。放大器阵容100可以用作独立发生器，例如用于仅需要微波能量的情况。替代地，放大器阵容100可以并入到以上讨论的类型的发生器中。放大器阵容100被配置来产生微波频率电磁(EM)能量的高功率脉冲以通过电外科仪器进行递送。
放大器阵容100具有用于产生微波频率EM辐射的微波频率源102，接着是可以通过源信号被外部控制器(未示出)控制的信号调制器104。调制器104将微波源102的连续波输出调制成一系列微波脉冲，这些微波脉冲然后被传递到衰减器106。衰减器106可以是可变衰减器，其也由控制器通过控制信号控制。
微波源102可以输出频率介于5.2GHz与5.9GHz之间，优选为5.8GHz，功率为例如15dBm或32mW的信号。在穿过调制器104和衰减器106之后，此微波信号作为预定长度(诸如100μs)的脉冲列出现，其中占空比为至少10％，例如20％或高达50％。衰减器106可以例如基于仪器本身处的受控功率输出的反馈环路将微波脉冲的功率降低至10dBm或10mW。在一些实施方案中，衰减器106可能不存在。
微波脉冲经受多个放大步骤以增加功率，以便实现对生物组织的有效治疗。驱动放大器108和功率放大器110用于将微波脉冲功率增加至适合作为到放大器模块200(在本文中还被称为放大器回路或高功率放大器单元)的输入的水平，下文针对图3对其进行了更详细的描述。在优选的实施方案中，放大器回路200的输入功率可能是大约56.5dBm或450W。可以选择驱动放大器108和功率放大器110，使得输出功率达到此水平。例如，驱动放大器108可以具有大约30dBm的增益，并且功率放大器可以具有大约16.5dBm的增益。替代地，递送到放大器回路200的微波频率能量的功率可能更低，使得低功率微波信号的基本上所有放大都是由放大器模块200产生的。
图2示出了驱动放大器108和功率放大器110，但是也可以使用任何其他的部件组合以将功率增加至适合作为到放大器回路200的输入的水平。例如，在一些实施方案中，发生器100可以包括四个串联连接的预放大器。
在穿过放大器模块200之后，微波脉冲优选地具有大约63.5dBm或2.2kW的功率。放大器回路200的输出连接到环形器112，环形器112被连接用于将微波能量递送到同轴电缆(未示出)中，以便将微波脉冲发送到电外科仪器或探针中以治疗组织。环形器112产生大约0.5dBm的插入损耗，使得递送到仪器的微波能量的功率为大约63dBm或2kW。
适用于发生器100的放大器模块200的示意图在图3中示出。在一般水平下，放大器回路200包括一系列功率分割器202、204、206，这些功率分割器将微波能量馈送到多个放大器208A-208n，所述多个放大器的输出被组合以产生通过同轴电缆被提供给电外科仪器的单个高功率脉冲微波信号。
来自功率放大器110的微波脉冲被第一功率分割器202分裂为两个信号。例如，第一功率分割器202和放大器回路200中使用的每个功率分割器可以为将输入信号分割为两个相等的输出信号的威尔金森功率分割器(Wilkinson power divider)。
来自第一功率分割器202的每个输出信号用作到第一等级的功率分割器204中的随后的功率分割器的输入，所述第一等级的功率分割器在此实施方案中包含两个进一步的功率分割器。第一等级204中的每个功率分割器的输出信号可以向进一步等级的功率分割器中的每个功率分割器提供输入。所需的功率分割器和功率分割器等级的数目取决于所选择的放大器208A-208n的数目。在一些实施方案中，功率分割器可以将输入信号分裂为多于两个输出，例如功率分割器中的至少一个可以是四向功率分割器。
最后等级的功率分割器206为多个放大器208A-208n提供输入信号。例如，在优选的实施方案中，存在8个放大器208A-208n，但是放大器208A-208n的数目可以根据电外科仪器的所需功率来选择。
每个放大器208可以包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，诸如由Cree(RTM)制造的CGHV9350晶体管。在5.2GHz至5.9GHz范围内的优选微波频率下，每个放大器208可以提供大约10dBm的增益。然而，可以考虑提供必需增益的任何合适的放大器或晶体管。
然后每个放大器208A-208n的输出信号通过一系列等级的功率组合器210、212、214来组合。例如，功率组合器的等级可以反映上面所述的功率分割器。等级210、212和214中的每个功率组合器可以是威尔金森功率组合器，并且可以优选地是双向功率组合器，但是也可以使用四向功率组合器。通过组合每个放大器208A-208n的输出信号，通过放大器回路200产生一系列高功率微波脉冲。这些高功率脉冲例如通过同轴电缆被馈送到电外科仪器或探针以治疗生物组织。
现在将参考图3描述放大器200的特别优选的实施方案，假设输入微波功率为56.5dBm或450W。本发明的优选实施方案包括8个放大器208A-208n，每个放大器具有大约10dBm的增益。本文所述的每个功率分割器将输入信号分裂为两个输出信号(每个输出信号的功率比输入信号的功率低3dBm)，并且被认为产生大约0.5dBm的额外插入损耗。
第一功率分割器202获取具有56.5dBm的功率的输入微波信号，并且将信号分裂在2个分支之间，每个分支具有53dBm的微波功率。第一等级的功率分割器204包含两个功率分割器，使得第一等级的功率分割器204的输出是各自具有49.5dBm的微波能量的4个信号。最后等级206包含4个功率分割器，这4个功率分割器的输出是各自具有46dBm的微波能量的8个信号。这8个信号中的每一个均作为输入提供给相应的放大器208A-208n，该放大器将所接收的微波信号放大至56dBm或大约400W的功率。因此，8个放大器208A-208n的总功率输出为大约3.2kW。
然后8个放大器208A-208n的输出信号通过一系列功率组合器来组合。本文所述的每个功率组合器将2个输入信号组合为1个输出信号，其在大约0.5dBm的插入损耗之前具有比输入信号的功率低3dBm的功率。
8个放大器208A-208n的输出被发送到第一等级的功率组合器210，其包含4个功率组合器。第一等级210的输出是各自具有58.5dBm的微波能量的4个信号。这4个信号作为输入被提供给包含2个功率组合器的第二等级的功率组合器212，产生具有61dBm的微波能量的2个信号。最后的功率组合器214提供放大器回路200的单个输出，其具有大约63.5dBm或2.2kW的微波功率。
通过提供其增益超过如上概述的分裂器损耗的放大器级联，可以获得呈微波EM能量的高功率、短持续时间脉冲列的形式的微波信号。
通过以这种方式在电外科装置中提供放大器模块200，可以以比已知发生器明显更少的时间进行电外科治疗。例如，大约2kJ的能量需要被递送到生物组织中以进行有效的消融治疗。对于以2kW的功率运转的脉冲微波频率能量，如果每个能量脉冲具有100μs的持续时间并且所述装置以50％占空比运转，则生物组织可以在大约2秒内消融。如果占空比降低至20％，则消融需要大约5秒；并且在10％占空比的情况下，消融可能需要大约10秒。
一般而言，减少治疗时间可以使由能量损耗导致的例如沿着将微波信号携带到治疗部位的电缆的长度的不想要的加热效应最小化。通过以短脉冲递送必须的能量，本发明可以进一步减少同轴电缆的变热，因为电缆的热响应不能在脉冲持续时间的时间帧内对功率的幅值做出反应。因此，对于通过电缆传送的给定量的能量，此能量作为一系列短高功率脉冲传输时产生的热损耗可能比其作为较低功率的连续波形传输时产生的热损耗少。
作为本文中存在的能量递送技术的结果，可以使用更小直径的同轴电缆来递送给定的能量载荷，从而允许插入到更小直径的体腔中以进行电外科手术。
信号的脉冲性质还可以帮助避免由于患者身体对由消融或其他治疗所致的变热的反应而引起的灌注和其他自然机制的问题。

Claims (11)

1.一种电外科发生器，其包括放大器阵容，所述放大器阵容包括：
微波信号发生器，其用于产生微波电磁辐射；
调制器，其被布置来使所述微波电磁辐射脉冲化；和
放大器模块，其连接到所述调制器并被布置来增加从其接收到的微波电磁辐射脉冲的功率，所述放大器模块包括：
并联连接的放大器阵列，其中来自所述放大器阵列的输出信号被组合以产生输出微波信号；
功率分割器单元，其被布置来接收来自所述调制器的微波电磁辐射脉冲并且然后将其分裂为针对所述放大器阵列的输入信号；以及
功率组合器单元，其被布置来组合来自所述放大器阵列的所述输出信号；以及馈送结构，其用于将所述输出微波信号传送到探针，
其中所述调制器被配置来使所述输出微波信号包括一系列具有等于或小于20％的占空比的微波脉冲，其中每个微波脉冲具有等于或小于0.1s的持续时间。
2.如权利要求1所述的电外科发生器，其包括连接在所述调制器与所述放大器模块之间的驱动放大器。
3.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述系列的微波脉冲各自具有等于或大于400W的功率。
4.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述系列的微波脉冲各自具有等于或大于2kW的功率。
5.如权利要求1所述的电外科发生器，其中每个微波脉冲具有等于或小于1ms的持续时间。
6.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述放大器阵列包括8个放大器。
7.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述放大器阵列中的每个放大器包括高电子迁移率晶体管。
8.如权利要求7所述的电外科发生器，其中所述晶体管是氮化镓晶体管。
9.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述放大器阵列中的每个放大器具有等于或大于10dBm的增益。
10.如权利要求1所述的电外科发生器，其中来自每个放大器的所述输出信号具有400W的功率。
11.如权利要求1所述的电外科发生器，其中所述馈送结构包括具有等于或小于3mm的直径的同轴电缆。
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