ES2871073T3 - Aparato electroquirúrgico e instrumento electroquirúrgico - Google Patents

Aparato electroquirúrgico e instrumento electroquirúrgico Download PDF

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Abstract

Un instrumento electroquirúrgico para administrar energía electromagnética (EM) de microondas a un tejido biológico, comprendiendo el instrumento: un cable coaxial para transportar energía EM de microondas, teniendo el cable coaxial un conductor interno, un conductor externo y un primer material dieléctrico que separa el conductor interno y el conductor externo; y una porción de punta radiante dispuesta en el extremo distal del cable coaxial para recibir energía EM de microondas desde el cable coaxial, comprendiendo la porción de punta radiante un segundo material dieléctrico diferente del primer material dieléctrico, en donde la porción de punta radiante tiene una longitud eléctrica seleccionada, junto con sus propiedades dieléctricas a tres o más frecuencias de energía EM de microondas, para soportar la resonancia a las tres o más frecuencias de energía EM de microondas, en donde la punta radiante está configurada para suministrar la energía EM de microondas a las tres o más frecuencias de manera alterna o simultánea, en donde las tres o más frecuencias de energía EM de microondas comprenden una primera frecuencia, una segunda frecuencia que es más baja que la primera frecuencia y una tercera frecuencia que es más baja que la primera frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el segundo material dieléctrico tiene una longitud aproximadamente igual a: 2,5 longitudes de onda de la energía EM de microondas a la primera frecuencia en el segundo material dieléctrico; una longitud de onda de la energía EM de microondas a la segunda frecuencia en el segundo material dieléctrico; y la mitad de una longitud de onda de la energía EM de microondas a la tercera frecuencia en el segundo material dieléctrico.

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato electroquirúrgico e instrumento electroquirúrgico
Campo técnico
La presente solicitud se refiere a un aparato electroquirúrgico para suministrar energía electromagnética (EM) al tejido biológico a múltiples frecuencias. En particular, la solicitud se refiere a un instrumento electroquirúrgico para la inserción no invasiva o percutánea en una ubicación de tratamiento, que está configurado para el suministro eficiente de energía EM al tejido a múltiples frecuencias de microondas.
Antecedentes de la invención
Se conocen dispositivos y aparatos electroquirúrgicos para suministrar energía EM a tejidos corporales.
Normalmente, el aparato para administrar energía EM al tejido corporal comprende un generador que comprende una fuente de energía EM y un instrumento electroquirúrgico conectado al generador para administrar la energía al tejido.
Se ha descubierto que la energía EM, y en particular la energía de microondas y de radiofrecuencia (RF), resulta útil en operaciones electroquirúrgicas por su capacidad para cortar, coagular y extirpar el tejido corporal.
Asimismo, se conoce el uso de sondas emisoras de microondas para tratar diversas afecciones de los pulmones. Por ejemplo, se puede usar la radiación de microondas para tratar el asma y extirpar tumores o lesiones de los pulmones.
En este contexto, se hace referencia al documento de US 2015/196353 A1.
Sumario de la invención
La invención se define en el conjunto de reivindicaciones adjuntas. En su forma más general, la presente invención proporciona un instrumento electroquirúrgico capaz de soportar la resonancia de energía electromagnética (EM) de microondas a múltiples frecuencias, p. ej. tres o más frecuencias superiores a 1 GHz. Al proporcionar un único dispositivo que puede acoplar eficazmente la energía de microondas al tejido biológico a tres o más frecuencias, se puede efectuar rápidamente y con precisión la ablación de tejido.
De acuerdo con la invención, se puede proporcionar un instrumento electroquirúrgico para administrar energía electromagnética (EM) de microondas al tejido biológico, comprendiendo el instrumento: un cable coaxial para transportar energía EM de microondas, teniendo el cable coaxial un conductor interno, un conductor externo, y un primer material dieléctrico que separa el conductor interno y el conductor externo; y una porción de punta radiante dispuesta en el extremo distal del cable coaxial para recibir energía EM de microondas desde el cable coaxial, comprendiendo la porción de punta radiante un segundo material dieléctrico diferente del primer material dieléctrico, en donde la porción de punta radiante tiene una longitud eléctrica seleccionada, junto con sus propiedades dieléctricas a tres o más frecuencias de energía EM de microondas, para soportar la resonancia a las tres o más frecuencias de energía EM de microondas. La invención funciona utilizando el principio de que diferentes frecuencias de energía EM de microondas penetran en el tejido biológico a diferentes profundidades y, en particular, que las frecuencias de energía EM más altas dan como resultado un calentamiento más rápido y localizado del tejido corporal. Las técnicas convencionales de ablación de tejido tienden a usar frecuencias que calientan un volumen mayor de tejido corporal, pero requieren un período de tiempo más largo para producir el aumento de temperatura deseado. Por lo tanto, parece existir un equilibrio necesario entre el tamaño de la ablación y la velocidad del tratamiento.
El mecanismo normal por el cual se transfiere la energía al tejido biológico a frecuencias de microondas (es decir, superiores a 1 GHz) es el calentamiento dieléctrico, donde la energía EM de microondas estimula oscilaciones moleculares en el tejido. Normalmente, el tejido biológico adyacente a la zona de calentamiento dieléctrico también experimenta un aumento de temperatura. El mecanismo para ello es la conducción, es decir, la energía térmica que se disipa desde la zona de calentamiento dieléctrico. Los inventores han observado que una combinación de estos dos mecanismos de calentamiento, a una pluralidad de frecuencias, puede permitir que la energía EM de microondas provoque un aumento de temperatura en una zona de tratamiento más grande que la asociada normalmente a las frecuencias de energía de microondas. Además, el calentamiento de esta zona se puede lograr en un marco de tiempo más corto de lo que es posible si se usa una energía EM menor (que no sea de microondas). La técnica de tratamiento de la invención utiliza una pluralidad de frecuencias en parte para adaptarse a los cambios de las propiedades físicas y dieléctricas del tejido biológico provocados por el calentamiento. En particular, los cambios de las propiedades dieléctricas pueden afectar a la igualación de las impedancias relativas entre la porción de punta radiante, el cable coaxial y el tejido. Se puede mejorar la eficiencia de la administración de energía al tejido biológico a frecuencias más bajas calentando primero el tejido a una frecuencia más alta.
En el presente documento, la referencia a energía EM de microondas significa una energía electromagnética que tenga una frecuencia mayor de 1 GHz, por ejemplo en el intervalo de 1 GHz a 300 GHz. Las frecuencias preferidas son 2,45 GHz, 5,8 GHz y 14,5 GHz, ya que es sabido que producen efectos de calentamiento particularmente deseables para la ablación de tumores, especialmente tumores pulmonares. Estas tres frecuencias en combinación pueden proporcionar efectos de calentamiento eficaces en el tratamiento de hemorroides y/o fístulas, por lo que se prevé que la presente invención pueda usarse adicionalmente para tratar hemorroides y fístulas.
Las frecuencias a las que la porción de punta radiante soporta la resonancia pueden no estar limitadas a las tres frecuencias citadas anteriormente. Por ejemplo, la porción de punta radiante puede soportar la resonancia a cuatro frecuencias. Preferentemente, la porción de punta radiante puede soportar la resonancia a cinco frecuencias. Más preferentemente, la porción de punta radiante puede soportar la resonancia a seis frecuencias.
Ventajosamente, la porción de punta radiante puede soportar adicionalmente la administración de energía a otras frecuencias, p. ej. 433 MHz y/o 915 MHz. También es sabido que estas frecuencias son particularmente eficaces para la ablación de tumores pulmonares y para el tratamiento de hemorroides y/o fístulas.
Se conoce el uso de energía EM de radiofrecuencia (RF) para calentar el tejido por calentamiento resistivo para producir efectos terapéuticos deseados. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el instrumento electroquirúrgico puede estar dispuesto adicionalmente para suministrar energía EM de RF, p. ej. con una frecuencia de entre 3 kHz y 300 MHz. Para ayudar a la administración de energía de RF al tejido, el punto más distal del conductor interno puede extenderse más allá del punto más distal del segundo material dieléctrico, p. ej. de manera que el punto más distal de la porción de punta radiante comprenda una porción expuesta del conductor interno. Ventajosamente, la porción de punta radiante puede soportar adicionalmente la administración de energía a una frecuencia de 400 kHz. También es sabido que esta frecuencia es particularmente eficaz para la ablación de tumores pulmonares y para el tratamiento de hemorroides y/o fístulas.
Cabe señalar que el extremo distal del cable coaxial, a los efectos de la presente solicitud, se define como distal con respecto a un generador hipotético que suministrase la energía EM al cable coaxial, es decir distal con respecto a un extremo del cable coaxial que esté configurado para recibir energía EM desde un generador.
A los efectos de la presente solicitud, la resonancia se define como una situación en la que la magnitud de la potencia reflejada en la porción de punta radiante (es decir, la potencia reflejada S11 medida en un extremo proximal del cable coaxial) es de -10 dB o mejor. Preferentemente, la potencia reflejada en la porción de punta radiante es de -12 dB o mejor. Más preferentemente, la potencia reflejada en la porción de punta radiante es de -15 dB o mejor. Al proporcionar una porción de punta radiante distal capaz de soportar la resonancia a frecuencias múltiples, la energía se suministra al tejido de manera efectiva.
La resonancia se produce cuando la longitud de una cavidad en la que oscila una onda es aproximadamente igual a un múltiplo semientero de la longitud de onda de la onda, lo que permite que exista una onda estacionaria con un nodo de desplazamiento en cada extremo de la cavidad. Por lo tanto, al tener un segundo material dieléctrico en la porción de punta radiante que sea diferente del primer material dieléctrico del cable coaxial, la interfaz entre el primer dieléctrico y el segundo dieléctrico proporciona un límite bien definido en donde puede existir un nodo de desplazamiento, de tal manera que el segundo material dieléctrico puede considerarse como una cavidad en la que se puede soportar la resonancia. En consecuencia, es posible elegir las frecuencias a las que resuene la porción de punta radiante seleccionando una longitud física L del segundo material dieléctrico que cumpla sustancialmente con la expresión
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donde n es un número entero positivo y A es una longitud de onda de energía EM de microondas que se propaga en el segundo material dieléctrico a una de las tres o más frecuencias de energía EM de microondas. La selección de una longitud apropiada del segundo material dieléctrico, es decir de modo que cumpla con esta expresión a cada una de las tres o más frecuencias, puede no ser trivial. Esto se debe a que la longitud de onda (A) de la energía EM en la porción de punta radiante depende a su vez de diversos factores, que incluyen: frecuencia de la energía, permeabilidad magnética dependiente de la frecuencia de la porción de punta radiante, permitividad dieléctrica dependiente de la frecuencia de la porción de punta radiante, geometría de la porción de punta radiante y material en donde se inserta el extremo.
El segundo material dieléctrico puede tener una longitud aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda (es decir, n = 1) en el segundo material dieléctrico a 2,45 GHz, aproximadamente igual a una longitud de onda (es decir, n = 2) en el segundo material dieléctrico a 5,8 GHz, y aproximadamente igual a 2,5 longitudes de onda (es decir, n = 5) en el segundo material dieléctrico a 14,5 GHz.
En la práctica, el segundo material dieléctrico puede tener una longitud que difiera de la longitud definida en la ecuación anterior hasta en un 10 %. Preferentemente, la longitud solo difiere de la longitud definida anteriormente hasta en un 5 %.
El segundo material dieléctrico puede comprender una sonda alargada que se extiende distalmente desde el cable coaxial, teniendo la sonda una forma cilíndrica con un diámetro igual o menor que el diámetro del cable coaxial. El segundo material dieléctrico puede tener una impedancia más baja que el primer material dieléctrico a cada una de las tres o más frecuencias de energía EM de microondas. Además, el segundo material dieléctrico puede tener una impedancia que se encuentre entre la impedancia del cable (normalmente 50 O) y la impedancia del tejido en donde se inserte el extremo (normalmente mucho menor de 50 O para el tejido corporal). La porción de punta radiante puede tener entonces una geometría seleccionada para que sirva como transformador de impedancia, así como también como soporte de resonancia, para promover el suministro de energía al tejido. En particular, la porción de punta radiante puede formar un transformador de impedancia en la dirección radial (es decir, la dirección que se extiende radialmente desde el conductor interno).
El segundo material dieléctrico puede ser un material dieléctrico de cerámica, p. ej. que presente una baja pérdida a las tres o más frecuencias de microondas. Preferentemente, puede estar fabricado con cerámica Macor®. Al proporcionar un material cerámico (rígido), el instrumento puede ser particularmente adecuado para la inserción percutánea en el cuerpo (es decir, la inserción en el cuerpo humano a través de una incisión). La cerámica Macor® es particularmente deseable porque tiene una baja impedancia; no es porosa y es químicamente inerte (lo que la hace biocompatible).
Por el contrario, el primer material dieléctrico puede ser PTFE. Cuando el primer y segundo materiales dieléctricos son respectivamente PTFE y cerámica Macor®, la porción de punta radiante forma un transformador de impedancia efectivo, debido al bajo valor de impedancia de la cerámica Macor® en relación con el PTFE. De este modo se mejora adicionalmente el suministro de energía EM al tejido.
El extremo distal de la porción de punta radiante puede estar ahusado para formar una terminación puntiaguda, a fin de mejorar el acceso percutáneo al tejido corporal. Preferentemente, puede estar ahusado para formar una terminación afilada. El hecho de contar con un extremo afilado/ahusado ayuda adicionalmente a la inserción percutánea en el cuerpo.
Alternativamente, el cable coaxial y la porción de punta radiante pueden estar dimensionados de manera que permitan el acceso no percutáneo al tejido corporal, p. ej. a través de un orificio natural del cuerpo de un paciente. En realizaciones en las que el instrumento se use de forma no percutánea, el extremo distal de la porción de punta radiante puede ser redondeado, es decir, para evitar perforar una vía respiratoria u otro conducto natural del cuerpo por el que deba pasar el instrumento.
El cable coaxial y la porción de punta radiante pueden estar configurados para poderse insertar a través del canal para instrumentos de un broncoscopio o endoscopio. En particular, el cable coaxial será preferiblemente flexible en tales realizaciones, para ayudar a su inserción p. ej. en una vía respiratoria.
El conductor externo puede extenderse más allá del extremo distal del primer material dieléctrico para encerrar una porción proximal del segundo material dieléctrico. Esto puede influir en la forma del campo emitido. Por lo tanto, puede controlarse el patrón de ablación cambiando simplemente la frecuencia de la energía entregada al instrumento, es decir, utilizando un generador capaz de suministrar energía al instrumento a múltiples frecuencias, de acuerdo con un perfil de administración de energía seleccionable.
El conductor interno del cable coaxial puede extenderse más allá del punto más distal del conductor externo, más allá del punto más distal del primer material dieléctrico, y hacia el punto más distal de la porción radiante. Además, el conductor interno puede penetrar en el segundo material dieléctrico y extenderse hacia el extremo más distal del material dieléctrico. Una porción de punta radiante que tenga esta estructura irradia como una antena dipolo, promoviendo así la radiación de energía radialmente desde la porción de punta radiante para una ablación profunda. Los puntos más distales del primer material dieléctrico, del conductor externo y de la porción de punta radiante se definen de la misma forma que el extremo distal del cable coaxial, es decir, con relación a un generador hipotético que suministrase la energía Em al instrumento.
Preferentemente, el conductor interno no se extiende más allá del punto más distal del segundo material dieléctrico, y no está expuesto en ningún sitio a lo largo de la porción de punta radiante.
El diámetro externo de la porción de punta radiante puede ser sustancialmente igual al diámetro externo del cable coaxial. La porción del segundo material dieléctrico que está recubierta por el conductor externo puede de hecho tener un diámetro externo igual al diámetro interno del conductor externo, p. ej. para facilitar la fabricación y para un buen sellado que evite la entrada de fluidos por el extremo del instrumento.
El conductor externo puede recubrir el segundo material dieléctrico sobre al menos la mitad de la longitud del segundo material dieléctrico. Preferentemente, el conductor externo puede recubrir el segundo dieléctrico hasta en tres cuartos de su longitud. Al tener el segundo material dieléctrico así recubierto, se produce un efecto de formación de campo, de modo que el patrón/forma de la ablación producida por la porción de punta radiante se concentra hacia el extremo distal de la porción de punta radiante a las frecuencias más altas.
Los inventores también han descubierto que la porción de la porción de punta radiante en la que el segundo material dieléctrico está recubierto por el conductor externo actúa como un transformador de impedancia entre el cable coaxial y el extremo distal de la porción de punta radiante, lo cual mejora adicionalmente la administración de la energía EM al tejido.
En algunas realizaciones, el cable coaxial puede tener un lumen hueco que lo atraviesa, es decir, que corre paralelo al eje longitudinal del cable coaxial. Tal lumen hueco puede usarse para suministrar y/o eliminar fluido del espacio que rodea la porción de punta radiante.
En otro aspecto, se proporciona un aparato electroquirúrgico para administrar energía electromagnética (EM) de microondas al tejido biológico, comprendiendo el aparato: un generador dispuesto para generar energía EM de microondas a tres o más frecuencias diferentes; y un instrumento electroquirúrgico tal como se ha expuesto anteriormente, en donde el cable coaxial tiene un extremo proximal conectado al generador para recibir energía EM de microondas desde el mismo.
El generador puede comprender tres o más fuentes independientes de microondas para generar energía EM de microondas a una respectiva de las tres o más frecuencias diferentes. El generador puede comprender adicionalmente un combinador de señales dispuesto para transportar cada señal por una ruta de señal común que está conectada al cable coaxial. El combinador de señales puede ser un multiplexor. El multiplexor puede funcionar como una unidad de conmutación para seleccionar una señal que será transportada por la ruta de señal común. Alternativa o adicionalmente, el multiplexor puede funcionar para transmitir dos o más de las señales por la ruta de señal común de una manera simultánea o cuasi simultánea. Por ejemplo, el multiplexor puede ser un multiplexor de dominio de tiempo o un multiplexor de filtro.
El aparato puede incluir un dispositivo quirúrgico endoscópico (p. ej. un broncoscopio o similar) que tiene un cable de instrumento flexible para su inserción no invasiva hasta una ubicación de tratamiento, en donde el cable de instrumento incluye un canal de instrumento, y en donde el instrumento electroquirúrgico está dimensionado para poderse insertar en el canal de instrumento.
El generador puede funcionar para administrar energía EM de microondas a las tres o más frecuencias diferentes de acuerdo con un perfil de administración de energía predeterminado. El perfil de administración de energía puede seleccionarse de acuerdo con la profundidad de ablación deseada y/o la forma deseada para la zona de ablación. En algunas realizaciones, el perfil de administración de energía puede seleccionarse basándose en una propiedad medida de la energía reflejada desde la porción de punta radiante.
En un ejemplo, el generador puede funcionar bajo el perfil de administración de energía predeterminado para: suministrar una primera señal durante un primer período de ablación, comprendiendo la primera señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente una primera frecuencia; suministrar una segunda señal durante un segundo período de ablación, comprendiendo la segunda señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente una segunda frecuencia inferior a la primera frecuencia; suministrar una tercera señal durante un tercer período de ablación, comprendiendo la tercera señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente una tercera frecuencia inferior a la primera frecuencia y a la segunda frecuencia. El generador puede conmutar o alternar entre los tres períodos. En particular, la energía puede alternar (rápidamente) entre las tres frecuencias. Alternativamente, se puede suministrar la energía a las tres frecuencias simultáneamente.
La segunda frecuencia puede ser menos de la mitad de la primera frecuencia. La tercera frecuencia puede ser menos de la mitad de la segunda frecuencia. Por ejemplo, la primera frecuencia es de 14,5 GHz, la segunda frecuencia es de 5,8 GHz y la tercera frecuencia es de 2,45 GHz.
Al suministrar la energía EM utilizando los perfiles de administración descritos anteriormente, puede utilizarse el efecto de calentamiento rápido y localizado a 14,5 GHz para extirpar rápidamente el tejido cercano a la porción de punta radiante. Una vez que se ha extirpado adecuadamente este tejido, p. ej. después de transcurrido el tiempo predeterminado, la energía a frecuencias más bajas puede entonces ampliar la zona de ablación, aprovechando la mejor adaptación dieléctrica entre la porción de punta radiante y el tejido. Por lo tanto, el tiempo para calentar la zona de ablación mayor se reduce en comparación con el tiempo que habría llevado operando solo a la primera frecuencia.
Una ventaja adicional de calentar de acuerdo con un perfil alternado, es que los efectos de calentamiento en el cable coaxial (que son más pronunciados a 14,5 GHz) no dan lugar a un aumento de temperatura significativo del cable coaxial, debido a que los períodos de tiempo durante los cuales se suministra energía a las frecuencias más bajas permiten la disipación de cualquier efecto de calentamiento localizado a lo largo del cable.
El generador puede estar configurado para administrar pulsos de energía de microondas al tiempo del ciclo respiratorio de un paciente. Por lo tanto, se puede suministrar energía cuando los pulmones están desinflados, para proporcionar una mejor igualación de impedancias relativas entre el cable coaxial, la porción de punta radiante y el tejido.
El generador puede incluir un detector dispuesto para detectar la energía reflejada devuelta por el cable coaxial, y el generador está dispuesto para conmutar entre un período de ablación y el siguiente periodo de ablación basándose en la potencia reflejada detectada.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se tratan en detalle ejemplos de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un aparato electroquirúrgico que es una realización de la presente invención;
La Fig. 2 es una vista en sección transversal de la porción de punta radiante de un instrumento electroquirúrgico que es una realización de la presente invención;
La Fig. 3 es un gráfico simulado que muestra la densidad de absorción de potencia de radiación a 2,45 GHz para el instrumento de la Fig. 2 insertado en albúmina;
La Fig. 4 es un gráfico simulado que muestra la densidad de absorción de potencia de radiación a 5,8 GHz para el instrumento de la Fig. 2 insertado en albúmina;
La Fig. 5 es un gráfico simulado que muestra la densidad de absorción de potencia de radiación a 14,5 GHz para el instrumento de la Fig. 2 insertado en albúmina;
La Fig. 6 es un gráfico que muestra una característica de resonancia simulada S11 del instrumento de la Fig. 2 en un intervalo de frecuencias.
Descripción detallada; otras opciones y preferencias
La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un aparato electroquirúrgico 100 que es una realización de la invención. El aparato 100 es operable para suministrar selectivamente una energía EM que tiene una pluralidad de frecuencias al tejido biológico en una ubicación de tratamiento de una manera localizada. El aparato 100 comprende un generador 102 para generar una energía EM que tiene una pluralidad de frecuencias. El generador 102 tiene un puerto de salida 120 al que está conectado un cable coaxial 104. El cable coaxial 104 transporta la energía EM desde el generador 102 hasta un instrumento electroquirúrgico 118. En la presente realización, el cable coaxial 104 se inserta a través de un canal de instrumentos que hay dentro de un cable de inserción 106 de un broncoscopio 114. El cable de inserción 106 es un vástago flexible y orientable capaz de una inserción no invasiva en los pulmones de un paciente. Por lo tanto, la presente realización permite una inserción no percutánea del instrumento 118. Sin embargo, en otras realizaciones el instrumento 118 puede tener un extremo distal configurado para su inserción percutánea, es decir para acceder al tejido pulmonar a través de una incisión realizada en el cuerpo de un paciente. En dicho ejemplo, el instrumento se puede insertar en el tejido directamente o mediante un catéter adecuado.
El generador 102 comprende tres fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes. Cada una de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes genera una señal que tiene una frecuencia diferente. En este ejemplo, las frecuencias son 2,45 GHz, 5,8 GHz y 14,5 GHz. Cada una de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes puede incluir un correspondiente amplificador de potencia para amplificar la respectiva señal a un nivel de potencia adecuado para su uso.
En algunas realizaciones, las tres fuentes pueden estar integradas en un único componente, por ejemplo un dispositivo de potencia GaN. El uso de un dispositivo de potencia GaN, tal como un dispositivo GaN de tipo transistor de alta movilidad de electrones (HEMT), permite miniaturizar la configuración del generador. Por otro lado, el uso de fuentes independientes puede ser más económico en algunas circunstancias.
El generador 102 incluye un multiplexor 124 conectado para recibir una señal de salida de cada una de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes. El multiplexor 124 sirve para transferir las señales independientes a una ruta de salida común 125, que está conectada al puerto de salida 120. El multiplexor 124 puede conmutar entre las salidas de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes, o puede combinar dos o más de las salidas para que se transmitan simultáneamente. El multiplexor 124 puede servir tanto de conmutador como de combinador de señales.
El generador 102 incluye un controlador 126 conectado operativamente al multiplexor 124 y a cada una de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes. El controlador 126 puede controlar el funcionamiento del generador 102 para dar salida a una señal deseada. Como se analiza a continuación, una señal de salida deseada puede tener un formato o perfil predeterminado, p. ej. dependiendo de la naturaleza (p. ej. forma o tamaño) de la ubicación de tratamiento. El controlador 126 puede servir para suministrar energía EM de acuerdo con uno o más perfiles de suministro. Un usuario puede seleccionar un perfil deseado de entre una pluralidad de perfiles almacenados, p. ej. a través de una interfaz de usuario 128 asociada al generador 102. Por ejemplo, el generador puede configurarse de manera similar al documento WO2012/076844, que describe un aparato electroquirúrgico en donde se administra al tejido energía de microondas y RF a través del mismo instrumento, de acuerdo con un perfil de administración de energía que puede fijarse y controlarse automáticamente basándose en información retroalimentada.
La interfaz de usuario 128 puede incluir una pantalla 130 para mostrar el perfil seleccionado y/o una etapa o tratamiento, o propiedades del tejido que esté siendo tratado.
Cuando el multiplexor 124 funciona como una unidad de conmutación, el generador 102 es capaz de conmutar la energía suministrada al instrumento entre las tres frecuencias, de acuerdo con un perfil de administración de energía deseado. Por ejemplo, el conmutador puede seleccionar primero la fuente de 14,5 GHz, de modo que la energía se administre a 14,5 GHz, luego conmutar a la fuente de 5,8 GHz, de modo que la energía se administre a 5,8 GHz, y luego conmutar a la fuente de 2,45 GHz, de modo que la energía se administre a 2,45 GHz.
El multiplexor 124 puede ser un multiplexor de dominio de tiempo. En este caso, el multiplexor puede alternar rápidamente la energía suministrada al instrumento entre las tres frecuencias, de acuerdo con un perfil de administración de energía deseado. Alternativamente, el multiplexor 124 puede ser un multiplexor de filtro, por lo que puede suministrar las tres frecuencias al instrumento simultáneamente, es decir, de acuerdo con un perfil de administración de energía que tenga una relación de mezcla deseada.
Por lo tanto, el perfil de administración de energía con el que se administra la energía puede ser controlado por una combinación de controlar el estado de funcionamiento del multiplexor 124 y la salida de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes.
En algunas realizaciones, el generador 102 puede incluir uno o más detectores de señales reflejadas dispuestos para medir la potencia reflejada que retorna desde el instrumento 118, es decir, desde la porción de punta radiante 204 del instrumento. Al comparar la señal reflejada con una señal enviada desde el generador a la porción de punta radiante, el generador puede determinar las propiedades dieléctricas del material (p. ej. tejido biológico) en contacto con el instrumento 118. El controlador puede ajustar el funcionamiento del multiplexor 124 y las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes basándose en la potencia reflejada detectada. Por lo tanto, el generador 102 puede controlar dinámicamente la administración de energía basándose en las propiedades dieléctricas detectadas del tejido que se esté tratando.
El aparato 100 puede incluir adicionalmente una red de sintonización (no representada), entre el generador de señal 102 y la porción de punta radiante 118, para ayudar a garantizar una buena igualación de impedancia con el tejido según cambia la carga del tejido. Por ejemplo, se puede utilizar un sintonizador de triple equilibrador reactivo (triple stub). Cuando se incluye un sintonizador entre el generador 102 y la porción de punta radiante 118, la administración de energía al tejido puede mejorarse adicionalmente asegurando que la porción de punta radiante tenga una buena igualación de impedancias con el tejido en la mitad del intervalo de sintonización.
La Fig. 2 muestra una vista en sección transversal a través de una porción distal del instrumento electroquirúrgico 118. El instrumento 118 comprende un cable coaxial 202 (que puede ser el mismo que el cable coaxial 104 que está conectado al generador 102) y una porción de punta radiante 204 ubicada en el extremo distal del cable coaxial 202 y que se extiende distalmente desde el mismo.
El cable coaxial 202 comprende un conductor interno 206, un conductor externo 208 y un primer material dieléctrico 210 para aislar eléctricamente los conductores interno y externo uno de otro. El conductor externo 208 también puede estar enfundado en un manguito protector (no representado) para evitar el contacto eléctrico entre el conductor externo y el tejido de un paciente. La funda es un material biocompatible, tal como PTFE. Un cable coaxial normal para su uso en la presente invención tiene una impedancia de 50 O.
Para que el instrumento sea adecuado para su inserción en un paciente en los procedimientos quirúrgicos, el diámetro exterior del cable debe ser inferior a 5 mm. En realizaciones en las que el instrumento pasa por el canal de instrumentos de un broncoscopio 114, el diámetro exterior del cable coaxial debe ser menor de 1,5 mm, por ejemplo menor de 1,2 mm. El cable coaxial tiene una longitud suficiente para que pueda insertarse en el cuerpo de un paciente. Normalmente, tendrá una longitud de 1 m o más, pero no está limitado a dicha longitud.
En la presente solicitud, a menos que se indique lo contrario, la longitud de un componente se refiere a su dimensión en la dirección a lo largo de (es decir, paralela a) el eje longitudinal del cable coaxial.
La porción de punta radiante 204 de la presente realización consiste en un segundo material dieléctrico 212 que es diferente del primer material dieléctrico 210. El segundo material dieléctrico 212 puede ser una estructura de sonda alargada, p. ej. que tenga una forma generalmente cilíndrica. Puede tener un extremo distal ahusado, abovedado o puntiagudo. Una forma cilíndrica es ventajosa para su uso en operaciones quirúrgicas. La forma puntiaguda del segundo dieléctrico puede ayudar a la inserción percutánea en el cuerpo.
El segundo material dieléctrico 212 puede estar en contacto con el extremo distal del primer material dieléctrico 210. Alternativamente, el segundo dieléctrico 212 puede estar separado del primer material dieléctrico por un collarín 214 fabricado con un tercer material dieléctrico que es diferente tanto del primer como del segundo materiales dieléctricos. El tercer dieléctrico de la presente realización es un espacio de aire de 1 mm entre el primer y el segundo materiales dieléctricos. El espacio de aire deja sitio para la dilatación térmica de los componentes constituyentes del instrumento, sin provocar tensiones internas en el cable o en la porción de punta radiante que de otro modo podrían dañar el instrumento. Además, al tener un espacio de 1 mm, que es mayor que los cambios de dimensiones esperados de los componentes del cable coaxial, las fluctuaciones de tamaño del espacio de aire son despreciables, y las resonancias en la porción de punta radiante no se ven particularmente afectadas por tales fluctuaciones.
El segundo dieléctrico 212 tiene una impedancia que se selecciona para que se iguale estrechamente a la impedancia del tejido pulmonar a las frecuencias de la energía EM de microondas emitida por las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes. Por ejemplo, el segundo dieléctrico puede estar fabricado con cerámica Macor®, que también es rígida para ayudar adicionalmente a la inserción percutánea en el cuerpo. Por las razones ya explicadas anteriormente, la cerámica Macor® se elige por tener una impedancia situada entre la del cable coaxial y la del tejido al cual debe suministrar energía la porción de punta radiante. Esto ayuda a reducir las reflejos en la porción de punta radiante y, por lo tanto, promueve la administración de la energía.
El conductor externo 208 se extiende más allá del extremo distal del primer material dieléctrico 210, por lo que recubre una porción proximal del segundo material dieléctrico 212. El segundo dieléctrico 212 se puede fijar al cable coaxial 202 de esta manera, p. ej. con o sin medios de fijación adicionales, tales como pegado o similares. La presencia del conductor externo 208 a lo largo de la superficie externa del segundo material dieléctrico puede afectar a la forma del campo emitido por la porción de punta radiante. En particular, el campo emitido puede tener una forma que se dirige distalmente desde el extremo distal del cable coaxial. El efecto direccional puede ser más pronunciado para las frecuencias más altas.
Más allá del extremo distal del conductor externo 208, el segundo material dieléctrico 212 está expuesto. El conductor interno 206 se extiende por dentro del segundo material dieléctrico hasta más allá del extremo distal del primer material dieléctrico 210 y hasta más allá del extremo distal del conductor externo 208 para formar una antena dipolo coaxial en la porción de punta radiante. El conductor interno 206 puede terminar dentro del segundo material dieléctrico 212, p. ej. justo antes del extremo distal del mismo.
El segundo material dieléctrico 212 tiene una longitud seleccionada para permitir que la porción de punta radiante 204 pueda soportar la resonancia a 2,45 GHz, 5,8 GHz y 14,5 GHz cuando la porción de punta radiante esté insertada en el tejido corporal, lo que maximiza la energía administrada al tejido corporal (véase más adelante la longitud que se usa en el presente ejemplo).
La longitud del segundo material dieléctrico 212 se selecciona, en combinación con sus propiedades dieléctricas a la pluralidad de frecuencias de la energía de microondas que se vaya a irradiar, de manera que cumpla con la ecuación:
Figure imgf000008_0001
donde L es la longitud del segundo material dieléctrico, n es un número entero positivo y A es la longitud de onda de la energía que se propaga en el segundo material dieléctrico a la pluralidad de frecuencias. La longitud de onda que se propaga en el segundo material dieléctrico depende de la frecuencia según lo siguiente:
Figure imgf000008_0002
donde c es la velocidad de la luz en el vacío, j r(f) es la permeabilidad magnética relativa dependiente de la frecuencia de la porción de punta radiante, y &{f) es la permitividad dieléctrica relativa dependiente de la frecuencia del segundo material dieléctrico. La dependencia de la frecuencia de la permitividad dieléctrica y la permeabilidad magnética se pueden controlar hasta cierto punto seleccionando un material dieléctrico 212 adecuado para la porción de punta radiante. En los intervalos de frecuencia a los que se refiere la presente realización, la permitividad eléctrica de la cerámica Macor® es aproximadamente constante, aunque la permitividad dependiente de la frecuencia puede tener un cierto peso en intervalos de frecuencia más grandes. La pérdida dieléctrica (es decir, la tangente de pérdidas) de la cerámica Macor® también es aproximadamente constante en los intervalos de frecuencia a los que se refiere la presente realización.
Por lo tanto, la longitud del segundo material dieléctrico 212 se debe seleccionar teniendo en cuenta el material en donde vaya a ser insertada la porción de punta radiante y las propiedades magnéticas y dieléctricas dependientes de la frecuencia del segundo material dieléctrico, de tal manera que se cumpla la siguiente ecuación:
nc 1
l ~ Z f j l l r ( f ) E r í f )
Para la cerámica Macor® insertada en el tejido pulmonar y alimentada con energía a 2,45 GHz, 5,8 GHz, y 14,5 GHz, la ecuación se cumple con un segundo material dieléctrico 212 de 14,1 mm de longitud axial total (de los que 10 mm corresponden a la longitud axial de la sección paralela 218 y 4,1 mm corresponden a la longitud axial de la porción de punta curvada 220, y donde el conductor externo 208 recubre el segundo dieléctrico 212 durante los primeros 9 mm de la sección paralela), de modo que la porción de punta radiante 204 admite la resonancia a estas frecuencias.
A los efectos de la presente solicitud, la dirección axial es la dirección longitudinal del cable coaxial.
Se puede observar a partir de la ecuación anterior que, al elegir un segundo material dieléctrico 212 con una constante dieléctrica grande (definida como la relación de la permitividad relativa de un material con respecto a la permitividad en el espacio libre), la longitud de la porción de punta radiante 204 puede ser pequeña.
Las Figs. 3 a 5 son unos gráficos simulados que muestran la densidad de absorción de potencia de radiación a 2,45 GHz, 5,8 GHz y 14,5 GHz, respectivamente, para la porción de punta radiante 204 cuando se inserta en albúmina. Estas simulaciones ilustran los diferentes tamaños y formas de los campos emitidos por la porción de punta radiante a las diversas frecuencias.
Es sabido que la profundidad de penetración de la radiación depende de la frecuencia. La siguiente Tabla 1 muestra cómo varía la profundidad de ablación (denominada en la tabla profundidad de piel) para las frecuencias de las fuentes de microondas 122a, 122b, 122c independientes.
Figure imgf000009_0001
Tabla 1 - Profundidad de piel (en unidades arbitrarias) a cuatro diferentes frecuencias (GHz)
La Fig. 3 muestra la forma del campo simulado para 2,45 GHz. El campo se extiende radialmente alejándose de las superficies laterales de la parte expuesta del segundo material dieléctrico. La Fig. 4 muestra la forma del campo simulado para 5,8 GHz. Como se esperaba, el tamaño radial del campo es mucho menor que el de 2,45 GHz. Sin embargo, la porción distal del campo se extiende radialmente más allá que la porción proximal. La Fig. 5 muestra la forma del campo simulado para 14,5 GHz. De nuevo, como era de esperar, el tamaño radial del campo es mucho menor que para 2,45 GHz y 5,8 GHz. Prácticamente no se prevé ningún campo en las inmediaciones de las superficies laterales de la parte expuesta del segundo material dieléctrico.
Los tamaños y formas de los campos descritos anteriormente pueden combinarse provechosamente en determinados perfiles de administración.
Por ejemplo, en un primer perfil, la energía se suministra inicialmente a 14,5 GHz únicamente, con el fin de provocar un calentamiento rápido del tejido cercano a la porción de punta radiante. Después de que haya transcurrido un período de tiempo predeterminado, es decir, después de que el tejido se haya calentado en la medida deseada, el generador 102 conmuta para suministrar energía a 5,8 GHz, es decir, para calentar el tejido ligeramente más alejado. Ventajosamente, debido a que las propiedades dieléctricas del tejido adyacente a la porción de punta radiante han cambiado debido al calentamiento a 14,5 GHz, se mejora adicionalmente el acoplamiento de la energía EM al tejido a 5,8 GHz, de modo que el calentamiento a 5,8 GHz se produce rápidamente. Después de otro período de tiempo predeterminado, es decir, después de que el tejido ligeramente más alejado se haya calentado en la medida deseada, el generador conmuta nuevamente para suministrar energía a 2,45 GHz, para aumentar adicionalmente la profundidad de ablación. Así pues, al suministrar señales desde el generador 102 de acuerdo con dicho perfil de administración de energía, se consigue una ablación profunda con un tiempo de ablación reducido.
El tiempo durante el cual se suministra la energía a las tres frecuencias puede ser determinado empíricamente, p. ej. antes del tratamiento. Alternativamente, el generador de señales puede determinar un tiempo óptimo para conmutar la frecuencia, p. ej. cuando se determina que las propiedades dieléctricas del tejido en la porción de punta radiante han cambiado en una medida requerida.
Alternando la energía suministrada, o suministrando la energía simultáneamente o cuasi simultáneamente usando un multiplexor de filtro o de dominio de tiempo (según sea apropiado) se consigue un efecto similar, permitiendo la ablación rápida del tejido más cercano a la porción de punta radiante usando energía a 14,5 GHz y la ablación del tejido más alejado de la porción de punta radiante usando las otras dos frecuencias.
La Fig. 6 muestra un gráfico de la potencia reflejada S11 (en dB) desde la porción de punta radiante 204 del instrumento a frecuencias de hasta 20 GHz, cuando está insertado en albúmina. Los valles del gráfico muestran los puntos en los que la energía EM está almacenada en el extremo (es decir, está almacenada en la onda estacionaria resonante en el extremo), en lugar de reflejarse a lo largo del cable coaxial hacia el generador. Por lo tanto, los valles corresponden a puntos de energía reflejada reducida. Cuando se reduce la energía reflejada, la energía se administra eficazmente al tejido que rodea la porción de punta radiante. Por lo tanto, cuanto mejor sea la pérdida por retorno, mejor será la administración de energía. El gráfico tiene marcados: 2,45 GHz (A), 5,8 GHz (B) y 14,5 GHz (C). Por lo tanto, la Fig. 6 muestra que el instrumento de la Fig. 2 acopla eficazmente energía al tejido pulmonar a las tres frecuencias analizadas. Además, a estas tres frecuencias, la potencia reflejada desde la porción de punta radiante 204 es de -15 dB, o mejor. Cabe señalar que el instrumento de la Fig. 2 también puede administrar eficazmente energía de microondas a las frecuencias de 8,2 GHz y 11,7 GHz.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Un instrumento electroquirúrgico para administrar energía electromagnética (EM) de microondas a un tejido biológico, comprendiendo el instrumento:
un cable coaxial para transportar energía EM de microondas, teniendo el cable coaxial un conductor interno, un conductor externo y un primer material dieléctrico que separa el conductor interno y el conductor externo; y una porción de punta radiante dispuesta en el extremo distal del cable coaxial para recibir energía EM de microondas desde el cable coaxial, comprendiendo la porción de punta radiante un segundo material dieléctrico diferente del primer material dieléctrico,
en donde la porción de punta radiante tiene una longitud eléctrica seleccionada, junto con sus propiedades dieléctricas a tres o más frecuencias de energía EM de microondas, para soportar la resonancia a las tres o más frecuencias de energía EM de microondas,
en donde la punta radiante está configurada para suministrar la energía EM de microondas a las tres o más frecuencias de manera alterna o simultánea,
en donde las tres o más frecuencias de energía EM de microondas comprenden una primera frecuencia, una segunda frecuencia que es más baja que la primera frecuencia y una tercera frecuencia que es más baja que la primera frecuencia y la segunda frecuencia, y
en donde el segundo material dieléctrico tiene una longitud aproximadamente igual a:
2,5 longitudes de onda de la energía EM de microondas a la primera frecuencia en el segundo material dieléctrico;
una longitud de onda de la energía EM de microondas a la segunda frecuencia en el segundo material dieléctrico; y
la mitad de una longitud de onda de la energía EM de microondas a la tercera frecuencia en el segundo material dieléctrico.
2. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera frecuencia, la segunda frecuencia y la tercera frecuencia son de 14,5 GHz, 5,8 GHz, y 2,45 GHz, respectivamente.
3. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde una longitud física L del segundo material dieléctrico cumple sustancialmente la expresión
Figure imgf000011_0001
donde n es un número entero positivo y A es una longitud de onda de energía EM de microondas en el segundo material dieléctrico a cada una de las tres o más frecuencias de energía EM de microondas.
4. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el segundo material dieléctrico comprende una sonda alargada que se extiende distalmente desde el cable coaxial, teniendo la sonda una forma cilíndrica con un diámetro igual o menor que el diámetro del cable coaxial.
5. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el conductor externo se extiende más allá del extremo distal del primer material dieléctrico para recubrir una porción proximal del segundo material dieléctrico.
6. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el conductor interno penetra en el segundo material dieléctrico hasta más allá del extremo distal del conductor externo.
7. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el segundo material dieléctrico tiene una impedancia menor que el primer material dieléctrico a cada una de las tres o más frecuencias de energía EM de microondas.
8. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el extremo distal de la porción de punta radiante está ahusado hasta una terminación puntiaguda.
9. Un aparato electroquirúrgico para administrar energía electromagnética (EM) de microondas a un tejido biológico, comprendiendo el aparato:
un generador dispuesto para generar energía EM de microondas a tres o más frecuencias diferentes; y un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el cable coaxial tiene un extremo proximal conectado al generador para recibir energía EM de microondas desde el mismo.
10. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el generador comprende tres o más fuentes de microondas independientes para generar energía EM de microondas a una respectiva de las tres o más frecuencias diferentes.
11. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el generador comprende un multiplexor para recibir una señal de cada una de las tres o más fuentes de microondas independientes, en donde el multiplexor está dispuesto para transmitir cada señal por una ruta de señal común que está conectada al cable coaxial.
12. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el multiplexor puede funcionar como una unidad de conmutación para seleccionar una señal que se va a transportar por la ruta de señal común.
13. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, en donde el multiplexor puede funcionar como un combinador de señales para transportar dos o más de las señales por la ruta de señal común de una manera simultánea o cuasi simultánea.
14. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, en donde el multiplexor puede funcionar como multiplexor de dominio de tiempo.
15. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 11 o 12, en donde el multiplexor puede funcionar como un multiplexor de filtro.
16. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, que incluye un dispositivo quirúrgico endoscópico que tiene un cable de instrumento flexible para su inserción no invasiva en una ubicación de tratamiento, en donde el cable de instrumento incluye un canal de instrumento, y en donde el instrumento electroquirúrgico está dimensionado para poderse insertar en el canal de instrumento.
17. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, en donde el generador puede funcionar para seleccionar un perfil de administración de energía para administrar la energía EM de microondas a las tres o más frecuencias diferentes.
18. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 17, en donde el generador puede funcionar bajo el perfil de suministro de energía seleccionado para:
suministrar una primera señal durante un primer período de ablación, comprendiendo la primera señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente la primera frecuencia;
suministrar una segunda señal durante un segundo período de ablación, comprendiendo la segunda señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente la segunda frecuencia;
suministrar una tercera señal durante un tercer período de ablación, comprendiendo la tercera señal una energía EM de microondas que tiene predominantemente la tercera frecuencia.
19. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la segunda frecuencia es menos de la mitad de la primera frecuencia.
20. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 18 o 19, en donde la tercera frecuencia es menos de la mitad de la segunda frecuencia.
21. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, en donde la primera frecuencia es de 14,5 GHz, la segunda frecuencia es de 5,8 GHz y la tercera frecuencia es de 2,45 GHz.
22. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, en donde el generador incluye un detector dispuesto para detectar la energía reflejada devuelta por el cable coaxial, y en donde el generador está dispuesto para conmutar entre un período de ablación y el siguiente periodo de ablación basándose en la potencia reflejada detectada.
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