JP5335782B2 - 生体組織に適用可能な無線周波数装置のための回路および該回路を含む装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体組織に適用可能な無線周波数装置のための新規な回路に関し、さらに、異なるタイプの伝導電流による透熱療法（以下、ジアテルミー）のための装置と、本発明に係る回路を組み込んだ外科用電気メスとを含み、この回路は、現在既知のものから得られるもの以上の著しい利益を可能とする、実質的に新規でかつ進歩性を有する特徴を有している。

特に、伝導によるジアテルミー装置のためおよび外科用電気メスのための本発明に係る回路は、非正弦信号の高調波を減衰させ、事実上世界の全ての国における義務である電磁環境適合性（ＥＭＣ）標準に適合させるために、高効率増幅器の出力において正弦波を得ることを可能とする。

既知のように、ＥＭＣは、電子装置が正しく動作している場合、この装置が他の電子装置を干渉せずさらに他の装置によっても干渉されない特性である。

ジアテルミーは、治療目的のために生体組織の温度を上げる、特別な電流を使用する。特に医療分野では、ジアテルミーはしばしば温熱療法として知られている。

伝導電流によるジアテルミーのための機器は、電子医療および電子美学の分野における多くの応用において、非常に有効である。外科用電気メスは同様にしばしば、ジアテルミー器具として言及される。

ジアテルミー機器および外科用電気メスが高効率増幅器と連動することは（エネルギー消費の観点から）効果的であるが、このような状況において、これらの機器は、通常、基本的に寄生素子に起因する複数の電磁信号を放出し、他の電子機器の部品に対して干渉する。

伝導によるジアテルミーのための機器のこのような部品と外科用電気メスは、通常、図１に示すような正弦波信号によって機能する。図２は、周波数ドメインにおいて信号を表現する別の方法であるフーリエ変換を用いて、図１の信号の周波数スペクトルを示している。図２において、Ｘ軸は周波数を示し、Ｙ軸は信号の振幅を示している。

ジアテルミーによる生体組織の温度上昇は、二つの方法、即ち、誘導電流によって（電極は組織に接触しない）、または伝導電流によって（電極が組織と接触する）、組織にエネルギーを伝達することによって起こる。

一般に、非接触の接続方法において印加される信号周波数は、接触接続方法において印加される信号周波数よりも遥かに高い。

伝導によるジアテルミーにおいて、２個の電極間で電流の流れが発生しかつその途中で遭遇する組織を通過するように、２個の電極が生体組織と接触している。組織を通過して流れる電流は、組織の電気抵抗に基づくジュール効果によって温度上昇を引き起こす。

伝導によるジアテルミーのための機器において、その電極は接触によって接続されている。一方は容量法として他方は抵抗法として知られている、二つの適用方法がある。

伝導によるジアテルミーで使用される電極は通常、非対称である。この場合、かつ、電流密度に基づいて、活性電極（小さい方）に最も近い組織において非常に大きい温度上昇が起こる。容量法において２個の電極は金属であるが、しかしその一方は絶縁層を有している。抵抗法において２個の電極は金属であり絶縁体を有さない。

外科用電気メスのような電気手術機器において、活性電極と組織との間の接触点で電流密度が非常に高くなり、それによって組織の切断、凝固あるいは高周波治療が行われる。

このタイプの機器を使用する場合、上述のＥＭＣ標準に適合することは非常に困難である。実際、外科用電気メスを切断、高周波治療あるいは凝固に使用する場合、その当時ではＥＭＣ標準に適合することが非常に難しかったため、および、その機器は外科手術の間比較的短時間しか使用されずしかも患者への利益は非常に大きいので、外科用電気メスが達成する必要のあるＩＥＣ６０６０１−２−２標準では、機器を接続するがしかし出力電力をゼロにしてＥＭＣテストを実施しなければならない、と述べている。

伝導によるジアテルミーのための機器は、外科用電気メスと同様の方法で動作するが、しかし、その活性電極はかなり大きく、そのため組織との接触部分の電流密度Ｊはかなり低いが、組織を流れる電流Ｉ（有効ＲＭＳ値で最大３Ａ）と、出力電圧Ｖ（有効ＲＭＳ値で最大８００Ｖ）と、信号周波数（０．４ＭＨｚと３ＭＨｚ間）は、ほぼ同じ大きさである。ＥＭＣの観点から、これらの電圧、電流および周波数は比較的高く、このことが異なる国々でＥＭＣ標準に適合することを困難にしている。このタイプの機器に対して特別な基準は無いが、外科用電気メスに対してはあるため、伝導によるジアテルミー機器は、医療用機器のための一般的なＥＭＣ標準、ヨーロッパにおけるＥＮ６０６０１−１−２、を満足しなければならない。この標準では、ＥＭＣ要求を満足するためには非常に優しい条件である出力ゼロで測定しなければならない外科用電気メスとは異なって、ＥＭＣは最も悪い条件、即ち最大出力で機器を測定しなければならないと述べている。

純粋でかつ周期的な非正弦波信号の全ては、（異なる周波数、振幅および位相の）高調波として知られる多数の正弦波信号に分解することができる。この高調波は周期信号をフーリエ変換することによって計算することができる。

電磁干渉を最小とする方法は、増幅器が作動する信号が純粋な正弦波、例えば、Ａ級増幅器、であることからなる。しかしながらこの場合、最大の理論効率は５０％であり、結果としてエネルギーロスおよび機器の加熱を伴う。

例えばＣ、Ｄ、ＥまたはＦ級増幅器のような幾つかの高効率増幅器では、理論効率が最大１００％となり得る。これらの増幅器は、理想的には矩形（台形または準台形であっても良い）の信号即ちパルス信号を生成し、かつ、望ましくない高調波を最大限減衰させる目的で、基本信号を通常、直列または並列の２次ＬＣフィルタによってフィルタする。しかしながら、この特許に記載したような従来技術では、このタイプの増幅器に対してフィルタは記載されていない。

実際には、これらの増幅器の効率は、部品におけるロスおよび／または非インピーダンスマッチングに基づいて、理論効率よりも小さい。

図３は矩形波信号を示している。図４は、この矩形波信号の周波数スペクトルが、他の多くの高周波数信号（高調波）を含んでいることを示している。これらの信号は、ネットワークケーブルに接続され、あるいは患者のケーブルを通して放射の形で放出されて、他の機器において簡単に電磁干渉を起こすために、望ましくない。

本発明は、特に放射および伝導放出テストにおいて、ジアテルミー機器を異なる国々でより簡単にＥＭＣ要求に適合させることを可能とする、回路に関する。

この回路は、伝導によるジアテルミー機器と同様に、電気手術機器および外科用電気メスにおいて使用することができる。

本発明の目的は、高調波を含む矩形、台形、パルスあるいはその他の信号の発生器をメインの信号源として使用する場合、望ましくない信号を可能な限り減衰させて、機器が他の電子機器と干渉を起こさないようにすることである。

この回路は、２個の共鳴フィルタを備えており、この内の一個は直列であり、他方は並列であって、かつ随意的にトランス（巻き数比１：Ｎ、Ｎは実数であり、入力信号の基本信号を増幅する場合は１より大きく、入力信号の基本信号を減衰させる場合は１未満であり、単に分離する場合は１である）によって分離されている。この共鳴フィルタは入力信号（正弦波信号）の基本信号を通過させ、回路全体で、残りの高調波をその周波数の増加に伴って減衰させる。このタイプのジアテルミー機器は、通常、その出力においてコンデンサを有しており、このコンデンサは刺激防止用コンデンサとして知られており、高電圧によって生成される非線形効果（電気アーク）が低周波（これは、例えば、外科用電気メスを使用する治療の間に、心臓に細動を起こすことがある、ＩＥＣ６０６０１−２−２）を発生することがある、復調を起こさないことを保証するためのものである。

上記の刺激防止用コンデンサは電圧を低下させ、これを防止するために、この刺激防止コンデンサと直列に、このユニットの共鳴周波数が入力信号の基本周波数であるような値を有するインダクタンスを組み込むことが行われる。このインダクタンスに基づいて非常に高い周波数が減衰されるという追加の効果が達成され、その結果、患者のケーブルを通して放射される放出レベルが減少する。

これらのおよびその他の特徴は、通常に使用される信号のグラフを示す添付の図面および非限定的事例として挙げられている本発明の実施形態を伴う詳細な説明から、より良く理解される。

図１は、（例えば、５００ｋＨｚの、単位振幅において正規化された）正弦波信号を示す図である。 図２は、図１の信号のフーリエ変換を用いた周波数スペクトルを示す図であり、この図は図１を別の方法で表現するものであり、Ｘ軸上で時間（図１）を周波数に変換して示し、Ｙ軸で信号の振幅を示している。 図３は、矩形信号を示す。 図４は、図３の信号のフーリエ変換を用いた周波数スペクトルを示す。矩形信号が高い周波数（高調波）において、潜在的に干渉を引起し得る他の混合信号を含んでいることが理解される。ＸおよびＹは対数目盛りである。 図５は、本発明に係る回路図であり、１は容量性出力（ＣＡＰ）を示し、２は抵抗性出力（ＲＥＳ）を示す。 図６は、患者の抵抗（Ｒ_PAT）におけるフィルタ出力において、高調波が要求通りに実質的に減衰されていることを表している。

図５を参照すると、本発明は、伝導によるジアテルミー機器に対する回路を備えており、この回路は１個は直列で他は並列な２個の共鳴フィルタからなり、これらは、高調波を含む入力信号の基本信号を通過させるように同調されており、かつ、高調波の周波数が増加するにつれて高調波の残りを指数関数的に減衰させる。

直列フィルタは、インダクタンスＬ_S1とキャパシタンスＣ_S1から構成されており、入力信号の基本周波数に対して非常に低いインピーダンスを提供し、周波数が上昇するに連れて入力信号の残りの高調波に対して高いインピーダンスを提供する。

並列フィルタは、インダクタンスＬ_pとキャパシタンスＣ_pから構成されており、入力信号の基本周波数に対して非常に高いインピーダンス（実際、殆ど開回路）を提供し、入力信号の残りの高調波に対して高調波の周波数が上昇するに連れて低いインピーダンスを提供する。

高調波を有する信号（正弦波信号）の基本信号は従って、殆ど減衰することなく出力に向かって通過し、その一方で、共鳴直列および並列フィルタは、干渉を起こす高調波の周波数が上昇するに連れてますますその高調波を減衰し、その結果、ＥＭＣ標準の順守を促進する。

トランスＴＲＦは、Ｌ_S1とＣ_S1からなる共鳴直列フィルタと、Ｌ_pとＣ_pからなる共鳴並列フィルタとの間に随意的に挿入され、１：Ｎの巻き数比を有している。ここでＮは実数であり、入力信号の基本信号を増幅する場合は１より大きい数であり、入力信号の基本信号を減衰する場合は１より小さい数であり、分離するのみの場合は１に等しい。このトランスは無くても良い。

共鳴並列フィルタＬ_Pのインダクタンスは独立したインダクタンスであっても良く、あるいは、もし存在する場合はトランスＴＲＦの二次側の寄生インダクタンスであっても良い。

提案する回路は、例えば外科的電気メスのような電気外科的機器、絶縁活性金属電極を備えた伝導によるジアテルミー機器（容量性モード、同一出願人によるスペイン特許第２８７９６４号参照）、絶縁活性金属電極（容量モード）と活性金属電極（抵抗モード、同一出願人によるスペイン特許第２１３９５０７号参照）との二重電極を備えた伝導によるジアテルミー機器、および活性金属電極を備えた伝導によるジアテルミー機器、への応用に適している。このタイプの機器は、活性電極よりも大きな面積を有する復帰即ち中性電極を有している。この回路はまた、例えば、両方の電極が活性電極として振舞い互いに近接しかつ同じサイズであるようなバイポーラとして知られる、ジアテルミー機器に対して適している。

上述の伝導によるジアテルミー機器は、通常、その出力において、コンデンサＣ_{S2_CAP}（システムが絶縁体を有さない活性電極である抵抗性出力を有している場合、さらにＣ_{S2_RES}）を有し、このコンデンサＣ_{S2_CAP}は刺激防止コンデンサとして知られ、高電圧によって形成される電気アークが復調効果を通して低周波電流を発生しないことを保証するものである。このような低周波電流（ｆ＜１０ｋＨｚ）は、ジアテルミー装置が使用されている場合、神経刺激または筋肉収縮を引起す。

刺激防止コンデンサのキャパシタンス値は通常、低い（約数ｎＦ）が、その値（Ｃ_{S2_CAP}および／またはＣ_{S2_RES}）応じて電圧の低下およびこのコンデンサを通って流れる電流Ｉの低下を引起す。

本発明の特徴は、この電圧における低下を防止するために、刺激防止コンデンサ（それぞれＣ_{S2_CAP}および／またはＣ_{S2_RES}）に直列にインダクタンス（Ｌ_{S2_CAP}および／またはＬ_{S2_RES}）を配置することを提案することである。このインダクタンスの値は、その共鳴周波数が入力信号の基本周波数に等しくなるような値である。これによって、ネットワークＬＣのインピーダンスが入力信号の基本周波数においてほぼゼロとなる。さらに、これによって追加の効果も発生する。この効果は、上記インダクタンス（Ｌ_{S2_CAP}および／またはＬ_{S2_RES}）に基づいて非常に高い周波数が減衰され、その結果、患者のケーブルを介してかつネットワークケーブルを介して放射される放出レベルをさらに減少させる。

回路成分の値は出力パワーに対して独立している。回路の各ネットワークＬＣの値は、式（１）に対応する動作周波数の関数である。

増幅器の効率を最大にするために、出力周波数を、電極−プラス−患者ユニットのインピーダンスに依存して変化させることができ、従って、回路および／または周波数は、電極−プラス−患者ユニットのインピーダンスに出力回路のインピーダンスを一致させるように調整することができる。

このタイプの機器に対する出力信号の典型的な周波数マージンは、神経刺激が発生せず、その値がこの回路が正しく機能する本質的なものでないように、１００ｋＨｚと１０ＭＨｚの間である。

図５は、もっぱら本発明の範囲の非限定的な事例として挙げた実施形態を示す。図６は、矩形入力信号のスペクトル（図４）と比べた場合、高い周波数の高調波が、どのように減衰されたかを示している。

明らかに、本発明は、例えば、伝導によるジアテルミー機器であって、（絶縁体層を有する活性金属電極を供えた）容量性機器のみ、（活性金属電極を有する）抵抗性機器のみ、あるいは活性電極が受動電極よりも小さい容量性および抵抗性機器、（同様の電極を有する）バイポーラ機器および外科用電気メス、のような、生体組織に適用可能な無線周波数機器に適用可能である。図５において、１は容量性出力（ＣＡＰ）を示し、２は抵抗性出力（ＲＥＳ）を示す。

上記では、本発明を単に非限定的な例として説明しており、以下の請求の範囲で定義される本発明の範囲内において、多くの変形が導入され得ることを理解すべきである。

Claims (10)

1. １００ｋＨｚから１０ＭＨｚまでの周波数を有する伝導電流によるジアテルミーのための外科用電気メスまたは装置のための回路であって、前記回路は前記外科用メスの電極に電力供給するものであって、
   インダクタンスＬ_Ｓ１とキャパシタンスＣ_Ｓ１からなる共鳴直列フィルタと、
   インダクタンスＬ_ＰとキャパシタンスＣ_Ｐからなる共鳴並列フィルタと、を有し、
   前記共鳴直列フィルタと共鳴並列フィルタは入力信号の基本信号を通過させるように同調され、前記フィルタは高調波の増加に伴って前記高調波の残りを同時に指数関数的に減衰させ、
   前記共鳴直列および並列フィルタは、Ｎを実数とするとき、巻き数比が１：ＮであるトランスＴＲＦによって分離されており、
   前記出力周波数は可変であり、且つ、前記回路及び／または周波数は従って前記出力回路のインピーダンスを、患者と前記外科用メスの前記電極とに依存するインピーダンスに一致するように同調させることができる、回路。
2. 請求項１に記載の回路であって、前記共鳴並列フィルタのインダクタンスＬ_Pは、前記トランスＴＲＦの二次側の寄生インダクタンスである、回路。
3. 請求項１または２に記載の回路であって、前記共鳴並列フィルタのインダクタンスＬ_Pは、独立したインダクタンスである、回路。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の回路であって、各出力には刺激防止コンデンサＣ_{S2_CAP}、Ｃ_{S2_RES}があり、インダクタンスＬ_{S2_CAP}、Ｌ_{S2_RES}が前記コンデンサと直列に配置され、その値は前記入力信号の基本周波数において共鳴を形成するものである、回路。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の回路であって、前記共鳴直列フィルタのインダクタンスＬ_S1とキャパシタンスＣ_S1は、前記入力信号の基本周波数に対して低いインピーダンスを提供し、前記入力信号の残りの高調波に対して高いインピーダンスを提供することを特徴とする、回路。
6. 請求項５に記載の回路であって、前記共鳴直列フィルタのインダクタンスＬ_S1およびキャパシタンスＣ_S1は、前記入力信号の基本周波数に対して低いインピーダンスを提供し、前記入力信号の残りの高調波に対して高いインピーダンスを提供することを特徴とする、回路。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の回路であって、前記共鳴並列フィルタのインダクタンスＬ_PおよびキャパシタンスＣ_Pは、前記入力信号の基本周波数に高インピーダンスを提供し、前記入力信号の残りの高調波により低いインピーダンスを提供することを特徴とする、回路。
8. 請求項７に記載の回路であって、前記共鳴並列フィルタのインダクタンスＬ_PおよびキャパシタンスＣ_Pは、前記入力信号の基本周波数に対して高インピーダンスを提供し、前記入力信号の残りの高調波に対して低インピーダンスを提供することを特徴とする、回路。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の回路を備える、ジアテルミー装置。
10. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の回路を備える、外科用電気メス装置。

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