KR101255082B1 - 생체 조직에 적합한 무선주파수 장치용 회로 및 이 회로를 포함하는 장치 - Google Patents

Abstract

생체 조직에 적합한 무선주파수 장치용 회로 및 이 회로를 포함하는 장치를 개시한다.

전극들 공급 회로는 직렬 공진 필터 및 병렬 공진 필터를 포함하는데, 이 필터들은 입력 신호의 기본 신호를 수용하고, 동시에 지수적으로 그 주파수를 증가시킴으로써 고조파를 갖는 입력 신호가 단지 감쇠 없이 출력으로 기본 신호를 통과시키는 한편, 간섭을 일으키는 고조파가 그 주파수가 증가할 때 증가적으로 감쇠되는 방식으로 신소나이즈된다(sybthonized).

생체 조직, 투열 요법, 직렬 공진 필터, 병렬 공진 필터, EMC

Description

생체 조직에 적합한 무선주파수 장치용 회로 및 이 회로를 포함하는 장치{CIRCUIT FOR RADIOFREQUENCY DEVICES APPLICABLE TO LIVING TISSUES AND DEVICE CONTAINING SAME}

본 발명은 생체 조직(living tissue)에 적합한 무선주파수 장치용 신규 회로에 관한 것으로서, 이 장치는 또한 다른 타입의 전도 전류에 의한 투열 요법을 위한 장치를 포함하고, 본 발명에 따른 회로를 통합하는 일렉트로스칼펠(electroscalpels)을 포함하고, 상기 회로는 현재 공지된 것 이상의 커다란 장점이 얻어지는 신규하고 진보성 있는 실질적인 특징을 갖는다.

특히, 본 발명에 따른 전도에 의한 그리고 일렉트로스칼펠을 위한 투열 요법 장치용 회로에 의해 비 사인파 신호의 고조파가 감쇠되고, 고 효율 증폭기의 출력에서 사인파 신호가 얻어져서 특히 세계 모든 나라에서 강제되고 있는 전자파 적합성(Electromagnetic compatibility) 표준과 부합하게 된다.

알려진 바와 같이, EMC는 한 전자 기기가 다른 전자 기기가 올바르게 동작할 때, 다른 전자 기기와 간섭하지 않고, 다른 전자 기기에 의해 간섭되지 않는 특성이다.

투열 요법은 치료상 목적을 위해 생체 조직의 온도를 상승시키도록 특수 전 기 전류를 사용하는 것이다. 그것은 때로 특히 의료 부문에서 온열 요법으로 알려져 있다.

전도 전류에 의한 투열 요법을 위한 장비는 일렉트로메디신(elctromedicine) 및 일렉트로에테식(electroethethics) 분야에서 많은 응용에 매우 효과적이다. 일렉트로스칼펠은 또한 때로 투열 요법 기기라 한다.

투열 요법 장비 및 일렉트로스칼펠이 고 효율 증폭기와 동작하는 것이(에너지 소비의 관점에서) 바람직하지만, 이들 환경에서, 이들은 통상 일반적으로 장비의 다른 전자 피스와 간섭하는 기본적으로 기생 요소로 인해 다수의 전자 신호들을 방출한다.

전도 및 일렉트로스칼펠에 의한 투열 요법을 위한 장비의 피스들은 일반적으로 도 1에 도시한 것과 유사한 사인파 신호로 기능한다. 도 2는 주파수 영역에서 신호를 나타내는 다른 방식인 푸리에 변환을 이용하는 도 1의 신호의 주파수 스펙트럼을 도시하는데, X축은 주파수를 나타내고, Y축은 신호의 진폭을 나타낸다.

투열 요법에 의한 생체 조직의 온도 증가는 두 가지 방법에 의해 즉, 유도 전류에 의해(조직과 접촉하지 않는 전극) 또는 전도 전류(조직과 접촉하는 전극)에 의해 조직에 에너지를 전송함으로써 얻어진다.

일반적으로 무접촉 접속 방식으로 인가된 신호 주파수는 접촉 접속 방식으로 인가된 신호 주파수 보다 훨씬 높아야 한다.

전도에 의한 투열 요법에 있어서, 두 개의 전극은 전류 흐름이 두 개의 전극 사이에서 발생하고, 전류 흐름이 그 통과에 있어서 만나는 생체 조직을 통과하는 식으로 생체 조직과 접촉한다. 조직을 통과하는 전류에 의해 온도가 상기 조직의 전기 저항으로 인해 주울 효과에 의해 상승한다.

전도에 의한 투열 요법을 위한 장비에 있어서, 전극들은 접촉에 의해 접속된다. 두 가지 응용 방법이 있다. 하나는 용량성 방법으로서 알려져 있으며, 다른 하나는 저항 법으로서 알려져 있다.

전도에 의해 투열 요법에서 사용된 전극들은 일반적으로 비대칭이다. 이 경우, 전류 밀도로 인해, 온도에 있어서 가장 큰 상승이 능동 전극(유사한 하나)에 가장 가까운 조직에서 발생한다. 용량성 방법에 있어서, 두 개의 전극은 금속이지만, 그들 중 하나는 절연 층을 갖는다. 저항 법에 있어서, 두 개의 전극은 절연을 갖지 않는 금속이다.

일렉트로스칼펠과 같은 전기외과 장비에 있어서, 전류 밀도가 능동 전극과 조직의 절단, 응고 또는 고주파 요법이 발생하는 조직 사이의 접촉 점에서 아주 높다.

이러한 타입의 장비를 사용하는 경우, 전술한 EMC 표준과 부합하기가 매우 어렵다. 사실상, 일렉트로스칼펠에 의해 충족해야 하는 표준 IEC 60601-2-2는 EMC 테스트가 접속된 장비로 수행되어야 하며, 제로의 출력 전력을 가져야하는 것을 기술하고 있는데, 이는 그때, 절단, 고주파 요법 또는 응고에 일렉트로스칼펠이 사용되는 경우 EMC 표준과 부합하기가 매우 어려운 것을 수용했고, 장비가 비교적 짧은 시간 동안 외과 수술동안 사용되고, 환자에 대한 이점이 매우 크기 때문이다.

전도에 의한 투열 요법을 위한 장비가 일렉트로스칼펠에 유사한 방식으로 동 작하지만, 매우 큰 능동 전극을 가져서 조직과의 접촉 영역에서 전류 밀도(J)가 훨씬 낮은 반면, (최대 3A의 유효 R.M.S. 값)의 조직을 통해 흐르는 전류(I), (최대 800V의 유효 R.M.S. 값)의 출력 전압(V) 및 (0.4MHz와 3MHz) 사이의 신호 주파수가 대략 같은 크기를 갖는다. EMC의 관점에서, 이들 전압, 전류 및 주파수는 비교적 높으며, 다른 나라에서의 EMC 표준과 부합하기가 매우 어렵다. 이러한 타입의 장비에 특수 표준이 없고, 일렉트로스칼펠이 있기 때문에, 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비는 유럽에서 의료 장비에 대한 일반적인 EMC 표준 EN 6061-1-2과 부합해야 한다. 이는 EMC는 가장 열악한 조건 즉, EMC 요건과 부합하는 매우 용이한 상황에 있는 제로에서의 전력으로 측정되어야 하는 일렉트로스칼펠과 유사하지 않은 최대 출력 전력에 있는 장비로 측정되어야 하는 것을 기술한다.

임의의 순수한 그리고 주기적인 비 사인파 신호는 주기적 신호의 푸리에 변환으로부터 계산될 수 있는 (다른 주파수, 진폭 및 위상의) 고조파로서 알려진 다수의 사인파 신호들로 분할될 수 있다.

전자기 간섭을 최소화하는 방법은 순수 사인파인 증폭기가 동작하는 예를 들어, A급 증폭기가 동작하는 신호를 구성하는데, 이 경우, 최대 이론적 효율은 결과적인 에너지 손실과 장비의 가열을 갖는 50%이다.

예를 들어, C,D,E, 또는 F급의 증폭기와 같은 일부 고 효율 증폭기는 최대 100%의 이론적 효율을 유도할 수 있다. 이들 증폭기들은 이상적으로 스퀘어드이지(squared)(만 사다리꼴 또는 의사 사다리꼴) 또는 펄스 신호인 신호를 생성하고, 이러한 타입의 증폭기에 대한 이 특허에서 기술된 것과 유사한 종래 기술에 기술된 필터가 없는 직렬 또는 병렬로 될 수 있는 일반적으로 2차 LC 필터를 갖는 원치않는 고조파의 최대 감쇠를 얻는 의도를 가지고 기본적인 신호를 필터링하는 것에 기반한다.

실제에 있어서, 이들 증폭기들의 효율은 부품에서의 손실 및/또는 임피던스의 비 정합으로 인해 이론적인 효율보다 낮다.

도 3은 스퀘어드 신호를 도시한다. 도 4는 상기 스퀘어드 신호의 주파수 스펙트럼이 많은 다른 고주파 신호(고조파)를 포함하는 것을 나타낸다. 이들 신호들은 바람직하지 못한데, 이는 이들 신호들이 네트워크 케이블에 접속될 수 있거나 또는 이들 신호들이 다른 장비에서 전자기 간섭을 보다 용이하게 일으킬 수 있는 환자의 케이블들을 통해 방사 형태로 방사할 수 있기 때문이다.

본 발명은 특히 방사 및 전도된 방사 테스트에 있어서, 투열 요법 장비가 보다 용이하게 다른 나라의 EMC 요건을 맞출 수 있는 회로에 관한 것이다.

이 회로는 전기외과 장비 및 일렉트로스칼펠 뿐만 아니라 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비에도 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 가능한 한 바람직하지 못한 신호들을 감쇠시켜서 장비가 고조파를 포함하는 스퀘어드, 사다리꼴, 펄스 또는 임의 다른 신호가 그 신호의 메인 소스로서 사용될 때 다른 전자 장비와 간섭하지 않도록 하는 것이다.

회로는 두 개의 공진 필터들로 구성되는데, 하나는 직렬 필터이고 다른 하나는 트랜스포머(1:N의 권선비를 가질 수 있는데, N은 입력 신호의 기본 신호가 증폭되는 경우 1보다 큰 실수이고, 입력 신호의 기본 신호가 감쇠될 경우 1보다 작은 실수이고, 또는 상기 기본 신호가 단지 분리되는 경우 1과 같은 실수)로 임의로 분리된 병렬필터이며, 상기 트랜스포머에 의해 입력 신호(사인파 신호)의 기본 신호가 통과하고, 상기 회로는 그 주파수가 증가할 때 고조파의 나머지를 그대로 감쇠시킨다. 이러한 타입의 투열 요법 장비는 일반적으로 그 출력에서 콘덴서를 갖는데, 고 전압(전기 아크)에 의해 생성된 비선형 효과가 (예를 들어, 일렉트로스칼펠 IEC 60601-2-2을 이용한 절차 동안 섬유성 연축(fibrillation)을 일으키는) 저주파를 발생할 수 있는 복조를 유발하지 않는 것을 보장하는 비 자극 콘덴서로서 알려져 있다.

상기 비 자극 콘덴서가 전압에서의 강하를 일으켜서 이것을 방지하도록 상기 비 자극 콘덴서와 직렬로 상기 장치의 공진 주파수가 입력 신호의 기본 주파수인 값을 갖는 인덕턴스를 통합시키는 것이 만들어진다. 따라서 상기 인덕턴스로 인해 초고주파들이 감쇠되는 추가의 효과를 얻을 수 있어서 환자의 케이블을 통해 방사된 방출 레벨을 저감시킬 수 있다.

이들 및 기타 특징들은 이하의 상세한 설명 및 정상적으로 사용된 신호들의 그래프를 도시하는 첨부 도면들과 비한정적인 예로서 주어진 본 발명의 일 실시예로부터 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 (하나의 진폭에서 표준화된 예를 들어, 500KHz)의 사인파 신호를 나타낸 도면이다.

도 2는 푸리에 변환을 이용한 도 1의 신호의 주파수 스펙트럼을 도시하는데, X축 상에 주파수에 대한 변화 시간(도 1)을 나타내고 Y축은 신호 진폭인 도 1을 다른 방식으로 나타낸 도면이다.

도 3은 스퀘어드 신호를 도시한다.

도 4는 푸리에 변환을 이용한 도 3의 신호의 주파수 스펙트럼을 도시하는데, 스퀘어드 신호는 잠재적으로 간섭을 일으킬 수 있는 높은 주파수들(고조파들)에서 다른 혼합된 신호들을 포함하는 것을 알 수 있다. X 및 Y축은 대수 스케일을 갖는다.

도 5는 본 발명에 따른 회로도를 나타내는데, 여기서 1은 용량성 출력(CAP) 2는 저항 출력(RES)을 나타낸다.

도 6에 있어서, 환자의 저항(R_PAT)에서 필터의 출력에 있어서 고조파들이 원하는 바와 같이, 실질적으로 감쇠된 것을 볼 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명은 두 개의 공진 필터들로 구성된 전도에 의해 투열 요법을 위한 장비에 대한 회로를 구비하는데, 상기 공진 필터들의 하나는 직렬필터이고, 다른 하나는 병렬필터이며, 이들은 통과할 고조파를 포함하는(기본 신호가 사인파 신호) 그리고 상기 고조파의 주파수가 증가할 때 상기 고조파의 나머지를 지수적으로 감쇠시키는 입력 신호의 기본 신호를 허용하도록 신소나이즈된다(synthonised).

직렬 필터는 인덕턴스 L_S1 및 커패시턴스 C_S1으로 구성되고, 입력 신호의 기본 주파수에 아주 낮은 임피던스(사실상 거의 쇼트 회로)를 제공하고, 고조파의 주파수가 상승할 때 입력 신호의 고조파의 나머지에 고 임피던스를 제공한다.

병렬 필터는 인덕턴스 L_P 및 커패시턴스 C_P로 구성되고, 입력 신호의 기본 주파수에 아주 높은 임피던스(사실상 실질적으로 개방 회로)를 제공하고, 상기 고조파의 주파수가 상승할 때 입력 신호의 고조파의 나머지에 저 임피던스를 제공한다.

따라서 고조파(사인파 신호)를 가진 신호의 기본 신호가 실질적으로 감쇠없이 출력으로 통과하는 한편, 공진 직렬 및 병렬 필터는 상기 고조파의 주파수가 감소할 때 간섭을 일으키는 고조파를 증가적으로 감쇠시켜서, EMC 표준과 부합을 촉진시킨다.

트랜스포머(TRF)는 L_S1 및 C_S1으로 구성된 공진 직렬 필터와 L_P 및 C_P로 구성된 공진 병렬 필터 사이에 임의적으로 삽입될 수 있으며, 1:N의 권선비를 가지는데, N은 입력 신호의 기본 신호가 증폭되는 경우 1보다 클 수 있는 실수이고, 입력 신호의 기본 신호가 감쇠되는 경우 1보다 작을 수 있는 실수이고, 기본 신호가 단지 분리되는 경우 1과 같은 실수이다. 트랜스포머는 또한 생략될 수 있다.

공진 병렬 필터 L_P의 인덕턴스는 독립 인덕턴스이거나 또는 있는 경우 트랜스포머(TRF)의 2차측의 기생 인덕턱스이다.

제안 회로는 일렉트로스칼펠과 같은 전기외과 장비에 이용에 적합하고, 절연 액티브 금속 전극을 구비한 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비(용량성 모드, 동일 출원인의 스페인 특허 287 964 참조)에, 이중 전극 즉, 절연 액티브 금속 전극(용량성 모드) 및 액티브 금속 전극(저항 모드, 동일 출원인의 스페인 특허 2 139 507 참조)을 가진 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비에, 및 액티브 금속 전극을 구비한 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비에 이용에 적합하다. 이러한 타입의 장비는 액티브 전극보다 큰 영역을 갖는 리턴 즉 중립 전극을 갖는다. 회로는 또한 바이폴라로서 알려진 것과 같은 투열 요법 장비에 적합하며, 두 전극은 액티브 전극으로서 동작하며, 다른 하나에 밀접하고, 유사한 크기를 갖는다.

전술한 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비는 일반적으로 그 출력에서 콘덴서 C_{S2 _ CAP}(및 시스템이 저항 출력을 갖는 경우(절연이 없는 액티브 전극) C_{S2 _ RES})를 갖는데, 이 콘덴서는 고전압에 의해 생성된 전기 아크가 복조 효과를 통해 저 주파 전류를 일으키지 않는 것을 보장하기 위한 비 자극 콘덴서로서 알려져 있다. 저주파 전류(f< 10kHz)는 투열 요법 기기가 사용되는 경우 신경 자극 또는 근육 수축을 일으킬 수 있다.

비자극 콘덴서의 용량성 값은 일반적으로 낮으며(대략 수 nF), 그 값에 따라(C_{S2 _ CAP} 및/또는 C_{S2 _ RES}) 전압에 있어서 및 그를 통해 흐르는 전류에 있어서 강하를 일으킨다.

본 발명의 특징은 이러한 전압 강하를 회피하기 위해, 한 값을 가지는데 그 값에 의해 그 공진 주파수가 입력 신호의 기본 주파수와 동일하게 하게끔 비자극 콘덴서(각기 C_{S2 _ CAP} 및/또는 L_{S2 - RES})와 직렬로 인덕턴스(L_S2-CAP 및/또는 L_S2-RES)를 배치하는 것이 제안된다. 이에 의해 네트워크 LC의 임피던스가 입력 신호의 기본 주파수에서 실질적으로 0이 된다. 더욱이, 추가 효과가 얻어지는데, 초고주파가 상기 인덕턴스(C_{S2_CAP} 및/또는 L_S2-RES)로 인해 감쇠되어 환자의 케이블을 그리고 네트워크 케이블을 통해 방사된 방사 레벨을 더욱 감소시킨다.

회로 부품의 값들은 출력 전력에 무관하다. 회로의 각 네트워크(LC)의 값은 식 (1)에 대응하는 일 주파수(work frequency)의 함수이다.

최대 증폭기 효율을 얻기 위해, 출력 주파수는 전극-플러스-환자 장치의 임피던스에 따라 변화할 수 있으며, 따라서 회로 및/또는 주파수는 전극-플러스-환자 장치의 임피던스에 출력 회로의 임피던스를 정합시키도록 신소나이즈될 수 있다.

본 발명의 영역의 비 한정예로서만 인용된 실제적 실시예는 도 5에서 볼 수 있다. 도 6은 스퀘어드 입력 신호(도 4)의 스펙트럼과 비교할 때, 고주파 하모닉이 감쇠되는 방법을 도시한다.

명백히 본 발명은 전도에 의한 투열 요법을 위한 장비; 단지 용량성 장비(절연층을 갖는 능동 금속 전극을 구비한), 단지 저항 장비(능동 금속 전극을 구비한), 수동 전극 보다 작은 능동 전극을 구비한 용량성 및 저항장비, 바이폴라 장비 (소형 전극을 구비한) 및 일렉트로스칼펠 등의 생체 조직에 적합한 무선주파수 장비에 적합하다. 도 1에서 1은 용량성 출력(CAP)을 나타내고, 2는 저항 출력(RES)를 나타낸다.

본 발명은 비한정적인 예로서만 기술하였으며, 이하의 청구범위에서 정의된 본 발명의 영역 내에서 많은 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (10)

100kHz에서 10MHz의 다른 타입의 주파수를 갖는 전도 전류에 의한 투열 요법 을 위한 장치 및 일렉트로스칼펠을 포함하는 생체 조직에 적합한 무선 주파수 장치용 회로로서 전극을 공급하는 회로에 있어서,

- 인덕턴스(L_S1) 및 커패시턴스(C_S1)로 구성된 공진 직렬 필터,

- 인덕턴스(L_P) 및 커패시턴스(C_P)로 이루어진 공진 병렬 필터,

- 상기 공진 직렬 필터 및 공진 병렬 필터는 입력 신호의 기본 신호가 통과하고, 동시에 고조파의 주파수가 증가할 때 고조파의 나머지를 지수적으로 감쇠시키도록 신소나이즈되고(synthonised),

- 공진 직렬 및 병렬 필터들은 1:N의 권선비를 갖는(N은 실수) 트랜스포머(TRF)에 의해 분리되고,

- 출력 주파수는 전극-플러스-환자 장치의 임피던스에 따라 가변되고, 따라서 회로 및/또는 주파수는 출력 회로의 임피던스를 전극-플러스-환자 장치의 임피던스에 정합시키도록 신소나이즈될 수 있는 것을 특징으로 하는 생체 조직에 적합한 무선주파수 장치용 회로.

제1항에 있어서,

상기 공진 병렬 필터(L_P)의 인덕턴스는 트랜스포머(TRF)의 2차측의 기생 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 회로.

제1항에 있어서,

상기 공진 병렬 필터(L_P)의 인덕턴스는 독립 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 회로.

제1항에 있어서,

각 출력에 비자극 콘덴서가 있으며, 인덕턴스 L_{S2_CAP}, L_{S2_RES}는 상기 콘덴서와 직렬로 배치되고, 콘덴서의 값은 그 값이 입력 신호의 기본 주파수에서 공진을 생성하도록 되는 것을 특징으로 하는 회로.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공진 직렬 필터의 인덕턴스(L_S1) 및 커패시턴스(C_S1)는 입력 신호의 고조파의 나머지에 제공되는 임피던스보다 낮은 임피던스를 입력 신호의 기본 주파수에 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.

제5항에 있어서,

공진 직렬 필터의 인덕턴스(L_S1) 및 커패시턴스(C_S1)는 입력 신호의 고조파의 나머지에 제공되는 임피던스보다 아주 낮은 임피던스를 입력 신호의 기본 주파수에 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.

제1항에 있어서,

공진 병렬 필터의 인덕턴스(L_P) 및 커패시턴스(C_P)는 입력 신호의 고조파의 나머지에 제공되는 임피던스보다 높은 임피던스를 입력 신호의 기본 주파수에 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.

제1항에 있어서,

공진 병렬 필터의 인덕턴스(L_P) 및 커패시턴스(C_P)는 입력 신호의 고조파의 나머지에 제공되는 임피던스보다 아주 높은 임피던스를 입력 신호의 기본 주파수에 제공하는 것을 특징으로 하는 회로.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 회로를 포함하는 투열 요법 장치.

제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 회로를 포함하는 일렉트로스칼펠 장치.

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