KR102444350B1 - 전기 수술용 발생기 - Google Patents

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Abstract

무선주파수(RF) 전자기(EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 발생시키기 위한 전기 수술용 발생기는, 마이크로파 신호를 발생시키기 위한 마이크로파 소스; 발생기로부터 출력될 마이크로파 소스로부터의 마이크로파 신호를 전달하기 위한 마이크로파 채널; 발생기로부터 출력될 RF 신호를 전달하기 위한 RF 채널; 및 마이크로파 신호를 수신하도록 연결 가능한 마이크로파-RF 변환기를 포함하고, 마이크로파-RF 변환기는 마이크로파 신호로부터 RF 신호를 발생시키고 RF 신호를 RF 채널에 전달하도록 배치된다.

Description

전기 수술용 발생기
본 발명은 무선 주파수 에너지 및 마이크로파 주파수 에너지가 생체 조직(biological tissue)을 치료하는 데 사용되는 전기 수술 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 조직을 절단하기 위한 무선 주파수(RF) 에너지 및 지혈(즉, 혈액 응고를 촉진시킴으로써 손상된 혈관을 밀봉하는 것) 또는 조직 절제를 위한 마이크로파 주파수 에너지를 발생시킬 수 있는 수술 장치에 관한 것이다.
외과적 절제(surgical resection)는 사람이나 동물의 신체 내부로부터 장기 부분을 제거하는 수단이다. 이러한 장기는 혈관이 매우 많을 수 있다. 조직이 절단(분할 또는 절개)되는 경우, 세동맥(arterioles)이라고 불리는 작은 혈관이 손상되거나 파열된다. 초기 출혈 다음에는 출혈 지점을 막기 위한 시도로 혈액이 혈전으로 전환되는 응고 캐스케이드(coagulation cascade)가 이어진다. 수술 중에는, 환자가 가능한 한 적은 혈액을 잃는 것이 바람직하므로, 무출혈 절단을 제공하기 위한 시도로 다양한 장치가 개발되어 왔다. 내시경 수술에 대해서는, 혈류가 수술자의 시야를 가릴 수 있으므로, 출혈이 발생하여 가능한 한 신속하게 또는 적절한 방식으로 대처하지 못하는 것은 바람직하지 않으며, 이는 수술을 종료해야 할 필요성과 그 대신에 사용할 다른 방법, 예를 들어 개복 수술을 유발할 수 있다.
예리한 블레이드 대신에, 무선주파수(RF) 에너지를 사용하여 생체 조직을 절단하는 것이 알려져 있다. RF 에너지를 사용하여 절단하는 방법은, 전류가 조직 매트릭스(tissue matrix)(세포의 이온 함유물에 의해 도움을 받음)를 통과할 때, 조직을 가로지르는 전자의 흐름에 대한 임피던스가 열을 발생시킨다는 원리를 사용하여 작동한다. 순수 사인파(pure sine wave)가 조직 매트릭스에 인가될 때, 세포 내에 충분한 열이 발생되어 조직의 수분 함유물을 증발시킨다. 따라서, 세포막에 의해 제어될 수 없는 세포 내압이 엄청나게 상승하여 세포 파열을 초래한다. 이것이 넓은 영역에 걸쳐서 발생할 때에 조직이 절개되었음을 알 수 있다.
상기 원리는 소지방 조직(lean tissue)에서 정확하게 작동하지만, 전자의 통과를 돕는 이온 성분이 적기 때문에 지방 조직에서는 덜 효과적이다. 이것은, 지방의 증발 잠열이 물의 증발 잠열보다 훨씬 크기 때문에, 세포의 함유물을 증발시키는 데 필요한 에너지가 훨씬 더 크다는 것을 의미한다.
RF 응고는 조직에 덜 효율적인 파형을 인가함으로써 작동하며, 이에 따라 증발되는 대신에, 세포 함유물이 약 65℃로 가열된다. 이것은 건조에 의해 조직을 건조시키고 또한 혈관벽 내의 단백질 및 세포벽을 구성하는 콜라겐을 변성시킨다. 단백질을 변성시키는 것은 응고 캐스케이드에 대한 자극으로서 작용하므로, 응고가 증강된다. 동시에, 벽 내의 콜라겐은 변성되어 분자와 같은 로드(rod)로부터 코일로 변하여, 혈관을 수축시키고 그 크기를 감소시켜, 혈전에 앵커 포인트를 제공하고 막기 위한 영역을 보다 작게 한다.
그러나, 지방 조직이 존재할 때에 전기 효과가 감소되기 때문에 RF 응고는 덜 효율적이다. 따라서, 지방이 많은 출혈 환자를 밀봉하는 것은 매우 어려울 수 있다. 깨끗한 흰색 마진을 갖는 대신에, 조직은 검게 그을린 외관을 갖는다.
실제로, RF 디바이스는 절단 출력과 응고 출력 사이의 중간에 있는 중간 파고율(crest factor)을 갖는 파형을 사용하여 작동할 수 있다.
GB 2 486 343은, 프로브에 전달된 RF 에너지 및 마이크로파 에너지 양쪽 모두의 에너지 전달 프로파일이 프로브에 전달된 RF 에너지의 샘플링된 전압 및 전류 정보와, 프로브로 및 프로브로부터 전달된 마이크로파 에너지에 대한 샘플링된 순방향 및 반사 전력 정보에 기초하여 설정되는 전기 수술 장치용 제어 시스템을 개시한다.
도 1은 GB 2 486 343에 제시된 바와 같은 전기 수술 장치(400)의 개략도를 도시한다. 장치는 RF 채널 및 마이크로파 채널을 포함한다. RF 채널은 생체 조직을 치료(예를 들어, 절단 또는 건조)하기에 적합한 전력 레벨로 RF 주파수 전자기 신호를 발생시키고 제어하기 위한 구성요소를 포함한다. 마이크로파 채널은 생체 조직을 치료(예를 들어, 응고 또는 절제)하기에 적합한 전력 레벨로 마이크로파 주파수 전자기 신호를 발생시키고 제어하기 위한 구성요소를 포함한다.
마이크로파 채널은 마이크로파 주파수 소스(402)에 이어서 이 소스(402)로부터의 신호를 2개의 브랜치로 분할하는 전력 분할기(424)(예를 들어, 3 dB 전력 분할기)를 구비한다. 전력 분할기(424)로부터의 하나의 브랜치는, 제어 신호(V10)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 제어되는 가변 감쇠기(404) 및 제어 신호(V11)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 제어되는 신호 변조기(408)를 포함하는 전력 제어 모듈, 및 치료에 적합한 전력 레벨로 프로브(420)로부터 전달하기 위한 순방향 마이크로파 EM 방사선을 발생시키기 위한 구동 증폭기(410) 및 전력 증폭기(412)를 포함하는 증폭기 모듈을 갖는 마이크로파 채널을 형성한다. 증폭기 모듈 다음에, 마이크로파 채널은 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라 소스로부터 프로브로 마이크로파 EM 에너지를 전달하도록 연결된 서큘레이터(416), 서큘레이터(416)의 제1 포트에 있는 순방향 커플러(414), 및 서큘레이터(416)의 제3 포트에 있는 반사 커플러(418)를 포함하는 마이크로파 신호 결합 모듈(마이크로파 신호 검출기의 일부를 형성함)로 계속된다. 반사 커플러를 통과한 후, 제3 포트로부터의 마이크로파 EM 에너지는 전력 덤프 부하(422)에 흡수된다. 마이크로파 신호 결합 모듈은 또한 검출을 위해 순방향 결합 신호 또는 반사 결합 신호 중 어느 하나를 헤테로다인 수신기에 연결하기 위해 제어 신호(V12)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 작동되는 스위치(415)를 포함한다.
전력 분할기(424)로부터의 다른 브랜치는 측정 채널을 형성한다. 측정 채널은 마이크로파 채널의 증폭 라인업을 우회하고, 이에 따라 프로브로부터 저전력 신호를 전달하도록 배치된다. 이 실시형태에서, 제어 신호(V13)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 제어되는 1차 채널 선택 스위치(426)는 마이크로파 채널 또는 측정 채널 중 어느 하나로부터의 신호를 선택하여 프로브에 전달하도록 작동 가능하다. 하이 밴드 패스 필터(427)는 저주파 RF 신호로부터 마이크로파 신호 발생기를 보호하기 위해 1차 채널 선택 스위치(426)와 프로브(420) 사이에 연결된다.
측정 채널은 프로브로부터 반사된 전력의 위상 및 크기를 검출하도록 배치된 구성요소를 포함하며, 이는 프로브의 원위 단부에 존재하는 물질, 예를 들어 생체 조직에 관한 정보를 산출할 수 있다. 측정 채널은 마이크로파 EM 에너지를 소스(402)로부터 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라 프로브에 전달하도록 연결된 서큘레이터(428)를 포함한다. 프로브로부터 반송된 반사 신호는 서큘레이터(428)의 제3 포트로 유도된다. 서큘레이터(428)는 정확한 측정을 용이하게 하기 위해 순방향 신호와 반사 신호 사이에 격리를 제공하는 데 사용된다. 그러나, 서큘레이터가 그의 제1 포트와 제3 포트 사이에 완전한 격리를 제공하지 않으므로, 즉 순방향 신호의 일부가 제3 포트로 브레이크 스루하여 반사 신호와 간섭할 수 있으므로, (순방향 커플러(430)로부터의) 순방향 신호의 일부를 (주입 커플러(432)를 통해) 제3 포트로부터 나오는 신호 내에 다시 주입하는 반송파 소거 회로가 사용된다. 반송파 소거 회로는, 주입된 부분이 제1 포트로부터 제3 포트로 브레이크 스루하는 임의의 신호와 위상이 180° 달라서 그 임의의 신호를 소거하는 것을 보장하기 위한 위상 조정기(434)를 포함한다. 반송파 소거 회로는, 주입된 부분의 크기가 임의의 브레이크스루 신호(breakthrough signal)와 동일한 것을 보장하기 위한 신호 감쇠기(436)를 또한 포함한다.
순방향 신호에서의 임의의 드리프트를 보상하기 위해, 순방향 커플러(438)가 측정 채널 상에 제공된다. 순방향 커플러(438)의 결합된 출력 및 서큘레이터(428)의 제3 포트로부터의 반사 신호는 스위치(440)의 각각의 입력 단자에 연결되고, 스위치는 제어 신호(V14)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 작동되어, 결합된 순방향 신호 또는 반사 신호 중 어느 하나를 검출을 위해 헤테로다인 수신기에 연결한다.
스위치(440)의 출력(즉, 측정 채널로부터의 출력) 및 스위치(415)의 출력(즉, 마이크로파 채널로부터의 출력)은 2차 채널 선택 스위치(442)의 각각의 입력 단자에 연결되며, 2차 채널 선택 스위치는 1차 채널 선택 스위치와 함께 제어 신호(V15)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 작동되어, 측정 채널이 프로브에 에너지를 공급할 때에 측정 채널의 출력이 헤테로다인 수신기에 연결되는 것과, 마이크로파 채널이 프로브에 에너지를 공급할 때에 마이크로파 채널의 출력이 헤테로다인 수신기에 연결되는 것을 보장한다.
헤테로다인 수신기는 2차 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력된 신호로부터 위상 및 크기 정보를 추출하는 데 사용된다. 단일 헤테로다인 수신기가 이 시스템에 도시되어 있지만, 필요에 따라 신호가 컨트롤러에 입력되기 전에 소스 주파수를 2회 믹스 다운하기 위한 이중 헤테로다인 수신기(2개의 국부 발진기 및 믹서를 포함함)가 사용될 수도 있다. 헤테로다인 수신기는 2차 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력된 신호를 믹스 다운하기 위한 국부 발진기(444) 및 믹서(448)를 포함한다. 국부 발진기 신호의 주파수는, 믹서(448)로부터의 출력이 컨트롤러(406)에서 수신되기에 적합한 중간 주파수에 있도록 선택된다. 밴드 패스 필터(446, 450)는 고주파 마이크로파 신호로부터 국부 발진기(444) 및 컨트롤러(406)를 보호하기 위해 제공된다.
컨트롤러(406)는 헤테로다인 수신기의 출력을 수신하고 그 출력으로부터 마이크로파 채널 또는 측정 채널 상의 순방향 신호 및/또는 반사 신호의 위상 및 크기를 나타내는 정보를 판정(예를 들어, 추출)한다. 이 정보는 마이크로파 채널 상의 고 전력 마이크로파 EM 방사선 또는 RF 채널 상의 고 전력 RF EM 방사선의 전달을 제어하는 데 사용될 수 있다. 사용자는, 전술한 바와 같이, 사용자 인터페이스(452)를 통해 컨트롤러(406)와 상호 작용할 수 있다.
도 1에 도시된 RF 채널은, 제어 신호(V16)를 통해 컨트롤러(406)에 의해 제어되는 게이트 드라이버(456)에 연결된 RF 주파수 소스(454)를 포함한다. 게이트 드라이버(456)는, 하프브리지(half-bridge) 구성인 RF 증폭기(458)에 대한 작동 신호를 공급한다. 하프브리지 구성의 드레인 전압은 가변 DC 전원(460)을 통해 제어 가능하다. 출력 변압기(output transformer)(462)는 발생된 RF 신호를 프로브(420)에 전달하기 위한 라인 상에 전송한다. 로우 패스, 밴드 패스, 밴드 스톱 또는 노치 필터(464)는 고주파 마이크로파 신호로부터 RF 신호 발생기를 보호하기 위해 해당 라인 상에 연결된다.
변류기(current transformer)(466)는 조직 부하에 전달된 전류를 측정하기 위해 RF 채널 상에 연결된다. 분압기(potential divider)(468)(출력 변압기로부터 태핑될 수 있음)는 전압을 측정하는 데 사용된다. 분압기(468) 및 변류기(466)로부터의 출력 신호(즉, 전압 및 전류를 나타내는 전압 출력)는, 각각의 버퍼 증폭기(470, 472) 및 전압 클램핑 제너 다이오드(474, 476, 478, 480)에 의한 컨디셔닝 후에 컨트롤러(406)에 직접 연결된다(도 1에서 신호 B 및 C로 나타냄).
위상 정보를 유도하기 위해서, 전압 및 전류 신호(B 및 C)는 또한 위상 비교기(482)(예를 들어, EXOR 게이트)에 연결되고, 위상 비교기의 출력 전압은 RC 회로(484)에 의해 적분되어, 전압 파형과 전류 파형 간의 위상차에 비례하는 전압 출력(도 1에서 A로 나타냄)을 생성한다. 이 전압 출력(신호 A)은 컨트롤러(406)에 직접 연결된다.
마이크로파/측정 채널 및 RF 채널은 신호 조합기(signal combiner)(114)에 연결되며, 신호 조합기는 케이블 어셈블리(116)를 따라 개별적으로 또는 동시에 양쪽 유형의 신호를 프로브(420)에 전달하며, 프로브로부터 신호가 환자의 생체 조직 내에 전달(방사)된다. 적합한 신호 조합기는 WO 2014/049332에 설명되어 있다.
가장 일반적으로, 본 발명은 마이크로파 신호 및 RF 신호 양쪽 모두가 신호 주파수 소스로부터 유도되는 전기 수술용 발생기를 제안한다. 이러한 발생기는 응고, 절제 또는 측정에 적합한 마이크로파 에너지를 전달할 뿐만 아니라 절단(예를 들어, 절제 또는 절개) 또는 응고에 적합한 파형의 RF 에너지를 전달할 수 있다. 본 발명은 다중 주파수 전기 수술 시스템에서 필요한 구성요소의 수를 절감할 수 있다. 이것은 제조 비용을 절감할 수 있고, 소형 장치, 예를 들어 휴대용 또는 핸드헬드 전기 수술용 발생기의 제조를 용이하게 할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 무선주파수(RF) 전자기(EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 발생시키기 위한 전기 수술용 발생기가 제공되며, 상기 발생기는, 마이크로파 신호를 발생시키기 위한 마이크로파 소스; 발생기로부터 출력될 마이크로파 소스로부터의 마이크로파 신호를 전달하기 위한 마이크로파 채널; 발생기로부터 출력될 RF 신호를 전달하는 RF 채널; 및 마이크로파 신호를 수신하도록 연결 가능한 마이크로파-RF 변환기(microwave-to-RF converter)를 포함하고, 마이크로파-RF 변환기는 마이크로파 신호로부터 RF 신호를 발생시키고 RF 신호를 RF 채널에 전달하도록 배치된다. 이러한 배치에서, 동일한 에너지 소스(마이크로파 소스)가 RF 신호 및 마이크로파 신호를 생성하는 데 사용된다. 이것은, 단일의 전원만이 발생기 라인업에 필요해서, 알려진 시스템과 비교하여 구성요소의 수를 절감할 수 있음을 의미한다.
마이크로파 소스는, 예를 들어 단일의 안정적인 마이크로파 주파수에서 100 W 이상의 전력으로 마이크로파 에너지를 출력할 수 있는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
마이크로파-RF 변환기는, RF 특성을 마이크로파 신호 내에 도입하도록 배치된 RF 스위칭 유닛; 및 RF 특성을 유지하면서 마이크로파 신호를 정류하기 위한 정류 유닛을 포함하고, RF 신호는 정류 유닛의 출력으로부터 얻어진다. RF 특성은 마이크로파 신호에서 전력량의 손실이 없거나 무시될 수 있음을 보장하는 방식으로 도입될 수 있다. 예를 들어, RF 스위칭 유닛은, 신속한 스위칭이 가능한, 예를 들어 고속 스위칭 PIN 다이오드 등을 사용하여 구현되는 변조기, 또는 상이한 목적지 사이에서 마이크로파 신호를 교번하는 SPDT 스위치일 수 있다.
정류 유닛은 마이크로파(즉, ㎓ 정도의 주파수) 신호를 DC 신호로 변환하도록 배치된다. RF 특성을 실질적으로 순간적인 ON-OFF 전이로서 마이크로파 신호 내에 도입함으로써, 마이크로파 신호의 정류는 RF 특성에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않을 수 있다. 이 단계에서 RF 특성을 유지하는 것은 RF 신호에 대해 원하는 파형을 추출하는 데 사용될 수 있게 한다. 본 명세서에 제공된 예에서, 출력 RF 신호는 사인파 형태, 즉 실질적으로 단일의 안정적인 주파수일 수 있다.
정류 유닛은 마이크로파 신호에 대한 전파 정류기로서 작동할 수 있어, 모든 마이크로파 파형이 사용될 수 있다.
RF 특성은 100㎑와 300㎒ 사이, 바람직하게는 400㎑의 단일 주파수를 갖는 주 RF 성분을 포함할 수 있다. RF 스위칭 유닛은 주 RF 성분 주파수에서 작동할 수 있다.
일례에서, RF 스위칭 유닛은 300㎒ 미만의 주파수에서 마이크로파 신호를 펄스화하기 위한 변조기를 포함할 수 있다. 변조기는 50%의 듀티 사이클에서 작동하도록 배치될 수 있다. 이 셋업은 결과적인 구형파에서 기본 주파수의 진폭(주 RF 성분에 대응할 수 있음)을 최대화할 수 있다.
다른 예에서, 정류 유닛은 제1 정류기 및 제2 정류기를 포함할 수 있고, RF 스위칭 유닛은 300㎒ 미만의 주파수에서 제1 정류기와 제2 정류기 사이에서 마이크로파 신호를 교번하도록 배치될 수 있다. 마이크로파-RF 변환기는 제1 정류기 및 제2 정류기로부터 출력된 정류 신호로부터 복합 정류 신호를 형성하도록 배치될 수 있다. 일례에서, 제1 정류기 및 제2 정류기의 극성은, 복합 신호가 제1 정류기 또는 제2 정류기 단독의 진폭의 2 배의 진폭을 갖는 구형파가 되도록 반대일 수 있다.
마이크로파-RF 변환기는 정류 유닛의 출력으로부터 원하지 않는 주파수 성분을 제거하도록 배치된 필터링 유닛을 포함할 수 있다. 즉, 필터링 유닛은 정류기 유닛의 출력으로부터 원하는 주파수 또는 협대역의 주파수를 선택하도록 배치될 수 있다. 출력이 구형파인 경우, 필터링 유닛은 신호로부터 고조파를 제거하도록 배치될 수 있다. 따라서, RF 신호는 주로 구형파의 기본에 기초할 수 있다.
RF 신호에 대해 원하는 전압 레벨을 달성하기 위해서, 마이크로파-RF 컨버터는 승압 변압기(step-up transformer)를 포함할 수 있다.
발생기는, 예를 들어 상호 배타적인 방식으로 마이크로파 에너지 및 RF 신호를 개별적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 따라서, 발생기는 마이크로파 신호를 마이크로파 채널 또는 마이크로파-RF 변환기로 선택적으로 유도하기 위한 스위치를 포함할 수 있다.
발생기는 마이크로파 신호 및 RF 신호를 전달 프로브(delivery probe)를 향하여 전달하기 위한 공통 출력 채널을 포함할 수 있다. 마이크로파 채널 및 RF 채널을 공통 출력 채널에 연결하는 신호 조합기가 제공될 수 있다. 신호 조합기는 스위치 또는 다이플렉서일 수 있다.
발생기의 작동은, 컨트롤러, 예를 들어 마이크로프로세서 등에 의해 관리 될 수 있다. 컨트롤러는, 예를 들어 RF 스위칭 유닛 및/또는 정류 유닛에 적절한 제어 신호를 전송함으로써 마이크로파-RF 변환기를 작동시키도록 배치될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 무선 주파수(RF) 전자기(EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 생체 조직 내에 전달하기 위한 전기 수술 시스템을 제공하며, 상기 시스템은, 상기에서 정의된 바와 같은 전기 수술용 발생기; 및 전기 수술용 발생기로부터 마이크로파 신호 및 RF 신호를 수신하도록 연결된 전달 프로브를 포함한다. 전달 프로브는 생체 조직을 절단하기 위한 RF 에너지, 및 생체 조직을 응고시키거나 절제하기 위한 마이크로파 에너지를 전달할 수 있는 전기 수술 기구일 수 있다.
본 명세서에서, "마이크로파"는 400㎒ 내지 100㎓의 주파수 범위, 바람직하게는 1㎓ 내지 60㎓의 범위를 나타내기 위해 광범위하게 사용될 수 있다. 고려된 특정 주파수는 915㎒, 2.45㎓, 3.3㎓, 5.8㎓, 10㎓, 14.5㎓ 및 24㎓이다. 대조적으로, 본 명세서는, 적어도 3 자리수 낮은 주파수 범위, 예를 들어 최대 300㎒, 바람직하게는 10㎑ 내지 1㎒, 가장 바람직하게는 400㎑인 주파수 범위를 나타내기 위해 "무선주파수" 또는 "RF"를 사용한다.
본 발명의 실시형태가 첨부 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다:
도 1은 마이크로파 및 RF 신호를 제공하기 위한 공지된 전기 수술용 발생기 구성의 개략적인 시스템도이며, 전술되어 있음;
도 2는 본 발명의 실시형태인 마이크로파-RF 변환기를 갖는 전기 수술용 발생기의 개략적인 블록도;
도 3은 본 발명의 실시형태에서 사용될 수 있는 마이크로파-RF 변환기의 구성요소의 개략적인 블록도;
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 마이크로파-RF 변환기의 제1 예에서의 신호 전이 단계를 도시하는 개략도; 및
도 5는 본 발명에서 사용될 수 있는 마이크로파-RF 변환기의 제2 예에서의 신호 전이 단계를 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 실시형태인, 생체 조직을 치료하기 위한 마이크로파 에너지 및 RF 에너지를 발생시키기 위한 전기 수술 장치(100)의 개략적인 블록도이다. 장치(100)는 단일의 안정적인 주파수를 갖는 마이크로파 신호를 발생시키기 위한 마이크로파 발생기(102)를 포함한다. 바람직한 주파수는 5.8㎓이다. 마이크로파 발생기(102)는 도 1을 참조하여 전술한 마이크로파 채널 상의 구성요소를 포함할 수 있다. 특히, 마이크로파 발생기(102)는 마이크로파 신호를 100 W의 전력으로 50 Ω 임피던스를 갖는 부하 내에 론칭할 수 있는 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
마이크로파 발생기(102)로부터 출력된 마이크로파 신호는, 마이크로파 신호에 대한 경로를 선택하기 위해 컨트롤러(미도시)에 의해 제어되는 모드 스위치(104)에 의해 수신된다. 컨트롤러는, 마이크로파 신호가 제1 경로(107)를 따라 전달 프로브(미도시)를 향하여 유도되는 마이크로파 전달 모드와, 마이크로파 신호가 제2 경로(109)를 따라 마이크로파-RF 변환기(106)를 향하여 유도되는 RF 전달 모드 간을 선택하기 위해 모드 스위치(104)를 작동시킬 수 있고, 마이크로파-RF 변환기는 마이크로파 신호를, 제3 경로(111)를 따라 전달 프로브를 향하여 전달되는 RF 신호로 변환한다. 마이크로파-RF 변환기(106)는 이하에서 더 상세히 설명된다.
제1 경로(107) 및 제2 경로(109)는 저 손실로 고 전력 마이크로파 에너지를 전달할 수 있는 전송선(예를 들어, 동축 케이블 또는 그와 유사한 것)으로부터 형성될 수 있다. 마찬가지로, 모드 스위치(104)는 동축 스위치(예를 들어, 동축 단극(coaxial single pole), 쌍투 스위치(double throw switch)) 등일 수 있다. 제3 경로(111)는 저 손실로 RF 신호를 전달하기에 적합한 전송선으로부터 형성될 수 있다. 재차, 동축 케이블이 적합할 수도 있다.
신호 조합기(108)는 제3 경로(111)로부터의 RF 신호 또는 제2 경로(109)로부터의 마이크로파 신호를 전달 프로브를 향하여 공통 출력 경로(113) 상에 전달하는 데 사용될 수 있다. 신호 조합기(108)는 프로브로부터 다시 반사되는 에너지로부터 마이크로파-RF 변환기(106) 및 마이크로파 발생기(102)를 보호하는 스위치 또는 다이플렉서 구성일 수 있다. 스위치가 신호 조합기(108)에서 사용되는 경우, 스위치는 모드 스위치(104)와 동기하여 컨트롤러에 의해 작동 가능할 수 있다.
전달 프로브는, 예를 들어 절단, 응고, 측정, 절제 등을 위해 생체 조직 상에 RF 에너지 및 마이크로파 에너지를 사용하기에 적합한 임의의 전기 수술 기구일 수 있다. 가능한 프로브는, 예를 들어 WO 2014/006369, WO 2014/184544 및 WO 2015/097446에서 찾을 수 있다. 전달 프로브는 개복 수술, 복강경 수술 및 내시경 수술 중 어느 것에서도 사용될 수 있다. 일부 예에서, 신호 조합기(108)는 RF 신호 및 마이크로파 신호를, 수술 스코핑 장치의 기구 채널을 통과하는 가요성 공급 케이블(예를 들어, 동축 케이블)에 전송하도록 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시형태에서 사용되는 마이크로파-RF 변환기(106)의 기능 요소의 개략적인 블록도이다. 구성요소의 다양한 조합이 도 3의 블록의 기능을 수행하도록 선택될 수 있고, 본 발명은 구성요소의 임의의 특정 조합에 한정될 필요가 없음이 이해될 수 있다.
마이크로파-RF 변환기(106)는, 마이크로파 신호를 펄스화하기 위한 변조기 또는 복수의 경로 사이에서 마이크로파 신호를 유도하기 위한 스위치일 수 있는 RF 스위칭 유닛(110)을 포함한다. 이들 2개의 대안은 도 4 및 도 5를 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명된다. RF 스위칭 유닛(110)은 RF 특성을 마이크로파 신호에 도입하도록 작동한다. RF 특성은 컨버터(106)로부터 출력될 RF 신호의 원하는 주 주파수에 대응하는 주파수 성분을 포함한다. 예를 들어, 마이크로파 신호는 연속파(CW) 신호로서 변환기(106)에 입력될 수 있다. RF 스위칭 유닛(110)은 CW 마이크로파 신호를, 펄스 주파수가 RF 특성을 갖는 하나 이상의 펄스형 마이크로파 신호로 변환하도록 배치될 수 있다. RF 스위칭 유닛(110)은 컨트롤러(미도시)의 제어 하에 작동할 수 있다. RF 스위칭 유닛(110)은 고 전력 신호로 고속 스위칭할 수 있는 PIN 다이오드를 사용하여 형성될 수 있다.
RF 스위칭 유닛(110)의 출력은, 마이크로파 신호를 정류하도록, 즉 펄스형 마이크로파 신호의 각 펄스의 마이크로파 주파수 AC 성분을 DC 신호로 변환하도록 배치되는 정류 유닛(112)에 의해 수신된다. 임의의 적합한 정류기 회로가 이 목적을 위해 사용될 수 있지만, 후술하는 바와 같이, 변환 효율이 높은 것이 바람직하다. 정류기는, 예를 들어 쇼트키 다이오드 등을 사용하는 반전 증폭기(reverse amplifier) 구성을 포함할 수 있다. 정류기는 바람직하게는, 예를 들어 풀 브리지(full bridge) 구성을 갖는 전파 정류기이다. 이러한 구성은 원하는 전압을 갖는 RF 신호를 얻는 것을 도울 수 있는 마이크로파 신호를 완전히 이용하게 한다. 정류 유닛(112)은, 예를 들어 정류기 출력에 션트(shunt)로 연결된 버랙터 다이오드(varactor diode) 등에 의해 제공되는 평활 커패시터 구성을 포함할 수 있다.
정류 유닛(112)의 출력은, 정류 신호로부터 원하는 RF 신호를 추출하도록 배치된 필터링 유닛(114)에 의해 수신된다. 정류 신호는 구형파, 즉 RF 스위칭 유닛(110)에 의해 도입된 RF 주파수에서 ON 및 OFF 펄스의 시퀀스와 유사할 수 있다. 필터링 유닛(114)은, 정류 신호의 고조파 성분을 제거하여 주된 성분이 기본 주파수에서 사인파인 출력 RF 신호를 생성하도록 배치될 수 있다.
필터링 유닛의 출력은 변압기 유닛(116)에 의해 수신되며, 그 기능은 RF 신호의 전압을 사용에 필요한 레벨로 승압하는 것이다. 이 목적을 위해 임의의 종래 승압 변압기 구성이 사용될 수 있다. 일례에서, 승압 변압기는 도 1을 참조하여 전술한 변압기(462)에 통합될 수 있다. 즉, 변환기(106)는 도 1에 도시된 것과 유사한 시스템으로 구현될 수 있으며, 여기서 시스템은 RF 신호를 발생시키는 구성요소를 대체한다.
RF 에너지를 발생시키도록 스위칭될 때에 마이크로파-RF 변환기(106)의 구성 및 마이크로파 발생기(102)의 출력 전력은 생체 조직을 치료하기에 적합한 특성을 갖는 RF 신호가 생성될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 발생된 RF 신호가 생체 조직을 절단하기 위한 프로세스에서 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
일례에서, RF 신호의 원하는 출력 전압은 약 300 V rms이다. RF 신호는, 예를 들어 약 1 kΩ 이상의 비교적 높은 임피던스를 "볼" 가능성이 있다. 이 상황에서, RF 신호는 약 90 W의 RF 전력에 대응하는 300 mA rms 전류를 발생시킬 것이다. 따라서, 입력 마이크로파 신호의 전력 및 마이크로파-RF 변환기(106)의 효율은 이 레벨의 전력이 발생될 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 마이크로파 신호가 50 Ω에서 100 W의 전력을 갖는 경우, 변환 효율은 90%가 될 필요가 있을 것이다.
90% 효율이 달성될 수 없는 경우, 1 kΩ보다 높은 임피던스로(즉, 300 mA rms 미만의 전류로), 또는 300 V rms보다 낮은 RF 전압으로 작동할 필요가 있을 수 있다.
마이크로파-RF 변환기(106)의 작동의 단순한 예시를 위해, 이하의 분석은 100% 효율로 달성될 수 있는 것에 기초한다.
50 Ω에서 100 W를 갖는 CW 마이크로파 신호가 전파 정류기를 사용하여 100% 효율로 정류되는 경우, 정류 전압은 100 V이다. RF 신호는 RF 주파수(400㎑ 사이클 주파수)에서 마이크로파 전력을 온 및 오프로 스위칭함으로써 생성될 수 있다. 이것은, 100 V와 0 V 사이에서 교번하는, 즉 100 V의 피크 대 피크(peak-to-peak)인 400㎑ 신호를 생성할 것이다. 이것은 고조파 성분(3차, 5차, 7차 등)을 갖는 구형파이다. 이것이 기본(400㎑에서)만을 선택하도록 필터링되는 경우, 기본 사인파의 진폭은 구형파의 진폭의 127.4%, 즉 127.4V의 피크 대 피크일 것이다. 구형파, 즉 50% 듀티 사이클은 다른 듀티 사이클에 비해 기본의 진폭을 최대화한다. 이러한 작동 방법이 도 4와 관련하여 후술된다.
그러나, 피크 대 피크 전압은 정류기 출력이 스위칭 오프되지 않고 반전되는 경우에 2배가 되어, ±100 V를 발생시킬 수 있다. 이것은, 필터링 전에 200 V의 피크 대 피크 전압을 제공할 것이고, 400㎑에서 약 254.8 V의 피크 대 피크를 제공할 것이다. 이를 위해, 정류기 극성은 400㎑ 사이클 주파수에서 스위칭될 수 있다. 이를 행하는 하나의 방법은 한 쌍의 마이크로파 스위치 및 2개의 반대 극성 전파 정류기를 사용하는 것이다. 이러한 작동 방법이 도 5와 관련하여 후술된다.
300 V rms 신호에 대한 피크 대 피크 전압은 848.5 V의 피크 대 피크이다. 따라서, 승압 변압기는 3:10 변압기로서 배치되어 254 V의 피크 대 피크를 원하는 레벨로 변환할 수 있다. 3:10 변압기는 임피던스를 9:100으로, 즉 50 Ω으로부터 555.5 Ω으로 변환할 것이므로, 장치는 출력 임피던스가 정류기를 지원하는 레벨에서 상기에서 계산된 바와 같은 피크 출력을 제공하는 것을 보장하도록 구성될 수 있다.
도 4는 일 실시형태에서 마이크로파-RF 변환기에 의해 마이크로파 신호가 변환되는 방법의 개략도이다.
마이크로파 신호는, 이 예에서 변조기, 예를 들어 컨트롤러(미도시)에 의해 작동되는 PIN 다이오드 기반 장치인 RF 스위칭 유닛(110)에 의해 수신되는 CW 마이크로파 신호(130)로서 변환기에 입력된다. RF 스위칭 유닛(110)의 출력은 복수의 마이크로파 에너지 버스트를 포함하는 펄스형 마이크로파 신호(132)이다.
펄스형 마이크로파 신호(132)는, ON 및 OFF 부분의 시퀀스에 의해 형성된 구형파와 유사한 정류 신호(134)를 형성하도록 마이크로파 에너지의 각 버스트를 정류하는 전파 정류기 유닛(112)에 의해 수신된다. 구형파의 듀티 사이클은 RF 스위칭 유닛의 스위칭 듀티 사이클에 대응한다. 이 예에서 듀티 사이클은 50%이다. 마이크로파 신호의 주파수는 5.8㎓일 수 있는 반면에, RF 스위칭 유닛의 스위칭 주파수는 400㎑일 수 있다. 도 4에 도시된 파형은 실제 축적이 아니지만, 일반적으로 구형파의 주파수가 마이크로파 신호의 주파수보다 많은 차수(예컨대, 적어도 3 차수) 작다는 사실을 나타낸다.
정류 신호(134)는, 구형파 신호에서 고조파를 필터링하고 구형파의 기본 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 RF 신호(136)를 출력하는 필터링 유닛(114)에 의해 수신된다. 그런 다음, RF 신호(136)는 프로브에 전달하기 위해 전술한 바와 같이 승압 변압기에 전달될 수 있다.
도 5는 다른 실시형태에서 마이크로파-RF 변환기에 의해 마이크로파 신호가 변환되는 방법의 개략도이다.
이 예에서, 마이크로파 신호는 또한 CW 마이크로파 신호(130)로서 변환기에 입력된다. CW 마이크로파 신호(130)는, 이 예에서 스위치, 예를 들어 Teledyne Technologies Incorporated에 의해 제조된 고 전력 스위치인 RF 스위칭 유닛(110)에 의해 수신된다. RF 스위칭 유닛(110)은 2개의 정류기 유닛(117, 118) 사이에서 CW 마이크로파 신호(130)를 교번시킨다. 따라서, 제1 정류기 유닛(117)은 복수의 마이크로파 에너지 버스트를 포함하는 제1 펄스형 마이크로파 신호(140)를 수신하는 한편, 제2 정류기 유닛(118)은 제1 펄스형 마이크로파 신호(140)와 위상이 다른 제2 펄스형 마이크로파 신호(142)를 수신하여, 마이크로파 에너지의 버스트가 제1 정류기 유닛(117) 및 제2 정류기 유닛(118)에서 교번하여 수신된다.
각 정류기 유닛(117,118)은 ON 및 OFF 부분의 시퀀스에 의해 형성된 구형파와 유사한 각각의 정류 신호(144, 146)를 형성하도록 마이크로파 에너지의 버스트를 정류한다. 구형파의 듀티 사이클은 RF 스위칭 유닛(110)의 스위칭 듀티 사이클에 대응한다. 이 예에서 듀티 사이클은 50%이므로, 결과적인 정류 신호(144, 146)는 동일한 주파수를 갖는다. 마이크로파 신호의 주파수는 5.8㎓일 수 있는 반면에, RF 스위칭 유닛의 스위칭 주파수는 400㎑일 수 있다. 도 5에 도시된 파형은 실제 축적이 아니지만, 일반적으로 구형파의 주파수가 마이크로파 신호의 주파수보다 많은 차수(예컨대, 적어도 3 차수) 작다는 사실을 나타낸다.
제2 정류기 유닛(118)의 극성은 제1 정류기 유닛(117)의 극성과 반대가 되도록 배치된다. 따라서, 정류기 유닛(117, 118)으로부터의 출력은 반대 극성 및 위상 오프셋을 갖는 제1 정류 신호(144) 및 제2 정류 신호(146)를 포함한다.
제1 정류 신호(144) 및 제2 정류 신호(146)는 스위칭 유닛(120)에 의해 복합 신호(148)로 조합되고, 스위칭 유닛의 스위칭 주파수는 스위칭 유닛(110)과 동일하고 스위칭 유닛의 동작은 컨트롤러(미도시)에 의해 스위칭 유닛(110)과 동기화될 수 있다. 복합 신호(148)는 각 정류 신호(144, 146)의 2배의 진폭을 갖는 구형파이다.
복합 신호(148)는, 구형파 신호에서 고조파를 필터링하고 구형파의 기본 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 RF 신호(150)를 출력하는 필터링 유닛(114)에 의해 수신된다. 그런 다음, RF 신호(150)는 프로브에 전달하기 위해 전술한 바와 같이 승압 변압기에 전달될 수 있다.

Claims (16)

  1. 무선주파수(RF) 전자기(EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 발생시키기 위한 전기 수술용 발생기(electrosurgical generator)로서,
    마이크로파 신호를 발생시키기 위한 마이크로파 소스;
    상기 발생기로부터 출력될 상기 마이크로파 소스로부터의 상기 마이크로파 신호를 전달하기 위한 마이크로파 채널;
    상기 발생기로부터 출력될 RF 신호를 전달하기 위한 RF 채널; 및
    상기 마이크로파 신호를 수신하도록 연결 가능한 마이크로파-RF 변환기(microwave-to-RF converter)를 포함하되, 상기 마이크로파-RF 변환기는,
    상기 마이크로파 신호로부터 RF 신호를 발생시키는 것, 및
    상기 RF 신호를 상기 RF 채널에 전달하는 것을 행하도록 배치되는, 전기 수술용 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파-RF 변환기는,
    RF 특성을 상기 마이크로파 신호에 도입하도록 배치된 RF 스위칭 유닛; 및
    상기 RF 특성을 유지하면서 상기 마이크로파 신호를 정류하기 위한 정류 유닛을 포함하며,
    상기 RF 신호는 상기 정류 유닛의 출력으로부터 얻어지는, 전기 수술용 발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정류 유닛은 상기 마이크로파 신호에 대한 전파 정류기로서 작동하는, 전기 수술용 발생기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 RF 특성은 400㎑의 주파수를 갖는 주 RF 성분을 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 RF 스위칭 유닛은 300㎒ 미만의 주파수에서 상기 마이크로파 신호를 펄스화하기 위한 변조기를 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변조기는 50%의 듀티 사이클에서 작동하도록 배치되는, 전기 수술용 발생기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 정류 유닛은 구형파를 출력하도록 배치되는, 전기 수술용 발생기.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 정류 유닛은 제1 정류기 및 제2 정류기를 포함하며, 상기 RF 스위칭 유닛은 300㎒ 미만의 주파수에서 상기 제1 정류기와 상기 제2 정류기 사이에서 상기 마이크로파 신호를 교번하도록 배치되는, 전기 수술용 발생기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 마이크로파-RF 변환기는 상기 제1 정류기 및 상기 제2 정류기로부터 출력된 정류 신호로부터 복합 정류 신호를 형성하도록 배치되는, 전기 수술용 발생기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복합 정류 신호는 구형파인, 전기 수술용 발생기.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로파-RF 변환기는 상기 정류 유닛의 출력으로부터 원하지 않는 주파수 성분을 제거하도록 배치된 필터링 유닛을 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  12. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 마이크로파-RF 변환기는 승압 변압기(step-up transformer)를 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호를 상기 마이크로파 채널 또는 상기 마이크로파-RF 변환기로 선택적으로 유도하기 위한 스위치를 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 채널 및 상기 RF 채널을 공통 출력 채널에 연결하기 위한 신호 조합기(signal combiner)를 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파-RF 변환기를 작동시키도록 배치된 컨트롤러를 포함하는, 전기 수술용 발생기.
  16. 무선 주파수(RF) 전자기(EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 생체 조직(biological tissue)에 전달하기 위한 전기 수술 시스템으로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전기 수술용 발생기; 및
    상기 전기 수술용 발생기로부터 상기 마이크로파 신호 및 RF 신호를 수신하도록 연결된 전달 프로브(delivery probe)를 포함하는, 전기 수술 시스템.
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