KR20200043370A - 전기 수술 장치를 위한 격리 디바이스 - Google Patents

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Abstract

공통 신호 경로를 통해 별개의 공급원으로부터 획득된 무선 주파수(RF) 에너지 및 마이크로파 에너지를 프로브에 공급하기 위한 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스가 개시된다. 본 발명은 마이크로파 및 RF 채널을 서로로부터 격리하는 동시에, 높은 내전압(예를 들어, 10㎸보다 큰)을 제공하는데 필요한 모든 구성 요소를 단일 유닛으로 조합한다. 디바이스는 조합 회로의 출력부에 있는 접지 도체와 도파로 아이솔레이터의 전도성 입력 구획 사이에 한 쌍의 직렬 연결된 용량성 구조를 제공하도록 한 쌍의 DC 격리 장벽이 배열되는 마이크로파 채널을 격리하기 위한 도파로 아이솔레이터를 포함한다.

Description

전기 수술 장치를 위한 격리 디바이스
본 발명은 무선 주파수 에너지가 생물학적 조직을 치료하도록 사용되는 전기 수술(electrosurgical) 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 조직을 절단하기 위해 무선 주파수(radiofrequency: RF) 에너지를 발생시킬 수 있는 수술 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 지혈(즉, 혈액 응고를 촉진하는 것에 의해 터진 혈관을 밀봉)을 위해 마이크로파 주파수 에너지를 전달하는 수술 장치의 일부로서 사용될 수 있다.
외과적 절제는 인체 또는 동물 신체 내로부터 기관의 부분을 제거하는 수단이다. 이러한 기관은 고도의 혈관일 수 있다. 조직이 절단(분열 또는 절개)될 때, 소동맥으로 지칭되는 작은 혈관이 손상되거나 파열된다. 초기 출혈 다음에는 출혈 지점을 막기 위해 혈액이 응고되는 응고 캐스케이드(coagulation cascade)가 이어진다. 수술 동안, 환자가 가능한 적게 혈액을 잃는 것이 필요하여서, 혈액이 없는 절단을 시도하기 위해 다양한 디바이스가 개발되었다. 내시경 처치를 위하여, 혈류가 수술자의 시야를 가려, 처치가 종료되고 다른 방법, 예를 들어 개방 수술이 대신 사용될 필요가 있기 때문에, 출혈이 발생하는 것이 바람직하지 않고 가능한 빨리 또는 편리한 방식으로 처리되는 것이 바람직하다.
전기 수술 발생기는 개방 및 복강경 처치에서 사용하기 위해 병원 수술실 전체에 널리 보급되어 있으며, 내시경 검사실에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 내시경 처치에서, 전기 수술 액세서리는 전형적으로 내시경 내부에 있는 루멘을 통해 삽입된다. 복강경 수술을 위한 등가의 접근 채널에 대해 고려할 때, 이러한 루멘은 보어가 비교적 좁고 길이가 더 길다. 비만 환자의 경우에, 수술 액세서리는 핸들로부터 RF 팁까지의 300㎜의 길이를 가질 수 있지만, 복강경의 경우에 등가 거리는 2500㎜를 초과할 수 있다.
날카로운 블레이드 대신에, 생물학적 조직을 절단하도록 무선 주파수(RF) 에너지를 사용하는 것이 공지되어 있다. RF 에너지를 사용하여 절단하는 방법은 전류가 조직 매트릭스를 통과함에 따라서(세포의 이온 함유량 및 세포간 전해질에 의한 도움에 의해), 조직을 가로지르는 전자의 흐름에 대한 임피던스가 열을 발생시킨다는 원리를 사용하여 작동한다. RF 전압이 조직 매트릭스에 인가될 때, 조직의 수분 함유량을 증발시키기에 충분한 열이 세포 내에서 발생된다. 특히 조직을 통한 전체 전류 경로의 가장 높은 전류 밀도를 가지는 기구의 RF 방출 영역(여기서는 RF 블레이드로 지칭됨)에 인접하여, 이러한 증가하는 건조의 결과로서, RF 블레이드의 절단 극(cut pole)에 인접한 조직은 블레이드와 직접 접촉하지 않는다. 인가된 전압은 그 결과 이온화되는 거의 이러한 공극(void) 전체에 걸쳐서 나타나, 조직과 비교하여 매우 높은 체적 저항률을 가지는 플라즈마를 형성한다. 이러한 차별화는 인가된 에너지를, RF 블레이드의 절단 극과 조직 사이의 전기 회로를 완성하는 플라즈마에 집중시킴에 따라서 중요하다. 플라즈마에 천천히 들어가는 임의의 휘발성 물질은 충분히 기화되고, 그러므로 조직 절개 플라즈마가 인식된다.
GB 2 486 343은 생물학적 조직을 치료하기 위해 RF 및 마이크로파 에너지 모두를 전달하는 전기 수술 장치를 위한 제어 시스템을 개시한다. 프로브로 전달된 RF 에너지 및 마이크로파 에너지 모두의 에너지 전달 프로파일은 프로브로 운반된 RF 에너지의 샘플링된 전압 및 전류 정보 및 프로브로/로부터 운반된 마이크로파 에너지에 대한 샘플링된 순방향 및 반사 전력 정보에 기초하여 설정된다.
GB 2 522 533은 생물학적 조직을 치료하기 위해 무선 주파수(RF) 에너지 및 마이크로파 에너지를 생성하도록 배열된 전기 수술 발생기를 위한 격리 회로(isolating circuit)를 개시한다. 격리 회로는 마이크로파 채널과 신호 조합기 사이의 접합 지점에 있는 튜닝 가능한 도파로 아이솔레이터(tunable waveguide isolator)를 포함하고, RF 에너지의 결합 및 마이크로파 에너지의 누설을 억제하도록 신호 조합기의 접지 도체와 도파로 아이솔레이터의 전도성 입력 구획 사이의 용량성 구조를 포함한다.
가장 일반적으로, 본 발명은 공통 신호 경로를 통해 별개의 공급원으로부터 획득된 무선 주파수(RF) 전자기(electromagnetic: EM) 에너지 및 마이크로파 EM 에너지를 프로브에 공급하기 위한 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스(combined isolator-diplexer device)를 제공한다. 본 발명은 마이크로파 및 RF 채널을 서로로부터 격리하는 동시에, 높은 내전압(예를 들어, 10㎸보다 큰)을 제공하는데 필요한 모든 구성 요소를 단일 유닛으로 조합한다.
본 발명은 격리 장벽을 가로지르는 용량성 결합을 감소시키는 것을 돕는 도파로 아이솔레이터와 일체로 형성된 복수의 직렬 연결 용량성 구조를 이용하여 필요한 격리를 제공하는 것에 의해 GB 2 522 533에 개시된 구조를 개선한다.
본 발명에 따르면, RF 채널로부터 제1 주파수를 가지는 무선 주파수(RF) 전자기(EM) 방사선을 수신하도록 연결 가능한 제1 입력부, 마이크로파 채널로부터 제1 주파수보다 높은 제2 주파수를 가지는 마이크로파 EM 방사선을 수신하도록 연결 가능한 제2 입력부, 및 공통 신호 경로에 RF EM 방사선 및 마이크로파 EM 방사선을 운반하기 위하여 제1 및 제2 입력부와 통신하는 출력부를 포함하는 조합 회로, 및 RF EM 방사선으로부터 마이크로파 채널을 격리시키도록 연결된 도파로 아이솔레이터를 포함하는 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스가 제공되며, 여기에서, 도파로 아이솔레이터는 전도성 입력 구획, 전도성 출력 구획, 입력 구획과 짝맞춤되는 제1 단부, 및 출력 구획과 짝맞춤되는 제2 단부를 가지는 전도성 중간 구획, 입력 구획과 중간 구획 사이에 배열된 제1 DC 격리 장벽, 및 중간 구획과 출력 구획 사이에 배열된 제2 DC 격리 장벽을 포함하며, 입력 구획, 중간 구획, 및 출력 구획은 도파로 캐비티(waveguide cavity)를 함께 둘러싸고, 조합 회로로부터의 출력부는 신호 도체 및 접지 도체를 포함하며, 제1 DC 격리 장벽 및 제2 DC 격리 장벽은 조합 회로로부터의 출력부의 접지 도체와 도파로 아이솔레이터의 전도성 입력 구획 사이에 한 쌍의 직렬 연결 용량성 구조를 제공하며, 용량성 구조는 RF EM 에너지의 결합 및 마이크로파 EM 에너지의 누설을 억제하도록 배열된다.
도파로 아이솔레이터 자체의 구조 내에서 직렬로 연결된 복수의(바람직하게 한 쌍의) 용량성 요소를 제공하는 것에 의해, 출력부로의 마이크로파의 전파(transmission)를 방해하거나 또는 수용할 수 없는 레벨의 마이크로파 방사 또는 누설을 허용함이 없이 전체적인 커패시턴스가 감소될 수 있다.
입력 구획, 중간 구획 및 출력 구획은 길이 방향을 따라서 순차적으로 배치될 수 있으며, 중간 구획은 제1 DC 격리 장벽에서 길이 방향으로 입력 구획과 중첩되고, 중간 구획은 제2 DC 격리 장벽에서 길이 방향으로 출력 구획과 중첩된다. 이러한 중첩 영역은 2개의 용량성 구획을 제공한다. 중간 구획은, 구획들 사이의 접합부에서 지름에서의 변화로 인한 마이크로파 에너지의 반사가 상쇄되도록, 2개의 용량성 구획이 중간 구획에서의 마이크로파 주파수에서 절반의 안내 파장의 배수 또는 그 부근에서 이격되는 것을 보장하도록 배열된다. 중간 구획과 입력 및 출력 구획 사이의 길이 방향 중첩의 정도는 각각 한 쌍의 스페이서 요소에 의해 제한될 수 있다. 이는 중간 구획과 입력 구획 사이에 장착된 제1 스페이서 요소, 및 중간 구획과 출력 구획 사이에 장착된 제2 스페이서 요소일 수 있다. 스페이서는 입력 구획 및 출력 구획에 형성된 오목부 내에 장착될 수 있어서, 중간 구획의 대향 가장자리와 접할 수 있다. 스페이서 요소는 Delrin® 또는 폴리염화비닐(PVC)과 같은 절연 플라스틱으로 형성될 수 있다. 도파로가 원통형이면, 스페이서 요소는 도파로 아이솔레이터의 입력 구획 또는 출력 구획의 하나의 원위 단부 위에 장착된 환형 슬리브를 각각 포함할 수 있다. 슬리브의 외부 표면은 입력 및 출력 구획의 외부 표면과 동일 평면일 수 있다.
내부 구획 및 외부 구획과 중간 구획의 각각의 부분 사이의 중첩의 길이 방향 길이는 바람직하게 마이크로파 주파수에서 홀수의 1/4 파장(보통 1/4 파장) 또는 대략 그 정도이다.
절연층은 각각의 중첩 영역, 즉 제1 DC 격리 장벽에서의 입력 구획과 중간 구획 사이, 및 제2 DC 격리 장벽에서의 출력 구획과 중간 구획 사이에 배치될 수 있다. 공통 절연층이 제공될 수 있으며, 즉 하나의 절연층이 중첩 영역 사이에, 예를 들어 중간 구획 아래에서 또는 이를 통해 연장될 수 있다.
절연층은 마이크로파 누설을 최소화하도록 가능한 얇게 선택되는 두께(예를 들어, 도파로가 원통형이면 반경 방향 두께)를 가질 수 있다. 한 쌍의 용량성 구조를 제공하는 것에 의해, 이러한 층은 커패시턴스를 원하지 않는 레벨로 증가시킴이 없이 더욱 얇게 만들어 질 수 있다.
공통 신호 경로에 연결된 출력부는 도파로 아이솔레이터의 출력 구획에 장착된 출력 프로브를 포함할 수 있다. 출력 프로브는 이로부터의 마이크로파 EM 에너지를 결합하기 위해 도파로 아이솔레이터 내로 연장되는 제1 결합 도체를 가질 수 있다. 유사하게, 제2 입력부는 도파로 아이솔레이터의 입력 구획에 장착된 입력 프로브를 포함할 수 있다. 입력 프로브는 마이크로파 EM 에너지를 캐비티에 결합하기 위해 도파로 아이솔레이터 내로 연장되는 제2 결합 도체를 가질 수 있다. 제1 결합 도체 및 제2 결합 도체는 길이 방향에 직교하는 방향으로 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 제1 결합 도체 및 제2 결합 도체는 반대 방향으로부터 도파로 캐비티 내로 연장될 수 있다.
제1 입력부는 도파로 아이솔레이터에 장착된 RF 커넥터를 포함할 수 있다. RF 커넥터는 출력 프로브의 결합 도체와 전기적으로 접촉하도록 도파로 캐비티 내로 연장되는 신호 도체를 가질 수 있다. 신호 도체는 길이 방향으로 연장될 수 있고, 도파로 아이솔레이터 내에서 마이크로파 EM 에너지의 등전위와 실질적으로 정렬되도록 위치될 수 있다. 이러한 방식으로 신호 도체를 정렬하는 것은 RF 커넥터로 누설될 수 있는 마이크로파 EM 에너지의 양이 최소화된다는 것을 의미한다.
그러나, 누설에 대한 추가적인 장벽으로서, RF 커넥터는, 출력 구획에 연결되고 RF 커넥터의 신호 도체를 통해 도파로 아이솔레이터로부터 마이크로파 EM 에너지가 누설되는 것을 억제하도록 구성된 동축 필터를 포함할 수 있다. 동축 필터는 2개의 구획 재진입 동축 필터를 포함할 수 있다.
도파로 아이솔레이터는 튜닝 가능한 임피던스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 튜닝 가능한 임피던스는 길이 방향을 따라서 도파로 캐비티 내로 조정 가능하게 삽입 가능한 복수의 튜닝 스터브(tuning stub)를 포함할 수 있다. 복수의 튜닝 스터브는 입력 구획의 단부면을 통해 삽입 가능한 제1 튜닝 스터브, 및 출력 구획의 단부면을 통해 삽입 가능한 제2 튜닝 스터브를 포함할 수 있다. 도파로 캐비티가 원통형이면, 튜닝 스터브는 원통의 축 상에 놓일 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 생물학적 조직의 절제를 위한 전기 수술 장치를 제공할 수 있으며, 상기 장치는, 제1 주파수를 가지는 RF 전자기(EM) 방사선을 발생시키기 위한 무선 주파수(RF) 신호 발생기; 제1 주파수보다 높은 제2 주파수를 가지는 마이크로파 EM 방사선을 발생시키기 위한 마이크로파 신호 발생기; 원위 단부로부터 RF EM 방사선 및 마이크로파 EM 방사선을 별개로 또는 동시에 전달하도록 배열된 프로브; 및 RF EM 방사선 및 마이크로파 EM 방사선을 프로브에 운반하기 위한 급송 구조(feed structure)를 포함하며, 급송 구조는 프로브를 RF 신호 발생기에 연결하기 위한 RF 채널, 및 프로브를 마이크로파 신호 발생기에 연결하기 위한 마이크로파 채널을 포함하며, 상기 RF 채널 및 마이크로파 채널은 RF 신호 발생기 및 마이크로파 신호 발생기로부터 각각 물리적으로 분리된 신호 경로를 포함하고, 급송 구조는, RF 채널로부터 RF EM 방사선을 수신하도록 연결된 제1 입력부, 마이크로파 채널로부터 마이크로파 EM 방사선을 수신하도록 연결된 제2 입력부, 및 공통 신호 경로를 따라서 RF EM 방사선 및 마이크로파 EM 방사선을 프로브에 운반하기 위하여 제1 및 제2 입력부와 통신하는 출력부를 포함하는 조합 회로, 및 RF EM 방사선으로부터 마이크로파 채널을 격리하기 위해 연결된 도파로 아이솔레이터를 포함하는 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스를 포함하며, 도파로 아이솔레이터는, 전도성 입력 구획, 전도성 출력 구획, 상기 입력 구획과 짝맞춤되는 제1 단부 및 상기 출력 구획과 짝맞춤되는 제2 단부를 가지는 전도성 중간 구획, 입력 구획과 중간 구획 사이에 배열된 제1 DC 격리 장벽, 및 중간 구획과 출력 구획 사이에 배열된 제2 DC 격리 장벽을 포함하고, 입력 구획, 중간 구획 및 출력 구획은 도파로 캐비티를 함께 둘러싸고, 조합 회로로부터의 출력부는 신호 도체 및 접지 도체를 포함하고, 제1 DC 격리 장벽 및 제2 DC 격리 장벽은 조합 회로로부터의 출력부의 접지 도체와 도파로 아이솔레이터의 전도성 입력 구획 사이에 한 쌍의 직렬 연결된 용량성 구조를 제공하고, 용량성 구조는 RF EM 에너지의 결합 및 마이크로파 EM 에너지의 누설을 억제하도록 배열된다.
본 발명의 이러한 양태는 도 1의 전기 수술 장치(400)를 참조하여 아래에 설명된 임의의 또는 모든 구성 요소와 (개별적으로 또는 임의의 조합으로) 조합될 수 있다. 예를 들어, RF 채널 및 마이크로파 채널은 아래에 각각 설명된 RF 채널 및 마이크로파 채널의 임의의 또는 모든 구성 요소를 포함할 수 있다. 마이크로파 채널은 순방향 신호로부터 마이크로파 채널 상에서 반사된 신호를 분리하기 위한 서큘레이터를 포함할 수 있다. 대안적인 실시형태에서, 방향성 커플러는 동일한 목적을 위해 사용될 수 있다. 실제로, 서큘레이터 또는 방향성 커플러는 불완전한 격리를 보일 것이며, 이러한 것은 차례로 검출기에서 실제로 수신된 반사된 신호에 악영향을 미친다. 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스는 이러한 불완전한 격리를 보상할 수 있을뿐만 아니라 도파로 아이솔레이터에서의 복귀 손실 및 전파를 최적화할 수 있는 조정 가능한 임피던스를 포함할 수 있다.
장치는 조직을 동시에 절단하고 응고시키기 위한 에너지를 공급하도록 구성될 수 있거나(예를 들어, 믹스 또는 블렌드 모드), 또는 독립적으로 작동될 수 있으며, 이에 의해, RF 및 마이크로파 에너지는 수동식 사용자 제어 하에서(예를 들어, 풋 스위치 페달의 작동에 기초하여) 또는 RF 및/또는 마이크로파 채널로부터의 측정된 위상 및/또는 크기 정보에 기초하여 자동으로 프로브에 전달된다. 시스템은 조직 절제 및 절단을 수행하도록 사용될 수 있다. 마이크로파 및 RF 에너지가 동시에 전달되는 예에서, 각각의 발전기로 복귀된 RF 및 마이크로파 에너지 중 어느 하나 또는 둘 모두는 에너지 전달 프로파일을 제어하도록 고전력 또는 저전력으로 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 에너지 전달 포맷이 펄스화될 때 OFF 시간 동안 측정을 하는 것이 바람직할 수 있다.
프로브의 원위 단부는 제2 도체로부터 공간적으로 분리된 제1 도체를 포함하는 바이폴라 방출 구조(bipolar emitting structure)를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 도체는 각각 전도에 의해 RF EM 방사선을 전달하는 능동 및 복귀 전극으로서, 및 마이크로파 EM 에너지의 방사를 용이하게 하는 안테나 또는 변압기로서 동작하도록 구성된다. 그러므로, 시스템은 RF 에너지를 위한 국부적인 복귀 경로를 제공하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, RF 에너지는 도체를 분리하는 조직을 통한 전도에 의해 보내질 수 있거나, 또는 플라즈마가 국부적인 복귀 경로를 제공하기 위해 도체의 부근 발생될 수 있다. RF 조직 절단은 제1 및 제2 도체를 분리하는 고정된 유전체 물질에 의해 생성될 수 있으며, 유전체 물질의 두께는 작고, 즉 1㎜ 미만이고, 유전 상수는 높으며, 즉 공기의 유전 상수보다 크다.
본 발명은 특히 위장(GI) 처치, 예를 들어 장 내 용종 제거, 즉 내시경 점막하 절제에 적합할 수 있다. 본 발명은 또한 정밀 내시경 처치, 즉 정밀 내시경 절제술에 적합할 수 있고, 귀, 코 및 목 처치 및 간 절제에 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "전도성"은 문맥상 달리 지시되지 않으면 전기 전도성을 의미하도록 사용된다.
제1 주파수는 10㎑ 내지 300㎒의 범위의 안정적인 고정 주파수일 수 있고, 제2 주파수는 300㎒ 내지 100㎓의 범위의 안정적인 고정 주파수일 수 있다. 제1 주파수는 에너지가 신경 자극을 유발하는 것을 방지하도록 충분히 높아야 하고, 에너지가 조직 블랜칭(tissue blanching) 또는 조직 구조에 대한 불필요한 열적 여유도(thermal margin) 또는 손상을 유발하는 것을 방지하도록 충분히 낮아야 한다. 제1 주파수에 대한 바람직한 스폿 주파수는 100㎑, 250㎑, 400㎑, 500㎑, 1㎒, 5㎒ 중 어느 하나 이상을 포함한다. 제2 주파수에 대한 바람직한 스폿 주파수는 915㎒, 2.45㎓, 5.8㎓, 14.5㎓, 24㎓를 포함한다. 바람직하게, 제2 주파수는 제1 주파수보다 적어도 한자릿수(즉, 적어도 10배) 높다.
본 발명의 실시형태는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다:
도 1은 본 발명이 사용될 수 있는 전기 수술 장치의 전체적인 개략 시스템 도면;
도 2는 전기 수술 장치에서 사용될 수 있는 격리 회로의 공지된 예의 개략도;
도 3은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 전도성 구성 요소의 개략 절개도;
도 4는 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서에서의 절연 구성 요소의 개략 절개도;
도 5는 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서를 위한 RF 다이플렉서 구성의 개략 절개도;
도 6은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 시뮬레이션 모델의 절개도;
도 7은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 시뮬레이션 모델을 사용하여 획득된 예측된 전파 및 반사 파라미터를 나타내는 그래프;
도 8은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 RF 포트에 장착된 마이크로파 필터의 시뮬레이션 모델의 절개도; 및
도 9는 도 8의 시뮬레이션 모델을 사용하여 획득된 마이크로파 필터에 대한 예측된 전파 및 반사 파라미터를 도시하는 그래프.
배경
도 1은 본 발명을 이해하는데 유용한 GB 2 486 343에 개시된 것과 같은 전기 수술 장치(400)의 개략도를 도시한다. 장치는 RF 채널 및 마이크로파 채널을 포함한다. RF 채널은 생물학적 조직을 치료(예를 들어, 절단 또는 건조)하는데 적합한 전력 레벨에서 RF 주파수 전자기 신호를 발생시키고 제어하기 위한 구성 요소를 포함한다. 마이크로파 채널은 생물학적 조직을 치료(예를 들어, 응고 또는 절제)하는데 적합한 전력 레벨에서 마이크로파 주파수 전자기 신호를 발생시키고 제어하기 위한 구성 요소를 포함한다.
마이크로파 채널은 전력 스플리터(424)(예를 들어, 3㏈ 전력 스플리터)가 뒤따르는 마이크로파 주파수 공급원(402)을 가지며, 전력 스플리터는 공급원(402)으로부터의 신호를 2개의 지선으로 분할한다. 전력 스플리터(424)로부터의 하나의 지선은 마이크로파 채널을 형성하며, 마이크로파 채널은 제어 신호(V10)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 가변 감쇠기(404) 및 제어 신호(V11)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 신호 변조기(408)를 포함하는 전력 제어 모듈, 및 치료에 적합한 전력 레벨에서 프로브(420)로부터 전달하기 위한 순방향 마이크로파 EM 방사선을 발생시키기 위한 구동 증폭기(410) 및 전력 증폭기(412)를 포함하는 증폭기 모듈을 포함한다. 증폭기 모듈 후에, 마이크로파 채널은 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라서 공급원으로부터 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 형성하는)로 계속된다. 반사 커플러를 통과한 후에, 제3 포트로부터의 마이크로파 EM 에너지는 전력 덤프 부하(422)에서 흡수된다. 마이크로파 신호 결합 모듈은 또한 검출을 위해 순방향 결합 신호 또는 반사 결합 신호를 헤테로다인 수신기(heterodyne receiver)에 연결하기 위하여 제어 신호(V12)를 통해 제어기(406)에 의해 작동되는 스위치(415)를 포함한다.
전력 스플리터(424)로부터의 다른 지선은 측정 채널을 형성한다. 측정 채널은 마이크로파 채널 상의 증폭 라인업을 우회하고, 그러므로 프로브로부터 저전력 신호를 전달하도록 배열된다. 제어 신호(V13)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 주 채널 선택 스위치(426)는 마이크로파 채널 또는 측정 채널 중 어느 하나로부터 프로브로 전달할 신호를 선택하도록 작동 가능하다. 고 대역 통과 필터(427)는 저주파수 RF 신호로부터 마이크로파 신호 발생기를 보호하도록 주 채널 선택 스위치(426)와 프로브(420) 사이에 연결된다.
측정 채널은 프로브로부터 반사된 전력의 위상 및 크기를 검출하도록 배열된 구성 요소를 포함하며, 이러한 것은 프로브의 원위 단부에 존재하는 물질, 예를 들어 생물학적 조직에 관한 정보를 산출한다. 측정 채널은 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라서 공급원(402)으로부터 프로브에 마이크로파 EM 에너지를 전달하도록 연결된 서큘레이터(428)를 포함한다. 프로브로부터 복귀된 반사된 신호는 서큘레이터(428)의 제3 포트로 안내된다. 서큘레이터(428)는 정확한 측정을 용이하게 하기 위해 순방향 신호와 반사된 신호 사이의 격리를 제공하도록 사용된다. 그러나, 서큘레이터가 제1 포트와 제3 포트 사이에 완전한 격리를 제공하지 못함에 따라서, 즉 순방향 신호의 일부가 제3 포트까지 돌진하여 반사된 신호를 방해할 수 있음에 따라서, 제3 포트로부터 나오는 신호(반사 커플러(432)를 통해)로 다시 순방향 신호(순방향 커플러(430)로부터의)의 일부를 투입하는 반송파 상쇄 회로(carrier cancellation circuit)가 사용될 수 있다. 반송파 상쇄 회로는 투입된 부분이 이를 상쇄하기 위해 제1 포트로부터 제3 포트 내로 돌진한 임의의 신호와 위상이 180°다른 것을 보장하는 위상 조정기(434)를 포함한다. 반송파 상쇄 회로는 투입된 부분의 크기가 임의의 돌진 신호와 동일하다는 것을 보장하는 신호 감쇠기(436)를 포함한다.
순방향 신호에서의 임의의 드리프트를 보상하도록, 순방향 커플러(438)가 측정 채널 상에 제공된다. 순방향 커플러(438)의 결합된 출력 및 서큘레이터(428)의 제3 포트로부터의 반사된 신호는 검출을 위해 결합된 순방향 신호 또는 반사된 신호 중 어느 하나를 헤테로다인 수신기에 연결하도록 제어된 신호(V14)를 통해 제어기(406)에 의해 작동되는 스위치(440)의 각각의 입력 단자에 연결된다.
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, 이러한 채널 선택 스위치는 측정 채널이 프로브에 에너지를 공급할 때 측정 채널의 출력부가 헤테로다인 수신기에 연결되고, 마이크로파 채널이 프로브에 에너지를 공급할 때 마이크로파 채널의 출력부가 헤테로다인 수신기에 연결되는 것을 보장하도록 주 채널 선택 스위치와 함께 제어 신호(V15)를 통해 제어기(406)에 의해 작동 가능하다.
헤테로다인 수신기는 2차 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력된 신호로부터 위상 및 크기 정보를 추출하도록 사용된다. 단일 헤테로다인 수신기가 이러한 시스템에서 도시되어 있지만, 신호가 제어기에 들어가기 전에 공급원 주파수를 두번 믹스다운하는 이중 헤테로다인 수신기(2개의 국부 발진기와 믹서를 포함하는)가 필요하면 사용될 수 있다. 헤테로다인 수신기는 국부 발진기(444), 및 2차 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력된 신호를 믹스다운하기 위한 믹서(448)를 포함한다. 국부 발진기 신호의 주파수는 믹서(448)로부터의 출력이 제어기(406)에서 수신되는데 적합한 중간 주파수에 있도록 선택된다. 대역 통과 필터(446, 450)는 고주파수 마이크로파 신호로부터 국부 발진기(444) 및 제어기(406)를 보호하도록 제공된다.
제어기(406)는 헤테로다인 수신기의 출력을 수신하고, 마이크로파 또는 측정 채널 상에서 순방향 신호 및/또는 반사된 신호의 위상 및 크기를 나타내는 정보를 출력으로부터 결정한다(예를 들어, 추출한다). 이러한 정보는 마이크로파 채널 상의 고전력 마이크로파 EM 방사선 또는 RF 채널 상의 고전력 RF EM 방사선의 전달을 제어하도록 사용될 수 있다. 사용자는 전술한 바와 같이 사용자 인터페이스(452)를 통해 제어기(406)와 상호 작용할 수 있다.
도 1에 도시된 RF 채널은 제어 신호(V16)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 게이트 드라이버(456)에 연결된 RF 주파수 공급원(454)을 포함한다. 게이트 드라이버(456)는 하프-브리지 장치(half-bridge arrangement)인 RF 증폭기(458)를 위한 작동 신호를 공급한다. 하프-브리지 장치의 드레인 전압은 가변 DC 공급기(460)를 통해 제어 가능하다. 출력 변압기(462)는 발생된 RF 신호를 프로브(420)에 전달하기 위해 라인으로 전달한다. 저역 통과, 대역 통과, 대역 정지 또는 노치 필터(464)는 고주파 마이크로파 신호로부터 RF 신호 발생기를 보호하도록 해당 라인에 연결된다.
변류기(466)는 조직 부하로 전달되는 전류를 측정하기 위해 RF 채널 상에 연결된다. (출력 변압기에서 탭핑될 수 있는)분압기(468)는 전압을 측정하도록 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 의해 조화된 후에 제어기(406)에 직접 연결된다(도 1에서 신호(B 및 C)로서 도시됨).
위상 정보를 도출하기 위해, 전압 및 전류 신호(B 및 C)는 또한 위상 비교기(482)(예를 들어, EXOR 게이트)에 연결되며, 위상 비교기의 출력 전압은 RC 회로(484)에 의해 집적되어, 전압과 전류 파형 사이의 위상차에 비례하는 전압 출력(도 1에서 A로서 도시됨)을 생성한다. 이러한 전압 출력(신호 A)은 제어기(406)에 직접 연결된다.
마이크로파/측정 채널 및 RF 채널은 신호 커플러(114)에 연결되며, 신호 커플러는 케이블 조립체(116)를 따라서 두 유형의 신호를 개별적으로 또는 동시에 프로브(420)에 운반하며, 신호는 이로부터 환자의 생물학적 조직으로 전달(예를 들어, 방사)된다.
도파로 아이솔레이터(도시되지 않음)가 마이크로파 채널과 신호 조합기 사이의 접합 지점에 제공될 수 있다. 도파로 아이솔레이터는 3가지 기능을 수행하도록 구성될 수 있다: (i) 매우 높은(예를 들어, 10 W보다 큰) 마이크로파 전력의 통과를 허용; (ⅱ) RF 전력의 통과를 차단; 및 (ⅲ) 높은(예를 들어, 10㎸보다 큰) 내전압을 제공. 용량성 구조(DC 차단기(DC break)로서 또한 공지됨)는 도파로 아이솔레이터에(예를 들어, 내에) 또는 인접하여 또한 제공될 수 있다. 용량성 구조의 목적은 격리 장벽을 가로지르는 용량성 결합을 감소시키는 것이다.
도 2는 또한 본 발명을 이해하는데 유용한 GB 2 522 533에 개시된 바와 같은 격리 회로의 개략도이다. 격리 회로는 RF 신호 발생기(218)로부터의 RF EM 방사선 및 마이크로파 신호 발생기(220)로부터의 마이크로파 방사선을 프로브로 운반하기 위한 급송 구조의 일부를 형성한다. 프로브(도시되지 않음)는 하우징(226)에 제공된 출력 포트(228)에 연결될 수 있다. 절연 슬리브(229)는 출력 포트(228)에 연결된 플로팅 구성 요소와 하우징의 접지된 케이싱을 전류 경로가 연결하는 것을 방지하기 위해 하우징의 출력 포트(228)에 제공된다.
급송 구조는 RF EM 방사선을 운반하기 위한 RF 신호 경로(212, 214)를 가지는 RF 채널, 및 마이크로파 EM 방사선을 운반하기 위한 마이크로파 신호 경로(210)를 가지는 마이크로파 채널을 포함한다. RF EM 방사선 및 마이크로파 방사선을 위한 신호 경로는 서로로부터 물리적으로 분리된다. RF 신호 발생기는 변압기(216)를 통해 RF 신호 경로(212, 214)에 연결된다. 변압기(216)의 2차 코일(즉, 장치의 프로브측 상에 있는)은 플로팅되어서, 환자와 RF 신호 발생기(218) 사이에 직접적인 전류 경로가 없다. 이러한 것은 RF 신호 경로(212, 214)의 신호 도체(212) 및 접지 도체(214) 모두가 플로팅되고 있다는 것을 의미한다.
격리 회로는 도파로 아이솔레이터(600)를 포함하며, 도파로 아이솔레이터는 그 절연 갭이 필요한 레벨의 DC 격리를 제공하는 동시에, 갭에서 마이크로파 에너지의 누설을 방지하도록 마이크로파 에너지의 주파수에서 충분히 낮은 용량성 리액턴스를 가지도록 구성된다. 갭은 예를 들어 0.6㎜ 이상, 예를 들어 0.75㎜일 수 있다. 튜브의 직경이 RF 주파수에서 각각의 프로브와 직렬로 매우 큰 인덕턴스를 생성하기 때문에, RF 에너지는 아이솔레이터의 두 단부 사이에 결합될 수 없다.
격리 회로는 도파로 아이솔레이터(600)와 통합된 조합 회로를 가진다. RF 신호를 운반하는 신호 도체(212) 및 접지 도체(214)는 RF 신호를 도파로 아이솔레이터(600) 내로 도입하는 동축 RF 커넥터(602)(RF 급송)에 연결되며, 여기에서, RF 신호는 출력 포트(232)로부터 프로브를 향해 운반된다.
격리 갭(603)은 RF 신호가 입력 포트(230)로 다시 결합되는 것을 방지하도록 배열된다. 마이크로파 에너지는 도파로 아이솔레이터 내에 내부 전도성 막대의 신중한 배치에 의해 RF 커넥터(602) 내로 결합되는 것이 방지된다.
튜닝 유닛은 구성 요소의 라인 업의 복귀 손실을 감소시키기 위해 도파로 아이솔레이터(600)에 통합된다. 튜닝 유닛은 캐비티의 바디에 조정 가능하게 삽입될 수 있는, 예를 들어 나사 고정될 수 있는 3개의 스터브(231)를 포함한다.
아울러, RF 채널은 발생기와 함께 사용되는 상이한 길이의 케이블로부터 발생하는 커패시턴스에서의 변화를 수용(예를 들어, 보상)하기 위해 제어 신호(C1)의 제어 하에서 작동 가능한 조정 가능한 리액턴스(217)를 가진다. 조정 가능한 리액턴스(217)는 RF 채널과 분로(shunt) 또는 직렬로 연결된 하나 이상의 스위칭 또는 전자적으로 튜닝 가능한 커패시터 또는 인덕터를 포함할 수 있다.
향상된 조합형 아이솔레이터-다이플렉서
본 발명은 도 2를 참조하여 전술한 격리 회로를 개선하는 조합형 아이솔레이터-다이플렉서를 제공한다. 본 발명의 실시형태는 전기 수술 기구가 공통 공급 라인으로부터 수신된 에너지를 사용하여 상이한 형태의 치료를 제공하는 것을 가능하게 하도록, 광범위하게 상이한 주파수에서, 예를 들어 5.8㎓ 및 400㎑에서 RF 파형 및 마이크로파 파형을 발생시키는 전기 수술 발생기와 함께 사용하는데 적합한 조합형 아이솔레이터-다이플렉서를 제공할 수 있다.
조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 실시형태는 도 3 내지 도 5를 참조하여 아래에 설명된다. 이어서, 시뮬레이션에 의해(예를 들어, CST 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여) 획득된 그 성능의 양태는 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명된다.
조합형 아이솔레이터-다이플렉서는 손상을 유발할 수 있는 경우에 고전압 RF가 마이크로파 공급원에 도달하는 것을 방지하고, 방사될 수 있는 경우에 마이크로파 전력이 케이블을 따라서 RF 공급원으로 진행하는 것을 방지도록 작동한다. 각각의 경우에, 누설은 발생된 전력의 낭비를 유발하며, 이러한 것은 피해야 한다.
조합형 아이솔레이터-다이플렉서는 마이크로파 공급원을 프로브에 연결하는 내부 및 외부 도체 모두에서 DC 차단기를 가지는 도파로 아이솔레이터를 제공한다. DC 차단기는 프로브로의 마이크로파의 전파를 방해하거나 또는 DC 차단기를 통한 마이크로파의 방사를 허용함이 없이 고전압 RF가 마이크로파 공급원에 도달하는 것을 방지하도록 작동한다.
도파로 아이솔레이터가 단독으로 사용되는 경우에, 외부 도체에 있는 DC 차단기의 커패시턴스가 너무 높아서 효율적으로 작동할 수 없다. 이러한 문제는 마이크로파의 전파를 방해하거나 방사를 허용함이 없이 직렬 커패시턴스를 외부 도체에 효과적으로 연결하기 위해 도파로 아이솔레이터에 추가되거나 이에 통합된 동축 아이솔레이터를 제공하는 것에 의해 해결된다.
도 3은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서(100)의 개략 절개도이다. 조합형 아이솔레이터-다이플렉서는 길이 방향 축을 따르는 원통형 도파로 아이솔레이터를 포함한다.
도 3에서, 아이솔레이터의 전기 전도성 요소만이 도시되어 있다.
조합형 아이솔레이터-다이플렉서(100)의 원통형 도파로 아이솔레이터는 칼라(104)에 의해 분리된 한 쌍의 단부 캡(102, 106)으로 형성된다.
도파로 아이솔레이터는 입력 포트(112)에서 급송된 마이크로파를 수신하도록 배열된 입력 단부 캡(102)에 의해 형성된 입력 단부를 가진다. 입력 포트(112)는 입력 단부 캡(102)의 원주 방향 측벽에 배열된다. 입력 포트(112)는 동축 케이블을 수용하는데 적합하고, 연결된 동축 케이블(도시되지 않음)의 내부 도체가 도파로 아이솔레이터에 의해 한정된 원통형 공간 내로 반경 방향으로 연장되는 것을 허용하도록 단부 캡의 원주 방향 벽을 통한 통로를 포함한다. 원통형 공간은 절연 유전체 물질(예를 들어, 공기)로 채워질 수 있다.
도파로 아이솔레이터는 출력 포트(116)를 통해 출력 라인에 연결될 수 있는 출력 단부 캡(106)에 의해 형성된 출력 단부를 가진다. 출력 포트(116)는 출력 단부 캡(106)의 원주 방향 측벽에 배열된다. 출력 포트(116)는 동축 케이블을 수용하는데 적합하고, 연결된 동축 케이블(도시되지 않음)의 내부 도체가 도파로 아이솔레이터에 의해 한정된 원통형 공간 내로 반경 방향으로 연장되는 것을 허용하도록 단부 캡의 원주 방향 벽을 통한 통로를 포함한다. 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 내부 도체는 출력 포트(116)에 연결된 동축 케이블로 RF 신호를 전달하기 위한 RF 다이플렉서 구조의 일부를 형성할 수 있다. 그러므로, 원통형 도파로 캐비티 내로 돌출되는 동축 케이블의 내부 도체는 캐비티에 있는 유전체 물질에 의해 서로로부터 절연된다.
이러한 예에서, 입력 포트(112) 및 출력 포트(116)는 도파로에 의해 형성된 원통의 대향 측면들 상에 있다. 이러한 것은 다른 구성 요소로의 연결에 의해 맞추어지는데 유용할 수 있지만, 필수는 아니다. 예를 들어, 아래에 설명된 시뮬레이션에서, 입력 포트와 출력 포트는 원통의 동일한 측면에 있다.
입력 단부 캡(102) 및 출력 단부 캡(106)은 하나의 폐쇄 축 방향 단부 및 하나의 개방 축 방향 단부를 가지는 원통형 요소이다. 단부 캡(102, 106)은 축이 정렬되고 개방 축 방향 단부가 서로 마주보도록 배치된다. 입력 단부 캡(102)은 입력 포트(112)에 연결된 동축 케이블의 외부 도체와 전기 통신하도록 구성된다. 출력 단부 캡(106)은 출력 포트(116)에 연결된 동축 케이블의 외부 도체와 전기 통신하도록 구성된다. 단부 캡(102, 106)은 원통의 축을 따라서 서로 물리적으로 분리된다. 분리는 입력 단부 캡(102) 및 출력 단부 캡(106)의 개방 단부에 형성된 대응하는 원주 방향 오목부(108, 110)에 각각 안착되는 전기 전도성 칼라(104) 및 한 쌍의 절연 스페이서(126, 128)(도 4 참조)에 의해 유지된다.
칼라(104)는 원통형 도파로 캐비티를 완성하기 위해 단부 캡(102, 106)의 개방 축 방향 단부 사이의 축 방향 갭 위에 놓인다. 단부 캡을 서로로부터 절연시키기 위해(그러므로 연결된 동축 케이블의 외부 도체를 절연시키기 위해), 절연층(127)(도 4 참조)은 단부 캡(102, 106)의 외부 표면과 이와 중첩되는 영역에 있는 칼라(104)의 내부 표면 사이의 원주 방향 갭에 유전체(전기적으로 절연) 장벽을 제공하기 위해 두 단부 캡의 원위 부분의 외부 표면 주위에 배치된다.
이러한 배열에 의해, 도파로 아이솔레이터는 원통의 축을 따라 직렬로 배열된 2개의 절연 부분을 포함한다. 제1 절연 부분은 입력 단부 캡(102)과 칼라(104) 사이의 중첩부에서 존재한다. 제2 절연 부분은 출력 단부 캡(106)과 칼라(104) 사이의 중첩부에서 존재한다. 이러한 구조에 의해, 2개의 단부 캡 사이의 커패시턴스는 구조의 커패시턴스가 단지 하나의 절연 부분으로 보여지는 것보다 작도록 감소될 수 있다. 캐비티 단부에서의 예리한 모서리가 파의 통과에 대해 높은 임피던스를 생성하기 때문에, 커패시턴스에서의 감소는 가이드로부터 결합된 대부분의 전력이 반사되는 것으로 인하여 마이크로파 누설에서의 의미있는 증가로 이어지지 않는다.
절연층(127)은 임의의 적절한 재료에 의해 제공될 수 있다. 하나의 예에서, 절연층(127)은 Kapton® 필름의 복수(예를 들어, 2, 3개 이상)의 타래(turn)을 포함할 수 있다. 필름 재료는 3.4의 유전 상수, 및 0.002의 유전 손실률(dissipation factor)을 가질 수 있다. 필름은 0.005㎜의 두께를 가질 수 있고, 복수의 타래는 절연층에 적절한 두께를 제공하도록 사용될 수 있다. 다른 예에서, 절연층은 예를 들어 단부 캡(102, 106)과 칼라(104) 사이에 안착되는 와셔와 유사한 관형 요소일 수 있다. 그 중 어느 하나가 필요한 전압을 견딜 수 있는 2개의 절연 갭이 직렬로 있기 때문에, 절연체에서의 하나의 핀홀의 존재는 절연에서의 실패를 유발하지 않을 것이다. 이러한 이유 때문에, 절연체는 다수의 층을 가지는 코일화된(감싸진) 유전체 시트이거나 또는 하나의 층을 가지는 튜브일 수 있다.
절연 스페이서(126, 128)는 각각 예를 들어 Delrin® 플라스틱 또는 폴리염화비닐(PVC)로 만들어진 강성 절연 링을 포함할 수 있다. 스페이서는 중첩 영역(그 각각이 별개의 초크(choke)로서 고려될 수 있는)에 대한 정확한 길이를 한정하도록 선택된 축 방향 길이를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 절연층(127)은 단부 캡(102, 106)의 외부 표면과 이와 중첩되는 영역에 있는 칼라(104)의 내부 표면 사이의 원주 방향 갭에 위치된다. 갭은 41.05㎜의 평균 직경 및 0.15㎜의 반경 방향 두께를 가질 수 있다. 절연층(127)의 유전체 물질로 부분적으로 또는 완전히 채워질 수 있는 각각의 갭의 커패시턴스는 약 110 pF일 수 있다. 이러한 것은 직렬로 있는 2개의 갭이 약 55 pF의 커패시턴스를 제공한다는 것을 의미한다.
각각의 단부 캡(102, 106)은 그 폐쇄 축 방향 단부에 형성된 관통 구멍을 가진다. 관통 구멍은 원통의 축에 대하여 서로 대칭적으로 배열될 수 있다. 이러한 실시예에서, 관통 구멍은 원통 축 상에 있다. 그러므로, 입력 단부 캡(102)은 그 폐쇄 축 방향 단부의 중앙에 형성된 관통 구멍(114)을 가진다. 출력 단부 캡(106)은 그 폐쇄 축 방향 단부의 중앙에 형성된 관통 구멍(118)을 가진다. 관통 구멍(114, 118)은 튜닝을 가능하게 하도록, 즉 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 삽입 손실 및 복귀 손실의 최적화를 가능하게 하도록 캐비티 내로 선택적으로 및 제어 가능하게 삽입될 수 있는 전기 전도성 핀 또는 스크루 요소를 수용하도록 배열된다.
도 3에 도시된 예에서, 출력 단부 캡은 3개의 추가의 구멍(120, 122, 124)을 포함한다. 이들 구멍은 도 5에 상세하게 도시된 다이플렉서 기능과 관련된다.
도 5는 출력 단부 캡(106)의 절개도를 도시한다. 동축 케이블(142)은 적합한 커넥터(138)를 사용하여 출력 포트(116)에 연결된다. 동축 케이블(142)의 내부 도체(140)는 캐비티 내로 돌출된다. 내부 도체(140)는 캐비티 내로 연장되는 길이의 일부가 동축 케이블로부터의 유전체 물질(141)에 의해 여전히 둘러싸인다.
디바이스의 다이플렉서 기능은 출력 단부 캡(106)의 폐쇄된 단부면에 있는 구멍(120)을 통해 직각으로 RF 연결 요소(132)를 도입하는 것에 의해 제공된다. 구멍(120)은 출력 동축 케이블의 내부 도체(140)와 직접적으로 일치하여서, 그 길이가 줄어든 내부 도체(140) 부분과 접촉한다. RF 연결 요소(132)가 중심 도체 아래의 정확한 거리에서 접촉하도록 삽입되면, 마이크로파 전력은 RF 연결 요소(132)에 결합되지 않는다. 이러한 연결은 마이크로파 커넥터와의 매칭에 약간 영향을 미치지만, 마이크로파 에너지를 위한 양호한 매칭은 내부 도체(140)의 길이를 변경하는 것에 의해 회복될 수 있다.
RF 연결 라인(132)은 커넥터 바디(130)에 의해 출력 단부 캡(106)에 연결되고, 커넥터 바디는 출력 단부 캡(106)의 폐쇄된 단부면에 형성된 한 쌍의 구멍(122, 124)에 각각 수용되는 한 쌍의 스크루(134, 136)에 의해 출력 단부 캡(106)에 고정된다. 커넥터 바디(130)는 마이크로파 에너지를 차단하기 위한 마이크로파 필터(131)를 포함한다. 이러한 예에서, 마이크로파 필터(131)는 출력 단부 캡의 단부에 연결된 원통형 동축 필터이다. 원통형 동축 필터는 예를 들어 약 5.8㎓ 및 그 부근의 주파수를 강력하게 거부하도록 설계된 2-구획 재진입 동축 필터일 수 있다. 마이크로파 필터(131)는 마이크로파 주파수에서, 마이크로파 에너지가 RF 연결 요소(132)를 통해 빠져나가는 것을 방지하기 위해 RF 연결 요소(132)가 단부 벽에 단락되는 것처럼 보이도록 출력 단부 캡(106)의 내부 단부 벽으로부터 이러한 거리에 배치된다.
RF 신호(예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 입력 라인(212, 214)으로부터의)는 RF 연결 요소(132)의 원위 단부(133)와, 차례로 출력 단부 캡(106)의 외부 표면에 전기적으로 연결된 필터의 전기 전도성 바디(130) 사이에 인가된다. RF 신호의 연결은 편리하면 표준 동축 커넥터에 의한 것일 수 있다.
RF 연결 요소(132)는 출력 동축 케이블(마이크로파 커넥터의 형태를 취할 수 있는)의 내부 도체(140)와 접촉하도록 연장된다. RF 연결 요소(132)는 내부 도체(140)에 납땜될 수 있다.
RF 연결 요소(132)는 예를 들어 PTFE 등으로 만들어진 절연 튜브(146)(도 8 참조)에 의해 출력 구획으로부터 및 다른 전도성 필터 부분으로부터 절연된다. RF 연결 요소(132)는 강성 핀 구조일 수 있다. 하나의 예에서, RF 연결 요소(132) 및 절연 튜브(146)는 짧은 길이의 반강성 동축 케이블로부터 외부 구리 재킷을 벗기는 것에 의해 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시형태인 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 시뮬레이션 모델의 절개도이다. 이미 설명된 특징부에는 동일한 도면 부호가 지정되며, 다시 설명되지 않는다. 명료성을 위해, 3개의 커넥터 핀(132, 140, 154) 및 2개의 튜닝 요소(150, 152)를 제외하고, 도 6은 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 유전체(즉, 전기 절연) 구성 요소만을 도시한다. 이들 유전체 구성 요소는 도파로 캐비티 내부의 공기(148) 및 마이크로파 필터 내부의 공기(144)를 포함한다. 이러한 것들은 또한 전술한 유전체 스페이서(126, 128) 및 절연층(127)을 포함한다. 시뮬레이션은 도 3 및 도 5를 참조하여 전술한 전도성 구성 요소가 또한 존재한다는 것에 기초하여 수행되었다.
디바이스에는 3개의 포트가 있다. 포트 1은 조합된 RF/마이크로파 출력 포트이다. 포트 2는 400㎑의 RF 에너지를 도입하는 RF 연결 라인(132)이다. 포트 3은 마이크로파 에너지(예를 들어, 바람직한 예에서 5.8㎓)를 도입하는 마이크로파 입구 포트이다. 시뮬레이션은 원통의 동일한 측면에 있는 두 마이크로파 포트(포트 1 및 포트 3)로 수행되었다.
도 7은 도 6의 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 시뮬레이션 모델을 사용하여 획득된 4.8㎓와 6.8㎓ 사이의 예측된 전파 및 반사 파라미터를 나타내는 그래프이다. 그래프의 삽도 표는 5.8㎓의 각각의 파라미터에 대한 값을 제공한다.
라인(180, 182)은 입력 포트 및 출력 포트로부터 RF 포트(S21, S23)로의 결합이 5.78㎓ 내지 5.82㎓의 범위에서 -60㏈보다 작다는 것을 보여준다.
라인(186)은 입력 포트(S33)에서의 매칭이 5.8㎓에서 -20㏈에 가깝다는 것을 보여준다.
라인(188)은 출력 포트(S11)에서의 매칭이 5.8㎓에서 -20dB에 가깝다는 것을 보여준다.
라인(184)은 입력 및 출력 포트(S31, S13) 사이의 손실이 5.8㎓에서 -0.19㏈임을 보여준다.
도 8은 RF 포트에 장착된 마이크로파 필터(131)의 시뮬레이션 모델의 절개도이다. 필터는 원통 형상을 가진다. RF 연결 요소(132)는 원통의 축을 따라서 연장된다. RF 연결 요소(132)는 예를 들어 PTFE로 만들어진 절연 슬리브(146)에 의해 둘러싸인다. 필터(131)는 마이크로파 에너지의 통과를 억제하거나 또는 방지하기 위한 초크로서 작용하는 한 쌍의 축 방향으로 분리된 공기-충전 캐비티(144)를 한정하는 전기 전도성 바디(130)(도 8에서 명료성을 위해 생략되었지만, 도 3에 도시 됨)를 포함한다. 5.8㎓에서, 각각의 공기 충전 캐비티는 동축 전파 라인으로부터 폐쇄된 단부까지 1/4 파장이다. 1/4파 캐비티는 5.8㎓ 신호가 통과하는 것을 방지하는 개방 회로를 동축 전파 라인의 외부 도체에 제공한다. 캐비티의 간격은 각각이 서로의 효과를 강화시키도록 배열된다. 400㎑에서, 필터는 영향을 미치지 못하여서, RF 신호 입력은 방해받지 않는다.
도 9는 도 8의 시뮬레이션 모델을 사용하여 획득된 마이크로파 필터에 대한 3㎓ 내지 8.5㎓의 예측된 전파 및 반사 파라미터를 도시하는 그래프이다.
라인(160)(S12)은 필터를 통한 전파를 나타내는데 반하여, 라인(162)(S22)은 필터로부터의 반사를 나타낸다. S21 및 S11에 대한 라인은 S12 및 S22에 대한 라인과 동일하다.
5.8㎓에서, 예측된 삽입 손실은 매우 높고(-49.5㏈), 반사 손실은 매우 낮다(-0.0102㏈). 이러한 성능은 각각의 단부에서 50 Ω의 부하를 가졌다. 실제로, 양쪽 단부에 더 높은 임피던스 부하가 있을 수 있어서, 실제 성능은 시뮬레이션과 약간 다를 것이다. 예를 들어, 딥(dip)의 형상 및 주파수는 양쪽 단부의 정확한 위치에 따라 변할 수 있고, 삽입 손실은 매칭되지 않는 여분의 임피던스 때문에 더 높을 수 있다.
다음의 논의는 위에서 논의된 조합형 아이솔레이터-다이플렉서의 실제 예에서 수행된 측정 결과를 요약한다.
5.6㎓ 내지 6㎓의 주파수 범위에서, 도 6에 대해 설명된 바와 같이 포트 3(입력)과 포트 1(출력) 사이에서 측정이 수행되었다. 관심 측정은 5.8㎓(마이크로파 에너지의 바람직한 주파수인)에서의 반사(S33), 전파(S13) 및 손실이었다.
동축 케이블은 마이크로파 커넥터를 사용하여 입력 포트 및 출력 포트에 연결되었다. 이러한 예에서, 커넥터는 Amphenol P/N 172224 구성 요소의 개조된 버전이었다. 이들 커넥터는 도파로 캐비티 내로 1㎜ 돌출되도록 유전체를 절단하고, 커넥터 플랜지로부터 20㎜ 연장되도록 돌출 핀(전술한 내부 도체)를 절단하여 개조되었다. 핀의 바람직한 길이는 17.5㎜의 영역에 있을 것이어서, 이러한 기술이 필요에 따라 정돈될 수 있는 긴 핀을 제공한다는 것이 예상된다.
이러한 것을 설정하고 각각의 단부 캡에 있는 스크루 튜너를 조정하는 것에 의해, -34㏈의 복귀 손실과 -0.5㏈의 삽입 손실이 획득될 수 있었다.
실험은 도파로의 반대 측면 상에 마이크로파 포트를 가지는 디바이스로 반복되었다. 거동이 이러한 시나리오에서 크게 다르다는 것이 밝혀졌다. 이는 도파로에서 전파될 수 있는 기본 TE01 모드가 원통의 동일한 측면 또는 반대 측면에 있는 커넥터들 사이에서 결합하는데 있었서 차이가 없어야 함에 따라서 컷오프 고차 모드가 결합에서 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 배열에 의해, 양호한 성능을 달성하도록 조합형 아이솔레이터-다이플렉서를 튜닝하는 것이 여전히 가능하다.

Claims (14)

  1. 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스(combined isolator-diplexer device)로서,
    무선 주파수(RF) 채널로부터 제1 주파수를 가지는 RF 전자기(electromagnetic: EM) 방사선을 수신하도록 연결 가능한 제1 입력부, 마이크로파 채널로부터 제1 주파수보다 높은 제2 주파수를 가지는 마이크로파 EM 방사선을 수신하도록 연결 가능한 제2 입력부, 및 공통 신호 경로에 상기 RF EM 방사선 및 상기 마이크로파 EM 방사선을 운반하기 위하여 상기 제1 및 제2 입력부와 통신하는 출력부를 포함하는 조합 회로, 및
    상기 RF EM 방사선으로부터 상기 마이크로파 채널을 격리시키도록 연결된 도파로 아이솔레이터를 포함하되,
    상기 도파로 아이솔레이터는,
    전도성 입력 구획,
    전도성 출력 구획,
    상기 입력 구획과 짝맞춤되는 제1 단부, 및 상기 출력 구획과 짝맞춤되는 제2 단부를 가지는 전도성 중간 구획,
    상기 입력 구획과 상기 중간 구획 사이에 배열된 제1 DC 격리 장벽, 및
    상기 중간 구획과 상기 출력 구획 사이에 배열된 제2 DC 격리 장벽을 포함하며,
    상기 입력 구획, 상기 중간 구획 및 상기 출력 구획은 도파로 캐비티(waveguide cavity)를 함께 둘러싸고,
    상기 조합 회로로부터의 상기 출력부는 신호 도체 및 접지 도체를 포함하며, 그리고
    상기 제1 DC 격리 장벽 및 상기 제2 DC 격리 장벽은 상기 조합 회로로부터의 상기 출력부의 상기 접지 도체와 상기 도파로 아이솔레이터의 상기 전도성 입력 구획 사이에 한 쌍의 직렬 연결 용량성 구조를 제공하며, 상기 용량성 구조는 상기 RF EM 에너지의 결합 및 상기 마이크로파 EM 에너지의 누설을 억제하도록 배열되는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 구획, 상기 중간 구획 및 상기 출력 구획은 길이 방향을 따라서 순차적으로 배치되며, 상기 중간 구획은 상기 제1 DC 격리 장벽에서 상기 길이 방향으로 상기 입력 구획과 중첩하며, 상기 중간 구획은 상기 제2 DC 격리 장벽에서 상기 길이 방향으로 상기 출력 구획과 중첩하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    공통 신호 경로에 연결된 상기 출력부는 상기 도파로 아이솔레이터의 상기 출력 구획에 장착된 출력 프로브를 포함하며, 상기 출력 프로브는 이로부터의 마이크로파 EM 에너지를 결합시키도록 상기 도파로 아이솔레이터 내로 연장되는 제1 결합 도체를 가지며,
    상기 제2 입력부는 상기 도파로 아이솔레이터의 입력 구획에 장착된 입력 프로브를 포함하며, 상기 입력 프로브는 상기 캐비티 내로 마이크로파 EM 에너지를 결합시키도록 상기 도파로 아이솔레이터 내로 연장되는 제2 결합 도체를 가지며, 그리고
    상기 제1 결합 도체 및 상기 제2 결합 도체는 상기 길이 방향에 직교하는 방향으로 연장되는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 결합 도체 및 상기 제2 결합 도체는 반대 방향으로부터 상기 도파로 캐비티 내로 연장되는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 입력부는 상기 도파로 아이솔레이터에 장착된 RF 커넥터를 포함하며, 상기 RF 커넥터는 상기 출력 프로브의 상기 결합 도체와 전기적으로 접촉하도록 상기 도파로 캐비티 내로 연장되는 신호 도체를 가지며, 상기 신호 도체는 길이 방향으로 연장되며, 상기 신호 도체는 상기 도파로 아이솔레이터 내에서 마이크로파 EM 에너지의 등전위와 실질적으로 정렬되도록 위치되는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 RF 커넥터는, 상기 출력 구획에 연결되고 상기 RF 커넥터의 상기 신호 도체를 통하여 상기 도파로 아이솔레이터로부터 마이크로파 EM 에너지가 누설되는 것을 억제하도록 구성된 동축 필터를 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 동축 필터는 2-구획 재진입 동축 필터를 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로 아이솔레이터는 상기 길이 방향을 따라서 상기 도파로 캐비티 내로 조정 가능하게 삽입 가능한 복수의 튜닝 스터브(tuning stub)를 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 튜닝 스터브는 상기 입력 구획의 단부면을 통해 삽입 가능한 제1 튜닝 스터브, 및 상기 출력 구획의 단부면을 통해 삽입 가능한 제2 튜닝 스터브를 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 DC 격리 장벽에서의 상기 입력 구획과 상기 중간 구획 사이에 배치된 절연층을 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 DC 격리 장벽에서의 상기 출력 구획과 상기 중간 구획 사이에 배치된 절연층을 포함하는, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파로 캐비티는 원통형인, 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스.
  13. 생물학적 조직의 절제를 위한 전기 수술 장치로서,
    제1 주파수를 가지는 무선 주파수(RF) 전자기(EM) 방사선을 발생시키기 위한 RF 신호 발생기;
    상기 제1 주파수보다 높은 제2 주파수를 가지는 마이크로파 EM 방사선을 발생시키기 위한 마이크로파 신호 발생기;
    원위 단부로부터 상기 RF EM 방사선 및 상기 마이크로파 EM 방사선을 별개로 또는 동시에 전달하도록 배열된 프로브; 및
    상기 RF EM 방사선 및 상기 마이크로파 EM 방사선을 상기 프로브에 운반하기 위한 급송 구조로서, 상기 프로브를 상기 RF 신호 발생기에 연결하기 위한 RF 채널, 및 상기 프로브를 상기 마이크로파 신호 발생기에 연결하기 위한 마이크로파 채널을 포함하는, 상기 급송 구조를 포함하되,
    상기 RF 채널 및 상기 마이크로파 채널은 상기 RF 신호 발생기 및 상기 마이크로파 신호 발생기로부터 각각 물리적으로 분리된 신호 경로를 포함하고,
    상기 급송 구조는,
    상기 RF 채널로부터 상기 RF EM 방사선을 수신하도록 연결된 제1 입력부, 상기 마이크로파 채널로부터 상기 마이크로파 EM 방사선을 수신하도록 연결된 제2 입력부, 및 공통 신호 경로를 따라서 상기 RF EM 방사선 및 상기 마이크로파 EM 방사선을 상기 프로브에 운반하기 위하여 상기 제1 입력부 및 상기 제2 입력부와 통신하는 출력부를 포함하는 조합 회로, 및
    상기 RF EM 방사선으로부터 상기 마이크로파 채널을 격리하기 위해 연결된 도파로 아이솔레이터를 포함하는 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스를 포함하며,
    상기 도파로 아이솔레이터는,
    전도성 입력 구획,
    전도성 출력 구획,
    상기 입력 구획과 짝맞춤되는 제1 단부 및 상기 출력 구획과 짝맞춤되는 제2 단부를 가지는 전도성 중간 구획,
    상기 입력 구획과 상기 중간 구획 사이에 배열된 제1 DC 격리 장벽, 및
    상기 중간 구획과 상기 출력 구획 사이에 배열된 제2 DC 격리 장벽을 포함하고,
    상기 입력 구획, 상기 중간 구획 및 상기 출력 구획은 도파로 캐비티를 함께 둘러싸고,
    상기 조합 회로로부터의 상기 출력부는 신호 도체 및 접지 도체를 포함하고, 그리고
    상기 제1 DC 격리 장벽 및 상기 제2 DC 격리 장벽은 상기 조합 회로로부터의 상기 출력부의 상기 접지 도체와 상기 도파로 아이솔레이터의 상기 전도성 입력 구획 사이에 한 쌍의 직렬 연결된 용량성 구조를 제공하고, 상기 용량성 구조는 상기 RF EM 에너지의 결합 및 상기 마이크로파 EM 에너지의 누설을 억제하도록 배열되는, 전기 수술 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스는 제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 조합형 아이솔레이터-다이플렉서 디바이스인, 전기 수술 장치.
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