KR20220122618A - 다중 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 전기외과 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 주파수의 전자기 에너지를 전달하여 치료 부위의 생체 조직에 상이한 효과를 야기하는 전기외과 시스템, 특히 전기외과 발전기에 관한 것이다. 전기외과 발전기는 복수의 마이크로파 채널들 각각 상에서 전달될 마이크로파 에너지를 발생시키기 위한 전자기 신호 공급부 - 복수의 마이크로파 채널들 각각은 상이한 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하도록 배열됨 -; 복수의 마이크로파 채널들로부터 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 프로브에 연결가능하게 구성된 출력 포트; 및 복수의 마이크로파 채널들을 출력 포트에 연결하도록 구성된 신호 조합기를 포함하되, 신호 조합기는 복수의 마이크로파 채널들 각각의 원위 단부에 배치된 대역 차단 필터 모듈 - 각 마이크로파 채널에 대한 대역 차단 필터 모듈은 다른 마이크로파 채널들 상에서 전달되는 주파수의 마이크로파 에너지를 차단하도록 구성됨 -; 및 복수의 마이크로파 채널들이 연결되는 접합부와 출력 포트 사이에서 연장되는 공통 신호 경로를 포함한다.

Description

다중 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 전기외과 발전기

본 발명은 복수의 주파수의 전자기 에너지를 전달하여 치료 부위의 생체 조직에 상이한 효과를 야기하는 전기외과 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공통 공급 케이블을 따라 복수의 마이크로파 주파수의 에너지를 선택적으로 공급하기 위한 전기외과 발생기에 관한 것이며, 이는 최소 침습 방식으로 생체 조직을 치료하기 위해 외과 스코핑 디바이스(예를 들어, 내시경 또는 기관지경)의 기구 채널을 통해 도입될 수 있다.

전기외과 발전기는 개방 및 복강경 시술에 사용하기 위해 병원 수술실에 보급되어 있고, 또한 내시경 검사기에도 점점 증가하고 있다. 내시경 시술에서, 전기외과 부속품은 전형적으로 내시경 내부의 루멘을 통해 삽입된다. 복강경 수술에 대한 동등한 접근 채널에 대해 고려할 때, 이러한 루멘은 보어가 비교적 좁고 길이가 더 크다.

무선 주파수(RF) 에너지를 사용하여 생체 조직을 절단하는 것이 알려져 있다. RF 에너지를 사용한 절단 방법은 전류가 (세포 및 세포간 전해질의 이온 함량에 의해 보조를 받아) 조직 기질을 통과할 때 조직에 걸친 전자 흐름에 대한 임피던스가 열을 발생시키는 원리를 사용하여 작동한다. RF 전압이 조직 기질에 인가될 때, 조직의 수분 함량을 증발시키기에 충분한 열이 세포 내에서 발생된다. 특히 조직을 통한 전체 전류 경로의 최고 전류 밀도를 갖는 기구(본원에서 RF 블레이드로서 지칭됨)의 RF 방출 영역에 인접한 이러한 증가하는 건조의 결과로서, RF 블레이드의 절단 폴에 인접한 조직은 블레이드와의 직접 접촉이 끊긴다. 그 후, 인가된 전압은 결과적으로 이온화되는 이러한 보이드를 거의 전체적으로 가로질러 나타나서, 혈장을 형성하며, 이는 조직에 비해 매우 높은 체적 저항률을 갖는다. 이러한 분화는 혈장에 인가된 에너지를 집중시켜, RF 블레이드의 절단 폴과 조직 사이의 전기 회로를 완성하므로 중요하다. 혈장으로 충분히 느리게 진입하는 임의의 휘발성 물질이 증발되고, 이에 따라 조직 절개 혈장의 인지가 이루어진다.

GB 2 486 343은 생체 조직을 치료하기 위해 RF 및 마이크로파 에너지 양자를 전달하는 전기외과 장치를 위한 제어 시스템을 개시한다. 프로브에 전달되는 RF 에너지 및 마이크로파 에너지 양자의 에너지 전달 프로파일은 프로브에 전달되는 RF 에너지의 샘플링된 전압 및 전류 정보 및 프로브로 그리고 프로브로부터 전달되는 마이크로파 에너지에 대한 샘플링된 순방향 및 반사 출력 정보에 기초하여 셋팅된다.

GB 2 522 533은 생체 조직을 치료하기 위한 무선주파수(RF) 에너지 및 마이크로파 에너지를 생성하도록 배열된 전기외과 발전기를 위한 아이솔레이팅 회로를 개시한다. 아이솔레이팅 회로는 마이크로파 채널과 신호 조합기 사이의 접합부에 튜닝가능한 도파관 아이솔레이터를 포함하고, RF 에너지의 결합 및 마이크로파 에너지의 누설을 억제하기 위해 신호 조합기의 접지 전도체와 도파관 아이솔레이터의 전도성 입력 섹션 사이에 용량성 구조체를 포함할 수 있다.

가장 일반적으로, 본 발명은 복수의 상이한 주파수들의 마이크로파 에너지를 선택적으로 전달할 수 있는 전기외과 발전기를 제안한다. 상이한 주파수들은 예를 들어, 생체 조직에 상이한 효과를 야기하기 위해, 별개로 또는 동시에 전달될 수 있다. 마이크로파 에너지의 효율적인 전달을 가능하게 하기 위해, 전기외과 발전기는 에너지의 각 주파수가 다른 주파수들을 전달하는 채널로의 최소 또는 무시할 수 있는 누설로 그 각 채널로부터 출력 포트로 지향되도록, 복수의 마이크로파 채널들의 효과적인 격리를 가능하게 할 수 있는 신호 조합기를 갖는다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 복수의 마이크로파 채널들 각각 상에서 전달될 마이크로파 에너지를 발생시키기 위한 전자기 신호 공급부 - 복수의 마이크로파 채널들 각각은 상이한 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하도록 배열됨 -; 복수의 마이크로파 채널들로부터 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 프로브에 연결가능하게 구성된 출력 포트; 및 복수의 마이크로파 채널들을 출력 포트에 연결하도록 구성된 신호 조합기를 포함하되, 신호 조합기는 복수의 마이크로파 채널들 각각의 원위 단부에 배치된 대역 차단 필터 모듈 - 각 마이크로파 채널에 대한 대역 차단 필터 모듈은 다른 마이크로파 채널들 상에서 전달되는 주파수의 마이크로파 에너지를 차단하도록 구성됨 -; 및 복수의 마이크로파 채널들이 연결되는 접합부와 출력 포트 사이에서 연장되는 공통 신호 경로를 포함하는 전기외과 발전기가 제공된다.

이에 따라, 전기외과 발전기는 각 신호가 별도의 채널 상에서 전달되고 다른 신호들과 상이한 주파수를 갖는 복수의 마이크로파 신호들을 생성한다. 신호 조합기는 복수의 대역 차단 필터 모듈들을 가지며, 하나의 모듈은 마이크로파 채널 각각에 대한 것이다. 각 모듈은 다른 채널 상에서 전달되는 (상이한) 주파수들에서 마이크로파 에너지를 차단할 수 있음으로써 각 채널에 대해 적응된다. 이에 따라, 세 개의 채널 시나리오에서, 제1 채널 상의 모듈은 제2 및 제3 채널들의 주파수들을 차단하는 한편, 제2 채널 상의 모듈은 제1 및 제3 채널들 상의 주파수들을 차단하는 등이다. 모듈들은 임의의 수의 채널들에 대해 구성될 수 있다.

전자기 신호 공급부는 복수의 마이크로파 채널들에 의해 전달되는 주파수들 중 하나의 마이크로파 에너지를 출력하도록 각각 구성되는 복수의 마이크로파 소스들을 포함한다. 즉, 마이크로파 채널들 각각은 서로 독립적일 수 있다. 대안적으로, 상이한 주파수들의 마이크로파 신호들은 공통 소스로부터 유도되고, 그 후 각 마이크로파 채널로 전달될 수 있다.

발전기가 세 개 이상의 마이크로파 주파수들 중 임의의 하나 또는 임의의 조합으로 마이크로파 에너지를 전달할 수 있도록, 세 개 이상의 마이크로파 채널들이 있을 수 있다. 예를 들어, 복수의 마이크로파 채널들은 433 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz, 14.5 GHz, 24 GHz, 60 GHz 중 두개 이상의 임의의 조합을 갖는 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성될 수 있다.

각 마이크로파 채널은 마이크로파 채널에 대응하는 주파수를 갖는 마이크로파 에너지가 전자기 신호 공급부로부터 접합부로 전달되는 트렁크 송신 라인을 포함할 수 있다. 트렁크 송신 라인은 임의의 적합한 형태, 예를 들어 동축 송신, 마이크로스트립, 도파관 등을 취할 수 있다. 동축 송신 라인은 손실을 최소화하기에 바람직할 수 있다.

각 대역 차단 필터 모듈은 차단될 마이크로파 에너지의 각 주파수에 대한 세 개의 스터브 필터를 포함할 수 있다. 이에 따라, 각 모듈은 차단될 각 주파수에 대해 하나씩, 복수의 세 개의 스터브 필터들을 포함할 수 있다. 3 채널 시나리오에서, 각 모듈은 두 개의 세 개의 스터브 필터들을 가질 것이다. n-채널 시나리오에서, 각 모듈은 (n-1)개의 세 개의 스터브 필터들을 가질 것이다. 각 세 개의 스터브 필터는 트렁크 송신 라인에 연결되고 (예를 들어, 이에 직교하여) 이로부터 멀리 연장되는 세 개 스터브들(즉, 세 개 길이들의 송신 라인)을 포함할 수 있다. 각 스터브는 차단될 마이크로파 에너지의 파장에서 접합부에 션트로 개방 회로를 제공하도록 구성될 수 있다.

일 구성에서, 개방 회로 조건은 세 개의 스터브들 각각이 차단될 마이크로파 에너지의 1/4 파장과 동일한 길이를 갖는 것, 그리고 세 개의 스터브들은 차단될 마이크로파 에너지의 1/2 파장에 의해 트렁크 송신 라인을 따라 분리되는 것, 그리고 제1 스터브는 차단될 마이크로파 에너지의 1/4 파장들의 홀수와 동일한 거리만큼 접합부로부터 이격되는 것에 의해 달성된다.

본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세히 후술되며, 첨부 도면들에서:
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 공지된 유형의 전기외과 발전기의 개략도이다;
도 2는 도 1의 전기외과 발전기에 사용될 수 있는 절연 회로의 개략도이다;
도 3은 본 발명의 일 실시예인 다수의 주파수들의 마이크로파 에너지를 전달할 수 있는 전기외과 발전기의 개략도이다;
도 4는 도 3의 전기외과 발전기에 사용하기에 적합한 신호 조합기의 개략도이다;
도 5는 도 4의 신호 조합기에서 사용하기에 적합한 대역 차단 필터의 개략도이다;
도 6은 도 3의 전기외과 발전기에서 사용하기에 적합한 스트립라인 기반 신호 조합기의 개략도이다;
도 7은 도 6에 도시된 신호 조합기의 출력 포트와 제1 입력 포트 사이의 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다;
도 8은 도 6에 도시된 신호 조합기의 출력 포트와 제2 입력 포트 사이의 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다;
도 9는 도 6에 도시된 신호 조합기의 출력 포트에서 정합된 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다;
도 10은 도 6에 도시된 신호 조합기의 제1 입력 포트에서 정합된 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다; 그리고
도 11은 도 6에 도시된 신호 조합기의 제1 입력 포트와 제2 입력 포트 사이의 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다.

배경기술

도 1은 본 발명을 이해하는 데 유용한 GB 2 486 343에 개시된 것과 같은 전기외과 장치(400)의 개략도를 도시한다. 본 장치는 RF 채널 및 마이크로파 채널을 포함한다. RF 채널은 생체 조직을 치료(예를 들어, 절단 또는 건조)하기에 적합한 출력 레벨로 RF 주파수 전자기 신호를 생성 및 제어하기 위한 구성요소들을 포함한다. 마이크로파 채널은 생체 조직을 치료(예를 들어, 응고 또는 절제)하기에 적합한 출력 레벨로 마이크로파 주파수 전자기 신호를 생성 및 제어하기 위한 구성요소들을 포함한다.

마이크로파 채널은 마이크로파 주파수 소스(402)에 이어서 출력 스플리터(424)(예를 들어, 3dB 출력 스플리터)를 가지며, 이는 소스(402)로부터의 신호를 두 개의 분기들로 분할한다. 출력 스플리터(424)로부터의 하나의 분기는 마이크로파 채널을 형성하며, 이는 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 출력 제어 모듈, 및 치료에 적합한 출력 레벨로 프로브(420)로부터 전달할 순방향 마이크로파 EM 방사선을 발생시키기 위한 구동 증폭기(410) 및 출력 증폭기(412)를 포함하는 증폭기 모듈을 갖는다. 증폭기 모듈 후에, 마이크로파 채널은 마이크로파 EM 에너지를 소스로부터 프로브로 그 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라 전달하도록 연결된 서큘레이터(416), 서큘레이터(416)의 제1 포트에 있는 순방향 결합기(414), 및 서큘레이터(416)의 제3 포트에 있는 반사 결합기(418)를 포함하는 마이크로파 신호 조합 모듈(마이크로파 신호 검출기의 일부를 형성함)로 계속된다. 반사 결합기를 통과한 후, 제3 포트로부터의 마이크로파 EM 에너지는 전원 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 제어기(406)에 의해 동작되는 스위치(415)를 포함한다.

출력 스플리터(424)로부터의 다른 분기는 측정 채널을 형성한다. 측정 채널은 마이크로파 채널 상의 증폭 라인-업을 우회하고, 이로 인해 프로브로부터 저출력 신호를 전달하도록 배열된다. 제어 신호(V13)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 주 채널 선택 스위치(426)는 프로브에 전달하기 위해 마이크로파 채널 또는 측정 채널 중 어느 하나로부터 신호를 선택하도록 동작가능하다. 저주파수 RF 신호들로부터 마이크로파 신호 발전기를 보호하기 위해 주 채널 선택 스위치(426)와 프로브(420) 사이에 고역 통과 필터(427)가 연결된다.

측정 채널은 프로브로부터 반사된 출력의 위상 및 크기를 검출하도록 배열된 구성요소들을 포함하며, 이는 프로브의 원위 단부에 존재하는 물질, 예를 들어 생체 조직에 관한 정보를 산출할 수 있다. 측정 채널은 마이크로파 EM 에너지를 소스(402)로부터 프로브로, 그 제1 포트와 제2 포트 사이의 경로를 따라 전달하도록 연결된 서큘레이터(428)를 포함한다. 프로브로부터 리턴되는 반사 신호는 서큘레이터(428)의 제3 포트로 지향된다. 서큘레이터(428)는 정확한 측정을 가능하게 하기 위해 순방향 신호와 반사 신호 사이의 아이솔레이션을 제공하기 위해 사용된다. 그러나, 서큘레이터가 그 제1 포트와 제3 포트 사이의 완전한 아이솔레이션을 제공하지 않으므로, 즉 순방향 신호의 일부가 제3 포트까지 돌파하고 반사 신호와 간섭할 수 있으므로, (순방향 결합기(430)로부터의) 순방향 신호의 일부를 (주입 결합기(432)를 통해) 제3 포트에서 나오는 신호로 다시 주입하는 캐리어 상쇄 회로가 사용될 수 있다. 캐리어 상쇄 회로는 주입된 부분이 제1 포트로부터 제3 포트로 돌파하는 임의의 신호를 상쇄시키기 위해 이와 180° 위상이 다르도록 하는 위상 조정기(434)를 포함한다. 캐리어 상쇄 회로는 또한, 주입된 부분의 크기가 임의의 돌파 신호와 동일하도록 하는 신호 감쇠기(436)를 포함한다.

순방향 신호의 임의의 드리프트를 보상하기 위해, 측정 채널 상에 순방향 결합기(438)가 제공된다. 순방향 결합기(438)의 결합된 출력 및 서큘레이터(428)의 제3 포트로부터의 반사된 신호는 스위치(440)의 각 입력 단자에 연결되며, 이는 결합된 순방향 신호 또는 반사된 신호 중 어느 하나를 검출을 위해 헤테로다인 수신기에 연결시키기 위해 제어 신호(V14)를 통해 제어기(406)에 의해 동작된다.

스위치(440)의 출력(즉, 측정 채널로부터의 출력) 및 스위치(415)의 출력(즉, 마이크로파 채널로부터의 출력은 부 채널 선택 스위치(442)의 각 입력 단자에 연결되고, 이는 측정 채널이 프로브에 에너지를 공급하고 있을 때 측정 채널의 출력이 헤테로다인 수신기에 연결되고, 마이크로파 채널이 프로브에 에너지를 공급하고 있을 때 마이크로파 채널의 출력이 헤테로다인 수신기에 연결되도록 하기 위해 주 채널 선택 스위치와 함께 제어 신호(V15)를 통해 제어기(406)에 의해 동작가능하다.

헤테로다인 수신기는 부 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력되는 신호로부터 위상 및 크기 정보를 추출하기 위해 사용된다. 단일 헤테로다인 수신기가 이 시스템에 도시되어 있지만, 신호가 제어기로 진입하기 전에 소스 주파수를 두 번 믹스 다운하기 위해 (두 개의 국부 발진기들 및 믹서들을 포함하는) 이중 헤테로다인 수신기가 필요하다면 사용될 수 있다. 헤테로다인 수신기는 부 채널 선택 스위치(442)에 의해 출력되는 신호를 믹스 다운하기 위해 국부 발진기(444) 및 믹서(448)를 포함한다. 국부 발진기 신호의 주파수는 믹서(448)로부터의 출력이 제어기(406)에서 수신되기에 적합한 중간 주파수에 있도록 선택된다. 고주파 마이크로파 신호들로부터 국부 발진기(444) 및 제어기(406)를 보호하기 위해 대역 통과 필터들(446, 450)이 제공된다.

제어기(406)는 헤테로다인 수신기의 출력을 수신하고, 이로부터 마이크로파 또는 측정 채널 상의 순방향 및/또는 반사 신호들의 위상 및 크기를 나타내는 정보를 결정(예를 들어, 추출)한다. 이러한 정보는 마이크로파 채널 상의 고출력 마이크로파 EM 방사선 또는 RF 채널 상의 고출력 RF EM 방사선의 전달을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 사용자는 상술한 바와 같이 사용자 인터페이스(452)를 통해 제어기(406)와 상호작용할 수 있다.

도 1에 도시된 RF 채널은 제어 신호(V16)를 통해 제어기(406)에 의해 제어되는 게이트 드라이버(456)에 연결되는 RF 주파수 소스(454)를 포함한다. 게이트 드라이버(456)는 하프-브리지 배열인 RF 증폭기(458)에 대한 동작 신호를 공급한다. 하프-브리지 배열의 드레인 전압은 가변 DC 서플라이(460)를 통해 제어가능하다. 출력 변환기(462)는 생성된 RF 신호를 프로브(420)에 전달하기 위한 라인 상으로 전달한다. 저역 통과, 대역 통과, 대역 차단 또는 노치 필터(464)는 고주파 마이크로파 신호들로부터 RF 신호 발전기를 보호하기 위해 그 라인 상에 연결된다.

변류기(466)는 조직 부하에 전달되는 전류를 측정하기 위해 RF 채널 상에 연결된다. 분압기(468)(출력 변환기에서 탭 오프될 수 있음)는 전압을 측정하기 위해 사용된다. 전위 분배기(468) 및 변류기(466)로부터의 출력 신호들(즉, 전압 및 전류를 나타내는 전압 출력들)은 각 버퍼 증폭기들(470, 472) 및 전압 클램핑 제너 다이오드들(474, 476, 478, 480)에 의한 컨디셔닝 후에 제어기(406)에 직접 연결된다(도 1에서 신호들 B 및 C로서 도시됨).

위상 정보를 도출하기 위해, 전압 및 전류 신호들(B 및 C)이 또한 위상 비교기(482)(예를 들어, EXOR 게이트)에 연결되며, 이의 출력 전압은 전압과 전류 파형들 사이의 위상차에 비례하는 전압 출력(도 1에서 A로서 도시됨)을 생성하기 위해 RC 회로(484)에 의해 적분된다. 이 전압 출력(신호 A)은 제어기(406)에 직접 연결된다.

마이크로파/측정 채널 및 RF 채널은 신호 조합기(114)에 연결되며, 이는 양 유형의 신호를 케이블 어셈블리(116)를 따라 별개로 또는 동시에 프로브(420)로 전달하며, 이로부터 신호는 환자의 생체 조직으로 전달(예를 들어, 방사)된다.

도파관 아이솔레이터(미도시)는 마이크로파 채널과 신호 조합기 사이의 접합부에 제공될 수 있다. 도파관 아이솔레이터는 (i) 초고 마이크로파 출력(예를 들어, 10 W 초과)의 통과를 허용하고; (ii) RF 출력의 통과를 차단하며; (iii) 고 내전압(예를 들어, 10 kV 초과)을 제공하는 세 가지 기능들을 수행하도록 구성될 수 있다. 용량성 구조체(DC 브레이크라고도 알려짐)는 또한, 도파관 아이솔레이터에(예를 들어, 도파관 아이솔레이터 내에) 또는 도파관 아이솔레이터 인접하게 제공될 수 있다. 용량성 구조의체 목적은 아이솔레이션 배리어에 걸친 용량성 결합을 감소시키는 것이다.

도 2는 본 발명을 이해하는 데 또한 유용한 GB 2 522 533에 개시된 바와 같은 아이솔레이팅 회로의 개략도이다. 아이솔레이팅 회로는 RF 신호 발전기(218)로부터의 RF EM 방사선 및 마이크로파 신호 발전기(220)로부터의 마이크로파 방사선을 프로브로 전달하기 위한 공급 구조체의 일부를 형성한다. 프로브(미도시)는 하우징(226)에 제공되는 출력 포트(228)에 연결가능하다. 절연 슬리브(229)는 하우징의 접지된 케이싱을 출력 포트(228)에 연결된 플로팅 구성요소들과 연결하기 위한 전류 경로를 방지하기 위해 하우징의 출력 포트(228)에 제공된다.

공급 구조체는 RF EM 방사선을 전달하기 위한 RF 신호 경로(212, 214)를 갖는 RF 채널 및 마이크로파 EM 방사선을 전달하기 위한 마이크로파 신호 경로(210)를 갖는 마이크로파 채널을 포함한다. RF EM 방사선 및 마이크로파 방사선을 위한 신호 경로들은 서로 물리적으로 분리되어 있다. RF 신호 생성기는 변압기(216)를 통해 RF 신호 경로(212, 214)에 연결된다. 변압기(216)의 이차 코일(즉, 배열체의 프로브 측 상의)은 플로팅이어서, 환자와 RF 신호 발전기(218) 사이에 직류 경로가 존재하지 않는다. 이는 RF 신호 경로(212, 214)의 신호 전도체(212) 및 접지 전도체(214) 양자가 플로팅임을 의미한다.

아이솔레이팅 회로는 도파관 아이솔레이터(600)를 포함하며, 이의 절연 갭이 필요한 레벨의 DC 아이솔레이션을 제공하도록 구성되고, 또한 갭에서의 마이크로파 에너지의 누설을 방지하기 위해 마이크로파 에너지의 주파수에서 충분히 낮은 용량성 리액턴스를 갖는다. 갭은 0.6 mm 이상, 예를 들어, 0.75 mm일 수 있다. RF 에너지는 튜브의 직경이 RF 주파수에서 프로브들 각각과 직렬로 매우 큰 인덕턴스를 생성하기 때문에, 아이솔레이터의 두 단부들 사이에 결합할 수 없다.

아이솔레이팅 회로는 도파관 아이솔레이터(600)와 통합되는 조합 회로를 갖는다. RF 신호를 반송하는 신호 전도체(212) 및 접지 전도체(214)는 동축 RF 연결기(602)(RF 공급부)에 연결되며, 이는 RF 신호를 도파관 아이솔레이터(600) 내로 도입하며, 이로부터 RF 신호가 출력 포트(232)로부터 프로브를 향해 전달된다.

아이솔레이팅 갭(603)은 RF 신호가 입력 포트(230)로 다시 결합되는 것을 방지하도록 배열된다. 마이크로파 에너지는 도파관 아이솔레이터 내의 내부 전도성 로드의 세심한 배치에 의해 RF 연결기(602)로의 결합이 방지된다.

튜닝 유닛은 구성요소들의 라인 업의 리턴 손실을 감소시키기 위해 도파관 아이솔레이터(600) 내에 통합된다. 튜닝 유닛은 공동의 바디 내로 조정 가능하게 삽입, 예를 들어, 나사 결합될 수 있는 세 개의 스터브들(231)은 포함한다.

또한, RF 채널은 발전기와 함께 사용되는 케이블의 상이한 길이들로부터 발생하는 커패시턴스의 변화를 수용(예를 들어, 보상)하기 위해 제어 신호(C1)의 제어 하에서 동작가능한 조정가능한 리액턴스(217)를 갖는다. 조정 가능한 리액턴스(217)는 RF 채널과 직렬 또는 션트로 연결된 스위칭된 또는 전자적으로 튜닝가능한 커패시터들 또는 인덕터들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

다중 마이크로파 주파수의 선택적 전달

도 3은 본 발명의 일 실시예인 전기외과 발전기(200)의 개략도이다. 전기외과 발전기의 전체 구조는 도 1과 관련하여 위에서 논의된 것과 유사할 수 있고, 이는 조합된 RF 및 마이크로파 에너지에 대해 도 2와 관련하여 논의된 바와 같은 아이솔레이팅 회로를 포함할 수 있다.

그러나, 본 발명의 전기외과 발전기(200)는 복수의 마이크로파 채널들(240, 242, 244)을 포함하며, 각 채널은 다른 마이크로파 채널들과 상이한 특정 주파수를 갖는 마이크로파 에너지를 발생시키도록 구성된다는 점에서 도 1 및 도 2와 상이하다. 복수의 마이크로파 채널들(240, 242, 244)은 각각 별개의 (독립적인) 마이크로파 소스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 각 마이크로파 채널 상의 신호들은 단일 소스로부터, 적합한 주파수 증배 또는 분할로 도출될 수 있다. 각 마이크로파 채널은 도 1과 관련하여 상술한 마이크로파 채널로서 구성될 수 있다.

복수의 마이크로파 채널들 각각은 독립적으로 동작가능할 수 있다(예를 들어, 활성화가능할 수 있다). 이에 따라, 상이한 주파수들을 갖는 마이크로파 신호는 복수의 마이크로파 채널들로부터 별개로 또는 동시에 공급될 수 있다.

전기외과 발전기(200)는 복수의 마이크로파 채널들(240, 242, 244) 각각으로부터 마이크로파 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트들의 세트를 갖는 마이크로파 신호 조합기(246)를 더 포함한다. 마이크로파 신호 조합기(246)는 또한, 마이크로파 채널들(240, 242, 244)로부터의 신호들이 공통 송신 라인(248)을 따라 도파관 아이솔레이터(600)의 입력 포트(230)로 전달되는 출력 포트를 갖는다.

복수의 마이크로파 채널들(240, 242, 244)은 임의의 적합한 주파수의 마이크로파 신호를 생성하도록 배열될 수 있다. 그러나, 생성된 주파수들이 다음의 ISM 대역들 중 하나에 속하는 것이 바람직할 수 있다:

433.05 MHz 내지 434.79 MHz(중심 주파수 433.92 MHz를 갖는 1.74 MHz 대역폭)

902 MHz 내지 928 MHz(중심 주파수 915 MHz를 갖는 26 MHz 대역폭)

2.4 GHz 내지 2.5 GHz(중심 주파수 2.45 GHz를 갖는 100 MHz 대역폭)

5.725 GHz 내지 5.875 GHz(중심 주파수 5.8 GHz를 갖는 150 MHz 대역폭)

24.0 GHz 내지 24.25 GHz(중심 주파수 24.125 MHz를 갖는 250 MHz 대역폭)

61.0 GHz 내지 61.5 GHz(중심 주파수 61.25 GHz를 갖는 500 MHz 대역폭)

마이크로파 채널들은 상기한 대역들 중 두 개 이상 대역들의 임의의 조합으로부터 신호들을 생성할 수 있다.

도 4는 도 3의 전기외과 발전기에 사용하기에 적합한 마이크로파 신호 조합기의 개략도이다; 이 예에서, 세 개의 마이크로파 채널들(240, 242, 244)이 존재하며, 각각은 접합부(262)에서 공통 출력 송신 라인(248)에 연결된다. 각 마이크로파 채널은 예를 들어, 50Ω 부하(241)를 통해, 그 근위 단부에서 접지(243)에 연결될 수 있다.

마이크로파 신호 조합기는 접합부(262) 전에, 각 마이크로파 채널의 원위 단부에 대역 차단 필터들의 쌍을 포함한다. 주어진 마이크로파 채널 상의 대역 차단 필터들은 다른 마이크로파 채널들에 대응하는 주파수를 갖는 마이크로파 에너지가 그 마이크로파 채널로 진입하는 것을 선택적으로 차단하도록 동작한다.

이에 따라, 제1 마이크로파 채널(240)은 제1 주파수(f1)를 갖는 마이크로파 신호를 출력하도록 동작할 수 있고, 제2 마이크로파 채널(242)은 제2 주파수(f2)를 갖는 마이크로파 신호를 출력하도록 동작할 수 있으며, 제3 마이크로파 채널(244)은 제3 주파수(f3)를 갖는 마이크로파 신호를 출력하도록 동작할 수 있다.

제1 마이크로파 채널(240)은 그 원위 단부에 대역 차단 필터들의 제1 쌍(250, 252)을 가질 수 있다. 대역 차단 필터들의 제1 쌍(250, 252)은 제2 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(250), 및 제3 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(252)를 포함한다.

제2 마이크로파 채널(242)은 그 원위 단부에 대역 차단 필터들의 제2 쌍(254, 256)을 가질 수 있다. 대역 차단 필터들의 제2 쌍(254, 256)은 제3 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(254), 및 제1 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(256)를 포함한다.

제3 마이크로파 채널(244)은 그 원위 단부에 대역 차단 필터들의 제3 쌍(258, 260)을 가질 수 있다. 대역 차단 필터들의 제3 쌍(258, 260)은 제1 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(258), 및 제2 주파수를 차단하도록 구성된 대역 차단 필터(260)를 포함한다.

각 대역 차단 필터는 특정 주파수의 마이크로파 에너지의 통과를 차단하면서 다른 주파수들은 통과시키도록 배열된 두 개 또는 세 개의 스터브 필터로서 구성될 수 있다. 이에 따라, 신호 조합기는 대역 차단 필터들의 네트워크를 포함할 수 있다. 각 필터는 임의의 적합한 송신 라인 구조, 예를 들어, 동축 송신 라인, 마이크로스트립 또는 스트립라인, 또는 마이크로파 전파를 지원하기에 적합한 임의의 다른 도파관을 제조하는 데 사용될 수 있다. 바람직한 배열에서, 스터브들은 채널을 따라 마이크로파 신호를 전달하는 것과 동일한 유형의 송신 라인으로부터 형성될 수 있다. 이에 따라, 스터브들은 마이크로파 채널을 통한 동축 송신 라인과 동일한 임피던스(예를 들어, 50Ω)를 갖는 동축 송신 라인일 수 있다. 대안적으로, 신호 조합기는 공통 접합부 및 마이크로파 채널 상의 동축 송신부에 각각 연결하기 위해 그 근위 단부 및 원위 단부에 연결기들(예를 들어, SMA 연결기들)을 갖는 예를 들어, 마이크로스트립 또는 스트립라인 구조체로서 제조된 별개의 구성요소일 수 있다.

각 스터브는 접합부의 위치에서 그 주파수에 대한 션트 개방 회로를 제공함으로써, 접합부를 통해 공통 접합부(262)로 다른 주파수의 최적의 송신을 야기하도록 설계된 접합부로부터의 거리에 있다.

스터브들의 수는 요구되는 신호 감소 레벨을 제공하도록 선택될 수 있다. 세 개의 스터브들은 통상적으로 60 dB의 아이솔레이션(신호 감소)를 제공하기에 충분하다.

도 5는 도 4의 신호 조합기에서 사용하기에 적합한 대역 차단 필터(270)의 개략도이다. 대역 차단 필터(270)는 마이크로파 채널을 접합부(262)에 연결하는 트렁크 송신 라인(272)을 포함한다. 세 개의 스터브들(274, 276, 278)은 트렁크 송신 라인(272)에 션트로 연결된다. 트렁크 송신 라인(272)으로부터 떨어진 각 스터브의 단부는 개방 회로 상태에 있다.

각 스터브는 스터브가 제조되는 송신 라인에 의해 전달될 때(본원에서 유도 파장으로서 지칭됨) 차단될 마이크로파 에너지의 홀수 1/4 파장인 길이(L)를 갖는다. 본원에서 논의된 마이크로파 에너지 주파수들에서, 각 스터브는 단일 1/4 파장일 수 있다.

스터브들(274, 276, 278)은 차단될 유도 마이크로파 에너지의 반파장인 간격(S)으로 트렁크 송신 라인(272)을 따라 서로 이격된다.

제1 스터브(278)는 차단될 유도 마이크로파 에너지의 홀수 1/4 파장인 거리 D만큼 접합부(262)로부터 이격된다. 이러한 구성의 결과는 각 스터브의 단부에서의 개방 회로가 접합부로부터 반파장의 배수이기 때문에, 각 스터브가 접합부에서 션트로 개방 회로를 제공한다는 것이다.

도 4로 되돌아가, 각 대역 차단 필터는 차단될 각 파장에 대해 상술한 바와 같이 구성된 스터브들의 세트로서 구현될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

상술한 바와 같이, 각 스터브는 임의의 적합한 송신 라인으로부터 형성될 수 있다. 일례에서, 각 스터브는 유전체 물질에 의해 외측 전도체로부터 분리된 내측 전도체를 포함하여, 동축 송신 라인, 예를 들어, 동축 케이블로부터 형성된다. 각 스터브는 트렁크 송신 라인과 동일한 임피던스를 갖는 것이 바람직하며, 이는 예를 들어, 50 Ω일 수 있다. 너무 많은 손실 없이 전기외과에 적합한 출력 레벨을 갖는 마이크로파 에너지를 핸들링하기 위해, 외측 전도체의 외경은 바람직하게는 10 mm 이상일 수 있다. 2.2와 동일한 상대 유전율(

)을 갖는 유전체 물질에 대해, 다음 식을 사용하여 내측 전도체의 필요한 크기를 결정할 수 있다.

여기서,

는 요구되는 임피던스이고, b는 외측 전도체의 외경이며, a는 내측 전도체의 외경이다. 이에 따라, 상기한 예에서, 내측 전도체의 외부 직경이 2.9 mm인 50 Ω 스터브가 얻어질 것이다. 이러한 동축 송신 라인에서, 유도 파장(

)은 다음 식으로 주어진다

여기서, c는 광속이고, f는 차단될 마이크로파 에너지의 주파수이며,

은 동축 송신 라인에서의 유전체 물질의 상대 유전율이다. 이에 따라, 5.8 GHz에서, 위에서 정의된 동축 송신 라인으로부터 만들어진 1/4 파장 스터브는 8.7 mm의 길이(L)를 가질 것이고, 반파장 간격(S)은 17.4 mm일 것이다.

도 6은 도 3의 전기외과 발전기에서 사용하기에 적합한 스트립라인 기반 신호 조합기(300)의 개략도이다. 신호 조합기(300)는 공통 출력(306) 상의 개별 마이크로파 채널들의 쌍으로부터의 2.45 GHz 및 5.8 GHz 신호들을 조합하는 한편, 각 소스를 그 동작 주파수들에서 다른 소스와 격리시키기 위한 다이플렉서, 또는 필터(T)로서 구성된다.

신호 조합기(300)는 공기 스트립라인으로 제조된다. 도 6은 스트립라인에서의 중간 전도체의 형상을 도시한다. 공기가 스트립라인을 둘러싸고, 이를 둘러싸기 위해 중간 전도체 위와 아래에 그리고 조합기의 벽들에 알루미늄 등으로 형성된 접지 전도체(미도시)의 층들이 존재한다. 신호 조합기는 5.8 GHz의 주파수의 마이크로파 에너지를 수신하기 위한 제1 포트(302)를 포함한다. 제1 포트(302)는 세 개의 스터브 필터들(314)이 형성된 제1 아암(310)에 의해 접합부(308)에 연결된다. 신호 조합기(300)는 2.45 GHz의 주파수의 마이크로파 에너지를 수신하기 위한 제2 포트(304)를 더 포함한다. 제2 포트(304)는 두 개의 팬형 스터브 필터들(316)이 형성된 제2 아암(312)에 의해 접합부(308)에 연결된다. 접합부(308)는 공통 아암(305)에 의해 제3 (출력) 포트(306)에 연결된다.

제1 포트(302) 및 제2 포트(304)는 각각 관련 마이크로파 에너지를 전달하는 동축 케이블에 연결하기 위해 이에 끼워지는 SMA 연결기(미도시)를 가질 수 있다.

제1 아암(310) 및 제2 아암(312) 각각의 제1 스터브와 접합부(308) 사이의 거리는 상술한 바와 같이, 대향 아암에 의해 전달되는 마이크로파 에너지의 홀수 1/4 파장이 되도록 셋팅된다. 스터브들 사이의 분리 및 스터브들을 분리시키는 전도체로부터 떨어진 스터브들의 길이는 또한 상술한 바와 같이 셋팅된다. 제2 아암(312) 상에는 단지 두 개의 팬형 스터브 필터들만이 존재하는데, 그 이유는 이들이 요구되는 아이솔레이션 레벨을 제공하기 때문이다.

도 7은 도 6에 도시된 신호 조합기(300)의 출력 포트(306)와 제1 입력 포트(302) 사이의 신호 응답을 도시하는 (CST Microwave Studio®에서 수행되는 도 6에서 도시된 구조의 시뮬레이션으로부터 획득된) 모의 그래프다. 그래프는 5.8 GHz에서 낮은 손실을 나타내지만, 2.45 GHz 신호를 -35 dB 이상 감쇠시킨다. 이는 5.8 GHz가 이 루트 상에서 잘 통과하지만, 2.45 GHz가 강력하게 아이솔레이트된다는 것을 의미한다.

도 8은 도 6에 도시된 신호 조합기의 출력 포트(306)와 제2 입력 포트(304) 사이의 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다. 그래프는 2.45 GHz에서 낮은 손실을 나타내지만, 5.8 GHz 신호를 -35 dB 이상 감쇠시킨다. 이는 2.45 GHz가 이 루트에서 잘 통과하지만, 5.8 GHz가 강력하게 아이솔레이트된다는 것을 의미한다.

도 9는 도 6에 도시된 신호 조합기(300)의 출력 포트(306)에서 정합된 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다. 이들 그래프들은 2.45 GHz와 5.8 GHz 양자가 출력 포트에서 잘 정합됨을 보여준다.

도 10은 도 6에 도시된 신호 조합기의 제2 입력 포트(304)에서 정합된 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다. 신호는 2.45 GHz에서 잘 정합된다.

도 11은 도 6에 도시된 신호 조합기의 제1 입력 포트(302)와 제2 입력 포트(304) 사이의 신호 응답을 도시하는 모의 그래프이다. 이를 통해 2.45 GHz와 5.8 GHz 양자가 이 루트에서 강력하게 차단된다는 것을 알 수 있다.

Claims (16)

1. 전기외과 발전기로서,
   복수의 마이크로파 채널들 각각 상에서 전달될 마이크로파 에너지를 발생시키기 위한 전자기 신호 공급부 - 상기 복수의 마이크로파 채널들 각각은 상이한 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하도록 배열됨 -;
   상기 복수의 마이크로파 채널들로부터 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 프로브에 연결가능하게 구성된 출력 포트; 및
   상기 복수의 마이크로파 채널들을 상기 출력 포트에 연결하도록 구성된 신호 조합기를 포함하되,
   상기 신호 조합기는:
   상기 복수의 마이크로파 채널들 각각의 원위 단부에 배치된 대역 차단 필터 모듈 - 각 마이크로파 채널에 대한 상기 대역 차단 필터 모듈은 다른 마이크로파 채널들 상에서 전달되는 주파수의 마이크로파 에너지를 차단하도록 구성됨 -; 및
   상기 복수의 마이크로파 채널들이 연결되는 접합부와 상기 출력 포트 사이에서 연장되는 공통 신호 경로를 포함하는 것인, 전기외과 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자기 신호 공급부는 상기 복수의 마이크로파 채널들에 의해 전달되는 주파수들 중 하나의 마이크로파 에너지를 출력하도록 각각 구성되는 복수의 마이크로파 소스들을 포함하는 것인, 전기외과 발전기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세 개 이상의 마이크로파 채널들이 존재하는 것인, 전기외과 발전기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 마이크로파 채널들은 433 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz, 14.5 GHz, 24 GHz, 60 GHz 중 두개 이상의 임의의 조합을 갖는 마이크로파 에너지를 출력하도록 구성되는 것인, 전기외과 발전기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 마이크로파 채널은 상기 마이크로파 채널에 대응하는 상기 주파수를 갖는 마이크로파 에너지가 상기 전자기 신호 공급부로부터 상기 접합부로 전달되는 트렁크 송신 라인을 포함하는 것인, 전기외과 발전기.
6. 제5항에 있어서, 각 대역 차단 필터 모듈은 차단될 마이크로파 에너지의 각 주파수에 대한 세 개의 스터브 필터를 포함하되, 상기 세 개의 스터브 필터는 상기 차단될 마이크로파 에너지의 파장에서 상기 접합부에 션트로 개방 회로를 제공하기 위해 상기 트렁크 송신 라인에 연결된 세 개의 스터브들을 포함하는 것인, 전기외과 발전기.
7. 제6항에 있어서, 상기 세 개의 스터브들 각각은 상기 차단될 마이크로파 에너지의 1/4 파장과 동일한 길이를 갖고, 상기 세 개의 스터브들은 상기 차단될 마이크로파 에너지의 1/2 파장에 의해 상기 트렁크 송신 라인을 따라 분리되며, 제1 스터브는 상기 차단될 마이크로파 에너지의 1/4 파장들의 홀수와 동일한 거리만큼 상기 접합부로부터 이격되는 것인, 전기외과 발전기.
8. 제7항에 있어서, 상기 스터브들은 동축 송신 라인의 길이들로 형성되는 것인, 전기외과 발전기.
9. 제7항에 있어서, 상기 스터브들은 마이크로스트립 송신 라인의 길이들로 형성되는 것인, 전기외과 발전기.
10. 제7항에 있어서, 상기 스터브들은 도파관의 길이들로 형성되는 것인, 전기외과 발전기.
11. 제7항에 있어서, 상기 대역 차단 필터 모듈들 중 하나 이상은 스트립라인 구성요소로서 구성되는 것인, 전기외과 발전기.
12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각 마이크로파 채널에 대한 각 트렁크 송신 라인은:
    상기 전자 신호 공급부로부터 상기 대역 차단 필터 모듈까지 연장되는 동축 송신 라인 부분, 및
    상기 대역 차단 필터 부분를 통해 연장되는 필터 부분을 포함하되,
    상기 대역 차단 필터 모듈은 상기 동축 송신 라인 부분을 상기 필터 부분에 연결하기 위한 SMA 연결기를 갖는 것인, 전기외과 발전기.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 포트는 상기 마이크로파 에너지와 RF 에너지를 조합하기 위해 조합기 모듈에 배열되는 도파관 아이솔레이터를 통해 상기 프로브에 연결되는 것인, 전기외과 발전기.
14. 상이한 주파수의 마이크로파 에너지를 전달하도록 각각 배열된 복수의 마이크로파 채널들을 갖는 전기외과 발전기용 마이크로파 신호 조합기로서,
    상기 복수의 마이크로파 채널들 각각의 원위 단부에 연결하기 위한 차단 필터 모듈 - 각 마이크로파 채널에 대한 대역 차단 필터 모듈은 다른 마이크로파 채널들 상에서 전달되는 주파수의 마이크로파 에너지를 차단하도록 구성됨 -; 및
    상기 복수의 마이크로파 채널들이 연결되는 접합부로부터 출력 포트까지 연장되는 공통 신호 경로를 포함하는 것인, 마이크로파 신호 조합기.
15. 제14항에 있어서, 세 개 이상의 대역 차단 필터 모듈들을 포함하며, 각 대역 차단 필터 모듈은 두 개 이상의 상이한 주파수들의 마이크로파 에너지를 차단하도록 구성되는 것인, 마이크로파 신호 조합기.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 각 대역 차단 필터 모듈은 차단될 마이크로파 에너지의 각 주파수에 대한 세 개의 스터브 필터를 포함하되, 상기 세 개의 스터브 필터는 상기 차단될 마이크로파 에너지의 파장에서 상기 접합부에 션트로 개방 회로를 제공하기 위해 트렁크 송신 라인에 연결된 세 개의 스터브들을 포함하는 것인, 마이크로파 신호 조합기.

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