УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВЯЗОК
DEVICE AND METHODS FOR HEAT TREATMENT OF LIGAMENTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройству и способам осуществления подтягивания связок с помощью термической денатурации коллагеновых структур.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Связки представляют собой пластичные кабелеобразные структуры, состоящие из переплетенных коллагеновых нитей, которые соединяют кость с костью, образуя суставы. С возрастом или из-за сильной травмы связки в суставе могут быть повреждены, например, порваны или растянуты. Это может причинять боль и приводить к нестабильности сустава.
Одним из способов восстановления растянутых связок является их нагрев. Высокая температура заставляет связки сокращаться и подтягиваться. На основании этой концепции был разработан метод бесконтактного нагрева, известный как термическая терапия капсульно-связочного аппарата для лечения капсульных связок в плече. При термической терапии капсульно-связочного аппарата зонд инвазивно вводят в плечевой сустав. Наконечник зонда выполнен с возможностью излучения радиочастотной (РЧ) электромагнитной энергии, которая термически возбуждает молекулы в непосредственной близости от него. Сам наконечник зонда не горячий.
Одна из проблем, связанная с термической капсульно-связочного аппарата и определенная в US 2002/0095199, заключается в том, что температура, индуцированная зондом в связках, достаточно высока, чтобы причинить необратимое повреждение нервов. Особое беспокойство вызывает подмышечный нерв, который проходит непосредственно под нижними суставно-плечевыми связками. Если связка нагревается в непосредственной близости от нерва, существует риск необратимого повреждения. Поскольку фактический путь, по которому идет нерв, может быть разным у каждого человека, невозможно определить область связки, которая всегда безопасна для лечения.
В US 2002/0095199 эта проблема решается путем настройки зонда на излучение импульсов нервной стимуляции (например, имеющих так называемую форму РЧ волны коагуляции) перед активацией термической обработки связки. Если импульсы нервной стимуляции стимулируют нерв (что можно наблюдать визуально), можно понять, что область вокруг зонда не безопасна для термической обработки связки. Зонд может перемещаться, например, хирургом, пока не будет найдена подходящая зона обработки.
Также известно, что можно передавать микроволновую энергию для изменения связок путем контролируемого сокращения коллагена. Например, в US 6,461,353 раскрыто ортопедическое устройство, содержащее троакар с отклоняемым дистальным концом. Электрод расположен на дистальном конце, чтобы передавать микроволновую энергию в место обработки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В наиболее общем смысле в данном изобретении предложено электрохирургическое устройство для подтягивания связок с помощью микроволновой энергии, в котором датчик используют для получения информации об условиях в зоне обработки или свойствах зоны обработки, которая позволяет передавать энергию способом, который вызывает необходимое термическое воздействие на ткань-мишень (например, связки, сухожилия или тому подобное) без нежелательных термических побочных эффектов, например, коллатеральное термическое повреждение нервной ткани или окружающей кожи или фасциальных структур.
В соответствии с изобретением предложено электрохирургическое устройство для подтягивания связок, содержащее электрохирургический генератор, выполненный с возможностью генерирования и вывода микроволновой электромагнитной (ЭМ) энергии; зонд, соединенный с электрохирургическим генератором, причем зонд содержит: гибкий стержень, содержащий коаксиальную линию передачи для передачи микроволновой ЭМ энергии; и аппликатор на дистальном конце гибкого стержня, причем аппликатор содержит конструкцию для передачи энергии, выполненную с возможностью приема микроволновой ЭМ энергии от коаксиальной линии передачи и излучения принятой микроволновой ЭМ энергии в зону обработки, смежную с аппликатором; датчик, выполненный с возможностью контроля свойства зоны обработки; и контроллер, выполненный с возможностью управления профилем передачи энергии микроволновой ЭМ энергии, передаваемой в зонд, на основании информации, получаемой датчиком. С помощью этого устройства энергия может точно передаваться в ткань-мишень. Устройство может обеспечить предотвращение коллатерального повреждения окружающих тканей, например, путем контроля места обработки для определения типа ткани или уровня передачи энергии, чтобы соответствующим образом управлять профилем передачи энергии.
В одном примере датчик может содержать датчик температуры, например термопару или тому подобное. Датчик температуры может быть установлен на дистальном конце аппликатора, например, для определения температуры в зоне обработки. Датчик может содержать устройство формирования изображений, например, для обеспечения визуальной обратной связи зоны обработки. Устройство формирования изображений может эффективно представлять собой датчик температуры, например, для обеспечения визуальной индикации различных температур в зоне обработки. Устройство формирования изображений может работать с использованием оптического излучения, например, в видимом спектре или инфракрасном диапазоне. Оно может содержать пучок оптических волокон, проходящий вдоль гибкого стержня для передачи оптического излучения в зону обработки и из нее. В других примерах устройство формирования изображений может использовать другие методы, например, ультразвук или тому подобное.
Датчик может содержать модуль измерения мощности, выполненный с возможностью обнаружения сигнала прямой мощности, проходящего от электрохирургического генератора к зонду, и сигнала отраженной мощности, отраженного обратно от зонда, и при этом контроллер выполнен с возможностью обработки обнаруженных сигналов прямой и отраженной мощностей для получения информации, указывающей тип ткани тела в зоне обработки. Соответственно, контроллер может быть выполнен с возможностью использования выходного сигнала датчика для автоматического обнаружения подходящей зоны обработки. Например, изобретение может измерять диэлектрические свойства материала (ткани тела) в зоне обработки, расположенной на дистальном конце зонда. Устройство управления может быть выполнено с возможностью автоматического управления обработкой на основании измерения. В одном варианте реализации изобретения измерение может быть осуществлено путем обнаружения сигнала, отраженного от дистального конца зонда, и сравнения отраженного сигнала с прямым сигналом, чтобы определить коэффициенты затухания и/или фазы материала в зоне обработки. Затем прямой сигнал может быть отрегулирован на основании этого сравнения, то есть для управления энергией, подаваемой в зону обработки.
Изобретение может обеспечить средство для обнаружения изменений в зоне обработки. Например, устройство может реагировать автоматически, если во время обработки обнаружена неподходящая зона. Таким образом, устройство может обеспечить быстро реагирующее и чувствительное устройство, которое может снизить риск повреждения, например, нервов/нервной ткани.
Контроллер может работать автоматически на основании полученной информации, что может сократить время, в течение которого нервная ткань подвергается воздействию потенциально вредного излучения. Соответствующим образом модулированный профиль передачи микроволновой энергии может эффективно вызывать почти мгновенные эффекты нагрева в зоне обработки, с минимальными эффектами нагрева в других местах. Таким образом, благодаря автоматическому управлению контроллером на основании полученной информации может быть выполнено эффективное натяжение связок, при этом предотвращается повреждение нервной ткани (например, нервной ткани в зоне обработки и/или вблизи зоны обработки).
В данном случае тип ткани тела охватывает ткань тела, содержащую нервную ткань, и ткань тела, не содержащую нервную ткань. Когда происходит натяжение связки, тип ткани тела предпочтительно включает ткань тела, содержащую, по существу, только ткань связки. В некоторых вариантах реализации изобретения тип ткани тела может также относиться к типу ткани связки (например, колено, плечо, лодыжка и т.д.).
Контроллер может быть выполнен с возможностью определения, на основании обнаруженных сигналов прямой и отраженной мощности, либо: (i) комплексного сопротивления, либо (ii) коэффициентов затухания и/или фазы типа ткани тела в зоне обработки, причем информация, указывающая тип ткани тела в зоне обработки, является результатом определения комплексного сопротивления или коэффициентов затухания и/или фазы. Контроллер может содержать запоминающее устройство, в котором хранятся справочные данные, и микропроцессор, выполненный с возможностью выполнения программируемых команд, чтобы сравнивать информацию, указывающую тип ткани тела в зоне обработки со справочными данными, и управления профилем передачи энергии на основании сравнения.
Устройство может содержать механизм охлаждения для отвода тепловой энергии из зоны обработки. Механизм охлаждения может содержать средство для приведения охлаждающей среды (например, жидкости, такой как вода или солевой раствор) в термический контакт с зоной обработки, например, через аппликатор. В одном примере зонд может содержать канал подачи жидкости, проходящий через гибкий стержень. Механизм охлаждения может содержать привод для подачи охлаждающей жидкости через канал подачи жидкости в зону обработки.
Механизм охлаждения может быть использован для обеспечения линейного распределения желаемого температурного эффекта. Например, устройство может быть выполнено с возможностью обеспечения баланса охлаждения на поверхности зоны обработки с нагревом внутри зоны обработки для создания равномерного температурного профиля. Температура в диапазоне от 60°C до 70°C может быть оптимальной температурой для усадки коллагена в сухожилиях или связках. При температуре выше 80°C коллаген полностью потеряет свою структуру, поэтому любой тепловой участок выше такой температуры будет иметь нежелательный результат.
Профиль передачи энергии может иметь ограниченный максимальный уровень мощности, например, равный или меньший 15 Вт. Существует риск того, что нагрев при более высокой мощности может привести к снижению прочности ткани на растяжение. Может быть целесообразно использовать несколько подач энергии на разных участках ткани для достижения требуемой усадки без снижения прочности устройства на растяжение. Способ потенциального повышения скорости во время процедур может состоять в применении более одного аппликатора, причем расстояния можно регулировать для достижения требуемого воздействия на ткань.
Устройство может быть особенно подходящим для малоинвазивной хирургии. Например, устройство может содержать хирургическое устройство для осмотра (например, эндоскоп, гастроскоп, бронхоскоп, лапароскоп или тому подобное), содержащее управляемый присоединительный шнур с проходящим через него инструментальным каналом. Зонд может иметь такие размеры, чтобы его можно было вводить через инструментальный канал для достижения зоны обработки.
Профиль передачи энергии может представлять собой либо измерительный профиль передачи энергии, либо терапевтический профиль передачи энергии. Значение мощности терапевтического профиля передачи энергии может быть больше (например, значение на порядок больше), чем значение мощности измерительного профиля передачи энергии.
Контроллер может быть выполнен с возможностью обнаружения наличия нервной ткани в зоне обработки на основании сравнения. Микроволновая энергия со значением измерительной мощности может использоваться в режиме измерения для безопасного определения зоны обработки, не содержащей нервную ткань. Затем микроволновая энергия со значением терапевтической мощности может использоваться в терапевтическом режиме для термической обработки ткани связки, когда зона обработки, не содержащая нервную ткань, обнаружена с помощью режима измерения. Другими словами, режим измерения может использоваться для определения безопасной/подходящей зоны обработки до того, как будет использован/активирован терапевтический режим. Контроллер может быть соответственно выполнен с возможностью управления профилем передачи энергии. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью выбора терапевтического профиля передачи энергии, когда определено, что нервная ткань отсутствует в зоне обработки.
Значение мощности измерительного профиля передачи энергии может быть выбрана так, чтобы быть достаточной для обнаружения диэлектрических свойств, например наличия или отсутствия нервной ткани, но недостаточной для того, чтобы вызывать значительные нагревательные эффекты в зоне обработки, и, следовательно, недостаточной для повреждения нервной ткани. Значение мощности терапевтического профиля передачи энергии может быть выбрана так, чтобы быть достаточной для того, чтобы вызывать эффекты нагревания в ткани связки, то есть достаточной для получения терапевтического эффекта благодаря подтягиванию связки. Значение терапевтической мощности может быть значением на один или более порядков выше значения измерительной мощности и может быть достаточной для быстрого нагрева ткани до температуры выше 55°C, например в диапазоне от 70°C до 80°C. Значение измерительной мощности может составлять 10 мВт (10 дБм) или меньше. Соответственно, может быть возможно поддерживать температуру в нервной ткани ниже (предпочтительно существенно ниже) 55°С, используя режим измерения. Следовательно, может быть возможно предотвратить постоянное повреждение нерва (если было доказано, что постоянное повреждение нерва происходит при температурах, превышающих 55°C). Значение терапевтической мощности может составлять 10 Вт или более (но не более 15 Вт, как обсуждалось выше).
Может быть предпочтительным производить излучение в режиме измерения в соответствии с профилем передачи энергии непрерывной волны (continuous wave; CW) для изучения сигнала отраженной энергии, на основании которого можно определить диэлектрические свойства ткани в зоне обработки. Затем в терапевтическом режиме можно использовать профиль импульсной передачи энергии, состоящий из одного или более импульсов, для получения требуемого терапевтического эффекта. В некоторых вариантах реализации изобретения одного непродолжительного импульса может быть достаточно, чтобы вызвать требуемые почти мгновенные эффекты нагревания в ткани связки зоны обработки.
Конструкция передачи энергии может содержать любой подходящий излучатель для излучения электрического поля с принимаемой микроволновой ЭМ энергией. Например, конструкция передачи энергии может содержать любое из следующего: щелевой излучатель бегущей волны; микрополосковая антенна; а также открытый волновод. Конструкция передачи энергии может быть выполнена с возможностью соответствия зоне обработки на теле человека или животного. Например, аппликатор может содержать надувную часть, выполненную с возможностью расширения, чтобы расширять конструкцию передачи энергии в зону обработки. В одном примере зонд может содержать крючковую часть для удерживания части ткани впритык к конструкции передачи энергии.
Как кратко обсуждалось выше, после обнаружения подходящей зоны обработки устройство может быть выполнено с возможностью подачи мощности на антенну со значением терапевтической мощности, с помощью профиля передачи энергии, выбранного из множества профилей передачи энергии. Каждый профиль доставки может быть связан с соответствующим типом связки. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления переменным аттенюатором и/или устройством модуляции сигнала, чтобы передавать сигнал прямой мощности в соответствии с профилем доставки. Профиль доставки может быть автоматически выбран контроллером в соответствии с полученной информацией, указывающей тип ткани в зоне обработки. В качестве альтернативного или дополнительного варианта, устройство может содержать пользовательский интерфейс, подключенный к контроллеру, для обеспечения возможности выбора пользователем соответствующего/требуемого профиля доставки, например, в зависимости от участка тела (колена, плеча и т.д.), подвергаемого обработке.
Кроме того, когда обнаружена подходящая зона обработки, устройство может содержать регулятор сопротивления, подключенный к генератору, причем регулятор сопротивления имеет регулируемое комплексное сопротивление, которое управляется контроллером на основании сигнала микроволнового обнаружения, чтобы соответствовать обнаруженному сопротивлению ткани тела в зоне обработки. Кроме того, сигналы прямой и отраженной мощностей используются для контроля мощности, передаваемой в зону обработки, так что достигается максимальная передача энергии в ткань связки (не нервную ткань). Динамически регулируя сопротивление по мере терапевтического подтягивания связки, также возможно обеспечить максимальную мощность, даже когда при нагреве изменяются диэлектрические свойства коллагена. Другими словами, когда коэффициент отражения коллагена изменяется при нагревании, данное устройство обнаруживает это изменение, чтобы максимально усилить подачу энергии. Изменения также можно контролировать для контроля хода обработки с подтягиванием. Дозу микроволновой энергии, подаваемой в ткань, можно точно определять количественно.
Выходная мощность может иметь частоту в диапазоне от 1 ГГц до 300 ГГц. В частности, могут использоваться следующие диапазоны частот: 2,4 ГГц-2,5 ГГц, 5,725 ГГц-5,875 ГГц, 14 ГГц-14,5 ГГц, 24 ГГц-24,25 ГГц, 30 ГГц-32 ГГц и 45 ГГц-47 ГГц. В частности, могут быть рассмотрены следующие фиксированные частоты: 2,45 ГГц, 5,8 ГГц, 14,5 ГГц, 24 ГГц, 31 ГГц, 45 ГГц и 61,25 ГГц. На этих высоких частотах глубина проникновения излучения (которая связана с размером зоны обработки) является незначительной, что способствует как контролю местоположения зоны обработки, так и способности четко измерять диэлектрические свойства материала в зоне обработки. Кроме того, определенное преимущество может быть связано с обезвоживанием ткани посредством микроволновой энергии, что также посодействует усадке ткани-мишени.
Антенна может содержать щелевой излучатель бегущей волны на участке излучения на ее дистальном конце.
В другом аспекте изобретение может обеспечить способ термической обработки ткани связки, включающий: размещение антенны в зоне обработки; излучение антенной электромагнитного поля микроволновой частоты в зону обработки, чтобы вызвать нагрев биологической ткани в зоне обработки; обнаружение сигнала прямой мощности, подаваемого на антенну, и сигнала отраженной мощности, отраженного обратно от антенны; определение на основании обнаруженных сигналов прямой и отраженной мощности изменения диэлектрических свойств биологической ткани в зоне обработки; и управление значением сигнала прямой мощности на основании определенного изменения диэлектрических свойств.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение может обеспечить способ термической обработки ткани связки, включающий: размещение антенны в зоне обработки; излучение антенной электромагнитного поля микроволновой частоты на уровне мощности измерения в зону обработки; обнаружение сигнала прямой мощности, передаваемого на антенну, и сигнала отраженной мощности, отраженного обратно от антенны; определение на основании обнаруженных сигналов прямой и отраженной мощности наличия или отсутствия нервной ткани в зоне обработки; и излучение антенной электромагнитного поля микроволновой частоты на уровне терапевтической мощности в зону лечения при определении отсутствия нервной ткани в зоне обработки, причем значение уровня терапевтической мощности превышает уровень измерительной мощности.
Устройство в соответствии с изобретением можно использовать для обработки связок плеча (например, при термической капсулоррафийности), связок голеностопного сустава (т.е. для лечения нестабильности голеностопного сустава) и связок коленного сустава (например, для лечения коллатеральных повреждений связок).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Варианты реализации данного изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
на фиг. 1 проиллюстрировано общее схематическое изображение электрохирургического устройства в соответствии с первым вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 2 проиллюстрировано схематическое изображение электрохирургического устройства в соответствии со вторым вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 3 проиллюстрирована схематическая принципиальная схема регулятора сопротивления и датчика микроволнового сигнала, используемых в вариантах реализации данного изобретения;
на фиг. 4 проиллюстрирована схематическая принципиальная схема другого примера регулятора сопротивления, подходящего для использования в вариантах реализации данного изобретения;
на фиг. 5 проиллюстрирована схематическая принципиальная схема еще одного примера регулятора сопротивления, подходящего для использования в вариантах реализации данного изобретения;
на фиг. 6 проиллюстрировано схематическое изображение конструкции передачи микроволновой энергии в комплекте, рассматриваемой как схема с распределенными параметрами;
на фиг. 7 проиллюстрировано схематическое изображение электрохирургического устройства в соответствии с третьим вариантом реализации данного изобретения, содержащего отдельный измерительный канал;
на фиг. 8 проиллюстрировано схематическое изображение электрохирургического устройства в соответствии с третьим вариантом реализации данного изобретения, содержащего отдельный измерительный канал и средство для настройки генератора;
на фиг. 9 проиллюстрирован схематический вид общей конструкции зонда, подходящей для использования с данным изобретением;
на фиг. 10А и 10В проиллюстрированы схематические виды сверху и сбоку в поперечном сечении первой приведенной в качестве примера конструкции зонда;
на фиг. 11 проиллюстрирован схематический вид сбоку в поперечном сечении второй приведенной в качестве примера конструкции зонда;
на фиг. 12А и 12В проиллюстрированы схематические виды сбоку и сверху в поперечном сечении третьей приведенной в качестве примера конструкции зонда;
на фиг. 13 проиллюстрирован схематический вид сбоку четвертой приведенной в качестве примера конструкции зонда;
на фиг. 14А и 14В проиллюстрированы схематические виды пятой приведенной в качестве примера конструкции зонда соответственно в неразвернутой и развернутой конфигурациях;
на фиг. 15 проиллюстрирован схематический вид шестой приведенной в качестве примера конструкции зонда; и
на фиг. 16 проиллюстрирован схематический вид седьмой приведенной в качестве примера конструкции зонда.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ; ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ И ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ
В общих чертах, устройство для обработки связок обеспечивает средство для генерирования высокочастотной микроволновой энергии в источнике, который связан с конструкцией передачи энергии, расположенной на дистальном конце зонда для подтягивания связок, причем конструкция передачи энергии выполнена с возможностью введения сфокусированного электромагнитного поля в небольшую деликатную структуру ткани связки, чтобы вызвать практически мгновенное локальное повышение температуры, что может обеспечить эффективное подтягивание связок или мышц.
Кроме того, устройство может содержать средство для измерения диэлектрических свойств материала (ткани тела), в который вводится электромагнитное поле. С помощью чувствительного измерительного устройства эффекты нагрева могут быть ограничены зонами обработки, содержащими, по существу, только ткань-мишень (например, ткань связки), и предотвращается повреждение нервной ткани.
С надлежащим образом сформированными конструкциями зонда данное изобретение может быть использовано, например, для обработки связок глазных мышц, связок коленного сустава, связок голеностопного сустава и/или связок плечевого сустава.
Некоторые варианты реализации изобретения, обсуждаемые ниже, включают в себя методы определения типа ткани, однако изобретение не обязательно должно ограничиваться такими методами. Эти методы способны давать характеристику типу ткани в зоне обработки в соответствии с диэлектрическими свойствами с помощью режима измерения, чтобы определить, какая из нервной ткани и ткани связки присутствует в зоне обработки. Например, значение микроволновой мощности, передаваемой на антенну, может быть соответственно отрегулирована, например, существенно увеличена, когда не обнаружена нервная ткань, чтобы доставлять энергию, подходящую для подтягивания связок в терапевтическом режиме. Таким образом, эффекты нагревания в зоне обработки благодаря подаче микроволнового излучения на нервную ткань могут быть существенно снижены, что предотвращает повреждение нервов.
Некоторые варианты реализации изобретения, обсуждаемые ниже, также включают в себя методы динамического согласования тканей для обеспечения максимальной подачи энергии в ткани в диапазоне сопротивлений, которые могут варьироваться от менее 10 Ом до более 100 кОм, когда не обнаружена подходящая зона обработки (например, зона обработки, которая не содержит нервную ткань).
В других вариантах реализации изобретения зонд для обработки связок может содержать датчик температуры или другой датчик, обеспечивающий выходной сигнал, указывающий температуру в зоне обработки. Подача микроволновой энергии может контролироваться на основании измеренной температуры.
Общая конфигурация устройства и генератора
Аспекты общей системы обработки связок и электрохирургического генератора, которые могут быть использованы в этой системе, описаны ниже со ссылкой на фиг. 1-8
На фиг. 1 проиллюстрирована общая схема электрохирургического устройства 100 подтягивания связок, которое является первым вариантом реализации данного изобретения.
Устройство 100 содержит компоненты для генерирования и контроля электромагнитного сигнала микроволновой частоты на уровне мощности, подходящем для обработки (например, подтягивания) связок. В этом варианте реализации изобретения устройство 100 содержит генератор 1007 с фазовой синхронизацией (микроволновый источник питания), усилитель 1008 сигнала, аттенюатор 1009 переменного сигнала (например, аналоговый или цифровой диодный аттенюатор), блок усиления (в данном случае оконечный усилитель 1010 и усилитель 1011 мощности), ответвитель 1012 прямой мощности, циркулятор 1013 и ответвитель 1014 отраженной мощности. Циркулятор 1013 изолирует прямой сигнал от отраженного сигнала, чтобы уменьшить нежелательные составляющие сигнала, присутствующие в ответвителях 1012, 1014, то есть он увеличивает направленность ответвителей. Совместно ответвители 1012, 1014 можно рассматривать как датчик прямых и отраженных сигналов в генераторе. Необязательно, генератор 104 содержит вспомогательное устройство согласования полных сопротивлений (не показано), имеющее регулируемое полное сопротивление. Этот вариант более подробно обсуждается ниже со ссылкой на фиг. 2.
В этом контексте микроволновая энергия находится за пределами 300 МГц, то есть от 1 ГГц до 300 ГГц, и предпочтительно 2,45 ГГц, 5,8 ГГц, 24 ГГц и т.д.
M
Устройство 100 содержит генератор 104, сообщающийся с контроллером 106, который может содержать схемы 108 преобразования сигналов и общего интерфейса, микроконтроллер 110 и сторожевой таймер 1015. Сторожевой таймер 1015 может отслеживать диапазон условий потенциальных ошибок, которые могут привести к тому, что устройство не будет работать в соответствии с его назначением, то есть устройство подает неправильную дозу энергии в ткань тела пациента из-за выходной мощности или времени обработки, превышающего значения, задаваемые пользователем. Сторожевой таймер 1015 содержит микропроцессор, который не зависит от микроконтроллера 110, чтобы обеспечить надлежащее функционирование микроконтроллера 110. Сторожевой таймер 1015 может, например, контролировать уровни напряжения от источников питания постоянного тока или синхронизацию импульсов, определенные микроконтроллером 110. Контроллер 106 выполнен с возможностью передачи управляющих сигналов компонентам генератора 104. В этом варианте реализации изобретения микропроцессор 110 запрограммирован на вывод микроволнового управляющего сигнала C для аттенюатора 1009 переменного сигнала. Этот управляющий сигнал используется для установки профиля передачи энергии и значения его мощности, которая должна передаваться антенной выходного микроволнового ЭМ излучения генератора 104. В частности, аттенюатор 1009 переменного сигнала способен управлять уровнем мощности выходного излучения. Например, аттенюатор предпочтительно выполнен с возможностью поддержания режима измерения со значением измерительной мощности 10 мВт до тех пор, пока не будет обнаружен участок без нервной ткани, и в этот момент контроллер 106 управляет аттенюатором для переключения выхода устройства/генератора на терапевтический режим, с увеличенной величиной мощности. Кроме того, аттенюатор 1009 регулируемого сигнала может содержать схему переключения, способную устанавливать форму волны (например, длительность импульса, рабочий цикл и т.д.) выходного излучения.
M
M1
M2
M1
M2
Микропроцессор 110 запрограммирован на вывод микроволнового управляющего сигнала C на основании информации о сигнале, поступающей от ответвителей 1012, 1014 прямой и отраженной мощностей. В этом варианте реализации изобретения микроволновый генератор может управляться только путем определения информации о фазе, которую можно получить от генератора (на основании выборочной информации о прямой и отраженной мощностях). Ответвитель 1012 прямой мощности выводит сигнал S, указывающий уровень прямой мощности, а ответвитель 1014 отраженной мощности выводит сигнал S, указывающий уровень отраженной мощности. Сигналы S, S ответвителей 1012, 1014 прямой и отраженной мощностей передаются в схемы 108 преобразования сигналов и общего интерфейса, где они приспособлены к форме, подходящей для передачи в микропроцессор 110.
Пользовательский интерфейс 112, например сенсорная экранная панель, клавиатура, светодиодный/жидкокристаллический дисплей, мембранная клавиатура, ножной переключатель или тому подобное, взаимодействует с контроллером 106, чтобы предоставлять информацию об обработке пользователю (например, врачу/хирургу) и разрешать различные аспекты обработки (например, тип связочной ткани, подлежащей обработке), выбираемые или контролируемые вручную, например, с помощью подходящих пользовательских команд. Устройством можно управлять с помощью обычного ножного переключателя 1016, который также подключен к контроллеру 106.
Контроллер 106 содержит запоминающее устройство (не показано) и выполнен с возможностью выполнять программные команды для управления устройством. В частности, контроллер 106 управляет значением и профилем (то есть формой и длительностью импульса) сигнала прямой мощности, подаваемого на зонд. Это управление может выполняться на основании изменения полученной информации, указывающей тип ткани на дистальном конце антенны при перемещении антенны относительно пациента, или на основании сравнения полученной информации с заданными ссылочными данными, которые могут храниться в запоминающем устройстве. Например, запоминающее устройство может хранить данные о пороговых условиях для измерений полного сопротивления, в результате чего полученная информация, которая удовлетворяет пороговому условию (то есть пороговому условию, указывающему наличие ткани связки и/или указывающему отсутствие нервной ткани), может инициировать обработку.
Таким образом, устройство может позволять врачу устанавливать уровень микроволновой мощности (то есть дозу нагрева ткани), подаваемой в зону обработки, и может обеспечивать динамический контроль за мощностью, передаваемой непрерывным выборочным исследованием уровней прямой и отраженной мощности и выполнением регулировок, чтобы убедиться, что передаваемая мощность соответствует требуемой потребляемой мощности. Пользовательский интерфейс 112, взаимодействующий с контроллером 106, позволяет пользователю (например, врачу или хирургу) вводить набор определенных пользователем параметров, а также отображать полезную информацию, например, выбранную дозировку энергии и энергию, подаваемую в ткани. Пользовательский интерфейс 112 также может обеспечить отображение технических параметров, например отраженной и прямой мощности как функции времени. Эта информация может быть использована для создания оптимальных профилей энергии.
Управляющее программное обеспечение может работать на одноплатном компьютере, например на микропроцессорной плате или DSP. Пользовательский интерфейс 112 может содержать подходящий дисплей с плоским экраном и мембранную клавиатуру или дисплей с сенсорным экраном.
Устройство может управляться с помощью ножного переключателя (не показан) или переключателя в ручке, содержащей антенну 118.
1
6
1
2
4
5
6
Наконец, устройство содержит блок 1017 источника питания, который принимает энергию от внешнего источника 1018 (например, от сети) и преобразует ее в сигналы V-V источника питания постоянного тока для компонентов устройства. Таким образом, пользовательский интерфейс принимает сигнал V питания, микропроцессор 110 принимает сигнал V питания, генератор принимает сигнал V питания, схемы 108 преобразования сигнала и общего интерфейса принимают сигнал V питания, и сторожевой таймер 1015 принимает сигнал V питания.
На фиг. 2 проиллюстрирована схема устройства электрохирургического устройства 101 в соответствии со вторым вариантом реализации данного изобретения. Проиллюстрированы подкомпоненты секции 104 генератора устройства, и в этом варианте реализации изобретения они содержат элементы настройки, как объяснено ниже. Общие компоненты, показанные на фиг. 1, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Генератор 104 содержит источник 148 микроволновой энергии, который используется для генерирования микроволновой энергии малой мощности. Источник 148 питания может представлять собой управляемый напряжением генератор (voltage controlled oscillator; VCO), диэлектрические резонансные генераторы (dielectric resonator oscillator; DRO), генератор на диоде Ганна или тому подобное. Выходной сигнал источника 148 питания принимается блоком 150 контроллера и модулятора уровня мощности. Блок 150 контроллера и модулятора уровня мощности может содержать устройство модуляции сигнала, выполненное с возможностью обеспечения работы генератора в импульсном режиме, и аттенюатор управления мощностью, выполненный с возможностью управления пользователем уровнем мощности, подаваемой в ткань. Для обработки связки, одного импульса энергии, например, 50 Вт в течение 20 мс, может быть достаточно для нагрева связки для ее подтягивания. Устройство модуляции сигнала обеспечивает возможность управления длительностью импульса.
Аттенюатор в модуле модуляции используется для того, чтобы пользователь мог контролировать уровень/значение мощности, подаваемой в ткань, например, связочную ткань в зоне обработки. Выходной сигнал переключателя модуляции поступает на блок 152 усилителя и защиты, который выполнен с возможностью усиления сигнала мощности до уровня мощности, подходящего для обработки, т.е. подходящего для того, чтобы вызывать очень быстрое повышение температуры в биологической ткани в зоне обработки с последующим подтягиванием связок. Первый уровень мощности может составлять 10 Вт или более, например, 50 Вт. Аттенюатор могут использовать для управления входной мощностью и, следовательно, косвенно выходной мощностью усилителя 152. В качестве альтернативного варианта, аттенюатор может быть опущен, и управляющий сигнал может использоваться для управления уровнем мощности, например, путем управления коэффициентом усиления блока 152 усилителя и защиты.
Блок 152 усилителя и защиты может содержать оконечный усилитель для усиления уровня выходного сигнала, создаваемого источником 148 частоты, и усилитель мощности для усиления сигнала, генерируемого оконечным усилителем, до уровня, подходящего для подтягивания связок. Следовательно, блок 152 усилителя и защиты может управляться контроллером 106, чтобы переключать выходную мощность генератора из режима измерения в терапевтический режим (например, путем усиления сигнала прямой мощности до значения терапевтической мощности), когда режим измерения обнаруживает, что в зоне обработки отсутствует нервная ткань. Для защиты усилителей и источника от высоких уровней отраженной микроволновой энергии выходной сигнал усилителя мощности может быть связан с микроволновым циркулятором. Циркулятор позволяет микроволновой энергии течь только в направлении по часовой стрелке, поэтому любая отраженная мощность, возвращающаяся в усилитель мощности, будет поглощаться нагрузкой сброса мощности, если циркулятор является трехпортовым устройством, причем первый порт принимает выходную мощность от усилителя. Второй порт выводит эту мощность в конструкцию подачи и зонд и принимает энергию обратно от зонда и конструкции подачи, когда дистальный конец зонда не согласуется с полным сопротивлением ткани тела. Третий порт подключен к силовой нагрузке, которая способна поглощать отраженную мощность и очень хорошо согласуется с полным сопротивлением циркулятора. Полное сопротивление согласованной нагрузки предпочтительно совпадает с полным сопротивлением устройства, то есть 50+j0 Ом. Направленный ответвитель может быть подключен между третьим портом циркулятора и входным портом согласованной нагрузки, чтобы обеспечить выборку отраженной мощности.
Выходной сигнал блока 152 усилителя и защиты поступает на первый блок 154 подачи мощности, который может содержать прямой направленный ответвитель и отраженный направленный ответвитель, предназначенные для выборки прямой и отраженной микроволновой энергии на генераторе. Выбранные уровни прямой и отраженной мощности поступают соответственно на первый блок 156 обнаружения прямой и отраженной мощности, в котором обнаруживаются уровни мощности, например, с помощью диодных датчиков или гетеродинных/гомодинных датчиков, для выборки части прямой и отраженной мощности, и обеспечения получения информации только о значении, или значении и фазе, или фазе на основании отобранного сигнала. Сигналы, генерируемые первым модулем 156 обнаружения мощности, поступают на контроллер 106, чтобы обеспечить использование значение и/или фазы прямой и отраженной мощности для расчета полезной мощности, подаваемой в ткань, и определять необходимые входные сигналы, поступающие на контроллер уровня мощности и модулятор 150 для обеспечения того, чтобы фактическая передаваемая мощность или энергия была равна требуемой мощности или энергии.
Затем значение прямого и обратного сигналов (указывающих ослабление ткани тела в зоне обработки), являющаяся показателем диэлектрических свойств ткани в зоне обработки, может использоваться для определения наличия/отсутствия нервной ткани и/или ткани связок. Далее прямая мощность может быть отрегулирована соответствующим образом. В качестве дополнительного или альтернативного варианта можно использовать информацию о фазе на основании прямого и обратного сигналов. Как обсуждалось выше, информацию о фазе и/или затухании можно сравнивать с заданными справочными данными для определения типа ткани в зоне обработки.
В этом варианте реализации изобретения также может использоваться устройство согласования динамических полных сопротивлений (регулятор сопротивления), чтобы обеспечить согласование микроволновой энергии, вырабатываемой блоком 152 усилителя и защиты, в отношении полного сопротивления, с нагрузкой, оказываемой на дистальный конец зонда 118 тканью в зоне обработки, когда определено (по измеренным диэлектрическим свойствам), что зона обработки не содержит нервной ткани. Данное изобретение не ограничивается использованием механизма автоматической настройки для устройства подачи микроволновой мощности, т.е. дистальный конец зонда (излучатель) может быть согласован с одним конкретным типом/состоянием биологической ткани на частоте операции или может быть механически отрегулировано полное сопротивление зонда, то есть с помощью механизма, включенного в рукоятку, для обеспечения уровня согласования между сопротивлением зонда и сопротивлением ткани, контактирующей с зондом. Выходной сигнал первого блока 154 подачи мощности принимается сетью 158 настройки, которая имеет регулируемое сопротивление на генераторе 104, которое определяется состоянием механизма 160 регулирования сети настройки под управлением контроллера 106, на основании информации, получаемой от первого блока 156 обнаружения мощности и второго блока 164 обнаружения мощности.
Выходной сигнал регулятора 158 сопротивления поступает на второй блок 162 подачи мощности, который может быть выполнен аналогично первому блоку 154 подачи мощности для выборки уровней прямой и отраженной мощности генератора 104 и их ввода соответственно во второй блок 164 обнаружения прямой и отраженной мощности, который направляет обнаруженные уровни мощности и/или информацию о фазе в контроллер 106.
Информация, предоставляемая первым и вторым блоками 156, 164 обнаружения мощности, может сравниваться для определения регулировок, необходимых для регулятора 158 сопротивления, чтобы обеспечить согласование сопротивления источника энергии сопротивлению ткани тела в зоне обработки.
Более детальные примеры генератора 104 обсуждаются ниже со ссылкой на фиг. 3-5.
При использовании контроллер 106 предназначен для управления значениями емкости и индуктивного сопротивления распределенных элементов настройки регулятора 158 сопротивления во время подачи микроволновой энергии для согласования сопротивления соответствующих каналов с нагрузкой на дистальном конце зонда 118. На практике элементами настройки регулятора сопротивления могут быть переменные заглушки/микрополосковые линии передачи или силовые PIN/варакторные диоды (распределенные элементы). Согласование сопротивления в этом контексте относится к максимальному увеличению передачи энергии в ткань (посредством излучения микроволновой энергии) путем комплексного сопряженного согласования источника (т.е. устройства) с тканью в зоне обработки. Можно отметить, что микроволновый источник может передавать энергию посредством излучения и проводимости, но локализован обратный путь для микроволновых токов.
Может быть предпочтительно, чтобы генератор 148 был синхронизирован по фазе с кварцевым источником опорного сигнала со стабильной компенсацией температур, чтобы энергия на микроволновой частоте находилась на фиксированной, стабильной по температуре частоте.
Регулятор сопротивления могут использовать для обеспечения того, чтобы конструкция антенны, соприкасающаяся с тканью, была хорошо согласована с сопротивлением ткани для обеспечения максимальной передачи энергии в (не нервную) ткань связок и чтобы энергия, поступающая из секции излучения аппликатора, была хорошо определена в количественном отношении, т.е. с учетом потери при вводе кабеля передачи и аппликатора, пользовательский спрос в 10 Вт в течение 10 секунд для передачи энергии, составляющей 100 Дж, в ткань-мишень может быть достигнут с высокой степенью достоверности даже когда сопротивление ткани (то есть коллагена) изменяется в результате влияния нагрева.
9
10
На фиг. 3 проиллюстрировано схематическое изображение компонентов генератора устройства в соответствии с вариантом реализации изобретения. Источник 228 питания выводит микроволновый сигнал, имеющий стабильную (например, фиксированную) микроволновую частоту. Выходной сигнал источника 228 питания поступает на переменный аттенюатор 230, который управляет значением выходного сигнала на основании управляющего сигнала C от контроллера (не показан). Выходной сигнал из переменного аттенюатора 230 поступает на блок 232 переключения, который модулирует выходной сигнал на основании управляющего сигнала C контроллера. На практике блоки 230 и 232 могут быть объединены в один блок с использованием переменного аттенюатора с временем отклика (временем для изменения затухания сигнала при получении новых цифровых входных сигналов), которое является достаточно коротким, чтобы позволить устройству работать в качестве модулятора или чтобы позволить устройству работать в импульсном режиме, то есть, если время отклика аттенюатора составляет 100 нс, и устройство должно работать в импульсном режиме, причем длительность импульса должна составлять 5 мс, а время отключения между импульсами составляет 20 мс, то это устройство довольно легко можно использовать для двух целей. Выходное сигнал блока 232 переключения принимается усилителем 234 мощности, который усиливает микроволновый сигнал до уровня мощности, подходящего для создания полезного терапевтического эффекта подтягивания связок, когда в зоне обработки не обнаружена нервная ткань. Выходной сигнал усилителя 234 мощности поступает на первый порт циркулятора 236. Циркулятор 236 изолирует усилитель от отраженных сигналов, поступающих обратно от зонда. Любой отраженный сигнал, принятый обратно вторым портом циркулятора, направляется из третьего порта в устройство 238 нагрузки сброса мощности.
Прямой сигнал от усилителя выводится из второго порта циркулятора, который подключен к прямому направленному соединителю 240, который подает часть прямого сигнала в датчик 242. Выход датчика 242 подключен к контроллеру. Выходной сигнал прямого направленного ответвителя 240 поступает на обратный направленный ответвитель 244, который подает часть любого отраженного сигнала в датчик 246. Выход датчика 246 подключен к контроллеру. Выходной сигнал обратного направленного ответвителя 244 поступает на регулятор 248 микроволнового сопротивления, который имеет регулируемое сопротивление. Выходной сигнал регулятора 248 сопротивления поступает на прямой направленный ответвитель 250 и обратный направленный ответвитель 252 для подачи части прямого и отраженного сигналов соответственно в датчики 254, 256 способом, аналогичным работе прямого и обратного направленных ответвителей 240, 244. Выходы датчиков 254, 256 подключены к контроллеру. Это изобретение не ограничивается использованием диодных датчиков, то есть датчики частотной амплитудной логарифмической характеристики, датчики гомодинной фазы и значения, датчики гетеродинной фазы и значения или фазовые датчики со схемами, исключающими ИЛИ (Exclusive OR gate; XOR), могут использоваться для реализации устройств 242, 246, 254 и 256. Возможность получения информации о фазе, а также информации о значении полезна в отношении возможности точной и динамической настройки сети настройки микроволнового излучения, обеспечения большей степени контроля, эффективного предотвращения повреждения нервов и повышения производительности согласующего устройства в отношении доступных сопротивлений, которые могут быть согласованы, но данное изобретение не ограничено необходимостью получения информации о фазе, а также значении для управления устройством. Информация об измерениях в генераторе может быть получено, например, только путем анализа информации о фазе.
Контроллер может использовать выходные сигналы диодных датчиков (или датчиков других типов) 242, 246, 254, 256 для определения количества энергии, подаваемой на элемент нагрузки (например, ткань связок), и/или в качестве средства управления сопротивлением регулятора 248 сопротивления для минимизации отраженной мощности и согласования энергии, вырабатываемой генератором, с изменяющимся сопротивлением нагрузки ткани, чтобы обеспечить оптимальную эффективность подачи энергии в ткань связок, когда ее диэлектрические свойства изменяются в результате нагрева, и для обеспечения оптимальной производительности устройства в отношении минимизации нагрева компонентов из-за возврата энергии в генератор и точного количественного определения подачи энергии в ткань-мишень (не нервную) ткань связок.
11
13
Регулятор 248 сопротивления, проиллюстрированный на фиг. 3, содержит три PIN-диодных переключателя 258, соединенных шунтом с генератором. Каждый PIN-диодный переключатель 258 имеет независимый постоянный ток или относительно низкую частоту, т.е. до 10 кГц, сигнал C-C управления напряжением (вырабатываемый контроллером) для управления своим состоянием. PIN-диодные переключатели работают для переключения соответствующей шунтирующей емкости 260 (которая может быть образована секцией линии передачи, то есть микрополосковой или коаксиальной секцией) на генератор. Последовательно включаемые катушки 262 индуктивности (которые также могут быть секцией линии передачи) показаны соединенными между шунтирующими элементами. Комбинация шунтирующей емкости и последовательной индуктивности образует сеть настройки или фильтр, а способность переключать отдельные элементы, которые образуют включение и выключение общего значения емкости или индуктивности, позволяет сети действовать в качестве регулируемого фильтра настройки. Чтобы увеличить диапазон настройки, количество элементов в сети может быть увеличено. Фиксированным значениям шунтирующей емкости, которые составляют общее значение настраиваемой емкости, могут быть присвоены весовые значения, то есть двоичные значения, для обеспечения максимально возможного диапазона изменения. Положение катушек индуктивности и конденсаторов, которые образуют сеть регулятора/настройки сопротивления, может быть взаимозаменяемым, то есть катушки индуктивности могут быть соединены параллельно, а конденсаторы - последовательно. Значения емкости и индуктивности, используемые в сети, могут быть реализованы путем ввода линий передачи различной длины между шунтирующими элементами и/или линиями передачи и переключателями, соединенными параллельно через элемент настройки, то есть длина линии передачи физической длины, равная одной восьмой от управляемой длины волны, создает индуктивное реактивное сопротивление, равное характеристическому сопротивлению линии передачи.
14
19
Регулятор 248 импеданса может быть реализован другими способами. На фиг. 4 показана альтернативная компоновка, в которой множество первых варакторных диодов (или силовых PIN-диодов) 264 подключены последовательно к генератору, а множество вторых варакторных диодов (или силовых PIN-диодов) 266 подключены параллельно к генератору. Управляемые сигналы C-C смещения постоянного тока подаются для управления напряжением на каждом варакторном диоде 264, 266, чтобы изменять длину обедненной области, которая, в свою очередь, изменяет емкость. Блокирующие катушки 268 индуктивности предотвращают возврат микроволновой энергии в источник постоянного тока. Эти катушки индуктивности могут быть выполнены в виде микрополоскового устройства, то есть печатной катушки индуктивности или небольших витков провода. Таким образом, последовательные варакторные диоды работают как часть линии передачи, имеющей электрическую длину, которая может изменяться вплоть до , где  представляет собой длину волны микроволновой энергии. Параллельные шунтирующие варакторные диоды могут действовать в качестве заглушки, имеющей электрическую длину, которая может варьироваться вплоть до . Блокирующий конденсатор 270 постоянного тока подключен между сетью настройки и зондом, чтобы предотвратить подачу постоянного тока или низкочастотного переменного тока в тело пациента, то есть он обеспечивает пациенту изолирующий барьер постоянного тока.
20
22
3
На фиг. 5 проиллюстрирована другая альтернативная компоновка регулятора сопротивления, реализованная с помощью микрополосковых заглушек. В этом примере три микрополосковых заглушки 272, имеющие различную длину, соединены с микрополосковой линией на генераторе. Каждая заглушка 272 может независимо переключаться между цепью короткого замыкания (замкнутый контакт переключателя или переход) и разомкнутой цепью (разомкнутый переключатель или канал) с помощью PIN-диодных (или электромеханических) переключателей 274 под управлением сигналов C-C постоянного тока. Линия передачи, которая образует заглушку 272, может быть установлена на длину, которая представляет диапазон реактивных сопротивлений (емкостных или индуктивных) или полных сопротивлений. Компоновка, проиллюстрированная на фиг. 5, позволяет выбрать восемь различных положений настройки, т.е. 2. Как и в примере, проиллюстрированном на фиг. 3, катушки 276 индуктивности показаны соединенными последовательно между шунтирующими заглушками. Эти катушки индуктивности показаны в данном случае в виде тонких линий передачи, реализованных в микрополосковой линии путем печати линий на диэлектрическом материале, которые уже, чем линии, которые создают характеристическое полное сопротивление линии передачи. Также можно использовать другие конфигурации линии передачи, в которых ширина/диаметр и/или длина линии позволяют реализовать катушки индуктивности требуемой индуктивности с частотой работы. Эта конфигурация не ограничена использованием катушек 276 индуктивности, то есть ширина микрополосковой линии может быть увеличена, чтобы быть больше, чем требуется для образования линии с полным сопротивлением, равным характеристическому полному сопротивлению линии передачи, для создания настроечной емкости, а не настроечной индуктивности.
В другом примере для изменения фазы вместо микрополосковых заглушек и коаксиальных тромбонных согласующих секций могут быть реализованы заглушки линии передачи или волноводные (прямоугольные или цилиндрические) секции.
На фиг. 6 проиллюстрирована распределенная схема 302 генератора, которая может использоваться для анализа работы электрохирургического устройства.
Анализ работы генератора, проиллюстрированного на фиг. 6, основан на распределенной сети сопротивлений, причем каждый элемент представлен в виде комплексного полного сопротивления. Проиллюстрировано, что микроволновый генератор 318 последовательно соединен с полным сопротивлением генератора 320 и номинальное сопротивление составляет 50 Ом. Полное сопротивление источника соединено с микроволновому согласующему устройству с распределенными элементами, состоящему из четырех последовательно соединенных фиксированных полных сопротивлений 322, 324, 326, 328 и трех шунтирующих переменных полных сопротивлений 330, 332, 334, соединенных между дистальным и проксимальным концами вышеупомянутых последовательных полных сопротивлений. Выход сети настройки подключен к коаксиальному кабельному узлу, номинальное сопротивление 336 которого составляет 50 Ом.
От микроволнового согласующего устройства с распределенными элементами, представленного диапазоном значений сопротивлений и переменных/фиксированных длин линий и показанного на фиг. 6, переменные элементы 330, 332, 334 в сети настройки должны согласовывать полное сопротивление 320 источника с полным сопротивлением 340 ткани, когда коаксиальный кабельный узел (с полным сопротивлением 336) и антенна (с полным сопротивлением 338) подключены между выходным портом согласующего устройства полного сопротивления и тканью, контактирующей с антенной.
На фиг. 7 проиллюстрирована схема устройства в комплекте для электрохирургического устройства 400 в соответствии с третьим вариантом реализации данного изобретения. В этом варианте реализации изобретения генератор содержит источник 402 микроволновой мощности, терапевтический канал и измерительный канал, отдельный от терапевтического канала.
10
11
12
Терапевтический канал содержит модуль управления мощностью, содержащий переменный аттенюатор 404, управляемый контроллером 406 через управляющий сигнал V, и модулятор 408 сигнала, управляемый контроллером 406 через управляющий сигнал V, и модуль усилителя, содержащий оконечный усилитель 410 и усилитель 412 мощности для генерирования прямого микроволнового ЭМ излучения для передачи от зонда 420 на уровне мощности, подходящем для обработки. За модулем усилителя терапевтический канал переходит в модуль передачи микроволнового сигнала (который является частью датчика микроволновых сигналов), содержащий циркулятор 416, соединенный для передачи микроволновой ЭМ энергии от источника к зонду по пути между его первым и вторым портами, направленный ответвитель 414 падающей волны в первом порте циркулятора 416 и направленный ответвитель 418 отраженной волны в третьем порте циркулятора 416. После прохождения направленного ответвителя отраженной волны микроволновая ЭМ энергия из третьего порта поглощается нагрузкой 422 сброса мощности. Модуль передачи микроволнового сигнала также содержит переключатель 415, управляемый контроллером 406 через управляющий сигнал V для подключения либо прямого передаваемого сигнала, либо отраженного передаваемого сигнала на гетеродинный приемник для обнаружения.
13
Чтобы создать измерительный канал в этом варианте реализации изобретения, разделитель 424 мощности (например, разделитель мощности на 3 дБ) используется для разделения сигнала от источника 402 на две ветви. В альтернативном варианте реализации изобретения разделитель 424 мощности может быть опущен, и отдельный источник может использоваться для измерительного канала. Одна ветвь от разделителя 424 мощности образует терапевтический канал, к нему подключены компоненты, описанные выше. Другая ветвь образует измерительный канал. Измерительный канал обходит усилитель(и) в терапевтическом канале и, следовательно, выполнен с возможностью передачи сигнала малой мощности от зонда, например, сигнала мощности непрерывного излучения, составляющей 10 мВт, подходящего для использования в режиме измерения для определения типа ткани в зоне обработки, без создания значительных эффектов нагрева в зоне обработки. В этом варианте реализации изобретения переключатель 426 выбора первичного канала, управляемый контроллером 406 через управляющий сигнал V, выполнен с возможностью выбора сигнала либо из терапевтического канала, либо из измерительного канала для передачи в зонд. Например, контроллер 406 может предписать переключателю 426 переключение на терапевтический канал для передачи высокой выходной мощности для осуществления подтягивания связок, когда в режиме измерения определено, что в зоне обработки отсутствует нервная ткань.
Измерительный канал в этом варианте реализации изобретения содержит компоненты, предназначенные для обнаружения фазы и значения мощности, отраженной от зонда, которые могут дать информацию о материале, например, о типе (связке или нерве) биологической ткани, присутствующей на дистальном конце зонда. Измерительный канал содержит циркулятор 428, соединенный для передачи микроволновой ЭМ энергии от источника 402 к зонду по пути между его первым и вторым портами. Отраженный сигнал, возвращаемый зондом, направляется в третий порт циркулятора 428. Циркулятор 428 используется для обеспечения изоляции между прямым сигналом и отраженным сигналом, чтобы облегчить точное измерение. Однако, поскольку циркулятор не обеспечивает полную изоляцию между его первым и третьим портами, то есть часть прямого сигнала может прорываться к третьему порту и мешать отраженному сигналу, используется схема подавления несущей, которая вводит часть прямого сигнала (от прямого соединителя 430) обратно в сигнал, поступающий из третьего порта (через ответвитель 432 ввода). Схема подавления несущей включает регулятор 434 фазы, чтобы гарантировать, что введенная часть находится в противофазе на 180° с любым сигналом, который прорывается в третий порт от первого порта, для его подавления. Схема подавления несущей также включает аттенюатор 436 сигнала, чтобы гарантировать, что величина введенной части такая же, как у любого прорвавшегося сигнала.
14
Чтобы компенсировать любое смещение прямого сигнала, в измерительном канале предусмотрен направленный ответвитель 438 падающей волны. Передаваемый выходной сигнал направленного ответвителя 438 падающей волны и отраженный сигнал от третьего порта циркулятора 428 подаются на соответствующую входную клемму переключателя 440, который управляется контроллером 406 через управляющий сигнал V, для передачи либо связанного прямого сигнала, либо отраженного сигнала на гетеродинный приемник для обнаружения.
15
Выход переключателя 440 (т.е. выход со стороны измерительного канала) и выход переключателя 415 (то есть выход со стороны терапевтического канала) подключены к соответствующей входной клемме вторичного переключателя 442 выбора канала, который управляется контроллером 406 через управляющий сигнал V в сочетании с первичным переключателем выбора канала, чтобы гарантировать, что выход измерительного канала подключен к гетеродинному приемнику, когда измерительный канал подает энергию на зонд, и что выход терапевтического канала подключен к гетеродинному приемнику, когда терапевтический канал подает энергию на зонд.
Гетеродинный приемник используют для получения информации о фазе и значении на основании сигнала, выводимого вторичным переключателем 442 выбора канала. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 7, используется один гетеродинный приемник. При необходимости может использоваться двойной гетеродинный приемник (содержащий два локальных генератора и смесители), чтобы дважды микшировать частоту источника до того, как сигнал поступит в контроллер. Гетеродинный приемник содержит локальный генератор 444 и смеситель 448 для микширования сигнала, выводимого вторичным переключателем 442 выбора канала. Частота сигнала локального генератора выбирается таким образом, чтобы выходной сигнал из смесителя 448 имел промежуточную частоту, подходящую для приема контроллером 406. Полосовые фильтры 446, 450 предусмотрены для защиты локального генератора 444 и контроллера 406 от высокочастотных микроволновых сигналов.
Контроллер 406 принимает выходные сигналы гетеродинного приемника и определяет (например, получение) из него информацию, указывающую фазу и значение прямого и/или отраженного сигнала в терапевтическом и/или измерительном канале. Эта информация может использоваться для управления подачей мощного микроволнового ЭМ излучения по терапевтическому каналу, например, в зависимости от типа ткани связки, обнаруженной в зоне обработки. В варианте реализации изобретения контроллер переключает устройство для передачи мощного микроволнового ЭМ излучения, когда диэлектрические свойства материала в зоне обработки, определенные по прямым и отраженным сигналам, указывают на зону обработки, не содержащую нервную ткань. Как обсуждалось выше, это определение можно осуществить с помощью справочных данных. Кроме того, пользователь может взаимодействовать с контроллером 406 через пользовательский интерфейс 452, что также обсуждалось в вышеупомянутых вариантах реализации изобретения.
На фиг. 8 проиллюстрирована схема устройства в комплекте для электрохирургического устройства 500, которая представляет собой небольшую модификацию устройства, проиллюстрированного в третьем варианте реализации изобретения на фиг. 7. Компоненты, общие для фиг. 7 и 8, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и повторно не описаны.
17
12
В терапевтическом канале регулятор 502 сопротивления подключен между модулем усилителя и зондом. Регулятор 502 сопротивления управляется контроллером 406 через управляющий сигнал V. Циркулятор 504 действует как изолятор между модулем усилителя и регулятором 502 сопротивления, чтобы защитить усилитель 412 мощности от отраженных сигналов. Направленный ответвитель 506 падающей волны, подключенный между усилителем 412 мощности и циркулятором 504, выводит сигнал контроля усилителя мощности. Направленный ответвитель 508 падающей волны и направленный ответвитель 510 отраженной волны подключены между циркулятором 504 и регулятором 502 сопротивления, чтобы предоставлять информацию о прямых и отраженных сигналах мощности в генераторе перед регулятором 502 сопротивления. Направленный ответвитель 512 падающей волны и направленный ответвитель 514 отраженной волны подключены между регулятором 502 сопротивления и зондом 420 для предоставления информации о прямых и отраженных сигналах мощности в генераторе за регулятором 502 сопротивления. В сочетании ответвители 508, 510, 512, 514 могут извлекать информацию, которая позволяет контроллеру 406 определять мощность, поступающую от зонда, и потерю мощности в регуляторе 502 сопротивления. Последнее является необязательным, поэтому может потребоваться только одна пара ответвителей 512, 514. Переключатель 516 выбора сигнала, управляемый контроллером 406 через управляющий сигнал V, соединяет один из выходных сигналов ответвителей 506, 508, 510, 512, 514 с гетеродинным приемником, откуда он отправляется в контроллер 406, чтобы предоставить информацию о микроволновом сигнале.
Доступная информация о фазе и значении может использоваться для управления переменными элементами, содержащимися в регуляторе 502 сопротивления, чтобы максимально увеличить эффективность передачи энергии из терапевтического канала.
Конструкции зонда
Конструкции зонда, подходящие для использования с устройством, обсужденным выше, описаны далее со ссылкой на фиг. 9-16. Общая конструкция 600 зонда проиллюстрирована на фиг. 9. Зонд содержит гибкий стержень 602, содержащий (например, проводящий через его просвет) микроволновый кабель (например, коаксиальный кабель), который может быть расположен на целевом участке. На дистальном конце гибкого стержня 602 находится аппликатор 604, который содержит конструкцию для передачи энергии, подключенную для приема микроволновой электромагнитной (ЭМ) энергии от кабеля и для передачи этой энергии в ткань на целевом участке. Ниже рассмотрены приведенные в качестве примера конфигурации конструкции для передачи энергии. Энергия может передаваться направленным образом, например, чтобы предоставить оператору контроль над участком ткани, подлежащим обработке, посредством соответствующей ориентации аппликатора. Проксимальный конец гибкого стержня 602 может быть соединен с генератором (не показан на фиг. 9), который подает и регулирует микроволновую ЭМ энергию, как обсуждалось выше.
Предусмотрены два сценария использования. Если зонд используется при открытой или общей хирургии, один или более направляющих проводов (не показаны) могут проходить через просвет в стержне 602. Аппликатор 604 может содержать гибкий наконечник, который можно перемещать, манипулируя направляющими проводами. Если зонд используют с хирургическим устройством для осмотра, например, с эндоскопом при хирургической операции на передней крестообразной связке или восстановлении ахиллова сухожилия, аппликатор 604 и гибкий стержень 602 могут вводить через инструментальный канал устройства для осмотра. В этом примере перемещением (например, управлением) зонда можно управлять, манипулируя эндоскопом.
На фиг. 10А и 10В проиллюстрирован первый приведенный в качестве примера зонд 610. Зонд 610 содержит конструкцию для передачи энергии, установленную на дистальном конце стержня 612. В этом примере конструкция для передачи энергии содержит плоский корпус 614 из диэлектрического материала (например, керамики или тому подобного), имеющий изогнутый дистальный конец (например, по существу, в форме параболы). На одной стороне верхней поверхности плоского корпуса 614 расположен (нанесен) первый проводящий материал 618. Проводящим материалом может быть металл, например золото или нержавеющая сталь. Аналогичным образом, второй проводящий материал 620 может быть образован на нижней поверхности плоского корпуса 614. На нижней поверхности установлен защитный корпус 622. Защитный корпус 622 выполнен из диэлектрического материала и постепенно сужается к краю плоского корпуса 614.
Как показано на виде сбоку в поперечном разрезе на фиг. 10B, коаксиальный кабель проходит внутри стержня 612. Коаксиальный кабель содержит внутренний проводник 613, внешний проводник 617 и диэлектрический материал 615. Внутренний проводник 613 проходит в дистальном направлении за дистальный конец диэлектрического материала 615 для электрического контакта с первым проводящим материалом 618. Внешний проводник 617 электрически соединен со вторым проводящим материалом 620 посредством проводящей связи 619. Таким образом, первый проводящий материал 618 и второй проводящий материал 620 образуют конструкцию для передачи энергии. Когда микроволновая энергия подается на зонд, микроволновая энергия излучается со стороны корпуса 614, который покрыт проводящим материалом 618.
Сужающаяся защитная крышка 616 установлена поверх соединения между внутренним проводником 613 и первым проводящим материалом для защиты соединения.
Проводящее покрытие только на части верхней поверхности корпуса 614 придает зонду 610 направленность таким образом, что в ней он излучает энергию.
На фиг. 11 проиллюстрирован второй приведенный в качестве примера зонд 624. Элементы, общие для фиг. 10А и 10В, имеют одинаковые ссылочные позиции и повторно не описаны. В этом примере аппликатор содержит простую микроволновую антенну, образованную установленным диэлектрическим колпачком 628 на дистальном конце стержня 612. Внутренний проводник 613 коаксиального кабеля содержит дистальную часть 626, которая выступает за пределы остальной части коаксиального кабеля в диэлектрический колпачок, образуя антенну. Диэлектрические свойства диэлектрического колпачка 628 выбираются так, чтобы обеспечить требуемую форму поля. Зонд 624 дополнительно содержит крючковой элемент 630, который проходит за дистальный конец диэлектрического колпачка 628. Крючковой элемент 630 может быть использован для захвата ткани-мишени перед подачей микроволновой энергии. Крючковой элемент 630 может выдвигаться, например, путем манипулирования подходящим направляющим стержнем (не показан).
На фиг. 12А и 12В проиллюстрирован третий приведенный в качестве примера зонд 632. Элементы, общие для фиг. 10А и 10В, имеют одинаковые ссылочные позиции и повторно не описаны. Конструкция для передачи энергии, используемая зондом 632, представляет собой линию передачи типа «излучающий кабель», в которой в плоскости заземления образованы щели, обеспечивающие выход энергии. В этом примере конструкция для передачи энергии содержит гибкий диэлектрический слой 642, который металлизирован с обеих сторон. Внешний слой металлизации соединен с внешним проводником коаксиального кабеля 634, подводимого через стержень 612. Внутренний слой металлизации соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля 634. Как проиллюстрировано на фиг. 12B, множество щелей 644 образованы во внешнем слое металлизации для образования щелевой антенны бегущей волны. Размер и положение щелей выбираются известным способом на основании свойств гибкого диэлектрического слоя 642 и частоты микроволновой энергии. В этом примере зонд 632 дополнительно выполнен с возможностью обеспечения расширения гибкого диэлектрического слоя на ткань на целевой участке и его соответствия (например, охвата) ткани на целевом участке. Это выполняется путем установки гибкого слоя внутри рамы 640 и обеспечения надувного объема 638 между рамой 640 и гибким слоем 642. Надувной объем 638 (который может быть баллоном и т.п.) находится в жидкостной связи с накачиваемой средой (например, подходящим инертным или биосовместимым газом или жидкостью), чтобы обеспечить его контролируемое накачивание. Для этой цели через стержень 612 может проходить канал 636 для подачи жидкости. Надувной объем может иметь заданную форму, расположенную так, что при надувании он заставляет гибкий слой 642 приобретать требуемую форму. Например, может быть желательно, чтобы гибкий слой представлял вогнутую поверхность ткани на целевом участке.
На фиг. 13 проиллюстрирован четвертый приведенный в качестве примера зонд 646. Элементы, общие для фиг. 10А и 10В, имеют одинаковые ссылочные позиции и повторно не описаны. Аппликатор зонда 646 имеет форму зажима, определенного парой зажимных приспособлений 650. Зажимные приспособления 650 расположены напротив друг друга, чтобы определять промежуток между ними для приема подлежащей обработке ткани. На одном или обоих зажимных приспособлениях 650 может быть установлена конструкция 652 для передачи энергии для контакта с тканью, имеющейся в наличии в указанном промежутке. Зажимные приспособления 650 могут быть регулируемыми, чтобы открывать и закрывать промежуток. В этом варианте реализации изобретения также имеется преобразователь 648, выполненный с возможностью обнаружения информации, указывающей температуру в указанном промежутке. Преобразователь 648 может представлять собой термопару или тому подобное. Любая из других обсуждаемых в данном случае конструкций зондов может быть снабжена аналогичным преобразователем. В других примерах элемент формирования изображения (например, пучок оптического волокна с линзой) может использоваться с преобразователем или вместо него для контроля места обработки.
На фиг. 14А и 14В проиллюстрирован пятый приведенный в качестве примера зонд 654. Элементы, общие для фиг. 10А и 10В, имеют одинаковые ссылочные позиции и повторно не описаны. В этом примере аппликатор содержит проволочную структуру 656, имеющую регулируемую форму. Как схематично показано на фиг. 14B, проволочная структура 656 может быть выполнена с возможностью принятия спиральной формы при использовании, например, для охвата ткани, подлежащей обработке. Энергия может передаваться из проволочной структуры в точках, в которых она взаимодействует с тканью. Проволочная структура 656 может быть упруго деформируемой из спиральной конфигурации в более прямую конфигурацию, как проиллюстрировано на фиг. 14A. Деформация проволочной структуры может быть выполнена путем манипулирования одним или более направляющими стержнями, которые проходят через стержень 612. Аппликатор может располагаться на целевом участке с проволочной структурой 656 в более прямой конфигурации, после чего он может быть высвобожден, чтобы принять спиральную конфигурацию для охвата ткани, подлежащей обработке.
На фиг. 15 проиллюстрирован шестой приведенный в качестве примера зонд 658. В этом примере аппликатор представляет собой открытый прямоугольный волновод 662, прикрепленный к дистальному концу питающего кабеля 660. Мощность, передаваемая открытым волноводом 662, изменяется при прохождении через отверстие волновода как косинус квадратного электрического поля. Электрическое поле равно нулю на боковых стенках отверстия и имеет максимальное значение в центре. Волновод 662 может быть заполнен диэлектрическим материалом 664 для уменьшения размера излучающего отверстия. Уменьшение размера пропорционально квадратному корню из диэлектрической проницаемости, поэтому, если направляющая заполнена материалом, который имеет диэлектрическую проницаемость, равную 25, то уменьшение размера составит 5. Другими словами, длина незагруженной стенки аппликатора волновода с незагруженной длинной стенкой длиной 25 мм будет составлять 5 мм, если относительная диэлектрическая проницаемость загружаемого материала составляет 25. При длине короткой стенки 10 мм она будет уменьшена до 2 мм, следовательно, конструкция с воздухом размером 10 мм х 25 мм становится конструкцией размером 2 мм х 5 мм при заполнении материалом с диэлектрической проницаемостью, равной 25. Для этого можно использовать материал ECCOSTOCK HiK500F.
На фиг. 16 проиллюстрирован седьмой приведенный в качестве примера зонд 668. В этом примере аппликатор представляет собой рупорную антенну 672, закрепленную на дистальном конце питающего кабеля 670. Рупорная антенна 672 может быть выполнена с возможностью генерирования угла сфокусированного излучения, например, составляющего 18 градусов, чтобы фокусировать энергию в связку. В другом примере в аппликаторе может быть предусмотрена система антенн, например рупорных антенн или других конструкций. В таком примере направленность излучаемой энергии может регулироваться путем управления свойствами антенн или сигналов, которые каждая из них принимает. Например, посредством управления фазой каждой антенны в системе пучок, излучаемый антеннами, может иметь возможность схождения в точке.
Чтобы поддерживать тщательный контроль над температурой целевого участка, любой из зондов, рассмотренных выше, может быть предусмотрен для охлаждения ткани на поверхности. Это может быть достигнуто путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно в место обработки, например, через канал подачи жидкости, подведенный через стержень. Или охлаждение может применяться независимо от зонда, например, через поверхность кожи рядом с обрабатываемым участком. Охлаждение поверхности может способствовать защите кожи и других тканевых структур (например, фасции) от термического повреждения. Охлаждение может выполняться до подачи микроволновой энергии, например, для понижения температуры окружающей ткани (ткани-мишени).
Другие возможные области применения
В приведенном выше описании представлено изобретение в связи с подтягиванием связок. В этом контексте изобретение может иметь конкретное применение при лечении связок плеча, колена и стопы. Изобретение также может быть использовано для подтягивания или другого лечения сухожилий, например ахиллова сухожилия и т.д.
Изобретение также может быть применимо в других областях. Например, изобретение может иметь применение при лечении выпадения матки, например для подтягивания мышц и связанных с ними структур, которые были растянуты после родов. Точно так же изобретение может быть использовано для подтягивания мышц или создания структур вокруг мочевого пузыря, чтобы помочь при недержании мочи.