專利名稱：微波加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種適用于加熱生物組織的微波加熱器(microwaveapplicator)和一種加熱治療表面組織的方法。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)人之前已經(jīng)提出了一種外科手術(shù)用的微波加熱器，包括通過包含高介電常數(shù)的電介質(zhì)而具有縮減直徑的波導(dǎo)。同軸電輸入在電介質(zhì)中產(chǎn)生TE11模式的微波，并且這些微波從波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面輻射出去。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，本發(fā)明在于一種微波加熱器，包括同軸電輸入和填充有電介質(zhì)的波導(dǎo)，同軸輸入的中心導(dǎo)體縱向延伸到波導(dǎo)的一端內(nèi)，以激勵(lì)優(yōu)選地為TM01模式的微波，傳向波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面，從而當(dāng)接觸要治療的生物組織時(shí)，從遠(yuǎn)端面發(fā)射微波。
TM01模式是優(yōu)選的，因?yàn)槠渚哂信c同軸輸入良好匹配的場(chǎng)圖案，好于更為普遍使用的基本模式TE11。TM01還產(chǎn)生了同軸輸入和波導(dǎo)之間的簡單過渡。中心導(dǎo)體優(yōu)選地在圓形波導(dǎo)內(nèi)軸向?qū)?zhǔn)，并在波導(dǎo)內(nèi)延伸較短的尺寸，從而匹配波導(dǎo)的總體尺寸，尤其是其長度和直徑以及電介質(zhì)的介電常數(shù)和電輸入的頻率。
優(yōu)選地，波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面是平坦的，并且以行進(jìn)到與遠(yuǎn)端面接觸的生物組織中的平行波陣面輻射微波能量，并具有最小的橫向擴(kuò)散。微波的穿透深度依賴于頻率和電輸入功率，但典型地，對(duì)于顯微外科中的局部加熱治療，只需要較小的穿透距離。在可選實(shí)施例中，遠(yuǎn)端面可以是稍微凸起的，并以波導(dǎo)的軸為中心，而不是平坦的。
本發(fā)明的另一特定重要特征是利用波導(dǎo)中的諧振的能力，從而當(dāng)遠(yuǎn)端面與生物組織接觸時(shí)，來自輸入端的過渡的反射和來自遠(yuǎn)端面的、由于每一次電介質(zhì)的變化而引起的反射是失相的，因此，增強(qiáng)了前向傳輸，當(dāng)遠(yuǎn)端面未與生物組織接觸時(shí)，所述反射是同相的，因此，增強(qiáng)了對(duì)同軸輸入的反射。因此，只在與要治療的生物組織接觸時(shí)，才將微波能量從遠(yuǎn)端面向外傳輸任意可感知的距離，而這是操作模式下的關(guān)鍵安全性特征。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明在于一種微波加熱器，包括波導(dǎo)；同軸電輸入，中心導(dǎo)體縱向延伸到波導(dǎo)的一端內(nèi)，以激勵(lì)優(yōu)選地為TM01模式的微波，傳向波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面，并發(fā)射到要治療的生物組織中；低損電介質(zhì)材料的隔膜，設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)，從而與波導(dǎo)橫向延伸，以反射沿著其傳播的微波，與波導(dǎo)的末端相關(guān)地選擇隔膜的縱向位置，從而來自波導(dǎo)接頭和隔膜的反射波相干疊加組合，以產(chǎn)生具有抵消來自同軸波導(dǎo)接頭的反射的正確幅度和相位的波。
優(yōu)選地，選擇隔膜的厚度和制成隔膜的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，以確定微波從隔膜的后向反射的幅度，以便優(yōu)化抵消同軸輸入中的后向反射。
優(yōu)選地，波導(dǎo)是充氣的，波導(dǎo)的遠(yuǎn)端適合于接觸(或近似接觸)要治療的表面組織。
本發(fā)明的第一或第二方面的微波加熱器可以用在加熱治療表面組織的方法中，使波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面與表面組織相接觸，以進(jìn)行治療。


現(xiàn)在，將參照附圖、通過示例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的柔性腹腔鏡檢查微波加熱器的軸向截面；圖2示出了當(dāng)遠(yuǎn)端處于空氣中時(shí)(曲線S)和當(dāng)與生物組織接觸時(shí)(曲線T)、圖1所示的加熱器的反射系數(shù)與微波頻率的曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的微波加熱器的軸向截面；圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的微波加熱器的軸向截面；圖5是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的微波加熱器的軸向截面；
圖6是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的微波加熱器的軸向截面；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明、將微波加熱器用于醫(yī)學(xué)治療的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的微波加熱器由以下部件構(gòu)成波導(dǎo)1，由以鋁箔3的外層覆蓋的電介質(zhì)圓柱體2形成；以及柔性同軸電纜輸入電源4，在一端與波導(dǎo)相連，從而同軸電纜的外導(dǎo)體5通過銅箍6與鋁帶3電連接，以及同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體7軸向延伸到電介質(zhì)體2中較短的距離l。波導(dǎo)1的遠(yuǎn)端面8是平坦的，并且以如FEP或paralene等非粘性聚合物涂層覆蓋。
優(yōu)選地，波導(dǎo)1操作在TM01模式。
典型地，對(duì)于此微波加熱器，為了在9.2GHz的頻率處進(jìn)行操作，波導(dǎo)的尺寸如下總長L＝12.9mm、直徑D＝5.2mm、l＝5.9mm；以及電介質(zhì)體的介電常數(shù)k＝25。典型地，電介質(zhì)是Emerson & Cummings出售的Hik 500f電介質(zhì)材料。
圖1所示的微波加熱器在不同頻率處的性能如圖2的曲線所示，其中曲線S示出了當(dāng)加熱器的遠(yuǎn)端面8處于空氣中時(shí)，反射系數(shù)S11的變化，而曲線T示出了當(dāng)加熱器的遠(yuǎn)端面8與要治療的生物組織接觸時(shí)，反射系數(shù)S11的變化。圖2中S11數(shù)值上的下降表示良好的微波匹配，其在曲線T中、在9.2GHz的設(shè)計(jì)操作頻率處得到了清楚的證明。在這些條件下，加熱器將最大的微波能量傳輸?shù)缴锝M織內(nèi)，但如果破壞了與組織的接觸，而使遠(yuǎn)端面處于空氣或如CO2等氣體中，則發(fā)射能量立即下降到非常低的水平，因?yàn)槟芰勘环瓷浠赝S電纜輸入電源4。
應(yīng)當(dāng)清楚的是，可以相對(duì)便宜地制造如圖1所示的微波加熱器，因而可以作為針對(duì)顯微手術(shù)的一次性產(chǎn)品出售。
具有5.2mm的縮減直徑的、如圖1所示的微波加熱器適合于在腹腔鏡手術(shù)中通過套針插入，以便在與生物材料接觸時(shí)，按照受控的方式、在遠(yuǎn)端面附近產(chǎn)生局部加熱效應(yīng)。例如，這種加熱器可以用于破壞較小的表面腫瘤，用于治療卵巢癌、或治療子宮內(nèi)膜異位或任何表面損傷。
本發(fā)明的第二實(shí)施例如圖3所示，結(jié)構(gòu)上類似于圖1，并將相同的參考數(shù)字用于等效的組件。但是，波導(dǎo)1包括剛性鋁圓柱壁13，典型地為2mm厚，電介質(zhì)體2由硬陶瓷材料構(gòu)成，如介電常數(shù)K＝25的穩(wěn)定氧化鋯(TECHNOX2000)等。與圖1所示的加熱器的45瓦特的功率電平相比，此電介質(zhì)材料賦予加熱器處理較高功率電平的能力，典型地，高至200瓦特。優(yōu)選地，波導(dǎo)1操作在TM01模式。
圖3的加熱器設(shè)計(jì)用于在較低的頻率2.45GHz進(jìn)行操作，并具有增加的長度L＝50mm和直徑D＝20mm。應(yīng)當(dāng)清楚的是，直徑D由操作頻率和介電常數(shù)K來確定，并對(duì)其進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)組織的適當(dāng)面積的治療，通過增加的功率來平衡與圖1相比增加的面積，以便在用于治療目的的遠(yuǎn)端8提供適當(dāng)?shù)墓β拭芏取?br> 中心導(dǎo)體7的凸起l延伸到電介質(zhì)體2中25mm，并且在外導(dǎo)體5和同軸電纜輸入4的電介質(zhì)和波導(dǎo)1之間設(shè)置空氣間隙9，以允許同軸電纜的電介質(zhì)填充物膨脹。
具有較大遠(yuǎn)端8的、圖3所示的加熱器更適合于治療較大的表面破損腫瘤，如肝臟上的原發(fā)性和繼發(fā)性腫瘤。
在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，為了治療較小的肝臟腫瘤，使用了與圖3所示相同的結(jié)構(gòu)，但以介電常數(shù)K＝10的氧化鋁代替了穩(wěn)定氧化鋯電介質(zhì)，并且其尺寸如下L＝18mm、D＝10mm、l＝11mm、以及操作頻率為9.2GHz。此加熱器將治療比圖3更小面積的組織，但將引起較小的間接損害。
圖4所示的微波加熱器由以下部件構(gòu)成充氣波導(dǎo)11，由鋁圓柱壁13形成，具有針對(duì)在一端與波導(dǎo)相連的柔性同軸電纜輸入電源的輸入連接14。壁13的外表面覆蓋有UPVC套筒16。同軸電纜的外導(dǎo)體通過黃銅配件17與波導(dǎo)的壁13電連接，同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體與導(dǎo)體15相連，其軸向延伸到波導(dǎo)11中較短的距離l。PTFE套管18分離導(dǎo)體15和配件17，并形成二者之間的電絕緣體。有機(jī)玻璃隔膜20橫向位于波導(dǎo)內(nèi)，靠近凸凹截面(rebated section)21的開口端，凸凹截面21使其與開口端18間隔距離w。隔膜20的厚度為t。優(yōu)選地，波導(dǎo)11操作在TM01模式。
加熱器的操作頻率是7GHz，其尺寸典型地為L＝108mm、D＝42mm、l＝13mm、w＝27.7mm、以及t＝4.3mm。與操作頻率和隔膜的介電常數(shù)相關(guān)地選擇這些尺寸，從而當(dāng)波導(dǎo)的開口端與要治療的表面組織接觸而進(jìn)行使用時(shí)，微波從組織以及同軸電纜14與波導(dǎo)11之間的過渡處的后向反射實(shí)質(zhì)上由來自隔膜的反射所抵消，減小了同軸電纜內(nèi)的反射。在此平衡情況下，微波能量的絕大部分傳輸?shù)秸谥委煹慕M織。具體地，隔膜20的厚度及構(gòu)成其的材料的介電常數(shù)k將確定微波從其后向反射的多少。隔膜20相對(duì)于波導(dǎo)11的末端的位置將確定微波后向反射的相對(duì)相位。
如圖4所示的微波加熱器將適合于皮膚治療，如牛皮癬的治療等，尤其是因?yàn)樘结樀哪┒司哂信c正在治療的組織的最小接觸。優(yōu)選地，波導(dǎo)11位于開口端的邊緣可以用一些其他的保護(hù)(22)來涂覆或裝配，如硅橡膠等，以便與組織接合。
本發(fā)明的可選實(shí)施例如圖5所示，其中微波加熱器由以下部件構(gòu)成波導(dǎo)31，被支撐在具有手柄33的剛性管32的一端；以及位于其另一端的輸入電源連接34。通過手柄33保持并操作加熱器，波導(dǎo)31形成治療頭。同軸電纜35延伸通過管32，并將輸入電源連接34與波導(dǎo)31相連。
波導(dǎo)31由圓柱鋁套筒36構(gòu)成，在輸入端與鋁端帽37相連。鋁支撐套管38在一端與端帽37中的中心孔39相連，并在另一端與管32相連，從而使同軸電纜35能夠從中穿過。暴露同軸電纜35的外導(dǎo)體，并與端帽37電連接，暴露同軸電纜35的內(nèi)導(dǎo)體41，以軸向伸入波導(dǎo)31中。將包括TCHNOX2000的電介質(zhì)圓柱體42裝配在套筒36內(nèi)，并利用中心孔43形成，以容納內(nèi)導(dǎo)體41。在同軸電纜的電介質(zhì)填充物45的末端和波導(dǎo)的電介質(zhì)體42之間形成空氣間隙44。
手柄33由鋁制造，并在輸入端具有同心凹口45，以容納輸入電源連接34。手柄中的中心孔46容納同軸電纜35。
優(yōu)選地，波導(dǎo)31操作在TM01模式。
典型地，加熱器設(shè)計(jì)用于在2.45GHz進(jìn)行操作，以及波導(dǎo)的尺寸包括長度L＝50mm、內(nèi)徑D＝20mm的套管36、暴露長度l＝11.8mm的內(nèi)導(dǎo)體41、以及長度為2mm的空氣間隙44。典型地，管32是不銹鋼的，并且直徑為8mm、長度為250mm，或者能夠達(dá)到將要治療的組織的其他適當(dāng)長度。可以沿著其長度在一個(gè)或多個(gè)位置46橫向彎曲管32，以改善治療頭的輻射發(fā)射端面47能夠與要治療的組織面面接合的便宜性。
本發(fā)明的另一實(shí)施例如圖6所示，類似于圖5，由以下組件構(gòu)成位于剛性管52的一端的、形成了治療頭的波導(dǎo)51；以及位于管52的另一端的手柄和輸入電源連接(未示出)。波導(dǎo)51由機(jī)械加工的鋁組件構(gòu)成，所述鋁組件包括圓柱套筒54和具有開孔56的端壁55，用于容納管52和同軸電纜57。將包括Hik 500f的電介質(zhì)圓柱體58裝配在套筒54的內(nèi)部，并利用中心孔59形成，以容納同軸電纜57的內(nèi)導(dǎo)體60。同軸電纜57的外導(dǎo)體61與端壁55電連接，并在電纜57的電介質(zhì)填充物63的末端和電介質(zhì)體58之間形成空氣間隙62。
典型地，加熱器設(shè)計(jì)用于在9.2GHz進(jìn)行操作，并且波導(dǎo)尺寸包括長度L＝16mm、內(nèi)徑為10mm的套管54、暴露長度為13mm的內(nèi)導(dǎo)體60、以及2mm的空氣間隙62。
類似于圖1和圖3的加熱器，圖5和圖6所示的微波加熱器可以用于治療腫瘤或其他表面損傷，或用于治療子宮內(nèi)膜異位。將治療頭通過病人身體上的開口插入，或者通過套針，或者直接通過較大的切口。然后，操縱加熱器，以使治療頭的端面與腫瘤或損傷附近的要治療組織面對(duì)面接觸。然后，將從治療頭的端面發(fā)射的微波輻射傳輸?shù)侥[瘤或損傷和周圍組織中，以將其燒蝕。在完成治療之前，可以根據(jù)需要重復(fù)此過程，以燒蝕位于不同位置的多個(gè)腫瘤或損傷。
根據(jù)本發(fā)明的微波加熱器也可以用于對(duì)出血組織進(jìn)行止血，通過使治療頭的端面與出血組織接觸，并傳輸輻射以燒蝕該組織。
盡管上述醫(yī)療方法使用了所述微波加熱器，應(yīng)當(dāng)清楚的是本發(fā)明還大體上涉及利用包括具有能夠與組織面對(duì)面接合以將輻射傳輸?shù)浇M織內(nèi)的輻射發(fā)射表面的治療頭的微波加熱器的任意形式，治療組織表面上或內(nèi)的腫瘤或損傷的方法，尤其是肝臟。
圖7示出了對(duì)病人肝臟70上的表面腫瘤的醫(yī)學(xué)治療。在病人腹部進(jìn)行切口，并以鉗子71保持腹壁，以產(chǎn)生進(jìn)入腹腔的開口。然后，使肝臟游離于周圍組織，從而能夠?qū)ζ溥M(jìn)行治療。評(píng)估肝臟的情況，并做出給予治療的決定，是否去除部分肝臟和/或燒蝕部分肝臟。在圖中，所示肝臟具有多個(gè)表面腫瘤72需要燒蝕。操作微波加熱器73，優(yōu)選地，如圖1到圖6中的任一個(gè)所示，將治療頭的端面與腫瘤對(duì)準(zhǔn)，并使端面與腫瘤接觸。然后，接通加熱器的電源，從而產(chǎn)生輻射腫瘤的微波，使腫瘤被燒蝕。然后，在減小或關(guān)閉電源之前或之后，將加熱器抬離肝臟表面。然后，多次重復(fù)整個(gè)過程，以依次燒蝕每個(gè)表面腫瘤。
利用實(shí)時(shí)手術(shù)內(nèi)超聲掃描離評(píng)估肝臟表面內(nèi)或上的腫瘤的位置和范圍。同樣，利用手術(shù)內(nèi)超聲掃描來評(píng)估治療單個(gè)腫瘤時(shí)所得到的燒蝕范圍。當(dāng)在掃描輸出中進(jìn)行觀察時(shí)，燒蝕組織表現(xiàn)為從加熱器的端面發(fā)射的“熱云”。因此，繼續(xù)治療，直到“熱云”包圍整個(gè)腫瘤和圍繞其的安全余量。
較大的腫瘤可能需要去除部分肝臟。這通過切割肝臟來完成，將引起出血。于是，應(yīng)用微波加熱器通過將治療頭的端面與出血表面接觸，并接通加熱器的電源以燒蝕出血表面，來止血。然后，在整個(gè)出血表面上，重復(fù)此過程。
一旦完成對(duì)肝臟的治療，以鹽溶液清洗腹部，并縫合腹壁。
權(quán)利要求
1.一種微波加熱器，包括同軸電輸入(4)和填充有電介質(zhì)(2)的波導(dǎo)(1)，同軸輸入(4)的內(nèi)導(dǎo)體(7)縱向延伸到波導(dǎo)(1)的一端內(nèi)，以激勵(lì)微波模式，傳向波導(dǎo)(1)的遠(yuǎn)端面(8)，從而當(dāng)要治療的生物組織與遠(yuǎn)端面(8)接觸時(shí)，發(fā)射微波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波加熱器，其特征在于內(nèi)導(dǎo)體(7)與波導(dǎo)(1)軸向?qū)?zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波加熱器，其特征在于波導(dǎo)(1)是圓形波導(dǎo)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的微波加熱器，其特征在于遠(yuǎn)端面(8)實(shí)質(zhì)上是平坦的，并垂直于波導(dǎo)(1)的軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的微波加熱器，其特征在于遠(yuǎn)端面(8)是平坦的或稍微凸起，并以波導(dǎo)(1)的軸為中心。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的微波加熱器，其特征在于遠(yuǎn)端面(8)具有聚合物涂層(22)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的微波加熱器，其特征在于選擇波導(dǎo)(1)的長度和直徑、內(nèi)導(dǎo)體(7)在波導(dǎo)內(nèi)的長度、以及電介質(zhì)材料(2)的介電常數(shù)，從而在設(shè)計(jì)工作頻率，波導(dǎo)諧振。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的微波加熱器，其特征在于調(diào)整波導(dǎo)(1)，從而在操作中，當(dāng)遠(yuǎn)端面(8)與要治療的生物組織接觸時(shí)，通過從遠(yuǎn)端面(8)和輸入(4)到波導(dǎo)的反射的相對(duì)相位，增強(qiáng)從遠(yuǎn)端面的前向傳輸；以及當(dāng)遠(yuǎn)端面(8)處于空氣或氣體中時(shí)，通過從從遠(yuǎn)端面(8)和輸入(4)到波導(dǎo)的反射的相對(duì)相位，增強(qiáng)向輸入(4)的反射。
9.一種微波加熱器，包括波導(dǎo)(1)；同軸電輸入(4)，內(nèi)導(dǎo)體(7)縱向延伸到波導(dǎo)的一端內(nèi)，以激勵(lì)TM01模式的微波，傳向波導(dǎo)的遠(yuǎn)端面(8)，并發(fā)射到要治療的生物組織中；低損電介質(zhì)材料的隔膜(20)，設(shè)置在波導(dǎo)(1)內(nèi)，從而與波導(dǎo)橫向延伸，以反射沿著其傳播的微波，與波導(dǎo)(1)的末端相關(guān)地選擇隔膜(20)的縱向位置，從而來自隔膜(20)和所述末端的反射的相位用于減小或抵消同軸輸入(4)中的后向反射。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微波加熱器，其特征在于選擇隔膜(20)的厚度和制成隔膜的電介質(zhì)材料的介電常數(shù)，以確定微波從隔膜(20)的后向反射的幅度，以便優(yōu)化抵消同軸輸入中的后向反射。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的微波加熱器，其特征在于其是充氣的。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的微波加熱器，其特征在于波導(dǎo)激勵(lì)TM01模式的微波。
13.一種利用根據(jù)權(quán)利要求1到12之一所述的微波加熱器加熱治療表面組織的方法，其中，使波導(dǎo)(1)的遠(yuǎn)端面(8)與表面組織相接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于表面組織是內(nèi)部組織，并將加熱器插入治療體內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于通過套針插入加熱器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于表面組織是基體的外部皮膚。
17.一種治療基體內(nèi)的肝臟的方法，包括提供微波加熱器，所述微波加熱器在其一端具有能夠從發(fā)射面發(fā)射微波輻射的治療頭；通過切口將微波加熱器插入基體中，定位微波加熱器的頭與肝臟的表面接觸，發(fā)射面鄰近要治療的區(qū)域；以及為微波加熱器供電，從而發(fā)射面發(fā)射微波輻射，加熱所述要治療的區(qū)域。
18.一種治療生物組織以止血的方法，包括提供微波加熱器，所述微波加熱器在其一端具有能夠從發(fā)射面發(fā)射微波輻射的治療頭；定位微波加熱器的頭與要治療的生物組織的表面接觸，發(fā)射面鄰近要治療的出血組織；以及為微波加熱器供電，從而發(fā)射面發(fā)射輻射，加熱要治療的出血組織。
19.一種治療如牛皮癬等皮膚病的方法，利用具有微波發(fā)射窗口的微波加熱器，使其與要治療的皮膚相接觸或位于其附近，以及為其供電，從而發(fā)射微波輻射，并照射要治療的皮膚。
全文摘要
一種微波加熱器，包括同軸電輸入(4)和填充有電介質(zhì)(2)的波導(dǎo)(1)，同軸輸入的內(nèi)導(dǎo)體(7)縱向延伸到波導(dǎo)的一端內(nèi)，以激勵(lì)TM
文檔編號(hào)A61B18/18GK1688363SQ03824073
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者奈杰爾·克羅寧 申請(qǐng)人:麥科羅蘇立思有限公司