CN102395325B - 电可调谐的组织消融系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种传输射频能量以消融生物组织的消融系统具有传输线和射频天线，射频天线布置在传输线的远端部处。射频信号发生器将射频能量提供至电缆的近端以传输至天线，电可调谐变压器连接在信号发生器与天线之间。变压器基于对来自天线的反射功率水平进行的检测而被调谐，使反射功率减少或最小化，从而增加了天线与组织之间耦合的射频能量。

Description

电可调谐的组织消融系统和方法

1.技术领域

本发明涉及一种用于通过在射频(RF)天线周围产生的电场来消融组织和阻塞(尤其是诸如人的心脏、肝脏、动脉和脉管等动物的填充有液体的内腔内的组织和阻塞)的基于射频的系统，并且具体涉及一种用于对系统进行电调谐以调整射频功率传输的阻抗从而对组织负载的变化提供至少一些补偿的控制系统和方法。

2.背景技术

治疗性组织消融系统通过不同的能量交换手段(例如热传导和辐射)将能量施加到生物消融组织部位。这些系统可采用各种能量模式，例如射频、超声波、激光、冷冻等。在射频(RF)范围内，某些微波消融系统用于破坏或消融生物组织。在一个应用中，微波消融系统用于消融造成不规则心跳或心律不齐的心脏组织，避免更为危险和侵害性的打开心脏手术。在这样的应用中，消融元件(例如射频天线)被合并为导管的一部分。导管穿过静脉进入心房。在心房内，射频天线被定位在应用消融的期望位置处。

微波消融系统还能用于治疗其它生物部位(例如动脉、器官和身体脉管)。例如，微波消融系统用于消融肺部、肝脏、肾脏或身体其它区域中的肿瘤。

这些外科手术和治疗性应用需要一个有效的系统，该系统将射频能量传输到消融元件，消融元件将能量传输到目标组织部位。Ormsby等人的美国专利申请公开号20080015570描述了一种包括空心导电同轴电缆的组织消融系统，空心导电同轴电缆包括：第一内细长导电管状元件，具有远端部，第一管状元件具有空心的、轴向延伸的腔；第二细长导电元件，被布置为基本在电缆的长度上与第一导电管状元件的至少一部分基本同轴；电介质，布置在第一导电管状元件与第二导电管状元件之间；以及消融元件或射频天线，将包括微波的射频能量输送至身体组织且被布置在电缆的远端部处。射频天线适于接收和辐射电磁波频谱中通常大于300兆赫(MHz)的微波波段内的射频能量，以沿着生物消融路径消融生物组织。

典型的微波组织消融系统具有射频电源，射频电源沿同轴电缆或波导向天线提供射频能量。大多数现有的组织消融系统被设计为提供可大约为50欧姆的设定阻抗。然而，例如由于同轴电缆特性或治疗过程中组织的电磁性质的变化，系统的导管侧的阻抗趋于改变。已知不同类型的组织(例如心脏组织和肝脏组织)的介电常数是不同的。而且，当组织被治疗时组织的介电性质改变。这妨碍了固定的电磁射频供电电路实现在将最大射频能量输送至正被治疗的组织的过程中的最大性能。在Ormsby的第6,190,382号美国专利中，位于射频能量源与传输线或导管之间的微带变压器用于使50欧姆系统更接近消融天线阻抗。

在Ormsby等人的第7,070,595号美国专利中描述了组织消融系统和方法，其中，调整应用至导管的射频能量脉冲的输出频率以实现与射频天线和生物组织负载阻抗的基本匹配。在该系统中，双向耦合器对应用至微波传输线或同轴电缆的正向脉冲以及从目标消融组织反射回的反射脉冲进行采样，并将信号采样用作向控制器的反馈，控制器改变频率以减少反射信号，使得更多的能量被应用于正被消融的组织。Warner等人的第5,957,969号美国专利描述了一种机械调谐微波消融导管系统和方法，其具有位于电源、传输线或天线中的调谐器，其改变天线配置，使物质相对于天线移动或改变波导。

发明内容

本发明提供了一种改进的基于射频的消融系统，其被设置为消融包括患者心房的身体脉管的生物组织。

在一个实施方式中，基于射频(RF)的组织消融系统包括微波频率范围内的射频发生器，其适于与可定位在生物治疗部位或插入身体脉管的波导或探子进行射频能量传递。波导包括射频传输线以及位于波导远端部的射频天线，以接收和发送用于组织消融的射频能量。在射频天线被定位在身体脉管内之后，射频发生器被激活以将能量供给天线。在一个实施方式中，电可调谐变压器连接在射频发生器与射频传输线之间，变压器响应于检测到来自传输线的大于预定值的反射信号而被调谐，从而减少回波损耗。

消融系统中的反射信号是由于电源或射频信号发生器的阻抗与传输线和天线的阻抗之间的不匹配而产生的。天线阻抗根据天线输出端被引入的组织的电磁性质而变化。电可调谐变压器可位于传输线近端处的柄中，并使射频信号发生器的阻抗适应消融天线的阻抗。在一个实施方式中，定向耦合器连接在变压器与天线之间，反射功率由与定向耦合器连接的检测装置检测。检测装置具有与检测到的反射功率水平相称的输出，输出连接至控制器，控制器对变压器进行调谐以使检测器检测到的反射功率水平最小化或减少。这对天线进行调整，使得较少的能量被反射，因此更多的能量被应用到组织。

在阅读下面的详细描述和附图之后，本发明的其它特征和优点对本领域的普通技术人员来说将变得更加明显。

附图说明

通过研究附图可部分地获取关于本发明的结构及操作的详细信息，附图中相同的标号表示相同的部件，其中：

图1为并入变压器和用于调整变压器性能的控制电路的消融装置的示意图；

图2为变压器控制电路的一个实施方式的部分脱开(broken away)示意性方框图，变压器控制电路基于检测到的反射信号来调整变压器的阻抗；

图3为图2所示电路的更详细的框图；

图4为示出用于对图2和图3所示电路中的变压器阻抗进行控制的方法的一个实施方式的流程图；以及

图5示出图3所示的控制电路部件的多层布置的一个实施方式。

具体实施方式

本文公开的一些实施方式提供了射频能量传输装置，该装置包括用于传导射频(RF)能量(特别是微波能量)以消融生物组织的传输线。传输线可包括同轴的内导体和外导体，内导体和外导体延伸至电缆的远端部。传输射频能量(特别是微波能量)的消融元件(例如射频(RF)天线)位于电缆的远端部。射频发生器通过电可调谐变压器连接至电缆的近端，与变压器相关联的控制电路适于使由变压器处的检测装置检测到的反射功率减少或最小化。

在阅读本说明书后，如何通过各种替代实施方式和替代应用来实现本发明对本领域技术人员而言将变得显而易见。不过，虽然本文描述了本发明的多种实施方式，但是可以理解这些实施方式仅通过示例性而非限制性方式给出。如此，各种替代实施方式的这种详细描述不应被解释为限制在所附的权利要求书中所阐述的本发明的范围和广度。

图1示出射频消融系统的一个实施方式，射频消融系统包括用于生成射频信号的射频信号发生器或电源(未示出)和接收射频信号的波导装置或探子(probe)10。装置10包括波导或射频传输线12以及位于波导远端部的射频消融天线14，射频消融天线14适于定位在邻近生物组织部位。微波消融系统与2007年7月23日提交的共同未决申请序列号11/781,467以及2007年9月20日提交的共同未决申请序列号11/858,736(其全部内容通过引用并入本文)中所描述的相类似，但包括调谐控制电路18，调谐控制电路18被设计为基于从波导装置或探子检测到的反射功率来改变系统的射频发生器端处的有效阻抗。波导可包括内和外导电元件或同轴导体，其从位于设备近端处的柄15同轴延伸，并提供用于将射频信号传输至天线的传输线。

射频或微波信号发生器通过连接器16和同轴电缆17与波导连接，同轴电缆17与安装在柄15中的控制电路18连接。来自波导的输出信号通过柄并经由信号电缆19和信号连接器20与信号处理器(未示出)连接，例如，如2006年6月30日提交的共同未决申请序列号11/479,259中所描述的那样，其全部内容通过引用并入本文。温度检测电路还可位于柄内的印刷电路板上，从而将从探子10内的温度传感器接收的温度传感器信号连接至信号电缆19。

现有技术组织消融系统的一个问题是，波导和天线的有效阻抗通常不能与正被治疗的组织的有效阻抗很好地匹配。各种人体组织的介电常数和电导率变化。例如，根据联邦通信委员会(FederalCommunications Commission)(www.fcc.gov/fcc-bin/dielec.sh)编辑的数据库，肝脏的介电常数和电导率分别为46.76和0.86西门子(Siemens)，而肌肉所呈现的介电常数和电导率为约56.5和1.00西门子。此外，在消融过程中，组织与微波能量之间的动态相互作用持续改变组织的实际电磁性质。这限制了固定式电磁电路实现在将最大射频功率输送至被治疗组织中的最大性能的能力。

虽然大多数微波系统中使用的阻抗参考通常设置为50欧姆，但因为消融过程中使用的电缆直径的过度尺寸，所以上述50欧姆并不是适宜的值。较小的电缆直径对于限制组织进入点处的切口是可取的，这意味着标准的50欧姆阻抗水平并不是理想的。当消融天线的最终阻抗为电缆特性与组织的电磁性质的组合时出现了另外的困难。例如在Ormsby的第6,190,382号美国专利中描述了使用印刷电路板变压器来使50欧姆系统更接近消融天线阻抗，其全部内容通过引用并入本文。然而，这仍然仅提供了一个固定的阻抗值(通常为约30欧姆)，该值并不是对所有情况都理想。

图2和图3示出控制电路或系统18的一个实施方式，其包括变压器22和调谐部分，调谐部分基于检测到的反射信号对变压器的有效阻抗进行调整。在示出的实施方式中，电路16足够紧凑以使其被安装在微波天线探子或电缆装置10的柄12中，如图1所示。在一个实施方式中，电路可设置在印刷电路板上，或可使用低温共烧陶瓷技术(LTCC)制造在紧凑的多层衬底上，例如，如图5中所示的那样。消融探子或电缆装置的柄中阻抗更改系统的安装使其相对靠近消融天线放置，以减少损失。

如上所述，一些消融系统使用印刷电路板变压器将微波能量有效传输至正被治疗的组织。然而，这些系统产生恒定的阻抗降低并且不适用于呈现不同介电常数或具有随时间变化的性质(例如因为组织消融)的不同组织。当变压器被适当设计为使微波电源阻抗与天线和周围组织的有效阻抗紧密匹配时，例如通过控制电路看到的回波损耗或反射信号最少。然而，当组织负载改变时，回波损耗增加。图2至图4的控制或调谐系统和方法更改变压器以根据检测到的反射信号改变微波电源的有效阻抗，其又依赖于正被治疗的组织的有效阻抗。通过更改变压器特性，上述回波损耗可下降。

如图2所示，控制或阻抗调谐电路主要包括变压器22和定向耦合器24，变压器22从微波电源或发生器连接至微波信号电缆，定向耦合器24连接在变压器22与波导或传输线12的输入端之间。检测和判决电路26还与定向耦合器24连接，以监视来自波导25的反射信号。当反射信号超过预定值时，调谐短截线(tuning away)28在接合点29处通过射频信号控制器或开关30连接至微波发生器与天线之间的信号线，如下面结合附图3所描述的那样，射频信号控制器或开关30被检测和判决电路26控制。这有效地更改或增加了变压器的长度，并改变了微波电源的有效阻抗，使得较少的功率被反射。

图3为示出图2所示的控制电路的一个实施方式的组成部分的更详细的框图。在该实施方式中，变压器可被实现为微带变压器22。由不匹配的负载反射的射频能量被定向耦合器24采样并被射频检测器32检测，射频检测器32可以是检测器二极管。射频检测器32具有与滞后网络34连接的输出端，滞后网络34为控制电路提供滞后。这样的网络可通过许多方案执行，包括施密特触发器(Schmitt trigger)方法。滞后网络34的输出端与FET开关35连接。FET开关35的输出端与射频PIN二极管36连接，射频PIN二极管36还与调谐短截线28连接。无源元件38(例如电感或电容元件)设置在PIN二极管36的两侧上用于终止调谐部分。

来自探子的反射功率由定向耦合器检测或采样，并通过射频检测二极管32转换为直流电压。当在消融过程中组织的电磁性质改变时，所反射的功率增加，当导致电压的增加足以操作FET开关35时，FET被开启，转而使PIN二极管36开启，以将调谐短截线或调谐短截线部分28连接到电路中，从而减少了反射的功率并增加了到探子天线周围组织的能量输送。

图4示出了基于检测到的反射功率在两个值之间改变微波电源有效阻抗的方法的一个实施方式。一旦射频或微波发生器开启(步骤40)，定向耦合器24处的反射射频输出就被转换为电压，并在检测器32处被读取(步骤42)。如果电压高于预定最大值，则FET 35开启(步骤44)，并依次开启PIN二极管36(步骤45)和调谐短截线或短截线部分28(步骤46)，从而有效地增加了系统的射频电源侧的阻抗，其中，在该实施方式中预定最大值为100mV，但在可选的实施方式中可以为不同的选定值。定向耦合器继续对反射的功率采样，反射的功率在检测器32处被转换为直流电压。只要检测到的电压高于预定值，短截线就保持开启。如果检测到的电压降至选定的最小值之下，则FET 35关闭(步骤48)，并依次关掉PIN二极管36(步骤50)和调谐短截线28(步骤52)。在一个实施方式中，调谐短截线被断开的最小反射功率信号值为30mV，而在调谐短截线被连接到电路之前的最大反射功率信号值为100mV(如图4所示)，但在可选的实施方式中，可选择用于对调谐部分接入电路或从电路断开进行控制的其它最大值和最小值。滞后装置或网络34使电路不易受噪声影响，并减少两个阻抗水平之间转换过快的风险。

因为控制电路设置在柄15中，所以由于空间限制，控制电路应相对较小。在一个实施方式中，控制电路18在印刷电路板上的单层中实现。因为传统的电路板制造技术不允许无源元件嵌入衬底中，所以在印刷电路板衬底中仅包括微带变压器和调谐部分。其余部件分离地应用于印刷电路板衬底表面。

在其它实施方式中，控制电路或系统可使用低温共烧陶瓷(LTCC)技术或厚膜混合技术来制造。LTCC技术允许多个射频无源部件以紧凑的方式被集成。图5示出了被集成到多层LTCC装置55中的控制电路或系统的一个实施方式。LTCC技术的一个优点在于其允许多层堆叠在一起，这些层之间通过接触来结合。如图5所示，控制装置55具有多个LTCC层56，多个LTCC层56具有集成到层中或设置在层的所选侧上的部件，这些部件通过接触与相邻层的部件连接。在图5中，安装在最下层底侧上的部件用虚线轮廓指出。

上述实施方式中的调谐系统和方法使微波消融系统的电源侧处的有效阻抗根据检测到的反射功率在两个不同值之间变化。只要检测到的反射功率水平低于预定最大值，阻抗就保持在初始的较低设定下。但是，如果检测到的功率水平超过预定最大值，则调谐短截线部分连接到电路中且阻抗升高到第二较高值。只要检测到的功率高于预定最小值，则调谐短截线部分保持开启。如果检测到的反射功率降至最小值之下，则关掉调谐短截线部分。由于调谐系统在探子或消融装置的柄中的位置靠近将射频或微波能量传输至周围组织的天线，调谐系统的有效性增加。调谐系统被设计为相对紧凑，从而装配到柄中可用的相对小空间。该系统允许变压器基于待治疗组织的介电性质进行更改，而不需要为不同类型的组织选择完全不同的消融装置。系统可通过并入附加的调谐短截线提供多于两个的不同阻抗值，附加的调谐短截线在不同反射功率水平下有选择地开启。

上述公开的实施方式的描述使本领域的任一技术人员能够制造或使用本发明。这些实施方式的各种变型对本领域的技术人员来说是显而易见的，本文中所描述的一般原理可在不背离本发明的精神或范围的前提下应用到其它实施方式中。因而可理解，本文给出的说明书和附图表示本发明目前优选的实施方式，因此代表本发明宽泛地预期的主题。可进一步理解，本发明的范围完全包含可对本领域的技术人员显而易见的其它实施方式，因此本发明的范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (17)

1.一种传输射频能量以消融生物组织的消融系统，包括：

射频信号传输线，具有近端和远端；

天线，与所述传输线的远端电耦合，并适于接收和辐射用于消融生物组织的射频能量；

柄，与所述传输线的近端耦合；

射频电源，连接至所述柄；

阻抗控制电路，安装在所述柄中且位于射频信号发生器与所述传输线的近端之间，

所述阻抗控制电路包括：变压器，更改所述射频电源的有效阻抗；调谐短截线，有选择地与所述变压器连接，以将所述电路的有效阻抗从第一有效阻抗值调节至第二有效阻抗值，其中所述第二有效阻抗值高于所述第一有效阻抗值；开关，控制所述调谐短截线与所述变压器的连接；检测器，在所述天线被置于生物组织附近时监视从所述组织向所述天线反射的反射功率，并在所述反射功率高于预定水平时驱使所述开关将所述调谐短截线连接至所述变压器。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述阻抗控制电路在印刷电路板上实现。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述阻抗控制电路还包括至少一层单片衬底。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述阻抗控制电路包括多个部件和多层单片衬底材料，每层单片衬底材料承载所述阻抗控制电路的选定部件。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述阻抗控制电路衬底材料为低温共烧陶瓷。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述变压器为微带变压器。

7.如权利要求1所述的系统，其中，当检测到的反射功率低于选定的第二水平时，所述检测器驱使所述开关关掉所述调谐短截线。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述检测器适于将接收到的反射功率信号转换为直流电压，选定的第一水平为100mV。

9.如权利要求8所述的系统，其中，当转换的功率信号低于30mV时，所述检测器驱使所述开关关掉所述调谐短截线。

10.一种微波消融系统，包括：

射频天线，定位在邻近生物组织部位；

传输线，具有第一端和第二端，所述第一端与所述射频天线连接；

射频信号发生器，适于生成在所述传输线中传输至所述射频天线的一串射频脉冲；

与所述射频信号发生器相关联的阻抗控制电路，当所述射频天线被定位在邻近待治疗的生物组织部位时，所述阻抗控制电路基于检测到的反射信号对所述系统的射频信号发生器部分的阻抗进行更改；以及

所述阻抗控制电路具有：可变阻抗，具有两个不同的有效阻抗水平；检测器，监视所述反射信号；以及控制器，接收所述检测器输出并基于检测到的反射信号水平使所述可变阻抗在第一阻抗与高于所述第一阻抗的第二阻抗之间转变，当所述反射信号高于第一预定值时，所述控制器从所述第一阻抗转变为所述第二阻抗，当所述反射信号低于第二预定值时，所述控制器从所述第二阻抗转变为所述第一阻抗。

11.如权利要求10所述的系统，还包括位于所述传输线的第二端处的柄，所述阻抗控制电路安装在所述柄中。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述阻抗控制电路包括印刷电路板。

13.如权利要求11所述的系统，其中，所述阻抗控制电路在多层低温共烧陶瓷衬底上实现。

14.如权利要求10所述的系统，其中，所述第一预定值为100mV。

15.如权利要求10所述的系统，其中，所述第二预定值为30mV。

16.如权利要求10所述的系统，其中，所述阻抗控制电路还包括变压器和调谐短截线，在所述反射信号高于所述第一预定值时所述调谐短截线适应性地耦合至所述变压器以增加所述有效阻抗。

17.如权利要求16所述的系统，其中，所述阻抗控制电路还包括开关，当所述反射信号高于所述第一预定值时所述开关开启所述调谐短截线，以及当所述反射信号低于所述第一预定值时所述开关关掉所述调谐短截线。

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