KR102254258B1 - 이중-기능 플라스마 및 비-이온화 마이크로파 응고 전기 수술 기기 및 이를 포함하는 전기 수술 장치 - Google Patents
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Abstract
표면 응고를 수행하는 플라스마를 생성하고 더 깊은 레벨에서 응고를 수행하는 비-이온화 마이크로파 장(플라스마의 부재 시)을 방출할 수 있는 전기 수술 디바이스. 상기 디바이스는, 생성기로부터 무선주파수(RF) 및/또는 마이크로파 주파수 에너지를 수신하도록 연결되고 또한 가스 흐름 경로를 한정하는 프로브 첨단을 포함한다. 상기 프로브 첨단은 가스 흐름 경로에 걸쳐 수신된 RF 및/또는 마이크로파 주파수 에너지로부터 높은 전계를 생성하여 플라스마를 점화하여 유지하는 2극(예를 들어 동축) 구조물을 한정하는 제1 구성과, 비-이온화 마이크로파 에너지를 조직으로 방출하는 안테나 구조물을 한정하는 제2 구성 사이에서 조절가능하다.
Description
본 발명은 무선주파수 및/또는 마이크로파 주파수 에너지를 사용하여 (즉, 혈액 응고를 촉진하여 파괴된 혈관을 봉합하는) 지혈을 야기하여 생체 조직을 치료하는 전기 수술 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 흐름과 함께 무선주파수(RF) 및/또는 마이크로파 에너지를 사용하여 열적 플라스마(thermal plasma)를 점화(strike)하여 유지(sustain)하는 수술 장치에 관한 것이다.
아르곤 플라스마 응고(argon plasma coagulation: APC) 또는 아르곤 빔 응고(argon beam coagulation: ABC)는 플라스마를 전달하는 수술 프로브와 병변(lesion) 사이에 물리적인 접촉을 요구하지 않는 방식으로 표면 출혈을 제어하는 알려진 수술 기술이다. APC는 내시경으로 수행되고, 이에 의해 아르곤 가스 제트가 내시경을 통과한 프로브를 통해 지나간다. 아르곤 가스가 방출되어 이온화하면 플라스마를 생성하여 응고를 야기한다.
플라스마를 점화하기 위해 높은 전계(예를 들어. 높은 전압 또는 높은 임피던스 상태)를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 가스를 항복(break down)시켜 플라스마를 생성하는데 필요한 높은 전압(높은 전계)을 구현하기 위해 높은 임피던스 상태를 설정하는 것이 필요하다. WO 2009/060213에 설정된 일 실시예에서, 높은 전압(높은 임피던스) 상태는 낮은 주파수(예를 들어, 무선주파수) 발진기 회로와, 이 낮은 주파수 발진기 회로에 적절한 드라이버와 스위칭 디바이스(예를 들어, 게이트 드라이브 칩과 전력 MOSFET 또는 BJT)에 의해 연결된 제1차 권선을 갖는 변압기를 사용하는 플라이백 회로(flyback circuit)를 사용하여 설정된다. 이 배열은 플라스마를 점화하거나 개시하는 높은 전압 펄스 또는 스파이크(spike)를 생성한다. 플라스마는 일단 점화되면 마이크로파 에너지를 공급하는 것에 의해 유지될 수 있다.
가장 일반적으로, 본 발명은 플라스마를 생성하여 표면 응고를 수행하고 (플라스마 부재 시) 비-이온화 마이크로파 장을 방출하여 더 깊은 레벨에서 응고를 수행할 수 있는 전기 수술 디바이스를 제공한다. 전자의 기능은 예를 들어 표면 출혈을 치료하는 종래의 APC 기술과 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 후자의 기능은 위궤양을 치료하거나 또는 큰 혈관을 응고시키는데 사용될 수 있다.
전술한 이중 기능을 달성하기 위하여, 본 발명의 전기 수술 디바이스는 2개의 구성(configuration) 사이에 조절가능한 프로브 첨단을 포함한다. 상기 프로브 첨단은 생성기로부터 무선주파수(RF) 및/또는 마이크로파 주파수 에너지를 수신하도록 연결되고, 또한 가스 흐름 경로를 한정한다. 제1 구성에서, 상기 프로브 첨단은 상기 가스 흐름 경로에 걸쳐 수신된 RF 및/또는 마이크로파 주파수 에너지로부터 높은 전계를 생성하여 플라스마를 점화하여 유지하는 2극(bipolar)(예를 들어, 동축) 구조물을 한정한다. 제2 구성에서, 상기 프로브 첨단은 비-이온화 마이크로파 에너지를 조직으로 방출하는 안테나 구조물을 한정한다. 상기 안테나 구조물은 상기 수신된 마이크로파 주파수 에너지로부터 전계를 외부쪽으로 (즉, 프로브로부터 멀리) 방출할 수 있는 실린더, 볼(ball), 강성의 와이어 또는 나선형 또는 회전식(turnstile) 안테나 형상을 취할 수 있는 복사 단극 안테나(radiating monopole antenna)일 수 있다. 따라서, 제1 구성에서 상기 디바이스는 RF 에너지와 마이크로파 에너지 중 하나 또는 둘 모두를 사용할 수 있는 반면, 제2 구성에서, 상기 디바이스는 바람직하게는 마이크로파 에너지를 사용한다.
상기 2극 구조물은 내부 전도체와 외부 전도체를 포함할 수 있다. 상기 외부 전도체는 상기 제1 구성과 제2 구성 사이에서 프로브 첨단을 조절하도록 상기 내부 전도체에 대해 인입가능(retractable)할 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 전도체와 외부 전도체가 동축으로 배열된 경우, 상기 외부 전도체는 내부 전도체를 둘러싸는 (제1 구성에 대응하는) 제1 위치로부터, 축방향으로 후방쪽으로 (즉, 디바이스의 근위 단부 쪽으로) 변위되어 내부 전도체를 노출시키는 (제2 구성에 대응하는) 제2 위치로 인입될 수 있다.
제1 구성에서, 상기 플라스마는 RF 에너지 또는 마이크로파 에너지를 사용하여 점화될 수 있다. 마이크로파 에너지를 사용하여 점화된 플라스마를 유지할 수 있다. 이 배열은, 조직의 변동으로 야기된 부하와 케이블의 커패시턴스로 인해 전계가 붕괴될 수 있는 종래의 전기 수술 시스템에서 사용되는 RF 플라스마에 비해 장점을 제공할 수 있다.
플라스마의 임피던스는 바람직하게는 마이크로파 에너지의 주파수에서 어플리케이터(applicator)(및 에너지 전달 시스템)의 임피던스에 매칭되어 마이크로파 소스에 의해 생성된 마이크로파 에너지를 플라스마로 효율적으로 전달할 수 있다. 마이크로파 에너지가 사용된 경우, 어플리케이터 및/또는 생성기는 (정적으로 또는 동적으로) 튜닝되어 플라스마가 조직에 의해 제시된 부하에 매칭될 수 있는 것을 보장할 수 있다. 마이크로파 주파수에서, 케이블은 분배된 요소 전송 라인을 형성하고, 여기서 어플리케이터와 에너지 소스 사이에 임피던스 매칭은 마이크로파 생성기의 소스 임피던스, 케이블(전송 라인)의 특성 임피던스, 어플리케이터 구조물 그 자체의 임피던스, 및 조직의 임피던스에 의해 결정된다. 케이블의 특성 임피던스가 소스의 출력 임피던스와 동일한 경우 모든 마이크로파 전력은 케이블에 의해 야기되는 감쇠(유전체와 전도체의 손실) 없이 어플리케이터로 전달될 수 있다. 어플리케이터와 조직의 임피던스가 케이블의 특성 임피던스와 동일한 경우, 소스에서 이용가능한 최대 전력이 플라스마/조직의 부하로 전달될 수 있다. 후술되는 바와 같이 어플리케이터와 플라스마/조직의 부하 사이에 최상의 임피던스 매칭을 유지하기 위하여 어플리케이터 구조물에 조절이 이루어질 수 있다. 또한 제1 케이블의 원위 단부와 제2 (기기) 케이블의 근위 단부 사이 인터페이스에 또는 생성기에 조절이 이루어질 수 있다. 이 조절은 매칭 네트워크의 커패시턴스 및/또는 인덕턴스의 변화로 이루어질 수 있고, 즉 스터브 튜닝으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 "마이크로파 주파수"는 폭넓게 400㎒ 내지 100㎓의 주파수 범위, 바람직하게는 1㎓ 내지 60㎓의 범위를 나타내는데 사용될 수 있다. 고려되는 특정 주파수는 915㎒, 2.45㎓, 3.3㎓, 5.8㎓, 10㎓, 14.5㎓ 및 24㎓이다. 이와 대조적으로, 본 명세서에서 사용되는 "무선주파수" 또는 "RF"는 적어도 3자리수(order of magnitude) 이하, 예를 들어, 최대 300㎒, 바람직하게는 10㎑ 내지 1㎒의 주파수 범위를 나타낸다.
본 발명의 일 측면에 따라, 무선주파수(RF) 및/또는 마이크로파 주파수 전자기(EM) 에너지를 운반하는 동축 케이블과, 상기 동축 케이블의 원위 단부에 연결되고 상기 RF 및/또는 마이크로파 에너지를 수신하는 프로브 첨단을 포함하는 세장형 프로브; 및 가스를 상기 세장형 프로브를 통해 상기 프로브 첨단으로 운반하는 가스 통로를 포함하는 전기 수술 기기로서, 상기 동축 케이블은 내부 전도체, 외부 전도체, 및 상기 외부 전도체로부터 상기 내부 전도체를 분리시키는 유전체 물질을 포함하고, 상기 프로브 첨단은 상기 동축 케이블의 내부 전도체에 연결된 제1 전극과 상기 동축 케이블의 외부 전도체에 연결된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 상기 제1 전극과 제2 전극이 상기 가스 통로로부터 수신된 가스 흐름 경로에 걸쳐 수신된 RF 및/또는 마이크로파 주파수 EM 에너지로부터 전계를 생성하여 열적 플라스마 또는 비-열적 플라스마(non-thermal plasma)를 생성하도록 배열된 제1 구성과, 상기 제1 전극이 상기 제2 전극을 넘어 원위로 연장하여 상기 프로브 첨단으로부터 외부쪽으로 마이크로파 EM 장을 방출하는 복사 구조물을 형성하는 제2 구성 사이에서 서로에 대해 이동가능한, 상기 전기 수술 기기가 제공된다. 따라서, 제1 구성에서 상기 기기는 생체 조직의 표면(또는 표피) 응고 및/또는 생체 조직 또는 기기의 살균/소독에 적절한 플라스마를 생성하도록 동작할 수 있다. 상기 가스는 아르곤, 또는 임의의 다른 적절한 가스, 예를 들어 이산화탄소, 헬륨, 질소, 공기와 이들 가스 중 임의의 것의 혼합물, 즉 10% 공기/90% 헬륨일 수 있다. 상기 플라스마를 점화하는 높은 전계는 상기 프로브 첨단에서 상기 RF EM 에너지 또는 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 높은 임피던스 상태를 생성하는 것에 의해 야기될 수 있다. 이것은 상기 제1 전극과 제2 전극에 대해 적절한 형상을 선택하는 것을 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 절연 유전체 물질, 예를 들어, 석영 또는 다른 유사하게 낮은 손실 물질의 부재(piece)는, 제1 구성에서 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치될 수 있다. 이것은 임피던스를 증가시켜 높은 전계를 용이하게 생성할 수 있다. 제1 구성에서, 상기 제2 전극은 비-이온화 복사선이 방출되지 않는 것을 보장하기 위해 상기 제1 전도체를 지나 (예를 들어, 제1 전도체보다 더 원위로) 연장되도록 배열될 수 있다.
제2 구성에서, 상기 프로브는 생체 조직을 더 깊이 응고시키거나 또는 살균하는 마이크로파 EM 장 형태로 마이크로파 주파수 에너지를 복사할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 기기는 RF 에너지와 마이크로파 EM 에너지를 수신할 수 있다. 상기 RF EM 에너지는 플라스마를 점화하기 위한 것일 수 있고, 높은 전압 펄스로 수신될 수 있다. 상기 마이크로파 EM 에너지는 플라스마를 유지하기 위한 것인데, 즉 전력을 플라스마에 전달하여 이온화 상태를 유지하기 위한 것이다. 이것은 펄스로 수신될 수도 있다. 상기 플라스마는 플라스마의 준 연속 빔을 생성하는 방식으로 반복적으로 점화될 수 있다. RF EM 에너지만을 사용하는 종래의 APC 디바이스에 비해 이런 배열의 장점은 건조 환경에서부터 습한 환경으로 용량성 부하가 가해지거나 또는 변화하는 것으로 인해 플라스마가 붕괴되지 않는다는 것이다. 나아가, 기기의 이중 구성 특성을 통해 기기는 깊은 응고에 적절한 상태로 스위칭할 수 있고, 여기서 제2 전극(및 절연 유전체 물질)은 제1 전극이 노출되는 거리만큼 인출되어 후술된 바와 같이 복사 마이크로파 단극 안테나 구조물로 동작한다.
또한 예를 들어 마이크로파 공진기 또는 임피던스 변압기, 즉 낮은 전압을 더 높은 전압으로 변환하여 동작 주파수에서 1/4 파장(또는 그 홀수배) 길이를 가지는 더 높은 임피던스 전송 라인을 사용하여 플라스마를 점화하는 1/4 파장 변압기를 사용하여 마이크로파 주파수 에너지를 사용하여 플라스마를 점화할 수 있다. 이 높은 임피던스 라인은 스위칭인(switched in)되어 플라스마를 점화하고 나서 플라스마가 점화되고 플라스마를 유지하는 것이 요구되면 스위칭아웃(switched out)하는 (즉, 더 낮은 임피던스 라인으로 리턴하는) 것이 가능할 수 있다. 전력 PIN 또는 버랙터(varactor) 다이오드를 사용하여 바람직하게는 2개의 상태들 사이를 스위칭할 수 있으나, 동축 또는 도파로 스위치를 사용하는 것이 가능할 수 있다.
상기 세장형 프로브는 동축 케이블을 둘러싸는 슬리브를 포함할 수 있다. 상기 슬리브는 동축 케이블을 보호하도록 동작할 수 있으나, 또한 예를 들어 상기 슬리브의 내부 표면과 상기 동축 케이블의 외부 표면 사이의 공간으로 가스 통로를 한정할 수도 있다. 상기 가스 통로는 가스 소스(예를 들어, 가압된 가스 통 등)에 연결하기 위해 슬리브의 근위 단부에 위치된 입력 포트를 구비할 수 있다.
나아가 상기 슬리브는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상대적인 이동을 야기하는 수단일 수 있다. 상기 제1 전극과 제2 전극들 사이에 상대적인 이동은 마이크로파 동축 케이블 위에서 전도성(예를 들어, 금속성) 카테터(catheter)를 슬라이딩하는 것에 의해 달성될 수 있고, 동축 케이블의 외부 전도체는 또한 금속성일 수 있다. 이 구성에서 카테터(또는 동축 케이블 위에서 슬라이딩하는 튜브)의 내부 표면은 동축 케이블의 외부 전도체와 우수한 전기적 접촉을 하여야 한다. 이것은 제2 전극 또는 동축 케이블의 외부 전극에 대해 슬라이딩가능하고 가스가 흐를 수 있는 가스 투과성 전도성 구조물을 제공하는 것에 의해 달성될 수 있다. 가스 투과성 전도성 구조물은 전도성 메쉬(mesh); 방사방향으로 연장되는 전도성 와이어 또는 스프링의 케이지(cage); 및 복수의 외주 방향으로 이격된 방사방향으로 돌출하는 덴트(dent) 중 임의의 어느 하나일 수 있다. 상기 가스 투과성 전도성 구조물은 복수의 (예를 들어, 4개 이상의) 외주방향 연결(circumferential connection)을 제공할 수 있고 또는 마이크로파 신호에 대해 우수한 전기적 연결이 이루어지는 것을 보장하기 위해 점 접촉이 이루어질 것이 요구될 수 있다. 이 해법은 마이크로파 에너지를 전파시키기에 적절한 환경을 생성하는 것, 충분한 가스 흐름을 허용하는 것, 및 외부 카테터를 동축 케이블 위에서 상대적으로 용이하게 이동시키기에 충분한 연결 점을 구비하는 것 사이에 밸런스를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전극은 상기 슬리브의 원위 단부에 장착되거나 형성될 수 있고, 상기 슬리브는 상기 동축 케이블에 대해 인입가능할 수 있다. 다시 말해, 상기 슬리브는 상기 프로브 첨단에서 제1 전극을 드러내도록 후퇴될 수 있다. 상기 슬리브는 상기 동축 케이블과 동축일 수 있다. 따라서 상기 제1 전극과 제2 전극은 제1 구성에서 서로 동축일 수 있다. 상기 제2 전극은 상기 슬리브의 원위 단부에 전도성 물질의 환형 밴드(annular band)일 수 있다. 전술한 유전체 물질은 환형 밴드의 내부쪽으로 슬리브 상에 장착된 석영 칼라일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 유전체 물질은 후술된 바와 같이 내부 전극의 일부일 수 있다.
상기 인입 슬리브는 2개 이상의 신축식 구획(telescoping section)을 포함할 수 있다. 상기 신축식 구획은 이들 사이에 가스가 누설되는 것을 방지하는 유체 기밀(fluid-tight) 밀봉을 구비할 수 있다. 상기 슬라이딩가능한 외부 슬리브는 기계 또는 전기기계 시스템, 즉 기계 슬라이더, 선형 모터 또는 스테퍼 모터 배열을 사용하여 인입되거나 연장될 수 있다. 후술된 바와 같이, 동축 케이블의 외부 전도체에 대해 외부 슬리브의 위치는 생성기 내 또는 프로브 내 검출기(들)를 사용하여 반사된 전력 또는 순방향 및 반사된 전력 측정, 즉 반사계(reflectometer) 또는 VSWR 브리지 측정을 사용하여 이루어진 리턴 손실 또는 임피던스 매칭/비매칭 측정에 의해 결정될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 동축 케이블 그 자체는 상기 슬리브 내에 이동가능할 수 있다. 이런 배열에서 슬리브는 고정될 수 있고, 예를 들어 수동 슬라이더 또는 슬리브 내에서 동축 케이블을 슬라이딩하기 위해 본 명세서에서 언급된 이동 기구 중 어느 것을 포함할 수 있는 근위 핸드피스(handpiece)에 고정될 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 동축 케이블로부터 RF 에너지 및/또는 마이크로파 EM 에너지를 수신하도록 결합된 복사 마이크로파 단극 안테나 구조물일 수 있다. 상기 동축 케이블의 외부 전도체는 언밸런스된 공급부를 형성하도록 접지되거나 또는 안테나에 밸런스된 공급부를 형성하도록 플로팅될 수 있고, 즉 여기서 두 전도체의 전압은 업(up) 및 다운(down)된다. 바람직하게는 상기 제1 전극은 수신된 마이크로파 EM 복사선에 대응하는 마이크로파 장을 방출하는 마이크로파 안테나로 동작하도록 형성된다. 예를 들어, 상기 단극 복사 구조물은 외부 전도체를 넘어 돌출하고 유전체 물질의 실린더를 통해 연장하여 그 반구형 원위 단부에서 돌출하는 동축 케이블의 내부 전도체의 길이를 둘러싸는 반구형 원위 단부를 구비하는 유전체 물질의 실린더를 포함할 수 있다. 다른 원위 단부 형상, 예를 들어 볼 또는 평평한 단부도 가능하다. 상기 실린더는 낮은 손실 세라믹 물질로 만들어질 수 있다. 유전체 실린더의 존재는 예를 들어 반사된 전력의 양을 감소시키는 것에 의해 조직으로 에너지 전달을 개선할 수 있다. 상기 실린더의 반구형 원위 단부로부터 돌출하는 내부 전도체의 길이의 단부는 둥근 형상(rounded), 예를 들어, 반구로 형성되어, 보다 균일한 방출된 장을 제공할 수 있다.
바람직하게는 단극 복사 구조물(즉 제2 구성에서 제1 전극)은 마이크로파 EM 복사선의 주파수에서 혈액의 임피던스에 잘 매칭되어 혈액으로 효율적으로 결합되는 비-이온화 복사선을 생성하여 제어된 응고를 야기하도록 배열된다.
동축 케이블의 외부 전극은 가스가 흐를 수 있는 전도성 메쉬에 의해 제2 전극에 연결될 수 있다. 전도성 메쉬는 프로브의 통로에, 즉 동축 케이블과 상기 슬리브 사이의 공간에 장착될 수 있다. 대안적으로, 동축 케이블과 슬리브 사이의 공간은 예를 들어 슬리브에 또는 이 슬리브의 일부에 연결된 분할기 요소들에 의해 복수의 서브-통로로 분할될 수 있다. 이 상황에서, 분할기 요소들 또는 별개의 커넥터 요소는 동축 케이블의 외부 전도체와 제2 전극 사이에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 또한 제2 전극에 솔더링되거나 또는 크림프(crimped)될 수 있는 하나의 가요성 와이어 또는 스트립에 의해 연결이 이루어질 수 있다.
상기 프로브는 복강경으로 사용될 수 있거나 또는 관찰 디바이스(scoping device)를 통해, 예를 들어 내시경, 위내시경, 기관지경의 기기 채널 등을 통해 삽입가능한 사이즈로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 동축 케이블은 2.5㎜ 이하, 바람직하게는 2.2㎜ 이하의 직경을 구비할 수 있다. 상기 슬리브는 2.6㎜ 미만, 바람직하게는 2.5㎜ 미만의 외부 직경을 구비할 수 있다. 더 큰 복강경 기기에서, 상기 외부 직경은 3㎜ 이상일 수 있고, 더 큰 직경의 동축 케이블이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 응고를 수행하는 전기 수술 장치로서, 마이크로파 EM 에너지를 생성하는 마이크로파 신호 생성기; 상기 마이크로파 EM 에너지를 수신하도록 연결된 전술한 바와 같은 전기 수술 기기; 상기 마이크로파 EM 에너지를 상기 프로브에 운반하는 공급 구조물로서, 상기 공급 구조물은 상기 프로브를 상기 마이크로파 신호 생성기에 연결하는 마이크로파 채널을 구비하는, 상기 공급 구조물, 가스를 전기 수술 기기에 공급하도록 연결된 가스 공급부를 포함하고, 상기 장치는, 상기 전기 수술 기기가 제1 구성에 있고 가스가 이 전기 수술 기기에 공급될 때, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 마이크로파 EM 에너지는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 가스 플라스마를 점화하거나 및/또는 유지하도록 배열된 표면 응고 모드에서; 그리고 상기 전기 수술 기기가 가스가 이 전기 수술 기기에 공급됨이 없이 제2 구성에 있을 때, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 상기 마이크로파 EM 에너지가 상기 프로브 첨단으로부터 외부쪽으로 비-이온화 전계를 방출하도록 배열된 깊은 조직 응고 모드에서 동작가능한, 상기 전기 수술 장치가 제공된다. 상기 장치는 제1 주파수를 구비하는 RF 전자기(EM) 에너지를 생성하는 무선주파수(RF) 신호 생성기를 포함할 수 있고, 상기 마이크로파 주파수 EM 에너지는 상기 제1 주파수를 초과하는 제2 주파수를 구비하고, 상기 공급 구조물은 상기 프로브를 상기 RF 신호 생성기에 연결하는 RF 채널을 포함하고, 상기 표면 응고 모드에서, 상기 장치는 상기 RF EM 에너지를 상기 프로브 첨단에 전달하여 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 가스 플라스마를 점화하도록 배열된다.
상기 장치는 RF EM 복사선의 펄스(또는 펄스들)를 상기 프로브에 전달하여 흐름 경로에 걸쳐 높은 전계를 생성하여 플라스마를 점화하도록 배열된 점화 신호 생성 회로를 포함할 수 있고, 상기 점화 신호 생성 회로는 상기 마이크로파 채널에서 마이크로파 EM 복사선의 펄스의 검출가능한 특성을 사용하여 RF EM 복사선의 펄스의 생성을 트리거하도록 배열된 제어 회로를 포함한다. 상기 RF EM 복사선은 상기 플라스마를 점화하는데 사용되는 반면, 상기 마이크로파 EM 복사선은 상기 플라스마를 유지하는데 사용된다. 전술한 바와 같이 마이크로파 EM 복사선의 펄스와 함께 RF 점화 펄스의 전달을 조정하는 것에 의해, 상기 장치는 보다 확실히 플라스마를 점화할 수 있다.
상기 장치는 마이크로파 채널 상의 순방향 및 반사된 전력을 샘플링하고 이로부터 상기 프로브에 의해 전달되는 마이크로파 전력을 나타내는 마이크로파 검출 신호를 생성하는 마이크로파 신호 검출기; 및 상기 마이크로파 신호 검출기와 통신하며 상기 마이크로파 검출 신호를 수신하는 제어기를 더 포함할 수 있고, 상기 제어기는 상기 마이크로파 EM 복사선에 대한 에너지 전달 프로파일을 선택하도록 동작가능하고, 상기 마이크로파 EM 복사선에 대한 에너지 전달 프로파일은 조직을 응고시키기 위한 것이며, 상기 제어기는 상기 마이크로파 신호 생성기에 대한 마이크로파 제어 신호를 출력하도록 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서를 포함하고, 상기 마이크로파 제어 신호는 상기 마이크로파 EM 복사선에 대한 에너지 전달 프로파일을 설정하기 위한 것이고, 상기 제어기는 상기 수신된 마이크로파 검출 신호에 기초하여 마이크로파 제어 신호에 대한 상태를 결정하도록 배열된다. 상기 배열은 상기 반사된 마이크로파 신호를 측정하는데 사용될 수 있고, 상기 마이크로파 검출 신호는 플라스마가 점화되었는지 여부를 나타낸다. 상기 신호 검출기는 또한 상기 순방향 및 반사된 마이크로파 EM 복사선을 연속적으로 모니터링하여 플라스마 전달 동안 최상의 임피던스 매칭을 유지하는 것을 보장하도록 배열될 수 있다. 상기 마이크로파 신호 검출기는 순방향 및 반사된 신호 검출기(예를 들어 상기 마이크로파 채널에 대한 적절한 지향성 전력 커플러)를 포함할 수 있다. 상기 검출기는 신호 크기만을 검출하도록 배열될 수 있고, 예를 들어 이 검출기는 다이오드 검출기일 수 있다. 대안적으로, 상기 검출기는 크기와 위상을 검출하도록 배열될 수 있고, 예를 들어 이들 검출기는 헤테로다인 검출기일 수 있다. 상기 마이크로파 검출 신호는 리턴 손실 또는 임피던스 매칭 정보를 나타낼 수 있다. 전기 수술 기기의 제1 전극과 제2 전극의 상대 위치는 (즉, 플라스마가 생성되고 있을 때) 설정 리턴 손실 임계값, 즉 8㏈, 10㏈ 또는 12㏈에 도달될 때까지 표면 응고 모드에서 제어기에 의해 조절될 수 있다.
상기 장치는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 상대적 이동을 야기하는 이동 기구를 포함할 수 있고, 여기서 상기 제어기는 상기 수신된 마이크로파 검출 신호에 기초하여 제어 신호를 상기 이동 기구로 전송하도록 배열된다. 상기 이동 기구는 기계적일 수 있고, 예를 들어 상기 기기의 수술자에 의해 수동으로 제어될 수 있다. 상기 이동 기구는 기기의 원위 단부에 위치된 작동체, 예를 들어 레버 또는 풀 암, 예를 들어, 수동으로 이동되는 슬라이딩 또는 회전 기구를 포함할 수 있다.
그러나, 또한 본 명세서에서 예를 들어 전기기계 기구를 사용하여 자동화 방식으로 제1 전극과 제2 전극의 상대적인 이동을 제어(즉, 상기 제1 구성과 제2 구성을 설정)하는 것이 고려된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 치료 사이트(treatment site)에서 혈액의 흐름률에 따라 슬리브를 자동적으로 이동시키고 가스 공급을 동작시키도록 배열된 구성 제어기가 있을 수 있다. 이런 특징을 사용하여 유리한 방식으로 큰 출혈을 처리하고 건강한 조직을 가열하는 깊이를 제한하는 것을 보장할 수 있다.
나아가, 제어기는 플라스마에 임피던스 매칭을 제어하는 수단으로 이동 기구를 자동적으로 동작시키도록 배열될 수 있다. 마이크로파 채널 상의 반사된 및 순방향 전력 측정을 사용하여 리턴 손실 측정 또는 임피던스 매칭에 기초하여 전기기계 작동체(PZT 작동체, 자기 변형 작동체, 스테퍼 모터, 선형 모터)에 의해 또는 수동으로 이동시켜 내부 동축 케이블(또는 동축 케이블에 부착된 내부 전극)에 대하여 외부 카테터의 위치를 제어할 수 있다. ABC 또는 표면 응고를 수행하는 동안 깊은 또는 다량 출혈이 발생하면 플라스마가 진화(extinguished)되어, 즉 10㏈(우수한 매칭)로부터 2㏈(불량한 매칭)로 리턴 손실 측정 변화를 초래할 수 있다. 본 발명에서, 외부 슬리브는 자동적으로 이동되어 마이크로파 안테나를 전개시켜 이온화 가스(플라스마) 대신에 혈액 또는 혈관에 비-이온화 마이크로파 에너지를 결합시켜 더 깊은 응고를 생성하여 더 많은 출혈을 처리할 수 있다.
구성 제어기는, 슬리브 또는 동축 케이블에 연결되고 서로에 대해 제1 전극과 제2 전극을 이동시키는 스테퍼 모터 또는 선형 모터를 포함할 수 있다. 제1 전극의 이동은 또한 임피던스 매칭 또는 리턴 손실 측정 대신에 또는 이에 더하여 흐름률 측정에 기초할 수 있다. 이 경우에, 동작 모드는 표면 응고(ABC)로부터 더 깊은 응고로 자동적으로 변화되어 (단극 안테나를 연장시켜 비-이온화 마이크로파 복사선을 전달하여) 혈액 흐름 율의 증가에 기초하여 깊은 응고를 생성한다.
구성 제어기는, 기기가 제2 구성으로 이동할 때 가스 공급을 제어하고, 예를 들어 공급을 스위칭오프(switch off)하고, 기기가 제1 구성으로 이동할 때 스위칭온(switch on)하는 밸브에 연결될 수 있다. 밸브는 예를 들어 슬리브와 동축 케이블 사이에 통합된 기기의 일부일 수 있고, 또는 밸브는 기기 외부에, 예를 들어 가스 공급부 내부에 위치될 수 있다.
나아가, 전술한 마이크로파 신호 검출기와 함께, 구성 제어기는 플라스마가 반사된 마이크로파 신호를 최소화하는데 마이크로파 검출 신호에 기초하여 존재할 때 제1 구성에서 슬리브의 위치를 제어하도록 배열될 수 있다. 다시 말해, 구성 제어기는 플라스마를 효율적으로 전달하기 위해 제1 구성에서 슬리브의 위치를 정밀 튜닝하는 피드백 배열을 포함한다.
기기가 제1 구성에 있을 때 열적 플라스마를 생성하도록 배열될 수 있으나, 이 기기는 또한 살균을 위해 비-열적 플라스마를 생성하도록 배열될 수 있다. 3㎜ 내지 5㎜의 직경을 구비하는, 즉 동축 구조물 내 외부 전도체의 내부 직경이 3㎜ 내지 5㎜의 직경을 구비하는, 플라스마 생성 구역, 및 0.25㎜ 내지 1㎜의 벽 두께를 가지고 내부에 타이트하게 끼워진 석영 튜브를 구비하고, 내부 전도체의 외부 직경은 0.75㎜ 내지 4㎜인 (내부 전도체와 석영 튜브의 내부 벽 사이 구역으로 가스 흐름 공간을 허용하는), 동축 어플리케이터 구조물에서, 40% 미만, 즉 28%의 듀티 사이클을 갖는 펄스화된 모드에서 생성기를 동작시켜서 소독 또는 살균에 적절한 비-열적 플라스마를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 단일 마이크로파 펄스의 rms 전력은 50 W이고 펄스 ON 시간은 140㎳의 총 기간 중 40㎳인데, 즉 플라스마에 전달되는 평균 전력은 2.45㎓에서 14.28 W이다. RF 점화 펄스가 이 구성에 사용될 때, RF 점화 펄스의 지속시간은 약 1㎳이고, 정현파 발진 주파수는 100㎑이었다. 진폭은 약 1㎸ 피크(707 Vrms)였다. RF 전력은 마이크로파 전력의 10% 미만이었다. RF 펄스는 마이크로파 버스트 또는 펄스에 동기화되었고 마이크로파 버스트 또는 펄스의 상승 에지(rising edge)에서 트리거되었다.
열적 플라스마를 생성하기 위해, 듀티 사이클은 50% 또는 연속파(continuous wave: CW)로 증가될 수 있고 및/또는 rms 전력 레벨은 이 특정 어플리케이터 형상에 대해 75 W 또는 100 W로 증가될 수 있다(이 형상이 감소되거나 또는 증가된 경우 RF 점화 펄스의 마이크로파 전력과 진폭은 이에 따라 조절될 수 있다). RF 전력 대 마이크로파 전력의 비율은 상수로 유지되는 것이 바람직한데, 즉 비-열적 플라스마와 열적 플라스마에 대해 10% 미만으로 유지되는 것이 바람직하다.
기기의 원위 단부에 살균을 수행하는 능력을 제공하면 관찰 디바이스의 기기 채널을 소독하는데 특히 유리할 수 있다. 다시 말해, 비-열적 플라스마는 기기를 관찰 디바이스(예를 들어 내시경 등)로부터 인출하여 기기의 내부 표면을 치료할 때 방출된다. 비-열적 플라스마가 이 공정에 바람직하지만, 비-이온화 마이크로파 RF 복사선만을 전달하여, 즉 가스 없이 살균을 달성하는 것도 가능할 수 있다.
비-열적 플라스마의 살균 기능은 치료 전이나 후에 몸체의 공동(body cavity)을 살균하는 데에도 사용될 수 있다. 디바이스를 사용하여 기기, 예를 들어 내시경 또는 위내시경을 클리닝하거나 살균하는 경우, 디바이스는 비-열적 플라스마와 비-이온화 마이크로파 복사선의 조합을 생성하도록 구성될 수 있다. 디바이스는 NOTES 절차에서 사용되는 경우, 또는 표면을 응고시키고, 바디 조직을 살균하고, 큰 혈관 또는 출혈을 깊이 응고시키는데 유리한 경우 비-열적 플라스마, 열적 플라스마 및 비-이온화 마이크로파 복사선을 생성하도록 구성될 수도 있다.
상기 장치와 기기는 4개 사용 모드를 구비할 수 있다:
- 내시경 또는 임의의 다른 관찰 디바이스 또는 다른 장비의 기기 채널을 살균하거나 소독하거나 또는 생체 조직 또는 외부 표면을 살균하거나 소독하는데 사용되는 비-열적 플라스마,
- 내시경, 다른 관찰 디바이스 또는 다른 장비의 기기 채널을 살균하거나 소독하는 비-이온화 마이크로파 복사선,
- 표면 또는 표피 응고를 위한 열적 플라스마,
- 더 깊은 응고를 위한 비-이온화 마이크로파 복사선.
다시 말해, 기기의 슬리브는 4개 상태 간에 조절될 수 있다:
- 비-이온화 마이크로파 복사선: 단극 복사 안테나가 깊은 응고를 위해 비-이온화 마이크로파 복사선을 방출하도록 노출된 상태;
- RF 에너지와 마이크로파 에너지를 사용한 플라스마 점화: 상기 복사 단극을 외부 슬리브에 의해 커버하고 가스를 구역에 도입하여 플라스마(표면 응고를 위해 열적 플라스마 및/또는 살균/소독을 위해 비-열적 플라스마)를 점화하여 유지할 수 있는 상태;
- 마이크로파 에너지만을 사용한 플라스마 점화: 내부 전도체와 외부 전도체 사이에 근접도를 조절하여 충분히 높은 E-장을 생성하여 플라스마를 점화하는 상태;
- 마이크로파 장만을 사용한 플라스마 유지: 내부 전도체와 외부 전도체 사이의 근접도를 조절하여 낮은 임피던스 환경을 생성하여 플라스마를 유지하는 상태.
슬리브는 각 구성에 대응하는 복수의 미리 결정된 설정 위치를 구비할 수 있다. 상기 기기는 설정 위치, 예를 들어 위치 지정 그루브 또는 래칫(ratchet) 기구 각각에 슬리브를 유지하는 기구를 포함할 수 있다.
상기 기기는 4개의 기능, 즉 비-열적 플라스마를 사용하여 살균하는 기능, 열적 플라스마를 사용하여 표면 조직을 응고시키는 기능, 비-이온화 마이크로파 복사선을 사용하여 깊은 조직을 응고시키는 기능, 및 비-이온화 마이크로파 복사선을 사용하여 살균하는 기능을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이 2개 또는 3개 또는 4개의 기능을 수행할 수 있는 단일 기기를 구비하면 상이한 기능이 요구되는 경우에도 기기를 인출할 필요가 없으므로 신속하고 효율적인 치료를 구현할 수 있는 것으로 이해된다.
RF 에너지와 마이크로파 EM 에너지는 장치의 사용 모드들 중 어느 것에서 별개로 또는 동시에 전달될 수 있다. 예를 들어, RF EM 에너지만을 사용하여 표면 응고 모드에서 플라스마를 점화하고 유지할 수 있고, 마이크로파 EM 에너지만을 사용하여 깊은 응고 모드에서 비-이온화 복사선을 전달할 수 있다. 대안적으로, 높은 전압 RF 전계를 생성시켜 플라스마를 점화한 후, 후속하여 RF 장으로 증가된 마이크로파 주파수 장을 생성하여 플라스마를 유지할 수 있다.
유사하게, 마이크로파 주파수 EM 에너지를 사용하여 RF 점화 전압을 증가시키면 플라스마 점화를 보장하는 것을 도와줄 수 있다. 이것은 마이크로파 신호 생성기를 제어하여 RF 점화 펄스의 지속시간 동안 피크 전력을 생성하고 나서, 플라스마가 생성된 후 감소된 전력 레벨을 생성하여 플라스마를 유지하는 것에 의해 수행될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 RF 에너지의 펄스로 플라스마를 점화하고 나서 마이크로파 주파수 에너지의 펄스로 플라스마를 유지하는 APC를 수행하기에 적절한 기기를 제공할 수 있다. 이 측면에 따라, 전기 수술 기기로서, 무선주파수(RF) 및 마이크로파 주파수 전자기(EM) 복사선을 운반하는 동축 케이블과, 상기 동축 케이블의 원위 단부에 연결되고 상기 동축 케이블로부터 별개로 또는 동시에 RF 복사선과 마이크로파 복사선을 수신하는 프로브 첨단을 포함하는 세장형 프로브; 및 가스를 상기 세장형 프로브를 통해 상기 프로브 첨단으로 운반하는 가스 통로를 포함하고, 상기 동축 케이블은 내부 전도체, 외부 전도체, 및 상기 외부 전도체로부터 상기 내부 전도체를 분리하는 유전체 물질을 포함하고, 상기 프로브 첨단은 상기 동축 케이블의 내부 전도체에 연결된 제1 전극과 상기 동축 케이블의 외부 전도체에 연결된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 제2 전극은 상기 가스 통로로부터 수신된 가스 흐름 경로에 걸쳐 상기 수신된 RF EM 에너지로부터 높은 전계를 생성하여 플라스마를 점화하도록 배열되고, 플라스마가 점화된 후 상기 수신된 마이크로파 에너지를 전달하여 플라스마를 유지하도록 배열된다.
이런 디바이스는 전술한 이중 기능을 구비하지 않을 수 있으나, 마이크로파 주파수 에너지를 사용하여 기존의 APC 시스템을 개선할 수 있다. 결합된 RF 에너지와 마이크로파 주파수 에너지를 사용하여 플라스마 빔을 생성하는 장점은 플라스마를 점화하는데 요구되는 에너지가 외부 리턴 경로에 의존하지 않고 플라스마를 유지하는 에너지를 정확히 제어하여 신속하고 효율적으로 치료하는 것을 보장할 수 있다는 것이다. 대안적으로, 플라스마는 종래와 같이 RF만을 사용하여 생성될 수 있고, 마이크로파 에너지만을 제공하여 깊은 조직을 응고시키는 추가적인 기능을 제공하거나 또는 관찰 디바이스의 기기 채널을 클리닝하는 응용에서 살균을 수행하거나 또는 NOTES 또는 천연 오리피스 응용에서 생체 조직을 살균하는 기능을 제공할 수 있다.
전술한 이중 기능 측면에서와 같이, 플라스마는 2.5㎜ 미만의 직경을 갖는 가요성 마이크로파 케이블의 원위 단부에서 생성될 수 있고, 이는 기기를 임의의 관찰 디바이스, 즉 내시경, 위내시경 등의 기기 채널 아래로 도입할 수 있게 한다. 또한 이 플라스마를 사용하여 내시경의 기기 채널을 클리닝하거나 소독할 수 있고 종기(ulcer)를 치료하기 전 또는 후에 조직을 소독하거나, 및/또는 신체의 천연 오피리스에 나타나는 박테리아를 살상 또는 감소시키거나 및/또는 피부 이식(graft)을 수행하기 전에 상처난 저부(wound bed)를 살균하거나 및/또는 신체에 이식하기 전에 피부를 소독할 수 있다.
또한 이비인후과(ear, nose and throat: ENT)에서, 혈액 흐름/손실을 방지하거나 저지(stem)하는 것이 필요한 자궁 내막증(endometriose) 절차에서 그리고 일반적인 개방 절차에서 사용될 수 있다.
본 발명은 간 상(liver bed) 또는 가슴 플랩(breast flap) 수술에서 표피 출혈을 정지시키거나, 표면 종기를 치료하는 등에 표면 응고를 수행하는 것이 유리한 다수의 개방 내시경 수술에서 사용될 수 있다. 본 발명은 특히 상부 위장관과 하부 위장관에서 출혈을 최소화하는 절차에 유리할 수 있고, 본 발명은 정맥류(variceal) 출혈과 위궤양(peptic ulcer) 및 십이지장 궤양(duodenal ulcer) 출혈, 장게실증(diverticulosis), 혈관형성이상(angiodysplasia), 대장염(colitis), 결장암(colon carcinoma) 및 항문직장 질환(anorectal disease)으로부터 출혈을 치료하는데 일익을 담당할 수 있다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명에 사용하기에 적절한 알려진 전력 전달 시스템을 도시하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 장치의 개략도;
도 3a는 제1 구성에서 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 3b는 제2 구성에서 도 3a의 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 4a는 제1 구성에서 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 4b는 도 4a에서 라인 B-B를 따라 취한 횡단면도;
도 4c는 제2 구성에서 도 4a의 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 5는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 제1 전극을 모델링하는데 사용되는 유전체 실린더의 사시도;
도 6a 및 도 6b는 혈액과 간 조직의 대표 모델로 전달되는 전력을 통해 도 5에 도시된 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 6c는 둥근 형상의 내부 전도체가 간 모델에서 종료된 도 5에 도시된 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 7a 및 도 7b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 6a 및 도 6c의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 8a 및 도 8b는 혈액과 간 조직의 대표 모델에 다른 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 9a 및 도 9b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 8a 및 도 8b의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 10은 혈액과 간 조직에 다른 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 11a 및 도 11b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 10의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 13은 본 발명의 전기 수술 기기를 동작시키기에 적절한 핸드피스의 사시도; 및
도 14는 도 13에 도시된 핸드피스를 통한 개략 단면도.
도 1은 본 발명에 사용하기에 적절한 알려진 전력 전달 시스템을 도시하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 장치의 개략도;
도 3a는 제1 구성에서 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 3b는 제2 구성에서 도 3a의 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 4a는 제1 구성에서 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 4b는 도 4a에서 라인 B-B를 따라 취한 횡단면도;
도 4c는 제2 구성에서 도 4a의 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 5는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 제1 전극을 모델링하는데 사용되는 유전체 실린더의 사시도;
도 6a 및 도 6b는 혈액과 간 조직의 대표 모델로 전달되는 전력을 통해 도 5에 도시된 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 6c는 둥근 형상의 내부 전도체가 간 모델에서 종료된 도 5에 도시된 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 7a 및 도 7b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 6a 및 도 6c의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 8a 및 도 8b는 혈액과 간 조직의 대표 모델에 다른 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 9a 및 도 9b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 8a 및 도 8b의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 10은 혈액과 간 조직에 다른 제1 전극의 마이크로파 장 시뮬레이션을 도시하는 도면;
도 11a 및 도 11b는 혈액과 간 조직 각각의 대표 모델에 도 10의 구조물에 대한 시뮬레이션된 리턴 손실을 도시하는 도면;
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 또 다른 실시예인 전기 수술 기기의 개략 단면도;
도 13은 본 발명의 전기 수술 기기를 동작시키기에 적절한 핸드피스의 사시도; 및
도 14는 도 13에 도시된 핸드피스를 통한 개략 단면도.
도 1은 본 발명에 사용하기에 적절한 WO 2012/076844에 개시된 전력 전달 시스템(100)의 개략도를 도시한다.
시스템(100)은 RF 채널과 마이크로파 채널의 일부를 각각 형성하는 RF 라인업(102)과 마이크로파 라인업(104)을 포함한다.
RF 라인업(102)은 후술되는 바와 같이 플라스마를 점화하기에 적절한 전력 레벨로 RF 주파수 전자기 신호를 생성하고 제어하는 컴포넌트들을 포함한다. 이 실시예에서, 이 RF 라인업은 RF 발진기(1001), 전력 제어기(1002), 증폭기 유닛(여기서는 드라이버 증폭기(1003)와 전력 증폭기(1004)를 포함함), 변압기(1005) 및 RF 신호 검출기(1006)를 포함한다.
마이크로파 라인업(104)은 생체 조직을 치료하기에 적절한 전력 레벨로 마이크로파 주파수 전자기 신호를 생성하고 제어하는 컴포넌트들을 포함한다. 이 실시예에서 마이크로파 라인업은 위상 동기 발진기(phase locked oscillator)(1007), 신호 증폭기(1008), 조절가능한 신호 감쇠기(예를 들어 아날로그 또는 디지털 PIN 다이오드에 기초한 감쇠기)(1009), 증폭기 유닛(여기서는 드라이버 증폭기(1010)와 전력 증폭기(1011)), 순방향 전력 커플러(1012), 서큘레이터(1013) 및 반사된 전력 커플러(1014)를 포함한다. 서큘레이터(1013)는 반사된 신호로부터 순방향 신호를 분리시켜 커플러(1012, 1014))에 존재하는 원치 않는 신호 성분을 감소시키는데, 즉 이 서큘레이터는 커플러의 지향성을 증가시킨다. 서큘레이터는 또한 높은 전력 출력 스테이지 내 트랜지스터, 예를 들어 전력 GaN 또는 GaAs 트랜지스터를 보호한다. 포트 1과 포트 3 간, 포트 2와 포트 1 간 그리고 포트 3과 포트 2 간 분리가 가능한 한 높은 것이 바람직한데, 즉 15㏈을 초과하는, 또는 보다 바람직하게는 20㏈을 초과하는 것이 바람직하다.
RF 라인업(102)과 마이크로파 라인업(104)은 제어기(106)와 통신하며, 제어기는 신호 상태 및 일반적인 인터페이스 회로(108), 마이크로제어기(110), 및 와치독(watchdog)(1015)을 포함할 수 있다. 와치독(1015)은, 시스템이 의도된 사양을 수행하지 못할 수 있는, 즉 시스템이 출력 또는 치료 시간이 사용자에 의해 요구되는 것을 초과하는 것으로 인해 잘못된 투여량의 에너지를 환자 조직으로 전달하는 것을 초래할 수 있는 잠재적인 에러 상태의 범위를 모니터링할 수 있다. 와치독(1015)은 마이크로제어기(110)와 독립적이며 이 마이크로제어기가 올바르게 기능하고 있다는 것을 보장하는 마이크로프로세서를 포함한다. 와치독(1015)은, 예를 들어, DC 전력 공급원으로부터 전압 레벨 또는 마이크로제어기(110)에 의해 결정된 펄스의 타이밍을 모니터링할 수 있다. 제어기(106)는 제어 신호를 RF 라인업(102)과 마이크로파 라인업(104)에 있는 컴포넌트들에 전송하도록 배열된다. 이 실시예에서, 마이크로프로세서(110)는 전력 제어기(1002)와 조절가능한 신호 감쇠기(1009)를 위한 RF 제어 신호(CRF)와 마이크로파 제어 신호(CM)를 각각 출력하도록 프로그래밍된다. 이들 제어 신호를 사용하여 RF 라인업(102)과 마이크로파 라인업(104)으로부터 각각 출력되는 RF EM 복사선과 마이크로파 EM 복사선의 에너지 전달 프로파일을 설정할 수 있다. 특히, 전력 제어기(1002)와 상기 조절가능한 신호 감쇠기(1009)는 출력 복사선의 전력 레벨을 제어할 수 있다. 나아가, 전력 제어기(1002)와 조절가능한 신호 감쇠기(1009)는 출력 복사선의 파형(예를 들어, 펄스 폭, 듀티 사이클, 및 진폭 등)을 설정할 수 있는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
마이크로프로세서(110)는 RF 신호 검출기(1006)와 순방향 및 반사된 전력 커플러(1012, 1014))로부터 오는 신호 정보에 기초하여 RF 제어 신호(CRF)와 마이크로파 제어 신호(CM)를 출력하도록 프로그래밍된다. RF 신호 검출기(1006)는 RF 채널 상의 RF EM 복사선의 전압과 전류(및 선택적으로 전압과 전류 사이의 위상)를 나타내는 신호 또는 신호들(SRF)를 출력한다. 이 실시예에서, RF 및 마이크로파 생성기는 RF 채널로부터 (샘플링된 전류와 전압 정보로부터) 또는 마이크로파 채널로부터 (샘플링된 순방향 및 반사된 전력 정보로부터) 획득될 수 있는 위상 정보만을 측정하는 것에 의해 제어될 수 있다. 순방향 전력 커플러(1012)는 순방향 전력 레벨을 나타내는 신호(SM1)를 출력하고 반사된 전력 커플러(1014)는 반사된 전력 레벨을 나타내는 신호(SM2)를 출력한다. RF 신호 검출기(1006)와 순방향 및 반사된 전력 커플러(1012, 1014))로부터 오는 신호(SRF, SM1, SM2)는 신호 상태 및 일반적인 인터페이스 회로(108)로 전송되고, 여기서 이들 신호는 마이크로프로세서(110)로 전달하기에 적절한 형상으로 적응된다.
사용자 인터페이스(112), 예를 들어 터치 스크린 패널, 키보드, LED/LCD 디스플레이, 멤브레인 키패드, 풋스위치 등은 제어기(106)와 통신하며 치료에 관한 정보를 사용자(예를 들어 외과 의사)에 제공하고 여러 측면의 치료(예를 들어, 환자로 전달되는 에너지의 양 또는 에너지 전달 프로파일)를 예를 들어 적절한 사용자 커맨드를 통해 수동으로 선택하거나 제어할 수 있게 한다. 장치는 또한 제어기(106)에 연결된 종래의 풋스위치(1016)를 사용하여 동작될 수 있다.
RF 라인업(102)과 마이크로파 라인업(104)에 의해 각각 생성된 RF 및 마이크로파 신호는 신호 결합기(114)에 입력되고, 이 신호 결합기는 RF 및 마이크로파 EM 복사선을 별개로 또는 동시에 케이블 조립체(116)를 따라 프로브(118)로 운반한다. 이 실시예에서, 신호 결합기(114)는 마이크로파 및 RF 주파수의 에너지를 케이블 조립체(116)(예를 들어 동축 케이블)를 따라 프로브(또는 어플리케이터)(118)에 전달하는 듀플렉서-다이플렉서 유닛을 포함하고, 이로부터 환자의 생체 조직으로 관찰 디바이스, 예를 들어 내시경의 기기 채널 또는 다른 표면으로 전달된다(예를 들어 복사된다).
또한 신호 결합기(114)에 의해 프로브(118)로부터 케이블 조립체(116)를 따라 리턴하는 반사된 에너지는 마이크로파 및 RF 라인업(102, 104)으로 통과할 수 있고, 예를 들어 이 내에 포함된 검출기에 의해 검출될 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, 장치는 RF 채널에 저역 통과 필터(146)를 포함하고 마이크로파 채널에 고역 통과 필터(166)를 포함하여, 반사된 RF 신호만이 RF 라인업(102)에 들어가고 반사된 마이크로파 신호만이 마이크로파 라인업(104)에 들어갈 수 있게 한다.
마지막으로, 장치는 외부 소스(1018)(예를 들어 메인 전력)로부터 전력을 수신하고 이 전력을 장치 내 컴포넌트들을 위한 DC 전력 공급 신호(V1-V6)로 변환하는 전력 공급 유닛(1017)을 포함한다. 따라서, 사용자 인터페이스는 전력 신호(V1)를 수신하고, 마이크로프로세서(110)는 전력 신호(V3)를 수신하고, RF 라인업(102)은 전력 신호(V3)를 수신하고, 마이크로파 라인업은 전력 신호(V4)를 수신하고, 신호 상태 및 일반적인 인터페이스 회로(108)는 전력 신호(V5)를 수신하고, 와치독(1015)은 전력 신호(V6)를 수신한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 장치(200)의 개략도를 도시한다. 장치(200)는 그 원위 단부로부터 플라스마 또는 비-이온화 전자기(EM) 복사선을 전달할 수 있는 전기 수술 기기(202)를 포함한다. 기기(202)의 구조물의 예는 아래에 설명된다.
기기(202)는 도 1을 참조하여 설명된 것일 수 있는 전력 전달 시스템에 연결된다. 그러나, 도 2의 실시예에서, 전력 전달 시스템은 전력을 공급 구조물(208)을 통해 기기(202)의 근위 단부에 전달하도록 연결된 무선주파수(RF) 복사선 소스(204)와 마이크로파 복사선 소스(206)를 포함한다. 공급 구조물(208)은 전술한 바와 같은 신호 결합기 유닛(210)을 포함할 수 있다. RF 소스(204)와 마이크로파 소스(206)는 제어기(미도시)로부터 제어 신호(CRF 및 CM)에 기초하여 RF 신호와 마이크로파 신호를 각각 출력하도록 배열될 수 있다.
기기(202)는 또한 예를 들어 공급 라인(212)을 통해 가압된 가스 소스(214)로부터 가스를 수신하도록 연결된다. 공급 라인(212)에 있는 제어 밸브(216)는 예를 들어 제어기로부터 제어 신호(Cg)에 기초하여 기기(202)에 의해 수신된 가스의 흐름을 제어하도록 배열될 수 있다. 플라스마가 생성되기 전에 가스가 플라스마 형성 구역에 존재하는 것이 필요하기 때문에, RF 및/또는 마이크로파 에너지 소스를 활성화시키기 전에 가스 제어 밸브 및/또는 흐름 제어기를 활성화시켜 상기 에너지 소스가 활성화될 때 가스가 존재하는 것을 보장할 수 있는 것이 바람직하다. 플라스마 형성 구역에 가스 센서를 포함하고 이 센서로부터 신호를 사용하여 가스 흐름 밸브를 제어하는 것이 바람직하다. 이 시스템은 또한 가스 이용성(utilisation)을 제어하고 환자를 아르곤(또는 다른) 가스로 충전하는 것을 방지하는 것을 도와준다.
RF 및 마이크로파 측정 정보는 또한 가스 제어기를 제어하는데 사용될 수 있고, 즉 가스 제어 밸브는 RF 및/또는 마이크로파 전력이 생성기 내 전압/전류 및/또는 순방향/반사된 전력 모니터링 회로를 사용하여 검출될 수 없을 때 폐쇄될 수 있다. 가스 공급을 차단(shutting off)하기 전에 설정 시간 기간, 즉 20㎳ 또는 200㎳를 기다리는 것이 바람직할 수 있다. 이 배열은 안전 특징부로 그리고 가스 사용을 제어하는 수단으로 동작한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 전기 수술 기기(300)의 제1 실시예를 도시한다. 기기(300)는 관형 슬리브(304)에 의해 둘러싸인 중심 동축 케이블(302)로 만들어진 세장형 프로브를 포함한다. (도 3a 및 도 3b에서 좌측에 도시된) 동축 케이블(302)의 근위 단부는 RF 및 마이크로파 신호를 공급한 공급 구조물에 연결하도록 적응된 적절한 커넥터(306)에서 종료된다. 동축 케이블(302)은 (도 3a 및 도 3b에서 우측에) RF 및 마이크로파 신호를 기기의 원위 단부로 운반한다.
동축 케이블(302)의 원위 단부는 동축 케이블의 몸체와 원통형 캡 사이에 위치된 유리 비드 또는 세라믹 디스크와 같은 절연 요소(308)에서 종료하여 단락 또는 항복이 일어나는 것을 방지한다. 대안적으로, 마이크로파 케이블 내 유전체는 동축 케이블의 외부 전도체를 지나 예를 들어 0.1㎜ 내지 0.2㎜만큼 연장될 수 있다. 동축 케이블의 외부 전도체(310)는 절연 요소(308)에서 정지하지만, 내부 전도체(312)는 절연 요소(308)를 통과하여 계속되고, 깊은 응고에 최상의 임피던스 매칭을 제공하도록 (시뮬레이션을 사용하여) 선택된 길이만큼 절연 요소(308)를 넘어 돌출한다. 돌출 길이는 돔(dome)(316), 예를 들어 반구(hemisphere)에서 원위 단부에서 종료하는 원통형 세라믹(또는 다른 적절한 유전체 또는 자성 물질) 캡(314)에 의해 둘러싸인다. 내부 전도체(312)는 돔(316)으로부터 약간 돌출한다. 내부 전도체(312)와 원통형 캡은 기기의 제1 전극으로 기능한다.
슬리브(304)는 동축 케이블(302)에 대해 길이방향으로 슬라이딩가능하도록 배열된다. 이 실시예에서, 슬리브(304)는 근위 베이스 부재(318) 내에 신축가능한 방식으로 슬라이딩가능하게 장착된다. 풀 와이어(pull wire)(미도시)는 커넥터(306)를 통해 연장되며 동축 케이블에 대해 슬리브(304)의 위치를 지원할 수 있다. 풀 와이어는 수동으로 동작될 수 있거나, 또는 예를 들어 제어기로부터 제어 신호에 기초하여 슬리브(304)의 위치를 자동적으로 제어할 수 있는 자동 제어 기구, 예를 들어 스테퍼 모터 또는 선형 모터에 연결될 수 있다.
풀 와이어는 또한 일 단부에서 동축 케이블에 연결되고 슬리브(카테터) 위를 슬라이딩가능하게 배열된 튜브의 강성 구획의 형상을 취할 수 있다. 2개의 카테터 구획을 도입하고, (동축 케이블에 의해 마이크로파/RF 에너지를 도입하고 튜브에 의해 가스를 도입하는데 사용되는) 'Y' 구획에 고정된 근위 단부에 제1 구획을 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 'Y' 부재에 대한 2개의 입력과 공통 출력은 밀봉되고 가스 기밀되어야 한다. 나사산(thread)을 조이는 것에 의해 조절될 수 있는 외주방향 밀봉을 갖는 루어 록(leur lock) 디바이스가 이 목적으로 사용될 수 있다. 제1 강성 구획은 내시경 또는 캐뉼러 등의 기기 채널 내에 도입되는 제2 더 적은 강성 구획(메인 카테터) 위에서 슬라이딩될 수 있다. 강성의 근위 구획과 가요성 구획 사이에 밀봉이 제공되어 2개의 구획들 사이의 인터페이스에 가스가 누출되지 않는 것을 보장할 수 있다.
슬리브(304)는 동축 케이블(302)을 둘러싸서 동축 케이블(302)의 외부 표면과 슬리브(304)의 내부 표면 사이에 환형 공간(320)을 한정한다. 방사방향 지지 요소 또는 스페이서(미도시)를 사용하여 슬리브 내에 동축 케이블(302)을 위치시킬 수 있다. 환형 공간(320)을 사용하여 가스를 기기의 원위 단부에 전달할 수 있다. 베이스 부재(318)는 가스 고급 라인에 연결된 측면 표면에 포트(322)를 구비한다. O-링 등일 수 있는 가스 기밀 밀봉(324, 326)은 베이스 부재(318)와 커넥터(306) 사이의 결합부에 및 베이스 부재와 슬리브(304) 사이의 슬라이딩 정션(sliding junction)에 제공되어 가스의 누출을 최소화할 수 있다. 포트(322)에 도입되는 가스는 그리하여 환형 공간(320)을 따라 흘러 그 원위 단부에서 기기를 빠져나간다.
슬리브(304)는 그 원위 단부까지 이어지는 길이를 따라 전기적으로 전도성 내부 표면(321)을 구비한다. 이 전기적으로 전도성 내부 표면(321)은 동축 케이블(302)의 외부 전도체(310)에 전기적으로 연결된다. 이 실시예에서, 이것은 환형 공간(320) 내에 장착된 전기적으로 전도성 메쉬(328)에 의해 이루어진다. 메쉬는 다공성이고 그리하여 전기적 연결을 제공하면서 이를 통해 가스가 흐를 수 있게 한다. 이것은 전도체 또는 전극(310 및 321)들 중 하나의 표면 또는 2개의 표면에 전기적으로 연결된, 즉 솔더링된 또는 크림프된 또는 트랩된 스프링 또는 복수의 작은 와이어를 사용하여 달성될 수도 있다. 전도체(들)의 외주 둘레에 적어도 2개, 이상적으로는 적어도 4개의, 외주 접촉 지점을 제공하면 마이크로파 에너지를 손상 없이 전파시킬 만큼 충분히 우수한 전기 접촉을 보장할 수 있다. 또한 하나의 전도체에 복수의 덴트 또는 부분적인 크림프(예를 들어 180°)를 두어서 플라스마 생성 구역에 또는 플라스마가 형성되는 디바이스의 원위 단부로 가스가 흐르게 하면서도 요구되는 필요한 전기 접촉을 제공하는 것이 가능하고 바람직할 수 있다.
슬리브의 전기적으로 전도성 내부 표면(321)은 원통형 캡(314)과 길이방향으로 오버랩할 수 있는 원위 길이를 따라 (예를 들어 석영, 세라믹 등으로 만들어진) 절연 튜브(330)에 의해 더 커버된다. 전기적으로 전도성 내부 표면(321)과 절연 튜브(330)는 기기의 제2 전극으로 기능한다.
슬라이딩가능한 슬리브를 통해 기기는 2개의 구성을 채용할 수 있다. 제1 구성에서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 슬리브(304)의 전기적으로 전도성 내부 표면(321)은 원통형 캡(314)과 길이방향으로 일직선이다. 이 구성은 RF 또는 마이크로파 신호를 기기에 공급할 때 높은 전계를 나타내는 높은 임피던스 구역을 설정한다. 이 구성에서, 기기는 프로브의 원위 단부로부터 플라스마, 예를 들어 표면 응고를 위한 열적 플라스마 또는 살균을 위한 비-열적 플라스마를 전달하도록 적응될 수 있다.
마이크로프로세서는 마이크로파 검출 신호로부터 제어기에서 결정된 검출된 리턴 손실 또는 임피던스 비매칭에 기초하여 동축 케이블에 대해 슬라이딩 슬리브의 위치를 조절하는 제어 신호를 출력하도록 배열될 수 있다. 이 제어는 플라스마가 생성되고 있을 때 예를 들어 미리-설정된 요구되는 매칭 또는 리턴 손실, 예를 들어 10㏈(마이크로파 에너지의 90%가 플라스마로 전달됨)을 유지하도록 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 플라스마(요구되는 바에 따라 열적 플라스마 또는 비-열적 플라스마)는 다음 단계에 의해 생성된다:
- 가스를 기기의 원위 구역으로 (즉, 석영 튜브(330)와 원통형 캡(314) 사이의 구역으로) 공급한다,
- RF 에너지의 펄스를 동축 케이블을 통해 송신하여 원위 구역에 높은 전계를 생성하는 것에 의해 원위 구역의 가스에 플라스마를 점화한다, 그리고
- 동축 케이블을 통해 마이크로파 에너지의 펄스를 송신하여 플라스마를 유지하거나 또는 유지하여 적절한 치료가 일어나는 것을 보장한다.
RF 펄스는 점화 및 유지 펄스들이 항상 동기화되도록 마이크로파 펄스의 특성(예를 들어, 상승 에지)에 의해 자동적으로 트리거될 수 있다. RF 펄스는 플라스마를 점화하는 전계를 설정하기에 적절한 전압을 구비하도록 배열된다. 전압은 150 V와 1500 V 피크 사이, 보다 바람직하게는 250 V와 750 V 피크 사이에 있을 수 있다. RF 펄스의 주파수는 100㎑와 1㎒ 사이에 있을 수 있고, 여기서 정현파 파형 또는 신호의 창 또는 버스트는 (검출된 마이크로파 펄스에 기초하여) 게이팅되고 바람직하게는 0.5㎲와 10㎳ 사이에 있다.
전달된 마이크로파 전력은 플라스마의 상태를 체크하기 위하여 (예를 들어, 순방향 및 반사된 마이크로파 신호를 측정하는 것에 의해) 모니터링될 수 있다.
상기 실시예에서, 플라스마는 RF 신호에 의해 점화된다. 다른 실시예에서, 내부 전도체와 외부 전도체가 서로 매우 근접해 있는 것으로 인해 높은 전계가 마이크로파 신호로부터 생성될 수 있기 때문에 플라스마는 마이크로파 신호에 의해서만 점화될 수 있다. 예를 들어, CW 마이크로파 전력의 25 W를 기기의 원위 단부에 전달하는 것이 가능한 경우 이것은 충분히 높은 전계를 생성할 수 있다. 마이크로파 장을 사용하여 플라스마를 점화하는 하나의 가능한 수단은 플라스마가 점화되는 시간에 플라스마 생성 구역 내 2개의 전도체들 사이의 거리를 감소시키고 나서 플라스마가 점화하면 다시 거리를 증가시켜 플라스마가 유지되기에 최적의 환경(임피던스)을 생성하는 것이다. 이 구성에서, 상기 조절가능한 슬리브(외부 튜브)는 다음과 같이 4개의 가능한 위치에 있거나 이 4개의 가능한 위치에 있는 것으로 설정되도록 배열될 수 있다:
위치 1 - 깊은 응고를 위해 비-이온화 마이크로파 복사선을 전달하도록 노출된 단극 복사 안테나;
위치 2 - 플라스마 생성 구역 설정, 복사 단극은 외부 슬리브에 의해 커버되고 나서 가스를 구역에 도입하여 RF 및 마이크로파 에너지를 각각 사용하여 플라스마(표면 응고를 위한 열적 플라스마 및/또는 살균/소독을 위한 비-열적 플라스마)를 점화하고 유지한다;
위치 3 - 마이크로파 에너지를 사용하여 플라스마가 점화되고 내부 전도체와 외부 전도체 사이의 근접도를 조절하여 충분히 높은 E-전계를 생성하여 플라스마를 점화한다;
위치 4 - 플라스마는 마이크로파 장을 사용하여 유지되고 내부 전도체와 외부 전도체 사이의 근접도를 조절하여 낮은 임피던스 환경을 생성하여 플라스마를 유지한다.
슬리브의 위치와 여러 구역의 형성을 제어하는 것은 RF 채널로부터 전압 및/또는 전류 신호 및/또는 마이크로파 채널로부터 순방향 및/또는 반사된 전력 신호에 기초하여 선형 작동체 또는 스테퍼 모터의 움직임에 기초하여 자동적으로 수행될 수 있다.
절연 튜브(330)와 원통형 캡(314)을 포함하는 동축 구획이 50 옴(ohm)의 임피던스를 구비하는 경우, 피크 전압은 50 V이고 이는 내부 전도체(312)와 슬리브(304) 전도체의 전기적으로 전도성 내부 표면 사이의 거리가 1㎜인 경우 50㎸/m의 전계를 생성할 수 있다. 이러한 전계는 아르곤이 갭에 존재한 경우 플라스마를 점화할 수 있다. 또한 임피던스 변압기, 즉 1/4 파장 변압기를 스위칭인하여, 플라스마를 점화하는데 필요한 전압 증가를 생성하는 것이 가능한데, 예를 들어 50 Ω의 소스 임피던스를 갖는 250 Ω의 임피던스와 25 W의 전력 소스를 갖는 1/4 파장 라인이 다음과 같은 점화 전압을 생성할 수 있다:
이러한 실시예에서, 기기는 마이크로파 입력만을 수신할 수 있다; 전력 전달 시스템은 이런 배열에서 RF 소스를 구비할 필요가 없다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 구성에서, 슬리브(304)는 동축 케이블(302)에 대해 되 슬라이딩되어 디바이스의 원위 단부에서 원통형 캡(314)의 길이를 노출시킨다. 노출된 단부는 복사 단극 마이크로파 안테나로 기능한다. 이 구성에서, 마이크로파 신호는 가스의 부재 시 동축 케이블에 공급된다. 마이크로파 신호는 깊은 조직 응고를 수행하는 비-이온화 복사선 장에서 방출된다. 원위 복사 단극에서 전달되는 비-이온화 마이크로파 전력 레벨은 2.5 W와 50 W 연속파 전력 사이에 있을 수 있고; 이 레벨은 혈액 흐름 율 또는 응고되는 혈관의 사이즈에 종속된다. 전력 레벨은 또한 생성기로부터 어플리케이터 또는 안테나로 마이크로파 에너지를 전달하는데 사용되는 마이크로파 전송 케이블의 특성에 의존한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명에 따른 전기 수술 기기(400)의 제2 실시예를 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 있는 공통 특징부는 동일한 참조 부호로 제시된다. 제2 실시예는 동축 케이블(302)의 외부 전도체(310)가 슬리브(304)의 전기적으로 전도성 내부 표면(321)에 전기적으로 연결된 것을 제외하고는 제1 실시예와 유사하다. 전도성 메쉬 대신에, 제2 실시예는 동축 케이블(302)의 외부 전도체(310)를 슬리브(304)의 전기적으로 전도성 내부 표면(321)에 연결하기 위해 전기적으로 전도성 물질로 만들어진 분할된 원추형 부재(402)를 사용한다. 원추형 부재(402)는 동축 케이블로부터 슬리브(304) 쪽으로 플래어 형상(flare)으로 형성된 복수의 핑거(finger)를 포함한다. 슬리브(304)는 핑거에 대해 슬라이딩될 수 있거나, 또는 원추형 부재(402)는 슬리브에 고정되고 동축 케이블 위를 슬라이딩할 수 있다.
도 4b는 가스가 핑거들 사이를 통과하여 프로브의 원위 단부에 도달할 수 있는 것을 보여주는 분할된 원추형 부재(402)를 통한 단면도를 도시한다.
도 4c는 제1 구성의 기기를 도시하고 도 4a는 전술한 바와 같이 제2 구성의 기기를 도시한다.
도 5는 전술한 전기 수술 기기의 제1 전극의 일부를 형성하는 원통형 캡을 모델링하는데 사용되는 유전체 실린더의 사시도를 도시한다. 약 2㎜의 직경과 6.7㎜의 길이를 구비하는 둥근 형상의 실린더가 5.8㎓의 마이크로파 전력에 대해 간 조직에 우수한 매칭을 제공하고, 그리하여 깊은 응고 모드(즉, 제2 구성)에서 에너지를 효율적으로 전달하는데 유리한 것으로 발견되었다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 이 구조물로부터 방출된 비-이온화 복사선에 의해 생성된 가열은 내부 전도체의 단부에 중심을 둔 약 1㎜의 반경의 매우 작은 구역에 걸쳐 있다. 도 6a 및 도 6b는 날카로운 에지를 갖는 평평한 표면에서 종료하는 내부 전도체를 도시한다. 전계는 날카로운 에지에서 매우 높다. 도 6c는 전계를 훨씬 더 균일하게 하는 돔(예를 들어, 반구)에서 종료하는 내부 전도체를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 도 6c 및 도 6b에 있는 구조물에 대한 리턴 손실을 각각 도시한다. 일반적으로 이들 구조물은 이 실시예에서 마이크로파 신호에 사용되는 주파수(5.8㎓)에 대해 조직에 우수한 매칭을 나타낸다. 도 7a는 내부 전도체에 있는 반구형 단부가 매칭되는 주파수를 저하시키지만, 이것은 캡의 길이를 단축시키는 것에 의해 용이하게 조절될 수 있다는 것을 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 허버앤슈너(Huber & Suhner) 등으로부터 수코폼(Sucoform) 86 마이크로파 케이블(즉, 2.2㎜ 직경 케이블)의 원위 단부에서 혈액과 간 조직으로 각각 종료하는 원통형 캡의 마이크로파 장의 시뮬레이션을 도시한다. 이런 배열에서, 원통형 캡에 사용되는 물질은 PEEK이고, 반구 전에 원통형 구획의 길이는 3㎜였다. 따라서, (예를 들어 PEEK로 만들어진) 캡은 2 내지 2.1㎜의 직경과 4 내지 4.1㎜의 총 길이를 구비한다. 이런 배열에서, 내부 전도체의 단부에서 돔은 1㎜ 직경을 가지게 모델링된다. 다시 이러한 구조물로부터 가열하는 것인 원위 첨단 주위에 국부화된다.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 있는 구조물에 대한 리턴 손실을 각각 도시한다. 여기서 관심있는 주파수(약 5.8㎓)에서의 손실은 허용가능하다.
도 10은 허버앤슈너 등으로부터 수코폼 47 마이크로파 케이블(즉, 1.2㎜ 직경 케이블)의 원위 단부에서 간 조직으로 종료하는 원통형 캡의 마이크로파 장의 시뮬레이션을 도시한다. 이런 배열에서, 원통형 캡에 사용되는 물질은 또한 PEEK이다, 반구 전에 원통형 구획의 길이는 또한 3㎜였다. 그러나, 이런 배열에서 캡의 직경은 1.2㎜이고 그리하여 약 3.6㎜의 총 길이를 구비한다. 이런 배열에서, 내부 전도체의 단부에서 돔은 0.5㎜ 직경을 가지게 모델링된다.
도 11a 및 도 11b는 혈액과 간 조직으로 도 10의 구조물에 대한 리턴 손실을 각각 도시한다. 다시, 여기서 관심 있는 주파수(약 5.8㎓)에서의 손실은 허용가능하다.
도 12a 및 도 12b는 도 6 내지 도 11을 참조하여 전술한 마이크로파 방출 구조물을 사용하는 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기(500)를 통한 개략 단면도를 도시한다.
도 12a는 원위 단부에서 플라스마를 전달하기에 적절한 제1 구성에서의 전기 수술 기기(500)를 도시한다. 기기(500)는 원통형이고, 관찰 디바이스, 예를 들어 내시경의 기기 채널 아래에 끼워지는 사이즈로 형성된다. 기기는 유전체 물질(508)에 의해 내부 전도체(504)로부터 분리된 내부 전도체(504)와 외부 전도체(506)를 구비하는 동축 케이블(502)을 포함한다. 외부 전도체(506)는 동축 케이블(502)의 외부 표면에서 주위로 노출된다. 동축 케이블(502)의 원위 단부에서, 내부 전도체(504)는 예를 들어 PEEK 등으로 만들어진 유전체 캡(510)에 의해 외부 전도체(506)와 그 주변을 넘어 연장된다. 캡(510)은 동축 케이블(502)과 실질적으로 동일한 직경을 구비하는 실린더이다. 캡(510)의 원위 단부는 둥근 형상, 예를 들어 반구형 돔을 형성한다. 내부 전도체(504)는 그 원위 단부에서 종료하고, 캡(510)의 단부를 넘어 돌출하는 둥근 형상의 첨단(512)이다.
동축 케이블(502)은 바람직하게는 강도를 부여하는 내부 브레이드(braid)(미도시)를 포함하는 슬리브(514) 내에 장착된다. 슬리브(514)의 내부 표면과 동축 케이블(502)(즉, 노출된 외부 전도체)의 외부 표면 사이에는, 슬리브(514)의 근위 단부에서 가스를 도입하여 원위 단부로 운반하는 가스 흐름 경로를 형성하여 환형 갭(516)이 있다.
전도성 단자 튜브(518)는 슬리브(514)의 원위 단부에 장착된다. 예를 들어, 전도성 단자 튜브(518)는 슬리브(514)에 용접될 수 있다. 도 12a에 도시된 구성에서, 내부 전도체(504)의 둥근 형상의 첨단(512)은 제1 전극을 형성하고 전도성 단자 튜브(518)는 제2 전극을 형성한다. 환형 갭(516)으로부터 흐르는 가스에서 플라스마를 점화하는 전계는 전술한 바와 같이 적절한 에너지(예를 들어 RF 및/또는 마이크로파 주파수 에너지)를 동축 케이블에 인가하는 것에 의해 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성된다.
전도성 단자 튜브(518)는 전도성 단자 튜브(518)의 내부 표면에 있는 복수의 방사방향으로 돌출하는 범프(bump)(520)에 의하여 동축 케이블(502)의 외부 전도체(506)에 전기적으로 연결된다. 전도성 단자 튜브(518)의 내부 외주 주위에는 서로 이격된 2개, 3개, 4개 이상의 범프(bump)(520)가 있을 수 있다. 이런 방식으로 범프들을 이격시키면 가스가 흘러 지나갈 수 있다.
절연 라이너(liner)(522)는 원위 길이를 따라 전도성 단자 튜브(518)의 내부 표면 주위에 장착된다. 절연 라이너(522)는 폴리이미드 등으로 만들어질 수 있다. 라이너(522)의 목적은 제1 전극과 제2 전극 사이에 적절한 유전체 장벽을 제공하여 인가된 RF 및/또는 마이크로파 주파수 에너지를 통해 플라스마를 점화하는 높은 전압을 갖는 전계를 생성하는 것을 보장하는 것이다. 라이너(522)와 캡(510) 사이에는 가스가 흘러 지나가는 작은 갭이 있다.
도 12b는 원위 단부에서 비-이온화 마이크로파 주파수 에너지를 전달하는데 적절한 제2 구성에서의 전기 수술 기기(500)를 도시한다. 이 구성에서, 캡(510)은 전술한 바와 같은 단극 마이크로파 안테나를 형성하는 전도성 단자 튜브(518)로부터 연장된다.
제1 구성과 제2 구성 사이에서 기기(500)를 변환하기 위해, 동축 케이블(502)은 슬리브(514)에 대해 축방향으로 슬라이딩된다. 슬라이딩 동작은 기기의 근위 핸드피스에 장착된 물리적 슬라이더 스위치에 의해 수행될 수 있고, 여기서 이 스위치는 외과 의사에 의해 동작될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예인 전기 수술 기기의 일부와 사용되거나 이 일부를 형성할 수 있는 핸드피스(600)의 사시도를 도시한다. 핸드피스는 내부 컴포넌트들을 둘러싸고 보호하는 하우징(602) 또는 쉘을 포함한다. 하우징은 동축 케이블에 연결하기 위해 후방 단부에 있고 전기 수술 생성기(미도시)로부터 RF 및/또는 마이크로파 주파수 에너지를 수신하는 근위 포트(604)를 구비한다. 하우징(602)의 중간 부분에는, 기기의 원위 단부에서 구성을 변화시키는 슬라이더 스위치(606)가 있다. 슬라이더 스위치(606)로부터 하우징의 반대쪽에는, 적절한 가스 공급 파이프(미도시)에 부착하기 위한 가스 수신 포트(608)가 있다. 하우징(602)의 원위 단부에는 가스와 에너지를 치료 위치로 운반하는 슬리브(612)를 위한 보호 가이드로 작용하는 가요성 노즐(610)이 있다.
도 14는 하우징(602)의 내부 컴포넌트의 단면도를 도시한다. 동축 케이블(614)은 근위 포트(604)로부터 하우징을 통해 연장된다. 예를 들어 스테인리스 스틸의 칼라(collar)(616)가 근위 단부에서 동축 케이블(614)에 장착된다(예를 들어 솔더링된다). 슬라이더 스위치(606)는 그러브 나사(grub screw)(618)를 통해 칼라(616)에 부착된다. 이 배열은 슬라이더 스위치(606)가 이를 손상시킴이 없이 동축 케이블에 고정 부착될 수 있는 것을 보장한다.
동축 케이블(614)은 Y-형상의 정션(620)의 제1 입력 포트에 수신된다. Y-형상의 정션(620)의 제2 입력 포트는 가스 수신 포트(608)에 연결된다. Y-형상의 정션(620)에 도입된 가스는 적절한 밀봉(622)에 의해 제1 입력 포트를 통해 누출되는 것이 방지된다.
동축 케이블(614)은 Y-형상의 정션(620)을 통해 연장되고 출력 포트에서 빠져나간다. 슬리브(612)의 근위 단부는 Y-형상의 정션(620)의 출력 포트에 고정되고(예를 들어 부착되고), 여기서 가스 수신 포트(608)와 동축 케이블로부터 가스를 수신한다. 사용시, 슬라이더 스위치(606)는 하우징(602)에 대해 이동하여 슬리브(612) 내에서 동축 케이블(614)을 연장시키거나 인입시킬 수 있다. 슬라이더 스위치의 이동 범위는 20㎜일 수 있다.
Claims (24)
- 전기 수술 기기로서,
무선주파수(RF) 및/또는 마이크로파 주파수 전자기(EM) 에너지를 운반하는 동축 케이블과, 상기 동축 케이블의 원위 단부에 연결되고 상기 RF 및/또는 마이크로파 에너지를 수신하는 프로브 첨단을 포함하는 세장형 프로브; 및
상기 세장형 프로브를 통해 가스를 상기 프로브 첨단으로 운반하는 가스 통로를 포함하되,
상기 동축 케이블은 내부 전도체, 외부 전도체, 및 상기 외부 전도체로부터 상기 내부 전도체를 분리하는 유전체 물질을 포함하고,
상기 프로브 첨단은 상기 동축 케이블의 상기 내부 전도체에 연결된 제1 전극과 상기 동축 케이블의 상기 외부 전도체에 연결된 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 전극과 제2 전극은,
상기 제1 전극과 제2 전극이 상기 가스 통로로부터 수신된 가스 흐름 경로에 걸쳐 수신된 RF 및/또는 마이크로파 주파수 EM 에너지로부터 전계를 생성하여 열적 플라스마 또는 비-열적 플라스마를 생성하도록 배열된 제1 구성과,
상기 제1 전극이 상기 제2 전극을 넘어 원위로 연장되어 상기 프로브 첨단으로부터 외부쪽으로 마이크로파 EM 장을 방출하는 복사 구조물을 형성하는 제2 구성 사이에서
서로에 대해 이동가능한, 전기 수술 기기. - 제1항에 있어서, 상기 세장형 프로브는 상기 동축 케이블을 둘러싸는 슬리브를 포함하고, 상기 가스 통로는 상기 슬리브의 내부 표면과 상기 동축 케이블의 외부 표면 사이의 공간인, 전기 수술 기기.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 슬리브의 원위 단부에 형성되고, 상기 슬리브는 상기 동축 케이블에 대해 인입가능한(retractable), 전기 수술 기기.
- 제2항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 슬리브의 원위 단부에 형성되고, 상기 동축 케이블은 상기 슬리브에 대해 인입가능한, 전기 수술 기기.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 동축 케이블로부터 RF 및/또는 마이크로파 EM 에너지를 수신하도록 결합된 복사 마이크로파 단극 안테나 구조물인, 전기 수술 기기.
- 제5항에 있어서, 상기 복사 마이크로파 단극 안테나 구조물은, 상기 외부 전도체를 넘어 돌출하고 유전체 물질의 실린더를 통해 연장되어 반구형 원위 단부에서 돌출하는 상기 동축 케이블의 내부 전도체의 길이를 둘러싸는 반구형 원위 단부를 구비하는 유전체 물질의 실린더를 포함하는, 전기 수술 기기.
- 제6항에 있어서, 상기 실린더의 반구형 원위 단부로부터 돌출하는 내부 전도체의 길이의 단부는 반구에 형성된, 전기 수술 기기.
- 제3항에 있어서, 상기 동축 케이블의 외부 전극은 상기 제2 전극 또는 상기 동축 케이블의 외부 전도체에 대해 슬라이딩가능하고 가스가 흐를 수 있는 가스 투과성 전도성 구조물에 의해 제2 전극에 연결되는, 전기 수술 기기.
- 제8항에 있어서, 상기 가스 투과성 전도성 구조물은,
전도성 메쉬;
방사방향으로 연장되는 전도성 와이어 또는 스프링의 케이지(cage); 및
복수의 외주 방향으로 이격된 방사방향으로 돌출하는 덴트(dent)
중 어느 하나인, 전기 수술 기기. - 제8항에 있어서, 상기 가스 투과성 전도성 구조물은 상기 제2 전극에 솔더링되거나 크림프된, 전기 수술 기기.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 슬리브의 원위 단부에 장착된 전도성 단자 튜브를 포함하고, 상기 전도성 단자 튜브는 상기 동축 케이블의 외부 전도체와 접촉하는 하나 이상의 방사방향으로 돌출하는 범프를 내부 표면에 포함하는, 전기 수술 기기.
- 제11항에 있어서, 상기 전도성 단자 튜브는 내부 표면 주위에 절연 라이너를 구비하고, 상기 라이너는 상기 하나 이상의 방사방향으로 돌출하는 범프에서 원위에 위치된, 전기 수술 기기.
- 제12항에 있어서, 상기 프로브는 내시경의 기기 채널을 통해 삽입가능한, 전기 수술 기기.
- 응고를 수행하는 전기 수술 장치로서,
마이크로파 EM 에너지를 생성하는 마이크로파 신호 생성기;
상기 마이크로파 EM 에너지를 수신하도록 연결된 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기 수술 기기;
상기 마이크로파 EM 에너지를 상기 프로브에 운반하는 공급 구조물로서, 상기 공급 구조물은 상기 프로브를 상기 마이크로파 신호 생성기에 연결하는 마이크로파 채널을 포함하는, 상기 공급 구조물,
가스를 전기 수술 기기에 공급하도록 연결된 가스 공급부를 포함하되,
상기 장치는,
상기 전기 수술 기기가 상기 제1 구성에 있고 가스가 이 전기 수술 기기에 공급되면, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 상기 마이크로파 EM 에너지는 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 가스 플라스마를 점화하고 및/또는 유지하도록 배열된 표면 응고 모드에서; 그리고
가스가 이 전기 수술 기기에 공급됨이 없이 상기 전기 수술 기기가 제2 구성에 있을 때, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 상기 마이크로파 EM 에너지는 상기 프로브 첨단으로부터 외부쪽으로 비-이온화 전계를 방출하도록 배열된 깊은 조직 응고 모드에서
동작가능한, 전기 수술 장치. - 제14항에 있어서, 상기 전기 수술 장치는 제1 주파수를 가지는 RF 전자기(EM) 에너지를 생성하는 무선주파수(RF) 신호 생성기를 포함하되,
상기 마이크로파 주파수 EM 에너지는 상기 제1 주파수를 초과하는 제2 주파수를 지니고,
상기 공급 구조물은 상기 프로브를 상기 RF 신호 생성기에 연결하는 RF 채널을 포함하며,
상기 표면 응고 모드에서, 상기 장치는 상기 RF EM 에너지를 상기 프로브 첨단에 전달하여 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 상기 가스 플라스마를 점화하도록 배열된, 전기 수술 장치. - 응고를 수행하는 전기 수술 장치로서,
제1 주파수를 구비하는 RF 전자기(EM) 복사선을 생성하는 무선주파수(RF) 신호 생성기;
상기 제1 주파수를 초과하는 제2 주파수를 구비하는 마이크로파 EM 복사선을 생성하는 마이크로파 신호 생성기;
상기 RF EM 복사선과 상기 마이크로파 EM 복사선을 수신하도록 연결된 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기 수술 기기;
상기 RF EM 복사선과 상기 마이크로파 EM 복사선을 상기 프로브에 운반하는 공급 구조물로서, 상기 공급 구조물은 상기 프로브를 상기 RF 신호 생성기에 연결하는 RF 채널과, 상기 프로브를 상기 마이크로파 신호 생성기에 연결하는 마이크로파 채널을 포함하는, 상기 공급 구조물,
가스를 전기 수술 기기에 공급하도록 연결된 가스 공급부를 포함하되,
상기 장치는,
상기 전기 수술 기기가 상기 제1 구성에 있고 가스가 이 전기 수술 기기에 공급될 때, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 상기 RF EM 복사선이 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에서 가스 플라스마를 점화하도록 배열된 표면 응고 모드에서; 그리고
가스가 이 전기 수술 기기에 공급됨이 없이 상기 전기 수술 기기가 제2 구성에 있을 때, 상기 프로브 첨단으로 전달되는 상기 마이크로파 EM 복사선이 상기 프로브 첨단으로부터 외부쪽으로 비-이온화 전계를 방출하도록 배열된 깊은 조직 응고 모드에서
동작가능한, 전기 수술 장치. - 제16항에 있어서, 상기 전기 수술 장치는 RF EM 에너지 펄스를 상기 프로브에 전달하여 흐름 경로에 걸쳐 전계를 생성하여 상기 플라스마를 점화하도록 배열된 점화 신호 생성 회로를 포함하되, 상기 점화 신호 생성 회로는 상기 마이크로파 채널에서 마이크로파 EM 에너지의 펄스의 검출가능한 특성을 사용하여 RF EM 에너지의 펄스의 생성을 트리거하도록 배열된 제어 회로를 포함하는, 전기 수술 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 전기 수술 장치는,
상기 마이크로파 채널 상의 순방향 및 반사된 전력을 샘플링하고 이로부터 상기 프로브에 의해 전달되는 상기 마이크로파 전력을 나타내는 마이크로파 검출 신호를 생성하는 마이크로파 신호 검출기; 및
상기 마이크로파 신호 검출기와 통신하며 상기 마이크로파 검출 신호를 수신하는 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일을 선택하도록 동작가능하고, 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일은 조직을 응고시키기 위한 것이며,
상기 제어기는 상기 마이크로파 신호 생성기에 대한 마이크로파 제어 신호를 출력하도록 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서를 포함하고, 상기 마이크로파 제어 신호는 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일을 설정하기 위한 것이며,
상기 제어기는 상기 수신된 마이크로파 검출 신호에 기초하여 상기 마이크로파 제어 신호에 대한 상태를 결정하도록 배열된, 전기 수술 장치. - 제18항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 상대적인 움직임을 야기하는 이동 기구를 포함하고, 상기 제어기는 상기 수신된 마이크로파 검출 신호에 기초하여 제어 신호를 상기 이동 기구에 전송하도록 배열된, 전기 수술 장치.
- 제19항에 있어서, 상기 이동 기구는 선형 모터, 스테퍼 모터, 압전 작동체, 및 자기 변형 작동체 중 어느 하나를 포함하는, 전기 수술 장치.
- 제19항에 있어서, 상기 제어기는 상기 이동 기구를 조절가능하게 제어하여 상기 프로브로부터 리턴 손실을 적어도 10㏈의 값으로 유지하도록 배열된, 전기 수술 장치.
- 제18항에 있어서, 상기 표면 응고 모드에서, 상기 제어기는 상기 마이크로파 신호 생성기가 상기 마이크로파 EM 에너지의 점화 펄스를 상기 프로브에 전달하여 상기 흐름 경로에 걸쳐 전계를 생성하여 상기 플라스마를 점화하도록 배열된, 전기 수술 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 마이크로파 EM 에너지의 상기 점화 펄스를 생성하기 위해 상기 마이크로파 채널로 스위칭가능한 1/4 파장 변압기를 포함하는, 전기 수술 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 전기 수술 장치는,
상기 마이크로파 채널 상의 순방향 및 반사된 전력을 샘플링하고 이로부터 상기 프로브에 의해 전달되는 상기 마이크로파 전력을 나타내는 마이크로파 검출 신호를 생성하는 마이크로파 신호 검출기; 및
상기 마이크로파 신호 검출기와 통신하며 상기 마이크로파 검출 신호를 수신하는 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일을 선택하도록 동작가능하고, 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일은 조직을 응고시키기 위한 것이며,
상기 제어기는 상기 마이크로파 신호 생성기에 대한 마이크로파 제어 신호를 출력하도록 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서를 포함하고, 상기 마이크로파 제어 신호는 상기 마이크로파 EM 에너지에 대한 에너지 전달 프로파일을 설정하기 위한 것이며,
상기 제어기는 상기 수신된 마이크로파 검출 신호에 기초하여 상기 마이크로파 제어 신호에 대한 상태를 결정하도록 배열된, 전기 수술 장치.
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