ES2871873T3 - Componente de transferencia de energía de microondas para aparato electroquirúrgico - Google Patents
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Abstract
Un aparato electroquirúrgico, que comprende: una línea de alimentación de microondas para transportar energía electromagnética (EM) de microondas, que tiene una frecuencia, desde un generador electroquirúrgico; un cable de instrumento para la inserción en un sitio de tratamiento del cuerpo de un paciente, comprendiendo el cable de instrumento: una línea de transmisión coaxial para transportar la energía EM de microondas, y un paso interno para proporcionar acceso al sitio de tratamiento; y una unión dispuesta para transferir la energía EM de microondas entre un extremo distal de la línea de alimentación de microondas y un extremo proximal del cable de instrumento, en donde la línea de alimentación de microondas tiene una primera impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas, en donde el cable de instrumento tiene una segunda impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas, siendo la segunda impedancia menor que la primera impedancia, y en donde la unión comprende: un transformador de impedancia de microbanda dispuesto para igualar la primera impedancia y la segunda impedancia, y un conducto hueco en comunicación fluida con el paso interno.
Description
DESCRIPCIÓN
Componente de transferencia de energía de microondas para aparato electroquirúrgico
Campo técnico
La presente invención solicitud se refiere a un aparato electroquirúrgico que comprende un instrumento electroquirúrgico para la inserción no invasiva o percutánea en un sitio de tratamiento, para permitir el suministro de radiación electromagnética a tejido biológico. En particular, la solicitud se refiere a medios para acoplar eficientemente energía entre un generador electroquirúrgico y el instrumento electroquirúrgico.
Antecedentes de la invención
Los instrumentos electroquirúrgicos se utilizan para suministrar energía electromagnética (EM) (en particular energía de microondas y radiofrecuencia) a tejido biológico, con fines tales como cortar y/o cauterizar tejido biológico.
Normalmente, un aparato para el suministro de energía EM a tejido corporal comprende un generador que comprende una fuente de energía EM, y un instrumento electroquirúrgico conectado al generador para suministrar la energía al tejido biológico.
La energía EM normalmente se suministra al instrumento electroquirúrgico desde el generador EM, utilizando un cable que va desde el generador al instrumento. Los cables convencionales usados para este propósito tienen una estructura de línea de transmisión coaxial que comprende un conductor interno cilíndrico sólido, una capa tubular de material dieléctrico alrededor del conductor interno, y un conductor tubular externo alrededor del material dieléctrico. Tales líneas de transmisión coaxiales tienen una impedancia característica nominal (Z0), normalmente 50 O o 75 O.
El instrumento electroquirúrgico puede comprender una porción radiante, p. ej. situada en una punta distal. La energía EM se transmite a lo largo del cable coaxial y se emite desde la porción radiante. La energía emitida desde la porción radiante se suministra al tejido biológico en el sitio de tratamiento, p. ej. para provocar un calentamiento localizado, o una corte o cauterización/coagulación del tejido.
A medida que la energía EM atraviesa el aparato de instrumento electroquirúrgico, experimenta una impedancia, es decir la oposición o resistencia al flujo de energía. Los cambios en la impedancia pueden causar una pérdida de energía y múltiples reflejos dentro del aparato. Tales reflejos pueden provocar un calentamiento no deseado del aparato.
Para minimizar la pérdida de potencia, los reflejos y los efectos de calentamiento, Resulta deseable igualar la impedancia a lo largo de la vía de suministro de energía dentro del aparato. En un ejemplo, la igualación de la impedancia puede lograrse mediante la introducción de estructuras de transformador de impedancia dentro de la vía de suministro de energía.
El documento US 6.190.382 da a conocer un instrumento electroquirúrgico para la ablación de tejido biológico en el interior de la aurícula del corazón de un paciente. El instrumento comprende una guía desplegable de tipo monorraíl que guía con precisión una antena emisora de radiofrecuencia hasta el sitio de tratamiento correcto. Se incluye una sección de microbanda entre dos cables coaxiales para transportar la radiofrecuencia a la antena. Asimismo, se hace referencia al documento US2013/289557 A1.
Sumario de la invención
La invención se define en el conjunto de reivindicaciones adjuntas. En su forma más general, la presente invención proporciona un transformador de impedancia de microbanda que permite un acoplamiento eficiente (es decir, con baja pérdida) de una línea de alimentación de microondas (por ejemplo, un cable coaxial de 50 Q convencional) a un cable de instrumento, donde el cable de instrumento tiene una impedancia más baja (por ejemplo, en el intervalo de 12 a 14 Q) y puede incluir un paso interno. El transformador de impedancia de microbanda está configurado para llevar a cabo una igualación de la impedancia entre la línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento, de manera que no afecte negativamente a una alimentación separada en el paso interno.
De acuerdo con la invención, puede proporcionarse un aparato electroquirúrgico que comprende: una línea de alimentación de microondas para transportar energía electromagnética (EM) de microondas, que tiene una frecuencia, desde un generador electroquirúrgico; un cable de instrumento para la inserción en un sitio de tratamiento del cuerpo de un paciente, comprendiendo el cable de instrumento: una línea de transmisión coaxial para transportar la energía EM de microondas, y un paso interno para proporcionar acceso a el sitio de tratamiento; y una unión dispuesta para transferir la energía Em de microondas entre un extremo distal de la línea de alimentación de microondas y un extremo proximal del cable de instrumento, en donde la línea de alimentación de microondas tiene una primera impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas, en donde el cable de instrumento tiene una segunda impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas, siendo la segunda impedancia menor que la primera impedancia, y en
donde la unión comprende: un transformador de impedancia de microbanda dispuesto para igualar la primera impedancia y la segunda impedancia, y un conducto hueco en comunicación fluida con el paso interno. Para asegurarse de que la energía EM de microondas no se acople al conducto hueco en la unión, el transformador de impedancia de microbanda puede disponerse, por ejemplo, adoptando la configuración que se indica a continuación.
En el presente documento el término "conductor" se utiliza con el significado "eléctricamente conductivo", a menos que el contexto indique otra cosa.
En el presente documento, los términos "proximal" y "distal" se refieren a ubicaciones más lejos y más cerca de un sitio de tratamiento, respectivamente. Por tanto, en uso, el extremo proximal está más cerca de un generador para proporcionar la energía EM de microondas, mientras que el extremo distal está más cerca de el sitio de tratamiento, es decir del paciente.
Un instrumento electroquirúrgico puede ser cualquier instrumento, o herramienta, que se utilice durante la cirugía y que utilice energía EM microondas durante el tratamiento. En el presente documento, energía EM de microondas puede significar energía electromagnética que tenga una frecuencia fija estable en el intervalo de 300 MHz a 100 GHz. Las frecuencias puntuales preferidas para la energía de microondas incluyen 915 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz, 14,5 GHz, 24 GHz y 31 GHz. Se prefieren las frecuencias por encima de 1 GHz. La frecuencia más preferida puede ser 5,8 GHz.
El transformador de impedancia de microbanda puede comprender un sustrato dieléctrico plano con una superficie superior y una superficie inferior en lados opuestos del mismo, una capa conductora de puesta a tierra sobre la superficie inferior, y una capa conductora de microbanda sobre la superficie superior. El sustrato dieléctrico puede fabricarse con cualquier material de baja pérdida adecuado. Pueden resultar preferibles los materiales con una constante dieléctrica alta (por ejemplo, mayor de 5) para permitir que la unión sea compacta. La capa conductora de microbanda puede estar retirada de la periferia de la superficie superior del sustrato dieléctrico, para restringir el campo EM de microondas sustancialmente dentro de una región definida por la superficie superior.
La capa conductora de microbanda puede comprender una porción proximal de pista de microbanda, que tiene una primera anchura (W1), y una porción distal de pista de microbanda que tiene una segunda anchura (W2), en donde la segunda anchura es mayor que la primera anchura (W2 > W 1).
La porción distal de pista de microbanda puede estar dispuesta para funcionar como un transformador de impedancia de cuarto de onda, y puede acoplarse directamente al cable de instrumento. Una longitud eléctrica de la porción distal de pista de microbanda puede ser un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda de la energía EM de microondas, transportada por el transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda. La longitud física de esta sección puede depender de la constante dieléctrica efectiva y de la propagación de los campos por dentro del sustrato dieléctrico, así como por el aire. La segunda anchura puede seleccionarse para hacer que una impedancia característica Z0 de la porción distal de pista de microbanda cumpla con la ecuación:
Z0 - j Z lnZL
donde Zin es una impedancia de la porción distal de pista de microbanda y Zl es una impedancia del cable de instrumento a la frecuencia de la energía EM de microondas.
Las dimensiones del sustrato dieléctrico y la capa conductora de tierra pueden ser idénticos tanto para la porción proximal de pista de microbanda como para la porción distal de pista microbanda. No es necesario que la capa conductora de microbanda se limite solo a dos porciones de pista de microbanda.
La porción proximal de pista de microbanda puede estar configurada para acoplarse de manera efectiva a la línea de alimentación de microondas. Por tanto, la primera anchura puede seleccionarse para hacer que una impedancia característica de la porción distal de pista de microbanda sea sustancialmente igual a la impedancia de la línea de alimentación de microondas en la frecuencia de la energía EM de microondas.
La línea de transmisión coaxial del cable de instrumento puede comprender un conductor interno, un conductor externo y un material dieléctrico que separa el conductor interno del conductor externo. En un extremo proximal de la línea de transmisión coaxial, el conductor interno puede extenderse proximalmente desde el material dieléctrico y el conductor externo para superponerse a (y preferentemente hacer contacto físico con) la porción distal de pista de microbanda para conectarse eléctricamente con la misma. El material dieléctrico puede extenderse proximalmente desde un extremo proximal del conductor externo para cubrir un espacio entre la capa conductora de microbanda y un borde distal del sustrato dieléctrico plano. Preferentemente, el material dieléctrico hace contacto físico con el sustrato dieléctrico en esta región para evitar una generación significativa de campos EM de microondas en esta zona. El conductor externo puede estar eléctricamente conectado a la capa conductora de puesta a tierra.
Del mismo modo, la línea de alimentación de microondas puede comprender un cable coaxial que tenga un conductor interno primario conectado eléctricamente a la porción proximal de pista de microbanda y un conductor externo primario conectado eléctricamente a la capa conductora de puesta a tierra. Estas conexiones pueden efectuarse a
través de un conector adecuado, p. ej. un conector SMA o similar.
El conducto hueco puede estar montado sobre la capa conductora de microbanda. Por ejemplo, el conducto hueco puede ser un tubo que se curve en sentido opuesto al sustrato dieléctrico plano a medida que se extiende en sentido opuesto al cable de instrumento. Esta configuración resulta particularmente útil cuando el paso interno está formado dentro del conductor interno de la línea de transmisión coaxial y, por lo tanto, el acceso al paso interno se produce inherentemente en una región donde la energía también se acoplada a la línea de transmisión coaxial o es transportada por la misma.
La línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento pueden asegurarse al sustrato dieléctrico plano en la unión. Por ejemplo, la línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento pueden fijarse al sustrato dieléctrico plano mediante elementos de sujeción conductores, que proporcionen una conexión eléctrica a la capa conductora de puesta a tierra.
En un ejemplo, la unión puede comprender una carcasa de blindaje conductora que rodee el transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda. La carcasa de blindaje puede ser una caja o una malla que encierre la unión. La carcasa de blindaje puede estar conectada a tierra, p. ej. conectada eléctricamente a la capa de puesta a tierra del transformador de impedancia de microbanda. La línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento pueden fijarse al transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda a través de la carcasa de blindaje. El conducto hueco puede extenderse a través de una abertura en la carcasa de blindaje para proporcionar acceso al paso interno.
El blindaje alrededor del transformador puede resultar particularmente ventajoso para esta estructura dado que la estructura irradiará unas líneas de campo (E y H) (debido al hecho de que la estructura es asimétrica por lo que las líneas de campo se acoplarán con el espacio libre). El blindaje puede funcionar como una jaula de Faraday para evitar que estos campos se acoplen con otros objetos o causen interferencias a otros equipos del quirófano o de cualquier otro lugar. El blindaje puede configurarse para garantizar que los campos de la unión no se vean afectados, es decir que aparezcan modos no deseados, tales como "modos de caja".
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se analizan en detalle ejemplos de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un aparato electroquirúrgico que es una realización de la presente invención;
La Fig. 2A es una vista lateral esquemática de una estructura de transformador de impedancia de microbanda adecuada para su uso en la invención;
La Fig. 2B es una vista superior esquemática de la estructura de transformador de impedancia de microbanda de la Fig. 2A;
La Fig. 3 es una vista lateral esquemática de un transformador de impedancia de microbanda conectado en un aparato electroquirúrgico, que es una realización de la presente invención;
La Fig. 4 es una vista superior esquemática del transformador de impedancia de microbanda de la Fig. 3;
La Fig. 5 es un gráfico simulado que muestra el campo eléctrico del aparato de instrumento electroquirúrgico de las Figs. 3 y 4;
La Fig. 6 es un gráfico simulado que muestra la densidad de pérdida de potencia del aparato de instrumento electroquirúrgico de las Figs. 3 y 4;
La Fig. 7 es un gráfico que muestra una característica de pérdida de retorno simulada del aparato de instrumento de las Figs. 3 y 4, en un intervalo de frecuencias;
La Fig. 8 es un gráfico que muestra una característica de pérdida de inserción simulada del aparato de instrumento de las Figs. 3 y 4, en un intervalo de frecuencias.
Descripción detallada; otras opciones y preferencias
La Fig. 1 es un diagrama esquemático de un aparato electroquirúrgico 10 que proporciona un contexto para la presente invención.
El aparato electroquirúrgico 10 comprende un generador EM 12 que genera energía EM (energía de microondas y/o de radiofrecuencia). El generador 12 está conectado a un transformador 20. El transformador 20 es un transformador de impedancia de microbanda 100, que se describe en mayor detalle con referencia a las siguientes Figs. 2 a 4. El transformador 20 está ubicado en una unión entre el generador 12 y un cable de transporte de energía 30.
En este ejemplo, el cable de transporte de energía 30 es una línea de transmisión coaxial 14. La línea de transmisión coaxial 14 comprende un conductor interno rodeado por un material dieléctrico que separa el conductor interior de un conductor externo. La línea de transmisión coaxial 14 incluye un paso interno, p. ej. dentro del conductor interno, para transportar materiales, p. ej. solución salina, o instrumentos a lo largo del cable 30. Un conducto hueco 18 está conectado a un extremo proximal del cable 30, en la unión con el transformador 20. El conducto hueco 18 está en
comunicación fluida con el paso y, por tanto, actúa como un medio para introducir materiales o instrumentos en el paso.
El cable de transporte de energía 30 es un vástago flexible y orientable que comprende la línea de transmisión coaxial 14 y el paso. El cable 30 puede insertarse en el cuerpo de un paciente durante la cirugía. El cable 30 puede configurarse de manera que sea adecuado para la inserción no invasiva o percutánea en el cuerpo. El cable 30 puede tener una funda exterior fabricada con un material biocompatible flexible.
El cable 30 se extiende en sentido opuesto al generador 12 y termina en un extremo distal 40. Un instrumento electroquirúrgico 80 puede estar montado en el paso del extremo distal 40 o puede sobresalir desde el mismo. La línea de transmisión 14 está conectada al instrumento 80 en el extremo distal 40. Desde el generador 12 se transmite energía electromagnética (EM) (p. ej. energía EM de microondas), a través del transformador 20, y se suministra la misma al instrumento 80 mediante la línea de transmisión 14. El instrumento puede incluir una punta radiante dispuesta para emitir la energía EM, para su absorción por parte del tejido biológico circundante. La energía emitida por la punta radiante puede servir para efectuar una ablación y/o para cauterizar tejido.
El instrumento 80 puede incluir también una abertura en comunicación fluida con el paso interno de la línea de transmisión coaxial 14. Así, los materiales introducidos en el conducto hueco 18 por un operario podrán transportarse a través del paso situado dentro del cable 30, hasta el interior del cuerpo del paciente, pudiendo accederse con los mismos a una zona de tratamiento distal a través de la abertura.
El transformador de impedancia 20 situado entre el generador 12 y la línea de transmisión coaxial 14 del cable 30 funciona para igualar una impedancia del generador 12 y una impedancia de la línea de transmisión coaxial 14, o para mejorar la igualación entre las mismas. Esto evita la pérdida de potencia y múltiples reflexiones a medida que se introduce la energía en la línea de transmisión coaxial 14 y, por lo tanto, puede evitar efectos de calentamiento no deseados dentro del aparato 10.
Las Figs. 2A y 2B son diagramas esquemáticos de una estructura de transformador de impedancia de microbanda 100 desde el lateral y la parte superior, respectivamente. El transformador de impedancia de microbanda 100 es una línea de transmisión eléctrica que puede fabricarse utilizando tecnología de placa de circuito impreso. La estructura de transformador de microbanda 100 comprende tres capas. Una primera capa es una capa conductora que proporciona un plano de puesta a tierra 110. Una segunda capa es un sustrato dieléctrico 115 situado sobre el plano de puesta a tierra 110. Una tercera capa es una capa conductora fabricada sobre el sustrato dieléctrico 115. La tercera capa es la capa activa, y en el presente documento se denomina capa conductora de microbanda 120.
El sustrato dieléctrico 115 puede ser cualquier material dieléctrico. A modo de ejemplo, puede usarse material de alta frecuencia Rogers Corporation TMM10. Otros materiales de sustrato incluyen vidrio reforzado con epoxi (comúnmente denominado FR-4) y cerámica, p. ej. alúmina. El plano de puesta a tierra 110 y el conductor de microbanda 120 pueden fabricarse con cualquier material conductor, p. ej. plata, oro, etc.
La capa conductora de microbanda 120 tiene una anchura (W) que se mide en una dirección perpendicular a la dirección de desplazamiento de la energía EM desde el generador 12, es decir lateral a una dirección axial de la línea de transmisión coaxial 14. La impedancia de la capa conductora de microbanda 120 cambia dependiendo de esta anchura. La impedancia característica del transformador 100 de microbanda varía con la anchura del conductor de microbanda.
Como se muestra en la vista superior de la Fig. 2B, la capa conductora de microbanda 120 comprende dos porciones de pista que tienen diferentes anchuras. En este ejemplo, una primera pista de microbanda 122 (proximal, del lado de generador) tiene una anchura (W1) que es más estrecha que una anchura (W2) de una segunda pista de microbanda 124 (distal, del lado de cable). La geometría del sustrato dieléctrico 115 y el plano de puesta a tierra son idénticas para cada porción de pista, por lo que la primera pista de microbanda 122 tiene un valor de impedancia más alto que la segunda pista de microbanda 124. En una realización, la primera pista de microbanda 122 tiene una anchura (W1) de 2,5 mm y la segunda pista de microbanda 124 tiene una anchura (W2) de 6 mm, por ejemplo. Como se explica a continuación, la anchura (W1) puede seleccionarse para asegurar que la primera pista de microbanda tenga sustancialmente la misma impedancia que el generador, y la anchura (W2) puede seleccionarse para asegurar que la segunda pista de microondas tenga una impedancia que le permita funcionar como un transformador de impedancia de cuarto de onda. En otro ejemplo, la anchura de la segunda pista de microbanda puede ser más estrecha que la primera pista de microbanda. Esta configuración se usaría si el cable de instrumento tuviera una impedancia más alta que el generador.
Cada porción de pista del conductor de microbanda 120 también tiene una longitud que se mide paralelamente a la dirección de desplazamiento de la energía EM, es decir a lo largo de la dirección axial de la línea de transmisión coaxial 14. La primera pista de microbanda 122 tiene una longitud (L1) que es más larga que una longitud (L2) de la segunda pista de microbanda 124. En un ejemplo, la longitud L1 es de 10 mm y la longitud L2 es de 2,5 mm. La longitud (L2) puede ser sustancialmente igual a un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda de la energía EM a medida que se propaga por dentro de la estructura de microbanda. La longitud (L1) puede seleccionarse mediante simulación o
similar, para garantizar que la forma de campo del transformador suministre la energía EM de manera eficiente.
El sustrato dieléctrico 115 tiene una anchura que se mide perpendicularmente y una longitud que se mide paralelamente a la dirección de desplazamiento de la energía EM. El sustrato dieléctrico puede tener una anchura de 20 mm y una longitud de 15 mm. Por tanto, la capa conductora de microbanda 120 puede estar retirada con respecto a una periferia del sustrato dieléctrico 115. En esta realización, el cable y el conector SMA están fijados mediante soldadura. Por esta razón, la capa conductora está retirada para asegurarse de que no haya descarga disruptiva/posibilidad de flujo de soldadura que conecte la capa conductora y la capa de puesta a tierra en el extremo proximal del transformador. Debido a la geometría del conector SMA, sin este pequeño espacio el exterior del conector estaría en contacto con la capa conductora y crearía un cortocircuito.
Otro parámetro que puede utilizarse para controlar la impedancia de la estructura de transformador es el espesor o altura (H) del sustrato dieléctrico 115. La dimensión de espesor es perpendicular a las dimensiones de anchura (W) y longitud (L) de la capa conductora de microbanda 120.
Las Figs. 3 y 4 son unas vistas esquemáticas lateral y superior, respectivamente, de una unión 200 entre un generador (no mostrado) y un cable de transporte de energía 30. La unión comprende un transformador de microbanda 100, como se analizó anteriormente, conectado entre un conector 150 de lado de generador y un extremo proximal de la línea de transmisión coaxial transportada por el cable 30. Se utilizan los mismos números de referencia para las características correspondientes, que no se describen de nuevo.
El conector 150 de lado de generador está conectado a la primera pista de microbanda 122 en un lado proximal del transformador de microbanda 100. El conector 150 de lado de generador puede ser cualquier conector que pueda conectarse un generador de energía EM 12 a un transformador de impedancia de microbanda 100. Por ejemplo, el conector 150 puede ser un conector SMA estándar (subMiniatura versión A). El conector 150 tiene una clavija conductora central 154 que está conectada eléctricamente (por ejemplo, soldada) a la primera pista de microbanda 122 del transformador de impedancia de microbanda 100.
La parte exterior (tierra) del conector 150 está conectada al plano de puesta a tierra 110 del transformador de impedancia de microbanda 100. Una manera de hacer esto es utilizar una placa conectora 156 que rodee el exterior del conector 150 y que esté unida directamente al plano de puesta a tierra 110, creando así una conexión entre el exterior del conector 150 y el plano de puesta a tierra 110 del transformador de impedancia de microbanda 100. La placa conectora 156 puede soldarse o atornillarse al plano de puesta a tierra 110.
El cable 30 está conectado al transformador de impedancia de microbanda 100 en un extremo opuesto al del generador 12. El conductor interno 144 y el material dieléctrico 146 de la línea de transmisión coaxial sobresalen proximalmente más allá de un extremo proximal del conductor externo (no mostrado). El conductor interno 144 y el material dieléctrico 146 se superponen a la superficie superior del transformador de microbanda 100. El conductor interno 144 está eléctricamente conectado (por ejemplo, unido o soldado) a la segunda pista de microbanda 124 del transformador de impedancia de microbanda 100. El material dieléctrico 146 se encuentra sobre el espacio entre la segunda pista de microbanda 124 y un borde distal del sustrato 115, para asegurar que ese conductor interno quede aislado.
El conductor externo de la línea de transmisión coaxial está conectado al plano de puesta a tierra 110 del transformador de impedancia de microbanda 100. Esto puede hacerse usando una placa terminal 136 para cable, que rodee el cable y esté en contacto eléctrico con el conductor externo. La placa 136 puede enlazarse, p. ej. soldándose directamente al plano de puesta a tierra 110, creando una conexión entre el conductor externo del cable de transmisión y el plano de puesta a tierra 110 del transformador de impedancia de microbanda 100.
Al mismo tiempo, el conducto hueco 18 sobresale desde un extremo proximal del conductor interno 144 y se curva hacia arriba una distancia desde la superficie superior del transformador de microbanda 100.
El aparato de instrumento electroquirúrgico de las Figs. 3 y 4 funciona de la siguiente manera. El generador 12 genera energía EM que fluye hacia el transformador de impedancia de microbanda 100 por el conector 150. La energía EM se desplaza desde la clavija conectora 154 del conector 150, y hacia la primera pista de microbanda 122. La anchura de la primera pista de microbanda 122 se elige de modo que su impedancia sea similar a la impedancia del generador. La impedancia del generador puede ser aproximadamente 50 Q. La energía EM se desplaza entonces hacia la segunda pista de microbanda 124. La segunda pista de microbanda 124 es más ancha que la primera pista de microbanda 122. La anchura de la segunda pista de microbanda 124 se elige de modo que tenga la impedancia correcta para actuar como un transformador de impedancia de cuarto de onda. Como se ha analizado anteriormente, la longitud se selecciona de modo que sea un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda para igualar la impedancia del generador con la (menor) impedancia del cable 30.
La impedancia del cable 30 puede ser de aproximadamente 12 a 14 O. A medida que la energía EM se desplaza desde la primera pista de microbanda 122 hasta la segunda pista de microbanda 124, se reduce la impedancia que experimenta, p. ej. desde aproximadamente 50 Q a aproximadamente entre 12 y 14 Q. El transformador de impedancia de microbanda 100 iguala por lo tanto la impedancia del generador 12 con la impedancia del cable de transmisión 14,
que pasa por el supercable 30.
Por tanto, cuando la frecuencia de energía suministrada desde el generador es f, la longitud L2 de la segunda pista de microbanda puede calcularse como
L = - L
2 4 / \/"w -'II
donde c es la velocidad de la luz y E f es una constante dieléctrica efectiva en la unión, que depende de la geometría de la línea de microbanda y la permisividad relativa Er del sustrato dieléctrico y el material circundante (por ejemplo, aire), de manera conocida.
Y para asegurar que la segunda pista de microbanda funcione como un transformador de impedancia de cuarto de onda, su anchura se selecciona de modo que su impedancia característica Zo cumpla con la ecuación:
Zo - j Z lnZL
donde Zin es la impedancia del generador (50 O en el ejemplo anterior) y Zl es la impedancia del cable (aproximadamente 12 Q en el ejemplo anterior). En un ejemplo, la anchura de la segunda pista de microbanda se selecciona para hacer que Zo sea aproximadamente 24,5 O.
En otra realización, la placa conectora 156 y la placa terminal 136 para cable pueden estar integrados en una carcasa de blindaje conductora 101 que rodee completamente el transformador de impedancia de microbanda 100. El blindaje puede estar fabricado con cobre. Por ejemplo, una lámina de cobre de 1 mm de espesor que actúe como una jaula de Faraday para evitar que se escape la energía EM. El blindaje puede ser un cuboide hueco con una longitud que se mide paralela a la dirección de desplazamiento de la energía Em , una anchura que se mide perpendicular a la dirección de desplazamiento de la energía EM, y una altura que se mide perpendicular a su anchura y la longitud. El blindaje puede tener una longitud de 25 mm, una anchura de 22 mm y una altura de 22 mm, por ejemplo.
Los inventores han observado que la configuración del transformador de microbanda dada a conocer en el presente documento proporciona un aislamiento muy eficaz para el conducto hueco 18, ya que se conecta con la línea de transmisión coaxial. Esto resulta particularmente ventajoso porque puede evitar el calentamiento no deseado de los instrumentos y/o líquidos que pasen a través del conducto hueco 18.
La Fig. 5 es un gráfico simulado que muestra el campo eléctrico en el aparato. Los tonos más claros indican un campo eléctrico más fuerte, mientras que los tonos más oscuros indican un campo eléctrico más débil. Dentro del cable 30 y el transformador de impedancia de microbanda 100 está presente un fuerte campo eléctrico, pero en el conducto hueco 18 está presente un campo eléctrico mínimo. Esto asegura que los instrumentos y/o líquidos presentes en el conducto hueco 18 no experimenten efectos de calentamiento no deseados debido al campo eléctrico. A modo de ejemplo, el conducto hueco 18 puede contener un fluido tal como solución salina. La solución salina es un buen conductor del calor, por lo que es importante que el conducto hueco esté aislado del campo eléctrico que puede inducir el calentamiento.
La Fig. 6 es un gráfico simulado que muestra la densidad de pérdida de potencia en el aparato. Los tonos más claros indican una gran pérdida de potencia y los tonos más oscuros indican una menor pérdida de potencia. En el cable 30 y el transformador de impedancia de microbanda 100 se observa una pérdida de potencia moderada, pero una pérdida mínima de potencia desde el conducto hueco 18.
La Fig. 7 es un gráfico que muestra una característica de pérdida de retorno simulada del aparato de instrumento electroquirúrgico de las Figs. 3 y 4, en un intervalo de frecuencias. Puede observarse que existe una baja pérdida de retorno alrededor de 5,8 GHz, que es la frecuencia deseada de uso y la frecuencia a la que el transformador actúa como un transformador de cuarto de longitud de onda. La pérdida de retorno a 5,8 GHz es de -15 dB, lo que significa que se suministra alrededor del 96 % de la potencia.
La Fig. 8 es un gráfico que muestra una característica de pérdida de inserción simulada del aparato de instrumento electroquirúrgico de las Figs. 3 y 4, en un intervalo de frecuencias. Puede observarse que existe una baja pérdida de inserción alrededor de 5,8 GHz, que es la frecuencia deseada de uso. La pérdida de inserción a 5,8 GHz es de aproximadamente 0,4 dB, lo que significa que hay una pérdida de aproximadamente el 8,8 %.
Las Figs. 7 y 8 demuestran que la pérdida de energía por reflejos en la unión entre el transformador y el cable es mínima, lo que permite suministrar energía de manera eficiente a la línea de transmisión coaxial sin causar un calentamiento localizado no deseado de otros componentes.
Claims (20)
1. Un aparato electroquirúrgico, que comprende:
una línea de alimentación de microondas para transportar energía electromagnética (EM) de microondas, que tiene una frecuencia, desde un generador electroquirúrgico;
un cable de instrumento para la inserción en un sitio de tratamiento del cuerpo de un paciente, comprendiendo el cable de instrumento:
una línea de transmisión coaxial para transportar la energía EM de microondas, y
un paso interno para proporcionar acceso al sitio de tratamiento; y
una unión dispuesta para transferir la energía EM de microondas entre un extremo distal de la línea de alimentación de microondas y un extremo proximal del cable de instrumento,
en donde la línea de alimentación de microondas tiene una primera impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas,
en donde el cable de instrumento tiene una segunda impedancia a la frecuencia de la energía EM de microondas, siendo la segunda impedancia menor que la primera impedancia, y
en donde la unión comprende:
un transformador de impedancia de microbanda dispuesto para igualar la primera impedancia y la segunda impedancia, y
un conducto hueco en comunicación fluida con el paso interno.
2. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el transformador de impedancia de microbanda comprende:
un sustrato dieléctrico plano que tiene una superficie superior y una superficie inferior en lados opuestos del mismo, una capa conductora de puesta a tierra sobre la superficie inferior; y
una capa conductora de microbanda sobre la superficie superior,
en donde la capa conductora de microbanda está retirada con respecto a la periferia de la superficie superior.
3. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la capa conductora de microbanda comprende una porción proximal de pista de microbanda, que tiene una primera anchura (Wi), y una porción distal de pista de microbanda que tiene una segunda anchura (W2), en donde la segunda anchura es mayor que la primera anchura (W2 > Wi).
4. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 3, en donde una longitud eléctrica de la porción distal de pista de microbanda es un múltiplo impar de un cuarto de longitud de onda de la energía EM de microondas, transportada por el transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda.
5. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 3 o 4, en donde la segunda anchura se selecciona para hacer que una impedancia característica Zo de la porción distal de pista de microbanda cumpla con la ecuación:
Zo - j Z lnZL
donde Zin es una impedancia de la porción distal de pista de microbanda y Zl es una impedancia del cable de instrumento a la frecuencia de la energía EM de microondas.
6. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en donde la primera anchura se selecciona para hacer que una impedancia característica de la porción distal de pista de microbanda sea sustancialmente igual a la impedancia de la línea de alimentación de microondas en la frecuencia de la energía EM de microondas.
7. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde la línea de transmisión coaxial comprende un conductor interno, un conductor externo y un material dieléctrico que separa el conductor interno del conductor externo, y en donde, en un extremo proximal de la línea de transmisión coaxial, el conductor interno se extiende proximalmente desde el material dieléctrico y el conductor externo para superponer la porción distal de pista de microbanda, y el material dieléctrico se extiende proximalmente desde un extremo proximal del conductor externo para cubrir un espacio entre la capa conductora de microbanda y un borde distal del sustrato dieléctrico plano.
8. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el conductor externo está conectado eléctricamente a la capa conductora de puesta a tierra.
9. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, en donde la línea de alimentación de microondas comprende un cable coaxial que tiene un conductor interno conectado eléctricamente a la porción proximal de pista de microbanda y un conductor externo conectado eléctricamente a la capa conductora de puesta a tierra.
10. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en donde el conducto hueco está montado sobre la capa conductora de microbanda.
11. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el conducto hueco es un tubo que se curva en sentido opuesto al sustrato dieléctrico plano a medida que se extiende en sentido opuesto al cable de instrumento.
12. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, en donde la línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento están asegurados al sustrato dieléctrico plano en la unión.
13. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento están fijados al sustrato dieléctrico plano mediante elementos de sujeción conductores, que proporcionan una conexión eléctrica a la capa conductora de puesta a tierra.
14. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la unión comprende una carcasa de blindaje conductora que rodea el transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda.
15. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 14, en donde la carcasa de blindaje actúa como una jaula de Faraday para confinar los campos EM emitidos en la unión.
16. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 14 o 15, en donde el conducto hueco se extiende a través de una abertura en la carcasa de blindaje.
17. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en donde la línea de alimentación de microondas y el cable de instrumento están fijados al transformador de impedancia de microbanda de cuarto de onda a través de la carcasa de blindaje.
18. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el paso interno está dentro del conductor interno de la línea de transmisión coaxial.
19. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la segunda impedancia es de 12 a 14 Q.
20. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la frecuencia de la energía EM de microondas es una frecuencia fija estable que se selecciona entre 5,8 GHz, 14,5 GHz, 24 GHz y 31 GHz.
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