发明领域
本发明涉及用于冷冻外科和其它用途的冷冻探针装置。更具体地 说，本发明涉及一种具有控制组织中形成的冰珠的构型的增强能力的 冷冻外科的装置。
背景技术
冷冻外科或冷冻摘除是局部热摘除技术中最老的一种。它原先在 19世纪中发展。它曾被用于破坏和控制体内深层组织，如肿瘤。
在许多临床报告中曾描述过将冷冻外科探针用于冷冻外科或冷冻 摘除来医治各种良性的和恶性的肿瘤。此外，在腹腔镜检查和经皮的 临床报告中曾描述过将冷冻外科探针用于冷冻外科或冷冻摘除。
在参考合并于此的由Boris Rubinsky发表在《生物医学工程年度 评论》2000年2：157～187中的题为《冷冻外科学》的论文中很好地 提出了冷冻外科学的一般历史的概述及其中涉及的机理。
冷冻外科或冷冻摘除是一种原位冷冻组织或表面的方法，其中通 过穿透冷冻探针而传递冷冻以下的温度，该冷冻探针中有循环一种冷 冻剂或冷却剂或冷却物质。该冷冻外科探针迅速冷冻邻近该冷冻探针 的组织，从而导致冷冻坏死或组织死亡。不可逆转的组织破坏通常产 生于低于-20℃的温度，而细胞死亡是由直接冷冻、细胞膜破裂、细胞 脱水、细胞蛋白质变性和局部缺血缺氧造成的。然后坏死的组织被身 体吸收或排斥。在移去冷冻探针之前可以进行多次的冷冻和解冻。
该冷冻外科方法有多个基本的缺点。目前，冷冻外科或冷冻摘除 主要为敞开式外科技术。取决于肿瘤大小，将一个到八个直径1.5～8 毫米的冷冻探针安置在目标组织中。一种低温物质(通常为液氮或氩 气)，通过冷冻探针循环几分钟，以获得小于-120℃的温度。在第二 次冷冻后，冷冻探针通常通过循环暖流体或氦气而受热并移去，管道 被包扎以止血。据报道，在冷冻摘除或冷冻外科手术后，流血是常见 的并发症。其它并发症包括发热、肾衰竭、脓毒病、播散的血管内凝 固和白细胞增多。其它限制因素包括冷冻探针尺寸大，对直接邻近冷 冻区或冰珠的组织的损伤，以及在组织中形成的冰珠的尺寸和形状。
例如，Onik和Cohen的《癌》1993年72卷1291页的《前列腺的 经直肠的超声引导的经皮射线冷冻外科摘除》中描述的将冷冻外科探 针用于前列腺的冷冻外科手术或冷冻摘除，详述了冷冻外科或冷冻摘 除手术。冷冻器或冷冻探针通过利用超声引导预先安置的套管而安置 在前列腺中。增大的前列腺的不规则形状要求特定的冰珠形状，以便 完全治疗该组织。为了避免损伤邻近的组织或结构，利用通过安置在 尿道中的导管的温盐水的连续灌输，防止了尿道、外括约肌和膀胱颈 括约肌的受冰冻。此外，肝转移的冷冻外科或冷冻摘除提出不同的挑 战。与原发的肝肿瘤如肝细胞癌不同，肝转移的形状是不规则的，而 且通常在不良位置上，由此，邻近的组织或结构的损伤是主要的忧虑。
在治疗各种不同的良性或恶性的组织中的上述困难以及与当前的 冷冻外科探针和外科摘除手术相关的综合症已产生改进冷冻外科装置 和方法的要求。
发明概要
本发明公开一种能够控制组织中形成的冰珠构型的冷冻外科装置 和使用方法。
在一个实施例中，一个细长的冷冻探针有一冷却部分和一在该冷 却部分区域中的导电的第一部分，一个能量传导元件安置在该冷冻探 针的附近并在与冷冻探针上第一部分隔开的一个区域中有一导电的第 二部分，而一个电磁能量源操作地连接在该第一和第二部分上，该能 量源可以操作而在该冰珠的区域中产生对组织的加热，从而控制冰珠 的构型。
在一个实施例中，该装置和方法是这样的，就是电磁能量通过围 绕由冷冻探针的冷却部分形成的冰珠的组织而传递，该能量加热邻近 的和围绕的组织而有助于控制该冰珠的构型。
在某些实施例中，该装置和/或方法或者能够通过选择加热周围的 组织而保护邻近的组织或结构免受热损伤，或者可能由于产生热的能 量的传输而对周围的组织诱生附加的热损伤。
在本发明的某些实施例中，提供的装置和/或方法用于控制从该冷 冻机构产生的热能或电磁能源的能量两者在邻近的组织中施加的能量 总量，从而影响组织死亡或组织坏死的总量。
附图简述
图1是按照本发明的一个实施例的装置的一部分的透视图，该装 置带有一个被一鞘包围的细长的中心安置的冷冻探针；
图2是类似于图1的冷冻探针的视图，图中该鞘已移去；
图3是从冷冻探针取下的鞘的透视图；
图4是插入组织和操作而形成一选择地构型的冰珠的冷冻探针装 置的远端部分的放大透视图；
图5是大体上沿图1中线5-5截取的放大的截面图；
图6是本发明另一实施例的远端透视图；
图7是表示一个操作热范围例子的冷冻探针装置的远端部分的放 大透视图；以及
图8是本发明另一实施例的远端透视图。
详细描述
单数形式“一”、“一个”、“该”指一个或多于一个，除非上 下文清楚地指示其它。例如，用语“包括一个冷冻探针”包括一个或 多个冷冻探针，并被认为与短语“包括至少一个冷冻探针”等效。
用语“或”指已陈述的替代元件的一个单独的元件或者两个或更 多个元素的组合。例如，短语“射频或微波能量”指射频能量、微波 能量或射频和微波能量两者。
术语“包括”意味着“含有”。因此，“包括A和B”意味着“含 有A和B”而不排除其它元素。
术语“近的”指一台仪器的靠近操作者的一部分，而“远的”指 该仪器的远离操作者的一部分。
术语“对象”指人体和动物对象。在某些实施例中，该对象是人 或其它哺乳动物。
参照附图，更具体地参照图1～3和图5，10总的表示按照本发明 的一个实施例的一种装置。该装置包括一个细长的冷冻探针12和一个 围绕的同轴设置的鞘或套管14。该冷冻探针有一远端12a和一最靠近 操作者的近端12b。
该冷冻探针包括一个细长的空心针部件16，后者在其远端是闭合 的和尖的，而在其近端是开口的。在部件16内安装一根细长的同轴安 置的内管20。如图5中所见，包括Giaque-Hampson换热器21和 Joule-Thomson喷嘴22的管子20的端部向着部件16的闭合远端而从 部件16的近端向外延伸。管子20形成一个低温介质供应管道，冷却 剂或致冷物质可以通过该管道而供应给冷冻探针12。一个设置在管子 20外侧和部件16内壁之间的空间形成一个供低温介质通过部件16的 近端而流出的返回路径。
如图5中最清楚地看到的，一个如24指示的管子连接器可以操作 地连接在管子20的近端上，通过它可以从用26表示的低温介质源供 应低温介质。一个可以操作地连接在部件16的近端上的返回连接器30 形成一个返回路径，供该低温介质返回低温介质源26或通向希望向其 引导该冷却流体的另一区域。
如图5中箭头所示，从低温源26来的低温介质通过包括 Giaque-Hampson换热器21和Joule-Thomson喷嘴22的管子20而引 向低温探针12的远端，流出Joule-Thomson喷嘴22，向着用作膨胀 室的部件16的远端部分，并向着冷冻探针的远端12a冷却。然后流体 沿在管子20和部件16之间形成的管道返回而通过返回连接器30流出 该装置。
部件16用导热材料制成，使得部件16的远端部件用作可以认为 是冷冻尖端的部件或冷却部分，该部件在激活时可以冷冻被插进的组 件。
其次，部件16可以用导电材料制成(如外科手术用的钢)，并有 一个如图5中所示的联接在其近端上的电连接器32。如下面将进一步 描述的，这使得该部件能操作地连接在电的或磁电的设备上，并传导 其近端和其远端之间的电能或电磁能。
虽然部件16在这里描述成通常全部用导电材料制成，使得可以在 其近端和其远端之间传导能量，但应当认识到，部件16的各部分可以 用不导电材料制成，而仅仅是邻近冷冻探针的冷却部分的那一部分将 有一导电的暴露部分。在这样的情况下，在部件上的导电部分和电连 接器32之间将延伸合适的导体，使得它们之间可以传送电能。
一层电绝缘材料38覆盖部件16的近端和远端之间的主要部分。 如在图5中最清楚地看到的，部件16的近端12b可以保持稍许暴露以 便外加连接器32，而部件16的远端部分保持暴露。该电绝缘材料可以 是一种不导电橡胶、塑料或能够屏蔽邻近该绝缘材料的组织的其它聚 合物。
安装套管40紧固在冷冻探针12的近端部分上并用于使一架子(如 42处用虚线总的指示的)联接其上而设置一把手，操作者可通过该把 手在使用时握住该装置而对其操纵。因为把手42可以采取许多不同的 形式，所以此处仅示出一般化形式。
参照图3和图5，鞘14由一个有一远端46a和一近端46b的细长 套管46组成。该套管有一中心孔或空腔，其尺寸能滑动地容纳通过其 中的部件16及其相关的电绝缘材料38。套管46有一层覆盖其主要部 分的电绝缘材料48。覆盖该套管的电绝缘材料可以类似于部件16上所 用材料。套管46的远端和近端没有覆盖绝缘材料，而是留着暴露，如 图3和图5中所示。
套管46可以用导电材料制成并有一附接在其近端上的电连接器 50，使得可以在套管46的远端46a和近端46b之间传送电能。在另一 构造中，该套管可以用不导电材料制成而有一设置在其远端46a处的 导电部分，用合适的导电体将其远端处的该导电部分连接到一连接器 上，如50处所示，由此在这些点之间可以传送电能。
在套管46的近端部分46b中形成一凹痕52。一个紧固在安装套管 40上的可以弹性弯曲的连锁机构56安置成可以脱开地啮合凹痕52而 将鞘14如图5中所示地保持在冷冻探针12上。该连锁机构是偏压到 图5所示位置中的弹簧。通动手动地从凹痕52推动该联锁机构，很容 易脱开该机构，而使鞘14从冷冻探针12滑开。
如图1和图5中所示，该装置有鞘14，该鞘同轴地安装在冷冻探 针12上并由联锁机构56保持就位。在该位置中，电绝缘材料48覆盖 套管46的长度的主要部分，留下其远端部分46a是暴露的。围绕针部 件16的长度的主要部分的电绝缘材料38使套管46与部件16电绝缘。 如图1和图5中最清楚地看到的，电绝缘材料38从套管46的远端部 分46a沿纵向向外延伸。部件16的远端从绝缘材料38和从套管46沿 纵向向外延伸，使得部件16的远端部分既电暴露也热暴露。
虽然冷冻探针12和鞘14示作具有圆形截面，但应当理解，其它 截面也可接受。这些截面可包括椭圆形、矩形、三角形或其它。
参照图5，一个安装在冷冻探针12内的传感温度的热电偶60可以 操作而测定该冷冻探针的远端部分处的温度，并将该信息传送到一个 用TP表示的记录仪表。同样，一个与套管46联接的热电偶62可以操 作而将有关套管远端区中温度的信息传送到TC表示的温度记录仪。
仍参照图5，针部件16和套管46适合于连接到装置上，用于将热 能提供到邻近冷冻探针的区域内的组织。在该例示的实施例中，针部 件16通过电连接器32连接到电磁能发生器66上，后者在例示的实施 例中可以是射频(RF)发生器、微波发生器或其它合适的频率可变的 电磁能发生器。套管46图示成通过其电连接器50而操作地连接在电 的地线上。在另一实施例中，套管46可以连接在能量发生器和连接到 地线上的冷冻探针12上。
商用的电磁能发生器可用于该系统中而产生所要的射频能、微波 能或其它合适的频率可变的电磁能。该领域中的专业人员将熟悉可适 合于产生提供控制所产生的冰珠构型的所要结果而需要的电磁能的类 型和水平的电磁能发生器类型。提供给该装置的电磁能可以以调制形 式或脉冲形式控制。
同样，用于该系统中的低温物质源可以是适用于此种操作的任何 商用的低温物质源，这是该领域的专业人员所熟知的。
已足够地公开该装置的说明性操作，现开始参照图4，装置10的 远端插入要医治的对象的组织70中。针部件16的尖锐的远端便于插 入。在该冷冻探针已插入该组织内所要的目标位置中之后，从低温介 质源26来的低温物质供应到部件16，使得围绕和邻近冷冻探针的冷却 部分的区域中的组织冻结到总的如72处所示的冰珠中。
在该冰珠开始形成后，从发生器66来的电磁能如射频能或微波能 或其它合适的频率可变的电磁能被供应到导电的针部件16，而导电的 套管46连接到地线上。传送到针部件16的远端上的电磁能从部件16 通过围绕冰珠72的组织70流动到接地的套管46，大体上如图4中箭 头74所示。通过邻近和围绕该冰珠的组织的电磁能的传送用于加热该 围绕的组织并控制该冰珠的构型，冰珠构型的控制程度是由通过围绕 冰珠72的组织70而传送到针部件16和套管46的能量的水平和时间 来产生的。
如该技术的专业人员所知道的，电磁能通过组织的传播依赖于频 率。操作者将选择一个合适的频率来产生对形成的冰珠的构型和尺寸 的所要控制。
该低温物质最好能够将组织冷却到约0℃～-180℃或更低的温度 范围。
在组织中给予的电磁能可以能够使组织被加热到10℃～200℃或 更高的温度。
虽然已提到将温度冷却到-180℃和将温度加热到200℃，但应当 认识到，可以控制低温介质对冷冻探针的供应而产生对冷冻探针的冷 却部分区域中组织的合适冷冻温度，而对组织的加热温度可以通过适 当供应从发生器66来的电磁能而予以控制。用于冷冻的冷却温度和所 用的组织加热温度将由操作者选择，以便最适合于该手术。
图7例示在使用期间在围绕该装置的组织中产生的温度范围的一 个例子。如图中所见，组织中的温度梯度范围可以从邻接该装置低温 部分的约-180℃的低温到与其相隔一距离的约200℃的高温，其间为 中间温度的范围。此处示出的温度梯度仅为例子。
用于冷冻的温度用针部件16中的热电偶60测量并记录在装置TP上。同样，邻近该装置的加热温度可从套管46上的热电偶62来的温 度读数判断并记录在记录仪TC上。
仅作为例子，冷冻探针12对于选定的程序通常可以为任何合适的 长度和直径。在某些实施例中，冷冻探针的长度可以是约10～25cm， 而直径为约0.1～0.8cm。冷冻探针12的非绝缘远端部分12a将从绝 缘覆盖层38的外端伸出约2cm。绝缘层38将从套管46沿径向向外 伸出约0.5cm，而套管46的暴露的远端部分46a可以从其绝缘覆盖 层48向外伸出约2cm。但是，这些只是示范的尺寸。用于导热和导电 两者的部件和暴露部分的尺寸对于不同的实施例可以变更而提供选择 的冷却和加热能力。
图6例示另一实施例，其中使用一个第二导电元件80。导电元件 80包括一个细长的导电部件82，后者有一用于插入组织的尖头远端 82a和一不导电材料的覆盖层84，该覆盖层覆盖元件80的长度的主要 部分，但留下暴露的远端82a。部件82如指示的那样连接到地线。
在图6中示出的装置的操作中，冷冻探针装置10如前所述地插入 待治疗的组织并合适地连接到低温介质源26、发生器66和地线上。元 件80插入邻近冷冻探针12并与其沿侧向隔开的组织中，而部件82的 暴露部分按要求与针部件16的暴露的冷却部分和导电部分对准。
当从发生器66来的能量传送到针部件16时，该能量将不仅如箭 头74所示地流到接地的套管部件46，而且如箭头86所示地流到接地 的部件82。利用部件82和可能的安置在冷冻探针附近但与其侧向隔开 的其它类似的导电元件，通过该组织传送的电磁能将用于进一步控制 由冷冻探针10产生的冰珠的构型。
图8例示另一实施例，其中使用一个第二导电元件88，也称为分 散电极。元件88包括一个接地的导电板。该板可以对着其中使用该冷 冻探针装置的对象的皮肤而安置。
在图8中示出的装置的操作中，冷冻探针装置10插入待治疗的组 织中并适当地连接在低温介质源26、发生器66和地线上。元件88安 置成在一由操作者适当选定的区域中与待治疗的对象的皮肤接触。当 从发生器66来的能量传送到针部件16时，该能量将不仅如箭头74所 示地流到接地的套管部件46，而且也如箭头90所示地流到接地部件 88。在针部件16和部件88之间传送的电磁能量将用于进一步控制由 冷冻探针装置10产生的冰珠的构型。
虽然已在例示的构型中和如上所述地描述了该装置，但应当认识 到，也可以使用按要求起作用的其它形式。例如，该冷冻探针的冷却 部分可以安置在该装置的两端之间，而该暴露的导电元件可以向着该 装置的远端或在该远端处安置。但是，重要的是电绝缘材料安置在两 个导电部件之间(其中之一接受从发生器来的电磁能，而另一连接在 地线上)，使得加热组织的能量将通过围绕由该冷冻探针的冷却部分 所形成的冰珠而延伸的组织流动。
用于产生合适的冷冻和控制冰珠构型的方法可以通过改变(增大 或减小)该冷冻探针区域中组织的导电和导热特性从而影响组织死亡 或组织坏死的总量而进一步增强。这可以通过将各种药剂引入该组织 来完成，所述药剂是在生物兼容性、热性能和电性能的基础上选择的。 这些药剂是该技术的专业人员已知的。
至今已描述的装置和操作方法的治疗效果也可以通过注入其中已 封装了能由热量释放的药剂的元件而进一步增强。将此种物料注入邻 近该冷冻探针装置的组织的区域中使从电磁能量发生器产生的热量能 加热邻近该冰珠的组织，从而释放封装状态的药剂，以提供补充的治 疗效果。
虽然此处已描述了优选实施例和方法，但该技术的专业人员应当 清楚，可以进行变化和修改而并不偏离如下列权利要求书中提出的本 发明的精神。