ES2908757T3 - Instrumento electroquirúrgico para realizar la ablación o la electroporación de tejido biológico - Google Patents

Instrumento electroquirúrgico para realizar la ablación o la electroporación de tejido biológico Download PDF

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Abstract

Un instrumento electroquirúrgico (100, 200) para suministrar energía electromagnética en el tejido biológico de un sitio de tratamiento, comprendiendo el instrumento electroquirúrgico: una la línea de transmisión coaxial que comprende un conductor interno (202), un conductor externo (206) y un material dieléctrico (204) que separa el conductor interno del conductor externo, estando dispuesta la línea de transmisión coaxial para transmitir energía electromagnética (EM) de microondas; una punta radiante (210) montada en un extremo distal de la línea de transmisión coaxial para recibir la energía EM de microondas desde la línea de transmisión coaxial y emitir la energía EM de microondas como un campo alrededor de la punta radiante; una línea de transmisión auxiliar (216) que se extiende a lo largo de la línea de transmisión coaxial hacia la punta radiante, estando dispuesta la línea de transmisión auxiliar para transmitir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación; y una matriz de microelectrodos (222) montada en la punta radiante y conectada eléctricamente a la línea de transmisión auxiliar, en donde la matriz de microelectrodos está configurada para recibir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación desde la línea de transmisión auxiliar para, así, generar un campo eléctrico en la punta radiante para la electroporación del tejido biológico.

Description

DESCRIPCIÓN
Instrumento electroquirúrgico para realizar la ablación o la electroporación de tejido biológico
Campo de la invención
La invención se refiere a un instrumento electroquirúrgico que administre energía electromagnética (EM) de microondas para tratar tejido biológico. En concreto, la invención se refiere a un instrumento electroquirúrgico que se puede introducir a través de un canal de instrumentos de un dispositivo de exploración quirúrgica (por ejemplo, un endoscopio o broncoscopio) para tratar tumores de una manera mínimamente invasiva.
Antecedentes de la invención
Es intrínsecamente difícil acceder a los tumores pulmonares debido a las pequeñas dimensiones del árbol bronquial, especialmente hacia las regiones periféricas donde es probable que se desarrollen pequeños nódulos. Esto ha dado como resultado el empleo de muchas opciones de tratamiento, como la quimioterapia (medicina dirigida, medicamentos contra el cáncer (agentes quimioterapéuticos)), radioterapia (administración de radiación ionizante), cirugía (invasiva y mínimamente invasiva) y ablación por RF/microondas. Los procedimientos quirúrgicos conllevan neumonectomía (extirpación de un pulmón), lobectomía (extirpación de un lóbulo), lobectomía en manguito (resección de un lóbulo junto parte del bronquio que está unido a él), resección en cuña (extirpación de una parte de pulmón en forma de cuña) y segmentectomía/resección de segmentos (resección de un segmento pulmonar específico).
Se conoce el uso de sondas emisoras de microondas para tratar diversas afecciones en los pulmones y otros tejidos corporales. Por ejemplo, en los pulmones, puede usarse radiación de microondas para tratar el asma y extirpar tumores o lesiones.
Otro tipo de tratamiento contra los tumores utiliza un efecto conocido como electroporación (o electropermeabilización). En esta técnica, se aplican pulsos eléctricos en el tejido biológico para hacer que se abran los poros a nanoescala de las membranas celulares de un sitio diana. Los poros permiten que los fármacos contra el cáncer u otros materiales que normalmente no pueden penetrar la membrana celular entren en las células. Después, los poros pueden volver a cerrarse para atrapar el material dentro de la célula, donde puede generar un efecto terapéutico (por ejemplo, matar la célula).
También se conoce el uso de la electroporación para crear poros a nanoescala permanentes en la membrana celular. Estos poros no se vuelven a sellar y, por lo tanto, interrumpen la homeostasis celular, lo que deriva finalmente en la muerte de la célula. Esta técnica se conoce como electroporación irreversible o electroporación irreversible no térmica.
A diferencia de la ablación térmica, por ejemplo, con el uso de energía de microondas, la electroporación irreversible conserva la matriz extracelular.
El documento US 2014/066913 A1 describe un instrumento electroquirúrgico capaz de suministrar energía electromagnética a los tejidos. El sistema incluye una línea de transmisión para transmitir una forma de onda para electroporación a una matriz de microelectrodos. El documento US 2014/066913 A1 también describe que el sistema se puede adaptar para su uso con una combinación de diferentes modalidades de energía, como energía de microondas, de RF, láser pulsado, crioablación y/o de ultrasonidos.
El documento WO 00/49957 A1 describe un catéter de ablación por microondas usualmente conocido en la técnica que tiene una línea coaxial con un conductor interno y externo separados por un material dieléctrico.
El documento US 2014/364797 A1 describe un instrumento quirúrgico configurado para transmitir radiación de microondas y forma de onda para electroporación con una sola herramienta. El sistema incluye una guía de ondas de radiación conectada a una punta radiante. La guía de ondas y la punta están conectadas a múltiples electrodos mediante una estructura de soporte. Los diversos electrodos se extienden desde la estructura de manera que los tejidos tratados se ubican entre ellos.
Sumario de la invención
La invención aparece definida en las reivindicaciones. En su forma más general, la invención proporciona un instrumento electroquirúrgico capaz de realizar tanto ablación térmica (por ejemplo, utilizando energía electromagnética de microondas) como electroporación (por ejemplo, electroporación irreversible no térmica) de forma mínimamente invasiva. El instrumento electroquirúrgico puede hacerse pasar a través de un canal de instrumentos de un dispositivo de exploración quirúrgica (por ejemplo, un endoscopio, gastroscopio, broncoscopio o similar) para permitir que el instrumento sea transportado al sitio de tratamiento de una manera no percutánea.
De acuerdo con un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un instrumento electroquirúrgico para suministrar energía electromagnética al tejido biológico en un sitio de tratamiento, comprendiendo el instrumento electroquirúrgico: una línea de transmisión coaxial que comprende un conductor interno, un conductor externo y un material dieléctrico que separa el conductor interno del conductor externo, estando dispuesta la línea de transmisión coaxial para transmitir energía electromagnética (EM) de microondas; una punta radiante montada en un extremo distal de la línea de transmisión coaxial para recibir la energía EM de microondas de la línea de transmisión coaxial y emitir la energía EM de microondas como un campo alrededor de la punta radiante; una línea de transmisión auxiliar que se extiende a lo largo de la línea de transmisión coaxial hacia la punta radiante, estando dispuesta la línea de transmisión auxiliar para transmitir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación; y una matriz de microelectrodos montada en la punta radiante y conectada eléctricamente a la línea de transmisión auxiliar, en donde la matriz de microelectrodos está configurada para recibir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación desde la línea de transmisión auxiliar para, así, generar un campo eléctrico en la punta radiante para la electroporación del tejido biológico.
Con la estructura anterior, el instrumento se puede utilizar para realizar selectivamente ablación con la energía de microondas o electroporación con el campo eléctrico emitido por la matriz de microelectrodos.
La punta radiante puede comprender una antena para emitir la energía EM de microondas. Por ejemplo, la punta radiante puede comprender una tapa dieléctrica montada en el extremo distal de la línea de transmisión coaxial. La matriz de microelectrodos se puede montar en una superficie externa de la tapa dieléctrica. El conductor interno de la línea de transmisión coaxial puede extenderse más allá de un extremo distal del conductor externo, por ejemplo, como un dedo conductor, para formar un monopolo radiante. La tapa dieléctrica puede estar elaborada con un material adecuado de baja pérdida, como la cerámica. La tapa dieléctrica puede cargar la línea de transmisión coaxial para permitir que la antena se dimensione de una manera que sea adecuada para la inserción en un canal de instrumentos de un dispositivo de exploración quirúrgica.
La línea de transmisión auxiliar puede estar dispuesta para transmitir una señal electromagnética (EM) de baja frecuencia o de radiofrecuencia. Dicho de otro modo, la energía electromagnética que tiene una forma de onda de electroporación puede ser una señal electromagnética (EM) de radiofrecuencia o de baja frecuencia. En un ejemplo, la línea de transmisión auxiliar puede comprender un cable de par trenzado.
La línea de transmisión coaxial puede portar dentro de ella la línea de transmisión auxiliar, por ejemplo, en un conducto longitudinal formado en su interior. Por ejemplo, el conductor interno de la línea de transmisión coaxial puede ser hueco para definir un conducto que se extienda longitudinalmente. La línea de transmisión auxiliar puede extenderse a lo largo del conducto que se extiende longitudinalmente.
La línea de transmisión auxiliar puede comprender un elemento conductor de primer polo y un elemento conductor de segundo polo. El campo eléctrico para la electroporación puede estar definido por una diferencia de potencial entre estos polos. La matriz de microelectrodos puede comprender una pluralidad de elementos de electrodo en contacto eléctrico con uno u otro del elemento conductor de primer polo o el elemento conductor de segundo polo. Por ejemplo, la pluralidad de elementos de electrodo se puede disponer en uno o más pares de elementos de electrodo de polos opuestos. Los pares pueden disponerse sobre la superficie de la punta radiante. Cada par puede crear un campo eléctrico entre sus elementos de electrodo para provocar la electroporación en el tejido adyacente a ese par. Los elementos de electrodo en cada par de elementos de electrodos de polos opuestos pueden estar separados entre sí a una distancia de 0,1 a 0,5 mm.
Cada uno de la pluralidad de elementos de electrodo puede sobresalir de la superficie de la punta radiante. La escala de la protuberancia puede ser muy pequeña, por ejemplo, una nanoescala, es decir, igual o inferior a 100 nm y preferentemente igual o inferior a 10 nm. En un ejemplo, cada uno de la pluralidad de elementos de electrodo puede comprender una estructura conductora a nanoescala, por ejemplo, un nanotubo de carbono o similar.
La matriz de microelectrodos se puede fabricar como una o más láminas que envuelven la punta radiante. Por ejemplo, la una o más láminas pueden comprender un par de revestimientos elásticos que se estiran para adaptarse a la superficie externa de la tapa dieléctrica. Cada lámina puede tener una pluralidad de elementos de electrodo fabricados o inmovilizados sobre ella de otro modo. Los elementos de electrodo en cada lámina pueden estar interconectados eléctricamente.
Los elementos de electrodo en cada par de elementos de electrodo de polos opuestos pueden estar en láminas diferentes.
Puede haber un transformador de impedancia montado entre la punta radiante y la línea de transmisión coaxial para ayudar a hacer coincidir una impedancia de la línea de transmisión coaxial con la impedancia de la punta radiante.
La línea de transmisión coaxial y la línea de transmisión auxiliar pueden extenderse a lo largo de o por el interior de una varilla flexible, por ejemplo, para ayudar a maniobrar el instrumento hasta un sitio de tratamiento. En un ejemplo, la punta radiante y la varilla flexible pueden estar dimensionadas para poder insertarse en un canal de instrumentos de un dispositivo de exploración quirúrgica, por ejemplo, un endoscopio, gastroscopio, broncoscopio o similar.
En otro aspecto, la presente divulgación proporciona un aparato electroquirúrgico para suministrar energía electromagnética a tejido biológico en un sitio de tratamiento, comprendiendo el aparato: un generador electroquirúrgico dispuesto para emitir una primera señal que comprende energía electromagnética (EM) de microondas, y una segunda señal que comprende energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación; un instrumento electroquirúrgico como el explicado anteriormente conectado al generador electroquirúrgico, en donde la línea de transmisión coaxial está dispuesta para transmitir la primera señal, y en donde la línea de transmisión auxiliar está dispuesta para transmitir la segunda señal.
El generador electroquirúrgico puede comprender un circuito generador de pulsos para generar la segunda señal. En un ejemplo, el circuito generador de pulsos puede comprender uno o más elementos de conmutación rápida (por ejemplo, varios MOSFET de potencia) capaces de encender/apagar la tensión de una fuente a la frecuencia deseada.
El circuito generador de pulsos está dispuesto para emitir una forma de onda para electroporación para enviarla a lo largo de la línea de transmisión auxiliar hasta la matriz de microelectrodos. La forma de onda para electroporación puede disponerse para permitir que se realice una electroporación reversible o irreversible en el sitio de tratamiento. El circuito generador de pulsos puede ser controlable, por ejemplo, regulable por un usuario, para conseguir diferentes efectos de electroporación. Por ejemplo, el circuito generador de pulsos puede ser regulable para proporcionar una forma de onda para electroporación que tenga uno cualquiera o más de: un ancho de pulso en el rango de 1 ns a 10 ms, una amplitud de pulso en el rango de 10 V a 10 kV, y un ciclo de trabajo igual o inferior al 50 %.
En la presente memoria descriptiva, "microondas" puede usarse ampliamente para indicar un intervalo de frecuencia de 400 MHz a 100 GHz, aunque preferentemente el intervalo de 400 MHz a 60 GHz. Las frecuencias específicas que se han considerado son las siguientes: 433 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz, 3,3 GHz, 5,8 GHz, 10 GHz, 14,5 GHz y 24 g Hz . El dispositivo puede suministrar energía en más de una de estas frecuencias de microondas. El término "radiofrecuencia" o "RF" se puede utilizar para indicar una frecuencia de entre 300 kHz y 400 MHz. El término "baja frecuencia" o "LF" puede significar una frecuencia en el intervalo de 30 kHz a 300 kHz.
En el presente documento, el término "interno" significa radialmente más cercano al centro (por ejemplo, el eje) del canal de instrumentos. El término "externo" significa radialmente más alejado del centro (eje) del canal de instrumentos.
En el presente documento, el término "conductor" se utiliza con el significado "conductor de la electricidad", a menos que el contexto indique otra cosa.
En el presente documento, los términos "proximal" y "distal" se refieren a los extremos de la estructura de transmisión de energía situados más lejos y más cerca del sitio de tratamiento, respectivamente. Así pues, en uso, el extremo proximal está más cerca de un generador que proporciona la energía de microondas, mientras que el extremo distal está más cerca del sitio de tratamiento, es decir, del paciente.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la invención se explican con detalle a continuación haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama esquemático que muestra un sistema de ablación pulmonar para su uso con un aparato de broncoscopia de navegación electromagnética, que es una realización de la invención;
la figura 2 es una vista en sección esquemática a través de un cordón de instrumento de un instrumento de broncoscopia que puede usarse con la presente invención;
la figura 3 es una vista lateral en sección transversal parcial esquemática a través de un extremo distal de un instrumento electroquirúrgico que es una realización de la invención;
la figura 4 es una vista esquemática de una región de punta distal de un instrumento electroquirúrgico que es una realización de la invención;
la figura 5A es una vista esquemática de un primer revestimiento de matriz de electrodos adecuado para su uso con el instrumento de la figura 4; y
la figura 5B es una vista esquemática de un segundo revestimiento de matriz de electrodos adecuado para su uso con el instrumento de la figura 4.
Descripción detallada; otras opciones y preferencias
La figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema completo de electrocirugía 100 que es capaz de suministrar energía de microondas al extremo distal de un instrumento electroquirúrgico invasivo. El sistema 100 comprende un generador 102 para suministrar energía de microondas de forma controlable y, en realizaciones de esta invención, energía para electroporación. La energía para electroporación puede comprender pulsos o sinusoidales (por ejemplo, ondas electromagnéticas de onda continua) en las bandas de radiofrecuencia (RF) o de baja frecuencia (LF). En el presente documento, la referencia a RF puede significar una frecuencia en el intervalo de 300 kHz a 300 MHz. La referencia a LF puede significar una frecuencia en el intervalo de 30 kHz a 300 kHz.
Un generador adecuado para este fin se describe en el documento WO 2012/076844.
El generador puede disponerse para monitorizar las señales reflejadas recibidas desde el instrumento para determinar un nivel de potencia apropiado para la administración. Por ejemplo, el generador puede disponerse para calcular una impedancia vista en el extremo distal del instrumento con el fin de determinar un nivel de potencia de administración óptimo. El generador puede estar dispuesto para suministrar energía en una serie de pulsos, como se explica a continuación.
El generador 102 está conectado a una junta de interfaz 106 mediante un cable de interfaz 104. Si fuera necesario, la junta de interfaz 106 puede alojar un mecanismo de control de instrumento que se opera deslizando un gatillo 110, por ejemplo, para controlar el movimiento longitudinal (de ida y vuelta) de uno o más alambres de control o barras de empuje (no se muestran). Si hay una pluralidad de alambres de control, puede haber múltiples gatillos deslizantes en la junta de interfaz para proporcionar un control total. La función de la junta de interfaz 106 es combinar las entradas del generador 102 y el mecanismo de control del instrumento en una sola varilla flexible 112, que se extiende desde el extremo distal de la junta de interfaz 106.
La varilla flexible 112 se puede insertar a lo largo de todo un canal de instrumentos (de trabajo) de un dispositivo de exploración quirúrgica 114, tal como un endoscopio, broncoscopio, gastroscopio o similares.
El dispositivo de exploración quirúrgica 114 comprende un cuerpo 116 que tiene varios puertos de entrada y un puerto de salida desde el cual se extiende un cordón de instrumento 120. El cordón de instrumento 120 comprende una camisa externa que rodea una pluralidad de luces. La pluralidad de luces transmite diferentes cosas desde el cuerpo 116 hasta un extremo distal del cordón de instrumento 120. Una de la pluralidad de luces es un canal de instrumentos. Otras luces pueden incluir un conducto para transmitir radiación óptica, por ejemplo, para proporcionar iluminación en el extremo distal o para recopilar imágenes desde el extremo distal. El cuerpo 116 puede incluir un ocular 122 para ver el extremo distal. Para proporcionar iluminación en el extremo distal, una fuente de luz 124 (por ejemplo, un LED o elemento similar) puede conectarse al cuerpo 116 a través de un puerto de entrada de iluminación 126.
La varilla flexible 112 tiene un conjunto distal 118 (no dibujado a escala en la figura 1) que está conformado para pasar a través del canal de instrumentos del dispositivo de exploración quirúrgica 114 y sobresalir (por ejemplo, dentro del paciente) por el extremo distal del mismo. El conjunto de extremo distal incluye una punta activa para suministrar energía de microondas en el tejido biológico, como se expone en el presente documento.
La estructura del conjunto distal 118 expuesta a continuación puede diseñarse para que tenga un diámetro externo máximo igual o inferior a 2,0 mm, por ejemplo, inferior a 1,9 mm (y más preferentemente inferior a 1,5 mm) y la longitud de la varilla flexible puede ser igual o superior a 1,2 m.
El cuerpo 116 incluye un puerto de entrada de potencia 128 para conectarse a la varilla flexible, que comprende un cable coaxial (por ejemplo, un cable coaxial convencional) capaz de transmitir la energía de microondas desde el generador 102 al conjunto distal 118, junto con un medio de transmisión de energía (por ejemplo, un par de cables trenzados o similar) para transmitir la energía para la electroporación. Los cables coaxiales que son físicamente capaces de ajustarse al canal de instrumentos de un dispositivo de exploración quirúrgica están disponibles con los siguientes diámetros externos: 1,19 mm (0,047"), 1,35 mm (0,053"), 1,40 mm (0,055"), 1,60 mm (0,063"), 1,78 mm (0,070"). También se pueden usar cables coaxiales de tamaño a medida (es decir, fabricados por encargo).
Como se ha expuesto anteriormente, es deseable poder controlar la posición de al menos el extremo distal del cordón de instrumento 120. El cuerpo 116 puede incluir un accionador de control 130 que está acoplado mecánicamente al extremo distal del cordón de instrumento 120 mediante uno o más alambres de control (no mostrados), que se extienden a través del cordón de instrumento 120. Los alambres de control pueden desplazarse dentro del canal de instrumentos o dentro de sus propios canales específicos. El accionador de control 130 puede ser una palanca o perilla giratoria, o cualquier otro dispositivo de manipulación para catéter conocido. La manipulación del cordón de instrumento 120 puede ser asistida por software, por ejemplo, utilizando un mapa virtual tridimensional ensamblado a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC).
La figura 2 es una vista hacia abajo del eje del cordón de instrumento 120. En esta realización, hay cuatro luces dentro del cordón de instrumento 120. La luz más grande es el canal de instrumentos 132. Las otras luces comprenden un canal de cámara 134 y un par de canales de iluminación 136, pero la invención no se limita a esta configuración. Por ejemplo, puede haber otras luces, por ejemplo, para alambres de control o administración o succión de fluidos.
La invención busca proporcionar un instrumento que pueda realizar la electroporación en el extremo distal del canal del instrumentos.
La siguiente descripción presenta una serie de configuraciones de administración de energía que son adecuadas para su uso en el conjunto distal 118 descrito. También se divulgan varios perfiles de administración de energía. Debe entenderse que cualquiera de los perfiles de administración de energía puede usarse con cualquiera de las estructuras de antena, y que todas las combinaciones posibles deben entenderse como divulgadas.
En la siguiente descripción, a menos que se indique lo contrario, la longitud de un componente se refiere a su dimensión en la dirección paralela al eje longitudinal del cable coaxial/cordón del instrumento.
La figura 3 es una vista lateral, parcial y esquemática en sección transversal de un extremo distal de un instrumento electroquirúrgico 200 que es una realización de la invención. El instrumento electroquirúrgico comprende una estructura de transmisión de energía que se extiende longitudinalmente que, en este ejemplo, es una línea de transmisión coaxial flexible que tiene un conductor interno hueco por el que pasa una línea de transmisión auxiliar para transmitir la energía para la electroporación. En otros ejemplos, la línea de transmisión coaxial y la línea de transmisión auxiliar pueden extenderse una al lado de la otra, por ejemplo, dentro de una manguito o vaina común.
La línea de transmisión coaxial comprende un conductor interno que se extiende longitudinalmente 202, un conductor externo 206 dispuesto coaxialmente con respecto al conductor interno 202, y una capa dieléctrica 204 que separa el conductor interno 202 del conductor externo 206. El conductor interno 202 comprende un tubo de material conductor que define un conducto que se extiende longitudinalmente 208. El conductor interno 202 puede ser una capa conductora (por ejemplo, una superficie externa metalizada) de un conducto dieléctrico que está más en el interior (no mostrado). Esta estructura puede facilitar la fabricación de la línea de transmisión coaxial y proporcionar aislamiento eléctrico entre la línea de transmisión auxiliar y la línea de transmisión coaxial.
La línea de transmisión auxiliar en este ejemplo es un cable de par trenzado 216, es decir, un par de conductores de alambre aislado (por ejemplo, alambre de cobre) 218, 220 trenzados uno alrededor del otro a lo largo del conducto 208.
En un extremo proximal de la línea de transmisión coaxial, hay una porción de punta radiante para suministrar la energía de microondas recibida a través de la línea de transmisión coaxial desde el instrumento hacia el entorno circundante (por ejemplo, tejido biológico en un sitio de tratamiento). En este ejemplo, la porción de punta radiante comprende una tapa dieléctrica 210 (por ejemplo, elaborada en cerámica u otro material que presente bajas pérdidas a las frecuencias de la energía de microondas). La tapa dieléctrica 210 puede ser una punta redondeada, por ejemplo, en forma de cúpula. Se pueden utilizar otras formas que dependerán de la naturaleza del sitio de tratamiento. Un dedo conductor 212 se extiende más allá de un extremo distal del conductor externo 206 de la línea de transmisión coaxial. El dedo conductor 212 está conectado eléctricamente al conductor interno 202 y forma de manera efectiva una extensión del conductor interno. El dedo conductor 212 puede estar conectado al conductor interno 202 mediante un enlace conductor radial 214 que tiene una o más aberturas para permitir el paso del par trenzado.
El dedo conductor 212 está rodeado por la tapa dieléctrica 210 para formar una estructura radiante, por ejemplo, una antena monopolo, para suministrar la energía de microondas. Por otra parte, hay formada una matriz de microelectrodos 222 en una superficie externa de la tapa dieléctrica 210 para suministrar la energía para la electroporación. La matriz de microelectrodos 222 comprende una pluralidad de elementos de electrodo distintos que están alternativamente conectados a diferentes polos de la línea de transmisión auxiliar (es decir, diferentes conductores del par trenzado). La matriz de microelectrodos 222 proporciona así una pluralidad de pares de elementos de electrodo de polos opuestos. Cuando se suministra la energía de electroporación, se crean campos eléctricos entre cada uno de los pares de elementos de electrodo de polos opuestos. Esta disposición facilita la aplicación del campo eléctrico en el tejido biológico del sitio de tratamiento (es decir, junto a la tapa dieléctrica, por lo que se puede realizar la electroporación.
Cada uno de los elementos de electrodo puede sobresalir de la superficie de la tapa dieléctrica 210. Esto puede ayudar a suministrar los campos eléctricos a través de las células del tejido biológico que se está tratando.
En un ejemplo, cada elemento de electrodo puede tener una estructura similar a una aguja. El elemento electrodo puede tener un diámetro igual o inferior a 0,1 mm, por ejemplo, de 10 nm. Los elementos de electrodo pueden ser nanotubos de carbono u otras estructuras conductoras a nanoescala. El elemento de electrodo de polos opuestos de cada par puede estar separado entre 0,05 mm y 0,4 mm.
En otros ejemplos, la tapa dieléctrica puede estar configurada como una aguja, con los elementos de electrodo fabricados sobre la superficie externa de la aguja.
Aunque no se muestra en la figura 3, el instrumento puede incluir un filtro acoplador (filtro stub, por ejemplo, con uno o más stubs) montado en el extremo distal de la línea de transmisión coaxial para evitar que la energía de microondas se filtre a la línea de transmisión auxiliar. De igual manera, puede haber una disposición de condensadores (por ejemplo, secciones de cerámica, microbanda o guía de ondas con un dieléctrico separando las dos) para evitar que la energía de electroporación (por ejemplo, señal de RF o LF) viaje a lo largo de la línea de transmisión coaxial. Estas disposiciones de filtrado pueden estar en la pieza de mano del extremo proximal.
La figura 4 es una vista esquemática de un ejemplo de una punta distal 225 que puede utilizarse en el instrumento electroquirúrgico descrito con referencia a la figura 3. En la figura 4 se utilizan los mismos números de referencia para las características ya descritas anteriormente.
En este ejemplo, hay un transformador de impedancia 226 montado entre el dedo conductor 212 y el conductor interno 202 para garantizar que la energía de microondas se administre eficientemente desde la punta radiante. Como en la figura 3, el dedo conductor 212 está alineado con (por ejemplo, descansa sobre) el eje de la línea de transmisión coaxial, por lo que está encerrada en la tapa dieléctrica 210. Por otra parte, la matriz de microelectrodos 222 comprende una pluralidad de elementos de electrodo 230, 232 montados en la superficie externa de la tapa dieléctrica 210. Un primer conjunto de elementos de electrodo 230 está conectado eléctricamente a un primer polo (conductor) 218 de la línea de transmisión auxiliar 216, mientras que un segundo conjunto de elementos de electrodo 232 está conectado eléctricamente a un segundo polo (conductor) 220 de la línea de transmisión auxiliar 216. Los elementos de electrodo 230, 232 del primer y segundo conjuntos están montados en una configuración alterna sobre la tapa dieléctrica. En este ejemplo, se montan alternativamente en filas circunferenciales, pero pueden ser posibles otras disposiciones. En esta configuración, todos los elementos de electrodo del primer conjunto están en un primer potencial común (correspondiente al primer polo 218), mientras que todos los elementos de electrodos del segundo conjunto están a un segundo potencial común (correspondiente al segundo polo 220). Por lo tanto, los campos eléctricos para la electroporación se pueden crear de manera casi uniforme en toda la superficie de la tapa dieléctrica.
En otros ejemplos, la matriz de electrodos de microondas puede estar confinada en una subregión de la tapa dieléctrica, con el fin de que la ubicación en la que se produce la electroporación pueda controlarse mediante la manipulación (por ejemplo, manejo y rotación) del instrumento.
Las figuras 5A y 5B son ilustraciones esquemáticas de dos subcomponentes que pueden utilizarse para fabricar la punta radiante que se muestra en la figura 4. Cada una de las figuras 5A y 5B representa un "revestimiento" de electrodo, que es una lámina flexible capaz de ajustarse y adaptarse a la superficie de la tapa dieléctrica 210. Aunque las figuras 5a y 5B representan sus revestimientos con la misma forma que la tapa dieléctrica, en la práctica, pueden tener cualquier forma adecuada. Por ejemplo, pueden ser una lámina cilíndrica de material elástico.
La figura 5A representa un primer revestimiento 234 que tiene fabricado sobre sí el primer conjunto de elementos de electrodo 230, por ejemplo, depositados o montados o fijados de otro modo. Los elementos de electrodo 230 pueden estar interconectados por enlaces conductores 236 adecuados, por ejemplo, tiras de metalización o similares. Los elementos de electrodo pueden conectarse en serie, como se muestra en la figura 5A, o mediante una red de interconexiones.
La figura 5B representa un segundo revestimiento 238 que tiene el segundo conjunto de elementos de electrodos 232 fabricado sobre sí. Los elementos de electrodo 232 están interconectados por enlaces conductores 238.
El primer conjunto de elementos de electrodo 230 del primer revestimiento 234 está eléctricamente conectado a un primer polo 218 de la línea de transmisión auxiliar. El segundo conjunto de elementos de electrodo 232 en la segunda piel 238 está eléctricamente conectado a un segundo polo 220 de la línea de transmisión auxiliar. El primer y segundo revestimientos 234, 238 pueden montarse uno sobre otro en la tapa dieléctrica para formar una punta radiante con medios para suministrar energía para la electroporación.
La energía para la electroporación es esencialmente RF o pulsos de alta tensión de baja frecuencia (LF) o ráfagas de energía sinusoidal configuradas para abrir poros en las membranas celulares. El instrumento de la invención se puede utilizar en situaciones donde haya un agente terapéutico en el sitio de tratamiento, de modo que los poros abiertos de la membrana celular faciliten o permitan que el agente terapéutico entre en las células. Dicho de otro modo, el instrumento se puede utilizar en procedimientos de electroporación convencionales.
Como alternativa o adicionalmente, la energía para la electroporación se puede configurar para abrir los poros de manera permanente, provocando así una alteración irreversible de la membrana celular que produce la muerte de las células. Dicho de otro modo, el instrumento se puede utilizar para la electroporación irreversible (EIR).
Con el fin de proporcionar la energía para la electroporación, el generador puede comprender un circuito generador de pulsos para generar una señal eléctrica pulsada o de amplitud variable. En un ejemplo, el circuito generador de pulsos puede emitir una onda continua (por ejemplo, una señal sinusoidal) en una o más ráfagas distintas. En otro ejemplo, el circuito generador de pulsos puede comprender uno o más elementos de conmutación rápida (por ejemplo, transistores MOSFET) capaces de encender/apagar la tensión de una fuente de drenaje a la frecuencia deseada para la energía de electroporación. Por ejemplo, el circuito generador de pulsos puede basarse en MOSFET de potencia de alta tensión (VDSmáx > 1 kV) en disposición simétrica (push-pull). Para cargar la capacitancia de la puerta-fuente y las capacitancias de la puerta-drenaje lo suficientemente rápido, el circuito generador de pulsos puede incluir controladores de compuerta que pueden generar una corriente lo suficientemente alta como para cargar las capacitancias de entrada.
En un ejemplo, el circuito generador de pulsos opera a partir de un potencial de tierra (0 V) y produce pulsos positivos utilizando dos MOSFET de 1,7 kV en una disposición simétrica para lograr un índice rápido de encendido/apagado de aproximadamente 900 V/50 ns.
El circuito generador de pulsos puede emitir una forma de onda para electroporación para enviarla a lo largo de la línea de transmisión auxiliar hasta la matriz de microelectrodos.
La forma de onda para electroporación puede tener un ancho de pulso en el intervalo de 1 ns a 10 ms, aunque la invención no necesita limitarse a este intervalo. Se pueden preferir pulsos de duración más corta (por ejemplo, igual o inferior a 10 ns) para la electroporación reversible. Preferentemente, el tiempo de subida de cada pulso es igual o inferior al 90 % de la duración del pulso, más preferentemente igual o inferior al 50 % de la duración del pulso, y lo más preferentemente igual o inferior al 10 % de la duración del pulso. Para los pulsos más cortos, el tiempo de subida puede ser del orden de 100 ps.
La forma de onda para electroporación puede tener una amplitud de pulso en el intervalo de 10 V a 10 kV, aunque la invención no necesita limitarse a este intervalo. Con esta disposición, el instrumento puede proporcionar una amplitud de campo eléctrico de hasta 2 kV/cm (20 kV/mm) entre los pares de elementos de electrodo de polos opuestos. La forma de onda para electroporación puede ser un solo pulso o una pluralidad de pulsos, por ejemplo, un período de cadena de pulsos. La forma de onda puede tener un ciclo de trabajo igual o inferior al 50 %, por ejemplo, en el intervalo del 0,5 % al 50 %.
Como se ha mencionado anteriormente, la forma de onda puede ser sinusoidal o discreta (por ejemplo, onda cuadrada 0 similar). Los pulsos pueden ser pulsos positivos de un potencial de tierra, o una secuencia de pulsos positivos y negativos alternos de un potencial de tierra.
La forma de onda para electroporación puede suministrarse durante un período de tratamiento que se seleccione dependiendo del efecto deseado. Por ejemplo, el período de tratamiento puede ser corto, por ejemplo, inferior a 1 segundo, o de unos cuantos segundos, o de aproximadamente 1 minuto. Como alternativa, el período de tratamiento puede ser más largo, por ejemplo, de hasta una hora.
Para la electroporación irreversible, se pueden utilizar pulsos de mayor duración o más pulsos que en la electroporación reversible. Por ejemplo, para la electroporación irreversible, se pueden utilizar anchos de pulso del orden de 200 ms administrados en una serie de 10 a 100 pulsos. En un ejemplo, la forma de onda para electroporación puede comprender pulsos de 10x300 ps de amplitud 1,5 kV/cm (150V/mm) administrados tres veces con aproximadamente 1 minuto entre cada administración. Esta forma de onda puede provocar la apoptosis o muerte celular en el carcinoma hepatocelular.
El circuito generador de pulsos puede controlarse para adaptar o variar la forma de onda para electroporación para adaptarla al tratamiento deseado. Así pues, cualquiera de los ciclos de trabajo, ancho de pulso y amplitud de pulso se puede regular de forma variable.
El instrumento divulgado en el presente documento puede ser adecuado para suministrar una combinación de energía de microondas y energía para la electroporación en una variedad de sitios de tratamiento diferentes. Por ejemplo, el instrumento se puede utilizar para tratar tumores en el pulmón, tubo digestivo, cerebro, páncreas, y similares. La energía de electroporación puede ser adecuada para la neutralización celular de glioblastoma y meduloblastoma. La capacidad de realizar una electroporación irreversible puede dotar al instrumento de una modalidad de tratamiento del tejido enfocada en la punta distal. Esto, a su vez, puede permitir la utilización de la modalidad de ablación por microondas para tratar un mayor volumen alrededor de la punta distal. En combinación, el instrumento se puede controlar para seleccionar el volumen de tejido en el que se administra la energía.
En un ejemplo, la energía de microondas puede tener una frecuencia en un extremo inferior del intervalo de microondas, por ejemplo, 433 MHz o similar. Una ventaja de usar energía a esta frecuencia es que se pueden reducir las pérdidas a lo largo de la línea de transmisión coaxial, lo que evita que el tejido alrededor del canal del instrumentos alejado del sitio de tratamiento se caliente de forma no deseada.
En otro ejemplo, la matriz de microelectrodos puede incorporarse en un instrumento con aguja existente utilizado para la colangiopancreatografía retrógrada endoscópica (CPRe ). En este ejemplo, la matriz de microelectrodos puede comprender un solo par de electrodos o una matriz de electrodos de muy pequeño diámetro incorporados en la aguja para permitir que se use la electroporación irreversible como medio para matar células cancerosas.
Este dispositivo también puede adaptarse para suministrar energía de microondas. Por ejemplo, se puede formar una línea de transmisión coaxial alrededor del instrumento con aguja existente, por ejemplo, recubriéndolo con un material conductor (como Ag), envolviendo una capa dieléctrica sobre el material conductor y, después, envolviendo una capa de cinta conductora (por ejemplo, de Ag) sobre ella. Finalmente, se puede utilizar un manguito biocompatible (por ejemplo, una capa termorretráctil) para asegurar la estructura. En esta disposición, por tanto, un instrumento con aguja existente puede adaptarse para proporcionar una funcionalidad de electroporación irreversible y una funcionalidad de ablación por microondas, o ambas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Un instrumento electroquirúrgico (100, 200) para suministrar energía electromagnética en el tejido biológico de un sitio de tratamiento, comprendiendo el instrumento electroquirúrgico:
una la línea de transmisión coaxial que comprende un conductor interno (202), un conductor externo (206) y un material dieléctrico (204) que separa el conductor interno del conductor externo, estando dispuesta la línea de transmisión coaxial para transmitir energía electromagnética (EM) de microondas;
una punta radiante (210) montada en un extremo distal de la línea de transmisión coaxial para recibir la energía EM de microondas desde la línea de transmisión coaxial y emitir la energía EM de microondas como un campo alrededor de la punta radiante;
una línea de transmisión auxiliar (216) que se extiende a lo largo de la línea de transmisión coaxial hacia la punta radiante, estando dispuesta la línea de transmisión auxiliar para transmitir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación; y una matriz de microelectrodos (222) montada en la punta radiante y conectada eléctricamente a la línea de transmisión auxiliar,
en donde la matriz de microelectrodos está configurada para recibir la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación desde la línea de transmisión auxiliar para, así, generar un campo eléctrico en la punta radiante para la electroporación del tejido biológico.
2. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 1,
en donde la punta radiante comprende una tapa dieléctrica montada en el extremo distal de la línea de transmisión coaxial, y
en donde la matriz de microelectrodos está montada sobre una superficie externa de la tapa dieléctrica.
3. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde el conductor interno de la línea de transmisión coaxial se extiende más allá de un extremo distal del conductor externo como un dedo conductor (212) para formar una estructura de antena radiante.
4. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación es una señal electromagnética (EM) de radiofrecuencia o de baja frecuencia.
5. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la línea de transmisión auxiliar comprende un cable de par trenzado (216).
6. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el conductor interno de la línea de transmisión coaxial es hueco para definir un conducto que se extiende longitudinalmente (208), y en donde la línea de transmisión auxiliar pasa a través del conducto que se extiende longitudinalmente.
7. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la línea de transmisión auxiliar comprende un elemento conductor de primer polo (218) y un elemento conductor de segundo polo (220), y en donde la matriz de microelectrodos comprende una pluralidad de elementos de electrodo (230) en contacto eléctrico con uno u otro del elemento conductor de primer polo o el elemento conductor de segundo polo.
8. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 7, en donde la pluralidad de elementos de electrodo están dispuestos en uno o más pares de elementos de electrodo de polos opuestos.
9. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 8, en donde los elementos de electrodo de cada par de elementos de electrodo de polos opuestos están separados entre sí a una distancia de 0,1 a 0,5 mm.
10. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde cada uno de la pluralidad de elementos de electrodo sobresale de la superficie de la punta radiante.
11. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en donde cada uno de la pluralidad de elementos de electrodo es una estructura conductora a nanoescala.
12. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la matriz de microelectrodos está inmovilizada en una o más láminas que envuelven la punta radiante.
13. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un transformador de impedancia (226) montado entre la punta radiante y la línea de transmisión coaxial.
14. Un instrumento electroquirúrgico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la línea de transmisión coaxial y la línea de transmisión auxiliar se extienden a lo largo o dentro de una varilla flexible (112).
15. Un aparato electroquirúrgico para suministrar energía electromagnética en el tejido biológico en un sitio de tratamiento, comprendiendo el aparato:
un generador electroquirúrgico (102) dispuesto para emitir una primera señal que comprende energía electromagnética (EM) de microondas, y una segunda señal que comprende energía electromagnética que tiene una forma de onda para electroporación;
un instrumento electroquirúrgico (100, 200) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores conectado al generador electroquirúrgico,
en donde la línea de transmisión coaxial está dispuesta para transmitir la primera señal, y
en donde la línea de transmisión auxiliar está dispuesta para transmitir la segunda señal.
16. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el generador electroquirúrgico comprende un circuito generador de pulsos para generar la segunda señal.
17. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 16, en donde el circuito generador de pulsos comprende uno o más elementos de conmutación rápida capaces de encender/apagar la tensión de una fuente a la frecuencia deseada.
18. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con la reivindicación 17, en donde los elementos de conmutación rápida comprenden un par de MOSFET de potencia en una configuración simétrica.
19. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, en donde el circuito generador de pulsos está dispuesto para emitir una forma de onda para electroporación para suministrarla a lo largo de la línea de transmisión auxiliar hasta la matriz de microelectrodos, en donde la forma de onda para electroporación tiene uno o más de:
un ancho de pulso en el intervalo de 1 ns a 10 ms,
una amplitud de pulso en el intervalo de 10 V a 10 kV, y
un ciclo de trabajo igual o inferior al 50 %.
20. Un aparato electroquirúrgico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19 que comprende, además, un dispositivo de exploración quirúrgica (114),
en donde la punta radiante y la varilla flexible están dimensionadas para poder insertarse en un canal de instrumentos del dispositivo de exploración quirúrgica.
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