(57)【要約】  本発明は、アノード、カソード、及び実質的に前記カソードから前記アノードの方向に延びる細長いプラズマ・チャンネルを備えるプラズマ発生装置に関する。このプラズマ・チャンネルは、前記カソードと前記アノード内に配置された出口開口の間の前記プラズマ・チャンネルに配置されたスロットル部分を有する。前記スロットル部分は、前記プラズマ・チャンネルを、スロットル部分のカソードに最も近い側に配置されてプラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に１番大きい断面を有する高圧チャンバと、前記アノードへ開いてプラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に２番目に大きい断面を有する低圧チャンバに分割し、前記スロットル部分は、プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に前記１番大きい断面及び前記２番目に大きい断面より小さい第３の断面を有する。さらに、少なくとも１つの中間電極が前記カソードと前記スロットル部分の間に配置される。本発明は、手術用プラズマ装置、外科におけるそのような手術用プラズマ装置の用途及びプラズマを発生させる方法にも関する。
2009500798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、
カソードと、
前記カソードから前記アノードにかけてその間で長手方向に延び、且つ前記カソードから最も遠い終端で出口開口を有するプラズマ・チャンネルと、を備えるプラズマ発生装置であって、
前記プラズマ・チャンネルの一部が、互いから電気的に絶縁され且つ前記アノードからも絶縁された１つ又は複数の中間電極によって形成され、
前記プラズマ・チャンネルがスロットル部分を有し、前記スロットル部分が前記プラズマ・チャンネルを、
（１）前記プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に１番大きい断面を有し、前記スロットル部分の前記カソードに最も近い側に配置された高圧チャンバと、
（２）前記プラズマ・チャンネルの前記長手方向に対して横断的に２番目に大きい断面を有し、前記スロットル部分の前記カソードから最も遠い側に配置された低圧チャンバ
に分割し、
前記スロットル部分が、前記プラズマ・チャンネルの前記長手方向に対して横断的に前記１番大きい断面及び前記２番目に大きい断面より小さい第３の断面を有するプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記スロットル部分がドラバル管である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記スロットル部分が超音速ノズルである請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記高圧チャンバが、実質的に前記少なくとも１つの中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記高圧チャンバが、２つ以上の中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記高圧チャンバが、３つ以上の中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記２番目に大きい断面が０．６５ｍｍ２以下である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記第３の断面が０．００８ｍｍ２と０．１２ｍｍ２の間にある請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記１番大きい断面が０．０３ｍｍ２と０．６５ｍｍ２の間にある請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記スロットル部分が中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
前記低圧チャンバが、少なくとも１つの中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】
前記スロットル部分が２つの中間電極の間で長手方向に配置される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１３】
前記スロットル部分が、前記高圧チャンバの一部を形成する少なくとも２つの中間電極と、前記低圧チャンバの一部を形成する少なくとも２つの中間電極の間で、長手方向に配置される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】
１つ又は複数の中間電極によって形成される前記プラズマ・チャンネルの一部が、２つ以上の中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１５】
１つ又は複数の中間電極によって形成される前記プラズマ・チャンネルの一部が、３〜１０個の中間電極によって形成される請求項１４に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１６】
前記１番大きい断面、前記２番目に大きい断面及び前記第３の断面が円形である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１７】
前記高圧チャンバに結合されたプラズマ・チャンバをさらに備え、
前記カソードがチップを有し、前記チップが前記アノードに最も近い前記カソードの一部であって前記アノードの方へ先細りであり、前記カソード・チップの一部が前記プラズマ・チャンバの部分的な長さにわたって延び、
前記カソードのプラズマ・チャンバが、前記プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に第４の断面を有し、前記アノードに最も近い前記カソード・チップの終端の前記第４の断面が前記１番大きい断面より大きい請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１８】
請求項１に記載のプラズマ発生装置を備える手術用プラズマ装置。
【請求項１９】
生体組織を切るために請求項１８に記載の手術用プラズマ装置を使用すること。
【請求項２０】
心臓手術又は脳手術で用いるための請求項１９に記載の用途。
【請求項２１】
肝臓、脾臓又は腎臓の手術で用いるための請求項１９に記載の用途。
【請求項２２】
請求項１に記載のプラズマ発生装置に、４〜１０アンペアの動作電流で、０．０５ｌ／ｍｉｎから１．００ｌ／ｍｉｎの速度でプラズマ発生ガスの流れを供給するステップを含む、プラズマを発生させる方法。
【請求項２３】
前記プラズマ発生ガスが不活性ガスである請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記プラズマ発生ガスがアルゴンである請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
生体組織を切るのに適する請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
アノード、カソード、及び前記カソードから前記アノードにかけてその間に長手方向に延び且つ前記カソードから最も遠い終端で出口開口を有するプラズマ・チャンネル、互いから電気的に絶縁され且つ前記アノードからも絶縁された１つ又は複数の中間電極によって形成される前記プラズマ・チャンネルの一部を備え、前記プラズマ・チャンネルがスロットル部分を有し、前記スロットル部分が前記プラズマ・チャンネルを高圧チャンバ及び低圧チャンバに分割し、前記高圧チャンバが、前記スロットル部分の、前記カソードに最も近い側に配置され、前記低圧チャンバが、前記スロットル部分の、前記カソードから最も遠い側に配置されるプラズマ発生装置を使用してプラズマを発生させる方法であって、
前記高圧チャンバ内にプラズマを供給するステップと、
前記高圧チャンバ内の前記プラズマを加圧するステップと、
前記１つ又は複数の中間電極によって前記プラズマを加熱するステップと、
前記プラズマを加圧した後に前記スロットル部分を通過させるステップと、その後、前記プラズマ・チャンネルの前記出口開口を通して前記プラズマを放出するステップとを含む方法。
【請求項２７】
前記プラズマのエネルギー密度を上昇させるステップが、前記高圧チャンバ内の前記プラズマを０．３メガパスカル（３バール）と０．８メガパスカル（８バール）の間の圧力へ加圧するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記圧力が０．５メガパスカル（５バール）と０．６メガパスカル（６バール）の間にある請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記プラズマを減圧するステップが、前記プラズマ装置の前記出口開口外部の大気圧を０．２メガパスカル（２バール）未満の圧力だけ上回る圧力へ前記プラズマの圧力を低下させるステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記上回る圧力が０．０２５〜０．１メガパスカル（０．２５〜１バール）である請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記上回る圧力が０．０５〜０．１メガパスカル（０．５〜１バール）である請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記プラズマを加速するステップが、前記スロットル部分の近傍で前記プラズマをマッハ１以上の速度へ加速するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記速度が音速の１〜３倍の超音速である請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記プラズマの加熱が、１１，０００℃と２０，０００℃の間の温度へ前記プラズマを加熱するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
前記温度が１３，０００℃〜１８，０００℃である請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記温度が１４，０００℃〜１６，０００℃である請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
プラズマ発生ガスを供給するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３８】
前記プラズマ発生ガスが０．０５ｌ／ｍｉｎと１．０ｌ／ｍｉｎの間の流速を有する請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記流速が０．１〜０．８０ｌ／ｍｉｎである請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記流速が０．１５〜０．５０ｌ／ｍｉｎである請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記プラズマを、０．６５ｍｍ２未満の断面積を有するプラズマ・ジェットとして放出するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項４２】
前記断面積が０．０７ｍｍ２と０．５０ｍｍ２の間にある請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記断面積が０．１３〜０．３０ｍｍ２の間にある請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記プラズマ発生装置に４アンペアと１０アンペアの間の動作電流を供給するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項４５】
前記動作電流が４〜８アンペアである請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
請求項２６に記載の方法を含む、生体組織を切る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、２００５年７月８日に出願されたスウェーデン特許出願第０５０１６０２−７号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、アノード、カソード、及び実質的に前記カソードから前記アノードの方向に延びる細長いプラズマ・チャンネルを備えるプラズマ発生装置に関する。このプラズマ・チャンネルは、前記カソードと前記アノード内に配置された出口開口の間の前記プラズマ・チャンバ内に配置されたスロットル部分を有する。本発明は、手術用プラズマ装置、外科におけるそのような手術用プラズマ装置の用途及びプラズマを発生させる方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
プラズマ発生装置は、ガス・プラズマを発生させるために配置される装置に関連する。そのような装置は、例えば手術において出血を止める（これは生体組織の凝固である）ために使用することができる。
【０００４】
概して前記プラズマ発生装置は細長い。ガス・プラズマは、装置の片端で適切に放出され、その温度は、ガス・プラズマに影響される組織を凝固させることができる。
【０００５】
最近の外科技術の発展の結果として、腹腔鏡（キーホール）手術と呼ばれる手術が、より頻繁に用いられている。このことは、とりわけ、手術用途において大規模な手術を伴わずに接近することが可能になる、小さな寸法の装置に対する多大な必要性を意味する。設備の寸法が小さいと、手術における手術用器具の取り扱いを優れた精度で行うためにも有利である。
【０００６】
国際公開第２００４／０３０５５１号（スースロフ）は、とりわけ生体組織における出血をガス・プラズマによって低減することを意図した従来技術による手術用プラズマ装置を開示している。この装置は、アノード、カソード及びプラズマ発生システムにガスを供給するためのガス供給チャンネルを有するプラズマ発生システムを備える。さらに、このプラズマ発生システムは、前記カソードとアノードの間に配置された少なくとも１つの電極を備える。アノードに結合された導電材料の容器がプラズマ発生システムを囲み、ガス供給チャンネルを形成する。
【０００７】
また、生体組織内出血の凝固だけでなく、組織を切ることもできる前述のようなプラズマ発生装置を提供することも望ましい。
【０００８】
国際公開第２００４／０３０５５１号による装置では、カッティング用のプラズマを発生させるために、一般にプラズマ発生ガスの比較的高いガス流速が必要とされる。そのようなガス流速で適温のプラズマを発生させるために、しばしば装置に比較的大きな動作電流を供給することが必要になる。
【０００９】
医療環境など一定の環境において、大きな動作電流を与えるのがしばしば困難であるため、今日ではプラズマ発生装置を小さな動作電流で運転するのが望ましい。概して、動作電流が大きいと、例えばキーホール手術のような精密作業で扱うのに、動かしにくくなる恐れがある大規模な配線の原因にもなる。
【００１０】
或いは、国際公開第２００４／０３０５５１号による装置は、必要なガス流速で適温のプラズマを発生させるために、かなり長いプラズマ・チャンネルを伴って形成することができる。しかし、プラズマ・チャンネルが長いと、プラズマ発生装置が、ある用途、例えば医療用、とりわけキーホール手術用途において、扱うのに大きくて動かしにくくなる恐れがある。
【００１１】
生成プラズマは、多くの応用分野でも、純粋で、不純物の度合いが低くなるべきである。また、プラズマ発生装置から放出された生成プラズマが、例えば治療されている患者に有害でない圧力及びガス・ボリューム流れを有することが望ましい。
【００１２】
したがって、前述のことにより、例えば生体組織を切るために使用することができる改善されたプラズマ発生装置の必要性がある。したがって、低動作電流及び低ガス・ボリューム流れで、純粋なプラズマを発生させることができる改善されたプラズマ発生装置の必要性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、請求項１のプリアンブルによる改善されたプラズマ発生装置を提供することである。
【００１４】
別の目的は、手術の分野において、手術用プラズマ装置及びそのような手術用プラズマ装置の用途を提供することである。
【００１５】
別の目的は、生体組織をカッティングするためのプラズマを発生させる方法及びそのようなプラズマの用途を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様によれば、アノード、カソード、及び実質的に前記カソードから前記アノードの方向に延びる細長いプラズマ・チャンネルを備えるプラズマ発生装置が提供され、このプラズマ・チャンネルは、前記カソードと前記アノード内に配置された出口開口の間の前記プラズマ・チャンネルに配置されたスロットル部分を有する。プラズマ発生装置の前記スロットル部分は、前記プラズマ・チャンネルを、スロットル部分のカソードに最も近い側に配置されてプラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に１番大きい断面を有する高圧チャンバと、前記アノード内へ開いてプラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に２番目に大きい断面を有する低圧チャンバに分割し、前記スロットル部分は、プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に前記１番大きい断面及び前記２番目に大きい断面より小さい第３の断面を有し、少なくとも１つの中間電極が前記カソードと前記スロットル部分の間に配置されている。好ましくは、中間電極は高圧チャンバの内部に配置されるか又はその一部を形成することができる。
【００１７】
プラズマ発生装置のこの構造によって、プラズマ発生装置に供給される低動作電流でプラズマ・チャンネル内に供給されるプラズマを高温に加熱することが可能になる。本説明中では、「プラズマの高温」は、１１，０００℃を超過する温度、好ましくは１３，０００℃を上回る温度を意味する。与えられたプラズマは、適切には、高圧チャンバ内で１１，０００℃と２０，０００℃の間の温度に加熱される。代替実施例では、プラズマは１３，０００℃と１８，０００℃の間に加熱される。別の代替実施例では、プラズマは１４，０００℃と１６，０００℃の間に加熱される。さらに、「低い動作電流」は、１０アンペア未満の電流レベルを意味する。装置に供給される動作電流は、適切には４アンペアと８アンペアの間である。これらの動作電流で、供給される電圧レベルは、適切には５０ボルトと１５０ボルトの間である。
【００１８】
動作電流が低いことは、例えば必要な高い電流レベルを供給するのが困難なことがある手術環境では、しばしば有利な点である。概して、動作電流レベルが高いと、手術など、具体的にはキーホール手術などの高い精度を必要とする作業で、扱うのが困難なことがある動かしにくい配線の原因となる。動作電流が高いと、ある一定の環境及び用途において作業者及び／又は患者に対する安全性が危険性にさらされることもある。
【００１９】
本発明は、例えば適当なやり方でプラズマ・チャンネルを設計することにより、例えば生体組織においてカッティング動作に適したプラズマを得ることができるという知見に基づく。本発明の利点は、好ましい動作電流で望ましい温度へプラズマを加熱することが可能になる高圧チャンバ及びスロットル部分を使用することである。スロットル部分の上流でプラズマを加圧することによって、高圧チャンバ内のプラズマのエネルギー密度を上昇させることが可能である。エネルギー密度の上昇は、単位体積当りのプラズマのエネルギー値の上昇を意味する。高圧チャンバ内でプラズマのエネルギー密度が上昇すると、その結果として、カソードとアノードの間のプラズマ・チャンネルと同じ方向に延びる電気アークによって加熱することで、プラズマを高温にすることができる。高圧チャンバ内の圧力上昇も、プラズマ発生装置をより低い動作電流で動作させるのに適すると判明している。その上、高圧チャンバ内のプラズマの圧力上昇も、供給されたプラズマ発生ガスのより低いガス・ボリューム流れでプラズマ発生装置を動作させるのに適すると判明している。例えば、高圧チャンバ内のプラズマを約０．６メガパスカル（約６バール）に加圧すると、プラズマ・チャンネルが高圧チャンバやスロットル部分なしで配置される従来技術の手法と比べて、プラズマ発生装置の効率を少なくとも３０％向上させることが可能であることが実験により明らかになった。
【００２０】
高圧チャンバ内のプラズマを加圧することにより、従来技術のプラズマ発生装置と比べて、アノード中の電力損失を低減できることも判明した。
【００２１】
高圧チャンバで主流（ｐｒｅｖａｉｌｉｎｇ）となっているものより低い圧力でプラズマを放出することも望ましいであろう。例えば、高圧チャンバ内の圧力が上昇すると、例えば本発明によるプラズマ発生装置による外科手術において、患者に対して有害である恐れがある。しかし、プラズマが高圧チャンバから低圧チャンバへ流れるとき、スロットル部分を通るので、スロットル部分の下流に配置された低圧チャンバによって、高圧チャンバ内で上昇したプラズマの圧力が低下することが判明している。流れ部分を通るとき、高圧チャンバ内のプラズマの圧力の上昇した部分が運動エネルギーに変換され、したがって、低圧チャンバ内では、高圧チャンバ内の流速に対してプラズマの流速は加速される。
【００２２】
したがって、本発明によるプラズマ発生装置のさらなる利点は、プラズマ・チャンネルの出口を通って放出されたプラズマが、高圧チャンバ内のプラズマより高い運動エネルギーを有することである。そのような特性を有するプラズマ・ジェットによって、生成プラズマを例えば生体組織のカッティングに使用することが可能になることが判明している。例えばプラズマ・ジェットはそれによる影響を受けた目標物を貫通し、したがって切れ目を入れることを可能にするためには運動エネルギーが適当である。
【００２３】
高ガス・ボリューム流れは生成プラズマで治療される患者に有害になりえるので、手術用途においてプラズマ発生装置に低ガス・ボリューム流れを供給すると都合がよいことも判明している。プラズマ発生装置に供給されたプラズマ発生ガスの低ガス・ボリューム流れに関して、カソードと高圧チャンバの間に、カスケード電気アークと呼ばれる１つ又は複数の電気アークが形成される危険性があることが判明している。
【００２４】
プラズマ・チャンネルの断面積の縮小に伴って、そのようなカスケード電気アークが発生する危険性が高まることも判明している。そのようなカスケード電気アークは、プラズマ装置の機能に悪影響を及ぼすことがあり、高圧チャンバは、電気アークの影響のために損傷を受け、且つ／又は（ａｎｄ／ｏｒ）劣化する恐れがある。高圧チャンバから放出された物質がプラズマを汚染する危険性もあり、このことは、例えばプラズマ発生装置内に発生したプラズマが手術用途に使用される場合、患者に有害である恐れがある。実験によって、例えば、ガス・ボリューム流れが１．５ｌ／ｍｉｎ未満で、且つプラズマ・チャンネルの断面積が１ｍｍ２未満であると上記の問題が生じる可能性があると判明した。
【００２５】
したがって、本発明は、そのようなカスケード電気アークが生じる危険性を低下させるために、高圧チャンバ内に少なくとも１つの中間電極を配置するのが適当であると判明している知見にも基づく。したがって、本発明によるプラズマ発生装置は次の利点がある。すなわち、前記少なくとも１つの中間電極によって、印加された前述の動作電流レベルで電気アークの望ましい温度が実現し、したがってもたらされたプラズマの望ましい温度を実現することができるように高圧チャンバの断面を配置することが可能になる。有利なやり方で、高圧チャンバ内に中間電極を配置すると、プラズマが汚染される危険性が低下することも判明した。また、高圧チャンバ内に配置された中間電極によって、より効率的なやり方で生成プラズマの加熱が助長される。本説明では、「中間電極」は、カソードとアノードの間に配置された１つ又は複数の電極を意味する。プラズマ発生装置の運転において、各中間電極の両端に電圧が印加されることも理解されよう。
【００２６】
したがって、本発明は、スロットル部分の上流に少なくとも１つの中間電極を配置することと高圧チャンバの断面を小さくすることの組合せにより、汚染レベルが案外低くしかも外科手術向けの優れた他の特性を有するプラズマを発生するために使用することができるプラズマ発生装置を提供する。これは例えば生体組織を切るとき有効である。しかし、プラズマ発生装置を他の手術用途に使用できることが注目されるであろう。例として、例えば動作電流及び／又はガス流れを変えることによって、例えば生体組織の気化又は凝固に使用することができるプラズマを発生させることが可能である。また、これらの用途の組合せも考えることができ、多くの場合、多くの用途において有利である。
【００２７】
本発明が提供するプラズマ発生装置によって、生成プラズマの熱エネルギーと運動エネルギーの関係の変化を望ましいやり方で制御することが可能になることも判明した。柔軟な生体組織及び硬い生体組織など様々なタイプの対象を治療するとき、熱エネルギーと運動エネルギーの間の様々な関係を有するプラズマを使用できることは、都合がよいことが判明している。また、治療される生体組織内の血液強度次第で、熱エネルギーと運動エネルギーの間の関係を変化させることができるのは都合がよいことも、判明している。例えば、組織内の高血液強度に関連して大量の熱エネルギーを有するプラズマを使用し、組織内の低血液強度に関連して低い熱エネルギーを有するプラズマを使用することが、場合によっては都合がよいことが判明している。生成プラズマの熱エネルギーと運動エネルギーの間の関係は、例えば高圧チャンバ内に確立された圧力レベルによって制御することができる。この場合、高圧チャンバ内の圧力が高いと、プラズマ発生装置から放出されるとき、プラズマの運動エネルギーの増加をもたらすことができる。したがって、生成プラズマの熱エネルギーと運動エネルギーの間の関係がそのように変化すると、例えば、手術用途におけるカッティング作用と凝固作用の組合せを、様々なタイプの生体組織の治療に適したやり方で調整することができる。
【００２８】
適切には、前記高圧チャンバは、主に前記少なくとも１つの中間電極で形成される。高圧チャンバが、すべて又は部分的に前記少なくとも１つの中間電極から成ると、通過するプラズマを効果的に加熱する高圧チャンバが得られる。高圧チャンバの一部として中間電極を配置することにより、実現することができるさらなる利点は、例えばカソードと高圧チャンバの内周面の間にいわゆるカスケード電気アークが形成されることなく、適当な長さで高圧チャンバを配置することができることである。カソードと高圧チャンバの内周面の間に電気アークが形成されると、前述のように、高圧チャンバに損傷を与え、且つ／又は劣化させる恐れがある。
【００２９】
プラズマ発生装置の一実施態様では、高圧チャンバは、適切には２つ以上の中間電極を備える複数電極のチャンネル部分から成る。高圧チャンバを複数電極のチャンネル部分として配置することにより、高圧チャンバの長さを増すことができ、供給されたプラズマをほぼ電気アークの温度まで加熱することが可能になる。高圧チャンバの断面が小さいと、プラズマをほぼ電気アークの温度まで加熱するのにチャンネルを長くする必要があると判明した。プラズマ・チャンネルの長手方向で各電極の延長部を短くしておくために複数の中間電極を使用する場合の実験が行われた。複数の中間電極を使用すると、各中間電極の両端に印加される電圧を低くすることが可能になることが判明した。
【００３０】
高圧チャンバ内のプラズマの加圧を強化するときには、スロットル部分とカソードの間により多くの中間電極を配置するのが適当であることも判明した。さらに、高圧チャンバ内のプラズマの加圧を強化するときに、より多くの中間電極を使用することによって、中間電極１つ当りの電圧レベルを実質的に同一に維持することが可能であり、このことによって、高圧チャンバ内のプラズマを加圧するときいわゆるカスケード電気アークが発生する危険性が低下することが判明した。
【００３１】
比較的長い長さの高圧チャンバを使用するとき、個々の電極が長すぎるように作られていると、カソードとアノードの間に電気アークを確立することができない危険性があると判明した。それよりむしろ、カソードと中間電極の間及び／又は互いに隣接する中間電極の間により短い電気アークを確立することができる。したがって、高圧チャンバ内に複数の中間電極を配置し、このようにして各中間電極に印加される電圧を低下させるのが有利であると判明した。したがって、長い高圧チャンバを配置する場合、とりわけ高圧チャンバが小さい断面を有するとき、複数の中間電極を使用するのが有利である。実験では、各中間電極に２２ボルト未満の電圧を印加するのが適当であると判明した。前述の好ましい動作電流レベルでは、電極の両端の電圧レベルは、適切には１５ボルト／ｍｍと２２ボルト／ｍｍの間であると判明した。
【００３２】
一実施態様では、前記高圧チャンバは、３つ以上の中間電極を備える複数電極のチャンネル部分として配置される。
【００３３】
プラズマ発生装置の一実施態様では、２番目に大きい断面は０．６５ｍｍ２以下である。一実施態様では、２番目に大きい断面は、０．０５ｍｍ２と０．４４ｍｍ２の間の範囲の断面積で配置することができる。プラズマ発生装置の代替実施態様では、断面は、０．１３ｍｍ２と０．２８ｍｍ２の間の面で配置することができる。低圧チャンバのチャンネル部分をそのような断面で配置することによって、プラズマ発生装置のプラズマ・チャンネルの出口を通して高エネルギー密度のプラズマ・ジェットを放出することが可能であると判明した。高エネルギー密度を有するプラズマ・ジェットは、生体組織のカッティングの用途に特に有効である。また、生成プラズマ・ジェットの断面が小さいことは、高い精度が必要な治療においても有利である。さらに、そのような断面を有する低圧チャンバによって、プラズマが加速され、増加した運動エネルギー及び低い圧力を得ることが可能になり、このことは、例えば手術用途においてプラズマを使用するとき適当である。
【００３４】
スロットル部分の第３の断面は、適切には０．００８ｍｍ２と０．１２ｍｍ２の間の範囲にある。代替実施態様では、スロットル部分の第３の断面は、適切には０．０３０ｍｍ２と０．０７０ｍｍ２の間でありえる。そのような断面でスロットル部分を配置することによって、適当なやり方で、高圧チャンバ内に上昇した圧力のプラズマを発生させることが可能であると判明した。その上、前述のように、高圧チャンバ内のプラズマを加圧すると、そのエネルギー密度に影響を与える。したがって、スロットル部分によって高圧チャンバ内のプラズマの圧力が上昇することは、適当なガス・ボリューム流れ及び動作電流レベルで望ましいプラズマの加熱を達成するために有利である。
【００３５】
スロットル部分の選択された断面の別の利点は、スロットル部分を通って流れるプラズマがマッハ１以上の値の超音速に加速される適当なレベルへ、高圧チャンバ内の圧力を上昇させることができることであると判明した。低圧チャンバ内でプラズマの超音速を実現するために必要な高圧チャンバ内の臨界圧レベルは、とりわけ、スロットル部分の断面サイズ及び形状寸法の設計次第であると判明した。また、超音速を実現するための臨界圧も、使用されるプラズマ発生ガスの種類及びプラズマの温度の影響を受けることが判明した。スロットル部分が、常に、高圧チャンバ内の１番大きい断面及び低圧チャンバ内の２番目に大きい断面のどちらの断面よりも小さな直径を有することに留意されたい。
【００３６】
適切には、高圧チャンバの１番大きい断面は、０．０３ｍｍ２から０．６５ｍｍ２の間の範囲にある。そのような最大の断面は、ガス・ボリューム流れ及び動作電流に適したレベルの希望温度へプラズマを加熱するのに適することが判明した。
【００３７】
カソードとアノードの間で確立される電気アークの温度は、とりわけ高圧チャンバ内の断面の寸法次第であることが判明した。高圧チャンバの断面が小さいと、カソードとアノードの間に確立される電気アークのエネルギー密度が上昇する。したがって、プラズマ・チャンバの中心軸に沿った電気アークの温度は、放電電流とプラズマ・チャンネルの断面積の関係に比例する温度である。
【００３８】
代替実施態様では、高圧チャンバは０．０５ｍｍ２と０．３３ｍｍ２の間の断面積を有する。別の代替実施態様では、高圧チャンバは０．０７ｍｍ２と０．２０ｍｍ２の間の断面積を有する。
【００３９】
中間電極内にスロットル部分を配置することは有利でありえる。そのような配置によって、いわゆるカスケード電気アークがカソードとスロットル部分の間に生じる危険性が低下することが判明した。同様に、恐らく同じものに隣接するスロットル部分と中間電極の間にカスケード電気アークが生じる危険性が低下することも判明した。
【００４０】
また、低圧チャンバが少なくとも１つの中間電極を備えることは適当である。これは、とりわけ、カソードと低圧チャンバの間にいわゆるカスケード電気アークが生じる危険性が低下することを意味する。低圧チャンバ内の１つ又は複数の中間電極も、隣接する場合の中間電極の間にカスケード電気アークが生じる危険性が低下することを意味する。
【００４１】
有利なやり方では、スロットル部分及び低圧チャンバ内の中間電極は、望ましいやり方でカソードとアノードの間に電気アークを確立する可能性に寄与する。さらに、いくつかの用途については、２つの中間電極の間にスロットル部分を配置することは都合がよいであろう。プラズマ発生装置の代替実施態様では、高圧チャンバの一部を形成する少なくとも２つの中間電極と低圧チャンバの一部を形成する少なくとも２つの中間電極の間にスロットル部分を配置することができる。
【００４２】
カソードとアノードの間に延びるプラズマ・チャンネルの実質的部分が中間電極によって形成されるように、プラズマ発生装置を設計するのが適当であると判明した。そのようなチャンネルは、実質的にプラズマ・チャンネルの全範囲に沿ってプラズマを加熱することが可能であるときも適当である。
【００４３】
プラズマ発生装置の一実施態様では、プラズマ発生装置は少なくとも２つの中間電極を備え、好ましくは少なくとも３つの中間電極を備える。代替実施態様では、プラズマ発生装置は２から１０個の間の中間電極を備え、別の代替実施態様では、３から１０個の間の中間電極を備える。そのような複数の中間電極を使用することによって、望ましいレベルのガス流量及び動作電流でプラズマを加熱するために適した長さのプラズマ・チャンネルを得ることができる。さらに、前記中間電極は、絶縁体手段によって互いから適切に離隔される。中間電極は、銅又は銅含有合金で適切に作られる。
【００４４】
一実施態様では、１番大きい断面、２番目に大きい断面及び第３の断面は、プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的な断面において円形である。丸形断面を有するプラズマ・チャンネルを形成することによって、例えば製作が容易で、費用対効果が大きくなる。
【００４５】
プラズマ発生装置の代替実施態様では、カソードは、アノードの方へ先細りになるカソード・チップを有し、カソード・チップ（ｔｉｐ）の一部は、前記高圧チャンバに結合されたプラズマ・チャンバの部分的な長さにわたって延びる。このプラズマ・チャンバは、前記プラズマ・チャンネルの長手方向に対して横断的に第４の断面を有し、アノードに向けられた前記カソード・チップの終端で、この第４の断面は前記１番大きい断面より大きい。そのようなプラズマ・チャンバを有するプラズマ発生装置を提供することによって、外側寸法を縮小されたプラズマ発生装置を提供することが可能になるはずである。有利なやり方では、プラズマ・チャンバを使用することによって、カソード（とりわけアノードに最も近いカソードのチップ）のまわりに適当な間隔を設けることが可能である。カソードのチップのまわりのスペースは、動作中のカソードの高温がカソードに隣接した装置の材料に損傷を与え、且つ／又は劣化させるという危険性を低下させるのに適当である。具体的には、プラズマ・チャンバを使用することは、長時間連続動作に対して有利である。
【００４６】
プラズマ・チャンバを配置することによって実現される別の利点は、カソードとアノードの間で確立されるように意図されている電気アークを安全に得ることができることである。というのは、プラズマ・チャンバによって、カソードのチップを囲む材料が、カソードの高温のために損傷を受け、且つ／又は劣化することなく、カソードに最も近いプラズマ・チャンネルの開口の近傍に配置されることが可能になるからである。カソードのチップがプラズマ・チャンネルの開口から離れすぎて配置されると、電気アークが、しばしばカソードと周囲の構造の間で不利なやり方で確立されて装置の誤動作をもたらし、場合によっては装置を損傷する恐れもある。
【００４７】
本発明の第２の態様によれば、前述のようなプラズマ発生装置を備えた手術用プラズマ装置が提供される。前述のタイプのそのような手術用プラズマ装置は、生体組織の破壊又は凝固に、とりわけカッティングのために適切に使用することができる。さらに、そのような手術用プラズマ装置は、心臓又は脳の手術で有利に使用することができる。或いは、そのような手術用プラズマ装置は、肝臓、脾臓又は腎臓の手術で有利に使用することができる。
【００４８】
本発明の第３の態様によれば、プラズマを発生する方法が提供される。そのような方法は、前述のようなプラズマ発生装置に対して、４アンペアから１０アンペアの動作電流で、０．０５ｌ／ｍｉｎから１．００ｌ／ｍｉｎのプラズマ発生ガスのガス・ボリューム流れを供給することを含む。そのようなプラズマ発生ガスは、適切には、アルゴン、ネオン、キセノン、ヘリウム等などの不活性ガスから成る。このようにしてプラズマを発生させる方法は、とりわけ生体組織を切るために使用することができる。
【００４９】
代替実施態様では、供給されるプラズマ発生ガスの流れは、０．１０ｌ／ｍｉｎと０．８０ｌ／ｍｉｎの間でありえる。別の代替実施態様では、供給されるプラズマ発生ガスの流れは、０．１５ｌ／ｍｉｎと０．５０ｌ／ｍｉｎの間でありえる。
【００５０】
本発明の第４の態様によれば、アノード、カソード、及び実質的に前記カソードから前記アノードの方向に延びるプラズマ・チャンネルを備えるプラズマ発生装置によってプラズマを発生させる方法が提供され、前記方法は、カソードからアノードへ流れるプラズマを供給するステップと、プラズマ・チャンネル内に配置されたスロットル部分の上流に配置された高圧チャンバ内でプラズマを加圧することにより、前記プラズマのエネルギー密度を上昇させるステップと、スロットル部分の上流に配置された少なくとも１つの中間電極を使用することにより、前記プラズマを加熱するステップと、前記プラズマを、前記スロットル部分を通過させ、プラズマ・チャンネルの出口開口を通して放出することにより、前記プラズマを減圧し加速するステップとを含む。
【００５１】
そのような方法によって、実質的に汚染物質がなく、適温に加熱することができ、前述のような望ましい動作電流及びガス流れレベルで適当な運動エネルギーを与えることができるプラズマを発生させることが可能である。
【００５２】
高圧チャンバ内のプラズマの加圧は、適切には０．３〜０．８メガパスカル（３〜８バール）、好ましくは０．５〜０．６メガパスカル（５〜６バール）の圧力が発生することを含む。そのような圧力レベルは、望ましい動作電流レベルで望ましい温度に加熱することが可能になるエネルギー密度をプラズマに与えるために適当である。そのような圧力レベルによっても、スロットル部分の近傍のプラズマを超音速に加速することが可能になることが判明した。
【００５３】
プラズマは、プラズマ・チャンネルの出口開口の外の普通の大気圧を、０．２メガパスカル（２バール）未満、或いは０．０２５〜０．１メガパスカル（０．２５〜１バール）、別の代替形態によると０．０５〜０．１メガパスカル（０．５〜１バール）だけ上回る圧力レベルへ適切に減圧される。プラズマ・チャンネルの出口開口を通して放出されたプラズマの圧力をそのようなレベルへ下げることによって、発生したプラズマ・ジェットによって外科的に治療される患者をプラズマの圧力で負傷させる危険性が低下する。
【００５４】
高圧チャンバ内のプラズマの上昇した圧力によって、プラズマ・チャンネルを通って流れるプラズマを、スロットル部分の近傍でマッハ１以上の値を有する超音速に加速できることが判明した。マッハ１より高い速度を実現するために必要とされる圧力は、とりわけ、プラズマの圧力及び供給されたプラズマ発生ガスのタイプ次第である。さらに、高圧チャンバ内の必要な圧力は、スロットル部分の断面及び形状寸法の設計次第である。適切には、プラズマは、音速の１〜３倍の流速、すなわちマッハ１とマッハ３の間の流速に加速される。
【００５５】
プラズマは、１１，０００℃と２０，０００℃の間、好ましくは１３，０００℃から１８，０００℃、とりわけ１４，０００℃から１６，０００℃の温度へ好ましくは加熱される。そのような温度レベルは、例えば生成プラズマを、生体組織のカッティングに使用するのに適当である。
【００５６】
プラズマを発生させ供給するために、プラズマ発生装置にプラズマ発生ガスを適切に供給することができる。０．０５ｌ／ｍｉｎと１．００ｌ／ｍｉｎの間、好ましくは０．１０〜０．８０ｌ／ｍｉｎ、とりわけ０．１５〜０．５０ｌ／ｍｉｎの流れ量であるようなプラズマ発生ガスを供給するのが適当であると判明した。そのような流れレベルのプラズマ発生ガスで、生成プラズマを、望ましい動作電流レベルで適温に加熱することが可能であると判明した。前述の流れレベルも、患者を負傷させる危険性を低下させることが可能になるので、手術用途でプラズマを使用するのに適当である。
【００５７】
プラズマ・チャンネルの出口開口を通してプラズマを放出するとき、０．６５ｍｍ２未満、好ましくは０．０５ｍｍ２と０．４４ｍｍ２の間、とりわけ０．１３〜０．２８ｍｍ２の断面積を有するプラズマ・ジェットとしてプラズマを放出するのが適当である。さらに、プラズマ発生装置には、適切には４アンペアと１０アンペアの間、好ましくは４〜８アンペアの動作電流が供給される。
【００５８】
本発明の別の態様によれば、プラズマを発生させる前述の方法は、生体組織を切る方法に使用することができる。
【００５９】
次に、本発明は、例として本発明の現時点での好ましい実施例を説明する添付の概略図を参照しながら詳細に説明されることになる。
【実施例】
【００６０】
図１ａは、本発明によるプラズマ発生装置１の一実施例の断面図である。図１ａの断面は、プラズマ発生装置１の長手方向の、中心を通って得られる。この装置は、終端スリーブ３の終端で放出されるプラズマを発生させるためのプラズマ発生システムを収容する細長い終端スリーブ３を備える。生成プラズマは、例えば、組織における出血を止めるため、組織を気化させるため、組織を切るためなどに使用することができる。
【００６１】
図１ａによるプラズマ発生装置１は、カソード５、アノード７及び本説明では中間電極として参照される、アノードとカソードの間に配置された複数の電極９、９’、９”を備える。中間電極９、９’、９”は環状であり、カソード５の前の位置からアノード７の方へ延び、さらにアノード７を通って延びるプラズマ・チャンネル１１の一部を形成する。プラズマ・チャンネル１１の入口端は、カソード５の隣に配置され、プラズマ・チャンネルは、その出口開口が配置されるアノード７を通って延びる。プラズマ・チャンネル１１内で、プラズマは、アノード７のプラズマ・チャンネルの開口を通って最終的に外に流れるように加熱されるように意図されている。中間電極９、９’、９”は、環状絶縁体手段１３、１３’、１３”によって互いから絶縁され且つ離隔される。中間電極９、９’、９”の形状及びプラズマ・チャンネル１１の寸法は、所望の目的に合わせて調整することができる。中間電極９、９’、９”の数も任意選択で変化させることができる。図１ａに示される実施例には、３つの中間電極９、９’、９”が備わっている。
【００６２】
図１ａに示される実施例では、カソード５は細長い円筒状の要素として形成される。好ましくは、カソード５は、タングステンにランタンなど任意選択の添加物を加えて作られる。そのような添加物は、例えば、カソード５の終端１５に生じる温度を低下させるために使用することができる。
【００６３】
さらに、アノード７の方向に向けられたカソード５の終端１５は、先細りの端部を有する。図１ａに示されるように、先細りの部分１５は、カソードの終端に配置されたチップを適切に形成する。適切には、カソード・チップ１５は円錐の形状である。カソード・チップ１５は、コーンの一部になるか、又はアノード７の方へ先細りになる形状の代替形状を有することもできる。
【００６４】
アノード７から遠ざかる方向に向けられたカソードのもう１つの終端は、電源に結合される導電体に結合される。導体は、絶縁体に適切に囲まれる（導体は図１ａには示されていない）。
【００６５】
プラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャンネル１１の入口端に結合され、プラズマ・チャンネル１１の長手方向に対して横断的に断面を有する。この断面は、プラズマ・チャンネル１１のその入口端での断面を上回る。図１ａに示されるようなプラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャンネル１１の長手方向に対して横断的に円形の断面であり、プラズマ・チャンネル１１の長手方向に、プラズマ・チャンバ１７の直径Ｄｃｈにほぼ一致する広がりＬｃｈを有する。プラズマ・チャンバ１７及びプラズマ・チャンネル１１は、実質的に互いに対して同心状に配置される。カソード５は、プラズマ・チャンバ１７内へ、少なくともその長さＬｃｈの半分は延び、カソード５は、プラズマ・チャンバ１７と実質的に同心状に配置される。プラズマ・チャンバ１７は、カソード５に最も近い第１の中間電極９に一体化された凹部から成る。
【００６６】
図１ａは、カソード５の部分に沿って、且つそのまわりで延びる絶縁要素１９も示す。絶縁要素１９は、細長い円筒状のスリーブとして適切に形成され、カソード５は、管状の絶縁体要素１９を通って延びる丸穴内に部分的に配置される。カソード５は、実質的に絶縁要素１９の貫通穴の中心に配置される。さらに、絶縁要素１９の内径はカソード５の外径よりわずかに大きく、したがって、カソード５の外周面と絶縁要素１９の丸穴の内側面の間の隙間（ｄｉｓｔａｎｃｅ）を形成する。
【００６７】
好ましくは、絶縁要素１９は、セラミック材料、耐熱性プラスチック材料などの耐熱性材料で作られている。絶縁要素１９は、例えばカソード５のまわりで、具体的にはカソードのチップ１５のまわりで、起こりえる高温からプラズマ発生装置の隣接部品を保護することを意図する。
【００６８】
絶縁要素１９及びカソード５は、アノードに向かうカソード５の終端１５が、終端面２１を越えて突出し、これが絶縁要素１９のアノード７に向かうように互いに対して配置される。図１ａに示されたこの実施例では、カソード５の先細りのチップ１５のほぼ半分が、絶縁要素１９の終端面２１を越えて延びる。
【００６９】
ガス供給部品（図１ａには示されない）はプラズマ発生部に結合される。プラズマ発生装置１に供給されるガスは、有利には従来技術の機器でプラズマ発生ガスとして使用されるものと同じタイプのガス、例えばアルゴン、ネオン、キセノン、ヘリウムなどの不活性ガスから成る。プラズマ発生ガスは、ガス供給部品を通って、カソード５と絶縁要素１９の間に配置されたスペースへ流れ込むことができる。したがって、プラズマ発生ガスは、絶縁要素１９の内側のカソード５に沿ってアノード７に向かって流れる。プラズマ発生ガスが、アノード７に最も近く配置された絶縁要素１９の終端２１を通過するとき、ガスはプラズマ・チャンバ１７内へ通される。
【００７０】
プラズマ発生装置１は、細長い終端スリーブ３へ延びる１つ又は複数の冷媒流路２３をさらに備える。冷媒流路２３は、適切には終端スリーブ３に結合される容器（図示せず）とともに部分的に１ピースで作られる。終端スリーブ３と容器は、例えば、ねじ連結で相互接続することができるが、溶接、半田付けなど他の結合方法も考えられる。さらに、終端スリーブは、適切には１０ｍｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満の外側寸法を有する。終端スリーブに配置された少なくとも１つの容器部分は、適切には終端スリーブの外側の形状及び寸法に実質的に一致する外側の形状及び寸法を有する。図１ａに示されるプラズマ発生装置の実施例では、終端スリーブは、断面において、プラズマ・チャンネル１１の長手方向に対して横断的に円形である。
【００７１】
一実施例では、プラズマ発生装置１は２つの追加チャンネル２３を備え、一方は入口チャンネルを構成し、他方は冷媒用の出口チャンネルを構成する。入口チャンネルと出口チャンネルは、互いに連接して、プラズマ発生装置１の終端スリーブ３を冷媒が通過することを可能にする。２つを上回る冷却チャンネル（冷媒を供給するか又は放出するために使用される）をプラズマ発生装置１に設けることも可能である。好ましくは冷媒として水が使用されるが、他のタイプの流体が考えられる。冷媒が終端スリーブ３に供給されて中間電極９、９’、９”と終端スリーブ３の内部壁の間を流れるように冷却チャンネルが配置される。終端スリーブ３の内側は、少なくとも２つの追加チャンネルを互いに結合する領域を構成する。
【００７２】
中間電極９、９’、９”はプラズマ発生装置１の終端スリーブ３の内部に配置され、終端スリーブ３と実質的に同心状に配置される。中間電極９、９’、９”は、終端スリーブ３の内径と連係して、中間電極の外側面と終端スリーブ３の内部壁の間のスペースを形成する外径を有する。追加チャンネル２３から供給された冷媒が、中間電極９、９’、９”と終端スリーブ３の間を流れることができるのはこのスペースである。
【００７３】
追加チャンネル２３は、別の個数が可能であり、様々な断面を与えることができる。追加チャンネル２３のすべて又はいくらかを、他の目的のために使用することも可能である。例えば、３つの追加チャンネル２３は、手術エリアなどから、例えば２つを冷媒の供給及び放出用に使用し、１つを液体などの吸引用に使用するために配置することができる。
【００７４】
図１ａに示される実施例では、３つの中間電極９、９’、９”は、カソード５とアノード７の間に配置された絶縁体手段１３、１３’、１３”によって離隔されている。しかし、電極９、９’、９”の数は、任意の所望の目的に従って任意選択で選択することができることが理解されよう。互いに隣接する中間電極及びそれらの間に配置された絶縁体手段は、適切には互いにプレスばめされる。
【００７５】
カソード５から最も遠くに配置された中間電極９”は、アノード７と向かいあって配置された環状の絶縁体手段１３”に接している。
【００７６】
アノード７は、細長い終端スリーブ３に結合される。図１ａに示される実施例では、アノード７と終端スリーブ３は、互いに一体となって形成される。代替実施例では、アノード７は、アノードと終端スリーブの間の、ねじ結合、溶接、又は半田付けによって終端スリーブ３に連結される個別の要素として形成することができる。アノード７と終端スリーブ３の間の結合は、適切にはそれらの間に電気接触を与えるようなものである。
【００７７】
図１ａに示されるプラズマ発生装置１は、高圧チャンバ２５、スロットル部分２７及び低圧チャンバ２９を備えるプラズマ・チャンネル１１を有する。スロットル部分２７は、高圧チャンバ２５と低圧チャンバ２９の間に配置される。したがって、本説明では、「高圧チャンバ２５」は、カソード５からアノード７へのプラズマの流れ方向においてスロットル部分２７の上流に配置されたプラズマ・チャンバ１１の一部を意味する。「低圧チャンバ２９」は、スロットル部分２７の下流に配置されたプラズマ・チャンネル１１の一部を意味する。
【００７８】
図１ａに示されるスロットル部分２７は、プラズマ・チャンネル１１の最も小さな断面を構成する。したがって、スロットル部分２７の断面は、プラズマ・チャンネルの長手方向に横断的に、高圧チャンバ２５の最大の断面及び低圧チャンバ２９の最大の断面より小さい。図１ａ及び図１ｃに示されるように、スロットル部分は好ましくは超音速ノズル又はドラバル管である。
【００７９】
スロットル部分２７は、高圧チャンバ２５内の圧力を低圧チャンバ２９内の圧力に対して上昇させる原因となる。プラズマがスロットル部分２７を通って流れるとき、プラズマの流れ速度が加速され、プラズマの圧力は低下する。したがって、アノード７内のプラズマ・チャンネル１１の開口を通って放出されたプラズマは、高圧チャンバ２５内のプラズマより、運動エネルギーが高く圧力が低い。図１ａに示されるプラズマ発生装置によれば、アノード７内のプラズマ・チャンネル１１の開口は、低圧チャンバ２９の最大の断面と同一の断面を有する。
【００８０】
図１ａに示される実施例のプラズマ・チャンネル１１は、好ましくは、プラズマ・チャンネル１１が、スロットル部分の最も小さな断面へ徐々に先細りになり、次いで断面が再び徐々に大きくなるように形成される。スロットル部分２７の近傍におけるプラズマ・チャンネル１１のこの形状は、例えばプラズマ中の乱流を低減する。そうでないと乱流がプラズマの流れ速度を低下させる恐れがあるので、これは有利なことである。
【００８１】
図１ｃに示される部分的拡大では、プラズマ・チャンネル１１は、プラズマの流れ方向で見てスロットル部分２７の最も小さな断面の上流に収束するチャンネル部分を有する。さらに、プラズマ・チャンネル１１は、スロットル部分２７の下流に、分岐するチャンネル部分を有する。図１ｃに示される実施例では、プラズマ・チャンネル１１の分岐部分は、プラズマ・チャンネル１１の長手方向に収束部より短い広がりを有する。
【００８２】
スロットル部分２７の近傍のプラズマ・チャンネル１１の設計に関して、図１ｃに示されるプラズマ発生装置の実施例では、スロットル部分２７内で、マッハ１以上の値を有する超音速へプラズマを加速することが可能であると判明した。
【００８３】
図１ａに示されるプラズマ・チャンネル１１は、断面において円形である。高圧チャンバは、適切には０．２０ｍｍと０．９０ｍｍの間、好ましくは０．２５〜０．６５ｍｍ、特に０．３０〜０．５０ｍｍの最大径を有する。さらに、低圧チャンバは、適切には０．２０ｍｍと０．９０ｍｍの間、好ましくは０．２５〜０．７５ｍｍ、特に０．４０〜０．６０ｍｍの最大径を有する。スロットル部分は、適切には０．１０ｍｍと０．４０ｍｍの間、好ましくは０．２０〜０．３０ｍｍの最小径を有する。
【００８４】
図１ａに示されるプラズマ発生装置１の例示の実施例は、０．４ｍｍの直径を有する高圧チャンバ２５を有する。図１ａに示される実施例では、低圧チャンバ２９の直径は０．５０ｍｍであり、スロットル部分２７の直径は０．２７ｍｍである。
【００８５】
図１ａに示されるプラズマ発生装置の実施例では、スロットル部分２７は、プラズマ・チャンネルの長手方向における広がりの中心に実質的に配置される。しかし、プラズマ・チャンネル１１内のスロットル部分２７の位置次第でプラズマの運動エネルギーと熱エネルギーの関係を変えることが可能であると判明した。
【００８６】
図２は、代替実施例であるプラズマ発生装置１０１の断面図である。図２に示される実施例では、スロットル部分１２７は、プラズマ・チャンネル１１１の出口開口の近傍のアノード１０７内に配置される。スロットル部分１２７を、プラズマ・チャンネル１１１の長手方向で下流方向に遠く、例えばアノード１０７内又はアノード１０７の近傍に配置することによって、プラズマ・チャンネル１１１の開口で、図１ａに示されるプラズマ発生装置１と比べて、より高い運動エネルギーを有するプラズマを得ることができる。あるタイプの組織、例えば肝臓組織などの柔組織は、運動エネルギーが高いプラズマを用いると容易に切ることができることが判明した。そのようなカッティング用に、例えば、おおよそ半分の熱エネルギー及び半分の運動エネルギーから成るプラズマを発生するのが適当であると判明した。
【００８７】
さらに、図２における代替実施例のプラズマ発生装置１０１は、７つの中間電極１０９を備える。しかし、図２における実施例のプラズマ発生装置１０１は、任意選択で、中間電極１０９を７つより多くも少なくも配置することができることは理解されよう。
【００８８】
図３は、別の代替実施例であるプラズマ発生装置２０１を示す。図３に示される実施例では、スロットル部分２２７は、カソード２０５に最も近い第１の中間電極２０９内に配置される。スロットル部分２２７をプラズマ・チャンネル２１１の広がり内で上流のかなり遠くに配置することによって、プラズマ・チャンネル２１１の出口開口を通って放出されるとき、図１ａ及び図２の実施例と比べてより低い運動エネルギーを有するプラズマを得ることができる。なんらかの硬組織、例えば骨などは、熱エネルギーが高く運動エネルギーが低いプラズマを用いると容易に切ることができることが判明した。そのようなカッティング用に、例えば、おおよそ８０〜９０％の熱エネルギー及び１０〜２０％の運動エネルギーから成るプラズマを発生させるのが都合がよいと判明した。
【００８９】
さらに、図３における代替実施例のプラズマ発生装置２０１は、５つの中間電極２０９を備える。しかし、図３における実施例のプラズマ発生装置２０１は、任意選択で、中間電極２０９を５つより多くも少なくも配置することができることは理解されよう。
【００９０】
生成プラズマの望ましい特性次第で、プラズマ・チャンネル１１、１１１、２１１の任意の位置にスロットル部分２７、１２７、２２７を配置することができることは理解されよう。さらに、図２〜図３に示される実施例は、前述の差異に加えて、図１ａ〜図１ｃの実施例に関して説明されたのと類似のやり方で配置することができることが理解されよう。
【００９１】
図４は、生体組織に対して様々な効果を実現するための適当な電力レベルを例として示す。図４は、前述のように、プラズマ発生装置１、１０１、２０１のプラズマ・チャンネル１１、１１１、２１１を通って放出されるプラズマ・ジェットの様々な直径に、これらの電力レベルがどのように関係するかを示す。図４に示される電力レベルは、生きている組織に対して凝固、気化及びカッティングなど様々な効果を実現するために適当である。これらの様々なタイプの効果は、プラズマ・ジェットの直径次第で様々な電力レベルで実現することができる。必要な動作電流を下げておくために、図４に示されるように、プラズマ発生装置のプラズマ・チャンネル１１、１１１、２１１の直径を縮小し、その結果として装置によって発生されるプラズマ・ジェットを低下させるのが都合がよいと判明した。
【００９２】
図５は、前述のように、プラズマ・ジェットの温度とプラズマ発生装置１、１０１、２０１向けに供給されたプラズマ発生ガス（例えばアルゴン）のガス・ボリューム流れの関係を示す。凝固、気化又はカッティングなどの望ましい効果を実現するために、図５に示されるように、様々な電力レベルの、ある一定の供給されたガス・ボリューム流れを使用すると都合がよいと判明した。本説明で前述のように、適当な電力レベルで望ましい温度のプラズマを発生させるために、プラズマ発生ガスの低ガス・ボリューム流れを供給するのが望ましいと判明した。したがって、必要な動作電流を下げておくために、プラズマ発生装置１、１０１、２０１に供給されるプラズマ発生ガスのガス・ボリューム流れを低減すると都合がよいと判明した。また、高ガス・ボリューム流れは、例えば治療中の患者に有害になりえるので、適切に低く保たれるべきである。
【００９３】
したがって、図１ａ〜図３に示される実施例において、プラズマ発生装置１、１０１、２０１によってこれらの特性を有するプラズマを発生させることが可能であることが判明した。これは、その結果として、例えば生きている生体組織を、適当な動作電流及びガス・ボリューム流れで切るために使用することができる、プラズマ発生装置１、１０１、２０１を提供することが有利であると判明した。
【００９４】
プラズマ発生装置１、１０１、２０１に含まれる部品の形状寸法の適当な関係は、図１ａ〜図１ｂを参照しながら以下で説明されることになる。以下で明示される寸法が、単にプラズマ発生装置１、１０１、２０１の例示の実施例を構成するだけであり、適用分野及び所望の特性次第で変化されうることは留意されたい。図１ａ〜図１ｂに説明された実施例を図２〜図３中の実施例に適用することができることも留意されたい。
【００９５】
絶縁要素１９の内径ｄｉは、カソード５の外径ｄｃよりわずかに大きいだけである。一実施例では、カソード５と絶縁要素１９の間の共通断面における断面積の差は、適切にはカソード５の隣のプラズマ・チャンネルの吸気口の断面積以上である。
【００９６】
図１ｂに示される実施例では、カソード５の外径ｄｃは約０．５０ｍｍであり、絶縁要素１９の内径ｄｉは約０．８０ｍｍである。
【００９７】
一実施例では、カソード５は、カソード・チップ１５の部分的な長さが絶縁要素１９の境界面２１を越えて突出するように配置される。図１ｂでは、カソード５のチップ１５は、チップ１５の約半分の長さＬｃが絶縁要素１９の境界表面２１を越えて突出するように配置される。図１ｂに示される実施例では、この突出ｌｃは、カソード５の直径ｄｃにほぼ一致する。
【００９８】
カソード・チップ１５の全長Ｌｃは、適切にはカソード・チップ１５の基部でカソード５の直径ｄｃの１．５倍より大きい。好ましくは、カソード・チップ１５の全長Ｌｃは、カソード・チップ１５の基部でカソード５の直径ｄｃの約１．５〜３倍である。図１ｂに示される実施例では、カソード・チップ１５の全長Ｌｃは、カソード・チップ１５の基部でカソード５の直径ｄｃの約２倍に相当する。
【００９９】
一実施例では、カソード５の直径ｄｃは、カソード・チップ１５の基部で約０．３〜０．６ｍｍである。図１ｂに示される実施例では、カソード５の直径ｄｃは、カソード・チップ１５の基部で約０．５０ｍｍである。好ましくは、カソードは、カソード５のカソード・チップ１５の基部とカソード・チップ１５の反対側の終端の間で、実質的に同一の直径ｄｃを有する。しかし、カソード５の広がりに沿ってこの直径ｄｃを変えることが可能であることは理解されよう。
【０１００】
一実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、カソード・チップ１５の基部でカソード５の直径ｄｃの約２〜２．５倍に相当する直径Ｄｃｈを有する。図１ｂに示される実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、カソード５の直径ｄｃの約２倍に相当する直径Ｄｃｈを有する。
【０１０１】
プラズマ発生装置１の長手方向におけるプラズマ・チャンバ１７の広がりＬｃｈは、カソード・チップ１５の基部でカソード５の直径ｄｃの約２〜２．５倍に相当する。図１ｂに示される実施例では、プラズマ・チャンバ１７の長さＬｃｈは、ほぼプラズマ・チャンバ１７の直径Ｄｃｈに相当する。
【０１０２】
一実施例では、カソード５のチップ１５は、プラズマ・チャンバ１７の長さＬｃｈの半分にわたって、又は前記長さの半分を上回る長さにわたって延びる。代替実施例では、カソード５のチップ１５は、プラズマ・チャンバ１７の長さＬｃｈの１／２から１／３にわたって延びる。図１ｂに示される実施例では、カソード・チップ１５は、プラズマ・チャンバ１７の長さＬｃｈの少なくとも半分は延びる。
【０１０３】
図１ｂに示される実施例では、プラズマ・チャンバ１７内へ延びるカソード５は、アノード７に最も近い、プラズマ・チャンバ１７の終端から、カソード５の基部でのその直径ｄｃにほぼ一致する距離だけ離れて配置される。
【０１０４】
図１ｂに示される実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャンネル１１の高圧チャンバ２５と流体連接である。高圧チャンバ２５は、適切には約０．２〜０．５ｍｍの直径ｄｃｈを有する。図１ｂに示される実施例では、高圧チャンバ２５の直径ｄｃｈは約０．４０ｍｍである。しかし、高圧チャンバ２５の直径ｄｃｈは、様々な望ましい特性をもたらすために、高圧チャンバ２５の広がりに沿って様々なやり方で変化させることができることは理解されよう。
【０１０５】
移行部分３１がプラズマ・チャンバ１７と高圧チャンバ２５の間に配置され、プラズマ・チャンバ１７の直径Ｄｃｈと高圧チャンバ２５の直径ｄｃｈの間で、カソード５からアノード７の方向に先細りになる移行を構成する。移行部分３１は、複数の別のやり方で設計することができる。図１ｂに示される実施例では、移行部分３１は、プラズマ・チャンバ１７の内径Ｄｃｈと高圧チャンバ２５の内径ｄｃｈの間の移行を形成する、斜角がついたエッジとして設計されている。しかし、プラズマ・チャンバ１７及び高圧チャンバ２５を、２つの間に移行部分３１を配置せず互いに直接接触させて配置することができることは理解されよう。図１ｂに示されるように移行部分３１を用いると、プラズマ・チャンバ１７及び高圧チャンバ２５に隣接する構造を冷却するための有利な熱除去がもたらされる。
【０１０６】
プラズマ発生装置１は、有利には、使い捨て器具の部品として提供することができる。例えば、プラズマ発生装置１、外側ケース、管、結合端子などを有する完全な装置は、使い捨ての器具として売ることができる。或いは、プラズマ発生装置１だけが使い捨てでありえて、複数回使用の装置に結合される。
【０１０７】
本発明の範囲内で、他の実施例及び変形形態が考えられる。例えば電極９、９’、９”の数及び形状は、使用されるプラズマ発生ガスのタイプ及び生成プラズマの所望の特性次第で変化させることができる。
【０１０８】
使用するとき、アルゴンなどのプラズマ発生ガスは、前述のように、ガス供給部品を通って、カソード５と絶縁要素１９の間のスペースに供給される。供給されたプラズマ発生ガスは、プラズマ・チャンバ１７及びプラズマ・チャンネル１１を通過し、アノード７内のプラズマ・チャンネル１１の開口を通って放出される。ガス供給が確立されると電圧システムがオンになり、これによってプラズマ・チャンネル１１内の放出プロセスが始動し、カソード５とアノード７の間に電気アークが確立する。電気アークを確立する前に、前述のように、冷媒流路２３を通してプラズマ発生装置１に冷媒を供給することが都合がよい。電気アークが確立すると、プラズマ・チャンバ１７内にガス・プラズマが発生し、加熱中に、プラズマ・チャンネル１１を通ってそのアノード７内の開口の方へ通過する。
【０１０９】
図１〜図３のプラズマ発生装置１、１０１、２０１に適する動作電流は４〜１０アンペアであり、好ましくは４〜８アンペアである。プラズマ発生装置１、１０１、２０１の動作電圧は、とりわけ、中間電極の数及び長さ次第である。プラズマ発生装置１、１０１、２０１を使用するとき、プラズマ・チャンネルの直径が比較的小さいと、エネルギー使用量及び動作電流を比較的低くすることが可能になる。
【０１１０】
カソードとアノードの間に確立された電気アークでは、プラズマ・チャンネルの中心軸に沿ってその中心で温度Ｔが広がっており、この温度は、放電電流Ｉとプラズマ・チャンネルの直径ｄｃｈの間の関係に比例する（Ｔ＝ｋ×Ｉ／ｄｃｈ）。アノード内のプラズマ・チャンネルの流出口で、比較的低電流レベルで高温（例えば１１，０００℃から２０，０００℃）のプラズマをもたらすために、プラズマ・チャンネルの断面、したがってガスを加熱する電気アークの断面は、小さくするべきである。電気アークの断面が小さいと、プラズマ・チャンネル内の電界強度は高い値を有する。
【０１１１】
図１ａ〜図３によるプラズマ発生装置の様々な実施例は、生きている生体組織を切るだけでなく凝固及び／又は気化に使用することができる。作業者は、簡単な手の動作で、プラズマ発生装置を適切に、凝固、気化及び凝固の間を切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１ａ】本発明によるプラズマ発生装置の一実施例の断面図である。
【図１ｂ】図１ａの実施例の部分的拡大図である。
【図１ｃ】図１ａのプラズマ発生装置のプラズマ・チャンネル内に配置されるスロットル部分の部分的拡大図である。
【図２】プラズマ発生装置の代替実施例を示す図である。
【図３】プラズマ発生装置の別の代替実施例を示す図である。
【図４】様々なやり方で生体組織に影響を与えるための適当な電力レベルを例として示す図である。
【図５】様々な動作電力レベルでの、プラズマ・ジェットの温度とプラズマ発生装置向けに供給されたプラズマ発生ガスのガス・ボリューム流れの関係を示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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