ПЛАЗМЕННЫЙ ДЕЗИНФЕКТОР ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
PLASMA DISINFECTOR FOR BIOLOGICAL TISSUES

Изобретение относится к плазменной и медицинской технике и может быть использовано для дезинфекции раневых поверхностей биологических тканей, а также стимулирования процессов их заживления.
Известны плазменные устройства коагуляции раневых кровоточащих тканей и сосудов, которые основаны на разных принципах работы. Чаще всего в этих устройствах применяется высокотемпературная плазма дугового разряда горящего в струе воздуха или инертного газа [1, 2, 3].
Описанное в [4] устройство для коагуляции и стимуляции заживления раневых дефектов биологических тканей воздействует на обрабатываемую ткань низкотемпературной плазмой импульсно-периодического разряда. Это позволяет избежать вредного воздействия высокой температуры на обрабатываемей объект. Однако сложная конструкция системы подачи рабочего газа в разрядный промежуток затрудняет широкое использование устройства.
Известно устройство для обеззараживания поверхностей посредством холодной плазмы [5], которое является наиболее близким по решаемой задаче и принято в качестве прототипа. Известное устройство воздействует на обрабатываемую биологическую ткань низкотемпературной плазмой барьерного разряда и состоит из малогабаритного корпуса, в котором размещены источник постоянного напряжения, высоковольтный преобразователь переменного напряжения и покрытый слоем диэлектрика высоковольтный электрод. Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что зажигаемый разряд горит в воздухе и отсутствует система подачи рабочего газа в разрядный промежуток.
Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, которая может быть реализована только при условии выполнения достаточно высоких требований, предъявляемых к электрическим и механическим параметрам диэлектрического слоя высоковольтного электрода. Существенным недостатком является нестабильность его работы, что приводит к некачественным воздействиям в силу того, что такая сложная конструкция при механическом или электрическом повреждении диэлектрического слоя, разряд немедленно меняет свою структуру, а в месте повреждения изоляции формируется высокотемпературная дуга, которая может даже нанести вред обрабатываемой биологической ткани. Кроме того, ток барьерного разряда сильно зависит от емкости разрядного промежутка, которая в свою очередь определяется расстоянием между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Эта нестабильность параметров плазмы барьерного разряда с изменением расстояния приводит к неоднородной обработке поверхности биологической ткани.
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение устройства с одновременным повышением стабильности его работы и обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной плазмы на раневые поверхности биологической ткани. Кроме того, техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение габаритов устройства с целью удобства его «карманного» использования, что особенно важно для его применения в полевых и/или иных экстремальных условиях (экспедициях, горных переходах, бытовых условиях в малонаселенных пунктах и т.п.), когда требуется срочное оказание помощи.
Указанный технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в устройстве для обеззараживания поверхностей посредством холодной плазмы, содержащем корпус, выполненный из диэлектрического материала, с установленными на его поверхности высоковольтным и заземленным электродами, расстояние между которыми не менее 50 мм, размещенные внутри корпуса источник постоянного напряжения, высокочастотный преобразователь напряжения, имеющий регулятор выходного напряжения, в соответствии с заявленным изобретением, к выходу высокочастотного преобразователя напряжения подсоединены накопительный конденсатор и последовательно соединенные между собой коммутатор, контурный резистор и импульсный трансформатор, входная низковольтная обмотка которого соединена с накопительным конденсатором и контурным резистором, при этом выходная высоковольтная обмотка импульсного трансформатора соединена одним из выходов с ограничительным резистором, который соединен с высоковольтным электродом, а другим с заземленным электродом, коммутатор выполнен в виде газонаполненного разрядника, который имеет величину пробойного напряжения 100-1000 В, а высоковольтный электрод имеет форму конуса со скруглением на конце радиуса 2-10 мм.
В заявленном устройстве между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью зажигается импульсно-периодический разряд, который генерируется в процессе разряда накопительного конденсатора через последовательно соединенные резистор и импульсный высоковольтный трансформатор. Наличие резистора в разрядной цепи уменьшает добротность колебательного контура, образованного накопительным конденсатором и импульсным трансформатором. Это позволяет сократить длительность генерируемых высоковольтных импульсов и ограничить величину протекающего тока до безопасных значений.
Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что процесс разряда накопительного конденсатора инициируется пробоем последовательно включенного газоразрядного коммутатора, который значительно надежнее и дешевле аналогичных полупроводниковых приборов, а наличие в разрядном контуре резистора способствует уменьшению времени восстановления газового разрядника. Это в свою очередь позволяет увеличить частоту следования высоковольтных импульсов до 1000 Hz и выше.
Помимо этого, технический результат достигается тем, что последовательно с высоковольтным электродом включен дополнительный защитный резистор.
Сущность заявляемого изобретения поясняется Фиг.1-Фиг.6.
На Фиг.1 представлена схема плазменного дезинфектора для биологических тканей.
На Фиг.2 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.3 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.4 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.5 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.6 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 1 kΩ и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
Заявленное изобретение (Фиг.1) содержит выполненный из диэлектрического материала корпус (1) с установленными на его поверхности высоковольтным (2) и заземленным (3) электродами, расстояние между которыми не менее 50 мм, размещенные внутри корпуса (1) источник постоянного напряжения (4), снабженный регулятором выходного напряжения (5), высокочастотный преобразователь напряжения (6), к выходу которого подсоединены накопительный конденсатор (7) и последовательно соединенные между собой коммутатор (8), контурный резистор (9) и импульсный трансформатор (10), входная низковольтная обмотка которого соединена с накопительным конденсатором (7) и контурным резистором (9), при этом выходная высоковольтная обмотка импульсного трансформатора соединена одним из выходов с ограничительным резистором (11), который соединен с высоковольтным электродом (2), а другим выходом с заземленным электродом (3).
Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом.
На высокочастотный преобразователь напряжения (6) подается питание. В результате работы преобразователя на его выходе возбуждается напряжение, величина которого может составлять от 10 В до 1 кВ. От этого напряжения заряжается накопительный конденсатор (7) до напряжения пробоя газонаполненного коммутатора (8). После пробоя газонаполненного коммутатора (8) возникает быстрозатухающий импульс тока, который возбуждает высоковольтный импульс величиной 3-30 кВ на выходе импульсного трансформатора (10). Регулятором выходного напряжения (5) высокочастотного преобразователя напряжения (6) можно изменять частоту следования высоковольтных импульсов. При приближении высоковольтного электрода (2) к поверхности обрабатываемого объекта, например к кожному покрову человека, загорается слабый разряд, сопровождающийся едва заметным сине-голубым свечением холодной плазмы. При этом цепь протекания разрядного тока образуется за счет наличия электропроводимости у обрабатываемого объекта и оператора, который держит это миниатюрное устройство в руке. Ультрафиолетовое излучение и компоненты плазмы (электроны ионы, возбужденные атомы, молекулы и радикалы) оказывают дезинфицирующее действие на обрабатываемую поверхность. Если необходима обработка поверхности площадью большей, чем площадь контакта разряда с обрабатываемой поверхностью, то оператор осуществляет сканирование над поверхностью объекта, поддерживая тем самым "горение" плазмы.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной плазмы на раневые поверхности.
Тестовые режимы работы плазменного дезинфектора для биологических тканей.
Во всех тестовых режимах работы устройства использовался накопительный конденсатор (7) емкостью 10 nF, который заряжался до 100 V. Номинальное значение ограничительного сопротивления 15 МΩ. Амплитудное значение выходного напряжения не превышало 10 kV.
Пример 1.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось менее 1 Ω, что соответствует очень большой добротности колебательного контура, образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10). На Фиг.2 и на Фиг.3, как было указано выше, представлены зависимости величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.2) и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.3). В первом случае (Фиг.2) такая зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и отсутствии разряда имеет вид слабозатухающего колебания, а во втором случае (Фиг.3) такая зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и наличии разряда имеет вид сильнозатухающего колебания.
По представленным на Фиг.2 и Фиг.3 зависимостям выходного напряжения от времени можно видеть сильное отличие в длительности импульсов при наличии и отсутствии разряда между высоковольтным электродом (2) и обрабатываемой поверхностью. Это различие вызвано тем, что при наличии разряда добротность колебательного контура резко падает.
Пример 2.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось 15 Ω, что соответствует добротности колебательного контура, образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10) порядка нескольких единиц. При таком значении контурного сопротивления заявленное устройство работает наиболее оптимально. Как было указано выше, на Фиг.4 и на Фиг 5 представлены в качестве примера конкретной реализации заявленного изобретения зависимости величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и (Фиг.4) при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью значение контурного сопротивления соответствует наиболее оптимальным параметрам генерируемых высоковольтных импульсов, а и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.5) хорошо видно, что зависимости, представленные на Фиг.4 и Фиг.5, практически совпадают.
2
Этот режим работы устройства характерен тем, что форма генерируемого высоковольтного импульса слабо зависит от выходного тока (Фиг.4 и Фиг.5). В результате экспериментов при данном режиме работы устройства было подтверждено достижение указанного технического результата. Так, например, после воздействия устройством на кровоточащую раневую поверхность небольшой площади (в несколько мм) наблюдался значительный рост скорости процессов ее заживления. Кроме того, размер возникшей, например, при ушибе (укусе) опухоли, существенно быстрее уменьшался при использовании заявленного для заживления устройства, чем это наблюдалось обычно при аналогичных повреждениях биологической ткани другими устройствами.
Пример 3.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось 1 Ω, что соответствует очень малой добротности колебательного контура, образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10). В этом случае длительность высоковольтного импульса почти не зависит от наличия разряда между высоковольтным электродом (2) и обрабатываемой поверхностью, а определяется произведением величины накопительного конденсатора (7) на значение контурного сопротивления. Однако при таком режиме работы устройства большая часть энергии накопительного конденсатора (7) рассеивается на контурном сопротивлении. На упомянутой выше Фиг.6, зависимость выходного напряжения от времени имеет вид экспоненциального убывания с максимальным значением, не превышающим нескольких сотен вольт.
c
c
<mrow><mi>P</mi><mi>C</mi><mo>≤</mo><mi>T</mi><mo>≤</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
Кроме основного режима работы заявленного устройства, большой интерес представляет режим, при котором основным токоограничительным элементом является не ограничительный резистор (11), а контурный резистор (9). Ток во вторичной обмотке импульсного трансформатора не может превысить значения U/(R·K) (U- напряжение накопительного конденсатора; K - коэффициент трансформации; R - сопротивление контурного резистора). Это потребует большого значения сопротивления контурного резистора (9) (более 100 Ω). Чтобы добротность колебательного контура оставалась порядка нескольких единиц, нужно использовать импульсный трансформатор (10) с большим значением индуктивности, что в свою очередь скажется на его размерах. При таком режиме работы устройства длительность высоковольтных импульсов будет зависеть от выходного тока и изменяться в пределах
, где: С - емкость накопительного конденсатора; L- индуктивность первичной обмотки; n~1, что вполне допустимо.
Как показали результаты апробации, заявленное устройство позволяет эффективно в разных бытовых и экстремальных условиях проводить дезинфекцию раневых поверхностей биологических тканей, а также стимулировать процессы их заживления простым способом. В отличие от большинства дорогостоящих, громоздких и нуждающихся в постоянном источнике рабочего газа и сетевого напряжения плазменных стерилизаторов, заявленное устройство представляет собой малогабаритный прибор, который может работать от маломощного элемента питания (например, небольшого аккумулятора или батарейки).
Особая значимость заявленного устройства состоит в существенном упрощении, миниатюризации, компактности, удешевлении по сравнению с известными аналогами с одновременным повышением стабильности работы и обеспечения равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия на раневые поверхности биологической ткани.
Список использованной литературы
1. Бочкарев С.Г.; Волчек С.В.; Гвиниашвили Г.Г.; Данов Г.А.; Дрожжев В.В.; Китаев Н.П.; Фролов В.Н. // электрокоагулятор // Патент России RU 2008829, 15.03.1994.
2. Дубинин B.C.; Егошин Е.И.; Китаев Н.П.; Орищенко В.Д.; Фролов В.Н. // Способ электрохирургии в полых органах // Патент России RU 2034518, 10.05.1995.
3. Журавлев В.Н.; Пушин В.Г.; Лоран О.Б.; Баженов И.В. // электрокоагулятор // Патент России RU 2080825,10.06.1997.
4. Абрамов О. И., Настич Ю. Н., Лащинский А. Г., Хрупкий В. И., Писаренко Л. В. // устройство для коагуляции и стимуляции заживления раневых дефектов биологических тканей // Патент России RU 2138213,27.09.1999.
5. Коровин В.Н. // устройство для обеззараживания поверхностей посредством холодной плазмы // Патент России RU 94038376, 10.08.1996. (Прототип).