УСТРОЙСТВО ГЕНЕРИРОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Предлагаемое техническое решение относится к медицинской технике, в частности, к устройствам, генерирующим низкотемпературную струю плазмы, которые могут быть соединены с эндоскопическими зондами посредством технологического канала, и могут быть использованы при немедикаментозном лечении некоторых гастроэнтерологических заболеваний.
С недавнего времени эндоскопические зонды, в основном, использовались для диагностических исследований in vivo.
Например: «Способ получения изображения объекта, устройство для его осуществления и устройство доставки низкокогерентного оптического излучения», патент РФ на ИЗ №2242710, МПК G01B 9/02, G02B 26/08, заявл.07.06.2002, опубл. 20.02.2004; «Устройство для получения изображения при эндоскопических исследованиях», патент РФ на ПМ №50793, МПК А61В 1/05, заявл. 23.09.2005, опубл. 27.01.2006; «Видеоэндоскоп и комплект видеоэндоскопов», патент на ИЗ РФ №2526948, МПК А61В 1/00, А61В 1/05, заявл. 19.06.2013, опубл. 27.08.2014.
Как было указано выше, все вышеперечисленные устройства предназначены, в основном, для диагностических исследований.
В настоящее время эндоскопические зонды используются также для обработки и лечения внутренней поверхности желудка и кишечника. Для этих целей зонды оснащены видеокамерами и технологическими каналами с диаметром, например 2-2.5 мм. При этом каналы эндоскопов могут быть использованы для крепления различного рода инструмента, например, скальпеля, манипулятора, коагулятора и пр. Все чаще для обработки и лечения внутренних поверхностей желудка и кишечника используют холодную плазму. Об этом направлении можно судить по следующим источникам: «Рабочая часть портативного хирургического устройства ультразвуковой диссекции и плазменной коагуляции биологических тканей», патент РФ на ПМ №171480, МПК А61В 18/04, А61В 17/32, заявл. 04.08.2016, опубл. 01.06.2017; «Портативное хирургическое устройство ультразвуковой диссекции и плазменной коагуляции биологических тканей», патент РФ на ПМ №171481, МПК А61В 18/04, А61В 17/32, заявл. 04.08.2016, опубл. 01.06.2017.
К недостаткам вышеуказанных устройств можно отнести следующее: используется плазма дугового разряда, обладающая высокой газовой температурой для коагуляции (спекания) обрабатываемой тканей, что неприемлемо для терапии внутренней поверхности желудка.
Известен также «Плазменный источник», патент на ИЗ РФ №2415522, МПК Н05Н 1/24, заявл. 11.09.2006, опубл.27.03.2011.
К недостаткам данного плазменного источника можно, на наш взгляд, отнести следующее: поскольку диэлектрический барьер между высоковольтным электродом и обрабатываемой живой тканью отсутствует, есть вероятность утечки тока с высоковольтного электрода на тело человека, что снижает электробезопасность прибора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство генерирования низкотепературной плазмы», патент РФ на ПМ №167645, МПК Н05Н 1/24, заявл. 02.12.2015, опубл. 10.01.2017. Данное устройство может служить в качестве прототипа. Оно включает: блок управления напряжением, генератор питания, высоковольтный трансформатор, пару электродов, ионизационную камеру, устройство формирования газовой смеси, устройства магнитного и электрического воздействия, сопло на выходе смеси из камеры.
К недостаткам вышеуказанного устройства, принятого за прототип следует отнести его ограниченные возможности (с его помощью можно обрабатывать только наружные поверхности), конструктивную сложность (наличие элементов магнитного и электрического воздействия, устройства формирования газовой смеси, а также невысокую его электробезопасность вследствие возможной утечки тока с высоковольтного электрода на тело человека.
Основной целью предлагаемого технического решения является обеспечение безопасности пациентов, а также обеспечение возможности обработки внутренних органов. Попутной целью является повышение надежности работы всех элементов эндоскопа, что также является важным для безопасности пациентов. Проблема заключается в том, что для безболезненной холодноплазменной терапии желудка необходимо обеспечить генерацию и доставку через эндоскоп газоразрядной плазмы с газовой температурой не выше 40°С. На сегодняшний день задача генерации холодной плазмы с помощью внешней электродной системы и транспортировки плазменных потоков внутри технологического канала эндоскопа является не выполнимой. Поэтому авторы предложили использовать электродную систему, встроенную в технологический канал на конце эндоскопа, а высоковольтное напряжение для питания электродной системы подавать по экранированному кабелю (например, коаксиальному).
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем эндоскоп с технологическим каналом, блок управления напряжением, трансформатор, пару электродов, линию передачи и сопло на выходе струи плазмы, электроды установлены в технологическом канале, выполнены в виде пары металлических колец, последовательно размещенных на стеклянной трубке, выполняющей роли сопла и диэлектрического барьера, и соединены с блоком управления напряжением через резонансную цепь, повышающий трансформатор и линию передачи, которая выполнена в виде экранированного кабеля.
Кроме того, блок управления напряжением выполнен в виде инвертора, а повышающий трансформатор собран на ферритовом сердечнике.
Подобное конструктивное выполнение электродов и их установка в технологическом канале позволяет существенно повысить безопасность пациентов, поскольку отсутствует прямой контакт электрода-сопла с газом. Кроме того, электрод, выполняющий роль диэлектрического барьера, позволяет существенно ограничить ток, который может коснуться тела пациента.
Использование импульсов напряжения микросекундной длительностью и высокой скважности позволяет получать низкую газовую температуру струи плазмы при низком уровне расхода рабочего газа. Данный эффект достигается благодаря коротким импульсам тока, что ограничивает развитие контракции газового разряда, а наличие протяженной паузы между импульсами обеспечивает релаксацию плазмы разряда. При использовании напряжения гармонической формы в электродной системе возникают токи большой длительности, способствующие развитию контракции газового разряда и повышению электронной и газовой температуры плазменной струи.
Так как линия передачи имеет экранирующую заземленную оплетку, высокочастотные помехи, излучаемые генератором импульсов, минимизированы, а передача высокого напряжения по экранированному кабелю является более электробезопасной нежели по неэкранированным проводам. Поэтому для обеспечения безопасности пациента и работоспособности всех элементов эндоскопа высоковольтное напряжение, питающее электродную систему, должно подаваться через экранированный, например, коаксиальный кабель длиной до 3 м. Оптимальной (с точки зрения потерь) формой переменного напряжения для передачи электрической энергии по таким проводам является напряжение гармонической формы, и оно используется для формирования потоков низкотемпературной плазмы. С другой стороны экранированный кабель, как и любая другая подобная линия, является существенной нагрузкой для короткоимпульсного напряжения. Для реализации паузы тока через электродную систему схема источника питания формирует периодически повторяющиеся пачки импульсов гармонической формы. Это необходимо для обеспечения возможности передачи высоковольтного напряжения по коаксиальной линии с малыми потерями. Такое решение позволяет не только достичь лучшего согласования источника переменного напряжения с нагрузкой в виде длинной линии и электродной системы, но и реализовать включение силовых транзисторов преобразователя в нуле тока, вследствие чего значительно уменьшаются коммутационные потери инвертора.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 изображены эпюры импульсов напряжения;
На фиг. 2 изображена блок-схема устройства генерирования низкотемпературной плазмы.
Устройство генерирования низкотемпературной плазмы включает: источник постоянного напряжения 1, который выпрямляет и стабилизирует переменное сетевое напряжение. Полупроводниковый инвертор 2 преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное. Схема 3 управления инвертора формирует управляющие импульсы транзисторов инвертора 2. Блок 4 состоит из индукторов и конденсаторов, которые могут образовывать резонансные контуры с различной схемой. Для нашего случая предпочтительнее схема последовательного резонансного контура. Повышающий трансформатор 5 собран на ферритовом сердечнике и имеет коэффициент трансформации, равный 10. Линия передачи 6 представляет собой экранированный (коаксиальный) кабель длиной до 3 м. Электродная система 7 источника струи низкотемпературной плазмы включает пару кольцевых металлических электродов, размещенных на стеклянной трубке, которая выполняет роли сопла и диэлектрического барьера.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
При работе инвертора 2, питаемого от источника постоянного напряжения 1, в резонансном колебательном контуре 4 возбуждаются гармонические колебания. При этом, колебательный контур 4 нагружен на повышающий трансформатор 5, вторичная обмотка которого подключена к электродной системе 7 через линию 6. Таким образом, на электроды подается высоковольтное напряжение гармонической формы длительностью в один период с паузами. Линия 6 представляет собой дополнительную емкость, которая также участвует в резонансном колебательном процессе. После осцилляций в колебательном контуре схема 3 запрещает работу инвертора. Колебания в резонансном контуре 4 прекращаются, также как и на электродах лампы. При этом возбуждение газа также прекращается, благодаря чему происходит релаксация плазмы в газоразрядном промежутке. После некоторой паузы инвертор 2 запускается снова, и весь процесс повторяется. В результате на электродах появляются пачки гармонических колебаний с паузами между пачками, как показано на фиг. 1. Так как линия 6 имеет экранирующую заземленную оплетку, высокочастотные помехи, излучаемые генератором импульсов, минимизированы, а передача высокого напряжения является более безопасной.