ДИФФУЗИОННЫЙ АППЛИКАТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ ХОЛОДНОЙ АТМОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
DIFFUSION APPLICATOR FOR COLD ATMOSPHERIC PLASMA SYSTEM

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящий документ заявляет приоритет предварительной патентной заявки США с номером 62/541225, поданной заявителем 4 августа 2017 года.
Содержание вышеупомянутой предварительной патентной заявки полностью включено в настоящее раскрытие путем отсылки.
ЗАЯВЛЕНИЕ О ФИНАНСИРУЕМЫХ ИЗ ФЕДЕРАЛЬНОГО БЮДЖЕТА ИССЛЕДОВАНИЯХ ИЛИ РАЗРАБОТКАХ
Отсутствуют
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам и способам выполнения работ с холодной атмосферной плазмой.
Краткое раскрытие предшествующего уровня техники
Развитие нового направления - плазменной медицины вызвано интенсивными разработками и огромным потенциалом холодной плазмы в биомедицинских областях применения. Холодная плазма традиционно использовалась для стерилизации и дезинфекции. G. E. Morfill and J.L. Zimmermann “Plasma Health Care - Old Problems, New Solutions” Contrib. Plasma Phys. 52, 655 (2012); A. Fridman, “Plasma Chemistry” Cambridge University Press, 2008. Кроме того, холодную плазму применяют для лечения рака, кожных заболеваний, стоматологии, доставки лекарств, в дерматологии, косметике, заживлении ран, клеточных модификациях и т.д. M. Keidar, R. Walk, A. Shashurin, P. Srinivasan, A. Sandler, S. Dasgupta, R. Ravi, R. Guerrero-Preston and B. Trink, “Cold plasma selectivity and the possibility of a paradigm shift in cancer therapy” British Journal of Cancer 105, 1295 (2011); A. Shashurin, M.Keidar, S.Bronnikov, R.A. Jurjus, M.A. Stepp, “Living tissue under treatment of cold plasma atmospheric jet” Appl.Phys.Let. 92, 181501 (2008). В отличие от высокотемпературной плазмы, холодная плазма не вызывает ожогов тканей и позволяет использовать малоинвазивные хирургические методы. Холодная плазма работает ниже порога термического повреждения тканей и вызывают специфические химические реакции на клеточном уровне.
Благодаря своим уникальным химическим и физическим свойствам холодную атмосферную плазму в последнее время применяют в биомедицине, в частности, для стерилизации, подготовки полимерных материалов для медицинских процедур, заживления ран, удаления тканей или клеток, а также сверления зубов. A. Fridman, Plasma Chemistry (Cambridge University Press, 2008); G. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A. B. Shekhter, V. N. Vasilets, and A. Fridman “Applied Plasma Medicine”, Plasma Processes Polym. 5, 503 (2008); E. Stoffels, Y. Sakiyama, and D.B. Graves “Cold Atmospheric Plasma: Charged Species and Their Interactions With Cells and Tissues” IEEE Trans. Plasma Sci. 36, 1441 (2008); X. Lu, Y. Cao, P. Yang, Q. Xiong, Z. Xiong, Y. Xian, and Y. Pan “An RC Plasma Device for Sterilization of Root Canal of Teeth” IEEE Trans. Plasma Sci. 37, 668 (2009).
Плазменная терапия оксидом азота (NO) показала огромный потенциал стимуляции регенеративных процессов и заживления ран. Работа, раскрывающая функцию оксида азота как сигнальной молекулы, была удостоена Нобелевской премии в области медицины и биологии в 1999 году. NO-терапия показала огромный эффект в ускорении заживления язв, ожогов и серьезных ран. Другие экспериментальные данные подтверждают эффективность холодной плазмы, производимой диэлектрическим барьерным разрядом, для апоптоза линий раковых клеток меланомы, лечения кожного лейшманиоза, язвенных ран век, инфекций роговицы, стерилизации зубных полостей, регенерации кожи и др.
[0008] Последние достижения в области атмосферной плазмы позволили создать холодной плазмы с ионной температурой, близкой к комнатной. Потенциал применения холодной низкотемпературной атмосферной плазмы в биомедицинских технологиях огромен. K.H. Becker, K.H. Shoenbach and J.G. Eden, “Microplasma and applications,” J. Phys. D.:Appl.Phys. 39, R55-R70 (2006). В частности, плазменная терапия потенциально способно выполнить минимально инвазивную операцию, позволяющую удалить конкретную клетку, не воздействуя на ткань в целом. Традиционная лазерная хирургия основана на термическом взаимодействии и приводит к случайной гибели клеток, то есть некрозу, с возможным необратимым повреждением тканей. В отличие от этого, нетепловое взаимодействие плазмы с тканями может сделать возможным удаление специфических клеток без некроза. В частности, такое взаимодействие включает отделение клеток без ухудшения жизнеспособности клеток, контролируемую гибель клеток и т.д. Его можно использовать, в том числе, в косметических способах регенерации ретикулярной архитектуры дермы. Целью взаимодействия плазмы с тканями является не денатурация ткани, а скорее работа ниже порога термического повреждения и инициация химически специфической реакции или модификации. В частности, присутствие плазмы может стать катализатором химической реакции, которая будет иметь нужный эффект. Химическую реакцию можно ускорить, регулируя давление, газовый состав и энергию. Таким образом, важной задачей является подбор условий, позволяющих оказывать воздействие на ткани без термической обработки. Общая плазменная обработка дает преимущества, о которых нельзя было помыслить даже при использовании самых передовых лазерных хирургических технологий. E. Stoffels, I.E Kieft, R.E. J Sladek, L. J.M van den Bedem, E.P van der Laan, M. Steinbuch “Plasma needle for in vivo medical treatment: recent developments and perspectives” Plasma Sources Sci. Technol. 15, SI 69- S180 (2006).
В последние годы очень активно исследуется взаимодействие холодной плазмы с тканями, что можно объяснить вышеупомянутым потенциалом. Предварительные эксперименты показали существенное влияние обработки холодной плазмой на раковые ткани как in vitro, так и in vivo, и подтвердили важность активных форм кислорода (РОС) в селективном лечении рака. Подтверждена эффективность холодной плазмы in-vivo для абляции подкожных раковых опухолей мочевого пузыря среднего размера на мышах. M. Keidar, A. Shashurin, R. Ravi, R. Guerrero-Preston and B. Trink, British Journal of Cancer 105, 1295 (2011). Также была продемонстрирована селективность плазмы при уничтожении раковых клеток с сохранением здоровых клеток in vitro для различных клеточных линий. К эффектам клеточного уровня относится отделение клеток от внеклеточного матрикса и снижение скорости миграции клеток, а к эффектам субклеточного уровня - снижение экспрессии интегрина клеточной поверхности (рецепторы, отвечающие за адгезию и миграцию клеток). A. Shashurin, M.Keidar, S.Bronnikov, R.A. Jurjus, M.A. Stepp, Appl.Phys.Let. 92, 181501 (2008). A. Shashurin, M.A. Stepp, T.S. Hawley, S. Pai-Ghosh, L. Brieda, S. Bronnikov, R.A. Jurjus, M. Keidar, Influence of cold plasma atmospheric jet on integrin activity of living cells Plasma Process. Polym. 7 294 (2010). Кроме того, обнаружилось, что нормальные и раковые клетки различным образом реагируют на холодную атмосферную плазму в зависимости от того, на каком этапе клеточного цикла они находятся на основании своих различных жизненных функций. Миграция нормальных клеток сократилась на 30% (p<0,001), однако раковые клетки реагируют иначе: более агрессивные клетки карциномы показали большее снижение темпов миграции (-20% при p<0,001), чем менее агрессивные клетки папилломы (p>0,05). Также было обнаружено, что холодная атмосферная плазма индуцирует переходное 2-кратное G2/M-угнетение клеток папилломы и карциномы; нормальные клетки эпителия не показали никаких изменений в прогрессии клеточного цикла. O. Volotskova, T. S. Hawley, M. A. Stepp & M. Keidar, “Targeting the cancer cell cycle by cold atmospheric plasma,” Scientific Reports, 2:636, September 6, 2012.
Учитывая вышесказанное, холодная плазма является перспективным дополнением к терапии рака, позволяющим непосредственно выделять раковые клетки и избирательно уничтожать их. Холодная атмосферная плазма может привести к формированию новой парадигмы в терапии рака, так как она позволяет реализовать минимально инвазивные хирургические методы, позволяющие специфически удалять клетки, не влияя на остальную ткань. Холодная атмосферная плазма показала in vitro и in vivo высокий потенциал выделения раковых клеточных линий (легкие, мочевой пузырь, голова и шея, кожа и т.д.) и, собственно, потенциально способна устранить ограничения современных клинических химиотерапевтических подходов в отношении неизбирательного и неполной абляции опухоли. Кроме того, действие холодной атмосферной плазмы приводит к избирательному снижению миграции раковых клеток, что потенциально способствует угнетению метастаз и может привести к разработке нового подхода к лечению метастаз.
Из уровня техники известны различные электрохирургические генераторы. В патенте США №4429694, выданном МакГрееви (McGreevy), раскрыт электрохирургический генератор и аргон-плазменная система, а также различные электрохирургические воздействия, которые могут быть реализованы в зависимости, в первую очередь, от характеристик электрической энергии, вырабатываемой электрохирургическим генератором. К электрохирургическим воздействиям относится воздействие собственно разрезов, воздействие разрезов и гомеостаза, воздействие фульгурации и воздействие обезвоживания. Фульгурацию и обезвоживание иногда совместно называют коагуляцией.
Другой способ монополярной электрохирургии с использованием технологии аргоновой плазмы раскрыт Моррисон (Morrison) в патенте США №4040426 в 1977 году и МакГрееви (McGreevy) в патенте США №4781175. Этот способ, называемый аргоно-плазменной или аргоно-лучевой коагуляцией, представляет собой бесконтактный монополярный способ термоизоляции, широко применяемый для электрокоагуляции в хирургии в последние двадцать лет.По существу, аргоно-плазменная коагуляция предусматривает подачу ионизируемого газа, в частности, аргона, через активный электрод к ткани-мишени и передачу электрической энергии на ткань-мишень по ионизированным каналам в виде диффузного тока, не вызывающего образования дуги. Кэнэди (Canady) раскрыл в патенте США №5207675 способ аргоно-плазменной коагуляции с помощью гибкого катетера, позволяющий использовать аргоно-плазменную коагуляцию в эндоскопии. Эти новые способы позволили хирургу-эндоскописту объединить стандартную монополярную электрокаутеризацию с газоплазменной коагуляцией тканей.
Другая система раскрыта в заявке WO 2012/061535 A2, раскрывающей систему одновременной резки и коагуляции ткани.
В патентной заявке США №9,999,462 раскрыта система и способ преобразования, позволяющие использовать высокочастотный электрохирургический генератор для процедур с холодной атмосферной плазмой. В патентной заявке РСТ, серийный номер PCT/US2018/026894, раскрыт генератор для газоплазменной электрохирургии для выполнения некоторых электрохирургических и газоплазменных электрохирургических операций.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предложен аппарат для выполнения процедур холодной атмосферной плазмы. Аппарат содержит корпус, камеру внутри корпуса, входное отверстие камеры, несколько выходных отверстий камеры и несколько электродов, установленных в корпусе, причем каждый из электродов имеет дистальный конец, совмещенный с одним из выходных отверстий. Входное отверстие, камера, выходные отверстия и несколько электродов выполнены с возможностью обеспечения прохождения инертного газа через входное отверстие, камеру и выходное отверстие, причем на пути прохождения газ под действием электрической энергии, приложенной к нескольким электродам, преобразуется в плазму, в результате чего образуется холодная плазма, выходящая из выходных отверстий.
[0016] Каждое из нескольких выходных отверстий может содержать выходной канал, имеющий проксимальное торцевое отверстие, обращенное к камере, и дистальное торцевое отверстие, выполненное таким образом, чтобы проходящий через канал газ мог выходить из корпуса, причем дистальный конец одного из нескольких электродов заходит в каждый выходной канал. Аппарат может также содержать любой или все поддерживающие элементы в каждом выходном канале, служащие опорой заходящей в канал части электрода, электрический разъем для подключения каждого из электродов к источнику электрохирургической энергии, и газовый разъем для подключения входного отверстия камеры к источнику инертного газа. Кроме того, аппарат может содержать генератор для газоплазменной электрохирургии, в котором электрический и газовый разъемы соединены с генератором для газоплазменной электрохирургии.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предложен аппарат холодной атмосферной плазмы. Аппарат содержит диффузионный аппликатор в сборе с биосовместимым пластиковым корпусом и несколькими электродами. Корпус имеет дистальную и проксимальную торцевые части, соединенные между собой. Дистальная торцевая часть содержит боковую стенку, дистальную торцевую поверхность, несколько выходных каналов, проходящих через дистальную торцевую поверхность, и поддерживающие элементы для электродов внутри каждого выходного канала. Проксимальная торцевая часть содержит входной канал, проходящий через проксимальную торцевую часть, и несколько каналов для электродов, проходящих через проксимальную торцевую часть. Дистальная и проксимальная торцевая части образуют камеру внутри биосовместимого корпуса. Кроме того, аппарат содержит несколько электродов, каждый из которых проходит через один из нескольких каналов для электродов в камеру, далее через камеру и выходит в один из нескольких выходных каналов, в котором каждый электрод опирается на один из каналов для электродов и поддерживающий элемент в одном из выходных каналов.
Кроме того, аппарат может содержать разъем для подключения входного отверстия к источнику инертного газа и подключения нескольких электродов к источнику электрохирургической энергии. Кроме того, аппарат может содержать манипулятор, подключенный к биосовместимому корпусу или разъему. Кроме того, аппарат может содержать рычажный привод, подключенный к биосовместимому корпусу. Кроме того, аппарат может содержать генератор для газоплазменной электрохирургии, в котором несколько электродов и входной канал соединены с генератором для газоплазменной электрохирургии.
Диффузионный аппликатор для выполнения процедур холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения используется вместе с генератором или системой холодной атмосферной плазмы, что раскрыто, например, в патентной заявке с серийным номером PCT/US 2018/026894. Проксимальная сторона аппликатора соединяется посредством манипулятора или трубки с выходом генератора или системы холодной атмосферной плазмы. В аппликаторе генерируется большой объем диффузионной холодной плазмы (по отношению к объему, производимому в известных аппликаторах холодной атмосферной плазмы). Такой большой объем плазмы позволяет одновременно обрабатывать большие участки ткани (например, весь орган пациента) и в дальнейшем называется объемной диффузионной холодной плазмой (ОДХП).
ОДХП термически безвредна для живой ткани и не может вызывать ожоги. В то же время ОДХП смертельна для раковых клеток и не затрагивает нормальные клетки.
Прочие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения следуют из приведенного ниже подробного раскрытия предпочтительных вариантов осуществления. Кроме того, настоящее изобретение допускает различные иные варианты осуществления, а некоторые его характеристики могут быть изменены в различных очевидных аспектах без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и раскрытия должны считаться имеющими иллюстративный, а не ограничительный характер. Прочие цели и преимущества изобретения изложены в последующем раскрытии и следуют из раскрытия или практического использования изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения и его преимуществ ниже приведено раскрытие со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых изображено:
На ФИГ. 1 в аксонометрии изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На ФИГ. 2 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в сборе в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На ФИГ. 3 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид спереди.
На ФИГ. 4 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид сбоку.
На ФИГ. 5 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид сверху.
На ФИГ. 6 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид снизу.
На ФИГ. 7 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид в разрезе.
На ФИГ. 8 изображен диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид в разрезе в аксонометрии.
На ФИГ. 9 изображена схема системы холодной атмосферной плазмы, содержащей диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид в разрезе в аксонометрии.
На ФИГ. 10 изображена схема альтернативной системы холодной атмосферной плазмы, содержащей диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, вид в разрезе в аксонометрии.
На ФИГ. 11A изображена схема первого варианта системы производства холодной плазмы для использования с аппликатором в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ. 11В изображена схема второго варианта системы производства холодной плазмы для использования с аппликатором в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ. 11С изображена схема третьего варианта системы производства холодной плазмы для использования с аппликатором в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ. 11D изображена схема низкочастотного модуля и зонд холодной атмосферной плазмы для использования в аппликаторе в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На ФИГ. 12 изображена блок-схема предпочтительного варианта осуществления генератора для газоплазменной электрохирургии, содержащего систему управления давлением в соответствии с настоящим изобретением, выполненного с возможностью осуществления процедуры с холодной атмосферной плазмой.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Диффузионный аппликатор холодной атмосферной плазмы в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения раскрыт со ссылкой на ФИГ. 1-8. Как показано на ФИГ. 2, аппликатор содержит три различные части: дистальную торцевую часть 100, проксимальную торцевую часть 200 и несколько электродов 300. Дистальная и проксимальная торцевые части могут быть изготовлены из формованного биосовместимого пластика, например, акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS), политетрафторэтилена (PFTE) или иного подобного пластика. Электроды 300 выполнены из проводящих материалов, в частности, вольфрама, нержавеющей стали или меди, но допускается использование и других известных проводящих материалов. Изобретение ни в коем случае не ограничивается корпусом, состоящим из проксимальной и дистальной торцевой части, и может содержать более двух частей или встроенный корпус, включающий в себя характеристики как проксимальной, так и дистальной торцевой части, раскрытой в настоящем документе.
Дистальная торцевая часть 100 имеет рельефную внешнюю поверхность 102, 104, 106, цилиндрическую внутреннюю поверхность 109, торцевую поверхность 110 и гребень или кромку 120. В то время как внешняя поверхность имеет рельеф в раскрытом варианте осуществления, изобретение не ограничивается определенным видом внешней поверхности корпуса. Кроме того, дистальная торцевая часть содержит несколько каналов или выходных отверстий 630, проходящих через торцевую поверхность 110. Внутри каждого канала 630 имеется элемент 140 поддержки дистального конца электрода 300. Поддерживающий элемент 140 может иметь различную форму, в том числе форму нескольких ребер или фланцев. На внутренней стороне дистальной торцевой части находится плечо 107.
Проксимальная торцевая часть 200 имеет базовую часть 202 и цилиндрическую часть 220, выполненную с возможностью введения в дистальную торцевую часть 100. Проксимальная торцевая часть 200 содержит центральный канал или входное отверстие 610, подключаемое к источнику инертного газа. Кроме того, дистальная торцевая часть содержит несколько каналов 201 для установки и поддержки электродов. Каждый электродный канал 201 в проксимальной торцевой части 200 соответствует каналу 630 в дистальной торцевой части. Дистальная торцевая часть 100 и проксимальная торцевая часть 200 могут быть соединены между собой любыми способами, например, сваркой, одним или несколькими фиксаторами, или резьбой.
Когда дистальная и проксимальная торцевая части собраны вместе, они образуют камеру внутри аппликатора. На ФИГ. 7 области 610, 620, 630 можно считать единой камерой, несколькими камерами разного размера или камерой 620, входным каналом 610 и несколькими выходными каналами 630. При этом используемая номенклатура несущественна. Должно быть предусмотрено входное отверстие, через которое инертный газ может попадать в камеру 620, а также несколько выходных отверстий, через которые холодная атмосферная плазма может выходить из камеры 620. В варианте осуществления, показанном на фигурах, входной канал или камера 610 меньше основной камеры 620, и каждый выходной канал или камера 630 меньше основной камеры 620.
Аппликатор, насадка или сопло согласно настоящему изобретению также содержит несколько электродов 300, проксимальные концы которых в конечном итоге соединяются с источником электрической энергии. Несколько электродов могут соединяться друг с другом и подключаться к генератору одним разъемом, или же они могут иметь отдельные разъемы. Каждый электрод 300 проходит через опорный канал 201 электрода в проксимальной торцевой части 200 корпуса, через основную камеру 620 и канал или камеру 630, располагаясь рядом с выходом соответствующего канала или камеры 630. Предпочтительно, дистальный конец каждого электрода 300 находится в пределах 1 мм от выхода канала или камеры 630. В альтернативном варианте осуществления один электрод может проходить через один опорный канал электрода в проксимальной торцевой части, а затем этот электрод может разделяться на несколько электродов в камере 620 или соединяться с несколькими электродами в камере 620.
Настоящим изобретением предложена система, объединяющую объемный диффузионный аппарат холодной плазмы с электрохирургической системой. Объемный диффузионный аппарат или аппликатор холодной плазмы позволяет одновременно обрабатывать большие участки ткани (например, весь орган пациента), безвреден для биологических тканей и не может вызывать ожогов. Холодная плазма, производимая изобретенной системой, смертельна для раковых клеток и не поражает нормальные клетки.
Насадку, аппликатор или сопло согласно настоящему изобретению можно использовать в различных вариантах. Как показано на ФИГ. 9, устройство 970 согласно настоящему изобретению можно использовать в системе холодной атмосферной плазмы (ХАП) с ХАП-генератором 910, содержащим электрохирургическую установку 912 и преобразователь 914 холодной плазмы, а также источник 920 газа. Аппликатор установлен на конце регулируемого рычага 930, содержащего электрический кабель 940, подключаемый к электродам 300, и газовый канал 950, подключаемый к входному отверстию 910 внутри него. Электрический кабель соединяет электрохирургический генератор на одном конце и электроды 300 аппликатора на другом конце. Газовый канал 950 подключается к источнику газа (через контроллер газа). Рычаг 930 может содержать рукоятку или манипулятор 960 рядом с аппликатором 970, позволяющие переводить аппликатор в нужное положение.
В варианте осуществления, показанном на ФИГ. 9, генератором и преобразователем холодной плазмы может быть система, подобная раскрытой в патентной заявке США с серийным номером 15/991,609, или интегрированный модуль газоплазменной электрохирургии, подобный раскрытому в PCT/US 2018/026894. Содержание обеих этих заявок полностью включено в настоящее описание путем отсылки.
В других вариантах осуществления аппликатор может быть расположен, как показано на ФИГ. 10. В частности, заявитель 1010 подключается к источнику электрической энергии и газа через разъем 1020 к электрическому кабелю 1030 и газовому каналу 1040. Разъем 1020 может представлять собой простой соединитель, манипулятор или трубку в микроинвазивном варианте, например, для использования в лапароскопе или эндоскопе.
Система холодной атмосферной плазмы (ХАП), используемая с аппликатором согласно настоящему изобретению, может использоваться в различных вариантах осуществления для создания холодной атмосферной плазмы. Например, система ХАП может принимать любую из следующих форм.
Первый вариант осуществления системы для производства холодной плазмы показан на ФИГ. 11A. Система содержит электрохирургический генератор высокой частоты или электрохирургический модуль 1110a, низкочастотный преобразователь 1140a, газовый блок 1120, газопровод 1130 и зонд 1150 холодной атмосферной плазмы. Зонд 1150 ХАП подключается к выходу низкочастотного преобразователя 1140a мощности и газового блока 1120. Газопровод 1130 служит источником инертного газа, в частности, гелия. Газовый блок 1120 управляет подачей инертного газа к зонду 1150 ХАП. Высокочастотный электрохирургический генератор 1110a обеспечивает высокочастотную энергию для выполнения электрохирургических процедур, в частности, электрокаутеризации, аргоноплазменной коагуляции и других. ВЧ-энергия, например, может иметь частоту 400 кГц, что означает, что генератор выдает энергию в диапазоне частот вокруг 400 кГц. Если генератор настрое, например, на мощность 100 Вт, то мощность 100 Вт на центральной частоте 400 кГц будет доминировать над сигналом. Уровни мощности на частотах, окружающих эту центральную частоту, будут ниже частот, окружающих центральную частоту. Обычные электрохирургические генераторы работают описанным образом и известны специалистам в данной области техники. В обычных электрохирургических генераторах доминирующая центральная частота обычно находится в диапазоне 300 - 600 кГц. Эту доминирующую центральную частоту иногда можно назвать «номинальной частотой».
Возможны различные конфигурации системы. На ФИГ. 11A система содержит электрохирургический модуль 1110a, НЧ-преобразователь 1140a и газовый блок 1120, выполненные в виде отдельных блоков. При такой схеме можно было бы использовать обычный электрохирургический генератор и обычную газовый блок в системе с блоком преобразователя согласно настоящему изобретению для производства холодной атмосферной плазмы. На ФИГ. 1A зонд ХАП содержит газовый разъем для подключения к газовому блоку и электрический разъем для подключения к блоку преобразователя.
Другой вариант системы для производства ХАП в соответствии с настоящим изобретением показан на ФИГ. 11B. В этом варианте осуществления электрохирургический генератор 1100b содержит ВЧ-модуль 1110b для производства высокочастотной энергии и НЧ-модуль 1140b, подключенный к ВЧ-модулю 1110b для преобразования ВЧ-энергии в НЧ-энергию с целью производства ХАП. В таком варианте осуществления электрохирургический генератор может содержать два электрических выхода, один для ХАП и один для ВЧ-электрохирургии. Зонд ХАП будет содержать электрический разъем для подключения к НЧ-выходу и газовый разъем для подключения к газовому блоку.
В следующем варианте, показанном на ФИГ. 11C, интегрированный модуль 1100c для газоплазменной электрохирургии содержит ВЧ-модуль 1110c, НЧ-модуль 1140c и газовый модуль 1220c. Встроенный модуль 1100 с для электрохирургии содержит несколько соединительных разъемов, например, разъем 1102 для подключения аргоноплазменного зонда к газопроводу от газового блока 1120 с и питания от ВЧ-модуля 1110 с, а также разъем 1104 для подключения зонда ХАП к газопроводу от газового блока 1120 с и питания от НЧ-модуля 1140 с.
В НЧ-преобразователе 1140a, 1140b, 1140c используется высоковольтный трансформатор 1142, подключенный к выходу электрохирургического блока 1110a, 1110b, 1110c, как показано на ФИГ. 11D. Трансформатор выполнен настраиваемым и настраивается на более низкую частоту, чем центральный частотный выход электрохирургического блока. Иными словами, трансформатор работает в резонансе с резонансной частотой ниже выходной частоты электрохирургического блока. Например, если электрохирургический блок выдает энергию в диапазоне с центром в 500 кГц, то трансформатор может иметь резонансную частоту менее 300 кГц.
В предпочтительном варианте трансформатор использует первичную обмотку 1145 с N1=60-70 витков и вторичную обмотку 1147 примерно с N2=300 витков. Катушки намотаны на ферритовый сердечник. Количество витков в трансформаторе дано исключительно для иллюстрации и может варьироваться в очень широком диапазоне. Значение N2 должно быть больше N1, чтобы производить ступенчатое преобразование напряжения.
НЧ-преобразователь повышает напряжение. В предпочтительном варианте осуществления напряжение на выходе составляет около 4 кВ. Для повышения напряжения могут использоваться другие варианты НЧ-преобразователя. Напряжение на выходе НЧ-преобразователя должно составлять 1,5-50 кВ.
НЧ-преобразователь понижает частоту, потому что резонансный трансформатор усиливает, в первую очередь, собственную резонансную частоту, которая, следовательно, доминирует на выходе. Выходные частоты для ХАП должны составлять менее 300 кГц и могут быть намного ниже 300 кГц, например 30 кГц и ниже.
НЧ-преобразователь дополнительно понижает мощность вследствие снижения мощности при резонансной частоте трансформатора и рассогласования нагрузки. В предпочтительном варианте осуществления вторичная катушка может выдавать мощность<10 Вт, даже если электрохирургический блок настроен на мощность 120 Вт.Выходная мощность НЧ-преобразователя не должна превышать 20-30 Вт.При использовании блока преобразования такого типа обратный электрод или пластина пациента не нужны, что обусловлено малой мощностью и низкой частотой.
Система 1200 управления давлением газа, предназначенная для управления несколькими модулями 1220, 1230, 1240 управления газом в генераторе для газоплазменной электрохирургии, раскрыта со ссылкой на ФИГ. 12. Несколько источников 1222, 1232, 1242 подачи газа соединены с системой 1200 управления давлением газа, точнее говоря, с соответствующими модулями 1220, 1230, 1240 управления газом в системе 1200 управления давлением газа. Система 1200 управления давлением газа имеет блок 1202 питания, питающий энергией различные компоненты системы. ЦП 1210 управляет модулями 1220, 1230, 1240 управления давлением газа в соответствии с настройками или инструкциями, введенными в систему через графический интерфейс пользователя на дисплее. Система изображена с модулями управления газом для CO2, аргона и гелия, однако система может работать, в том числе, с другими газами. В варианте осуществления изобретения, изображенном на ФИГ. 12, CO2 используют для инсуфляции брюшной полости (или другой области пациента). Система 1200 управления давлением газа содержит трехходовой пропорциональный клапан, соединенный с модулем 1220 управления газом. Хотя на ФИГ. 12 трехходовой пропорциональный клапан подключен только к модулю 1220 управления CO2, трехходовые пропорциональные клапаны могут быть подключены к другому модулю 1230 или 1240 управления газом. Система 1200 управления давлением газа дополнительно содержит высокочастотный блок 1250 питания для подачи высокочастотной электрической энергии для различных электрохирургических процедур. Высокочастотный блок питания содержит обычную электронику, известным образом обеспечивающую высокочастотное питание в электрохирургических генераторах. В качество примера можно назвать, в частности, системы, раскрытые в патенте США №4040426 и патенте США №4781175. Кроме того, система может содержать преобразователь, предназначенный для преобразования высокочастотного питания в более низкую частоту, например, пригодную для холодной атмосферной плазмы; такой преобразователь раскрыт в публикации патентной заявки США №2015/0342663.
Каждое выходное отверстие модулей 1230, 1240 управления газом соединено трубкой или другим каналом с разъемом. Другой разъем 2152, 2172 соединяется с трубкой 2150, направленной к трубке 1292 и соединяющуюся с ней. Трубка 1292 соединена с регулирующим клапаном или запорным краном 1280 и выходит в троакар 1290. Регулирующий клапан 1280 используется для контроля давления внутри пациента. Кроме того, система управления давлением газа содержит датчик 1282 давления, соединенный с трубкой 1292 для измерения давления в трубке 1292, и датчик 1284 давления для измерения давления в регулирующем клапане 1280. Трубка 292 фактически представляет собой двухканальную трубку, то есть газ из генератора поступает в троакар и пациента через одну трубку, а газ выходит из пациента через вторую трубку.
Как показано на ФИГ. 12, разъем, к которому подключен модуль 1240 управления, соединен с разъемом 2172 инструмента 2170 для газоплазменной электрохирургии. На ФИГ. 12 модуль 1240 управления газом управляет подачей газообразного гелия, поэтому инструмент 2170 представляет собой, например, насадку для холодной атмосферной плазмы, например, раскрытую в данной заявке.
Система обеспечивает контроль внутрибрюшного давления у пациента. Внутри регулирующего клапана 1280 имеется камера. Давление в этой камере измеряется датчиком 1284 давления. CO2 поступает в камеру внутри регулирующего клапана 280 из модуля 1220 управления газом через трехходовой пропорциональный клапан 1260. Давление в этой камере внутри регулирующего клапана 1280 можно также сбросить через трехходовой пропорциональный клапан 1260. Таким образом, система может использовать датчик 1284 давления и трехходовой пропорциональный клапан для достижения нужного давления (заданного через интерфейс пользователя) в камере внутри регулирующего клапана 1280. Датчик 1282 давления измеряет давление в трубке 1294 (и, следовательно, внутрибрюшное давление). После этого регулирующий клапан 1280 сбрасывает давление через выпускное отверстие, чтобы синхронизировать внутрибрюшное давление, считываемое датчиком 1282, с давлением в камере внутри регулирующего клапана, считываемым датчиком 1284 давления. Показания датчиков 1282, 1284 могут передаваться в ЦП 1210, который, в свою очередь, может контролировать подачу CO2 и аргона или гелия (в зависимости от выполняемой процедуры) для достижения требуемого стабильного внутрибрюшного давления.
Вышеприведенное раскрытие предпочтительного варианта осуществления изобретения приведено для иллюстрации и раскрытия сущности изобретения. Оно не является исчерпывающим и не ограничивает защищаемый объем изобретения раскрытой в нем формой; возможны модификации и изменения, обусловленные вышеизложенными идеями или практикой применения изобретения. Описываемый вариант осуществления выбран для раскрытия принципов изобретения и его практического применения, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники использовать изобретение в различных вариантах осуществления, подходящих для предполагаемой области применения. Предполагается, что защищаемый объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения и ее эквивалентами. Полное содержание каждого из вышеупомянутых документов включено в настоящий документ путем отсылки.