ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК
PLASMA SOURCE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к плазменному источнику, преимущественно для обеззараживания ран, согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения.
Предпосылки создания изобретения
Использование неравновесной плазмы для in vivo обеззараживания ран рассмотрено в: Stoffels E.; Stoffels W., “The healing touch of micro-plasma”, публикация на http://www.phys.tue.nl. Однако для in vivo обеззараживания ран необходимы низкие температуры плазмы и небольшой уровень электромагнитного излучения, так что обычные плазменные источники непригодны для in vivo обеззараживания ран.
Кроме того, в патенте США №5332885 раскрыта установка плазменного распыления, предназначенная для напыления порошка или газообразного материала на поверхность подложки, например, для покрытия подложки. Однако вследствие высокой температуры выпуска плазмы эта установка плазменного распыления непригодна для in vivo обеззараживания ран.
Так называемая плазменная игла раскрыта в Stoffels, E. et al. “Plasma needle: a non-destructive atmospheric plasma source for fine surface treatment of (bio)materials”, Plasma Source Sci. Technol., 11 (2002), 383-388. Эта плазменная игла содержит единственный электрод, расположенный внутри заземленного металлического цилиндра с внутренним диаметром 1 см. Однако упомянутая выше плазменная игла непригодна для обеззараживания ран на большом участке, поскольку выходное отверстие металлического цилиндра очень небольшое.
Кроме того, в заявке США №2004/0138526 А1 раскрыто трубчатое аспирационное приспособление для осуществления доступа к анатомической поверхности или анатомическому пространству, и в частности, к перикарду для достижения перикардиального пространства и эпикардиальной поверхности сердца, чтобы имплантировать кардиальные электроды минимально инвазивным способом. Поэтому этот источник не имеет отношения к настоящему изобретению.
Сущность изобретения
Поэтому задача изобретения заключается в усовершенствовании упомянутого выше плазменного источника.
Предпочтительно задача изобретения заключается в создании плазменного источника, который пригоден для in vivo обеззараживания ран на большом участке.
Эта задача решается посредством плазменного источника согласно изобретению, определенного в пункте 1 формулы изобретения.
Согласно изобретению предложен плазменный источник, содержащий ионизационную камеру, имеющую впускной патрубок для ввода газа в ионизационную камеру и дополнительно имеющую выходное отверстие для дозирования ионизированного газа на объект, например рану пациента. Кроме того, плазменный источник согласно изобретению содержит несколько ионизирующих электродов, расположенных внутри ионизационной камеры, для ионизации газа. В плазменном источнике согласно изобретению существуют заданное расстояние между соседними ионизирующими электродами и также заданное расстояние между каждым ионизирующим электродом и внутренней стенкой ионизационной камеры. Кроме того, плазменный источник согласно изобретению отличается заданным отношением расстояния электрод-электрод, с одной стороны, и расстояния электрод-стенка, с другой стороны, при этом это отношение находится в пределах от 1,8 до 2,2. Предпочтительно, чтобы отношение расстояния электрод-электрод, с одной стороны, и расстояния электрод-стенка, с другой стороны, составляло по существу 2, то есть чтобы расстояние электрод-электрод было в два раза больше расстояния электрод-стенка.
Такое отношение предпочтительным образом приводит в результате к легкому инициированию разряда и устойчивому режиму работы всех ионизирующих электродов. Поэтому плазменный источник согласно изобретению обеспечивает большой выход плазмы при небольшой подводимой энергии, так что плазменный источник особенно пригоден для in vivo применений, например, для обеззараживания ран, лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи, поскольку в нем сравнительно низкая температура плазмы сочетается с небольшим уровнем электромагнитного облучения.
Следует отметить, что упомянутые выше значения для предпочтительного отношения между расстоянием электрод-электрод, с одной стороны, и расстоянием электрод-стенка, с другой стороны, предпочтительно относить к концу ионизирующих электродов, где фактически возбуждается плазма. Например, внутренний диаметр ионизационной камеры может изменяться вдоль ионизирующих электродов, так что соответственно этому упомянутое выше отношение изменяется даже в случае постоянного расстояния электрод-электрод. В таком случае согласно изобретению задается отношение между расстоянием электрод-электрод и расстоянием электрод-стенка на конце ионизирующих электродов.
Однако возможно, чтобы отношение между расстоянием электрод-электрод и расстоянием электрод-стенка находилось в заданных пределах (например, 1,8-2,2) на протяжении всей длины ионизирующих электродов, а не только на конце ионизирующих электродов.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения плазменный источник содержит шесть ионизирующих электродов. Результаты экспериментов с использованием аргона для возбуждения плазмы свидетельствуют о том, что эффективность преобразования (выход плазмы на один электрод) возрастает в зависимости от числа ионизирующих электродов приблизительно линейно до шести ионизирующих электродов. Затем эффективность стабилизируется и в конечном счете снижается. Поэтому плазменная горелка с шестью ионизирующими электродами является оптимальной в случае газообразного аргона. Однако изобретение не ограничено плазменными источниками, имеющими шесть электродов. Например, также можно предусмотреть 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11 или 12 ионизирующих электродов внутри ионизационной камеры.
Кроме того, предпочтительно, чтобы ионизирующие электроды были стержневыми и размещены параллельно друг другу с образованием равностороннего многоугольника в поперечном сечении. В таком осуществлении расстояние между соседними ионизирующими электродами, то есть расстояние электрод-электрод, является постоянным в компоновке электродов. Однако изобретение не ограничено компоновками электродов, имеющими постоянное расстояние электрод-электрод. Вместо этого расстояние электрод-электрод может изменяться в компоновке электродов от электрода к электроду. Кроме того, предпочтительно, чтобы расстояние между ионизирующими электродами и внутренней стенкой ионизационной камеры было постоянным во всей компоновке электродов. Однако изобретение не ограничено такими осуществлениями, имеющими постоянное расстояние электрод-стенка. Вместо этого расстояние электрод-стенка может изменяться в компоновке электродов от электрода к электроду.
Кроме того, предпочтительно, чтобы ионизирующие электроды имели по меньшей мере частично зубчатую поверхность, что может быть реализовано путем использования винтов, имеющих наружную резьбу, в качестве ионизирующих электродов. Таким путем обеспечиваются легкое инициирование разряда и устойчивый режим работы ионизирующих электродов.
Предпочтительно, чтобы ионизирующие электроды были выполнены из алюминия. Преимущество алюминия заключается в том, что не образуется полимеризованное покрытие, которое может отслаиваться. Кроме того, ионизирующие электроды, состоящие из алюминия, обеспечивают более высокую эффективность возбуждения плазмы.
Однако также можно использовать ионизирующие электроды, выполненные из нержавеющей стали. Преимущество ионизирующих электродов, состоящих из нержавеющей стали, заключается в том, что они особенно пригодны для решения задачи обеззараживания.
Предпочтительно, чтобы ионизирующие электроды ионизировали газ внутри ионизационной камеры при излучении микроволн. Поэтому предпочтительно, чтобы плазменный источник содержал электрический вывод для внешнего подключения ионизирующих электродов к микроволновому генератору. Однако изобретение не ограничено плазменными источниками, в которых плазма возбуждается микроволнами. Вместо этого теоретически возможно использовать радиочастоту или даже постоянный ток для ионизации газа внутри ионизационной камеры.
Однако если плазма возбуждается микроволнами, предпочтительно, чтобы длина ионизирующих электродов была согласована с длиной волны микроволн. Например, длина l ионизирующих электродов может соответствовать длине λ волны микроволн. В качестве альтернативы длина l ионизирующих электродов может соответствовать половине длины λ/2 волны.
Согласно предпочтительному осуществлению плазменного источника стенки ионизационной камеры выполнены из электропроводного материала, например алюминия, так что стенки ионизационной камеры являются экранирующими микроволны, излучаемые ионизирующими электродами. Следовательно, электромагнитное излучение, выходящее из ионизационной камеры, снижается, что делает возможным применение плазмы in vivo.
Кроме того, предпочтительно, чтобы выходное отверстие ионизационной камеры было закрыто сеткой для исключения случайного соприкосновения с ионизирующими электродами.
Кроме того, предпочтительно, чтобы сетка, закрывающая выходное отверстие ионизационной камеры, была выполнена из электропроводного материала, например из нержавеющей стали, с тем чтобы сетка экранировала микроволны, излучаемые ионизирующими электродами. Таким путем дополнительно снижается электромагнитное излучение, выходящее из ионизационной камеры через выходное отверстие ионизационной камеры.
Наконец, для повышения выхода плазмы и эффективности к сетке может быть приложено положительное напряжение постоянного тока. Таким путем электроны плазмы внутри ионизационной камеры ускоряются к сетке, так что положительно заряженные ионы сопровождают электроны к выходному отверстию ионизационной камеры для сохранения плазмы электрически нейтральной.
Кроме того, предпочтительно, чтобы сетка, закрывающая отверстие ионизационной камеры, имела размер ячейки меньше 5 мм или даже меньше 4 мм.
Согласно изобретению предпочтительно, чтобы плазменный источник содержал предохранительный колпак, который с возможностью отделения прикреплен к области выходного отверстия ионизационной камеры, для предотвращения перегревания объекта. Поэтому предпочтительно, чтобы предохранительный колпак содержал по меньшей мере один дистанционатор, выступающий по направлению оси от предохранительного колпака, для обеспечения безопасного расстояния между выходным отверстием ионизационной камеры и поверхностью объекта, например раны.
При работе плазменный источник согласно изобретению создает поток плазмы, имеющий сравнительно низкую температуру, которая предпочтительно ниже 100°С, 75°С или даже 50°С, измеренную на поверхности объекта.
Кроме того, следует отметить, что рабочее давление внутри ионизационной камеры является по существу равным давлению окружающей среды снаружи ионизационной камеры, так что плазменный источник согласно изобретению не нуждается в каком-либо регулировании давления внутри ионизационной камеры.
2
Согласно предпочтительному осуществлению выходное отверстие ионизационной камеры имеет размер в поперечном сечении по меньшей мере 10 см, что позволяет применять плазму на сравнительно большой поверхности.
Кроме того, предпочтительно, чтобы плазменный источник согласно изобретению работал при расходе газа в пределах 1-10 л/мин. Однако изобретение не ограничено плазменными источниками, работающими с расходом газа в упомянутых выше пределах.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения плазменный источник дополнительно содержит охлаждающее средство для конвективного охлаждения ионизационной камеры. Предпочтительно, чтобы охлаждающее средство содержало по меньшей мере один полый охлаждающий канал, расположенный в стенке ионизационной камеры. Во время работы плазменного источника охладитель, например окружающий воздух, может быть прокачен по полым охлаждающим каналам. Таким путем температура плазмы дополнительно снижается, что делает возможным применение плазмы in vivo.
Кроме того, следует упомянуть, что в плазменном источнике согласно изобретению предпочтительно использовать аргон для возбуждения плазмы. Однако изобретение не ограничено плазменными источниками с использованием аргона. Например, смесь аргона и нескольких процентов азота или кислорода можно использовать для возбуждения плазмы с тем, чтобы радикалы образовывались из молекул азота/кислорода.
Согласно предпочтительному осуществлению плазменный источник дополнительно содержит ручку на наружной стороне ионизационной камеры для позиционирования вручную плазменного источника относительно объекта, например, над раной.
Наконец, изобретение также касается медицинской установки для плазменной терапии пациента, содержащей упомянутый выше новый плазменный источник. Предпочтительно, чтобы в такой медицинской установке плазменная горелка была прикреплена к подвижному рычагу, обеспечивающему возможность задаваемого пользователем позиционирования плазменного источника над пациентом, при этом подвижный рычаг поддерживает плазменный источник, так что нет необходимости физиотерапевту удерживать вручную плазменный источник. Предпочтительно, чтобы подвижный рычаг имел несколько степеней свободы перемещения.
Изобретение и конкретные признаки его и преимущества станут более очевидными из нижеследующего подробного описания, рассматриваемого со ссылками на сопровождающие чертежи.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1 - перспективный вид плазменного источника согласно изобретению;
фиг.2 - продольное сечение плазменного источника из фиг.1;
фиг.3 - вид сверху плазменного источника из фиг.1 и 2;
фиг.4 - вид сбоку плазменного источника из фиг.1-3;
фиг.5 - перспективный вид ионизационной камеры плазменного источника фиг.1-4;
фиг.6 - поперечное сечение ионизационной камеры фиг.5;
фиг.7 - схематическое поперечное сечение ионизирующих электродов в ионизационной камере плазменного источника фиг.1-4;
фиг.8 - схематический вид плазменного источника фиг.1-4, соединенного с источником газа, насосом охладителя и источником напряжения постоянного тока; и
фиг.9 - вид сбоку медицинской установки с использованием плазменного источника фиг.1-4.
Подробное описание изобретения
На фиг.1-4 и фиг.8 показан плазменный источник 1 согласно предпочтительному осуществлению изобретения, который пригоден для обеззараживания in vivo ран.
Плазменный источник 1 содержит ионизационную камеру 2, имеющую впускной патрубок 3 для ввода газообразного аргона в ионизационную камеру 2, где газообразный аргон ионизируется с помощью шести ионизирующих электродов 4 (см. фиг.2, 7 и 8). Ионизирующие электроды 4 выполнены стержневыми и размещены параллельно друг другу с образованием в поперечном сечении равностороннего многоугольника (см. фиг.7). Ионизирующие электроды 4 соединены посредством высокочастотного соединителя 5, коаксиального кабеля 6 и автоматического настроечного устройства 7 с обычным микроволновым генератором 8. Во время работы микроволновый генератор 8 генерирует микроволны, имеющие заданную длину λ волны, при этом длина ионизирующих электродов 4 согласована с длиной λ волны микроволн таким образом, что длина ионизирующих электродов 4 соответствует длине λ волны. Однако согласно другим осуществлениям возможно, чтобы длина ионизирующих электродов 4 соответствовала половине длины λ волны микроволн.
EE
EW
EE
EW
Кроме того, следует отметить, что имеется постоянное расстояние d электрод-электрод между соседними ионизирующими электродами 4 и также постоянное расстояние d между ионизирующими электродами 4 и внутренней стенкой ионизационной камеры 2. Согласно изобретению ионизирующие электроды 4 размещены таким образом, что отношение между расстоянием d электрод-электрод, с одной стороны, и расстоянием d электрод-стенка, с другой стороны, составляет по существу 2, что приводит в результате к легкому инициированию разряда и устойчивому режиму работы всех ионизирующих электродов 4. Поэтому возбуждение плазмы является очень эффективным, следствием чего является большой выход плазмы при небольшой подводимой энергии, так что in vivo применения плазмы возможны при низких температурах возбуждаемой плазмы и небольшом уровне электромагнитного облучения.
Согласно этому осуществлению каждый из стержневых ионизирующих электродов 4 состоит из винта, имеющего наружную резьбу. Поэтому поверхность ионизирующих электродов 4 является зубчатой, что усиливает возбуждение плазмы.
Кроме того, следует отметить, что ионизирующие электроды 4 выполнены из алюминия. Преимущество алюминия заключается в том, что не образуется полимеризированное покрытие, которое может отслаиваться.
Кроме того, ионизационная камера 2 содержит выходное отверстие 9 (см. фиг.2) в нижней торцевой поверхности ионизационной камеры 2. Выходное отверстие 9 закрыто сеткой 10, выполненной из электропроводного материала. Сетка 10 полезна по трем причинам. Во-первых, сетка 10 предотвращает нежелательное случайное соприкосновение с ионизирующими электродами 4 внутри ионизационной камеры 2. Во-вторых, сетка 10 экранирует микроволны, генерируемые внутри ионизационной камеры 2, так что электромагнитное излучение за пределами ионизационной камеры 2 уменьшается. Наконец, сетка 10 может быть в электрическом контакте с источником 11 напряжения постоянного тока (см. фиг.8) для повышения выхода плазмы и эффективности.
Также следует отметить, что плазменный источник 1 содержит предохранительный колпак 12, который прикреплен с возможностью отделения к нижней части ионизационной камеры 2. Предохранительный колпак 12 имеет центральное отверстие под выходным отверстием 9 ионизационной камеры 3, так что предохранительный колпак 12 не является препятствием для истечения плазмы через выходное отверстие 9. Предохранительный колпак 12 содержит несколько дистанциаторов 13, выступающих по направлению оси от предохранительного колпака 12, для обеспечения безопасного расстояния между нижней поверхностью ионизационной камеры 2 и выходным отверстием 9, с одной стороны, и объектом, например раной, с другой стороны.
Кроме того, ручка 14 прикреплена к периферийной поверхности цилиндрической ионизационной камеры 2. Ручка 14 позволяет осуществлять позиционирование вручную плазменного источника 1 над раной, что будет пояснено позднее.
Согласно этому осуществлению плазменный источник 1 также содержит несколько охлаждающих каналов 15 (см. фиг.5, 6 и 8), проходящих коаксиально и параллельно друг другу внутри стенки ионизационной камеры 2. В нижней части плазменного источника 1 охлаждающие каналы 15 соединяются с несколькими всасывающими отверстиями 16, которые равномерно распределены по круговой поверхности ионизационной камеры 2. В верхней части ионизационной камеры 2 охлаждающие каналы 15 вливаются в один общий выпускной патрубок 17, который присоединяют к насосу 18 охладителя (см. фиг.8). Насос 18 охладителя всасывает окружающий воздух через всасывающие отверстия 16 в охлаждающие каналы 15, вследствие чего осуществляется эффективное охлаждение стенок ионизационной камеры 2 и также плазмы, возбуждаемой внутри ионизационной камеры 2. Таким образом, охлаждение дополнительно снижает температуру возбуждаемой плазмы, обеспечивая возможность in vivo применений плазмы, например, обеззараживания ран, лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.
Кроме того, следует отметить, что впускной патрубок 3 ионизационной камеры 2 присоединяют к источнику 19 газа (см. фиг.8, 9), обеспечивающему поток газообразного аргона.
Наконец, на фиг.9 показан вид сбоку медицинской установки для плазменной терапии ран.
Медицинская установка содержит тележку 20, опирающуюся на ролики 21. На тележке 20 размещены автоматическое настроечное устройство 7, микроволновой генератор 8 и источник 19 газа, упомянутые выше. Кроме того, на тележке 20 размещены источник 22 бесперебойного питания, трансформатор 23, персональный компьютер 24 и контроллер 25 массового расхода.
В верхней части тележки 20 имеется поворотная колонка 26, поддерживающая подвижный и поворотный рычаг 27, имеющий несколько степеней свободы перемещения. Плазменный источник 1 закреплен на конце рычага 27 так, что плазменный источник 1 может быть легко позиционирован над раной при захвате ручки 14 плазменного источника 1. После установки в нужное положение физиотерапевт может отпустить ручку 14 плазменного источника 1, при этом рычаг 27 будет выдерживать нагрузку массы плазменного источника 1 во время применения плазмы, для чего может потребоваться пара минут.
Хотя изобретение было описано применительно к заслуживающей особого внимания компоновке деталей, признаков и т.п., не предполагается, что им исчерпываются все возможные компоновки признаков, и несомненно многие другие модификации и варианты могут быть выявлены специалистами в данной области техники.
Перечень позиций:
1 - Плазменный источник
2 - Ионизационная камера
3 - Впускной патрубок
4 - Ионизирующие электроды
5 - Высокочастотный соединитель
6 - Коаксиальный кабель
7 - Автоматическое настроечное устройство
8 - Микроволновый генератор
9 - Выходное отверстие
10 - Сетка
11 - Источник напряжения постоянного тока
12 - Предохранительный колпак
13 - Дистанционатор
14 - Ручка
15 - Охлаждающие каналы
16 - Всасывающие отверстия
17 - Выпускной патрубок
18 - Охладитель
19 - Источник газа
20 - Тележка
21 - Ролик
22 - Источник бесперебойного питания
23 - Трансформатор
24 - Персональный компьютер
25 - Контроллер массового расхода
26 - Колонка
27 - Рычаг