專利名稱：用于生成脈沖等離子體的脈沖等離子體裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體生成裝置，更具體地，涉及等離子體生成裝置，以及為需要純 凈等離子體的應(yīng)用生產(chǎn)脈沖等離子體的方法。
背景技術(shù)：
等離子體生成裝置在許多領(lǐng)域都發(fā)揮重要的作用。例如，等離子體被用于例如電 視機(jī)和計算機(jī)監(jiān)視器的顯示器、攝譜學(xué)中，被用于例如涂覆的噴涂應(yīng)用之中，以及被用于醫(yī) 學(xué)之中。本領(lǐng)域眾所周知，等離子體可被有效地用于醫(yī)療領(lǐng)域中的組織切割、凝血以及汽 化。為得到最好的結(jié)果，生成的等離子體不得不具有精確的特性，例如速度、溫度、能量密度 等。優(yōu)選地，用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的等離子體也必須是純凈的。換句話說，其應(yīng)該僅包括被電離的 等離子體生成氣體的微粒而不包括其他微粒，例如在操作中從等離子體生成裝置的不同部 分分離出的物質(zhì)。最近，已經(jīng)嘗試使用等離子體來進(jìn)行組織治療，特別是皮膚治療。當(dāng)與皮膚表面接 觸時，取決于其在皮膚表面上產(chǎn)生的溫度升高，等離子體可能具有不同的效果。例如，將溫 度升高大約35°C _38°C，將會產(chǎn)生祛皺效果。而將溫度升高大約70°C，則會移除表皮層，這 在整形手術(shù)中是有用的。已經(jīng)認(rèn)識到，適于組織切割、凝血和汽化的連續(xù)等離子體流通常并 不適于其他類型的組織治療，特別是不適于皮膚治療。相反，為了避免由于使用連續(xù)等離子 體流而造成的不希望的皮膚損傷，使用脈沖等離子體。本領(lǐng)域目前已知可用于此目的兩種 類型的裝置。在美國專利No. 6，629，974中公開的裝置是第一類型的例子。在這類裝置中，通過 使例如氮的等離子體生成氣體通過交變電場來生成等離子體。交變電場在氣體中建立了自 由電子的快速移動?？焖僖苿拥碾娮訌臍怏w原子中撞擊出其他電子，形成已知的電子雪崩， 而這又產(chǎn)生了電暈放電。通過在脈沖中施加電場，產(chǎn)生了脈沖電暈放電。用于產(chǎn)生脈沖電 暈放電的該方法的優(yōu)點(diǎn)是(1)在流中不存在雜質(zhì)，以及(2)實(shí)現(xiàn)真實(shí)脈沖流的生成的短的 啟動時間。為了本公開的目的，真實(shí)脈沖流是指在該脈沖的關(guān)斷時段期間完全停止的流。該第一類型的裝置和方法的缺點(diǎn)則在于產(chǎn)生的電暈放電具有大約2000°C的固定 的最大溫度。在該裝置中形成的該電暈放電絕不會變成高溫等離子體。為了通過該類型的 裝置取得在皮膚治療中改變膠原所需的1-4焦耳的能量，等離子體生成氣體流的速率必須 相對較高。例如，在這樣的裝置中使用氬需要大約20公升/分鐘的流速，以獲得所需的能 量。這樣的流速對于皮膚治療是不可行的。當(dāng)將氬用于生成等離子體時，可以用僅大約5 公升/分鐘的流速來獲得所需的能量，但是即便這個流速也會使患者感到不舒服。因此，第 一類型的裝置的應(yīng)用受到了能夠產(chǎn)生電暈放電的放電過程的特性的限制。第二類型的裝置通過以電弧加熱經(jīng)過等離子體通道的等離子體生成氣體流來生 成等離子體，該電弧建立在陰極和形成該等離子通道的陽極之間。第二類型的裝置的例子 在美國專利No. 6，475，215中被公開。依據(jù)美國專利No. 6，475，215的公開內(nèi)容，作為等離子體生成氣體，優(yōu)選為氬，穿過等離子體通道，脈沖DC電壓施加在陽極和陰極之間。將或不 將預(yù)定的恒定偏壓加到脈沖DC電壓上。在電壓脈沖期間，等離子體生成氣體中的自由電子 的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致等離子體的電阻減小和流過等離子體的電流的指數(shù)增長。在關(guān)斷時 段中，等離子體生成氣體中的自由電子的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致等離子體的電阻增大和流經(jīng) 等離子體的電流的指數(shù)減小。雖然在關(guān)斷時段中電流較低，但其并沒有完全停止。由于該 低電流(稱為備用電流)不產(chǎn)生真實(shí)脈沖等離子體流，因而是不想要的。在關(guān)斷時段中，維 持連續(xù)的低功率等離子體流。本質(zhì)上，該裝置沒有生成脈沖等離子體，而是生成具有功率尖 峰(稱為脈沖)的連續(xù)等離子體流，從而模擬了脈沖等離子體。由于關(guān)斷時段遠(yuǎn)比脈沖長， 該裝置在關(guān)斷時段內(nèi)輸出大量能量，因此，它不能被有效地用于需要真實(shí)脈沖等離子體流 的應(yīng)用。例如，如果該裝置被用于皮膚治療，則在每次脈沖后，不得不從皮膚表面移走該裝 置，以使皮膚不會在關(guān)斷時段中暴露在低功率等離子體下。這損害了該裝置的可用性。當(dāng)使用在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置時，在脈沖之間將通過該等離子 體的電流降至零并對于等離子體的每次脈沖均重啟該裝置是不可實(shí)現(xiàn)的。作為使高電流通 過陰極而不保證陰極電弧附加裝置得到良好控制的結(jié)果，為每次脈沖重啟裝置將導(dǎo)致陰極 的快速損壞。由于裝置的結(jié)構(gòu)的原因，在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置以及在本領(lǐng)域 中當(dāng)前已知的該類型的其他裝置不能生成可安全地用于患者的真實(shí)脈沖等離子體流。在關(guān) 斷時段之后，將花費(fèi)幾毫秒來達(dá)到等離子體流階段。在這幾毫秒中，等離子體特性不容易被 控制，因此其不能被用于患者。此外，當(dāng)這種類型的裝置啟動時，由于濺射而發(fā)生電極的一 定程度的腐蝕。該腐蝕導(dǎo)致分離的電極材料在等離子體中流動。當(dāng)使用連續(xù)的等離子體流 時，該啟動雜質(zhì)是相對較小的缺點(diǎn)，因?yàn)閱右约芭c其相關(guān)的雜質(zhì)每次治療僅出現(xiàn)一次。因 此，在啟動之后可以等待幾秒鐘，以便在開始實(shí)際治療前使電極材料離開該裝置。然而，當(dāng) 使用脈沖等離子體流時，等待雜質(zhì)離開該裝置是不實(shí)際的，因?yàn)樵诘却龝r段結(jié)束之前必須 生成等離子體的下一脈沖。當(dāng)?shù)入x子體流已經(jīng)在之前被創(chuàng)建時，只需幾微秒來增大或減小等離子體流中的電 流。此外，由于沒有啟動，雜質(zhì)不進(jìn)入等離子體流，并且在陰極上不存在壓力。但是，如上所 述，即使持續(xù)維持經(jīng)過等離子體的低電流也會使該裝置對于需要真實(shí)脈沖等離子體流的某 些應(yīng)用而言不是最優(yōu)的。借助用電弧加熱等離子體生成氣體來生成真實(shí)脈沖等離子體流的困難主要是由 發(fā)生在電極上的過程的特性造成的。一般地，并且特別對于醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言，當(dāng)電流快速增大 時，確保操作不腐蝕陽極和陰極是極為重要的。在電流快速增大期間，陰極的溫度可能較 低，且在脈沖的隨后重復(fù)期間不易被控制。當(dāng)在陰極和陽極之間生成電弧時，該電弧接合到 陰極的區(qū)域很大程度上取決于陰極的初始溫度。當(dāng)陰極是冷卻的時，該接合區(qū)域就相對較 小。在幾次脈沖之后，陰極的溫度增高，從而在電流快速增大過程中，該接合區(qū)域在陰極的 整個表面區(qū)域上延伸，甚至在陰極支持部上延伸。在這些情況下，陰極電勢開始波動，且陰 極腐蝕開始。此外，如果電弧的接合區(qū)域達(dá)到陰極支持部，則該支持部將開始熔化，從而會 將不希望的雜質(zhì)引入等離子體流。在陽極表面上會出現(xiàn)類似情況。當(dāng)電弧中的電流快速增大時，等離子體流沒有足 夠的時間來達(dá)到高溫。結(jié)果，接近陽極表面的等離子體的富集度較低。這導(dǎo)致了陽極的電勢下降及其波動，而該波動導(dǎo)致了陰極的強(qiáng)烈腐蝕。陰極和陽極的電勢波動導(dǎo)致脈沖等離子體流的能量不穩(wěn)定和不容易控制。為了使陰極正常發(fā)揮作用，在等離子體的每次脈沖中的電流快速增大的時段中， 必須控制電弧接合到陰極表面的區(qū)域的精確位置和大小。為了使陽極正常發(fā)揮作用，在電 流快速增大期間以及在脈沖的工作時段中，必須在陽極表面處建立被加熱的等離子體流。生成真實(shí)脈沖等離子體，特別是為了醫(yī)學(xué)應(yīng)用生成真實(shí)脈沖等離子體將引起幾個 其他問題。首先，如上所述，等離子體必須是純凈的，不含有任何電極材料或其它雜質(zhì)。其 次，必須控制生成的等離子體脈沖的特性。起初，通過控制脈沖的持續(xù)時間、電壓和電流，能 夠控制由脈沖傳遞的能量。為了一些應(yīng)用，例如皮膚治療，僅控制在脈沖中傳遞的能量是不 夠的，能量和溫度必須大致均勻地分布在被治療的區(qū)域上。因此，目前需要通過以最少數(shù)量的雜質(zhì)生成真實(shí)脈沖等離子體和通過將每次脈沖 中傳遞的能量大致均勻地分布在被治療區(qū)域上來克服當(dāng)前已知裝置的局限的裝置。此外， 還存在一些應(yīng)用，其中，該裝置可能需要能夠?yàn)楸恢委煴砻嫣峁┏粞醪⒁后w和其他雜質(zhì) 從被治療表面除去。

發(fā)明內(nèi)容
在附圖中示出的本發(fā)明的脈沖等離子體裝置包括陰極組件、陽極以及兩個或更多 個中間電極，其中陰極組件包括一個或多個固定在陰極支持部中的陰極。該陽極和中間電 極形成等離子體通道。最接近這些陰極的中間電極也形成了圍繞最接近該陽極的陰極末端 的等離子體腔。該等離子體通道包括三個部分加熱部分、擴(kuò)展部分和陽極部分。該擴(kuò)展部 分具有兩個或更多個擴(kuò)展段。該擴(kuò)展部分的每個相繼的段的直徑朝向陽極增大。陽極部分 具有比最接近陽極的擴(kuò)展部分的直徑大的直徑。該陰極支持部防止了陰極的位移，優(yōu)選地 使得它們平行于該裝置的軸，從而防止了它們的角位移。在裝置的陽極末端處固定了延伸噴嘴。該延伸噴嘴形成連接到等離子體通道的延 伸通道。一管狀絕緣體元件覆蓋所述延伸通道的內(nèi)部表面的縱向部分。此外，在一些實(shí)施 例中，該延伸噴嘴具有一個或多個攜氧氣體入口。在操作過程中，由所述裝置生成真實(shí)脈沖等離子體。對于每次脈沖，等離子體流經(jīng) 過三個階段火花放電、輝光放電和電弧放電。在示例性實(shí)施例中，通過在陰極和陽極之間 施加高頻率、高幅值電壓波來產(chǎn)生火花放電。在陰極和陽極之間產(chǎn)生火花放電之后，在陰極 和陽極之間施加最好為瞬態(tài)的電壓，且電流通過陰極、等離子體生成氣體和陽極，而這導(dǎo)致 了輝光放電的產(chǎn)生。在輝光放電的末期，當(dāng)陰極末端被充分加熱時，陰極和陽極之間的電壓 下降，這標(biāo)志著陰極熱電離電子發(fā)射的開始以及電弧放電階段的開始。一旦電弧放電階段 開始，則等離子體被接合到組件中的所有陰極。該電流被減小，以將等離子體的接合區(qū)域降 低到單個陰極。然后，在將被減小的電流保持一段時間之后，該電流被升高到工作水平。在 脈沖的預(yù)定持續(xù)時間之后，在關(guān)斷時段的持續(xù)時間內(nèi)，電壓和電流均被設(shè)置為0。為每次脈 沖重復(fù)這一過程。對醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言，等離子體中不存在雜質(zhì)是極為重要的。通過使用具有多個陰極 的陰極組件以及生成具有受控的等離子體接合區(qū)域的脈沖等離子體，消除了來自陰極支持 部的表面的濺射。
在操作過程中，離開陽極的等離子體流具有基本為拋物線型的溫度和能量密度分 布。延伸噴嘴將溫度和能量分布轉(zhuǎn)換為更加均勻的分布，其更適于接觸患者。位于延伸通道 中的熱絕緣體由具有低的導(dǎo)熱系數(shù)的非金屬材料制成。當(dāng)?shù)入x子體流經(jīng)過該熱絕緣體時， 等離子體的較冷的層被加熱，而不會將熱轉(zhuǎn)移到形成該通道的元件。此外，在具有到噴嘴的入口通道的實(shí)施例中，當(dāng)?shù)入x子體流穿過延伸通道時，其將攜氧氣體(例如空氣)吸入等離子體流。在延伸通道中的等離子體的高溫以及從等離子體 通道發(fā)出的輻射的影響下，在延伸通道中形成了臭氧?？赡芫哂杏幸嫘Ч某粞醴肿优c等 離子體一起離開該裝置，并接觸被治療皮膚。在一個實(shí)施例中，公開了一種生成等離子體脈沖的裝置，該裝置包括陽極；具有 (i) 一個或多個陰極和(ii)陰極支持部的陰極組件；等離子體通道，其在所述陰極和所述 陽極之間縱向延伸，穿過所述陽極，并且具有在所述陽極末端開口的出口，一部分所述等離 子體通道由兩個或更多個彼此電絕緣且與陽極電絕緣的中間電極形成，所述等離子體通道 包括最接近所述陰極的加熱部分、陽極部分，和在所述加熱部分和所述陽極部分之間的擴(kuò) 展部分，所述擴(kuò)展部分具有兩個或更多個段，其中所述段的直徑朝所述陽極增大，其中所述 加熱部分的段的最小數(shù)量取決于陽極部分中的等離子體通道的直徑與所述加熱部分中的 等離子體通道的直徑的比例；由一個所述中間電極形成的等離子體腔，該等離子體腔連接 到所述等離子體通道的陰極末端；以及延伸噴嘴，其形成連接到等離子體通道的陽極末端 的延伸通道。還公開了一種使用等離子體脈沖治療組織的方法，該方法包括對于每次脈沖，生 成等離子體流；擴(kuò)展所述等離子體流到預(yù)定橫截面；改變所述擴(kuò)展的等離子體流的熱能量 分布，使得該分布在該橫截面中是大致均勻的；將等離子體流施加到被治療的皮膚；以及 停止所述等離子體流。


圖1示出了用于生成脈沖等離子體的系統(tǒng)，其包括控制臺和手持部；圖2A示出了該裝置的一個實(shí)施例的縱向橫截面視圖；圖2B示出了橫切圖2A所示的視圖的縱向橫截面視圖；圖2C示出了被配置為生成臭氧的裝置的一個實(shí)施例的縱向橫截面視圖；圖3示出了冷卻劑分離器；圖4示出了陰極組件的優(yōu)選配置；圖5示出了等離子體腔的幾何形狀；圖6示出了等離子體通道的加熱部分、擴(kuò)展部分和陽極部分，以及擴(kuò)展部分的各 個段；圖7A示出了包括吸收模塊的裝置的一個實(shí)施例，在其中雜質(zhì)被收集在控制臺中；圖7B示出了包括吸收模塊的裝置的一個實(shí)施例，在其中雜質(zhì)被收集在外部容器 中；圖7C示出了包括延伸噴嘴和吸收模塊的裝置的一個實(shí)施例的橫截面視圖，其中 延伸噴嘴具有攜氧氣體入口；圖7D示出了包括延伸噴嘴和吸收模塊的裝置的一個實(shí)施例的橫截面視圖，其中延伸噴嘴沒有攜氧氣體入口；圖8A示出了在生成等離子體脈沖過程中施加在陰極和陽極之間的電壓；圖8B示出了在生成等離子體脈沖過程中通過陰極、等離子體和陽極的電流；圖8C示出了在等離子體通道的加熱部分中的等離子體的溫度特性；圖8D示出了在等離子體通道的加熱部分中的等離子體的功率密度特性；圖9示出了(1)等離子體通道的變寬，其不會導(dǎo)致脈沖期間等離子體的完全擴(kuò)展， 以及(2)電弧，其建立在等離子體和中間電極之間；圖IOA示出了離開陽極的等離子體流的大致拋物線型的溫度和功率密度分布；圖IOB示出了在以具有如圖IOA所示的溫度和功率密度分布的等離子體流治療組 織時對該組織的效果；圖IlA示出了離開延伸噴嘴的等離子體流的大致均勻的溫度和功率密度分布；圖IlB示出了在以具有如圖IlA所示的溫度和功率密度分布的等離子體流治療組 織時對該組織的效果；圖12A示出了具有直徑相對較小的攜氧氣體入口的延伸噴嘴；圖12B示出了不具有攜氧氣體入口的延伸噴嘴；以及圖13示出了離開裝置的光的譜分布。
具體實(shí)施例方式參見圖1，生成脈沖等離子體的系統(tǒng)一般包括控制臺100和手持部200。在本文 中，手持部200有時也稱為裝置。控制臺100為手持部200提供電、優(yōu)選為氬氣的等離子體 生成氣體、例如水的冷卻劑，和/或例如空氣的攜氧氣體，等等。此外，控制臺100可以包含 一個或多個泵，該泵可以被用于由裝置200通過一個或多個吸收通道從被治療表面移除雜 質(zhì)。控制臺100具有用于操作手持部200的控制電路以及由本領(lǐng)域公知的顯示器和控制器 組成的用戶接口。操作者，例如受過訓(xùn)練的醫(yī)學(xué)專業(yè)人員，依據(jù)用于給定醫(yī)學(xué)流程的參數(shù)， 用控制臺100的控制器對裝置的操作模式進(jìn)行編程，再使用手持部200來執(zhí)行該給定流程。 盡管本公開的實(shí)施例描述與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有關(guān)，但是應(yīng)當(dāng)理解該裝置的其他實(shí)施例也可以被用 于與醫(yī)學(xué)無關(guān)的其他應(yīng)用。圖2A示出了該裝置的一個實(shí)施例的縱向橫截面。在該實(shí)施例中，罩9形成了裝置 的外部。優(yōu)選地，裝置200是圓柱形的，且所有的元件是環(huán)形的并且相對于裝置的軸50同 軸地布置。在一些實(shí)施例中，但是，該裝置也可以不是圓柱形的，而是使用不同的內(nèi)部或外 部幾何形狀。在圖2A中示出的該裝置的實(shí)施例包括陽極1以及一個或更多個陰極5a、5b、 5c，所述陰極優(yōu)選地由含鑭的鎢制成，且設(shè)置在陰極支持部6中。陰極支持部6防止了陰極 相對于裝置的軸50之間的不希望的角位移。陰極支持部6也支持了導(dǎo)體7的一部分，該導(dǎo) 體7優(yōu)選地是由具有高導(dǎo)電性的金屬制成的棒。在制造過程中將陰極組件的各個部件夾壓 在一起是一種避免陰極沿軸50移動的手段。在優(yōu)選實(shí)施例中，包括陰極5a、5b、5c，陰極支 持部6和電導(dǎo)體7的整個陰極組件被緊密地裝配在裝置200的內(nèi)部，以防止陰極5a、5b、5c 的任何移動。陰極絕緣體11包圍陰極5a、5b、5c的縱向部分。陰極絕緣體11從一端的最接近 陽極的陰極支持部的表面74沿陰極延伸到中途的一點(diǎn)。陰極絕緣體11由為陰極5a、5b、5c提供熱絕緣和電絕緣的材料制成。電導(dǎo)體7被用于向陰極5a、5b、5c提供電勢。陰極5a、 5b,5c電連接在一起并總是具有相同的電勢。絕緣體元件8包圍導(dǎo)體7和陰極支持部6的 一部分，如圖2A所示。絕緣體元件8為導(dǎo)體7提供電絕緣，并且優(yōu)選地由乙烯制成。在操 作中，通路72使等離子體生成氣體能從控制臺100沿絕緣體8流動。該氣體然后沿絕緣體 8和分水器10之間的空間54流動。然后，氣體流過陰極支持部6中的溝槽56，并且之后沿 陰極5a、5b、5c流動，在陰極絕緣體11中流動。在優(yōu)選實(shí)施例中，陰極組件可以是如圖4所示的一種組件。簡言之，陰極組件包括 兩個或更多個陰極。在如圖4所示的優(yōu)選實(shí)施例中，陰極組件包括三個陰極5a、5b、5c。優(yōu) 選地，每個陰極的直徑是0.5mm。在優(yōu)選實(shí)施例中的三個陰極的組合直徑是大約1mm。該三 個陰極中的至少一個陰極具有與陰極組件中的其他陰極相比不同的長度。但是，優(yōu)選地，陰 極組件中的每個陰極都與組件中的所有其他陰極的長度不同。優(yōu)選地，具有最接近長度的 兩個陰極之間的長度差等于陰極直徑，在該優(yōu)選實(shí)施例中是0. 5mm。陰極之間的長度差產(chǎn)生 了自然的表面缺陷，而電弧傾向于接合該缺陷。
在可選實(shí)施例中，可以使用具有單個陰極的陰極組件，但是這樣的實(shí)施例被限于 要求有限數(shù)量脈沖的某些應(yīng)用。在微芯片制造中用等離子體脈沖清洗襯底表面就是這樣一 種應(yīng)用。具有單個陰極的陰極組件的裝置的實(shí)施例適于生成最多300-500次脈沖。在大約 500次脈沖之后，整個陰極主體的溫度升高。當(dāng)弧被啟動時，這導(dǎo)致在電弧開始時等離子體 和陰極表面之間的接觸區(qū)域的擴(kuò)展。結(jié)果，等離子體接觸陰極支持部。一旦陰極支持部開 始熔化，其便將在陰極與陰極支持部連接的點(diǎn)處損壞陰極，從而在陰極的該點(diǎn)處形成缺陷。 一旦形成該缺陷，則電弧將接合到該缺陷，而不是接合到陰極的尖端，這將擾亂脈沖等離子 體生成的正常過程，并將導(dǎo)致裝置的操作不穩(wěn)定。在裝置冷卻到室溫之后，其能夠生成另一 列300-500次脈沖。因此，該可選實(shí)施例可用于要求不超過大約500次脈沖的有限次脈沖 的應(yīng)用?？梢酝ㄟ^增加陰極的長度(從而最接近陽極的陰極末端與陰極支持部間的距離增 大)，來增加脈沖的最大數(shù)量，但僅僅是不顯著的增加該數(shù)量。可選地，為了克服使用單個陰極的裝置的實(shí)施例在幾百次脈沖之后產(chǎn)生的操作不 穩(wěn)定的問題，在切換到脈沖等離子體之前陰極可以在連續(xù)等離子體脈沖模式下被“訓(xùn)練”。 陰極訓(xùn)練是指對所述裝置的這樣的操作在連續(xù)等離子體模式下，讓高DC電流通過其陰 極。開始時，由于陰極的幾何形狀，在某些實(shí)施例中由于等離子體腔的幾何形狀，電弧接合 到陰極的尖端，使DC電流通過陰極尖端一段足夠長的時間將正好在陰極的尖端處產(chǎn)生表 面缺陷。在陰極已經(jīng)被“訓(xùn)練”之后，當(dāng)裝置切換到脈沖等離子體模式時，電弧接合到由“訓(xùn) 練”產(chǎn)生的陰極尖端處的缺陷。在操作中，等離子體生成氣體從控制臺100流到裝置200。等離子體生成氣體通 過通路72進(jìn)入裝置。在等離子體生成氣體經(jīng)過陰極絕緣體11之后，它通過等離子體通道 62。這個方向被稱為等離子體流方向。在包括等離子體腔的實(shí)施例中，在其進(jìn)入等離子體 通道62之前，等離子體生成氣體經(jīng)過等離子體腔26。等離子體通道62由陽極1以及兩個 或更多個中間電極形成。離陰極最遠(yuǎn)的等離子體通道的末端被稱為等離子體通道的陽極末 端；類似地，離陽極最遠(yuǎn)的等離子體通道的末端被稱為等離子體通道的陰極末端。等離子體 通道62在陽極末端具有出口。在如圖2A所示的實(shí)施例中，等離子體通道62由陽極1以及 中間電極2、3和4形成。中間電極4也形成等離子體腔26。在其他實(shí)施例中，形成等離子體腔26的電極不會形成等離子體通道62的一部分。絕緣體14、13和12提供了鄰近電極 的對之間的電絕緣。絕緣體14提供了陽極1和中間電極2之間的電絕緣；絕緣體13提供 了中間電極2和中間電極3之間的電絕緣；以及絕緣體12提供了中間電極3和中間電極4 之間的電絕緣。本領(lǐng)域已公知使用多電極系統(tǒng)的等離子體生成原理。圖2B示出了橫切如圖1所示的裝置200的實(shí)施例的在圖2A中示出的橫截面的縱向橫截面。圖2B示出了包括入口 76、前向冷卻劑通道78、環(huán)形冷卻劑通道42 (在圖2A中 示出)、反向冷卻劑通道79和出口 77的冷卻系統(tǒng)。冷卻劑，優(yōu)選是水，通過入口 76進(jìn)入裝 置。之后，冷卻劑沿等離子體通道62在等離子體流方向上從陰極5a、5b、5c到陽極1經(jīng)過 前向冷卻通道78。在陽極1的區(qū)域，前向冷卻劑通道78連接到環(huán)形通道42，如圖2A所示。 冷卻劑沿圍繞陽極1的環(huán)形通道42流動。在裝置的直徑上的相反一側(cè)，環(huán)形通道42連接 到反向冷卻劑通道79。冷卻劑沿反向冷卻劑通道79在與等離子體流相反的方向上流動，從 陽極1流動到陰極5a、5b、5c，之后通過出口 77離開裝置。圖3示出了冷卻劑分離器10，其與其他元件一起形成了前向冷卻劑通道78、環(huán)形 通道42和反向冷卻劑通道79。裝置的一些實(shí)施例可以包括多個冷卻系統(tǒng)。這樣的實(shí)施例 也包括多個冷卻劑分離器，其可以形成其他冷卻系統(tǒng)的相應(yīng)通道。如果裝置200的尺寸受限，例如用于鎖孔手術(shù)，可以使用等離子體腔。圖5更加詳 盡地示出了等離子體腔26。等離子體腔26的幾何形狀對于裝置正常發(fā)揮作用是極其重要 的。陰極5a、5b、5c傾向于從它們的表面(如分別從它們的邊緣68a、68b和68c)的缺陷發(fā) 出電子。為了正確操作，在每次脈沖開始時，必須在陰極邊緣68a、68b和68c中之一以及等 離子體通道62的內(nèi)部表面上的一個點(diǎn)之間建立火花放電。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須滿足以下 條件。陰極邊緣68a、68b和68c中的任一個與等離子體通道的內(nèi)部表面上的一個點(diǎn)(例如 點(diǎn)64)之間的距離必須小于或等于陰極邊緣68a、68b和68c中的任一個與在其上可能終止 電火花的任何其他表面(例如，等離子體腔26的內(nèi)部表面和最接近陽極66的陰極絕緣體 的邊緣)之間的距離。如果使用如圖5所示的等離子體腔26的幾何形狀以及陰極5a、5b 和5c，則在啟動裝置期間，在陰極5a、5b、5c和等離子體通道62的內(nèi)部表面上的點(diǎn)(例如 點(diǎn)64)之間出現(xiàn)電火花。這保證了等離子體生成過程的正確操作。等離子體腔26的幾何 形狀也會產(chǎn)生其他益處，例如減少達(dá)到電弧放電階段所需的時間，如下所述，這對于脈沖等 離子體是極其重要的。如果裝置200不受尺寸限制(對于大多數(shù)皮膚治療應(yīng)用而言是這種 情形)，則等離子體腔是可選的。圖6示出了等離子體通道62的結(jié)構(gòu)。等離子體通道62包括加熱部分84、擴(kuò)展部 分82和陽極部分83。對于給定的應(yīng)用，擴(kuò)展部分82和陽極部分83被用于將等離子體流擴(kuò) 展到要求的橫截面區(qū)域。擴(kuò)展部分82包括一個或更多個擴(kuò)展段。在如圖6所示的實(shí)施例 中，擴(kuò)展部分82包括擴(kuò)展段86、88和90。在優(yōu)選實(shí)施例中，加熱部分84由2至5個中間電極形成。在可選實(shí)施例中，加熱部 分84可以由單個中間電極或6個或更多個中間電極形成。加熱部分84的直徑，dhp優(yōu)選為 0. 5-1. 5mm。形成加熱部分84的每個電極的長度，Ie hp取決于dhp，并且優(yōu)選地處于dhp_2 X dhp 的范圍內(nèi)。整個加熱部分的長度取決于等離子體生成氣體的流速——需要更長的加熱部分 來加熱更大的等離子體生成氣體流。對于典型的等離子體生成氣體的流速(在1-21/分鐘 的范圍內(nèi))而言，加熱部分由至少三個中間電極形成。整個加熱部分的長度，、可以大致等于形成加熱部分所需的中間電極的數(shù)量乘以該中間電極的長度，hp。擴(kuò)展部分82中的段的數(shù)量取決于加熱部分84的直徑和陽極部分83的直徑，并由以下關(guān)系式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 11</formula>其中Ns是等離子體通道的擴(kuò)展部分的段的數(shù)量；dA是等離子體通道的以毫米為單位的陽極部分的直徑；dhp是等離子體通道的以毫米為單位的加熱部分的直徑；以及c對于該關(guān)系式和其他公式而言，是處于0. 2-0. 6mm之間的范圍內(nèi)的常數(shù)，優(yōu)選為 0. 4mm。雖然c可以被選作小于0. 2，如下所示，選擇這樣的c值將使得裝置200的長度不可 實(shí)現(xiàn)。為了本公開的目的，擴(kuò)展部分82的段從陰極5a、5b、5c起計到陽極1。從而，段86 是1號段；段88是2號段；段90是3號段，等等。如果特定實(shí)施例具有多于3個的段，則它 們也以這種方式來進(jìn)行計數(shù)。擴(kuò)展部分82的段的尺寸優(yōu)選地由以下關(guān)系決定dn 優(yōu)選為 cU+c，In優(yōu)選地處于dn和2 X dn之間，其中η是給定段的段編號，dn是第η個段的直徑，以及In是第η個段的長度。為了確定1號段(圖5中的段86)的直徑，計算Cl1所需的dQ的值被設(shè)為加熱部分
的直徑dhp。陽極部分83的尺寸優(yōu)選地由以下關(guān)系決定dA 優(yōu)選為 dz+c，Ia優(yōu)選地處于2 X dA和5 X dA之間，其中dA是陽極部分的直徑，Ia是陽極部分的長度，以及ζ是最接近陽極的擴(kuò)展部分82的擴(kuò)展段的編號。在圖6中，ζ是3，其是擴(kuò)展段90 的編號。在優(yōu)選實(shí)施例中，橫切等離子體通道的縱向方向的等離子體通道的橫截面是圓形 的。但是，在其他實(shí)施例中，橫截面可以具有不同的幾何形狀。在該裝置的一些實(shí)施例中，擴(kuò)展部分的每個段由一個獨(dú)立的中間電極形成。在裝 置的其他實(shí)施例中，單個中間電極可以形成兩個或更多個鄰近段部分。在一些其他實(shí)施例 中，一些中間電極可以形成擴(kuò)展部分的段的一部分或完整的段，并且其他中間電極可以僅 形成兩個或更多個鄰近段的部分。在圖2A所示的實(shí)施例中，中間電極3形成段86 (和加熱 部分84)，并且中間電極2形成段88和90。裝置200包括延伸噴嘴。例如，參見圖2A，延伸噴嘴15被固定到裝置的陽極末端。 延伸噴嘴15具有延伸通道18，其延伸等離子體通道。延伸通道18的一部分由管狀絕緣體 元件17形成，該管狀絕緣體元件17由陶瓷材料或石英制成。管狀絕緣體元件17防止放電 在延伸噴嘴15中終止。而這又防止了在裝置200的操作期間電極材料從延伸噴嘴15脫離并進(jìn)入等離子體流。這保證了從出口 55離開延伸通道的等離子體的純度。由管狀絕緣體 元件17形成的延伸通道18的部分的直徑優(yōu)選地處于1. 0-1. 3倍等離子體通道62的陽極 部分83的直徑的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，延伸通道的長度是其直徑的2-3倍。在那些被配置用于 生成臭氧的實(shí)施例中，延伸噴嘴15也具有一個或多個攜氧氣體入口 16，如圖2C所示。入口 16被用于為延伸通道18提供攜氧氣體(優(yōu)選為空氣)，其可以被用于生產(chǎn)臭氧，如下所述。通過以下實(shí)施例說明了在裝置的優(yōu)選實(shí)施例中不同元件的尺寸的計算。假設(shè)加熱 部分具有直徑1. Omm和長度1. 5mm (其主要由等離子體生成氣體的流速決定)，并且從延伸 通道55的出口離開裝置的等離子體流的希望的直徑是4. 8mm。延伸通道的直徑是4. 8mm, 且其長度可以被設(shè)為處于其直徑的2-3倍范圍內(nèi)的任意長度，例如14. 0mm。延伸通道的直 徑應(yīng)該是等離子體通道的陽極部分的直徑的1.0-1. 3倍，且優(yōu)選地處于6mm和12mm之間。 在該實(shí)施例中，如果延伸通道的直徑是等離子體通道的陽極部分的直徑的1. 2倍，陽極的 直徑可以是4. 0mm。陽極部分的長度可以是處于其直徑的2倍和其直徑的5倍之間的任意 長度。在該實(shí)施例中，當(dāng)陽極的長度設(shè)為其直徑的3倍時，該長度將是12. 0mm。擴(kuò)展部分 將等離子通道的直徑從加熱部分84的直徑(在該實(shí)施例中是1. Omm)擴(kuò)展到等離子體通道 的陽極部分的直徑(4.0mm)。因此，在該實(shí)施例中，擴(kuò)展部分將等離子體通道的直徑擴(kuò)展了 3.0mm。可以以多種方式實(shí)現(xiàn)該擴(kuò)展。例如，擴(kuò)展部分的每個段的直徑增大最多c (0.6mm)。 在這種情況下，擴(kuò)展部分中的段數(shù)量Ns是4。這些區(qū)域的直徑如下1. 6mm,2. 2mm,2. 8mm和 3. 4mm。段的長度被設(shè)為處于直徑的1倍和2倍之間的任意數(shù)值。因此，這些段的長度可以
2.Omm,3. 0mm、4. Omm和5. 0mm。如果選擇每個段的直徑增加小于0. 6mm,則擴(kuò)展部分中需要 更多的段?？蛇x地，c可以被設(shè)為優(yōu)選值0. 4mm。這樣，擴(kuò)展部分中段的數(shù)量Ns是7。這些段 的直徑如下1. 4mm、1. 8mm、2. 2mm、2. 6mm、3. 0mm、3. 4mm和3. 8mm。這些段的長度可以分別是
3.5mm、4. 5mm、5. 5mm、6. 5mm、7. 5mm、8. 5mm 和 9. 5mm。注意，在該實(shí)施例中，與 0. 4mm 相比,最 接近陽極的擴(kuò)展段與陽極之間的擴(kuò)展僅為0. 2mm。這不會損害裝置的功能。在擴(kuò)展部分的不同對段之間還可以有不同的擴(kuò)展。例如，從加熱部分到第一段的 擴(kuò)展是0. 4mm,且其他擴(kuò)展段和陽極之間的擴(kuò)展可以是0. 5mm。以上討論假設(shè)中間電極、陽極和延伸噴嘴是環(huán)形的，從而使得等離子體通道的部 分和段以及延伸通道是圓柱形的。如上所述，在一些實(shí)施例中可以使用裝置的其他幾何形 狀。在這些實(shí)施例中，橫切等離子體通道的縱向方向的橫截面直徑(為了本公開的目的為 形狀的任意兩點(diǎn)之間的最大距離)仍然是用于前述計算的目的的關(guān)鍵尺寸。如上所述，當(dāng)?shù)入x子體被用于執(zhí)行醫(yī)學(xué)流程時，可能會產(chǎn)生可能削弱等離子體效 果的雜質(zhì)。例如，在醫(yī)學(xué)流程中，微粒或片狀物可以與被治療的組織分離，然后干擾或甚至 中斷到被治療的組織的目標(biāo)區(qū)域的等離子體流。而且，在某些醫(yī)學(xué)流程中，體液，例如血液、 淋巴等，可以進(jìn)入到被治療區(qū)域的表面。這些體液也可以干擾等離子體的有效性。裝置的 一些實(shí)施例包括用于在醫(yī)學(xué)流程中從被治療的表面除去雜質(zhì)的吸收模塊。圖7A示出了具 有吸收模塊的裝置的一個實(shí)施例。在該實(shí)施例中，外部罩92封裝如圖2A-2C所示的裝置。 外部罩92具有一個或多個吸收通道94和96。在控制臺100內(nèi)運(yùn)行的泵從被治療的組織吸 收雜質(zhì)。該雜質(zhì)沿通道94和96流動，并流到控制臺100，在該處雜質(zhì)累積在收集單元(在 圖7A中未示出)中。圖7B示出了具有吸收模塊的裝置的不同實(shí)施例。除了通道94和96不沿裝置的部分長度延伸并與出口 98連接之外，該實(shí)施例類似于圖7A所示的實(shí)施例。注 意，在包括吸收模塊和具有攜氧氣體入口的延伸噴嘴的實(shí)施例中，入口延伸經(jīng)過罩92，如圖 7C (其示出了圖7A中的橫截面A-A)所示。圖7D示出了包括沒有攜氧氣體入口的延伸噴嘴 的實(shí)施例的橫截面A-A。在優(yōu)選實(shí)施例中，裝置生成真實(shí)脈沖等離子體。在每次等離子體脈沖之后，在關(guān)斷 時段期間，等離子體流完全停止直到下一次脈沖為止。在脈沖之間，在關(guān)斷時段期間，電流 不流過陰極和陽極之間，且不會生成等離子體。控制臺100具有一個或多個電子電路，其用于控制流過等離子體通道的電流以及 將電壓施加在陰極和陽極之間。這些電路被用于生成每次等離子體脈沖。作為簡要概述， 等離子體生成過程包括三個階段火花放電、輝光放電和電弧放電。在電弧放電階段期間， 建立在陰極中之一和陽極之間的預(yù)定電流的電弧加熱在等離子體通道62中流動的等離子 體生成氣體，并形成等離子體。生成每次等離子體脈沖需要等離子體生成氣體經(jīng)過所有三 個階段。在生成脈沖之前，等離子體生成氣體的電阻接近無窮大。由于宇宙線對原子的電 離，在等離子體生成氣體中存在少量的自由電子。等離子體形成過程由(1)如圖8A所示的 在陰極和陽極之間施加電壓以及(2)如圖8B所示的控制通過等離子體的電流來控制。
操作裝置的方法依賴于陰極組件的結(jié)構(gòu)，并且可以依據(jù)裝置的構(gòu)造和其要用于的 特殊應(yīng)用而進(jìn)行更改。在具有包括多個陰極的陰極組件的裝置的優(yōu)選實(shí)施例中，使用了特 別適于圖4中所示的陰極組件的操作方法。簡言之，為了產(chǎn)生火花放電，高幅值、高頻率電 壓波被施加在陽極1和陰極5a、5b、5c之間。該波增加了陰極5a、5b、5c和陽極之間的等離 子體通道62中的自由電子的數(shù)量。該波的頻率、持續(xù)時間和幅值取決于裝置的幾何形狀。 一旦已經(jīng)形成足夠數(shù)量的自由電子，則在陽極1和陰極5a、5b、5c之間施加DC電壓，并且DC 電流通過陰極、等離子體生成氣體和陽極，這在陰極5a、5b、5c和陽極1之間形成了火花放 H1^ ο在這之后，等離子體生成氣體的電阻下降，并且開始輝光放電階段。在輝光放電階 段，作為電離結(jié)果而形成的正離子在由陰極5a、5b、5c和陽極1之間的電壓產(chǎn)生的電場的影 響下被吸引到陰極。當(dāng)陰極5a、5b、5c被離子撞擊時，最接近陽極1的陰極末端的溫度升高。 一旦溫度升高到熱電離電子發(fā)射的溫度，電弧放電階段開始。如上所述，等離子體腔26的 表面區(qū)域和體積提供了大量離子，這縮短了輝光放電階段的時間。一旦電弧放電開始，則等離子體被接合到陰極組件中的所有陰極。然后，通過等離 子體的電流下降，這使得接合區(qū)域減小到能夠維持電弧放電的幾乎最小的接合區(qū)域。該最 小區(qū)域被稱為點(diǎn)接合區(qū)域。由于等離子體接合區(qū)域很小，因此只在單個陰極上出現(xiàn)接合。因 此，為維持電弧放電所需的電流(與陰極直徑成比例)較小。在電流已被減小并保持在那 個水平一段時間后，電流快速升高到脈沖的操作水平。等離子體接合區(qū)域則增加不明顯，并 且僅單個陰極在脈沖的剩余時間繼續(xù)發(fā)射電子。減小等離子體接合區(qū)域，然后保持該較小 的區(qū)域(從而僅單個陰極從被控區(qū)域發(fā)射電子)對于裝置操作是極其重要的。如上所述，在不同實(shí)施例中，可以使用該操作方法的不同變體。例如，在具有單個 陰極的可選實(shí)施例中，接合區(qū)域可能僅由陰極長度以及陰極末端的錐度或陰極訓(xùn)練控制。 在這些實(shí)施例中，只要達(dá)到電弧放電階段，電流就升高到操作水平。公開實(shí)施例中的元件的幾何形狀以及電壓和電流脈沖的形狀和同步保證了當(dāng)不存在足以支持電流的熱電離電子發(fā)射時多個陰極(或者一個陰極，取決于實(shí)施例)不會受到流經(jīng)陰極的高電流的壓力。而這又保證了使用相同的陰極組件該裝置可以被啟動上千次 或者甚至上萬次。在脈沖的操作時段中，決定擴(kuò)展部分中不同段的尺寸的各種關(guān)系允許等離子體快 速擴(kuò)展，這對于生成具有所要求特性的等離子體脈沖是極其重要的。已通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 脈沖的操作時段中，等離子體通道的直徑的單次增加超過0. 6mm就將導(dǎo)致不完整的等離子 體流擴(kuò)展，或者甚至完全不擴(kuò)展。換句話說，如果擴(kuò)展部分的第η段的直徑比第(η-1)段的 直徑增大超過0. 6mm,則等離子體流不會擴(kuò)展到第η段的直徑，且當(dāng)?shù)入x子體流穿過等離子 體通道的剩余的下游部分和延伸通道時，其被限于小于第η段的橫截面的一個特定的橫截 面。圖9示出了這一概念。在圖9中，不存在擴(kuò)展部分82。加熱部分84a過渡到陽極部分 83a。陽極部分83a的直徑超出加熱部分84a的直徑多于0.6mm。當(dāng)?shù)入x子體進(jìn)入陽極部 分83a時，等離子體通道62a中流動的等離子體在脈沖的操作時段期間不擴(kuò)展，或者不充分 擴(kuò)展。當(dāng)存在擴(kuò)展部分時(但是鄰近段之間的直徑的差值超過0.6mm)，會出現(xiàn)非常類似的 情況，。但是，當(dāng)擴(kuò)展段的直徑處于由上述關(guān)系決定的范圍之內(nèi)，等離子體流擴(kuò)展到每個段 的陽極末端的整個橫截面，從而在出口 55處的等離子體流的直徑等于延伸通道的直徑。注 意，對于更長的脈沖或者連續(xù)等離子體流而言，增大0. 6mm及更大會導(dǎo)致部分?jǐn)U展的等離 子體流。本質(zhì)上，對于例如皮膚治療的應(yīng)用所需的短暫脈沖而言，單次直徑增大必須小于或 等于0. 6mm,以便等離子體流在每個段中完全擴(kuò)展到該增大的直徑。由大于0.6的單次直徑增大引起的另一問題是，如果等離子體流與陽極壁分開， 則有可能在等離子體流和陽極壁之間形成電弧。這也被示于圖9中。圖9示出了在等離子 體流和陽極1的壁之間形成的電弧171。這樣的電弧將會把電極材料引入等離子體流，并且 使等離子體不純凈。當(dāng)電弧中的電流快速增加而流中的等離子體尚未被充分加熱時，等離 子體流的這種逐漸變寬的過程在生成真實(shí)脈沖等離子體流方面起到了重要作用。將等離子體通道的直徑增大小于0. 2mm不會引起等離子體的不純凈，也不會導(dǎo)致 等離子體的不充分?jǐn)U展。但是，小于0.2mm的擴(kuò)展也是不理想的。具體地，具有小于0.2mm 的擴(kuò)展的裝置需要大量的擴(kuò)展段。每個擴(kuò)展段具有其最小長度要求，因此具有大量的擴(kuò)展 段就意味著具有更長和更少便利的裝置。此外，除了單單的不方便外，擴(kuò)展段的數(shù)量增加需 要更多的能量，從而需要更大的功率以用于加熱穿過等離子體通道的等離子體流，該等離 子體通道的長度因擴(kuò)展段的數(shù)量增加而增加。因此，盡管在使段直徑增大小于0. 2mm的情 況下裝置也能正常發(fā)揮作用，但是優(yōu)選地每次擴(kuò)展處于0. 2-0. 6mm的范圍內(nèi)。因?yàn)榈入x子體在擴(kuò)展部分82中擴(kuò)展，所以它的一些特性發(fā)生了變化。在脈沖的工 作時段中，加熱部分的特征在于功率密度在0. 3-5kff/mm3的范圍內(nèi)，如圖8D所示。加熱部分 中的等離子體流的平均速度優(yōu)選地小于或等于500m/s。等離子體的平均溫度是8-18° kK， 優(yōu)選為10-16° kK，如圖8C所示。加熱部分中的電場優(yōu)選地處于2-25V/mm的范圍。擴(kuò)展部分的特征在于功率密度小于0. 3kW/mm3。擴(kuò)展部分中的等離子體的平均溫 度優(yōu)選地保持在8-18° kK的范圍內(nèi)。等離子體通道的擴(kuò)展部分中的電場優(yōu)選地處于1-5V/ mm的范圍內(nèi)。在等離子體流在等離子體通道82的擴(kuò)展部分中進(jìn)行擴(kuò)展之后，等離子體流到達(dá) 延伸噴嘴15。延伸噴嘴15對等離子體流具有雙重效果首先，延伸噴嘴改變了等離子體流的溫度和能量分布，以使其適合于特定應(yīng)用，例如組織治療；其次，延伸噴嘴可以在等離子 體流中產(chǎn)生臭氧和氧化氮。延伸噴嘴15對等離子體流的第一個效果是改變等離子體流的溫度和能量分布。 在電弧放電階段，陰極和陽極之間的電弧加熱等離子體通道62中的等離子體。只有一小部 分的等離子體形成等離子體的中心，在該等離子體的中心處，溫度較高。剩余的等離子體與 電弧相隔一段距離地沿等離子體通道的外圍流動，，因此具有低得多的溫度。沿等離子體通 道的外圍流動的等離子體不能被加熱到與在中心流動的等離子體相同的溫度，因?yàn)樾纬傻?離子體通道的中間電極和陽極由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬制成。因此，從在中心流動的等離 子體轉(zhuǎn)移到沿外圍流動的等離子體的熱量被轉(zhuǎn)移到中間電極和陽極，并且不由沿外圍流動 的等離子體保持。當(dāng)?shù)入x子體到達(dá)等離子體通道62的陽極末端時，其具有如圖IOA所示 的大致拋物線型的溫度分布。如圖IOA所示，等離子體流的中心處的等離子體的溫度大大 高于在等離子體流的外圍處的溫度。類似的，等離子體流的中心處的等離子體的能量密度 (與溫度成正比)大大高于在外圍處的等離子體的能量密度。這樣的等離子體流的溫度和能量密度分布不適于一些應(yīng)用，例如皮膚治療。當(dāng)具 有這種溫度和能量密度分布的等離子體流脈沖與患者的皮膚接觸時，較小區(qū)域的皮膚吸收 了等離子體流脈沖中的大部分能量，并且比這大得多的區(qū)域吸收了剩余的能量。圖IOB示 出了皮膚的具有陽極部分中的等離子體通道的直徑的圓形區(qū)域190。如果如圖IOA所示的 等離子體流脈沖接觸區(qū)域190，則區(qū)域190的大約20%的部分192將吸收儲存在等離子體 脈沖中的能量的大約80%。區(qū)域190的剩余80%的部分194只吸收儲存在等離子體脈沖 中的能量的大約20%。如圖IlA所示，延伸噴嘴將溫度和能量密度分布變?yōu)榇笾戮鶆虻?。換句話說，從出 口 55離開延伸噴嘴的等離子體流的溫度和能量密度在該流的整個橫截面中大致相同。圖 IlB示出了由具有如圖IlA所示的分布的等離子體流治療的皮膚區(qū)域。如圖IlB所示，當(dāng)?shù)?離子體流脈沖接觸皮膚時，整個區(qū)域大致均勻地受到脈沖的影響，并且不存在接收多得多 或少得多的能量的點(diǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，裝置中的元件的幾何形狀和操作參數(shù)(即，等離子 體生成氣體流速、電流幅值等)被選擇成使得施加到被治療的組織的等離子體的能量密度 是5-500J/cm2。在其他實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)其他能量密度。如上所述，當(dāng)?shù)入x子體離開陽極并進(jìn)入延伸通道時，其溫度和能量密度具有如圖IOA所示的拋物線型分布。等離子體流在等離子體通道中沒有取得均勻溫度的一個主要原 因是中間電極和陽極由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬(例如銅)制成。由于高導(dǎo)熱系數(shù)的原因，來 自等離子體的熱量被轉(zhuǎn)移給沿通道78和79流動的冷卻劑。陽極1和中間電極強(qiáng)烈地冷卻 了等離子體的外圍，從而形成了較大的溫度梯度。位于延伸通道18中的絕緣體元件17優(yōu) 選地由石英或具有非常低的導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料制成。因此，當(dāng)被加熱的等離子體接觸到 不冷卻等離子體的絕緣體元件17時，熱量沒有分布到絕緣體元件17的整個體積。僅與被 加熱的等離子體接觸的絕緣體元件17的內(nèi)部表面被快速加熱到等離子體的溫度，且沒有 被冷卻。因?yàn)榇嬖诘窖由靽娮斓淖钚〉臒崃可l(fā)，沿外圍流動的等離子體的溫度升高。因 為熱量從等離子體流的中心轉(zhuǎn)移到外圍，所以熱量沒有被轉(zhuǎn)移到裝置的結(jié)構(gòu)元件。而且，在 延伸通道18中，等離子體流的中心沒有被電弧加熱，因?yàn)樵撾娀≡陉枠O處已經(jīng)終止。因此， 當(dāng)?shù)入x子體流離開延伸通道出口 55時，其將具有如圖IlA所示的大致均勻的溫度和能量密度分布。圖IlB示出，大致均勻的溫度和能量密度分布導(dǎo)致了等離子體對被治療組織的大 致均勻的效果。延伸噴嘴的第二可選效果是生成臭氧和氧化氮。在一些國家中，已經(jīng)認(rèn)識到臭氧 呈現(xiàn)出對醫(yī)學(xué)有用的一些性質(zhì)，例如其抗菌效果。但是，在其他國家中，臭氧的益處還沒有 被認(rèn)識到。但是，本領(lǐng)域已公知，可通過放電、高溫和暴露到高能電磁輻射下由氧氣形成臭 氧。當(dāng)O2分子被引入等離子體流時，在一個或多個以上條件的影響下，一些O2分子將會被 分解成氧原子，然后再與O2分子重新組合以形成臭氧(O3)。在一些實(shí)施例中，裝置生成臭氧，然而在其他實(shí)施例中，裝置不生成臭氧。可通過 兩種方式控制臭氧的生成。首先，通過減小直徑或者甚至完全消除攜氧氣體入口，可控制攜 氧氣體的入口。圖12A示出了具有較小直徑的入口 16的延伸噴嘴15。圖12B示出了完全 沒有攜氧入口的延伸噴嘴15。其次，可以減小延伸通道18的長度，從而進(jìn)入入口的氧氣沒 有時間經(jīng)歷生成臭氧所需的反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)理解，通過使用控制臭氧的生成的這些方式中的一 種或兩種，由裝置200生成的臭氧的量可以增大、減少、或者甚至完全被消除。類似的，以同 樣的方式控制氧化氮的生成。與生成臭氧和氧化氮的以下討論假設(shè)延伸噴嘴15具有一個 或更多個攜帶氧和氮的氣體入口 16。
轉(zhuǎn)到導(dǎo)致生成臭氧的那些過程，等離子體流在穿過等離子體通道之后進(jìn)入延伸噴 嘴15。延伸通道中的等離子體流的溫度優(yōu)選地降到3-12° kK。在操作過程中，當(dāng)?shù)入x子 體流經(jīng)過攜氧氣體入口 16時，將在那些入口 16中產(chǎn)生吸收效果，而這導(dǎo)致如空氣的攜氧氣 體被拉進(jìn)延伸通道18。在延伸通道中，空氣的比例，以體積來計，優(yōu)選地處于5-25%的范圍 內(nèi)。眾所周知，以體積來計，空氣中包含大約21 %的O2氧氣，并且因此，以體積來計，延伸通 道中的O2比例優(yōu)選地處于1-5%的范圍內(nèi)。一些氧氣分子將被分解成原子，然后再與O2氧 氣分子重新組合，或者有時與其他分解的氧氣原子重新組合，以在以下兩種因素的影響下 形成臭氧(1)以具有較高能量的電子撞擊O2分子，以及(2)由于等離子體生成氣體分子、 電子和其他微粒的發(fā)射的原因而來自等離子體通道的紫外線輻射。依據(jù)以下化學(xué)反應(yīng)形成 臭氧分子e+02 — 0+CT ；e+02 — 0+0+e ；以及e+02+M —03+M，其中M可以是任意反應(yīng)微粒，如惰性氣體分子，例如氬氣。將攜帶氧和氮的氣體引入等離子體流的另一效果是在延伸通道18中生成氧化氮 (NO)。NO的各種治療效果以及其生成方法在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并已為一些國家所認(rèn) 識。例如，美國專利No. 5，396，882公開了通過將空氣引入電弧腔來產(chǎn)生NO的系統(tǒng)和方法。 同樣的，具有擴(kuò)展模塊的裝置的實(shí)施例為產(chǎn)生NO創(chuàng)造了條件。將例如空氣的攜帶氧和氮的 氣體引入等離子體流創(chuàng)造了用于在擴(kuò)展通道18中合成NO的最佳條件。如上所述，陽極出 口處的等離子體的溫度處于3° -12° kK的范圍內(nèi)。該溫度對于在與臭氧產(chǎn)生同時在具有 空氣分子的等離子體流中出現(xiàn)以下化學(xué)反應(yīng)是足夠高的N2+02 — 2N0-180. 9kJ在一些實(shí)施例中，空氣、氧氣或者這兩者的比例可以變化。例如，在一些實(shí)施例中， 富含氧氣的空氣可以被提供給攜氧氣體入口 16。在其他實(shí)施例中，提供給攜氧氣體入口 16的空氣可以被加壓，從而導(dǎo)致等離子體中的更高濃度的空氣。在一些其他實(shí)施例中，可以使用以上兩種方法的結(jié)合。除了輸出等離子體，并且在一些實(shí)施例中輸出臭氧和氧化氮之外，由于來自等離 子體通道的加熱部分中的高溫等離子體的輻射，裝置也發(fā)射光。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和在例如美國公 開申請No. 2003004556中公開了，具有從大約300nm到大約1600nm的主導(dǎo)發(fā)射波長的脈沖 光(其中脈沖的持續(xù)時間處于1飛秒至100秒的范圍內(nèi))具有各種治療效果。其中，已經(jīng) 表明，利用這樣的脈沖光有益于治療毛發(fā)、表皮、皮下血管和許多其他器官。美國公開申請 No. 2003004556公開了用于生成具有所需特性的脈沖光的各種裝置和方法。如上所述，加熱部分中的等離子體溫度優(yōu)選在8-18° kK之間。在這一溫度范圍 內(nèi)，等離子體流發(fā)射具有從大約400nm到大約850nm的主導(dǎo)發(fā)射波長的光。圖13示出了距 離出口 55大約3mm處的光302的譜分布，以及距離出口 55大約50mm處的光304的光譜分 布。圖13示出了以下譜分布200-350nm-2% ；350-400nm-5% ；400-650nm-62% ；650-750nm-15% ；750-850nm_14% ；以及850-1400nm_2%。因此，裝置200可用于脈沖光治療以及其他用途。注意，在脈沖的工作時段期間， 通過調(diào)節(jié)通過等離子體流的電流的幅值可以容易地改變所發(fā)射光的譜中較短波長與較長 波長之比。通過增大電流，大約相同量的能量被用于等離子體生成，但是多得多的能量被用 于光發(fā)射。對于治療患者而言，裝置可被安全和有效地使用，而不需要在每次脈沖之后從被 治療的組織移除(一些現(xiàn)有的裝置必須進(jìn)行這一步)。因此，可以自動生成具有較高頻率的 等離子體脈沖。對于每次脈沖而言，通過首先經(jīng)過火花放電和輝光放電階段、然后在電弧放 電階段由電弧加熱等離子體生成氣體來生成新的等離子體流。一旦建立等離子體流，其就 將通過擴(kuò)展部分、然后陽極部分、再然后延伸通道而在等離子體通道中擴(kuò)展。如上所述，在 延伸通道中，等離子體流的熱和能量密度分布被改變?yōu)樵谘由焱ǖ赖臋M截面上大致均勻。 在脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，具有更改后的熱能分布的擴(kuò)展的等離子體流被安全地施加到患者的 皮膚。在脈沖末期，等離子體流完全停止。該過程可以反復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)出了希望數(shù)量的脈 沖為止。除等離子體脈沖帶來的好處外，所產(chǎn)生的光輻射為治療皮膚以及皮下器官(例如 真皮和血管)也提供了裨益。雜質(zhì)被從被治療的皮膚的表面除去。除去雜質(zhì)不必與脈沖同步，而可以是連續(xù)的 操作。此外，為了附加的有益效果，可以將臭氧混合到施加到患者皮膚的等離子體流之中。 如上所述，在延伸部分的入口引入攜氧氣體導(dǎo)致了在等離子體流中形成臭氧分子。重要的是，在將等離子體脈沖施加到皮膚之后，等離子體流完全終止，直到下一次 脈沖為止。在關(guān)斷時段中，等離子體并未施加到患者的皮膚，而患者僅僅受到冷卻的等離子 體生成氣體的無害氣流以及雜質(zhì)泵的真空吸收的影響。因此，使用該裝置的操作者不會冒 產(chǎn)生與在關(guān)斷時段中從患者皮膚上移除裝置有關(guān)的失誤以及嘗試將該裝置正確地重新定位以繼續(xù)治療的風(fēng)險。這樣大大提高了流程的安全性和持續(xù)時間。 已為說明和描述的目的而提供了對本發(fā)明的實(shí)施例的前述描述。這些描述本意不 是窮舉性的，也不欲將本發(fā)明限制于所公開的精確形式。對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，許多更改 和變化是顯而易見的。為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用而選擇和描述了這些實(shí) 施例，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明?？梢栽O(shè)想適于特定應(yīng)用的不同實(shí)施 例和變型。本意是本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
一種用于生成等離子體脈沖的裝置，包括a.陽極；b.包括(i)一個或多個陰極和(ii)陰極支持部的陰極組件；c.等離子體通道，其在所述陰極組件之間縱向延伸并經(jīng)過所述陽極，并且具有在所述陽極的末端開口的出口，一部分所述等離子體通道由兩個或更多個彼此電絕緣且與陽極電絕緣的中間電極形成，所述等離子體通道包括最接近所述陰極組件的加熱部分、陽極部分和在所述加熱部分和所述陽極部分之間的擴(kuò)展部分，所述擴(kuò)展部分具有兩個或更多個段，其中所述擴(kuò)展部分的每個相繼的段的直徑朝所述陽極增大；以及d.延伸噴嘴，其連接到等離子體通道的所述陽極的末端并形成延伸通道，該延伸通道具有覆蓋所述延伸通道的內(nèi)部表面的一部分的管狀絕緣體。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括等離子體腔。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述陰極組件包括兩個或更多個陰極。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述擴(kuò)展部分的段(i)具有大于在所述陰極組件的 方向上的鄰近段的直徑不超過0.6mm的直徑且(ii)具有等于或大于其直徑的長度。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中最接近所述陰極組件的所述擴(kuò)展部分的段(i)具有 大于加熱部分的直徑不超過0.6mm的直徑且(ii)具有等于或大于其直徑的長度。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中a.所述加熱部分的直徑是1.0-1. 5mm ；以及b.形成所述加熱部分的電極的長度是所述加熱部分的直徑的1.0-2. 0倍。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中a.所述陽極部分的直徑大于最接近所述陽極的所述擴(kuò)展部分的段的直徑不超過 0. 6mm ；以及b.所述陽極部分的長度是其直徑的2.0-5.0倍。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中i.所述管狀絕緣體元件的內(nèi)直徑是所述陽極部分的直徑的1. 0-1. 3倍；以及ii.所述延伸通道的長度是所述管狀絕緣體的內(nèi)直徑的2. 0-3. 0倍。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述擴(kuò)展部分的兩個鄰近段的部分由一個中間電極 形成。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述擴(kuò)展部分的至少一個段由單個中間電極形成。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括一個或多個吸收通道。
12.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述延伸噴嘴具有到所述延伸通道的一個或多個 攜氧氣體入口。
13.一種使用等離子體脈沖治療組織的方法，包括反復(fù)地a.生成等離子體流；b.將所述等離子體流擴(kuò)展到預(yù)定橫截面；c.改變所述擴(kuò)展的等離子體流的熱和能量密度分布，使得該分布在橫截面中是大致均 勻的；d.將所得的等離子體流施加到被治療的組織；以及e.之后停止所述等離子體流。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中每次脈沖的能量密度小于或等于5-500J/cm2。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括從所治療的組織中移除異物。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將光施加到所治療的組織上。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述光具有400-850nm的主導(dǎo)發(fā)射波長。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括將攜氧氣體引入所述等離子體流。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中施加到所述所治療的組織的所述等離子體流包括 臭氧微粒。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述攜氧氣體是空氣。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述所治療的組織是皮膚。
全文摘要
公開了生成真實(shí)脈沖等離子體流的裝置和方法。該裝置包括包含陰極和陰極支持部的陰極組件、陽極和兩個或更多個中間電極，該陽極和中間電極形成向陽極擴(kuò)展的等離子體通道。該最接近陰極的中間電極可以形成圍繞陰極尖端的等離子體腔。形成延伸通道的延伸噴嘴被固定到到裝置的陽極末端，該延伸通道沿其內(nèi)表面的至少一部分具有管狀絕緣體。在操作中，電壓施加在陰極和陽極之間，且電流通過陰極、等離子體和陽極。選擇電壓和電流特性(profile)來引起具有所要求的特性的等離子體流快速形成。在延伸噴嘴中實(shí)現(xiàn)等離子體脈沖的大致均勻的溫度和功率密度分布。此外，在生成等離子體脈沖過程中，在延伸噴嘴中可以生成臭氧。
文檔編號H05H1/24GK101828432SQ200780100857
公開日2010年9月8日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者尼克雷·薩斯洛夫 申請人:普拉斯馬外科投資有限公司