JP2010536123A - Pulse plasma apparatus and method for generating pulsed plasma - Google Patents
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Abstract
真にパルス状のプラズマ流を生成する装置および方法が開示される。装置は、カソードおよびカソードホルダーを備えるカソード組立体と、アノードと、2つ以上の中間電極とを含み、アノードおよび中間電極がアノードの方へ広がるプラズマチャンネルを形成する。カソードに最も接近した中間電極はカソード先端部の周りにプラズマチャンバを形成する。内面の少なくとも一部分に沿って管状絶縁体を有する延長チャンネルを形成する延長ノズルは装置のアノード端部に取り付けられる。動作中に、電圧がカソードとアノードとの間に印加され、電流がカソード、プラズマ、および、アノードを通過させられる。電圧プロファイルおよび電流プロファイルは、所要の特性をもつプラズマ流の急速な発生を引き起こすように選択される。プラズマパルスの実質的に一様な温度および電力密度分布が延長ノズルの中で実現される。さらに、オゾンがプラズマパルスの生成中に延長ノズルの中に生成されることがある。
【選択図】図2AAn apparatus and method for generating a truly pulsed plasma stream is disclosed. The apparatus includes a cathode assembly comprising a cathode and a cathode holder, an anode, and two or more intermediate electrodes, forming a plasma channel in which the anode and the intermediate electrodes extend toward the anode. The intermediate electrode closest to the cathode forms a plasma chamber around the cathode tip. An extension nozzle that forms an extension channel with a tubular insulator along at least a portion of the inner surface is attached to the anode end of the device. In operation, a voltage is applied between the cathode and anode, and current is passed through the cathode, plasma, and anode. The voltage profile and current profile are selected to cause a rapid generation of a plasma flow with the required characteristics. A substantially uniform temperature and power density distribution of the plasma pulse is achieved in the extension nozzle. Furthermore, ozone may be generated in the extension nozzle during the generation of the plasma pulse.
[Selection] Figure 2A
Description
本発明は、プラズマ生成装置に関し、特に、純粋なプラズマを必要とする用途のためのパルスプラズマを生成するプラズマ生成装置および方法に関する。 The present invention relates to a plasma generation apparatus, and more particularly to a plasma generation apparatus and method for generating pulsed plasma for applications that require pure plasma.
プラズマ生成装置は多くの分野で重要な役割を果たす。例えば、プラズマは、テレビジョンセットおよびコンピュータモニタのようなディスプレイと、分光写真術と、コーティングのようなスプレー用途と、医療とにおいて使用される。 Plasma generators play an important role in many fields. For example, plasmas are used in displays such as television sets and computer monitors, spectrophotography, spray applications such as coatings, and medicine.
プラズマが組織の切除、凝固および気化のため医療分野で効果的に使用できることは周知である。最良の結果のため、生成されたプラズマは、速度、温度、エネルギー密度などの正確な特性を有することが必要である。好ましくは、医療用途のため用いられるプラズマは純粋でなければならない。換言すると、プラズマは、イオン化プラズマ生成ガスの粒子だけを含有し、動作中にプラズマ生成装置の様々な部分から分離された材料のようなその他の粒子を含有すべきでない。 It is well known that plasma can be used effectively in the medical field for tissue ablation, coagulation and vaporization. For best results, the generated plasma needs to have accurate characteristics such as speed, temperature, energy density and the like. Preferably, the plasma used for medical applications should be pure. In other words, the plasma contains only particles of the ionized plasma generating gas and should not contain other particles such as materials that are separated from various parts of the plasma generating device during operation.
最近、組織治療、特に、皮膚治療のためプラズマを使用することが試みられている。プラズマは、皮表と接触したとき、特に、プラズマが皮膚の表面に作り出す温度上昇に依存して、種々の影響を及ぼす。例えば、温度を約35ないし38℃上昇させると除皺効果がある。温度を約70℃上昇させると、表皮層が除去され、美容整形手術において役に立つことがある。組織の切除、凝固および気化に適した連続的なプラズマ流は、一般にその他のタイプの組織治療向きではなく、特に、皮膚治療向きでないことが認められている。その代わりに、連続的なプラズマ流を使用することから生じることになる望ましくない皮膚損傷を避けるため、パルスプラズマが使用される。この目的のため使用される2つのタイプの装置が現在公知である。 Recently, attempts have been made to use plasma for tissue treatment, particularly skin treatment. The plasma has various effects when in contact with the skin surface, particularly depending on the temperature rise that the plasma creates on the surface of the skin. For example, if the temperature is raised by about 35 to 38 ° C., there is an effect of removing wrinkles. Increasing the temperature by about 70 ° C removes the epidermis and may be useful in cosmetic surgery. It has been found that a continuous plasma flow suitable for tissue ablation, coagulation and vaporization is generally not suitable for other types of tissue treatment, and in particular not for skin treatment. Instead, pulsed plasma is used to avoid undesirable skin damage that would result from using a continuous plasma flow. Two types of devices used for this purpose are currently known.
特許文献1に開示された装置は、第1のタイプの例である。このタイプの装置では、プラズマは、窒素のようなプラズマ生成ガスに交番磁界を通過させることにより生成される。交番磁界はガスの中で自由電子の速い運動を生み出す。素早く運動する電子はガス原子からの他の電子を叩き出し、いわゆる電子なだれを形成し、この電子なだれが次にコロナ放電を引き起こす。電界をパルス状に印加することにより、パルスコロナ放電が生成される。数ある中でパルスコロナ放電を生成するこの方法の利点は、(1)流れの中に不純物が存在しないこと、および、(2)真にパルス状の流れの生成を可能にさせる短い開始時間である。本開示の目的のため、真にパルス状の流れとは、パルスのオフ期間中に完全に止まる流れを表す。
The apparatus disclosed in
第1のタイプの装置および方法の欠点は、生成されたコロナ放電が約2000℃という一定の最高温度を有することである。装置の中で形成されたコロナ放電は決して高温プラズマにならない。このタイプの装置による皮膚治療中にコラーゲンを変性させるため必要とされる1ないし4ジュールのエネルギーを得るため、プラズマ生成ガス流の速度は比較的高くしなければならない。例えば、このような装置においてアルゴンを使用すると、所要のエネルギーを得るために毎分約20リットルの流れを必要とする。それほどの流速は皮膚治療のため実行不可能である。窒素がプラズマを生成するため使用されるとき、所要のエネルギーは僅かに毎分約5リットルの流速で得ることが可能であるが、この速度であっても患者に不快感を引き起こす。したがって、第1のタイプの装置の用途は、コロナ放電を引き起こすことができる電気的放電プロセスの性質によって制限される。 The disadvantage of the first type of apparatus and method is that the generated corona discharge has a constant maximum temperature of about 2000 ° C. The corona discharge formed in the device never becomes a hot plasma. In order to obtain the 1 to 4 joules of energy required to denature collagen during skin treatment with this type of device, the velocity of the plasma-generated gas flow must be relatively high. For example, using argon in such an apparatus requires a flow of about 20 liters per minute to obtain the required energy. Such a flow rate is not feasible due to skin treatment. When nitrogen is used to generate a plasma, the required energy can be obtained at a flow rate of only about 5 liters per minute, but even this rate causes discomfort to the patient. Thus, the application of the first type of device is limited by the nature of the electrical discharge process that can cause a corona discharge.
第2のタイプの装置は、カソードとプラズマチャンネルを形成するアノードとの間に作られた電気アークによって、プラズマチャンネルを通過するプラズマ生成ガスの流れを加熱することによりプラズマを生成する。第2のタイプの装置の例は特許文献2に開示されている。特許文献2の開示によれば、プラズマ生成ガス、好ましくは、アルゴンがプラズマチャンネルを横断するとき、パルスDC電圧がアノードとカソードとの間に印加される。所定の一定バイアス電圧がパルスDC電圧に付加されてもよく、または、付加されなくてもよい。電圧パルスの間に、プラズマ生成ガスの中の自由電子の個数が増加し、プラズマの抵抗の減少と、プラズマの中を流れる電流の指数関数的増加とをもたらす。オフ期間中に、プラズマ生成ガスの中の自由電子の個数は減少し、プラズマの抵抗の増加と、プラズマの中を流れる電流の指数関数的減少とをもたらす。電流はオフ期間中に比較的低いが、電流は決して完全に消滅しない。スタンバイ電流と呼ばれるこの低電流は、真にパルス状の流れが生成されないので望ましくない。オフ期間中に、連続的な低電力プラズマ流が維持される。本質的に、装置はパルスプラズマを生成するのではなく、パルスと呼ばれる電力スパイクを伴う連続的なプラズマ流を生成し、それによって、パルスプラズマを模擬する。オフ期間はパルスより実質的に長いため、装置はオフ期間中にかなりの量のエネルギーを出力し、したがって、装置は真にパルス状のプラズマ流を必要とする用途のために効果的に利用されることができない。例えば、装置が皮膚治療のため使用されるならば、皮膚にはオフ期間中に低電力プラズマが照射されないようにするために、装置は各パルスの後に皮膚表面から離されるべきであるかもしれない。このことは装置の有用性を損ねる。 A second type of device generates plasma by heating a flow of plasma-generating gas that passes through the plasma channel by an electric arc created between the cathode and the anode that forms the plasma channel. An example of the second type of device is disclosed in US Pat. According to the disclosure of U.S. Pat. No. 6,057,049, a pulsed DC voltage is applied between the anode and cathode when a plasma generating gas, preferably argon, traverses the plasma channel. A predetermined constant bias voltage may or may not be added to the pulsed DC voltage. During the voltage pulse, the number of free electrons in the plasma generating gas increases, resulting in a decrease in the resistance of the plasma and an exponential increase in the current flowing in the plasma. During the off period, the number of free electrons in the plasma product gas decreases, resulting in an increase in plasma resistance and an exponential decrease in the current flowing through the plasma. The current is relatively low during the off period, but the current never disappears completely. This low current, called standby current, is undesirable because no truly pulsed flow is generated. During the off period, a continuous low power plasma flow is maintained. In essence, the device does not generate a pulsed plasma, but generates a continuous plasma flow with power spikes called pulses, thereby simulating the pulsed plasma. Since the off period is substantially longer than the pulse, the device outputs a significant amount of energy during the off period, and therefore the device is effectively utilized for applications that require a truly pulsed plasma flow. I can't. For example, if the device is used for skin treatment, the device may be separated from the skin surface after each pulse so that the skin is not exposed to low power plasma during the off period . This detracts from the usefulness of the device.
プラズマの中を通る電流をパルスとパルスの間に零まで減少させ、プラズマのパルス毎に装置を再起動することは、特許文献2に開示された装置を使用するときに実用的でない。パルス毎に装置を再起動することは、カソード・アーク・アタッチメントが十分に制御されることの保証がなく、カソードの中を高電流が通過する結果として、カソードの急速な破壊をもたらす。 Reducing the current through the plasma to zero between pulses and restarting the device with each plasma pulse is not practical when using the device disclosed in US Pat. Restarting the device after each pulse does not guarantee that the cathode arc attachment is well controlled and results in rapid destruction of the cathode as a result of high current passing through the cathode.
特許文献2に開示された装置、および、現在公知であるこのタイプのその他の装置が、患者に安全に使用することができる真にパルス状のプラズマ流を生成する能力をもたないことは、装置の構成が原因である。オフ期間後にプラズマ流の段階に達するまでに数ミリ秒を要する。この数ミリ秒の間に、プラズマ特性は容易に制御されないので、装置は患者に使用できない。さらに、このタイプの装置が起動するとき、スパッタリングに起因して何らかの電極の腐食がある。この腐食はプラズマの中で流れる分離された電極材料を生じる。連続的なプラズマ流が使用されるとき、起動と起動に付随した不純物とは1回の治療につき1回しか発生しないので、起動不純物は比較的重要でない欠点である。したがって、装置が実際の治療を開始する前に電極材料が装置から抜け出るための始動後の数秒間を待つことが可能である。しかし、パルスプラズマ流を使用するとき、不純物が装置から抜け出ることを待つことは現実的でない。なぜならば、待ち時間が終了する前にプラズマの次のパルスが生成されなければならないからである。 The device disclosed in US Pat. No. 6,057,056 and other devices of this type that are now known do not have the ability to generate a truly pulsed plasma stream that can be safely used by patients. This is due to the configuration of the device. It takes several milliseconds to reach the plasma flow stage after the off period. During this few milliseconds, the device cannot be used on the patient because the plasma properties are not easily controlled. In addition, when this type of device starts up, there is some electrode corrosion due to sputtering. This corrosion results in a separate electrode material that flows in the plasma. When a continuous plasma flow is used, activation impurities are a relatively unimportant drawback because activation and associated impurities occur only once per treatment. Thus, it is possible to wait a few seconds after startup for the electrode material to exit the device before the device begins the actual treatment. However, when using a pulsed plasma flow, it is not practical to wait for impurities to escape from the device. This is because the next pulse of plasma must be generated before the waiting time is over.
プラズマ流が予め作り出されているとき、プラズマ流の中の電流を増加または減少させるためにはほんの数マイクロ秒しか要しない。さらに、始動がないので、不純物がプラズマ流に入ることはなく、カソードにストレスがない。しかし、低電流であっても、プラズマの中を通る低電流を連続的に維持することは、上述されているように、真にパルス状のプラズマ流を必要とするいくつかの用途に関して、最適状態な装置とはいえない。 When the plasma stream is pre-created, it takes only a few microseconds to increase or decrease the current in the plasma stream. Furthermore, since there is no start up, impurities do not enter the plasma flow and the cathode is not stressed. However, maintaining a low current through the plasma continuously, even at low currents, is optimal for some applications that require a truly pulsed plasma flow, as described above. It is not a state device.
プラズマ生成ガスを電気アークで加熱することによって真にパルス状のプラズマ流を生成することの困難性は主として電極で起こるプロセスの性質が原因である。一般に、そして、特に医療用途にとって、電流が急速に増加するとき、アノードおよびカソードの腐食がない動作を保証することが重要である。急速な電流増加中に、カソードの温度は低く、後続のパルスの繰り返しの間に容易に制御されないことがある。カソードとアノードとの間で電気アークを生成するとき、カソードへのアークのアタッチメントの領域はカソードの初期温度に大きく依存する。カソードが冷たいとき、アタッチメントの領域は比較的小さい。数パルス後に、カソードの温度は上昇するので、急速な電流増加の期間中に、アタッチメントの領域はカソードの表面領域全体に拡大し、そして、カソードホルダーにまで拡大する。これらの状況下で、カソードの電位は変動し始め、カソード腐食が始まる。さらに、電気アークのアタッチメントの領域がカソードホルダーに達するならば、カソードホルダーが溶け始め、望ましくない不純物をプラズマ流に取り込む。 The difficulty of generating a truly pulsed plasma stream by heating the plasma generating gas with an electric arc is mainly due to the nature of the process occurring at the electrodes. In general, and especially for medical applications, it is important to ensure operation without erosion of the anode and cathode when the current increases rapidly. During rapid current increases, the cathode temperature is low and may not be easily controlled during the repetition of subsequent pulses. When creating an electric arc between the cathode and anode, the area of attachment of the arc to the cathode is highly dependent on the initial temperature of the cathode. When the cathode is cold, the area of attachment is relatively small. After a few pulses, the temperature of the cathode rises so that during the period of rapid current increase, the attachment area expands to the entire surface area of the cathode and then to the cathode holder. Under these circumstances, the cathode potential begins to fluctuate and cathodic corrosion begins. Furthermore, if the area of attachment of the electric arc reaches the cathode holder, the cathode holder begins to melt and introduces unwanted impurities into the plasma stream.
同様の状況がアノードの表面で起こる。アークの中の電流が急速に増加するとき、プラズマ流には高温に達するための十分な時間がない。その結果として、アノード表面に接近したプラズマの濃度は低い。このことは、アノードの電位の低下、および、カソードの激しい腐食を引き起こす電位の変動の原因となる。カソードおよびアノードの電位の変動は、不安定で、かつ、容易に制御されないパルスプラズマ流のエネルギーの原因となる。 A similar situation occurs at the surface of the anode. When the current in the arc increases rapidly, the plasma flow does not have enough time to reach high temperatures. As a result, the plasma concentration close to the anode surface is low. This causes a decrease in anode potential and potential variations that cause severe corrosion of the cathode. Variations in the cathode and anode potentials cause the energy of the pulsed plasma flow to be unstable and not easily controlled.
カソードが適切に機能するため、プラズマの各パルスにおける急速な電流増加の期間中にカソード表面への電気アークのアタッチメントの領域の正確な位置およびサイズを制御することが必要である。また、アノードの適切な機能のため、パルスの動作期間の間と共に急速な電流増加の間にアノードの表面で加熱されたプラズマの流れを作ることが必要である。 In order for the cathode to function properly, it is necessary to control the exact location and size of the region of attachment of the electric arc to the cathode surface during the period of rapid current increase in each pulse of the plasma. Also, for proper functioning of the anode, it is necessary to create a heated plasma flow at the surface of the anode during the period of pulse operation as well as during rapid current increases.
特に医療用途のための、真にパルス状のプラズマを生成することは、いくつかの付加的な問題を引き起こす。第1に、上述されているように、プラズマは、純粋であり、電極材料またはその他の不純物を少しも含まないことが必要である。第2に、プラズマの生成されたパルスの特性は制御されることが必要である。最初に、パルスの持続期間、電圧および電流を制御することにより、パルスによって転送されたエネルギーを制御できる。皮膚治療のようないくつかの用途では、パルスに転換されたエネルギーを単に制御するだけでは十分でなく、エネルギーおよび温度は治療される部位全体に実質的に一様に分布させられるべきである。 Generating a truly pulsed plasma, especially for medical applications, causes several additional problems. First, as described above, the plasma needs to be pure and free of any electrode material or other impurities. Secondly, the characteristics of the generated pulses of the plasma need to be controlled. Initially, the energy transferred by the pulse can be controlled by controlling the duration, voltage and current of the pulse. In some applications, such as skin treatment, it is not sufficient to simply control the energy converted into pulses, and the energy and temperature should be distributed substantially uniformly throughout the area to be treated.
したがって、現在、最小限の量の不純物を含む真にパルス状のプラズマを生成し、各パルスに転換されたエネルギーを治療部位全体に実質的に一様に分布させることにより、現在公知である装置の制限を克服する装置の必要性がある。さらに、装置が場合によってはオゾンを治療表面に供給できることと、治療表面から流体およびその他の異物を取り除くことができることとを必要とする用途があるかもしれない。 Thus, currently known devices by generating a truly pulsed plasma containing a minimal amount of impurities and distributing the energy converted into each pulse substantially uniformly throughout the treatment site. There is a need for a device that overcomes these limitations. In addition, there may be applications that require the device to possibly be able to supply ozone to the treatment surface and to be able to remove fluids and other foreign objects from the treatment surface.
図面に示されているように本発明のパルスプラズマ装置は、カソードホルダーに取り付けられた1つ以上のカソードを含むカソード組立体と、アノードと、2つ以上の中間電極とを備える。アノードおよび中間電極はプラズマチャンネルを形成する。カソードに最も接近した中間電極はアノードに最も接近したカソード端部の周りにプラズマチャンバをさらに形成する。プラズマチャンネルは、加熱部分と、拡大部分と、アノード部分との3つの部分を備える。拡大部分は2つ以上の拡大セクションを有する。拡大部分の1つずつの連続するセクションの径はアノードに向かって増大する。アノード部分は、アノードに最も接近した拡大部分の径より大きい径を有する。カソードホルダーは、カソードの変位を阻止し、好ましくは、カソードを装置の軸に平行に保ち、よって、カソードの角変位を阻止する。 As shown in the drawings, the pulsed plasma apparatus of the present invention comprises a cathode assembly including one or more cathodes attached to a cathode holder, an anode, and two or more intermediate electrodes. The anode and intermediate electrode form a plasma channel. The intermediate electrode closest to the cathode further forms a plasma chamber around the cathode end closest to the anode. The plasma channel comprises three parts: a heating part, an enlarged part and an anode part. The enlarged portion has two or more enlarged sections. The diameter of each successive section of the enlarged portion increases towards the anode. The anode portion has a diameter that is greater than the diameter of the enlarged portion closest to the anode. The cathode holder prevents cathode displacement, and preferably keeps the cathode parallel to the axis of the device, thus preventing angular displacement of the cathode.
延長ノズルは装置のアノード端部に取り付けられる。延長ノズルはプラズマチャンネルに接続された延長チャンネルを形成する。管状絶縁体要素は延長チャンネルの内面の長手方向部分を覆う。さらに、いくつかの実施形態では、延長ノズルは1つ以上の酸素運搬ガス入口を有する。 The extension nozzle is attached to the anode end of the device. The extension nozzle forms an extension channel connected to the plasma channel. The tubular insulator element covers the longitudinal portion of the inner surface of the extension channel. Further, in some embodiments, the extension nozzle has one or more oxygen carrying gas inlets.
動作中に、真にパルス状のプラズマが装置によって生成される。各パルスに対し、プラズマは、スパーク放電、グロー放電、およびアーク放電の3つの段階を経る。例示的な実施形態では、スパーク放電は、カソードとアノードとの間に高周波、高振幅の電圧波を印加することにより作り出される。スパーク放電がカソードとアノードとの間で作り出された後、好ましくは過渡的な電圧がカソードとアノードとの間に印加され、電流がカソード、プラズマ生成ガス、および、アノードを通過させられ、グロー放電の生成という結果になる。グロー放電の終わりに、カソード端部が十分に加熱されると、カソードとアノードとの間の電圧が低下し、カソード熱イオン電子放出の始まりおよびアーク放電段階の始まりを特徴付ける。アーク放電段階が始まると、プラズマは組立体の中の全カソードに付着させられる。電流はのプラズマアタッチメントの領域を単一のカソードへと減少させるため低減される。次に、低減された電流がある期間維持された後に、電流が動作レベルまで増加される。所定のパルスの持続期間の後に、電圧および電流の両方がオフ期間中に零に設定される。このプロセスはパルス毎に繰り返される。 During operation, a truly pulsed plasma is generated by the device. For each pulse, the plasma goes through three stages: a spark discharge, a glow discharge, and an arc discharge. In an exemplary embodiment, the spark discharge is created by applying a high frequency, high amplitude voltage wave between the cathode and anode. After a spark discharge has been created between the cathode and anode, preferably a transient voltage is applied between the cathode and anode, and current is passed through the cathode, plasma generating gas, and anode to produce a glow discharge. Result in the generation of. At the end of the glow discharge, when the cathode end is fully heated, the voltage between the cathode and anode drops, characterizing the beginning of cathode thermionic electron emission and the beginning of the arcing phase. When the arcing phase begins, plasma is deposited on all cathodes in the assembly. The current is reduced to reduce the plasma attachment area to a single cathode. Next, after the reduced current is maintained for a period of time, the current is increased to the operating level. After a predetermined pulse duration, both voltage and current are set to zero during the off period. This process is repeated for each pulse.
医療用途にとって、プラズマの中に不純物が存在しないことが重要である。複数のカソードを含むカソード組立体を利用し、制御されたプラズマアタッチメントの領域を有するパルスプラズマを生成することによって、カソードホルダーの表面からのスパッタリングは低減される。 For medical applications it is important that no impurities are present in the plasma. Sputtering from the surface of the cathode holder is reduced by utilizing a cathode assembly that includes a plurality of cathodes and generating a pulsed plasma having a region of controlled plasma attachment.
動作中に、アノードを抜け出るプラズマ流は、本質的に放物線状の温度およびエネルギー密度分布を有する。延長ノズルは、温度およびエネルギー分布を、患者との接触により適したより一様の分布に変換する。延長チャンネルに位置している熱絶縁体は低い熱伝導率をもつ非金属材料製である。プラズマがこの熱絶縁体の中を流れるとき、より冷たいプラズマの層はチャンネルを形成する要素に熱を伝達することなく加熱される。 During operation, the plasma flow exiting the anode has an essentially parabolic temperature and energy density distribution. The extension nozzle converts the temperature and energy distribution into a more uniform distribution that is more suitable for contact with the patient. The thermal insulator located in the extension channel is made of a non-metallic material with low thermal conductivity. As the plasma flows through this thermal insulator, the cooler plasma layer is heated without transferring heat to the elements forming the channel.
さらに、ノズルへの入口通路を有する実施形態では、プラズマ流が延長チャンネルを横断する間に、延長チャンネルは空気のような酸素運搬ガスを流れに吸い込む。延長チャンネルの中のプラズマの高温とプラズマチャンネルから発する放射線との影響で、オゾンが延長チャンネルの中に形成される。有利な効果を有する可能性のあるオゾンの分子は、プラズマと一緒に装置を抜け出し、治療皮膚と接触する。 Further, in embodiments having an inlet passage to the nozzle, the extension channel draws an oxygen carrying gas, such as air, into the flow while the plasma stream traverses the extension channel. Ozone is formed in the extension channel due to the high temperature of the plasma in the extension channel and the radiation emanating from the plasma channel. Ozone molecules that may have an advantageous effect escape the device together with the plasma and come into contact with the treated skin.
一実施形態では、アノードと、(i)1つ以上のカソードおよび(ii)カソードホルダーを含むカソード組立体と、上記カソードと上記アノードとの間に上記アノードを通過して長手方向に延在し、アノード端部に出口開口部を有するプラズマチャンネルであって、上記プラズマチャンネルの一部が互いに電気的に絶縁され、かつ、アノードから電気的に絶縁された2つ以上の中間電極によって形成され、プラズマチャンネルがカソードに最も接近した加熱部分と、アノード部分と、加熱部分とアノード部分との間の拡大部分とを含み、拡大部分がアノードに向かって径が増大する2つ以上のセクションを有し、加熱部分のセクションの最小個数がアノード部分のプラズマチャンネルの径と加熱部分のプラズマチャンネルの径との比率に依存するプラズマチャンネルと、中間電極のうちの1つによって形成され、プラズマチャンネルのカソード端部に接続されたプラズマチャンバと、プラズマチャンネルのアノード端部に接続された延長チャンネルを形成する延長ノズルと、を備えるプラズマのパルスを生成する装置が開示される。 In one embodiment, the anode extends longitudinally through the anode between the cathode and the anode, and (i) a cathode assembly including one or more cathodes and (ii) a cathode holder. A plasma channel having an exit opening at the anode end, wherein a portion of the plasma channel is electrically insulated from each other and formed by two or more intermediate electrodes electrically insulated from the anode; The plasma channel includes a heated portion closest to the cathode, an anode portion, and an enlarged portion between the heated portion and the anode portion, the enlarged portion having two or more sections that increase in diameter toward the anode. The minimum number of sections in the heated part depends on the ratio of the diameter of the plasma channel in the anode part to the diameter of the plasma channel in the heated part. A plasma channel formed by one of the intermediate electrodes and connected to the cathode end of the plasma channel; and an extension nozzle forming an extension channel connected to the anode end of the plasma channel; An apparatus for generating a pulse of plasma comprising is disclosed.
また、各パルスに対し、プラズマ流を生成するステップと、プラズマ流を所定の断面まで拡大するステップと、分布が断面内で実質的に一様であるように、拡大されたプラズマ流の熱エネルギーの分布を変更するステップと、プラズマ流を治療皮膚に当てるステップと、プラズマ流を止めるステップとを備える、プラズマのパルスを使って組織を治療する方法が開示される。 Also, for each pulse, generating a plasma flow, expanding the plasma flow to a predetermined cross-section, and thermal energy of the expanded plasma flow so that the distribution is substantially uniform within the cross-section. Disclosed is a method of treating tissue using a pulse of plasma comprising the steps of: altering the distribution of the plasma, applying a plasma flow to the treatment skin, and stopping the plasma flow.
図1を参照すると、パルスプラズマを生成するシステムは、大まかにコンソール100とハンドピース200とを備える。ハンドピース200は、本明細書中では、装置と呼ばれることがある。コンソール100は、電気、好ましくは、アルゴンであるプラズマ生成ガス、水のような冷却剤、および/または、空気のような酸素運搬ガスなどをハンドピース200に供給する。さらに、コンソール100は、1つ以上の吸引チャンネルを介して、装置200を使って治療される表面から異物を除去するために使用されることがある1台以上のポンプを含んでもよい。コンソール100は、ハンドピース200を作動する制御回路と、公知であるディスプレイおよびコントロール機器で構成されたユーザインターフェイスとを有する。訓練を受けた医療専門家のようなオペレータは、所与の医療処置のためのパラメータにしたがって、コンソール100のコントロール機器を使って装置の動作のモードをプログラムし、次に、所与の処置を実行するためハンドピース200を使用する。本開示の実施形態の説明は医療分野に関係しているが、装置の他の実施形態が医療に関係しないその他の用途のために使用可能であることが理解されるであろう。
Referring to FIG. 1, the system for generating pulsed plasma roughly includes a
図2Aは装置の一実施形態の縦断面図を示している。本実施形態では、ケーシング9は装置の外側を形成する。好ましくは、装置200は円筒型であり、全要素が環状であり、かつ、装置の軸50に対して同軸上に配置されている。しかし、いくつかの実施形態では、装置は円筒型でなくてもよく、異なる内部または外部幾何構造が使用されることがある。図2Aに示された装置の実施形態は、アノード1と、好ましくは、ランタンを含有するタングステンで作られ、カソードホルダー6に配置された1つ以上のカソード5a、5b、5cとを備える。カソードホルダー6は、装置の軸50からのカソードの望ましくない角変位を防止する。カソードホルダー6は、好ましくは、高い導電率をもつ金属製のロッドである導体7の一部分をさらに保持する。製造中にカソード組立体のコンポーネントを一緒にかしめることは、軸50に沿ったカソードの変位を阻止する1つの手段である。好ましい実施形態では、カソード5a、5b、5cと、カソードホルダー6と、導電体7とによって構成されたカソード組立体全体は、カソード5a、5b、5cのあらゆる運動を阻止するため、装置200の内側に緊密に嵌合される。
FIG. 2A shows a longitudinal section of one embodiment of the device. In this embodiment, the
カソード絶縁体11はカソード5a、5b、5cの長手方向部分を取り囲む。カソード絶縁体11は、一方の端部でアノードに最も接近したカソードホルダーの表面74から、カソードに沿って途中の点まで延在する。カソード絶縁体11は、カソード5a、5b、5cの熱絶縁と電気絶縁の両方を提供する材料で作られる。導電体7は電位をカソード5a、5b、5cに供給するため使用される。カソード5a、5b、5cは電気的に接続され、常に同じ電位を有する。絶縁体要素8は、図2Aに示されているように、導体7とカソードホルダー6の一部分とを取り囲む。絶縁体要素8は導体7を電気的に絶縁し、好ましくは、ビニール製である。動作中に、通路72は、コンソール100から絶縁体8に沿ったプラズマ生成ガスの流れを可能にする。ガスは、次に、絶縁体8と分水器10との間の空間54に沿って流れる。その後、ガスはカソードホルダー6の溝56の中を流れ、次に、カソード5a、5b、5cに沿って、カソード絶縁体11の内側を流れる。
The
好ましい実施形態では、カソード組立体は図4に示されたものでもよい。簡単に説明すると、カソード組立体は2つ以上のカソードを備える。図4に示された好ましい実施形態では、カソード組立体は3つのカソード5a、5b、5cを備える。好ましくは、各カソードの径は0.5mmである。好ましい実施形態では、3つのカソードの組み合わされた径は約1mmである。少なくとも1つのカソードは、カソード組立体のその他のカソードと比べると異なる長さを有する。また、好ましくは、各カソードは組立体内の他のカソードのすべてと異なる長さを有する。最も近い長さを有する2つのカソードの間の長さの差は、好ましくはカソード径と同程度であり、好ましい実施形態では0.5mmである。カソード間の長さの差は、電気アークが付着する傾向がある自然な表面不完全部を作り出す。
In a preferred embodiment, the cathode assembly may be that shown in FIG. Briefly, the cathode assembly comprises two or more cathodes. In the preferred embodiment shown in FIG. 4, the cathode assembly comprises three
代替的な実施形態では、単一のカソードを含むカソード組立体が使用されるかもしれないが、このような実施形態は、限定された個数のパルスだけを必要とする用途に限定される。マイクロチップ製造におけるプラズマパルスによる基板表面の洗浄はこのような用途である。単一のカソードを含むカソード組立体を備えた装置の実施形態は、高々300ないし500個のパルスを生成するため適している。約500個のパルスの後、カソード本体全体の温度は上昇する。これは、アークが開始されたとき、プラズマとカソード表面との間の接触領域の拡大の原因となる。その結果として、プラズマはカソードホルダーと接触する。カソードホルダーが溶け始めると、プラズマは、カソードとカソードホルダーとが接続されている個所でカソードを損傷し、カソードのその箇所に不完全部を作り出す。不完全部が作り出されると、電気アークはカソードの先端部ではなく、その不完全部に付着する傾向があり、パルスプラズマ生成の正常なプロセスを妨害し、装置の動作不安定性を引き起こす。装置が室温まで冷えた後、別の300ないし500個のパルス列を生成できる。したがって、この代替的な実施形態は、約500個を超えない限定された個数のパルスを必要とする用途のため使用されることがある。パルスの最大個数は、アノードに最も接近したカソードの端部をカソードホルダーから遠ざけることによってカソードの長さを増大することにより増大されることがあるが、ほんの少ししか増大されない。 In alternative embodiments, a cathode assembly that includes a single cathode may be used, but such embodiments are limited to applications that require only a limited number of pulses. The cleaning of the substrate surface with plasma pulses in microchip manufacture is such an application. An embodiment of a device with a cathode assembly that includes a single cathode is suitable for generating at most 300 to 500 pulses. After about 500 pulses, the temperature of the entire cathode body rises. This causes an enlargement of the contact area between the plasma and the cathode surface when the arc is initiated. As a result, the plasma contacts the cathode holder. As the cathode holder begins to melt, the plasma damages the cathode where the cathode and cathode holder are connected, creating an imperfection at that location of the cathode. When an imperfection is created, the electric arc tends to adhere to the imperfection of the cathode rather than to the tip of the cathode, interfering with the normal process of pulsed plasma generation and causing device instability. After the device has cooled to room temperature, another 300-500 pulse train can be generated. Thus, this alternative embodiment may be used for applications that require a limited number of pulses not exceeding about 500. The maximum number of pulses may be increased by increasing the cathode length by moving the end of the cathode closest to the anode away from the cathode holder, but only slightly.
代替的に、単一のカソードを使用する装置の実施形態の数百個のパルスの後の動作不安定性の問題を解決するため、カソードは、パルスプラズマに切り替わる前に、連続プラズマモードにおいて「訓練」されることもできる。カソード訓練とは、高DC電流をカソードの中に通す連続プラズマモードにおける装置の動作を表す。最初は、カソードの幾何構造と、いくつかの実施形態では、プラズマチャンバの幾何構造とに起因して、電気アークがカソードの先端部に付着し、十分に長い時間に亘ってDC電流をカソードの先端部の中に通し、表面不完全部をカソードのまさに先端部に作り出す。カソードが「訓練」された後、装置がパルスプラズマモードに切り替えられたとき、電気アークは、「訓練」によって作り出されたカソードの先端部の不完全部に付着する。 Alternatively, to solve the problem of operational instability after hundreds of pulses in the embodiment of the apparatus using a single cathode, the cathode is “trained” in continuous plasma mode before switching to pulsed plasma. Can also be done. Cathode training refers to the operation of the device in a continuous plasma mode in which high DC current is passed through the cathode. Initially, due to the cathode geometry and, in some embodiments, the plasma chamber geometry, an electric arc attaches to the tip of the cathode, and DC current is applied to the cathode for a sufficiently long time. Pass through the tip and create an imperfect surface at the very tip of the cathode. When the device is switched to pulsed plasma mode after the cathode has been “trained”, the electric arc adheres to imperfections in the cathode tip created by “training”.
動作中に、プラズマ生成ガスはコンソール100から装置200へ流れる。プラズマ生成ガスは通路72を経由して装置に入る。プラズマ生成ガスはカソード絶縁体11を通った後、プラズマチャンネル62の中を通過する。この方向はプラズマ流の方向と呼ばれる。プラズマチャンバを備える実施形態では、プラズマ生成ガスは、プラズマチャンネル62に入る前にプラズマチャンバ26を通る。プラズマチャンネル62は、アノード1と2つ以上の中間電極とによって形成される。カソードから最も遠いプラズマチャンネルの端部はプラズマチャンネルのアノード端部と呼ばれ、同様にアノードから最も遠いプラズマチャンネルの端部はプラズマチャンネルのカソード端部と呼ばれる。プラズマチャンネル62はアノード端部に出口を有する。図2Aに示された実施形態では、プラズマチャンネル62は、アノード1と中間電極2、3および4とによって形成される。中間電極4はプラズマチャンバ26をさらに形成する。その他の実施形態では、プラズマチャンバ26を形成する電極はプラズマチャンネル62の一部分を形成しない。絶縁体14、13および12は、隣接した電極のペアの間で電気絶縁を行う。絶縁体14はアノード1と中間電極2との間で電気絶縁を行い、絶縁体13は中間電極2と3との間で電気絶縁を行い、絶縁体12は中間電極3と4との間で電気絶縁を行う。マルチ電極システムを使用するプラズマ生成の原理は周知である。
During operation, plasma generated gas flows from the
図2Bは図1に示された装置200の実施形態の図2Aに示された断面に直交する縦断面を示す。図2Bは、入口76と、順方向冷却剤チャンネル78と、循環冷却剤チャンネル42(図2Aに示されている)と、逆方向冷却剤チャンネル79と、出口77とを備える冷却システムを示す。冷却剤、好ましくは、水は、入口76を通って装置に入る。冷却剤は、次に、カソード5a、5b、5cからアノード1へ、プラズマ流の方向にプラズマチャンネル62に沿って順方向冷却剤チャンネル78を横断する。アノード1の領域で、順方向冷却剤チャンネル78は、図2Aに示された循環チャンネル42につながる。冷却剤はアノード1の周りで循環チャンネル42に沿って流れる。装置の直径方向反対側で、循環チャンネル42は逆方向冷却剤チャンネル79につながる。冷却剤は、アノード1からカソード5a、5b、5cへ、プラズマ流と逆方向に逆方向冷却剤チャンネル79に沿って流れ、その後、出口77を通って装置を抜け出る。
FIG. 2B shows a longitudinal section orthogonal to the section shown in FIG. 2A of the embodiment of the
図3は、その他の要素と一緒に順方向冷却剤チャンネル78と、循環チャンネル42と、逆方向冷却剤チャンネル79とを形成する冷却剤分配器10を示している。装置のいくつかの実施形態は複数の冷却システムを備えることがある。このような実施形態は、その他の冷却システムのそれぞれのチャンネルを形成する複数の冷却剤分配器をさらに備える。
FIG. 3 shows the
装置200が鍵穴手術用のようなサイズ制限を受けるならば、プラズマチャンバが使用されることがある。図5はプラズマチャンバ26をより一層詳しく示す。プラズマチャンバ26の幾何構造は装置の適正な機能に重要である。カソード5a、5b、5cは、カソードの表面内の不完全部、例えば、カソードの対応するエッジ68a、68b、68cから各々電子を放出する傾向がある。適正な動作のため、各パルスの開始時に、スパーク放電がカソードエッジ68a、68b、68cのうちの1つとプラズマチャンネル62の内面の点との間で作られるべきである。これを実現するため、以下の条件が満たされるべきである。カソードエッジ68a、68b、68cとプラズマチャンネルの内面の点、例えば、点64との間の距離は、カソードエッジ68a、68b、68cと、プラズマチャンバ26の内面、および、アノードに最も接近したカソード絶縁体のエッジ66のような、電気スパークが終端するかもしれないその他の表面との間の距離以下であることが必要である。図5に示されたプラズマチャンバ26の幾何構造およびカソード5a、5b、5cが使用されるならば、装置の起動中に、電気スパークが、カソード5a、5b、5cと、プラズマチャンネル62の内面の点、例えば、点64との間に生じる。このことは、プラズマ生成プロセスの適正な動作を確実にする。プラズマチャンバ26のこの幾何構造は、後述されるように、パルスプラズマのため重要であるアーク放電段階を実現するために必要とされる時間の低減のような、他の利点をもたらすこともある。殆どの皮膚治療用途の場合であるが、装置200がサイズ制限を受けないならば、プラズマチャンバはなくてもよい。
A plasma chamber may be used if the
図6はプラズマチャンネル62の構造を示す。プラズマチャンネル62は、加熱部分84と、拡大部分82と、アノード部分83とを備える。拡大部分82およびアノード部分83はプラズマ流を所与の用途のために必要とされる断面積まで拡大するため使用される。拡大部分82は1つ以上の拡大セクションを備える。図6に示された実施形態では、拡大部分82は拡大セクション86、88および90を備える。
FIG. 6 shows the structure of the
好ましい実施形態では、加熱部分84は2つないし5つの中間電極によって形成される。代替的な実施形態では、加熱部分84は単一の中間電極または6つ以上の中間電極によって形成されることがある。加熱部分84の径dhpは、好ましくは、0.5から1.5mmの範囲に入る。加熱部分84を形成する各電極の長さle_hpはdhpに依存し、好ましくは、dhpから2×dhpの範囲に入る。加熱部分全体の長さは、プラズマ生成ガスの流速に依存し、より大きいプラズマ生成ガス流を加熱するためにより長い加熱部分が必要とされる。毎分1リットルから2リットルの範囲に入るプラズマ生成ガスの典型的な流速に対し、加熱部分は少なくとも3つの中間電極によって形成される。加熱部分全体の長さlhpは、加熱部分を形成するため必要とされる中間電極の個数にこのような中間電極の長さle_hpを乗じることによって近似されることがある。
In the preferred embodiment, the
拡大部分82内のセクションの個数は、加熱部分84の径およびアノード部分83の径に依存し、以下の関係によって規定される。
The number of sections in the
Ns≧(dA−dhp)/c−1
N s ≧ (d A −d hp ) /
式中、Nsはプラズマチャンネルの拡大部分内のセクションの個数である。 Where N s is the number of sections in the enlarged portion of the plasma channel.
dAはミリメートル単位でのプラズマチャンネルのアノード部分の径である。 d A is the diameter of the anode portion of the plasma channel in millimeters.
dhpはミリメートル単位でのプラズマチャンネルの加熱部分の径である。 d hp is the diameter of the heated portion of the plasma channel in millimeters.
この式およびその他の式に関して、cは0.2と0.6mmとの間の範囲に入る定数であり、好ましくは、0.4mmである。後述されるようにcは0.2未満となるように選択されることがあるが、このようなcの値の選択は装置200の非実用的な長さをもたらす。
For this and other formulas, c is a constant that falls between 0.2 and 0.6 mm, preferably 0.4 mm. As will be described later, c may be selected to be less than 0.2, but such selection of the value of c results in an impractical length of
本開示の目的のため、拡大部分82のセクションは、アノード1の方へ向かってカソード5a、5b、5cから数えられる。したがって、セクション86は1番目のセクションであり、セクション88は2番目のセクションであり、セクション90は3番目のセクションであり、以下同様である。特定の実施形態が3つより多くのセクションを有するならば、これらのセクションはこのようにして同様に数えられる。拡大部分82のセクションの寸法は好ましくは以下の関係によって規定される。
For purposes of this disclosure, the sections of the
dnは、好ましくは、dn−1+cである。 d n is preferably d n-1 + c.
lnは、好ましくは、dnと2×dnとの間である。 l n is preferably between d n and 2 × d n .
ここで、nは所与のセクションのセクション番号である。 Where n is the section number of a given section.
dnはn番目のセクションの径である。 d n is the diameter of the n-th section.
lnはn番目のセクションの長さである。 l n is the length of the nth section.
セクション番号1のセクションである図5のセクション86の径を決定するため、d1を計算するため必要とされるd0の値は加熱部分の径dhpに設定される。
To determine the diameter of
アノード部分83の径は、好ましくは、以下の関係によって規定される。
The diameter of the
dAは、好ましくは、dz+cである。 d A is preferably d z + c.
lAは、好ましくは、2×dAと5×dAとの間である。 l A is preferably between 2 × d A and 5 × d A.
ここで、dAはアノード部分の径である。 Here, d A is the diameter of the anode portion.
lAはアノード部分の長さである。 l A is the length of the anode part.
zはアノードに最も接近した拡大部分82の拡大セクションの番号である。図6において、zは、拡大部分90の番号である3である。
z is the number of the enlarged section of the
好ましい実施形態では、プラズマチャンネルの長手方向に直交するプラズマチャンネルの断面は円形である。しかし、他の実施形態では、断面は異なる幾何形状を有することがある。 In a preferred embodiment, the cross section of the plasma channel perpendicular to the longitudinal direction of the plasma channel is circular. However, in other embodiments, the cross-section may have a different geometry.
装置のいくつかの実施形態では、拡大部分の各セクションは別個の中間電極によって形成される。装置のその他の実施形態では、1つの中間電極が2つ以上の隣接したセクションの部分を形成することがある。さらにいくつかの他の実施形態では、複数の中間電極が、拡大部分の1つのセクションの一部分、または、セクション全体を形成することがあり、その他の複数の中間電極が、2つ以上の隣接したセクションの部分だけを形成することがある。図2Aに示された実施形態では、中間電極3はセクション86(および加熱部分84)を形成し、中間電極2はセクション88および90を形成する。
In some embodiments of the device, each section of the enlarged portion is formed by a separate intermediate electrode. In other embodiments of the device, one intermediate electrode may form part of two or more adjacent sections. In still some other embodiments, the plurality of intermediate electrodes may form part of one section of the enlarged portion, or the entire section, and the other plurality of intermediate electrodes may be two or more adjacent Only part of the section may be formed. In the embodiment shown in FIG. 2A, intermediate electrode 3 forms section 86 (and heated portion 84), and
装置200は延長ノズルを含む。例えば、図2Aに戻ると、延長ノズル15は装置のアノード端部に取り付けられている。延長ノズル15は、プラズマチャンネルを延長する延長チャンネル18を有する。延長チャンネル18の一部分は、セラミック材料または石英で作られている管状絶縁体要素17によって形成されている。管状絶縁体要素17は延長ノズル15の中で放電の終端することを阻止する。そのことが、装置200の動作中に、電極材料が延長ノズル15から分離し、プラズマ流に入ることを阻止する。これは、出口55から延長チャンネルを抜け出すプラズマの純度を保証する。管状絶縁体要素17によって形成された延長チャンネル18の部分の径は、好ましくは、プラズマチャンネル62のアノード部分83の径の1.0ないし1.3倍の範囲に入る。延長チャンネル18の長さは、好ましくは、延長チャンネルの径の2ないし3倍である。オゾンの生成のため構成されたこれらの実施形態では、延長ノズル15は、図2Cに示されているように、1つ以上の酸素運搬ガス入口16をさらに有する。入口16は、後述されるように、オゾンの生産のため使用されることのできる酸素運搬ガス、好ましくは、空気を延長チャンネル18に供給するため使用される。
装置の好ましい実施形態における異なる要素の寸法の計算が以下の実施形態によって説明される。加熱部分が1.0mmの径および1.5mmの長さ(プラズマ生成ガスの流速によって主に左右される)を有し、延長チャンネルの出口55から装置を抜け出すプラズマ流の所望の径が4.8mmであると仮定する。延長チャンネル径は4.8mmであり、延長チャンネルの長さは、延長チャンネルの径の2ないし3倍の範囲に入る長さ、例えば、14.0mmに設定することができる。延長チャンネルの径は、プラズマチャンネルのアノード部分の径の1.0ないし1.3倍とされるべきであり、好ましくは、6mmないし12mmである。本実施形態では、延長チャンネルの径がプラズマチャンネルのアノード部分の径の1.2倍であるならば、アノードの径は4.0mmである。アノード部分の長さは、アノード部分の径の2倍とアノード部分の径の5倍との間のどのような長さでもよい。本実施形態では、アノードの長さがアノードの径の3倍に設定されるとき、長さは12.0mmである。拡大部分は、本実施形態では1.0mmである加熱部分84の径から4.0mmであるプラズマチャンネルのアノード部分の径まで、プラズマチャンネルの径を拡大する。したがって、本実施形態では、拡大部分はプラズマチャンネルの径を3.0mm拡大する。この拡大はかなりの数の方法で達成されることができる。例えば、拡大部分の各セクションの径は、0.6mmという最大値cずつ増大することができる。この場合、拡大部分の中のセクションの個数Nsは4である。これらのセクションの径は、1.6mm、2.2mm、2.8mmおよび3.4mmである。セクションの長さは径の1倍と2倍との間のどのような値に設定されてもよい。したがって、セクションの長さは、それぞれ、2.0mm、3.0mm、4.0mmおよび5.0mmでもよい。各セクションの径増大が0.6mm未満であるように選択されるならば、拡大部分の中により多くのセクションが必要とされる。
The calculation of the dimensions of the different elements in a preferred embodiment of the device is illustrated by the following embodiment. The heated portion has a diameter of 1.0 mm and a length of 1.5 mm (mainly dependent on the flow rate of the plasma generating gas), and the desired diameter of the plasma stream exiting the device from the
代替的に、cは好ましい値の0.4mmに設定されることがある。この場合、拡大部分のセクションの個数Nsは7である。これらのセクションの径は、1.4mm、1.8mm、2.2mm、2.6mm、3.0mm、3.4mmおよび3.8mmである。セクションの長さは、それぞれ、3.5mm、4.5mm、5.5mm、6.5mm、7.5mm、8.5mmおよび9.5mmとすることができる。本実施形態では、アノードに最も接近した拡大セクションとアノードとの間の拡大は、0.4mmではなく、0.2mmに過ぎないことに留意すべきである。この拡大は装置の機能性を損なわない。 Alternatively, c may be set to the preferred value of 0.4 mm. In this case, the number N s of section of the enlarged portion is 7. The diameters of these sections are 1.4 mm, 1.8 mm, 2.2 mm, 2.6 mm, 3.0 mm, 3.4 mm and 3.8 mm. Section lengths can be 3.5 mm, 4.5 mm, 5.5 mm, 6.5 mm, 7.5 mm, 8.5 mm and 9.5 mm, respectively. It should be noted that in this embodiment, the expansion between the enlarged section closest to the anode and the anode is only 0.2 mm, not 0.4 mm. This expansion does not impair the functionality of the device.
拡大部分のセクションの異なるペアの間で異なる拡大にすることがさらに可能である。例えば、加熱部分から第1のセクションまでの拡大は0.4mmとし、その他の拡大セクションとアノードとの間の拡大は0.5mmとしてもよい。 It is further possible to have different enlargements between different pairs of sections of the enlarged portion. For example, the expansion from the heated portion to the first section may be 0.4 mm, and the expansion between the other expansion sections and the anode may be 0.5 mm.
上記の説明は、中間電極、アノード、および、延長ノズルが環状であり、よって、プラズマチャンネルの部分およびセクションと延長チャンネルとを円筒型にすると仮定している。上述されているように、いくつかの実施形態では、装置のその他の幾何構造が使用されることがある。これらの実施形態では、本開示の目的のため、形状の2点間の最も大きい距離であるプラズマチャンネルの長手方向に直交する断面の径が、依然として上述の計算の目的のため重要な寸法である。 The above description assumes that the intermediate electrode, the anode, and the extension nozzle are annular, so that the portions and sections of the plasma channel and the extension channel are cylindrical. As described above, in some embodiments, other device geometries may be used. In these embodiments, for the purposes of this disclosure, the diameter of the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the plasma channel, which is the largest distance between two points of the shape, is still an important dimension for the purposes of the above calculations. .
上述されているように、プラズマが医療処置を実行するため使用されるとき、プラズマの効果を弱めるかもしれない異物が作り出されることがある。例えば、医療処置中に、粒子または断片が治療組織から分離することがあり、その後、治療組織の目標部位へのプラズマ流と干渉し、または、場合によってはプラズマ流を妨害することがある。同様に、特定の医療処置中に、血液、リンパ液のような体液が治療部位の表面に入り込むことがある。これらの流体はプラズマの有効性に干渉することもある。装置のいくつかの実施形態は、医療処置中にこのような異物を治療表面から除去する吸引モジュールを含む。図7Aは吸引モジュール付きの装置の実施形態を示す。本実施形態では、外側ケーシング92は図2A−Cに示された装置を封入する。外側ケーシング92は1つ以上の吸入チャンネル94、96を有する。コンソール100の内部で動作するポンプは治療組織から異物を吸い込む。異物はチャンネル94および96に沿って流れ、次に、コンソール100へ流れ、異物は収集ユニット(図7Aに示されない)に蓄積される。図7Bは吸引モジュールを含む装置の異なる実施形態を示している。この実施形態は、チャンネル94および96が装置の一部の長さに沿って延在せず、出口98と接続されていることを除いて、図7Aに示された実施形態と類似している。吸引モジュール、および、酸素運搬ガス入口付きの延長ノズルの両方を含む実施形態では、入口は、図7Aにおける断面A−Aを示す図7Cに示されているように、ケーシング92の中を通って延在することに留意されたい。図7Dは、酸素運搬ガス入口を含まない延長ノズルを備える実施形態における断面A−Aを示す。
As described above, when the plasma is used to perform a medical procedure, foreign objects may be created that may weaken the effect of the plasma. For example, during a medical procedure, particles or fragments may separate from the treatment tissue and then interfere with the plasma flow to the target site of the treatment tissue, or in some cases interfere with the plasma flow. Similarly, during certain medical procedures, body fluids such as blood and lymph may enter the surface of the treatment site. These fluids can interfere with the effectiveness of the plasma. Some embodiments of the device include a suction module that removes such foreign objects from the treatment surface during a medical procedure. FIG. 7A shows an embodiment of the device with a suction module. In this embodiment, the
好ましい実施形態では、装置は真にパルス状のプラズマを生成する。各プラズマパルスの後に、オフ期間中に、プラズマの流れは、次のパルスまで完全に止まる。パルスとパルスの間で、オフ期間中に、電流はカソードとアノードとの間を流れず、プラズマは生成されない。 In a preferred embodiment, the device produces a truly pulsed plasma. After each plasma pulse, during the off period, the plasma flow stops completely until the next pulse. Between pulses, during the off period, no current flows between the cathode and anode and no plasma is generated.
コンソール100は、プラズマチャンネルの中を通る電流を制御し、カソードとアノードとの間に電圧を印加する1つ以上の電子回路を有する。これらの回路は各プラズマパルスの生成のため使用される。概要として、プラズマ生成のプロセスは、スパーク放電、グロー放電、および、アーク放電の3つの段階を含む。アーク放電段階中に、カソードのうちの1つとアノードとの間に作られた所定の電流の電気アークは、プラズマチャンネル62の中を流れるプラズマ生成ガスを加熱し、プラズマを形成する。各プラズマパルスの生成はプラズマ生成ガスがすべての段階を経ることを必要とする。パルスの生成前に、プラズマ生成ガスの抵抗は無限に近い。少数の自由電子が宇宙線による原子のイオン化に起因してプラズマ生成ガスの中に存在する。プラズマ形成プロセスは、(1)図8Aに示されるようにカソードとアノードとの間に印加された電圧を印加すること、および、(2)図8Bに示されるようにプラズマの中を通過する電流を制御することによって制御される。
The
装置を動作させる方法は、カソード組立体の構造に依存し、装置の構成と装置が使用される特定の用途とに依存して変更されることがある。複数のカソードを備えるカソード組立体を有する装置の好ましい実施形態では、図4に示されたカソード組立体のため特に適合した動作方法が使用される。簡潔に説明すると、スパーク放電を作り出すため、高振幅、高周波の電圧波がアノード1とカソード5a、5b、5cとの間に印加される。この電圧波は、カソード5a、5b、5cとアノード1との間でプラズマチャンネル62の中の自由電子の個数を増大させる。電圧波の周波数、持続期間および振幅は装置の幾何構造に依存する。十分な個数の自由電子が形成されると、DC電圧がアノード1とカソード5a、5b、5cとの間に印加され、DC電流は、カソードと、プラズマ生成ガスと、アノードとを通過させられ、カソード5a、5b、5cとアノード1との間にスパーク放電を形成する。
The method of operating the device depends on the structure of the cathode assembly and may vary depending on the configuration of the device and the particular application in which the device is used. In a preferred embodiment of the apparatus having a cathode assembly comprising a plurality of cathodes, a method of operation that is particularly adapted for the cathode assembly shown in FIG. 4 is used. Briefly, a high amplitude, high frequency voltage wave is applied between the
その後、プラズマ生成ガスの抵抗は減少し、グロー放電段階が始まる。グロー放電段階中に、イオン化の結果として形成された正に帯電したイオンがカソード5a、5b、5cとアノード1との間の電圧によって作り出された電界の影響下でカソードに引き付けられる。カソード5a、5b、5cにイオンが衝突しているとき、アノード1に最も接近したカソード端部の温度は上昇する。温度が熱イオン電子放出の温度まで上昇すると、アーク放電段階が始まる。上述のとおり、プラズマチャンバ26の表面積および体積は多数のイオンを供給し、グロー放電段階の期間を短縮する。
Thereafter, the resistance of the plasma generating gas decreases and the glow discharge phase begins. During the glow discharge phase, positively charged ions formed as a result of ionization are attracted to the cathode under the influence of the electric field created by the voltage between the
アーク放電が始まると、プラズマは組立体の中のすべてのカソードに付着する。プラズマの中を通る電流はその後に減少し、アーク放電を維持することができるアタッチメントの領域をほぼ最小領域まで減少させる。この最小領域をスポットアタッチメント領域と呼ぶ。そのプラズマアタッチメントの領域は小さいので、アタッチメントは単一のカソードだけに現れる。したがって、アーク放電を維持するため必要とされ、カソード径に比例する電流は比較的低い。電流が低下させられ、ある期間に亘ってそのレベルに保たれた後、電流はパルスの動作レベルまで急速に増大される。プラズマのアタッチメントの領域は少しだけ増大し、単一のカソードだけがパルスの残りの部分の間に電子を放出し続ける。単一のカソードだけが制御された領域から電子を放出するように、プラズマアタッチメントの領域を減少させ、その後に、小さい領域を維持することは、装置の動作に極めて重要である。 When arcing begins, the plasma adheres to all cathodes in the assembly. The current through the plasma then decreases, reducing the area of the attachment that can sustain the arc discharge to a nearly minimal area. This minimum area is called a spot attachment area. Because the area of the plasma attachment is small, the attachment appears only on a single cathode. Therefore, the current required to maintain arc discharge and proportional to the cathode diameter is relatively low. After the current is lowered and held at that level for a period of time, the current is rapidly increased to the operating level of the pulse. The area of plasma attachment increases slightly and only a single cathode continues to emit electrons during the remainder of the pulse. It is critical to the operation of the device to reduce the area of the plasma attachment and then maintain a small area so that only a single cathode emits electrons from the controlled area.
上述されているように、異なる実施形態では、この動作方法の変形を用いることができる。例えば、単一のカソードを用いる代替的な実施形態では、アタッチメントの領域は、カソードの長さと、カソード端部のテーパリング、または、カソード訓練を用いて制御されるだけでもよい。これらの実施形態では、電流は、アーク放電段階に達すると直ぐに動作レベルまで増大される。 As described above, different embodiments may use variations of this method of operation. For example, in alternative embodiments using a single cathode, the region of attachment may only be controlled using cathode length and cathode end tapering or cathode training. In these embodiments, the current is increased to an operational level as soon as the arcing phase is reached.
開示された実施形態の要素の幾何構造と、電圧および電流パルスの形状および同期とは、電流を支えるために十分な熱イオン電子放出が存在しないとき、複数のカソード(または、実施形態に応じて1つのカソード)が、カソードを流れる高電流のストレスの影響を受けないことを確実にする。このことは、言い換えると、装置が同じカソード組立体を使って数千回または数万回であっても起動されることを確実にする。 The geometry of the elements of the disclosed embodiment and the shape and synchronization of the voltage and current pulses can be achieved with multiple cathodes (or depending on the embodiment) when there is not enough thermionic electron emission to support the current. Ensuring that one cathode) is not affected by high current stresses flowing through the cathode. This, in other words, ensures that the device can be activated thousands or even tens of thousands of times using the same cathode assembly.
拡大部分における異なるセクションの寸法の関係は、パルスの動作期間中にプラズマが急速に膨脹することを可能にする。これは、所要の特性をもつプラズマのパルスを生成するため重要である。0.6mmを上回るプラズマチャンネルの径の1回当たりの増大は、パルスの動作期間中に、不完全なプラズマ流の膨脹をもたらすか、あるいは、場合によっては全く膨脹をもたらさないことが実験的にわかった。換言すると、拡大部分のn番目のセクションの径が(n−1)番目のセクションの径と比べて0.6mmより多く増大されるならば、プラズマ流はn番目のセクションの径まで膨脹することがなく、プラズマ流は、プラズマチャンネルの残りの下流部分および延長チャンネルを横断する間に、n番目のセクションの断面より小さい特定の断面に限定される。図9はこの考え方を示している。図9において、拡大部分82は存在しない。加熱部分84aはアノード部分83aに移行する。アノード部分83aの径は加熱部分84aの径を0.6mmより多く上回る。プラズマチャンネル62aの中を流れるプラズマは、プラズマがアノード部分83aに入るとき、パルスの動作期間中に、膨脹しないか、または、十分に膨脹しない。非常によく似た状況が、拡大部分が存在しても、隣接したセクション間の径の差が0.6mmを上回る場合に発生する。しかし、拡大部分の寸法が上述の関係によって決定される範囲内に入るとき、プラズマ流は、各セクションのアノード端部の断面全体まで膨脹するので、プラズマ流の径は出口55における延長チャンネルの径に等しい。より長いパルスまたは連続プラズマ流に対しては、0.6mm以上の増大は部分的に膨脹したプラズマ流を生じることに留意されたい。本質的に、皮膚治療のような用途のため必要とされる短いパルスに対し、1回当たりの径の増大は、プラズマ流が各セクションにおいて増大された径まで完全に膨脹するように、0.6mm以下であることが必要である。
The relationship between the dimensions of the different sections in the enlarged portion allows the plasma to expand rapidly during the operation of the pulse. This is important for generating a pulse of plasma with the required characteristics. Experimentally, a per-time increase in plasma channel diameter above 0.6 mm may result in incomplete plasma flow expansion during pulse operation, or in some cases no expansion at all. all right. In other words, if the diameter of the nth section of the enlarged portion is increased by more than 0.6 mm compared to the diameter of the (n-1) th section, the plasma flow will expand to the diameter of the nth section. Without plasma flow, the plasma flow is limited to a specific cross section that is smaller than the cross section of the nth section while traversing the remaining downstream portion of the plasma channel and the extension channel. FIG. 9 illustrates this idea. In FIG. 9, the
0.6mmを超える1回の径増大によって現れる別の問題は、プラズマ流が壁から分離されているならば、プラズマ流とアノードの壁との間に電気アークが形成される可能性である。このこともまた図9に示されている。図9は、プラズマ流とアノード1の壁との間に形成された電気アーク171を示している。このような電気アークは、電極材料をプラズマ流に取り込み、プラズマに不純物を混入することになる。このプラズマ流を徐々に拡大するプロセスは、アークの中の電流が急速に増加し、同時に流れの中のプラズマが十分に加熱されないとき、真にパルス状のプラズマ流を生成する際に主要な役割を果たす。
Another problem that emerges with a single diameter increase exceeding 0.6 mm is the possibility of an electric arc formed between the plasma flow and the anode wall if the plasma flow is separated from the wall. This is also shown in FIG. FIG. 9 shows an
プラズマチャンネルの径を0.2mmに満たずに拡大することは、不純物をもたらすことも、プラズマの不十分な膨脹をもたらすこともない。しかし、0.2mm未満の拡大もまた望ましくない。特に、0.2mm未満の拡大状態の装置はより多数の拡大セクションを必要とすることになる。各拡大セクションには拡大セクションの最小限の長さ要件があるので、より多数の拡大セクションがあることは、装置が長くなり、不便になることを意味する。さらに、単に不便であることとは別に、拡大セクションの個数の増加は、拡大セクションの個数の増加のために長さが増大されたプラズマチャンネルを横断するプラズマ流を加熱するためのより多くのエネルギー、したがって、より大きな電力を必要とする。したがって、装置は、セクション径が0.2mm未満増大した状態でも適切に機能するが、各拡大は0.2ないし0.6mmの範囲に入ることが好ましい。 Enlarging the diameter of the plasma channel to less than 0.2 mm does not result in impurities or inadequate plasma expansion. However, an enlargement of less than 0.2 mm is also undesirable. In particular, an enlarged device of less than 0.2 mm will require a larger number of enlarged sections. Since each expansion section has a minimum length requirement for the expansion section, having a larger number of expansion sections means that the device is longer and inconvenient. Furthermore, apart from simply being inconvenient, the increase in the number of expansion sections means that more energy is needed to heat the plasma flow across the plasma channel whose length has been increased due to the increase in the number of expansion sections. Therefore, it requires more power. Thus, the device will function properly even when the section diameter is increased by less than 0.2 mm, but each expansion is preferably in the range of 0.2 to 0.6 mm.
プラズマが拡大部分82において膨脹するとき、プラズマの特性のうちの一部は変化する。パルスの動作期間中に、加熱部分は、図8Dに示されるように、0.3ないし5kW/mm3の範囲内の電力密度によって特徴付けられる。加熱部分の中でのプラズマ流の平均速度は、好ましくは、500m/s以下である。プラズマの平均温度は、図8Cに示されているように、8000ないし18000Kであり、好ましくは、10000ないし16000Kである。加熱部分の中の電界は、好ましくは、2ないし25V/mmの範囲に入る。
As the plasma expands in the
拡大部分は0.3kW/mm3未満の電力密度によって特徴付けられる。拡大部分の中のプラズマの平均温度は、好ましくは、8000ないし18000Kの範囲に留まる。プラズマチャンネルの拡大部分の中の電界は、好ましくは、1ないし5V/mmの範囲に入る。 The magnified portion is characterized by a power density of less than 0.3 kW / mm 3 . The average temperature of the plasma in the enlarged portion preferably remains in the range of 8000-18000K. The electric field in the enlarged part of the plasma channel is preferably in the range of 1 to 5 V / mm.
プラズマ流がプラズマチャンネルの拡大部分82の中で膨脹した後、プラズマ流は延長ノズル15に達する。延長ノズル15はプラズマ流に2つの効果を与え、すなわち、第一に、延長ノズルは、組織治療のような特定の用途にプラズマ流を適するようにするため、プラズマ流の温度およびエネルギー分布を変化させ、第二に、延長ノズルはプラズマ流の中にオゾンおよび一酸化窒素を作り出すことができる。
After the plasma stream expands in the
延長ノズル15のプラズマ流への第1の効果は、プラズマ流の温度およびエネルギー分布を変化させることである。アーク放電段階中に、カソードとアノードとの間の電気アークはプラズマチャンネル62の中のプラズマを加熱する。プラズマのほんの一部だけが高温であるプラズマ流の中心を形成する。残りのプラズマは、電気アークから離れたプラズマチャンネルの外周に沿って流れるので、実質的により低い温度を有する。プラズマチャンネルを形成する中間電極およびアノードが高い熱伝導率をもつ金属製であるので、プラズマチャンネルの外周に沿って流れるプラズマは、中心を流れるプラズマと同じ温度まで加熱されることができない。したがって、中心を流れるプラズマから外周に沿って流れるプラズマへ伝達された熱は中間電極およびアノードに伝達され、外周に沿って流れるプラズマによって保たれない。プラズマがプラズマチャンネル62のアノード端部に達するとき、プラズマは図10Aに示されるように実質的に放物線状の温度分布を有する。図10Aに示されているように、プラズマ流の中心でのプラズマの温度はプラズマ流の周辺での温度より実質的に高い。同様に、温度に比例するプラズマのエネルギー密度は、周辺よりプラズマ流の中心において実質的に高い。
The first effect of the
このようなプラズマ流の温度およびエネルギー密度分布は、皮膚治療のようないくつかの用途のために適さない。このような温度およびエネルギー密度分布をもつプラズマ流のパルスが患者の皮膚と接触するとき、皮膚の小領域がプラズマ流パルスのエネルギーの殆どを吸収し、よりはるかに大きい領域がエネルギーの残りの部分を吸収する。図10Bは、アノード部分においてプラズマチャンネルの径を有する皮膚の円形領域190を示している。図10Aに示されているようにプラズマ流のパルスが領域190と接触するならば、領域190の約20%の部分192がプラズマパルスに蓄積されたエネルギーの約80%を吸収する。領域190の残りの80%の部分194がプラズマパルスに蓄積されたエネルギーの約20%だけを吸収する。
Such plasma flow temperature and energy density distributions are not suitable for some applications such as skin treatment. When a plasma flow pulse with such a temperature and energy density distribution contacts the patient's skin, a small area of the skin absorbs most of the energy of the plasma flow pulse, and a much larger area is the rest of the energy. To absorb. FIG. 10B shows a
延長ノズルは、温度およびエネルギー密度分布を図11Aに示されているような実質的に一様な分布に変化させる。換言すると、出口55から延長ノズルを抜け出るプラズマ流の温度およびエネルギー密度は、流れの断面全体における温度およびエネルギー密度とほぼ同じである。図11Bは図11Aに示された分布を有するプラズマ流を使って治療された皮膚の領域を示している。図11Bに示されているように、プラズマ流のパルスが皮膚と接触するとき、領域全体がパルスによって実質的に一様に影響を受け、実質的により多いエネルギーまたは実質的により少ないエネルギーを受容するスポットは存在しない。好ましい実施形態では、装置内の要素の幾何構造は、動作パラメータ(すなわち、プラズマ生成ガス流速、電流の大きさなど)と同様に、治療組織に当てられるプラズマのエネルギー密度が5ないし500J/cm2であるように選定される。その他の実施形態では、その他のエネルギー密度が実現されてもよい。
The extension nozzle changes the temperature and energy density distribution to a substantially uniform distribution as shown in FIG. 11A. In other words, the temperature and energy density of the plasma flow exiting the extension nozzle from the
上述されているように、プラズマがアノードを抜け出し、延長チャンネルに入るとき、プラズマの温度およびエネルギー密度は、図10Aに示されるように放物線状の分布を有する。プラズマ流がプラズマチャンネルの中で一様な温度を実現しない主な理由のうちの1つは、中間電極およびアノードが、銅のような、高い熱伝導率を有する金属で作られていることである。高い熱伝導率が原因となって、プラズマからの熱はチャンネル78および79に沿って流れる冷却剤に伝達される。アノード1および中間電極は、プラズマの周辺を集中的に冷却するので、大きい温度勾配を形成する。延長チャンネル18に位置している絶縁体要素17は、好ましくは、非常に低い熱伝導率を有する石英またはセラミック材料で作られている。したがって、加熱されたプラズマが、プラズマを冷却しない絶縁体要素17と接触するとき、熱は絶縁体要素17の体積全体を通して分散されない。加熱されたプラズマと接触している絶縁体要素17の内面だけがプラズマの温度まで急速に加熱され、冷却されない。延長ノズルへの最小限の放熱しかないので、外周に沿って流れるプラズマの温度は上昇する。熱は流れの中心から周辺へ伝達されるので、熱は装置の構造的要素に伝達されない。さらに、延長チャンネル18において、プラズマ流の中心はアノードで終端する電気アークによって加熱されない。したがって、プラズマ流が延長チャンネル出口55を抜け出るとき、プラズマ流は、図11Aに示されるように、実質的に一様な温度およびエネルギー密度分布を有する。図11Bは、実質的に一様な温度およびエネルギー密度分布がプラズマによって治療組織に実質的に一様な効果を生じることを表している。
As described above, when the plasma exits the anode and enters the extension channel, the temperature and energy density of the plasma has a parabolic distribution as shown in FIG. 10A. One of the main reasons why the plasma flow does not achieve a uniform temperature in the plasma channel is that the intermediate electrode and anode are made of a metal with high thermal conductivity, such as copper. is there. Due to the high thermal conductivity, heat from the plasma is transferred to the coolant flowing along
延長ノズルの第2の付随的な効果は、オゾンおよび一酸化窒素を生成することである。いくつかの国では、オゾンは、例えば、抗菌作用のような医療において有用な特性を示すことが承認されている。しかし他の国では、オゾンの有用性は承認されていない。しかし、オゾンが放電、高温、高エネルギー電磁放射線の照射によって酸素から形成されることは、周知の技術である。O2分子がプラズマ流に取り込まれるとき、分子のうちの一部は、上記の条件のうちの1つ以上の影響下で酸素原子に解離され、次に、O2分子と再結合しオゾン(O3)を形成する。 The second incidental effect of the extension nozzle is to produce ozone and nitric oxide. In some countries, ozone has been approved to exhibit useful properties in medicine, such as antibacterial activity. In other countries, however, the usefulness of ozone has not been approved. However, it is a well-known technique that ozone is formed from oxygen by discharge, high temperature, high energy electromagnetic radiation irradiation. When O 2 molecules are incorporated into the plasma flow, some of the molecules are dissociated into oxygen atoms under the influence of one or more of the above conditions, and then recombined with the O 2 molecules to ozone ( O 3 ).
いくつかの実施形態では、装置はオゾンを生成し、その他の実施形態では、装置はオゾンを生成しない。オゾンの生成は2通りの方法で制御することができる。第一に、酸素運搬ガスの注入は、入口の径を縮小することによって、或いは、場合によっては酸素運搬ガス入口を完全に取り除くことによって制御される。図12Aは比較的小さい径の入口16を含む延長ノズル15を示している。図12Bは、酸素運搬入口を全くもたない延長ノズル15を示している。第二に、延長チャンネル18の長さは、入口から中に入る酸素がオゾンを生成するために必要とされる反応を受けるための十分な時間を持たないように、短縮されることが可能である。オゾンの生成を制御するこれらの方法のうちの一方または両方を使用することにより、装置200によって生成されるオゾンの量は増加させることも減少させることもでき、あるいは完全になくすことさえできることを理解すべきである。一酸化窒素の生成も同様に制御される。オゾンおよび一酸化窒素の生成に関連した以下の説明は、延長ノズル15が1つ以上の酸素および窒素運搬ガス入口16を有することを仮定している。
In some embodiments, the device produces ozone, and in other embodiments, the device does not produce ozone. Ozone generation can be controlled in two ways. First, oxygen carrier gas injection is controlled by reducing the diameter of the inlet or, in some cases, completely removing the oxygen carrier gas inlet. FIG. 12A shows an
オゾンの生成を生じるプロセスを参照すると、プラズマ流は、プラズマチャンネルを横断した後、延長ノズル15に入る。延長チャンネルの中のプラズマ流の温度は、好ましくは、3000ないし12000Kに減少する。動作中に、プラズマが酸素運搬ガス入口16を通過するとき、プラズマはこれらの入口16に、空気のような酸素運搬ガスを延長チャンネル18に引き込む吸引効果を作り出す。延長チャンネルの中で、空気の一部分は、好ましくは、5ないし25体積%の範囲に入る。空気が約21体積%のO2酸素を含有することは周知であり、したがって、延長チャンネルの中のO2の一部分は、好ましくは、1ないし5体積%の範囲に入る。一部の酸素分子は原子に解離し、その後に、O2酸素分子と再結合し、ときには、その他の解離した酸素原子と再結合し、2つの要因、すなわち、(1)比較的高いエネルギーを有する電子とのO2分子の衝突と、(2)プラズマ生成ガス分子、電子、および、その他の粒子の放出に起因したプラズマチャンネルからの紫外線と、の影響下でオゾンを形成する。オゾン分子の形成は以下の化学反応に従って行われる。
Referring to the process that results in the production of ozone, the plasma stream enters the
e+O2→O+O− e + O 2 → O + O −
e+O2→O+O+e e + O 2 → O + O + e
O+O2+M→O3+M O + O 2 + M → O 3 + M
ここで、Mは、希ガス、例えば、アルゴンのようなどのような反応粒子でもよい。 Here, M may be any reactive particle such as a rare gas, for example, argon.
酸素および窒素運搬ガスをプラズマ流に取り込むことの別の効果は、延長チャンネル18の中の一酸化窒素(NO)生成である。NOの種々の治療効果、および、NOの生成方法は周知であり、いくつかの国において承認されている。例えば、米国特許第5,396,882号明細書は、空気を電気アークチャンバに取り込むことによりNOを生成するシステムおよび方法を開示する。拡大モジュールを有する装置の実施形態は、同様に、NOを生成するための条件を作り出す。空気のような窒素および酸素運搬ガスをプラズマ流に取り込むことは、拡大チャンネル18におけるNOの合成のための最適条件を作り出す。上述のように、アノード出口におけるプラズマの温度は3000ないし12000Kの範囲に入る。この温度は、空気分子を有するプラズマ流において、オゾン生成と並行して、以下の化学反応を発生させるのに十分に高い。
Another effect of incorporating oxygen and nitrogen carrying gases into the plasma stream is nitric oxide (NO) production in the
N2+O2→2NO−180.9kJ N 2 + O 2 → 2NO-180.9kJ
いくつかの実施形態では、空気、酸素の比率、または両方を変えてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、酸素濃縮空気が酸素運搬ガス入口16に供給されてもよい。他の実施形態では、酸素運搬ガス入口16に供給される空気は加圧されてもよく、よって、プラズマの中の空気の濃度をより高くする。さらにいくつかの他の実施形態では、2つの上記方法の組み合わせが使用されてもよい。
In some embodiments, air, oxygen ratio, or both may be varied. For example, in some embodiments, oxygen enriched air may be supplied to the oxygen carrying
プラズマを出力すること、そして、いくつかの実施形態において、オゾンおよび一酸化窒素を出力することに加えて、装置は、プラズマチャンネルの加熱部分の中の高温プラズマからの放射線が原因で発光することもある。例えば、米国特許出願公開第2003004556号明細書では、約300nmないし約1600nmの支配的な放射波長を有するパルス光であって、パルスの持続期間が1フェムト秒から100秒まで変化するパルス光が種々の治療効果を有することが発見され、開示されている。特に、毛髪、表皮、表層血管、および、多数のその他の器官の治療は、このようなパルス光を使うと有利であることを示している。米国特許出願公開第2003004556号明細書は、所要の特性をもつパルス光を生成する様々な装置および方法を開示している。 In addition to outputting the plasma and, in some embodiments, outputting ozone and nitric oxide, the device emits light due to radiation from the hot plasma in the heated portion of the plasma channel. There is also. For example, in US Patent Application Publication No. 2003004556, there are various types of pulsed light having a dominant emission wavelength of about 300 nm to about 1600 nm and whose pulse duration varies from 1 femtosecond to 100 seconds. Have been discovered and disclosed. In particular, the treatment of hair, epidermis, superficial blood vessels, and many other organs has shown that it is advantageous to use such pulsed light. U.S. Patent Application Publication No. 2003004556 discloses various devices and methods for generating pulsed light having the required characteristics.
上述されているように、加熱部分の中のプラズマの温度は、好ましくは、8000ないし18000Kである。この温度範囲では、プラズマ流は、約400nmから約850nmまでの支配的な放射波長を有する光を放出する。図13は、出口55から約3mmの距離での光のスペクトル分布302と、出口55から約50mmの距離での光のスペクトル分布304とを示している。図13は以下のスペクトル分布を示す。
As mentioned above, the temperature of the plasma in the heated part is preferably between 8000 and 18000K. In this temperature range, the plasma stream emits light having a dominant emission wavelength from about 400 nm to about 850 nm. FIG. 13 shows a
200−350nm 2%
200-
350−400nm 5% 350-400nm 5%
400−650nm 62%
400-
650−750nm 15%
650-
750−850nm 14%
750-
850−1400nm 2% 850-1400nm 2%
したがって、装置200は他の用途と併せてパルス光療法のため使用されることがある。放出された光のスペクトルの短い波長と長い波長との比率は、パルスの動作期間中にプラズマ流を通過する電流の大きさを調整することによって簡単に変更されてもよいことに留意されたい。電流増加に伴って、ほぼ同じ量のエネルギーがプラズマ生成のため使用されるが、実質的により多くのエネルギーが発光のため使用される。
Thus, the
患者の治療に関して、装置は、いくつかの従来技術の装置の場合に行わなければならなかったように、各パルスの後に装置を治療組織から離すことを要することなく、安全かつ効果的に使用されることができる。したがって、プラズマのパルスは比較的高頻度で自動的に生成されることができる。各パルスに対し、新たなプラズマ流がスパーク放電段階およびグロー放電段階を最初に通過し、次に、アーク放電段階中に電気アークを使ってプラズマ生成ガスを加熱することによって生成される。プラズマ流が作られると、プラズマ流は、拡大部分のセクションを、次に、アノード部分を、そして次に延長チャンネルを通過することにより、プラズマチャンネルの中で膨脹させられる。延長チャンネルの中で、プラズマ流の熱およびエネルギー密度分布は、上述されているように、延長チャンネルの断面の全域で実質的に一様になるように変更される。変更された熱エネルギー分布をもつ膨脹したプラズマ流は、パルスの持続期間に亘って患者の皮膚に安全に当てられる。パルスの終端において、プラズマ流は完全に止まる。このプロセスは、所望の個数のパルスが送出されるまで繰り返すことが可能である。生成された光放射は、プラズマパルスから生じる利点に加えて、皮膚と、真皮および血管のような表層器官の治療のための利点を提供する。 With respect to patient treatment, the device can be used safely and effectively without having to separate the device from the treated tissue after each pulse, as had been the case with some prior art devices. Can. Thus, plasma pulses can be automatically generated at a relatively high frequency. For each pulse, a new plasma stream is generated by first passing through the spark discharge phase and the glow discharge phase, and then heating the plasma generating gas using an electric arc during the arc discharge phase. Once the plasma stream is created, the plasma stream is expanded in the plasma channel by passing through a section of the enlarged portion, then through the anode portion, and then through the extension channel. Within the extension channel, the heat and energy density distribution of the plasma stream is altered to be substantially uniform across the cross section of the extension channel, as described above. The expanded plasma stream with the altered thermal energy distribution is safely applied to the patient's skin for the duration of the pulse. At the end of the pulse, the plasma flow stops completely. This process can be repeated until the desired number of pulses has been delivered. The generated light radiation provides benefits for the treatment of skin and superficial organs such as dermis and blood vessels in addition to the benefits arising from plasma pulses.
異物は治療した皮膚の表面から除去される。異物の除去はパルスと同期化される必要はなく、連続動作でも構わない。さらに、オゾンは、付加的な有利な効果のため患者の皮膚に当てられるプラズマ流の中に混合されてもよい。上述されているように、酸素運搬ガスを延長部分の入口に取り込むことは、プラズマ流の中にオゾン分子の形成という結果をもたらす。 Foreign bodies are removed from the surface of the treated skin. The removal of the foreign material does not need to be synchronized with the pulse, and may be performed continuously. In addition, ozone may be mixed into a plasma stream that is applied to the patient's skin for additional beneficial effects. As mentioned above, incorporating oxygen carrying gas into the extension inlet results in the formation of ozone molecules in the plasma stream.
重要なことには、プラズマのパルスが皮膚に当てられた後、プラズマ流は次のパルスまで完全に止まる。オフ期間中に、プラズマは患者の皮膚に当てられることがなく、患者は無害の冷たいプラズマ生成ガスの流れと、異物ポンプの真空吸引とだけにさらされる。したがって、装置を使用するオペレータは、オフ期間中に患者の皮膚から装置を離し、それから、治療し続けるために装置を正確に再び位置付けすることを試みることによる誤りの危険を冒すことはない。このことは処置の安全性および持続期間を実質的に改善する。 Importantly, after a pulse of plasma is applied to the skin, the plasma flow stops completely until the next pulse. During the off period, no plasma is applied to the patient's skin, and the patient is only exposed to a harmless cold plasma-generating gas flow and a vacuum pump vacuum. Thus, the operator using the device does not run the risk of error by attempting to move the device away from the patient's skin during the off period and then reposition the device correctly to continue treatment. This substantially improves the safety and duration of treatment.
本発明の実施形態についての上記説明は、例示と解説のため提示されている。網羅的であること、または、発明を開示されたそのままの形に制限することは意図されていない。多数の変更および変形が当業者に理解されるであろう。実施形態は、発明の原理および発明の実際的な用途を最もうまく説明するために選択され記載され、それによって、当業者が発明を理解することを可能とする。特定の使用に適した種々の実施形態および変更が考慮される。発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定められることが意図されている。 The foregoing descriptions of embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations will be apparent to practitioners skilled in this art. The embodiments have been selected and described in order to best explain the principles of the invention and the practical application of the invention, thereby enabling those skilled in the art to understand the invention. Various embodiments and modifications suitable for a particular use are contemplated. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims and their equivalents.
Claims (21)
a.アノードと、
b.(i)1つ以上のカソード、および、(ii)カソードホルダーを含むカソード組立体と、
c.前記カソード組立体と前記アノードとの間に前記アノードを通過して長手方向に延在し、アノード端部に出口開口部を有するプラズマチャンネルであって、該プラズマチャンネルの一部分が、互いに電気的に絶縁され、かつ、前記アノードから電気的に絶縁された2つ以上の中間電極によって形成され、該プラズマチャンネルが、前記カソード組立体に最も接近した加熱部分と、アノード部分と、該加熱部分と該アノード部分との間の拡大部分とを含み、該拡大部分が2つ以上のセクションを有し、該拡大部分の連続的なセクションの各々の径が前記アノードに向かって増大する、プラズマチャンネルと、
d.前記プラズマチャンネルの前記アノード端部に接続され、内面の一部分を覆う管状絶縁体を有する延長チャンネルを形成する、延長ノズルと、
を備える装置。 An apparatus for generating a pulse of plasma,
a. An anode,
b. A cathode assembly including (i) one or more cathodes, and (ii) a cathode holder;
c. A plasma channel extending longitudinally through the anode between the cathode assembly and the anode and having an outlet opening at an anode end, wherein portions of the plasma channels are electrically connected to each other; Formed by two or more intermediate electrodes that are insulated and electrically insulated from the anode, the plasma channel comprising a heating portion closest to the cathode assembly, an anode portion, the heating portion and the heating portion A plasma channel including an enlarged portion between the anode portion, the enlarged portion having two or more sections, wherein the diameter of each successive section of the enlarged portion increases toward the anode;
d. An extension nozzle connected to the anode end of the plasma channel and forming an extension channel having a tubular insulator covering a portion of the inner surface;
A device comprising:
b.前記加熱部分を形成する電極の長さが前記加熱部分の径の1.0ないし2.0倍である、
請求項5に記載の装置。 a. The diameter of the heated portion is 1.0 to 1.5 mm;
b. The length of the electrode forming the heating part is 1.0 to 2.0 times the diameter of the heating part,
The apparatus according to claim 5.
b.前記アノード部分の長さが前記アノード部分の径の2.0ないし5.0倍である、
請求項6に記載の装置。 a. The diameter of the anode portion is 0.6 mm or less larger than the diameter of the section of the enlarged portion closest to the anode,
b. The length of the anode portion is 2.0 to 5.0 times the diameter of the anode portion;
The apparatus according to claim 6.
ii.前記延長チャンネルの長さが前記管状絶縁体の内径の2.0ないし3.0倍である、
請求項7に記載の装置。 i. The inner diameter of the tubular insulator element is 1.0 to 1.3 times the diameter of the anode portion;
ii. The length of the extension channel is 2.0 to 3.0 times the inner diameter of the tubular insulator;
The apparatus according to claim 7.
a.プラズマ流を生成することと、
b.前記プラズマ流を所定の断面まで拡大することと、
c.分布が断面内で実質的に一様であるように、拡大されたプラズマ流の熱およびエネルギーの密度分布を変更することと、
d.結果として得られたプラズマ流を治療組織に当てることと、
e.前記プラズマ流を止めることと、
を繰り返し含む方法。 A method of treating tissue using a pulse of plasma,
a. Generating a plasma flow;
b. Expanding the plasma flow to a predetermined cross-section;
c. Changing the thermal and energy density distribution of the expanded plasma stream so that the distribution is substantially uniform within the cross-section;
d. Applying the resulting plasma flow to the treated tissue;
e. Stopping the plasma flow;
Including repeatedly.
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