CN101918044A - 微波等离子体灭菌系统及其施放器 - Google Patents

Abstract

一种灭菌系统，具有可控(例如，可调节地调整)非电离微波辐射源，用于提供与气体(惰性气体或惰性气体的混合物)结合的微波能量，以产生用于对生物组织表面等进行灭菌的低温等离子体。等离子体发生区可以包括在手持式等离子体施放器中。该系统可以包括例如集成在等离子体施放器中的阻抗调节器，被配置为设置等离子体撞击状态和等离子体保持状态。可以将气体和微波能量沿集成的电缆组件传输到等离子体发生区。该集成电缆组件提供了双向气流配置，以允许将残余气体从表面去除。因此，可以进行侵入式表面等离子体处理。该等离子体施放器可以具有多个等离子体发射器以产生等离子体线或包层。

Description

微波等离子体灭菌系统及其施放器

相关申请的交叉参考

本申请要求于2007年11月6日提交的UK专利申请GB 0721714.4“A system to treat and/or kill bacteria and viral diseases usingmicrowave atmospheric plasma”、2008年3月15日提交的UK专利申请GB 0804885.2“Manoeuvrable flexible antennae and systems for producingcontrollable atmospheric plasma for killing or reducing bacteria and/orviruses manifested inside natural orifices within the human body or otherregions”、2008年4月23日提交的UK专利申请GB 0807347.0“A non——thermal microwave plasma sterilisation system using automatictuning contained within the hand——piece of the applicator”、和2008年10月17日提交的UK专利申请GB 0819030.8“Plasma applicators forsterilisation”的优先权，其全部内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及适合于在例如人体或动物体上或中的临床应用的灭菌系统。例如，本发明可以提供了一种可以用于消灭或处理与人体或动物生物系统和/或周围环境相关联的细菌和/或病毒的系统。具体地，本发明可以适用于伤口和创面的灭菌。

背景技术

细菌是几乎随处可发现的单细胞生物，大量存在，并且能够快速分裂和繁殖。大多数细菌是无害的，但是存在三组有害的细菌；即，球菌、螺旋菌和杆菌。球菌是圆形细胞，螺旋菌是螺线形细胞，以及杆菌是杆状的。有害细菌引起诸如破伤风和伤寒的疾病。

病毒仅可以通过取代其他细胞而生存和繁殖，即，它们不能靠自身存活。病毒引起诸如感冒、流感、流行性腮腺炎和艾滋病的疾病。

真菌袍子和称为原生动物的微生物可以引起疾病。

灭菌是消灭或消除所有形式的生物(特别是微生物)的行动或处理。在等离子体灭菌的处理期间，产生活性剂。这些活性剂是高强度紫外光子和自由基，其是原子或者原子与化学上不成对电子的集合。等离子体灭菌的引人注目的特征在于，它可以在诸如体温的较低温度实现灭菌。等离子体灭菌还具有对于操作者和患者都安全的益处。

低温大气压等离子体可以用于替代传统的灭菌方法，并且在其非毒性、瞬间治疗效应、以及在能级范围内及在不同形式的范围内产生等离子体的能力方面提供了明显优于现有灭菌措施的优点。在室温环境下，等离子体通常由电磁(EM)场支持。光电子吸收来自电场的能量，并且将该能量的一部分传输至等离子体中的重粒子。如果没有给予电子传送其能量的充分机会，则比电子重的等离子体成分在非常低的温度仍然遗留。这种等离子体被称为非热等离子体，并且其气体温度可以与室温一样低。

活性等离子体粒子(电子、离子、基、和其他化学活性种类)和UV射线可以用于对活组织、位于活组织内部的生物插入物、外表面或外科器械进行消毒和灭菌。等离子体源相对于活组织(或其他表面)越近并且在等离子体中的电场越强，非热等离子体灭菌治疗过程的强度和功效越高。对于身体的表面内部或上的实际应用，即，对于伤口灭菌用以杀灭伤口内的细菌或存在于伤口的表面上的细菌，消灭或减少身体内部的自然腔道(natural orifice)内所包含的细菌用以杀灭位于人体内部的插入物上所包含(并且出现在插入物附近的生物组织内)的细菌、或用以杀灭在给患者开刀前可能存在于皮肤以及在温度令人不快地过快上升时的情况下需要灭菌的其他表面(即，床、窗帘、器械、枕头和某些塑料)上的细菌(并且在闭合前再灭菌)，由等离子体在表面或在治疗地点(生物组织或环境)处产生的温度不应该超过正常的人体温度。可以期望将由等离子体流在表面产生的的最大温度限制为比室温高10℃的最大值，即，T_r≤T_t≤T_r+10，其中，T_r是室温(℃)，以及T_t是治疗温度(℃)。非热等离子体的额定温度是37℃。

尽管对于一些应用，期望在这些界限内进行操作，但是本文所述的本发明可以不限于此。例如，可以期望，当考虑医院环境内可以容忍超过体温的温度的医院地板、病床或其他普通材料的灭菌时，使温度恰当地增大到体温以上。

可以使用能量平衡(即，重粒子的电子感应加热相对热传导所导致的能量损耗)来求出等离子体的长度和在表面处产生的温度。可以如下计算等离子体流的长度：

$L=\sqrt{\frac{m_{i}3K_i\mathrm{\ΔT}}{m_e{v}_i{N}_{D}k{T}_e}},---1$

其中，m_i是原子质量，K_i是导热率，V_i是有效的电子——原子碰撞频率，N_D是电子密度，ΔT是温度变化，T_e是能量级。表格1和表格2列出了用于计算某些气体内的等离子体长度的参数。表格3列出在对于那些气体的室温处的典型等离子体长度。

	Ar	CO2	He	N2
					Ki(Wm-1K-1)	16.2	14.5	146.10	24.3
vi(s-1)	6.3117×107	3.22×109	2.27×108	1.497×108
					mi(kg)	39.948u	44.01u	4.002602u	14.0067u

表格1：用于计算在温度300K及压强1托(133.3Pa)处的等离子体长度的参数，其中，u是原子质量单位(＝1.66×10^-27kg)。

参数	值
		ND	3.22×1022m-3
me	9.109×10-31kg

k	1.380622×10-23
		Te	3eV
ΔT	10K

表格2：计算中使用的其他参数

	Ar	CO2	He	N2
					等离子体长度(m)	5.35×10-4	7.438×10-5	8.478×10-4	4.337×10-4

表格3：所计算出的在温度300K、压强1托(133.3Pa)处的等离子体长度

可以使用非热等离子体来产生被称为自由基的高活性分子，其可以用于分解杂质。自由基是具有不成对电子的原子或分子。

非热等离子体单元可以使用高压电场来产生大量的高活性自由基。自由基可以用于与危险的有机化学物起化学反应并使其分解，以将它们转换成不危险的物质，诸如二氧化碳或水。

等离子体中的紫外光子通过使胸腺嘧啶二聚体形成在DNA中来影响细菌细胞。这适当地抑制了细菌繁殖的能力。该影响可以特别用在治疗性传播疾病的应用中，其中，可以期望减少细菌数量，但不全部消灭细菌，即，不破坏身体的天然菌群。

还认识到，在等离子体中产生的活性种类在灭菌中起到重要作用。具体地，包括氧气的排出物可以具有强杀菌效果。例如，等离子体通常包含带电电子和离子以及化学活性种类，诸如臭氧、一氧化氮和羟基。作为使用这些系统可以产生的临床效果，可以使用氦气和空气来产生一氧化氮等离子体，从而氦气有助于以低能量有效地由空气形成等离子体；如果可以将等离子体插入身体，则其可以用于帮助抗感染和发炎——这对于微创或锁孔应用尤其有用，例如，治疗性传播疾病或身体插入物灭菌。可以由等离子体产生的羟基是另一个有用源，这是因为它们在氧化空气中的污染物时远比臭氧有效，并且杀菌和杀霉菌的作用是氯气的几倍，这使它们在消灭霉菌、细菌和病毒方面非常引人注目。

同时表明，带电粒子在使细菌细胞的外膜破裂方面起到显著作用。由细胞膜的外表面上的电荷积聚引起的静电力能够克服该膜的抗张强度，因此，使其破裂。对于具有不规则表面的革兰氏阴性细菌，该过程更可能发生。

发明内容

一般，本发明提出了一种具有可控制的(例如，可调节地调制的)非电离微波辐射源的灭菌系统，该可控制的非电离微波辐射源用于提供用于与气体(例如，惰性气体或惰性气体的混合物)结合的能力以产生大气等离子体。以上所介绍的公开包括多个相关方面。第一方面涉及作为总体的该系统，并且下一方面涉及各种等离子体施放器(applicator)，例如，等离子体生成和引导工具，其吸入气体(或气体的混合物)和微波能量并且包括可以用于生成等离子体并可以与该系统一起使用以提供与不同使用模式相关联的特殊益处的结构。

等离子体施放器可以使用适合的天线配置将等离子体引导和/或聚焦到关注区域中，其中，特别地设计并开发天线配置，以使得能够以可以制造用于消灭各种类型细菌或病毒真菌或者用于治疗病毒或病毒性感染的可控大气等离子体的这种方式产生并输送一个适当的等离子体羽流或多个羽流。

本发明可以用于显著地减少细菌量，而不完全消灭它，例如，用在有必要存在剩余的细菌量的身体的区域中。对于其他应用，可以适当地以能够完全消灭细菌或病毒的这种方式配置该系统或设备。

这里所介绍的治疗系统使用非电离辐射，该非电离辐射是例如使用用以产生低功率微波频率信号的源振荡器和功率放大器(例如，微波晶体管的配置)来生成的，其中，该功率放大器用以将低功率信号放大至高到足以能够产生使用发现适合于特定应用的气体撞击等离子体所需要的电场的电平。可以使用固态信号放大器。该系统还可以按照使该放大器驱动到饱和或全功率以建立撞击等离子体所需的电场并且接着一旦已撞击等离子体就使该放大器回退的模式进行操作。

在本说明书中，可以大体上使用微波频率来表示400MHz至100GHz的范围，但优选地为1GHz至60GHz的范围。已考虑的特定频率为：900MHz、2.45GHz、2.3GHz、5.2GHz、10GHz、14.5GHz和24GHz。

灭菌系统

根据本发明的第一方面，提供了等离子体灭菌系统，包括：等离子体施放器，具有封闭等离子体发生区和用于将等离子体从等离子体发生区导向要灭菌的表面的出口；微波辐射发生器，被连接以将微波能量输送到等离子体发生区中；以及气体馈给器，被连接以将气体输送到等离子体发生区中，其中，该设备被配置为当气体和微波能量被输送至等离子体发生区时在等离子体发生区处产生高阻抗从而撞击非热等离子体以从施放器中输送出来，并且其中，微波辐射发生器包括控制器，可调节地配置该控制器以控制输送至等离子体发生区的微波能量。因此，该设备具有用于撞击等离子体的内置设施。

等离子体施放器可以是远离该发生器(但经由微波馈线连接至该发生器)的手持单元。在该实施例中，远程地生成等离子体，并且微波能量控制沿着馈线延伸。在可选的配置中，等离子体施放器可以位于该发生器处，并且沿着其本身的馈给管被输送至要灭菌的区域。由于该配置限制了需要施加微波控制的设备的范围，所以该配置是有利的。

控制微波能量的能力可以使得能够生成最适合于各种关注应用中的任一种的等离子体。微波能量和/或气体流速和/或气体混合物的控制给予对羽流的大小和正治疗的组织或物质的表面处的温度的控制。此外，可以配置该系统以量化输送至要治疗的表面(例如，生物组织表面)的等离子体能量的剂量。

可以通过以可控方式(例如，控制来自微波辐射发生器的辐射的频率)改变微波能量的频率、以可控方式改变功率电平、和以可控方式调制微波能量中的任一种或多种来控制微波能量。

该控制器可以包括微波信号调制器，被配置为调制输送至等离子体发生区的微波能量。调制频率可以包括在从0.1Hz到10MHz的范围内。占空比可以是从小于1％到100％。在一些实施例中，调制频率可以从10Hz到100KHz，以及占空比可以在10％与25％之间。在优选实施例中，调制频率可以在100Hz与1KHz之间，以及占空比可以是20％。

因此，该设备可以被配置为使用脉冲调制操作来产生等离子体。在一个实施例中，可以在每个脉冲撞击等离子体(该撞击由于在脉冲的一个边缘处产生的瞬变而发生——通常是上升沿)。该系统的操作可以使得必需保持将脉冲施加于系统以便产生所需要的临床和生物效果。

可以将DC场或DC电压电平施加至等离子体发生区中的微波场。在具体的配置中，可以在等离子体施放器的输入或天线处使用偏压‘T’，并且通过电感器施加DC电压，而可以通过电容器施加微波场。在该配置中，电感器会使DC电压通过但阻碍高频微波信号。感抗是2πfL(其中，f是微波能量的频率，以及L是电感器的电感)。如果频率是零(即，DC)以及电感具有有限值，则阻抗趋于零。电容器会使高频微波信号通过阻碍DC电压。容抗是

(其中，C是电容器的电容)。如果频率趋于无穷大(例如，400MHz以上)以及电容具有有限值，则阻抗趋于零。DC电压可以用于发起或撞击等离子体，并且微波场可以用于维持等离子体。固定的调谐短截线或多条调谐断截线也可以被配置为带阻滤波器以替代电感器，并且用于阻碍或停止高频信号返回至低频或DC发生器中。

微波辐射发生器可以包括放大器，例如，包括多个固态晶体管或电子管放大器或谐振腔。控制器可以包括可变衰减器，被配置为控制输入至放大器的微波信号的脉冲电平或脉冲宽度。可变衰减器可以具有作为上述的微波信号调制器进行操作的足够快的响应时间。

在一个实施例中，控制器可以包括放大器信号调制器，其被配置为调制用于放大器的激活信号。该实施例因而可以提供双重调制，即，放大器输入信号和驱动信号这两者的调制。这使得能够通过在不需要微波功率输送时(例如，在输入信号是零或者断开第一调制器(快速开关)时)切断激活信号来减少热质量和放大器冷却要求，例如，风扇和水冷却要求。

放大器的输出级可以包括微波功率合并器装置，被配置为合并来自多个功率装置的输出功率，以提供作为来自每个功率装置的输出的总和的单个输出功率。

相反，可以对来自单个高功率源的微波功率进行分配以驱动多个等离子体施放器或天线，从而能够产生等离子体羽流的阵列。以下，更详细地探究该构思。

该设备可以包括阻抗调节器，被配置为当气体和微波能量被输送至等离子体发生区时控制等离子体发生区处的阻抗。阻抗调节器可以允许该设备重复地建立等离子体发生区中的高阻抗状态以能够持续地撞击该等离子体。此外，阻抗调节器可以使该设备能够利用均可能影响在等离子体发生区处查看到的阻抗的不同的微波能量级、不同的气体成分、和/或不同的流速、和/或不同的治疗物质来操作。

阻抗调节器可以被配置为选择性地处于以下的任意状态：(i)当将气体和微波能量输送至等离子体发生区时在等离子体发生区中产生用于撞击等离子体的第一阻抗的等离子体撞击状态，或者(ii)当将气体和微波能量输送至等离子体发生区时在等离子体发生区中产生用于保持等离子体的第二阻抗的等离子体保持状态，其中，第二阻抗小于第一阻抗。第一阻抗可以非常高，例如，尽可能接近于无穷大。该设备可以包括：撞击检测器，被配置为确定是否撞击了等离子体；阻抗调节器，可以被配置为基于来自撞击检测器的信号切换其状态。在一个实例中，撞击检测器包括被配置为检测从等离子体发生区反射回来的微波能量的反射信号检测器，其中，反射信号检测器连接至控制器，并且控制器被配置为基于关于由反射信号检测器检测到的反射微波能量的信息，操作阻抗调节器。撞击检测器还可以包括正向信号检测器，被配置为检测输送至等离子体发生区的微波能量，其中，正向信号检测器连接至控制器，并且控制器被可调节地配置为基于关于由正向信号检测器和反射信号检测器分别检测到的正向和反射微波能量的信息来控制输送至等离子体发生区的微波能量。正向信号检测器和反射信号检测器可以是被配置为对输送至等离子体发生区的微波功率(即，正向功率)和从等离子体发生区反射的微波功率(由于阻抗不匹配)的幅值进行采样的功率耦合器。根据这些样本，可以检测表示等离子体撞击的在等离子体发生区处查看到的阻抗变化。

为了撞击等离子体，期望具有高电场(例如，高电压状态)。本发明可以通过在微波能量遇到来自气体馈给器的气体的位置处展现高阻抗的等离子体发生区处提供微波功率馈给结构来实现该高电场。微波功率馈给结构(其可以被配置为天线)的高阻抗有助于建立高压状态以及集中利用撞击等离子体的微波能量所建立的电场。在等离子体撞击状态下(即，在等离子体存在之前)，气体是不导电的，因此，该气体具有高阻抗。为了撞击等离子体，需要在施放器的末端处或者在施放器内建立高阻抗状态，以能够产生分解气体所需的高电压(高电场)。

在撞击等离子体之后，通过定位于施放器的远端处的微波功率馈给结构查看到的阻抗有所改变(即，由于不导电气体变为导电等离子体)。因此，阻抗不匹配可能发生，其可以通过撞击检测器来检测。在撞击等离子体后，期望有效地将微波能量输送到该等离子体中，这意味着期望将发生器阻抗(即，微波功率馈给结构的阻抗)与等离子体的阻抗相匹配。这是等离子体保持状态的目的。当占据等离子体保持状态时，阻抗调节器可以被配置为使微波发生器的阻抗与在等离子体发生区处查看到的负载(即，与等离子体)相匹配。在撞击等离子体后，参考平面可以从施放器的远端(施放器构成将生成器连接至施放器的传输线的一部分的地方)移动至施放器的近端或者施放器内部的某个地方。保持状态的阻抗可能随着气体流速、气体混合物、等离子体温度等变化，所以可能希望动态阻抗调节。

在撞击等离子体并且将阻抗调节器切换至等离子体保持状态之后，阻抗不匹配的位置从施放器的远端(等离子体与要灭菌的表面之间的接口)移动至馈电电缆(发生器的输出之间的传输线)的远端与施放器的输入之间的接口或沿施放器的某个地方。由于结构的尺寸或结构的配置使得切断微波电场，即，该微波电场不能在施放器壁或腔体外部传播，所以微波能量不会从施放器中泄漏。期望将微波功率有效地耦合到等离子体中。因此，阻抗调节器可以在等离子体维持模式下动态地操作，例如，基于来自撞击检测器的信号。该配置可以使得能够自动补偿由改变施放器相对于治疗表面的位置、或者例如由于施放器内部的温度上升引起的治疗表面或治疗位置的改变或者施放器本身的改变所引起的微波能量不匹配。

因而，本发明的设备允许控制输送至等离子体的微波功率的幅值，例如通过调制微波信号以及控制放大器增益或者控制具有固定增益的放大器的输入信号的电平，以及允许控制输送该微波功率的效率，例如，通过动态阻抗匹配。该配置还能够精确地量化输送到要灭菌的表面(例如，生物组织)中的等离子体能量的剂量。阻抗调节器可以包括动态滤波器网络或调谐器。因而，可以设立调谐器以自动产生撞击等离子体所需的阻抗和相关联的电场，并接着改变为维持该等离子体所需的阻抗。还可以在更低阻抗状态期间调节调谐器，以使在条件变化(即，气体流速、气体混合物、或在施放器本身内可能发生的变化)时将微波功率匹配到等离子体中。

阻抗调节器可以是等离子体施放器的一部分，例如与等离子体施放器集成。例如，微波功率馈给结构可以包括馈线，并且阻抗调节器可以包括：(a)具有能够可调节地插入到馈给线中的一条或多条短截线的短截线调谐器；或者(b)能够在开路组态(configuration)与短路组态之间电子地切换的连接至馈给线的一条或多条固定短截线；或者(c)串行和/或并行连接至馈给线的一个或多个可变电容器。由于阻抗的电子切换比取决于机械移动的切换更快，所以选项(b)和(c)是优选的。有效地，选项(b)和(c)可以代表按要求可控制地将固定阻抗切换到馈线中以及从馈线中切换出来。

选项(b)中的固定短截线可以是微带线或同轴线。每条短截线可以经由功率PIN二极管连接至DC源。阻塞电感器和电容器可以被配置为防止微波频率能量流入DC源中以及防止DC功率流入馈线中。可选择的具有相同或不同电长度的多条固定短截线可以使得能够将该配置调谐至多个不同的负载。

选项(c)中的可变电容器可以是一个或多个功率变容二极管。改变二极管的偏压引起它们展现的电容改变。此外，可以通过提供能够引入达到半个波长(即，180°)的相变的成行(串联连接的)电短截线和能够引入达到四分之一波长(90°)的相变的并联(并行连接)电短截线来匹配任何负载。可以通过电机装置或电子装置引入这两个变量。在该配置中，电容随着偏压的变化可以是非线性的。然而，通过使用合适的线性化算法或查找表，可以实现准线性效果。

还可以使用功率变容二极管来提供相变。

另一个可能的物理调谐机构包括同轴拉管(trombone)，即在可以例如使用可移动的短壁来改变同轴线的长度的情况下。

具有集成阻抗调节器的等离子体施放器是本发明的另一方面，并且将在下文中详细讨论。可以将上述的任何配置结合到手持单元中。

在一个实施例中，等离子体施放器可以被配置为选择性地发射等离子体(电离辐射)和微波(非电离)辐射。因而，该设备可以仅发射等离子体，仅发射微波能量，或者发射这两者的混合物。在一个实例中，相同的微波辐射发生器可以用于产生等离子体和微波能量这两者，但不同的微波天线或施放器可以用于将微波能量和等离子体引导到表面。调谐机构(例如上述阻抗调节器)可以用于将微波能量和/或等离子体匹配(例如，有效耦合)到要治疗的表面。

发射非电离微波辐射以及等离子体的能力对于诸如细菌会出现在要处理的表面下以及在该表面上的床垫和枕头的灭菌应用是有益的。在这种情况下，等离子体可以用于消灭该表面上的细菌，并且微波能量可以用于消灭该表面下的细菌，例如在该表面下2mm至20mm。用于产生等离子体的微波频率可以与用于直接使用微波功率杀灭细菌的微波频率相同，或者可以使用两个不同的微波频率。例如，2.45GHz、33GHz或52GHz可以用在两种模态下，或者42GHz可以用于产生等离子体，以及245GHz可以用于利用非电离肤辐射的灭菌。

该设备可以包括用于将微波辐射导向要灭菌的表面的探针，其中，探针和等离子体施放器可选择性地连接至微波辐射发生器。该探针可以包括喇叭天线，例如，菱形喇叭或锥形喇叭。可选地，探针可以包括制造到表面上的多个平板天线。形成在平板天线之间的通道可以包括气体馈给器。当存在气体时，该结构会发射灭菌等离子体，并且当不存在气体时，该结构会发射微波能量。介质层可以被设置在辐射块与阵列结构接触的表面之间。优选地包括光阀配置，其可以用于打开辐射块之间的通道以发出等离子体。

该设备可以包括被配置为可调节地控制气体馈给器中的气流的流量控制器。气体流速可以影响等离子体羽流或等离子体能量的大小；这可以由流量控制器控制。气体馈给器可以被配置为将等离子体通过等离子体发生区的出口导出，即，确保等离子体羽流在等离子体发生区外部延伸，以接触要灭菌的表面。

实现本文所公开的设备所关注的气体是：空气、氦气、氩气、氮气、压缩空气和二氧化碳。该系统不一定限于这些气体。可以使用气体混合物，例如，可以使用各种浓度氩气、空气和氦气，即，1％空气和99％氦气，或者5％空气和95％氦气。为了向气体馈给器提供指向性，可以使用压缩空气。氦气和压缩空气的混合可以产生对于治疗接触性皮炎尤其有用的等离子体。

作为实例，微波辐射发生器可以包括固态源，其能够在850MHz至950MHz的频带内产生达到300W的微波功率。该固态源可以被配置为扫过该频带以找到产生最大电场的共振位置。可以在从小于1Hz到大于100kHz的频率处调制该源。在一个特定实例中，可以以20％的占空比将调制频率设置为420Hz。

可以调节微波频率，以使得能够优化由等离子体输送的微波能量。例如，可以将天线结构或施放器设计为在某一频率(例如，900MHz)进行操作，但在使用中，最有效的频率可以是不同的(例如，866MHz)。

本发明并不限于使用一个频率源。例如，可以使用射频(RF)或中频或低频源来撞击等离子体并且使用微波源来保持或维持等离子体。

可以将同轴或波导配置用作施放器以产生等离子体。可以在同轴或波导系统中实现四分之一波长(或其奇数倍)阻抗变压器，并且可以通过特定应用以及期望产生等离子体的环境(即，在外部表面上或在体腔内)来确定所使用的该特定结构。在一个实施例中，该系统可以包括固态源、调谐器和简单的固定阻抗(例如，50Ω)施放器结构，以产生并维持等离子体。在另一个实施例中，该系统可以不包括调谐器，但可以具有施放器中的电压变压器(例如使用多个阻抗变压器来产生)，以撞击等离子体，接着保持撞击以产生准连续的等离子体。重复的等离子体撞击对于调节等离子体温度是有益的。

为了产生等离子体，等离子体施放器可以包括任何微波共振结构、四分之一波长电压变压器、调节短截线或杆、和使用具有适合的切换装置的电压变压器(例如，升压转换器)来产生高得足以撞击等离子体的电压(即，大于100V的电压)的配置、或者由陶瓷/金属间材科制成的点火器或基于弹簧驱动锤配置对压电陶瓷材料的影响来产生高压火花压电点火器。一旦已撞击或者发起等离子体，就使用微波能量来使得能够维持或保持等离子体。可以使用仪器或发生器内的调谐元件来有利于此。

等离子体施放器可以包括由钨或能够耐高温的其他材料制成的一个或多个共振结构。例如，共振结构可以包括钨棒或涂覆有作为良导体的材料(即，银，铜或金)的针。作为实例，可以使用硝酸银以用银电镀针，或者使用硫酸铜，以用铜来涂覆针。可以使用其他低损耗导体，例如，铜、铝、涂覆银的不锈钢等，其具有卷缩至要产生等离子体的远端的小长度的钨。

为了通过有效地使两个导体靠近在一起来加强在同轴施放器中的内电极与外电极之间产生的电场，石英管或石英片可以用在该结构中。石英管还防止两个导体之间的电弧作用，这有助于产生均匀的等离子体束。优选地使用低损耗石英材料。

优选地，可以按照将微波能量和气体混合物在同一端(即，在与施放器本身相同的方向上)馈给至结构中的这种方式来配置施放器。当在期望整体是细长形的情况下将该装置插入到自然腔道中时，该特征尤其适用。在这种配置中，优选地，施放器可以是柔性的并且具有超过1m的总长度以及小得足以使其插入在标准治疗内窥镜的仪器通道下的直径(即，小于2.5mm)。

等离子体施放器可以包括形成有等离子体发生区的波导腔，该波导腔具有：耦合器，位于其输入端处，用于将微波能量从微波辐射发生器输送至等离子体发生区；以及气体入口，也位于波导腔的输入端，用于将气体从气体馈给器输送至等离子体发生区。耦合器可以是E场或H场耦合器，并且可以对应于上述的微波功率馈给结构。

偶极天线可以位于波导腔中，以将电场聚集在等离子体发生区中，从而在气体和微波能量被输送至该等离子体发生区时促使撞击等离子体。

等离子体施放器可以包括同轴组件，其具有由外导体围绕并与该外导体分离的内导体，其中，内导体在其远端处逐渐变细以将电场聚集在等离子体发生区中，以在将气体和微波能量输送至该等离子体发生区时促使撞击等离子体。

同轴组件可以包括每个均具有不同阻抗的多个电压变压器，该多个电压变压器被配置为将电场聚集在等离子体发生区中。每个电压变压器可以包括长度为由该电压变压器承载的来自微波发生器的微波能量的四分之一波长的一段同轴组件，并且其中，可以通过在每段同轴组件中选择内导体的外直径来设定多个电压变压器的阻抗。

等离子体施放器可以包括波导结构，其可以装有电或磁性材料以减小波导腔的大小。填料可以是多孔的，或者包括使气体(或气体混合物)能够沿施放器流动的孔。波导施放器结构可以包括四分之一波长阻抗变压器段，以增大在波导的远端处的电场，从而使得能够撞击等离子体。在这种配置中，改变波导的高度或直径，以改变特定段的特征阻抗，例如，第一四分之一波长段可以具有20Ω的特征阻抗，接着第二段具有600Ω的阻抗，如果通过50Ω发生器向该配置馈给，则其会产生30的总电压倍增，即，能够产生50W并转化50Ω阻抗的发生器会在波导施放器结构的端部处产生1500V电压。

该设备可以包括可调节支座(stand off)，其被配置为保持所设置的等离子体施放器与要灭菌的表面之间的最小距离。可调节支座可以用于改变等离子体羽流相对于要灭菌的表面(例如，生物组织)的位置。这可以用于控制在该表面处的等离子体的温度。

等离子体施放器可以包括位于施放器的远端处、作为隔离物的另一段，以确保等离子体接触的所有材料或表面不会发热超过所设置的温度，即，38°。可调节该隔离物，以使得能够在一系列温度处产生等离子体。可以自动调节施放器的端部与隔离物之间的距离。温度传感器或传感器的阵列(例如，热电偶)可以位于隔离物的端部处，以使得能够测量等离子体温度，并且该信息可以用在闭合环路中，以使得能够根据所要求的温度使调节器自动移动。优选地，隔离物由热塑料或陶瓷材料制成(尽管本发明并不限于是这种情况)。通过使用电机致动器(例如，电磁阀)移动隔离物。在特定实施例中，可以将管状塑料隔离物涂覆在具有高磁导率材料的内壁上，并且线圈或绕组可以位于该隔离物之上；当线圈被磁化时，隔离物会被在线圈内部建立的磁化力移动。需要第二管将可移动隔离物与静止线圈隔开。该配置还可以用在考虑微波能量、气流和气体混合物的控制环路中，其中，可以根据使用隔离物中所包括的热电偶或温度传感器测量出的温度来改变这些参数。该配置可以与一系列施放器一起使用，以杀灭在多个不同表面上所包含的细菌。

等离子体施放器可以包括在其远端处的传感装置，其被配置为提供与等离子体相关的信息以使得能够进行调节(如果需要)，即，光谱含量(波长)、等离子体能量和等离子体温度。例如，等离子体施放器或支座可以包括温度传感器、热量计、用于监控在施放器的远端处产生的等离子体含量的一个或多个光电检测器。从这些传感器获得的信息可以用在反馈环路中，以控制在系统的输出处产生的等离子体，即，控制微波功率电平、占空比、微波功率的波形、气体流速、气体混合物、气体定时等。

集成的气流和微波功率馈给

微波功率馈给结构可以与气体馈给器结合。具有该结构的等离子体系统或等离子体施放器代表本发明的各个独立方面。

通常，该方面可以提供使用一个公共的同轴结构(例如，集成电缆组件)将微波能量和气体馈给至等离子体发生区的等离子体灭菌系统。该集成电缆组件可以用于在两个方向上(即，面对和远离等离子体施放器)沿其传输气体。

该方面利用以下事实：对于有效传播微波频率处的电磁场，在微波场传播中所涉及的导体的壁厚度限于全部导体厚度的一小部分，即，仅需要内导体的外壁和外导体的内壁的一小部分以使得传播的微波场未被削弱，因而，内导体的内部和外导体的外部可以用于除了传输电磁能量之外的目的。

提出了将内导体的内部用于将气体(或气体混合物)从集气筒(源)传输到等离子体施放器中。在一个实施例中，可以提供超过外导体的通道来用于传输远离等离子体发生区的残余气体。可以使残余气体回到集气筒或储蓄器，以沿电缆组件在循环或重新循环回来以产生更多等离子体。

为了将壁厚度保持为最小值，优选地，在构造同轴组件时使用高导电率导体，即，当制造内导体和外导体时优选地使用银、铜或金，从而支持传播微波能量的传输线可以包括由介质材料制成的柔性管，在柔性管内表面和外表面涂覆有金属材料薄层。

因此，该方面可以被表达为等离子体灭菌设备，其包括：等离子体施放器，具有封闭等离子体发生区和用于将等离子体从等离子体发生区中导向要灭菌的表面的出口；微波辐射发生器，被连接以将微波能量输送至等离子体发生区中；以及公共同轴电缆组件，被配置为将微波能量和气体同时传输至等离子体发生区。可以使电缆组件形成能够被插入人或动物体内的一系列自然腔道内或者治疗内窥镜或用在锁孔手术中的其他仪器的仪器通道下面的尺寸。可以使用同轴波导来输送微波能量，该同轴波导能够支持横电磁(TEM)波的传播，并且使用由同轴波导的中心导体的中心形成的通道以及/或者形成在波导的金属外壁和外护层或保护层的内部之外的通道，来传输气体(或气体混合物)。在该配置中，传播微波场所需的有限导体厚度的概念用于使得能够将中心导体用作气体的管道。例如，如果要使用的实心导体的直径是2mm，则仅需要该实心导线或棒的一小部分来传播微波场。

该方面还可以表达为等离子体灭菌设备，其包括：等离子体施放器，具有封闭的等离子体发生区以及用于将等离子体从等离子体发生区中导向要灭菌的表面的出口；微波辐射发生器，被连接以将微波能量输送到等离子体发生区中；以及同轴波导或传输线配置，该配置包括柔性低损耗介质材料管，该管的中心部分被钻孔或被去除以形成用于将气体导至等离子体发生区的通道，其中，该管的内壁和外壁涂覆有金属层，并且该金属层的厚度与操作频率处的集肤深度相关，即，在微波能量的频率处的1至10个集肤深度，以形成传播电磁场的金属壁，从而将微波能量输送至等离子体发生区。作为实例，可以将固态PTFE材料用作介质，其中，在2.45GHz的频率处，损耗因子在0.0001与0.0008之间。选择介质材料的电特性以及外导体层的内直径与内导体层的外直径之间的厚度比，以使传输线的特征阻抗是通用值，例如，50Ω或75Ω。期望介质材料的电特性和机械特性沿该材料的长度是同质的，以最小化沿传输线的不连续性，该不连续性可能导致沿电缆的反射和功率损耗。

该方面还可以被实现为单导体波导，例如，柔性或柔性/可拧扭的矩形或圆柱形波导。在这种情况下，气体可以沿该开放腔传播。优选地，将该腔分割成多个纵向段，其中，第一段用于将气体从源传输到施放器，以及第二段用于将残余气体沿波导从施放器传输回至气体源。使用波导的中心传输气体的另一个选择是，使用在波导的外壁和绝缘外护层之间所形成的区域或通道。由于在腔内的气流会影响在波导内部传播的电磁场，所以这是优选的。由于气流会是不稳定的并且所使用的气体可能变化的事实，优选地将传输远离在腔内部建立场的区域的气体，这是因为这可能造成传播介质异质。如果选择使用波导的中心腔体传输气体，则优选地向波导装填电材料或磁性材料，以减小使腔填充气体所造成的影响。在该配置中，填料必须使气体流动，即，其可以包括多个孔或者进可以部分地填充波导腔。在该配置中，可以在波导中建立不同的多种模式，例如，优选地在使用矩形波导的情况下建立主TE₀₁模，或者在实验圆形波导的情况下建立主TE₁₁模。由于这些模式限定了可以在波导中传播的最低频率，所以将这些模式成为主模。当将更高频率发射到同一波导中时，将在该波导内部建立其他更高阶模式。其他更高阶模式可以用于沿波导传播微波能量。

该方面还可以被实现为与等离子体施放器集成的结构。在该配置中，将气体从由空心中心导体提供的通道和/或形成在第二导体的外壁与绝缘外护层之间的通道直接馈给至施放器中。两个通道中的任一个也可以用于将残余气体从施放器传输回到气体馈给系统或储蓄器。该施放器可以包括用于混合气体和微波能量的空心同轴或波导结构。以微波能量产生高得足以使得能够将气体变成等离子体或导电气体的电场的这种方式配置该结构。集成结构可以包括具有单个或多个阻抗变压器的仪器，以使得能够将在传输线的远端处的电压倍增或增大至高得足以撞击等离子体的电平。这些阻抗变压器可以是四分之一波长变压器或者操作频率处的波长的四分之一的奇数倍。可以将集成施放器制造成具有与集成微波/气体电缆组件(传输线)相同的物理直径。可以以运送气体的空心中心导体直接馈给到施放器内所包含的第一阻抗变压器中的这种方式配置该结构。高频微波能量的使用意味着，相关联的四分之一波长小得足以使得能够实现尺寸适合的仪器。由于不需要沿接近于多个重要身体部位或器官的传输线产生高电压，所以在远端处产生高电压也是有利的，并且该配置可以支持小直径的恒定阻抗传输线的使用，这些阻抗传输线不会受到RF系统的缺点(由此场由于内导体与外导体之间的电容而易于衰弱)的影响。

在该方面的一个实例中，以上相对于可控灭菌系统所述的同轴组件的内导体可以是其中具有通道的空心管，并且其中，气体馈给器连接至该通道以将气体输送至内导体的远端。该空心管的厚度可以小于由此从微波发生器得到的微波能量的频率处材料的十个(优选地，五个或更小)集肤深度。

可选地或进一步，同轴组件可以容纳于壳体内，并且可以包括由位于外导体的外表面外部的壳体围绕的气流通道。外导体的厚度可以小于由该外导体承载的来自微波发生器的微波能量的频率处材料的十个(优选地，小于五个)集肤深度，并且气流通道是外导体的外表面与壳体的内表面之间的环形通道。

因此，在一个实施例中，微波功率馈给结构中有两个独立的气流通道。这允许使用单个自包含单元将气体输送至等离子体发生区以及从等离子体发生区中抽取气体。具有这种结构的等离子体灭菌系统和等离子体施放器可以是本发明的另一个独立方面。

在该方面，集成结构可以使得能够非侵入式地使用等离子体灭菌系统，即，将微波能量和气体传输到体内(或其他地方)，从而在自然腔道(或其他地方)内产生在生物上有用的等离子体。这方面介绍了通过返回没有用于等离子体产生的残余气体来防止增加在自然腔道(或可能关注的身体的其他区域或身体外部区域)内的压力所需要的器具。该特征在使得能够再循环未用过的气体并使其不会进入大气中方面是有益的。

根据一个实施例，提供了：同轴微波电缆组件的第一段(例如，传输线)，用以使得能够将气体馈给到施放器中以使得能够产生适当性质的等离子体；以及同一同轴微波电缆组件的第二段，用以使得能够从该结构抽取气体以防止插入施放器的腔或自然腔道内压力增加。第一段和第二段可以包括空心内导体以及外导体与上述壳体之间的通道。

期望沿施放器和电缆吸回气体，以确保在腔内压力不会增加。还期望使用该配置来重新循环一部分气体，而不是使所返回的气体进入大气中。这可以有助于保存有价值的自然气体源。

可以将残余气体返回至储蓄器，其用作所返回气体的存储器以使得能够再次有效使用残余气体来产生更多治疗等离子体。该系统中还需要包括多个单向阀，以确保气体流动在系统内的期望方向上。

引入到传输线结构中的相同通道或通道之一可以用于将除了气体外的材料导入组织中，例如，在灭菌处理前或后，将液体或流体导入要灭菌的区域中。在这种配置中，多个气体通道(或多个气体通道之一)用于以连续的方式传输气体和其他材料。

该方面还可以包括气体控制系统，其通过沿等离子体施放器和电缆组件吸回过量气体来使得能够返回过量气体。气体控制系统还可以被配置为通过例如允许调节压力或流速来控制馈给至等离子体发生区中的气体以产生等离子体。

气体控制系统可以包括储蓄器，以使得能够在抽运回至等离子体施放器中前存储过量等离子体，以产生更多等离子体。气体控制系统还可以包括气体合成器或混合器，用以使得所返回的气体与(来自集气筒或气体发生系统的)气体供给相混合。气体控制系统还可以包括泵的配置，以使得能够从等离子体施放器吸出气体，或者将气体抽运到气体合成器中，或者抽运到等离子体施放器中。气体控制系统还可以包括气流阀的配置，以确保气体只沿期望方向流动。气体控制系统还可以包括流量开关，其操作可以由从微处理器、DSP单元或其他合适的数字或模拟信号处理配置获得的信号来控制。流量开关可以是电磁线圈配置，其中，所施加的磁场控制阀的位置或阀开启电平。气体控制系统还可以包括流速调节器和监控器，其操作可以由从微处理器、DSP单元或其他合适的数字或模拟信号处理配置获得的信号来控制。其他控制系统还包括可以由塑料或金属材料制成的管子或管的配置。该气体控制系统可以包括至少一个集气筒或气体发生器。

控制系统还可以负责监控(多个)集气筒内的剩余气体水平、施放器内的气体量、流速和压力。

该方面还可以包括将微波能量与气流同步的装置，以确保仅当等离子体施放器填充有气体时才出现微波能量，从而使得能够撞击和保持期望的等离子体。微处理器或数字信号处理器可以用于进行定时功能以确保在正确的时间处启动和断开微波功率和气体。正确的同步确保不会浪费气体并且由微波发生器产生的微波能量不会从等离子体施放器反射回至发生器。后一情况由于会使施放器和电缆发热而是不期望的，并且还可能在系统内的这些和其他部件上导致不必要压力。监控器被包括以表明过多微波功率何时沿电缆反射回来以及/或者气体流速不同于要求值

在一个实施例中，该方面可以提供等离子体灭菌设备，其包括：等离子体施放器，具有封闭的等离子体发生区和用于将等离子体从等离子体发生区中导向要灭菌的表面的出口；微波辐射发生器，被连接以将微波能量输送至等离子体发生区中；以及气体馈给器，被连接以将气体输送至等离子体发生区中，其中，等离子体施放器包括具有由外导体围绕并与该外导体分离的内导体的同轴组件，该内导体是具有第一气流通道的空心管，并且其中，该同轴组件容纳于壳体中并包括由位于外导体的外表面外部的壳体围绕的第二气流通道，以及其中，气体馈给器连接至第一气流通道和第二气流通道中的一个以将气体输送至等离子体发生区，并且其中，该设备包括气体抽取器，其连接至第一气流通道和第二气流通道中的另一个，以从等离子体发生区抽出残余气体。

该设备可以包括柔性同轴馈电电缆，其连接至微波辐射发生器以将微波能量输送至等离子体施放器，其中，同轴组件整体地形成在馈电电缆的远端处。该馈电电缆还可以包括第一和第二气流通道。

利用整体调谐的等离子体施放器

如上所述，本发明的独立方面可以是在等离子体施放器内设置阻抗调节器，即，对系统进行调谐的能力。这方面可以被表示为等离子体施放器，其包括调谐机构(例如，自动可控调谐机构)。在使用中，等离子体施放器的远端可以与组织或表面紧密接触，以确保等离子体能量有效地耦合至正处理的表面以提高系统的功效。如上所述的可调节隔离物也可以用在该方面。该配置还可以确保微波能量被有效地转换成临床上有用的等离子体能量。

该方面的调谐机构可以被设置为提供一个特定阻抗，或者可以被设置为提供自动阻抗调节以使得一旦撞击了等离子体则等离子体能量就与等离子体相匹配，从而使得能够对关注表面(其可以是生物组织，或者要灭菌的其他材料)有效灭菌。施放器或手持件中的调谐提供了以下优点：克服了当进行撞击并保持发生器内的等离子体所需的调谐时，考虑与将发生器连接至施放器的传输线、其他内部连线和微波对准内的其他部件相关联的相位变化和介入损耗的需要。

该方面可以克服与微波电缆组件相关联的介入损耗(电缆损耗)和相位变化(其是具有容纳有发生器电子设备的调谐网络的系统的缺点)的影响。通过将调谐机构并入到手持件中，将可以相对容易地建立撞击等离子体的第一阻抗和维持等离子体的第二阻抗。

该方面可以被表示为等离子体施放器，该等离子体施放器包括：封闭的等离子体发生区，具有用于从气体馈给器接收气体的气体入口、用于接收微波能量的能量入口和用于将等离子体从等离子体发生区中输送到要灭菌的表面的出口，其中，等离子体施放器包括阻抗调节器(例如，包含在等离子体发生区中)，其被配置为当气体和微波能量被输送到等离子体发生区时控制在等离子体发生区处的阻抗。该阻抗调节器可以被配置为在将气体和微波能量输送至等离子体发生区时建立高阻抗，从而撞击非热等离子体以将其从施放器中输送出去。阻抗调节器可以包括动态调谐机构，以比位于发生器内部或远离等离子体施放器的一些其他遥远位置的调谐机构更快反应。如上所述，调谐结构可以是可变短截线的配置、可以使用功率PIN二极管的配置从开路改变为短路态的固定短截线、变容二极管的配置等。

可以自动调节阻抗调节器，以确保能够有效地撞击、维持等离子体，并且将其匹配或耦合到等离子体，以使得能够对治疗表面(生物组织或外部表面)或治疗地点进行有效灭菌。该系统将适应于施放器的阻抗的改变，该改变是由于施放器内的气流、气体混合物、微波能量、发热、施放器内的相位改变的其他原因、施放器对于组织的物理控制或者由于等离子体处理过程导致的位点特性的改变而导致的。在特定实施例中，阻抗调节器可以包括：一个或多个可机械移动的调谐短截线，它们其能够被插入到等离子体发生区中；电机致动器，被配置为移动这些短截线；一个或多个检测器，被配置为测量施放器内部的正向和反射能量的大小；以及控制器，获得采样的正向和反射信号，并且将所需的控制信号提供给使调谐短截线移动到产生撞击、维持或匹配等离子体所需的阻抗的位置的致动器。所有这些部件都是施放器的一部分，尽管可以远程地设置控制器。DC电源电缆和信号线可以用于将DC功率和控制信号传输至施放器以及传输来自施放器的DC功率和控制信号。调谐机构还可以由机械棒(或短截线)的配置、半导体功率变容二极管或PIN二极管构成。在这些二极管的情况下，控制电压用于改变二极管的特性，其又建立或设置所需的共振或调谐状态。

在一个实施例中，阻抗调节器可以被实现为分路连接至微波功率馈电结构的可变电容。可变电容可以被实现为使用功率PIN二极管选择性地连接至微波功率馈给结构的多条固定的电容性短截线、或者一个或多个可变功率变容二极管。由于在这些实施例中可以使用PIN或变容二极管来对阻抗进行电子调节，所以其可以比上述机械实施例更快地反应。这在从等离子体撞击状态移动至等离子体保持状态方面是有利的。

用于自动调谐配置的控制器可以包括由运算放大器的配置构成的模拟信号处理器。这对于包括控制器、致动器和调谐短截线的集成等离子体施放器(例如，手持式单元)尤其有用。可选地，该控制器可以包括数字微处理器，其被配置为处理从检测器获得的信息以控制电机致动器；可以使用8位、16位或32位微处理器或PIC装置，其还可以被集成到手持件中。这些检测器可以是配置为对正向功率信号和反射功率信号进行采样的功率耦合器。这些耦合器可以是E场探针、H场环耦合器、带状线或微带耦合器。

在另一实例中，等离子体施放器可以包括波导结构。因而，这方面可以提供以下方法：首先自动调谐波导等离子体施放器，以形成具有适合于撞击低温大气等离子体的高阻态；以及随后(即，在撞击等离子体后)形成具有适合于保持等离子体的低阻态的天线。该方法可以包括：动态地调节低阻态(例如，基于检测器的测量)，以形成具有适合于将天线基本上匹配于组织中的可变阻态的天线。等离子体发生区可以形成在波导腔内。可以通过动态地改变波导腔内所包括的一个或多个调谐元件的位置来建立高阻态、低阻态和可变阻态。由于不需要使用包括多个四分之一波长变压器等的共振结构，所以这可以克服使用复杂的施放器或天线结构的需要。该波导可以是圆柱形或矩形的。该波导可以装填有介质或磁性材料、或者介质和磁性材料，以减小该结构的尺寸。

可选地，等离子体施放器可以包括同轴结构。这里，自动调谐机构可以被配置为改变同轴结构的直径或长度，以提供调谐状态。可选地，可以通过将调谐短截线穿过外导体的壁插入将内导体与外导体隔开的介质材料中而在同轴结构内插入调谐短截线。还期望将调谐短截线插入包括单个或多个共振器或阻抗变压段(即，四分之一波长阻抗变压器)的施放器设计的外壁中，并且改变同轴结构内部的短截线的长度以改变在该结构内建立的电磁场，从而有助于获得产生用于灭菌的等离子体所需的理想状态。可以在外导体中设置单个或多个槽，以缩小内导体与外导体之间的距离。如果以适当方式分开，则这些槽会形成固定短截线，并且可以提供相对简单的方案。

等离子体施放器-多个等离子体羽流

上述的系统可以包括功率分配单元，其被配置为在等离子体施放器中形成的多个等离子体发生区之间分配微波能量，其中，气体馈给器被连接以将气体输送至每个等离子体发生区，并且多个等离子体发生区的出口在空间上被配置为输送来自在每个相应的等离子体发生区中所产生的多个等离子体的基本均匀的等离子体包层或等离子体线。

在一种配置中，限定孔径的框架中容纳有10个以上的等离子体发生区，等离子体施放器被配置为从该框架向内引导等离子体，以为经过该框架的物品提供等离子体包层。

可选地或附加地，多个等离子体发生区都可以容纳于手持式单元中。

一个或多个近程式传感器被配置为检测物体是否在距等离子体施放器的阈值距离内，其中，多个等离子体发生区被配置为提供对准被检测到处于距等离子体施放器的阈值距离内的物体的等离子体包层。在反馈环路中还可以包括并连接热传感器的配置，以使得能够调节气流、气体混合物和微波能量，从而确保等离子体温度不会超过预定或用户设置的限值。

等离子体施放器可以具有配置为从多个等离子体发生区提供出口的一次性的外盖。可以将施放器的有源元件(例如，等离子体撞击发生的天线或导体的末端)集成到该外盖中，以提供一次性或容易替换的单元。该盖还可以用于确保等离子体温度不会损坏组织或材料(表面)，即，小于37℃。

微波功率在等离子体施放器中的多个等离子体发生区之间的分配可以是本发明的另一个独立方面。在该方面的一个实例中，等离子体施放器可以包括等离子体‘刷’或‘梳’型配置，其可以用在外部环境或人体或动物体的表面上。该方面可以与上述基于可控微波能量的等离子体灭菌系统一起使用。

根据该方面，等离子体施放器可以包括传送微波能量的延伸结构并具有沿该延伸结构的外表面配置的多个出口，每个出口用于这些独立的等离子体羽流之一。在一个实施例中，等离子体施放器可以包括同轴线，其由外导体和中心导体构成，其中，多个缝形成在外导体中以使得能够发射等离子体。根据临床应用，缝的中心可以对准或偏移。气体(或气体混合物)也可以存在于同轴结构内。可以在缝的位置处的同轴线内产生多个高电场，以使得能够撞击等离子体并从每个缝发出等离子体。微波能量被馈给至同轴结构中，并且这可以用于撞击和保持等离子体或者仅保持等离子体，例如，可以使用阻抗变压器的配置或者调谐或匹配配置来建立高电压(高阻抗)状态，以使得能够撞击等离子体，并且一旦撞击了等离子体，就可以调节调谐配置已使得能够保持等离子体。在不进行该调节的情况下，当形成导电气体时所产生的阻抗不匹配会使电平过大的反射功率返回至发生器。可选地，可以使用以下配置之一建立高电压(高阻)态：压电点火器或点火线圈或具有高匝比(例如，1∶100)的变压器或回扫(或升压)电路，并且可以使用馈给至同轴结构并与低阻态匹配的微波能量来保持等离子体。

可以配置同轴线结构，使得以相隔操作频率处的波长的二分之一的距离(在邻近的孔或喷嘴的中心之间)放置发射等离子体的多个喷嘴或孔。然后，通过在施放器的远端(同轴线)处使同轴线的中心导体短路至同轴线的外导体、接着将第一喷嘴配置为放置于距短路端四分之一波长处以产生期望的E场最大值，可以确保在每个喷嘴处建立高E场状态。如果接着将第二喷嘴放置于距第一喷嘴二分之一波长处(远离远端移动)，则在该第二喷嘴的中心处E场出现第二最大值。如果将随后的喷嘴放置在距邻近喷嘴二分之一波长处，则每个喷嘴都将位于E场最大值处。当将气体(或气体混合物)导入同轴线中时，将在E场最大值出现的位置(喷嘴的中心)处发生电离，并且将从每个喷嘴发出等离子体。

同轴线可以装填有介质或磁性材料，以减小‘刷’或‘梳’的总物理长度或者减小邻近的等离子体发射器之间的间隔，例如，在10GHz时没有装填的情况下，邻近的等离子体羽流之间的二分之一波长间隔大约为：3×10⁸/(10×10⁹×2)＝15mm，而在10GHz时具有介质常数为49的填料的情况下，邻近的等离子体羽流之间的二分之一波长间隔大约为：

还可以增大操作频率，以减小‘刷’的总物理长度，或者减小邻近的等离子体发射器之间的间隔，例如，在25GHz时没有装填的情况下，邻近的等离子体羽流之间的二分之一波长间隔为：3×10⁸/(25×10⁹×2)＝6.25mm，该间隔足以使得能够沿施放器的长度形成准连续的等离子体线。

在该装置的具体实现中，同轴管的远端具有短路至外导体的中心导体，并且第一喷射机的位置距短路的距离为操作频率处的波长的四分之一，以使得电场的最大值出现在第一喷嘴的中心处，从而建立了等离子体撞击出现的状态。接着，将随后的所有喷射机放置于中心之间在操作频率处的二分之一波长的距离处，其中，E场的最大值随后出现。

优选地在‘梳’状施放器结构的远端处包括可变的四分之一波长(或其奇数倍)段，以使得能够一开始就建立撞击等离子体所需的开路状态，并接着将该状态调节或改变为维持等离子体所需的低阻态。可以使用滑动端部分来实现该调节，该滑动端部分由在中心处具有管的可移动端盖构成，并且被以可移动段在同轴线施放器结构的外导体和内导体上滑动的这种方式配置。端盖的移动产生λ/4或90°相位调节，并且端盖基本上是内导体与外导体短路在一起的空气同轴线，以及该段的中心和外导体在主同轴线或施放器之上滑动。固定导体和移动导体必须彼此进行良好电接触。伸展的金属配置可以用在可移动段所包括的导体的各端处，以确保进行良好电接触。优选地，可以移动小于或大于λ/4的距离，例如，λ/8的移动将提供在幅度上等于同轴传输线的特征阻抗的容抗或感抗。还期望增大可移动内导体的外直径，以在该结构内产生阻抗变压，例如，可移动端部分的总长度可以是长度的3λ/4，并且中间段可以更大直径以建立低特征阻抗段，或者所有三个段可以具有不同直径。

为了确保端部分不会在同轴传输线内引起不连续，接着应该尽可能小地保持由可移动段所产生的高度差，即，应该将中心导体直径的增加保持为小于约0.2mm。

可以使端部分移动的机构可以由缠绕在该端的一个或多个电磁线圈构成，以使用电流源配置来基于在(多个)电磁线圈绕组中建立的磁化力来产生移动。

可以在中心导体与外导体之间的同轴结构内或沿着该同轴结构设置单个或多个调谐短截线，以使得能够在每个喷嘴的中心所在处建立电场最大值。调谐短截线可以包括金属杆或金属插入物、介质杆或介质插入物或者磁性杆或磁性插入物或者这三种材料的组合。可以沿着延伸的传输线结构改变调谐杆或调谐插入物的物理和电气特性，以确保在各喷嘴的中心处产生的电场是相同的，以确保由装置产生的等离子体线是均匀的。

该结构可以包括沿着同轴结构放置的多个阻抗变压器，并且可以再次改变物理和电气特性，以确保由该装置产生的等离子体线沿着该结构的长度是均匀的。

等离子体施放器可以包括气体控制装置，被配置为控制沿延伸结构长度的气体流速，以使得由装置所产生的等离子体线在等离子体能量和/或温度方面沿其长度是均匀的。可以沿着该结构的长度放置流量压缩器或阀，以实现该特征。小型阀可以位于各喷嘴的中心附近。可以将上述阀设置为在各喷嘴处提供固定气流，或者能够基于所测量出的在各喷嘴处产生的等离子体能量来自动调节。在后一种情况下，每个阀可以包括小型电磁阀，能够通过将电流施加至缠绕在由磁性材料制成的棒或轴的线圈来移动该小型电磁阀。

可以使用延伸波导(矩形或圆柱形腔)来代替同轴结构。可以沿腔的长度设置多个调谐杆或短截线，以使得在存在出口(例如，喷嘴或缝)以及发射等离子体的位置处能够出现电场最大值。还可以沿着波导组件的长度放置气体限流器，以有助于确保在各喷嘴处产生的等离子体是相同的。

该喷嘴可以覆盖有一次性的元件(例如，在使用中是无菌的)，其可以用作确保等离子体的温度小于或等于37℃的隔离物，从而防止损坏正灭菌的组织结构或材料。该盖可以由高温塑料或陶瓷材料制成。

在另一个实施例中，将微波源功率分开或分割成多个较小的功率源，每个功率源均产生相同的功率电平，并且单独的施放器配置被连接至每个源，以产生‘刷’或‘梳’型配置。每个施放器可以包括用于产生引起所需电离放电或分解的高电压的装置、以及用于保持放电或等离子体的装置。功率分发器可以是同轴分发器或同轴耦合器、微带分发器或微带耦合器、或者波导分发器或波导耦合器。例如，等离子体施放器可以包括微带或带状线功率分配器结构，其被配置为分配所输入的微波功率以产生多个低功率源，每个低功率源均被配置为产生支持撞击独立等离子体羽流的电场。因而，每个低功率源可以被连接以将微波能量输送至与相应出口相关联的等离子体发生区。可以沿公共线连接该出口以使得能够形成等离子体线。

延伸结构可以包括一个或多个气体馈给器，用于将气体(或气体混合物)输送至每个等离子体发生区以有助于等离子体的产生。

在该配置中，优选地，每个源被配置为产生相同量的功率，以使得能够沿着施放器的长度产生均匀的等离子体。优选地，邻近喷嘴或等离子体源之间的距离使得由各独立源产生的羽流结合在一起，并且在等离子体线形成中不存在可见的间隙。等离子体施放器可以包括被配置为控制各喷嘴的区域处或中的气体流速的气体控制装置，其中，产生各等离子体羽流，以确保沿延伸结构的长度产生均匀的等离子体线，即，在各喷嘴处产生相同的等离子体能量。

该装置可以被设置为用于治疗人体或动物体的手持式工具。然而，对于大规模应用，例如，关于医院病房的灭菌，优选地，可以按照大量喷射机(例如在100与500至之间)在限定孔径的框架(其可以是医院病床的入口门)周围发射等离子体的这种方式配置等离子体灭菌系统。能够根据期望进入病房的人的大小调节孔径的高度和宽度。在该系统中，可以在人进入医院病床前使用等离子体系统来对人进行灭菌。

对于类似应用，等离子体喷射机的阵列可以被配置为在框架周围发射等离子体，并且可以使框架沿表面或在病床周围自动地移动，以使得能够对床或表面进行灭菌。该处理可以是半自动的，即，要求医院工作人员将框架定位在某位置中，并且系统会自动扫描关注的物品或表面。

在该方面的开发中，以使用单个等离子体喷射机(或少量(例如，两个或三个)喷射机)在物品或材料的表面之上扫描的这种方式配置等离子体灭菌系统。该实施例的一个实例可以是包括两个等离子体喷射机的箱子，其中，以喷射机在框架上的箱子或在箱子周围的台架上周围移动的这种方式配置两个等离子体喷射机。这种配置可以用于在人进入医院病房前对手进行灭菌。等离子体施放器可以连接至与在x-y绘图器中所使用的扫查臂类似的扫查臂。可以使用每个均具有其各自等离子体喷射机的多个臂(例如，五个或更多个)。

该配置的另一实例可以提供在高度和侧向移动上能够调节扫查臂的箱子，例如，可以将手放在一个侧壁附近以及箱子的底座上，并且近程式传感器的第一配置可以用于将单个或多个等离子体喷射机从上面开始向下移动，以确保以等离子体覆盖手的上面，以及近程式传感器的第二配置可以用于使单个或多个等离子体喷射机从侧面移进，以确保以等离子体覆盖手的侧面。还可以使用类似配置来对通常拾起并由医院员工使用的物品进行灭菌，例如，笔、写字板等。

侵入式等离子体施放器

在本发明的另一方面，等离子体施放器可以包括可以插入治疗内窥镜(或气管镜或别的观看装置)的仪器通道下面或者通过锁孔或微创手术插入到体内的装置。例如，可以通过体内的自然腔道(例如，鼻子、耳朵、肛门、嘴等)插入这种类型的施放器。该方面可以与上述基于可控微波能量的等离子体灭菌系统一起使用。

该方面利用使得能够沿单个柔性微波电缆组件传输微波能量和气体(或气体混合物)的小型施放器或仪器配置和馈给结构设计，其中电缆组件可以被输送到治疗内窥镜的仪器通道下面。这种类型的使用可能把约束加于等离子体施放器的物理尺寸上，例如，可能需要整个装置由外直径不大于2mm的2m长的电缆组件(例如，可以由外科医生操纵以将远离的等离子体羽流引导至关注区域的半刚性电缆)构成。在根据该方面的实施例中，等离子体施放器可以包括两个总长度为10mm以下的四分之一波长阻抗变压器的仪器。机械构造可以用于移动或控制施放器或头部，而不依赖于馈电电缆。

在该方面的一个实施例中，等离子体施放器可以包括总直径为3mm以下以及长度达到4米的同轴结构，以使得能够在标准治疗内窥镜的仪器通道下面插入该结构或者在不容易达到要灭菌(或治疗)的组织(或物体)的锁孔或微创外科手术中使用该结构。

施放器可以是柔性的，例如，允许容易操纵产生等离子体的施放器的远端以使得能够使用其来对插入物或组织结构灭菌。

期望在本实施例中所使用的阻抗变压器的长度尽可能短。这可以通过使用高微波频率来产生并维持等离子体或者使用更低微波频率以及介质(或磁性)填料或者这两者(例如，考虑两级(或段)变压器)来实现。例如，如果使用15GHz的微波频率以及使用介电常数为25的材料，则每个四分之一波长段的长度约为并且变压器的总长度为6mm(假设第二段不包括填料以建立期望的更高阻抗的第二级，即，3×10⁸/(15×10⁹×4)＝5mm)。

可以在变压器结构内使用不同填料，以实现变压器结构所产生的足以产生等离子体的幅度的电场的总电压变压与总无力长度之间的最佳折衷，其中，该总物理长度使得包括变压器的尾端件(end piece)插入在治疗内窥镜的仪器通道下面，并且一旦位于体腔内部就容易操纵该尾端件。

为了将长柔性同轴线中所使用的内导体和外导体的壁厚度保持为最小值，期望使用高导电率材料来制造该结构，即，优选地在制造内导体和外导体时使用银、铜或金。

同轴线结构可以被配置为使微波功率和适量气体(或气体混合物)同时沿外直径小于3mm的集成结构传输。将使用同轴传输线来传输微波功率，该同轴传输线能够支持传输横向电磁(TEM)波，并且使用形成在同轴传输线的中心导体的中心内的通道和/或形成在传输线的金属外壁与外护层或保护层的内部之间的通道来传输气体(或气体混合物)。在该配置中，传播微波场所需的有限导体厚度的概念用于使得能够将中心导体用作气体的管道。例如，如果要使用的实心导体的直径为1mm，则仅需要一小部分该实心线或棒来传播微波场。该现象被称为‘集肤效应’，并且在开发与本文提出的系统类似的系统时极其有用，其中，仅需要波导或传输线内的内导体和/或外导体(多个)的一部分来传播微波能量是有利的。应该注意，本发明并不限于在传输线或波导结构内传播TEM波，即，在更高操作频率处或在单个导体波导(矩形或圆柱形)中，其他模式会传播，例如，TE₁₀、TE₁₁或更高次模。另一方面，优选地确保该结构仅能够支持TEM操作模，以确保同轴结构不能从其端部或孔径发射或辐射微波能量，即，切断由同轴传输线产生的圆柱形波导。在没有中心导体的结构内设置一段外导体以确保微波场不能传播或者从该结构的端部辐射出去。

这里用于使得能够传播微波场的同轴传输线配置是使用低损耗介质材料的柔性管来形成的，其中，该管的中心段被钻孔或去除以形成气体(或气体混合物)流动的通道，并且该管的内壁和外壁涂覆有金属层，其厚度与操作频率处的集肤深度相关，并且优选地在操作频率处的4至10个‘集肤深度’之间，以形成传播电磁场的金属壁。作为实例，固态PTFE材料可以被用作介质，其中，在2.45GHz的频率处损耗因子在0.0001与0.0008之间，并且用于形成内导体的外部和外导体的内部的材料可以是铜，其中，在2.45GHz处的集肤深度为1.32μm。选择介质材料的电气特性以及外导电层的内直径与内导电层的外直径之间厚度比，以使传输线的特征阻抗为通用值，例如，50Ω或75Ω。介质材料的电气特性和机械特性应该沿着材料的长度是同质的，以最小化可能导致沿电缆的反射、驻波或功率损耗的沿传输线的任何不连续。

附图说明

以下，将参考附图详细描述上述的各方面的实例，其中：

图1是示出作为本发明实施例的具有阻抗调节器的等离子体灭菌系统的框图；

图2是示出作为本发明实施例的不具有阻抗调节器的等离子体灭菌系统的框图；

图3是作为本发明实施例的还被配置为发射非电离辐射的等离子体灭菌系统的框图；

图4a、图4b和图4c是示出放大器控制电路的电路框图；

图5是适用于本发明的同轴等离子体施放器的示意性截面图；

图6是适用于本发明的波导等离子体施放器的示意性截面图；

图7是适用于本发明的在共同端处输入微波能量和气体的波导等离子体施放器的示意性截面图；

图8是适用于本发明的具有集成气流通道的同轴等离子体施放器的示意性截面图；

图9是适用于本发明的残气返回系统的框图；

图10a、图10b、图10c、图10d和图10e是适用于本发明的具有集成气流通道的同轴等离子体施放器的示意性轴向截面图；

图11是示出作为本发明实施例的具有与等离子体施放器集成的三个短截线阻抗调节器的等离子体灭菌系统的框图；

图12是示出作为本发明实施例的具有与等离子体施放器集成的一个短截线阻抗调节器的等离子体灭菌系统的框图；

图13是示出短截线致动器控制电路的电路框图；

图14是适用于本发明的具有可调节支座(stand off)的等离子体施放器的示意性截面图；

图15是示出作为本发明实施例的具有功率分配装置和多个等离子体发生区的等离子体灭菌系统的框图；

图16是示出适用于图15的系统的功率分配装置的框图；

图17是示出限定孔径的等离子体施放器的示意图；

图18是具有多个等离子体发生区的手持式同轴等离子体施放器的示意图；

图19a、图19b和图19c具有动态调谐机构和不具有动态调谐机构的手持式等离子体施放器的示意图；

图20是具有多个等离子体发生区的手持式波导等离子体施放器的示意图；以及

图21是适合于通过内窥镜插入的同轴等离子体施放器的示意图。

具体实施方式

图1是作为本发明实施例的等离子体灭菌系统的框图。该系统包括微波能量源10，例如，低功率微波源振荡器。该源10被配置为在稳定的单输出频率处产生从大于-10dBm至小于20dBm的功率电平。可以在窄频带内调节输出频率，例如，可以在850MHz与950MHz之间调节900MHz的中心频率。该源10可以是压控振荡器(VCO)、介质谐振器振荡器(DRO)、甘恩二极管振荡器或能够产生可控低功率微波信号的类似装置。还可以使用包括多个VCO或DRO的频率合成器。

来自源10的输出连接至功率电平控制器20的输入端口，该控制器的功能是能够在适合于能够撞击等离子体并接着能够调节等离子体能量的范围内调节来自源10的信号的功率电平。功率电平控制器20可以是PIN二极管衰减器，它可以是反射型或吸收型的。来自功率电平控制器20的输出连接至第一调制器30的输入，该调制器的功能是使用由控制器140(例如，微处理器)产生的信号来将功率控制器20的输出处产生的微波功率切换为开和关，以使在功率放大器500的输出处产生的输出微波功率是脉冲格式的而不是连续波格式的。控制第一调制器30的切换动作的能力使得能够控制脉冲开启(ON)时间、脉冲关闭(OFF)时间和脉冲格式。这使得能够确定ON时间与OFF时间之比(占空比)和频率(ON时间与OFF时间的总和的倒数)。该调制不一定是周期性的，即，其可以由具有各种占空比和频率的一串脉冲组成。以这种方式控制脉冲ON时间和OFF时间的能力提供了用于控制由等离子体产生的能量的其他手段。

将来自第一调制器30的输出被馈给到功率放大器500的输入。优选地，功率放大器500是基于半导体的放大器，其功能是将在第一调制器30的输出处的功率电平放大到足以使得能够撞击等离子体并能够将足够的能量输送至等离子体中以使等离子体在减少或杀灭细菌或病毒方面产生有益的临床效果的电平。功率放大器500可以包括多个级，即，驱动器级、前置放大器级和高功率级。放大器可以使用以下任意半导体器件：高频双极结型晶体管(BJT)、异质结构双极晶体管(HBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、或金属半导体晶体管(MESFET)。就可以可以使用的半导体材料而言，砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)是特别引起关注的。

GaN FET比GaAs FET提供更高的效率(微波功率/DC功率)。由于减少了由DC功率损耗引起的热效应，所以在开发能够提供高功率微波能量的等离子体系统时，该特征特别引人关注，这提高了系统的便携性并使开发系统时必须克服的热设计问题最小化。

对于有关医院病房灭菌的应用或者在患者不直接涉及等离子体处理的其他应用，可能需要产生大量等离子体。例如，为了覆盖医院病房的一部分地面，或者为了对可能受MRSA病毒污染的医院病床的床垫消毒。在本发明的这类实施例中，可以期望利用使用与用于处理以上标识的其他临床应用的配置类似的同轴变压器配置所产生的等离子体羽流的阵列，但可以从更高功率微波能量产生装置(诸如，磁控管或速调管、行波管(TWT)、行波速调管(速调管驱动器与TWT输出部一前一后地在相同中封套的混合组合)、或者回旋管)得到微波功率源。与当使用半导体装置时相比，更加难以控制通过这些装置产生的功率电平，但是这在由装置产生的等离子体不直接接触患者组织时不是个问题。例如，已使用行波速调管和多腔速调管来获得超过10兆瓦(MW)的脉冲功率电平。

期望能够在不需要产生微波功率的周期(即，在第一调制器30的开关触点处于关闭位置的周期)内切断主装置电源(FET中的漏电源和BJT中的集电极电源)。可以采用第二调制器130来执行该功能。该第二调制器130可以包括多个低频功率MOSFET或BJT开关，其使得能够仅在需要产生微波功率以产生等离子体时才使DC电源连接至高频功率BJT或FET。可以通过分别改变功率FET或功率BJT的栅电压或基极电流来对构成第二调制器130的低频功率装置的操作进行控制。通过微处理器140提供控制信号，并且可以使用于控制第二调制器130的操作的信号与用于控制第一调制器30的操作的控制信号同步。第二调制器130会具有比第一调制器30的响应时间慢的响应时间，因此，期望当启动或接通第二调制器130时，在窗内使用第一调制器30进行调制或脉冲调制。例如，可以将第二调制器130接通100ms的时隙以及断开1秒的时隙；在接通周期期间，第一调制器30可以产生50个具有1ms的接通时间和1ms的断开时间的脉冲。第一调制器30和第二调制器130能够控制等离子体所产生的能量，以确保将等离子体的温度和等离子体能量控制为能够实现在杀灭或减少细菌和/或病毒方面最佳的临床效果。

将来自微波功率放大器500的输出馈给至微波功率循环器或功率隔离器50的输入端口中，该微波功率循环器或功率隔离器的功能是确保由于在天线300处或天线300与至第一正向功率耦合器60的输入端口之间的路径(即，200，90，80，100和70)中的任何地方处的阻抗不匹配而导致的高电平的反射微波功率不能损坏功率放大器500的输出级。在图1所示的配置中，示出了50Ω功率倾卸负载51连接至微波功率循环器50的第三端口。沿上述在天线300与第一耦合器60之间的路径反射回来的任何功率都将被功率倾卸负载51吸收。

微波功率循环器50的输出端口连接至第一正向功率定向耦合器60的主线输入端口，该耦合器的功能是对由功率放大器500产生的一部分正向功率进行采样。该信息可以用于控制由功率放大器500产生的微波功率的电平，以确保所要求的功率电平与所输送(实际)的功率电平相同，即，该信息可以用在反馈控制回路中，以自动调节进入放大器中的输入功率，以补偿由在对准(line-up)中所使用的微波部件的变热或老化引起的输出功率漂移。由第一正向功率定向耦合器60提供的信息还可以用于控制短截线调谐网络(或调谐滤波器)100中所使用的短截线的位置。

来自第一正向功率定向耦合器60的主线输出连接至第一反射功率定向耦合器70的主线输入端口，第一反射功率定向耦合器的功能是根据等离子体的状态和在施放器内部引起的阻抗变压，对从调谐滤波器100的输入端口由于调谐元件的位置或在调谐滤波器内建立的阻抗或由天线300建立的阻抗引起的阻抗不匹配而返回的一部分反射功率进行采样。由第一反射功率定向耦合器70提供的该信息还可以用于控制短截线调谐网络(或调谐滤波器)100中所使用的短截线的位置。该信息还可以用作检测在对准中所使用的微波部件的状态的安全性算法的一部分。在可选配置中，可以在循环器之前设置第一正向功率定向耦合器60，可以在循环器50的第三端口与功率倾卸负载51之间设置第一反射功率定向耦合器70。因为每个采样信号仅具有一个成分(正向的或反射的)，所以该配置是有利的。

来自第一反射功率定向耦合器70的主线输出连接至调谐滤波器(阻抗调节器)100的输入端口，该调谐滤波器的功能是建立将使施放器300的阻抗能够使得可以撞击等离子体并接着保持等离子体的状态。撞击等离子体的状态是高电压(高阻抗)状态，以及保持该等离子体的状态是高电流(高电流)状态。调谐滤波器100可以是包括单个或多个调谐棒或短截线的短截线调谐器，或者可以是功率变容二极管或PIN二极管的配置，其中，改变偏压以使得电容能够变化。利用该电容变化来使得能够基于等离子体状态要求来建立调谐状态。在图1所示的系统中，包括短截线调节器单元110；这用于将调谐棒从腔(例如，波导腔)移进并移出的机械调谐机构。这里示出了三条调谐短截线，但本发明并不限于使用三条，即，可以使用一条、两条或四条。由于该配置使得能够在调谐腔内建立从开路到短路的任何阻抗，所以三条调谐短截线是优选的。用于控制短截线调节器的信号来自微处理器140，并且这些信号可以基于由检测单元120根据在定向耦合器60、70、80和90的耦合端口处得到的信息而产生的信号。提供给短截线调节器110的控制信号还可以是两个固定信号格式的形式；第一固定信号用以产生用于撞击等离子体的已知高阻态，以及第二固定信号用以产生用于保持等离子体的已知低阻态。调谐短截线的动态调节还可以用于最佳化并控制等离子体能量。

应该注意，可以在微处理器140与短截线调节器110之间使用PID控制器以控制电机短截线调节器110的响应。可选地，PID控制功能可以由微处理器140处理。另一选择是用功率PIN或变容二极管配置替代该机械调谐系统，从而施加至二极管的偏压用于调节二极管内的耗尽层以产生可以电容变化。另一选择是将可变电容分路连接至电源线。

调谐滤波器的输出端口连接至第二正向功率定向耦合器80的主线输入段，该耦合器的功能是对从调谐滤波器100中出来的正向功率的一部分进行采样。该信息可以与由第一正向功率耦合器60的耦合端口产生的信息结合(或者单独使用)，以控制由功率放大器500产生的微波功率的电平，从而确保所要求的功率电平与所输送(实际)的功率电平相同，即，该信息可以用在反馈控制回路中以自动调节进入放大器中的输入功率，从而补偿由在对准中所使用的微波部件的变热、老化、或者调谐滤波器100的特征的变化引起的输出功率漂移。由第二正向定向耦合器80提供的信息还可以用在控制短截线调谐网络(或调谐滤波器)100中所使用的短截线的位置的调谐算法中。

来自第二正向功率定向耦合器80的主线输出段连接至第二反射功率定向耦合器90的主线输入端口，该第二反射功率定向耦合器的功能是对由于等离子体施放器300的阻抗所引起的阻抗不匹配而从微波电缆组件200返回的一部分反射功率进行采样，其中，该阻抗随着等离子体的状态中而变化。由第二反射功率定向耦合器90提供的信息还可以用于控制短截线调谐网络(或调谐滤波器)100中所使用的短截线的位置。该信息还可以用作检测在对准中所使用的微波部件的状态的安全性机制的一部分，即，用于检测该对准中的中断或别的故障。

来自第二反射功率定向耦合器90的主线输出连接至微波电缆组件200的近端，该组件的功能是将用于撞击并保持等离子体的微波能量从可控微波发生器传送至施放器300。微波电缆组件200可以采用被设计为支持关注频率处的微波能量的传播的同轴电缆、或任何其他低损耗结构(例如，柔性或柔性/可拧波导)的形式。

微波电缆组件200的远端连接至等离子体施放器300的近端，施放器的功能是将微波能量和气体(或气体混合物)吸入装置中，以产生适合于减少或消灭在该近端处的细菌或一定范围的病毒的等离子体。图1所示的等离子体施放器包括第一阻抗变压器310-330、第二阻抗变压器320-330、微波输入连接器340、用于将供给气体混合物470的管或管子耦合到等离子体施放器300中的装置、和等离子体发生区350。

将在定向耦合器60、70、80和90的耦合端口处得到的采样到的正向功率电平和反射功率电平(或信号)馈给至检测单元120，该检测单元的功能是使得在微处理器140处能够得到振幅或振幅/相位信息，其中，提取该振幅或者振幅/相位信息，并将其用于控制调谐滤波器100。可以使用由微处理器140产生的信号控制的四极单投PIN开关或同轴开关将来自定向耦合器60、70、80和90的耦合端口的信息发送至检测单元120，以使得能够使用一个检测器来处理由四个耦合器产生的信息。

检测单元120可以采用二极管检测器、零差检波器或外差式检波器的形式。二极管检测器可以采用隧道二极管、肖特基二极管或者可以在关注频率处作为整流器进行操作以提供与在定向耦合器60、70、80、90处的正向功率电平和反射功率电平有关的振幅或幅度信息的任何其他二极管的形式。零差检波器可以采用在与由微波振荡器10产生的信号相同的频率进行操作，以使得能够提取基带信息的微波混频器和本地振荡器的形式。外差式检波器可以采用至少一个微波混频器和至少一个本地振荡器的形式。在该配置中，本地振荡器频率可以不同于微波振荡器10的频率。该配置还可以包括带通滤波器和低通滤波器，用以滤除在微波混频器的输出处产生的中频信号(IF)内包括的无用频率处的信号，并且在本地振荡器频率或者在主微波振荡器频率10处产生的信号在微波对准中出现在不需要它们的位置时去除这些信号。

控制器140(例如，微处理器)用于控制等离子体发生系统的操作。控制器负责控制在该系统中所使用的以下部件的操作：功率电平控制器20、第一调制器30、第二调制器130、气体混合器400、流开关430-440、流调节控制器450-460、压缩空气发生器420、短截线调节器110、和用户接口150。控制器140还读取由检测单元140产生的信号，并且使用该信息来计算经由短截线调节器110短截线所需的调节量。微处理器单元140还基于所需要的应用确定所需气体混合物和流速。需要关于微波能量确定何时将气体混合物导入等离子体施放器中。期望确保在导入微波能量前施放器300填充有气体，以便确保一激励微波源等离子体就被撞击。还期望确保在微波源被激励之前在短截线调谐器内建立正确或最佳状态。

该系统的操作如下：

-将短截线设置到在第二阻抗变压器的第二导体320的远端处产生已知的高阻抗的位置；

-确定产生对于特定应用最佳的等离子体所需的气体流速、气体混合物和气体脉冲调制序列；

-确定产生对于特定应用最佳的等离子体所需的微波功率电平和调制格式；

-将气体混合物导入施放器中；

-在确保施放器充满气体的时间周期后，将微波能量导入施放器中；

当在脉冲模式下操作系统时，期望在微波源处于‘关闭’状态下的时间内停止气体流动并且仅在再次接通微波能量前再次开始气体流动。例如，可以使用启动时间是10ms、关闭时间是90ms的10％占空比来输送微波功率。在这种情况下，期望在微波脉冲开始前使气体流动开始5ms，并且在切断微波脉冲后使气体流动关闭5ms，从而对于每10ms的微波能量，气体流动了20ms，从而对于10％占空比的微波功率，供气的占空比为20％。

由于气体停止流动会花有限的时间，因此可以期望在切断微波功率时同时停止气体流动。

还可以需要，一开始就在较长的时间周期内使气体流动开始，以确保气体到达施放器并且有足够时间来使其能够填充施放器内部。

控制器140的另一功能在于在故障发生的情况下启动警报并处理安全性特征和系统关闭程序。可以需要使用可以用作用于处理安全性监控的把关器的第二微处理器或类似装置。

控制器140可以采用单板计算机、微控制器(或PIC装置)、单板计算机与PIC装置(用作把关器)、多于一台的单板计算机、多于一台的PIC装置、数字信号处理器、或这些装置的任意组合。

用户接口150提供了用于使用户控制系统并将关于系统的状态和操作的信息提供给用户的手段。用户接口可以是触摸屏显示器、平面LCD显示器和一组薄膜键的形式、或者用于输出和输入用户控制信息的任何其他装置。

负责控制气体混合物的子系统包括至少一个集气筒410和/或压缩空气发生器420、用于控制气体流速的装置430、450、440、460、以及用于将这些气体混合在一起的装置。可以使用具有流量控制器的流量阀与适合的流量开关一起来控制气流速度，其中，流量开关可以是电磁开关。在本发明的特定实施例中，可以不实现流量开关430、440，而可以仅使用流量调节控制器450、460来实现流量调节。另一方面，可以省略流量调节控制器450、460，并且可以通过对与流量开关430、440的电控制结合的连接至特定集气筒410的阀进行机械调节来实现流量控制。在使用压缩空气发生器420的情况下，可以仅使用流量开关400来操作该系统。在使用多于一种类型的气体的情况下需要气体混合器400，并且可以需要在操作期间最优化混合物或者改变混合物。

气体混合器400可以采用气压装置的形式，该气压装置通过平衡来自所输入的气体供给的压力来进行工作，以确保组分气体在相同压力下混合而不管其各自的进口压力和流速如何。可以在通过可变节流孔馈给的室体内混合气体，其中，这些可变节流孔是通过混合控制来设置的。混合器可以是针对指定气体的出厂设置。例如，在双气体系统中，则可以以比例0-100％-气体1/气体2直接校准该混合控制。该单次控制产生了所需的混合物。在三气体混合器中，在存在两个比例调节器的情况下，通过两次控制设置比例以设置总混合物。

在流量是间歇式的情况下，即，对于脉冲调制操作，需要专用控制阀来确保压载舱的精确馈给。可以添加内置式警报器和传感器，以监控混合器中的压力状态，从而确保正确的混合状态。

使用微处理器140来控制气体混合器400、流量开关430、440、流量调节控制器450、460和压缩空气发生器420的操作，并且可以使用闭环反馈系统来进行这些装置的调节，其中，该调节基于来自检测单元120的反馈信号。

可以使用氦气与压缩空气的混合物来产生临床使用的等离子体，所以在图1中给出该配置。认为压缩空气的有用成分是氧气，以及可以使用氦气和氧气的混合物来减少或杀灭某些类型的细菌或病毒。

图2示出等离子体系统的配置，其中，等离子体被撞击并保持而没有使用调谐滤波器。在这种情况下，施放器300可以被配置为产生高得足以使得能够撞击等离子体的电场。然后，输送微波能量作为一串脉冲，其中，每个脉冲产生等离子体撞击，以使得能够产生等离子体的准连续羽流。可以使用脉冲重复率和脉冲长度来确定等离子体能量，并且可以对此进行优化以使得能够消灭期望量的细菌。由于仅需要监控功率循环器50的输出与至微波电缆组件200的输入之间的正向功率和反射功率，所以仅需要两个耦合器60、70。图2中还示出在等离子体施放器300的出口处的石英管360。

图3示出作为本发明的另一个实施例的等离子体灭菌系统框图。图1和图2共同的元件被赋予相同的附图标记，并且在它们进行相同功能的范围内，没有进一步描述。图3中的实施例被配置为选择性地发射等离子体(以与图1和图2所示的实施例类似的方式产生)或非电离微波能量。

在图3中，第二调制器是作为配置为将作为激励信号的DC功率源连接至放大器500的电源开关510的实施例。

为了允许选择等离子体发射或微波能量发射，微波发生器的输出(在该配置中，其是通过前向和反向耦合器80/90的调谐单元100的输出)连接至微波功率开关160，其是传统的双极单掷开关。在图3所示的结构中，开关160将微波能量传送至功率分配配置171、172、173，其功能是将所输入的微波能量分配给多条馈给线211、212、213、214、215、216、217、218，每条馈给线均将微波能量输送至相应的等离子体施放器300、301、302、303、304、305、306、307。

在该实施例中，来自开关160的第一端子的输出201被输入至第一功率分配器171，其可以是传统的3dB功率分配器，该分配器将该输出分为两个中间信号209、210。各中间信号209、210连接至将其分为四个输入信号(一个信号对应于每个等离子体施放器)的相应的四向功率分配器172、173。每个等离子体施放器可以具有与上述的结构或下文参考图5所述的结构类似的结构。

如果期望发射微波辐射，例如，使灭菌能量能够贯穿表面以对在该表面下的区域进行灭菌，则开关160可以采用将微波能量导向输出200的第二结构。输出200连接至喇叭天线190的输入端口，其成形为将微波能量射束1100从该设备中导出。输出200可以经由SMA连接器180等连接至位于喇叭天线190的底座的偶极天线181。

图4a、图4b和图4c提供了本发明的特定实施例的组件线的细节。该实施例可以使得能够产生达到300W的可调节且可控的微波功率。可以在DC与100kHz之间的频率范围内来脉冲调制或调制该微波功率，并且该微波功率使占空比在1％与99％之间变化。本文所述的实施例还提供了能够人工地调节850MHz与950MHz之间的范围内的微波频率的灵活性。

图4a和图4b具体示出使用功率晶体管(例如，Motorola偶极NPN功率晶体管MRF988和MRF897)的放大器500的特定实施方式。为了使用这些装置产生300W的微波功率，使用两个MRF897功率装置来驱动两个MRF 899功率晶体管。在MRF899装置上所使用的集电极电压被限于最大值为26V DC，并且在MRF897装置上所使用的集电极电压被限于最大值为24V DC。

具体地，图4a示出源10和功率控制衰减器20，这两者可以通过AgilentE8247C 250kHz-20GHz PSG CW信号发生器(其最大输出功率电平为16dBm)来一起提供。这里使用关注频率处具有20dB的增益的HMC4535T89Hittite MMIC 1501来放大来自该发生器的信号，以提供866MHz的32dBm的最大驱动信号。来自MMIC 1501的输出被馈给至功率放大器的第一级。使在功率放大器对准中的第一部件被平衡至不平衡转换器(不平衡变压器)1502，其被制造到微波传输带上并且使得能够将来自MMIC 1501的不平衡信号转换为用于驱动第一功率晶体管1507的两个平衡信号。来自不平衡变压器1502的第一输出连接至第一DC隔直流电容器1503，并且来自不平衡变压器1502的第二输出连接至第二DC隔直流电容器1504。隔直流电容器1503、1504的功能在于阻塞可能存在于不平衡变压器1502的输出端子处的任何DC信号。来自DC隔直流电容器1503、1504的输出被分别馈给至第一阻抗变压器1505和第二阻抗变压器1506。这些阻抗变压器的功能在于在来自不平衡变压器1502的两个输端与至功率晶体管1507的两个基极输入之间提供阻抗匹配。阻抗匹配变压器可以是在微波传输带中实现的四分之一波匹配变压器，或者与短截线结合在一起的四分之一波变压器。后者用于在源阻抗(来自不平衡变压器1502的输出)与负载阻抗(基极输入)之间提供共轭匹配。功率晶体管1507包括以推挽式结构连接的两个NPN功率晶体管，在该结构中，反相驱动基极来提供具有单个级的电压两倍的平衡输出，这产生了来自单个级的功率的四倍功率。在图4a所示的结构中，两个发射极连接在一起并保持在接地电位，并且两个集电极电源使与其连接的串联电感器1508、1509防止任何高频信号(即，866MHz)返回至DC电源中。两个集电极端子连接至MOSFET电源开关1510、1511，其用于控制施加至电源装置的DC电源。所输入的栅极信号(α)仅在需要产生微波功率时导通功率MOSFET 1510、1511。栅极开关与控制电路的配置形成第二调制器130。在第一级中所使用的功率晶体管是上述的MRF89730W部件。

第二级包括类似的配置，其中，来自功率晶体管1507的两个输出集电极连接至阻抗变压器1512、1513和DC隔直流电容器1514、1515，以及来自DC隔直流电容器1514、1515的两个输出信号用于驱动第二微波功率晶体管1516的两个基极。在该第二级中所使用的功率晶体管是上述的MRF899150W部件。第二级如上所述进行操作，其中，串联电感器1517、1518和MOSFET功率开关1519、1520进行与第一级的串联电感器1508、1509和MOSFET功率开关1510、1511类似的功能。

从第二微波功率晶体管1516的两个集电极端子得到的输出连接至阻抗变压器1521和1522，其功能在于将低阻抗集电极输出变换为标准微波部件和传输线结构的阻抗，即，50Ω。来自阻抗变压器1521和1522的输出被馈给至DC隔直流电容器1523和1524，其用于从该信号去除任何DC电压电平或DC偏压。来自DC隔直流电容器1523、1524的输出被馈给至第二不平衡变压器1525，其功能在于将由功率晶体管1516的两个集电极输出产生的平衡信号转换成不平衡单端信号。来自第二不平衡变压器1525的输出被馈给至功率循环器1527的输入端口，其功能在于防止功率晶体管1516的集电极输出由于因在沿微波对准的某个地方产生的阻抗不匹配而返回至装置的高电平反射功率而毁坏。50Ω功率倾卸负载1527连接至功率循环器1526的第三端口。该负载用于耗散反射功率，所以，必须能够承受最大电平的反射功率而不会变得过热。倾卸负载1527可以连接至固态热质，即，可以使功率耗散的铝或黄铜块。可以提供风扇以使倾卸电阻1526冷却。功率循环器1526的输出端口连接至第一功率分配器1528的输入，该第一功率分配器的功能在于将产生于功率循环器1526的输出端口的功率分成两个部分。功率分配器1528可以将功率电平分成两个相等的部分。

表示为β和ε的来自功率分配器1528的两个输出各连接至功率放大器的第三级，如图4b所示。第三级对应于第一级，即，包括使用在前一级处产生的信号β和ε分别驱动的两个30W MRF897装置1539、1540。因此，第一输入β连接至第三级，该第三级包括不平衡变压器1529、DC隔直流电容器1531、1532、阻抗变压器1535、1536、功率晶体管1539、串联电感器1542、1543和MOSFET功率开关1541、1544，其根据以上所述关于第一级的对应部件相同的原理来进行操作。类似地，第二输入ε连接至第三级，该第三级包括不平衡变压器1530、DC隔直流电容器1533、1534、阻抗变压器1537、1538、功率晶体管1540、串联电感器1546、1547和MOSFET功率开关1545、1548。

来上述的两个第三级中的每个级的一对集电极输出连接至相应第四级，第四级具有包括两个150W MRF899装置的功率晶体管。用于从第一输入β得到的一对集电极输出的第四级包括阻抗变压器1549、1550、 DC隔直流电容器1553、1554、功率晶体管1557、串联电感器1560、1561和MOSFET功率开关1559、1562，其根据与上述关于第二级的对应部件相同的原理进行操作。类似地，用于从第二输入ε得到的一对集电极输出的第四级包括阻抗变压器1551、1552、DC隔直流电容器1555、1556、功率晶体管1558、串联电感器1564、1565和MOSFET电源开关1563、1566。

从功率晶体管1557的两个集电极端子得到的输出连接至阻抗变压器1567和1568，其功能是将低阻抗集电极输出变换为标准微波部件和传输线结构的阻抗，即，50Ω。来自阻抗变压器1567和1568的输出被馈给至DC隔直流电容器1571和1572，这些电容器用于从信号去除任何DC电压电平或DC偏压。来自DC隔直流电容器1571、1572的输出被馈给至不平衡变压器1575，其功能在于将由功率晶体管1557的两个集电极输出产生的平衡信号转换成不平衡单端信号。来自不平衡变压器1575的输出被馈给至功率循环器1577的输入端口，该功率循环器的第三端口连接至50Ω功率倾卸负载1578，以使其能够进行与上述的循环器1526类似的功能。

类似地，通过使用阻抗变压器1569、1570、DC隔直流电容器1573、1574和不平衡变压器1576来将从功率晶体管1558的两个集电极端子的平衡信号转换成不平衡单端信号。来自不平衡变压器1576的输出被馈给至功率循环器1579的输入端口，该功率循环器的第三端口连接至50Ω功率倾卸负载1580，以使其能够进行与上述的循环器1526类似的功能。

来自功率循环器1577和1579的两个输出连接至功率合并器1581的输入，该功率合并器的功能在于将产生于功率循环器1577和1579的两个输出的功率相加以在一个单输出端口处产生这两个功率的总和。对于该配置，在功率合并器1581的输出端口处监控的最大输出功率可以是300W。微波功率合并器1581的输出端口经由低损耗微波电缆组件(这里未示出)连接至等离子体施放器300，并且该功率用于撞击并保持等离子体。

图4c示出用于实现第二调制器130的配置，该第二调制器将栅极控制信号(α)提供给上述的功率MOSFET开关。第二调制器包括提供可变频率/波形源131的波形发生器129(例如，Agilent 33220A DC至20MHz波形发生器)以及用于控制信号的振幅和偏移的装置132、和放大器/驱动器电路。放大器/驱动器电路放大由发生器129产生的电压电平，以使MOSFET装置能够作为开关导通并且提供足以对栅极电容充电的电流，从而允许使这些装置尽快导通，即，切换时间dt＝CdV/I，其中，C是栅源电容，dV是接通该装置所需的栅极电压的变化，以及I是可用于对栅源电容充电的电流。显而易见，唯一可以调节或改变的参数是可用于为栅源电容充电的电流，例如，如果栅源电容为1000pF以及所需要的电压偏移为15V，则可得到5A电流，将在约3ns秒内接通该装置，而如果可得到的电流仅为100mA，则接通时间为150ns。该简单分析没有考虑密勒效应电容，其还会减少接通时间，但该减小将会在这两种情况下都发生。驱动器电路使用OPA548T功率运算放大器134，其是由Burr Brown制造的。运算放大器134被配置为同相放大器，其中，增益由电阻器138、139的值来确定。在这种情况下，该电路的增益是8.5(即，1+15/2)。电容器135和136用于对DC电源进行去耦合，并且电容器137用于防止任何噪声通过引线7进入装置中。输入电阻器133将由波形发生器129的输出观察到的输入阻抗设置为1kΩ。在这里所示的配置中，波形发生器129和驱动器电路可以调制在达到100kHz的频率处的微波能量。应该发现，等离子体羽流随着频率而改变，例如，利用20％占空比，发现在调制频率为5kHz时比其为500Hz时，等离子体更热。再该配置中，没有使用第一调制器30。

图4c所示的第二附图是用于使气体混合物能够导入等离子体施放器的配置。该配置包括集气筒410(其可以是为压缩形式的惰性气体Ni、CO₂、Ar或He中的一种)、流量调节器450(阀)和流量控制器435。来自流量控制器435的输出连接至馈给管470，其连接至等离子体施放器300(未示出)。在一个实施例中，可以切断馈给管470，并且插入4mm气动推进联合‘Y’配件，其中，第一输入经由阀450连接至压缩集气筒410，以及第二输入连接至压缩空气发生器420。该配置使压缩空气能够与氦气混合并且将该混合物馈给至等离子体施放器300中。

图5是可以穿过与本发明一起使用的同轴等离子体施放器的纵向截面视图。等离子体灭菌设备不必限于与这种类型的结构一起使用。实际上，提供该实例是为了说明在施放器中产生等离子体时使用电压变压器(或阻抗变压器)背后的理论。事实上，可以不利用电压变压器来产生等离子体，尤其在存在阻抗调节器的情况下。

图5所示的等离子体施放器300是包括三个四分之一波长阻抗变压器的同轴结构，其中，改变中心导体的直径以产生具有不同特征阻抗的三个段。选择阻抗以使在该结构的远端处的电压远大于在该结构的近(发生器)端处的电压。

如果每段的物理长度等于四分之一电波长的奇数倍，即：

$L=\frac{(2n-1)\mathrm{\λ}}{4}$

其中，L是以米为单位的长度，n是任意整数，以及λ是以米为单位的关注频率处的波长，则下列公式适用

$Z_0=\sqrt{Z_L{Z}_S}$

其中，Z₀是以Ω为单位的同轴线的特征阻抗，Z_L是以Ω为单位的在该段的远端处观察到的负载阻抗，Z_S是以Ω为单位的在该段的近端处观察到的源阻抗。通过该公式的代数运算，可以将负载阻抗表示为：

$Z_L=\frac{Z_0^2}{Z_S}$

因此，可以看到，如果变压器段的特征阻抗高且源阻抗低，则可以将负载阻抗变换为非常高的值。

由于在天线的发生器端处的功率电平理论上应该与在负载端处的功率电平相同，所以可以陈述如下：

$P_{\mathrm{in}}=P_{\mathrm{out}}\⇒P_{\mathrm{in}}=\frac{V_L^2}{Z_L}$

其意味着可以将在远端处的电压表示为

因此，可以看出，如果可以使Z_L尽可能变大，则在天线结构的远端处的电压的值V_L也会非常大，其暗示电场也会非常高。由于需要建立高电场以便撞击等离子体，所以可以看出，该结构可以用于建立正确的状态以撞击等离子体。

考虑图5所示的结构，将微波发生器3000示意性地示为具有源阻抗(Z_S)308。来自发生器3000的功率经由使用微波连接器340的微波电缆组件(未示出)进入施放器300。连接器340可以是任何能够在优选的操作频率处进行操作并且可以处理在功率发生器3000的输出处得到的功率电平的微波连接器，例如，可以使用N型或SMA型连接器。微波连接器340用于将微波功率发射到等离子体发生区中，该等离子体发生区包括下文所述的天线结构。

天线结构的第一级是50Ω同轴段，其由具有外直径b的中心内导体和具有内直径a的外导体组成。第一段内所包含的内导体和外导体之间的空间填充有介质材料342，其在此处被标记为PTFE。这里示出的天线的第一段的特征阻抗与发生器的特征阻抗相同，即，50Ω，并且可以表示如下：

$Z_0=Z_S=\frac{138}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}{\log }_{10}\frac{a}{b}=50\mathrm{\Ω}$

其中，ε_r是填充材料的相对介电常数，Z₀是第一段的特征阻抗，Z_S是源阻抗(或发生器阻抗)。

第二段是特征阻抗Z₀₁高于第一段的特征阻抗的第一四分之一波阻抗变压器311，可以使用下式计算该第二段的特征阻抗：

$Z_{01}=138{\log }_{10}\frac{c}{b}$

其中，c是外导体312的内直径。由于第二段填充有空气(或至少来自气体馈给器470的气体)，所以相对介电常数ε_r等于1，并且因此平方根项从描述同轴传输线的阻抗的公式中消失。第二段的阻抗的实际实例可以是b＝1.63mm以及c＝13.4mm。利用这样的尺寸，Z₀₁会是126.258Ω。

第三段是第二四分之一波阻抗变压器310，其特征阻抗Z₀₂低于第一段和第二段的特征阻抗，并且可以使用下式计算该特征阻抗：

$z_{02}=138{\log }_{10}\frac{c}{d}$

其中，d是内导体的外直径。期望使中心导体的输入端和输出端逐渐变细，以使从高阻态到低阻态的升降更加渐进，以便最小化在两个阻抗之间的结处发生的不匹配。锥形部的适合角度为45°。第三段的阻抗的实际实例可以是d＝7.89mm以及c＝13.4mm。利用这样的尺寸，Z₀₂会是31.744Ω。

第四段是最后一段并由第三四分之一波阻抗变压器320构成，其中，第四段的特征阻抗Z₀₃高于第三段的特征阻抗并且可以使用下式计算：

$Z_{03}=138{\log }_{10}\frac{c}{e}$

其中，e是内导体的外直径。期望内导体的远端是锐利且尖的，以最大化在该点处产生的电场的幅度。第四段的特征阻抗的实际实例可以是e＝1.06mm以及c＝13.4mm。利用这类尺寸，Z₀₃会是152.048Ω。

对于使用如图5所示的三个四分之一波变压器的配置，可以将在天线的远端处观察到的负载阻抗Z_L表示为：

$Z_L=\frac{Z_{03}^2{Z}_{01}^2}{Z_{02}^2{Z}_S}$

使用以上针对三个变压器所计算出的特征阻抗的值，Z_L会是7,314.5Ω。

如果输入功率是300W，则在输出处的电压会是

因此，在该结构的端部处产生的电场会是

该大电场可以使得能够使用多种气体和气体混合物中的任一种来产生等离子体。

内导体可以是直径从远端到近端从b变为d变为e的单个导体。外导体具有对于三个阻抗变压器段的长度而言相同的内直径c，并且在第一段处减小至a。用于内导体和外导体的材料可以是具有高导电率值的任何材料或合成物，例如，可以使用铜、黄铜、铝或银涂覆银的不锈钢。

使用馈给管470将气体或气体混合物馈给至该结构中，并且气体填充在同轴组件内部。

图6示出使用波导腔来建立产生等离子体的场的等离子体施放器300。在该特定实施例中，H场环302用于将微波能量从微波发生器传送到波导天线中，以及将气体混合物经由气体馈给器471导入该结构中，其中，该气体馈给器连接至馈给管470。优选地，H场环具有等于关注频率或操作频率处的波长的二分之一的物理长度，并且该环的远端连接至外导体的内壁。使用焊缝或软焊接合来进行该连接。

尽管图6中未示出，但是还可以按照与使用上述的同轴配置导入的方式类似的方式将阻抗变压器引入到该波导实施例中，以在施放器的远端处产生高电场。也就是说，波导天线可以包括长度等于在关注频率处的四分之一负载或无载波长的奇数倍的多个段，即，

为了减小波导的尺寸(长度，宽度或直径)，可以用介质、或磁性或合成材料填充该波导，其中，利用相对介电常数的平方根的倒数、或相对介电常数、或者两者的乘积的函数来减小波长。可以通过装载构成变压器的一个段或多个段来引入多个阻抗变压器。在该波导结构装载有介质材料或磁性材料(或两者的结合)的情况下，可以优选地，装载材料是有孔的，或者钻有多个孔，以使得气体或气体混合物能够在波导段的内部流动。

为了改变波导的阻抗以在该结构内产生期望的四分之一波长变压，需要对结构的几何机构进行调节或改变装载材料。对于矩形波导，波导腔的特征阻抗可以被表示为：

$Z_0=377\frac{b}{a}\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{\mathrm{\λ}}}$

其中，是

，b是波导的高度(或短臂的长度)，a是波导的宽度(长壁的长度)，μ_r是磁性装载材料的相对磁导率，ε_r是介质装载材料的相对介电常数，f_C是波导的截止频率，f是操作频率。

在图6中，在波导的远端处添加附加材料360。附加材料360可以是用于增大在天线结构的远端处的电场的石英管。

图7示出类似配置，但其中，进口471在与微波连接相同的波导表面中。在装置用于将等离子体直接输送到体内的自然腔道中或通过插入体内以进行锁孔手术等的内窥镜或别的管输送到体内的自然腔道中时，该配置是有利的。

图8提供了集成的微波电缆组件和等离子体施放器的详细示图。在该配置中，集成的气体和微波电缆组件包括使用两个管形成的同轴配置。第一管314是由柔性介质材料制成的壁较厚的管，并且在其内壁318和外壁319上都涂覆有金属层(例如，由例如银、铜或金制成的高导电率的金属层)。第二管313是由柔性材料制成的壁较薄的管。使用可以由金属或介质材料制成的并且必须使气体在在第一管的外壁318与第二管313的内壁之间形成的通道内并沿着该通道流动的隔离物312将第一管314悬挂在第二管313内部。等离子体施放器包括两个阻抗变压器310、320、从第一管314的中心通道到施放器的气体馈给通道315、以及来自施放器的沿着第一管的外壁和第二管的内壁之间形成的通道的气体抽取通道316。

用于将气体馈给至施放器中的内通道的第一段321是实心的，以使得微波连接器340内的中心销能够电连接至该新的微波电缆组件。该输入微波连接器可以是适合于运送在关注频率处达到600W CW的微波功率的任何连接器，例如，可以使用SMA或N型连接器。

由于在关注频率处产生的微波场仅需要较小的壁厚度来使得场能够沿电缆或波导有效地传播，所以用于构成同轴微波电缆组件的内导体319的中心311是空心的，因此，内导体319的中心部分311对于微波场是透明的。类似的准则适用于外导体318的厚度，即，仅第一管314的外表面上的薄层318在沿波导通道的微波场或波传播方面起到重要作用。

第一管314优选地应该由低损耗介质材料(例如，低密度PTFE)制成，以确保使沿该结构的功率损耗(插入损耗)最小化。集成的施放器或天线形成在第二管313内部，并且构成电缆组件的一个不可缺少部分。该特征尤其在将施放器插入小直径(即，小于6mm)的自然腔道内时或者在将该装置插入内窥镜下的情况下是有用的。

图8所示的等离子体施放器由两个四分之一波阻抗变压器段310、320构成。如上所述，第一段是低阻抗段，其阻抗由内导体的直径(g)与外导体的直径(i)之比确定。该外导体是集成微波电缆组件内的外导体318用于将微波能量从发生器传送至施放器的延伸部分。来自通道311内的气体通过在内导体311中制成的孔、槽或通道被馈给至施放器。

第二变压器段是高阻抗段，其阻抗由内导体的直径(h)与外导体的直径(i)之比确定。用于形成内导体的材料可以是能够承受高温而不会改变物理形状或特征的材料，例如，钨。

石英管319在施放器的远端位于内导体与外导体之间。石英管减小电弧放电的可能性，并且促进等离子体发生区中的等离子体撞击。这里，通过来自中心通道311的气流将等离子体羽流1000从施放器的开口端导出。石英管与外导体之间的环形间隙产生了外部通道316。如下文所述，该通道可以连接至用于从处理位置提取过量或剩余气体的泵。

图9示出连接至图8所示的集成电缆组件的气流控制系统的配置。这里示出的集成电缆组件使得正向微波功率能够被传送至施放器，并且使得任何反射回来的微波功率能够沿相同的电缆传送回至可以采取措施的发生器。集成电缆组件还使得相同电缆能够用于使气体能够沿第一通道导入施放器，并且过量气体能够沿第二通道返回以防止在施放器被插入封闭系统或自然腔道内部时压力增强，并且还使得能够再循环未用过的气体。在图9所示的配置中，任何过量气体沿在外护套(outer jacket)313(这可以由绝缘或导电材料制成)的内壁与外导体318的外壁之间形成的环形通道317从施放器(未示出)返回。所提取的气体被馈给至传送管并传送回至气体控制系统。沿在护套313与外导体的外壁之间的电缆组件的长度插入多个隔离物312(例如由例如尼龙、PTFE或特氟纶的绝缘材料制成)，以确保沿其长度保持通道打开以允许气体流动。

本发明并不限于使用内导体的空心段来将气体从气体馈给系统传送至施放器和形成在护套313与外导体318的外壁之间的通道，以将气体传送回至气体馈给系统，即，两个馈给管或传送管可以互换。

下文正式描述由该结构形成的微波电缆组件的阻抗，其中，还给出对与整个集成组件相关联的尺寸的分析。

气体控制系统包括用于将过量气体传送回至系统中的气体抽取管316。该管316的远端连接至泵426的进口，其目的在于使得能够将过量气体从施放器沿通道317和管316吸回至储存器425。泵426进行操作的流速或抽运速度由在可控微波发生器和控制系统2000内的微处理器或DSP单元提供的控制信号确定。该控制信号控制泵内的电动机的速度，该速度确定可以吸回至气体储存器425的气体量。

泵426的出口连接至单向阀428，其目的在于确保气体仅在一个方向上流动，即，气体流进气体储存器425中。气体储存器425的目的在于储存或保存已从施放器收集的过量气体。

储存器425的出口连接至第二单向阀419，其目的在于确保气体仅沿一个方向流动；在这种情况下，气体从储存器流进第二泵427的进气口。第二泵427的目的在于从储存器425抽吸气体，以使得能够将气体传送回至施放器，从而能够产生更多的等离子体。泵427进行操作的流速或抽运速度由从在可控微波发生器和控制系统2000内的微处理器或DSP单元提供的控制信号确定。控制信号控制泵内的电动机的速度，该速度确定可以从气体储存器425中抽吸回至等离子体产生施放器中的气体量。

泵427的出口连接至第三单向阀418和第四单向阀416，其目的在于确保气体仅沿一个方向流动；在这种情况下，为了确保气体从泵427的出气口流至气体合成器422的进气口。气体合成器422的目的在于将再循环的气体与从集气筒410提供的气体合成。使用可调节阀411控制来自集气筒410的气流，其中，可以通过机械装置或电装置来控制可调节阀；在该配置中，选择机械装置。所示出的计量器412和413连接至阀411。这些计量器的目的在于提供用于表示气压的手段。单向阀414连接在集气筒410的输出与可调节阀411的输入之间，以确保气体沿一个方向流动。为了确保不会将气体经由可调节阀411导回至集气筒410中，将又一个单向阀415插入在单向阀411的输出与气体合成器422的进气口之一之间。

气体合成器422的出气口连接至又一个单向阀417，其目的在于确保气体沿一个方向流动，即，流向施放器。可以通过从在可控微波发生器和控制系统2000内的微处理器或DSP单元提供的控制信号来控制气体合成器422的操作。

单向阀417的出口连接至流量调节控制器423的进气口，其目的在于使得能够通过电子装置控制气体流入施放器中的流速。流量调节控制器423的操作由从在可控微波发生器和控制系统2000内的微处理器或DSP单元提供的控制信号确定。

流量调节控制器423的输出连接至又一个单向阀421，其目的在于确保气体仅沿一个方向流动，即，流向施放器。

单向阀421的出口连接至流量开关424的进气口，其目的在于控制流向施放器的气体流量。可以使用流量调节控制器421来进行该操作以及调节在系统中流动的气体量。如果是这种情况，则可以从该系统省略流量开关424，而在功能性方面不会有损失。还可以省略一些或所有单向阀，而在功能性方面不会有损失。流量开关424的操作由在可控微波发生器和控制系统2000内的微处理器或DSP单元提供的控制信号确定。

流量开关424的出气口连接至气体馈给管315，其功能在于将气体从仪器内所包括的气体控制系统传送到施放器或电缆组件中。

现在接下来分析用于形成集成气流和微波能量传送装置的物理上需要考虑的事项。

对于实心导体，电流聚集在外表面上。为此，当集肤深度不深时，用空心管替代实心导体，而在性能上不会有损失。可以使用下式来计算集肤深度：

$\mathrm{\δs}=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ω\μ\σ}}},$ 或者

$\mathrm{\δs}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\πf\μ}}}$

其中，δs是集肤深度(m)，ω是辐射频率(Hz)，σ是导电率(S)，ρ是电阻率(Ωm)，f是频率(Hz)，μ是自由空间的磁导率(H/m)，即，4π×10^-7H/m，以及π是3.1415927。

表格4提供了针对通常使用的导电材料的在1GHz和10GHz的标定频率处的集肤深度的值。该表格示出当期望将金属化厚度保持为最小值时(例如，在期望具有最小壁厚度的空心中心导体和外导体使这些区域的组件能够用于除了传送用以产生灭菌或治疗等离子体的微波能量之外的目的的同轴配置中)使用高微波频率的益处。

材料	体电阻率	在1GHz处的集肤深度(μm)	在10GHz处的集肤深度(μm)
				铝	2.65	2.59	0.819
铍	3.3	2.89	0.914

黄铜	7	4.21	1.33
				青铜	15	6.16	1.95
铜	1.69	2.07	0.654
				金	2.2	2.36	0.747
石墨	783.7	44.6	14.1
				镍	6.9	4.18	1.32
银	1.63	2.03	0.643

表格4：一定范围的材料在1GHz和10GHz处的集肤深度

可以将作为材料厚度的函数的所传送的功率的百分比表示为：

$\%P=\frac{1-e^{-x}}{\mathrm{\δs}}\×100$

其中，x是金属化层的厚度(m)，以及％P是在给定的金属化厚度(W)中流动的功率的百分比。该等式表明，对于六个集肤深度的金属化厚度，将传送99.75％的功率。对于这里认为是有用的结构，可以使用的三种材料是银(Ag)、黄铜(Cu)和铝(Al)。

如果选择用于产生微波等离子体的频率是2.45GHz，则在表5中，给出了用于为此工作考虑的三种材料的聚集67％的微波场、以及传送99.75％微波场所需的材料的厚度的集肤深度。

材料	传播67％场的深度(μm)	传播99.75％场的深度(μm)
			银(Ag)	1.30	7.80
铜(Cu)	1.32	7.92
			铝(Al)	1.66	9.96

表格5：对于所考虑的三种材料的在2.45GHz处的有效肤深

从表格5可以看出，对于三种选择材料，所需要的关于中心导体和外导体的壁厚度小于10μm，因此，考虑到为导体提供刚性程度的需要，可以使用约该值十倍的厚度，即，0.1mm。

可以将微波电缆组件的特征阻抗(Z₀)表示为(参见图9)：

$Z_0=\frac{138}{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}{\log }_{10}\frac{k}{f}$

其中，ε_r1是介质材料314的相对介电常数，k是外导体318的内直径，以及f是内导体319的外直径。

如果假设关注的微波电缆组件的特征阻抗是50Ω，以及为了能够将组件插入自然腔道内所容许的集成电缆组件的最大外直径为10mm，则实际的电缆组件设计可以采用以下步骤：

-假设通过用内壁上的第一金属化层以及外壁上的第二金属化层来涂覆低损耗介质材料的第一管来形成同轴传输线；

-还假设第二管用于提供气体沿其流动的第二通道，以及使用沿传输线结构的长度以规则间放置的包含孔或穿孔的多个拨盘来将第一管挂在该第二管内；

-还假设管的内表面和外表面上的金属化厚度为0.1mm(图9中的尺寸b和e)；

-还假设第一管内的孔的直径为2mm(图9中的尺寸f)；

-然后，气体流动所沿着的通道具有1.8mm的直径(图9中的尺寸c)；

-般设第一管的外直径为6mm，则可以如下计算用于使用该管形成50Ω传输线的材料的介电常数：

${\mathrm{\ϵ}}_r={\left(\frac{138}{50}{\log }_{10}\frac{6}{2}\right)}^2=1.317$

介质材料的选择材料可以是低损耗PTFE或尼龙。

由于附着于管的金属化层为0.1mm，所以同轴结构的总直径为6.2mm(图9中的尺寸L)。如果第二管的壁厚度为0.3mm以及第二管的外直径为10mm(总外直径)，则气体返回随沿着的通道为1.6mm(图9中的尺寸a)。

图10a至图10e示出利用空心的中心导体和/或在外导体外部的通路的多个可行配置的轴向截面图，其中，该在外导体外部的通路用于将气体馈给至施放器以及从施放器中返回气体。

图10a示出仅通过中心导体319的空心部分311馈给的气体，图10b示出通过中心导体319的空心部分311和在外导体318外部的通路317馈给的气体，图10c示出仅通过在外导体318外部的通路317馈给的气体，图10d示出通过中心导体319的空心部分311馈给并通过外导体外部的通路317返回的气体，以及图10e示出通过外导体318外部的通路317馈给并通过中心导体319的空心部分311返回的气体。

在图10a至图10e中，馈给管315、316优选地由与用于将内导体319与外导体318隔开的介质材料相同或类似的介质材料制成，以便最小化由使用不同材料而引起的不连续性或反射。介质材料314在操作频率处应该是损耗低的材料，并且应该为电缆组件提供柔性度，例如，低密度的PTFE或聚氨酯。使用多个隔离物312来支撑形成在外导体318的外壁与外护层313的内壁之间的通路或通道317，其中，隔离物优选地由支撑通道而不会在其弯曲或扭曲时倒塌或封闭而阻碍气体流动的材料制成。隔离物312必须使气体能够沿通道317流动，从而上述隔离物应该包含多个适当的孔或穿孔。用于形成外护层313的材料可以是金属或非金属材料。优选地，所述材料是塑料或橡胶材料，以有助于确保组件的总体柔性以使其能够被临床医生或其他用户操纵。

图11是等离子体灭菌系统的框图，其中，用以撞击、保持和匹配等离子体的自动调谐在等离子体施放器中发生。在所示的实施例中，在等离子体施放器(其为手持式单元)内包括三条调谐短截线和用于调节调谐短截线的装置。

在该实施例中，电机致动器240用于在等离子体施放器中的波导腔280内移动三条调谐短截线250、260、270的位置。这三条短截线的长度由微波发生器2000内所包括的控制器140所产生的控制信号确定。发送至电机致动器240的控制信号基于分别在正向功率耦合器80和反射功率耦合器90的耦合端口处测量到的信号的运算。实际上，仅需要测量反射功率以建立在需要撞击等离子体的腔内产生高电场所需的状态，从而确定该状态以持续等离子体，并且使其与等离子体被耦合的表面或组织的变化状态相匹配。来自反射功率耦合器90和正向功率耦合器80的信号被馈给至检测器(或接收器)120，其功能在于将微波信号转换成控制器140能够接受进行使用的格式。该信号可以是DC电压、或包含相位和幅度信息的低频信号。使用控制器140来处理DC电压或相位和幅度信号，以确定需要被发送至电机致动器240的信号，从而将三条调谐短截线250、260、270移动至撞击或保持等离子体所需的位置。检测器120可以采用具有低通滤波器的二极管检测器(例如，隧道二极管、或肖特基二极管和简易单极C-R过滤器)、或者使用微波混频器和本地振荡器信号的外差检波器(或零差检波器)的形式。优选地，可以使用多于一个的混频下级来实现外差检波器(或零差检波器)，即，可以采用双IF外差接收器，其使用两个微波混频器和两个本地振荡器。

发生器2000中被配置为将微波能量输送至等离子体施放器的微波部件类似于上述的配置。相同的参考标号用于表示类似部件。在该配置中，有两个放大器500、501。在该实施例中，可以在脚踏开关控制下输送等离子体，从而在用户压下连接至该仪器的脚踏开关踏板时产生等离子体射流。脚踏开关可以构成用户接口150的一部分。

由正向功率耦合器80和反射功率耦合器90产生的采样信号还可以用于确保，在等离子体羽流或等离子体射流由于气体馈给系统耗尽或其被断开而未被撞击的情况下，不会从波导施放器的远端辐射出可能是高电平的微波功率。安全性序列可以涉及在施加微波能量之后10毫秒或100毫秒内波导腔的阻抗未从高阻抗撞击态减小至低阻抗导气状态的情况下，关闭微波发生器。能够连续测量波导腔的阻抗能力还可以用于当集气筒变空时及时关闭微波源。

期望将三条调谐短截线250、260、270设置到保证建立共振腔的初始态，以产生高得足以一输送微波能量就撞击等离子体的电场。一旦已启动等离子体，就将三条调谐短截线250、260、270移动至使得能够将微波能量与包含等离子体300的波导腔280的阻抗相匹配的位置，因此，将在反射功率耦合器90的耦合端口处检测到零值或最小值。

可以在控制器140与电机致动器240之间使用PID控制器，以控制短截线250、260、270的调节。可选地，PID控制功能可以通过控制器140来处理。另一个选择是用功率PIN或变容二极管配置替代机械调谐系统，从而将施加至二极管的偏压用于调节二极管内的耗尽层以产生电容变化。

使用如上所述的微波循环器50和功率倾卸负载51来保护微波功率放大器501的输出级中所使用的功率晶体管不受到由返回至该放大器中的过大的反射功率电平引起的损坏、由产生等离子体的施放器处的阻抗不匹配引起的损坏、微波电缆组件200的损坏、或者施放器或电缆组件断开引起的损坏的影响。

控制器140还控制电控阀436，其被打开以使气体进入波导腔280。优选地，确保在将微波能量施加或输入到腔之前气体进入该腔，以确保非电离微波辐射不会从波导的远端射入皮肤或其他生物组织。

还可以期望使用电控流量计(这里未示出)控制气体流速。已知集气筒410内所包含的气体的初始体积以及流速和时间，可以确定在任一时刻集气筒中所剩余的气体体积。该信息可以用于确保在集气筒变空前断开微波能量源。

图11所示的系统示出进入等离子体施放器的三个输入：电机致动器的控制信号线202，将微波能量发生器连接至施放器的微波电缆组件200，以及将供气从集气筒运送到波导腔内的气体馈给管470。期望将三个输入容纳于单个护套内，以利于容易使用或操纵施放器。气体通过波导290的壁230内的开口进入等离子体施放器。

这里所示的输入微波连接器340使用H场探针220来将微波功率耦合到波导290中。本发明并不限于该配置，即，E场探针可以用于将微波能量耦合到该结构中。

用户接口150提供用户(临床医师或外科医生)与治疗系统之间的接口(人机接口)。例如，需要键入所使用的气体类型(He、CO₂、Ar、Ne、O₂等)、治疗的持续时间和功率电平、流速。可以根据该信息来计算等离子体能量的剂量，并且可以显示该剂量。用户接口150还可以表示错误或故障状态。用户接口可以采用LED/LCD显示器和键盘、触摸屏显示器等的形式。

电源电压至DC电压电源141用于提供系统内的电气部件所需的电压/电流。电源141优选地是开关模式电源，以获得最佳的AC电源至DC电压效率。在该单元内可以包括功率因子校正以优化该效率。

图12示出包括有自动调谐系统的另一个等离子体施放器。为了方便，所示的配置仅使用一条调谐短截线250，但优选地在实际中使用两条、三条或更多条短截线。

自动调谐机构通过将短截线250在腔290内突出的距离设定为由在用于使调谐短截线250在波导腔290内移动的电机致动器240的输入处的驱动信号242、243(在该实施例中被表示为V₁/i₁和V₂/i₂)确定的长度L₁。单极双掷开关241用于选择驱动信号242、243中的一个来传送至致动器240。开关位置S₁或S₂是由控制信号C₁和复位信号244确定的。MOSFET器件或继电器可以用于实现开关241。在开关241仅具有一个控制信号输入的情况下，可以使用一个逻辑栅极配置(例如，D型触发器)或多个逻辑栅极的配置来提供复位和控制功能。图12示出作为具有两个输入的块的开关，而没有示出可能需要的其他胶连逻辑(glue logic)。

为了感测在波导腔内建立的电场的幅度，H场环耦合器(loop coupler)245位于施放器的远端(即，出口)附近。连接器246(例如，SMA或N型连接器)用于将来自H环耦合器245的输出信号连接至电路的复位端。为了能够成功地检测正向信号或反射信号的一部分，还可以提供非耦合端口(未示出)。E场探针可以用于感测电场的幅度。耦合器245感测在波导腔280内建立的场的一部分。耦合信号被馈给至检测器247，其可以是幅度检测器、相位和幅度检测器、或相位检测器。检测器247产生馈给至阈值比较器248的输入端的DC或低频AC电压信号，该阈值比较器的功率在于将控制信号提供给开关241，以根据在波导腔280内建立的电场的值改变极位置，并且确定是否接通微波源(这还可以由复位信号的状态确定)。

图12示出这样一种配置：将短截线250设定于在波导腔280内产生最大电场的位置，以使得在将适当气体供给波导腔并接通微波源时能够撞击等离子体。一旦已撞击等离子体，电场249就会减弱，并且利用使用H场感测耦合器245所获得的电压V_α的变化来对此进行检测。电场249的幅度的变化可以用于改变阈值比较器248的输出的状态已使开关位置变为S1，以使得在电机致动器240的输入处观察到的驱动信号242(V₁/i₁)能够使短截线250在波导腔280内突出的长度L₁改变。新的状况使得微波能量能够匹配到波导腔280中以维持等离子体，并且提供有效的能量输送，其中，最小电平的反射微波能量返回至微波源。

对于该配置的实际实现，期望使用在存在高电场249时检测到的高电压来触发阈值比较器248，以使短截线250移动至维持等离子体所需的第二位置。如果假设一建立足够高的电场249就确定撞击等离子体，则可以在使用H场耦合器245检测到(或已建立)高电场249后，在预定时间处触发阈值比较器248。可以使用可重复触发的单稳态电路或L-C、C-R延迟电路来将时间延迟引入系统中，以使得这系列事件能够发生。

在实际的实施例中，期望将调谐短截线250的物理位置定位于接近于等离子体施放器的远端。

图13是示出上述的致动器控制配置的具体实施例的示图。为了操作的速度、实施的便利性和简易性，这里所示的实施方式使用模拟信号处理。其免除了实现PIC或微处理器和相关联的外围部件的需要。使用配置为同相放大器的各个运算放大器251、252来获得两个致动器驱动信号242、243。将电压/电流(V₁)施加至电机致动器240以使短截线250能够移动，以使得该短截线能够在腔280内突出至期望长度L₁，从而使得能够建立高电场249以启动或撞击等离子体，可以将该电压/电流(V₁)表示为

$V_1=V_x(1+\frac{R_1}{R_2})$

其中，V_x是施加至第一运算放大器251的同相输入端子的电压，R₁是连接在第一运算放大器251的输出与第一运算放大器251的反相输入之间的第一反馈电阻器720的电阻，以及R₂是连接在第一运算放大器251的反相输入与地之间的电阻器730的电阻。

类似地，施加该电压/电流V₂以使短截线250被电机致动器240移动，以使该短截线在腔280内突出至长度L₂，从而使得能够保持等离子体，可以将电压/电流V₂表示为下式：

$V_2=V_y(1+\frac{R_3}{R_4})$

其中，V_y是施加至第二运算放大器252的同相输入端子的电压，R₃是连接在第二运算放大器252的输出与第二运算放大器252的反相输入之间的第二反馈电阻器820的电阻，以及R₄是连接在第二运算放大器252的反相输入与地之间的电阻器830的电阻。

第一运算放大器251和第二运算放大器252可以包含在单封装的集成电路中，并可以成为小表面安装装置的形式。

在该实施例中，检测器247包括RF或微波二极管D1610、滤波电容器C1620和齐纳钳位二极管D2630。至检测器247的输入信号是从包含在波导腔280内的H场耦合器245获得的电压V_α。二极管610可以是零偏压肖特基二极管或隧道二极管，电容器620可以是低损耗电容器，例如，0.1μF COG，以及二极管630可以是4.7V齐纳二极管。齐纳二极管630用于确保进入缓冲放大器253的同相端子的输入电压不超过4.7V，从而该部件防止电路的剩余部分接着检测器电路247。

在该实施例中，阈值比较器248包括缓冲放大器253和运算放大器254。缓冲放大器253是配置为单位增益缓冲器的运算放大器。运算放大器254被配置为电压比较器。使用包括串联连接的电阻器520和分路连接的电容器530的单极低通滤波器配置来延迟在缓冲放大器的输出V_n处产生的缓冲信号。可以将至运算放大器254的同相输入处的电压V₀表示为

V₀＝V_n(1-e^-t/τ)

其中，τ是电路的时间常数。

施加至运算放大器254的反相输入的电压由来自串联连接的电阻器排540、550所形成的分压器的输出给出。可以将施加至反相输入端子的参考电压表示为：

$+5V\left(\frac{R_7}{R_6+R_7}\right)$

其中，R₆是连接在+5V电源与运算放大器254的反相输入端子之间的第一电阻器540的电阻，以及R₇是连接在运算放大器254的反相输入端子与地之间的第二电阻器550的电阻。

一旦施加至运算放大器254的同相端子的电压达到阈值电压(由上述的参考电压所确定)，来自运算放大器254的输出会将MOSFET开关的极位置从S1改变至S2，以使得短截线250移动到第二位置中，以使得能够在波导腔280内建立低阻态以维持等离子体。当存在复位信号244时，极位置会移动回至S1。电机致动器240这里被示为电动机。电机致动器240还可以采用线性电动机、或线性致动器(例如，基于磁致伸缩材料的线性致动器配置)的形式。

代表图11-13中所示的系统的操作的一系列事件可以如下：

-使用复位信号244来复位系统，以确保开关241处于适当位置，以确保短截线250选定会在波导腔280内产生高电场249以使得能够撞击等离子体的位置，

-使用调节器450和阀436(使用控制器140)来接通气体馈给器，以确保气体已进入波导腔280，

-在预定延迟(用以确保腔280填充有气体)后，使用控制器140所产生的控制信号接通微波能量源，

-在填充有适当气体的波导腔280中建立的高电场249使得等离子体被发起或撞击，

-在短时间延迟后，切换开关241的极位置，以使得能够通过在波导腔280内产生低阻态来保持等离子体，从而使得能够将来自微波能量源的输出功率与导电气体(等离子体)阻抗匹配以能够产生并保持临床使用的等离子体。

可以使用表面安装部件(例如0201和0603器件)来实现图13中给出的电路的实际实施方式，以将电路的物理尺寸保持在使得能够制造紧密的手持件设计的最小值。有源器件和无源器件这两者现在都可用在这些小封装件中，所以，以按照非突出的方式使得电路能够包括在手持件内的这种方式实现电路是可行的。

期望弹簧承载调谐短截线250、260、270，并且使用棘轮机构以使得能够将三条短截线仅设置在两个位置中。第一位置使得等离子体能够被撞击，以及第二位置使得等离子体能够被保持(使反射程度最小化)，如上所述。在该特定配置中，不需要自动调谐机构。三条短截线的中心之间的距离优选地为波导波长的四分之一或四分之三(下文在该特定方面提供更多细节)，但本发明并不限于使用该间隔，即，还可以使用八分之一波长或二分之一波长。

在另一个实施例中，可以使用合适的传感器(例如，定向耦合器80、90和检测器)或电压测量装置来检测等离子体正被撞击的状态。短截线可基于该测量而移动。使用该控制方法，还可以根据等离子体正耦合到其中的表面或组织的变化阻抗来改变腔内的三条短截线的长度，即，由反射功率耦合器90产生的信号的幅度和/或相位会根据等离子体羽流与表面之间的阻抗匹配而变化，并且该信号可以用于改变短截线的位置以最小化该变化或者建立共轭匹配状态，例如，通过使用相关的优化程序来确保调谐短截线的位置与反射信号中的零或最小值一致。

关于图11-13所讨论的实施例的具体优点在于，共振腔不会遭受由插入在发生器与施放器之间的电缆组件的插入损耗引起的Q的降低；Q的降低可能使腔内产生的电场减弱，这限制了系统保持等离子体的能力。

图14示出可以用于确保在接触患者组织时等离子体温度不超过安全限值的机械配置。可以将该安全限值限定为大于室温约10℃或者不能对患者组织引起灼伤或热损害的温度。图14所示的配置包括固定架381(其永久地连接至等离子体施放器300的外体330)以及可移动部380(其沿外体330自由移动，并且其位置是使用螺纹螺钉380来调节的)。还可以包括自锁螺母以确保有支座括脚(stand-off)的位置是固定的且不能改变。至少两个支柱(leg)连接至可移动部382，并且这些支柱的远端接触患者组织以防止等离子体羽流直接接触患者组织。该配置可以用于控制等离子体的温度以确保羽流不能引起任何组织损伤。诸如微波功率电平、脉冲启动/关闭时间、调制频率、气体混合物和气体流速的其他参数也决定了等离子体相对于患者皮肤表面的温度，因此，这里给出的有支座括脚配置可以被用作确保永远不会超过安全温度的次要措施。除了温度控制，还可以将可调节的支座括脚用作控制输送到患者组织中的等离子体能量的量的另一手段。例如，在不需要完全消灭某一细菌的情况下，所需要的输送到患者组织中的等离子体能量可以小于完全消灭细菌所需要的等离子体能量。

图15是示出具有包括多个等离子体发生区的等离子体施放器的等离子体灭菌系统的框图。在图15中，等离子体施放器包括七个等离子体喷射机300-306，每个等离子体喷射机均具有与图3所示的等离子体施放器类似的结构。该系统被配置为以允许发射等离子体包层(blanket)的可控方式同时产生多个等离子体羽流。该配置可以用于以均匀的方式处理区域(例如，大区域)。图15所示的系统以与图1类似的方式进行操作。执行相同或类似功能的部件被给出相同参考标记，并且不再描述。

在该实施例中，阻抗调节器100是由从控制器140接收信息的滤波器控制器101控制的调谐滤波器，例如，包括一个或多个可变电容器等。图15还示出用于将供电V₁-V₉提供给发生器中的部件的电源102。

图1和图15所示的实施例之间的主要区别在于使得能够基本上同时可控地产生多个等离子体束的功率分配配置。七个等离子体喷射机300-306通过功率分配单元(未示出)并联连接至来自反射耦合器90的输出功率。在该实施例中，等离子体喷射机300-306串联连接至气体馈给器470，即，通过气流管472连接每个等离子体喷射机中的等离子体发生区。还可以并联连接等离子体发生区，但所示的配置更有效，并且节省了空间。

图16示意性地示出在存在串联连接至气体馈给器但并联连接至微波能量的八个等离子体喷射机300-307的实例中用于功率分配单元3000的可能配置。功率分配单元3000包括多个升压放大器(boost amplifier)和功率分配器。来自发生器(即，来自反射耦合器90的输出端口)的微波功率被输入至第一升压放大器560。升压放大器的目的在于将信号保持在可以在每个等离子体喷射机中产生足够高的电压以使得能够撞击等离子体的功率电平处。实际上，这不一定是必要的。

第一升压放大器560的输出被输入至第一功率分配器3010(例如，传统的3dB功率分配器)，其将输入信号分成两个平衡输出。来自第一功率分配器的两个输出分别被输入至第二升压放大器561和第三升压放大器562。第二升压放大器561和第三升压放大器562的输出分别被输入至第二功率分配器3020和第三功率分配器3030。第二功率分配器3020和第三功率分配器3030的四个输出被输入至第四至第七升压放大器563-566，其输出被输入至第四至第七功率分配器3040-3070。第四至第七功率分配器3040-3070提供八个输出，每个输出针对每个等离子体喷射机300-307。在输入至等离子体喷射机前，将来自第四至第七功率分配器3040-3070的各输出输入至相应的升压放大器567-574。

图17是示出可以如何使用能够产生多个等离子体羽流的系统的示意图。该图示出限定适合人1204通过的孔1202的矩形框架1200。该框架可以是门框等。框架1200可以由两个直立板1206、1208和盖板1210构成，其中每个板均容纳多个等离子体喷射机(由块状箭头示意性示出)。等离子体喷射机对应于图15和图16所示的等离子体施放器的等离子体喷射机。这些等离子体喷射机被配置成将等离子体羽流向内引导，即导向孔，使得通过孔的物体(例如，人，家具等)暴露于灭菌等离子体。可以移动这些板，以例如针对不同尺寸的物体改变孔的尺寸。

图18示出具有多个等离子体发生区的等离子体灭菌系统的另一示例。该示例的尺寸相比于图17的示例更小的原因在于，多个等离子体发生区都包括在一个手持式单元(例如，等离子体‘刷’或‘梳’式施放器)内。这里，等离子体施放器具有配置为发射等离子体的多个喷嘴。喷嘴之间的间隔使等离子体看起来是一条连续的等离子体线。

施放器采用包括外导体1230和内导体1240的同轴传输线1220的形式。使用微波连接器340将微波能量导入该结构中。内导体1230和外导体1240是具有高导电率的优选材料。外导体1240还可以提供支撑施放器结构所需的机械强度水平。

在图18所示的配置中，内导体1240在该装置的远端处连接至或短路至外导体1230，并且在外导体1230中制作多个孔1241(或槽)。设置了多个喷嘴1131-1135，每个喷嘴均连接至相应的孔1242。使用时，从每个喷嘴1131-1135发射等离子体羽流。

将气体经由气体馈给器470导入同轴结构1220，该气体馈给器被分成多个供给，每个供给提供位于各个喷嘴1131-1135对面的小型阀1231-1235。可以人工或自动地调节各个阀1231-1235，以使得在每个喷嘴的附近的气流是不同的，并且以使等离子体能量羽流相同，即，由每个羽流产生的等离子体能量是相同的。例如，阀1231-1235可以是使用由控制器140产生的信号控制的电磁阀。可选地，还可以使用螺旋型或旋塞型机构(a screw or tap type mechanism)来人工地调节阀1231-1235。

使通过阀1231-1235供给的气体电离分解所需的高压态由高电压发生器来提供，该电高电压发生器基于由控制器提供的控制信号产生高电压脉冲或尖脉冲。高电压发生器1260可以采用包括具有大匝比(例如，1∶100，从而10V的初级电压会产生1kV的次级电压)电压变压器、升压变换器、压电点火器等的低压发生器的形式。

一旦电离分解发生，就使用由可控微波发生器2000产生的微波能量来保持等离子体。来自发生器的微波功率在施放器内部建立微波场以确保从五个喷嘴中的每个喷嘴均发射等离子体。

图19a-19c示出将来自该源的微波能量用于在多个喷嘴处撞击等离子体的等离子体施放器结构，即，其中，不需要单独的高电压发生器。

图19a示出可以用于使由微波发生器产生的微波能量能够在四个喷嘴1131-1134的每个喷嘴处启动等离子体的结构。该配置示出使用短路板或端1262短路至内导体1240的外导体1230的远端。第一喷嘴1134的中心与上述短路端板1262相距操作频率处的四分之一波长的距离以提供第一E场最大值(由于来自短路的四分之一波长转动产生开路)，其是电离放电或等离子体撞击发生的优选条件。然后，第一喷嘴与第二喷嘴之间的距离是操作频率处的一半波长，以使第二E场最大值位于第二喷嘴1133的中心处(一半波长转动产生相同状态，即，第一开路状态至第二开路状态)。随后的喷嘴的位置遵循相同模式以使E场最大值位于剩余各喷嘴1132、1131的中心处。使用与图18所示的阀配置类似的阀配置来将气体馈给至该结构中。

电离放电在喷嘴1131-1134的中心处发生，并且沿结构的长度的可变气体流速有助于确保沿‘刷’或‘梳’式配置的长度产生均匀的等离子体线。可以通过增大操作频率和/或通过将介质或磁性填料导入该结构中以减小一半波长来减小邻近喷嘴的中心之间的距离。

如上所述，可以以使得能够连续地撞击并从喷嘴1131-1134发射等离子体的频率和占空比调制微波功率，例如，可以以1MHz的频率与在10％和80％之间的占空比调制微波源，以产生一系列灭菌效果。

在同轴结构中的每个开口(槽)处，可以设置调谐短截线1241-1244，例如，细微地调谐阻抗以确保聚集足以引起等离子体撞击的电场。

图19b示出与图19a所示的结构类似的结构，但其中，短路端部分的长度是可变的。在该实施例中，金属帽940被安装在同轴结构的端上。帽940具有插入在外导体1230上的外围和在中心导体1240上滑动的中心管。因此，该帽在端壁处实现短路功能。端部分940的外壁涂覆有磁性材料930，其有助于在存在磁化力F时使上述端部分940移动。因此，端部分940形成电磁阀配置的活塞或棒。电磁线圈配置的剩余部件是两个固定的电磁线圈绕组911和912以及固定的非磁性线圈架920。两个绕组911、912彼此相邻放置，并且缠绕在磁性线圈架920之上。具有涂层的端部分940在来自电流源900的电流被施加至两个绕组911、912中的任一个时会物理地移动。如所示，通过电流源900激励第一绕组912，这产生磁化力，该磁化力又产生物理力F以使端部分940在延长施放器的总长度的方向上移动，以使远端短路端壁与第一喷嘴1134的中心之间的距离是操作频率处的波长的四分之三。这使得在四个喷嘴1131-1134中的每个喷嘴的中心处能够存在E场最大值，其使得能够在四个喷嘴的每个喷嘴处撞击等离子体。

第一电磁线圈912的激励基于环耦合器1264所获得的场。检测器1266(其可以是二极管检测器)来检测该场的振幅，并且将由检测器1266产生的信号馈给至阈值比较器1268，该阈值比较器可以是具有基准电压源和迟滞电路的运算放大器。由阈值比较器1268产生的电压电平用于控制单极双掷开关910的位置，该开关用于将由电流源900产生的电流引导至两个电磁线圈绕组911、912中的一个。

电流源900可以是电压控制的电流源，其中，由包括在微处理器(这里未示出)内的DAC产生的电压电平可以用于控制馈给至绕组911、912中的一个绕组的电流电平，其决定了所产生的机械力和端部分940的移动。电流源900可以是双极晶体管或基于MOSFET的电路或使用功率运算放大器的配置。

图19c示出与图19b所示的结构类似的结构，但其中，已调节短路端部分的长度以提供使得能够维持等离子体所需的低阻态。在该情况下，环耦合器1264已检测到在同轴施放器内存在高E场，并且该信息用于暗示已撞击等离子体。由检测器1266产生的电压来回切换(toggle)阈值比较器1268的输出，并且控制信号被发送至单极双掷开关910，以移动路由电流源900的输出的触点，从而使得电流能够在第二电磁线圈911中流动。一旦已激励第二电磁线圈，其就会产生磁化力以及物理力，该物理力在与之前建立的方向相反的方向上以使可移动的短路部能够移动至使喷嘴1131-1134的中心处的阻抗减小以能够维持等离子体。在图19c所示的配置中，在使内导体和外导体短路在一起的远端壁与第一喷嘴1344的中心之间的新距离等于操作频率处的波长的二分之一，这将使短路在史密斯图上旋转180°返回至提供维持等离子体所需的低阻态的短路。在随后的喷嘴的中心之间间隔的固定一半波长确保了在四个喷嘴1131-1134中的每一个的中心处建立使得能够维持等离子体羽流的相同状态。

图20是示意性示出等离子体‘刷’或‘梳’的另一个实施例的框图。在该实施例中，功率分配器或分发器1600用于将由微波发生器(源)2000产生的微波功率分成具有相等振幅的多个更小的功率电平，并且每个功率电平均用于驱动能够产生等离子体的单独装置。

功率分配器1600可以采用微带或带状线功率分发器、四分之一波长功率分配器或可以用于将微波功率分成多个相等部分的类似微波结构的形式。在该实施例中，功率分配器1600对八个等离子体施放器360-367之间的功率进行分配。每个等离子体施放器是利用连接器341-348连接至功率分配器1600的同轴传输线，其中，连接器可以是SMA型或N型连接器组件等。每个连接器341-348具有与其相关联的H场环耦合器331-338，其用于将在功率分配器1600的输出处的微波能量传送或耦合到各个同轴等离子体施放器中。本发明并不限于使用该特定耦合配置，即，优选地，使用E场探针发射器，或者将同轴施放器直接耦合至来自使用微带或带状线结构的功率分配器1600的输出。

每个同轴施放器的内导体可以被配置为将在发射器或功率分配器1600处观察到的阻抗变换为更高或更低的阻抗，以在施放器的远端处产生或保持等离子体。对于图20所示的配置，可以在每个等离子体施放器中设置一个或多个四分之一波长阻抗变压器。在等离子体已被撞击后四分之一波长阻抗变压器可以将在功率分配器1600的输出处观察到的发生器阻抗变换为与等离子体态匹配的更低阻抗，即，建立该结构以保持等离子体，而不会使得一开始就产生或撞击等离子体。

可以通过高电压发生器1260和点火器1101-1108产生等离子体撞击或气体的初始分解，其中，以当高电压发生器1260被控制器140所产生的控制信号激励时在内导体与外导体之间产生高电场的这种方式，将点火器1101-1108耦合到同轴施放器360-367的外导体中。

各点火器1101-1108的高电压元件可以是能够承受高温和高电压而不会损坏的尖端导体，例如，钨棒或钨丝。用于产生高电压脉冲或尖脉冲的系统还可以是升压变换器(其使用低频振荡器、切换装置(MOSFET或BJT)以及线圈或电感器)、或者其初级连接至具有合适的驱动器、点火线圈配置或压电点火器的低电压振荡器电路。

气体(或气体混合物)的供给经由气流控制器400和气体馈给管470被馈给至八个施放器中的每个施放器。在该实施例中，气体馈给是并行的。

图21示出柔性仪器或施放器的配置，可以将该柔性仪器或施放器通过内窥镜的仪器通道、通过管插入到体内，或者直接插入到自然腔道中，以使用由微波场和适当气体(或气体混合物)在仪器的远端处产生的等离子体来对放置在体内的组织结构或物品(插入物)进行灭菌。对于该装置，优选地，电缆组件的外直径a小于3mm，以及更优选地，小于2mm。以使得能够将该电缆组件插入标准治疗内窥镜的仪器通道下面。该仪器包括同轴电缆组件，其优选地是柔性组件，该组件具有分别构成回路导体和有效导体的外导体2230、内导体2240以及用于将两个导体2230、2240彼此隔开并沿着电缆组件的长度提供恒定的特征阻抗的介质材料2220。该电缆组件用于将来自发生器2000的微波能量传送至产生等离子体的施放器的远端处。内导体2240是空心的，以使得能够将气体(或气体混合物)沿同轴电缆组件传送至产生等离子体的施放器的端部分。端部分包括阻抗变压器2221-2224的配置，这些阻抗变压器用于将在微波发生器2000处得到的电压和电场增大到可以用于在该结构端处引起气体(或气体混合物)的电离放电的值，以使得能够产生适当的等离子体。

在该实施例中，阻抗变压器2221-2224不包括介质或磁性填料。这意味着它们的长度只取决于微波操作频率。优选地，仪器的端部的总长度尽可能小，所以，期望使用长度为操作频率处的负载或无载波长的四分之一的变压器来实现变压器的四个级中的每一级。应注意，可以使用的长度由以下公式决定

$L=\frac{(2n-1){\mathrm{\λ}}_0}{4}$

其中，L是变压器的物理长度，n是任意整数，以及λ₀是操作频率处的波长。因此，λ₀/4赋予可以使用的最小变压器长度。

考虑到传输线的介入损耗与微波操作频率之间的关系，期望操作频率如实际可行的一样高。介入损耗通常随着频率而增加。如果所选的操作频率是24GHz，则四分之一波长将是3.125mm。

使用馈给管470将气体(或气体混合物)馈给至同轴结构，该馈给管连接至中心导体2240，以使得气体能够进入该结构并且沿着该结构传输。优选地，馈给管可以由与填充中心导体2240与外导体2230之间的间隙的介质材料相同的材料制成，以最小化在馈给点处产生的不连续或不匹配。需要包括调谐短截线，以导入由馈给管470产生的正导入该结构中的任何电抗幅相等度但符号相反的电抗。在一个实施例中，可以使用多个馈给管(即，2个或4个)将气体馈给至中心导体2240中，其中，以通过放置第二管以产生共轭匹配来消除由一条管所引起的电抗的这种方式来放置馈给管。还可以需要使用多于一条管来将气体馈给至该结构中，以使得气体沿着中心导体流动并到达端部，即，当设计空心中心导体时，必须考虑中心导体内的力和流速。

假设变压器段没有装有介质和/或磁性材料，则可以如下计算图21所示的变压器2221-2224的特征阻抗Z₁-Z₄：

$Z_1=Z_3=138{\log }_{10}\frac{b}{d}$

$Z_2=Z_4=138{\log }_{10}\frac{b}{c}$

其中，b是外导体2230的内表面的直径，c是在第二变压器2222和第四变压器2224中的内导体的外表面的直径，以及d是在第一变压器2221和第三变压器2223中的加宽内导体2270、2280的外表面的直径。

如果假设将发生器阻抗Z_S移动至第一阻抗变压器的输入端，即，Z_S连接至Z₁，可以将负载阻抗Z_L表示为：

$Z_L=\frac{Z_4^2{Z}_2^2{Z}_S}{Z_3^2{Z}_1^2}$

假设支承或支持四个变压器段的传输线的长度是无损耗的，即，忽视沿着该结构的长度的功率损耗，则进入该结构中的输入功率与在该结构的端部处产生的输出功率相同，并且可以将在第四阻抗变压器的远端处建立的用于引起电离放电的电场E表示为：

$E=\frac{\sqrt{P_{\mathrm{out}}{Z}_L}}{l}$

其中，P_out是输出功率，以及l是第四变压器内所包括的中心导体的末端与施放器的外导体的内壁之间的距离(在这种情况下，其为)。

实际的实施例可以如下：

-外导体的内直径b＝1.97mm

-用于第二和第四四分之一波长段的内导体的外直径c＝0.4mm

-用于第第一和第三四分之一波长段的内导体的外直径d＝1.8mm

-根据以上列出的等式，Z₁＝Z₃＝5.4Ω，以及Z₂＝Z₄＝95.6Ω

-假设源阻抗Z_S为50Ω，并且给出l为0.785mm以及P_out为25W：

-Z_L＝4.9MΩ

-输出电压V_L＝11kV，以及

-E＝14MV/m

从该分析可以看出，该配置可以用于产生极大的电场以使得在小型施放器结构中引起空气和大量气体(或气体混合物)的适当电离放电，从而使得在具有足够小的直径和足够长的长度以插入标准治疗内窥镜或类似设备的仪器通道下面的柔性电缆组件的端部处产生等离子体。

传输线存在于发生器阻抗Z_S与第一变压器Z₁之间的事实意味着，由发生器2000产生的功率的一部分在其到达第一变压器时会损失，但是由于发射器阻抗Z_S与传输线的特征阻抗Z₀相同，所以不用考虑阻抗不匹配或驻波。例如，如果发生器的阻抗和传输线的特征阻抗为50Ω，从发生器得到的功率为47dBm(50W)，以及传输线的介入损耗为3dB，则在传输线的端部处的功率(或在第一变压器的输入处的功率)将为44dBm(25W)，并且在该点处观察到的阻抗还将为50Ω。

优选地，低阻抗变压器段(大直径圆筒)的各端逐渐变细，以最小化微波结构内的不连续性，或者尽可能逐渐地从第一阻抗变换到第二阻抗。

优选地，分别用于传输线2230、2240的内导体和外导体以及变压器段2221-2224的材料在操作频率处具有低导体损耗。适合的材料包括：镀有银的铜、黄铜、金或铝。这些段的外体可以镀有厚度为操作频率处的约五个集肤深度的高导电率材料，在这种情况下，将传输最大的微波能量。

优选地，使用在操作频率处损耗低的介质材料，即，可以使用低密度PTFE。

可以用于实现本发明的适合电缆组件是来自Huber&Suhner的Multiflex_86。

表格6提供了在一系列离散操作频率处的关于电缆组件的介入损耗和最大CW功率处理数据。

频率(GHz)	介入损耗(dB/m)	最大CW功率(W)
			2.0	1.07	99
4.0	1.55	70
			6.0	1.93	57
8.0	2.26	49
			10.0	2.56	44
12.0	2.83	40
			14.0	3.09	37
16.0	3.33	35
			18.0	3.56	33
22.0	4.0	30

24.0

4.21

29

表格6：用于Multifiex_86电缆的介入损耗和CW功率

优选地，对微波能量进行调制或脉冲调制，以使得能够在电缆组件的端部处得到更高的峰值功率电平以驱动施放器，即，如果使用10％占空比脉冲调制，则可以将最大CW功率电平从24GHz处的29W增大至290W。

本发明的另一个实施例可以提供手部卫生系统，该系统包括用于容纳一双手的封闭体、位于该封闭体内的一个或多个等离子体喷射机、以及被配置为感测封闭体内的物体的一个或多个近程式传感器(proximitysensor)，从而一排等离子体喷射机被配置为在物体的表面上移动。(多个)等离子体喷射机可以被配置为进行二维或三维扫描。可选地，可以提供进行一维扫描的一行等离子体喷射机。可以提供两行或多行等离子体喷射机。

该系统可以包括被配置为测量手部表面上的温度，并且在控制环路中使用该信息来调节系统，例如，由等离子体输送的功率或施放器与手部之间的距离。可选地，可以在封闭体内提供物理隔离物以使手部与等离子体喷射机之间的最小间隔固定。

临床实用性

临床工作人员、医师和发明人已指出了本发明潜在的多种临床相关应用。

已指出的一种应用是在开放性伤口中用于在患者做皮肤移植术或者将覆盖物放置在诸如组织工程皮肤的伤口前清理受细菌感染的伤口或创面。在这种情况下，本发明用于将等离子体‘喷射’在新皮肤所在的区域之上，以确保伤口是清洁且没有细菌。在该应用中，等离子体必须完全根除或杀灭或消灭伤口中存在的所有细菌。如果组织工程皮肤要用于替代自然皮肤，则还可以使用本发明来从用于产生组织工程皮肤结构的材料中去除细菌或病毒感染。

总之，本发明可以如下用于特定应用：

-可控等离子体系统可以用于从创面去除细菌；

-可控等离子体系统可以用于对用于产生人工皮肤的材料进行灭菌或清理，以在该材料粘附于创面前去除细菌或病毒。

此外，本发明可以应用在创面灭菌，杀灭未适当照料的伤口中出现的细菌，手术前和手术后的治疗，例如，在给患者开刀前从人体的表面去除细菌(例如，使用棍型施放器)，以及在给患者缝合前将等离子体喷射到体内以确保在手术期间没有细菌进入，以及清洁手术设备，例如在外科医生接触患者之前将等离子体喷射在他/她的手套上。

第二应用是治疗性传播疾病，其中，可以将小等离子体喷射机插入自然腔道内，例如，嘴、阴道、或阴茎，并且可以使用等离子体来显著地减少由疾病引起的细菌。在淋病对已研发的各种抗生素治疗具有抗性的情况下，该治疗方案可以克服当前用于该疾病的抗生素治疗的缺陷。

本发明还可以本身还很好地适用于杀灭包含在溃疡(伤处)内的细菌。该特征对另外住院的人尤其有用。如果可以将细菌从溃疡中去除，则溃疡开始愈合，并且患者在他们被照看的情况下能够回到自己家里(这在细菌仍然留在溃疡处的情况下是不可能的)。

本发明可以用于治疗足癣，从而等离子体用于杀灭形成在皮肤表面上的真菌，特别是脚趾之间。本发明还可以用于治疗接触性皮炎和足癣。例如，在调制频率为400KHz以及占空比为20％的情况下产生达到300W功率的866MHz微波源可以用于在由两个四分之一波长阻抗匹配变压器构成的同轴结构内产生大气等离子体。在初步试验中，当对感染足癣和疑有接触性皮炎的人的足部实施等离子体时，获得肯定结果。连续两天进行两次治疗，每次治疗持续约60秒的时间。患者不会感到疼痛或不适，并且在第二次治疗后发现显著改善。

已指出，本发明还可以用于对细菌生长或存在病毒的区域或地方进行灭菌，例如，病房和手术室。本发明对于治疗被称为艰难梭菌的细菌尤其引人关注。

本发明还用于治疗MRSA病毒。特别地，本发明可以用于减少或消灭存在于被诊断患者或医院员工、来访者或可能携带病毒的其他人的鼻孔内的所有MRSA细菌。已知道高达三分之一的人口携带MRSA病毒，但大多数在良性状态下包含该病毒。

本发明还可以用于杀灭微生物或处理出现在人体区域内或者在外部难以使用传统清洁方法(例如，使用洗涤剂或其他液体清洁剂)清洁的地方的病毒。

本发明可以用在医院环境或诊所或门诊手术以对下列外部区域有效灭菌或消毒：一般表面、床、桌子、椅子、医生证明、笔、医疗设备(机械和电气的)以及地面。可以以能够将物品即笔等放置在用于灭菌的单元内部的形式来实现本发明。

本发明还可以用于杀灭手部的细菌，特别是细菌或微生物可能出现的指甲中，并且难以使用传统的清洁方法来实现。这对于处理通过接触和外科医生使用的物体(诸如笔和夹纸板)传播的MRSA尤其引人关注。

本发明对于治疗人体内的自然腔道(例如，嘴、鼻孔、耳朵、阴道、子宫颈腔、阴茎和肛门)中存在或出现或者还返回直肠内的细菌和病毒性疾病特别有用。在人体的这些区域中，需要存在一定量的细菌，所以，在这种情况下，本发明将用于仅消灭一部分细菌，例如，95％。

本发明可以用于性传播疾病(STD)或性传播感染(STI)的有效治疗。在该应用中，需要能够确定系统就该应用而言应该消灭的细菌量，很可能系统将用于减少存在的细菌程度，而不是尝试完全根除所有细菌。在这种情况下，细微地控制输送至组织中或组织的表面上的等离子体量的能力将是极其重要的。可以调制达到并超过100KHz的可控固态源的使用是最理想的用于实现适合于该应用的系统的特性。

本发明可以用于个人卫生，例如，可以用在浴室中以对抽水马桶、水槽和小便池进行灭菌。其甚至利于某人拥有其自己的装置，使得他们可以在到外国或对个人卫生没有如此着重强调的区域时利用其灭菌特性。

本发明还可以用于清洁污水，例如，游泳池或水处理系统中的污水。

本发明的特别吸引力在于，其可以用于确保以局部或选择性方式处理(减少)或完全消灭细菌或病毒。

一种用于医院灭菌的特殊应用是白血病患者的访问者应该在进入患者所在的清洁室环境之前使其手和脚无菌。

本发明还可以用于治疗良性或恶性皮肤瘤。对于该应用的有效使用，优选地产生在皮肤表面上引起比室温高10℃以上的温度的等离子体。

本发明可以以多个小型等离子体喷射机(例如，具有2.5mm的外直径的12个喷射机)构成梳或刷并且上述梳或刷轻刷头皮或皮肤的表面的这种方式配置以治疗脂溢性皮炎(seborrheic dermatitis)。老年人特别有兴趣用该应用刷过他们的头发。

等离子体可以用于处理由粉刺或脂溢性皮炎在皮肤表面上引起的细菌。

本发明可以用于治疗脱发症，其中，需要刺激毛囊。在该应用中，期望能量穿透至小于1mm(例如，100μm)的深度。对于该应用的有效处理，非常期望能够控制到组织中的能量输送。这可以通过控制微波功率的电平、调制频率(脉冲开启/断开时间)、微波频率和气体流动/混合物结合来实现。

本发明还可以用于改变细胞染色或纠正染色缺损。黑素细胞负责提供皮肤色泽，并且黑色素细胞位于表皮的底层中，因此，实际上可以使用可控等离子体治疗系统来影响这些细胞。

本发明可以用于清理脓包或者用于治疗诸如先天性痣的起泡疾病。

本发明还可以用于治疗Rendu-Osler综合病症，Rendu-Osler疾病或遗传性出血性毛细血管扩张是常染色体显性遗传特征，其以皮肤、具有复发性出血的粘液和内脏上的微血管扩张(telangiectasias)的发展为特征。可以将开发用于本发明的等离子体施放器插入人体中产生粘液的区域或各种内脏内。该应用可以获得制造外径小于5mm的施放器的能力。

已指出本发明有用的其他临床应用为：

-鱼缸肉芽肿，其中，细菌作为异物被释放到皮肤中，并且引起皮肤发炎；

-净化可能受到污染以及已知道人们患上军团病的浴室和水，军团病可能导致肺炎并且是很大的社会问题；

-用于潜在禽流感治疗，其中，等离子体可以用于在禽类飞出其笼子前治疗禽类。

以下更详细地考虑上述的一些潜在使用。

创面灭菌

本发明可以用于在体内已故意或由于疾病从人体去除的皮肤将通过进行皮肤移植术或者通过用组织工程皮肤替代缺失的皮肤来替代的区域，清理伤口或创面。

直径大于4mm的总厚度皮肤的任何损坏都需要通过进行皮肤移植术来治疗。在需要相当多皮肤的情况下，标准方法是取出包含所有表皮但仅包含一部分真皮的分层皮移植片。将这些分层皮移植片从体内的健康区域中去除，并且将其由于治疗损坏区域。如果在剩余的真皮中仍有足够的表皮细胞，则患者会从源点再长出表皮。本发明不仅可以用于‘清理’覆盖从皮肤移植术取走的皮肤的创面，而且还确保细菌不能或没有进入取出了皮肤的区域。

在将组织工程皮肤用于替代大面积的皮肤之前，外科医生必须避免通过去掉太多健康皮肤而使患者的状况更糟。

剧烈烧伤在发展中国家仍是主要的卫生健康问题。一方面，在发达世界里，平均寿命和财富显著增长，以致与老龄化和糖尿病相关联的慢性伤口已开始变得显著。对于卫生健康系统和患者来说，重复的皮肤移植术或组织工程皮肤治疗花费昂贵。患者由于存在于新皮肤层下面的细菌导致皮肤替换不能实行而遭受通孔可以引起显著的患者不舒适感，并且在很多情况下，已了解到会导致患者死亡。

皮肤包括记者不同的细胞类型。角化细胞是表皮中最普遍的细胞类型，并且由于形成表面层。黑素细胞在表皮的底层中，并且负责提供皮肤色泽。成纤维细胞形成底层真皮层，并且由于提供强度和弹力。

诸如角化细胞或黑素细胞的皮肤细胞(自体同源(来自患者)的，或者异源的(来自捐赠人))在促使未愈合的慢性伤口重新开始愈合方面对未愈合的慢性伤口提供一些益处。培养细胞正被用作生物‘工厂’以有助于身体的自身愈合机构。

细菌也可能在修整外科或疤痕修复期间进入开放皮肤(open skin)，因此，可以在进行这些治疗前使用本发明。

通过在实验室中以比在患者身上时更大的比率扩大皮肤细胞，制作许多组织工程皮肤。然后，将这些细胞用于恢复屏障功能，其是用于治疗烧伤患者的主要目的，或者将这些细胞用于开始伤口治疗，例如在未治愈慢性溃疡中。

使用组织工程皮肤的其他实例是：加速治疗，减少浅度烧伤的疼痛，以及用于纠正治疗不是最理想的状况。

皮肤必须能够重生，因此，尽管可以临时使用合成材料以提供屏障、真皮基质(dermal matrix)、或迁移机构，但是对于长期治疗，必须不再使用合成材料并通过自然活皮肤细胞生长来替代。

任何培养细胞材料具有传播病毒或细菌感染的风险。诸如骨胶原的支撑物质还具有疾病的风险。本发明还可以用于‘清洁’这些物质，以确保组织工程皮肤在被插入患者身上时不会是病毒或细菌感染的载体。

由于对所使用的物质的适当灭菌有助于减少患者感染的风险，因此，本发明有助于促进组织工程皮肤的使用，并且这可能是其应用的基本因素。

在可以使用组织工程皮肤之前，必须存在物质可以向患者提供益处的明显证据。组织工程皮肤的基本特征之一是其很好愈合；为了达到这个目的，组织工程皮肤必须很好地附着于创面，被脉管系统支撑，不会被免疫系统排斥，并且在患者的一生中能够自我修复。

性传播疾病

本发明可以用于选择性地杀灭存在于人体内的环境中的细菌或病毒疾病，并且对于该特征特别有用的应用在于治疗多种性传播基本。在这些应用中，需要将施放器插入人体内包含的各种自然腔道(例如，阴道、直肠、阴茎或嘴)中，其中，等离子体可以用于显著减少或完全毁灭由疾病引起的细菌。在这种应用中，可以在体腔内增强压力，并且由于这可能导致使关注的器官损坏，所以非常不期望增强由气体(或气体混合物)引起的该压力，因此，需要一些形式的排气或抽取系统。本发明尤其适合于治疗衣原体或淋病，其中，优选完全消灭或杀灭细胞。在该应用中，治疗方案可以克服当前使用的抗生素治疗的缺陷，在抗生素治疗中，疾病对各种已由药品公司研发的各种抗生素治疗已有抗性。

性传播疾病(STD)或性传播感染(STI)是可以发生性关系期间通过身体接触而传播的。它们是由病毒、细菌和寄生物引起的。存在至少25种不同的STD，并且它们是由许多不同类型的细菌和病毒引起的。它们都具有一个共同的特征，即它们是通过阴道、嘴和肛门的性接触来传播的。

最普遍的STD是衣原体、淋病、外生殖器疱疹(生殖器疱疹)、生殖器疣和梅毒。

对于治疗这些疾病中的一些疾病，需要完全消灭细菌，而对于其他疾病，由于这可能消灭身体的自然区系，非常期望显著地减少细菌量而不是完全去除细菌。

本发明的实施例可以包括可以插入阴道、嘴或肛门内的施放器。这些施放器具有使其可以插入到腔道内而不会对患者引起疼痛或不舒适的直径。该系统可以被建立成使得能够在施放器的远端处发射可控等离子体流，并且可以使用等离子体来消灭或减少细菌。在该特定应用中，等离子体的温度不会超过体温以确保组织的过度发热不会引起组织损坏。在该申请中，可以使用氦气或氩气与压缩空气或氧气的混合物来产生等离子体。控制微波功率电平、占空比和气体流速，以使得等离子体最优化，从产生最理想的临床效果。

医院病房清洁

本发明还可以用于杀灭可能存在于被限定为位于人或动物体外部的环境中的细菌，例如，在医院病房、手术室、门诊手术室内，或者在家中。本发明可以用于杀灭存在于所有这些环境中的细菌。本发明的一种应用在于杀灭与医院相关感染关联(HCAI)的细菌。越来越关注HCAI增加。解决HCAI在当前具有高优先级，并且显著的问题不仅出现在英国，而且出现在整个世界的其他国家。对于HCAI，不仅包括患者的安全和健康，而且潜在可避免的感染所消耗的资源不断增加。

一些形式的HCAI变异并且更加适应炎热和清洁剂，并因此擅长于在医院建立其自身。用抗生素治疗患者具有使HCAI的据点恶化的反作用。HCAI通常通过人交叉感染或者经由患者周围的污染环境来传播。对于某些HCAI，细菌具有在患者的脸部中排出的袍子的形式，然后，可能污染患者的床周围的整个面积。对于过大张力，这接着可能导致医院大范围爆发，其中，患者和病床必须完全隔离，从而已限制并且当前伸展到断裂点的医院资源变得更加负荷重。

使用各种预防和控制方法，或者正考虑预防HCAI的发作。这些包括在在直通交通(through traffic)相当低的晚间时清洁病房、隔离感染患者、洗手、戴手套和围裙、以及使用增强型清洁剂和方法。使用标准洗涤剂的传统清洁方法具有传播HCAI的有害作用，所以，应该避免该过程。当前得到很多关注的已知特征HCAI是难辨梭菌感染(难辨梭状芽孢杆菌感染)。难辨梭状芽孢杆菌感染现在被认为是结肠炎的病原体(膀胱的炎症)和可能在口服抗生素后发生的腹泻。难辨梭状芽孢杆菌感染代表存在于世界各地的最普遍的医院感染之一。仅在美国，其现在每年就引起约三百万腹泻和结肠炎病例。与难辨梭状芽孢杆菌感染相关的细菌主要在医院中滋生，并且慢性病治疗有利于接着覆盖各种细菌的抗生素疗法，并且是住院患者腹泻最常见的起因。

与腹泻和结肠炎相关联的难辨梭状芽孢杆菌感染的特征是其在住院患者中的高流行程度，从而难辨梭状芽孢杆菌感染显著有助于延长住院时间，并且在一些老年人中与久泄以及其他潜在生命威胁结果相关联。难辨梭状芽孢杆菌感染涉及医院中广泛持续的发作，并且在疾病有害地发展的情况下甚至是致命的。

一些医院已采取使用与有毒物质结合的高压蒸汽清洁。然而，这要求必须疏散并隔离所有病床，其中，门之间的所有间隙被密封。即使恰当地利用这些清洁措施，也不一定完全消灭这些孢子，而仅仅清除掉硬表面。不幸的是，这些清洁方法没有应用于医院中基于软织物的家具，因此，其仍然被感染。本发明有效用于织物家具。本发明还克服了上述问题并且可以提供切实可行的可选方案。

这里详述的本发明可以用于通过局部以细菌为目标来根本消除HCAI。本发明可以用于净化医疗上可控的环境，例如，医院病床、门诊手术室等。

本发明还可以用于治疗某些细菌感染，例如，对某些抗生素不会有反应或者已变得很少迅即反应的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)，MRSA是一种通常在皮肤上以及/或者健康的人的鼻孔中发现的细菌。尽管它在这些位置一般是有害的，但是它偶尔会例如通过皮肤擦伤(诸如，擦伤处、破口、伤口、外科切口或留置导管)进入身体内，并且引起感染。这些感染可能是不严重的，从而产生粉刺或疮，或者是更严重的，例如，血流、骨头或关节的感染可能发生。

在20世纪40年代，通过引入抗生青霉素而彻底改革对由于金黄色酿脓葡萄球菌引起的感染的治疗。不幸的是，金黄色酿脓葡萄球菌的大多数菌株现在对青霉素有抗性。这是因为金黄色酿脓葡萄球菌已‘学会’产生被称为β-内酰胺酶的物质，其使青霉素降解，从而毁灭其抗菌活性。

一些相关的抗生素(诸如，甲样苯青霉素或氟氯西林)不受β——内酰胺酶影响，并且仍然用于治疗由于β——内酰胺酶产生的金黄色酿脓葡萄球菌的菌株引起的很多感染。然而，不幸的是，金黄色酿脓葡萄球菌的某些菌株(被称为MRSA)现在还对利用甲样苯青霉素或氟氯西林的治疗有抗性。

尽管其他类型的抗生素仍用于治疗由MRSA引起的感染，但是通常以药品形式利用这些另类药物，并且必须通过插入静脉的滴注来分发这些药物。

MRSA感染大多数时候在医院的患者身上发生，并且极少在公众之中发现。因为利用金黄色酿脓葡萄球菌的普通菌株，一些患者的皮肤或鼻子上带有MRSA而没有损害(这类患者被认为是‘受感染’)，而其他患者可能出现感染。一些患者冒着出现感染增加的风险；这些包括：由于伤口(包括外科手术引起的伤口)、内置导管或烧伤而在皮肤有损伤的患者、以及免疫系统中有诸如血液里白细胞数量低的某些不足的患者。

当MRSA从初始移生位置蔓延到其会使一些患者感染的位置，即从受感染的(移植？)鼻子蔓延到伤口，将所造成的感染描述为‘内生的’。

除了引起内生性感染外，MRSA一般通过直接或间接身体接触在患者之间传播。例如，照料受感染或感染患者的医院员工可能被MRSA本身感染错合或感染(也许仅是短暂地)。然后，他们可能将细菌传播给他们随后接触的其他患者。这些患者又变成受感染和/或感染的。MRSA或其他细菌在患者之间的传播被称为交叉感染，并且防止其发生的技术会提供显著优点。

当受感染的患者或员工从一家医院移动至另一家时，尤其在患者之间传播方面成功的MRSA的一些菌株还可以在医院支架传播。这些菌株被称为流行性MRS(或EMRSA)。

开发用于本发明的等离子体源和施放器可以用于通过使用自然腔道将能量非扩散性地导入身体内或者通过制造人造管道或腔道将能量最小扩散性地导入身体内，来消灭细菌。可以将适合的施放器或天线导入该腔道内。本发明还可以用于通过将身体的某些区域(例如，手或鼻子)暴露于聚集的等离子体来给具有染上MSRA的高风险的人(例如，患者或护士)‘消毒’，其中，在生物组织治疗位点处达到的最大温度限于大于室温10℃。

应该注意的另一点是传统灭菌技术(即，消毒剂)的使用，如果不可能，很难对每天都需要处理的一般物品灭菌，例如，衬垫纸、文档、纸币、文件、笔、书和报告清单。本发明可以用于在使用前后对这些物品灭菌。本发明还可以用于对各种医院陈设灭菌，诸如，窗帘、病床帘和食物盘。

对于该应用，本发明可以实现为位于医院的门或入口周围的多个等离子体流，以当人走过时给其灭菌。

可以适用于本应用的本发明的实施例包括采用地板刷或可以在表面擦拭的装置的形式的多个等离子体流。用于实现适合于本应用的装置的微波源要求可以大于实现其他应用所需要的要求，例如需要大于10kW的功率电平。可以使用多种固态源来满足该要求，或者考虑微波管或共振腔源。

由于该特殊应用的实施环境的性质，期望在升高的温度处(即，大于室温)使用等离子体。这里的要求将确保等离子体羽流或束不会以任何方式对材料灭菌。

Claims (35)

1.一种等离子体灭菌设备，包括：

等离子体施放器，具有封闭的等离子体发生区和用于将等离子体从所述等离子体发生区导向要灭菌的表面的出口；

微波辐射发生器，被连接以将微波能量输送到所述等离子体发生区中；以及

气体馈给器，被连接以将气体输送至所述等离子体发生区中，

其中，所述等离子体灭菌设备被配置为在气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时在所述等离子体发生区处建立高阻抗，以撞击非热等离子体以从所述施放器中输送出去，以及

其中，所述微波辐射发生器包括控制器，所述控制器被可调节地配置以控制输送至所述等离子体发生区的所述微波能量。

2.根据权利要求1所述的等离子体灭菌设备，其中，所述控制器包括微波信号调制器，所述微波信号调制器被配置为调制输送至所述等离子体发生区的所述微波能量。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体灭菌设备，其中，所述微波辐射发生器包括放大器，并且所述控制器包括被配置为控制输入至所述放大器的微波信号的功率电平的可变衰减器。

4.根据权利要求3所述的等离子体灭菌设备，其中，所述控制器包括被配置为调制用于所述放大器的激励信号的放大器信号调制器。

5.根据任一项前述权利要求所述的等离子体灭菌设备，包括阻抗调节器，所述阻抗调节器被配置为当气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时控制所述等离子体发生区处的阻抗。

6.根据权利要求5所述的等离子体灭菌设备，其中，所述阻抗调节器被配置为选择性地处于：(i)当气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时在所述等离子体发生区中产生用于撞击所述等离子体的第一阻抗的等离子体撞击状态，或者(ii)当气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时在所述等离子体发生区中产生用于保持所述等离子体的第二阻抗的等离子体保持状态，其中，所述第二阻抗小于所述第一阻抗。

7.根据权利要求6所述的等离子体灭菌设备，其中，当处于所述等离子体保持状态时，所述阻抗调节器被配置为将所述微波发生器的阻抗与在所述等离子体发生区处看到的负载相匹配。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的等离子体灭菌设备，包括被配置为检测从所述等离子体发生区反射回来的微波能量的反射信号检测器，其中，所述反射信号检测器连接至所述控制器，并且所述控制器被配置为基于与由所述反射信号检测器检测到的反射微波能量有关的信息来操作所述阻抗调节器。

9.根据权利要求8所述的等离子体灭菌设备，包括被配置为检测输送至所述等离子体发生区的微波能量的正向信号检测器，其中，所述正向信号检测器连接至所述控制器，并且所述控制器被配置为基于与分别从所述正向信号检测器和所述反射信号检测器检测到的正向微波能量和反射微波能量有关的信息，来可调节地控制所述微波能量。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的等离子体灭菌设备，其中，所述阻抗调节器是所述等离子体施放器的一部分(例如，与所述等离子体施放器形成为一体)。

11.根据权利要求10所述的等离子体灭菌设备，其中，所述微波能量经由馈给线被输送至所述等离子体施放器，并且其中，所述阻抗调节器包括：

(a)具有能够可调节地插入到所述馈给线中的一条或多条短截线的短截线调谐器；或者

(b)能够在开路组态与短路组态之间电子地切换的分路连接至所述馈给线的一条或多条固定短截线；或者

(c)串联和/或并联连接至所述馈给线的一个或多个可变电容器。

12.根据任一项前述权利要求所述的等离子体灭菌设备，包括用于将所述微波辐射导向要灭菌的表面的探针，其中，所述探针和所述等离子体施放器能够选择性地连接至所述微波辐射发生器。

13.根据权利要求12所述的等离子体灭菌设备，其中，所述探针是喇叭天线。

14.根据任一项前述权利要求所述的等离子体灭菌设备，包括被配置为可调节地控制所述气体馈给器中的气体流量的流量控制器。

15.根据任一项前述权利要求所述的等离子体灭菌设备，其中，所述等离子体施放器包括其中形成有所述等离子体发生区的波导腔，所述波导腔具有：

耦合器，位于所述波导腔的输入端处，用于将微波能量从所述微波辐射发生器输送至所述等离子体发生区，以及

气体入口，也位于所述波导腔的输入端处，用于将气体从所述气体馈给器输送至所述等离子体发生区。

16.根据权利要求15所述的等离子体灭菌设备，具有位于所述波导腔中的偶极天线，用以将电场聚集在所述等离子体发生区中以在气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时促使撞击等离子体。

17.根据权利要求1至14中任一项所述的等离子体灭菌设备，其中，所述等离子体施放器包括同轴组件，所述同轴组件具有被外导体围绕并与所述外导体分离的内导体，其中，所述内导体在其远端处逐渐变细，以将电场聚集在所述等离子体发生区中，从而在气体和微波能量被输送至所述等离子体发生区时促使撞击等离子体。

18.根据权利要求17所述的等离子体灭菌设备，其中，所述同轴组件包括各具有不同阻抗的多个电压变压器，所述多个电压变压器被配置为将电场聚集在所述等离子体发生区中。

19.根据权利要求18所述的等离子体灭菌设备，其中，每个电压变压器是长度为由该电压变压器承载的来自所述微波发生器的微波能量的四分之一波长的奇数倍的一段所述同轴组件，并且其中，所述多个电压变压器的阻抗是通过改变每段所述同轴组件中的内导体的外直径来设置的。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的等离子体灭菌设备，其中，所述内导体是其中具有通道的空心管，并且其中，所述气体馈给器连接至所述通道以将气体输送至所述内导体的远端。

21.根据权利要求20所述的等离子体灭菌设备，其中，所述空心管的厚度小于由该空心管承载的来自所述微波发生器的微波能量的频率处材料的十个集肤深度。

22.根据权利要求17至21中任一项所述的等离子体灭菌设备，其中，所述同轴组件容纳于壳体内，并且包括由所述壳体封闭的位于所述外导体的外表面外部的气流通道。

23.根据权利要求22所述的等离子体灭菌设备，其中，所述外导体的厚度小于由该外导体承载的来自所述微波发生器的微波能量的频率处材料的十个集肤深度，并且所述气流通道是在所述外导体的外表面与所述壳体的内表面之间的环形通道。

24.根据权利要求22或23所述的等离子体灭菌设备，包括连接至所述气流通道以从所述等离子体发生区抽出剩余气体的气体抽取器。

25.根据权利要求17至24中任一项所述的等离子体灭菌设备，包括连接至所述微波辐射发生器以将微波能量输送至所述等离子体施放器的柔性同轴馈电电缆，其中，所述同轴组件整体地形成在所述馈电电缆的远端处。

26.根据权利要求17至25中任一项所述的等离子体灭菌设备，其中，所述等离子体施放器的外直径小于3mm。

27.根据任何一项前述权利要求所述的等离子体灭菌设备，包括可调节支座，所述可调节支座被配置为保持在所述等离子体施放器与所述要灭菌的表面之间设置的最小距离。

28.根据权利要求27所述的等离子体灭菌设备，其中，所述支座在所述施放器的远端处包括隔离物，所述隔离物包括被配置为检测所述隔离物处的温度的一个或多个热传感器。

29.根据权利要求28所述的等离子体灭菌设备，其中，所述隔离物能够自动移动，以基于来自所述热传感器的信息来调节所述等离子体施放器与所述要灭菌的表面之间的所述最小距离。

30.根据权利要求29所述的等离子体灭菌设备，其中，所述最小距离的自动调节是基于从所述热传感器获得的反馈信息的，以保持所述隔离物处的所述等离子体的恒定温度。

31.根据前述任一项权利要求所述的等离子体灭菌设备，包括被配置为在所述等离子体施放器中形成的多个等离子体发生区之间分配所述微波能量的功率分配单元，其中，所述气体馈给器被连接以将气体输送至每个等离子体发生区，并且所述多个等离子体发生区的出口在空间上被配置为输送来自每个相应等离子体发生区中产生的多个等离子体的基本上均匀的等离子体包层。

32.根据权利要求31所述的等离子体灭菌设备，其中，限定孔径的框架中容纳有多个等离子体发生区，例如，10个或更多个等离子体发生区，所述等离子体施放器被配置为从所述框架向内地引导所述等离子体， 从而为通过所述框架的物品提供等离子体包层。

33.根据权利要求32所述的等离子体灭菌设备，其中，所述多个等离子体发生区被容纳于手持式单元中。

34.根据权利要求31所述的等离子体灭菌设备，包括一个或多个近程式传感器，所述近程式传感器被配置为检测物体是否在距所述等离子体施放器的阈值距离内，其中，所述多个等离子体发生区被配置为在所检测到的距所述等离子体施放器的所述阈值距离内的物体处提供所引导的等离子体包层。

35.根据权利要求33或34所述的等离子体灭菌设备，其中，所述等离子体施放器具有一次性的外盖，所述一次性的外盖被配置为从所述多个等离子体发生区提供出口。

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