CN113993267A - 一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置。该装置包括绝缘外壳、导线连通器，所述导线连通器位于绝缘外壳内，还包括中空导电管，其穿过所述绝缘外壳和所述导线连通器，且同时具备气体通路和导电电极两种功能，还包括进气管道，其位于所述绝缘外壳外，为中空管道结构，其一端与进气装置相连，另一端与所述中空导电管连接。本发明的放电性能良好，可产生稳定的等离子体射流，且结构简单易于手持操作，可方便将等离子体导入生物体内，避免了传统等离子体装置体积巨大不易移动以及受限于等离子体穿透性差等缺点。

Description

一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置
技术领域
本发明涉及低温大气等离子体领域，具体为一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，可用于皮肤、口腔、创伤治疗及癌症肿瘤等方面生物医学研究及治疗应用的等离子体射流技术。
背景技术
相比于现代工业中普遍应用的低气压冷等离子体而言，大气压冷等离子体突破了真空腔的限制，具有更广阔的前景。特别是大气压冷等离子体可以直接作用于生命体，从而开辟了一个新兴的交叉科学领域——等离子体医学。研究发现，大气压冷等离子体可辅助或替代传统的药物治疗，在抗感染、创伤治疗、止血、皮肤病治疗、洁牙、肌肤美容等方面具有很好的临床治疗效果。等离子体医学展现了广阔的应用前景，因而受到了广泛的关注。2004年，德国工程师协会技术中心对德国148家企业的调查表明，医学应用在等离子体的产业化应用中具有最大的发展前景。2007年美国国家研究委员会咨询报告中认为，等离子体医学将大大造福人类社会。
大气压冷等离子体的生物医学效应是通过它所产生的紫外射线、强电场、局部热场、带电粒子、亚稳态粒子、自由基及其他强活性粒子来实现的。广义上讲，等离子体医学是等离子体用于促进人类健康的科学技术与应用的统称，包含等离子体科学与技术、生命科学、临床医学等多学科的交叉与融合。直接将等离子体应用于临床治疗，在抗感染、创伤治疗、止血、皮肤病治疗、洁牙、肌肤美容等方面具有很好的临床治疗效果。大气压冷等离子体耦合了多种物理与化学过程并协同作用于生物物质。等离子体医学展现出了广阔的应用前景与惊人的发展速度。一方面，等离子体医学既是等离子体学科新的增长点，又可以促进包括生物学、医学、材料学等交叉学科的发展；另一方面，多学科交叉带来的复杂性使得还存在一系列关键理论与技术难题尚待突破。
实施医学应用需要性能良好、与被处理生物物质相适应的等离子体源。生物物质表面不平整，且富含C、H、O、N等活性元素会逸出到等离子体中，这些因素会影响到等离子体的均匀性、稳定性与化学活性。特别是会显著影响生物物质表面附近几微米至几百微米范围的“边界层”特性，而研究发现在边界层中产生的活性粒子才能有效作用于生物物质。等离子体中活性粒子的成分与剂量是医学应用的关键参数，不同成分和剂量会带来不一样的应用效果。安全、稳定、有效是医用等离子体源的基本要求。制作便携式的等离子体源，对于推广医用等离子体技术在医院以外的地方使用非常重要，如野外活动受伤后的紧急止血。
而目前应用于医学治疗的等离子体装置普遍具有以下的问题。
1、等离子体发生装置需要真空罐，体积巨大，不易操作。
2、临床应用广泛的等离子体消融切割设备本质上应用的是等离子体的热效应，而非等离子体的活性物质。
3、目前应用的等离子体设备与生物体之间产生放电现象，易造成刺痛、电灼伤等不良反应。
4、等离子体设备应用范围仅限于体表，穿透效果差，难以与其他的医疗设备联用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其解决了现有技术中存在的多种问题和局限。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，该装置包括：
-绝缘外壳，其内部中空且设有部分组件，其形状符合人体工学设计且适合单手握持；
-导线连通器，其由外壳与外壳内部的导电金属组成，所述导线连通器位于绝缘外壳(1)内部；
-中空导电管，其穿过所述绝缘外壳和所述导线连通器，且同时具备气体通路和导电电极两种功能；
-进气管道，其位于所述绝缘外壳(1)外，为中空管道结构，其一端与进气装置相连，另一端与所述中空导电管(3)连接，所述进气管道(4)外侧套有一与高压电源接地端相连的金属圆环；
-前置玻璃管(5)，为中空杆状结构，其内壁套在所述的中空导电管(3)外壁且套在中空导电管(3)出口处，能起到防止触电的作用；
-高压线(6)，与所述导线连通器(2)内的中空导电管(3)连接，为中空导电管(3)供电；
-高压电源(7)，通过所述高压线(6)与中空导电管(3)相连，从而电离工作气体，产生等离子体射流，所述等离子体射流从前置玻璃管射出。
气体供应装置根据不同的应用场景调节气体种类、流速、压强参数，将气体输送至中空导电管；等离子体射流装置采用放电的方式对气体供应装置如气瓶供应的气体进行放电击穿，充分电离，中空导电管内的压强差形成等离子体射流，从前置玻璃管射出。
进一步的，所述导线连通器的外壳采用聚四氟乙烯制成，外壳内部设有排列规整的导电金属，所述导电金属构成平行双通道，所述双通道分别连接中空导电管与高压线；所述双通道内的高压线与中空导电管均通过铜螺丝压紧，共同连接至导电金属上，从而实现导通。
进一步的，所述中空导电管由金属铜制成，与进气管道紧密相连，且二者之间通过定心夹紧方式进行夹紧。
进一步的，所述绝缘外壳上的握持部分采用橡胶贴片，用于操作时加大手部与绝缘外壳(1)之间的摩擦力。
进一步的，所述中空导电管的外径约为1.8mm，其与进气通道紧密连接，避免漏气；所述中空导电管与前置玻璃管为同轴放置，二者之间留有间隙约0.1mm，间隙中填满绝缘材料。
进一步的，所述中空导电管上设有一孔，使得所述装置工作时，所述中空导电管内的气流与周围环境产生压力差进而使得空气通过所述孔进入中空导电管内。
进一步的，所述孔的直径约为0.5mm。
进一步的，所述前置玻璃管长度为25mm，外径为4mm，且其前端可用于配接针头接口。
进一步的，所述前置玻璃管另一端外侧管壁焊有长10mm，外径3mm的玻璃插管，所述玻璃插管插在绝缘外壳内的凹槽内，用于固定前置玻璃管的位置。
进一步的，所述绝缘外壳内设有刻槽用于放置和固定其内部设有的组件，且该绝缘外壳的组装固定通过自攻螺钉加固。
进一步的，所述绝缘外壳内部装有传感器，连接至外部的液晶显示屏；工作时开启电源，液晶显示屏亮起，显示高压电源输出电压；输入工作气体时激活传感器，显示屏显示工作气体种类，流量，以及压强信息。
进一步的，所述绝缘外壳右端留有两个孔，其中一孔供所述前置玻璃管通过，另一孔作用为平衡内外大气压，使得外部大气进入所述绝缘外壳的内部。
进一步的，所述绝缘外壳左端设有三个孔，其中两孔分别供中空导电管和高压线通过，另一孔作用为平衡内外大气压，使得外部大气进入所述绝缘外壳的内部。
本发明的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，工作气体可通过进气管道根据不同的使用场景调节工作气体种类、流速、压强等参数，将工作气体输送至中空导电管；装置采用中空电极结构工作，中空导电管为高压端，与周围空气之间产生电势差，从而将工作气体击穿，充分电离；又因输送气体压力大于外部大气压，从而在前置玻璃管处形成稳定的等离子体射流。
所述绝缘外壳材质为聚四氟乙烯，外壳中部采用20°曲线内凹设计，便于单手握持且握持部分安装橡胶贴片，增加手部与外壳的摩擦力；外壳分为两端，前端设置两个孔洞，用于放置前置玻璃管；另一端设置三个孔洞，用于放置中空玻璃管及高压线；设置的孔洞亦可作为进气口，平衡绝缘外壳内部与外界大气压压强，使得空气可进入绝缘外壳内，进而进入中空导电管，作为工作气体的一部分。这种设计整体紧凑，外观简洁，易于使用。
所述中空导电管的轴长10-20cm，外径1.5-1.8mm,外径数据适合与前置玻璃管和进气管道的内径匹配。
所述中空导电管3上留有一直径约为0.5mm孔，设备工作时，管内的气流与周围环境产生压力差。根据伯努利原理，自然空气被迫进入管道内部，以平衡这一差异，可以使更多空气进入工作区域。
所述进气管道，材质为聚氯乙烯PVC，材质柔软，方便弯折，适合复杂情景使用；进气管道与中空导电管重叠处外套一金属导电环，与高压电源的接地端相连，与中空导电管形成回路，可进行正常放电；又因其与接地端相连，人体触碰并不会触电，保障了安全性。
所述前置玻璃管，外径4mm，可与市面主要针头匹配，即针头可直接与玻璃管连接；内径2mm，与中空导电管3同轴放置，两者内外壁直接存在0.1mm的距离，工作时隔离了带有高压的导电管，保证使用安全。
本发明的便携式混合放电冷大气等离子体射流装置的使用方法可包括以下步骤：
A.将射流装置的中空导电管调整到所述前置玻璃管的轴中心位置，中空导电管前端缩进前置玻璃管内，前置玻璃管突出绝缘外壳1-2cm，中空导电管端距离玻璃管端1-2cm，打开高压电源，向中空导电管通电；
B.通过进气管道向中空导电管与前置玻璃管内通入特定工作气体；
C.观察前置玻璃管前端是否有明亮、清晰、稳定的放电射流等离子体产生，若有则关闭电源，装置调试完成，若没有则需继续调试；
D.操作人员手持穿刺针，将针头刺入生物体体内组织，确定好针头所在位置；
E.穿刺完成后，操作人员将前置玻璃管和针头连接，通过进气管道向中空导电管与前置玻璃管内通入特定工作气体，确保气路畅通无堵塞；
F.打开高压电源开关，产生等离子体射流对特定的组织进行治疗处理。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明为低温(低于30°)混合放电冷大气等离子体射流装置，设备结构简单，易于组装和拆卸，对环境的依赖性低，产生的等离子体射流活性粒子多，有利于其应用的处理。
(2)本发明解决了已有等离子体装置体积巨大，需要真空腔，真空泵等繁重装置的问题，可直接在大气压环境下工作产生稳定的等离子体。
(3)本发明采用中空电极放电结构，避免了现有技术产生的电弧发热现象，避免焦耳热的产生，提高能源利用率，节能环保。
(4)已有等离子体医疗设备，如等离子体消融术，电刀等设备，生物体均为电极的一部分，与此相关的问题是使用中生物体不可避免的会有电流流过，有可能造成电灼伤、电烧伤。而本发明产生的等离子体则是外源性的，工作过程是设备产生的等离子体直接喷射至生物体，生物体承受的电流极其微弱，可以忽略不计，防止了电流损伤。
(5)受限于等离子体自身特性，现有等离子体设备均只能作用于物表体表，对于生物体内部影响很小。本发明可与现有医疗设备联用，将等离子体输送至鼻腔、口腔，甚至是腹腔、关节腔等内环境，解决了等离子体自身穿透性差的问题，拓宽了应用范围。
(6)本发明基于伯努利原理，通过在导电管开孔的方式，增加工作气体中空气的比例，从而产生更多活性物质，省略了人工混合气体的过程，减少了耗材成本。
(7)本发明创造性的使用开孔中空导电管，工作时管体内外自动平衡大气压强，使得工作气流平稳均匀，因此可以产生均匀稳定的等离子体射流，对于大多数临床应用而言，这会大幅度降低操作难度，节省治疗时间，保持各部位治疗效果高度一致。
附图说明
图1为本发明工作设备示意图；
图2为本发明的绝缘外壳右视图；
图3为本发明的绝缘外壳左视图；
图4为本发明配套的穿刺针；
图5为本发明配套的留置针；
图6为本发明的中空导电管部分。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的混合放电冷大气等离子体射流装置，包括绝缘外壳1、导线连通器2、中空导电管3、进气管道4、前置玻璃管5、高压线6和高压电源7；导线连通器2位于绝缘外壳1内部，将中空导电管3与高压线6相连，中空导电管3与进气管道4紧密相连，连接的接口处密封，保证输送过程中无气体泄露现象。中空导电管3与前置玻璃管5同轴放置，玻璃管5其中一端外侧外壁焊有10mm长外径3mm的玻璃棒用于固定位置，组装时外接玻璃棒一端位于绝缘外壳1内部，另一端长于中空导电管1-2mm。
如图2绝缘外壳右视图所示，绝缘外壳右端留有两个直径4.2mm小孔，一孔供前置玻璃管5通过，前置玻璃管伸出外壳约10mm，供直接使用或与其他医疗器械连接；另一孔作用为平衡内外大气压，使得外部大气进入绝缘外壳1的内部，从而可以使中空导电管3工作时空气可从其上开孔进入内部。
如图3绝缘外壳左视图所示，绝缘外壳左端留有一直径4.2mm的孔和一直径8mm的一个孔，分别供中空导电管3和高压线放置通过；还留有另一直径4.2mm的孔作用与绝缘外壳1右侧的所述另一孔一样，使得外部大气进入绝缘外壳1的内部。
中空导电管3的轴长10-20cm，直径1.5-1.8mm，一端同轴平行放置于前置玻璃管5中，另一端与进气管道4紧密连接。装置工作时，工作气体从进气管道4进入，到达中空导电管3，最后从前置玻璃管5射出。由于中空导电管3通过高压线6与高压电源7相连，具有高电势，与外部空气形成电势差，从而击穿通过的工作气体，形成等离子体。而进气装置4输入的工作气体压强大于外部压强形成气体压强梯度，形成的等离子体会从前置玻璃管5喷出，形成稳定等离子体射流。
由于前置玻璃管5的外径为4mm，整体装置可与目前临床普遍使用的针头相连。在使用过程中，可以先将针头与前置玻璃头5相连，操作人员手持绝缘外壳1进行针头穿刺操作；也可先手持针头完成穿刺操作，再将前置玻璃管5与针头相连，视实际情况操作方便而定。
高压电源7提供电压大于10kV，频率大于50kHz的正弦交流电，电源采用多级倍压升压方式将220V输入电压放大形成高压。从而在工作气体经过中空导电管3时被充分电离，形成等离子体。
图4和图5提供了两种均可与混合放电冷大气等离子体射流装置连接的针头样式。图4为一般针头，针头8由不锈钢制成，连接部分9由塑料制成，便于与设备前置玻璃管5连接。图5为留置针，由针头10，连接部分11，穿刺针12，手柄13组成。其中针头10，连接部分11以及手柄13均由塑料制成，而穿刺针12由不锈钢制成，作用是便于穿刺；同时穿刺针12部分嵌入手柄13中，使得二者可以同时移动。实际操作时，操作者将穿刺针12与针头10同时插入生物组织，然后通过移动手柄13，将穿刺针11从针头10和连接部分11中抽出，再将连接部分11与设备的前置玻璃管5连接。这样设备工作时产生的等离子体即可吹入生物组织，完成深层应用。若迟迟未观察到稳定的等离子体射流，则可将待处理物体抵近前置玻璃管5出口处辅助放电，即可观察到稳定明亮的射流产生。
如图6所示，中空导电管3上存在一小孔14，对传统的等离子射流进行了改进。管内的气流与周围环境产生压力差。根据伯努利原理，自然空气被迫进入管道内部，以平衡这一差异。流入空气的具体比例可由伯努利方程计算得出：
Figure BDA0003338382840000071
h为从基准面测量的流体高度，v为流体速度，g为引力常数，p为静压，ρ为流体密度。推导得到：
Figure BDA0003338382840000072
其中，v1和v2分别为中空导电管3进气口和出气口的气体流量，h1-h2为中空导电管3的长度，Δp为中空导电管3进出口的压强差值，因此可以看出，只要测量得到压强差，即可从理论推导得到从小孔进入中空导电管3的空气流量。
输入的工作气体可以为氦气、氩气以及氦气和氩气的混合气体，从实际实验中可以看出，氦气比例越高，放电产生的射流越长；同时，根据流量的变化，射流的长度会先变长后变短，在实际使用过程中，操作者可根据实际需要，调节工作气体比例及压强流量等参数，调节适当的射流。
由于中空导电管3上有开孔，因此管体内外自动平衡大气压强，使得工作气流平稳均匀，因此可以产生均匀稳定的等离子体射流，对于大多数临床应用而言，这会大幅度降低操作难度，节省治疗时间，保持各部位治疗效果高度一致。
操作人员在使用过程中，可根据实际情况通过控制电路调节等离子体射流装置的高压，等离子体射流装置采用混合放电的方式对气瓶供应的气体进行放电击穿，充分电离，装置内的压强差形成稳定均匀的等离子体射流，从前置玻璃管5射出。当使用完成后，经人工调节停止等离子体产生，并经控制电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体射流装置停止产生等离子体。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于，该装置包括：
绝缘外壳(1)，其内部中空且设有部分组件，其形状符合人体工学设计且适合单手握持；
导线连通器(2)，其由外壳与外壳内部的导电金属组成，所述导线连通器(2)位于绝缘外壳(1)内部；
中空导电管(3)，其穿过所述绝缘外壳(1)和所述导线连通器(2)，且同时具备气体通路和导电电极两种功能；
进气管道(4)，其位于所述绝缘外壳(1)外，为中空管道结构，其一端与进气装置相连，另一端与所述中空导电管(3)连接，所述进气管道(4)外侧套有一与高压电源(7)接地端相连的金属圆环；
前置玻璃管(5)，为中空杆状结构，其内壁套在所述的中空导电管(3)外壁且套在中空导电管(3)出口处，能起到防止触电的作用；
高压线(6)，与所述导线连通器(2)内的中空导电管(3)连接，为中空导电管(3)供电；
高压电源(7)，通过所述高压线(6)与中空导电管(3)相连，从而电离工作气体，产生等离子体射流，所述等离子体射流从前置玻璃管射出。
2.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述导线连通器(2)的外壳采用聚四氟乙烯制成，外壳内部设有排列规整的导电金属，所述导电金属构成平行双通道，所述双通道分别连接中空导电管(3)与高压线(6)；所述双通道内的高压线(6)与中空导电管(3)均通过铜螺丝压紧，共同连接至导电金属上，从而实现导通。
3.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述中空导电管(3)由金属铜制成，与进气管道(4)紧密相连，且二者之间通过定心夹紧方式进行夹紧。
4.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述绝缘外壳(1)上的握持部分采用橡胶贴片，用于操作时加大手部与绝缘外壳(1)之间的摩擦力。
5.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述中空导电管(3)的外径约为1.8mm，其与进气管道(4)紧密连接，避免漏气；所述中空导电管(3)与前置玻璃管(5)为同轴放置，二者之间留有间隙约0.1mm，间隙中填满绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：
所述中空导电管(3)上设有一孔，使得所述装置工作时，所述中空导电管(3)内的气流与周围环境产生压力差进而使得空气通过所述孔进入中空导电管(3)内。
7.根据权利要求6所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：
所述孔的直径约为0.5mm。
8.根据权利要求1或4所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述前置玻璃管(5)长度为25mm，外径为4mm，且其前端可用于配接针头接口。
9.根据权利要求8所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述前置玻璃管(5)另一端外侧管壁焊有长10mm，外径3mm的玻璃插管，所述玻璃插管插在绝缘外壳(1)内的凹槽内，用于固定前置玻璃管的位置。
10.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述绝缘外壳(1)内设有刻槽用于放置和固定其内部设有的组件，且该绝缘外壳(1)的组装固定通过自攻螺钉加固。
11.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述绝缘外壳(1)内部装有传感器，连接至外部的液晶显示屏；工作时开启电源，液晶显示屏亮起，显示高压电源输出电压；输入工作气体时激活传感器，显示屏显示工作气体种类，流量，以及压强信息。
12.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述绝缘外壳(1)右端留有两个孔，其中一孔供所述前置玻璃管(5)通过，另一孔作用为平衡内外大气压，使得外部大气进入所述绝缘外壳(1)的内部。
13.根据权利要求1所述的一种便携式混合放电冷大气等离子体射流装置，其特征在于：所述绝缘外壳左端(1)设有三个孔，其中两孔分别供中空导电管(3)和高压线(6)通过，另一孔作用为平衡内外大气压，使得外部大气进入所述绝缘外壳(1)的内部。
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