DE102012025079B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Behandlung von biologischem Gewebe (G) mit einem Niederdruckplasma mit a) einem Transformator (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, b) einer Sonde (2), welche mit dem Transformator (1) elektrisch koppelbar ist und c) einer Steuerungseinrichtung (3) zur Steuerung des durch den Transformator (1) erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, wobei der Steuereinrichtung (3) eine Sicherheitseinrichtung (30) zugeordnet ist, mit welcher die Leistung des durch den Transformator (1) erzeugten elektromagnetischen Feldes selbsttätig für die entsprechende Anwendung einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Sicherheitseinrichtung (30) als Kurzschlussbrücke innerhalb einer einer der Kupplungen (7, 9) zugeordneten elektrischen Steckverbindung zwischen Sonde (2) beziehungsweise Steuereinrichtung (3) und Transformator (1) ausgebildet ist und als eine Art Schalter wirkt, durch den die Leistungsaufnahme der Steuereinrichtung oder des Transformators festlegbar ist, und/oder • die Sicherheitseinrichtung (30) als Prozessor (40) ausgebildet ist, der zum Kommunizieren mit der Sonde ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma.
• Dass Plasmen antimikrobielle Eigenschaften besitzen, ist bekannt. Die Ursachen der antibakteriellen Wirkung eines Plasmas liegen in Hitze, Austrocknung, Scherspannung, UV-Strahlung, freien Radikale und Ladungen. Bei Niederdruckplasmen, die auch kalte Plasmen genannt werden, spielt die Hitze eine untergeordnete Rolle, da diese Plasmen bei Raumtemperatur betrieben werden. In solchen Niederdruckplasmen entstehen besonders reaktive Partikel, wie beispielsweise verschiedene Sauerstoff- oder Stickstoffspezies, die eine ausreichend hohe Lebensdauer aufweisen, um bei einer indirekten Exposition organische Verbindungen zu schädigen. Zu diesen Partikeln zählen unter anderem atomarer Sauerstoff, Superoxidradikale, Ozon, Hydroxylradikale, Stickstoffmonooxid und Stickstoffdioxid. Diese Partikel zeigen eine zerstörerische Wirkung auf unterschiedlichste Zellkomponenten.
• Werden Zellwände von Bakterien, Keimen, Viren, Pilzen oder anderen vergleichbaren Mikroorganismen dem Plasma direkt ausgesetzt, so laden sich diese aufgrund des Beschusses mit den im Plasma vorhandenen Elektronen negativ auf. Aufgrund der elektrostatischen Abstoßung führt dies zu mechanischen Spannungen bis hin zur Überschreitung der Zugfestigkeit und der Zerstörung der Zellwand. Aber nicht nur mechanische Verspannungen aufgrund der Ladung können die Zellwände zerstören, sondern auch die Störung des Ladungsgleichgewichts der Zellwand durch verschiedene, weitere elektrostatische Wechselwirkungen und die Elektrolyse, z. B. durch Änderung der Permeabilität der Zellwände. Ein Mechanismus zur Inaktivierung von Mikroorganismen ergibt sich auch aus den sehr energiereichen Ionen, die in kapazitiv gekoppelten Systemen weit über 100 eV aufweisen können. Ein Beschuss mit solchen Spezies kann die strukturelle Integrität der Zellen verändern bzw. sie zerstören; allerdings ist eine Vorrichtung zur Erzeugung solcher Ionenstrahlen aufwendig und nur mit sehr hohem apparativen Aufwand zur Behandlung von lebendem biologischen Gewebe, insbesondere menschlichen oder tierischen Geweben, geeignet.
• Niederdruckplasmen sind daher besonders gut zur Behandlung von Gewebe von Menschen oder Tieren, insbesondere von Hautoberflächen, offenen Wunden, des Zahnfleischs, der Mundhöhle oder dergleichen geeignet, um eine Desinfektion des Gewebes, insbesondere die Abtötung von Bakterien, Keimen, Viren, Pilzen oder anderer vergleichbarer Mikroorganismen, die in oder auf dem Gewebe platziert sind, zu erreichen.
• Die Druckschrift WO 98/35618 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Generieren einer Flamme aus ionisiertem Plasmagas zur Verwendung in der Medizin. Ein solcher Aufbau stellt eine große Leistungsbandbreite bereit. Nachteilig dabei ist, dass durch die große Leistungsbandbreite eines solchen Gerätes leicht eine Fehlbedienung möglich ist, indem beispielsweise ein zu hoher Leistungsbereich für die entsprechende Anwendung gewählt wird.
• Die Druckschrift EP 1 148 770 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Gerinnung von Gewebeoberflächen und zum abrasiven Entfernen von Gewebe. Zur Leistungsbegrenzung wird eine automatische Steuerung durch Veränderung der Betriebsspannung beschrieben. Zudem wird ein Steuersystem, mit dem die Oszillatorfrequenz relativ zu der Resonanzfrequenz des Resonanzüberträgers abgestimmt wird, offenbart. Die Steuerung der Betriebsspannung in niedrigen Leistungsbereichen bei offen liegender Spitze erlaubt wenige Einstellungsmöglichkeiten für die Leistungsabgabe. Das Abstimmen der Oszillatorfrequenz erlaubt schon eher Einstellungsmöglichkeiten; es wird jedoch keine Sicherheitseinrichtung beschrieben, die zu einer zu hohen Leistungsabgabe führende Fehlbedienungen vermeidet.
• Aus der DE 10 2005 000 950 B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe mit Ozon bekannt. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem mittels einer Steuereinrichtung in Spannung und/oder Stromstärke regelbaren Transformator zur Erzeugung spezieller gerichteter Spannungs- oder Stromimpulse verschiedenster Charakteristik mit oder ohne Gleichspannungsanteil. Der Gleichspannungsanteil wird dabei durch zusätzliche Elektroden am zu behandelnden biologischen Gewebe mithilfe einer externen Spannungsquelle oder Schaltung aufgebaut. Die Primärspule des Transformators ist die von hochfrequentem Wechselstrom durchflossene Spule eines gedämpften Schwingungskreises. Die Sekundärspule bildet zusammen mit dem aufzuladenden Kondensator einen Schwingkreis, dessen Frequenz mit der des Transformators übereinstimmt. Als Stromquelle dient oftmals ein Resonanztransformator. Damit ist die Behandlung von verschiedenen Gewebetypen, wie beispielsweise Mundschleimhäuten für Behandlungen in der Mundhöhle oder Hautgewebe für dermatologische Behandlungen mit Ozon möglich. Die Leistungseinstellung des Pulsgenerators erfolgt über Bedienelemente, die an der Steuereinrichtung angeordnet sind. Mit einem Drehknopf erfolgt die Einstellung der Leistung innerhalb eines Leistungsbereichs durch den Anwender beziehungsweise den behandelnden Arzt anhand einer Zahlenskala.
• Allerdings ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine Fehlbedienung möglich, durch die ein falscher Leistungsbereich eingestellt wird. Beispielsweise kann für eine Dentalbehandlung der Leistungsbereich für eine dermatologische Anwendung gewählt werden. Diese fehlerhafte Einstellung führt zu einer sehr schmerzhaften Behandlung für den Patienten und gegebenenfalls sogar zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, dass solche Fehlbedienungen ausgeschlossen sind. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma zur Verfügung zu stellen, mit dem eine Behandlung ohne Funkenüberschlag zwischen Primär- und Sekundärspule möglich ist.
• Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den von den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 11 abhängigen Patentansprüchen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma enthält im Wesentlichen
  einen Transformator zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes,
  eine Sonde, welche mit dem Transformator elektrisch koppelbar ist und
  einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung des durch den Transformator erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, wobei
  der Steuereinrichtung eine Sicherheitseinrichtung zugeordnet ist, mit welcher die Leistung des durch den Transformator erzeugten elektromagnetischen Feldes selbsttätig für die entsprechende Anwendung einstellbar ist. Durch diese spezielle Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erreicht, dass die Sicherheitseinrichtung die für die erforderliche Behandlung notwendige und sinnvolle Leistung selbsttätig einstellt und dass somit Fehlbedienungen, die in einer erhöhten Leistungsaufnahme des Transformators resultieren, vermieden werden.
• Die Sicherheitseinrichtung ist erfindungsgemäß als Kurzschlussbrücke innerhalb einer einer der Kupplungen zugeordneten elektrischen Steckverbindung zwischen Sonde beziehungsweise Steuereinrichtung und Transformator ausgebildet. Die Kurzschlussbrücke in der Steckverbindung wirkt dabei als eine Art Schalter, durch den die Leistungsaufnahme der Steuereinrichtung beziehungsweise des Transformators durch die Steuereinrichtung festgelegt werden kann. Je nach Stellung beziehungsweise Lage der Kurzschlussbrücke ist die Verwendung in der Funktion des zu behandelnden Gewebes, beispielsweise Zahnfleisch oder äußere Behandlungsfläche auf der Derma, z. B. eine offene Wunde, festgelegt. Vorteilhaft befinden sich auf den Bedienungselementen der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine Umschalter, so dass eine Fehlbedingung vermieden werden kann. Es können natürlich auch solche Umschalter vorgesehen sein, die allerdings nur nach einem Dialog mit der Steuereinrichtung betätigbar sind, wobei der Anwender die Leistungsänderung wenigstens einmal bestätigen muss. Ferner kann festgelegt sein, dass eine solche Leistungsänderung nur für eine Anwendung über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise 30 s erfolgt. Nach Ablauf dieser Zeitspanne müsste eine erneute Bestätigung der Leistungsänderung erfolgen. Vorteilhafterweise kann eine solche Funktion mittels eines Prozessors, der beispielsweise in der Steuereinrichtung integriert ist, überwacht werden.
• Die Sicherheitseinrichtung kann erfindungsgemäß auch als Prozessor ausgebildet sein, wobei die Sicherheitsfunktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise über eine in dem Prozessor ablaufende Software gesteuert werden kann.
• Erfindungsgemäß ist der Prozessor zum Kommunizieren mit der Sonde ausgebildet. Die Sonde teilt dann beispielsweise dem Prozessor mit, für welche Anwendungen sie ausgelegt ist, so dass der Prozessor die Steuereinrichtung dazu veranlasst, nur die für diese Sonde erforderliche Leistung durch den Transformator generieren zu lassen. Insofern kann der Prozessor also auch zur Bestimmung der Leistungsparameter für die Steuereinrichtung und/oder den Transformator ausgebildet sein.
• Bewährt hat sich dabei auch, dass der Prozessor zur Weitergabe, insbesondere zur verschlüsselten Weitergabe der Leistungsparameter für die Steuereinrichtung und/oder den Transformator an die Steuereinrichtung ausgebildet sein kann. Der Prozessor kann also die Leistungsparameter, die er durch die Kommunikation mit der Sonde empfangen hat, direkt und verschlüsselt an die Steuereinrichtung weitergeben.
• Vorteilhafterweise umfasst der Transformator ein Transformatorgehäuse, welches eine einer Kupplung für die Sonde gegenüberliegende Kupplung zum elektrischen/elektronischen Anschluss der Steuereinrichtung aufweist, wobei das Transformatorgehäuse vorzugsweise als Handgriff ausgebildet und entsprechend ergonomisch geformt ist. Diese Maßnahme zielt auf eine kompakte Bauweise der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung, da sowohl der Transformator selbst als auch die Steuerungseinheit innerhalb des Transformatorgehäuses anordnenbar ist. Lediglich die Sonde zur Behandlung des biologischen Gewebes und gegebenenfalls eine externe Energiequelle zur Energieversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind nicht innerhalb des Transformatorgehäuses angeordnet. Die ergonomische Ausgestaltung des Transformatorgehäuses als Handgriff, der in seiner Grundform zylindrisch ausgebildet ist, erlaubt ferner eine angenehme und sichere Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Anwender.
• Aus den gerade genannten Gründen der kompakten Bauweise und der einfachen, sicheren und angenehmen Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher nach einem vorteilhaften Gedanken der Erfindung die Steuereinrichtung in dem Transformatorgehäuse angeordnet.
• Allerdings kann es für bestimmte Anwendungen sinnvoll sein, die Steuereinrichtung außerhalb des Transformatorgehäuses anzuordnen. Insbesondere dann, wenn sehr filigrane Behandlungen durchgeführt werden müssen, bei denen zusätzliches Gewicht innerhalb des als Handgriff ausgebildeten Transformatorgehäuses hinderlich bei der Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
• Die Steuereinrichtung ist an eine elektrische Energiequelle anschließbar, damit die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgt werden kann. Dabei ist insbesondere bei einer innerhalb des als Handgriff ausgebildeten Transformatorgehäuses angeordneten Steuereinrichtung eine Energiequelle in Form von Batterien oder Akkumulatoren möglich, die ebenfalls im Transformatorgehäuse untergebracht, aber auch außerhalb des Transformatorgehäuses angeordnet sein können. Dies ist insbesondere deshalb sinnvoll, da die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung dann unabhängig von einer stationären Energiequelle und insbesondere unabhängig von einem öffentlichen beziehungsweise nichtöffentlichen elektrischen Netz betrieben werden kann. Allerdings ist es natürlich auch denkbar, als Energiequelle eine stationäre Energiequelle oder ein öffentliches beziehungsweise nichtöffentliches elektrischen Netz vorzusehen, mit welcher die Steuereinheit verbindbar ist.
• Nach einem eigenständigen Gedanken der Erfindung ist die Sicherheitseinrichtung mit einem Sensor kommunikativ verbunden, wobei der Sensor die Umgebungsparameter, einer Behandlungsfläche der Sonde bestimmt, wobei der Sensor insbesondere die Atmosphärenzusammensetzung in der Umgebung der Behandlungsfläche der Sonde bestimmt. Anhand der Atmosphärenzusammensetzung lässt sich nämlich erkennen, ob eine Behandlung in der Mundhöhle oder auf der Haut eines Patienten erfolgen soll.
• Die Erfindung ermöglicht somit eine automatische Einstellung des notwendigen Leistungsbereichs für eine Indikation, die außerhalb oder innerhalb des menschlichen Körpers erfolgt, ohne die Notwendigkeit, konstruktive Änderungen oder unkontrollierte Einstellungen an der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzunehmen. Die einzelnen Konverter bzw. Plasmageneratoren der Erfindung, die für die unterschiedlichen Anwendungen und Leistungsbereiche eingesetzt werden, unterscheiden sich in der Ausführung der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung reguliert automatisch, ohne Einwirkung von Dritten, unschädlich für den Patienten, aber indikationsausgerichtet für den Behandlungserfolg die notwendigen Leistung.
• Der große Unterschied, ob die Nutzung der Atmosphäre außerhalb oder innerhalb des menschlichen Körpers für eine unschädliche und zugleich erfolgreiche Indikation verwendet werden kann, liegt in den veränderten Bestandteilen der Atmosphäre im trockenen oder feuchten Zustand Dies wird in 7 veranschaulicht. Diese zeigt die Zusammensetzung trockener und reiner atmosphärischer Luft in Bodennähe.
• Der Vergleich in der nachfolgenden Tabelle vermittelt die veränderten Bestandteile der Luftzusammensetzung in einer Mundhöhle alleine durch das Ein- und Ausatmen.

  Inspiratorische Fraktion	Gas	Exspiratorische Fraktion
  78%	Stickstoff	79%
  21%	Sauerstoff	16%
  0,04%	Kohlenstoffdioxid	4%
  1%	Edelgase	1%

• Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wäre es auch denkbar, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung zum Analysieren von Luft aufweist, etwa eine Messeinrichtung, welche einen Sauerstoffgehalt und/oder einen Kohlstoffdioxid – Gehalt bestimmt. Durch diese Messung kann auf die konkrete Anwendung geschlossen werden und die Pulse beziehungsweise die Leistung können entsprechend eingestellt werden.
• Die Sonde, mit der die eigentliche Behandlung durchgeführt wird, da mit ihr das erforderliche Niederfrequenzplasma zur Anwendung auf dem zu behandelnden Gewebe erzeugt wird, ist vorzugsweise als Glassonde ausgebildet. Solche Glassonden sind einfach zu handhaben und in der Anwendung an oder in biologischem Gewebe physiologisch unbedenklich.
• Dabei hat es sich bewährt, die Glassonde unter Unterdruck, vorzugsweise unter Unterdruck von 500 Pa bis maximal 3000 Pa, mit einem leitenden Gas, vorzugsweise mit einem Edelgas oder Edelgasgemisch zu füllen. Mit solchen leitenden Gasen, insbesondere Edelgasen und Edelgasgemischen, vorzugsweise aus Argon und/oder Neon, ist die Herstellung von Niederfrequenzplasmen und somit die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung besonders effizient. Die Glassonde ist an ihrem einen Ende durch einen Metallkontakt geschlossen, durch welchen die durch den Transformator gelieferte hochfrequente Hochspannung in das Innere der Glassonde geführt wird. Innerhalb der Glassonde wird das Gas dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld ausgesetzt und somit eine Glimmentladung erzeugt. Die Leistung des Transformators ist dabei durch die Steuereinrichtung derart regelbar, dass sich Spannungen im Bereich zwischen 1800 V und 35000 V einstellen lassen, die über das leitfähige Gas innerhalb der Glassonde auf die Behandlungsfläche der Glassonde übertragen werden. Befindet sich die Behandlungsfläche der Glassonde unmittelbar über dem zu behandelnden biologischen Gewebe, stellt sich diese Spannung dazwischen ein, gegebenenfalls in Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der Oberfläche des zu behandelnden biologischen Gewebes und des Widerstandes der Gase, insbesondere der Luft, zwischen Behandlungsfläche der Glassonde und Oberfläche des zu behandelnden biologischen Gewebes.
• Damit die durch den Transformator zur Verfügung gestellte hochfrequente Hochspannung auch effizient durch die Sonde genutzt werden kann, ist eine gute und sichere elektrische Kontaktierung zwischen Transformator und Sonde unabdingbar. Dies wird nach einem eigenständigen Gedanken der Erfindung dadurch erreicht, dass die Sonde mittels einer Kontaktfeder elektrisch/elektronisch mit dem Transformator koppelbar ist. Dabei ist es zum einen denkbar, dass die Kontaktfeder an dem Transformator beziehungsweise dem Transformatorgehäuse angeordnet ist. Zum anderen kann die Kontaktfeder auch an der Sonde angeordnet sein. In beiden Fällen stellt die Kontaktfeder die elektrische Kontaktierung zwischen Sonde und Transformator sicher, auch wenn innerhalb der Kupplung zwischen Sonde und Transformator ein nicht erwünschtes Spiel auftritt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma mit einer zuvor beschrieben Vorrichtung enthält im Wesentlichen folgende Verfahrensschritte:
• a) Bereitstellen elektrischer Energie in Form von elektrischer Gleichspannung oder niederfrequenter Wechselspannung im Bereich von 12 V bis 600 V mit einer Stromstärke auf der Seite der Sekundärspule von 0,1 μA bis 300 μA,
• b) Umwandlung der elektrischen Gleichspannung oder der elektrischen niederfrequenten Wechselspannung in hochfrequente Wechselspannung zwischen 10 kHz und 50 kHz,
• c) Transformation der hochfrequenten Wechselspannung in einen Spannungsbereich zwischen 1800 V bis 35000 V,
• d) Weiterleitung der hochfrequenten Wechselspannung in einem Spannungsbereich zwischen 1800 V bis 35000 V an eine Sonde (2), vorzugsweise eine Glassonde, welche über dem zu behandelnden biologischen Gewebe in einem Abstand zwischen 1 mm und 5 cm positioniert ist.
• Hierbei sei darauf hingewiesen, dass bei Anwendungen im Dentalbereich, z. B. bei der Behandlungen der Mundschleimhäute in der Mundhöhle, die Stromstärke auf der Seite der Sekundärspule zwischen 0,1 μA und 100 μA gewählt wird, während bei Anwendungen auf sonstigen Gewebeoberflächen, insbesondere dermatologischen Behandlungen der übrigen Haut beziehungsweise des zu behandelten Patienten beziehungsweise gynäkologischen Anwendungen, die Stromstärke auf der Seite der Sekundärspule zwischen 0,1 μA und 300 μA gewählt wird.
• Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
• Es zeigen:
• 1: einen Transformator eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Transformatorgehäuse,
• 2: ein Transformatorgehäuse eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 3: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 4: eine weiters Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• 5: einen typischen Pulsverlauf eines hochfrequenten Spannungspulses, bei dem die Stromstärke in μA gegen die Zeit aufgetragen ist,
• 6: eine schematische Darstellung einer dielektrischen Barriereentladung,
• 7: eine graphische Darstellung der Zusammensetzung trockener und reiner atmosphärischer Luft in Bodennähe und
• 8: eine Diagrammdarstellung der Abhängigkeit der Durchbruchspannung für die Erzeugung einer Gasentladung vom Produkt aus Spaltgröße s und Druck p für Luft und SF₆.
• In den Figuren sind verschiedene Elemente von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Behandlung von biologischem Gewebe mit einem Niederdruckplasma dargestellt, welche weiter unten näher erläutert werden.
• 1 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform eines Transformatorgehäuses 8 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welches ein aus einer Primärspule 4 und einer Sekundärspule 5 gebildeter Transformator angeordnet ist, an den wiederum über eine Kupplung 9 eine Steuereinrichtung 3 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 3 ist wiederum mit einer hier nicht dargestellten elektrischen Energiequelle 13 zur Einspeisung elektrischer Energie in den Transformator 1 verbunden. An dem der Kupplung 9 gegenüberliegenden Ende des Transformatorgehäuses 8 ist wiederum eine Kupplung 7 angeordnet, an welcher eine Sonde 2, vorzugsweise eine Glassonde angeordnet werden kann. Eine Kontaktfeder 12 stellt hierbei sicher, dass zwischen dem Transformator 1 und der Sonde 2 immer ein elektrischer Kontakt besteht. Das Transformatorgehäuse 8 ist vorliegend als ein Handgriff ausgebildet und erstreckt sich in seiner Längserstreckung in die gleiche Richtung wie die Primärspule 4 und die Sekundärspule 5.
• Die Sekundärspule 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel um einen Stabkern 10, der vorzugsweise aus einem Ferrit besteht, gewickelt, während die Primärspule 4 in einem Abstand um die Sekundärspule 5 gewickelt ist. Dieser Abstand nimmt dabei von dem der Kupplung 9 zugewandten Ende der Spulen 4 und 5 von einem Abstand d1 bis zu dem der Kupplung 7 zugewandten Ende der Spulen 4 und 5 kontinuierlich bis zu einem Abstand d2 zu, so dass die Primärspule 4 konisch koaxial über der Sekundärspule angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen beide Spulen 4 und 5 die gleiche Länge L auf, so dass sie über ihre gesamte Länge einen Überlappungsbereich B bilden. Die Primärspule 4 nimmt dabei auch die Funktion eines elektromagnetischen Schirms wahr, beziehungsweise gewährleistet einen Abschirmeffekt, durch den elektromagnetische Störfelder nicht das durch den Transformator 1 erzeugte hochfrequente elektromagnetische Feld entscheidend stören können, so dass eine einwandfreie Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben ist. Daneben können in einem Endabschnitt des Konverters noch Dichtungseinrichtungen vorgesehen sein.
• Der als Hochspannungstransformator ausgebildete Transformator 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart aufgebaut, dass die innere Sekundärspule 5 um einen Stabkern 10 aus Ferrit in Kammern 11 gewickelt ist. Bei der hier gezeigten Ausführungsform weist die Sekundärspule 5 je 500 Windungen pro Kammer 11 auf; es sind jedoch auch andere Windungszahlen denkbar.
• Der Transformator 1 nimmt einerseits die Aufgabe wahr, die von der Energiequelle 13 und der Steuereinheit 3 bereitgestellte hochfrequente Niederspannung in hochfrequente Hochspannung umzuwandeln. Andererseits nimmt er aber auch die Aufgabe wahr, die erzeugte Hochspannung, insbesondere über eine hier nicht dargestellte innere Glasröhre der als Glassonde ausgebildeten Sonde 2 an deren Behandlungsfläche zu leiten, die an dem der Kupplung 7 gegenüberliegenden Ende der Sonde angeordnet ist.
• Die Anordnung der Spulen 4 und 5 innerhalb des Transformators 1 führt zur Bereitstellung von Pulsen mit einer vorgegebenen Signalform, bevorzugt von sinusförmigen Pulsen und besonders bevorzugt von exponentiell gedämpften sinusförmigen Pulsen, wie sie beispielhaft in 5 dargestellt sind und mit welchen ein kaltes Plasmas beziehungsweise ein Niederdruckplasma zwischen Behandlungsfläche der Sonde 2 und zu behandelndem Gewebe erzeugt werden kann.
• 2 zeigt den Aufbau eines Transformatorgehäuses 8 der 1, welches aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem Kunststoff hergestellt ist.
• An dem die Kupplung 7 für die Sonde 2 aufweisenden Ende des Transformatorgehäuses 8 ist dieses mit einer Kontaktfeder 12 ausgestattet, welche elektronisch mit dem Transformator 1 verbunden ist. Wie bereits kurz erwähnt, stellt die Kontaktfeder 12 den Kontakt mit der Sonde 2 her. Durch den Kontakt werden die Spannungsimpulse auf die Sonde 2 übertragen. Die als Glassonde ausgebildete Sonde 2 ist üblicherweise mit zwei Kammern ausgestattet. Die innere Kammer ist bevorzugt mit 100% Neon gasgefüllt bei einem Unterdruck von 500 Pa bis maximal 3000 Pa und leitet die Hochspannung an die Spitze der Instrumentensonde. Die äußere Kammer dient zur Isolierung und zum Schutz der inneren Kammer. Die innere Kammer besteht vorteilhaft aus Glas und die äußere Kammer kann aus dem Material Glas oder Edelmetall bestehen.
• An dem der Behandlungsfläche gegenüberliegenden Ende ist die Sonde 2 mit einer Metallklappe geschlossen, welche zusammen mit der Kontaktfeder 12 und der Kupplung 7 die elektrische Steckverbindung mit dem in dem Transformatorgehäuse 8 angeordneten Transformator 1 herstellt.
• Zwischen der Behandlungsfläche der Sonde 2 und dem zu behandelnden biologischen Gewebe G bildet sich bei einem Abstand zwischen 1 mm und 5 mm durch die bereitgestellte hochfrequente Wechselspannung und den typischen Pulsverlauf die Bildung des kalten Plasmas beziehungsweise des Niederdruckplasmas, mit welchem Bakterien, Keime, Viren, Pilzen oder andere vergleichbare, dem Gewebe G anhaftende Mikroorganismen abgetötet werden können.
• Das Gas in der als Glassonde ausgebildeten Sonde 2 wird dabei dem erzeugten hochfrequenten, elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, um eine Glimmentladung (Mikroentladung) zu erzeugen. Die Leistung des Transformators 1 ist dabei über die Steuereinrichtung 3 so regelbar, dass sich Spannungen im Bereich zwischen 1,8 und 35 kV einstellen lassen, die über das leitfähige Gas auf die Behandlungsfläche der Sonde 2 übertragen werden. Befindet sich die Behandlungsfläche der Sonde 2 unmittelbar über dem zu behandelnden Gewebe G, stellt sich deren Spannung in Abhängigkeit von Hautwiderstand und der Luft zwischen Instrumentensondenspitze und Hautoberfläche ein.
• Das Verfahren zur direkten Erzeugung eines Niederdruckplasmas oder kalten Plasmas entspricht dem Aufbau der in 6 dargestellten dielektrischen Barriereentladung. Die Anregungsspannung wird im Transformator 1 erzeugt. Die Sonde 2 bildet dabei eine Metallelektrode 14 und ein Dielektrikum 15. Die Erdelektrode wird von dem zu behandelnden Gewebe G gebildet, so dass zwischen dem Gewebe G und der Metallelektrode 14 der Sonde 2 im Wesentlichen die durch den Transformator 1 gelieferte hochfrequente Anregungsspannung 16 anliegt. Das dargestellte Schema dient als Modell für die weiteren Betrachtungen.
• Physikalische Betrachtung der Plasmabildung durch dielektrische Barriereentladung: Die dielektrische Barriereentladung, auch dielektrisch behinderte Entladung oder stille Entladung genannt, ruft bei Atmosphärendruck während der Zündphase nicht-thermische Plasmafilamente P hervor. Die dielektrisch behinderte Entladung oder stille Entladung ist in dieser Betrachtung neben der Koronaentladung eine Variante der Gasentladungen, die bei Atmosphärendruck während der Zündphase nicht-thermische Plasmafilamente P hervorruft. Der Unterschied zwischen beiden Gasentladungsformen liegt im Löschmechanismus der Entladungsfilamente. Im Fall der Koronaentladung ist er raumladungsorientiert und bei der Barriereentladung oberflächenladungsorientiert.
• Der in 6 dargestellte, grundsätzliche Aufbau besteht aus zwei Elektroden, einer Hochspannungselektrode 14 und einer Erdelektrode G, mit ein oder mehreren dielektrischen Barrieren 15 (Isolatoren) dazwischen. Zwischen Dielektrikum 15 und Erdelektrode G befindet sich ein Spalt, der in der Breite variabel ist, in der Größenordnung von einigen mm bis in den cm-Bereich. Die zu behandelnde Probe befindet sich auf der beziehungsweise bildet die Erdelektrode G. Um die Entladung zu erzeugen, werden eine Wechselspannung von 1–100 kV und Frequenzen von 10–50 kHz benötigt. Diese Entladung ist charakterisiert durch die Ausbildung von Mikroentladungen beziehungsweise Plasmafilamenten P. Bei dieser Reaktion lagern sich Ladungsträger an die Oberfläche des Dielektrikums 15 an und schwächen das externe elektrische Feld, was zu einem Auslöschen der Plasmafilamente P führt. Das Dielektrikum 15 dient der Strombegrenzung und es ermöglicht, dass die Entladungen an einer Vielzahl statistisch gleichverteilter Punkte stattfinden können, womit eine flächige Plasmabehandlung der gesamten Oberfläche des zu behandelnden Gewebes G ermöglicht wird.
• In den 3 und 4 sind nunmehr zwei Schaltbilder beispielhaft dargestellt, in denen eine Sicherheitseinrichtung 30 dargstellt ist. Währen die Sicherheitseinrichtung gemäß der 3 als Kontaktbrücke ausgebildet ist, die die Leistungseinstellung der Steuereinrichtung 3 beziehungsweise des Transformators 1 lediglich anhand der Stellung des Schalters der Kontaktbrücke ausführt, ist dies in 4 komplexer gestaltet.
• In 4 wird die Sicherheitseinrichtung 30 durch eine Prozessor 40 realisiert, der die Leistungseinstellung für die Steuereinrichtung 3 beziehungsweise den Transformator 1 software-gesteuert anhand der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung installierten Sonde 2 vornimmt. Dabei kommuniziert die Sonde 2 mit dem Prozessor 40 und teilt ihm ihre Anwendungs- beziehungsweise Betriebsparameter mit. Anhand dieser Informationen stellt nun der Prozessor 40 die dazu passenden Leistungsparameter für die Steuereinrichtung 3 beziehungsweise den Transformator 1 fest und übermittelt diese an die Steuereinrichtung 3. Diese wiederum veranlasst dann die Einstellung der entsprechenden Leistungsparameter, so dass die Behandlung entsprechend durchgeführt werden kann.
• Die physikalische Betrachtung der Plasmabildung erfolgt nach der Methode von Paschen und Townsend. Die Analyse bezieht sich auf das in 6 dargestellte Modell für die dielektrische Barriereentladung. Die Betrachtung ermöglicht die Ermittlung der Durchbruchspannung (= Zündspannung), die zur Bildung eines Plasmas führt. Unterhalb der Durchbruchspannung liegen Plasmafilamente P vor, die charakteristisch für ein kaltes Plasma beziehungsweise Niederdruckplasma sind.
• Ausgangspunkt ist ein Kondensator mit einem Plattenabstand von d = 1 mm. Zwischen seinen Platten befindet sich Luft. Es sei α die Wahrscheinlichkeit pro Längeneinheit, dass ein Elektron ein neutrales Atom bzw. Molekül ionisiert, wobei Stöße von Ionen mit Neutralatomen aufgrund des schnell wechselnden Feldes und der großen Masse der Ionen vernachlässigt werden können.
• Wenn N die Anzahl der entstandenen Elektronen ist, dann gilt: dN/dx = αN (1.1)

  
• Dabei ist N₀ die Anzahl extern erzeugter Elektronen, beispielsweise durch kosmische Strahlung. Die Zahl ionisierender Stöße ist proportional zum Druck p und zur Wahrscheinlichkeit für einen Ionisationsstoß.
• Außerdem gilt für die kinetische Energie der Elektronen
• 
• Dabei ist λ_ion die Beschleunigungsstrecke und E die angelegte elektrische Feldstärke. Aufgrund inelastischer Stöße durchläuft nur ein Bruchteil

  

  die Strecke λ_ion ohne Energieverlust.
• Es folgt für die Konstante α

  
• Mit der Durchbruchspannung U_zünd = E_d ergibt sich

  
• Dabei ist γ die Zahl der erzeugten Elektronen pro Ion (dritter Townsend-Koeffizient), mit der die Zündbedingung

  

  lautet. Dabei gilt in der Regel y << 1.
• 8 zeigt die Paschenkurve für Luft (Kurve 1) und SF₆ (Kurve 2).
• Die Paschenkurve gemäß 8 beschreibt die Abhängigkeit der Durchbruchspannung U_d für die Erzeugung einer Gasentladung vom Produkt aus Spaltgröße s und Druck p.
• Für den vorliegenden Fall kann die Abhängigkeit der Durchbruchspannung von der Spaltbreiten abgeschätzt werden.

  Spaltbreite	Uzünd
  1 mm	3 kV
  2 mm	6 kV
  3 mm	9 kV
  4 mm	12 kV
  5 mm	15 kV
  6 mm	18 kV

• Bei einer Spannung von 3 kV setzt also für Luft bei 1 bar der elektrische Durchbruch ein. Da hier auf der gesamten Strecke d alle Atome bzw. Moleküle ionisiert sind, ist dies die Obergrenze für diejenige Spannung, die für ein stabiles Plasma nötig ist. Unterhalb dieser Spannung bilden sich in einer Barriereentladung dünne Entladungskanäle (Plasmafilamente P) zwischen den Elektroden (Abstand im Bereich 1 mm) aus, die charakteristisch für ein kaltes Plasma sind. Bei Atmosphärendruck wird statistisch verteilt eine hohe Zahl von kurzlebigen Entladungskanälen (Mikroentladungen) beobachtet.
• Ein notwendiges Kriterium für die Existenz eines Plasmas ist, dass die Debye-Länge klein gegenüber den Abmessungen des Systems ist. Diese Abschirmlänge ist dadurch charakterisiert, dass auf dieser das Potential einer lokalen Ionen- oder Elektronenladung hinreichend stark (in der Regel auf das 1/e-fache) abgefallen ist. Dies rührt daher, dass in einem Plasma ein positives Ion von einer kugelförmigen Wolke aus Elektronen umgeben ist, so dass sich die Ladungen in etwa kompensieren, wobei der Radius dieser Kugel die Debye-Länge ist. Im vorliegenden Fall ist die Bewegung der Ionen im Wechselfeld gegenüber derjenigen der Elektronen aufgrund der viel größeren Ionenmasse zu vernachlässigen. Deshalb gilt für die Debye-Länge:

  
• Für ein nicht-isothermes Plasma, wobei die Elektronen aufgrund ihrer kleineren Masse eine höhere Temperatur haben als die Ionen, gilt bei einer Barriereentladung

  

  (Elektronentemperatur) und

  

  (Volumenanzahldichte der Elektronen.
• Setzt man diese Werte in die Gleichung (2.1) ein, so erhält man für die Debye-Länge eines nichtisothermen Plasmas einer Barriereentladung

  

  wobei diese Debye-Länge für den ungünstigsten Fall einer Anzahldichte von n_e = 1020 m^–3 und einer Elektronentemperatur von Te = 10 eV = 1,16·10⁵ K berechnet wurde.
• Geht man für den vorliegenden Fall davon aus, dass das System von einer Größenordnung im mm-Bereich ist, dann ist die Debye-Länge um einen Faktor 1000 kleiner, womit das notwendige Kriterium für die Existenz eines Plasmas erfüllt ist.
• Ein weiteres Kriterium ist, dass die mittlere Anzahl geladener Teilchen in der Debye-Kugel größer als eins ist. Im ungünstigsten Fall n_e = 1020 m^–3 befinden sich in der Debye-Kugel etwa 5000 geladene Teilchen, womit auch dieses Kriterium erfüllt ist.
• Die Parameter der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfüllen die physikalischen Voraussetzungen zur Erzeugung eines kalten Plasmas.

  physikalischer Parameter	notwendige Bedingung	plasmaOne	notwendige Bedingung erfüllt?
  Durchbruchspannung	3 kV bei 1 mm Spalt	3 bis 18 kV	ja
  Debye-Länge	Spaltgröße >> λd = 2.35·10–6 m	Spaltgröße >= 1 mm	ja
  mittlere Anzahl geladener Teilchen in Debye-Kugel	Anzahl > 1	Anzahl: ca 5000	ja

• Bezugszeichenliste

1

Transformator

2

Sonde

3

Steuereinrichtung

4

Primärspule

5

Sekundärspule

7

Kupplung

8

Transformatorgehäuse

9

Kupplung

10

Stabkern

11

Kammer

12

Kontaktfeder

13

Energiequelle

14

Metallelektrode

15

Dielektrikum

16

Anregungsspannung

30

Sicherheitseinrichtung

40

Prozessor

P

Plasmafilamente

B

Überlappungsbereich

d1

Abstand

d2

Abstand

L

Länge

G

Gewebe

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Behandlung von biologischem Gewebe (G) mit einem Niederdruckplasma mit a) einem Transformator (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, b) einer Sonde (2), welche mit dem Transformator (1) elektrisch koppelbar ist und c) einer Steuerungseinrichtung (3) zur Steuerung des durch den Transformator (1) erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, wobei der Steuereinrichtung (3) eine Sicherheitseinrichtung (30) zugeordnet ist, mit welcher die Leistung des durch den Transformator (1) erzeugten elektromagnetischen Feldes selbsttätig für die entsprechende Anwendung einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Sicherheitseinrichtung (30) als Kurzschlussbrücke innerhalb einer einer der Kupplungen (7, 9) zugeordneten elektrischen Steckverbindung zwischen Sonde (2) beziehungsweise Steuereinrichtung (3) und Transformator (1) ausgebildet ist und als eine Art Schalter wirkt, durch den die Leistungsaufnahme der Steuereinrichtung oder des Transformators festlegbar ist, und/oder • die Sicherheitseinrichtung (30) als Prozessor (40) ausgebildet ist, der zum Kommunizieren mit der Sonde ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (1) ein Transformatorgehäuse (8) umfasst, welches eine einer Kupplung (7) für die Sonde (2) gegenüberliegende Kupplung (9) zum elektrischen/elektronischem Anschluss der Steuereinrichtung (3) aufweist, wobei das Transformatorgehäuse (8) vorzugsweise als Handgriff ausgebildet und entsprechend ergonomisch geformt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) innerhalb oder außerhalb des Transformatorgehäuses (8) angeordnet und an eine elektrische Energiequelle anschließbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (30) als Widerstand oder Speicherchip ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherchip oder der Prozessor (40) zum Kommunizieren mit der Sonde (2) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherchip oder der Prozessor (40) zur Bestimmung der Leistungsparameter für die Steuereinrichtung (3) und/oder den Transformator (1) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherchip oder der Prozessor (40) zur Weitergabe, insbesondere zur verschlüsselten Weitergabe der Leistungsparameter für die Steuereinrichtung (3) und/oder den Transformator (1) an die Steuereinrichtung (3) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitseinrichtung (30) mit einem Sensor kommunikativ verbunden ist, wobei der Sensor die Umgebungsparameter, einer Behandlungsfläche der Sonde (2) bestimmt, wobei der Sensor insbesondere die Atmosphärenzusammensetzung in der Umgebung der Behandlungsfläche der Sonde (2) bestimmt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (2) als Glassonde ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glassonde unter Unterdruck, vorzugsweise unter Unterdruck von 500 Pa bis 3000 Pa, besonders bevorzugt von 2000 Pa, mit einem leitenden Gas, vorzugsweise mit einem Edelgas oder Edelgasgemisch gefüllt ist.
11. Verfahren zur Behandlung von biologischem Gewebe (G) mit einem Niederdruckplasma mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen elektrischer Energie in Form von elektrischer Gleichspannung oder niederfrequenter Wechselspannung im Bereich von 12 V bis 600 V mit einer Stromstärke auf der Seite der Sekundärspule (5) von 0,1 μA bis 300 μA, b) Umwandlung der elektrischen Gleichspannung oder der elektrischen niederfrequenter Wechselspannung in hochfrequente Wechselspannung zwischen 10 kHz und 50 kHz, c) Transformation der hochfrequenten Wechselspannung in einen Spannungsbereich zwischen 1800 V bis 35000 V, d) Weiterleitung der hochfrequenten Wechselspannung in einem Spannungsbereich zwischen 1800 V bis 35000 V an eine Sonde (2), vorzugsweise eine Glassonde, welche über dem zu behandelnden biologischen Gewebe in einem Abstand zwischen 1 mm und 5 cm positioniert ist.

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