ES2618375T3

ES2618375T3 - Flujos de plasma de oscilación volumétrica

Info

Publication number: ES2618375T3
Application number: ES10734147.1T
Authority: ES
Inventors: Nikolay Suslov
Original assignee: Plasma Surgical Investments Ltd
Current assignee: Plasma Surgical Investments Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: ES2731053T3; EP3226661B1; EP3226661A1; WO2012010207A1; EP3565385A1; EP2596687A1; EP2596687B1

Abstract

Sistema que comprende: a) una fuente de energía (31); y b) un dispositivo de generación de plasma (32) que comprende una punta (2) que tiene una salida (3), estando el dispositivo configurado para generar y descargar a través de dicha salida (3) un flujo de plasma en aire, teniendo el flujo un eje direccional y una zona activa definida por un plasma que tiene una temperatura por encima de un umbral, caracterizado porque la fuente de energía (31) está configurada para proporcionar energía con una densidad de potencia que varía según un patrón controlado; la zona activa se expande y se contrae volumétricamente a lo largo del tiempo según el patrón de densidad de potencia de la fuente de energía, en el que una porción del plasma en una zona activa contraída tiene una primera temperatura de al menos 10.000 K; y la porción del plasma en una zona activa expandida tiene una segunda temperatura de al menos 10.000 K por encima de la primera temperatura.

Description

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DESCRIPCION

Flujos de plasma de oscilacion volumetrica

1 Campo de invencion

La presente invencion se refiere a flujos de plasma de oscilacion volumetrica. Adicionalmente, la presente invencion se refiere a sistemas y metodos para generar flujos de plasma de oscilacion volumetrica y a las aplicaciones practicas de los flujos de plasma de oscilacion volumetrica.

2 Antecedentes

Los dispositivos de generacion de plasma desempenan un papel importante en muchas areas. Por ejemplo, se usa un plasma en pantallas, tales como televisores y monitores de ordenador, espectrograffa, en aplicaciones de pulverizacion tales como recubrimiento, y en medicina. En medicina, se usa un plasma para el alivio del dolor, la prevencion de la propagacion de la infeccion y la cirugfa.

Tres tareas basicas que realiza un cirujano durante una cirugfa son corte, vaporizacion y coagulacion de tejido. Generalmente, el corte se refiere a la separacion del tejido; vaporizacion se refiere a la destruccion controlada de tejido; y coagulacion se refiere a la detencion de hemorragia del tejido o los vasos sangumeos en el tejido. La mayor parte de las cirugfas abiertas, e incluso laparoscopicas, implican corte y coagulacion de tejido. Algunas cirugfas, tales como la extirpacion de nodulos tumorales, tambien implican vaporizacion de tejido.

Se conoce en la tecnica el uso de plasma para llevar a cabo estas tres tareas. En general, para llevar a cabo estas tareas, se dirige un flujo de plasma al tejido tratado, lo que lleva a cabo determinados efectos termicos en el tejido. Para el corte y la vaporizacion, estos efectos termicos son la sublimacion y extirpacion de tejido. Para la coagulacion, el efecto termico deseado es la creacion de una capa sellante de tejido necrotico que impide la hemorragia adicional. Aunque se considera el plasma un modo superior de llevar a cabo las tres tareas, todavfa sigue habiendo problemas con el uso de plasma.

Actualmente, un cirujano usa normalmente un dispositivo dedicado para cada una de las tres tareas quirurgicas. Aunque esto garantiza que cada dispositivo se adapta bien a la funcion que esta realizando, el cambio de una tarea a otra requiere el cambio de dispositivos. En un procedimiento tfpico, el cirujano necesitara constantemente cambiar de una funcion a otra, ya que el corte y la vaporizacion de tejido dejan al descubierto nuevo tejido con hemorragia que debe coagularse. El cambio de dispositivos durante la cirugfa aumenta la duracion y complejidad del procedimiento, e incrementa el riesgo para el paciente. En cirugfa laparoscopica en particular, cuando los dispositivos estan miniaturizados y se insertan en las cavidades corporales del paciente, el cambio de dispositivos frecuentemente es problematico. Actualmente, no existen dispositivos conocidos que puedan realizar las tres funciones suficientemente bien como para que un cirujano renuncie al uso de dispositivos especializados en favor de un solo dispositivo todo en uno.

El documento WO 2009/018837 A1 da a conocer un dispositivo y un metodo para generar un plasma pulsado.

El documento WO 02/30308 da a conocer un aparato quirurgico para la extraccion de atomos de gas inerte de alta energfa de un generador de plasma pulsado.

Incluso el uso de dispositivos quirurgicos de plasma especializados tiene problemas subyacentes. Por ejemplo, un dispositivo de plasma adoptado espedficamente para el corte tema que tener un pequeno diametro de salida que da como resultado un flujo de plasma turbulento adecuado para el corte. El pequeno diametro de salida hace que no puedan usarse tales dispositivos para la coagulacion, lo que requiere generalmente un diametro de punto relativamente grande. Ademas, el corte del tejido con un dispositivo de este tipo da como resultado hemorragia que no solo afecta a la visibilidad del cirujano del tejido tratado sino que, si no se detiene de manera oportuna, era peligroso para el paciente. Como otro ejemplo, los dispositivos de plasma adoptados para la coagulacion no podfan detener hemorragias a alta velocidad. La detencion de hemorragias incluso de velocidad media requiere una experiencia importante con el dispositivo.

Por consiguiente, existe la necesidad en la tecnica de sistemas y metodos que permitan un control mejorado con respecto a las propiedades volumetricas de flujos de plasma. En particular, existe la necesidad de sistemas que lleven a cabo las tres tareas quirurgicas de corte, vaporizacion y coagulacion. Preferiblemente, el sistema realizara las tres tareas quirurgicas al menos tan bien como los dispositivos conocidos actualmente.

3 Sumario de la invencion

Se satisface esta necesidad mediante flujo de plasma de oscilacion volumetrica asf como sistemas y metodos para su generacion. Espedficamente, un flujo de plasma de oscilacion volumetrica es un flujo de plasma en aire, teniendo el flujo un eje direccional y una zona activa definida por un plasma que tiene una temperatura por encima de un

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umbral, en el que la zona activa se expande y se contrae volumetricamente a lo largo del tiempo segun un patron controlado. El procedimiento con oscilaciones volumetricas comprende expandir de manera controlable una zona de un flujo de plasma que tiene una temperatura por encima de un umbral y contraer de manera controlable la zona de un flujo de plasma que tiene una temperatura por encima del umbral el flujo de plasma.

Un sistema para generar flujo de plasma de oscilacion volumetrica comprende una fuente de alimentacion que puede generar una corriente electrica que tiene un nivel de corriente bajo distinto de cero y pulsos que alcanzan un nivel de corriente alto (de hasta 50 A), en el que los pulsos tienen una velocidad en rampa de al menos 25 A por 10 |is, y un dispositivo de generacion de plasma que puede (1) calentar un gas de generacion de plasma hasta una primera temperatura con el nivel de corriente bajo de la corriente electrica, en el que la primera temperatura es de al menos 10.000 K, (2) calentar el gas de generacion de plasma hasta una segunda temperatura con el nivel alto de la corriente electrica, en el que la segunda temperatura es de al menos 10.000 K por encima de la primera temperatura; y (3) descargar el gas de generacion de plasma calentado como un flujo de plasma que se expande en volumen durante los pulsos de corriente electrica. El dispositivo de generacion de plasma comprende un anodo que forma una porcion de un canal de plasma que tiene una salida con un diametro de 0,3 - 0,8 mm. El gas de generacion de plasma se suministra al dispositivo de generacion de plasma a un caudal de 0,1 - 0,6 l/min a temperatura ambiente. El dispositivo de generacion de plasma puede contener un canal de refrigeracion con una salida cerca de la salida del canal de plasma que puede descargar un refrigerante. Adicionalmente, el dispositivo de generacion de plasma puede comprender un conjunto de catodo que comprende multiples catodos.

Tambien se proporciona un metodo para generar un flujo de plasma cuyo volumen vana con el tiempo usando un dispositivo de generacion de plasma que tiene una salida. El metodo comprende: (1) suministrar un gas de generacion de plasma al dispositivo de generacion de plasma, (2) proporcionar una energfa con una densidad de potencia al gas de generacion de plasma para formar un flujo de plasma, en el que la densidad de potencia cambia segun un patron controlado que tiene un nivel bajo y un nivel alto, y (3) descargar desde la salida del dispositivo de generacion de plasma el flujo de plasma variable volumetricamente que alterna entre un plasma de baja intensidad con una temperatura en la salida de al menos 10.000 K, y un plasma de alta intensidad con una temperatura en la salida de al menos 10.000 K por encima de la temperatura del plasma de baja intensidad en la salida, y en el que el plasma de baja intensidad corresponde a la energfa con la densidad de potencia de nivel bajo y el plasma de alta intensidad corresponde a la energfa con el nivel de densidad de potencia de alta intensidad.

Para aplicaciones medicas, el umbral que define la zona de plasma activo es de aproximadamente 10.000 K. Una porcion del plasma cuando se contrae la zona activa tiene una primera temperatura de al menos 10.000 K, y la porcion del plasma cuando se expande la zona activa tiene una segunda temperatura al menos 10.000 K por encima de la primera temperatura. El patron controlado puede proporcionarse mediante una fuente de alimentacion que puede generar una onda de corriente que tiene un nivel de corriente bajo de 3 -10 A y pulsos que alcanzan un nivel de corriente alto de 25 - 30 A. La velocidad en rampa de los pulsos es de al menos 25 A por 10 |is. Dependiendo de la aplicacion, la onda de corriente puede ser una onda de corriente pulsatoria polarizada de alta frecuencia con una frecuencia de por encima de 2.000 Hz (preferiblemente por encima de 20.000 Hz) y un ciclo de trabajo de 0,05 - 0,15, una onda de corriente pulsatoria polarizada de baja frecuencia con una frecuencia de 20 - 100 Hz y un ciclo de trabajo de 0,05 - 0,15, o una onda de corriente pulsatoria polarizada modulada en la que se modula una onda de alta frecuencia mediante una onda de baja frecuencia, siendo el ciclo de trabajo de la onda de alta frecuencia de 0,35 - 0,65 y siendo el ciclo de trabajo de la onda de baja frecuencia de 0,05 - 0,15.

Las aplicaciones de los flujos de plasma de oscilacion volumetrica incluyen aplicaciones quirurgicas, tales como las tareas de corte, coagulacion y vaporizacion de tejido. Para el corte, se usa una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia y el operario mueve el dispositivo de manera adyacente al tejido para realizar un corte. Para una frecuencia por encima de 20.000 Hz, el tejido disecado se coagula durante el corte debido al efecto de cavitacion en el tejido creado mediante ondas acusticas ultrasonicas generadas a esta frecuencia. Este efecto de cavitacion tambien mejora el sellado de vasos sangumeos. Para la tarea de vaporizacion, se usa una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia. El operario mueve el dispositivo a una distancia de aproximadamente 2 - 5 mm desde el tejido. Para frecuencias por encima de 20.000 Hz, el tejido se coagula inmediatamente y se sellan los vasos a medida que quedan al descubierto. Para la tarea de coagulacion, se usa una onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia. El operario sostiene el dispositivo a la distancia de aproximadamente 10 - 30 mm desde el tejido. Para un efecto de coagulacion mejorado, se usa una onda pulsatoria polarizada modulada para crear el efecto de cavitacion a partir de la coagulacion y el sellado de vasos mejorados. Puede usarse el mismo sistema para las tres tareas quirurgicas de corte, vaporizacion y coagulacion.

Asimismo, pueden usarse flujos de plasma de oscilacion volumetrica para aplicaciones no quirurgicas, tales como tratamiento del dolor, cosmeticos, eliminacion de desechos, limpieza de superficies y otros.

4 Breve descripcion de los dibujos

La figura 1A ilustra la estructura de un flujo de plasma tfpico generado con un dispositivo de generacion de plasma; la figura 1B es una grafica de la temperatura de un flujo de plasma tfpico a lo largo del eje del flujo de plasma;

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la figura 2 es una grafica de la temperatura a lo largo del eje del flujo de plasma de varios flujos de plasma generados mediante un dispositivo de generacion de plasma con un diametro de salida de 0,5 mm;

la figura 3 ilustra el volumen de plasma activo para un flujo de plasma tfpico;

la figura 4A es una grafica de la temperatura de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica a lo largo del tiempo durante una unica oscilacion;

las figuras 4B-G ilustran el comportamiento caractenstico de partfculas de plasma en diferentes etapas de una oscilacion volumetrica;

la figura 5 ilustra un flujo de plasma de oscilacion volumetrica;

la figura 6 ilustra una realizacion de un sistema que puede proporcionar flujos de plasma de oscilacion volumetrica;

la figura 7 ilustra una seccion transversal longitudinal de un dispositivo de generacion de plasma con multiples electrodos;

la figura 8 ilustra una seccion transversal longitudinal de una realizacion alternativa de un dispositivo de generacion de plasma con multiples electrodos que tiene un canal de plasma que comprende una porcion de expansion;

la figura 9 ilustra una forma de onda de corriente periodica arbitraria para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica;

la figura 10 muestra una fuente de alimentacion que usa tres fuentes de corriente a partir de la que produce diversas ondas de corriente para generar flujos de plasma de oscilacion volumetrica;

la figura 11 ilustra una onda de corriente pulsatoria polarizada;

la figura 12 ilustra una onda pulsatoria polarizada modulada a modo de ejemplo;

las figuras 13A-B ilustran diversas formas de onda de corriente usadas para generar flujos de plasma de oscilacion volumetrica;

la figura 14A ilustra una seccion transversal longitudinal de una realizacion alternativa de un dispositivo de generacion de plasma adaptado espedficamente para la generacion de flujos de plasma intermitentes de oscilacion volumetrica;

la figura 14B ilustra un conjunto de multiples catodos especializado para su uso en el dispositivo mostrado en la figura 14A;

la figura 15A ilustra un unico periodo de una onda de tension que puede aplicarse entre el catodo y el anodo para generar un flujo de plasma intermitente;

la figura 15B ilustra un unico periodo de una onda de corriente que puede hacerse pasar a traves del catodo y el anodo para generar un flujo de plasma intermitente;

la figura 15C ilustra un unico periodo de una onda de corriente que puede hacerse pasar a traves del catodo y el anodo para generar un flujo de plasma intermitente de oscilacion volumetrica;

la figura 16 ilustra una realizacion alternativa de un dispositivo de generacion de plasma con multiples electrodos que comprende canales de refrigeracion de flujo directo;

la figura 17A ilustra una onda de corriente pulsatoria polarizada de alta frecuencia;

la figura 17B ilustra una onda de corriente pulsatoria polarizada de baja frecuencia;

la figura 17C ilustra una onda de corriente pulsatoria polarizada modulada;

la figura 18A ilustra plasma activo durante un intervalo de baja intensidad de un flujo de plasma de oscilacion

volumetrica;

la figura 18B ilustra plasma activo durante un intervalo de alta intensidad de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica de alta frecuencia;

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la figura 18C ilustra plasma activo durante un intervalo de alta intensidad de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica de baja frecuencia;

las figuras 19A-C ilustran las diferencias en volumen entre un flujo de plasma continuo y el plasma de alta intensidad de flujos de plasma de oscilacion volumetrica con baja y alta frecuencia;

la figura 20A ilustra un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con un intervalo de alta intensidad relativamente corto;

la figura 20B ilustra un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con un intervalo de alta intensidad relativamente largo;

las figuras 21A-C son graficas que muestran las componentes de corriente y presion dinamica para un flujo de plasma continuo;

las figuras 21D-F son graficas que muestran las componentes de corriente y presion dinamica para un flujo de plasma de oscilacion axial;

las figuras 22A-D ilustran el efecto de la componente radial de la presion dinamica sobre la anchura de un flujo de plasma de oscilacion axial;

la figura 23 es una grafica de la longitud del flujo de plasma de alta intensidad en funcion del periodo de oscilacion;

la figura 24 ilustra un sitio quirurgico creado mediante la diseccion de tejido durante la cirugfa;

la figura 25 ilustra un sitio quirurgico en el que el flujo sangumeo se ha detenido formando una capa sellante que cubre el tejido subyacente;

la figura 26A Ilustra un flujo de plasma continuo que forma una capa sellante;

la figura 26B es una grafica del flujo calonfico en funcion de la distancia desde la superficie del tejido;

las figuras 27A-C ilustran una rapida sublimacion de tejido durante la coagulacion con un flujo de plasma continuo que tiene un flujo calonfico relativamente alto;

la figura 28 es una grafica que ilustra el flujo calonfico en funcion de la distancia desde la superficie del tejido para flujos de plasma de diversas intensidades;

las figuras 29A-B ilustra la aplicacion de una unica oscilacion de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica a un tejido;

las figuras 30A-F ilustran la coagulacion con un flujo de plasma de oscilacion axial a lo largo de tres oscilaciones;

la figura 31A ilustra la region superficial de un tejido al final del intervalo de baja intensidad de una oscilacion de flujo de plasma;

la figura 31B ilustra la region superficial de un tejido despues del intervalo de alta intensidad de una oscilacion de flujo de plasma;

la figura 32 ilustra una capa sellante completada formada por un flujo de plasma de oscilacion axial; la figura 33A ilustra un sitio quirurgico cubierto de sangre;

la figura 33B ilustra un operario que barre un flujo de plasma de oscilacion volumetrica sobre un sitio quirurgico;

las figuras 34A-C ilustran el efecto de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica a medida que se barre a traves de un sitio quirurgico;

la figura 35 ilustra una capa sellante de grosor variable;

la figura 36 es una grafica de la temperatura de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica a lo largo del eje del flujo de plasma tanto durante el intervalo de alta intensidad como durante el intervalo de baja intensidad;

la figura 37 ilustra un operario que barre un flujo de plasma continuo sobre un sitio quirurgico;

la figura 38 es una grafica del flujo calonfico de vaporizacion representado graficamente para tres velocidades de

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hemorragia diferentes en funcion del intervalo de alta intensidad;

la figura 39 es una grafica de la aproximacion de tiempo corto y la simulacion numerica de formacion de capa compacta en funcion del intervalo de baja intensidad;

la figura 40 es una grafica de la velocidad de formacion de capa compacta en funcion del intervalo de baja intensidad representado graficamente basandose en datos experimentales;

la figura 41 es una grafica del grosor de la capa compacta en funcion del numero de oscilaciones para varias frecuencias diferentes;

la figura 42 ilustra un sitio quirurgico parcialmente coagulado con un vaso sangumeo al descubierto;

las figuras 43A-C ilustran la aplicacion de plasma de oscilacion axial para sellar un vaso sangumeo;

la figura 44 es una grafica del radio de una burbuja en funcion del tiempo bajo la influencia de cavitacion ultrasonica;

las figuras 45A-C ilustran el proceso de corte con un flujo de plasma continuo tfpico de la tecnica anterior;

las figuras 46A-C ilustran el proceso de corte con un flujo de plasma de oscilacion radial;

la figura 47 ilustra la componente radial de un flujo de plasma de oscilacion radial que sella un vaso sangumeo;

las figuras 48A-E ilustran la vaporizacion de un tumor con un flujo de plasma de oscilacion volumetrica;

las figuras 49A-B ilustran un flujo de plasma de oscilacion volumetrica que sella un vaso sangumeo al descubierto durante la vaporizacion;

la figura 50 ilustra un sistema de eliminacion de desechos con plasma de oscilacion volumetrica.

5 Descripcion detallada de las realizaciones

5.1 Introduccion al plasma de oscilacion volumetrica

A modo de introduccion, un flujo de plasma es una corriente de partmulas de gas en la que un numero no despreciable de las partmulas de gas estan ionizadas. Un modo comun de generacion de un flujo de plasma es calentar una corriente de gas, denominado gas de generacion de plasma, hasta una temperatura suficientemente alta como para ionizar una porcion de las partmulas de gas. La figura 1A ilustra una seccion transversal longitudinal de un flujo de plasma tfpico generado de esta manera. El flujo de plasma 1 se descarga mediante un dispositivo de generacion de plasma que comprende la punta 2 que tiene una salida 3. El flujo de plasma 1 se propaga alejandose de la punta 2 a lo largo del eje del flujo de plasma 4. En determinadas condiciones de flujo, el flujo de plasma 1 sigue siendo laminar y no se mezcla significativamente con el medio circundante 5, que es normalmente aire. Un flujo laminar, tal como el flujo de plasma 1, se caracteriza por una alta concentracion de energfa en el nucleo del flujo, es decir, en, o en las proximidades de, el eje 4, y una rapida disminucion de temperatura radial. Normalmente, la distribucion de energfa y temperatura en el flujo de plasma 1 de manera transversal al eje del flujo de plasma 4 es sustancialmente parabolica.

Un flujo de plasma con una distribucion de temperatura sustancialmente parabolica de manera transversal al eje del flujo de plasma 4 no tiene una unica temperatura. Sin embargo, para muchos propositos, resulta util caracterizar el flujo de plasma con una unica temperatura representativa. Un modo de caracterizar la temperatura del flujo de plasma es considerar la temperatura en el nucleo del flujo. Otro modo de caracterizar la temperatura del flujo de plasma es considerar la temperatura promedio en el flujo en una seccion transversal dada. El termino “temperatura de salida” y sus variaciones se refieren a una temperatura representativa, preferiblemente la temperatura del nucleo, del flujo de plasma a medida que se descarga a traves de la salida 3.

La temperatura del flujo de plasma 1 disminuye a medida que se propaga a lo largo del eje 4 alejandose de la salida 3. El flujo de plasma 1 tiene una region proximal 6 con una temperatura proxima a la temperatura de salida del flujo de plasma a medida que se descarga desde la salida 3. El flujo de plasma 1 tambien tiene una region distal 7 con una menor temperatura. Dado que existe un escaso mezclado con el medio circundante 5, un flujo de plasma laminar mantiene una temperatura sustancialmente uniforme en la region 7 a lo largo de una distancia significativa alejandose de la salida 3. La figura 1B muestra una representacion grafica de la temperatura del flujo de plasma a lo largo del eje del flujo de plasma 4. La region 10 y la region 11 en la figura 1B corresponden a las temperaturas halladas en la region proximal 6 y la region distal 7 en la figura 1A, respectivamente. Tal como se observa a partir de la figura 1B, la temperatura del flujo de plasma mantiene una temperatura relativamente constante por la region 10. A la distancia 9 desde el dispositivo de generacion de plasma, la temperatura del flujo de plasma disminuye significativamente. En la region 11, el flujo de plasma mantiene una temperatura relativamente constante. La

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distancia 9, a la que el flujo de plasma experimenta la disminucion de temperatura mas significativa, se considera un punto de demarcacion entre la region proximal 6 y la region distal 7.

La figura 2 muestra una serie de mediciones de temperatura del plasma tomadas a diversas distancias desde un dispositivo de generacion de plasma. El diametro de la salida 3 usado para estas mediciones fue de 0,5 mm. Cada lmea en la figura 2 representa una temperatura de salida diferente. Cada lmea presenta claramente una region proximal y una region distal tal como se describio anteriormente. Tal como se observa a partir de la figura 2, a medida que aumenta la temperatura de salida del flujo de plasma, las regiones proximal y distal se extienden a lo largo de mayores distancias alejandose de la salida 3 del dispositivo de generacion de plasma.

No existe un lfmite claro del flujo de plasma. Para los propositos de esta divulgacion, los analisis de oscilaciones de plasma volumetricas deben entenderse como oscilaciones volumetricas de “plasma activo”. En esta divulgacion, plasma activo se define como plasma con una temperatura por encima de determinado umbral de interes. Por ejemplo, para aplicaciones quirurgicas, tal umbral puede ser de 10.000 K. Para algunas aplicaciones industriales, este umbral puede ser mayor, mientras que para aplicaciones cosmeticas este umbral puede ser menor. Un plasma con una temperatura menor que un umbral dado, en el exterior del lfmite de plasma activo, puede tener todavfa efectos beneficiosos. En esta divulgacion, este “plasma activo” proporciona un modo de describir convenientemente el volumen (o zona) de un flujo de plasma, pero no pretende delimitar la porcion del mismo que puede ser plasma util. Para la figura 2, el umbral de plasma activo ilustrado es de 10.000 K.

Con referencia al tamano de un flujo de plasma, para los propositos de esta divulgacion, el termino “volumen” se define como el espacio ocupado por plasma activo. Cuando el flujo de plasma descargado desde la salida 3 tiene una temperatura relativamente alta, el plasma tanto en la region proximal 6 como en la region distal 7 puede contener plasma activo. Por consiguiente, el volumen de un flujo de plasma de este tipo abarcana estas dos regiones. Por ejemplo, en la figura 2 la curva correspondiente a un flujo de plasma con una temperatura de salida de

15.000 K muestra una region distal con una temperatura de aproximadamente 12.000 K. Para un flujo de plasma con una temperatura de salida relativamente baja, por ejemplo, de aproximadamente 12.000 K, solo la region proximal contiene plasma activo. En este caso, el volumen del flujo de plasma es significativamente mas pequeno. Los flujos de plasma con una temperatura de salida menor al umbral de plasma activo no tienen por definicion plasma activo y tampoco volumen.

Los terminos “longitud” y “anchura”, con referencia al flujo de plasma se definen de manera similar a “volumen”. La “longitud” de un flujo de plasma es la distancia entre la salida 3 y el punto a lo largo del eje del flujo de plasma 4 en el que la temperatura disminuye por debajo de 10.000 K. La figura 3 muestra un flujo de plasma con el volumen de plasma activo 20. La longitud de este flujo de plasma es la distancia entre la salida 3 y el punto 21 a lo largo del eje del flujo de plasma 4. La “anchura” de un flujo de plasma a una distancia dada desde la salida 3 se define como el diametro de una seccion transversal del flujo de plasma activo de manera transversal al eje del flujo de plasma 4. Por ejemplo, el flujo de plasma en la figura 3 tiene una anchura maxima en el plano 22, que es el diametro de la region en el plano 22 ocupada por plasma activo. El termino “diametro de punto” se refiere a la anchura del flujo de plasma en el punto en el que entra en contacto con un sustrato, tal como un tejido.

En una realizacion preferida, se genera plasma de oscilacion volumetrica con un dispositivo de generacion de plasma con componentes anulares. En esta realizacion, dado que la salida 3 es circular, y como resultado una seccion transversal del flujo de plasma, la anchura del flujo de plasma es sustancialmente igual en cualquier angulo en la seccion transversal. En otras realizaciones, la anchura del flujo de plasma puede diferir cuando se mide en diferentes angulos. En esas realizaciones, por conveniencia de notacion, la anchura de un flujo de plasma se define como el mayor diametro de la seccion transversal del plasma activo de manera transversal al eje del flujo de plasma 4.

Un “flujo de plasma de oscilacion volumetrica”, tal como se usa el termino en el presente documento, se refiere a un flujo de plasma cuyo volumen vana en el tiempo mediante expansion y contraccion. Preferiblemente, estas variaciones volumetricas se controlan. Para aplicaciones medicas, por ejemplo, se logra el mayor beneficio cuando el volumen del plasma vana segun un patron periodico.

Puede crearse un flujo de plasma de oscilacion volumetrica proporcionando al gas de generacion de plasma energfa con una densidad de potencia que oscila en el tiempo entre un nivel bajo durante un intervalo de baja intensidad y un nivel alto durante un intervalo de alta intensidad. Proporcionar energfa con un nivel bajo densidad de potencia al gas de generacion de plasma da como resultado la generacion de plasma de baja intensidad, mientras que proporcionar energfa con un nivel alto densidad de potencia da como resultado generacion de plasma de alta intensidad.

La energfa adicional proporcionada al gas de generacion de plasma durante el intervalo de alta intensidad, en comparacion con el intervalo de baja intensidad, da como resultado un aumento de la temperatura del flujo de plasma. En una realizacion preferida, se suministra energfa haciendo pasar una corriente electrica a traves del gas de generacion de plasma a medida que fluye a traves de un dispositivo de generacion de plasma. En realizaciones alternativas, la energfa puede suministrarse al gas de generacion de plasma usando microondas o por medio de

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campos electromagneticos tal como se conoce en la tecnica. El flujo de plasma generado mediante una ene^a con densidad de potencia oscilante, proporcionada al gas de generacion de plasma, tiene un volumen que oscila en el tiempo con la misma frecuencia que la energfa.

Una forma de onda de corriente a modo de ejemplo que cumple los criterios de suministrar un nivel bajo de densidad de potencia y un nivel alto de densidad de potencia al gas de generacion de plasma es una onda pulsatoria polarizada, en la que se polariza la corriente en un nivel bajo, denominado “nivel de polarizacion” y tiene pulsos que alcanzan un nivel alto, denominado “nivel de pulso”. Las figuras 4A-F ilustran el comportamiento de las partfculas de plasma en diferentes momentos durante un unico periodo de una oscilacion volumetrica de onda pulsatoria polarizada. La figura 4A muestra la temperatura del plasma en funcion del tiempo, comenzando a una baja temperatura correspondiente a un plasma de baja intensidad durante un intervalo de tiempo correspondiente a la corriente de polarizacion, luego elevandose rapidamente hasta una alta temperatura correspondiente a un plasma de alta intensidad durante un intervalo de tiempo correspondiente a la corriente de pulso, y luego volviendo rapidamente a la baja temperatura correspondiente al plasma de baja intensidad durante el intervalo de tiempo correspondiente a la siguiente corriente de polarizacion. El comportamiento caractenstico de las partfculas en las etapas mostradas en la figura 4A se muestra en las figuras 4B-F, respectivamente.

Tal como se muestra en la figura 4B, partfculas relativamente lentas 71, correspondientes al plasma de baja intensidad, de desplazan a lo largo del eje del flujo de plasma. Se muestran las velocidades de partfcula mediante sus vectores de velocidad asociados. Debido a una temperatura relativamente baja, partfculas 71 tienen una densidad relativamente alta. Tal como se muestra en la figura 4C, a medida que aumenta rapidamente la temperatura del flujo de plasma al comienzo del intervalo de alta intensidad, se aceleran partfculas 73 hasta una mayor velocidad que la velocidad de las partfculas 71. Debido a una temperatura relativamente alta, las partfculas 73 tienen una densidad relativamente baja. Estas escasas partfculas de movimiento rapido 73 se desplazan a una alta velocidad y rapidamente alcanzan a densas partfculas de movimiento lento 71 aguas abajo en el flujo de plasma. Tal como se muestra la figura 4D, las colisiones entre las escasas partfculas de movimiento rapido 73 y las densas partfculas de movimiento lento 71 hacen que se dispersen las partfculas de plasma. Las partfculas dispersas 74 tienen ahora componentes para sus vectores de velocidad en ambas direcciones radial y axial. Esta dispersion hace que la anchura del flujo de plasma aumente, marcando el comienzo de una oscilacion radial. Este proceso es analogo a una unica bola de billar que choca con un grupo de bolas de billar, dispersando todas en diferentes direcciones despues del choque.

En un determinado tiempo, denominado tiempo de transicion ttmnscion, las partfculas de baja densidad y movimiento rapido del plasma de alta intensidad han empujado lejos todas las partfculas de baja intensidad y alta densidad del plasma de baja intensidad. Despues de eso, las partfculas de baja densidad y movimiento rapido del plasma de alta intensidad se propagan sin trabas a lo largo del eje del flujo de plasma. En este tiempo, mostrado en la figura 4E, la longitud del flujo de plasma comienza a aumentar, marcando el comienzo de una oscilacion axial.

En la figura 4F, con la disminucion de temperatura, provocada por la disminucion de la corriente al final del pulso, la velocidad de las partfculas descargadas desde el dispositivo disminuye y la densidad del plasma aumenta. Esto crea una separacion de presion 75 dado que las partfculas de movimiento lento 71 del siguiente intervalo de baja intensidad no alcanzan a las partfculas de movimiento rapido 73.

Si se hace disminuir la corriente hasta el nivel de polarizacion antes del tiempo de transicion ttranscon, la longitud del flujo de plasma no tiene oportunidad de aumentar. En esta situacion, el flujo de plasma solo experimental los procesos mostrados en las figuras 4B, 4C, 4D, y 4G. Por tanto, un pulso de corriente que es mas corto que el tiempo de transicion transition produce una oscilacion predominantemente radial, mientras que un pulso de corriente que es mas largo que el tiempo de transicion ttransicion produce una oscilacion predominantemente axial que esta precedida por una unica expansion radial. Se producen oscilaciones volumetricas mediante el aumento y la disminucion repetidos de la corriente suministrada. En esta divulgacion, el termino “flujo de plasma de oscilacion radial” y sus derivados se refieren a un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con oscilaciones radiales y oscilaciones axiales a pequena escala, es decir, oscilaciones que no superan en un orden de magnitud el tamano del diametro de salida. El termino “flujo de plasma de oscilacion axial” y sus derivados se refieren a un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con oscilaciones predominantemente axiales a gran escala, es decir, oscilaciones que superan en un orden de magnitud el tamano del diametro de salida. Sin embargo, debe entenderse que flujo de plasma de oscilacion axial se inicia con una expansion radial.

Otro modo de describir un flujo de plasma de oscilacion volumetrica es mediante la observacion de su comportamiento en un espacio con un volumen constante. En este espacio fijo, una porcion del espacio esta ocupado por plasma y la porcion restante esta ocupada por el medio circundante. Tal medio es normalmente aire, pero puede ser otro gas, o incluso un lfquido por ejemplo en determinadas cirugfas laparoscopicas o incluso aplicaciones submarinas. Para un flujo de plasma de oscilacion volumetrica, la porcion del espacio ocupada por plasma oscila en el tiempo. A la inversa, la porcion del espacio ocupada por el medio circundante tambien oscila. En el espacio fijo, durante un intervalo de baja intensidad, el plasma ocupa una porcion mas pequena del espacio que durante un intervalo de alta intensidad. En una realizacion preferida, el plasma de baja intensidad tiene una porcion con una temperatura de al menos 10.000 K y el plasma de alta intensidad tiene una porcion con una temperatura al

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menos 10.000 K por encima a la temperatura del plasma de baja intensidad. Debe indicarse que la porcion del espacio ocupada por plasma y el medio circundante no son necesariamente contiguos. Las partfculas de plasma pueden dispersarse a traves del medio circundante tal como se muestra en la figura 5. Ademas, dado que las densidades del plasma y el medio circundante pueden ser ampliamente diferentes, determinados metodos de calculo de volumen deben tener en cuenta la densidad.

Un modo alternativo de caracterizar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica es mediante expansion y contraccion de plasma activo. En una realizacion preferida, la expansion y contracciones son segun un patron controlado.

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica tambien producen ondas acusticas. Brevemente, en el momento de la expansion del flujo de plasma, cuando la temperatura del plasma se eleva rapidamente, se desplaza aire por el flujo de plasma en expansion. En el momento de la contraccion del flujo de plasma, cuando la temperatura del plasma rapidamente disminuye, se introduce el aire en la region a baja presion resultante que estaba justamente ocupada por las partfculas de plasma de movimiento rapido. Cuando el flujo de plasma oscila repetidamente, estos movimientos de aire forman una onda acustica.

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica son utiles en una variedad de aplicaciones, para las que no es ideal el uso de flujos de plasma continuos, producidos con suministro de energfa constante. Las aplicaciones ilustrativas en esta divulgacion son en el campo medico. Otras aplicaciones incluyen, entre otros, aplicaciones de tratamiento de componentes electronicos, cosmeticos y eliminacion de desechos.

5.2 Sistema

Haciendo referencia a la figura 6, una realizacion de un sistema que puede proporcionar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica comprende generalmente una consola 31 y un dispositivo de generacion de plasma 32. En una realizacion preferida, la consola 31 proporciona energfa en forma de una corriente electrica, gas de generacion de plasma y refrigerante al dispositivo de generacion de plasma 32 a traves del conector 33. La consola 31 tiene preferiblemente un conjunto de circuitos de control, tal como un procesador, para hacer funcionar el dispositivo de generacion de plasma 32 y una interfaz de usuario que se compone de una pantalla y controles. Un operario programa el modo de funcionamiento del sistema con los controles de la consola 31 segun parametros para una aplicacion dada, luego usa el dispositivo de generacion de plasma 32 para descargar un flujo de plasma.

En una realizacion preferida adoptada espedficamente para uso quirurgico, el dispositivo de generacion de plasma 32 es un dispositivo quirurgico portatil. El operario puede ser un profesional medico formado, tal como un cirujano. El dispositivo de generacion de plasma 32 puede adaptarse para realizar cirugfa abierta o laparoscopica.

La figura 7 muestra una seccion transversal longitudinal de un dispositivo de generacion de plasma con multiples electrodos 41 adecuado para generar flujos de plasma de oscilacion volumetrica. El dispositivo de generacion de plasma 41 comprende un anodo 42, un catodo 43 y varios electrodos intermedios 46', 46”, 46”'. Dependiendo de la aplicacion, el numero de los electrodos intermedios puede variar. Junto con el anodo 42, los electrodos intermedios 46', 46”, 46”' forman un canal de plasma. El diametro de la seccion transversal de este canal de plasma puede variar con la distancia desde el catodo. La figura 7 muestra un canal de plasma que comprende dos porciones independientes con diferentes diametros de la seccion transversal. La porcion de calentamiento de canal de plasma 58 esta formada por los electrodos intermedios 46', 46” y 46”'. El anodo 42 forma la porcion de anodo del canal de plasma 45. En esta realizacion el diametro de la seccion transversal de la porcion de calentamiento de canal de plasma 58 es ligeramente menor que el de la porcion de anodo del canal de plasma 45. En la realizacion preferida, el diametro de la seccion transversal de la porcion de anodo del canal de plasma 45 corresponde al diametro de la salida 3, que es uno de los parametros clave que controlan las propiedades del flujo de plasma generado. Los electrodos intermedios 46', 46”, 46”' y el anodo 42 estan separados del contacto directo entre sf mediante aislantes anulares 47', 47”, 47”'. El manguito 44 forma el canal de suministro de gas 59 que discurre a lo largo del catodo 43 al interior de la camara de catodo 49 que alberga la punta 48 del catodo 43.

Durante el funcionamiento, el gas de generacion de plasma se suministra al dispositivo de generacion de plasma 41. Una vez en el dispositivo de generacion de plasma, el gas de generacion de plasma se hace pasar a la camara de plasma 49 y luego a la porcion de calentamiento de canal de plasma 58 a traves del canal de suministro de gas 44. Desde ad, el gas de generacion de plasma entra en la porcion de anodo del canal de plasma 45. Despues de atravesar la porcion de anodo del canal de plasma 45, el gas de generacion de plasma se descarga a traves de la salida 3. El gas de generacion de plasma es preferiblemente argon. Alternativamente, puede usarse un gas inerte o aire como gas de generacion de plasma. Se genera un flujo de plasma mediante calentamiento del gas de generacion de plasma a medida que pasa a traves de la porcion de calentamiento de canal de plasma 58. En la realizacion preferida, la energfa para calentar el flujo de plasma en la porcion de calentamiento de canal de plasma 58 se transfiere al gas de generacion de plasma mediante un arco electrico establecido entre el catodo 43 y el anodo 42. Se genera este arco electrico haciendo pasar una corriente desde la consola 31 entre el catodo 43 y el anodo 42.

Para un flujo de plasma formado con una descarga de arco de corriente electrica, la temperatura del flujo de plasma

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depende de la corriente del arco electrico, el caudal del gas de generacion de plasma y el diametro de la porcion de calentamiento 58. La temperatura del flujo de plasma a medida que sale de la porcion de calentamiento 58 es proporcional a la razon de la corriente con respecto al diametro de la porcion de calentamiento 58, es decir,

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donde T es la temperatura en K, I es la corriente en A, y dcaientamiento es el diametro de la porcion de calentamiento 58 en mm. Tal como se observa a partir de la relacion anterior, pueden lograrse altas temperaturas haciendo pasar una alta corriente a traves de un dispositivo de generacion de plasma con un pequeno diametro de la porcion de calentamiento. Los electrodos 46 y el anodo 42 se componen de materiales actualmente conocidos en la tecnica que pueden mantener de manera segura una temperatura continua de 12.000 - 13.000 K. Superar esta temperatura aumenta el riesgo de erosion de electrodo, que es inaceptable para aplicaciones medicas, en las que las impurezas del plasma pueden ser perjudiciales para el paciente. Sin embargo, se observo que el aumento de la temperatura hasta 30.000 K temporalmente, durante hasta varios milisegundos, no da como resultado erosion de electrodo. Se encontro que aumentos temporales de la corriente que se hace pasar entre el catodo 43 y el anodo 42 hasta 30 A no provocaban erosion y eran seguros por lo demas, mientras se aumentaba la temperatura del flujo de plasma hasta 20.000 - 30.000 K. Para lograr 30.000 K con esta corriente, el diametro de la porcion de calentamiento 58 debe ser de 0,6 mm o menos, y es preferiblemente de 0,3 - 0,5 mm.

El plasma se descarga desde la salida 3 del dispositivo de generacion de plasma. El diametro de salida preferido vana basandose en la aplicacion. Por ejemplo, aplicaciones medicas, tales como el corte de tejido requieren un flujo de plasma de pequena anchura para lograr cortes precisos. Haciendo referencia de nuevo a la figura 7, esta realizacion muestra un dispositivo de generacion de plasma en el que el diametro de la porcion de anodo del canal de plasma 45 y el diametro de la salida 3 no son mucho mayores que el diametro de la porcion de calentamiento de canal de plasma 58. En la realizacion preferida, el diametro de la salida 3 es de aproximadamente 0,3 - 0,8 mm, preferiblemente 0,5 mm.

Para algunas aplicaciones, se prefiere una salida con un diametro grande. Un diametro de salida grande permite generar un flujo de plasma con un diametro de punto grande. Se prefiere tal diametro de punto grande se prefiere para determinadas aplicaciones tales como cicatrizacion de heridas, cosmeticos y limpieza. Algunas aplicaciones pueden no requerir que el plasma de oscilacion volumetrica tenga temperaturas de salida muy altas. Pero para aquellas aplicaciones que requieren realmente altas temperaturas de salida y un diametro de punto grande, puede usarse una realizacion tal como se ilustra en la figura 8.

Tal como se muestra en la figura 8, el diametro del flujo de plasma puede expandirse gradualmente dentro del dispositivo. La figura 8 muestra una realizacion del dispositivo de generacion de plasma con un canal de plasma que tiene una porcion de expansion. El canal de plasma comprende la porcion de calentamiento 58, la porcion de expansion 57 y la porcion de anodo 45. La porcion de expansion 57 comprende una o mas secciones de expansion. En la realizacion mostrada en la figura 8, la porcion de expansion 57 comprende secciones de expansion 54, 55, 56. Empezando en la porcion de calentamiento 58, el diametro de cada seccion de expansion sucesiva aumenta, terminando con la porcion de anodo 45 con el diametro de salida deseado para la aplicacion particular. Para garantizar una expansion apropiada del flujo de plasma en el canal de plasma, en el contexto de los ejemplos analizados anteriormente, cada seccion sucesiva debe aumentar preferiblemente de diametro en aproximadamente 0,2 - 0,6 mm, y tener una longitud de entre aproximadamente una y dos veces su diametro.

En algunas realizaciones del dispositivo de generacion de plasma, la porcion de calentamiento 58 y cada seccion de la porcion de expansion 57 estan formadas por electrodos independientes. En otras realizaciones del dispositivo de generacion de plasma, un unico electrodo intermedio puede formar parte de dos o mas secciones adyacentes. En aun algunas otras realizaciones, algunos electrodos intermedios pueden formar una porcion de una seccion, o toda una seccion, de las porciones de calentamiento o de expansion, y otros electrodos intermedios pueden formar solo porciones de dos o mas secciones adyacentes. En la realizacion mostrada en la figura 8, el electrodo intermedio 46' forma una camara de catodo y una parte de la porcion de calentamiento, el electrodo intermedio 46” forma la seccion de expansion 54 (y parte de la porcion de calentamiento 58), y el electrodo intermedio 46'” forma secciones de expansion 55 y 56.

Volviendo a la figura 6, en la realizacion preferida, la consola 31 contiene un conjunto de circuitos de control que puede hacer que la fuente de alimentacion suministre una corriente electrica adecuada para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica. La corriente se transmite al dispositivo de generacion de plasma 41 a traves de la conexion 33 a la consola 31. El conjunto de circuitos de control puede hacer preferiblemente que la fuente de alimentacion proporcione una onda de corriente periodica arbitraria, tal como la onda 54 mostrada en la figura 9. La caractenstica basica de la corriente 54 es la repeticion de una forma de onda deseada con periodo t. La corriente 54 oscila entre una corriente de nivel bajo Il y una corriente de nivel alto Ih. Esta forma de onda de corriente arbitraria puede tener caractensticas que vanan lentamente con el tiempo tal como la region lisa 55 o rapidamente tal como el pulso rectangular 56. Una variedad de ondas de corriente periodicas pueden ser adecuadas para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica.

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Tal como se analizo anteriormente, las oscilaciones volumetricas de un flujo de plasma estan provocadas por cambios de la temperatura del flujo de plasma, lo que altera la longitud, anchura y el volumen del flujo de plasma. Particularmente para oscilaciones radiales, la magnitud de estos cambios depende de como de rapido cambia la temperatura del plasma. Esto se debe al mecanismo de dispersion descrito anteriormente en relacion con la figura 4D, que es mas pronunciado cuando las diferencias de densidad y velocidad de las partfculas son significativas. Por ejemplo, si la corriente 54 vana lentamente, la densidad y velocidad de las partfculas cambian solo gradualmente y la cantidad de dispersion radial es pequena.

En una realizacion preferida, el conjunto de circuitos de control puede hacer que la fuente de alimentacion genere pulsos rectangulares. En esta realizacion, la fuente de alimentacion usa tres fuentes de corriente, tal como se muestra esquematicamente en la figura 10. La primera fuente de corriente puede proporcionar una corriente de polarizacion constante. La segunda fuente de corriente puede proporcionar pulsos rectangulares con una frecuencia de aproximadamente 20 - 100 Hz. Preferiblemente, la segunda fuente de corriente tiene una velocidad en rampa de 25 A por 10 |is. La tercera fuente de corriente puede generar pulsos rectangulares con una frecuencia de aproximadamente 20.000 - 100.000 Hz. La tercera fuente de corriente tiene una velocidad en rampa de al menos 20 A por 1 |is, preferiblemente mas de 25 A por 1 ps. La fuente de alimentacion genera preferiblemente hasta 50 A. Sin embargo, para aplicaciones industriales puede preferirse una mayor corriente que puede ser inaceptable para aplicaciones medicas.

Para muchas aplicaciones, resulta deseable introducir rapidas variaciones en la corriente para producir flujos de plasma de oscilacion radial o axial. La figura 11 muestra una onda pulsatoria polarizada que puede producir tales oscilaciones. En esta realizacion preferida, la corriente oscilante usada para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica mantiene el nivel de corriente de polarizacion, acoplado con pulsos periodicos que alcanzan el nivel de corriente de pulso. Un unico periodo 51 de la corriente 50 puede considerarse como el intervalo de alta intensidad 52 y el intervalo de baja intensidad 53. Durante el intervalo de baja intensidad 53, la corriente se mantiene en el nivel de corriente de polarizacion Il. Durante el intervalo de alta intensidad 52 la corriente se eleva hasta el nivel de corriente de pulso Ih El intervalo de baja intensidad 53 y el intervalo de alta intensidad 52 se mantienen durante los tiempos 53 y 52, respectivamente. El ciclo de trabajo D de corriente 50 viene dado por la razon del intervalo de alta

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intensidad 52 fw y el periodo de la oscilacion, fw + ti_ como

hi +tL

La frecuencia f de las oscilaciones de la

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corriente 50 es h

Tal como se explico anteriormente en relacion con las figuras 4A-G, una onda de corriente pulsatoria polarizada, tal como la mostrada en la figura 11, produce un flujo de plasma de oscilacion volumetrica que puede oscilar radial o axialmente dependiendo de la frecuencia. Pueden generarse oscilaciones radiales significativas, por ejemplo, cuando la corriente tiene una frecuencia mayor de 2.000 Hz, preferiblemente en el rango de 20.000 - 30.000 Hz. Esta frecuencia garantiza que la duracion del nivel de corriente de pulso es proxima al tiempo de transicion del flujo de plasma, lo que no proporciona suficiente tiempo para que se desarrolle una oscilacion axial significativa.

Para la generacion de oscilaciones predominantemente axiales, la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada es preferiblemente de 20 - 100 Hz. Este rango de frecuencia garantiza que la duracion del intervalo de alta intensidad es mas larga que el tiempo de transicion, de modo que el flujo de plasma tiene la oportunidad de expandirse en longitud durante el pulso. Independientemente de la frecuencia usada, sin embargo, la corriente promedio esta determinada por el ciclo de trabajo D de la onda pulsatoria polarizada. En general, para flujos de plasma de oscilacion volumetrica, la corriente debe mantener en un nivel suficientemente bajo como para evitar el dano de componentes del dispositivo de generacion de plasma. Al mismo tiempo, para crear un aumento significativo de la temperatura del flujo de plasma, el nivel de corriente de pulso, Ih, debe ser relativamente alto. El nivel de corriente de polarizacion de funcionamiento, Il, es de 3 - 10 A, preferiblemente de aproximadamente 6 A, y el nivel de corriente de pulso, Ih, es de aproximadamente 25 - 30 A, siendo el ciclo de trabajo D de 0,05 - 0,15. Estos ajustes preferidos producen un nivel de corriente promedio de solo 7,2 - 9,6 A, mientras se alterna entre una baja temperatura de

11.000 K y una alta temperatura de 20.000 - 30.000 K. Se encontro que los breves aumentos de corriente hasta 30 A no provocaban dano a los componentes del dispositivo de generacion de plasma.

En algunas realizaciones, el circuito de control puede generar una onda pulsatoria polarizada modulada mostrada en la figura 12. En la onda mostrada en la figura 12, se modulan pulsos de alta frecuencia mediante pulsos de baja frecuencia. Esta onda de corriente combina los efectos de ondas pulsatorias polarizadas tanto de baja frecuencia como de alta frecuencia. Esta onda de corriente esta estructurada como una onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia, excepto porque el nivel de corriente de pulso constante durante el intervalo de alta intensidad se ha reemplazado por una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia. Preferiblemente, para la onda pulsatoria modulada, la frecuencia de la alta frecuencia es de 20.000 - 30.000 Hz, el ciclo de trabajo de alta frecuencia es de 0,35 - 0,65, la frecuencia de la baja frecuencia es de 20 - 100 Hz, el ciclo de trabajo de baja frecuencia es de 0,05 - 0,15, el nivel de corriente de polarizacion es de 3 - 10 A y el nivel de corriente de pulso es de 25 - 30 A. En una

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realizacion de la onda pulsatoria polarizada modulada, mostrada en la figura 12, el periodo de baja frecuencia xi es de 30 ms y el ciclo de trabajo de baja frecuencia Di es de 0,13. El periodo de alta frecuencia x2 es de 40 mm y el ciclo de trabajo de alto periodo D2 es de 0,5. Cuando se usa una onda de corriente de este tipo para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica, el flujo de plasma resultante presenta oscilaciones axiales significativas acopladas con oscilaciones radiales de alta frecuencia durante el intervalo de alta intensidad. El gran ciclo de trabajo de alta frecuencia D2 garantiza que las oscilaciones de alta frecuencia no limitan la longitud del flujo de plasma durante el intervalo de alta intensidad.

En vez de un pulso de baja frecuencia rectangular, pueden usarse otras funciones de envolvente. Las figuras 13A y 13B muestran ejemplos de tales ondas. En la figura 13A, se usa una onda sinusoidal como envolvente para los pulsos de alta frecuencia. En la figura 13B, se usa una onda modulada en frecuencia como envolvente del pulso de baja frecuencia. El uso de una envolvente no constante para el pulso de alta frecuencia proporciona modulacion en amplitud de la onda de corriente durante el intervalo de alta intensidad. Ademas, no es necesario que el nivel de corriente de polarizacion sea constante. En algunas realizaciones, el nivel de corriente de polarizacion cambia en el tiempo. Todas las formas de onda de corriente electrica que se dan a conocer en relacion con las realizaciones preferidas pueden proporcionar energfa al gas de generacion de plasma que puede proporcionarse alternativamente mediante otros medios tales como campo magnetico o microondas.

El dispositivo 32 tambien puede adaptarse para generar un flujo de plasma intermitente. Un flujo de plasma intermitente es un flujo que se calienta mediante un arco electrico periodicamente. El arco electrico se “enciende” y se “apaga” periodicamente. Durante el estado “encendido”, se establece el arco entre el catodo 43 y el anodo 42 y se mantiene. Durante el estado “apagado”, se extingue el arco y gas de generacion de plasma se descarga a temperatura ambiente desde la salida 3. Un flujo de plasma intermitente, en el que el flujo de plasma cesa, no debe confundirse con un flujo de plasma de oscilacion volumetrica, en el que el volumen del plasma aumenta y disminuye. Para producir plasma intermitente, el dispositivo de generacion de plasma tiene que superar dos problemas. En primer lugar, durante el arranque del estado “encendido”, los electrodos se erosionan creando impurezas introducidas en el flujo de plasma. Mientras que esto no supone un problema para un flujo de plasma no intermitente en el que el arranque se produce una vez para todo el procedimiento, para el plasma intermitente, las impurezas generadas para cada periodo “encendido” pueden hacer que el dispositivo sea inadecuado para uso medico. Este problema se supera mediante el uso de una secuencia de corriente de arranque especial antes de que la corriente se aumente en rampa hasta el nivel de funcionamiento durante el estado “encendido” tal como se muestra en la figura 15B. En segundo lugar, el area de union de arco electrico al catodo crece con cada estado “encendido” posterior hasta que incluye el soporte de catodo. Cuando el area de la union de arco electrico alcanza el soporte de catodo, el soporte de catodo comienza a fundirse, lo que introduce impurezas en el flujo de plasma. Este problema se supera mediante el uso del conjunto de multiples catodos especializado dado a conocer en la patente estadounidense n.° 7.589.473.

La figura 14A muestra una realizacion alternativa del dispositivo de generacion de plasma 32 adaptado espedficamente para la generacion de un flujo de plasma intermitente de oscilacion volumetrica. Un dispositivo de este tipo usa el conjunto de multiples catodos especializado 90 que comprende multiples catodos 91, 92, 93, mantenidos juntos por el soporte de catodo 94, mostrado en la figura 14B. Cuando el conjunto de multiples catodos especializado 90 se usa para generar flujos de plasma intermitentes, el area de union de arco electrico en el conjunto de catodo 90 se asienta sobre un unico catodo durante cada estado “encendido”. Esto permite que los demas catodos se enfnen cuando no estan usandose para que pase corriente. Dado que solo una porcion limitada de los catodos 91, 92, 93 se calienta para poder emitir los electrodos, el conjunto de catodo mantendra una temperatura estable y el area de la union de arco electrico no alcanzara el soporte de catodo 94. Aunque este conjunto de multiples catodos especializado es particularmente adecuado para generar flujos de plasma intermitentes, tambien puede usarse para generar flujos de plasma no intermitentes.

Con referencia a la figura 8, cuando el dispositivo de generacion de plasma genera un flujo de plasma intermitente, el nivel de corriente de funcionamiento puede no lograrse inmediatamente. Con referencia a la figura 15B, la corriente de funcionamiento que se produce entre los tiempos ta y tg se hace posible aplicando el patron de tension mostrado en la figura 15A y haciendo pasar la corriente mostrada en la figura 15B, hasta el tiempo ts, a traves del conjunto de catodo 90 y el anodo 42 (no mostrado en la figura 14A). A tiempo ta, se alcanza la corriente de funcionamiento, y el plasma se comporta como un flujo de plasma continuo desde el tiempo ta hasta el tiempo t9 ya que la corriente de funcionamiento se mantiene en un nivel constante. Durante el funcionamiento de un dispositivo de este tipo, el flujo de plasma cesa por completo durante el estado “apagado”.

Durante un unico estado “encendido” del flujo de plasma intermitente, pueden producirse muchos periodos de oscilacion volumetrica. En una realizacion, la duracion de un estado “encendido” puede controlarse a traves de la consola. Para algunas aplicaciones, la duracion optima del estado “encendido” es de aproximadamente 5 ms. Durante un estado “encendido” con esta duracion, pueden producirse varias oscilaciones de plasma radiales. Para un estado “encendido” mas largo, tal como de 1 s, hay suficiente tiempo para generar varias oscilaciones axiales asf oscilaciones radiales.

Reemplazando la corriente de funcionamiento constante durante el estado “encendido” por una onda pulsatoria

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polarizada tal como la corriente 50 mostrada en la figura 11, la realizacion de flujo de plasma intermitente genera un flujo de plasma de oscilacion volumetrica durante el estado “encendido”. La figura 15C muestra un unico periodo de una onda de corriente con estas propiedades, que es adecuada para generar un flujo de plasma intermitente de oscilacion volumetrica. En una realizacion preferida, la duracion del estado “encendido” es de 1 - 100 ms con un nivel de corriente de polarizacion constante de 1 - 3 A. El nivel de corriente de pulso es preferiblemente de aproximadamente 30 - 50 A. Se logran oscilaciones durante el estado “encendido” mediante una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia con un ciclo de trabajo de 0,5 y una frecuencia de 20.000 - 100.000 Hz.

Haciendo referencia de nuevo a la figura 6, la consola 31 tambien contiene un conjunto de circuitos de control, tal como un procesador, para regular el flujo de gas de generacion de plasma al dispositivo de generacion de plasma 32. En una realizacion preferida, la consola 31 se monta en un modulo de servicio 34 que aloja el suministro de gas de generacion de plasma y preferiblemente refrigerante. Alternativamente, la consola 31 puede montarse en un brazo elevado o en un carro. La consola 31 proporciona preferiblemente un caudal estable y de baja variabilidad del gas de generacion de plasma durante el funcionamiento. En realizaciones adaptadas para intervenciones quirurgicas, el caudal se mantiene relativamente bajo para garantizar tanto un flujo de plasma laminar como un nivel de potencia adecuado para la cirugfa. En una realizacion preferida, el caudal del gas de generacion de plasma durante el funcionamiento es de aproximadamente 0,1 - 0,6 l/min a temperatura ambiente, preferiblemente de aproximadamente 0,2 - 0,5 l/min a temperatura ambiente. El gas de generacion de plasma fluye al dispositivo 32 a traves del conector 33. Para mantener un caudal de plasma estable y constante, el conjunto de circuitos de control mantiene preferiblemente el flujo de plasma a un caudal dado con una precision de aproximadamente 10 ml/min. En una realizacion preferida, el operario puede seleccionar un caudal usando la consola 31 empezando a 0,1 l/min y aumentando en incrementos de aproximadamente 30 ml/min.

Durante el funcionamiento, la temperatura de los componentes del dispositivo 41, tales como el catodo 43, los electrodos intermedios 46', 46”, 46”' y el anodo 42, debe mantenerse por debajo del punto de fusion. Para refrigerar estos elementos, en algunas realizaciones, uno o mas canales de refrigeracion 40 estan dispuestos de modo que un refrigerante circula dentro del dispositivo de generacion de plasma 41. Preferiblemente, se usa agua como refrigerante, sin embargo pueden usarse otros tipos de fluidos. En una realizacion preferida, el refrigerante fluye en los canales 40A y 40B. En la figura 7, por ejemplo, el refrigerante procedente de la consola 31 entra en el dispositivo 41 a traves del canal 40A, luego pasa alrededor del anodo 42, y sale del dispositivo 41 a traves del canal 40B. A medida que el refrigerante atraviesa los canales 40A y 40B, absorbe parte del calor generado durante el funcionamiento del dispositivo 41.

En otras realizaciones, mostradas en la figura 16, los canales de refrigeracion pasan a traves del dispositivo 41. En estas realizaciones, el refrigerante puede descargarse desde el dispositivo en salidas de refrigerante 400 ubicadas cerca de la salida 3. Se da a conocer un sistema de refrigeracion de este tipo en la publicacion de patente estadounidense n.° 2007/0029292, para los propositos de dar a conocer un sistema de refrigeracion de flujo directo. Los sistemas de refrigeracion de flujo directo tienen algunas ventajas. Dado que no hay necesidad de retornar el refrigerante calentado y todos los canales de refrigeracion portan el refrigerante solo en una direccion, se requiere una menor velocidad de refrigerante y puede miniaturizarse el dispositivo de generacion de plasma. Ademas, mediante la descarga del refrigerante junto con el flujo de plasma es posible localizar el efecto de calentamiento del flujo de plasma.

Preferiblemente, la consola 31 tambien contiene un conjunto de circuitos de control para regular el flujo de refrigerante a traves del sistema. Manteniendo un flujo estacionario de refrigerante a traves del dispositivo de generacion de plasma 32, la consola 31 impide el sobrecalentamiento, que puede provocar dano al dispositivo 32. Preferiblemente, para los sistemas de refrigeracion cerrados mostrados en la figura 7, la consola 31 monitoriza el aumento de temperatura del refrigerante despues de que pase a traves del dispositivo de generacion de plasma 32. Esta diferencia de temperatura puede usarse para calcular la salida de potencia del dispositivo, que puede mostrarse en la pantalla de la consola 31. En algunas realizaciones, si el cambio de temperatura del refrigerante supera un umbral determinado, por ejemplo 10 K, el conjunto de circuitos de refrigerante deshabilita el sistema como precaucion de seguridad.

El conector 33 transfiere corriente, gas de generacion de plasma y refrigerante entre la consola 31 y el dispositivo de generacion de plasma 32. Pueden usarse conexiones independientes para cada uno, sin embargo, en un entorno medico en que se tienen multiples conexiones o cables que conducen al dispositivo de generacion de plasma 32 es inconveniente. Preferiblemente, todas las conexiones requeridas se encierran en un unico conector. En una realizacion, el conector 33 comprende cables blindados para aplicar corriente al dispositivo de generacion de plasma, y tubos flexibles adecuados para transportar el gas de generacion de plasma al dispositivo de generacion de plasma 32 y hacer circular el refrigerante dentro y fuera del dispositivo de generacion de plasma 32.

Los componentes adicionales de un sistema para generar flujos de plasma de oscilacion volumetrica pueden incluir un modulo de succion para retirar tejido extrano durante intervenciones quirurgicas. Puede incorporarse un canal de succion en el dispositivo de generacion de plasma 32 que permite que el sistema de succion retire la materia extrana del sitio quirurgico a traves del conector 33 y al interior de la consola 31 para almacenamiento y eventual eliminacion.

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5.3 Generacion de flujo de plasma de oscilacion volumetrica

Se ilustran aspectos adicionales de esta divulgacion con referencia a las figuras 17A-C. La figura 17A muestra una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia. El nivel de corriente de polarizacion se muestra con el numero de referencia 144. El nivel de corriente de pulso se muestra con el numero de referencia 145. El periodo de alta frecuencia se muestra con el numero de referencia 143. El intervalo de alta intensidad se muestra con el numero de referencia 141 y el intervalo de baja intensidad se muestra con el numero de referencia 142. La figura 17B muestra una onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia. Todas las caractensticas de esta onda se muestran con los mismos numeros de referencia que en la figura 17A. La figura 17C muestra una onda pulsatoria polarizada modulada. Se hace referencia a todas las caractensticas de esta onda mediante los mismos numeros de referencia, excepto el periodo de alta frecuencia que se muestra con el numero de referencia 146 y el periodo de baja frecuencia que se muestra con el numero de referencia 143.

Pasando a los mecanismos ffsicos que dan lugar a la formacion de flujos de plasma de oscilacion volumetrica, en una realizacion una corriente oscilante tal como la corriente 50 mostrada en la figura 11 se aplica a un gas de generacion de plasma. El gas de generacion de plasma calentado por la corriente de polarizacion Il forma un flujo de plasma de baja intensidad, mientras que el gas de generacion de plasma calentado por la corriente de pulso Ih forma un flujo de plasma de alta intensidad. Considerado a lo largo del tiempo, el flujo de plasma resultante es un flujo de plasma de baja intensidad con rafagas del flujo de plasma de alta intensidad. La frecuencia de las rafagas de plasma de alta intensidad corresponde a la frecuencia de pulso de corriente.

El cambio periodico de intensidad del flujo de plasma da como resultado la oscilacion de varias propiedades clave del flujo de plasma, tales como la presion dinamica Pd(T), la presion estatica p(T), la densidad p(T), la entalpfa h(T), y la potencia P(T), todas las cuales son funciones de la temperatura del plasma. El efecto de estas oscilaciones sobre el volumen del flujo de plasma depende de la escala temporal de estas oscilaciones. Las oscilaciones de alta frecuencia, es decir oscilaciones con una frecuencia mayor de 2.000 Hz, dan como resultado un flujo de plasma de oscilacion radial, es decir, un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con oscilaciones radiales y oscilaciones axiales a pequena escala. Por otro lado, oscilaciones de menor frecuencia en el rango de 20 - 100 Hz dan como resultado un flujo de plasma de oscilacion axial, es decir, un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con oscilaciones predominantemente axiales a gran escala.

Las figuras 18A-C ilustran oscilaciones volumetricas de alta y baja frecuencia de flujo de plasma. La figura 18A muestra el plasma activo 61 durante el intervalo de baja intensidad. Esta ilustracion se aplica igualmente al intervalo de baja intensidad de oscilaciones de o bien alta o bien baja frecuencia. El volumen de plasma activo 61 del flujo de plasma de baja intensidad es relativamente limitado. En una realizacion preferida, un nivel de corriente de polarizacion Il de 6 A produce plasma con una temperatura de aproximadamente 11.000 - 12.000 K. En estas condiciones, el volumen de plasma activo es relativamente pequeno y esta limitado a la region proximal 6, tal como se muestra en la figura 1A. En el exterior de la region de plasma activo 61 mostrada en la figura 18A, se mezcla aire con las partfculas de plasma y las enfna hasta una temperatura por debajo de 10.000 K.

La figura 18B muestra la dinamica de oscilaciones de alta frecuencia de un flujo de plasma. La frecuencia de oscilacion es mayor de 2.000 Hz, y esta preferiblemente en el rango ultrasonico, es decir mayor de 20.000 Hz. En este ejemplo, el ciclo de trabajo de la onda de corriente es de aproximadamente 0,05 - 0,15. En una realizacion preferida en el que el nivel de corriente de pulso Ih es de 30 A, la temperatura de salida del plasma de alta intensidad es de 20.000 - 30.000 K. Durante el intervalo de alta intensidad, el plasma activo ocupa la region 62. El aumento del volumen de plasma activo de la region 61 a la region 62 se debe principalmente a un aumento significativo de la anchura del flujo de plasma. Este aumento de la anchura esta acompanado por un aumento moderado de la longitud del flujo de plasma. Significativamente, cuando se producen oscilaciones a alta frecuencia, el flujo de plasma de alta intensidad es mas corto y mas ancho de lo que sena un flujo de plasma continuo con una temperatura de salida de

20.000 - 30.000. Sin embargo, debido a las limitaciones de los materiales conocidos actualmente, la generacion de un flujo de plasma de este tipo continuo actualmente no es diffcil. Un flujo de plasma de este tipo continuo tendna un gran volumen debido a la presencia de una region distal larga que contiene plasma activo. En el caso de oscilaciones de alta frecuencia, no se forma tal region distal.

En cambio, ondas de corriente de baja frecuencia producen flujos de plasma que presentan oscilaciones predominantemente axiales significativas. La figura 18C muestra la dinamica de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica que oscila a baja frecuencia. En una realizacion preferida, la corriente es una onda de corriente pulsatoria polarizada en la que la frecuencia de pulsos de corriente es de 20 - 100 Hz, el ciclo de trabajo de la onda de corriente es de 0,05 - 0,15, y el nivel de corriente de polarizacion Il y nivel de corriente de pulso Ih son de 6 A y 30 A, respectivamente. Durante una oscilacion de baja frecuencia, el volumen del flujo de plasma aumenta de la region 61 a la region 62, mostradas en la figura 18B, y luego a la region 63. El mayor aumento del flujo de volumen del plasma puede atribuirse a un aumento sustancial de la longitud del flujo de plasma. Esta longitud puede oscilar hasta 40 mm, de una longitud de aproximadamente 15 mm a 55 mm. En cambio, despues del tiempo de transicion ttmnsicion, la anchura del flujo de plasma de alta intensidad en la region proximal es solo ligeramente mas grande en comparacion con la anchura del flujo de baja intensidad. Aunque la forma del flujo de plasma de alta intensidad se asemeja a la forma de un flujo de plasma continuo con una temperatura similar, las dos formas no son iguales. La

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anchura del flujo de plasma de oscilacion axial en un punto significativamente retirado de la salida a lo largo del eje 4 es sustancialmente mayor que la anchura de un flujo de plasma continuo a la misma distancia. Para un flujo de plasma de oscilacion axial descargado desde un dispositivo con un diametro de salida de 0,5 mm, la anchura puede alcanzar hasta 5 - 6 mm a una distancia de 20 - 50 mm desde la salida 3. Para lograr la misma anchura con un flujo de plasma continuo a 20.000 - 30.000 K, sena necesario que el diametro de salida fuese de 1,2 mm.

Las figuras 19A-C destacan las diferencias de volumen entre un flujo de plasma continuo y el plasma de alta intensidad de flujos de oscilacion volumetrica con baja y alta frecuencia. La figura 19A muestra el volumen de un flujo de plasma continuo con una temperatura de salida de 20.000 K descargado desde un diametro de salida de 0,5 mm. La figura 19B muestra un flujo de plasma de alta intensidad durante el intervalo de alta intensidad de una oscilacion de alta frecuencia. La figura 19C muestra un flujo de plasma de alta intensidad durante el intervalo de alta intensidad de una oscilacion de baja frecuencia. En el flujo de plasma continuo mostrado en la figura 19A, la temperatura de salida es de 20.000 K. La comparacion de la figura 19A con la figura 19B muestra que la anchura del flujo de plasma cerca de la salida es significativamente mayor cuando se usan oscilaciones volumetricas de alta frecuencia, mientras que la longitud del flujo de plasma es significativamente menor que el flujo de plasma continuo. La comparacion de la figura 19A con la figura 19C muestra que mientras que las longitudes de los dos flujos de plasma son comparables, la anchura del flujo de plasma de oscilacion volumetrica a la distancia 100 es significativamente mayor que la anchura del flujo de plasma continuo a la misma distancia. Estas diferencias entre flujos de plasma de oscilacion volumetrica y flujos de plasma continuos se producen dada la dinamica de las partfculas que forman el flujo de plasma durante un periodo de oscilacion.

La dinamica de las partfculas que forman el flujo de plasma puede explicarse de la siguiente manera. El caudal masico del plasma, que es constante para un caudal de gas de generacion de plasma dado, puede expresarse mediante la siguiente ecuacion:

imagen2

donde m es el caudal masico en kg/s, p es la densidad en kg/m3, u es la velocidad de flujo en m/s, y A es el area de flujo masico en m2. El area de flujo masico es constante en la salida 3. Dado que el caudal masico en este punto es el mismo durante el intervalo de alta intensidad y el intervalo de baja intensidad, se cumple la siguiente relacion:

pbaja ubaja _ palta ualta .

Ademas, dado que la densidad del plasma disminuye significativamente a mayores temperaturas:

pbaja >> palta ,

la velocidad del plasma durante la porcion de alta intensidad de la oscilacion es significativamente mas grande, es decir:

ubaja << ualta .

Si el intervalo de alta intensidad tH es muy corto, el flujo de plasma esta dominado por el comportamiento de dispersion observado durante el tiempo de transicion ttransicion. Esta situacion se ilustra en la figura 20A. En este caso, las rafagas de alta intensidad se terminan alrededor del tiempo de transicion ttranscon, de modo que la longitud del flujo de plasma no tiene oportunidad de expandirse significativamente hasta la longitud mostrada en la figura 19C. En su lugar, la oscilacion del volumen del flujo de plasma se debe principalmente al cambio de anchura que se produce a medida que se dispersan las partfculas alejandose del eje del flujo de plasma. Frecuencias mayores de

2.000 Hz producen flujos de plasma de oscilacion radial tal como se muestra en la figura 6B.

Cuando se usan longitudes de pulso mas largas, el intervalo de alta intensidad tH puede ser mucho mayor que el tiempo de transicion ttranscion. Esta situacion se produce cuando las rafagas de alta intensidad son de 0,5 - 5 ms, lo que corresponde a un rango de frecuencia de 20 - 100 Hz, que tiene un ciclo de trabajo de 0,05 - 0,15. Esta situacion se muestra en la figura 20B. En este caso, la rafaga de alta intensidad dura lo suficiente como para que las partfculas de plasma de velocidad relativamente alta y baja densidad extiendan el flujo de plasma activo hasta una longitud significativa y logren la forma mostrada en la figura 19C. Aunque parece que la dispersion radial que se produce durante el tiempo de transicion puede afectar solo a la forma del flujo de plasma muy al comienzo de un pulso largo, en realidad se encontro que la dispersion radial tiene un efecto bastante mas alla del tiempo de transicion ttransicion.

Mas alla de solo aumentar la anchura del flujo de plasma, la dispersion radial de partfculas de plasma cambia la presion dinamica del flujo de plasma. La presion dinamica puede expresarse con la siguiente ecuacion:

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donde Pd es la presion dinamica en pascales, p es la densidad del fluido en kg/m3, y v es la velocidad del fluido en m/s. La presion dinamica es una propiedad de los flujos de plasma que influye en cuanto penetra en un medio, tal como aire o tejido, el flujo de plasma. Para un flujo de plasma, la presion dinamica Pd tiene la componente axial, Pda, y la componente radial, Pdr. En flujos de plasma laminares continuos, la velocidad de las partfculas se alinea sustancialmente con el eje del flujo de plasma, de modo que la componente axial de la presion dinamica, Pda, es relativamente alta, mientras que la componente radial, Pdr, es despreciable. Las componentes de presion dinamica para un flujo de plasma continuo se reflejan en la figura 21A-C. La figura 21A muestra una corriente constante que genera un flujo de plasma continuo. La figura 21B muestra una componente radial casi inexistente de la presion dinamica, Pdr. La figura 21C muestra una componente axial sustancial de la presion dinamica, Pda. La distribucion de la componente radial y axial de la presion dinamica del flujo de plasma cambia cuando el flujo de plasma oscila volumetricamente. Estos cambios se reflejan en la figura 21D-F. La figura 21D muestra un pulso de corriente arbitrario, que es mas largo que el tiempo de transicion. La figura 21E muestra la componente radial de la presion dinamica, Pdr. Al comienzo del intervalo de alta intensidad, debido a dispersion, la componente radial de la presion dinamica Pdr alcanza rapidamente su maximo. A medida que las partfculas de alta densidad y movimiento lento se empujan lejos por las partfculas de baja densidad y movimiento rapido, la componente radial Pdr disminuye gradualmente. Al final del intervalo de alta intensidad, debido a la separacion de presion, descrita en relacion con la figura 4F, la componente radial de la presion dinamica es negativa. A medida que las partfculas de alta densidad y movimiento lento del siguiente intervalo de baja intensidad llenan la separacion, la componente radial de la presion dinamica Pdr se nivela. La figura 21F muestra la componente axial correspondiente de la presion dinamica, Pda. La suma de las dos componentes de presion dinamica durante el intervalo de alta intensidad es constante. Por consiguiente, a medida que disminuye la componente radial, disminuye la componente axial.

Una presion dinamica radial significativa permite que el flujo de plasma de oscilacion volumetrica penetre en un medio sustancialmente adyacente al flujo de plasma, mas que solo en el medio de manera transversal al eje del flujo de plasma. En una realizacion, se usa un flujo de plasma de oscilacion radial para cortar tejido durante la cirugfa. Mientras que el flujo de plasma logra un corte eficaz a lo largo del eje del flujo de plasma, la componente radial de la presion dinamica permite una penetracion simultanea en las paredes del corte para obtener hemostasia.

La componente radial de la presion dinamica tambien es responsable del aumento de la anchura de un flujo de plasma de oscilacion axial, tal como puede observarse en las figuras 22A-D. La figura 22A muestra un flujo de plasma de baja intensidad 120, justo antes del inicio de un intervalo de alta intensidad. Las figuras 22B-D muestran el desarrollo del flujo de plasma de alta intensidad. La figura 22B muestra la dispersion radial de partfculas de plasma, que aumenta rapidamente la componente radial de la presion dinamica. Este rapido aumento de la componente radial de la presion dinamica provoca una onda de presion 121, que perturba el flujo de aire que rodea el flujo de plasma. La figura 22C muestra que poco despues de que transcurra el tiempo de transicion, el volumen del flujo de plasma comienza a aumentar en la direccion axial. Se forman corrientes parasitas de aire 122 como resultado de la onda de presion radial al comienzo del intervalo de alta intensidad. Las corrientes parasitas de aire 122 crean una perturbacion duradera del aire, que continua bastante despues de pasado el tiempo de transicion. La figura 22D muestra la expansion resultante de la anchura 123 del flujo que se produce debido a las corrientes parasitas de aire 122 que interaccionan con el flujo de plasma en toda la duracion del pulso de alta intensidad.

Debido a cambios de presion dinamica, las oscilaciones del flujo de plasma crean ondas acusticas. Espedficamente, la expansion del flujo de plasma con el aumento acompanante de presion dinamica provoca el desplazamiento de aire moleculas lejos del flujo de plasma. Por otro lado, la contraccion del flujo de plasma, con la disminucion acompanante de presion dinamica, crea un area de baja presion alrededor del flujo de plasma. Irrumpe aire, que esta a presion atmosferica, en el area de baja presion. En una unica oscilacion, se empuja aire lejos por el plasma en expansion luego se succiona de vuelta al area de baja presion, lo que da como resultado una unica oscilacion de aire. Las oscilaciones de aire siguen a las oscilaciones de flujo de plasma. A medida que el flujo de plasma oscila radial y axialmente, el aire tambien oscila tanto radial como axialmente. Esto se muestra en la figura 18B para un flujo de plasma de oscilacion radial y en la figura 18C para un flujo de plasma de oscilacion axial.

Cuando la frecuencia de las oscilaciones de plasma es mayor de 20.000 Hz, las ondas acusticas son ultrasonicas, y pueden transmitir energfa mecanica ultrasonica del flujo de plasma a un tejido u otro medio. En medicina, se sabe que las ondas ultrasonicas provocan cavitacion, que se ha mostrado que provoca o potencia la coagulacion. La cantidad de energfa transferida por ondas acusticas a un medio depende de la amplitud de las oscilaciones volumetricas de flujo de plasma que generan las ondas acusticas. La amplitud de oscilaciones volumetricas en un flujo de plasma depende, a su vez, de (1) la diferencia de temperaturas entre el plasma de baja intensidad y el plasma de alta intensidad, (2) el intervalo de alta intensidad tH y (3) la frecuencia del pulso.

La figura 23 muestra la longitud del plasma de alta intensidad en funcion del periodo t de oscilacion. El dispositivo de generacion de plasma usado en el experimento tema un diametro de salida de 0,5 mm y genero una onda de

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corriente pulsatoria polarizada con un ciclo de trabajo de 0,10. Para mostrar la influencia de la temperatura sobre la longitud del flujo de plasma, se realizaron varias mediciones cada una con una temperatura de salida diferente del plasma de alta intensidad. En cada medicion, la temperatura del flujo de plasma de baja intensidad fue de 10.000 K, y la longitud del plasma durante el intervalo de baja intensidad fue de aproximadamente 8 mm, tal como se indica mediante la lmea 131. Tal como se observa a partir de la figura 23, mayores temperaturas de salida del plasma de alta intensidad dan como resultado flujos mas largos. De manera similar, periodos mas largos dan como resultado flujos mas largos dado que el flujo de plasma tiene una mayor oportunidad de extenderse.

La figura 23 tambien muestra como vana la amplitud de las oscilaciones volumetricas con la frecuencia. Para oscilaciones de alta frecuencia, es decir, cuando t es menor de 0,5 ms (f > 2.000 Hz), las oscilaciones de longitud son pequenas. En este modo, la dispersion del flujo de plasma durante el tiempo de transicion es el mecanismo dominante de las oscilaciones volumetricas y, por tanto, las oscilaciones volumetricas son predominantemente radiales. Durante periodos mas largos de 5 ms se observan oscilaciones de longitud significativas. Por ejemplo, es posible una extension axial de hasta 50 mm durante periodos de 50 ms (f = 20 Hz).

Independientemente de la frecuencia de las oscilaciones, la diferencia de temperaturas entre el plasma de alta intensidad y el plasma de baja intensidad tiene una influencia drastica sobre la amplitud de oscilacion. Por ejemplo, una diferencia de temperatura de aproximadamente 5,300 K produce una oscilacion con una amplitud menor de 10 mm durante un periodo de 50 ms tal como se muestra en la figura 23, mientras que una diferencia de temperatura de 10.000 K produce una oscilacion de aproximadamente 40 mm durante un periodo de 50 ms. Por tanto, en la realizacion preferida, la temperatura del plasma de alta intensidad es preferiblemente al menos 10.000 K mayor que la temperatura del plasma de baja intensidad.

Tambien es posible combinar oscilaciones axiales de baja frecuencia con oscilaciones radiales de alta frecuencia, de modo que un flujo de plasma de oscilacion axial genera ondas acusticas ultrasonicas. Tal como se analizo anteriormente, la aplicacion de la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia mostrada en la figura 11 da como resultado oscilaciones axiales, pero no produce oscilaciones en la presion dinamica mas rapidas de 100 Hz. El uso de una forma de onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia produce un flujo de plasma que no tiene oscilaciones axiales significativas. Sin embargo, la onda pulsatoria polarizada modulada mostrada en la figura 12 puede producir, de hecho, un flujo de plasma que oscila significativamente en longitud mientras que todavfa proporciona energfa ultrasonica durante la porcion de alta intensidad. Basicamente, la onda pulsatoria polarizada modulada es una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia modulada mediante pulsos de baja frecuencia. La envolvente de la corriente 150, mostrada en la figura 12, se asemeja a una corriente adecuada para un flujo de plasma de oscilacion axial de baja frecuencia. En una realizacion, la corriente 150 tiene un periodo de baja frecuencia ti de 30 ms (f « 33 Hz) y un ciclo de trabajo de baja frecuencia Di de 0,13. Sin embargo, durante el intervalo de alta intensidad de ti, la corriente 150 modula preferiblemente los pulsos de alta frecuencia que tienen un periodo de alta frecuencia t2 de 40 ps y un ciclo de trabajo de alta frecuencia D2 de 0,5. El ciclo de trabajo de alta frecuencia D2 de la onda pulsatoria polarizada modulada es mayor de los 0,05 - 0,15 usados para un flujo de plasma de oscilacion radial. El ciclo de trabajo mas grande no perturba la expansion axial durante el intervalo de alta intensidad. En esta realizacion preferida, el flujo de plasma proporciona tanto oscilaciones axiales como oscilaciones radiales durante el intervalo de alta intensidad. Para aplicaciones que requieren energfa ultrasonica, la frecuencia de las oscilaciones radiales esta en el rango ultrasonico, por encima de 20.000 Hz.

5.4 Aplicaciones quirurgicas

Volviendo ahora a aplicaciones espedficas de flujos de plasma de oscilacion volumetrica, debido a las propiedades unicas analizadas anteriormente, los flujos de plasma de oscilacion volumetrica son utiles, por ejemplo, para llevar a cabo tareas quirurgicas basicas tales como corte, vaporizacion y coagulacion.

5.4.1 Coagulacion

5.4.1.1 Principios de coagulacion con plasma

Para apreciar los beneficios de los flujos de plasma de oscilacion volumetrica cuando se usan para la coagulacion, se proporciona una vision general de la coagulacion con flujos de plasma continuos. Haciendo referencia a la figura 24, se crea el sitio quirurgico 161 mediante la diseccion de tejido 163 durante la cirugfa. Alternativamente, puede crearse tal sitio involuntariamente como resultado de una herida. Se produce hemorragia en la superficie de tejido 169, que forma sangre acumulada 167. Los flujos sangumeos 165 continuan a una velocidad sustancialmente constante hasta que se coagula el tejido. Normalmente, se mide el flujo sangumeo en ml/min o l/min, sin embargo, tambien es posible expresar la velocidad de hemorragia Rsangre en mm/s. Dicho de otro modo, la velocidad de hemorragia en un tejido puede medirse mediante como de lejos se desplaza una partfcula de sangre en una unidad de tiempo.

La velocidad de hemorragia vana segun el tipo de tejido, y oscila entre ser despreciable en tejidos tales como cartflago y ser muy intensa para tejido altamente vascular tal como hngado o rinon. Para los propositos de esta divulgacion, se definen los tipos de hemorragia tal como se muestra en la tabla 1.

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Tabla 1

Tipo de hemorragia: Velocidad de hemorragia, Rsangre [mm/sl

Baja: < 0,3

Media: 0,3 -1,0

Alta: 1,0-2,0

Intensa: 2,0-3,0

Muy intensa: > 3,0

Para un tejido dado, la velocidad de hemorragia en mm/s se mide normalmente de la siguiente manera. Se practica una pequena herida que tiene un area A en la superficie de un organo. Normalmente, esta herida es un drculo de 8 mm de diametro. Se recoge sangre de la herida a lo largo de un periodo de 30 segundos y se mide la masa de la sangre M en gramos. Se calcula la velocidad de hemorragia Rsangre usando la siguiente ecuacion:

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donde M es la masa de sangre en gramos recogida en 30 segundos, psangre es la densidad de sangre en g/mm3, y A es el area de la herida en mm2. En general, y especialmente para procedimientos que implican velocidades de hemorragia alta, intensa o muy intensa, lograr la hemostasia de tejidos con hemorragia es una tarea quirurgica esencial.

Un modo de lograr hemostasia es mediante la aplicacion de calor al tejido con hemorragia. Este calor crea cambios termicos que dan como resultado la formacion de una capa sellante, que impide un flujo sangumeo adicional. La figura 25 muestra un sitio quirurgico en el que el flujo sangumeo 165 se ha detenido formando una capa sellante que cubre el tejido subyacente 163. La capa sellante 171 se compone de dos capas: la capa esponjosa 173 y la capa compacta 175. La capa esponjosa 173 es una region en la que todos los fluidos se han vaporizado, dejando solo un componente solido. El componente fluido de celulas de tejido, sangre y fluido intersticial componen aproximadamente el 80% del tejido. Como resultado, una vez que se vaporiza el componente fluido, lo que queda es una capa sustancialmente porosa, denominada capa esponjosa dado que se asemeja a una esponja. Los diametros de poro no son uniformes dentro de la capa esponjosa 173, pero se conocen porosidades y tamanos de poro promedio para tipos de tejido particulares. La tabla 2 presenta porosidades y diametros de poro promedio para tipos de tejido tfpicos.

Tabla 2

Tipo de tejido: Diametro, d [mml Porosidad, P [%l

Pulmon: 0,06 -0,09 90-95

Bazo: 0,04 -0,07 85-90

Hfgado: 0,035 -0,06 75-80

Rinon: 0,02 -0,04 65-70

Haciendo referencia de nuevo a la figura 25, la capa compacta 175 se encuentra por debajo de la capa esponjosa 173, es decir esta entre la capa esponjosa y el tejido subyacente 163. Por conveniencia, el termino “por debajo de” cuando hace referencia a capas de tejido significa mas alejado de la superficie y el termino “por encima de” significa mas cerca de la superficie del tejido. La capa compacta 175 se compone principalmente de protemas desnaturalizadas presentes en el tejido y la sangre. Cuando se forma, la capa compacta 175 es un solido similar a un gel y es sustancialmente impermeable al flujo de fluido, impidiendo de ese modo el paso del flujo sangumeo 165 desde el tejido subyacente 163 a la superficie del tejido 169.

Una capa sellante preferida tiene tanto una capa esponjosa como una capa compacta. Para detener por completo la hemorragia en el sitio quirurgico, la capa sellante 171 debe ser lo suficientemente gruesa como para soportar la presion del flujo sangumeo 165. Por otro lado, la capa sellante 171 debe ser lo mas delgada posible mientras que todavfa logre la coagulacion, dado que se destruye tejido sano 163 en el proceso de creacion de la capa sellante 171. Una destruccion minima de tejido sano es particularmente importante en tejidos sensibles tales como el cerebro y pancreas. En general, una destruccion minima de tejido conduce a tiempos de recuperacion reducidos.

Cuando se usa un flujo de plasma para la coagulacion, el flujo de plasma se dirige al sitio quirurgico 161. Partmulas de plasma de alta energfa transfieren calor al tejido mediante colision con moleculas de tejido. Haciendo referencia de nuevo a la figura 25, el calor del flujo de plasma 177 evapora fluido en el tejido, formando la capa esponjosa 173. El flujo de plasma ha perdido calor a medida que paso a traves de la capa esponjosa y no puede vaporizar la sangre por debajo de la capa esponjosa. En esa region, el flujo de plasma 177 eleva la temperatura del tejido lo suficientemente alta como para desnaturalizar la protema y para la capa compacta 175. Los grosores de las capas

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esponjosa y compacta dependen de la velocidad a la que flujo de plasma 177 transfiere calor al tejido a una profundidad dada, y el tiempo durante el que el flujo 177 se dirige al tejido 163.

La velocidad a la que se transfiere calor al tejido viene dada por el flujo calonfico q, medido en W/m2 El flujo calonfico puede relacionarse con la temperatura del flujo de plasma del siguiente modo:

donde la potencia P se mide en W, la entalpfa E, que es una funcion de la temperatura, se mide en J/kg, el area A se mide en m2, y el caudal masico Fpiasma se mide en kg/s. El nivel de potencia inicial del flujo de plasma puede calcularse usando la temperatura y el caudal masico del plasma descargado desde la salida 3 del dispositivo de generacion de plasma. Sin embargo, a medida que el flujo de plasma se propaga a lo largo del eje de flujo, las interacciones con el medio circundante reducen tanto la temperatura como el caudal y aumentan el area por la que se distribuye el flujo de plasma.

La figura 26A muestra un flujo de plasma continuo que forma una capa sellante 171 en el sitio quirurgico 161, mientras que la figura 26B muestra el flujo calonfico q en funcion de la distancia desde la superficie del tejido 169. Tal como se analizo anteriormente, la capa esponjosa 173 se forma cuando se vaporiza el fluido presente en el tejido. La superficie del tejido 169 experimenta un flujo calonfico 181 maximo, y se vaporizan rapidamente los fluidos. A medida que el flujo de plasma 177 pasa adicionalmente al interior del tejido, transfiriendo calor por el camino, pierde energfa y disminuye el flujo calonfico. La formacion de la capa esponjosa 173 a una profundidad dada se produce solo si el flujo calonfico es lo suficientemente grande como para evaporar de manera continua el flujo sangumeo 165. Por ejemplo, se requiere un flujo calonfico de aproximadamente 2,3 W/m2 para evaporar un caudal de sangre de 1 mm/s.

Para aplicaciones con flujo de plasma continuo, el lfmite de fluido 179 marca la ubicacion en la que el flujo calonfico 32 es igual al flujo calonfico requerido para evaporar el flujo sangumeo 165. En el lfmite de fluido 179, existe sangre lfquida en su punto de ebullicion, aproximadamente 100°C.

En la capa compacta 175, el flujo calonfico es demasiado bajo como para evaporar la sangre entrante. Por consiguiente, la sangre en esta region continua fluyendo hacia el lfmite de fluido 179. Aunque no es suficiente para vaporizar sangre y otros fluidos, el flujo calonfico en la capa compacta sf que eleva la temperatura del tejido y sangre. Cuando se calienta un tejido, la protema presente en las celulas de tejido y la sangre experimenta una reaccion irreversible, denominada desnaturalizacion. Aunque la desnaturalizacion de protemas se produce a 40 - 41°C, a tales temperaturas el proceso de desnaturalizacion lleva unas pocas horas. Si se calienta un tejido hasta 65°C, la protema en las celulas de tejido y sangre se desnaturaliza en un tiempo adecuado para la cirugfa, en menos de 1 ms. Con los propositos de esta divulgacion, la capa compacta se refiere a la capa directamente por debajo de la capa esponjosa en la que se ha desnaturalizado una cantidad sustancial de protema. Para un flujo de plasma continuo, tal como se muestra en la figura 26A, se muestra que la capa compacta se extiende desde el lfmite de fluido 179 hasta el lfmite de desnaturalizacion 172. En la capa 163 por debajo de la capa compacta, no se desnaturaliza una cantidad sustancial de protema en el tejido. Debe indicarse que la protema desnaturalizada se vuelve visible en muestras morfologicas solo varias horas despues de que se haya calentado el tejido, sin embargo, la protema desnaturalizada impide el flujo de sangre inmediatamente. Por consiguiente, muestras morfologicas tomadas en el plazo de unas pocas horas despues del procedimiento pueden no mostrar la verdadera extension de la desnaturalizacion.

La coagulacion con dispositivos de generacion de plasma continuos de la tecnica anterior requirio un ajuste cuidadoso del flujo calonfico del flujo de plasma de modo que el flujo de plasma crease una capa esponjosa y una capa compacta de suficiente grosor. Esto se realizo normalmente controlando de manera precisa la distancia desde la salida del dispositivo de generacion de plasma hasta la superficie del tejido para un flujo de plasma dado. Con un flujo de plasma continuo, se lograron de manera fiable una capa esponjosa de 200 - 300 |im acoplada con una capa compacta de 300 - 500 |im. Estos grosores pueden formarse en tejido con niveles de hemorragia bajo o medio, pero no puede formarse en tejido con mayores velocidades de hemorragia. Ademas, no se conocen modos fiables para aumentar estos grosores para detener hemorragias mas abundantes. Intuitivamente, si se suministra un flujo de plasma de mayor intensidad a un tejido con una alta velocidad de hemorragia, ese flujo sublima la superficie de la capa esponjosa. Esta sublimacion sucede mas rapido que la formacion de las capas esponjosa y compacta.

La coagulacion de un tejido con una alta velocidad de hemorragia con un flujo de plasma continuo se muestra esquematicamente en las figuras 27A-C, que representan tres tiempos consecutivos. En la figura 27A, un flujo de plasma con un flujo calonfico relativamente alto acaba de dirigirse al tejido. Rapidamente, el flujo de plasma forma una capa esponjosa relativamente gruesa 173. Dado que el proceso de vaporizacion de fluido, que forma la capa esponjosa, es mucho mas rapido que el proceso de difusion de calor, que forma la capa compacta, la capa compacta 175 es todavfa relativamente delgada. (El proceso de vaporizacion se refiere a (1) la vaporizacion del componente fluido o (2) de manera simultanea la sublimacion del componente solido y la vaporizacion del

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componente fluido contenido en el mismo. El proceso de vaporizacion no debe confundirse con la tarea quirurgica de vaporizacion analizada a continuacion). La figura 27B muestra el tejido un breve tiempo posterior, despues de la aplicacion continuada del flujo de plasma con un flujo calonfico muy alto. Debido a la gran cantidad de calor transferido al tejido en la superficie, el grosor 191 de la capa esponjosa se ha sublimado por completo. A pesar del movimiento hacia dentro del lfmite de fluido 179, la capa esponjosa 173 no ha aumentado de grosor. Adicionalmente, la capa compacta 175 permanece relativamente delgada, ya que no ha transcurrido suficiente tiempo como para desnaturalizar la protema en el tejido subyacente. La figura 27C muestra el tejido en aun un tiempo posterior. De manera similar, el resultado de la aplicacion continuada del flujo de plasma es que se ha sublimado un grosor 191 de tejido sin ningun aumento de grosor de la capa sellante. Tampoco sena util el aumento del flujo calonfico aumentando la temperatura del flujo de plasma o acortando la distancia al tejido (lo que aumentana el flujo calonfico). Si el flujo de plasma tiene un flujo calonfico demasiado alto, la superficie de la capa sellante se traslada hacia dentro a medida que se vaporiza tejido sin aumentar el grosor de la capa sellante. Este resultado es indeseable ya que se destruye innecesariamente tejido sano y la capa sellante resultante, que tiene solo una capa compacta delgada, no se forma para tener el grosor requerido para detener hemorragias abundantes.

El problema fundamental de la coagulacion con flujo de plasma continuo se ilustra en la figura 28. El grosor mmimo de la capa esponjosa requerido para la coagulacion es de al menos 200 |im para un plasma continuo. La figura 28 muestra representaciones graficas de flujo de plasma flujo calonfico en funcion de la distancia desde la superficie en la capa esponjosa. Cada curva corresponde a un flujo de plasma con un flujo calonfico de superficie del tejido diferente. Se sabe que un flujo calonfico de 5,3 W/mm2 o superior da como resultado una rapida sublimacion de tejido. Tambien se sabe que se requiere un flujo calonfico de 2,3 W/mm2 para vaporizar sangre que fluye a una velocidad de 1 mm/s. Tal como se observa a partir de la grafica, se requiere un flujo calonfico de 4,2 W/mm2 en la superficie para establecer un flujo calonfico de 2,3 W/mm2 200 |im por debajo de la superficie del tejido. Como otro ejemplo, se requiere un flujo calonfico de 4,6 W/mm2 para vaporizar sangre que fluye a una velocidad de 2 mm/s a una distancia de 200 |im desde la superficie del tejido. Tal como se observa en la figura 28, para lograr tal flujo calonfico a 200 |im desde la superficie del tejido, el flujo calonfico de superficie debe ser de al menos 7,4 W/mm2, lo que supera el umbral de sublimacion. Esto significa que no es posible coagular tejido con hemorragia con un caudal de sangre que supere los 1,4 mm/s, lo que corresponde a un flujo calonfico en la superficie del tejido igual al umbral de sublimacion. El aumento del flujo calonfico para hacer frente a un alto caudal de sangre no es efectivo dado que la sublimacion del tejido de superficie compensana la formacion de la capa esponjosa.

5.4.1.2 Coagulacion con flujo de plasma de oscilacion volumetrica

Usando un flujo de plasma de oscilacion volumetrica para la coagulacion, en particular un flujo de plasma de oscilacion axial, es posible evitar los problemas inherentes de los flujos de plasma continuos. Tal como se analizo anteriormente, se requiere un alto flujo calonfico en el lfmite de fluido para altas velocidades de hemorragia, y, como consecuencia, un flujo calonfico incluso mayor esta presente en la superficie del tejido. Este flujo calonfico de superficie qsuperficie provoca una rapida sublimacion si se mantiene de manera continua, o durante un periodo de tiempo prolongado. Sin embargo, si el flujo calonfico se reduce rapidamente despues de que se forme la capa esponjosa, es posible reducir significativamente o preferiblemente eliminar por completo la sublimacion. Una vez que se forma un determinado grosor de la capa esponjosa, incluso un flujo de plasma de baja intensidad es suficiente para calentar el tejido por debajo de la capa esponjosa y para formar una capa compacta. Este plasma de baja intensidad tiene un flujo calonfico de superficie qsuperficie que puede dirigirse a la superficie del tejido sin provocar una sublimacion significativa dado que esta por debajo del umbral de sublimacion qsubiimacion. Al mismo tiempo, el plasma de baja intensidad tiene un flujo calonfico que calienta el tejido por debajo de la capa esponjosa, formando de ese modo la capa compacta mientras que solo provoca una minima sublimacion de la capa esponjosa.

La aplicacion de una unica oscilacion de flujo de oscilacion volumetrica de baja frecuencia se muestra en las figuras 35A-B. En la figura 29A, el flujo de plasma de alta intensidad 210 con una longitud Laita correspondiente se dirige al tejido 215. Dado que la longitud de un flujo de plasma es una funcion de su temperatura, la longitud es un indicador util del flujo calonfico que proporciona el flujo de plasma. En este caso, el flujo de plasma de alta intensidad 210 tiene un flujo calonfico suficiente como para formar rapidamente la capa esponjosa 212 (y un grosor despreciable de la capa compacta 213). El intervalo de alta intensidad viene dado por la baja frecuencia preferida de 20 - 100 Hz y el ciclo de trabajo preferido de 0,05 - 0,15 de la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia usada para generar el flujo de plasma de oscilacion axial. Por ejemplo, para la frecuencia de 50 Hz y el ciclo de trabajo de 0,1, el plasma de alta intensidad se aplica durante 2 ms. Esta aplicacion relativamente corta del flujo de plasma de alta intensidad evapora la sangre y otros fluidos de la capa de tejido exterior. Tal como se menciono anteriormente, la aplicacion continuada del flujo de plasma de alta intensidad 210, sin embargo, provocana una rapida sublimacion en la superficie 214. Ademas, la aplicacion continuada de plasma de alta intensidad puede provocar la erosion de los componentes del dispositivo de generacion de plasma. Por consiguiente, una aplicacion prolongada del plasma de alta intensidad no es ni deseable ni factible.

Pasando a la figura 29B, el flujo de plasma de alta intensidad 210 mostrado en la figura 29A se ha cambiado al flujo de plasma de baja intensidad 211 que tiene una longitud Lbaja. La longitud reducida Lbaja indica que el flujo calonfico proporcionado por el flujo de plasma de baja intensidad 211 es menor que el flujo calonfico proporcionado por el flujo de plasma de alta intensidad 210. Este flujo calonfico reducido no sublima rapidamente la superficie 214. Sin

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embargo, el flujo de plasma de baja intensidad 211 continua proporcionando calor al tejido por debajo de la capa esponjosa 212 sin una destruccion excesiva de la capa esponjosa 212 al formar la capa compacta 213. Este calor aumenta el grosor de la capa compacta, mejorando la resistencia de toda la capa sellante. Los flujos de plasma de oscilacion axial, que alternan entre plasma de baja intensidad que tiene una longitud relativamente pequena y rafagas de plasma de alta intensidad que tienen una longitud relativamente grande, presentan una mejora sustancial en la coagulacion de tejido con respecto a un flujo de plasma continuo.

Las figuras 30A-F ilustran la coagulacion con un flujo de plasma de oscilacion axial a lo largo de tres periodos de oscilacion. La figura 30A muestra el efecto del primer pulso de alta intensidad de plasma que tiene una longitud Laita. Despues de este primer pulso de alta intensidad, la capa esponjosa 212 tiene un grosor de aproximadamente un diametro de poro. Se ha determinado experimentalmente que un diametro de poro de la capa esponjosa es el grosor preferido de la capa esponjosa que debe formarse en una unica rafaga de plasma de alta intensidad. Debe indicarse que los diametros de poro son diferentes para diferentes tejidos, sin embargo 30 |im es una aproximacion util. Se prefiere un diametro de poro por dos motivos. En primer lugar, este grosor es lo suficientemente pequeno como para garantizar que el pulso de alta intensidad de plasma es lo suficientemente corto como para evitar una sublimacion sustancial de la superficie del tejido. En segundo lugar, este grosor es suficiente como para formar una capa esponjosa de grosor adecuado de aproximadamente 250 |im en un numero razonable de oscilaciones. Por ejemplo, en un tejido con un diametro de poro de 30 |im, lleva aproximadamente 8 pulsos de alta intensidad formar una capa esponjosa de grosor adecuado. Incluso en el lfmite inferior de 20 Hz, el operario necesita suministrar el plasma a un unico punto durante menos de 0,5 s para formar una capa esponjosa de grosor adecuado.

La figura 30B muestra el efecto del flujo de plasma de baja intensidad. En comparacion con el plasma de alta intensidad, el plasma de baja intensidad 211 tiene una menor longitud Lbaja y un flujo calonfico correspondientemente menor. Como resultado, durante el intervalo de baja intensidad, la superficie 214 no se ha sublimado significativamente a pesar de una amplia exposicion al flujo de plasma de baja intensidad. Sin embargo, debido a la aplicacion continuada del flujo de plasma de baja intensidad 211, la protema en capas de tejido mas profundas continua desnaturalizandose. Esto da como resultado un aumento del grosor de la capa compacta 213. El intervalo de baja intensidad determina la profundidad de la capa compacta formada en una unica oscilacion del flujo de plasma.

De dos a cuatro diametros de poro es un grosor preferido de la capa compacta que se forma en una unica porcion de baja intensidad de una oscilacion del flujo de plasma. Durante la siguiente rafaga de plasma de alta intensidad aproximadamente un diametro de poro de la capa compacta se convertira en la capa esponjosa a medida que el plasma vaporiza el componente fluido en esa region. La formacion de dos a cuatro diametros de poro de nueva capa compacta durante un unico intervalo de baja intensidad garantiza que a lo largo de varias oscilaciones la capa compacta aumente de grosor a al menos la misma velocidad que la capa esponjosa.

El flujo calonfico del plasma de baja intensidad se fija para que preferiblemente no tenga efecto sobre la capa esponjosa y para mantener el lfmite de fluido en la profundidad hasta la que se hizo avanzar durante el intervalo de alta intensidad para el caudal de sangre de tejido de 2 mm/s. Dicho de otro modo, el flujo calonfico del plasma de baja intensidad en el lfmite de fluido debe ser suficiente para mantener el lfmite de fluido al mismo nivel durante el intervalo de baja intensidad. Por supuesto, esto no puede lograrse siempre. En algunos casos, el flujo calonfico de plasma de baja intensidad superara el flujo calonfico requerido para vaporizar fluidos en el lfmite de fluido. Esto sucede, por ejemplo, para un caudal de sangre por debajo de un caudal de sangre promedio de 2 mm/s. En ese caso, la capa esponjosa se formana lentamente durante el intervalo de baja intensidad.

Por otro lado, en algunos casos, el flujo calonfico de plasma de baja intensidad en el lfmite de fluido puede ser insuficiente como para vaporizar toda la sangre entrante. En este caso, el flujo calonfico proporcionado por el plasma de baja intensidad 211 es el del flujo calonfico necesario para vaporizar por completo la sangre entrante desde el tejido 215, qf ya no puede proporcionarse en el lfmite de fluido 220 mostrado en la figura 30A. Por consiguiente, el lfmite de fluido 220 se ha movido mas cerca de la superficie del tejido durante este plasma de baja intensidad de la primera oscilacion.

La figura 31A muestra un mayor detalle de la region superficial del tejido 215 al final del intervalo de baja intensidad de la primera oscilacion ilustrada en la figura 30B. En la figura 31A, la capa 212 es la capa esponjosa y la capa 213 es la capa compacta. Sin embargo, debido al retroceso del lfmite de fluido 220 durante el intervalo de baja intensidad, algunos poros de la capa esponjosa entre estas dos distancias se llenan de sangre y otros fluidos. La sangre y los fluidos pueden entrar en los poros de capa esponjosa 232 desde la capa compacta 213 o desde capas de tejido mas profundas a traves de la capa compacta 213. Los poros de capa esponjosa 212 que estan por encima del lfmite de fluido 220 no se llenan de ningun fluido dado que el flujo calonfico es suficiente en este caso para vaporizar fluidos incluso durante el intervalo de baja intensidad.

Pasando a la figura 30C, una vez que se ha formado un grosor adecuado de la capa compacta 213 mediante plasma de baja intensidad 211, una segunda rafaga de plasma de alta intensidad 210 se dirige al tejido. Tal como se muestra en la figura 30C, la capa esponjosa 212 aumenta de grosor en otro diametro de poro debido a la vaporizacion de fluido en tejido que formaba parte previamente de la capa compacta 213. Como resultado, se

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reduce el grosor de la capa compacta. Esta reduccion se compensa parcialmente por un ligero aumento del grosor de la capa compacta a medida que se desnaturaliza parte de la protema en el tejido por debajo de tejido de capa compacta.

La figura 31B muestra la region superficial de tejido 215 despues del flujo de plasma de alta intensidad en la situacion representada en la figura 31A. La figura 31B corresponde a la figura 30C. Ademas de hacer avanzar el lfmite de fluido de forma mas profunda en el tejido, el plasma de alta intensidad ha evaporado el componente fluido de la sangre 232 (mostrado en la figura 31A), que estaba presente en los poros de la capa esponjosa 231. El componente solido 233 de la sangre se ha quedado atras, sumandose al componente solido basado en tejido de la capa esponjosa. Este componente solido extra aumenta la densidad de la capa esponjosa y mejora su capacidad de sellado. Adicionalmente, tal como se analizo anteriormente, el plasma de alta intensidad de la segunda oscilacion sublimo aproximadamente un diametro de poro de la capa esponjosa.

La figura 30D muestra el intervalo de baja intensidad del flujo de plasma de la segunda oscilacion. Los efectos de este plasma de baja intensidad sobre el tejido son similares a los del primer intervalo de baja intensidad descritos en la figura 30B. De nuevo, puede fluir sangre a parte de la capa esponjosa dado que el lfmite de fluido retrocede hasta un nivel mas cerca de la superficie. Incluso si retrocede el lfmite de fluido, este flujo de sangre a la capa esponjosa normalmente sera menor que durante el intervalo de baja intensidad de la primera oscilacion. Esto se debe al aumento significativo del grosor de la capa compacta que se produjo a medida que se proporciono calor al tejido subyacente. En general, hasta un punto dado se ha coagulado totalmente menos sangre y otros fluidos fluyen a la capa esponjosa durante cada intervalo posterior de baja intensidad. Las figuras 30E y 30F muestran las porciones de alta y baja intensidad de la tercera oscilacion en el flujo de plasma, respectivamente, que tienen efectos sobre el tejido similares a las oscilaciones anteriores.

La figura 32 muestra una capa sellante completada formada por un flujo de plasma de oscilacion axial. La capa esponjosa 240 se compone de varias subcapas. Cada subcapa se formo mediante una rafaga de plasma de alta intensidad. En cambio, una capa esponjosa formada con un flujo de plasma continuo no tiene una estructura multicapa de este tipo. Para los casos en los que el lfmite de fluido retrocede durante los intervalos de baja intensidad, la densidad de la capa esponjosa generalmente aumenta hacia la superficie. Esto se debe a la presencia de globulos rojos que permanecen en la capa esponjosa despues de que se evapore la sangre que fluye a la capa esponjosa durante los intervalos de baja intensidad, dejando componentes solidos adicionales.

El resultado final de aplicar un flujo de plasma de oscilacion axial a tejido con hemorragia es la formacion de una capa sellante fuerte y robusta a traves del proceso alterno descrito anteriormente. En general, en una unica oscilacion axial del flujo de plasma, se forma rapidamente el tejido de la capa esponjosa durante el intervalo de alta intensidad mientras que la capa compacta se forma durante el intervalo de baja intensidad.

El analisis se ha centrado hasta ahora en la coagulacion de un unico punto. En la practica, el operario debe coagular un area de tejido mayor que el diametro de punto. Para hacer esto, el operario barre el sitio quirurgico con el flujo de plasma moviendo el dispositivo de generacion de plasma en paralelo a la superficie del tejido. La figura 33A muestra un sitio quirurgico 270 cubierto de sangre 273. La sangre 273 oculta el sitio quirurgico y la hemorragia debe detenerse antes de que el operario pueda reanudar la intervencion quirurgica. En una realizacion preferida, el operario barre a traves del sitio quirurgico 270 a lo largo de una trayectoria a modo de ejemplo 271 mostrada en la figura 33B. A medida que el flujo de plasma pasa por cualquier posicion particular, se producen varias oscilaciones del flujo de plasma y forman una capa sellante en el tejido tal como se describio con referencia a las figuras 30A-F.

Las figuras 34A-C muestran el efecto de un flujo de plasma de este tipo a medida que se barre a lo largo de la trayectoria a modo de ejemplo 271. El flujo de plasma 280 se mueve a lo largo del tejido 281 a una velocidad lenta suficiente para garantizar que se genera una capa sellante de grosor apropiado en cada posicion. Tal como se analizo anteriormente, la capa esponjosa 282 es preferiblemente de 250 |im de grosor y la capa compacta 283 tiene preferiblemente al menos 200 - 500 |im de grosor. Para un tejido tfpico con un diametro de poro de 30 |im, una capa esponjosa de 250 |im de grosor requiere aproximadamente 8 pulsos de alta intensidad (cada pulso forma aproximadamente un diametro de poro de tejido esponjoso). Cada punto de tejido 281 debe someterse por tanto a 8 oscilaciones del flujo de plasma para generar la capa esponjosa de grosor apropiado.

La figura 35 muestra una situacion mas realista en la que la velocidad de hemorragia en el tejido vana a lo largo de un unico sitio quirurgico, indicado mediante el tamano relativo de las flechas 290 y 291 en el tejido 281. Pueden coagularse puntos con menores niveles de hemorragia con una capa sellante mas delgada. Esto es preferible dado que se destruye menos tejido sano para formar la capa sellante. En la practica, el operario puede barrer el flujo de plasma rapidamente a lo largo del sitio quirurgico 270 para crear una capa sellante delgada. Esta capa sellante delgada coagula areas de baja hemorragia 290 pero continuan con hemorragia las areas de alta hemorragia 291. Este rapido barrido puede dar como resultado, por ejemplo, 5 pulsos de alta intensidad por diametro de punto. Una vez que se establece esta capa sellante delgada, el operario se centra en areas de alta hemorragia 291, en las que la exposicion continuada al flujo de plasma crea una capa sellante de mayor grosor. Este metodo alternativo garantiza que la capa sellante es del grosor apropiado en cada punto de la superficie tratada. Esta capa sellante de grosor variable se muestra en la figura 35, en la que la capa esponjosa 282 y la capa compacta 283 son gruesas en

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areas de alta hemorragia 291 pero son delgadas en areas de baja hemorragia 290.

La velocidad de formacion de la capa sellante puede variar con variaciones de la distancia entre el dispositivo de generacion de plasma y el tejido. Idealmente, el operario sostiene el dispositivo de generacion de plasma a una distancia constante desde el tejido a medida que lo barre a lo largo de la trayectoria a modo de ejemplo 271 mostrada en la figura 33B. En realidad, el operario puede no ser capaz de mantener el dispositivo de generacion de plasma nivelado en la totalidad del proceso. Por tanto, para tener en cuenta movimientos de la mano del operario, es importante que el efecto de coagulacion no cambie sustancialmente con la distancia a lo largo de un rango adecuado. La figura 36 muestra la temperatura de un flujo de plasma a lo largo de un eje del flujo de plasma tanto durante la porcion de alta intensidad como durante la porcion de baja intensidad de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica. La region 313, en la que las temperaturas del plasma tanto de alta como de baja intensidad son sustancialmente constantes, es ideal para realizar la coagulacion. Esta region corresponde a aproximadamente 10 - 30 mm cuando el plasma de alta intensidad tiene una temperatura de salida de 20.000 - 30.000 K y el plasma de baja intensidad tiene una temperatura de salida de aproximadamente 11.000 K. Durante la coagulacion, el operario mantiene esta distancia, dentro del rango de 10 - 30 mm, preferiblemente 15 - 25 mm, garantizando que el efecto de coagulacion no vana significativamente a pesar del inevitable movimiento.

La velocidad a la que un operario puede coagular un area de tejido con hemorragia tambien depende del diametro de punto. La figura 37 muestra la trayectoria 272 requerida por la que tendna que desplazarse un flujo de plasma con un diametro de punto relativamente pequeno para lograr la coagulacion en el tejido 270. Si el diametro de punto a la distancia de 10 - 30 mm es relativamente pequeno, la coagulacion de un sitio quirurgico lleva demasiado tiempo y no es factible. Por este motivo, los dispositivos de coagulacion de la tecnica anterior teman grandes diametros de salida, en el rango de 0,8 -1,2 mm. Tales diametros grandes son aceptables, y pueden incluso preferirse, cuando el dispositivo de generacion de plasma solo es pretende usarse para la coagulacion, pero son demasiado grandes como para usarse para el corte. Sin embargo, un flujo de plasma de oscilacion axial tiene un aumento de anchura en comparacion con un flujo de plasma continuo, tal como se explico anteriormente con referencia a las figuras 22A-D. Para una oscilacion axial, perturbaciones en el flujo de aire que rodea el flujo de plasma hacen que aumente el diametro de punto del flujo de plasma. Esto permite un dispositivo de generacion de plasma con un pequeno diametro de salida para generar un flujo de plasma de oscilacion volumetrica con un diametro de punto relativamente grande adecuado para la coagulacion. Por ejemplo, en una realizacion preferida con un diametro salida de 0,5 mm, a la distancia preferida de 10 - 30 mm, el diametro de punto puede alcanzar los 5 - 6 mm. Para lograr el mismo diametro de punto con un flujo de plasma continuo, se requerina un diametro de salida de 1,2 mm.

En una realizacion preferida, cuando el dispositivo de generacion de plasma se programa para funcionar en modo de coagulacion, se optimizan las caractensticas de un flujo de plasma de oscilacion axial (por ejemplo, el ciclo de trabajo, la frecuencia y temperatura) para lograr una coagulacion eficaz. Tal como se muestra en la figura 20B, el flujo de plasma alterna entre plasma de alta intensidad y plasma de baja intensidad. Las caractensticas del plasma de alta y baja intensidad concuerdan con modelos matematicos de los procesos de coagulacion y tambien se confirmaron experimentalmente.

Los principales procesos en la coagulacion de tejido incluyen la formacion de la capa esponjosa y de la capa compacta. La formacion de la capa esponjosa puede modelarse con la siguiente ecuacion:

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donde qf es el flujo calonfico requerido en el lfmite de fluido en W/mm2, Uf es la velocidad del lfmite de fluido a medida que se mueve hacia dentro en mm/s, Usangre es el caudal de sangre en mm/s, ptejido es la densidad del tejido en kg/mm3, y L es la energfa requerida para la vaporizacion en J/kg. La densidad ptejido y la energfa de vaporizacion L pueden aproximarse con la densidad y energfa de vaporizacion del agua (103 kg/m3 y 2,26 x 106 J/kg, respectivamente). La velocidad Uf puede reescribirse como

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donde d es el grosor deseado de la capa esponjosa formada en una rafaga de alta intensidad en mm, y tH es el intervalo de alta intensidad en s. Tal como se analizo anteriormente, d es preferiblemente un diametro de poro dp. La ecuacion para el flujo calonfico requerido en el lfmite de fluido puede reescribirse por tanto como

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La figura 38 muestra la grafica de flujo calonfico de vaporizacion qf representado graficamente para tres velocidades de hemorragia diferentes en funcion de tH. Tal como se observa a partir de la figura 38, la velocidad de hemorragia

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tiene una influencia mucho mayor sobre el flujo calorifico requerido para pulsos de alta intensidad mas largos. Por ejemplo, para un intervalo de alta intensidad de 8 ms, la diferencia en flujo calorifico de vaporizacion qf es del 40%, cuando el caudal de sangre cambia de 1 mm/s a 3 mm/s.

Para garantizar la coagulacion de tejidos con velocidades de hemorragia diferentes, el flujo de plasma debe proporcionar el flujo calorifico requerido para detener la mayor velocidad de hemorragia. Volviendo a la figura 38, el flujo de plasma debe proporcionar al menos 16 W/mm2 para detener la hemorragia con una velocidad de 3 mm/s cuando tH es de 8 ms. Si se dirige un flujo de plasma de este tipo a tejido con una menor velocidad de hemorragia de 1 mm/s, habra un calentamiento excesivo de la capa esponjosa, que puede dar como resultado una sublimacion no deseada significativa. Dado que, tal como se menciono anteriormente, la velocidad de hemorragia puede variar significativamente a lo largo del sitio quirurgico, este problema se produce a medida que el operario coagula diferentes puntos en el mismo tejido. Mantener un intervalo de alta intensidad corto elimina este problema. Por ejemplo, si la rafaga de plasma de alta intensidad es solo de 1 ms de largo, el flujo calorifico requerido varia solo el 5% entre velocidades de hemorragia de 1 mm/s a 3 mm/s. Por tanto tH se mantiene preferiblemente bajo. Adicionalmente, la exposition del tejido a rafagas de alta intensidad mas cortas, tales como de 1 ms, evita la pirolisis y carbonization dado que una duration tan corta, aunque suficiente para vaporizar fluidos, no es suficiente para que comience la reaction de pirolisis.

La figura 38 tambien muestra que si tH es muy corto, es decir de menos de 1 ms, el flujo calorifico requerido para formar un diametro de poro de tejido esponjoso se vuelve extremadamente alto. Y dado que qf es el flujo calorifico requerido en el limite de fluido, el flujo calorifico correspondiente en la superficie qsuperficie es incluso mayor. Por consiguiente, el intervalo de alta intensidad es preferiblemente de aproximadamente 1 ms.

La capa compacta se forma mediante difusion de calor a traves del limite de fluido al tejido subyacente. La formation de la capa compacta depende principalmente de la duracion del plasma de baja intensidad aplicado. Este proceso de difusion de calor puede modelarse mediante la ecuacion diferencial de difusion de calor biologico (Bio-Heat):

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donde p es la densidad del tejido en kg/mm3, C es el calor espetifico del tejido en J/kgK, hm es la velocidad de production de calor metabolico por volumen unitario de tejido y hb es la velocidad de transferencia de calor entre sangre y tejido por volumen unitario de tejido en J/kgs. La velocidad de produccion de calor metabolico hm es asi mucho menor que el flujo calorifico del flujo de plasma que puede ignorarse, y la velocidad de transferencia de calor entre sangre y tejido hb puede expresarse mediante:

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donde psangre es la densidad de la sangre (aproximadamente 1050 kg/m3), Cpb es la capacidad calorifica de la sangre (que es de aproximadamente de 3.600 J/kg K), © es la perfusion sangumea (que es del orden de 1 - 10 s-1) y Ta es la temperatura de la sangre arterial que fluye en el volumen (que es de aproximadamente 36,6°C).

Usando esta ecuacion es posible calcular el grosor de la capa compacta formada en funcion del tiempo. Estos calculos pueden proporcionar orientation sobre la duracion optima del intervalo de baja intensidad del flujo de plasma. Para tiempos cortos, la solution de la ecuacion anterior proporciona la siguiente aproximacion analitica:

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donde h es el grosor en pm y tL es la duracion del intervalo de baja intensidad de una oscilacion (en s). La figura 39 muestra esta aproximacion de tiempo corto representado graficamente junto con la simulation numerica de formacion de la capa compacta en funcion de tL. Queda claro a partir de la figura 39 que existe una concordancia sustancial entre las dos curvas para tiempos menores de 70 ms. Tal como se menciono anteriormente, se generan preferiblemente de dos a cuatro diametros de poro de la capa compacta en un unico periodo de oscilacion. En el limite inferior, lleva al menos 10 ms producir una capa compacta de dos diametros de poro (suponiendo poros de 30 ^m).

La velocidad de creation de la capa compacta disminuye a medida que aumenta el tiempo. Esta velocidad se expresa como una derivada de h:

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La figura 40 muestra la velocidad de formacion de la capa compacta en funcion de Il. Tal como se observa a partir de la figura 40, para tL mayor de 60 ms la velocidad de formacion de la capa compacta es menor que la velocidad de hemorragia minima en tejido, que se supone que es de 1 mm/s. Por consiguiente, la aplicacion del flujo de plasma de baja intensidad mas alla de 60 ms no forma capa compacta adicional. Por tanto, el intervalo de baja intensidad debe ser de 10 - 60 ms, y es preferiblemente de 1 - 35 ms.

Basandose en estas consideraciones biologicas asf como otros requisitos, es posible determinar las caractensticas optimas de un flujo de plasma de oscilacion axial generado con una corriente de onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia. A partir de los requisitos del dispositivo, el ciclo de trabajo preferido D de 0,05 - 0,15 garantiza que la corriente promedio permanece baja mientras que todavfa se logra una alta corriente pico. El nivel de corriente alto Ih es preferiblemente de 30 A y el nivel de corriente bajo preferido es de 6 A. Usando una onda de corriente de este tipo, el flujo de plasma de oscilacion volumetrica preferido oscila entre la baja temperatura preferida de al menos

11.000 K y la alta temperatura preferida de 20.000 - 30.000 K.

Para producir flujos de plasma adecuados para multiples tareas quirurgicas, tales como coagulacion, corte y vaporizacion, el diametro de salida es preferiblemente de 0,5 mm. Con este diametro de salida preferido, un flujo de plasma de oscilacion axial adaptada para la coagulacion tiene un diametro de punto de 5 - 6 mm cuando el dispositivo se mantiene a 15 - 25 mm desde el tejido. En estas circunstancias, la coagulacion en el punto afectado se lleva a cabo en 250 - 400 ms. El tiempo de reaccion del ser humano es de aproximadamente 200 - 300 ms. Esto significa que el operario no necesita centrarse en la coagulacion de un punto dado. El operario puede mover el dispositivo sin considerar la velocidad con la que lo hace, mientras que lleva a cabo una coagulacion fiable.

Tal como se determino anteriormente, cuando se examina la formacion de la capa esponjosa, cada punto de tejido requiere 8 rafagas de plasma de alta intensidad para formar el grosor mmimo de la capa esponjosa. Para garantizar el suministro de 8 pulsos a un punto dado, debe usarse una frecuencia de al menos 20 Hz, que es el lfmite inferior preferido para flujos de plasma de oscilacion volumetrica longitudinales para la coagulacion. Para una onda con una frecuencia de 20 Hz con un ciclo de trabajo D de 0,05 - 0,15, el periodo t de 50 ms y un intervalo de pulso de alta intensidad tH de 2,5 - 7,5 ms. Esta es la frecuencia minima a la que la coagulacion es fiable con un flujo de plasma de oscilacion axial generado usando una corriente de onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia. En la realizacion preferida, la corriente de onda pulsatoria polarizada tiene una frecuencia de 40 Hz con un ciclo de trabajo D de 0,05 - 0,15, tiene un periodo t de 25 ms y un intervalo de pulso de alta intensidad tH de 1,25 - 3,75 ms.

Puede encontrarse un lfmite superior en la frecuencia examinando la cantidad de tejido de capa compacta formado en 8 oscilaciones del flujo de plasma. La figura 41 muestra una representacion grafica del grosor de la capa compacta en funcion del numero de oscilaciones para varias frecuencias diferentes. El grosor de la capa compacta debe ser de 200 - 500 |im. Usando el grosor mmimo como condicion lfmite, la frecuencia de las oscilaciones de plasma es preferiblemente menor de 70 Hz. Un flujo de plasma de oscilacion volumetrica generado mediante una onda de corriente con una frecuencia de 70 Hz con un ciclo de trabajo D de 0,05 - 0,15 tiene un periodo t de 14 ms y un intervalo de alta intensidad tH de 0,7 - 2,1 ms. Si la frecuencia se aumenta por encima de este lfmite superior preferible, el grosor de la capa compacta es insuficiente para la coagulacion.

Cuando se coagula tejido, tambien deben sellarse los vasos sangumeos cortados para detener totalmente la hemorragia. En algunos organos, el caudal de sangre del vaso puede aproximarse a los 30 mm/s. La figura 42 muestra un vaso sangumeo 275 que tiene una pared de vaso sangumeo 274, que se deja al descubierto a traves del proceso de coagulacion. Estos vasos sangumeos pueden sellarse mediante calentamiento de las paredes interiores del vaso sangumeo al descubierto, tal como se da a conocer en la solicitud estadounidense n.° 12/696.411 incorporada como referencia al presente documento para todos los propositos. Este calentamiento hace que se desnaturalice el colageno en la pared de vaso sangumeo 274 y se hinche hacia dentro, cerrando el vaso sangumeo 275. Para pequenos vasos sangumeos (menores de aproximadamente 1 mm de diametro) el calentamiento de la superficie del tejido es suficiente para sellar los vasos sangumeos. El sellado de vasos sangumeos mas grandes requiere el calentamiento de las paredes de vaso sangumeo hasta una profundidad de 1 - 1,5 diametros de vaso sangumeo. El calentamiento hasta esta profundidad solo puede llevarse a cabo usando un flujo de plasma si el flujo de plasma tiene una alta presion dinamica dirigida al vaso sangumeo. Un flujo de plasma de oscilacion axial o continuo con una temperatura de salida mayor de 11.000 K puede proporcionar una presion dinamica a lo largo del eje del flujo de plasma que cumple este criterio. A esta temperatura, el plasma tiene suficiente energfa y velocidad para vaporizar la sangre, penetrar en el vaso sangumeo hasta la profundidad requerida, y calentar las paredes de vaso sangumeo desde el interior. En una realizacion preferida, el flujo de plasma de oscilacion volumetrica, incluso durante el intervalo de baja intensidad, tiene una temperatura de salida de mas de 11.000 K y, por tanto, es adecuado para sellar grandes vasos sangumeos, tal como se da a conocer en la solicitud estadounidense n.° 12/696.411.

Las figuras 43A-C muestran la aplicacion de un flujo de plasma de oscilacion axial para sellar un vaso sangumeo. En la figura 43, un flujo de plasma 320 se ha dirigido a un vaso sangumeo al descubierto. Se ha vaporizado sangre 321 hasta una profundidad de 1 -1,5 diametros de vaso sangumeo. El flujo de plasma 320 calienta las paredes de vaso sangumeo 322 al descubierto con las que entra en contacto. La figura 43B muestra las paredes de vaso sangumeo 322 al descubierto que se hinchan hacia dentro una hacia otra. Despues de que se haya producido un hinchamiento

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suficiente, las paredes 322 sellan por completo el vaso sangumeo y detienen que fluya sangre 321 hasta la superficie. Este hinchamiento puede no ocluir por completo el vaso, particularmente si el diametro del vaso es relativamente grande, es decir, mayor de 3 mm. En este caso, el operario barre el tejido que rodea el vaso constrenido con el flujo de plasma en un movimiento circular. Esto calienta el tejido circundante, que tambien se hincha y fuerza las paredes de vaso sangumeo a ocluir por completo el vaso.

5.4.1.3 Coagulacion con flujos de plasma modulado

En otra realizacion, se introducen oscilaciones de alta frecuencia durante el intervalo de alta intensidad de un flujo de plasma de oscilacion axial. Se genera este flujo de plasma de oscilacion volumetrica mediante la onda de corriente pulsatoria polarizada modulada, de la que se muestra un ejemplo en la figura 12. Como la realizacion que usa la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia mostrada en la figura 11, este flujo de plasma tambien es especialmente adecuado para la coagulacion. Manteniendo el mismo nivel de corriente de polarizacion Il, nivel de corriente de pulso Ih, baja frecuencia y el ciclo de trabajo de baja frecuencia que la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia, esta realizacion tambien produce un flujo de plasma con oscilaciones axiales que llevan a cabo de manera eficiente la coagulacion, tal como se describio anteriormente. Las oscilaciones de alta frecuencia, que producen oscilaciones radiales durante el intervalo de alta intensidad del flujo de plasma, se producen con una frecuencia mayor de 2.000 Hz, preferiblemente mayor de 20.000 Hz. El ciclo de trabajo de la oscilacion de alta frecuencia es de 0,35 - 0,65, preferiblemente de 0,5. Para las oscilaciones de alta frecuencia de 2.000 Hz con un ciclo de trabajo D de 0,35 - 0,65, el periodo t es de 0,5 ms y un intervalo de pulso de alta intensidad tH de 175 - 325 |is. Un intervalo de pulso de alta intensidad correspondiente a 20.000 Hz y D de 0,35 - 0,65 es de manera correspondiente de 17,5 - 32,5 |is. El ciclo de trabajo D de 0,36 - 0,65 garantiza que la longitud del plasma no disminuya entre rafagas de alta frecuencia. Dicho de otro modo, la longitud del flujo de plasma se mantiene en su estado expandido durante el intervalo de alta intensidad. Si las oscilaciones de alta frecuencia son ultrasonicas, estas oscilaciones de alta frecuencia mejoran el efecto de coagulacion proporcionando adicionalmente ondas de presion ultrasonicas al tejido.

Las ondas de presion ultrasonicas, tales como las proporcionadas por un flujo de plasma que funciona a alta frecuencia, tienen al menos dos efectos sobre el tejido. Estos efectos pueden observarse cuando la frecuencia de las oscilaciones es mayor de 20 kHz. En primer lugar, las vibraciones acusticas a esta frecuencia generan calor. Sin embargo, este calor de vibracion es despreciable en comparacion con el calor proporcionado por el propio flujo de plasma a temperaturas de salida de 11.000 K y superiores. En segundo lugar, y mas importante para la coagulacion, la naturaleza de la transferencia de calor a la capa compacta cambia en presencia de cavitacion. Espedficamente, el plasma que no oscila de manera ultrasonica calienta la capa compacta mediante difusion de calor al tejido desde el ifmite de fluido. En cambio, el plasma que utiliza oscilaciones ultrasonicas tiene un mecanismo de cavitacion adicional para el calentamiento del tejido. Cavitacion se refiere a la accion de las ondas de presion ultrasonicas sobre burbujas de gas en un lfquido. Tal como se explico anteriormente, las oscilaciones del flujo de plasma dan como resultado oscilaciones acusticas, que son ondas de presion. Cuando las ondas de presion actuan sobre un lfquido, pueden formarse burbujas de gas en el lfquido cuando la presion disminuye por debajo de la presion de vapor caractenstica de ese lfquido. Cuando las ondas de presion son ultrasonicas, estas burbujas oscilan violentamente y luego implosionan creando potentes ondas de choque localizadas. Estos mecanismos calientan rapidamente la sangre y el tejido circundantes. La cavitacion da como resultado una formacion mas rapida de la capa compacta y una coagulacion mejorada.

La figura 44 muestra el efecto de una onda de presion ultrasonica sobre el tamano de una burbuja. La figura 44 es una representacion grafica del tamano de burbuja en funcion del tiempo. El intervalo 331 corresponde a la formacion de la burbuja durante un frente de onda de baja presion de la onda ultrasonica. La burbuja se expande cuando la presion disminuye y se contrae cuando la presion aumenta. El intervalo 332 muestra la contraccion de la burbuja durante la siguiente onda de alta presion. La burbuja alterna entre expansion y contraccion, pero se expande mas rapido de lo que se contrae. Cuando la onda de presion ultrasonica se genera mediante oscilaciones de alta frecuencia de un flujo de plasma, los ciclos de expansion y contraccion siguen a las oscilaciones de alta frecuencia. La expansion y contraccion de burbujas crea flujo de fluido localizado. Estos flujos de fluido localizados pueden tener altas velocidades y tensiones de corte suficientemente grandes como para destruir celulas y otras estructuras celulares en un tejido.

A altas intensidades ultrasonicas, la burbuja mostrada en la figura 44 implosionara despues de unos pocos ciclos de oscilacion. Durante la implosion, se producen tensiones de corte, ondas de choque, presiones y temperaturas muy altas. El resultado de estas explosiones es la destruccion y fragmentacion de la estructura local del tejido. Adicionalmente, el calor generado a partir de las tensiones de corte y los colapsos de burbuja puede desnaturalizar protemas y aumentar la velocidad de coagulacion.

Dado que el plasma es un gas ionizado, existen importantes efectos sinergicos cuando la energfa ultrasonica se acopla con un flujo de plasma para lograr la coagulacion. A medida que pasa el flujo de plasma a traves de la capa esponjosa de un tejido, impacta con el lfmite de fluido. Parte del plasma pasa al tejido por debajo de la capa esponjosa como gas disuelto. Esta cantidad aumentada de gas disuelto forma entonces burbujas que actuan como receptores de energfa ultrasonica y cavitan. El resultado de combinar un plasma de alta temperatura con

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ultrasonidos es que el efecto de cavitacion se potencia enormemente, lo que mejora la coagulacion.

Muestras morfologicas presentan que cuando se usan oscilaciones ultrasonicas durante la coagulacion, la capa compacta tiene dos subcapas diferenciadas. La subcapa adyacente a la capa esponjosa es una capa densa y homogenea con toda la estructura celular destruida debido a cavitacion. La subcapa inferior es la capa compacta habitual tal como se describio anteriormente. La subcapa de la capa compacta resultante formada como resultado de la cavitacion es una capa densa y homogenea que muestra caractensticas de sellado mejoradas. Ademas, una capa esponjosa formada a partir de tejido que se ha perturbado mediante cavitacion tiene un tamano de poro significativamente reducido, que oscila entre 20 - 25 |im en vez de 30 - 70 |im.

La adicion de ultrasonidos tambien es beneficiosa para sellar vasos sangumeos con hemorragia. La cavitacion que se produce en las paredes de vaso y la sangre en el interior del vaso acelera el proceso de sellado. La destruccion y fragmentacion del tejido de vaso potencia enormemente el proceso de hinchamiento formando el sello del vaso sangumeo. Se ha observado que la adicion de oscilaciones ultrasonicas de alta frecuencia aumenta el hinchamiento de las paredes de vaso sangumeo hasta en cinco veces y aceleran enormemente el proceso de sellado. Por consiguiente, pueden sellarse incluso grandes vasos sangumeos con un alto caudal de sangre rapidamente sin necesidad de dirigir el flujo de plasma al vaso sangumeo y luego en el tejido circundante durante un amplio periodo de tiempo.

Por consiguiente, en esta realizacion preferida, en la que se genera un flujo de plasma de oscilacion volumetrica mediante una onda de corriente pulsatoria polarizada modulada, el operario simplemente barre el tejido con el flujo de plasma sin considerar la naturaleza del tejido y la presencia de los vasos sangumeos. Las propiedades de coagulacion mejoradas para un flujo de plasma de este tipo facilitan el rapido sellado de los vasos sangumeos sin dedicar tiempo extra en dirigir el flujo de plasma al vaso. No es necesario prestar una especial atencion a los vasos sangumeos, ya que se sellan incluso grandes vasos sangumeos con un caudal de sangre de 30 mm/s rapidamente mediante este proceso de barrido.

5.4.2 Corte con plasma de oscilacion radial

Mas alla de la coagulacion de tejido, tambien pueden usarse flujos de plasma para llevar a cabo la tarea quirurgica de corte. Durante esta tarea quirurgica se destruye una pequena region de tejido para separar el tejido. Mediante la separacion del tejido, el operario puede retirar tejido no deseado o dejar al descubierto tejidos subyacentes para cirugfa adicional. Para la coagulacion tal como se describio anteriormente, determinados efectos termicos y mecanicos se llevan a cabo en el tejido mientras que se evita una sublimacion significativa. Sin embargo, cuando se corta usando un flujo de plasma, se pretende la sublimacion del tejido. En las realizaciones preferidas, la sublimacion esta acompanada por la coagulacion simultanea del tejido que acaba de separarse. Esta coagulacion simultanea se lleva a cabo mediante el uso de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica. Usando las realizaciones preferidas, pueden cortarse incluso tejidos con velocidades de hemorragia caractensticamente altas sin hemorragia significativa o sin hemorragia en absoluto.

Como vision general, se han usado flujos de plasma continuos de la tecnica anterior para llevar a cabo el corte. Un flujo de plasma tfpico adecuado para el corte tema una componente axial significativa de la presion dinamica y proporcionaba un alto flujo calonfico. Se lograba un corte delgado usando un dispositivo de generacion de plasma con un pequeno diametro de salida. Manteniendo el corte delgado, se limitaba el dano de tejido a una region muy pequena del tejido y la precision del corte era alta. Los efectos de coagulacion, tales como la formacion de capas esponjosa y compacta, eran despreciables. El resultado del uso de un flujo de plasma continuo para el corte era un corte delgado, preciso con hemorragia significativa. El tejido con hemorragia que se dejaba al descubierto mediante este corte se coagulana normalmente usando un dispositivo independiente.

Las figuras 45A-C ilustran el proceso de corte con un flujo de plasma continuo tfpico de la tecnica anterior. El dispositivo de generacion de plasma 340 se coloca en la superficie 341 del tejido. Manteniendo el dispositivo de generacion de plasma 340 adyacente a la superficie del tejido, la superficie del tejido esta en la region de corte 311 tal como se muestra en la figura 36. Volviendo a la figura 45A, el flujo de plasma 342 vaporiza una parte del tejido, formando un corte. El corte tiene paredes 343 que son tejidos al descubierto debido a la destruccion de tejido adyacente. Dado que la componente radial de presion dinamica en un flujo de plasma continuo es despreciable, las paredes 343 no se coagulan mediante el flujo de plasma continuo y comienzan a presentar hemorragia. En el fondo del corte, se forma una capa sellante delgada que consiste en la capa esponjosa 344 y la capa compacta 345. Sin embargo, debido al flujo calonfico muy alto proporcionado por el flujo de plasma, esta capa sellante se traslada hacia dentro en vez de aumentar de grosor.

Para alargar el corte, el dispositivo de generacion de plasma 340 se mueve a lo largo de la superficie del tejido para formar una hendidura. Para cortar hasta mayor profundidad o separar por completo el tejido en trozos independientes, el dispositivo de generacion de plasma puede moverse de manera mas profunda en el corte para sublimar mas tejido. Esto se muestra en la figura 45B. Adicionalmente, durante el proceso de corte, los vasos sangumeos 346 se disecan mediante el flujo de plasma y sus extremos al descubierto se abren en el corte. De manera importante, un flujo de plasma continuo usado para el corte no coagula eficazmente el tejido o los vasos

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sangumeos al descubierto a lo largo de las paredes del corte. La hemorragia de tejido 347 y la hemorragia de vaso 348, mostradas en la figura 45C, deben coagularse de algun otro modo, tal como un flujo de plasma independiente adaptado para la coagulacion o mediante algun otro medio.

Usando un flujo de plasma de oscilacion radial, puede llevarse a cabo el corte mientras que simultaneamente se coagula tejido al descubierto mediante el corte, dando como resultado un corte con escasa ausencia de hemorragia. En la realizacion preferida, se usa una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia de corriente para generar un flujo de plasma con oscilaciones sustancialmente radiales. La frecuencia de las oscilaciones es mayor de 2.000 Hz, y es preferiblemente de 20.000 - 30.000 Hz. En una realizacion, la corriente de onda pulsatoria polarizada tiene una frecuencia de 20.000 Hz con un ciclo de trabajo D de 0,05 - 0,15, tiene un periodo t de 50 |is y un intervalo de pulso de alta intensidad tH de 2,5 - 7,5 |is. Se representa un ejemplo de un flujo de plasma de este tipo en la figura 20A. A tan alta frecuencia, la dispersion de partfculas de plasma dirige el plasma tanto axial como radialmente. El plasma dirigido radialmente crea una componente sustancialmente radial de la presion dinamica y el flujo calonfico. Estas componentes sustancialmente radiales, unicas de los flujos de plasma de oscilacion volumetrica, se usan para coagular los tejidos a lo largo de las paredes del corte a medida que se realiza el corte. Adicionalmente, dado que el intervalo de alta intensidad de los pulsos de alta frecuencia no es lo suficientemente largo como para que el flujo de plasma se extienda hasta una longitud significativa, la energfa del flujo de plasma, incluso durante el intervalo de alta intensidad, se concentra en un volumen cerca de la salida del dispositivo de generacion de plasma.

Esta concentracion de energfa resulta evidente en las figuras 18A-B. El volumen de plasma activo es de seccion decreciente hasta un punto en el eje del flujo de plasma, que puede considerarse la “punta de corte” del flujo de plasma. Dada la punta de corte muy centrada, el corte resultante formado por el flujo de plasma de oscilacion radial sera delgado y minimizara la cantidad de tejido destruido. Esta punta de corte esta presente para plasma tanto de alta como de baja intensidad.

Un flujo de plasma de oscilacion radial lleva a cabo tanto la sublimacion como la coagulacion de tejido simultaneamente. Las figuras 46A-C ilustran el proceso de corte (tanto sublimacion como coagulacion de tejido) con un flujo de plasma de oscilacion radial. Volviendo en primer lugar al aspecto de corte del proceso, la figura 46A muestra que un flujo de alta intensidad 350 se dirige desde el dispositivo de generacion de plasma 351 durante el intervalo de alta intensidad de la onda de corriente pulsatoria polarizada de alta frecuencia. El dispositivo de generacion de plasma 32 se situa en la superficie del tejido. El plasma de alta intensidad, que tiene una temperatura de salida de 20.000 - 30.000 K, sublima tejido para formar un corte. Dado que el plasma de alta intensidad con la temperatura de salida de 20.000 - 30.000 Hz se mantiene durante solo unos pocos |is, no provoca un amplio dano al tejido. El plasma de alta intensidad tiene un flujo calonfico dirigido tanto axial como radialmente, de modo que la anchura del corte corresponde a la anchura maxima del flujo de plasma, que puede ser de hasta 1,5 mm, el plasma es relativamente ancho a la salida con el diametro de 0,5 mm.

La figura 46B muestra un intervalo de baja intensidad posterior del flujo de plasma tras el pulso de alta intensidad mostrado en la figura 46A. El plasma de baja intensidad tiene una temperatura de salida de al menos 11.000 K y una distribucion de flujo calonfico con una componente axial significativa y una componente radial relativamente pequena. Esto garantiza que durante el intervalo de baja intensidad, no se produce sublimacion radial de tejido. El plasma de baja intensidad hace avanzar el corte adicionalmente en la direccion axial, profundizandolo. Por consiguiente, plasma tanto de alta intensidad como de baja intensidad proporcionados contribuyen al corte de tejido.

En cuanto a la coagulacion, tal como se muestra en la figura 46A, las oscilaciones radiales crean un efecto de coagulacion en todas las direcciones similar al efecto que tienen las oscilaciones axiales en la direccion axial para la coagulacion de tejido. Espedficamente, durante un intervalo de alta intensidad, la componente radial del flujo calonfico del flujo de plasma crea la capa esponjosa 353 en las paredes del corte. Al mismo tiempo, la componente axial del flujo calonfico del flujo de plasma crea la capa esponjosa 353 a lo largo del fondo del corte. Adicionalmente, la rafaga de plasma de alta intensidad comienza a formar la capa compacta 354 a medida que el calor se difunde pasada la capa esponjosa 353. Al final del intervalo de alta intensidad, la capa compacta 354 es relativamente delgada dado que el intervalo es corto en comparacion con el tiempo requerido para una difusion de calor significativa desde el lfmite de fluido 355. Por consiguiente, solo un grosor muy pequeno de tejido por debajo de la capa esponjosa tiene una cantidad sustancial de protema desnaturalizada.

Tal como se muestra en la figura 46B, durante el intervalo de baja intensidad posterior, el plasma de baja intensidad 352 proporciona un menor flujo calonfico al tejido en las paredes del corte. Este menor flujo calonfico aumenta el grosor de la capa compacta 354 sin provocar sublimacion adicional de la capa esponjosa 353 en las paredes del corte. Despues de varias oscilaciones volumetricas, las paredes del corte se coagulan por completo. El resultado se muestra en la figura 46C, en la que el tejido se ha separado por completo mientras que al mismo tiempo una gruesa capa sellante que comprende la capa esponjosa 353 y la capa compacta 354 impide por completo la hemorragia.

Cuando la frecuencia de las oscilaciones es ultrasonica, se mejora el efecto coagulante de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica sobre un tejido mediante la adicion de energfa ultrasonica. Tal como se describio con referencia a la tarea quirurgica de coagulacion, esta energfa ultrasonica actua como fuente extra de calentamiento y provoca cavitacion en el tejido. La cavitacion que se produce en la superficie del tejido ayuda a la tarea quirurgica de

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corte perturbando el tejido en la superficie y provocando fragmentacion. Esta cavitacion, ademas de la sublimacion, da como resultado una eficiencia de corte potenciada.

Para hacer un repaso breve, en la tarea quirurgica de coagulacion la adicion de energfa ultrasonica da como resultado una capa sellante enormemente mejorada. Asimismo, la ene^a ultrasonica mejora de manera espectacular la coagulacion durante la tarea quirurgica de corte. En primer lugar, un rapido calentamiento del tejido por debajo del lfmite de fluido a traves del mecanismo de cavitacion acelera la reaccion de desnaturalizacion que forma la capa compacta. Esto significa que se acelera enormemente la formacion de la capa compacta, que es lenta en comparacion con la formacion de la capa esponjosa. En segundo lugar, la perturbacion de tejido debida a cavitacion ultrasonica tiene muchos efectos beneficiosos sobre la resistencia de la capa sellante. Por ejemplo, los diametros de poro de la capa esponjosa se disminuyen significativamente, lo que hace que esta capa sea mas densa y mejor en la detencion del flujo sangumeo. La cavitacion tambien crea una subcapa de la capa compacta en la que las propias celulas se han visto perturbadas, creando una estructura mas homogenea que es mejor en la detencion del flujo sangumeo. El resultado de estos efectos es que la capa sellante puede hacerse significativamente mas delgada mientras que al mismo tiempo es significativamente mejor en la detencion de la hemorragia.

Con respecto a los vasos sangumeos disecados durante el proceso de corte, la figura 47 muestra como la componente radial del flujo calonfico de un flujo de plasma de oscilacion radial puede sellar los vasos sangumeos. Tal como se analizo en el caso de la coagulacion, la penetracion del plasma en los vasos sangumeos requiere que el plasma tenga baja densidad y alta presion dinamica dirigida al vaso sangumeo. Dado que el plasma de alta intensidad 360 tiene una gran presion dinamica con una componente radial significativa, puede proporcionar una gran presion dinamica 361 al vaso sangumeo 362. El plasma de alta intensidad puede penetrar en el vaso sangumeo 361 y calentar las paredes al descubierto del vaso sangumeo 363 para crear el efecto de sellado descrito con referencia a las figuras 43A-C.

El efecto cavitacional debido a ondas ultrasonicas generadas como resultado de oscilacion radial pueden ocluir por completo los orificios de vasos cortados a medida que continua realizandose el corte con oscilaciones ultrasonicas. De manera similar a los tejidos circundantes, las paredes de vaso sangumeo y la sangre se perturban y se coagulan mediante la onda acustica ultrasonica. El efecto cavitacional actua junto con la penetracion del plasma en el vaso para llevar a cabo el sellado del vaso.

Dados los beneficios asociados con ondas acusticas ultrasonicas, en la realizacion preferida para la tarea quirurgica de corte la frecuencia de oscilaciones es ultrasonica. El flujo de plasma de oscilacion volumetrica se genera preferiblemente usando una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia que oscila con una frecuencia de 20.000 -

30.000 Hz. En esta realizacion preferida, el nivel de corriente de polarizacion es de 6 A, el nivel de corriente de pulso es de 30 A y el ciclo de trabajo es de 0,05 - 0,15.

Los resultados en pruebas con animales han mostrado que puede acoplarse la coagulacion eficaz con la tarea quirurgica de corte usando la realizacion preferida. Se han cortado tejidos con velocidades de hemorragia caractensticas muy intensas sin hemorragia significativa o ausencia de la misma. Adicionalmente, se han sellado vasos con diametros de hasta 4 mm a medida que se cortaban.

5.4.3 Vaporizacion con plasma de oscilacion radial

Ademas de las tareas quirurgicas de coagulacion y de corte, tambien puede usarse un flujo de plasma para llevar a cabo la tarea quirurgica de vaporizacion. Como con el corte, el objetivo primario de la vaporizacion es la destruccion de tejido. En el corte, se destrrna una pequena cantidad del tejido para separar trozos de tejido entre sf En la vaporizacion, por otro lado, se destruye una determinada cantidad de tejido superficial enfermo o no deseable por lo demas. En tal situacion, el objetivo es destruir por completo el tejido no deseable mientras que se provoca el menor dano colateral posible. Este dano colateral incluye vaporizacion accidental de tejido sano adyacente y hemorragia de los tejidos al descubierto durante la vaporizacion. Por ejemplo, puede ser necesario tener que vaporizar nodulos tumorales cancerosos situados en un tejido que debe preservarse tal como en la medula espinal, el cerebro o los ovarios en vez de extirparse para proteger el tejido delicado que hay debajo.

Un flujo ideal de plasma para la vaporizacion debe proporcionar un control preciso de la profundidad de vaporizacion de tejido mientras que al mismo tiempo coagula eficazmente el tejido al descubierto durante la vaporizacion. Para este proposito, puede usarse un flujo de plasma de oscilacion radial. De hecho, el mismo flujo de plasma de oscilacion radial preferido para la tarea quirurgica de corte tambien se prefiere para la tarea de vaporizacion. Es decir, se genera el flujo de plasma de oscilacion volumetrica usando una corriente de onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia que tiene una frecuencia mayor de 2.000 Hz, preferiblemente de 20.000 - 30.000 Hz. El ciclo de trabajo del flujo de plasma de oscilacion volumetrica es preferiblemente de 0,05 - 0,15, la corriente de polarizacion es de 6 A y la corriente de pulso es de 30 A. Un flujo de plasma de oscilacion radial generado con esta onda de corriente pulsatoria polarizada de alta frecuencia se analizo con referencia a la figura 20A. En este caso, cortos intervalos de alta intensidad limitan la longitud del flujo de plasma a diferencia de concentrar la energfa proxima a la salida del dispositivo de generacion de plasma. Adicionalmente, tal como se describio anteriormente con referencia

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al corte, un flujo de plasma de este tipo de oscilacion volumetrica se optimiza para coagular eficazmente tejido al descubierto despues de la vaporizacion de la superficie. Si la frecuencia de las oscilaciones es ultrasonica, tambien se proporciona energfa ultrasonica al tejido, lo que mejora tanto la vaporizacion como la coagulacion, tal como se describio anteriormente con referencia al corte.

Aunque el flujo de plasma de oscilacion volumetrica preferido es el mismo para el corte y la vaporizacion, el proceso para realizar la tarea difiere. En el corte, el dispositivo se sostiene en la superficie del tejido, es decir a 0 mm desde la salida hasta el tejido. Esta posicion maximiza la cantidad de vaporizacion de tejido y acelera el proceso de corte. En la vaporizacion, por otro lado, se requiere un control preciso de la profundidad de destruccion. La figura 36 muestra que la distancia optima para la tarea de vaporizacion esta en la region 312. Preferiblemente, el dispositivo de generacion de plasma 32 se sostiene a una distancia de 2 - 5 mm desde la superficie del tejido. Dado que la temperatura disminuye rapidamente a lo largo de esta region, el operario tiene un buen control de la velocidad de vaporizacion simplemente moviendo el dispositivo hacia o lejos de la superficie del tejido.

Las figuras 48A-E muestran la vaporizacion de un tumor segun la realizacion preferida. La figura 48A muestra el tumor 371 que crece en la superficie de tejido sano 370 antes de la aplicacion del flujo de plasma de oscilacion radial. El objetivo del proceso es destruir por completo todo el tejido no deseado del tumor 371 mientras que se coagula simultaneamente el tejido subyacente. En la figura 48B, el dispositivo de generacion de plasma 372 ha producido el flujo de plasma de oscilacion radial 373 y se dirige a una parte del tumor 371. El dispositivo de generacion de plasma 372 se sostiene entre 2 - 5 mm desde la superficie del tumor 371. El operario ajusta la distancia del dispositivo de generacion de plasma 372 para mantener una velocidad de vaporizacion controlada y estable. Mientras que el flujo de plasma 373 se dirige al tumor 371, se producen multiples oscilaciones del flujo de plasma. Durante los intervalos de alta intensidad, el plasma de alta intensidad lleva a cabo tanto la sublimacion de tejido tumoral como la rapida formacion de la capa esponjosa 374. Durante los intervalos de baja intensidad, el plasma de baja intensidad tambien lleva a cabo la sublimacion de tejido tumoral. Debido a su menor temperatura y flujo calonfico, la velocidad de sublimacion lograda mediante el plasma de baja intensidad es mucho menor que la velocidad lograda mediante el plasma de alta intensidad. Sin embargo, el plasma de baja intensidad se aplica durante 8,5 - 20 veces mas tiempo que el plasma de alta intensidad, de modo que puede llevarse a cabo una sublimacion significativa incluso con la menor velocidad. Asf se produce una sublimacion sustancial incluso durante el intervalo de baja intensidad. Ademas de sublimacion, el plasma de baja intensidad tambien proporciona calor a la capa compacta a traves del proceso de difusion de calor desde el lfmite de fluido. Este proceso alternativo de coagulacion, en el que el plasma de alta y de baja intensidad actuan juntos para formar eficazmente una capa sellante, se describio anteriormente con respecto tanto a la coagulacion como al corte. Cuando el operario mueve el dispositivo de generacion de plasma 372 lateralmente hasta la posicion mostrada en la figura 48C, el flujo de plasma de oscilacion radial ha vaporizado parte del tumor 371 y formado simultaneamente una capa sellante para impedir la hemorragia.

La figura 48C muestra el tumor 371 despues de haberse dirigido varias oscilaciones de flujo de plasma 373 a otra parte del tumor. Normalmente, el operario mueve el dispositivo de generacion de plasma en un movimiento circular en paralelo a la superficie del tejido 370 de modo que se vaporiza todo el tumor a velocidad controlada y uniforme. En este momento, la parte superior del tumor 371 se ha destruido, pero cierta cantidad de tejido no deseado permanece incrustado en el tejido sano 370. En este punto del proceso, el operario puede retirar opcionalmente el dispositivo de generacion de plasma 372 y determinar si el tumor 370 se ha destruido por completo. Un modo de determinar si el tumor se ha destruido por completo es mediante examen visual o tactil. Si el tumor esta presente todavfa, tendra una textura perceptiblemente diferente a la del tejido sano 370.

Tal como se muestra en la figura 48D, el operario dirige de nuevo el dispositivo de generacion de plasma 372 al tumor 371. Para mantener la misma velocidad de vaporizacion, el dispositivo de generacion de plasma se mueve hacia delante ligeramente, permaneciendo dentro de 2 - 5 mm desde la superficie que esta vaporizandose. Como resultado, se vaporiza mas tejido tumoral no deseado. La figura 48D muestra que el plasma ha vaporizado pasado el fondo del tumor 371 y ha comenzado a vaporizar el tejido sano 370. Dado el control preciso que el operario tiene sobre la profundidad de destruccion, el operario podra cesar sistematicamente la vaporizacion poco despues de que se alcance el tejido sano 370. Adicionalmente, el tejido por debajo del tumor 371 se coagulo mediante el flujo de plasma de oscilacion radial, de modo que no se produce hemorragia. La vaporizacion del tejido por debajo de la superficie del tejido 370 ha formado una depresion en el tejido que tiene paredes 376. Dada la componente radial significativa de la presion dinamica proporcionada por un flujo de plasma de oscilacion radial, las paredes 376 tambien se coagularan eficazmente.

Para terminar el procedimiento, el dispositivo de generacion de plasma se dirige de nuevo a otras partes del tumor 371. Este movimiento se muestra en la figura 48E, en la que el dispositivo de generacion de plasma 372 se ha movido sustancialmente en paralelo a la superficie de tejido 370. La aplicacion continuada de flujo de plasma de oscilacion radial 373 ha destruido por completo el tumor 371. Todo lo que queda es tejido sano 370, junto con una capa sellante que detiene por completo incluso hemorragia muy intensa. Tal como se explico anteriormente con referencia a la coagulacion y el corte, la capa sellante tiene una morfologfa unica para los flujos de plasma de oscilacion volumetrica que los hace preferidos para detener altos niveles de hemorragia. La capa esponjosa 374, formada principalmente por un plasma de alta velocidad y baja densidad durante el intervalo de alta intensidad, tiene

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muchas subcapas correspondientes a cada intervalo de alta intensidad. Ademas, la capa compacta 375 es relativamente gruesa en comparacion con la capa esponjosa 375. Esto es posible dado que durante el intervalo de baja intensidad, el plasma de baja intensidad tuvo la oportunidad de calentar el tejido en la capa compacta sin destruir por completo la capa esponjosa formada durante el intervalo de alta intensidad.

El analisis anterior de la vaporizacion se aplica a flujos de plasma de oscilacion radial con frecuencias mayores de

2.000 Hz. Si la frecuencia es ultrasonica, la tarea quirurgica de vaporizacion se mejora mediante la energfa ultrasonica adicional transferida al tejido. En la realizacion preferida, la frecuencia de las oscilaciones es de 20.000 -

30.000 Hz. Los beneficios de la energfa ultrasonica para la vaporizacion son muy similares a los beneficios observados en la tarea quirurgica de corte. Espedficamente, la cavitacion en la superficie del tejido provoca fragmentacion, que ayuda en la destruccion del tumor. La cavitacion dentro del tejido tambien mejora la estructura de las capas sellantes. Por ejemplo, los diametros de poro de la capa esponjosa se reducen. Adicionalmente, la capa compacta tiene una subcapa que se compone de tejido homogeneizado cuando la cavitacion ha destruido la estructura celular individual. Esta subcapa homogeneizada es particularmente efectiva para la coagulacion. El resultado final es que el grosor de la capa sellante puede ser relativamente delgado sin sacrificar la capacidad para detener una hemorragia muy intensa. Esto es particularmente importante para la tarea quirurgica de vaporizacion, en la que debe destruirse tejido mientras que se minimiza el dano colateral.

Ademas de la coagulacion de tejido, un flujo de plasma de oscilacion radial usado para la vaporizacion tambien puede sellar simultaneamente los vasos sangumeos al descubierto mediante el proceso de vaporizacion. Las figuras 49A-B muestran el vaso sangumeo 38 que se sella durante la vaporizacion. La figura 49A muestra el tejido 370 cerca del final del procedimiento de vaporizacion. El vaso sangumeo 378, que proporciona sangre al tejido recien vaporizado, esta ahora al descubierto. A menos que se selle el vaso sangumeo 378, continuara fluyendo sangre 379 fuera del vaso. Cuando se observa tal vaso al descubierto, el operario puede usar el mismo flujo de plasma de oscilacion radial usado para la vaporizacion para sellar el vaso al descubierto. Para hacerlo, el operario dirige el flujo de plasma de oscilacion radial 373 al vaso 378. Debido a la presion dinamica y el flujo calonfico elevados, el flujo de plasma 373 puede evaporar sangre 379 y penetrar de manera profunda en el vaso sangumeo 378. Debido a esto, las paredes del vaso sangumeo 377 se calentaran hasta una profundidad de 1 - 1,5 diametros de vaso. A medida que se calientan las paredes 377 se hincharan hasta que ocluyan por completo el vaso sangumeo 378, formando un sello para detener el flujo sangumeo. Esto se muestra en la figura 49B. Aunque se muestra el vaso 378 en el fondo de la depresion formada por el procedimiento de vaporizacion, es posible que el vaso sangumeo pudiera estar al descubierto a lo largo de la pared 376 de la depresion. Incluso aunque el vaso 378 no este alineado con el eje del flujo de plasma en este caso, el flujo de plasma de oscilacion radial todavfa puede llevar a cabo el sellado del vaso. Esto se debe a una componente radial significativa de la presion dinamica del flujo de plasma 373.

Aunque el analisis anterior de las figuras 49A-B describe el proceso de sellado del vaso por separado de la vaporizacion, debe indicarse que el proceso de sellado del vaso se produce simultaneamente al proceso de vaporizacion. El operario no altera significativamente el procedimiento de vaporizacion descrito con referencia a las figuras 48A-E. Como mucho, el operario puede necesitar dedicar ligeramente mas tiempo en dirigir el flujo de plasma 373 a una parte particular del tumor 371 para sellar un vaso, antes de proceder a terminar el procedimiento de vaporizacion para todo el tumor.

Ademas, en la realizacion preferida, con una frecuencia de oscilaciones en el rango de 20.000 - 30.000 Hz, el efecto cavitacional debido a las ondas acusticas ultrasonicas ayuda a sellar los vasos sangumeos. Experimentos muestran que el grosor de las paredes de vaso sangumeo aumenta en un factor de 5, en comparacion con el hinchamiento que se obtiene con una onda ultrasonica, lo que facilita un rapido sellado del vaso.

5.5 Aplicaciones no quirurgicas

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica tambien son utiles para una variedad de aplicaciones no quirurgicas. Estas incluyen aplicaciones medicas, aparte de cirugfa asf como aplicaciones que no son medicas.

5.5.1 Tratamiento de heridas, cosmeticos y tratamiento del dolor

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica pueden usarse para aplicaciones medicas no quirurgicas. Por ejemplo, estos flujos de plasma pueden usarse en procedimientos para tratamiento de heridas, tratamiento del dolor y cirugfa plastica. En estos procedimientos, un flujo de plasma de oscilacion volumetrica se dirige a un tejido. El objetivo del procedimiento es llevar a cabo efectos beneficiosos generando y administrando determinados productos qmmicos de manera profunda en el tejido en presencia de calor y luz. Estos productos qmmicos, como NO u ozono, pueden formarse a medida que se introducen los reactantes en el flujo de plasma. Estos reactantes pueden ser aire, otros gases, o de manera concebible otros materiales. Una vez introducidos en el flujo de plasma, estos reactantes se calientan y participan en reacciones qmmicas que forman los productos qmmicos deseados. Estos productos qmmicos se dirigen entonces a la superficie del tejido. En estas aplicaciones, el calor total proporcionado al tejido es preferiblemente bajo. Por tanto, en una realizacion preferida, el flujo de plasma de oscilacion volumetrica dirigido al tejido es un flujo de plasma intermitente de oscilacion volumetrica.

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Un beneficio clave del uso de flujos de plasma para llevar a cabo la administracion de farmacos en estas aplicaciones es el alto nivel de penetracion de farmacos en el tejido. Se ha mostrado que la administracion era significativamente mejor cuando se usaban flujos de plasma en comparacion con metodos que administran los farmacos en “fno” a la superficie del tejido. El uso de un flujo de plasma de oscilacion volumetrica en vez de un flujo de plasma continuo, esta administracion de farmacos es incluso mas eficaz. El beneficio de los flujos de plasma de oscilacion volumetrica se debe a las rafagas de plasma de alta intensidad que alcanzan mayores temperaturas que las que puede alcanzar un plasma continuo sin danar los componentes del dispositivo. Estas temperaturas aumentadas disminuyen la densidad y aumentan la presion dinamica, lo que da como resultado penetracion de farmacos y plasma mejorada.

Se ha mostrado que los ultrasonidos tienen un efecto sinergico con algunos farmacos, denominado quimiopotenciacion. Los ultrasonidos afectan a las membranas celulares y aumentan temporalmente su permeabilidad. Cuando se combinan con farmacos terapeuticos, mas moleculas de farmaco difunden a las celulas y producen un efecto terapeutico potenciado. Este efecto sinergico hace que el tratamiento con estos farmacos sea mas eficaz. En una realizacion preferida, el flujo de plasma de oscilacion volumetrica oscila con una frecuencia ultrasonica, es decir la frecuencia de las oscilaciones es mayor de 20.000 Hz.

5.5.2 Eliminacion de desechos con plasma

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica pueden usarse para destruir desechos de manera eficaz. El uso de plasma continuo para la eliminacion de desechos se conoce bien, y el proceso se denomina gasificacion por arco de plasma. En la gasificacion, se dirigen uno o mas flujos de plasma a los desechos en el interior de un horno grande equipado para capturar subproductos gaseosos y solidos. Los flujos de plasma con una alta temperatura provocan disociacion molecular en los desechos y los convierten en componentes qmmicos simples. Este proceso destruye de manera segura desechos municipales, peligrosos y medicos en vez de almacenarlos en vertederos. Los subproductos resultantes del proceso de gasificacion incluyen metales y silicatos regenerados valiosos, combustible y productos intermedios de combustible tales como gas de smtesis, y productos qmmicos utiles para aplicaciones industriales.

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica y particularmente los flujos que oscilan a frecuencias ultrasonicas pueden usarse para mejorar la eficacia de la eliminacion de desechos con plasma. Si oscilan a una frecuencia ultrasonica, los flujos de plasma suministran energfa ultrasonica a los desechos ademas de las altas temperaturas de un flujo de plasma tfpico. Esta energfa ultrasonica agita los desechos y los fragmenta en pequenos trozos. Esta agitacion acelera preferiblemente las reacciones qmmicas que destruyen los desechos.

Un problema actual de los sistemas de gasificacion por arco de plasma es la rapida descomposicion de los componentes del sistema de eliminacion de desechos con plasma expuestos a las altas temperaturas del plasma. Por ejemplo, los revestimientos de los hornos de plasma en sistemas tfpicos pueden tener una vida util de un ano o menos. Las cortas vidas de los componentes aumentan los costes de mantenimiento de tales sistemas. Sin embargo, usando un flujo de plasma de oscilacion volumetrica, la temperatura promedio puede mantenerse relativamente baja mientras que se proporcionan rafagas de plasma de alta intensidad a temperaturas muy altas. Esta menor temperatura promedio reduce preferiblemente la tension sobre los componentes del sistema y aumenta sus vidas utiles.

La figura 50 muestra una realizacion a modo de ejemplo de un sistema de eliminacion de desechos con plasma de oscilacion volumetrica. Los desechos 401 entran en el horno 402 a traves de la entrada de desechos 403. Los dispositivos de generacion de plasma 404 proporcionan flujos de plasma de oscilacion volumetrica 405 que durante el funcionamiento destruyen los desechos 401. Se acumula escoria 406 que se compone de subproducto solido fundido en el fondo del horno 402 y se recoge para procesamiento adicional. Se capturan los subproductos gaseosos mediante el sistema de ventilacion 407.

En algunas realizaciones, los dispositivos de generacion de plasma 404 pueden tener dimensiones mucho mas grandes que las dimensiones preferidas para realizaciones adoptadas para aplicaciones medicas. Para el procesamiento de desechos a gran escala, los niveles de corriente, los caudales de gas de generacion de plasma y los diametros de diversas porciones del canal de calentamiento pueden ser muchas veces mas grandes que las dimensiones correspondientes de realizaciones quirurgicas descritas anteriormente.

5.5.3 Limpieza con plasma

Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica tambien pueden usarse en sistemas y metodos mejorados para la limpieza con plasma. En realizaciones preferidas, componentes de un plasma interaccionan con una superficie de varios modos para retirar contaminantes y crear una superficie ultralimpia. En primer lugar, los atomos de gas de generacion de plasma neutros se dirigen con una alta velocidad a la superficie que esta tratandose, retirando y vaporizando contaminantes. En segundo lugar, otros gases introducidos en el flujo de plasma, tales como oxfgeno, se activan y reaccionan con contaminantes para formar nuevos compuestos que se retiran facilmente de la superficie. En tercer lugar, los fotones generados por el flujo de plasma descomponen enlaces moleculares en los

contaminantes, facilitando su retirada. Por ejemplo, pueden retirarse contaminantes organicos de alto peso molecular de un sustrato semiconductor para crear una superficie ultralimpia apropiada para la fabricacion de componentes electronicos.

5 Los flujos de plasma de oscilacion volumetrica que oscilan a frecuencias ultrasonicas proporcionan energfa ultrasonica adicional que mejora preferiblemente el proceso de limpieza. De manera similar a la accion de un sonicador, la adicion de ene^a ultrasonica agita la superficie que esta tratandose y mejora la eficacia de los reactantes en la retirada de partfculas fuertemente adheridas o incrustadas.

10 6 Equivalentes

Pueden realizarse muchas modificaciones y variaciones de esta invencion sin apartarse de su alcance, tal como resultara evidente para los expertos en la tecnica. Las realizaciones espedficas descritas en el presente documento se ofrecen unicamente a modo de ejemplo, y la invencion ha de limitarse solo mediante los terminos de las 15 reivindicaciones adjuntas, junto con el alcance total de los equivalentes a los que tienen derecho tales reivindicaciones.

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Claims

REIVINDICACIONES

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45 10.
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Sistema que comprende:

a) una fuente de energfa (31); y

b) un dispositivo de generacion de plasma (32) que comprende una punta (2) que tiene una salida (3), estando el dispositivo configurado para generar y descargar a traves de dicha salida (3) un flujo de plasma en aire, teniendo el flujo un eje direccional y una zona activa definida por un plasma que tiene una temperatura por encima de un umbral, caracterizado porque

la fuente de energfa (31) esta configurada para proporcionar energfa con una densidad de potencia que vana segun un patron controlado;

la zona activa se expande y se contrae volumetricamente a lo largo del tiempo segun el patron de densidad de potencia de la fuente de energfa, en el que una porcion del plasma en una zona activa contrafda tiene una primera temperatura de al menos 10.000 K; y

la porcion del plasma en una zona activa expandida tiene una segunda temperatura de al menos 10.000 K por encima de la primera temperatura.

Sistema segun la reivindicacion 1, en el que el umbral es de 10.000 K.

Sistema segun la reivindicacion 1, en el que la zona activa se expande y se contrae a una frecuencia de al menos 20 Hz.

Sistema segun la reivindicacion 2, en el que la porcion del plasma en la zona activa expandida retiene la segunda temperatura durante aproximadamente 2,5 - 7,5 ms.

Sistema segun la reivindicacion 1, en el que la zona activa se expande y se contrae a una frecuencia de al menos 2.000 Hz.

Sistema segun la reivindicacion 5, en el que la porcion del plasma en la zona activa expandida retiene la segunda temperatura durante aproximadamente 25 - 75 |is.

Sistema segun la reivindicacion 5, en el que la zona activa se expande y se contrae a una frecuencia de al menos 20.000 Hz.

Sistema segun la reivindicacion 7, en el que la porcion del plasma en la zona activa expandida retiene la segunda temperatura durante aproximadamente 2,5 - 7,5 |is.

Sistema segun la reivindicacion 7, en el que la porcion del plasma cuando se expande la zona activa tiene la segunda temperatura durante 17,5 - 32,5 |is.

Sistema segun la reivindicacion 9, en el que, periodicamente, las oscilaciones de la primera porcion del espacio duran 2,5 - 7,5 ms, y un tiempo en el que no se producen oscilaciones de la primera porcion del espacio dura 42,5 - 47,5 ms.

Metodo de generacion de un flujo de plasma usando un dispositivo de generacion de plasma (32) que comprende una punta (2) que tiene una salida (3), comprendiendo el metodo:

a. suministrar un gas de generacion de plasma al dispositivo de generacion de plasma;

b. proporcionar una energfa con una densidad de potencia al gas de generacion de plasma para formar un flujo de plasma, en el que la densidad de potencia cambia segun un patron controlado que tiene un nivel bajo y un nivel alto; y

c. descargar desde la salida (3) del dispositivo de generacion de plasma el flujo de plasma que alterna entre

i. un plasma de baja intensidad con una temperatura en la salida de al menos 10.000 K, y

ii. un plasma de alta intensidad con una temperatura en la salida (3) de al menos 10.000 K por encima de la temperatura del plasma de baja intensidad en la salida, y

en el que el plasma de baja intensidad corresponde a la energfa con la densidad de potencia de
12. 5

nivel bajo y el plasma de alta intensidad corresponde a la ene^a con el nivel de densidad de potencia de alta intensidad. Metodo segun la reivindicacion 11, en el que el patron controlado es una onda pulsatoria polarizada modulada, en el que una onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia se modula mediante una onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia.
13.

Metodo segun la reivindicacion 12, en el que se proporciona la energfa mediante un arco electrico que pasa a traves del gas de generacion de plasma.
10 14.

Metodo segun la reivindicacion 13, en el que el arco electrico tiene una corriente de nivel bajo de 3 -10 A y una corriente de nivel alto de 25 - 30 A.
15. 15

Metodo segun la reivindicacion 14, en el que la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia es de 20.000 Hz o superior.
16.

Metodo segun la reivindicacion 15, en el que el ciclo de trabajo de la onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia es de 0,35- 0,65.

o CM

Metodo segun la reivindicacion 16, en el que la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia es de 20 - 100 Hz.
18.

Metodo segun la reivindicacion 17, en el que el ciclo de trabajo de la onda pulsatoria polarizada de baja frecuencia es de 0,05- 0,15.
25 19.

Metodo segun la reivindicacion 18, en el que el gas de generacion de plasma se suministra al dispositivo de generacion de plasma a un caudal de 0,1 - 0,6 l/min a temperatura ambiente.

o CM O CO

Metodo segun la reivindicacion 12, en el que el plasma descargado experimenta variaciones volumetricas radiales y variaciones volumetricas axiales a gran escala.
21.

Metodo segun la reivindicacion 11, en el que el patron controlado es una onda pulsatoria polarizada.
22. 35

Metodo segun la reivindicacion 21, en el que se proporciona la energfa mediante un arco electrico que pasa a traves del gas de generacion de plasma.
23.

Metodo segun la reivindicacion 22, en el que el arco electrico tiene un nivel de corriente bajo de 3 - 10 A y un nivel de corriente alto de 25 - 30 A.

CM o

Metodo segun la reivindicacion 23, en el que la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada de alta frecuencia es de 20 - 200 Hz.
25.

Metodo segun la reivindicacion 24, en el que el ciclo de trabajo de la onda pulsatoria polarizada es de 0,05 - 0,15.

CD CM LO

Metodo segun la reivindicacion 25, en el que el gas de generacion de plasma se suministra al dispositivo de generacion de plasma a un caudal de 0,1 - 0,6 l/min a temperatura ambiente.

CM o LO

Metodo segun la reivindicacion 19, en el que el plasma descargado experimenta variaciones volumetricas axiales a gran escala.
28.

Metodo segun la reivindicacion 26, en el que la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada es de 2.000 Hz o superior.

55 29.

Metodo segun la reivindicacion 22, en el que la frecuencia de la onda pulsatoria polarizada es de 20.000 Hz o superior.
30.

Metodo segun la reivindicacion 29, en el que el ciclo de trabajo de la onda pulsatoria polarizada es de 0,05 - 0,15.

CO o CD

Metodo segun la reivindicacion 30, en el que el gas de generacion de plasma se suministra al dispositivo de generacion de plasma a un caudal de 0,1 - 0,6 l/min a temperatura ambiente.
32. 65

Metodo segun la reivindicacion 21, en el que el plasma descargado experimenta variaciones volumetricas radiales.

Metodo segun la reivindicacion 21, en el que se proporciona la energfa mediante una corriente de funcionamiento de un flujo de plasma intermitente.