KR20150120938A - 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법 - Google Patents

저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법 Download PDF

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KR20150120938A
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조세프 스르프
조세프 꼬로우스
얀 힌터코프
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노쓰코 벤쳐스 게엠베하 운트 코 카게
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Abstract

본 발명은,
a) 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기(1);
b) 변압기(1)에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브(2); 및
c) 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치(3)
를 포함하는, 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직(G) 처리 장치에 관한 것으로,
변압기(1)에 의해 생성된 전자기장의 전력이 대응하는 애플리케이션에 대하여 자동으로 설정될 수 있게 하는 안전 장치(30)가 상기 제어 장치(3)와 관련된다.

Description

저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR TREATING BIOLOGICAL TISSUE WITH A LOW-PRESSURE PLASMA}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 항균성을 가지는 것이 알려져 있다. 플라즈마의 항균 효과의 근거는 열, 건조, 전단 응력(shear stress), UV 복사, 자유 라디칼 및 전하에 있다. 저온 플라즈마(cold plasma)라고도 불리는 저압 플라즈마(low-pressure)의 경우, 이러한 플라즈마가 실온에서 작동되기 때문에, 열은 부수적인 역할을 한다. 이러한 저압 플라즈마에서, 특히, 간접 노출로 유기 화합물을 손상시키기에 충분히 긴 수명을 갖는 상이한 산소 또는 질소 화학종과 같은 반응성 입자가 생성된다. 이러한 입자는 그 중에서도 원자 산소, 초산화 라디칼, 오존, 하이드록실 라디칼, 일산화질소 및 이산화질소를 포함한다. 이러한 입자는 대부분의 다양한 세포 성분에 파괴적 효과를 보인다.
박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물이 플라즈마에 직접 노출되면, 이는 플라즈마 내에 존재하는 전자와의 충격(bombardment)에 의해 음으로 대전되게 된다. 정전기 척력 때문에, 이는 인장 강도를 초과하는 정도의 기계적 응력과 세포벽의 파괴를 야기한다. 그러나, 세포벽은 전하에 따른 기계적 항력뿐만 아니라 예를 들어 세포벽의 투자율의 변동에 기인한 상이한 다른 정전기 상호 작용과 전기 분해에 의해 세포벽의 전하 균형의 붕괴에 의해 파괴될 수 있다. 또한, 미생물의 비활성화를 위한 메커니즘은 용량 결합된 시스템에서 100 eV보다 클 수 있는 매우 높은 에너지 이온에 의해 생성된다. 이러한 화학종과의 충격은 세포의 구조적 완전성을 변경하거나 파괴할 수 있다; 그러나, 이러한 이온 빔을 생성하기 위한 장치는 복잡하며, 살아 있는 생체 조직, 특히 인간 또는 동물 조직을 장치에 대하여 매우 높은 비용으로 처리하는 데에만 적합하다.
따라서, 저압 플라즈마는, 조직의 살균, 특히 조직 내에서 또는 그 상에서 위치하는 박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물을 죽이는 것을 달성하도록, 인간 또는 동물 조직, 특히 피부 표면, 개방창(open wound), 잇몸, 구강 등의 처리에 적합하다.
오존으로 생체 조직을 처리하는 장치 및 방법이 DE 10 2005 000 950 B3으로부터 알려져 있다. 이 장치는, 실질적으로, 직류 전압 성분을 가지거나 가지지 않는 대부분의 다양한 특성을 갖는 특수하게 통제되는 전압 또는 전류의 생성을 위하여 제어 장치를 이용하여 전압 및/또는 전류 세기가 조정될 수 있는 변압기로 구성된다. 이 경우에, 직류 전압 성분은 외부 전압원 또는 회로의 도움으로 처리될 생체 조직에서의 추가 전극에 의해 구축된다. 변압기의 1차 코일은 고주파수 교류 전류가 흐르는 댐핑된 발진 회로의 코일이다. 충전될 커패시터와 함께, 2차 코일은 주파수가 변압기의 주파수에 대응하는 공진 회로를 형성한다. 공진 변압기는 종종 전류원 역할을 한다. 따라서, 예를 들어, 구강 내의 치료를 위한 잇몸 또는 오존을 이용한 피부를 위한 피부 조직과 같은 상이한 조직 타입의 치료가 가능하다. 펄스 생성기의 전력의 설정은 제어 장치에 배치된 동작 요소에 의해 발생한다. 로터리 노브(rotary knob)에 의해, 전력은 수치 눈금을 참조하여 사용자 또는 주치의에 의해 전력 범위 내에 설정된다.
그러나, 이러한 공지된 장치로는, 부정확한 전력 범위가 설정되게 하는 동작 에러가 있을 수 있다. 예를 들어, 치과 치료를 위하여, 피부과적 애플리케이션을 위한 전력 범위가 선택될 수 있다. 이러한 부정확한 설정은 환자에 대한 매우 고통스러운 치료 및 가능성 있게는 심지어 건강 문제까지 야기한다.
따라서, 본 발명의 과제는, 이러한 부정확한 설정이 제거되는 방식으로 청구항 1의 전제부의 특징을 갖는 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하는 장치를 수정하는 것이다. 1차 코일과 2차 코일 사이의 플래시오버 없이 치료가 가능하게 하는 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 치료 방법을 제공하는 것이 본 발명의 다른 과제이다.
장치의 측면에서, 이 과제는 청구항 1의 모든 특징을 갖는 장치에 의해 획득된다. 방법의 측면에서, 이 과제는 청구항 12의 모든 특징을 갖는 방법에 의해 획득된다. 본 발명의 유익한 실시예들은 독립항인 청구항 1 및 11에 종속하는 청구항에서 설명된다.
저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 본질적으로,
- 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기;
- 변압기에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브; 및
- 변압기에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치
를 포함하고,
변압기에 의해 생성된 전자기장의 전력이 대응하는 애플리케이션에 대하여 자동으로 설정될 수 있게 하는 안전 장치가 제어 장치와 관련된다. 본 발명에 따른 장치의 이러한 특수한 구성에 의해, 안전 장치가 필요한 처리를 위하여 필요하고 감지 가능한 처리를 자동으로 설정하는 것을 보장하여, 이에 따라 변압기의 증가된 전력 소비를 발생시키는 동작 에러가 방지된다.
유익하게는, 변압기는 제어 장치의 전기적/전자적 연결을 위하여 프로브를 위한 커플링의 반대편에 있는 커플링을 갖는 변압기 하우징을 포함하고, 변압기 하우징은 바람직하게는 핸들로서 구축되고 대응하여 인간 공학적으로 형성된다. 변압기 자체 및 제어 유닛이 변압기 하우징 내부에 배치될 수 있기 때문에, 이러한 조치는 본 발명에 따른 전체 장치의 컴팩트한 구축에 관련된다. 단지, 생체 조직의 처리를 위한 프로브와, 적절하다면, 본 발명에 따른 장치에 전력을 공급하기 위한 외부 전원만이 변압기 하우징 내부에 배치되지 않는다. 또한, 기본 형상이 원통형인 핸들로서의 변압기 하우징의 인체 공학적 구성은 사용자에 의한 본 발명에 따른 장치의 쾌적하고 신뢰성 있는 핸들링을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 유익한 아이디어에 따라, 본 발명에 따른 장치의 컴팩트한 구성과 간단하고 신뢰성 있고 쾌적한 핸들링이라는 주어진 이유로, 제어 장치는 변압기 하우징 내에 배치된다.
그러나, 소정의 애플리케이션을 위하여, 제어 장치를 변압기 하우징의 외부에 배치하는 것이 의미 있을 수 있다. 특히, 매우 섬세한 처리가 수행되어야 할 때, 핸들로서 디자인된 변압기 하우징 내부의 추가적인 무게는 본 발명에 따른 장치의 핸들링에 있어서 방해가 된다.
본 발명에 따른 장치가 동작에 필요한 전력을 공급받을 수 있도록, 제어 장치는 전기 전원에 연결될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 특히 핸들로서 디자인된 변압기 하우징의 내부에 배치된 제어 장치의 경우에, 변압기 하우징 내에 유사하게 수용되는 배터리 또는 축전지의 형태를 갖는 전원은 변압기 하우징 외부에 배치될 수도 있다. 이것은 특히 본 발명에 따른 전체 장치가 고정 전원에 독립적으로, 특히 공용 또는 비공용 전력망에 독립적으로 작동될 수 있기 때문에, 특히 의미 있다. 그러나, 물론, 제어 장치가 연결될 수 있는 전원으로서 고정 전원 또는 공용 또는 비공용 전력망을 제공하는 것이 고려될 수 있다.
본 발명의 특히 유익한 개념에 따르면, 안전 장치는 프로브 또는 제어 장치와 관련되는 커플링 내부 또는 프로브와 변압기 사이의 전기 플러그 타입 연결 시스템 내부의 점퍼(jumper)로서 설계된다. 이 경우에, 플러그 타입 연결 시스템 내의 점퍼는 일종의 스위치로서 작용하며, 이에 의해 제어 장치 또는 변압기의 전력 소비가 제어 장치에 의해 정해질 수 있다. 점퍼의 위치 또는 배치에 따라, 용도가 예를 들어 잇몸 또는 개방창(open wound)과 같은 피부 상의 외부 처리면인 처리될 조직의 함수로 특정된다. 유익하게는, 동작 에러가 방지될 수 있도록, 본 발명에 따른 장치의 동작 요소에 스위치가 없다. 또한, 본질적으로, 이러한 스위치가 제공될 수 있지만, 이는 제어 장치를 이용한 대화 이후에만 작동될 수 있고, 사용자는 적어도 한 번 전력의 변화를 확인하여야 한다. 또한, 이러한 전력의 변화가 특정 기간, 예를 들어 30초 동안만 애플리케이션에 대하여 발생하도록 특정될 수 있다. 이 기간의 만료 이후, 전력 변화에 대한 새로운 확인이 발생할 필요가 있을 수 있다. 유익하게는, 이러한 기능은 예를 들어 제어 장치 내에 통합된 프로세서에 의해 모니터링될 수 있다.
그러나, 안전 장치가 프로세서로서 설계되고 본 발명에 따른 장치의 안전 기능이 프로세서 내에서 실행되는 소프트웨어에 의해 제어된다면 특히 유익하다.
본 발명의 다른 개념에 따라, 프로세서는 프로브와 통신하도록 설계된다. 그 다음, 프로브는, 예를 들어, 이것이 디자인되는 애플리케이션에 관하여 프로세서에 통지하여, 변압기가 이 프로브를 위하여 필요한 전력만을 생성하게 하도록 프로세서를 유도한다. 따라서, 이 점에서, 프로세서는 또한 제어 장치 및/또는 변압기를 위한 전력 파라미터의 판단을 위하여 디자인된다.
프로세서가 제어 장치 및/또는 변압기를 위한 전력 파라미터의 제어 장치로의 포워딩, 특히 암호화된 포워딩을 위하여 디자인되는 것이 유익한 것으로 증명되었다. 따라서, 프로세서는 프로브와의 직접 통신을 통해 암호화된 형태로 수신한 전력 파라미터를 제어 장치에 포워딩할 수 있다.
본 발명의 독립적인 개념에 따라, 안전 장치는 통신 목적으로 센서에 연결되고, 센서는 프로브의 처리면의 환경 파라미터를 판단하고, 특히 센서는 프로브의 처리면의 환경에서의 대기의 조성을 판단한다. 사실, 대기의 조성을 참조하여, 구강 내의 또는 환자의 피부 상의 치료가 발생하여야 하는지를 인식하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명은, 본 발명에 따른 장치에서의 구조적 변화 또는 제어되지 않은 조정을 수행할 필요 없이, 인체의 외부 또는 내부에 제공된 표시를 위하여 필요한 전력 범위의 자동 조정을 가능하게 한다. 상이한 애플리케이션 및 전력 범위에 대하여 사용되는, 본 발명에 따른 개별 컨버터 또는 플라즈마 생성기는 제어 장치의 디자인에 있어서 상이하다. 제어 장치는, 제3 자의 동작 없이, 그리고 환자에게 피해를 주지 않으면서, 성공적 치료에 대한 표시에 따라, 필요한 전력을 자동으로 조정한다.
인체의 외부 또는 내부의 대기의 사용이 무해하고 동시에 성공적인 표시를 위하여 사용될 수 있는지에 관한 상당한 차이점은 건조하거나 촉촉한 상태의 대기의 변화된 구성 성분에 있다. 이것은 도 7에 예시된다. 이는 지상에서의 건조하고 순수한 대기 공기의 조성을 보여준다.
표에서의 비교는 순전히 호흡에 기인하는 구강 내의 공기의 조성의 변화된 구성 성분을 나타낸다.
흡기 비율 가스 호기 비율
78% 질소 79%
21% 산소 16%
0.04% 이산화탄소 4%
1% 불활성 가스 1%
더 유익한 실시예에서, 장치가 공기를 분석하기 위한 측정 장치, 예를 들어, 산소 함량 및/또는 이산화탄소 함량을 판단하는 측정 장치를 가지는 것이 고려될 수 있다. 이 조치는 특정 애플리케이션을 나타낼 수 있고, 펄스 또는 전력이 이에 따라 설정될 수 있다.
처리될 조직으로의 인가를 위해 필요한 저주파수 플라즈마가 프로브에 의해 생성되기 때문에, 실제 처리를 수행하는 프로브는 바람직하게는 유리 프로브로서 구축된다. 이러한 유리 프로브는 핸들링하기에 간단하며, 생체 조직에 대한 또는 그 내의 인가에 대하여 생리학적으로 무해하다.
이 경우에, 대기압에 대하여 감소된 압력 하에서 또는 부분적인 진공 하에서, 바람직하게는 500 Pa 내지 최대 3000 Pa의 감소된 압력 하에서, 전도성 가스, 바람직하게는 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물로 유리 프로브를 채우는 것이 가치 있는 것으로 증명되었다. 이러한 전도성 가스, 특히 바람직하게는 아르곤 및/또는 네온의 불활성 가스 및 불활성 가스 혼합물로, 저주파수 플라즈마의 생산 및 이에 따른 본 발명에 따른 전체 장치는 특히 효율적이다. 유리 프로브는 변압기에 의해 공급된 고주파수의 높은 전압을 유리 프로브의 내부로 전도시키는 금속 콘택에 의해 일단에서 닫힌다. 유리 프로브 내에서, 가스는 고주파수 전자기장에 노출되고, 이에 따라 글로우 방전(glow discharge)을 생성한다. 이 경우에, 변압기의 출력은 유리 프로브 내부에서 전도성 가스를 이용하여 유리 프로브의 처리면에 전달되는 1800 V와 35000 V 사이의 범위의 전압이 설정될 수 있는 방식으로 제어 장치에 의해 조정될 수 있다. 유리 프로브의 처리면이 처리될 생체 조직의 바로 위에 위치된다면, 이 전압은, 선택적으로는, 처리될 생체 조직의 표면의 전기 저항과 유리 프로브의 처리면과 처리될 생체 조직의 표면 사이의 가스, 특히 공기의 저항의 함수로서, 그 사이에 설정된다.
변압기에 의해 제공된 고주파수의 높은 전압이 프로브에 의해 효율적으로 사용될 수 있도록, 변압기와 프로브 사이의 양호하고 신뢰성 있는 전기 콘택이 필수 불가결하다. 본 발명의 독립적인 개념에 따라, 이것은 프로브가 콘택 스프링을 이용하여 변압기에 전기적/전자적으로 연결될 수 있다는 점에서 달성된다. 이 경우에, 콘택 스프링이 변압기 또는 변압기 하우징 상에 배치되는 것이 생각될 수 있다. 한편, 콘택 스프링은 프로브 상에 배치될 수도 있다. 양 경우에, 프로브와 변압기 사이의 커플링 내에서 바람직하지 않은 작용이 발생하더라도, 콘택 스프링은 프로브와 변압기 사이의 전기적 콘택을 보장한다.
전술한 바와 같은 장치로 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 본질적으로,
a) 0.1 ㎂ 내지 300 ㎂의 2차 코일(5) 측에서의 전류 세기로 12 V 내지 600 V 범위의 전기적인 직류 전압 또는 저주파수 교류 전압의 형태로 전력을 제공하는 단계;
b) 전기적인 직류 전압 또는 전기적인 저주파수 교류 전압을 10 kHz 내지 50 kHz의 고주파수 교류 전압으로 변환하는 단계;
c) 고주파수 교류 전압을 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위로 변압하는 단계; 및
d) 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위의 고주파수 교류 전압을 1 mm 내지 5 cm의 간격으로 처리될 생체 조직 위로 위치 설정된 프로브(2), 바람직하게는 유리 프로브로 전달하는 단계
를 포함한다.
이와 관련하여, 치과 분야에서의 애플리케이션에서, 예를 들어, 구강 내의 세균의 처리에 있어서, 2차 코일의 측에서의 전류 세기는 0.1 ㎂ 및 100 ㎂ 사이에 있도록 선택되고, 다른 조직 표면에 대한 애플리케이션, 특히 처리될 피부 또는 환자의 나머지의 피부 과학적 치료나 부인과 애플리케이션에서, 2차 코일의 측에서의 전류 세기는 0.1 ㎂ 및 300 ㎂ 사이에 있도록 선택된다.
본 발명의 다른 목적, 이점, 특징 및 가능한 애플리케이션은 도면을 참조하여 실시예에 대한 이어지는 설명으로부터 자명하다. 이 경우에, 설명되고 그리고/또는 예시된 모든 특징은 단독으로 또는 임의의 의미 있는 조합으로 고려되어, 청구항에서의 구성 및 그 관계에 관계없이 본 발명의 내용을 형성할 수 있다.
도 1은 변압기 하우징 내의 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 변압기를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 변압기 하우징을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 다른 회로도를 도시한다.
도 5는 고주파수 전압 펄스의 전형적인 펄스 패턴을 도시하며, 전류 세기는 시간에 대하여 ㎂ 단위로 도시된다.
도 6은 유전체 배리어 방전의 개략적인 표현을 도시한다.
도 7은 지상에서의 건조하고 순수한 대기 공기의 조성의 표현을 도시한다.
도면에서, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하는 본 발명에 따른 장치의 실시예의 다양한 요소가 도시된다.
도 1은, 예를 들어, 1차 코일(4)과 2차 코일(5)로 형성된 변압기가 내부에 배치되고, 제어 장치(3)가 커플링(9)을 통해 연결되는 본 발명의 장치의 변압기 하우징(8)의 일 실시예를 도시한다. 그 다음, 제어 장치(3)는 변압기(1)로 전력을 공급하기 위한 전기 전원(13)(여기에서는 도시되지 않음)에 연결된다. 이어, 바람직하게는 유리 프로브인 프로브(2)가 배치될 수 있는 커플링(7)이 커플링(9)의 반대측에 있는 변압기 하우징(8)의 단부에 배치된다. 이 경우에, 콘택 스프링(12)은 변압기(1)와 프로브(2) 사이에 전기적 콘택이 항상 존재하는 것을 보장한다. 이 경우에, 변압기 하우징(8)은 핸들로서 구축되며, 1차 코일(4) 및 2차 코일(5)과 동일한 방향으로 세로 방향으로 연장한다.
본 실시예에서, 2차 코일(5)은 바람직하게는 페라이트(ferrite)로 이루어지는 로드 코어(rod core)(10) 주위로 권취되고, 1차 코일(4)은 2차 코일(5) 주위로 간격을 가지면서 권취된다. 이 간격은, 간격이 d1인 커플링(9)을 마주보는 코일들(4, 5)의 단부로부터 간격이 d2까지인 커플링(7)을 마주보는 코일들(4, 5)의 단부로 연속적으로 증가하여, 1차 코일(4)이 제2 코일 위로 원뿔형으로 동축으로 배치된다. 본 실시예에서, 양 코일(4, 5)은 동일한 길이 L을 가져서, 전체 길이에 대하여 중첩 영역(B)을 형성한다. 이 경우에, 1차 코일(4)은 전자기 차폐의 기능을 가지거나, 차폐 효과를 보장하여, 이에 의해 전자기 간섭 필드가 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 중대하게 방해하지 않을 수 있어, 본 발명에 따른 장치의 만족스러운 기능이 제공된다. 또한, 밀봉 수단이 컨버터의 단부 부분에 제공될 수 있다.
본 실시예에서, 고압 변압기로서 구축된 변압기(1)는 내부 2차 코일(5)이 챔버(11) 내에서 페라이트로 이루어진 로드 코어(10) 주위로 권취되는 방식으로 디자인된다. 여기에 도시된 실시예에서, 2차 코일(5)은 챔버(11) 당 500개의 권취수를 가진다; 그러나, 다른 권취수도 가능하다.
한편, 변압기(1)는 전원(13)과 제어 유닛(3)에 의해 공급된 고주파수의 낮은 전압을 고주파수의 고전압으로 변환하는 일을 한다. 그러나, 한편, 이는 특히 유리 프로브로서 구축된 프로브(2)의 유리 튜브(여기에서는 도시되지 않음)를 통해 생성된 고전압을 커플링(7)의 반대편에 있는 프로브의 단부에 배치된 처리면에 전도하는 일도 한다.
변압기(1) 내의 코일(4, 5)의 배치는, 예를 들어 도 5에 예시된 바와 같이, 미리 정해진 신호 형태로, 바람직하게는 정현파 펄스로, 특히 바람직하게는 지수 감쇠 정현파 펄스로 펄스 제공을 가져다주며, 이를 이용하여 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마가 프로브(2)의 처리면과 처리될 조직 사이에 생성될 수 있다.
도 2는 전기 절연 재료, 바람직하게는 플라스틱으로 생산된 도 2의 변압기 하우징(8)의 구조를 도시한다.
프로브(2)를 위한 커플링(7)을 갖는 변압기 하우징(8)의 단부에서, 상기 하우징은 변압기(1)에 전자적으로 연결된 콘택 스프링(12)이 구비된다. 간단하게 이미 언급된 바와 같이, 콘택 스프링(12)은 프로브(2)와의 콘택을 생성한다. 전압 펄스는 콘택에 의해 프로브(2)로 전송된다. 유리 프로브로서 구축된 프로브(2)는 통상적인 방식으로 2개의 챔버를 구비한다. 내부 챔버는 바람직하게는 500 Pa 내지 최대 3000 Pa의 음압에서 100% 네온으로 가스 충전되며, 높은 전압을 장치 프로브의 끝단으로 전도한다. 외부 챔버는 내부 챔버의 보호와 절연을 제공한다. 내부 챔버는 유익하게는 유리로 이루어지며, 외부 챔버는 유리 재료 또는 귀금속으로 이루어질 수 있다.
처리면의 반대편에 있는 단부에서, 프로브(2)는 콘택 스프링(12) 및 커플링(7)과 함께 변압기가 변압기 하우징(8) 내에 배치되는 전기 플러그 타입의 연결 시스템을 생성하는 금속 덮개에 의해 닫힌다.
프로브(2)의 처리면과 처리될 생체 조직(G) 사이에서, 1 mm 내지 5 mm의 간격으로, 공급된 고주파수 교류 전압과 전형적인 펄스 패턴은 조직(G)에 부착된 박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물을 죽일 수 있는 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마의 형성을 일으킨다.
유리 프로브로서 구축된 프로브(2) 내의 가스는 글로우 방전(glow discharge)(미세 방전)을 생성하기 위하여 생성된 고주파수의 교류 전자기장에 노출된다. 이 경우에, 변압기의 출력은 전도성 가스를 이용하여 프로브(2)의 처리면으로 전송되는 1.8 V 내지 35 V 범위의 전압이 설정될 수 있는 방식으로 제어 장치(3)를 통해 조정될 수 있다. 프로브(2)의 처리면이 처리될 조직(G)의 바로 위에 위치된다면, 그 전압은 장치 프로브 끝단과 피부 표면 사이의 공기의 피부 저항(skin resistance)의 함수로서 설정된다.
저압 플라즈마 또는 저온 플라즈마의 직접 생성을 위한 방법은 도 6에 예시된 유전체 배리어 방전(dielectric barrier discharge)의 구조에 대응한다. 여기 전압이 변압기(1) 내에 생성된다. 이 경우, 프로브(2)는 금속 전극(14)과 유전체(15)를 형성한다. 접지 전극이 처리될 조직(G)에 의해 형성되어, 실질적으로 변압기(1)에 의해 공급된 고주파수 여기 전압(16)이 조직(G)과 프로브(2)의 금속 전극(14) 사이에 인가된다. 예시된 도면은 다른 평가를 위한 모델 역할을 한다.
유전체 배리어 방전에 의한 플라즈마 형성의 물리적 평가. 유전적으로 방해된 방전(dielectrically hindered discharge) 또는 무음 방전(silent discharge)이라고도 하는 유전체 배리어 방전은 점화 페이즈 동안 대기압에서 비열(non-thermal) 플라즈마 필라멘트(P)를 생성한다. 이 평가에서, 유전적으로 방해된 방전 또는 무음 방전은, 코로나 방전과 함께, 점화 페이즈 동안 대기압에서 비열 플라즈마 필라멘트(P)를 생성하는 가스 방전의 변형예이다. 2가지 형태의 가스 방전 사이의 차이는 방전 필라멘트의 소멸 메커니즘에 있다. 코로나 방전의 경우에, 이는 공간 전하(space charge) 지향적이며, 배리어 방전의 경우, 이는 표면 전하 지향적이다.
도 6에 예시된 원칙적인 구조는 고압 전극(14)과 접지 전극(G)인 2개의 전극으로 이루어지고, 그 사이에 하나 이상의 유전체 배리어(15)(아이솔레이터)가 있다. 대략 수 mm에서 cm 범위 내의 크기를 갖는 폭이 가변하는 갭은 유전체(15)와 접지 전극(G) 사이에 위치된다. 처리될 샘플은 접지 전극(G) 상에 위치되거나 접지 전극(G)을 형성한다. 방전을 생성하기 위하여, 10 내지 50 kHz의 주파수의 1 내지 100 kV의 교류 전압이 필요하다. 이 방전은 미세 방전 또는 플라즈마 필라멘트(P)의 형성을 특징으로 한다. 이러한 반응에서, 전하 캐리어가 유전체(15)의 표면 상에 축적되어 외부 전기장을 약화시키며, 이는 플라즈마 필라멘트(P)의 소멸을 야기한다. 유전체(15)는 전류 제한을 제공하며 통계적으로 균일하게 분포된 복수의 포인트에서 방전이 발생할 수 있게 하여, 이에 따라 처리될 조직(G)의 전체 표면의 지역적인 플라즈마 처리를 가능하게 한다.
도 3 및 4는 예로서 안전 장치(30)가 예시되는 2개의 회로도를 도시한다. 도 3에 따른 안전 장치가 콘택 브리지의 스위치의 위치를 참조하여 제어 장치(3) 또는 변압기(1)의 전력의 설정을 수행하는 콘택 브리지로서 디자인되며, 도 4에 따른 구성은 더욱 복잡하다.
도 4에서, 안전 장치(30)는 본 발명에 따른 장치 내에 설치된 프로브(2)의 도움으로 소프트웨어 제어 하에서 제어 장치(3) 또는 변압기(1)를 위한 전력의 설정을 수행하는 프로세서(40)에 의해 구현된다. 이 경우에, 프로브(2)는 프로세서(40)와 통신하고, 그에 그의 애플리케이션 또는 동작 파라미터를 제공한다. 이 정보를 참조하여, 프로세서(40)는 제어 장치(3) 또는 변압기(1)를 위한 적합한 전력 파라미터를 확인하여 이를 제어 장치(3)에 통신한다. 그 다음, 이것은 대응하는 설정을 하여, 이에 따라 처리가 수행될 수 있다.
플라즈마 형성의 물리적 평가는 파센(Paschen) 및 타운센트(Townsend) 방법에 따라 발생한다. 분석은 도 6에 예시된 유전체 배리어 방전을 위한 모델에 관련된다. 평가는 플라즈마의 형성을 가져오는 파괴 전압(= 점화 전압)을 결정하는 것을 가능하게 한다. 파괴 전압 아래에서, 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마에 대한 특징인 플라즈마 필라멘트(P)가 존재한다.
시작점은 d = 1 mm의 플레이트 간격을 갖는 커패시터이다. 공기가 그 플레이트들 사이에 위치된다. α를 전자가 중성 원자 또는 분자를 이온화하는 단위 길이당 확률이라 하자. 빠르게 변화하는 필드와 이온의 큰 질량 때문에, 중성 원자와의 이온의 충돌은 무시될 수 있다.
N이 생성된 전자의 수라 하면, 다음이 적용된다:
dN/dx = αN (1.1)
=> N(d) = N0eαd (1.2)
여기에서, N0는 예를 들어 우주 복사(cosmic radiation)에 의해 외부적으로 생성된 전자의 수이다. 이온화하는 충돌의 수는 압력(p)과 이온화 충돌에 대한 확률에 비례한다.
더하여, 전자의 운동 에너지에 대하여, 다음이 적용된다:
Eion = eEλion (1.3)
여기에서, λion은 가속 경로이고, E는 인가된 전기장 세기이다. 비탄성 충돌 때문에, exp(λion/λinel)의 일부만이 에너지 손실 없이 경로(λion)를 통과한다.
이는 상수 α에 대하여 다음과 같다.
Figure pct00001
(1.4)
항복 전압 Uzund=Ed로, 다음이 획득된다:
Figure pct00002
(1.5)
여기에서, γ는 이온당 생성된 전자의 개수(제3 타운센트 계수)이고, 이를 이용하여, 점화 조건은 다음과 같다.
Figure pct00003
(1.6)
이 경우, 일반적으로 y<<1이 적용된다.
Figure pct00004

공기에 대한 파센 곡선(곡선 1)과 SF6에 대한 파센 곡선(곡선 2)
p: 압력
s: 갭 크기
파센 곡선은 갭 크기와 압력의 곱에 따른 가스 방전의 생성에 대한 항복 전압의 종속성을 설명한다.
본 경우에 대하여, 갭 폭에 대한 항복 전압의 종속성이 예측될 수 있다.
갭 폭 Uzund
1 mm 3 kV
2 mm 6 kV
3 mm 9 kV
4 mm 12 kV
5 mm 15 kV
6 mm 18 kV
따라서, 전기적 절연 파괴는 1 bar의 공기에 대하여 3 kV의 전압에서 발생한다. 여기에서 모든 원자 또는 분자가 전체 경로(d)에서 이온화되기 때문에, 이것은 안정된 플라즈마에 필요한 전압에 대한 상한이다. 이 전압 아래에서, 배리어 방전에서 전극들 사이(1 mm의 영역에서의 간격)에서 저온 플라즈마에 대한 특성인 얇은 방전 채널(플라즈마 필라멘트(P))이 형성된다. 통계적으로 분포된 대기압에서, 많은 개수의 전이 방전 채널(마이크로 방전)이 관찰된다.
플라즈마의 존재에 대한 필요한 기준은 디바이(Debye) 길이가 시스템의 측정값들과 비교하여 작다는 것이다. 이러한 차폐 길이는 국지적 이온 또는 전자 방전의 가능성이 이 길이에서 충분히 극적으로(일반적으로 1/e 배) 떨어졌다는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이것은 전하가 어느 정도 서로를 보상하도록 양이온이 플라즈마에서 구형의 전자 구름에 의해 둘러싸이기 때문이며, 이러한 구의 반경은 디바이 길이이다. 이 경우에, 훨씬 더 큰 이온의 질량 때문에, 전자의 운동에 대한 교류 필드에서의 이온의 운동은 무시될 수 있다. 동일한 것이 디바이 길이에 적용된다.
Figure pct00005
(2.1)
비등온(non-isothermal) 플라즈마에 대하여, 더 작은 질량 때문에 전자가 이온보다 더 높은 온도를 가지며, 배리어 방전의 경우에, 다음과 같다.
Te ~ 1 - 10 eV (2.2) (전자 온도)
ne ~ 1020 - 1021 m-3 (2.3) (전자의 부피수 밀도)
이 값들이 수식 (2.1)에 대입되면, 배리어 방전의 비등온 플라즈마의 디바이 길이에 대하여,
λd = 2.35·10-6 m (2.4)
이고, 이 디바이 길이는 ne = 1020 m-3의 수 밀도 및 Te = 10 eV = 1,16·105 K의 전자 온도의 가장 바람직하지 않은 경우에 대하여 계산되었다.
이 경우에 대하여, 시스템이 대략 mm 범위의 크기를 가진다고 가정되면, 디바이 길이는 1000 배만큼 더 작아서, 플라즈마의 존재에 대한 필요한 기준이 만족된다.
추가 기준은 디바이 구에서의 대전된 입자의 평균 개수가 1보다 더 크다는 것이다. ne = 1020 m-3의 바람직하지 않은 경우에, 대략 5000개의 대전된 입자가 디바이 구 내에 위치되어, 이 기준도 만족된다.
본 발명에 따른 장치의 파라미터는 저온 플라즈마를 생성하기 위한 물리적 전제 조건을 만족한다.
물리적 파라미터 필요 조건 plasmaOne 필요 조건 만족?
항복 전압 1 mm 갭에서 3 kV 3 내지 18 kV 예
디바이 길이 갭 크기 >> λd = 2.35·10-6 m 갭 크기 >= 1 mm 예
디바이 구 내의 대전 입자의 평균 개수 개수 > 1 개수: 대략 5000 예
1 변압기
2 프로브
3 제어 장치
4 1차 코일
5 2차 코일
7 커플링
8 변압기 하우징
9 커플링
10 로드 코어
11 챔버
12 콘택 스프링
13 전원
14 금속 전극
15 유전체
16 여기 전압
30 안전 장치
40 프로세서
P 플라즈마 필라멘트
B 중첩 영역
d1 간격
d2 간격
F 손가락
K 전체 커패시턴스
CF 손가락의 커패시턴스
L 길이
SK 공진 회로
G 조직

Claims (11)

  1. a) 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기(1);
    b) 상기 변압기(1)에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브(2); 및
    c) 상기 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치(3)
    를 포함하는, 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직(G) 처리 장치에 있어서,
    상기 변압기(1)에 의해 생성된 전자기장의 전력이 대응하는 애플리케이션에 대하여 자동으로 설정될 수 있게 하는 안전 장치(30)가 상기 제어 장치(3)와 관련되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기(1)는 상기 제어 장치(3)의 전기적/전자적 연결을 위한, 상기 프로브(2)의 커플링(7)의 반대편에 있는 커플링(9)을 갖는 변압기 하우징(8)을 포함하고, 상기 변압기 하우징(8)은 바람직하게는 핸들로서 구축되고 대응하여 인간 공학적으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는 상기 변압기 하우징(8)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 전기 전원에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 안전 장치(30)는 상기 프로브(2) 또는 상기 제어 장치(3)와 상기 변압기(1) 사이의 커플링(7, 9)과 관련된 전기 플러그 타입 연결 시스템 내부의 점퍼로서 디자인되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 장치(30)는, 저항기, 메모리 칩 또는 프로세서(40)로서 구축되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리 칩 또는 상기 프로세서(40)는 상기 프로브(2)와 통신하도록 구축되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리 칩 또는 상기 프로세서(40)는 상기 제어 장치 및/또는 상기 변압기(1)에 대한 전력 파라미터를 판단하도록 구축되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리 칩 또는 상기 프로세서(40)는 상기 제어 장치(3) 및/또는 상기 변압기(1)에 대한 전력 파라미터의 상기 제어 장치(3)로의 포워딩, 특히 암호화된 포워딩을 위해 디자인되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안전 장치(30)는 통신 목적을 위한 센서에 연결되고, 상기 센서는 상기 프로브(2)의 처리면의 환경 파라미터를 판단하고, 상기 센서는 특히 상기 프로브(2)의 처리면의 환경에서의 대기의 조성을 판단하는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로브(2)는 유리 프로브로서 구축되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유리 프로브는 음압 하에서, 바람직하게는 500 Pa 내지 3000 Pa, 특히 바람직하게는 2000 Pa의 음압 하에서, 전도성 가스, 바람직하게는 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물로 채워지는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
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