RU2261682C2

RU2261682C2 - Method and device for carrying out tissue coagulation with plasma

Info

Publication number: RU2261682C2
Application number: RU2003114109/14A
Authority: RU
Inventors: Д.С. Стребков (RU); Д.С. Стребков; А.Н. Кармазин (RU); А.Н. Кармазин; А.И. Некрасов (RU); А.И. Некрасов
Original assignee: Кармазин Александр Николаевич
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2005-10-10

Abstract

FIELD: medical engineering.

SUBSTANCE: method involves transforming power supply source energy into high frequency electromagnetic energy high frequency alternating voltage transformer, increasing its potential in high frequency transformer and transferring the energy as plasma using needle-type plasma-producing electrode to a surface under treatment. Increase in high frequency electromagnetic energy potential in the high frequency transformer is carried out at resonance frequency with stationary current and voltage waves being produced therein with 1/4 period large phase displacement and voltage antinode being created in high frequency transformer high voltage winding output connected to plasma-producing electrode. The needle-type plasma-producing electrode is introduced into laboratory flask manufactured from transparent dielectric material like quartz and filled with metal vapor. Plasma luminous in optical and ultraviolet bandwidth light is produced in the flask with high frequency transformer voltage being transmitted to flask shell so that working torch of cold plasma is formed between external flask surface and surface under treatment. Device has power supply source, alternating high frequency voltage transformer with controllable frequency and high frequency transformer having low voltage and high voltage windings. Outputs of low voltage winding are connected to the needle-type plasma-producing electrode and the second one is insulated. Conic or spherical plasma-producing electrode is introduced into the flask filled with metal vapor and manufactured from transparent dielectric material like quartz. The plasma-producing electrode optionally has light-emitting diode.

EFFECT: enhanced effectiveness of treatment; improved accuracy in treating wound surface.

7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской, ветеринарной технике и предназначено для бесконтактной коагуляции белков крови и тканей раневой поверхности с эффектом одновременной ее стерилизации.The invention relates to medical, veterinary technology and is intended for non-contact coagulation of blood proteins and tissues of the wound surface with the effect of its simultaneous sterilization.

Известен способ и устройство плазменной коагуляции тканей путем использования струи инертного газа, прошедшего через зону высокочастотного разряда, образующегося между двумя электродами (патент США №4781175, класс А 61 В 17/39, 1988 г.).A known method and device for plasma coagulation of tissues by using a jet of inert gas passing through the zone of a high-frequency discharge formed between two electrodes (US patent No. 4781175, class A 61 17/39, 1988).

Недостатком способа является необходимость использования газодинамического блока и источника инертного газа. Устройство, использующее два электрода, один из которых пассивный, обладает зоной обработки, нестабильной в пространстве, что обусловлено неустойчивостью положения разряда, из-за того, что пассивный электрод занимает значительную площадь.The disadvantage of this method is the need to use a gas-dynamic unit and an inert gas source. A device using two electrodes, one of which is passive, has a processing zone that is unstable in space due to the instability of the discharge position, due to the fact that the passive electrode occupies a significant area.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству плазменной коагуляции является устройство, использующее один электрод для образования высокочастотного разряда и газодинамический блок (патент РФ 2100013, Авраменко С.В., Ступин И.В., дата публикации 27.12.1997 г.). Известное устройство содержит источник питания, состоящий из генератора высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой и подключаемого к нему высокочастотного преобразователя, вывод которого соединен с плазмотроном, выполненным в виде игольчатого электрода, установленного в держателе, и газодинамический блок, газоподводящая трубка которого установлена коаксиально игольчатому электроду, при этом высокочастотный преобразователь выполнен в виде трансформатора с низковольтной и высоковольтной секциями, причем один из выводов высоковольтной секции соединен с плазмотроном, а второй изолирован, выходы низковольтной секции подключены к генератору высокочастотного переменного напряжения.Closest to the proposed method and device for plasma coagulation is a device that uses one electrode to form a high-frequency discharge and a gas-dynamic unit (RF patent 2100013, Avramenko SV, Stupin IV, publication date 12/27/1997). The known device comprises a power source consisting of a high-frequency alternating voltage generator with an adjustable frequency and a high-frequency converter connected to it, the output of which is connected to a plasma torch made in the form of a needle electrode installed in the holder, and a gas-dynamic unit, the gas supply tube of which is installed coaxially with the needle electrode, wherein the high-frequency converter is made in the form of a transformer with low-voltage and high-voltage sections, and one from the terminals of the high-voltage section is connected to the plasma torch, and the second is isolated, the outputs of the low-voltage section are connected to a high-frequency alternating voltage generator.

К недостаткам данного устройства следует отнести использование газодинамического блока, существенно усложняющего конструкцию, возможность попадания в рану ионов металла с поверхности электрода, что является нежелательным, кроме тех случаев, когда используется лечебное воздействие особо чистых металлов, наличие непосредственного электрического контакта между плазменным факелом, резонансным трансформатором и электродом, что создает условия для перетекания электростатического заряда, имеющегося на резонансном трансформаторе в момент поднесения к ране, на тело пациента, что может сопровождаться переходом коронного разряда в дуговой, с появлением у пациента болезненных ощущений и ожога тканей. Так как резонансный трансформатор, примененный в прототипе, представляет собой разомкнутую электрическую цепь, кратковременная дуга провоцирует фактическое заземление трансформатора на тело пациента, при этом разряд переходит из точки узла напряжения в точку узла тока, при этом высокочастотный ток, протекающий через рану, возрастает пропорционально добротности резонансного трансформатора, что небезопасно для пациента.The disadvantages of this device include the use of a gas-dynamic unit, which significantly complicates the design, the possibility of metal ions entering the wound from the electrode surface, which is undesirable, except when the therapeutic effect of very pure metals is used, the presence of direct electrical contact between the plasma torch, and a resonant transformer and an electrode, which creates the conditions for the flow of electrostatic charge available on the resonant transformer in Moma nt bringing to the wound, on the patient’s body, which may be accompanied by the transition of the corona discharge in the arc, with the appearance of painful sensations and tissue burns in the patient. Since the resonant transformer used in the prototype is an open electric circuit, a short-term arc provokes the actual grounding of the transformer on the patient’s body, while the discharge passes from the point of the voltage node to the point of the current node, while the high-frequency current flowing through the wound increases in proportion to the quality factor resonant transformer, which is unsafe for the patient.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности и безопасности устройства, упрощение конструкции наряду со значительным уменьшением габаритов и стоимости устройства плазменной коагуляции тканей.The present invention is aimed at improving the efficiency and safety of the device, simplifying the design along with a significant reduction in the size and cost of the plasma tissue coagulation device.

В результате использования предлагаемого изобретения происходит стабилизация плазменного факела, исключаются нежелательные переходные процессы в момент образования этого факела, повышается степень равномерности и управляемости плазменного факела, увеличивается точность обработки поверхности раны, снижаются требования к оператору по обеспечению заданного расстояния от коагулятора до тела пациента, исключается «приваривание» тканей при случайном касании. Снижаются требования к электронной части устройства, так как пропадает необходимость в защитном отключении.As a result of the use of the present invention, the plasma torch is stabilized, undesirable transient processes at the time of the formation of this torch are eliminated, the degree of uniformity and controllability of the plasma torch is increased, the accuracy of treatment of the wound surface is increased, the requirements for the operator to ensure a given distance from the coagulator to the patient’s body are reduced, “ welding ”fabrics with random touch. The requirements for the electronic part of the device are reduced, since the need for protective shutdown disappears.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе плазменной коагуляции путем преобразования энергии источника питания в высокочастотную электромагнитную энергию в преобразователе высокочастотного переменного напряжения, повышения ее потенциала в высокочастотном трансформаторе и передаче электромагнитной энергии в виде плазмы посредством игольчатого плазмообразующего электрода на обрабатываемую поверхность, отличающемся тем, что повышение потенциала высокочастотной электромагнитной энергии в высокочастотном трансформаторе, конструктивно выполненном таким образом, что его магнитная цепь разомкнута или отсутствует совсем, цепь вторичной обмотки не замкнута, проводят на частоте его резонанса, на которой, в силу перечисленных конструктивных особенностей, он удовлетворяет условиям, предъявляемым к четвертьволновым электромагнитным вибраторам, и фактически является таковым, с образованием в нем характерных для четвертьволнового электромагнитного вибратора с малыми потерями на излучение, стоячих волн тока и напряжения, сдвинутых между собой по фазе на четверть периода, и созданием на выводе высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора, соединенном с плазмообразующим электродом, пучности напряжения, передаваемой на плазмообразующий игольчатый электрод, введенный внутрь колбы из прозрачного диэлектрика, например кварца, наполненной парами металла или инертным газом, при этом в колбе формируют светящуюся в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах плазму с передачей напряжения высокочастотного трансформатора оболочке колбы, с возможностью формирования между внешней стороной колбы и обрабатываемой поверхностью рабочего факела холодной плазмы, образование которой вызывается внешне - внутренним взаимодействием тока смещения, протекающего в пространстве, окружающем резонансный трансформатор и соединенные с ним электрические цепи, и направленным в противоположную ему сторону поляризационным током, вызванным колебаниями ионов кристаллической решетки металлического проводника высоковольтной обмотки, игольчатого плазмообразующего электрода, ионов паров металла или инертного газа внутри колбы, ионов диэлектрика, из которого состоит оболочка колбы (при этом толщина оболочки существенно меньше длины волны подводимой электромагнитной энергии), ионов воздушного промежутка и ионов обрабатываемой поверхности тела пациента, на которую и замыкается ток смещения резонансного трансформатора. При этом свободные носители заряда внутри обмотки резонансного трансформатора изолированы от обрабатываемой поверхности и замыкаются на распределенную емкость обмотки резонансного трансформатора, определяя при этом основную часть энергии, запасаемой при резонансе, и существенно увеличивают, таким образом, общую добротность системы передачи плазмообразующей энергии к обрабатываемой поверхности.The above result is achieved in that in the method of plasma coagulation by converting the energy of a power source into high-frequency electromagnetic energy in a high-frequency AC voltage converter, increasing its potential in a high-frequency transformer and transferring electromagnetic energy in the form of a plasma by means of a needle-shaped plasma-forming electrode to a treated surface, characterized in that increasing the potential of high-frequency electromagnetic energy in high-frequency transformation A circuit designed in such a way that its magnetic circuit is open or completely absent, the secondary circuit is not closed, is carried out at its resonance frequency, at which, due to the listed design features, it satisfies the conditions imposed on quarter-wave electromagnetic vibrators and, in fact, is such, with the formation in it characteristic of a quarter-wave electromagnetic vibrator with low radiation losses, standing waves of current and voltage, shifted between them in phase by a quarter of a period, and by creating a high-frequency transformer connected to the plasma-forming electrode at the output of the high-voltage winding, an antinode of the voltage transmitted to the plasma-forming needle electrode introduced into the bulb from a transparent dielectric, for example quartz, filled with metal vapor or an inert gas, while a luminous optical and ultraviolet ranges of the plasma with the transmission of voltage of a high-frequency transformer to the shell of the bulb, with the possibility of formation between the outer sides of the flask and the surface of the working torch of the cold plasma, the formation of which is caused externally by the internal interaction of the bias current flowing in the space surrounding the resonant transformer and the electrical circuits connected to it, and directed to the opposite side by the polarizing current caused by the vibrations of the ions of the crystal lattice of the metal conductor high-voltage winding, needle plasma-forming electrode, metal vapor ions or inert gas inside the bulb, dielectric ions the electrician of which the shell of the flask consists (the shell thickness being substantially less than the wavelength of the supplied electromagnetic energy), the ions of the air gap, and the ions of the treated surface of the patient’s body, to which the bias current of the resonant transformer closes. In this case, free charge carriers inside the resonant transformer winding are isolated from the treated surface and are closed on the distributed capacitance of the resonant transformer winding, thereby determining the bulk of the energy stored during resonance, and thus significantly increase the overall quality factor of the plasma-forming energy transfer system to the treated surface.

В способе плазменной коагуляции воздушный промежуток между рабочей плазмообразующей поверхностью и обрабатываемой поверхностью облучают дополнительным источником ультрафиолетового излучения, например светодиодом ультрафиолетового оптического диапазона или ультрафиолетовой лампой. Дополнительное ультрафиолетовое излучение способствует насыщению указанного воздушного промежутка ионами и увеличивает расстояние до обрабатываемой поверхности, при котором в воздушном промежутке возникает поляризационный ток и начинается образование холодной плазмы, что, в свою очередь, снижает требования к точности работы оператора. Кроме того, ультрафиолетовое излучение оказывает дополнительное бактерицидное действие на обрабатываемую поверхность.In the method of plasma coagulation, the air gap between the working plasma-forming surface and the surface to be treated is irradiated with an additional source of ultraviolet radiation, for example an LED in the ultraviolet optical range or an ultraviolet lamp. Additional ultraviolet radiation helps saturate the specified air gap with ions and increases the distance to the surface to be treated, at which a polarizing current arises in the air gap and the formation of cold plasma begins, which, in turn, reduces the requirements for operator accuracy. In addition, ultraviolet radiation has an additional bactericidal effect on the treated surface.

В способе плазменной коагуляции плазму газового разряда в воздушном промежутке перед обрабатываемой поверхностью насыщают ионами серебра, которое в количествах существенно ниже токсического уровня осаждается на обрабатываемой поверхности, оказывая долговременное бактерицидное воздействие в период после обработки. Для этого рабочую поверхность диэлектрической колбы, непосредственно обращенную к обрабатываемой поверхности, покрывают тонким слоем серебра.In the method of plasma coagulation, a gas discharge plasma in the air gap in front of the surface to be treated is saturated with silver ions, which are deposited in amounts significantly below the toxic level on the surface to be treated, having a long-term bactericidal effect after treatment. For this, the working surface of the dielectric flask directly facing the surface to be treated is coated with a thin layer of silver.

В устройстве плазменной коагуляции, содержащем источник питания, преобразователь высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой и подключенный к нему резонансный высокочастотный трансформатор, высокочастотный трансформатор содержит низковольтную и высоковольтную обмотки, цепь высоковольтной обмотки разомкнута, при этом один из выводов высоковольтной обмотки соединен с электродом, введенным внутрь диэлектрической колбы, сделанной из прозрачного диэлектрика, например кварца, наполненной парами металла или инертного газа, причем внешняя поверхность колбы является плазмообразующей.In a plasma coagulation device containing a power source, a variable frequency high-frequency AC converter and a resonant high-frequency transformer connected to it, the high-frequency transformer contains a low-voltage and a high-voltage winding, the high-voltage winding circuit is open, and one of the terminals of the high-voltage winding is connected to an electrode inserted inside a dielectric bulb made of a transparent dielectric, such as quartz, filled with metal vapor or inert of gas, wherein the outer surface is plasma-flasks.

В другом варианте в устройстве плазменной коагуляции, содержащем источник питания, преобразователь высокочастотного переменного напряжения с регулируемой частотой и подключенный к нему резонансный высокочастотный трансформатор, причем указанный трансформатор содержит низковольтную и высоковольтную обмотки, при этом выходы низковольтной обмотки подключены к преобразователю высокочастотного переменного напряжения, один вывод высоковольтной обмотки соединен с игольчатым плазмообразующим электродом, а второй изолирован, отличающийся тем, что плазмообразующий электрод содержит светодиод и введен внутрь колбы, заполненной парами металла или инертного газа и выполненной из прозрачного диэлектрика, например, кварца, в виде конуса или сферы.In another embodiment, in a plasma coagulation device containing a power source, a variable frequency high-frequency AC converter and a resonant high-frequency transformer connected to it, said transformer comprising low-voltage and high-voltage windings, while the low-voltage winding outputs are connected to the high-frequency AC voltage converter, one output the high voltage winding is connected to a needle plasma-forming electrode, and the second is insulated, distinguishing The fact that the plasma-forming electrode contains an LED and is inserted inside the flask filled with vapor of a metal or inert gas and made of a transparent dielectric, for example, quartz, in the form of a cone or sphere.

В устройстве плазменной коагуляции на плазмообразующую поверхность нанесен тонкий слой серебра.In a plasma coagulation device, a thin layer of silver is deposited on the plasma forming surface.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2, 3. На Фиг.1 представлена блок-схема устройства плазменной коагуляции. На Фиг.2 - устройство плазменной коагуляции с использованием кварцевой лампы.The essence of the invention is illustrated in figures 1, 2, 3. Figure 1 presents a block diagram of a plasma coagulation device. Figure 2 - device for plasma coagulation using a quartz lamp.

На Фиг.3 - устройство плазменной коагуляции с использованием ультрафиолетового светодиода.Figure 3 - device for plasma coagulation using an ultraviolet LED.

Блок-схема способа плазменной коагуляции на фиг.1 содержит источник питания 1, высокочастотный преобразователь мощности источника питания, собранный по любой известной схеме высокочастотного генератора с однотактным или двухтактым выходным каскадом усиления мощности или без такового, например, по схеме индуктивной трехточки на одном мощном составном биполярном транзисторе КТ827Б с автоматической настройкой на требуемую частоту за счет резонансных свойств нагрузки, в качестве которой выступает резонансный трансформатор 3 или, например, на интегральной микросхеме КР1211ЕУ1 в качестве задающего генератора с возможностью ручной подстройки частоты и двухтактном выходном каскаде на полевых транзисторах КП727А, высокочастотный высоковольтный резонансный трансформатор 3, в котором формируются стоячие волны тока и напряжения, сдвинутые по фазе на четверть периода, блок 4 генерации вспомогательного плазменного разряда в парах металла или инертного газа, подключаемый к тому выводу высокочастотного трансформатора, в котором формируется пучность напряжения, слой диэлектрика или диэлектрическая оболочка 5, собственно рабочий факел плазмы 6, обрабатываемая поверхность 7.The flowchart of the plasma coagulation method of FIG. 1 contains a power source 1, a high-frequency power source power converter, assembled according to any known high-frequency generator circuit with or without a single-cycle or two-phase output power amplification stage, for example, according to an inductive three-point circuit on one powerful composite KT827B bipolar transistor with automatic tuning to the desired frequency due to the resonant properties of the load, which is a resonant transformer 3 or, for example , on the integrated circuit KR1211EU1 as a master oscillator with the ability to manually adjust the frequency and a push-pull output stage on field-effect transistors KP727A, a high-frequency high-voltage resonant transformer 3, in which standing current and voltage waves are generated, phase-shifted by a quarter of the period, auxiliary plasma generating unit 4 a discharge in metal or inert gas vapors connected to that terminal of a high-frequency transformer in which a voltage antinode, a dielectric layer or dielectric sheath 5, the actual plasma torch 6, the treated surface 7.

Устройство плазменной коагуляции на фиг.2 содержит источник питания 1, преобразователь частоты 2, высокочастотный трансформатор 3, состоящий из низковольтной обмотки 8 и высоковольтной обмотки 9, намотанных на диэлектрическом каркасе 10, прозрачную диэлектрическую колбу 11, заполненную парами металлов или инертным газом 12 с введенным внутрь колбы электродом 13 и нанесенным на ее поверхность слоем серебра 14 (который в некоторых модификациях может отсутствовать), ферромагнитный сердечник 15, находящийся внутри диэлектрического каркаса 10, который также может располагаться снаружи обмоток в виде полого ферромагнитного цилиндра или отсутствовать, объем ионизированного воздуха 16.The plasma coagulation device in figure 2 contains a power source 1, a frequency converter 2, a high-frequency transformer 3, consisting of a low-voltage winding 8 and a high-voltage winding 9, wound on a dielectric frame 10, a transparent dielectric flask 11, filled with metal vapor or inert gas 12 with introduced inside the flask with an electrode 13 and a silver layer 14 (which may be absent in some modifications) deposited on its surface, a ferromagnetic core 15 located inside the dielectric frame 10, which It can also be located outside the windings in the form of a hollow ferromagnetic cylinder or absent, the volume of ionized air 16.

Устройство на фиг.3 содержит светодиод 17, соединенный с электродом 13 в прозрачной колбе из диэлектрика 11.The device in figure 3 contains an LED 17 connected to the electrode 13 in a transparent bulb of a dielectric 11.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В режиме коагуляции после подачи напряжения питания на генератор тока высокой частоты плазмообразующий диэлектрик или электрод подносится к обрабатываемой раневой поверхности на расстояние 3-6 мм, при этом на его конце, обращенном к обрабатываемой поверхности, образуется пучок плазмы голубого цвета, обеспечивающий мгновенный поверхностный разогрев тканей на глубину не более 0,1-0,2 мм и до температуры 1000-1100 градусов по Цельсию. Указанная глубина не вызывает перегрева, но достаточна для заваривания сосудов.In the coagulation mode, after applying a supply voltage to a high-frequency current generator, a plasma-forming dielectric or electrode is brought up to a distance of 3-6 mm to the treated wound surface, and a blue plasma beam is formed at its end facing the treated surface, providing instant surface heating of tissues to a depth of not more than 0.1-0.2 mm and to a temperature of 1000-1100 degrees Celsius. The indicated depth does not cause overheating, but is sufficient for brewing vessels.

Claims

1. A method of plasma coagulation by converting the energy of a power source into high-frequency electromagnetic energy in a high-frequency AC voltage converter, increasing its potential in a high-frequency transformer and transmitting electromagnetic energy in the form of a plasma by means of a needle-shaped plasma-forming electrode to the surface to be treated, characterized in that the potential of high-frequency electromagnetic energy is increased in a high-frequency transformer is carried out at its resonance frequency, with the image by creating standing current and voltage waves in it, phase shifted by a quarter of the period, and by creating a high-frequency transformer connected to the plasma-forming electrode at the output of the high-voltage winding, a voltage antinode transmitted to the plasma-forming needle electrode inserted into the bulb from a transparent dielectric, for example, quartz, filled with metal vapor, in this case a plasma glowing in the optical and ultraviolet ranges is formed in the flask with the transmission of voltage of the high-frequency transformer the flask, with the possibility of forming between the outer side of the flask and the surface of the working torch of a cold plasma.

2. The method according to claim 1, characterized in that in addition the torch of a cold plasma is ionized by ultraviolet light emitting diode.

3. The method according to claim 1, characterized in that the cold plasma torch is saturated with silver ions.

4. A device for plasma coagulation, including a power source, a high-frequency AC voltage converter with an adjustable frequency and a high-frequency transformer containing a low-voltage and high-voltage winding, while the outputs of the low-voltage winding are connected to the high-frequency AC voltage converter, one terminal of the high-voltage winding is connected to a needle plasma-forming electrode, and the second is insulated, characterized in that the plasma-forming electrode is inserted inside the flask filled with steam metal and made of a transparent dielectric, such as quartz, in the form of a cone or sphere.

5. The device according to claim 4, characterized in that a silver layer is applied to the surface of the flask.

6. A device for plasma coagulation, including a power source, a high-frequency AC voltage converter with an adjustable frequency, and a high-frequency transformer containing a low-voltage and high-voltage winding, while the outputs of the low-voltage winding are connected to the high-frequency AC voltage converter, one terminal of the high-voltage winding is connected to a needle plasma-forming electrode, and the second is isolated, characterized in that the plasma-forming electrode contains an LED and is inserted inside to bulbs filled with metal vapor and made of a transparent dielectric, for example quartz, in the form of a cone or sphere.

7. The device according to claim 6, characterized in that a thin layer of silver is applied to the surface of the flask.