CN101243730B - 等离子体产生装置、等离子体外科手术装置、等离子体产生装置的应用以及产生等离子体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体产生装置,它包括阳极、阴极和细长等离子体槽道,该等离子体槽道基本沿从所述阴极至所述阳极的方向延伸。等离子体槽道有节流部分,该节流部分布置在所述等离子体槽道中并在所述阴极和布置于所述阳极中的出口开口之间。所述节流部分将所述等离子体槽道分成高压腔室和低压腔室,该高压腔室位于节流部分的、最靠近阴极的一侧,并有与等离子体槽道的纵向方向横切的第一最大截面表面,该低压腔室开口于所述阳极中,并有与等离子体槽道的纵向方向横切的第二最大截面表面,所述节流部分有与等离子体槽道的纵向方向横切的第三截面表面,该第三截面表面小于所述第一最大截面表面和所述第二最大截面表面。而且,至少一个中间电极布置在所述阴极和所述节流部分之间。本发明还涉及等离子体外科手术装置、该等离子体外科手术装置在外科手术中的应用以及产生等离子体的方法。
Description
优先权
本申请要求瑞典专利申请No.0501602-7的优先权,该瑞典专利申请No.0501602-7的申请日为2005年7月8日。
技术领域
本发明涉及一种等离子体产生装置,它包括阳极、阴极和细长等离子体槽道,该等离子体槽道基本沿从所述阴极至所述阳极的方向延伸。等离子体槽道有节流部分,该节流部分布置在所述等离子体腔室中并在所述阴极和布置于所述阳极中的出口开口之间。本发明还用于等离子体外科手术装置和等离子体外科手术装置在外科手术中的应用以及产生等离子体的方法。
背景技术
等离子体产生装置涉及用于产生气体等离子体的装置。该装置例如可以用于外科手术中以便停止流血,也就是使生物组织凝结(coagulation)。
通常,所述等离子体产生装置较长和较窄。气体等离子体优选是在装置的一端排出,且它的温度可以引起受到气体等离子体影响的组织的凝结。
由于近来外科手术技术的发展,更经常使用称为腹腔镜(锁孔)外科手术的技术。这意味着更需要小尺寸的装置,以便能够在外科手术应用中在没有较大外科手术的情况下进行接近。较小尺寸设备也有利于在外科手术操作中非常精确地操作外科手术仪器。
WO2004/030551(Suslov)公开了一种现有技术的等离子体外科手术装置,它将特别用于通过气体等离子体来减少活组织中的流血。该装置包括等离子体产生系统,该等离子体产生系统有阳极、阴极和用于将气体供给该等离子体产生系统的气体供给槽道。而且,等离子体产生系统包括至少一个电极,该电极布置在所述阴极和阳极之间。与阳极连接的导电材料壳体包围等离子体产生系统,并形成气体供给槽道。
还希望提供一种上述等离子体产生装置,它不仅能够凝结活组织中的流血,而且能切割组织。
对于WO2004/030551的装置,通常需要相对较高的产生等离子体的气体的气体流速,以便产生用于切割的等离子体。为了在该气体流速下产生具有合适温度的等离子体,通常需要向装置提供相对较高的工作电流。
目前,希望在较低工作电流下操作等离子体产生装置,因为较高工作电流通常很难在某些环境中提供,例如医疗环境。通常,较高工作电流也导致大量接线,这可能使得在精确工作中(例如在锁孔外科手术中)操作笨拙。
也可选择,WO2004/030551的装置可以形成有相当长的等离子体槽道,以便在所需气体流速下产生具有合适温度的等离子体。不过,较长等离子体槽道可能使得等离子体产生装置较大,且在某些用途中操作笨拙,例如医疗用途,特别是锁孔外科手术用途。
在很多应用领域中,产生的等离子体也应当较纯,有很少的杂质。还希望从等离子体产生装置排出的所生成的等离子体具有一定的压力和气体容积流量,它们例如不会对要治疗的病人不利。
如上所述,需要一种改进的等离子体产生装置,它例如可以用于切割生物组织。因此需要一种改进的等离子体产生装置,它能够在较低工作电流和较低气体容积流量的情况下产生纯等离子体。
发明内容
本发明的目的是提供改进的等离子体产生装置。
另一目的是提供一种等离子体外科手术装置以及该等离子体外科手术装置在外科手术领域中的应用。
另一目的是提供一种产生等离子体的方法以及使用该等离子体来切割生物组织的应用。
根据本发明的一个方面,提供了一种等离子体产生装置,它包括阳极、阴极和细长等离子体槽道,该等离子体槽道基本沿从所述阴极至所述阳极的方向延伸,该等离子体槽道有节流部分,该节流部分布置在所述等离子体槽道中并在所述阴极和布置于所述阳极中的出口开口之间。等离子体产生装置的所述节流部分将所述等离子体槽道分成高压腔室和低压腔室,该高压腔室位于节流部分的、最靠近阴极的一侧,并有与等离子体槽道的纵向方向横切的第一最大截面表面,该低压腔室开口于所述阳极中,并有与等离子体槽道的纵向方向横切的第二最大截面表面,所述节流部分有与等离子体槽道的纵向方向横切的第三截面表面,该第三截面表面小于所述第一最大截面表面和所述第二最大截面表面,至少一个中间电极布置在所述阴极和所述节流部分之间。优选是,中间电极可以布置在高压腔室内部,或者形成该高压腔室的一部分。
等离子体产生装置的该结构能够在供给等离子体产生装置的较低工作电流下使得布置在等离子体槽道中的等离子体加热至高温。在本文中,等离子体的高温的意思是温度超过11000℃,优选是高于13000℃。提供的等离子体优选是在高压腔室中加热至11000℃和20000℃之间的温度。在可选实施例中,等离子体加热至13000℃和18000℃之间。在另一可选实施例中,等离子体加热至14000℃和16000℃之间。而且,较低工作电流的意思是电流水平低于10安培。供给该装置的工作电流优选是在4和8安培之间。通过这些工作电流,供给的电压水平优选是在50和150伏之间。
较低工作电流通常在例如外科手术环境中很有利,在该外科手术环境中,可能很难提供更高电流水平的供给需求。通常,较高工作电流水平将产生笨拙的布线,这可能使得在需要很高精度的操作中很难操作,例如在外科手术中,特别是在锁孔外科手术中。在特定环境和用途中,较高工作电流也可能对于操作人员和/或病人有安全危险。
本发明例如基于这样的知识,即例如适用于在生物组织中的切割作用的等离子体可以通过以合适方式设计等离子体槽道而获得。本发明的优点是使用高压腔室和节流部分,它们使得等离子体能够在优选工作电流下加热至合适温度。通过使节流部分上游的等离子体增压,可以增加在高压腔室中的等离子体的能量密度。增加能量密度的意思是每单位容积的等离子体能量值增加。增加高压腔室中的等离子体的能量密度又使得等离子体能够通过电弧加热至较高温度,该电弧沿与等离子体槽道相同方向在阴极和阳极之间延伸。还发现,增加高压腔室中的压力也适合在更低工作电流下操作等离子体产生装置。而且,增加高压腔室中的等离子体的压力还可以在所供给的产生等离子体的气体的更低气体容积流量下操作等离子体产生装置。例如,试验显示,在高压腔室中的等离子体增压至大约6巴将至少可以使得等离子体产生装置的效率与现有技术(其中,等离子体槽道布置成没有高压腔室和没有节流部分)相比提高30%。
还发现,与现有技术的等离子体产生装置相比,通过使高压腔室中的等离子体增压,在阳极中的功率损失可以降低。
还希望在比高压腔室中的压力更低的压力下排出等离子体。例如,在高压腔室中的增加的压力可能对外科手术操作中的病人不利,该外科手术操作例如通过本发明的等离子体产生装置来进行。不过已经发现,当从高压腔室流向低压腔室时,由于等离子体经过节流部分,布置在节流部分下游的低压腔室降低了在高压腔室中的等离子体的增加的压力。当经过流动部分时,在高压腔室中的等离子体的增加的压力的一部分将转变成动能,因此,与高压腔室中的流速相比,等离子体的流速在低压腔室中进行加速。
本发明的等离子体产生装置的另一优点是,与在高压腔室中的等离子体相比,通过等离子体槽道的出口排出的等离子体具有更高的动能。具有该特性的等离子体射流可以利用产生的等离子体来例如切割活生物组织。该动能优选是例如能够使等离子体射流穿透受该等离子体射流影响的目标,从而产生切割。
还发现,优选是在外科手术用途中向等离子体产生装置供给较低气体容积流量,因为较高气体容积流量可能对通过所产生的等离子体来治疗的病人不利。已经发现,通过供给等离子体产生装置的产生等离子体的气体的较低气体容积流量,有在阴极和高压腔室之间形成一个或多个电弧的危险,称为级联电弧。
还发现,随着等离子体槽道的截面减小,发生该级联电弧的危险增加。该级联电弧可以对等离子体装置的功能有负面影响,且高压腔室可能由于电弧的作用而受损和/或退化。且还有从高压腔室释放的物质污染等离子体的危险,当在该等离子体产生装置中产生的等离子体用于外科手术用途时,这可能对例如病人不利。试验显示,当气体容积流量小于1.5l/min时和当等离子体槽道的截面小于1mm2时,上述问题可能产生。
因此,本发明也基于这样的知识,即已经发现优选是将至少一个中间电极布置在高压腔室中,以便降低产生该级联电弧的危险。因此,本发明的等离子体产生装置的优点是,所述至少一个中间电极能够使得高压腔室的截面布置成这样,即在上述施加的工作电流水平下可以获得合适温度的电弧,因此供给的等离子体可以获得合适温度。还发现,将中间电极布置在高压腔室中将有利地减少等离子体受到污染的危险。布置在高压腔室中的中间电极也帮助以更高效的方式加热所产生的等离子体。在本文中,中间电极的意思是布置在阴极和阳极之间的一个或多个电极。还应当知道,在等离子体产生装置的工作中,电压施加给各中间电极。
这样,通过组合布置在节流部分上游的至少一个中间电极和高压腔室的更小截面,本发明提供了能够用于产生等离子体的等离子体产生装置,它具有较低的意外污染水平和用于外科手术操作的其它优良特性,它例如用于切割生物组织。不过应当知道,等离子体产生装置也可以用于其它外科手术用途。例如,它可以通过例如改变工作电流和/或气体流量而产生能够用于例如生物组织汽化或凝结的等离子体。还有,可以考虑这些应用的组合,且它们在很多情况下在很多应用领域中很有利。
还发现,根据本发明提供的等离子体产生装置能够以合适方式控制在所产生的等离子体的热能和动能之间的关系变化。已经发现,优选是当处理不同类型的目标(例如软和硬的生物组织)时,能够使用在热能和动能之间有不同关系的等离子体。还发现,优选是能够根据要处理的生物组织中的血液密度来改变在热能和动能之间的关系。例如,已经发现在一些情况下,优选是当组织中的血液密度较高时使用具有更大热能的等离子体,而当组织中的血液密度较低时使用具有更小热能的等离子体。在产生的等离子体的热能和动能之间的关系例如可以通过在高压腔室中形成的压力水平来控制,在这种情况下,在高压腔室中的较高压力可以使得等离子体在从等离子体产生装置排出时增加动能。因此,这样改变在产生的等离子体的热能和动能之间的关系将例如能够以合适方式调节在外科手术用途中的切割作用和凝结作用的组合,用于处理不同类型的生物组织。
优选是,所述高压腔室主要由所述至少一个中间电极而形成。通过使高压腔室整个或部分由所述至少一个中间电极构成,获得的高压腔室将有效地加热通过的等离子体。通过将中间电极布置为高压腔室的一部分而可以获得的另一优点是高压腔室能够布置有合适长度,而不会在阴极和高压腔室的内周表面之间形成所谓的级联电弧。形成于阴极和高压腔室的内周表面之间的电弧可能使高压腔室受损和/或退化,如上所述。
在等离子体产生装置的一个实施例中,高压腔室优选是包括多电极槽道部分,该多电极槽道部分包括两个或更多中间电极。通过将高压腔室布置为多电极槽道部分,高压腔室可以有增加的长度,以便能够将供给的等离子体加热至大约电弧温度。已经发现,高压腔室的截面越小,将等离子体加热至大约电弧温度所需的槽道就越长。在已经进行的试验中,多个中间电极用于抑制各电极沿等离子体槽道的纵向方向的延伸。已经发现,使用多个中间电极能够降低在各中间电极上施加的电压。
还发现当增加在高压腔室中的等离子体的增压时,优选是在节流部分和阴极之间布置大量的中间电极。此外,已经发现通过当增加在高压腔室中的等离子体增压时使用大量中间电极,可以使每个中间电极保持基本相同电压水平,这降低了当使高压腔室中的等离子体增压时产生所谓的级联电弧的危险。
当使用具有较大长度的高压腔室时,已经发现当各电极太长时有不能在阴极和阳极之间形成电弧的危险。相反,在阴极和中间电极之间和/或在彼此相邻的中间电极之间可以形成更短的电弧。因此,优选是将多个中间电极布置在高压腔室中,从而降低施加在各中间电极上的电压。因此,优选是当布置较长高压腔室时使用多个中间电极,特别是当高压腔室具有较小截面表面时。在试验中,已经发现优选是向各中间电极提供小于22伏特的电压。通过上述优选工作电流水平,发现经过电极的电压水平优选是在15和22伏特/mm之间。
在一个实施例中,所述高压腔室布置为多电极槽道部分,它包括三个或更多中间电极。
在等离子体产生装置的一个实施例中,第二最大截面表面等于或小于0.65mm2。在一个实施例中,第二最大截面表面可以布置成使截面在0.05mm2和0.44mm2之间。在等离子体产生装置的可选实施例中,截面可以布置有在0.13mm2和0.28mm2之间的表面。通过使低压腔室的槽道部分布置有这样的截面表面,可以通过等离子体产生装置的等离子体槽道的出口排出高能量集中的等离子体射流。在用于切割生物组织的用途中,高能量集中的等离子体射流特别有利。产生的等离子体射流的较小截面表面也有利于需要很高精度的处理。而且,具有这样的截面的低压腔室能够使等离子体加速,并获得增加的动能和降低的压力,这例如在等离子体用于外科手术用途时很合适。
节流部分的第三截面表面优选是在0.008mm2和0.12mm2之间的范围内。在可选实施例中,节流部分的第三截面表面可以在0.030mm2和0.070mm2之间。通过使节流部分布置有这样的截面,发现可以以合适方式产生在高压腔室中的增大的等离子体压力。而且,等离子体在高压腔室中的增压影响它的能量密度,如上所述。因此,在高压腔室中的等离子体通过节流部分而增加压力将有利于在合适气体容积流量和工作电流水平下对等离子体进行合适加热。
已经发现,节流部分的选定截面的另一优点是,当流过节流部分的等离子体加速至超音速(等于或大于马赫数1的值)时,在高压腔室中的压力可以增加至合适水平。已经发现,为了在低压腔室中获得超音速等离子体而在高压腔室中所需的临界压力水平特别取决于节流部分的截面尺寸和几何形状设计。还发现,用于获得超音速的临界压力也受到使用的产生等离子体的气体的种类和等离子体的温度的影响。应当知道,节流部分总是有比分别在高压腔室和低压腔室中的第一和第二最大截面表面的截面更小的直径。
优选是,高压腔室的第一最大截面表面在0.03mm2和0.65mm2之间的范围内。这样的最大截面适合在合适的气体容积流量和工作电流水平下将等离子体加热至合适温度。
已经发现,在阴极和阳极之间形成的电弧的温度特别取决于高压腔室的截面尺寸。高压腔室的更小截面将使得在阴极和阳极之间形成的电弧的能量密度增加。因此,沿等离子体腔室中心轴线的电弧的温度与在放电电流和等离子体槽道截面之间的关系成正比。
在可选实施例中,高压腔室的截面在0.05mm2和0.33mm2之间。在另一可选实施例中,高压腔室的截面在0.07mm2和0.20mm2之间。
优选是可以将节流部分布置在中间电极中。通过这样布置,在阴极和节流部分之间产生所谓级联电弧的危险降低。类似的,在节流部分和可能与它相邻的中间电极之间产生级联电弧的危险也降低。
优选是,低压腔室包括至少一个中间电极。这意味着在阴极和低压腔室之间产生所谓的级联电弧的危险降低。在低压腔室中的一个或多个中间电极也意味着在可能相邻的中间电极之间产生级联电弧的危险降低。
在优选方式中,在节流部分和低压腔室中的中间电极能够有助于以合适方式形成在阴极和阳极之间的电弧。而且,对于某些用途,优选是可以将节流部分布置在两个中间电极之间。在等离子体产生装置的可选实施例中,节流部分可以布置在形成高压腔室的一部分的至少两个中间电极和形成低压腔室的一部分的至少两个中间电极之间。
已经发现,优选是将等离子体产生装置设计成这样,即在阴极和阳极之间延伸的等离子体槽道的主要部分由中间电极形成。当等离子体的加热能够沿等离子体槽道的基本整个长度来进行时,这样的槽道也合适。
在等离子体产生装置的一个实施例中,等离子体产生装置包括至少两个中间电极,优选是至少三个中间电极。在可选实施例中,等离子体产生装置包括2至10个中间电极,根据另一可选实施例在3和10个中间电极之间。通过使用这样多个中间电极,获得的等离子体槽道可以有合适的长度来在合适的气体流速水平和工作电流水平下加热等离子体。而且,所述中间电极优选是通过绝缘体装置而相互隔开。中间电极优选是由铜或含铜合金制成。
在一个实施例中,第一最大截面表面、第二最大截面表面和第三截面表面是与等离子体槽道的纵向方向横切的圆形截面。通过使等离子体槽道形成有圆形截面,例如制造将很容易且具有成本效益。
在等离子体产生装置的可选实施例中,阴极有朝着阳极渐缩的阴极顶端,阴极顶端的一部分在与所述高压腔室连接的等离子体腔室的一部分长度上延伸。该等离子体腔室有与等离子体槽道的纵向方向横切的第四截面表面,在所述阴极顶端的、指向阳极的端部处的该第四截面表面大于所述第一最大截面表面。通过使等离子体产生装置提供有这样的等离子体腔室,可以使等离子体产生装置具有减小的外部尺寸。在优选方式中,可以通过使用等离子体腔室来提供环绕阴极的合适空间,特别是环绕阴极的、最靠近阳极的顶端。环绕阴极顶端的空间合适地降低了阴极在工作时的高温使得邻近该阴极的装置材料受损和/或退化的危险。特别是,使用等离子体腔室有利于长时间连续工作。
通过布置等离子体腔室而获得的另一优点是,将在阴极和阳极之间产生的电弧可以安全地获得,因为等离子体腔室允许阴极顶端布置在最靠近阴极的等离子体槽道开口附近,而不会由于阴极的高温而使得周围材料受损和/或退化。当阴极顶端定位得离等离子体槽道的开口的距离太大时,在阴极和周围结构之间通常以不合适的方式来产生电弧,这可能使得装置不正确工作,在某些情况下也使装置受损。
根据本发明的第二方面,提供了一种包括上述等离子体产生装置的等离子体外科手术装置。上述类型的等离子体外科手术装置能够合适地用于破坏生物组织或使生物组织凝结,特别是用于切割。而且,这样的等离子体外科手术装置能够有利地用于心脏或脑外科手术。也可选择,这样的等离子体外科手术装置能够有利地用于肝、脾或肾外科手术。
根据本发明的第三方面,提供了一种产生等离子体的方法。该方法包括在4至10安培的工作电流下向上述等离子体产生装置供给0.05l/min至1.00l/min气体容积流量的产生等离子体的气体。这样的产生等离子体的气体优选是包括惰性气体,例如氩气、氖气、氙气、氦气等。这样产生等离子体的方法特别可以用于切割生物组织。
在可选实施例中,产生等离子体的气体的供给流能够在0.10l/min和0.80l/min之间。在另一可选实施例中,产生等离子体的气体的供给流能够在0.15l/min和0.50l/min之间。
根据本发明的第四方面,提供了一种由等离子体产生装置来产生等离子体的方法,该等离子体产生装置包括阳极、阴极和等离子体槽道,该等离子体槽道基本沿从所述阴极至所述阳极的方向延伸,所述方法包括:提供从阴极流向阳极的等离子体;通过使高压腔室中的等离子体增压而增加所述等离子体的能量密度,该高压腔室位于布置在等离子体槽道中的节流部分的上游;通过使用布置在节流部分上游的至少一个中间电极来加热所述等离子体;以及通过使所述等离子体经过所述节流部分来使所述等离子体减压和加速,并通过等离子体槽道的出口开口而排出所述等离子体。
通过该方法,可以产生基本无污染的等离子体,且该等离子体能够在合适的工作电流和气体流量水平下加热至合适温度并有合适动能,如上所述。
在高压腔室中的等离子体的增压优选是包括产生在3和8巴之间的压力,优选是5-6巴。这样的压力水平优选是使等离子体有能够在合适工作电流水平下加热至合适温度的能量密度。还发现,这样的压力水平使得节流部分附近的等离子体能够加速至超音速。
等离子体优选是被减压至超过等离子体槽道的出口开口外部的大气压力少于2巴的压力水平,也可选择0.25-1巴,且还可选择0.5-1巴。通过将由等离子体槽道的出口开口排出的等离子体的压力降低至该水平,等离子体的压力伤害通过产生的等离子体射流来进行外科手术治疗的病人的危险将降低。
通过增加在高压腔室中的等离子体的压力,流过等离子体槽道的等离子体能够在节流部分附近加速至值等于或大于马赫数1的超音速。获得超过马赫数1的速度所需的压力特别取决于等离子体的压力和供给的产生等离子体的气体的类型。而且,在高压腔室中的所需压力取决于节流部分的截面表面和几何形状设计。优选是,等离子体加速至1-3倍超音速的流速,它是在马赫数1和马赫数3之间的流速。
优选是,等离子体加热至11000℃和20000℃之间的温度,优选是13000℃至18000℃,特别是14000℃至16000℃。这样的温度水平例如适合使得产生的等离子体用于切割生物组织。
为了产生和提供等离子体,产生等离子体的气体可以合适地供给等离子体产生装置。已经发现,优选是以0.05l/min和1.00l/min之间的流量来提供这样的产生等离子体的气体,优选是0.10-0.80l/min,特别是0.15-0.50l/min。通过产生等离子体的气体的这种流量水平,发现可以在合适工作电流水平下将产生的等离子体加热至合适温度。上述流量水平还适合使等离子体用于外科手术用途,因为它能够降低伤害病人的危险。
当通过等离子体槽道的出口开口排出等离子体时,优选是使得等离子体作为等离子体射流而排出,该等离子体射流的截面小于0.65mm2,优选是在0.05mm2和0.44mm2之间,特别是0.13-0.28mm2。而且,等离子体产生装置优选是提供有在4和10安培之间的工作电流,优选是4-8安培。
根据本发明的另一方面,产生等离子体的上述方法可以用于切割生物组织的方法。
附图说明
下面将参考附图更详细地介绍本发明,该附图通过实例表示了本发明的当前优选实施例。
图1a是本发明的等离子体产生装置的实施例的剖视图;
图1b是图1a的实施例的局部放大图;
图1c是布置在图1a的等离子体产生装置的等离子体槽道中的节流部分的局部放大图;
图2表示了等离子体产生装置的可选实施例;
图3表示了等离子体产生装置的另一可选实施例;
图4通过实例表示了以不同方式影响生物组织的合适功率水平的图;以及
图5表示了在不同工作功率水平下在等离子体射流的温度和将产生等离子体的气体供给等离子体产生装置的气体容积流量之间的关系的图。
具体实施方式
图1a表示了本发明的等离子体产生装置1的实施例的剖视图。图1a中的剖面穿过等离子体产生装置1沿纵向方向的中心。装置包括细长端部套筒3,该端部套筒3容纳用于产生等离子体的等离子体产生系统,该等离子体在端部套筒3的端部排出。产生的等离子体例如可以用于停止组织中的流血、汽化组织、切割组织等。
图1a的等离子体产生装置1包括阴极5、阳极7和多个电极9、9′、9″,这些电极布置在阳极和阴极之间,在本文中称为中间电极。中间电极9、9′、9″为环形,并形成等离子体槽道11的一部分,该等离子体槽道11从阴极5前部的位置伸出,并伸向阳极7且通过该阳极7。等离子体槽道11的进口端定位得靠近阴极5,等离子体槽道11穿过阳极7延伸,它的出口开口布置在该阳极7处。在等离子体槽道11中,等离子体将被加热,并最终穿过阳极7中的等离子体槽道开口流出。中间电极9、9′、9″通过环形绝缘体装置13、13′、13″而彼此绝缘和分离。中间电极9、9′、9″的形状和等离子体槽道11的尺寸可以调节成适于所需目的。中间电极9、9′、9″的数目也可以以可选方式变化。图1a中所示的实施例提供有三个中间电极9、9′、9″。
在图1a所示的实施例中,阴极5形成为细长柱形元件。优选是,阴极5由钨制成,可选择有添加剂,例如镧。这种添加剂例如可以用于降低在阴极5端部15处产生的温度。
而且,指向阳极7的阴极5端部15有渐缩端部部分。该渐缩部分15合适地形成在阴极端部处的顶端,如图1a所示。阴极顶端15优选是圆锥形状。阴极顶端15还可以是圆锥的一部分,或者可以选择形状为朝着阳极7渐缩的几何形状。
阴极5的、方向背离阳极7的另一端与电导体连接,该电导体将与电源连接。该导体优选是由绝缘体包围(该导体在图1a中未示出)。
等离子体腔室17与等离子体槽道11的进口端连接,并有与等离子体槽道11的纵向方向横切的截面表面,该截面表面超过等离子体槽道11在进口端处的截面表面。图1a中所示的等离子体腔室17具有与等离子体槽道11的纵向方向横切的圆形截面,并有沿等离子体槽道11的纵向方向的长度Lch,该长度近似对应于等离子体腔室17的直径Dch。等离子体腔室17和等离子体槽道11基本彼此同心布置。阴极5伸入等离子体腔室17内至少该等离子体腔室17长度Lch的一半,且阴极5布置成基本与等离子体腔室17同心。等离子体腔室17包括集成在第一中间电极9中的凹口,该第一中间电极9定位成最靠近阴极5。
图1a还表示了绝缘体元件19,该绝缘体元件19沿阴极5的一部分延伸并环绕它。绝缘体元件19优选是形成为细长柱形套筒,且阴极5局部位于穿过该管形绝缘体元件19延伸的圆形孔中。阴极5基本布置在绝缘体元件19的通孔的中心。而且,绝缘体元件19的内径稍微大于阴极5的外径,从而在阴极5的外周表面和绝缘体元件19的圆形孔的内表面之间形成一定距离。
优选是,绝缘体元件19由耐热材料制成,例如陶瓷材料、耐热塑料材料等。绝缘体元件19将保护等离子体产生装置1的邻接部分免受高温影响,该高温例如可能在阴极5周围产生,特别是阴极顶端15周围。
绝缘体元件19和阴极5彼此相对布置而使得指向阳极7的阴极5端部15超过绝缘体元件19的端表面21(该端表面21指向阳极7)凸出。在图1a所示的实施例中,阴极5的渐缩顶端15的大约一半超过绝缘体元件19的端表面21伸出。
气体供给部分(图1中未示出)与等离子体产生部分连接。供给等离子体产生装置1的气体优选是包括与用作现有技术仪器的产生等离子体的气体的气体相同类型的气体,例如惰性气体如氩气、氖气、氙气、氦气等。产生等离子体的气体能够流过气体供给部分,并流入布置在阴极5和绝缘体元件19之间的空间内。因此,产生等离子体的气体沿绝缘体元件19内的阴极5流向阳极7。当产生等离子体的气体通过绝缘体元件19的端部(该端部定位成最靠近阳极7)时,气体进入等离子体腔室17。
等离子体产生装置1还包括伸入细长端部套筒3中的一个或多个冷却剂槽道23。该冷却剂槽道23优选是局部与连接端部套筒3的壳体(未示出)形成为一件。端部套筒3和壳体例如可以通过螺纹接头而相互连接,但是也可以考虑其它连接方法,例如焊接、钎焊等。而且,端部套筒优选是外部尺寸小于10mm,优选是小于5mm。至少位于端部套筒处的壳体部分优选具有与端部套筒的外形和尺寸基本相对应的外形和尺寸。在图1a所示的等离子体产生装置实施例中,端部套筒具有与等离子体槽道11的纵向方向横切的圆形截面。
在一个实施例中,等离子体产生装置1包括两个附加槽道23,一个构成进口槽道,另一个构成出口槽道,用于冷却剂。进口槽道和出口槽道相互连通,以便使冷却剂能够通过等离子体产生装置1的端部套筒3。还可以使等离子体产生装置1提供有超过两个冷却槽道,它们用于供给或排出冷却剂。优选是,水用作冷却剂,尽管也可以考虑其它类型的流体。冷却槽道布置成使得冷却剂供给端部套筒3,并在中间电极9、9′、9″和端部套筒3的内壁之间流动。端部套筒3的内部构成使得该至少两个附加槽道相互连接的区域。
中间电极9、9′、9″布置在等离子体产生装置1的端部套筒3的内部,并定位成基本与端部套筒3同心。中间电极9、9′、9″的外径相对于套筒3的内径形成在中间电极的外表面和端部套筒3的内壁之间的空间。在该空间中,从附加槽道23供给的冷却剂能够在中间电极9、9′、9″和端部套筒3之间流动。
附加槽道23可以有不同数目和不同截面。还可以使得全部或一些附加槽道23用于其它目的。例如,可以布置有三个附加槽道23,其中,例如两个用于供给和排出冷却剂,一个用于从外科手术区域吸取液体等。
在图1a所示的实施例中,三个中间电极9、9′、9″通过布置在阴极5和阳极7之间的绝缘体装置13、13′、13″而隔开。不过应当知道,电极9、9′、9″的数目可以根据任意合适目的来选择。相互邻近的中间电极和布置在它们之间的绝缘体装置优选是相互压配合。
最远离阴极5的电极9″与环形绝缘体装置13″接触,该环形绝缘体装置13″布置得抵靠阳极7。
阳极7与细长端部套筒3连接。在图1a所示的实施例中,阳极7和端部套筒3相互形成一体。在可选实施例中,阳极7可以形成为单独元件,它通过在阳极7和端部套筒3之间的螺纹连接、通过焊接、通过钎焊而与该端部套筒3连接。在阳极7和端部套筒3之间的连接是优选的,从而将提供在它们之间的电接触。
图1a所示的等离子体产生装置1有等离子体槽道11,该等离子体槽道11有高压腔室25、节流部分27和低压腔室29。节流部分27位于高压腔室25和低压腔室29之间。在本文中,高压腔室25的意思是沿等离子体从阴极5至阳极7的流动方向位于节流部分27上游的等离子体槽道11部分。低压腔室29的意思是位于节流部分27下游的等离子体槽道11部分。
图1a所示的节流部分27构成等离子体槽道11的最小截面。因此,节流部分27的截面小于高压腔室25的最大截面和低压腔室29的最大截面(与等离子体槽道的纵向方向横切)。如图1a和1c中所示,优选是该节流部分为超音速或拉法尔喷嘴。
节流部分27使得高压腔室25中的压力将相对于低压腔室29中的压力增加。当等离子体流过节流部分27时,等离子体的流速加速,且等离子体的压力降低。因此,通过阳极7中的等离子体槽道11开口排出的等离子体具有比高压腔室25中的等离子体更高的动能和更低的压力。根据图1a所示的等离子体产生装置,在阳极7中的等离子体槽道11开口的截面表面与低压腔室29的最大截面表面相同。
在图1a所示的实施例中,等离子体槽道11优选是形成为这样,即等离子体槽道11朝着节流部分的最小截面逐渐减小,然后截面再次逐渐增大。在节流部分27附近的这种等离子体槽道11形状例如降低在等离子体中的湍流。这样很有利,因为否则湍流可能降低等离子体的流速。
在图1c所示的局部放大图中,沿等离子体的流动方向看,等离子体槽道11有在节流部分27的最小截面表面的上游的收敛槽道部分。而且,等离子体槽道11有在节流部分27下游的发散槽道部分。在图1c所示的实施例中,等离子体槽道11的发散部分沿等离子体槽道11的纵向方向的长度比收敛部分更短。
对于等离子体槽道11在节流部分27附近的设计,在图1c所示的等离子体产生装置实施例中,已经发现可以使等离子体在节流部分27中加速至值等于或大于马赫数1的超音速。
图1a所示的等离子体槽道11为圆形截面。优选是,高压腔室的最大直径在0.20mm和0.90mm之间,优选是0.25-0.65mm,特别是0.30-0.50mm。而且,优选是,低压腔室的最大直径在0.20mm和0.90mm之间,优选是0.25-0.75mm,特别是0.40-0.60mm。优选是,节流部分的最小直径在0.10mm和0.40mm之间,优选是0.20-0.30mm。
图1a中所示的等离子体产生装置1的示例实施例具有直径为0.4mm的高压腔室25。在图1a所示的实施例中,低压腔室29的直径为0.50mm,节流部分27的直径为0.27mm。
在图1a所示的等离子体产生装置实施例中,节流部分27基本位于等离子体槽道沿纵向方向的长度的中心处。不过已经发现,在等离子体的动能和热能之间的关系可以根据节流部分27在等离子体槽道11中的位置而变化。
图2是等离子体产生装置101的可选实施例的剖视图。在图2所示的实施例中,节流部分127位于阳极107中并在等离子体槽道111的出口开口附近。通过将节流部分127布置在沿等离子体槽道111的纵向方向的下游远处,例如在阳极107中或在阳极107附近,与图1a所示的等离子体产生装置1相比,在等离子体槽道111的开口处获得的等离子体有更高的动能。已经发现,某些类型的组织(例如软组织如肝组织)通过具有更高动能的等离子体能够更容易切割。例如,发现优选是产生包括大约一半热能和一半动能的等离子体来用于该切割。
而且,图2中的等离子体产生装置101的可选实施例包括7个中间电极109。不过应当知道,图2中的等离子体产生装置101的实施例可以选择地布置有比7个更多或更少的中间电极109。
图3表示了等离子体产生装置201的另一可选实施例。在图3所示的可选实施例中,节流部分227布置在最靠近阴极205的第一中间电极209中。通过将节流部分227布置在沿等离子体槽道211的长度相当远的上游处,与图1a和2中的实施例相比,获得的等离子体在通过等离子体槽道211的出口开口排出时将有更低的动能。已经发现,例如某些硬组织(例如骨)可以通过具有更高热能和更低动能的等离子体来更容易地切割。例如,发现优选是产生包括大约80-90%热能和10-20%动能的等离子体来用于该切割。
而且,图2的等离子体产生装置201的可选实施例包括5个中间电极209。不过应当知道,图2中的等离子体产生装置201的实施例可以选择地布置有比5个更多或更少的中间电极209。
应当知道,节流部分27、127、227可以根据产生的等离子体的合适特性而布置在等离子体槽道11、111、211中的选择位置。而且,应当知道,除了上述区别,图2-3中所示的实施例可以与图1a-1c中的实施例类似的方式来布置。
图4表示了在生物组织上获得不同效果的合适功率水平的实例。图4表示了这些功率水平怎样与通过上述等离子体产生装置1、101、201的等离子体槽道1、111、211而排出的等离子体射流的不同直径相关。为了在活组织上获得不同效果(例如凝结、汽化和切割),图4中表示了合适的功率水平。这些不同类型的效果可以根据等离子体射流的直径而在不同功率水平获得。为了降低所需的工作电流,已经发现优选是减小等离子体产生装置的等离子体槽道11、111、211的直径,并因此减小由装置产生的等离子体射流的直径,如图4中所示。
图5表示了在等离子体射流的温度和向上述等离子体产生装置1、101、201提供产生等离子体的气体(例如氩气)的容积流量之间的关系。为了获得合适效果(例如凝结、汽化或切割),发现优选是在不同功率水平使用特定供给的气体容积流量,如图5中所示。为了在合适功率水平下产生具有合适温度的等离子体,如本文上面所述,已经发现优选是提供具有较低气体容积流量的产生等离子体的气体。为了降低所需工作电流,优选是降低向等离子体产生装置1、101、201供给的产生等离子体的气体的气体容积流量。较高气体容积流量也可能对例如进行治疗的病人不利,因此应当使气体容积流量保持较低。
因此,在图1a-3所示的实施例中的等离子体产生装置1、101、201可以产生具有这些特性的等离子体。还发现这有利于提供能够用于在合适工作电流和气体容积流量下切割例如活生物组织的等离子体产生装置1、101、201。
下面将参考图1a-1b介绍包含在等离子体产生装置1、101、201中的部件之间的合适几何关系。应当知道,下面所述的尺寸只构成等离子体产生装置1、101、201的示例实施例,并能够根据应用领域和所希望的特性而变化。应当知道,图1a-b中所述的实例也可以用于图2-3中的实施例。
绝缘体元件19的内径di只是稍微大于阴极5的外径dc。在一个实施例中,在公共截面中,在阴极5和绝缘体元件19之间的截面差优选是等于或大于靠近阴极5的等离子体槽道11进口的截面。
在图1b所示的实施例中,阴极5的外径dc为大约0.50mm,绝缘体元件19的内径di为大约0.80mm。
在一个实施例中,阴极5布置成使得阴极顶端15的部分长度超过绝缘体元件19的边界表面21凸出。在图1b中,阴极5的顶端15定位成这样,即顶端15的长度Lc的大约一半超过绝缘体元件19的边界表面21而凸出。在图1b所示的实施例中,该凸出lc大约对应于阴极5的直径dc。
阴极顶端15的总长度Lc优选是大于阴极5在阴极顶端15的基部处的直径dc的1.5倍。优选是,阴极顶端15的总长度Lc为阴极5在阴极顶端15的基部处的直径dc的1.5-3倍。在图1b所示的实施例中,阴极顶端15的长度Lc对应于阴极5在阴极顶端15的基部处的直径dc的大约2倍。
在一个实施例中,阴极5的直径dc在阴极顶端15的基部处为大约0.3-0.6mm。在图1b所示的实施例中,阴极5的直径dc在阴极顶端15的基部处为大约0.50mm。优选是,阴极在阴极顶端15的基部和阴极5的、与阴极顶端15相反的端部之间有基本相同的直径dc。然而,可以理解,可以沿阴极5的长度改变该直径dc。
在一个实施例中,等离子体腔室17的直径Dch对应于阴极5在阴极顶端15的基部处的直径dc的大约2-2.5倍。在图1b所示的实施例中,等离子体腔室17的直径Dch对应于阴极5的直径dc的大约2倍。
等离子体腔室17沿等离子体产生装置1的纵向方向的长度Lch对应于阴极5在阴极顶端15的基部处的直径dc的大约2-2.5倍。在图1b所示的实施例中,等离子体腔室17的长度Lch大约对应于等离子体腔室17的直径Dch。
在一个实施例中,阴极5的顶端15在等离子体腔室17的长度Lch的一半上延伸,或者超过所述一半长度。在可选实施例中,阴极5的顶端15在等离子体腔室17的长度Lch的1/2至2/3上延伸。在图1b所示的实施例中,阴极顶端15至少在等离子体腔室17的长度Lch的一半上延伸。
在图1b所示的实施例中,伸入等离子体腔室17中的阴极5定位得离等离子体腔室17的、最靠近阳极7的端部的距离大约对应于阴极5在基部处的直径dc。
在图1b所示的实施例中,等离子体腔室17与等离子体槽道11的高压腔室25流体连通。高压腔室25优选是直径dch为大约0.2-0.5mm。在图1b所示的实施例中,高压腔室25的直径dch为大约0.40mm。不过应当知道,高压腔室25的直径dch可以沿高压腔室25的长度以不同方式变化,以便提供不同的所需特性。
在等离子体腔室17和高压腔室25之间布置有过渡部分31,该过渡部分31构成在等离子体腔室17的直径Dch和高压腔室25的直径dch之间的、沿从阴极5至阳极7方向的锥形过渡。过渡部分31可以以多种可选方式设计。在图1b所示的实施例中,过渡部分31设计为斜边缘,该斜边缘形成在等离子体腔室17的内径Dch和高压腔室25的内径dch之间的过渡。不过,应当知道,等离子体腔室17和高压腔室25可以布置成相互直接接触,而没有布置在两者之间的过渡部分31。使用图1b中所示的过渡部分31能够有利地抽取热量,以便冷却等离子体腔室17和高压腔室25附近的结构。
优选是,等离子体产生装置1可以提供为一次性仪器的一部分。例如,具有等离子体产生装置1、外壳、管、连接端子等的整个装置可以作为一次性仪器来出售。也可选择,只有等离子体产生装置可以是一次性的,并与多次使用的装置连接。
在本发明的范围内也可以考虑其它实施例和变化形式。例如,电极9′、9″、99′″的数目和形状可以根据使用的产生等离子体的气体的类型和希望产生的等离子体的特性而变化。
在使用时,产生等离子体的气体(例如氩气)通过气体供给部分供给在阴极5和绝缘体元件19之间的空间,如上所述。供给的产生等离子体的气体通过等离子体腔室17和等离子体槽道11,以便通过阳极7中的等离子体槽道11开口而排出。当建立气体供给后,电压系统打开,这起动在等离子体槽道11中的放电处理,并在阴极5和阳极7之间形成电弧。在建立电弧之前,优选是通过冷却剂槽道23而将冷却剂供给等离子体产生装置1,如上所述。当建立电弧后,气体等离子体在等离子体腔室17中产生,并在加热过程中通过等离子体槽道11并通向阳极7中的开口。
用于图1-3的等离子体产生装置1、101、201的合适工作电流为4-10安培,优选是4-8安培。等离子体产生装置1、101、201的工作电压特别取决于中间电极的数目和中间电极的长度。等离子体槽道的相对较小直径能够在使用等离子体产生装置1、101、201时有相对较低能量消耗和相对较低工作电流。
在阴极5和阳极7之间形成电弧时,温度T主要在中心沿等离子体槽道的中心轴线,并与放电电流I和等离子体槽道的直径dch之间的关系成正比(T=K*I/dch)。为了在相对较低电流下提供较高温度的等离子体(例如11000℃至20000℃),在阳极7中的等离子体槽道的出口处,等离子体槽道的截面(因此加热气体的电弧的截面)较小。通过较小截面电弧,在等离子体槽道中的电场强度具有较高值。
图1a-3的等离子体产生装置的不同实施例不仅可以用于切割活生物组织,而且可以用于凝结和/或汽化。通过使手简单运动,操作人员能够使等离子体产生装置在凝结、汽化和凝结之间合适转换。
Claims (41)
1.一种等离子体产生装置,包括:
阳极;
阴极;以及
等离子体槽道,该等离子体槽道沿纵向在所述阴极和所述阳极之间延伸并穿过所述阳极,并有在最远离所述阴极的端部处的出口开口,所述等离子体槽道的一部分由相互电绝缘的一个或多个中间电极以及所述阳极而形成;
所述等离子体槽道有节流部分,所述节流部分将所述等离子体槽道分成:
(1)高压腔室,该高压腔室有与等离子体槽道的纵向方向横切的第一最大截面表面,所述高压腔室位于节流部分的、最靠近阴极的一侧;以及
(2)低压腔室,该低压腔室有与等离子体槽道的纵向方向横切的第二最大截面表面,所述低压腔室位于节流部分的、最远离阴极的一侧;
所述节流部分有与等离子体槽道的纵向方向横切的第三截面表面,该第三截面表面小于所述第一最大截面表面和所述第二最大截面表面;所述节流部分位于沿等离子体槽道的纵向方向的下游远处,位于所述阳极中或在阳极附近。
2.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述节流部分是拉法尔喷嘴。
3.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述节流部分是超音速喷嘴。
4.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述高压腔室基本由所述至少一个中间电极而形成。
5.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述高压腔室由两个或更多中间电极而形成。
6.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述高压腔室由三个或更多中间电极而形成。
7.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述第二最大截面表面小于或等于0.65mm2。
8.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述第三截面表面在0.008mm2和0.12mm2之间。
9.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述第一最大截面表面在0.03mm2和0.65mm2之间。
10.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述节流部分由中间电极而形成。
11.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述低压腔室由至少一个中间电极而形成。
12.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述节流部分沿纵向布置在两个中间电极之间。
13.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述节流部分沿纵向布置在形成高压腔室的一部分的至少两个中间电极和形成低压腔室的一部分的至少两个中间电极之间。
14.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述等离子体槽道的、由一个或多个中间电极形成的所述部分由两个或更多中间电极而形成。
15.根据权利要求14所述的等离子体产生装置,其中:所述等离子体槽道的、由一个或多个中间电极形成的所述部分由3-10个中间电极而形成。
16.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,其中:所述第一最大截面表面、所述第二最大截面表面和所述第三截面表面为圆形。
17.根据权利要求1所述的等离子体产生装置,还包括:与所述高压腔室连接的等离子体腔室,
其中,所述阴极有顶端,所述顶端是阴极的、最靠近阳极的部分,并朝着阳极渐缩,阴极顶端的一部分在等离子体腔室的部分长度上延伸;
其中,所述等离子体腔室有与所述等离子体槽道的纵向方向横切的第四截面表面,在阴极顶端的、最靠近阳极的端部处的所述第四截面表面大于所述第一最大截面表面。
18.一种等离子体外科手术装置,包括如权利要求1所述的等离子体产生装置。
19.一种产生等离子体的方法,包括:在4-10安培的工作电流下以0.05l/min至1.00l/min的速率向如权利要求1所述的等离子体产生装置供给产生等离子体的气体流。
20.根据权利要求19所述的方法,其中:所述产生等离子体的气体是惰性气体。
21.根据权利要求19所述的方法,其中:所述产生等离子体的气体是氩气。
22.一种使用等离子体产生装置来产生等离子体的方法,该等离子体产生装置包括阳极、阴极和等离子体槽道,该等离子体槽道在所述阴极和所述阳极之间沿纵向延伸并通过该阳极,且有在最远离所述阴极的端部处的出口开口,所述等离子体槽道的一部分由彼此电绝缘的一个或多个中间电极以及所述阳极而形成,所述等离子体槽道有节流部分,该节流部分将所述等离子体槽道分成高压腔室和低压腔室,所述高压腔室位于节流部分的、最靠近阴极的一侧,所述低压腔室位于节流部分的、最远离阴极的一侧,该方法包括:
向高压腔室中提供等离子体;
使高压腔室中的等离子体增压;
通过一个或多个中间电极来加热等离子体;
在使等离子体增压后使得等离子体通过所述节流部分;以及
然后通过等离子体槽道的出口开口来排出所述等离子体。
23.根据权利要求22所述的方法,其中:增加等离子体的能量密度包括使高压腔室中的等离子体增压至在3和8巴之间的压强。
24.根据权利要求23所述的方法,其中:压强在5和6巴之间。
25.根据权利要求22所述的方法,其中:等离子体的减压包括将等离子体的压强减小至超过等离子体装置的出口开口外部的大气压力少于2巴的压强。
26.根据权利要求25所述的方法,其中:超过压强为0.25-1巴。
27.根据权利要求26所述的方法,其中:超过压强为0.5-1巴。
28.根据权利要求22所述的方法,其中:加速所述等离子体的步骤包括在节流部分附近将等离子体加速至等于或大于马赫数1的速度。
29.根据权利要求28所述的方法,其中:该速度是1-3倍超音速。
30.根据权利要求22所述的方法,其中:等离子体的加热包括将等离子体加热至在11000℃和20000℃之间的温度。
31.根据权利要求30所述的方法,其中:该温度是13000-18000℃。
32.根据权利要求31所述的方法,其中:该温度是14000-16000℃。
33.根据权利要求22所述的方法,还包括:提供产生等离子体的气体。
34.根据权利要求33所述的方法,其中:产生等离子体的气体的流速在0.05l/min和1.0l/min之间。
35.根据权利要求34所述的方法,其中:流速在0.1l/min和0.80l/min之间。
36.根据权利要求35所述的方法,其中:流速在0.15l/min和0.50l/min之间。
37.根据权利要求22所述的方法,还包括:使所述等离子体作为等离子体射流而排出,该等离子体射流的截面小于0.65mm2。
38.根据权利要求37所述的方法,其中:截面在0.07mm2和0.50mm2之间。
39.根据权利要求38所述的方法,其中:截面在0.13mm2和0.30mm2之间。
40.根据权利要求22所述的方法,还包括:向等离子体产生装置供给在4和10安培之间的工作电流。
41.根据权利要求40所述的方法,其中:工作电流为4-8安培。
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