用於生成脈衝等離子體的脈衝等離子體裝置和方法

2023-04-27 14:44:26 3

專利名稱：用於生成脈衝等離子體的脈衝等離子體裝置和方法
技術領域：
本發明涉及等離子體生成裝置，更具體地，涉及等離子體生成裝置，以及為需要純 淨等離子體的應用生產脈衝等離子體的方法。
背景技術：
等離子體生成裝置在許多領域都發揮重要的作用。例如，等離子體被用於例如電 視機和計算機監視器的顯示器、攝譜學中，被用於例如塗覆的噴塗應用之中，以及被用於醫 學之中。本領域眾所周知，等離子體可被有效地用於醫療領域中的組織切割、凝血以及汽 化。為得到最好的結果，生成的等離子體不得不具有精確的特性，例如速度、溫度、能量密度 等。優選地，用於醫學應用的等離子體也必須是純淨的。換句話說，其應該僅包括被電離的 等離子體生成氣體的微粒而不包括其他微粒，例如在操作中從等離子體生成裝置的不同部 分分離出的物質。最近，已經嘗試使用等離子體來進行組織治療，特別是皮膚治療。當與皮膚表面接 觸時，取決於其在皮膚表面上產生的溫度升高，等離子體可能具有不同的效果。例如，將溫 度升高大約35°C _38°C，將會產生祛皺效果。而將溫度升高大約70°C，則會移除表皮層，這 在整形手術中是有用的。已經認識到，適於組織切割、凝血和汽化的連續等離子體流通常並 不適於其他類型的組織治療，特別是不適於皮膚治療。相反，為了避免由於使用連續等離子 體流而造成的不希望的皮膚損傷，使用脈衝等離子體。本領域目前已知可用於此目的兩種 類型的裝置。在美國專利No. 6，629，974中公開的裝置是第一類型的例子。在這類裝置中，通過 使例如氮的等離子體生成氣體通過交變電場來生成等離子體。交變電場在氣體中建立了自 由電子的快速移動。快速移動的電子從氣體原子中撞擊出其他電子，形成已知的電子雪崩， 而這又產生了電暈放電。通過在脈衝中施加電場，產生了脈衝電暈放電。用於產生脈衝電 暈放電的該方法的優點是(1)在流中不存在雜質，以及(2)實現真實脈衝流的生成的短的 啟動時間。為了本公開的目的，真實脈衝流是指在該脈衝的關斷時段期間完全停止的流。該第一類型的裝置和方法的缺點則在於產生的電暈放電具有大約2000°C的固定 的最大溫度。在該裝置中形成的該電暈放電絕不會變成高溫等離子體。為了通過該類型的 裝置取得在皮膚治療中改變膠原所需的1-4焦耳的能量，等離子體生成氣體流的速率必須 相對較高。例如，在這樣的裝置中使用氬需要大約20公升/分鐘的流速，以獲得所需的能 量。這樣的流速對於皮膚治療是不可行的。當將氬用於生成等離子體時，可以用僅大約5 公升/分鐘的流速來獲得所需的能量，但是即便這個流速也會使患者感到不舒服。因此，第 一類型的裝置的應用受到了能夠產生電暈放電的放電過程的特性的限制。第二類型的裝置通過以電弧加熱經過等離子體通道的等離子體生成氣體流來生 成等離子體，該電弧建立在陰極和形成該等離子通道的陽極之間。第二類型的裝置的例子 在美國專利No. 6，475，215中被公開。依據美國專利No. 6，475，215的公開內容，作為等離子體生成氣體，優選為氬，穿過等離子體通道，脈衝DC電壓施加在陽極和陰極之間。將或不 將預定的恆定偏壓加到脈衝DC電壓上。在電壓脈衝期間，等離子體生成氣體中的自由電子 的數量增加，從而導致等離子體的電阻減小和流過等離子體的電流的指數增長。在關斷時 段中，等離子體生成氣體中的自由電子的數量減少，從而導致等離子體的電阻增大和流經 等離子體的電流的指數減小。雖然在關斷時段中電流較低，但其並沒有完全停止。由於該 低電流(稱為備用電流)不產生真實脈衝等離子體流，因而是不想要的。在關斷時段中，維 持連續的低功率等離子體流。本質上，該裝置沒有生成脈衝等離子體，而是生成具有功率尖 峰(稱為脈衝)的連續等離子體流，從而模擬了脈衝等離子體。由於關斷時段遠比脈衝長， 該裝置在關斷時段內輸出大量能量，因此，它不能被有效地用於需要真實脈衝等離子體流 的應用。例如，如果該裝置被用於皮膚治療，則在每次脈衝後，不得不從皮膚表面移走該裝 置，以使皮膚不會在關斷時段中暴露在低功率等離子體下。這損害了該裝置的可用性。當使用在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置時，在脈衝之間將通過該等離子 體的電流降至零並對於等離子體的每次脈衝均重啟該裝置是不可實現的。作為使高電流通 過陰極而不保證陰極電弧附加裝置得到良好控制的結果，為每次脈衝重啟裝置將導致陰極 的快速損壞。由於裝置的結構的原因，在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置以及在本領域 中當前已知的該類型的其他裝置不能生成可安全地用於患者的真實脈衝等離子體流。在關 斷時段之後，將花費幾毫秒來達到等離子體流階段。在這幾毫秒中，等離子體特性不容易被 控制，因此其不能被用於患者。此外，當這種類型的裝置啟動時，由於濺射而發生電極的一 定程度的腐蝕。該腐蝕導致分離的電極材料在等離子體中流動。當使用連續的等離子體流 時，該啟動雜質是相對較小的缺點，因為啟動以及與其相關的雜質每次治療僅出現一次。因 此，在啟動之後可以等待幾秒鐘，以便在開始實際治療前使電極材料離開該裝置。然而，當 使用脈衝等離子體流時，等待雜質離開該裝置是不實際的，因為在等待時段結束之前必須 生成等離子體的下一脈衝。當等離子體流已經在之前被創建時，只需幾微秒來增大或減小等離子體流中的電 流。此外，由於沒有啟動，雜質不進入等離子體流，並且在陰極上不存在壓力。但是，如上所 述，即使持續維持經過等離子體的低電流也會使該裝置對於需要真實脈衝等離子體流的某 些應用而言不是最優的。藉助用電弧加熱等離子體生成氣體來生成真實脈衝等離子體流的困難主要是由 發生在電極上的過程的特性造成的。一般地，並且特別對於醫學應用而言，當電流快速增大 時，確保操作不腐蝕陽極和陰極是極為重要的。在電流快速增大期間，陰極的溫度可能較 低，且在脈衝的隨後重複期間不易被控制。當在陰極和陽極之間生成電弧時，該電弧接合到 陰極的區域很大程度上取決於陰極的初始溫度。當陰極是冷卻的時，該接合區域就相對較 小。在幾次脈衝之後，陰極的溫度增高，從而在電流快速增大過程中，該接合區域在陰極的 整個表面區域上延伸，甚至在陰極支持部上延伸。在這些情況下，陰極電勢開始波動，且陰 極腐蝕開始。此外，如果電弧的接合區域達到陰極支持部，則該支持部將開始熔化，從而會 將不希望的雜質引入等離子體流。在陽極表面上會出現類似情況。當電弧中的電流快速增大時，等離子體流沒有足 夠的時間來達到高溫。結果，接近陽極表面的等離子體的富集度較低。這導致了陽極的電勢下降及其波動，而該波動導致了陰極的強烈腐蝕。陰極和陽極的電勢波動導致脈衝等離子體流的能量不穩定和不容易控制。為了使陰極正常發揮作用，在等離子體的每次脈衝中的電流快速增大的時段中， 必須控制電弧接合到陰極表面的區域的精確位置和大小。為了使陽極正常發揮作用，在電 流快速增大期間以及在脈衝的工作時段中，必須在陽極表面處建立被加熱的等離子體流。生成真實脈衝等離子體，特別是為了醫學應用生成真實脈衝等離子體將引起幾個 其他問題。首先，如上所述，等離子體必須是純淨的，不含有任何電極材料或其它雜質。其 次，必須控制生成的等離子體脈衝的特性。起初，通過控制脈衝的持續時間、電壓和電流，能 夠控制由脈衝傳遞的能量。為了一些應用，例如皮膚治療，僅控制在脈衝中傳遞的能量是不 夠的，能量和溫度必須大致均勻地分布在被治療的區域上。因此，目前需要通過以最少數量的雜質生成真實脈衝等離子體和通過將每次脈衝 中傳遞的能量大致均勻地分布在被治療區域上來克服當前已知裝置的局限的裝置。此外， 還存在一些應用，其中，該裝置可能需要能夠為被治療表面提供臭氧並將液體和其他雜質 從被治療表面除去。

發明內容
在附圖中示出的本發明的脈衝等離子體裝置包括陰極組件、陽極以及兩個或更多 個中間電極，其中陰極組件包括一個或多個固定在陰極支持部中的陰極。該陽極和中間電 極形成等離子體通道。最接近這些陰極的中間電極也形成了圍繞最接近該陽極的陰極末端 的等離子體腔。該等離子體通道包括三個部分加熱部分、擴展部分和陽極部分。該擴展部 分具有兩個或更多個擴展段。該擴展部分的每個相繼的段的直徑朝向陽極增大。陽極部分 具有比最接近陽極的擴展部分的直徑大的直徑。該陰極支持部防止了陰極的位移，優選地 使得它們平行於該裝置的軸，從而防止了它們的角位移。在裝置的陽極末端處固定了延伸噴嘴。該延伸噴嘴形成連接到等離子體通道的延 伸通道。一管狀絕緣體元件覆蓋所述延伸通道的內部表面的縱向部分。此外，在一些實施 例中，該延伸噴嘴具有一個或多個攜氧氣體入口。在操作過程中，由所述裝置生成真實脈衝等離子體。對於每次脈衝，等離子體流經 過三個階段火花放電、輝光放電和電弧放電。在示例性實施例中，通過在陰極和陽極之間 施加高頻率、高幅值電壓波來產生火花放電。在陰極和陽極之間產生火花放電之後，在陰極 和陽極之間施加最好為瞬態的電壓，且電流通過陰極、等離子體生成氣體和陽極，而這導致 了輝光放電的產生。在輝光放電的末期，當陰極末端被充分加熱時，陰極和陽極之間的電壓 下降，這標誌著陰極熱電離電子發射的開始以及電弧放電階段的開始。一旦電弧放電階段 開始，則等離子體被接合到組件中的所有陰極。該電流被減小，以將等離子體的接合區域降 低到單個陰極。然後，在將被減小的電流保持一段時間之後，該電流被升高到工作水平。在 脈衝的預定持續時間之後，在關斷時段的持續時間內，電壓和電流均被設置為0。為每次脈 衝重複這一過程。對醫學應用而言，等離子體中不存在雜質是極為重要的。通過使用具有多個陰極 的陰極組件以及生成具有受控的等離子體接合區域的脈衝等離子體，消除了來自陰極支持 部的表面的濺射。
在操作過程中，離開陽極的等離子體流具有基本為拋物線型的溫度和能量密度分 布。延伸噴嘴將溫度和能量分布轉換為更加均勻的分布，其更適於接觸患者。位於延伸通道 中的熱絕緣體由具有低的導熱係數的非金屬材料製成。當等離子體流經過該熱絕緣體時， 等離子體的較冷的層被加熱，而不會將熱轉移到形成該通道的元件。此外，在具有到噴嘴的入口通道的實施例中，當等離子體流穿過延伸通道時，其將攜氧氣體(例如空氣)吸入等離子體流。在延伸通道中的等離子體的高溫以及從等離子體 通道發出的輻射的影響下，在延伸通道中形成了臭氧。可能具有有益效果的臭氧分子與等 離子體一起離開該裝置，並接觸被治療皮膚。在一個實施例中，公開了一種生成等離子體脈衝的裝置，該裝置包括陽極；具有 (i) 一個或多個陰極和(ii)陰極支持部的陰極組件；等離子體通道，其在所述陰極和所述 陽極之間縱向延伸，穿過所述陽極，並且具有在所述陽極末端開口的出口，一部分所述等離 子體通道由兩個或更多個彼此電絕緣且與陽極電絕緣的中間電極形成，所述等離子體通道 包括最接近所述陰極的加熱部分、陽極部分，和在所述加熱部分和所述陽極部分之間的擴 展部分，所述擴展部分具有兩個或更多個段，其中所述段的直徑朝所述陽極增大，其中所述 加熱部分的段的最小數量取決於陽極部分中的等離子體通道的直徑與所述加熱部分中的 等離子體通道的直徑的比例；由一個所述中間電極形成的等離子體腔，該等離子體腔連接 到所述等離子體通道的陰極末端；以及延伸噴嘴，其形成連接到等離子體通道的陽極末端 的延伸通道。還公開了一種使用等離子體脈衝治療組織的方法，該方法包括對於每次脈衝，生 成等離子體流；擴展所述等離子體流到預定橫截面；改變所述擴展的等離子體流的熱能量 分布，使得該分布在該橫截面中是大致均勻的；將等離子體流施加到被治療的皮膚；以及 停止所述等離子體流。


圖1示出了用於生成脈衝等離子體的系統，其包括控制臺和手持部；圖2A示出了該裝置的一個實施例的縱向橫截面視圖；圖2B示出了橫切圖2A所示的視圖的縱向橫截面視圖；圖2C示出了被配置為生成臭氧的裝置的一個實施例的縱向橫截面視圖；圖3示出了冷卻劑分離器；圖4示出了陰極組件的優選配置；圖5示出了等離子體腔的幾何形狀；圖6示出了等離子體通道的加熱部分、擴展部分和陽極部分，以及擴展部分的各 個段；圖7A示出了包括吸收模塊的裝置的一個實施例，在其中雜質被收集在控制臺中；圖7B示出了包括吸收模塊的裝置的一個實施例，在其中雜質被收集在外部容器 中；圖7C示出了包括延伸噴嘴和吸收模塊的裝置的一個實施例的橫截面視圖，其中 延伸噴嘴具有攜氧氣體入口；圖7D示出了包括延伸噴嘴和吸收模塊的裝置的一個實施例的橫截面視圖，其中延伸噴嘴沒有攜氧氣體入口；圖8A示出了在生成等離子體脈衝過程中施加在陰極和陽極之間的電壓；圖8B示出了在生成等離子體脈衝過程中通過陰極、等離子體和陽極的電流；圖8C示出了在等離子體通道的加熱部分中的等離子體的溫度特性；圖8D示出了在等離子體通道的加熱部分中的等離子體的功率密度特性；圖9示出了(1)等離子體通道的變寬，其不會導致脈衝期間等離子體的完全擴展， 以及(2)電弧，其建立在等離子體和中間電極之間；圖IOA示出了離開陽極的等離子體流的大致拋物線型的溫度和功率密度分布；圖IOB示出了在以具有如圖IOA所示的溫度和功率密度分布的等離子體流治療組 織時對該組織的效果；圖IlA示出了離開延伸噴嘴的等離子體流的大致均勻的溫度和功率密度分布；圖IlB示出了在以具有如圖IlA所示的溫度和功率密度分布的等離子體流治療組 織時對該組織的效果；圖12A示出了具有直徑相對較小的攜氧氣體入口的延伸噴嘴；圖12B示出了不具有攜氧氣體入口的延伸噴嘴；以及圖13示出了離開裝置的光的譜分布。
具體實施例方式參見圖1，生成脈衝等離子體的系統一般包括控制臺100和手持部200。在本文 中，手持部200有時也稱為裝置。控制臺100為手持部200提供電、優選為氬氣的等離子體 生成氣體、例如水的冷卻劑，和/或例如空氣的攜氧氣體，等等。此外，控制臺100可以包含 一個或多個泵，該泵可以被用於由裝置200通過一個或多個吸收通道從被治療表面移除雜 質。控制臺100具有用於操作手持部200的控制電路以及由本領域公知的顯示器和控制器 組成的用戶接口。操作者，例如受過訓練的醫學專業人員，依據用於給定醫學流程的參數， 用控制臺100的控制器對裝置的操作模式進行編程，再使用手持部200來執行該給定流程。 儘管本公開的實施例描述與醫學領域有關，但是應當理解該裝置的其他實施例也可以被用 於與醫學無關的其他應用。圖2A示出了該裝置的一個實施例的縱向橫截面。在該實施例中，罩9形成了裝置 的外部。優選地，裝置200是圓柱形的，且所有的元件是環形的並且相對於裝置的軸50同 軸地布置。在一些實施例中，但是，該裝置也可以不是圓柱形的，而是使用不同的內部或外 部幾何形狀。在圖2A中示出的該裝置的實施例包括陽極1以及一個或更多個陰極5a、5b、 5c，所述陰極優選地由含鑭的鎢製成，且設置在陰極支持部6中。陰極支持部6防止了陰極 相對於裝置的軸50之間的不希望的角位移。陰極支持部6也支持了導體7的一部分，該導 體7優選地是由具有高導電性的金屬製成的棒。在製造過程中將陰極組件的各個部件夾壓 在一起是一種避免陰極沿軸50移動的手段。在優選實施例中，包括陰極5a、5b、5c，陰極支 持部6和電導體7的整個陰極組件被緊密地裝配在裝置200的內部，以防止陰極5a、5b、5c 的任何移動。陰極絕緣體11包圍陰極5a、5b、5c的縱向部分。陰極絕緣體11從一端的最接近 陽極的陰極支持部的表面74沿陰極延伸到中途的一點。陰極絕緣體11由為陰極5a、5b、5c提供熱絕緣和電絕緣的材料製成。電導體7被用於向陰極5a、5b、5c提供電勢。陰極5a、 5b,5c電連接在一起並總是具有相同的電勢。絕緣體元件8包圍導體7和陰極支持部6的 一部分，如圖2A所示。絕緣體元件8為導體7提供電絕緣，並且優選地由乙烯製成。在操 作中，通路72使等離子體生成氣體能從控制臺100沿絕緣體8流動。該氣體然後沿絕緣體 8和分水器10之間的空間54流動。然後，氣體流過陰極支持部6中的溝槽56，並且之後沿 陰極5a、5b、5c流動，在陰極絕緣體11中流動。在優選實施例中，陰極組件可以是如圖4所示的一種組件。簡言之，陰極組件包括 兩個或更多個陰極。在如圖4所示的優選實施例中，陰極組件包括三個陰極5a、5b、5c。優 選地，每個陰極的直徑是0.5mm。在優選實施例中的三個陰極的組合直徑是大約1mm。該三 個陰極中的至少一個陰極具有與陰極組件中的其他陰極相比不同的長度。但是，優選地，陰 極組件中的每個陰極都與組件中的所有其他陰極的長度不同。優選地，具有最接近長度的 兩個陰極之間的長度差等於陰極直徑，在該優選實施例中是0. 5mm。陰極之間的長度差產生 了自然的表面缺陷，而電弧傾向於接合該缺陷。
在可選實施例中，可以使用具有單個陰極的陰極組件，但是這樣的實施例被限於 要求有限數量脈衝的某些應用。在微晶片製造中用等離子體脈衝清洗襯底表面就是這樣一 種應用。具有單個陰極的陰極組件的裝置的實施例適於生成最多300-500次脈衝。在大約 500次脈衝之後，整個陰極主體的溫度升高。當弧被啟動時，這導致在電弧開始時等離子體 和陰極表面之間的接觸區域的擴展。結果，等離子體接觸陰極支持部。一旦陰極支持部開 始熔化，其便將在陰極與陰極支持部連接的點處損壞陰極，從而在陰極的該點處形成缺陷。 一旦形成該缺陷，則電弧將接合到該缺陷，而不是接合到陰極的尖端，這將擾亂脈衝等離子 體生成的正常過程，並將導致裝置的操作不穩定。在裝置冷卻到室溫之後，其能夠生成另一 列300-500次脈衝。因此，該可選實施例可用於要求不超過大約500次脈衝的有限次脈衝 的應用。可以通過增加陰極的長度(從而最接近陽極的陰極末端與陰極支持部間的距離增 大)，來增加脈衝的最大數量，但僅僅是不顯著的增加該數量。可選地，為了克服使用單個陰極的裝置的實施例在幾百次脈衝之後產生的操作不 穩定的問題，在切換到脈衝等離子體之前陰極可以在連續等離子體脈衝模式下被「訓練」。 陰極訓練是指對所述裝置的這樣的操作在連續等離子體模式下，讓高DC電流通過其陰 極。開始時，由於陰極的幾何形狀，在某些實施例中由於等離子體腔的幾何形狀，電弧接合 到陰極的尖端，使DC電流通過陰極尖端一段足夠長的時間將正好在陰極的尖端處產生表 面缺陷。在陰極已經被「訓練」之後，當裝置切換到脈衝等離子體模式時，電弧接合到由「訓 練」產生的陰極尖端處的缺陷。在操作中，等離子體生成氣體從控制臺100流到裝置200。等離子體生成氣體通 過通路72進入裝置。在等離子體生成氣體經過陰極絕緣體11之後，它通過等離子體通道 62。這個方向被稱為等離子體流方向。在包括等離子體腔的實施例中，在其進入等離子體 通道62之前，等離子體生成氣體經過等離子體腔26。等離子體通道62由陽極1以及兩個 或更多個中間電極形成。離陰極最遠的等離子體通道的末端被稱為等離子體通道的陽極末 端；類似地，離陽極最遠的等離子體通道的末端被稱為等離子體通道的陰極末端。等離子體 通道62在陽極末端具有出口。在如圖2A所示的實施例中，等離子體通道62由陽極1以及 中間電極2、3和4形成。中間電極4也形成等離子體腔26。在其他實施例中，形成等離子體腔26的電極不會形成等離子體通道62的一部分。絕緣體14、13和12提供了鄰近電極 的對之間的電絕緣。絕緣體14提供了陽極1和中間電極2之間的電絕緣；絕緣體13提供 了中間電極2和中間電極3之間的電絕緣；以及絕緣體12提供了中間電極3和中間電極4 之間的電絕緣。本領域已公知使用多電極系統的等離子體生成原理。圖2B示出了橫切如圖1所示的裝置200的實施例的在圖2A中示出的橫截面的縱向橫截面。圖2B示出了包括入口 76、前向冷卻劑通道78、環形冷卻劑通道42 (在圖2A中 示出)、反向冷卻劑通道79和出口 77的冷卻系統。冷卻劑，優選是水，通過入口 76進入裝 置。之後，冷卻劑沿等離子體通道62在等離子體流方向上從陰極5a、5b、5c到陽極1經過 前向冷卻通道78。在陽極1的區域，前向冷卻劑通道78連接到環形通道42，如圖2A所示。 冷卻劑沿圍繞陽極1的環形通道42流動。在裝置的直徑上的相反一側，環形通道42連接 到反向冷卻劑通道79。冷卻劑沿反向冷卻劑通道79在與等離子體流相反的方向上流動，從 陽極1流動到陰極5a、5b、5c，之後通過出口 77離開裝置。圖3示出了冷卻劑分離器10，其與其他元件一起形成了前向冷卻劑通道78、環形 通道42和反向冷卻劑通道79。裝置的一些實施例可以包括多個冷卻系統。這樣的實施例 也包括多個冷卻劑分離器，其可以形成其他冷卻系統的相應通道。如果裝置200的尺寸受限，例如用於鎖孔手術，可以使用等離子體腔。圖5更加詳 盡地示出了等離子體腔26。等離子體腔26的幾何形狀對於裝置正常發揮作用是極其重要 的。陰極5a、5b、5c傾向於從它們的表面(如分別從它們的邊緣68a、68b和68c)的缺陷發 出電子。為了正確操作，在每次脈衝開始時，必須在陰極邊緣68a、68b和68c中之一以及等 離子體通道62的內部表面上的一個點之間建立火花放電。為了實現這一點，必須滿足以下 條件。陰極邊緣68a、68b和68c中的任一個與等離子體通道的內部表面上的一個點(例如 點64)之間的距離必須小於或等於陰極邊緣68a、68b和68c中的任一個與在其上可能終止 電火花的任何其他表面(例如，等離子體腔26的內部表面和最接近陽極66的陰極絕緣體 的邊緣)之間的距離。如果使用如圖5所示的等離子體腔26的幾何形狀以及陰極5a、5b 和5c，則在啟動裝置期間，在陰極5a、5b、5c和等離子體通道62的內部表面上的點(例如 點64)之間出現電火花。這保證了等離子體生成過程的正確操作。等離子體腔26的幾何 形狀也會產生其他益處，例如減少達到電弧放電階段所需的時間，如下所述，這對於脈衝等 離子體是極其重要的。如果裝置200不受尺寸限制(對於大多數皮膚治療應用而言是這種 情形)，則等離子體腔是可選的。圖6示出了等離子體通道62的結構。等離子體通道62包括加熱部分84、擴展部 分82和陽極部分83。對於給定的應用，擴展部分82和陽極部分83被用於將等離子體流擴 展到要求的橫截面區域。擴展部分82包括一個或更多個擴展段。在如圖6所示的實施例 中，擴展部分82包括擴展段86、88和90。在優選實施例中，加熱部分84由2至5個中間電極形成。在可選實施例中，加熱部 分84可以由單個中間電極或6個或更多個中間電極形成。加熱部分84的直徑，dhp優選為 0. 5-1. 5mm。形成加熱部分84的每個電極的長度，Ie hp取決於dhp，並且優選地處於dhp_2 X dhp 的範圍內。整個加熱部分的長度取決於等離子體生成氣體的流速——需要更長的加熱部分 來加熱更大的等離子體生成氣體流。對於典型的等離子體生成氣體的流速(在1-21/分鐘 的範圍內)而言，加熱部分由至少三個中間電極形成。整個加熱部分的長度，、可以大致等於形成加熱部分所需的中間電極的數量乘以該中間電極的長度，hp。擴展部分82中的段的數量取決於加熱部分84的直徑和陽極部分83的直徑，並由以下關係式決定formula see original document page 11其中Ns是等離子體通道的擴展部分的段的數量；dA是等離子體通道的以毫米為單位的陽極部分的直徑；dhp是等離子體通道的以毫米為單位的加熱部分的直徑；以及c對於該關係式和其他公式而言，是處於0. 2-0. 6mm之間的範圍內的常數，優選為 0. 4mm。雖然c可以被選作小於0. 2，如下所示，選擇這樣的c值將使得裝置200的長度不可 實現。為了本公開的目的，擴展部分82的段從陰極5a、5b、5c起計到陽極1。從而，段86 是1號段；段88是2號段；段90是3號段，等等。如果特定實施例具有多於3個的段，則它 們也以這種方式來進行計數。擴展部分82的段的尺寸優選地由以下關係決定dn 優選為 cU+c，In優選地處於dn和2 X dn之間，其中η是給定段的段編號，dn是第η個段的直徑，以及In是第η個段的長度。為了確定1號段(圖5中的段86)的直徑，計算Cl1所需的dQ的值被設為加熱部分
的直徑dhp。陽極部分83的尺寸優選地由以下關係決定dA 優選為 dz+c，Ia優選地處於2 X dA和5 X dA之間，其中dA是陽極部分的直徑，Ia是陽極部分的長度，以及ζ是最接近陽極的擴展部分82的擴展段的編號。在圖6中，ζ是3，其是擴展段90 的編號。在優選實施例中，橫切等離子體通道的縱向方向的等離子體通道的橫截面是圓形 的。但是，在其他實施例中，橫截面可以具有不同的幾何形狀。在該裝置的一些實施例中，擴展部分的每個段由一個獨立的中間電極形成。在裝 置的其他實施例中，單個中間電極可以形成兩個或更多個鄰近段部分。在一些其他實施例 中，一些中間電極可以形成擴展部分的段的一部分或完整的段，並且其他中間電極可以僅 形成兩個或更多個鄰近段的部分。在圖2A所示的實施例中，中間電極3形成段86 (和加熱 部分84)，並且中間電極2形成段88和90。裝置200包括延伸噴嘴。例如，參見圖2A，延伸噴嘴15被固定到裝置的陽極末端。 延伸噴嘴15具有延伸通道18，其延伸等離子體通道。延伸通道18的一部分由管狀絕緣體 元件17形成，該管狀絕緣體元件17由陶瓷材料或石英製成。管狀絕緣體元件17防止放電 在延伸噴嘴15中終止。而這又防止了在裝置200的操作期間電極材料從延伸噴嘴15脫離並進入等離子體流。這保證了從出口 55離開延伸通道的等離子體的純度。由管狀絕緣體 元件17形成的延伸通道18的部分的直徑優選地處於1. 0-1. 3倍等離子體通道62的陽極 部分83的直徑的範圍內。優選地，延伸通道的長度是其直徑的2-3倍。在那些被配置用於 生成臭氧的實施例中，延伸噴嘴15也具有一個或多個攜氧氣體入口 16，如圖2C所示。入口 16被用於為延伸通道18提供攜氧氣體(優選為空氣)，其可以被用於生產臭氧，如下所述。通過以下實施例說明了在裝置的優選實施例中不同元件的尺寸的計算。假設加熱 部分具有直徑1. Omm和長度1. 5mm (其主要由等離子體生成氣體的流速決定)，並且從延伸 通道55的出口離開裝置的等離子體流的希望的直徑是4. 8mm。延伸通道的直徑是4. 8mm, 且其長度可以被設為處於其直徑的2-3倍範圍內的任意長度，例如14. 0mm。延伸通道的直 徑應該是等離子體通道的陽極部分的直徑的1.0-1. 3倍，且優選地處於6mm和12mm之間。 在該實施例中，如果延伸通道的直徑是等離子體通道的陽極部分的直徑的1. 2倍，陽極的 直徑可以是4. 0mm。陽極部分的長度可以是處於其直徑的2倍和其直徑的5倍之間的任意 長度。在該實施例中，當陽極的長度設為其直徑的3倍時，該長度將是12. 0mm。擴展部分 將等離子通道的直徑從加熱部分84的直徑(在該實施例中是1. Omm)擴展到等離子體通道 的陽極部分的直徑(4.0mm)。因此，在該實施例中，擴展部分將等離子體通道的直徑擴展了 3.0mm。可以以多種方式實現該擴展。例如，擴展部分的每個段的直徑增大最多c (0.6mm)。 在這種情況下，擴展部分中的段數量Ns是4。這些區域的直徑如下1. 6mm,2. 2mm,2. 8mm和 3. 4mm。段的長度被設為處於直徑的1倍和2倍之間的任意數值。因此，這些段的長度可以
2.Omm,3. 0mm、4. Omm和5. 0mm。如果選擇每個段的直徑增加小於0. 6mm,則擴展部分中需要 更多的段。可選地，c可以被設為優選值0. 4mm。這樣，擴展部分中段的數量Ns是7。這些段 的直徑如下1. 4mm、1. 8mm、2. 2mm、2. 6mm、3. 0mm、3. 4mm和3. 8mm。這些段的長度可以分別是
3.5mm、4. 5mm、5. 5mm、6. 5mm、7. 5mm、8. 5mm 和 9. 5mm。注意，在該實施例中，與 0. 4mm 相比,最 接近陽極的擴展段與陽極之間的擴展僅為0. 2mm。這不會損害裝置的功能。在擴展部分的不同對段之間還可以有不同的擴展。例如，從加熱部分到第一段的 擴展是0. 4mm,且其他擴展段和陽極之間的擴展可以是0. 5mm。以上討論假設中間電極、陽極和延伸噴嘴是環形的，從而使得等離子體通道的部 分和段以及延伸通道是圓柱形的。如上所述，在一些實施例中可以使用裝置的其他幾何形 狀。在這些實施例中，橫切等離子體通道的縱向方向的橫截面直徑(為了本公開的目的為 形狀的任意兩點之間的最大距離)仍然是用於前述計算的目的的關鍵尺寸。如上所述，當等離子體被用於執行醫學流程時，可能會產生可能削弱等離子體效 果的雜質。例如，在醫學流程中，微粒或片狀物可以與被治療的組織分離，然後幹擾或甚至 中斷到被治療的組織的目標區域的等離子體流。而且，在某些醫學流程中，體液，例如血液、 淋巴等，可以進入到被治療區域的表面。這些體液也可以幹擾等離子體的有效性。裝置的 一些實施例包括用於在醫學流程中從被治療的表面除去雜質的吸收模塊。圖7A示出了具 有吸收模塊的裝置的一個實施例。在該實施例中，外部罩92封裝如圖2A-2C所示的裝置。 外部罩92具有一個或多個吸收通道94和96。在控制臺100內運行的泵從被治療的組織吸 收雜質。該雜質沿通道94和96流動，並流到控制臺100，在該處雜質累積在收集單元(在 圖7A中未示出)中。圖7B示出了具有吸收模塊的裝置的不同實施例。除了通道94和96不沿裝置的部分長度延伸並與出口 98連接之外，該實施例類似於圖7A所示的實施例。注 意，在包括吸收模塊和具有攜氧氣體入口的延伸噴嘴的實施例中，入口延伸經過罩92，如圖 7C (其示出了圖7A中的橫截面A-A)所示。圖7D示出了包括沒有攜氧氣體入口的延伸噴嘴 的實施例的橫截面A-A。在優選實施例中，裝置生成真實脈衝等離子體。在每次等離子體脈衝之後，在關斷 時段期間，等離子體流完全停止直到下一次脈衝為止。在脈衝之間，在關斷時段期間，電流 不流過陰極和陽極之間，且不會生成等離子體。控制臺100具有一個或多個電子電路，其用於控制流過等離子體通道的電流以及 將電壓施加在陰極和陽極之間。這些電路被用於生成每次等離子體脈衝。作為簡要概述， 等離子體生成過程包括三個階段火花放電、輝光放電和電弧放電。在電弧放電階段期間， 建立在陰極中之一和陽極之間的預定電流的電弧加熱在等離子體通道62中流動的等離子 體生成氣體，並形成等離子體。生成每次等離子體脈衝需要等離子體生成氣體經過所有三 個階段。在生成脈衝之前，等離子體生成氣體的電阻接近無窮大。由於宇宙線對原子的電 離，在等離子體生成氣體中存在少量的自由電子。等離子體形成過程由(1)如圖8A所示的 在陰極和陽極之間施加電壓以及(2)如圖8B所示的控制通過等離子體的電流來控制。
操作裝置的方法依賴於陰極組件的結構，並且可以依據裝置的構造和其要用於的 特殊應用而進行更改。在具有包括多個陰極的陰極組件的裝置的優選實施例中，使用了特 別適於圖4中所示的陰極組件的操作方法。簡言之，為了產生火花放電，高幅值、高頻率電 壓波被施加在陽極1和陰極5a、5b、5c之間。該波增加了陰極5a、5b、5c和陽極之間的等離 子體通道62中的自由電子的數量。該波的頻率、持續時間和幅值取決於裝置的幾何形狀。 一旦已經形成足夠數量的自由電子，則在陽極1和陰極5a、5b、5c之間施加DC電壓，並且DC 電流通過陰極、等離子體生成氣體和陽極，這在陰極5a、5b、5c和陽極1之間形成了火花放 H1^ ο在這之後，等離子體生成氣體的電阻下降，並且開始輝光放電階段。在輝光放電階 段，作為電離結果而形成的正離子在由陰極5a、5b、5c和陽極1之間的電壓產生的電場的影 響下被吸引到陰極。當陰極5a、5b、5c被離子撞擊時，最接近陽極1的陰極末端的溫度升高。 一旦溫度升高到熱電離電子發射的溫度，電弧放電階段開始。如上所述，等離子體腔26的 表面區域和體積提供了大量離子，這縮短了輝光放電階段的時間。一旦電弧放電開始，則等離子體被接合到陰極組件中的所有陰極。然後，通過等離 子體的電流下降，這使得接合區域減小到能夠維持電弧放電的幾乎最小的接合區域。該最 小區域被稱為點接合區域。由於等離子體接合區域很小，因此只在單個陰極上出現接合。因 此，為維持電弧放電所需的電流(與陰極直徑成比例)較小。在電流已被減小並保持在那 個水平一段時間後，電流快速升高到脈衝的操作水平。等離子體接合區域則增加不明顯，並 且僅單個陰極在脈衝的剩餘時間繼續發射電子。減小等離子體接合區域，然後保持該較小 的區域(從而僅單個陰極從被控區域發射電子)對於裝置操作是極其重要的。如上所述，在不同實施例中，可以使用該操作方法的不同變體。例如，在具有單個 陰極的可選實施例中，接合區域可能僅由陰極長度以及陰極末端的錐度或陰極訓練控制。 在這些實施例中，只要達到電弧放電階段，電流就升高到操作水平。公開實施例中的元件的幾何形狀以及電壓和電流脈衝的形狀和同步保證了當不存在足以支持電流的熱電離電子發射時多個陰極(或者一個陰極，取決於實施例)不會受到流經陰極的高電流的壓力。而這又保證了使用相同的陰極組件該裝置可以被啟動上千次 或者甚至上萬次。在脈衝的操作時段中，決定擴展部分中不同段的尺寸的各種關係允許等離子體快 速擴展，這對於生成具有所要求特性的等離子體脈衝是極其重要的。已通過實驗發現，在 脈衝的操作時段中，等離子體通道的直徑的單次增加超過0. 6mm就將導致不完整的等離子 體流擴展，或者甚至完全不擴展。換句話說，如果擴展部分的第η段的直徑比第(η-1)段的 直徑增大超過0. 6mm,則等離子體流不會擴展到第η段的直徑，且當等離子體流穿過等離子 體通道的剩餘的下遊部分和延伸通道時，其被限於小於第η段的橫截面的一個特定的橫截 面。圖9示出了這一概念。在圖9中，不存在擴展部分82。加熱部分84a過渡到陽極部分 83a。陽極部分83a的直徑超出加熱部分84a的直徑多於0.6mm。當等離子體進入陽極部 分83a時，等離子體通道62a中流動的等離子體在脈衝的操作時段期間不擴展，或者不充分 擴展。當存在擴展部分時(但是鄰近段之間的直徑的差值超過0.6mm)，會出現非常類似的 情況，。但是，當擴展段的直徑處於由上述關係決定的範圍之內，等離子體流擴展到每個段 的陽極末端的整個橫截面，從而在出口 55處的等離子體流的直徑等於延伸通道的直徑。注 意，對於更長的脈衝或者連續等離子體流而言，增大0. 6mm及更大會導致部分擴展的等離 子體流。本質上，對於例如皮膚治療的應用所需的短暫脈衝而言，單次直徑增大必須小於或 等於0. 6mm,以便等離子體流在每個段中完全擴展到該增大的直徑。由大於0.6的單次直徑增大引起的另一問題是，如果等離子體流與陽極壁分開， 則有可能在等離子體流和陽極壁之間形成電弧。這也被示於圖9中。圖9示出了在等離子 體流和陽極1的壁之間形成的電弧171。這樣的電弧將會把電極材料引入等離子體流，並且 使等離子體不純淨。當電弧中的電流快速增加而流中的等離子體尚未被充分加熱時，等離 子體流的這種逐漸變寬的過程在生成真實脈衝等離子體流方面起到了重要作用。將等離子體通道的直徑增大小於0. 2mm不會引起等離子體的不純淨，也不會導致 等離子體的不充分擴展。但是，小於0.2mm的擴展也是不理想的。具體地，具有小於0.2mm 的擴展的裝置需要大量的擴展段。每個擴展段具有其最小長度要求，因此具有大量的擴展 段就意味著具有更長和更少便利的裝置。此外，除了單單的不方便外，擴展段的數量增加需 要更多的能量，從而需要更大的功率以用於加熱穿過等離子體通道的等離子體流，該等離 子體通道的長度因擴展段的數量增加而增加。因此，儘管在使段直徑增大小於0. 2mm的情 況下裝置也能正常發揮作用，但是優選地每次擴展處於0. 2-0. 6mm的範圍內。因為等離子體在擴展部分82中擴展，所以它的一些特性發生了變化。在脈衝的工 作時段中，加熱部分的特徵在於功率密度在0. 3-5kff/mm3的範圍內，如圖8D所示。加熱部分 中的等離子體流的平均速度優選地小於或等於500m/s。等離子體的平均溫度是8-18° kK， 優選為10-16° kK，如圖8C所示。加熱部分中的電場優選地處於2-25V/mm的範圍。擴展部分的特徵在於功率密度小於0. 3kW/mm3。擴展部分中的等離子體的平均溫 度優選地保持在8-18° kK的範圍內。等離子體通道的擴展部分中的電場優選地處於1-5V/ mm的範圍內。在等離子體流在等離子體通道82的擴展部分中進行擴展之後，等離子體流到達 延伸噴嘴15。延伸噴嘴15對等離子體流具有雙重效果首先，延伸噴嘴改變了等離子體流的溫度和能量分布，以使其適合於特定應用，例如組織治療；其次，延伸噴嘴可以在等離子 體流中產生臭氧和氧化氮。延伸噴嘴15對等離子體流的第一個效果是改變等離子體流的溫度和能量分布。 在電弧放電階段，陰極和陽極之間的電弧加熱等離子體通道62中的等離子體。只有一小部 分的等離子體形成等離子體的中心，在該等離子體的中心處，溫度較高。剩餘的等離子體與 電弧相隔一段距離地沿等離子體通道的外圍流動，，因此具有低得多的溫度。沿等離子體通 道的外圍流動的等離子體不能被加熱到與在中心流動的等離子體相同的溫度，因為形成等 離子體通道的中間電極和陽極由具有高導熱係數的金屬製成。因此，從在中心流動的等離 子體轉移到沿外圍流動的等離子體的熱量被轉移到中間電極和陽極，並且不由沿外圍流動 的等離子體保持。當等離子體到達等離子體通道62的陽極末端時，其具有如圖IOA所示 的大致拋物線型的溫度分布。如圖IOA所示，等離子體流的中心處的等離子體的溫度大大 高於在等離子體流的外圍處的溫度。類似的，等離子體流的中心處的等離子體的能量密度 (與溫度成正比)大大高於在外圍處的等離子體的能量密度。這樣的等離子體流的溫度和能量密度分布不適於一些應用，例如皮膚治療。當具 有這種溫度和能量密度分布的等離子體流脈衝與患者的皮膚接觸時，較小區域的皮膚吸收 了等離子體流脈衝中的大部分能量，並且比這大得多的區域吸收了剩餘的能量。圖IOB示 出了皮膚的具有陽極部分中的等離子體通道的直徑的圓形區域190。如果如圖IOA所示的 等離子體流脈衝接觸區域190，則區域190的大約20%的部分192將吸收儲存在等離子體 脈衝中的能量的大約80%。區域190的剩餘80%的部分194隻吸收儲存在等離子體脈衝 中的能量的大約20%。如圖IlA所示，延伸噴嘴將溫度和能量密度分布變為大致均勻的。換句話說，從出 口 55離開延伸噴嘴的等離子體流的溫度和能量密度在該流的整個橫截面中大致相同。圖 IlB示出了由具有如圖IlA所示的分布的等離子體流治療的皮膚區域。如圖IlB所示，當等 離子體流脈衝接觸皮膚時，整個區域大致均勻地受到脈衝的影響，並且不存在接收多得多 或少得多的能量的點。在優選實施例中，裝置中的元件的幾何形狀和操作參數(即，等離子 體生成氣體流速、電流幅值等)被選擇成使得施加到被治療的組織的等離子體的能量密度 是5-500J/cm2。在其他實施例中，可以實現其他能量密度。如上所述，當等離子體離開陽極並進入延伸通道時，其溫度和能量密度具有如圖IOA所示的拋物線型分布。等離子體流在等離子體通道中沒有取得均勻溫度的一個主要原 因是中間電極和陽極由具有高導熱係數的金屬(例如銅)製成。由於高導熱係數的原因，來 自等離子體的熱量被轉移給沿通道78和79流動的冷卻劑。陽極1和中間電極強烈地冷卻 了等離子體的外圍，從而形成了較大的溫度梯度。位於延伸通道18中的絕緣體元件17優 選地由石英或具有非常低的導熱係數的陶瓷材料製成。因此，當被加熱的等離子體接觸到 不冷卻等離子體的絕緣體元件17時，熱量沒有分布到絕緣體元件17的整個體積。僅與被 加熱的等離子體接觸的絕緣體元件17的內部表面被快速加熱到等離子體的溫度，且沒有 被冷卻。因為存在到延伸噴嘴的最小的熱量散發，沿外圍流動的等離子體的溫度升高。因 為熱量從等離子體流的中心轉移到外圍，所以熱量沒有被轉移到裝置的結構元件。而且，在 延伸通道18中，等離子體流的中心沒有被電弧加熱，因為該電弧在陽極處已經終止。因此， 當等離子體流離開延伸通道出口 55時，其將具有如圖IlA所示的大致均勻的溫度和能量密度分布。圖IlB示出，大致均勻的溫度和能量密度分布導致了等離子體對被治療組織的大 致均勻的效果。延伸噴嘴的第二可選效果是生成臭氧和氧化氮。在一些國家中，已經認識到臭氧 呈現出對醫學有用的一些性質，例如其抗菌效果。但是，在其他國家中，臭氧的益處還沒有 被認識到。但是，本領域已公知，可通過放電、高溫和暴露到高能電磁輻射下由氧氣形成臭 氧。當O2分子被引入等離子體流時，在一個或多個以上條件的影響下，一些O2分子將會被 分解成氧原子，然後再與O2分子重新組合以形成臭氧(O3)。在一些實施例中，裝置生成臭氧，然而在其他實施例中，裝置不生成臭氧。可通過 兩種方式控制臭氧的生成。首先，通過減小直徑或者甚至完全消除攜氧氣體入口，可控制攜 氧氣體的入口。圖12A示出了具有較小直徑的入口 16的延伸噴嘴15。圖12B示出了完全 沒有攜氧入口的延伸噴嘴15。其次，可以減小延伸通道18的長度，從而進入入口的氧氣沒 有時間經歷生成臭氧所需的反應。應當理解，通過使用控制臭氧的生成的這些方式中的一 種或兩種，由裝置200生成的臭氧的量可以增大、減少、或者甚至完全被消除。類似的，以同 樣的方式控制氧化氮的生成。與生成臭氧和氧化氮的以下討論假設延伸噴嘴15具有一個 或更多個攜帶氧和氮的氣體入口 16。
轉到導致生成臭氧的那些過程，等離子體流在穿過等離子體通道之後進入延伸噴 嘴15。延伸通道中的等離子體流的溫度優選地降到3-12° kK。在操作過程中，當等離子 體流經過攜氧氣體入口 16時，將在那些入口 16中產生吸收效果，而這導致如空氣的攜氧氣 體被拉進延伸通道18。在延伸通道中，空氣的比例，以體積來計，優選地處於5-25%的範圍 內。眾所周知，以體積來計，空氣中包含大約21 %的O2氧氣，並且因此，以體積來計，延伸通 道中的O2比例優選地處於1-5%的範圍內。一些氧氣分子將被分解成原子，然後再與O2氧 氣分子重新組合，或者有時與其他分解的氧氣原子重新組合，以在以下兩種因素的影響下 形成臭氧(1)以具有較高能量的電子撞擊O2分子，以及(2)由於等離子體生成氣體分子、 電子和其他微粒的發射的原因而來自等離子體通道的紫外線輻射。依據以下化學反應形成 臭氧分子e+02 — 0+CT ；e+02 — 0+0+e ；以及e+02+M —03+M，其中M可以是任意反應微粒，如惰性氣體分子，例如氬氣。將攜帶氧和氮的氣體引入等離子體流的另一效果是在延伸通道18中生成氧化氮 (NO)。NO的各種治療效果以及其生成方法在本領域中是眾所周知的，並已為一些國家所認 識。例如，美國專利No. 5，396，882公開了通過將空氣引入電弧腔來產生NO的系統和方法。 同樣的，具有擴展模塊的裝置的實施例為產生NO創造了條件。將例如空氣的攜帶氧和氮的 氣體引入等離子體流創造了用於在擴展通道18中合成NO的最佳條件。如上所述，陽極出 口處的等離子體的溫度處於3° -12° kK的範圍內。該溫度對於在與臭氧產生同時在具有 空氣分子的等離子體流中出現以下化學反應是足夠高的N2+02 — 2N0-180. 9kJ在一些實施例中，空氣、氧氣或者這兩者的比例可以變化。例如，在一些實施例中， 富含氧氣的空氣可以被提供給攜氧氣體入口 16。在其他實施例中，提供給攜氧氣體入口 16的空氣可以被加壓，從而導致等離子體中的更高濃度的空氣。在一些其他實施例中，可以使用以上兩種方法的結合。除了輸出等離子體，並且在一些實施例中輸出臭氧和氧化氮之外，由於來自等離 子體通道的加熱部分中的高溫等離子體的輻射，裝置也發射光。已經發現和在例如美國公 開申請No. 2003004556中公開了，具有從大約300nm到大約1600nm的主導發射波長的脈衝 光(其中脈衝的持續時間處於1飛秒至100秒的範圍內)具有各種治療效果。其中，已經 表明，利用這樣的脈衝光有益於治療毛髮、表皮、皮下血管和許多其他器官。美國公開申請 No. 2003004556公開了用於生成具有所需特性的脈衝光的各種裝置和方法。如上所述，加熱部分中的等離子體溫度優選在8-18° kK之間。在這一溫度範圍 內，等離子體流發射具有從大約400nm到大約850nm的主導發射波長的光。圖13示出了距 離出口 55大約3mm處的光302的譜分布，以及距離出口 55大約50mm處的光304的光譜分 布。圖13示出了以下譜分布200-350nm-2% ；350-400nm-5% ；400-650nm-62% ；650-750nm-15% ；750-850nm_14% ；以及850-1400nm_2%。因此，裝置200可用於脈衝光治療以及其他用途。注意，在脈衝的工作時段期間， 通過調節通過等離子體流的電流的幅值可以容易地改變所發射光的譜中較短波長與較長 波長之比。通過增大電流，大約相同量的能量被用於等離子體生成，但是多得多的能量被用 於光發射。對於治療患者而言，裝置可被安全和有效地使用，而不需要在每次脈衝之後從被 治療的組織移除(一些現有的裝置必須進行這一步)。因此，可以自動生成具有較高頻率的 等離子體脈衝。對於每次脈衝而言，通過首先經過火花放電和輝光放電階段、然後在電弧放 電階段由電弧加熱等離子體生成氣體來生成新的等離子體流。一旦建立等離子體流，其就 將通過擴展部分、然後陽極部分、再然後延伸通道而在等離子體通道中擴展。如上所述，在 延伸通道中，等離子體流的熱和能量密度分布被改變為在延伸通道的橫截面上大致均勻。 在脈衝的持續時間內，具有更改後的熱能分布的擴展的等離子體流被安全地施加到患者的 皮膚。在脈衝末期，等離子體流完全停止。該過程可以反覆進行，直到發出了希望數量的脈 衝為止。除等離子體脈衝帶來的好處外，所產生的光輻射為治療皮膚以及皮下器官(例如 真皮和血管)也提供了裨益。雜質被從被治療的皮膚的表面除去。除去雜質不必與脈衝同步，而可以是連續的 操作。此外，為了附加的有益效果，可以將臭氧混合到施加到患者皮膚的等離子體流之中。 如上所述，在延伸部分的入口引入攜氧氣體導致了在等離子體流中形成臭氧分子。重要的是，在將等離子體脈衝施加到皮膚之後，等離子體流完全終止，直到下一次 脈衝為止。在關斷時段中，等離子體並未施加到患者的皮膚，而患者僅僅受到冷卻的等離子 體生成氣體的無害氣流以及雜質泵的真空吸收的影響。因此，使用該裝置的操作者不會冒 產生與在關斷時段中從患者皮膚上移除裝置有關的失誤以及嘗試將該裝置正確地重新定位以繼續治療的風險。這樣大大提高了流程的安全性和持續時間。 已為說明和描述的目的而提供了對本發明的實施例的前述描述。這些描述本意不 是窮舉性的，也不欲將本發明限制於所公開的精確形式。對本領域技術人員而言，許多更改 和變化是顯而易見的。為了最好地解釋本發明的原理及其實際應用而選擇和描述了這些實 施例，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明。可以設想適於特定應用的不同實施 例和變型。本意是本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種用於生成等離子體脈衝的裝置，包括a.陽極；b.包括(i)一個或多個陰極和(ii)陰極支持部的陰極組件；c.等離子體通道，其在所述陰極組件之間縱向延伸並經過所述陽極，並且具有在所述陽極的末端開口的出口，一部分所述等離子體通道由兩個或更多個彼此電絕緣且與陽極電絕緣的中間電極形成，所述等離子體通道包括最接近所述陰極組件的加熱部分、陽極部分和在所述加熱部分和所述陽極部分之間的擴展部分，所述擴展部分具有兩個或更多個段，其中所述擴展部分的每個相繼的段的直徑朝所述陽極增大；以及d.延伸噴嘴，其連接到等離子體通道的所述陽極的末端並形成延伸通道，該延伸通道具有覆蓋所述延伸通道的內部表面的一部分的管狀絕緣體。
2.如權利要求1所述的裝置，還包括等離子體腔。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述陰極組件包括兩個或更多個陰極。
4.如權利要求1所述的裝置，其中所述擴展部分的段(i)具有大於在所述陰極組件的 方向上的鄰近段的直徑不超過0.6mm的直徑且(ii)具有等於或大於其直徑的長度。
5.如權利要求4所述的裝置，其中最接近所述陰極組件的所述擴展部分的段(i)具有 大於加熱部分的直徑不超過0.6mm的直徑且(ii)具有等於或大於其直徑的長度。
6.如權利要求5所述的裝置，其中a.所述加熱部分的直徑是1.0-1. 5mm ；以及b.形成所述加熱部分的電極的長度是所述加熱部分的直徑的1.0-2. 0倍。
7.如權利要求6所述的裝置，其中a.所述陽極部分的直徑大於最接近所述陽極的所述擴展部分的段的直徑不超過 0. 6mm ；以及b.所述陽極部分的長度是其直徑的2.0-5.0倍。
8.如權利要求7所述的裝置，其中i.所述管狀絕緣體元件的內直徑是所述陽極部分的直徑的1. 0-1. 3倍；以及ii.所述延伸通道的長度是所述管狀絕緣體的內直徑的2. 0-3. 0倍。
9.如權利要求1所述的裝置，其中所述擴展部分的兩個鄰近段的部分由一個中間電極 形成。
10.如權利要求1所述的裝置，其中所述擴展部分的至少一個段由單個中間電極形成。
11.如權利要求1所述的裝置，還包括一個或多個吸收通道。
12.如權利要求2所述的裝置，其中所述延伸噴嘴具有到所述延伸通道的一個或多個 攜氧氣體入口。
13.一種使用等離子體脈衝治療組織的方法，包括反覆地a.生成等離子體流；b.將所述等離子體流擴展到預定橫截面；c.改變所述擴展的等離子體流的熱和能量密度分布，使得該分布在橫截面中是大致均 勻的；d.將所得的等離子體流施加到被治療的組織；以及e.之後停止所述等離子體流。
14.如權利要求13所述的方法，其中每次脈衝的能量密度小於或等於5-500J/cm2。
15.如權利要求13所述的方法，還包括從所治療的組織中移除異物。
16.如權利要求13所述的方法，還包括將光施加到所治療的組織上。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述光具有400-850nm的主導發射波長。
18.如權利要求13所述的方法，還包括將攜氧氣體引入所述等離子體流。
19.如權利要求18所述的方法，其中施加到所述所治療的組織的所述等離子體流包括 臭氧微粒。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述攜氧氣體是空氣。
21.如權利要求19所述的方法，其中所述所治療的組織是皮膚。
全文摘要
公開了生成真實脈衝等離子體流的裝置和方法。該裝置包括包含陰極和陰極支持部的陰極組件、陽極和兩個或更多個中間電極，該陽極和中間電極形成向陽極擴展的等離子體通道。該最接近陰極的中間電極可以形成圍繞陰極尖端的等離子體腔。形成延伸通道的延伸噴嘴被固定到到裝置的陽極末端，該延伸通道沿其內表面的至少一部分具有管狀絕緣體。在操作中，電壓施加在陰極和陽極之間，且電流通過陰極、等離子體和陽極。選擇電壓和電流特性(profile)來引起具有所要求的特性的等離子體流快速形成。在延伸噴嘴中實現等離子體脈衝的大致均勻的溫度和功率密度分布。此外，在生成等離子體脈衝過程中，在延伸噴嘴中可以生成臭氧。
文檔編號H05H1/24GK101828432SQ200780100857
公開日2010年9月8日 申請日期2007年8月6日 優先權日2007年8月6日
發明者尼克雷·薩斯洛夫 申請人:普拉斯馬外科投資有限公司