用于提供活性气体流的设备 |
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| 申请号 | CN201180029523.3 | 申请日 | 2011-04-13 | 公开(公告)号 | CN102934527A | 公开(公告)日 | 2013-02-13 |
| 申请人 | 兰德股份公司; | 发明人 | T.B.霍尔贝切; R.T.赖希; P.多布森; C.J.德维里; A.R.T.塔塔雷克; | ||||
| 摘要 | 一种通常为手持式的设备（10）提供部分电离的气态 等离子体 流以便对 治疗 部位进行治疗。该设备包括容纳微型等离子体单元（16）的施加器头（52）和多个 电极 （26、28），在微型等离子体单元（16）中，从气源（22）流动通过单元的气体能够被激励以形成非热气态等离子体，多个电极（26、28）用于从 电能 的源接收电能以便激励单元中的等离子体形成区（18）中的气体以形成所述等离子体。施加器头（52）能够从该设备拆卸并且可以具有使得其能够被插入人或动物 口腔 中的尺寸和构造。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于提供部分电离的气态等离子体流以便对治疗部位进行治疗的设备，所述设备包括微型等离子体单元和多个电极，所述微型等离子体单元限定体积，在所述体积中，从气源流过单元进口的气体能够被激励以形成非热气态等离子体并通过单元出口排出，所述多个电极用于接收电功率以便激励所述单元中的气体以形成所述非热气态等离子体，其中，所述设备包括施加器头，所述施加器头被构造成位于治疗部位附近，所述施加器头能够从所述设备拆卸，并且所述等离子体单元位于所述施加器头中。 |
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| 说明书全文 | 用于提供活性气体流的设备技术领域背景技术[0002] 用于产生非热气体等离子体的系统是已知的，并且在许多领域中具有实用性，诸如工业、牙科、内科、美容和兽医领域以便治疗人或动物体。所产生的非热气体等离子体可以用来在不引起显著的热组织损伤的情况下促进血液凝结、清洁、表面的杀菌和污染物去除、消毒、组织再接合和不引起组织疾病的治疗。 [0003] 关于这一点，非热等离子体的应用局限于受控环境，诸如在工业或诊所中，因为存在与用高电位产生等离子体相关联的风险，该高电位如果被传递到病人可能造成伤害或死亡。因此，等离子体在消费产品中的使用受到限制，其中，不能保证所产生的等离子体的受控使用。 [0004] 通常，在产生等离子体时，能量被施加于气体或气体混合物以便使气体的分子或原子电离，产生离子核素或等离子体。能量通过电感或电容耦合而被施加于气体。提供电极以便向等离子体单元中的气体供应能量，并且以便保护病人免受电极的高电位的影响，已经用电介质材料对该电极进行绝缘。然而，已经发现此类装置具有缺陷，因为电介质的使用降低了电极的有效电位，并且因此要求更高电位的电源以驱动电极。更高电位的电源更加昂贵，或者被更快地耗尽，在电源是一个或多个电池的消费设备中尤其如此。此外，由交流电来驱动具有电介质绝缘的电极，交流电可以通过电极装置，潜在地对用户造成伤害。 [0006] 在典型的非热等离子体的发生器中，等离子体发生单元远离施加器，施加器在使用中位于将要被治疗的部位（“治疗部位”）附近。此类装置存在几个缺点。特别地，由于随着气体从远处的等离子体单元流到治疗部位而造成许多活性核素衰变，并且由于等离子体单元的性能可能随时间推移而劣化，在获得治疗部位处的足够浓度的活性核素方面出现困难。 发明内容[0007] 根据本发明，提供了一种用于提供部分电离的气态等离子体流以便对治疗部位进行治疗的设备，该设备包括微型等离子体单元和多个电极，所述微型等离子体单元限定体积，在所述体积中，从气源流过单元进口的气体能够被激励以形成非热气态等离子体并通过单元出口排出，所述多个电极用于接收电功率以便激励所述单元中的气体以形成所述非热气态等离子体，其中，所述设备包括施加器头，所述施加器头被构造成位于治疗部位附近，所述施加器头能够从所述设备拆卸，并且所述等离子体单元位于所述施加器头中。 [0008] 该设备优选地是手持式的。 [0009] 本发明还提供了一种用于提供部分电离的等离子体流以便对治疗部位进行治疗的手持式设备，该设备包括施加器头和微型等离子体单元，微型等离子体单元限定体积，在所述体积中，从气源流过单元进口的气体能够被激励以形成非热气态等离子体并通过单元出口排出以便由所产生的等离子体对治疗部位进行治疗，其中，所述等离子体单元位于施加器头中。 [0010] 可以例如通过辉光放电以及起弧或流动而产生等离子体。在后者中，电流通过等离子体单元从一个电极流到另一个并且在弧或流附近产生等离子体。在远离弧的单元的体积中并不产生等离子体，即使该体积可能位于电极之间。起弧通常由于电极表面的瑕疵性质而发生，使得仅在电极的非常小的部分中促进电流流动。一旦电流开始流动，则存在级联效应，其增加该小部分处的等离子体产生但使得电极其他区域处不能有该流动。在辉光放电中，未发生起弧，并且在电极之间大体上均匀地产生等离子体，对于流过等离子体单元的气体而言，导致增加的等离子体产量。考虑到手持式消费设备中的气源的尺寸受到限制，必须高效地使用气体以延长重新填充之间的设备寿命。通常，减少功率消耗以再次地延长电池更换或再充电之间的有用寿命也是重要的。因此所期望的是将在单元中产生等离子体所需的电压保持在最小值。 [0011] 在本发明的第一优选方面，电极构造保持辉光放电，并且通常避免电极之间的起弧。这样，可以增加所产生的等离子体的均匀性，这节省了功率和气体。电极可以包括电导体或阻挡层至阻挡层电容耦合电极。 [0012] 可以实现这一点的一个方式是通过将所述电极中的至少一个布置成使得其包括电极部分的阵列，每一个电极部分在使用中激励等离子体形成区中的气体，其中，电极部分遍布在所述等离子体形成区上以便增加流过等离子体单元的气体的所产生等离子体的均匀性。由于存在许多电极部分，此布置减少了起弧的发生，因此减少了电极的任何一个部分处的起弧。 [0013] 在优选的阵列中，所述电极部分包括各自的电导体，其在使用中向流过单元的气体传递电荷，并且每个电极部分包括连接在电导体与电能源之间的电阻器，使得当任何一个第一电极部分在等离子体形成区中产生等离子体时，通过所述第一电极部分的电阻器的电流降低了电位，使得另一电极部分处的电位比所述第一电极部分处高。因此，电能从已经产生了等离子体的电极部分转移到尚未产生等离子体的那些电极。此布置具有两个益处。首先，当电极部分已将等离子体激发时，其要求较少的能量以便维持等离子体。其次，其降低了任何一个电极处的电流的浓度，这可以导致起弧并降低气体使用效率。 [0014] 可以将绝缘电板定位于单元中以便将电能传导至每个电极部分。 [0015] 为了传播电极部分的第一暴露端部处的电流的通过，优选地，该端部包括各自的弯曲导电元件，诸如金属球，从那里，电能被放出以便形成所述等离子体。 [0016] 从安全方面出发，优选的是在使用中定位成最靠近治疗部位的电极处于与用户相同的电位，特别是当治疗部位是口腔时。因此，电极包括第一电极和第二电极，第一电极接收电位以便向流过单元的气体传递电荷，第二电极在使用中被保持在大体上等于用户电位的电位，并且该第二电极相对于气流位于第一电极的下游。 [0017] 在用于高效地使用流过等离子体单元的气体的替代布置中，在使用中通过电极与单元之间的起弧来产生等离子体形成区，并且电极的位置被构造成使得流过单元的气体的实质部分通过所述等离子体形成区以便增加所产生的等离子体的均匀性。虽然在此布置中发生起弧，但起弧的位置受到控制，使得其处于气体的流动路径中，并且基本上所有气体都流过发生起弧的被激励区域。因此，可以实现所产生的等离子体的均匀性。 [0018] 在辉光放电或起弧布置中，优选地将至少一个电极定位于单元的出口处以便吸取等离子体通过出口并促使其流动到治疗部位。在起弧布置中，可以将电极布置成使得起弧基本上遍及整个出口区域发生，从而通过单元的任何气体在其通过出口离开单元时必须与电极之间的放电相互作用。通常，辉光放电是优选的。 [0019] 通常，需要预定流量的等离子体以用于治疗部位的有益治疗。微型等离子体单元的有利之处在于其能够提供此有益流量而且还在可能的程度上节省气体和功率。在微型等离子体单元中，电极之间的间距得以减小，优选地减小至不超过10 mm。在某些布置中，电极间距可以显著地小于10 mm，并且可以小到0.1 mm。减小的间距降低了功率使用，因为通过电极之间的等离子体形成区的所有气体被暴露于相当大量的能量。在这方面，可以在接近于电极表面的等离子体产生区域的体积中更容易地产生等离子体，因此减小的间距增加了所供应的每单位能量的等离子体产生的效率。等离子体单元可以具有1和5 ml之间或更小的自由气体空间。 [0020] 在另一可能布置中，提供了微型等离子体单元的微型阵列和多个所述电极，每个微型等离子体单元在使用中从气源接收气体，多个所述电极用于激励等离子体单元中的气体以产生等离子体。此布置减少了任何一个电极处的电流错乱的倾向，并且因此改善了所产生的等离子体的均匀性。 [0021] 施加器头优选地被构造成位于人或动物的口腔中以便治疗人或动物的牙齿或牙龈。为了实现位于口中并且特别为了让用户在口中操纵以便治疗牙齿，对施加器的尺寸并因此对等离子体单元的尺寸存在可工作的上限。在一个布置中，施加器头在尺寸上可以类似于典型牙刷头的尺寸。如果期望的话，施加器头可以是牙刷头，其设置有刷毛以及用于从等离子体单元流过来的活性气体的一个或多个出口部分。 [0022] 通常提供外壳以便容纳气源和电功率源，该外壳具有连接部分以便连接到施加器头的互补连接部分，使得当被连接时，气体可以被供应到单元并且电功率可以被供应到电极。施加器头和等离子体单元在推荐的使用时段之后可以是可丢弃的。在这方面，本发明还涵盖一种包括等离子体单元和电极装置的施加器头，其可以与设备分开地提供。 [0023] 如果期望的话，根据本发明的设备可以不是手持式的，而是可以形成为连接到铰接臂的附件，其是用于保持牙科医生的钻具的种类。 [0025] 为了更清楚地理解本发明，现在将对仅以示例的方式给出的附图进行参考，在附图中：图1和2是根据本发明的设备的实施例的示意图；并且 图3至5是供在图1和2所示的设备中使用的替代的等离子体单元的示意图。 具体实施方式[0026] 参考图1和2，示出了用于从气流产生非热气态等离子体的设备10。参考图2，从该设备发射包含离子及其他化学活性核素的气体股流（plume）12。该设备被构造成是手持式的且被操作，因此应具有使得该设备的典型用户能够操作设备以便对治疗部位进行治疗的质量、尺寸和形状。 [0027] 设备10包括外壳14，外壳14构造成被手保持，并且该设备的部件被容纳在外壳14中。该外壳还在设备的使用期间提供与外壳内产生的高电位的电绝缘。 [0028] 微型等离子体单元16限定等离子体形成区或体积18，在等离子体形成区或体积18中，从气源22通过单元进口20的气体能够被激励以形成非热气态等离子体并且通过单元出口24排出以便由所得到的气态股流来进行治疗部位的治疗。微型等离子体单元16可以具有1和5 ml之间或者甚至小于1 ml的自由气体。气源通常是适当等离子体气体的密封舱室，通常包括相对纯的氦，如果需要的，所述氦用高达例如1000 ppm的诸如氧气的活性气体进行掺杂。该设备可以设置有用于刺穿密封并从其释放气体的装置，例如空心穿孔针（未示出）。该舱室可以具有高达100 ml并且通常约20 ml的（水）容量。等离子体单元16位于施加器头52中。提供了多个电极26、28，用于从电功率源30接收电功率以便激励单元 16中的气体以形成气态等离子体。虽然被示出处于单元106内的位置，但可以将电极26、 28中的一个或多个定位于其外部。 [0029] 电极包括相对于通过单元的气流的至少一个下游电极28和至少一个上游电极26。在图1中，仅示出了单个下游电极和单个上游电极。下游电极是环形的，并且位于出口 24处，使得当形成了等离子体时，其被朝着出口传送。因此将会看到的是，下游电极将定位成在使用中比上游电极更靠近病人或用户的治疗部位。图1的一个布置中的上游电极是至少部分地或如图所示完全位于单元内的导电板。该板被确定尺寸并定位以便在单元的体积 18或至少在该体积的较大部分中产生大体上均匀或均质的等离子体。上游电极的导电部分与单元中的气体接触，并且未被电介质绝缘，或者至少基本上是未绝缘的。 [0030] 电功率源30可以包括相对低电压（例如12 V）的电池或可再充电电池，其与本领域已知种类的适当电路相关联，以产生阶跃AC或阶跃脉冲DC电压，并且在一个布置中，电功率源30在2 mA下额定为1 kV。电压峰值每个可以持续例如1毫秒，并且可以每隔例如5至10毫秒发生。当源30与电极26相连时，在电极26中产生相对于电极28的电位。电位引起等离子体单元中的气体的电离，其可通过单元出口24以等离子股流12的形式排出以便治疗用户的治疗部位。电极28被保持在低电位或零电位，使得如果用户偶然地触摸到电极，将几乎没有电流通过，避免任何伤害。因此，即使电极26在使用中被保持在高电位，例如至少1 kV（RMS），用户也受到电极28的保护并且还受到绝缘外壳14的保护。 [0031] 此外，等离子体单元中的某些气体分子通常可在气体接收给定量的能量以将分子或原子分离成带正电和带负电的成分时被电离。气体通常可以基于氦气。由于电极26未通过电介质与等离子体单元中的气体绝缘，所以激发等离子体所需的电位小于在绝缘电极的情况下所需的电位。因此，可以使用较低电压，其节省功率，允许较长的电池寿命。 [0032] 控制器32被可操作地连接到电功率源30和气源22两者以便控制电极的激活并用于气体到等离子体单元中的受控传递。 [0033] 在图1所示的布置的使用中已经发现当电极被激励时，即使板电极26的尺寸被设置为占用单元的横向尺寸的相对大的部分，该等离子体也可能不会遍及整个体积18被一致地激发。替代地，在电极26的相对小的部分处可能发生级联效应，在那里，大多数电位被放电到气体中，形成路径，沿着该路径，电流从电极26放电至电极28。当电极26这样向电极28放电时，总气流的电离程度可显著变低，并且所得到的关于股流12的活动的活性核素（中性的和电离的）的浓度和因此的系统效率也可能因此降低。与图1的布置相比，图3所示的布置提供了一种用于在等离子体单元的体积18中或至少在单元的较大体积中产生大体上均匀量的等离子体的改进设备。这允许与未电离气体的更大接触，并且因此允许等离子体的更高效副反应，这对于所出现的股流12的期望组成而言可能是重要的。 [0034] 参考图3，电极26包括导电电极部分36的阵列，其相对于等离子体单元分布成使得在单元的体积18中大体上均匀地产生等离子体，或者至少在体积的较大部分中产生等离子体。电极部分36包括各自的电阻器38和电板40，每个电阻器38被连接到导电焊盘或部分，导电焊盘或部分突出到单元的体积中，电板40用于从源30接收电功率。电板40和电阻器的至少一部分通过电介质42与单元的体积18绝缘，使得只有电极部分的第一端部被暴露于单元中的气体。 [0035] 在图3设备的使用中，当电极26被激励并且等离子体单元中存在气体时，所述多个电极部分中的任何一个最初可能易于发生如上所述的级联效应，因为在电阻器上没有电流流动的情况下，被暴露于体积18的第一端部具有与源30的电位大体相同的电位。也就是说，该电位并未在电阻器上降低。当电极部分中的任何一个在其第一端部附近激发等离子体时，电流流动并且因此电阻器上存在电位降。电阻器的电阻被选择为使得当等离子体在一个电极部分处被激发时，该电极部分处的电位下降到低于其他电阻器的电位，从而增加其他电极部分处的等离子体的激发。因此，在相对短的时间段内，在全部的或至少大部分的电极部分处产生等离子体，使得在体积18的相对较大部分中产生等离子体。 [0036] 将等离子体激发所需的能量的量大于维持气态等离子体所需的能量。例如，实现单元16中的气体的初始电离所需的电极26处的电位可以是至少1 kV（RMS），但是维持已所激发的气态等离子体所需的电极26处的电位小于该值。图3中的电极部分的第一端部初始地被保持在第一电位，该第一电位被选择为将气态等离子体激发。当气态等离子体在电极部分处被激发时，电位由于电流流动而在电阻器上降低。因此，电阻器的电阻被选择为使得电位在气态等离子体激发时下降至第二电位，该第二电位低于第一电位并且高于或者大约在维持等离子体所需的电位。因此，维持单元中的等离子体所需的电功率得以减少。 [0037] 举例来说，当电功率源被额定为在2 mA时1 kV（RMS）且气体是氦气或用例如水掺杂的氦气时，电阻器的电阻被选择为10 kΩ。 [0038] 在图4中示出了进一步修改，其中，电极部分36的第一端部37大体上是滚圆的。在本示例中，在电极部分的各自第一端部处提供大体上球形的导电球。然后用电介质42将滚圆的第一端部连同电阻器和电板一起与单元中的气体绝缘，仅仅使滚圆端部的一部分暴露于单元中的气体。电极部分的滚圆端部使电位散布，否则电位集中于电极的尖端处或其一定角度处。所提供的滚圆端部因此减少了电位的积聚并允许等离子体的更加可预测且均匀的激发以及减少了电极部分的加热。 [0039] 在图5中示出了实施例的进一步修改。在本修改中，电极26与电极28之间的间距S被进一步微型化，同时仍允许气体到单元中的充分流动以及气体在电极之间的充分流动以便于产生等离子体。在一个布置中，间距可以小到1 mm或者甚至小到0.1 mm。在这方面，对于电极26处的给定电位，电极之间的间距的减小增加了等离子体的产生效率。 [0040] 另外，减小了由等离子体单元限定的体积18，从而提供许多优点。所提供的微型化等离子体单元允许该单元在使用中接近于或邻近于治疗，从而减小所产生的等离子体从单元到治疗部位所必须行进的距离。如果活性核素的半衰期是短的，则此优点可能是有用的。3 在这方面，单元的体积18优选地小于200 mm。 [0041] 再次参考图1和2，施加器头52被构造成位于治疗部位54附近。在本示例中，治疗部位54是用户的口腔58中的牙齿56。因此，如图7所示，施加器头52被构造成位于人或动物的口腔中以便治疗人或动物的牙齿或牙龈。 [0042] 外壳14具有连接部分62，其用于连接到施加器头52的互补的可拆卸连接部分64，使得当被连接时，气体能够被供应到单元16并且电功率被供应到电极26、28。施加器头的布置包括当被连接时在外壳60与施加器头52之间延伸的颈部66。 [0043] 施加器头的尺寸设置成被接收在口腔中，并且可以是例如典型牙刷头的尺寸和形状。因此，可以在使用中使单元16定位成尽可能靠近治疗部位。因此，如果气源供应氦气或掺杂氦气，例如提供具有1毫秒范围内的短半衰期的有益活性核素，则从等离子体单元16发射或喷射的股流中的活性核素的浓度在与治疗部位的有益接触之前并不过多地下降。 也就是说，股流仍将包含可接受浓度的离子及其他活性核素，尽管活性核素可能具有相当短的半衰期。 [0044] 图1和2所示的布置允许在持续使用之后用新施加器头来替换该施加器头，而不要求替换整个设备。等离子体单元布置的适当功能可能在持续使用之后下降，因此定期地将其替换被认为是适当的。这样，以与也要求定期替换的电牙刷的施加器头类似的方式，施加器头变成丢弃部分。 [0045] 微型化等离子体单元的另一优点是促进了在设备10的每次使用之前用来自气源的气体冲洗单元的体积以在激励电极以形成等离子体之前清理单元的污染物。在这方面，在等离子体激发时存在于单元中的污染物可能形成不期望的核素，其可能干扰期望核素的作用或产生不想要的效果。不期望核素的示例是臭氧，其不仅具有特殊的臭味，而且仅在非常低的量时是用户能够安全容忍的。 [0046] 微型化等离子体单元的另一优点是可以每单位时间激励相对小量的气体以形成等离子体。因此，在图2所示的示例中，不需要用所得到的股流来冲洗口腔，该股流中的大部分可能未产生治疗或有益效果。如果向治疗部位提供小量的股流，则较大比例的等离子体可以实现期望的效果，同时节省气体并延长替换或重新填充之间的气源寿命。 |
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