一種低溫等離子體內窺鏡消毒裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種低溫等離子體內窺鏡消毒裝置及方法，該裝置包括氣體控制模塊、電源激勵模塊、等離子體發生模塊，氣體控制模塊通過流量控制器控制稀有氣體和強活性摻雜氣體，實現氣體配比和流速可調；電源激勵模塊利用正弦或脈沖高壓電源，為所述等離子體發生模塊提供穩定的激勵；等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，利用以稀有氣體為主的混合氣體產生大氣壓冷等離子體射流。本裝置可以在大氣壓下產生長度在1cm到2m，直徑在0.2mm到10mm范圍內，均勻、穩定、常溫、強活性的等離子體射流，適用于不同尺寸內窺鏡的消毒處理。
【專利說明】—種低溫等離子體內窺鏡消毒裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及等離子體消毒領域，特別涉及一種基于分段間隙電極結構的低溫等離子體內窺鏡消毒裝置和方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技的進步和人們對健康要求的日益提高，內窺鏡的應用越來越廣泛。不但在微創手術中大量使用，而且已開始向常規體檢領域發展，全球內窺鏡市場在2010年已突破100億美元，可以預見內窺鏡的用量將大幅度增長。為了適應應用發展的客觀要求，避免一次使用的高成本與多次重復使用的交叉感染風險，研究高效、安全、價廉、操作方便的內窺鏡消毒技術迫在眉睫。
[0003]由于內窺鏡價格比較昂貴而且屬于不耐濕熱設備，所有其滅菌方法受限，極大限制了臨床應用的開展。現今較廣泛應用于內窺鏡消毒的方法有過氧化氫法、環氧乙烷滅菌法、高壓蒸汽滅菌法等。高壓蒸汽滅菌法已被證實其對部分病原體無法進行有效的滅活。過氧化氫和環氧乙烷屬于有毒氣體，且這兩種方法采用真空腔體，設備昂貴、用法復雜、處理時間長。在目前的應用效果上來看，上述方法對部分病原體的殺傷能力依然有限，存在交叉感染的風險，且存在有害殘留并會損傷到內窺鏡材料。
[0004]因此，內窺鏡內部狹長管道的殺菌消毒是一項比較困難的任務。等離子體可以產生電場、電流、UV輻照、以及各種帶電粒子、自由基等活性粒子，可以使病原體快速壞死或凋亡。但是，目前所應用的低氣壓等離子體的方法，以及低氣壓等離子體與H2O2相結合的方法存在2個主要缺陷:(I)低氣壓條件需要真空腔，成本高，操作不便；(2)內窺鏡的內徑在 mm數量級，甚至小于1mm，而低氣壓等離子體的電子自由程大于1cm，這使得產生高密度等離子體的難度很大，等離子體殺菌效果達不到要求。
[0005]綜上所述，現有技術無法在大氣壓下產生一種覆蓋整個內窺鏡內壁、均勻、穩定、 常溫的等離子體，需要一種新的消毒方法和等離子體發生 裝置。
【發明內容】
[0006]為解決上述技術問題，本發明公開了一種低溫等離子體內窺鏡消毒裝置，所述裝置包括氣體控制模塊、電源激勵模塊、等離子體發生模塊，其特征在于:
[0007]所述氣體控制模塊通過多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速；
[0008]所述電源激勵模塊通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；
[0009]所述等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在Icm到2m、直徑在 0.2mm到IOmm的大氣壓冷等離子體射流。
[0010]同時，本發明還公開了一種低溫等離子體內窺鏡消毒的方法，其特征在于:
[0011]步驟1，通過氣體控制模塊中的多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速；
[0012]步驟2，通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；[0013]步驟3，等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在1cm到2m、直徑在0.2mm到1Omm的大氣壓冷等離子體射流,用于內窺鏡消毒。
[0014]其中，通過射流的方式獲得大氣壓冷等離子體，可以適應不同管內徑的內窺鏡消毒處理；
[0015]其中，通過在稀有氣體為主的混合氣體中產生放電，增強了等離子體中活性粒子種類和數量；
[0016]其中，利用分段間隙的電極結構，降低放電電壓和等離子體溫度，適用于不同長度內窺鏡的消毒處理。
[0017]其中，通過冷等離子體射流產生的強電場、UV、大量活性粒子等，實現對內窺鏡內表面的殺菌、消毒處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明中的內窺鏡消毒裝置的結構示意圖。
[0019]圖2為本發明中分段間隙電極的結構示意圖。其中:21為反應氣體，22為等離子體射流尾部區，23為高壓電極，24為地電極。
[0020]圖3為本發明中單個電極的結構示意圖。a為快速拆裝型電極，其中，31為支撐金屬桿，與高壓電極或地電極母線相連；32為一側開口的金屬卡槽，32與31通過焊接相連。b 為彈簧螺釘固定型電極，其中，33為主電極，34為副電極，35為螺母，36為螺釘，37為斥力彈簧；主電極與高壓電極或地電極母線相連，副電極通過彈簧螺釘與主電極固定，并實現電連接。
[0021]圖4為本發明中的消毒裝置對內窺鏡材料處理的SEM結果，該圖中的①為處理前， ②為處理后。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，低溫等離子體內窺鏡消毒裝置包括氣體控制模塊、電源激勵模塊、等離子體發生模塊，氣體控制模塊通過多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速；電源激勵模塊通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在Icm到2m、直徑在0.2mm到IOmm的大氣壓冷等離子體射流。
[0023]結合圖1，本發明:首先解決了消毒裝置反應氣體的問題，實現了不同反應氣體的混合；其次由于采用了分段間隙的電極結構，可以適應不同長度內窺鏡消毒處理的需要，醫用內窺鏡管道的長度范圍在lcm-2m之間；再次，本發明采用了等離子體射流結構，可以適應不同管內徑內窺鏡消毒處理的需要，醫用內窺鏡管道內徑范圍在0.2mm-10mm之間。這樣一來，混合反應氣體經過射流管道，并在正弦電源激勵下，產生大氣壓冷等離子體射流，可以適應不同長度、不同管內徑內窺鏡的消毒處理。
[0024]更優的，在另一個實施例中:所述流量控制器根據內窺鏡管內徑的不同調節反應氣體的流量。就該實施例而言，為了保證氣體的流速保持在一定范圍內，氣體流量要隨著內窺鏡管內徑的增加而增加。反應氣體的流速一般不超過20m/s，因為超過這個值后容易形成湍流，使得等離子體消毒處理不均勻，同時也會影響放電的穩定性。[0025]更優的，在另一個實施例中:所述反應氣體以He、Ar等稀有氣體為主要放電氣體。 就該實施例而言，稀有氣體使得等離子體保持低溫狀態，放電溫度，且放電電壓降低。這樣一來，減少了等離子體對內窺鏡內表面材料的損傷，同時由于稀有氣體放電電壓低，使其不會在內窺鏡外壁產生放電。
[0026]更優的，可以在稀有氣體中摻雜空氣等強活性氣體，或者采用低純度的稀有氣體 (含有不少于0.1 %的空氣雜質)，增加放電產生的活性粒子種類和數量。
[0027]進一步的，摻雜的強活性氣體同樣可以是N2、02、H2O等單一成分，總的摻雜配比不超過10%，過高的摻雜濃度會降低放電均勻性，提升放電電壓，增大氣體溫度，不利于內窺鏡消毒處理。
[0028]更進一步的，在脈沖激勵下，放電氣體可以是空氣(含潮濕空氣)、氧氣等廉價的強活性氣體。
[0029]更優的，在另一個實施例中，所述用于低溫等離子體激勵的高壓電源為正弦高壓電源，頻率不高于100MHz。就該實施例而言，實際應用中，處理不同長度和管徑的內窺鏡需要不同的電壓，正弦高壓電源電壓峰-峰值選擇范圍在3kV-50kV，頻率范圍的選擇在 IkHz-1OOMHz,頻率過低則放電不穩定，頻率過高則會導致等離子體發熱現象明顯。
[0030]更優的，在另一個實施例中:所述電源激勵模塊可用脈沖高壓電源代替正弦高壓電源，其脈沖頻率在50Hz-100MHz之間。脈沖高壓電源的頻率越高，等離子體消毒裝置的處理速度越快，而且放電電壓越低，但等離子體溫度會隨頻率升高。就該實施例而言，在脈沖高壓電源激勵下，活性粒子的生成效率更高，同時由于降低了總的放電功率，使得等離子體溫度進一步降低。
[0031]更優的，如圖2所示，所述分段間隙的電極結構通過高壓電極與地電極交替排列實現。其采用了同一電源進行供電，內窺鏡則穿過交替排列的電極，在每個相鄰高壓電極與地電極之間的內窺鏡內部會產生等離子體，由于電極裝置的多級分布，可以有效降低放電所需電壓。進一步地，根據不同長度內窺鏡消毒處理的需要，可以增、減交替電極對數，這樣可以產生長度不等的均勻、穩定的大氣壓等離子體，通過等離子體快速實現內窺鏡內部消毒。附帶說明地，就算內窺鏡內部有不均勻結構，也不影響消毒處理效果，這是由等離子體本身固有特性決定的。
[0032]更優的，如圖3所示:單個電極的結構有快速拆裝型和彈簧螺釘固定型兩種。快速拆裝型電極是一種可以快速拆卸的結構，金屬卡槽32是由彈性金屬片·制成，彈性良好，適用于不同外徑內窺鏡的消毒處理，彈簧螺釘固定型電極是利用彈簧螺釘固定內窺鏡管道， 通過調節螺釘同樣適用不同外徑內窺鏡。在沿內窺鏡管道方向的電極寬度及電極間隙均不超過3cm，以獲得穩定的放電并保證管道內部消毒處理的均勻性。
[0033]更優的，所述等離子體發生模塊產生的是等離子體射流。等離子體射流進一步降低了放電電壓與等離子體溫度。附帶說明地，因為射流本身有利于內窺鏡內壁的粘附物脫落，所以射流結構同時起到了一定的清潔作用。
[0034]更優的，所述等離子體射流結構帶有放電針，降低了起輝電壓。放電針的存在降低了放電起始條件，并使得放電更容易實現。實際應用中，在內窺鏡一端的高壓電極處，利用放電針將高壓極引入到放電管道內。這樣一來，放電仍然屬于介質阻擋放電范疇，只不過通過針尖電暈降低了放電起始電壓。[0035]實驗中，發明人利用含E.coli細菌的菌液污染內窺鏡，然后利用所述等離子體射流處理I分鐘。處理之后，將菌液稀釋后繼續培養24小時，最后與未進行等離子體射流處理的對照組對比觀察殺菌效果。在該實施例中發現，經過等離子體射流處理過的未經稀釋的培養皿中，至少有IO5個的E-coli菌落減少。只要處理IOs就可以完全殺死所有E.coli 細菌。通過光譜分析發現，在氦氣與氧氣的混合氣體放電等離子體中，其產生的O、OH等活性粒子是殺菌的關鍵粒子。
[0036]更優的，所述分段間隙電極結構產生的冷等離子體射流不會破壞內窺鏡材料。內窺鏡內壁材料為PTFE材料或其它高分子材料。結合圖4所示的電子掃描結果來看，就該實施例而言，實際應用中，利用所述冷等離子體處理PTFE材料100次，每次處理時間為6分鐘。就該實施例而言，根據掃描電鏡觀察結果，發現PTFE材料表面沒有明顯的損傷。
[0037]同時，本發明還公開了一種低溫等離子體內窺鏡消毒的方法，其特征在于:
[0038]步驟1，通過氣體控制模塊中的多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速； [0039]步驟2，通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；
[0040]步驟3，等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在Icm到2m、直徑在0.2mm到IOmm的大氣壓冷等離子體射流,用于內窺鏡消毒。
[0041]其中，通過射流的方式獲得大氣壓冷等離子體，可以適應不同管內徑的內窺鏡消毒處理；
[0042]其中，通過在稀有氣體為主的混合氣體中產生放電，增強了等離子體中活性粒子種類和數量；
[0043]其中，利用分段間隙的電極結構，降低放電電壓和等離子體溫度，適用于不同長度內窺鏡的消毒處理。
[0044]其中，通過冷等離子體射流產生的強電場、UV、大量活性粒子等，實現對內窺鏡內表面的殺菌、消毒處理。
[0045]就上述實施例而言，其屬于與本發明前述第一個實施例對應的方法實施例。
[0046]綜上所述，本發明所述的內窺鏡消毒裝置及其方法具有以下優點:(1)本發明提出一種全新的分段間隙的等離子體電極結構，這種電極結構通過高壓電極與地電極交替排列，只要滿足各個相鄰電極間的放電條件，就可以在分段的電極間隙內產生等離子體，而根據電極數量的不同可以產生不同長度的冷等離子體，適用于不同長度內窺鏡消毒處理的需要；(2)采用He、Ne、Ar稀有氣體為主要放電氣體，等離子體可保持低溫、均勻、放電電壓低， 而且不會在內窺鏡外壁產生沿面放電，同時少量摻雜N2、02、H2O等強活性氣體，可以進一步增強等離子體活性；(3)若采用脈沖電源激勵產生等離子體，則放電氣體可選擇空氣(含潮濕空氣)、氧氣等廉價的強活性氣體；(4)采用等離子體射流結構，進一步降低了放電電壓和等離子體溫度，等離子體射流可以適用不同管內徑尺寸的內窺鏡消毒處理；(5)活性粒子密度高，因此處理效率高，在幾分鐘甚至不到一分鐘時間內即可獲得好的處理效果；(6) 所產生的等離子體射流不會對內窺鏡內表面產生損傷；(7)等離子體發生裝置在大氣壓下進行操作，無需真空腔，設備簡單，操作方便，價格低廉，而且等離子體處理過后不會產生毒性殘留。
[0047]本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1.一種低溫等離子體內窺鏡消毒裝置，所述裝置包括氣體控制模塊、電源激勵模塊、等離子體發生模塊，其特征在于:所述氣體控制模塊通過多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速；所述電源激勵模塊通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；所述等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在Icm到2m、直徑在0.2mm 到IOmm的大氣壓冷等離子體射流。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述流量控制器根據內窺鏡管內徑的不同調節反應氣體的流量。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述反應氣體以稀有氣體為主要放電氣體，或者在脈沖激勵下可以選取強活性氣體作為放電氣體。
4.根據權利要求3所述的裝置，優選的，所述稀有氣體為He、Ar，所述強活性氣體為干燥空氣、潮濕空氣或氧氣。
5.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述用于低溫等離子體激勵的高壓電源為正弦高壓電源，頻率不高于IOOMHz。
6.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述電源激勵模塊采用脈沖高壓電源，其脈沖頻率在50Hz-100MHz之間。
7.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述分段間隙的電極結構通過高壓電極與地電極交替排列實現。
8.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:單個電極的結構有快速拆裝型和彈簧螺釘固定型兩種。
9.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述等離子體發生模塊產生的是等離子體射流。
10.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:所述等離子體射流結構帶有放電針，降低起輝電壓。
11.根據權利要求1或2所述的裝置，其特征在于:內窺鏡管道采用聚四氟乙烯管。`
12.—種采用權利要求1-11中任一項所述裝置消毒內窺鏡的方法，其特征在于:步驟1，通過氣體控制模塊中的多個流量控制器控制多種反應氣體的成分配比與流速；步驟2，通過高壓電源為所述等離子體發生模塊提供激勵；步驟3，等離子體發生模塊通過分段間隙的電極結構，產生長度在Icm到2m、直徑在 0.2mm到IOmm的大氣壓冷等離子體射流,用于內窺鏡消毒。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于:通過射流的方式獲得大氣壓冷等離子體。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于:通過在稀有氣體為主的混合氣體中產生放電，增強等離子體中活性粒子種類和數量。
15.如權利要求12所述的方法，其特征在于:利用分段間隙的電極結構，降低放電電壓和等離子體溫度。
【文檔編號】A61L2/14GK103585650SQ201310287335
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年7月9日 優先權日:2013年7月9日
【發明者】M·剛玉·孔, 王小華, 劉定新 申請人:西安交通大學