最新等离子电手术刀电路设计文档格式.docx

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摘要

等离子体是物质存在（固、液、气体）的第四种状态，是由大量带电粒子组成的非束缚状态的宏观体系。

日常生活中也随处可见，闪电、霓虹、日光、等离子体电视等都是人们日常能感受得到的等离子体技术。

“等离子体”这门近代物理学始创于二十世纪五十年代，作为迅速发展的新兴学科其低温等离子体、冷等离子体、热等离子体技术已广泛应用于医学、电子、工业、军事及日常生活等众多领域。

低温等离子体作为一种高新技术，因其对环保及医学方面的突出贡献，已越来越受到国内外专家学者的关注。

等离子电手术刀也应运而生。

低温等离子消融技术也因此备受关注，与传统的手术相比，低温等离子消融技术有着微创、精确、方便、安全等特点。

现在鼻炎、扁桃体、腺样体、咽喉等疾病得到了广泛的应用。

本设计旨在通过制作基于MOSFET半桥逆变的高频高压电源以特100kHz超低频率电能激发介质（Nacl）产生等离子体。

在40~70℃蛋白质可逆变性的温度范围内，靠“等离子体”产生的声波打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而以“微创”的代价完成对组织切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种功能。

关键字：

低温等离子；

UC3842；

UC3825；

MOSFET半桥逆变

Abstract

Plasmaisexistingmaterial（solid,liquid,gas）ofthefourthstate,ismadeofanumberofchargedparticlesoftheboundthemacroscopicsystemofthestate.Thereareeverywhereindailylife,lightning,neon,thesun,andplasmaTV.Thisispeopledailycanfeelofplasmatechnology.

“Plasma”thedoorofthemodernphysics,asarapiddevelopmentofemergingdisciplineinthe1950s,thelowtemperatureplasma,coldplasma,hotplasmatechnologyhasbeenwidelyusedinmedicine,electronics,industrial,militaryanddailylifeandmanyotherfields.Lowtemperatureplasmaasakindofnewandhightechnology,becauseoftheenvironmentalprotectionandthecontributionofthemedicine,alreadymoreandmoregettheattentionofexpertsandscholarsathomeandabroad.Plasmaelectricityascalpelalsoarisesatthehistoricmoment.Lowtemperatureplasmaablationtechnologyalsogotmoreattention.Comparedwithtraditionalsurgery,lowtemperatureplasmaablationtechnologyhasthecharacteristicofaccurateandconvenientwithminimallyinvasive,securityandsoon.Nowthewiderangeofapplicationsinrhinitis,tonsil,adenoid,throatandotherdiseases.

ThedesignaimstomakebasedonMOSFEThalf-bridgeconverterofthehighfrequency,highvoltagepowersupplyincertainlowfrequencypower100KHzstimulatemedium（Nacl）produceplasma.In40~70℃proteinreversibledegenerationofthetemperaturerange,By"

plasma"

generatedthesoundwavestobreakmolecularbonds,proteinsandotherbiologicalmacromoleculestodirectcleavageintoO2,CO2,N2andothergasesThuswith"

minimallyinvasive"

pricetocompletetheorganizationalcutting,drilling,ablation,shrinkageandbleedingandotherfeatures.

Keywords:

lowtemperatureplasma;

ablationtechnique;

MOSFEThalf-bridgeinverter

1绪论

1.1低温等离子介绍

1.1.1简介

低温等离子体技术是一门已相对成熟和蓬勃发展的应用学科，它已在传统和高技术领域得到了广泛的应用。

其中等离子体表面改性技术以其特有的优点，解决了合成高分子材料无法完全满足作为生物医用材料所需要的生物相容性和高度的生物功能要求这一难题。

通过等离子体处理后，能够在高分子材料表面固定生物活性分子，达到作为生物医用材料的目的。

低温等离子是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。

放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。

1.1.2解释

冰升温至0℃会变成水，如继续使温度升至100℃，那么水就会沸腾成为水蒸气。

随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。

那么对于气态物质，温度升至几千度时，将会有什么新变化呢?

由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物（蜡烛的火焰就处于这种状态）。

我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态，即等离子体（plasma）。

因为电离过程中正离子和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等，总体来看为准电中性。

反过来，我们可以把等离子体定义为：

正离子和电子的密度大致相等的电离气体。

1.1.3实验

从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。

据印度天体物理学家沙哈（M．Saha，1893-1956）的计算，宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。

而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。

此外，对于自然界中的等离子体，我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。

在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。

在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值，其密度为106（单位：

个／m3）的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。

其温度分布范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K（1-10亿度）。

温度轴的单位eV（electronvolt）是等离子体领域中常用的温度单位，1eV=11600K。

通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子（包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团）等三种粒子。

设它们的密度分别为ne，ni，nn，由于准电中性，所以电离前气体分子密度为ne≈nn。

于是，我们定义电离度β=ne/（ne+nn），以此来衡量等离子体的电离程度。

日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是100%，像这样β=1的等离子体称为完全电离等离子体。

电离度大于1%（β≥10-2）的称为强电离等离子体，像火焰中的等离子体大部分是中性粒子（β<

10-3），称之为弱电离等离子体。

若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行，那么电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡状态。

若电子、离子、中性粒子的温度分别为了Te，Ti，Tn，我们把这三种粒子的温度近似相等（Te≈Ti≈Tn）的热平衡等离子体称为热等离子体（thermalplasma），在实际的热等离子体发生装置中，阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，可用作等离子体射流（plasmajet）、等离子体喷焰（plasmatorch）等。

另一方面，数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。

此时，电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，所以有Te>

>

Ti，Te>

Tn。

我们把这样的等离子体称为低温等离子体（coldplasma）。

当然，即使是在高气压下，低温等离子体还可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式即电晕放电（coronadischarge）或电弧滑动喷射式放电来生成。

大气压下的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。

可产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚，在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步，现已形成新的研究热点。

1.1.4应用

现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。

例如，1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。

塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。

科学家预测：

二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。

据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。

1.1.5市场

等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。

等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括：

●半导体集成电路及其它微电子设备的制造

●工具、模具及工程金属的硬化

●药品的生物相溶性包装材料的制备

●表面防蚀及其它薄层的沉积

●特殊陶瓷（包括超导材料）

●新的化学物质及材料的制造

●金属的提炼

●聚合物薄膜的印刷和制备

●有害废物的处理

●焊接

●磁记录材料和光学波导材料

●精细加工

●照明及显示

●电子电路及等离子体二极管开关

●等离子体化工（氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等）

1.1.6技术

目前，国内外企业利用低温等离子体技术在环保方面开发出了“低温等离子体有机废气净化设备”、“低温等离子体废水净化设备”及“低温等离子体汽车尾气净化技术”。

1、低温等离子体在保鲜、杀菌、除臭等方面产品开发，目前已开发出适用于冰箱、空调、洗衣机的发生器。

2、“低温等离子体有机废气净化设备”利用低温等离子体产生的具有高氧化性的臭氧，在催化剂的作用下，使有机废气在较低的温度完全转化。

该设备可应用于溶剂厂、印染厂、油漆厂等有机废气排放源。

3、“低温等离子体废水净化设备”可使皮革厂、造纸厂、印染厂、游泳池等排放的废水经处理后，达到无色无味、无菌的效果。

4、“低温等离子体汽车尾气净化技术”除具有一般汽车尾气净化器具有的功能外，还有以下特点：

（1）可降低发动机百公里耗油量；

（2）可降低发动机噪音，运转平稳；

（3）可提高发动机起始加速度；

（4）在恶劣环境下，点火启动成功率达到100%；

（5）降低尾气中有机物及一氧化碳等有害物的排放量；

（6）适用于任何型号的燃油发动机、发电机；

1.2在现代医学上的应用—低温等离子消融技术

1.2.1等温等离子消融技术介绍

美国DNR数字式低温等离子消融术，DNR英文直译为多昵尔，所以简称为“多昵尔低温消融术”！

原先主要用于有关核能与宇宙带电粒子研究。

因为多昵尔技术的治疗弹头只有10微米至1毫米左右，有的比头发丝还要细，所以又称“头发丝技术”。

该技术是在鼻内窥镜下，运用从国外引进的等离子低温消融系统瞬间对引起鼻炎的增生组织进行消融，可保持局部黏膜组织结构的安全性，并能有效减轻术后水肿与疼痛。

消融时间很短，约20分钟的功夫，术后症状即得到缓解，一般术后不会再复发，可有效治疗慢性鼻炎、鼾症等。

1.2.2工作原理

在治疗过程中，多昵尔的治疗弹头会先利用数字智能识别功能先采集病变组织的基本数据，然后根据计算机的指令使组织局部形成一个拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质的空间（在这个空间内拥有几乎相同数量的自由电子和阳极电子的离子，我们就称之为等离子），这时，高度吸收能量的非平衡等离子会在计算机的程序控制下，使病变组织产生低温分解效应及RL（感抗）热效应，即使组织蛋白质迅速凝固及血管收缩和封闭，达到治疗耳鼻咽喉疾病的目的。

在治疗的过程中几乎不会损伤患者耳鼻咽喉部位的粘膜和纤毛上皮，因此，术后，患者要比接受过传统耳鼻咽喉手术的患者恢复更加良好。

因为多昵尔的治疗弹头虽然细但十分强韧，医生可以根据需要对弹头进行任意的修剪和弯折，在先进的德国Storz鼻内窥镜系统配合下，弹头可以轻易地到达耳鼻咽喉任何部位的病灶，所以，多昵尔技术可以用于几乎所有耳鼻咽喉疾病的治疗。

美国DNR数字式低温等离子消融术是目前国际上先进鼻咽炎治疗设备，等离子低温消融治疗系统，是治疗鼻部疾病几近完美的微创疗法。

在低温的作用下它既将鼻甲肥大病变部分进行消融，又不伤害正常的鼻甲粘膜组织，来达到治疗目的。

低温等离子消融治疗系统的作用原理是使电极和组织间形成等离子薄层，层中离子被电场加速，并将能量传递给组织，在低温下（40°

C~70°

C）打开细胞间分子结合键，使靶组织中的细胞分解为碳水化合物和氧化物造成病变组织液化消融，称为等离子（不是热效应），从而达到靶组织体积减容的效果。

多昵尔数字化医用等离子不是普通的设备，该技术与微波相比，无辐射，血液中能工作，温度更低，治疗效果更好与射频相比，频率、温度更低，工作更稳定，有离子液化效果；

与电刀相比，血液中能切割，冷刀切割效果，无热源损伤；

与激光相比，能弧形切割，无光反射，周边损伤小，切割强，是目前国际最具领先的治疗耳鼻喉疾病的高科技设备。

1.2.3低温等离子消融术四大优点

微创：

DNR数字式等离子技术，又称“头发丝”技术，它的治疗弹头分别只有10微米至1毫米左右，有的比头发丝还要细，正因为多昵尔的治疗弹头如此之细，所以对患者的损伤也极小，医生们用它对患者进行精确的点状治疗，术中几乎不出血，术后患者的疼痛、水肿也非常轻微。

整个治疗只需在下鼻甲前端刺一个小孔，最大浸透深度为2mm，对鼻甲粘膜的纤毛功能影响较小，对鼻甲周围正常组织损伤的可能性也较小。

因此，术后很少有痂皮，鼻腔粘连等并发症发生的机率较低。

同时，该治疗系统还具有自动控制功能，当组织变性时电阻增大到一定程度，系统会自动停止工作，并发出报警声。

精确：

DNR数字式等离子技术采用全程数字化控制温度，其治疗温度可精确到0.05℃，治疗全程温度控制在39~70℃，切割面损伤更小，不会像微波、激光、模拟等离子一样烧伤粘膜，破坏纤毛上皮，患者术后恢复更好。

数字化的功率调节有利于选择合适的功率。

方便：

运用多昵尔数字式等离子技术治疗耳鼻咽喉疾病只需局部麻醉，10~15分钟即可完成手术，门诊手术即可。

术后无出血、无疼痛、无水肿，无需住院，也不影响正常饮食，非常适合事务繁忙的人士及对疼痛耐受力低的儿童。

安全：

DNR数字式等离子治疗系统是继激光、微波后第四代高档数字治疗系统，是等离子技术专业治疗机，纯净无辐射，更安全。

多昵尔采用的独特一次性弹头，还可避免术中医源性的疾病交叉感染。

止血效果好，术中出血一般为1~5ml，视野清晰，有利于操作的准确。

适应症

1、鼻炎（包括慢性鼻炎、过敏性鼻炎）

2、扁桃体炎

3、中耳炎

4、打鼾（打呼噜）

5、扁桃体肥大

6、腺样体肥大

7、咽喉疾病

8、分泌性中耳炎

9、扁桃体周围脓

10、鼻息肉

1.2.4展望与前景

目前，国内有不少单位正在利用等离子体表面处理技术积极开展生物医用材料的表面改性及表面膜合成研究，以解决抗凝血、生物相容性、高分子聚合物表面亲水性、抗钙化及细胞吸附生长、抑制等关键技术问题。

中国科学院上海硅酸盐研究所利用等离子体喷涂技术，在生长ZrO等涂层改善人工骨的研究方面取得了重要进展，他们正在使生物医学材料表面处理走向实用化。

中科院上海冶金研究所、西南交通大学、上海中山医院、武警南京医院等单位合作，利用IBAD（离子束辅助沉积）技术在热解碳上生长非晶和晶态金红石型氧化钛薄膜，用于改善材料的抗凝血性。

体外试验及动物体内样品试验表明，用IBAD生长氧化钛涂层的热解碳的血液相容性显著优于临床应用的热解碳人工心瓣。

东华大学理学院准备利用脉冲等离子体材料表面修饰最新技术，在胶原材料表面涂覆有利于神经营养因子CNTF共价固定并具有特定物理形态的功能膜。

利用CNTF营养因子对细胞吸附生长的促进作用，促进常规细胞及CNTF转基因细胞在其上的吸附生长分化。

这对研究筛选适于常规细胞及转基因细胞发挥正常生理功能的生物活性表面涂层及技术，扩大现有生物材料的应用范围，深人研究这类因子对细胞吸附及生长的影响，及细胞与生物材料表面的反应机制，构建新一代具特定修复、再生功能的智能生物材料，都具有重要的意义。

随着全球人口老龄化和运动创伤的增多，人们对生物医用材料提出了非常大的需求，因此各国对生物材料的研究与开发都投人了大量的人力、物力和财力目前已有许多内植器官、人工组织和体外辅助装置等都在开发研究和临床应用中。

低温等离子体表面处理技术以其特有的优点正被许多科学工作者用于生物材料的表面改性及表面膜台成研究。

但是这些研究大多处于开发阶段或动物实验阶段，离实用化还有一段路程。

对医用高分子材料的抗凝血性、生物组织相容性的提高仍是今后医用高分子材料研究中的一个首要问题这些研究需要化学、物理化学、生物化学、生物学、物理学和医学等多方面专家的共同努力。

2等离子电源的制作

2.1等离子电源

目前世界范围内对于等离子体生成的研究中，介质阻挡的电极结构是主流，与之配套的电源大多采用的是高频或微波电源。

电压幅值在几kV到几十kV、频率为lkHz到几百kHz、波形为正弦波的高频高压电源应用广泛。

在实验室进行的气体放电实验中，除了气压、工作气体、电极结构等放电条件外，电源的参数对于实验结果也至关重要。

间隙内气体的放电强度和均匀性与频率、占空比、电压有很大关系。

当在电极间施加合适频率的高压交流电时，电极间隙内的气体就会被电离，形成强烈的气体放电，从而产生高浓度的等离子体。

之所以采用高频高压电源是由于：

利用直流电源产生辉光放电激发等离子体的方法存在一些难以克服的缺点：

1、抑制弧光放电速度较慢且不可靠2、限流电阻浪费了大量电能3、在工件的小孔、缝隙、沟槽部分常会产生空心阴极效应,造成工件上温度极其不均匀，工件表面难以获得均匀的辉光覆盖。

在电场作用下，电极间的带电粒子会在电场力的作用下运动。

如果此时电源频率较低，质量较大的离子将有可能在电极极性转换之前运动到极板的另一侧与之碰撞使得阴极过热并产生二次电子。

当反应腔体的气压过高，这将促使辉光放电向丝状放电过渡。

而离子轰击阴极产生的二次电子为产生电子雪崩提供了条件，加速丝状放电通道的形成。

这些不利条件将不利于产生稳定的辉光放电。

如果采用高频高压电源，频率较高时有助于抑制离子向阴极移动，减弱了离子轰击阴极的加热效应以及产生二次电子形成电子崩的可能性，从而抑制了辉光放电向丝状放电的转化。

另外实验证明采用高频电源可以降低气体的着火电压，即降低了电子器件的耐压等级，从而降低了实验电源的成本。

传统的高压电源因体积和重量都大，且性能不好，满足不了实际应用的需要。

随着电力电子技术和开关器件的发展，高压逆变电源的高频化及脉宽调制波形改善技术使得高压电源的性能成倍提高．体积成倍减小，应用范围越来越广。

由于实验需要，本研究设计并制作了等离子体电源。

电源采用了成熟、可靠的拓扑结构，先进的控制方式，工作稳定、可靠；

电源采用高频技术，体积小、重量轻；

同时具有“过压”、“过流”保护功能，可靠性高。

2.2等离子电源的设计方案

等离子电手术刀的工作原理，即以特定100kHz超低频率电能激发介质（Nacl）产生等离子体，在40~70℃蛋白质可逆变性的温度范围内，靠“等离子体”产生的声波打断分子键，将蛋白质等生物大分子直接裂解成O2，CO2，N2等气体，从而以“微创”的代价完成对组织切割、打孔、消融、皱缩和止血等多种功能。

普通高频500~4000kHz可变电场下，粒子一方面无法获得足够的加速时间，处于往复的振荡状态；

另一方面高频下的分子摩擦会产生较强的热效应，且频率越高产热越多。

而100kHz低频稳定电场下，粒子则会获得更长的加速时间，最终形成带有更大动能的高速带电粒子，直接打断分子键。

此外因频率低，较之高频大大降低了分子间的摩擦产热，使切割、消融和止血等过程都在40~70℃内完成，从而实现微创效应。

通过100kHz超低频率的稳定电场，将Nacl等电解液激发成低温等离子体，在电极前形成厚度为100微米的等离子