CN103585650B

CN103585650B - 一种低温等离子体内窥镜消毒装置及方法

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Publication number: CN103585650B
Application number: CN201310287335.1A
Authority: CN
Inventors: M·刚玉·孔; 王小华; 刘定新
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103585650A

Abstract

本发明涉及一种低温等离子体内窥镜消毒装置及方法，该装置包括气体控制模块、电源激励模块、等离子体发生模块，气体控制模块通过流量控制器控制稀有气体和强活性掺杂气体，实现气体配比和流速可调；电源激励模块利用正弦或脉冲高压电源，为所述等离子体发生模块提供稳定的激励；等离子体发生模块通过分段间隙的电极结构，利用以稀有气体为主的混合气体产生大气压冷等离子体射流。本装置可以在大气压下产生长度在1cm到2m，直径在0.2mm到10mm范围内，均匀、稳定、常温、强活性的等离子体射流，适用于不同尺寸内窥镜的消毒处理。

Description

一种低温等离子体内窥镜消毒装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体消毒领域，特别涉及一种基于分段间隙电极结构的低温等离子体内窥镜消毒装置和方法。

背景技术

随着科技的进步和人们对健康要求的日益提高，内窥镜的应用越来越广泛。不但在微创手术中大量使用，而且已开始向常规体检领域发展，全球内窥镜市场在2010年已突破100亿美元，可以预见内窥镜的用量将大幅度增长。为了适应应用发展的客观要求，避免一次使用的高成本与多次重复使用的交叉感染风险，研究高效、安全、价廉、操作方便的内窥镜消毒技术迫在眉睫。

由于内窥镜价格比较昂贵而且属于不耐湿热设备，所有其灭菌方法受限，极大限制了临床应用的开展。现今较广泛应用于内窥镜消毒的方法有过氧化氢法、环氧乙烷灭菌法、高压蒸汽灭菌法等。高压蒸汽灭菌法已被证实其对部分病原体无法进行有效的灭活。过氧化氢和环氧乙烷属于有毒气体，且这两种方法采用真空腔体，设备昂贵、用法复杂、处理时间长。在目前的应用效果上来看，上述方法对部分病原体的杀伤能力依然有限，存在交叉感染的风险，且存在有害残留并会损伤到内窥镜材料。

因此，内窥镜内部狭长管道的杀菌消毒是一项比较困难的任务。等离子体可以产生电场、电流、UV辐照、以及各种带电粒子、自由基等活性粒子，可以使病原体快速坏死或凋亡。但是，目前所应用的低气压等离子体的方法，以及低气压等离子体与H₂O₂相结合的方法存在2个主要缺陷：(1)低气压条件需要真空腔，成本高，操作不便；(2)内窥镜的内径在mm数量级，甚至小于1mm，而低气压等离子体的电子自由程大于1cm，这使得产生高密度等离子体的难度很大，等离子体杀菌效果达不到要求。

综上所述，现有技术无法在大气压下产生一种覆盖整个内窥镜内壁、均匀、稳定、常温的等离子体，需要一种新的消毒方法和等离子体发生装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种低温等离子体内窥镜消毒装置，所述装置包括气体控制模块、电源激励模块、等离子体发生模块，其特征在于：

所述气体控制模块通过多个流量控制器控制多种反应气体的成分配比与流速；

所述电源激励模块通过高压电源为所述等离子体发生模块提供激励；

所述等离子体发生模块通过分段间隙的电极结构，产生长度在1cm到2m、直径在0.2mm到10mm的大气压冷等离子体射流。

同时，本发明还公开了一种低温等离子体内窥镜消毒的方法，其特征在于：

步骤1，通过气体控制模块中的多个流量控制器控制多种反应气体的成分配比与流速；

步骤2，通过高压电源为所述等离子体发生模块提供激励；

步骤3，等离子体发生模块通过分段间隙的电极结构，产生长度在1cm到2m、直径在0.2mm到10mm的大气压冷等离子体射流，用于内窥镜消毒。

其中，通过射流的方式获得大气压冷等离子体，可以适应不同管内径的内窥镜消毒处理；

其中，通过在稀有气体为主的混合气体中产生放电，增强了等离子体中活性粒子种类和数量；

其中，利用分段间隙的电极结构，降低放电电压和等离子体温度，适用于不同长度内窥镜的消毒处理。

其中，通过冷等离子体射流产生的强电场、UV、大量活性粒子等，实现对内窥镜内表面的杀菌、消毒处理。

附图说明

图1为本发明中的内窥镜消毒装置的结构示意图。

图2为本发明中分段间隙电极的结构示意图。其中：21为反应气体，22为等离子体射流尾部区，23为高压电极，24为地电极。

图3为本发明中单个电极的结构示意图。a为快速拆装型电极，其中，31为支撑金属杆，与高压电极或地电极母线相连；32为一侧开口的金属卡槽，32与31通过焊接相连。b为弹簧螺钉固定型电极，其中，33为主电极，34为副电极，35为螺母，36为螺钉，37为斥力弹簧；主电极与高压电极或地电极母线相连，副电极通过弹簧螺钉与主电极固定，并实现电连接。

图4为本发明中的消毒装置对内窥镜材料处理的SEM结果，该图中的①为处理前，②为处理后。

具体实施方式

如图1所示，低温等离子体内窥镜消毒装置包括气体控制模块、电源激励模块、等离子体发生模块，气体控制模块通过多个流量控制器控制多种反应气体的成分配比与流速；电源激励模块通过高压电源为所述等离子体发生模块提供激励；等离子体发生模块通过分段间隙的电极结构，产生长度在1cm到2m、直径在0.2mm到10mm的大气压冷等离子体射流。

结合图1，本发明：首先解决了消毒装置反应气体的问题，实现了不同反应气体的混合；其次由于采用了分段间隙的电极结构，可以适应不同长度内窥镜消毒处理的需要，医用内窥镜管道的长度范围在1cm-2m之间；再次，本发明采用了等离子体射流结构，可以适应不同管内径内窥镜消毒处理的需要，医用内窥镜管道内径范围在0.2mm-10mm之间。这样一来，混合反应气体经过射流管道，并在正弦电源激励下，产生大气压冷等离子体射流，可以适应不同长度、不同管内径内窥镜的消毒处理。

更优的，在另一个实施例中：所述流量控制器根据内窥镜管内径的不同调节反应气体的流量。就该实施例而言，为了保证气体的流速保持在一定范围内，气体流量要随着内窥镜管内径的增加而增加。反应气体的流速一般不超过20m/s，因为超过这个值后容易形成湍流，使得等离子体消毒处理不均匀，同时也会影响放电的稳定性。

更优的，在另一个实施例中：所述反应气体以He、Ar等稀有气体为主要放电气体。就该实施例而言，稀有气体使得等离子体保持低温状态，放电温度，且放电电压降低。这样一来，减少了等离子体对内窥镜内表面材料的损伤，同时由于稀有气体放电电压低，使其不会在内窥镜外壁产生放电。

更优的，可以在稀有气体中掺杂空气等强活性气体，或者采用低纯度的稀有气体(含有不少于0.1％的空气杂质)，增加放电产生的活性粒子种类和数量。

进一步的，掺杂的强活性气体同样可以是N₂、O₂、H₂O等单一成分，总的掺杂配比不超过10％，过高的掺杂浓度会降低放电均匀性，提升放电电压，增大气体温度，不利于内窥镜消毒处理。

更进一步的，在脉冲激励下，放电气体可以是空气(含潮湿空气)、氧气等廉价的强活性气体。

更优的，在另一个实施例中，所述用于低温等离子体激励的高压电源为正弦高压电源，频率不高于100MHz。就该实施例而言，实际应用中，处理不同长度和管径的内窥镜需要不同的电压，正弦高压电源电压峰-峰值选择范围在3kV-50kV，频率范围的选择在1kHz-100MHz，频率过低则放电不稳定，频率过高则会导致等离子体发热现象明显。

更优的，在另一个实施例中：所述电源激励模块可用脉冲高压电源代替正弦高压电源，其脉冲频率在50Hz-100MHz之间。脉冲高压电源的频率越高，等离子体消毒装置的处理速度越快，而且放电电压越低，但等离子体温度会随频率升高。就该实施例而言，在脉冲高压电源激励下，活性粒子的生成效率更高，同时由于降低了总的放电功率，使得等离子体温度进一步降低。

更优的，如图2所示，所述分段间隙的电极结构通过高压电极与地电极交替排列实现。其采用了同一电源进行供电，内窥镜则穿过交替排列的电极，在每个相邻高压电极与地电极之间的内窥镜内部会产生等离子体，由于电极装置的多级分布，可以有效降低放电所需电压。进一步地，根据不同长度内窥镜消毒处理的需要，可以增、减交替电极对数，这样可以产生长度不等的均匀、稳定的大气压等离子体，通过等离子体快速实现内窥镜内部消毒。附带说明地，就算内窥镜内部有不均匀结构，也不影响消毒处理效果，这是由等离子体本身固有特性决定的。

更优的，如图3所示：单个电极的结构有快速拆装型和弹簧螺钉固定型两种。快速拆装型电极是一种可以快速拆卸的结构，金属卡槽32是由弹性金属片制成，弹性良好，适用于不同外径内窥镜的消毒处理，弹簧螺钉固定型电极是利用弹簧螺钉固定内窥镜管道，通过调节螺钉同样适用不同外径内窥镜。在沿内窥镜管道方向的电极宽度及电极间隙均不超过3cm，以获得稳定的放电并保证管道内部消毒处理的均匀性。

更优的，所述等离子体发生模块产生的是等离子体射流。等离子体射流进一步降低了放电电压与等离子体温度。附带说明地，因为射流本身有利于内窥镜内壁的粘附物脱落，所以射流结构同时起到了一定的清洁作用。

更优的，所述等离子体射流结构带有放电针，降低了起辉电压。放电针的存在降低了放电起始条件，并使得放电更容易实现。实际应用中，在内窥镜一端的高压电极处，利用放电针将高压极引入到放电管道内。这样一来，放电仍然属于介质阻挡放电范畴，只不过通过针尖电晕降低了放电起始电压。

实验中，发明人利用含E.coli细菌的菌液污染内窥镜，然后利用所述等离子体射流处理1分钟。处理之后，将菌液稀释后继续培养24小时，最后与未进行等离子体射流处理的对照组对比观察杀菌效果。在该实施例中发现，经过等离子体射流处理过的未经稀释的培养皿中，至少有10⁵个的E-coli菌落减少。只要处理10s就可以完全杀死所有E.coli细菌。通过光谱分析发现，在氦气与氧气的混合气体放电等离子体中，其产生的O、OH等活性粒子是杀菌的关键粒子。

更优的，所述分段间隙电极结构产生的冷等离子体射流不会破坏内窥镜材料。内窥镜内壁材料为PTFE材料或其它高分子材料。结合图4所示的电子扫描结果来看，就该实施例而言，实际应用中，利用所述冷等离子体处理PTFE材料100次，每次处理时间为6分钟。就该实施例而言，根据扫描电镜观察结果，发现PTFE材料表面没有明显的损伤。

步骤2，通过高压电源为所述等离子体发生模块提供激励；

就上述实施例而言，其属于与本发明前述第一个实施例对应的方法实施例。

综上所述，本发明所述的内窥镜消毒装置及其方法具有以下优点：(1)本发明提出一种全新的分段间隙的等离子体电极结构，这种电极结构通过高压电极与地电极交替排列，只要满足各个相邻电极间的放电条件，就可以在分段的电极间隙内产生等离子体，而根据电极数量的不同可以产生不同长度的冷等离子体，适用于不同长度内窥镜消毒处理的需要；(2)采用He、Ne、Ar稀有气体为主要放电气体，等离子体可保持低温、均匀、放电电压低，而且不会在内窥镜外壁产生沿面放电，同时少量掺杂N₂、O₂、H₂O等强活性气体，可以进一步增强等离子体活性；(3)若采用脉冲电源激励产生等离子体，则放电气体可选择空气(含潮湿空气)、氧气等廉价的强活性气体；(4)采用等离子体射流结构，进一步降低了放电电压和等离子体温度，等离子体射流可以适用不同管内径尺寸的内窥镜消毒处理；(5)活性粒子密度高，因此处理效率高，在几分钟甚至不到一分钟时间内即可获得好的处理效果；(6)所产生的等离子体射流不会对内窥镜内表面产生损伤；(7)等离子体发生装置在大气压下进行操作，无需真空腔，设备简单，操作方便，价格低廉，而且等离子体处理过后不会产生毒性残留。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种低温等离子体内窥镜消毒装置，所述装置包括气体控制模块、电源激励模块、等离子体发生模块，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述流量控制器根据内窥镜管内径的不同调节反应气体的流量。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述反应气体以稀有气体为主要放电气体，或者在脉冲激励下选取强活性气体作为放电气体。

4.根据权利要求3所述的装置，优选的，所述稀有气体为He、Ar，所述强活性气体为干燥空气、潮湿空气或氧气。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述用于低温等离子体激励的高压电源为正弦高压电源，频率不高于100MHz。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述电源激励模块采用脉冲高压电源，其脉冲频率在50Hz-100MHz之间。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述分段间隙的电极结构通过高压电极与地电极交替排列实现。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：单个电极的结构有快速拆装型和弹簧螺钉固定型两种。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述等离子体发生模块产生的是等离子体射流。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述等离子体射流结构带有放电针，降低起辉电压。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：内窥镜管道采用聚四氟乙烯管。

12.一种采用权利要求1-11中任一项所述装置消毒内窥镜的方法，其特征在于：

步骤2，通过高压电源为所述等离子体发生模块提供激励；

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：通过射流的方式获得大气压冷等离子体。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：通过在稀有气体为主的混合气体中产生放电，增强等离子体中活性粒子种类和数量。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：利用分段间隙的电极结构，降低放电电压和等离子体温度。