等離子體技術及相關物理知識解析

作者：湯衛國 指導老師：蒙林
 
等離子體手術系統的工作原理^[1-2]
施加一定功率及頻率的交流激勵在相應的手術刀頭上，該激勵會在刀頭的電極間產生局部高度的焦耳熱，局部高度的焦耳熱和氧化還原反應會在電極表面形成很薄的氣體膜。通過電極的排布設計和材料設計等特殊設計，及施加波形的配合實現電場場強集中，擊穿氣體膜，形成等離子體。在該等離子體與生理鹽水溶液的交界面會形成厚度約為100微米的等離子體鞘層。該等離子體鞘層可以實現離子加速，轟擊交界面的溶液表面，激發H⁺，OH^-，Na⁺等活性基。電場對活性基的加速作用轟擊生物組織表面，打斷分子鏈，使得手術創面的組織細胞以分子為單位分解，形成的生物組織顆?？梢酝ㄟ^生理鹽水循環排出，從而實現對手術創面的血肉消融，打孔和切割作用。手術中產生的等離子體同時可以對手術創面有消毒殺菌的作用。該手術過程中產生的等離子體的溫度很低，可以將溫度精確控制在40~70攝氏度范圍內，既確保使膠原蛋白分子螺旋結構皺縮，又保持了細胞的活力，在切除病變的同時兼有消融、止血和吸引功能。其作用方式能量級別低，對人體組織損傷范圍??；通過操作電極來切割、消融病變組織，快速切割，創口小，相比傳統手術而言，縮短手術時間及術后恢復時間。


高頻手術系統的工作原理^[3]
當高頻電流通過人體組織時，由于每一振蕩電流的脈沖時間極短，離子很難引起遷移，只在富有結滯性的體液中振蕩，從而因振蕩摩擦產生大量的熱能，高頻電刀的熱效應是將高頻電流振蕩產生的熱能聚集起來，直接摧毀處于有效電極尖端接觸點下的病變組織。當電流在接觸人體組織瞬間產生大量熱量，使細胞破裂、汽化從而組織分離，即電切效果；而熱能使組織或細胞溫度上升、細胞失水干燥、蛋白變性，便產生了電凝效果。
 
從上述兩種電外科手術系統我們來用一張圖來簡單解析其背后的能量形式變換的過程：



從上圖我們可以了解到，等離子體手術系統工作能量形式的變換過程與高頻電刀等完全不同。因此，高頻電刀的標準和規范不適用于等離子體手術系統。
 
激勵電源工作頻率與波形的選擇對等離子體形成的影響
低溫等離子體在生理鹽水中放電的研究^[4-5]說明，在等離子體放電過程中，根據阻抗特性可以將其大致分為三個階段。
第1階段：預電離階段，此時溶液中主要進行簡單歐姆導電；
第2階段：蒸汽層形成階段，即當電壓達到等離子體形成的臨界電壓時，蒸汽層的形成使得溶液阻抗值迅速增大；
第3階段：等離子體形成階段，同時伴隨有光學和聲脈沖以及氣泡過程。


上圖的曲線告訴我們，形成等離子體是需要條件的：?一定的閾值電壓；?生理鹽水的環境。
根據等離子體手術系統的工作原理，激勵電源的波形主要有方波和正弦波的形式。通過下圖我們來了解不同激勵電源的工作頻率與波形對等離子體形成的影響。我們選取工作頻率為100kHz的方波和400kHz的正弦波來示例，選取等離子體形成的閾值電壓V₁作為方波的工作電壓，而如果正弦波的最大值僅是達到形成等離子體的閾值電壓，則無法正常激勵起等離子體，因此正弦波能激勵等離子體的電壓V₂必須高于閾值電壓V₁。等離子體的手術系統的電極分為工作極和回路極，工作極是該手術系統的有效作用電極，從等離子體手術系統工作的原理我們不難分析出：等離子體形成過程中釋放光子，從上面的光譜圖示中，我們觀察到是589.3nm處的Na⁺離子的激射躍遷，因Na⁺離子帶正電荷，即當工作極為負電壓時，才在電場的作用下作高速的運動向工作極的表面聚集，最終在工作極周圍形成了橙色等離子體光暈。因此，這里只分析工作極負電壓的半個周期的行為。高中物理知識告訴我們，在恒定的電場作用條件下，帶電粒子作勻加速運動；因此波形的選擇將給出一個事實：?在有效的等離子體形成階段，方波給帶電離子一個勻加速的工作電場，而正弦波則迫使帶電離子作變加速運動；?方波下降沿陡峭，能快速到達等離子體所需的激勵電壓，而相比正弦波上升沿緩慢，且需要比方波更高的激勵電壓才能有效激勵起等離子體；?未達到等離子體所需的激勵電壓，正弦波將產生更多的熱效應，而選用方波則沒有這種困擾（等離子體工作條件）；?對不同的激勵頻率而言，我們將有效工作的電壓周期向時間軸投影發現，400kHz的正弦波的有效工作時間將低于100kHz的方波的有效工作時間，且正弦波隨著頻率的增加，該有效工作時間將是減少的。100kHz等離子體在能量轉化方面優于400kHz，前者將更多的能量轉化為粒子動能及化學活性（因施加的電場頻率較低使帶電粒子將會有更長的時間加速獲取更大動能打斷組織分子鍵），后者則在電場的快速交變過程中產生比較多的熱量。而通過增加電壓的方式來換取有效工作時間的增加，則會導致正弦波輸出功率的增加，增大組織熱損傷的風險。
那既然低頻會增加粒子動能，是否頻率可以再低于100kHz呢？答案是不能（僅限等離子手術設備，其余工業設備可以再低），原因是法拉第效應：因低頻交流電與人體神經傳導的頻率相似而引起的刺激和神經系統傳導中斷的效應。但生物學家們的實驗研究表明，當頻率≥100kHz時，法拉第效應顯著減小，電流對神經肌肉的刺激可幾乎忽略不計，不會發生細胞粒子極化效應。因此，100kHz方波已成為低溫等離子手術系統設計頻率和波形選擇的最優化極限。



另外，從上圖可以看出，隨著輸出電壓的增加，尤其是越過等離子體激發的門限電壓后，其治療組織的深度與幾乎保持在0.5mm的深度，并且其熱損傷也相比較小的功率檔位來的輕。
IEEE（電氣電子工程師學會）IEEE Standard 521-2002：standard letter Designations for Radar-Frequency Bands和ITU（國際電信聯盟）ITU-R Recommendation V.431: Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications. International Telecommunication Union均定義頻率為30kHz~300kHz的頻段為低頻，300kHz~3MHz之間的頻段為中頻。



對此處等離子體手術系統而言，因其工作的頻段都基本集中在中低頻段（同一量級），其工作在300kHz~500kHz技術性的難度是一致的（同樣適用于工作于100kHz的低頻等離子手術設備），技術上沒有差別。熟悉電子電路設計的工程師均了解，其先進性/難度體現在如何解決高頻手術設備功率輸出的開關電源設計技巧、功率放大設計、電磁兼容、熱管理等方面，而非一味拘泥于激勵電源開關的工作頻率上。
 
什么才是趨膚效應？
有些產品宣傳稱：頻率低趨膚深度深，組織損傷大，術后并發癥偏多；而頻率高趨膚深度會小，有利于減少對正常組織的損傷。與低頻相比高頻電流通過導體的時候，電流只在表皮流動，頻率越高，這個趨勢越明顯。同樣道理，高頻電流流過人體，電流也是在表皮流動的，而且頻率越高，電流流經表皮的深度越淺。
上述表述聽起來好像是對趨膚效應的物理解釋，但是這種解釋只停留在事物的性質的表面，缺乏數據的直接理論支撐。接下來，我來給大家科普一下。
趨膚效應(Skin effect)：交變電流通過導線時，電流在導線橫截面上的分布是不均勻的，導體表面的電流密度大于中心的密度，且交變電流的頻率越高，這種趨勢越明顯。
我們從研究高頻電極和活組織的常用材料的屬性入手，并在下表2討論這些材料在500 kHz/100kHz工作頻率下趨膚深度 的表現，其中電導率 ，磁導率 ；。雖然不同人體組織的電導率和相對介電常數并不相同，但為了方便討論，我們近似認為人體組織的材料屬性和弱電離鹽溶液的材料屬性相近^[6]。人體組織的實際材料屬性與估計值相差不到一個數量級，但電極和絕緣材料的電導率可能與估計值相差五個數量級以上。



從計算的結果可以看出，人體組織的500kHz/100kHz電流趨膚深度量級均在以米級為單位，但人體組織的厚度顯然應該以厘米來計量，顯然還差兩個量級。
等離子技術與單極技術的不同之處在于，組織效應發生在同一裝置的兩個電極之間，即工作極與回路極。該系統使用生理鹽水電解液，具有比周圍組織更低的電阻抗。因此，電流從電極流過生理鹽水，再流至回路極，總是走電阻最小的路徑；大的回流表面積保證了非常低的電流密度，這增加了等離子體手術系統的安全水平。這與單極電切有根本的不同，在后者中，使用不導電的灌洗液，迫使電流通過病人體內的組織，然后回到中性電極。
人體是由許多有機和無機物質構成的復雜結構，體液中含有大量的電介質，如離子、水、膠原微粒等，人體主要依靠離子移動傳導電流；高頻電流是按阻抗最小的回路(不一定是最短路徑)流動，而且不一定是人為預期的回路流動（人體組織的非連續性），并且趨膚并非特指人體的表皮/皮膚，這里可能存在翻譯的因素。因此，生搬硬套的解釋這個趨膚效應物理概念是個低級錯誤。
綜上，通過上述對等離子體工作原理闡釋，激勵電源的工作頻率和波形的分析，100kHz方波無論從頻率、波形、技術等方面看，在等離子體手術系統的應用中更具技術優勢。

參考文獻：
[1]Jean Woloszko, Kenneth R. Stalder, Ian G. Brown, Plasma Characteristics of Repetitively-Pulsed Electrical Discharges in Saline Solutions Used for Surgical Procedures [J].Transactions on Plasma Science, 2002,30(3):1376-1383.
[2]Kenneth R. Stalder, Donald F. McMillen, Jean Woloszko, Electrosurgical Plasmas [J].Journal of Physics D: Applied Physics. 2005,38:1728-1738.
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[4] L Schaper, Kenneth R. Stalder, W.G.Graham, Plasma production in electrically conducting liquids [J].Plasma Sources Science and Technology, 2011,20:034004.
[5]張大偉，苗彩娟，馬超，低溫等離子體在生理鹽水中放電的實驗研究[J].沈陽理工大學學報，2013，32(2):28-32.
[6] Walter Frei 生物組織射頻消融技術的仿真研究[J]. COMSOL Blog, 2016.1

 
作者及指導老師簡介：
湯衛國，1978年11月生，江蘇蘇州人，工程師，電子科技大學工學碩士?，F為四川省等離子體醫學工程研究中心戰略創新委員會成員。主要研究領域為等離子技術、高壓脈沖功率技術。
 
蒙林，電子科技大學教授
1964年11月生，廣西百色人，教授，博士生導師?，F任電子科學與工程學院常務副院長。國家科技創新特區主題專家組成員、中國電子學會高級會員、四川省電子學會真空技術分會主任委員、中國核學會脈沖功率技術及其應用分會常務理事、四川省科技青年聯合會會員、四川省電子學會高能電子學專業委員會委員、貴州大學兼職教授、電子科技大學科技委委員。
主要從事高功率微波和等離子體物理的教學和科研工作，已獲得部級科技進步獎三項、省部級學術（技術）鑒定五項、四川省跨世紀學科帶頭人后備人選、四川省有特殊貢獻的博士學位獲得者。在國內外重要學術刊物及國內外學術會議上上發表了學術論文一百余篇。近五年主持國家科技創新特區重大項目一項、國家重大專項項目一項、國家自然科學基金兩項及其它項目八項。
電子科技大學211工程建設項目“微波等離子體及其應用基礎研究”的負責人和碩士點“等離子體物理” 的學術帶頭人。