以冷气氛等离子体治疗呼吸道感染和肺癌的系统和方法与流程

以冷气氛等离子体治疗呼吸道感染和肺癌的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月10日提交的美国临时专利申请no.63/008,510、2020年4月15日提交的美国临时专利申请no.63/010,565、2020年4月23日提交的美国临时专利申请no.63/014,657以及2020年6月2日提交的美国临时专利申请no.63/033,561的优先权。
3.上述临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
4.关于联邦赞助的研究或开发的声明
5.无。
技术领域
6.本发明涉及使用冷气氛等离子体治疗呼吸道感染、肺癌、肺炎或其它呼吸系统癌症的系统和方法。


背景技术：

7.在低温或冷气氛等离子体应用方面进行了大量的研究工作之后，等离子体医学已经有资格成为一个新的科学领域。见keidar m,beilis ii，"plasma engineering:application in aerospace,nanotechnology and bionanotechnology,"oxford:elsevier；2013。众所周知，冷气氛等离子体(“cap”)产生各种化学活性物种，包括活性氧(ros)和活性氮(rns)。见chauvin,j.,judee,f.,yousfi,m.等人，"analysis of reactive oxygen and nitrogen species generated in three liquid media by low temperature helium plasma jet,"sci rep 7,4562(2017)。cap是含有ros和rns的组合给药，并与瞬态电场、uv和带电粒种相结合。
8.cap已经被证明在伤口愈合、皮肤病、医院卫生、消毒、抗真菌治疗、牙科护理和化妆品靶向细胞/组织清除方面有效。cap的最新应用之一是在癌症治疗中。见m.keidar等人，"cold plasma selectivity and the possibility of a paradigm shift in cancer therapy,"british journal of cancer(2011)105(9)，1295-1301。作为一种接近室温的电离气体，冷气氛等离子体(cap)通过在体外引起癌细胞的选择性死亡，已经证明了其在癌症治疗方面的能力。见yan d，sherman j h和keidar m，"cold atmospheric plasma,a novel promising anti-cancer treatment modality"，oncotarget.8 15977-15995(2017)；keidar m,"plasma for cancer treatment,"plasma sources sci.technol.2433001(2015)；hirst am,frame f m,arya m,maitland n j和o'connell d,"low temperature plasmas as emerging cancer therapeutics:the state of play and thoughts for the future,"tumor biol.37 7021-7031(2016)。cap对几种皮下异种肿瘤和小鼠黑色素瘤的治疗也证明了其潜在的临床应用。见keidar m,walk r,shashurin a,srinivasan p,sandler a,dasgupta s,ravi r,guerrero-preston r和trink b，"cold plasma selectivity and the possibility of aparadigm shift in cancer thrtapy,"br.j.cancer.105 1295-301(2011)；chernets n,kurpad d s,alexeev v,rodrigues d b
和freeman t a，"reaction chemistry generated by nanosecond pulsed dielectric barrier discharge treatment is responsible for the tumor eradication in the b 16melanoma mouse model,"plasma process.polym.12 1400-1409(2015)。
9.此外，已经进行了与cap对病毒的影响有关的各种实验。在j.zimmerman等人，"effects of cold atmospheric plasmas on adenoviruses in solution,"j.phys.，d:44(2011)505201中，作者报告了使用在空气中操作的表面微放电技术成功地灭活了溶液中的腺病毒，即一种无包膜的双链dna病毒。x.su等人，"inactivation efficacy of nonthermal plasma-activated solutions against newcastle disease virus,"applied and environmental microbiology,may 2018,vol.84,issue 9，作者报告了他们对非热等离子体激活溶液对新城疫病毒灭活效力的调查。在t.xie等人，"inactivation of airborne viruses using a packed bed non-thermal plasma reactor,"j.phys.appl.phys.52(2019)，作者报告了他们对填充层介质阻挡放电(dbd)ntp反应器在气溶胶中灭活噬菌体ms2的效力的研究。另见，美国公开专利申请号no.2020/0016286，题为"通过非热等离子体处理空气中的病原体生产免疫反应刺激气溶胶"。
10.已经公开了多种不同的进行冷气氛等离子体(cap)处理的系统和方法。例如，美国专利no.10,213,614公开了一种用于cap治疗癌细胞的双电极系统。
11.美国专利no.9,999,462中公开了另一种示范性的冷气氛等离子体系统。所披露的系统具有两个单元，即转换单元(cu)和冷等离子体探针(cpp)。转换单元与高频电外科发生器(esu)输出端连接，并将esu信号转换为适合进行冷气氛等离子体手术的信号。冷等离子体探针连接到转换单元的输出端。在冷等离子体探针的端部会产生冷等离子体，它对活体组织无热害，即不会对组织造成灼伤。然而，这种冷等离子体对癌细胞是致命的，而对正常细胞却没有影响。所披露的冷等离子体转换单元的独特之处在于，它利用高压变压器将电外科单元的高压输出的电压(1.5-50kv)向上转换，频率(《300千赫khz)向下转换，功率(《30w)向下转换(美国专利no.9,999,462)。
12.其它研究表明，这些cap系统可用于刺激介质，然后该介质可用于癌症治疗。例如，美国专利no.10,479,979披露了一种制备cap刺激的介质用于癌症治疗的方法。美国公开专利申请no.2019/0279849中公开了另一种制备cap刺激的介质的方法。
13.另外，在题为"electrosurgical gas control module"的wo2018/191265和题为"gas enhanced electrosurgical generator"的wo2019199281中公开了用于控制气体流量的各种系统和方法以及具有图形用户界面的集成气体辅助电外科发生器。
14.已经公开了各种医疗呼吸机系统。医疗呼吸机通常具有加压氧气源，它通过导管与病人流体地连接。例如，美国专利no.10,350,374披露了一种医疗系统，该系统具有与呼吸回路耦合的呼吸机。一些呼吸机系统增加了监测病人数据的手段。例如，美国专利no.8,554,298披露了用于管理由医用呼吸机通气的病人的通气的系统和方法，特别是用于将血氧仪数据与医用呼吸机整合。另一个示例是美国公开的专利申请no.20150034082，该申请披露了一种呼吸机-体外膜气体交换(ecge)系统。还有一个示例是美国公开专利申请no.20170164873，其公开了一种通过使用气体识别而具有肺炎和肺炎细菌疾病分析功能的医用呼吸机。
15.还有其它系统包括用于用呼吸机供应医疗气体的装置。美国公开专利申请
no.2013/0092159公开了一种用于向借助呼吸机接受人工呼吸的病人供应至少一种医疗气体的方法和装置。由呼吸机的呼吸气流提供的气体混合物和添加到气流中的医用气体被供应到连接件、例如y型件或y型连接器，从该连接件上病人原料气管道通向机械呼吸的病人，从该连接件上还具有另外的分支管线。通过这条另外的管线，至少病人呼出的气体和由呼吸机引入第一条管线的呼吸气体以及输入第一条管线的医疗气体中未被病人吸入的部分，通过第二条管线排出。例如，美国公开专利申请no.20150059743披露了一种用于向病人提供氧气和除氧气以外的医疗气体的混合气体的呼吸机。


技术实现要素：

16.在一个优选的实施例中，本发明是使用冷气氛等离子体治疗呼吸系统感染或癌症的系统和方法，特别是治疗患有covid-19的患者的系统和方法。
17.在一个优选的实施例中，本发明是用于对呼吸道感染进行等离子体治疗的系统。本文所用的“呼吸道感染的等离子体治疗”是指使用等离子体生成活性物种以输送到病人的呼吸系统。该系统具有载气源、与载气源连接的加湿器、原料气源、与原料气源连接的加湿器、配置为将载气等离子体化为等离子体的等离子体发生器、混合器以及与混合器的输出端连接的用于将混合器中产生的活性物种输送给病人的流体输送构件。混合器具有由电介质形成的内室、位于内室内并与等离子体发生器的电输出端连接的活性电极以及与地电位连接的外电极，其中，混合器具有与载气源连接的第一流体输入端和与原料气源连接的第二流体输入端。混合器的结构形成了用于生成等离子体的介质阻挡放电系统。载气可以包括氦气、氩气、氮气和氧气中的至少一种。输送构件例如可以是支气管内管、鼻插管或面罩。原料气源包括呼吸机和持续气道正压装置中的一种，并且可以包括空气和氧气的混合物。
18.等离子体发生器优选以10khz至200khz范围内的频率和3kv至6kv范围内的输出峰值电压运行。在一个优选的实施例中，等离子体发生器产生的电能具有40khz、100khz和200khz之一的5khz以内的频率。在另一个优选的实施例中，等离子体发生器产生的电能的频率为122khz。等离子体发生器可以包括高频电外科发生器和低频转换器。等离子体发生器可以具有功率模块、用于控制功率模块的cpu、与cpu连接的存储器以及与cpu连接的电源。此外，等离子体发生器还可以具有触摸屏显示器、与触摸屏显示器连接的控制器以及配置为在触摸屏显示器上显示数据并通过触摸屏显示器接收用户的输入的图形用户界面。等离子体发生器还可以具有气体模块。载气源可以与气体模块连接，气体模块控制载气流向混合器。第一加湿器可以连接在气体模块与混合器之间，或者可以连接在气体模块与载气源之间。
19.在一个优选的实施例中，第一加湿器配置为将从载气源流出的载气加湿到至少70％的湿度，第二加湿器配置为将从原料气源流出的原料气加湿到至少50％的湿度。例如，第一加湿器配置为将从载气源流出的载气加湿到100％的湿度，而第二加湿器配置为将从原料气源流出的原料气加湿到至少50％的湿度。
20.在另一个实施例中，本发明是用于对呼吸系统进行等离子体治疗的系统。该系统具有配置为产生电能将载气等离子体化的电能发生器，以及电介质阻挡放电(“dbd”)混合器。该dbd混合器具有由电介质形成的内室，该内室具有配置为与加湿载气源流体连接的第
一输入端、配置为与加湿原料气源连接的第二输入端、配置为与输送构件连接的输出端、位于内室内并与电能发生器的电输出端连接的活性电极以及与地电位的外电极。当电能从电能发生器提供到内室的电极，同时加湿原料气和加湿载气均流入内室时，在内室就会生成等离子体。该系统还可以具有第一加湿器和第二加湿器，该第一加湿器与介质阻挡放电组件中的室的第一输入端流体连接，该第二加湿器与介质阻挡放电组件中的室的第二输入端流体连接。另外地，该系统可以具有与第一加湿器的输入端流体连接的未加湿的氦气源以及与第二加湿器的输入端流体连接的未加湿的空气源。
21.本发明的其它方面、特征和优点从下面的详细描述中仅仅通过说明优选的实施例和实施方式很容易看出。本发明也能够有其它和不同的实施例，其若干细节可以在各种明显的方面进行修改，所有这些都不会偏离本发明的精神和范围。因此，附图和描述应被看作是说明性的，而不是限制性的。本发明的其它目的和优点将部分地在后面的描述中阐述，部分地从描述中清楚易懂或通过本发明的实践可以了解到。
附图说明
22.为了更全面地了解本发明及其优点，现在请参考以下描述和附图，其中：
23.图1a是根据一个优选实施例的具有cap接头混合器的用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统的框图，其中，载气和原料气都被加湿；
24.图1b是图1a的介质阻挡放电组件和连接软管的系统布局图；
25.图1c是图1a的介质阻挡放电组件和连接软管的系统布局的特写视图；
26.图1d是图1a的介质阻挡放电组件和连接软管的系统布局的分解图；
27.图1e是图1a的介质阻挡放电组件和连接软管的系统布局的特写分解图；
28.图1f是图1a的介质阻挡放电组件和连接软管的系统布局的特写截面图；
29.图2a是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的等轴视图；
30.图2b是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的分解图；
31.图2c是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的部分截面图；
32.图2d是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的正视图；
33.图2e是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的背视图；
34.图2f是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的顶视图；
35.图2g是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的底视图；
36.图2h是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的优选实施例的左视图；
37.图2i是根据本发明的优选实施例的cap接头混合器或介质阻挡放电(dbd)组件的
优选实施例的右视图；
38.图3a是本发明一个优选实施例的冷气氛等离子体发生器的框图；
39.图3b是本发明的一个替代优选实施例的等离子体发生器的框图；
40.图3c是本发明的另一个替代优选实施例的等离子体发生器的框图；
41.图3d是本发明的另一个替代优选实施例的具有多个气体模块的集成气体增强电外科发生器的框图；
42.图4是本发明的一个优选实施例的集成气体增强电外科发生器的透视图；
43.图5是根据本发明的一个优选实施例的治疗呼吸道感染的方法的流程图，其中，载气和原料气都被加湿；
44.图6是根据本发明的一个优选实施例的治疗呼吸道感染的方法的流程图，其中，载气和原料气都被加湿，并且cap发生器在一次治疗期间扫描多个设置；
45.图7a是根据本发明的第二优选实施例的用于治疗呼吸道感染的具有cap接头混合器的冷气氛等离子体系统的框图，其中，载气被加湿；
46.图7b是根据本发明的第二优选实施例的用于治疗呼吸道感染的根据的方法的流程图，其中，载气被加湿；
47.图8a是根据本发明的第三优选实施例的用于治疗呼吸道感染的具有cap接头混合器的冷气氛等离子体系统的框图，其中，原料气被加湿；
48.图8b是根据本发明的第三优选实施例的治疗呼吸道感染的根据的方法的流程图，其中，原料气被加湿；
49.图9是根据一个优选的实施例的具有用于内窥镜或腹腔镜的cap接头混合器的冷气氛等离子体系统的框图；
50.图10a和10b是图1c的用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统中的h2o2和no
2-的浓度的图；
51.图10c是a549细胞由按照本发明用加湿的o2和空气混合物以及各种o2比例处理长达4分钟的存活率图；
52.图10d是a549细胞由按照本发明用加湿的空气/o2混合物和具有24％o2的干燥he处理长达17分钟的存活率图；
53.图10e是a549细胞由按照本发明用加湿的氦气和干燥的o2和空气混合物(含24％ o2)处理17分钟的存活率图；
54.图10f是a549细胞由按照本发明的系统用加湿的空气/o2混合物(含24％ o2)和各种氦气湿度处理5或10分钟的存活率图；
55.图10g是肺癌细胞a549由按照本发明的优选实施例的系统处理的在用加湿的空气/o2混合物和he+0-100％湿度处理1-5分钟的处理后48小时的存活率图；
56.图10h是肺癌细胞a549由按照本发明的优选实施例的系统在干燥的空气/o2混合物和he+0-100％湿度的1-5分钟的处理后48小时的存活率图；
57.图11是根据另一个优选实施例的具有cap接头混合器的用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统的框图，其中，载气、原料气和第三气体被加湿；
58.图12是cap接头混合器的替代实施例的图，其中空气和氧气的供应在不同的位置进入cap接头混合器，使得空气和氧气中的至少一种进入cap接头混合器的内电极的下游；
59.图13a是a549由按照本发明的优选实施例的系统用加湿的空气/o2混合物处理的存活率图；
60.图13b是a549按照本发明的优选实施例的系统用加湿的空气和加湿o2分开处理的存活率图；
61.图14a是根据本发明的优选实施例的系统在加湿或干燥的空气/o2混合物和he+0-100％湿度下的臭氧产生率的图；
62.图14b是根据本发明的优选实施例的系统在不同电压下使用加湿的空气和o2混合物或单独使用加湿的he的臭氧产生率的图；
63.图14c是根据本发明的优选实施例的系统在35-40v的不同电压下使用加湿的空气和o2混合物或单独加湿的he的臭氧产生率的第一组实验结果图；
64.图14d是根据本发明的优选实施例的系统在35-40v的不同电压下使用加湿的空气和o2混合物或单独加湿的he的臭氧产生率的第二组实验结果图，其与第一组不同；
65.图15a是根据本发明的一个优选实施例的系统的过氧化氢(h2o2)产生率的图。用加湿的空气/o2和加湿的he与cap和气体混合物(he、空气和o2)连续和间隔8或15分钟来处理pbs；
66.图15b是根据本发明的一个优选实施例的系统的亚硝酸盐(no
2-)产生率的图。用加湿的空气/o2和加湿的he与cap和气体混合物(he、空气和o2)连续和间隔8或15分钟处理pbs；
67.图15c是根据本发明的一个优选实施例的系统的硝酸盐(no
3-)产生率的图。用加湿的空气/o2和加湿的he与cap和气体混合物(he、空气和o2)连续和间隔8或15分钟处理pbs。
具体实施方式
68.冷气氛等离子体(cap)会生成许多活性氧(ros)和活性氮(rns)、例如羟基(
.
oh)、单线态氧(1o2)、氮离子(n
2+
》、原子氧(o)，以及电子、离子和光子。这些物种的最大浓度可以通过气体中的最佳湿度达到。cap产生的ros和rns与生物流体相互作用时，可以形成过氧化氢(h2o2)、亚硝酸盐(no
2-)、硝酸盐(no
3-)、过氧亚硝酸盐(onoo-)。等离子体相中的活性物种和自由基(
.
oh、n
2+1
、o2、o是短寿命物种，而水相的h2o2、no
2-、no
3-和onoo-是长寿命物种。长寿命物种将进一步与细胞内物种和代谢途径相互作用，诱导细胞凋亡。本发明提供了一种系统和方法，用它可以产生冷气氛等离子体(非热等离子体)，并且可以跨越比现有系统更远的距离将活性物种输送给病人。现有系统通常在距离目标组织2-10cm处使用，而本发明能够从大于10cm的距离将等离子体输送给病人。
69.参考图1描述了根据本发明的第一优选实施例的用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统。在该实施例中，载气为氦气，原料气为空气。氦气源110被分成两条线路112、114，两条线路中的每一条都由质量流量控制器(mfc)120控制。线路112与第一加湿器130流体连接。线路112中的氦气流(50至1000ml/min)通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路114中的氦气流直接送入混合室140。以这种方式，通过线路112、114上的质量流量控制器120，可以调整离开混合室140的气体中的相对h2o饱和度。两条线路112、114中的气体流量的调整，使得流出混合室140的气流的整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选的湿度为至少70％。本实施例中的总氦气流量可以在0.5l/min至5l/min的范围内变化。混合室140中氦气的湿度通过校准的高精度湿度和温
度计量器142测量。来自混合室140的加湿的氦气被送入电外科发生器300，在此被称为“冷气氛等离子体(cap)发生器”。各种电外科发生器在本领域是已知的，可以与本发明一起使用。被送入冷气氛等离子体(cap)发生器300的气体在此被称为“载气”。
70.同时，未加湿的空气供应150(原料气)被分成两个线路152、154。每个线路管线152、154均由质量流量控制器(mfc)120控制。线路152与第二加湿器130流体连接。线路152中的空气气流通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路154中的空气气流被直接送入混合室140。以这种方式，通过线路152、154上的质量流量控制器120，可以调整从混合室140流出的原料气中的相对h2o饱和度。调整两条线路152、154中的空气流量使得整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选湿度为至少70％。混合室140中的空气湿度是通过校准的高精度湿度和温度计量器142测量的。来自混合室140内的加湿的空气和来自氧气供应源160的氧气被提供给呼吸输送系统170、例如呼吸机、cpap机、bipap机或其它已知的呼吸输送系统。呼吸输送系统170将混合、调整和测量病人吸入的废气、氧气和二氧化碳的压力、流速、比例和频率。呼吸输送系统170的输出端与cap接头混合器连接、例如经由管道174和连接器176连接。在测试中，将氦气流加湿到100％的湿度和空气流加湿到50％的湿度被证明是有效的。
71.cap发生器300和呼吸输送系统170的输出被连接到介质阻挡放电(dbd)组件200，在此被称为“cap接头混合器”。接地线缆198将cap接头混合器200的外电极与cap发生器300中的地电位连接起来。虽然图1中显示接地线缆198与管道194分开，但其它布置也是可能的，例如，接地线缆198与管道194组合在一个线束中。由于h2o的存在，氦和h2o电离成he
+
+e-的化学反应将同时发生。产生冷等离子体生成的活性物种(h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-)。
72.cap接头混合器200的输出连接到输送构件190，该输送构件例如可以是支气管内管、氧气cpap(连续气道正压)、bipap(双水平气道正压)、呼吸机面罩或鼻腔o2插管190，以将系统产生的活性物种192、例如h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-输送到患者的呼吸系统。
73.参照图2a-2i描述了介质阻挡放电(dbd)组件或cap接头混合器200的优选实施例。dbd组件200具有用于接收第一气体(例如载气)流的第一输入端202、用于接收第二气体(例如原料气)的第二输入端204和输出端206，在dbd组件中产生的气体和活性物种通过该输出端离开组件。该组件具有主壳体210，其具有在主壳体210内形成室212a的部分212。至少形成室212a的部分是电介质材料。在一个优选的实施例中，整个主壳体210是由电介质材料形成的，但其它实施例也是可能的，其中只有主壳体210的一部分，包括形成室212a的部分是由电介质材料形成。在其它实施例中，与主壳体210分开的电介质材料可以围绕室212a。主壳体210的部分212形成输出端206，输送构件、例如气管内管或其它类型的管子可与输出端连接。本发明不限于任何特定类型的输送构件或输送构件与输出端206之间的连接。主壳体210具有第一颈部或连接部分214，其形成用于接收第一气体、在本实施例中是载气(如氦气)的第一输入端202以及通往室212a的通道。颈部214的内部有螺纹以用于接收内电极230。主壳体210还具有第二颈部或连接器216，其形成用于接收第二种气体、在本实施例中是原料气(例如空气/氧气混合物)的第二输入端204以及通向室212a的通道216a。由导电材料(如铜)制成的第二外电极220围绕着形成室212a的电介质的外部。如图2a和2b所示，外绝缘层219覆盖了外电极220。外绝缘层219在图2c中没有示出。如图1所示，外电极220与地电位连接。壳体210具有与外电极220邻接的唇或脊218。在唇或脊218的上部内具有孔道218a，
它允许外电极220经由连接线220a与接地线缆198(见图1)连接。
74.内电极230由导电材料制成，其内部具有通道240，第一气体(载气)流经该通道。电极230具有延伸到室212a的颈部232。通道240延伸穿过颈部232，使第一气体(载气)可以流入室212a。电极230的外部具有唇或脊234和两个螺纹部分230a、230b。螺纹部分230a与主壳体210的颈部214的螺纹内部啮合，以将内电极230固定在主壳体210内。电极230的脊或唇234在电极230完全拧入颈部214时提供为止挡。
75.介质阻挡放电(dbd)组件200还具有副壳体250，副壳体内具有通道，第一气体(载气)可以通过该通道流向内电极230的通道240。副壳体250包括具有内部螺纹的部分252，以用于接合电极230的螺纹部分230b，从而将副壳体固定到电极230和主壳体210。副壳体250在螺纹部分252的端部具有凹槽，以用于接收电极的脊或唇234并与主壳体210的颈部214相接。副壳体250还具有连接器结构254、254a、254b，以用于连接软管或其它管道194和连接器196，以将介质阻挡放电(dbd)组件连接到cap发生器300。在副壳体250内具有管道260，第一气体(载气)通过该管道流动。在管道260内存在条形的电极或电线，其与导电连接器270连接(例如通过焊接)。导电连接器270与内电极230邻接，因此与内电极230电连接。
76.如图3a所示，示例性的冷气氛等离子体(cap)发生器300具有电源302、cpu(或处理器或fpga)310和内存或存储器311。该系统还具有显示屏420(图4)，它可以是平板电脑的显示屏。cpu 310控制系统并通过显示在显示屏420上的图形用户界面接收用户的输入。cap发生器还具有气体控制模块1000，与cap载气(如氦气)源110连接，以控制载气流向cap接头混合器。cap发生器300还具有射频(rf)功率模块350，用于产生射频(rf)能量。射频功率模块包含传统的电子器件，如已知的用于在电外科发生器中提供射频功率的器件。射频功率模块的工作频率在10-200khz之间，输出峰值电压在3kv至6kv之间，优选地在40khz、100khz或200khz附近(25％以内)的频率。气体模块1000和射频功率模块350连接到连接器360，该连接器允许cap接头混合器200(或图11a和11b中的cap施用器1100)经由具有电连接器196a和气体连接器196b的连接器连接到发生器300。
77.如图3b所示，用于输送载气和电能的其它布置也可用于本发明。在图3b中，载气(本例中为氦气)源110被提供给任何类型的气体控制系统370，该系统以受控的流速向cap接头混合器200供应气体。传统的电外科发生器350a向低频转换器350b提供高频(hf)能量，低频转换器350b输出的电能具有l0khz至200khz范围内的频率和3kv至6kv范围内的输出电压。
78.另一个实施例，如图3c所示，具有连接到常规气体控制系统370的载气源110，该系统又连接到cap接头混合器200，还具有也连接到cap接头混合器200的常规电外科发生器351。
79.根据本发明的一个优选实施例的用于cap气体增强电外科发生器300的发生器壳体400示于图4。该发生器壳体400具有由坚固的材料如塑料或金属制成的壳体410，与用于传统电外科发生器壳体的材料类似。壳体410具有可拆卸的盖子414。壳体410和盖子414之间具有例如螺钉、榫头或其它结构的构件以将盖子可拆卸地固定到壳体。盖子414可以只包括壳体的顶部或多个侧面、例如壳体410的顶部、右侧和左侧。壳体410可以具有附接到壳体的底部的多个脚或腿。壳体410的底部可以具有多个通风口，用于从气体增强型发生器的内部进行通风。
80.在壳体414的表面上具有触摸屏显示器420和多个连接器432、434，以用于将各种附件、例如氩气等离子体探头、混合等离子体探头、冷气氛等离子体探头或任何其它电外科附件连接到发生器。壳体410的表面相对于壳体410的顶部和底部呈90度以外的角度，以便用户更容易看到和使用触摸屏显示器420。一个或多个气体控制模块可以安装在气体增强型电外科发生器300内。
81.启用cap的气体辅助电外科发生器具有图形用户界面(gui)，用于使用触摸屏显示器420控制系统的构件。例如，图形用户界面可以控制机器人、氩气单极切割/凝结、混合等离子体切割、冷气氛等离子体、双极、等离子体密封器、血流动力学或语音激活。图形用户界面还可用于荧光引导的手术。图形用户界面(gui)还可用于引导成像、例如ct、mri或超声。图形用户界面可与rfid(如可能在各种电外科附件中发现的)进行通信，并可收集和存储的存储介质中的使用数据。图形用户界面与现场可编程门阵列(“fpga”)进行通信，该现场可编程门阵列可以控制灌溉泵、充气器、用于调节功率输出的全桥、用于调节功率(直流到交流)的飞返以及脚踏板。gui通过cpu 310还与具有相关预测cap设置或剂量的数据库进行通信。数据库存储可以是内部存储器或其它内部存储311或外部存储。
82.参照图5描述了根据本发明的一个优选实施例的治疗呼吸道感染的方法，其中原料气(空气)和载气(氦气)都被加湿。加压的原料气(空气)被供应给加湿器510。加压的原料气在加湿器中被加湿520。氧气被添加到加湿的气流中530。加湿的空气和氧气的流量由呼吸机或其它呼吸输送系统控制540。同时，cap载气、例如氦气被供应到加湿器514。载气在加湿器中被加湿522。加湿后的载气被供应给cap发生器。来自cap发生器的加湿cap载气和呼吸机的输出都被供应给cap接头混合器550、552。电能被施加到cap接头混合器的内电极560。然后，cap接头混合器的输出被供应给患者的呼吸系统570，例如通过呼吸面罩、鼻插管或支气管内管供应。
83.在使用冷气氛等离子体治疗癌症的研究中，已经发现cap治疗以剂量依赖的方式降低了癌细胞的存活率。rowe,w.,et al.,"the canady helios cold plasma scalpel significantly decreases viability in malignant solid tumor cells in a dose-dependent manner,"plasma,2018.1(1):p.177-188.
84.参考图6描述了根据本发明的另一个优选实施例的治疗呼吸道感染的方法，其中原料气(空气)和载气(氦气)都被加湿。在该实施例中，不是在整个治疗时间内以单一设置(例如70v)将电能施加到cap接头混合器中的内电极(图5中的步骤560)，而是发生器自动扫描多个设置，以第一时间t1施加第一设置(例如70v)562，同时将输出供应给病人570，然后以第二时间t2施加第二设置(例如40v)564，同时将输出供应给病人572。
85.参照图7a描述了系统700的替代的实施例，在此称为“氦气湿度调节设置”。氦气源110被分成两条线路112、114，两条线路中的每一条都由质量流量控制器(mfc)120控制。线路112与第一加湿器130流体连接。线路112中的氦气流(50至1000ml/min)通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路114中的氦气流直接送入混合室140。以这种方式，通过线路112、114上的质量流量控制器120，可以调整离开混合室140的气体中的相对h2o饱和度。两条线路112、114中的气体流量的调整，使得流出混合室140的气流的整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选的湿度为至少70％。本实施例中的总氦气流量可以在0.5l/min至5l/min的范围内变化。在这个氦气湿度调节设置中，
氦气的h2o蒸汽含量在实验中是变化的。如图7a所示，通过校准的高精度湿度和温度计量器142测量混合室140中氦气的湿度。来自室140的加湿的氦气被送入cap发生器300。
86.同时，未加湿的空气罐150和未加湿的氧气罐160分别向呼吸输送系统170、例如呼吸机、cpap(连续气道正压)系统或bipap(双水平气道正压)系统输送空气和氧气。这些气体在此被称为“原料气”。呼吸输送系统170将混合、调整和测量病人吸入空气、氧气和二氧化碳的压力、流速、比例和频率。cap发生器300和呼吸输送系统170的输出与介质阻挡放电(dbd)组件200连接。cap接头混合器200的输出连接到输送构件190，该输送构件例如可以是支气管内管、氧气cpap(连续气道正压)、bipap(双水平气道正压)、呼吸机面罩或鼻腔o2插管190，以将系统产生的活性物种192、例如h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-输送到患者的呼吸系统。
87.参照图7b描述了用图7a的系统治疗呼吸道感染的方法。cap载气、例如氦气被供应给加湿器714。该载气被加湿722。加湿后的载气被供应给cap发生器。同时，加压的原料气(空气)被供应710。氧气被添加到气流中730。空气和氧气的流量由呼吸机或其它呼吸输送系统控制740。来自cap发生器的加湿cap载气和呼吸机的输出都被供应给cap接头混合器750、752。电能被施加到cap接头混合器760中的内电极。然后，cap接头混合器的输出被供应给病人的呼吸系统770，例如通过呼吸面罩、鼻腔插管或支气管内管供应。
88.参照图8a描述了用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统800的另一个实施例。氦气源110被送入电外科发生器300。同时，未加湿的空气供应150(原料气)被分成两个线路152、154。每条线路152、154都由质量流量控制器(mfc)120控制。线路152中的空气气流通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路114中的空气气流被直接送入混合室140。以这种方式，通过线路152、154上的质量流量控制器120，可以调整从混合室140流出的原料气中的相对h2o饱和度。调整两条线路152、154中的空气流量使得整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选地湿度为至少70％。混合室140中的空气湿度是通过校准的高精度湿度和温度计量器142测量的。来自室内140的加湿的空气和来自氧气供应源160的氧气被提供给呼吸输送系统170、例如呼吸机、cpap机、bipap机或其它已知的呼吸输送系统。呼吸输送系统170将混合、调整和测量病人吸入的废气、氧气和二氧化碳的压力、流速、比例和频率。
89.cap接头混合器200的输出连接到输送构件190，输送构件例如可以是支气管内管、氧气cpap(连续气道正压)、bipap(双水平气道正压)、呼吸机面罩或鼻腔o2插管190，以将系统产生的活性物种192、例如h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-输送到患者的呼吸系统。
90.参照图8b描述了根据本发明的一个优选实施例的治疗呼吸道感染的方法，其中原料气(空气)被加湿。加压的原料气(空气)被供应给加湿器810。加压的空气在加湿器中被加湿820。氧气被添加到加湿的气流中830。加湿的空气和氧气的流量由呼吸机或其它呼吸输送系统控制840。同时，cap载气、例如氦气被供应给cap发生器812。来自cap发生器的cap载气和呼吸机的输出都被供应给cap接头混合器850、852。电能被施加到cap接头混合器中的内电极860。然后，cap接头混合器的输出被提供给病人的呼吸系统870，例如通过呼吸面罩、鼻插管或支气管内管供应。本发明的其它实施例也是可能的，其中等离子体被输送给病人，例如通过内窥镜或腹腔镜设备输送。此外，在其它实施例中，本发明可以通过将cap接头混合器的输出送入腹部、例如通过腹腔镜或插管送入腹部来治疗腹部的癌症。
91.参照图9描述了根据本发明的一个优选实施例的用于通过内窥镜或腹腔镜治疗患者的冷气氛等离子体系统。氦气源110被分成两条线路112、114，两条线路中的每一条都由质量流量控制器(mfc)120控制。线路112与第一加湿器130流体连接。线路112中的氦气流(50至1000ml/min)通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路114中的氦气流直接送入混合室140。以这种方式，通过线路112、114上的质量流量控制器120，可以调整离开混合室140的气体中的相对h2o饱和度。两条线路112、114中的气体流量的调整，使得流出混合室140的气流的整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选的湿度为至少70％。本实施例中的总氦气流量可以在0.5l/min至5l/min的范围内变化。混合室140中氦气的湿度通过校准的高精度湿度和温度计量器142测量。来自混合室140的加湿的氦气被送入电外科发生器300，在此被称为“冷气氛等离子体(cap)发生器”。各种电外科发生器在本领域是已知的，可以与本发明一起使用。被送入冷气氛等离子体(cap)发生器300的气体在此被称为“载气”。
92.同时，未加湿的空气供应150(原料气)被分成两个线路152、154。每个线路152、154都由质量流量控制器(mfc)120控制。线路152中的空气气流通过充满h2o的容器(加湿器130)，然后被送入混合室140。线路154中的空气气流被直接送入混合室140。以这种方式，通过线路152、154上的质量流量控制器120，可以调整从混合室140流出的原料气中的相对h2o饱和度。调整两条线路152、154中的空气流量使得整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选湿度为至少70％。混合室140中的空气湿度是通过校准的高精度湿度和温度计量器142测量的。来自室140的加湿的空气和来自氧气供应源160的氧气被连接到气体控制系统171。在替代的实施例中，可以使用如图3d所示的具有多个气体控制模块1000a、1000b、1000c的集成气体增强电外科发生器。在这样的系统中，流动的氦气、空气和氧气都是由位于单个壳体并具有统一的控制系统的气体模块控制的。
93.cap发生器300的输出和来自气体控制系统170的加湿的空气和氧气被连接到介质阻挡放电(dbd)组件200，在此被称为“cap接头混合器”。接地线缆198将cap接头混合器200的外电极与cap发生器300中的地电位连接起来。虽然图1中显示接地线缆198与管道194分开，但其它布置也是可能的，例如，接地线缆198与管道194组合在一个线束中。由于h2o的存在，氦和h2o电离成he
+
+e-的化学反应将同时发生。产生冷等离子体生成的活性物种(h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-)。
94.cap接头混合器200的输出连接到条形的输送构件190a，例如，该输送构件可以是尺寸适合于任何类型的内窥镜或腹腔镜的通道的刚性或柔性管，无论该通道是支气管镜、结肠镜或用于外科应用的任何其它类型的通道。
95.在图1a中所示的实施例中，原料气(空气)和载气(氦气)都被加湿，与原料气和载气中只有一个被加湿的实施例相比，其在cap接头混合器中提供更大的湿度。在图1a的实施例中，实验表明，由于湿度的增加，对肺癌细胞达到100％杀伤率所需的处理时间可以减少到5分钟，而在只有原料气和载气中的一种被加湿的实施例中，则需要大约17分钟。此外，臭氧的产生可以从图7a和图8a的实施例中的大约20ppm(百万分之一)减少到小于3ppm(大约2ppm)。
96.根据本发明的气体控制模块1000是为气体增强型电外科系统设计的。传统上，气体增强电外科系统具有电外科发生器和气体控制单元，它们有各自的壳体。传统的气体控
制单元通常只控制单一气体、例如氩气、二氧化碳或氦气。本发明使用的气体控制模块1000可用于气体控制单元或既作为电外科发生器又作为气体控制单元运作的组合单元中。此外，根据本发明的多个气体控制模块可以组合在一个气体控制单元或组合的发生器/气体控制单元中，以提供对多种气体的控制，并为多种类型的气体增强手术、例如氩气凝结、混合等离子体电外科系统和冷气氛等离子体系统提供控制。
97.此外，虽然氦气是所公开的实施例中使用的载气，但其它气体如氩气、氮气、氧气或空气也可用作载气。
98.虽然优选的实施例是用呼吸机描述的，但是其它医疗呼吸设备、例如持续气道正压(cpap)系统也可以与本发明一起使用。
99.实验
100.用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统，其中只对空气进行了加湿处理，在12孔板中处理1ml磷酸盐缓冲盐水(pbs)，发生器处于氩气凝结模式和喷雾模式，工作频率接近100khz，每次3min。电压被设定为70v。氧气和空气流速都被设定为1lpm。氧气(o2)和空气的混合物通过去离子水的鼓泡进行加湿。该混合物的相对湿度(rh)约为80％。冷空气等离子体(cap)的载气、氦气的流速被设定为3lpm。因此，在o
2-空气-氦气混合物中，最终从支气管输出的气体的o2比例约为24％。
101.在处理溶液中的等离子体产生的活性氧(ros)和活性氮(rns)的综合给药中，过氧化氢(h2o2)和亚硝酸盐(no
2-)是最常研究的长寿命物种。使用griess试剂系统(promega，g2930)和比色过氧化氢检测试剂盒(sigma-aldrich，mak311-1kt)，在cap开启或关闭的情况下，在处理过的磷酸盐缓冲盐水(pbs)中测量它们的浓度。结果由biotek微孔板读取器分别在550纳米和595纳米的吸光度下读取。
102.电外科发生器通常具有多种操作模式，包括“切割”或切割模式和“凝结”或凝结操作模式。切割模式通常具有低电压的波形形式(例如1kv)，并具有高占空比、例如100％。电外科发生器的凝结模式通常会产生具有大振幅但持续时间短的“尖峰”波形，以实现止血(凝结)。例如，电外科发生器的凝结模式可以使用6％占空比的高电压波形。通过利用不同程度的“混合”波形、例如50％开/50％关、40％开/60％关或25％开/75％关，可以实现不同程度的止血(凝结)。电外科发生器也有氩气等离子体凝结模式，或“氩气凝结”模式。氩气等离子体凝结(apc)利用从电外科手机排入环境空气中的几毫米直径的氩气流电离产生的等离子体。与切割模式相比，发生器上的氩气凝结模式可能使用高电压(例如氩气凝结为4kv，而切割模式为1kv)、较小的电流(例如氩气凝结为200ma，而切割为500ma)和较低的频率(氩气凝结为30khz而切割为390khz)。电外科发生器也具有“喷雾模式”，与氩气凝结模式类似(类似的电压和电流)，但它们具有随机的频率周、例如从10-30khz，这使得它可以覆盖不同的组织阻抗。
103.本系统处理下的h2o2和no
2-的浓度被绘制在图14a和14b。在cap开启的情况下，在氩气凝结模式下处理时，这两个物种的浓度都比在喷雾模式下处理时高。只用气体处理也被作为对照进行。如图10a和10b所示，处理3分钟后，70v的氩气凝结模式下产生90μm的h2o2和18μm的no
2-；而70v的喷雾下产生25μm的h2o2和检测不到的no
2-。单独的气体混合物不会产生大量的ros或rns。
104.cap等离子体呼吸机的验证
105.据报道，冷气氛等离子体可以诱导空气中病毒的灭活(xia,t.等人，inactivation of airborne viruses using a packed bed nonthermal plasma reactor.journal of physics d:applied physics,2019.52(25))；在cap治疗期间，在保持正常肝功能的情况下对乙肝病毒进行灭活(shi,x.-m.等人，effect of low-temperature plasma on deactivation of hepatitis b virus.ieee transactions on plasma science,2012.40(10):p.2711-2716)；抑制hiv复制(volotskova,o.等人，cold atmospheric plasma inhibits hiv-1replication in macrophages by targeting both the virus and the cells.plos one,2016.11(10):p.e0165322)；灭活新城疫病毒和禽流感病毒而不破坏疫苗制备的抗原影响因素(wang,g.等人，non-thermal plasma for inactivated-vaccine preparation.vaccine,2016.34(8):p.1126-32)等。在这项研究中，cap与呼吸机系统相结合，实现了cap的输送以及对整个病人呼吸系统的病毒治疗。
106.wu el al(wu,y.等人，ms2 virus inactivation by atmospheric-pressure cold plasma using different gas carriers and power levels.appl environ microbiol,2015.81(3):p.996-1002)表明，环境空气作为载气在20和24w的功率水平下产生最高水平的灭活，其次是载气ar-o2(2％，vol/vol)和he-o2(2％，vol/vol)。此外，空气是所有呼吸机的必要输入气体。因此，空气作为载气是配备cap的呼吸机的最佳选择。相对湿度(rh)是空气的一个重要因素，除了包括放电电压(v)和处理时间(t)的cap处理参数之外，还将研究相对湿度以用于最佳配置。
107.cap产生的活性物种
108.由cap产生的活性物种可以使用光学发射光谱(oes)在等离子体束内确认，并通过基于物种的试剂盒在水溶液中确认。
109.等离子体束中的活性物种
110.使用光学发射光谱仪(ocean optics hr2000)来检测等离子体束中200-900nm范围内的物种。使用准直透镜在垂直于等离子体光束轴的方向并在轴向以1毫米的增量处收集等离子体辐射。等离子体辐射通过光纤传输到光谱仪上。
111.溶液中的活性物种
112.kondeti等人根据半衰期对cap处理过的盐水和水中产生的物种进行了深入研究。kondeti,v.等人，long-lived and short-lived reactive species produced by a cold atmospheric pressure plasma jet for the inactivation of pseudomonas aeruginosa and staphylococcus aureus.free radic biol med,2018.124:p.275-287。他们得出结论，当等离子体不直接接触生理盐水时，长寿命物种发挥了主导作用；而当等离子体接触液体时，短寿命物种更为重要。cap处理过的溶液中的长寿命物种、如no
2-和h2o2浓度可以在cap开启或关闭的情况下，使用griess试剂系统(promega，g2930)和荧光过氧化氢检测试剂盒(sigma-aldrich，mak165-1kt)在气流处理过的磷酸盐缓冲盐水(pbs)中测量。结果将由biotek微孔板读取器在540纳米吸光度和540/590纳米荧光度读取。
113.臭氧可能是基于cap的呼吸机的一个问题，因为它可能对人类健康产生有害影响。应在呼吸机的排气口测量臭氧浓度，并通过过滤器降低臭氧浓度以满足空气质量标准。
114.cap对细胞的影响
115.肺癌细胞系a549将被用于研究cap治疗的疗效。纯空气流治疗将被用作对照组。细
胞的存活率将通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基溴化四氮唑(mtt)试验进行评估。
116.总之，通过调整配置，基于cap的呼吸机可以使患有肺炎、covid19或肺癌等呼吸道疾病的患者受益。
117.cap等离子体病毒灭活的验证
118.呼吸道疾病致病病毒、例如covid-19和严重急性呼吸系统综合症(sars)是通过含有感染病毒的气溶胶飞沫传播的。冷气氛等离子体(cap)会产生许多活性氧(ros)和活性氮(rns)、例如过氧化氢(h2o2)、单线态氧(1o2)、臭氧(o3)、一氧化氮(
.
no)和羟基自由基(
.
oh)，以及电子、离子和光子，其中
.
oh、1o2、
.
no、o
2.-、
.
no2和onoo-是短寿命物种，而h2o2、no
2-和no
3-是长寿命物种。
119.各种研究表明，cap可以灭活病毒和其它微生物。cap对病毒的潜在灭活机制是通过产生大量的自由基来诱导高氧化还原电位(orp)和电导率。活性氧和氮可能与碳水化合物发生反应，引发脂质过氧化和脂肪酸侧链的交联，导致化学键和分子结构的改变。它们通过引起蛋白质过氧化和诱发病毒包膜的破坏来诱发氧化应激，单线态氧可以迅速与半胱氨酸反应，生成半胱氨酸的主要产物(r-cys-s-s-cys-r)与二硫化物，它们选择性地与酪氨酸、色氨酸和组氨酸反应，产生氢过氧化物，导致蛋白质聚集，最终导致病毒形态的改变。此外，它们可以损害编码酶的病毒核酸，通过氧化鸟嘌呤和诱导鸟嘌呤和赖氨酸之间的交联，促成基因表达的减少和病毒复制的消除，从而导致病毒失活。本发明的冷等离子体系统在加湿设置中产生离子化的冷等离子体，以生成活性物种，通过支气管内管输送给病毒感染的病人。该系统的输出含有活性氧(ros)和活性氮(rns)，这将使存在于患者支气管细胞中的病毒失活。
120.人类上皮性肺癌细胞系a549(atcc，ccl-185)被用来研究本发明的疗效。将a549细胞以105/孔的密度播种在12孔板中，处理长达17分钟。频率接近100khz。电压被设定为70v。冷气氛等离子体(cap)的载气、氦气的流速被设定为3lpm。氧气(o2)和空气的总流速被设定为2lpm。在o
2-空气-he混合物中，气管内管的最终输出气体的o2比例约为16、24和32％。
121.o2和空气混合物或he的原料气通过去离子水鼓泡而加湿。用湿度传感器持续测量加湿气体的相对湿度(rh)。
122.溴化噻唑蓝四氮唑(mtt)购自sigma-aldrich(st.louis,mo,usa)，cap处理48小时后根据制造商的协议进行存活率测定。结果由biotek微孔板读取器在570纳米吸光度读取。
123.经本发明处理的a549细胞的存活率被绘制成如图10c-10e所示。图10c示出了经本发明的设置处理的a549细胞的存活率，其中空气混合物湿度调整达4分钟。a549细胞的存活率随着处理时间的增加而逐渐下降。处理4分钟后，存活率降低到60％(与不处理相比)。从图10c来看，混合气体中氧气含量的增加使得处理的效果有所减弱。
124.然后用相同的设置，在原理气中加入24％的o2，处理细胞长达17分钟(图10d)。与不处理相比，处理10分钟后细胞存活率降低到40％以下，处理17分钟后细胞被完全消灭。
125.当用仅对氦气进行加湿的设置进行处理时，在氦气湿度调整17分钟后，所有的癌细胞也被cap处理所消除(图10e所示数据)。
126.用加湿的空气/o2混合物和加湿的氦气处理的效果
127.用100％加湿空气/o2混合物(1:1v/v)处理a549细胞，流速为2lpm(o2比例24％)。氦
气流速为3lpm，湿度设置为0％、50％和100％。
128.未经处理的a549细胞牢固地附着在培养皿上，细胞核完整。本实验中的对照是空气/o2和he混合物处理10分钟。与不处理相比，细胞没有表现出任何形态上的变化。
129.当he湿度设置为0％(干氦气)时，在冷等离子体系统处理的5分钟内，细胞开始萎缩，但仍有相当数量的细胞存活。将处理时间增加到10分钟后，发现细胞死亡。
130.当he湿度增加到50％时，在处理时间为5分钟时，细胞表现出收缩和膜的出血。在处理时间为10分钟时，细胞收缩更为严重，死细胞以漂浮的形式显现出来。
131.当he湿度增加到100％，在处理5或10分钟时，几乎所有的细胞都支离破碎，不能存活。
132.对细胞进行了mtt存活率测定。结果示出在图10f中。在0％的he湿度(干氦气)和5min的处理时间下，存活率降低到60％，而在10min时，与不处理相比，存活率降低到40％。当he湿度设置为50％或100％时，在5或10分钟的处理时间内没有存活的细胞。
133.为了确定消除a549细胞所需的最短处理时间，我们进行了一项更全面的研究。用加湿或干燥的空气/氧气混合物(1:1v/v)以2lpm的流速(o2比例24％)处理a549细胞1-5分钟。氦气流速为3lpm，湿度设置为0％、50％和100％。在cap处理后24小时拍摄图像。
134.用符合本发明优选实施例的系统处理a549细胞1-5分钟，并使用加湿或干燥的空气/氧气混合物和各种氦气湿度，拍摄相位对比图像。当he湿度设置为0％(干氦气)时，细胞数在处理5分钟时开始减少，但细胞形态没有明显变化；当he湿度设置为50％时，细胞数在处理4分钟时开始减少；当he湿度设置为100％时，细胞数在处理2分钟时开始减少，细胞膜和细胞核在处理4分钟时开始明显收缩。空气/o2的湿度并没有诱发明显的形态学变化。
135.对细胞进行mtt存活率测定(图10g和10h)。与不处理相比，即使在处理5分钟时，0％(干氦气)的he湿度也没有诱发很多细胞死亡。当氦气湿度被设定为50％时，细胞存活率随着处理时间的增加而逐渐下降。在处理5分钟时，大约50％的细胞是存活的。当he湿度被设定为100％时，3分钟的cap处理能够将存活率降低到50％以下，4分钟的处理完全消除了细胞。空气/氧气的湿度并没有导致存活率数据的明显差异。基于这些结果，人们可以得出结论，氦气的加湿是冷等离子体系统根除肺癌细胞的一个关键因素。
136.氧气流与空气流的分离
137.根据本发明的第一优选实施例，描述了用于治疗呼吸道感染的冷气氛等离子体系统，请参考图11。氦气源1110被分成两条线路1112、1114，两条线路中的每一条都由质量流量控制器(mfc)1120控制。线路1112中的氦气流(50至1000ml/min)通过充满h2o的容器(加湿器1130a)，然后送入混合室1140a。线路1114中的氦气流直接送入混合室1140a。以这种方式，通过线路1112、1114上的质量流量控制器1120，可以调整离开混合室1140a的气体中的相对h2o饱和度。对两条线路1112、1114中的气体流量的调整使得对流出混合室1140a的气体流量的整体流速和湿度的微调成为可能。湿度可以在20％-100％的范围内，优选的湿度为至少70％。本实施例中的总氦气流量可以从0.5l/min到5l/min变化。混合室1140a中氦气的湿度可以通过校准的高精度湿度和温度计量器(未示出)等进行测量。来自室1140a的加湿的氦气被送入电外科发生器300，在此被称为“冷气氛等离子体(cap)发生器”。各种电外科发生器在本领域是已知的，可以与本发明一起使用。被送入冷气氛等离子体(cap)发生器300的气体在此被称为“载气”。
138.同时，未加湿的空气供应1150(原料气)由质量流量控制器(mfc)1120控制。该空气气流通过第二填充h2o的容器(加湿器1130b)，然后被送入混合室1140b。也是在同一时间，一个未加湿的加压的第三气体、在这种情况下是氧气的来源1160被连接到第三h2o填充容器(加湿器1130c)。加湿的第三气体(氧气)被送入室1140b，在那里与加湿的空气混合。以这种方式，通过空气和氧气线路上的质量流量控制器1120，可以调整离开混合室1140b的相对氧气比例。空气和氧气各自的湿度可以在20％-100％的范围内，优选的湿度为至少70％。混合室1140b中的混合物的湿度可以通过例如经过校准的高精度湿度和温度计量器(未示出)来测量，氧气含量可以通过例如氧气传感器来测量。来自室1140b的加湿的空气和氧气被提供给呼吸输送系统1170、例如呼吸机、cpap机、bipap机，或其它已知的呼吸输送系统。呼吸输送系统1170将混合、调整和测量病人吸入的废气、氧气和二氧化碳的压力、流速、比例和频率。呼吸输送系统1170的输出端例如通过管道1174和连接器1176连接到cap接头混合器。
139.cap发生器300和呼吸输送系统1170的输出被连接到介质阻挡放电(dbd)组件200，在此被称为“cap接头混合器”。接地线缆198将cap接头混合器200的外电极与cap发生器300中的地电位连接起来。虽然图11中显示接地线缆198与管道194分开，但其它布置也是可能的，例如，接地线缆198与管道194组合在一个线束中。由于h2o的存在，氦和h2o电离成he
+
+e-的化学反应将同时发生。产生冷等离子体生成的活性物种(h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-)。
140.cap接头混合器200的输出连接到输送构件1190，该输送构件可以例如是支气管内管、氧气cpap(连续气道正压)、bipap(双水平气道正压)、呼吸机面罩或鼻腔o2插管1190，以便将系统产生的活性物种1192、例如h2o2、no
2-、no
3-、onoo-和o
2-输送到病人的呼吸系统中。
141.臭氧测量
142.用臭氧检测器(forensics detectors,ca)在气管导管端部测量由符合本发明优选实施例的系统产生的臭氧(o3)。测量是在上述所有测试设置下进行的，即cap设置为70v，加湿或干燥的空气/o2混合物(1:1v/v)，流速为2lpm(o2比例24％)，氦气流速为3lpm，湿度设置为0％、50％和100％。臭氧水平示出在图14a中。在相同的氦气湿度下，与加湿的空气/氧气相比，干燥的空气/氧气产生的臭氧水平更高。更高的氦气湿度产生更高的o3浓度，这导致对细胞更强的还原作用，如图10g和10h所示。这种对应关系表明，o3是根据本发明的优选实施例的系统产生的组合给药中的一个关键物种。图14b示出，在较低的电压下臭氧产生率明显下降。因此，为了安全起见，使用35或40v的电压来测试细胞的存活率，而不是70v(图13a和13b)。与单独注入空气和氧气相比，当空气和氧气混合注入系统时(图14b)，o3的产生率更高(图14b)。
143.然而，采用先前展示的设置的冷等离子体系统，即cap设置为70v，加湿或干燥的空气/o2混合物(1:1v/v)，流速为2lpm(o2比例24％)，氦气流速为3lpm，湿度设置为0％、50％和100％，产生了大量的臭氧(数据在第2节展示)，超过了osha标准的安全限制。为了降低臭氧的产生，利用较低的电压(35-40v)来处理细胞。由于空气/氧气混合物中氧气的存在导致了臭氧的产生，空气和氧气被分别注入到cap混合器中以降低o3的产生。图中14a和14b示出了在低o3水平(即较低的电压和空气与o2的分离)下处理的a549细胞的存活率数据。
144.当空气和o2作为混合物加入到系统中时(图13a)，与空气和o2分别注入到系统中时(图13b)相比，cap降低癌症存活率的能力更高。用空气/氧气混合物在40伏电压下处理8分钟，或用空气和氧气分离的设置在40伏电压下处理15分钟，都能将癌细胞的存活率降低到
5％以下。
145.处理后的培养基中的活性物种检测
146.按照本发明的一个优选实施例，用氩气凝结模式对12孔板中的1ml磷酸盐缓冲盐水(pbs)连续和间隔处理8或15min。对于间隔处理，cap以3+3+2分钟或4+4+4+3分钟的方式进行，每次间隔时间为5分钟。氦气、氧气和空气都被加湿。氦气的流速被设定为3lpm。氧气和空气的流速都被设定为1lpm。
147.在处理溶液中的组合给药等离子体生成的活性氧(ros)和氮气(rns)中，过氧化氢(h2o2)、亚硝酸盐(no
2-)和硝酸盐(no
3-)是最常研究的长寿命物种。使用比色过氧化氢检测试剂盒(sigma-aldrich，mak311-1kt)、griess试剂系统(promega g2930)和比色亚硝酸盐/硝酸盐检测试剂盒(sigma-aldrich 23479)在cap开启或关闭时在处理过的pbs中测量它们的浓度。结果由biotek微孔板读取器分别在595纳米、550纳米和540/570纳米的吸光度下读取。
148.绘制了按照本发明的优选实施例的系统的h2o2、no2-和no3-的浓度。以前的存活率数据表明，在40v下，用空气和o2混合设置连续处理8分钟或用空气和o2分离设置连续处理15分钟，都可以将a549的存活率降低到5％以下。如图15a-15c所示，8分钟的空气和o2混合设置在40v下产生725μm h2o2、11.9μm no
2-和3.3μm no
3-，而3+3+2分钟的间隔处理产生470μm h2o2、12.5μm no
2-和2.2μm no
3-，而连续15分钟的空气和o2分离设置在40v下产生806μm h2o2、33μm no
2-和4.3μm no
3-，而4+4+4+3分钟的间隔处理产生952μm h2o2、45μm no
2-和12μm no
3-。在大多数情况下，硝酸盐(no
3-)太低而无法被检测。单独的气体混合物并没有产生大量的ros或rns。
149.在连续处理8分钟的情况下，通过用5lpm的气流进行cap处理，在1ml的介质中产生h2o2。检测到的物种如下：
[0150]-由40l混合气体产生的h2o2：724x 10-6
mol/l x 34g/mol＝24.6x10-3
mg/ml＝24.6g/m3；
[0151]-h2o2水平是24.6x 10-3
/40＝0.615x 10-3
mg/l＝0.615mg/m3；
[0152]-在3+3+2分钟间隔处理的情况下，h2o2水平为0.4mg/m3；
[0153]-在15分钟连续治疗的情况下，h2o2水平是0.365mg/m3；以及
[0154]-在4+4+4+3分钟间隔处理的情况下，h2o2水平为0.43mg/m3。
[0155]
在所有情况下，0.615、0.4、0.38和0.42mg/m3都低于niosh和osha的h2o2允许接触限值，即1.4mg/m3[0156]
(https://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0335.html)。
[0157]
上述对本发明优选实施例的描述是为了说明和描述的目的而提出的。它并不打算详尽无遗，也不打算将本发明限制在所披露的精确形式上，而且根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从本发明的实践中获得。选择和描述该实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域的技术人员能够以适合于所设想的特定用途的各种实施例来利用本发明。本发明的范围是由本文所附的权利要求书及其等同物来界定的。上述每份文件的全部内容均通过参考而并入本文。