CN113088444A - 使用电容耦合的电脉冲生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是“使用电容耦合的电脉冲生成系统”。根据本公开，描述了经电容耦合向一个或多个电脉冲暴露样本。在某些实施例中，样本可以是使用脉冲电场处理或修改的生物学样本。在某些实施例中，可使用电容耦合输送电脉冲到负载。在其它实施例中，电脉冲可以是双极性脉冲。

Description

使用电容耦合的电脉冲生成系统

本申请是2014年11月20日提交的、申请号为201480073306.8、发明名称为“使用电容耦合的电脉冲生成系统”的专利申请的分案申请。

背景技术

本文中描述的主题一般涉及利用采用脉冲形式的电刺激的应用，如在细胞疗法和其它医学背景中。

脉冲功率具有多种工业应用，如医学治疗、生物技术、食品处理、水处理（例如，水净化）、废气处理、臭氧生成及离子注入。例如，转染是用于渗透细胞膜以有利于DNA质粒进入细胞中的医学技术。此技术也称为电穿孔，一般涉及应用有足够强度和持续时间的电脉冲以在保持活力的同时渗透细胞膜。一旦细胞膜呈现“渗漏”，周围缓冲溶液中的DNA便传入细胞中。某些活体内和活体外血小板活化方法也利用脉冲电刺激。

在医学技术中经常采用脉冲功率，脉冲生成系统直接耦合到保持被刺激的样本的容器（例如，试管）。在直接（即，导电性）耦合的系统中，与电脉冲关联的电流直接流过样本。一般的方形波脉冲用于电穿孔，其中，我们能够调整脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲的数量和频率。这可要求由导电材料（即，金属）制成的特殊容器，这可能很贵，或者这可能不适合生物学的或生化的样品。

发明内容

下面概述在范围上与原来要求保护的发明相符的某些实施例。这些实施例不旨在限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例只意在提供本发明可能形式的简要概述。实际上，本发明可包含可与下面所述实施例类似或不同的多种形式。

在第一实施例中，电脉冲生成系统包括存储器、显示器和用户输入装置。脉冲生成系统也包括样本保持器，样本保持器包括部署在包含样本的容器的任一侧上的第一和第二电极。脉冲生成系统包括配置成供应脉冲到第一和第二电极的脉冲生成电路和部署在脉冲生成电路与第二电极之间的电容元件。脉冲生成电路电容性耦合到容器。脉冲生成系统也包括处理器，处理器配置成执行在存储器上存储的指令以控制脉冲生成电路。

在第二实施例中，电脉冲生成系统包括存储器、显示器和用户输入装置。脉冲生成系统也包括样本保持器，样本保持器包括部署在包含样本的容器的任一侧上的第一和第二电极。脉冲生成系统包括配置成供应脉冲到第一和第二电极的脉冲生成电路和部署在脉冲生成电路与第二电极之间的电容元件。电容元件可卸下，或者可在电脉冲生成系统的操作期间被避开。脉冲生成系统也包括处理器，处理器配置成执行在存储器上存储的指令以控制脉冲生成电路和脉冲生成电路是直接还是电容性耦合到样本。

在第三实施例中，方法包括从患者收集血液。基于与生长因子释放关联的所需参数，指定一个或多个电脉冲的序列的配置。随后，经电容性耦合的脉冲生成系统，向一个或多个脉冲电场的序列暴露血液样本或从血液样本衍生的富血小板血浆样本，以触发血液样本或富血小板血浆中生长因子的释放。

在第四实施例中，电脉冲生成系统可包括存储器、显示器和用户输入装置。电脉冲生成系统也可包括样本保持器，样本保持器包括部署在样本保持器的相对侧上的第一电极和第二电极，其中，样本保持器配置成接收样本容器和脉冲生成电路，脉冲生成电路配置成供应第一脉冲和第二脉冲到第一和第二电极。第一脉冲具有脉冲持续时间和第一电场强度，并且第二脉冲具有该脉冲持续时间和第二电场强度。第一电场强度和第二电场强度是加性逆元。电脉冲生成系统可还包括处理器，处理器配置成执行在存储器上存储的指令以控制脉冲生成电路。

附图说明

参照附图阅读以下详细说明时，将变得更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中类似的字符在所有图形中表示类似的部分，其中：

图1是根据本方案的一实施例的电容性耦合的脉冲生成系统和负载的示意图；

图2是根据本方案的一实施例的、图1的脉冲生成系统和负载的示意图；

图3是根据本方案的另一实施例的、图1的脉冲生成系统和负载的示意图；

图4是示出根据本方案的一实施例的、用于活体外生长因子释放的方法的流程图；

图5是根据本方案的一实施例的、电容性和直接耦合到负载的脉冲生成系统的示意图；

图6是显示在未活化RPP中、在未活化的全血样本中及在电容性耦合到脉冲生成系统的PRP样本中释放的血小板衍生生长因子量的图形；

图7是显示在未活化RPP中、在未活化的全血样本中及在电容性耦合到脉冲生成系统的PRP样本中释放的血小板衍生生长因子量的图形；以及

图8是显示使用包括本文中讨论的方案的各种方案在各种血液样本中释放的血小板衍生生长因子量的图形。

具体实施方式

下面将描述本主题的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可不描述实际实现的所有特征。应领会的是，如在任何工程或设计项目中，在任何此类实际实现的发展中，必须做出许多实现特定的判定以实现开发者的特定目标，如符合系统有关和业务有关的约束，其从一个实现到另一个可改变。另外，应领会的是，此类发展工作可能复杂和耗时，但对于从本公开受益的本领域技术人员仍将是设计、制造和生产的常规工作。

在介绍本发明的各种实施例的元素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在意味着有一个或多个元素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着可存在所列元素外的另外元素。

本实施例涉及用于采用脉冲功率的应用的脉冲生成系统。具体而言，本文中描述的实施例涉及用于医学应用的脉冲生成系统，其中，负载可以是放置在试管或其它适合容器中的生物学样本。脉冲生成系统可通过电容性耦合并且在一些实施例中通过电容性和直接耦合两种耦合来耦合到对应负载。如果负载可通过电容性和直接耦合两种耦合来耦合到脉冲生成系统，则操作员可选择要使用哪种类型的耦合。虽然本文中描述的实施例涉及特定医学应用，但应领会的是，这些只是主题的可能使用的示例。相应地，所公开的技术可例如在其它医学治疗应用、生物技术、食品处理、水处理（例如，水净化）、废气处理、臭氧生成及离子注入中实现。具体而言，暴露到电脉冲的样本可以是在医学治疗、生物技术、食品处理、水处理（例如，水净化）、废气处理、臭氧生成和/或离子注入技术中使用的样本。

鉴于前面所述，图1示出脉冲生成系统10。脉冲生成系统10可包括脉冲生成电路12和负载14。负载14可包括电极集（或电极阵列）16和18；电极16和18可设计成传导较高的量的电流，如在0.01-35 kA范围。在示出的实施例中，电极16和18在试管20的相对侧上间隔分开。也就是说，试管20部署在电极16与18之间并且与其接触，并且电极经接触22耦合到脉冲生成器。在一个实施例中，试管20配置成保持生物学的或生化的样本24，如血液样本。在某些实施例中，试管20是一次性的和/或可从样本保持器26卸下。相应地，试管20的插入和电极16和18与接触22的接触允许脉冲生成器产生电脉冲，并且试管20内的样本24暴露在脉冲下。虽然示出的实施例示出试管20，但应领会的是，试管只是样本容器的一个示例，并且配置成保持样本的任何适合的容器可部署在电极16与18之间。在某些实施例中，试管20或对应样本保持器可传导电脉冲。试管20将电极16和18相互分开。虽然前面的描述描述了保持生物学样本的试管，但应领会的是，负载14可包括从暴露在电脉冲下受益的任何适合样本和对应样本保持器。

在某些实施例中，系统10可包括适合的控制和输入电路，并且可在专用壳体中实现或者可耦合到计算机或其它基于处理器的系统。系统10可包括控制脉冲生成电路12的处理器28。系统10的另外组件可包括存储由处理器28执行的指令的存储器30。此类指令可包括用于由脉冲生成电路12生成的电脉冲的协议和/或参数。处理器28可包括例如通用单芯片或多芯片微处理器。另外，处理器28可以是任何常规专用处理器，如专用处理器或电路。存储器30可以是大容量存储装置、FLASH存储器装置、可移式存储器等。另外，显示器32可提供与系统10的操作有关的指示到操作员。系统10可包括用于激活脉冲生成电路12和/或选择适当参数的用户输入装置34（例如，键盘、鼠标、触摸屏、轨迹球、手持式装置或控制器或其任何组合）。

在示出的实施例中，系统10用于活体外血小板活化。例如，样本可以是已从身体取出并且经处理以加浓血小板浓度（例如，富血小板血浆）的血液产品。在其它实施例中，系统10可用于活体内技术。相应地，系统10可实现为带有间隔分开的电极、在负载中或负载上输送电脉冲的棒或其它手持式装置。

可预见的是，如本文中讨论的，如本文中提供的脉冲生成系统10可实现为单用途装置（例如，只用于血小板活化）或者实现为可用于其它电场暴露应用的多用途装置，如除血小板活化外的电击穿。此外，系统10可配置成根据一个或多个协议生成电脉冲。协议可通过用户输入生成和/或可存储在存储器30中来由用户选择。在一个实施例中，一旦样本24被加载，系统10便可在除开始活化的输入外无到活化协议的任何用户输入的情况下操作。在此类实施例中，脉冲生成电路12可在处理器28的控制下操作以操作带有预确定的电场强度、脉冲长度和/或总暴露时间的单个协议。此类协议可根据经验或理论研究确定。在其它实施例中，系统10可配置成接收与电场强度、脉冲长度和/或总暴露时间有关的用户输入。此外，系统10可配置成根据用户输入和/或存储的协议设置生成可相互不同的一系列脉冲或者生成特定脉冲形状。

视应用而定，由系统10生成的脉冲可具有从大约1纳秒到大约100微秒的持续时间和从大约0.1 kV/cm到350 kV/cm的电场强度。在电极16与18之间的间隔可影响电场强度，它定义为施加的电压与电极间隙距离的比率。例如，如果试管在电极之间提供1 cm的间隙，则使试管暴露在1 kV产生1 kV/cm的电场强度。虽然由系统生成的脉冲可至少为10 kV/cm、50 kV/cm等，但它们不应超过样本24的击穿场。

在常规系统中，脉冲生成系统将直接耦合到对应负载，使得电流将从脉冲生成电路直接流到和流过样本。这样，试管或一般而言的样本容器可由导电（即，金属）材料制成，这可以是很昂贵的或者另外不合需要的（如由于样本的性质）。此外，样本可由于与金属表面的接触而变得被污染。试管20也可需要具有降低电场击穿（例如，电弧放电）的机会的某些特性。

为降低或消除对样本保持器26的要求，并且在示出的实施例中，试管20、脉冲生成系统10可以电容性耦合到负载14。如图1中所示，系统10可包括部署在脉冲生成电路12与样本24之间的电容元件36。在一些实施例中，电容元件36可部署在脉冲生成电路12与电极16之间。在电容性耦合的系统10中，电容元件36阻止直流电(DC)流过样本24，并且促使双极性脉冲电流通过样本。

电容元件36可以是充当电容器的任何适合的组件或材料并且与样本24串联部署。例如，如图2中所示，电容元件36可以是部署在脉冲生成电路12末端的电容器。如图3中所示，电容器36也可部署在脉冲电极16与样本24之间。例如，电容器36可附接到位于电极16与试管中样本保持器26之间的隔间。

在一些实施例中，电容元件36可以是试管20或通常是样本容器。试管20可由非导电材料（例如，石英、塑料）制成，这允许试管充当电容器。非导电材料可比导电材料更便宜、更容易消毒并且更不易受污染。非导电材料也可更容易获得。例如，如果系统10用于血小板活化，则样本保持器26可以是用于收集样本24（即，血液）的注射器。

在一些实施例中，使用电容耦合的脉冲生成系统10可配置成生成双极性脉冲。处理器28可控制脉冲生成电路12，从而可相继生成两个电脉冲。这两个电脉冲可具有相同脉冲持续时间。然而，电脉冲的幅度可以是加性逆元。例如，第一电脉冲可具有50 kV/cm的电场强度，而第二电脉冲可具有-50 kV/cm的电场强度。如将领会的，第一脉冲可具有正极性并且第二脉冲具有负极性或反之亦然，只要第一脉冲的极性与第二脉冲的极性相反。

使用电容耦合的脉冲生成系统可具有与电刺激样本的结果有关的益处。例如，在使用电刺激的血小板活化技术中，生长因子释放的速率可基于由电容性耦合脉冲生成系统发射的电脉冲的类型而改变。例如，电脉冲a可促使生长因子a立即被释放和生长因子b随后被释放。在另一方面，电脉冲b可促使生长因子a的释放有稳定速率，同时在过程的中途释放生长因子b。与改变的生长因子释放关联的脉冲的特性可根据经验研究确定。这些脉冲配置可包含到在存储器30中存储的协议中，或者可由用户输入指定。

如图4中所示，用于触发生长因子释放的方法40可结合系统10使用。应理解的是，方法40的某些步骤可由操作员执行，而方法的其它步骤可由系统10执行。在步骤42，员工（例如，医生或护士）从患者提取血液，在步骤44中血液经离心分离以生成PRP样本。在示出的实现中，员工在步骤46中确定要应用到PRP样本以触发特定量的释放的生成因子的一个或多个脉冲的正确序列和配置。在其它实施例中，员工可基于释放的生长因子的所需类型和/或所需的释放速率，确定脉冲的正确序列。在步骤48期间，向一个或多个脉冲暴露PRP样本，这在步骤50中触发生长因子释放。最后，在步骤52中，从PRP样本收集生长因子。

虽然某些应用可从电容耦合中受益，但其它应用可从直接耦合中受益。因此，最好可以是脉冲生成系统10能够基于应用来电容性或直接耦合到负载14。例如，如上提及的，电容元件36可以是部署在电极16与样本保持器26之间的电容器。电容器36可卸下，使得系统10通常使用直接耦合，并且在需要电容耦合时，操作员附接电容器36。类似地，操作员可在需要直接耦合时使用导电样本保持器26，并且在需要电容耦合时使用非导电样本保持器26。

备选的是，如图5中所示，脉冲生成电路12可包括允许电流直接流到负载14（即，直接耦合）或给电流规划路线为在负载14前通过电容元件36（即，电容耦合）的电路。例如，脉冲生成电路12可包括（并联地）到负载14的直接耦合和与负载14串联的电容元件36（例如，电容器）（即，电容耦合）。处理器28可控制允许电流经直接耦合或电容耦合流到负载14的两个开关54。开关54可以是能够在导电状态与非导电状态之间选择性更改的任何装置，如硅控整流器、功率晶体管、继电器开关或任何其它类似装置。备选的是，处理器28可控制能够选择与所需耦合方案关联的电路的其它装置，如模拟或数字复用器。处理器28可接收指定系统10应使用哪种耦合方案的用户输入。存储器30中存储的、指定生成的脉冲的特性的协议也可指定是使用直接耦合还是电容耦合。

一些应用也可从输送到在直接与电容耦合之间交替的负载14的一系列电脉冲中受益。此类配置可包含到在存储器30中存储的协议中，或者可由用户输入指定。

示例

控制在血小板活化期间的生长因子释放量

图6示出使用如本文中所讨论的电刺激以及电容耦合方案，在各种类型的血液样本中的生长因子释放量。示出了对于样本的结果，样本包括未被活化的富血小板血浆(PRP)样本、未被活化的全血样本和在电容性耦合的脉冲生成系统中经电刺激已活化的PRP样本。PRP样本暴露在电压为700 V（电场强度为3.5 kV/cm）和电流为30 A的双极性脉冲下。如所示，电容性耦合的PRP样本中存在的血小板衍生增长因子(PDGF)量大约是非活化PRP样本和全血样本PDGF量的两倍。

图7示出在与如图6中样本类似类型的样本中生长因子释放量 - 但与基准（非活化PRP和全血）相比，更高电容耦合电压触发更多生长因子释放。这里，电容性耦合的PRP样本暴露在电压为1200 V（电场强度为6 kV/cm）和电流为60 A的双极性脉冲下。在电容性耦合的PRP样本中释放的PDGF量是非活化PRP样本的PDGF量的6倍，并且是全血样本的PDGF量的大约13倍。如所示，在脉冲生成系统电容性耦合到样本时，与基准相比，电刺激的电压和电流特性影响释放的生长因子量。为进一步示出电容性耦合的脉冲生成系统的效力，图8比较在非活化PRP样本、未暴露在电刺激下的全血样本、通过牛凝血酶活化的血液样本及电容性耦合的PRP样本中释放的PDGF量。

本公开实施例中的一个或多个（单独或组合在一起）可提供对在各种应用中提供脉冲功率有用的一个或多个技术效果。某些实施例可允许操作员对于脉冲生成系统中的样本保持器使用非导电材料。例如，本电容性耦合的脉冲生成系统可使用注射器或其它塑料容器作为样本保持器。与在常规脉冲生成系统中使用的样本保持器相比，这些非导电样本保持器可更便宜、更容易消毒且更容易获得。另外，基于使用的脉冲的类型，使用本电容性耦合的脉冲生成系统电刺激的样本可不同。例如，改变用于血小板活化的本电容性耦合的脉冲生成系统的脉冲参数可修改释放的生长因子量。其它实施例也可允许操作员在脉冲生成系统中使用直接或电容耦合。例如，本脉冲生成系统可包含适合的控制和脉冲生成电路，该电路允许电流直接流到样本（即，直接耦合），或者给电流再规划路线为通过电容元件（即，电容耦合）。说明书中的技术效果和技术问题是示范性的而不是限制性的。应注意的是，说明书中描述的实施例可具有其它技术效果，并且能够解决其它技术问题。

虽然本文中只示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解随附权利要求旨在涵盖落入本发明真正精神内的所有此类修改和改变。

Claims (17)

1.一种电脉冲生成系统，包括：

样本保持器，所述样本保持器包括两个电极，其中所述样本保持器被配置成将所述两个电极电耦合至部署在所述样本保持器中的样本容器；

脉冲生成电路，所述脉冲生成电路被配置成在所述两个电极之间生成电脉冲；

控制电路，所述控制电路被配置成使所述脉冲生成电路生成所述电脉冲以将脉冲传递到部署在所述样本保持器中的所述样本容器；

电容器，所述电容器被部署成在所述两个电极之间的所述电脉冲的所述生成期间与所述脉冲生成电路和所述两个电极串联。

2.如权利要求1所述的电脉冲生成系统，包括部署成与所述脉冲生成电路和所述两个电极串联并且部署成与所述电容器并联的电阻路径，并且其中所述电阻路径包括被配置成避开所述电容器的开关。

3.如权利要求2所述的电脉冲生成系统，其中所述控制电路被配置成在所述脉冲的所述传递期间控制所述开关以避开所述电容器。

4.如权利要求1所述的电脉冲生成系统，其中所述电容器是可更换的。

5.如权利要求1所述的电脉冲生成系统，其中所述样本容器包括试管。

6.如权利要求1所述的电脉冲生成系统，其中所述电脉冲包括在大约1纳秒与大约100微秒之间的持续时间。

7.如权利要求1所述的电脉冲生成系统，其中所述电脉冲包括在0.1 kV/cm与350 kV/cm之间的电场强度。

8.一种电脉冲生成系统，包括：

样本保持器，所述样本保持器包括部署在所述样本保持器相对侧上的两个电极，其中所述样本保持器被配置成接收样本容器；

脉冲生成电路，所述脉冲生成电路被配置成在所述电极之间供应脉冲；

第一电阻路径，所述第一电阻路径直接耦合所述脉冲生成电路和所述两个电极；

第二电阻路径，所述第二电阻路径通过部署成与所述两个电极和所述脉冲生成电路串联的电容元件来耦合所述脉冲生成电路和所述两个电极；以及

开关电路，所述开关电路被配置成在所述第一电阻路径和所述第二电阻路径之间选择。

9.如权利要求8所述的电脉冲生成系统，包括：

存储器，所述存储器被配置成存储包括用于所述电脉冲生成系统的第一组指令和第二组指令的协议；以及

处理器，所述处理器被配置成执行存储在所述存储器上的所述协议，其中所述第一组指令使所述脉冲生成电路在所述电极之间供应所述脉冲，并且所述第二组指令使所述开关电路在所述第一电阻路径和所述第二电阻路径之间选择。

10.如权利要求9所述的电脉冲生成系统，其中所述第一组指令包括脉冲形状或一系列脉冲。

11.如权利要求8所述的电脉冲生成系统，其中所述电容元件包括可更换的电容器。

12.如权利要求8所述的电脉冲生成系统，其中所述电脉冲生成系统被配置成接收来自用户输入装置的输入以调整所述开关电路。

13.如权利要求8所述的电脉冲生成系统，其中所述开关电路包括部署在所述第一电阻路径中的第一开关和部署在所述第二电阻路径中的第二开关。

14.一种操作电脉冲生成系统的方法，所述方法包括：

将样本放置到样本容器中；

将所述样本容器放置到包括两个电极的样本保持器中，其中所述样本容器中的所述样本被电耦合至所述两个电极；以及

使脉冲生成电路经由电路将电脉冲信号传递给所述样本容器中的所述样本，所述电路包括：

所述脉冲生成电路；

所述两个电极；以及

电容器，所述电容器被布置成在所述电脉冲信号的所述传递期间与所述两个电极和所述脉冲生成电路串联。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述电脉冲信号包括一系列电脉冲，并且其中所述方法包括基于目标参数来选择所述电脉冲信号的配置，所述配置包括电脉冲的数量、所述电脉冲的形状、用于所述电脉冲的电压、用于所述电脉冲的持续时间或其任意组合，并且其中基于耦合至所述脉冲生成电路的所述电容器来设计所述电脉冲。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述目标参数包括释放的生长因子的量。

17.如权利要求14所述的方法，包括调整开关电路以避开所述电容器并且将所述脉冲生成电路电阻性耦合至所述两个电极。

Images