CN114177527A - 用于向受检者的身体施加电场的装置和系统 - Google Patents

用于向受检者的身体施加电场的装置和系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于向受检者的身体施加电场的装置和系统。该装置可与电场发生器一起使用，其包括：多个电极阵列，被配置用于与受检者的相应身体部位接触；多个温度传感器阵列，被配置为感测相应身体部位处的温度以生成相应的温度信号；第一线缆，被配置为提供第一电场信号路径和多个温度信号路径；以及转接器，被配置为：将电场发生器产生的多个交变电场信号经由第一电场信号路径传输至多个电极阵列中的相应电极阵列，以向相应身体部位施加电场；并且接收经由多个温度信号路径并行传输的相应的温度信号，并将对应于相应的温度信号的多个温度值传输至电场发生器以供基于多个温度值控制多个交变电场信号。

Description

用于向受检者的身体施加电场的装置和系统
技术领域
本公开涉及肿瘤电场治疗(Tumor Treating Fields，TTF)技术，特别是涉及用于向受检者的身体施加电场的装置和系统。
背景技术
肿瘤电场治疗，是一种通过低强度中频(例如，100～300kHz)交变电场，阻止某些肿瘤细胞有丝分裂过程中纺锤体微管的形成，抑制细胞分裂期胞内细胞器的分离，诱导有丝分裂期的细胞凋亡，从而实现治疗肿瘤的作用。
与传统的癌症治疗方式相比，TTF具有创新的作用机制。肿瘤细胞的一些生理特性，如几何形状和高频有丝分裂，使其易受TTF的影响。TTF通过在细胞内极性粒子(例如大分子和细胞器)上施加定向力来破坏微管蛋白的正常聚集。这些过程可能导致细胞膜的物理破坏和细胞凋亡。而在细胞有丝分裂末期，卵裂沟的结构形态会导致其周围电场分布不均，同时在TTF影响下，卵裂沟处的电场强度显著增强，细胞中带电物质向卵裂沟移动，使细胞结构的形成受到干扰甚至破坏，最终可导致细胞分裂失败，走向凋亡。
在相关技术中，TTF经由放置在紧密临近肿瘤的受检者的皮肤上的多个换能器阵列递送到受检者。由于交变电场的加持，导致贴敷到受检者皮肤表面的热量上升。当受检者皮肤表面温度超过人体阈值温度时，容易导致皮肤低温烫伤，因此，有必要提供一种实时监测并快速传输患者体表温度的装置和系统。
发明内容
提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
根据本公开的一方面，提供了一种用于向受检者的身体施加电场的装置，可与电场发生器一起使用，其包括：多个电极阵列，被配置用于与受检者的相应身体部位接触；多个温度传感器阵列，被配置为感测相应身体部位处的温度以生成相应的温度信号；第一线缆，被配置为提供第一电场信号路径和多个温度信号路径；以及转接器，被配置为：将电场发生器产生的多个交变电场信号经由第一电场信号路径传输至多个电极阵列中的相应电极阵列，以向相应身体部位施加电场；并且接收经由多个温度信号路径并行传输的相应的温度信号，并将对应于相应的温度信号的多个温度值传输至电场发生器以供电场发生器基于多个温度值控制多个交变电场信号，所述温度信号为模拟信号，所述温度值为数字信号。
可选地，转接器包括缓冲器，缓冲器包括：多个输入端和多个输出端，多个输入端电连接至多个温度传感器阵列，并行获取每个温度传感器的温度信号。
可选地，转接器包括：模数转换器，与缓冲器的多个输出端连接，被配置为将相应的温度信号转换为数字信号；以及信号处理器，与模数转换器连接，被配置为基于数字信号计算存储多个温度值。
可选地，多个温度传感器阵列中的每个温度传感器阵列包括多个热敏电阻。在装置的一些实施例中，转接器进一步包括稳压器和多个精密电阻器，多个精密电阻器电连接在稳压器与多个热敏电阻中的相应热敏电阻之间。在装置的一些实施例中，缓冲器的所述多个输出端进一步电连接至所述多个精密电阻中的相应精密电阻。
可选地，转换器包括串口通信电路，串口通信电路被配置为将多个温度值串行地传输至电场发生器。
可选地，还包括第二线缆，第二线缆被配置为提供与第一电场信号路径电连接的第二电场信号路径，第二电场信号路径将来自电场发生器的多个交变电场信号传输到转接器。
可选地，还包括第一连接器，第一连接器机械地且电连接在第一线缆和所述转接器之间。
可选地，第一连接器包括按压式弹簧接插件。
可选地，还包括第二连接器，第二连接器被配置用于将第二线缆机械地且电连接至电场发生器。
可选地，第二连接器包括按压式弹簧接插件。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于向受检者的身体施加电场的系统，包括：电场发生器；以及如上所述的装置。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是根据示例性实施例的用于向受检者的身体施加电场的装置的示意性框图；
图2是根据另一示例实施例的用于向受检者的身体施加电场的装置的示意性框图；
图3是图2所示的转换器的示意性框图；
图4是2所示的转换器的示意性电路图。
具体实施方式
中频交变电场治疗是被证实用于肿瘤治疗的有效方法。用于向受检者的身体施加电场的系统可以包括电场发生器、转接器和四个换能器阵列。中频交变电压由电场发生器产生，经由特制八芯线缆传输至转接器，转接器再通过十芯线缆传送至换能器阵列中，最后通过四个换能器阵列紧贴受检者皮肤表面，形成可以治疗肿瘤的电场，且在不同时刻形成两对方向不同的电场，干扰肿瘤细胞的有丝分裂进程。在一定治疗周期内，电场发生装器交替输出中频交变电压至两对换能器阵列中。
由于交变电场的加持，人体自身存在阻抗，导致的贴敷表面热量的上升。人体表面的安全温度的上限为41℃，超过该上限温度容易导致皮肤低温烫伤的现象。为了避免皮肤低温烫伤，有必要实时监测和控制贴敷表面(或人体表面)的温度。
图1是根据示例性实施例的用于向受检者的身体施加电场的装置100的示意性框图。如图1所示，装置100能够与电场发生器110一起使用。装置100包括多个电极阵列120、多个温度传感器阵列(未标号)、第一线缆130和转接器140。
每个电极阵列120被配置为用于与受检者的相应身体部位接触。在一个示例中，每个电极阵列120可以包括多个电容耦合电极。当电极阵列120放置在受检者身上时，能够与身体有良好的电接触。
多个温度传感器阵列被配置于多个电极阵列120上的电容耦合电极上并被配置为感测相应身体部位处的温度以生成相应的温度信号。在一些示例性实施例中，多个温度传感器阵列(未标号)中的每个温度传感器阵列包括多个热敏电阻。每个热敏电阻能够感测相应身体部位处的温度，并产生相应的模拟电压值。
在一些实施例中，多个电极阵列120和多个温度传感器阵列可以组合成多个换能器阵列。在一个示例中，每个换能器阵列包含生物相容性衬底、柔性线路板、多个电容耦合电极、导电凝胶、离型纸和多个温度传感器，其内部多个电容耦合电极之间的连接由柔性线路板上的导体材料实现，多个温度传感器电连接柔性线路板上的导体材料。当换能器阵列贴敷在受检者的身体时，可以通过生物相容性衬底及导电凝胶黏贴在皮肤表面的预定位置处。
第一线缆130被配置为提供第一电场信号路径和多个温度信号路径。在一个示例中，第一线缆130可以为内含十芯铜导线的线缆，其中的8个芯表示8个温度信号路径，用于传输8个温度传感器所产生的温度信息；1个芯表示第一电场信号路径，用于传输电场发生器110所产生的交变电场信号；还有1个芯可以用于接地。
转接器140被配置为：将电场发生器110产生的多个交变电场信号经由第一电场信号路径传输至多个电极阵列120，以向相应身体部位施加电场；并且接收经由多个温度信号路径并行传输的相应的温度信号，并将对应于相应的温度信号的多个温度值传输至电场发生器110以供电场发生器110基于多个温度值控制多个交变电场信号。在一个示例中，转接器140可以位于电场发生器110和各个电极阵列120之间。转接器140可以与电场发生器110电连接，并传输温度值给电场发生器110，并且可以与各个电极阵列120电连接，并传输电场发生器110产生的多个交变电场信号给相应的电极阵列120。
综上所述，在装置100中，各路温度传感器与转接器140通过第一线缆130并行连接。因此各路温度传感器所产生的温度信号能够并行输入到转接器140。与串行传输温度信号的方案相比，提高了传输速度，以便于实时监测各个电极阵列120的贴敷表面的温度。
在一些示例性实施例中，装置100还包括第二线缆150。第二线缆150被配置为提供与第一电场信号路径电连接的第二电场信号路径。第二电场信号路径将来自电场发生器110的多个交变电场信号传输到转接器140。在一个示例中，第二线缆150可以是含八芯铜导线以及铜导线外包覆屏蔽层的线缆。第二线缆150的一部分芯可以用作第二电场信号路径并分别与第一线缆130中的第一电场信号路径电连接。例如，对于4组电极阵列120，有4条第一线缆130分别与对应的电极阵列120电连接。此时，第二线缆150中的4个芯分别与4条第一线缆130的4个第一电场信号路径电连接。从而，电场发生器110产生的多个交变电场信号能够通过第二线缆150的4个芯分别传输到4条第一线缆130并施加到4组电极阵列120。
在一些示例性实施例中，装置100还包括第一连接器160。第一连接器160机械地且电连接在第一线缆130和转接器140之间。在一个示例中，第一连接器160可以包括按压式弹簧接插件，方便转接器140和电极元件120之间的快速更换。
在一些示例性实施例中，装置100还包括第二连接器170。第二连接器170被配置为用于将第二线缆150机械地且电连接至电场发生器110。在一个示例中，第二连接器170可以包括按压式弹簧接插件。
综上所述，包括第一连接器160、第二连接器170和第二线缆150的装置100有助于受检者或护理人员方便将电极阵列120附接到受检者的皮肤上，而避免因为线缆的存在被阻碍。
在一些示例性实施例中，温度传感器所生成的温度信号为模拟信号，因此需要对温度信号进行模数转换以进行后续运算。图2是根据另一示例实施例的用于与电场发生器210一起使用的装置200的示意性框图。将理解的是，为了图示的清楚性，图2中仅示出了一个电极阵列(E1、E2…En)和一个温度传感器阵列(T1、T2…Tn)，但是本公开不限于此。
如图2所示，转接器240包括模数转换器250和信号处理器260。模数转换器250被配置为将相应的温度信号转换为数字信号，并且信号处理器260被配置为基于数字信号计算存储多个温度值。在一个示例中，模数转换器250可以选择带有通信协议的模数转换集成电路(例如SPI、I2C等)，用于数字化采集到的温度信号，形成数字信号，以提供给信号处理器260处理。在一个示例中，信号处理器260与模数转换器250电连接并接收数字信号。在一个示例中，信号处理器260可以选择带有数据运算存储功能的集成电路(例如单片机、FPGA等)来基于数字信号计算多个温度值。在另一些示例中，信号处理器260也可以采用内置模数转换器以及串口通信协议的处理器(例如STM32F103系列MCU)以简化电路结构。
在一些示例性实施例中，转接器240还包括串口通信电路270。串口通信电路270被配置为将多个温度值串行地传输至电场发生器210。在一个示例中，串口通信电路270可以选择带有串口通信协议的集成电路(例如RS232、RS485等)，以用于传输多个温度值。
在一些示例性实施例中，多个温度传感器阵列中的每个温度传感器阵列包括多个热敏电阻T1、T2…Tn。采用热敏电阻可以通过测量其电压值来确定接触部位的温度，并且热敏电阻由于体积小而能够灵活配置以接触人体。
在一些示例性实施例中，每个温度传感器阵列可以直接将热敏电阻的电压信号并行传输至模数转换器250。例如，由8个热敏电阻组成的阵列，每个热敏电阻的正端铜导线(TC1、TC2…TCn)并行电连接到模数转换器250。在一些示例性实施例中，每个热敏电阻的正端铜导线(TC1、TC2…TCn)可以通过第一连接器220并行电连接到模数转换器250。
在一些示例性实施例中，转接器240还包括缓冲器280。缓冲器280包括多个输入端，电连接至多个热敏电阻中的相应热敏电阻；以及多个输出端，电连接至模数转换器250的多个输入端中的相应输入端。在一些示例性实施例中，每个热敏电阻的正端铜导线(TC1、TC2…TCn)可以通过第一连接器220并行接入缓冲器280的多个输入端，并且热敏电阻的公共端级联后共同接入转接器240。
在一些示例性实施例中，缓冲器280可以使用运算放大器电路组成，以用于隔离前级信号保护后端模数转换器250。在一个示例中，缓冲器280可以采用电压跟随器电路。
在一些示例性实施例中，每个电极阵列可以包括多个陶瓷换能片E1、E2…En。在一个示例中，交流电场信号290可以通过转接器240、第一连接器220和第一线缆(图2未示出)施加到陶瓷换能片E1、E2…En上。
在一些示例性实施例中，装置200还可以包括第二连接器230，用于将转接器240、第二线缆(图2未示出)电连接至电场发生器210。第二连接器230将在下文结合图3具体描述。
综上所述，在装置200中，温度传感器阵列中的每个热敏电阻T1、T2…Tn均并行电连接至模数转换器250。也可以通过第一连接器220、缓冲器280连接到模数转换器250。例如，若采用4组温度传感器阵列，每组包括8个热敏电阻，那么32路热敏电阻将并行经过缓冲器280发送至模数转换器250，提高了传输速率。
图3是图2所示的转接器240的内部结构的示意性框图。如图3所示，装置200还可以包括第二线缆310。在一个示例中，第二线缆310为8芯铜导线通过第二连接器230接入到转接器240，其中8芯铜导线对应8个信号，分别是：电源VCC、地GND、串行数据发送端TX、串行数据接收端RX、交流电压信号X1、交流电压信号X2、交流电压信号Y1和交流电压信号Y2。图3中所示的电源VCC均相连，接地GND也均相连。交流电压信号X1、X2、Y1和Y2同名端相连。转接器240中的电源VCC、地GND和交流电压信号均通过第一连接器端口220-1、220-2、220-3、220-4中各自对应的导电连接传递至多个电极阵列。
在图3的示例中，转接器240包括缓冲器330、模数转换器340、信号处理器350和串口通信电路360。在该示例中，模数转换器340和串口通信电路360被示出为与信号处理器350相分离，但是如前所述，在一些实施例中，信号处理器350可以内置有模数转换器340和串口通信电路360以简化电路结构。来自多个温度传感器阵列的温度信号通过第一连接器端口220-1、220-2、220-3、220-4中各自对应的导电连接反向传递至缓冲器330中，再传递至模数转换器340转换成数字信号，再传递至信号处理器350中计算温度值，再由信号处理器350将温度值传递至串口通信电路360(例如RS232)，最后串口通信电路360将温度值数据串行地发送至电场发生器210。
图4是图2所示的转接器240的示意性电路图。图4与图2中相似的附图标记表示相似的元件，在此不再赘述。在图4的示例中，转接器240包括模数转换器450、信号处理器460和串口通信电路470。在该示例中，模数转换器450和串口通信电路470被示出为与信号处理器450相分离，但是如前所述，在一些实施例中，信号处理器450可以内置有模数转换器450和串口通信电路470以简化电路结构。
如图4所示，多个温度传感器阵列中的每个温度传感器阵列包括多个热敏电阻T1-T8。热敏电阻T1-T8的正端并行地电连接至模数转换器450的输入端口。在一些示例性实施例中，转接器240还包括稳压器VCC和多个精密电阻器R1-R8。多个精密电阻器R1-R8电连接在稳压器VCC和多个热敏电阻T1-T8中的相应热敏电阻之间。例如，精密电阻器R1连接在稳压器VCC和热敏电阻T1之间。在一些示例性实施例中，转接器240还包括缓冲器420。在一个示例中，缓冲器420的多个输入端分别电连接多个热敏电阻T1-T8，缓冲器420的多个输出端还电连接至多个精密电阻器R1-R8中的相应精密电阻器。
由于温度的变化会同步造成热敏电阻阻值的变化，通过连接精密电阻器RS和稳压器VCC，热敏电阻和精密电阻器相当于两颗电阻串联分压。热敏电阻阻值RT与电压VRT的关系式满足：
VRT＝VCC×(RT/(RT+RS))
其中RT为在温度T(K)时的热敏电阻阻值，RS为与热敏电阻连接的精密电阻阻值。
可见，当热敏电阻阻值RT受到温度变化影响而阻值减小，则采集到的电压VRT也降低。由于电压VRT为模拟量，通过模数转换器430转换为数字信号。信号处理器440基于数字信号计算当前的温度值，其中热敏电阻阻值RT与电压VRT之间的关系满足：
Figure BDA0003432668160000071
其中，RN为在额定温度TN(K)时的热敏热敏电阻阻值，T为目标温度(K)温度单位为开尔文，B为热敏电阻热敏系数，e为常数(2.71828)，例如使用3.3V的电源(VCC)，且使用B为3380的热敏电阻，在25℃时RN为10K，在采集到的电压VRT为1.5022V时得到的RT约为8355.88ohm，同时计算得出目标T为29.8℃。在一个示例中，模数转换器430采用12位的模数转换芯片，在3.3V供电电压下，可测得的最小电压约为0.8056mV，对应温度最小分辨率约为0.03℃，可测试的温度值精度高。此外，4组32路热敏电阻T1、T2等并行传输电压信号至模数转换器450，再由信号处理器460处理后通过串行通信电路470进行传输，提高了传输速率。
根据本公开的一些示例性实施例，一种用于向受检者的身体施加电场的系统包括：电场发生器(例如，电场发生器110或210)以及上面关于图1-图4所描述的装置100或200。
虽然在附图和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，术语“多个”是指两个或两个以上，并且“基于”应解释为“至少部分地基于”。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。

Claims (13)

1.一种用于向受检者的身体施加电场的装置，能够与电场发生器一起使用，其特征在于，包括：
多个电极阵列，被配置用于与受检者的相应身体部位接触；
多个温度传感器阵列，被配置为感测所述相应身体部位处的温度以生成相应的温度信号；
第一线缆，被配置为提供第一电场信号路径和多个温度信号路径；以及
转接器，被配置为：
将所述电场发生器产生的多个交变电场信号经由所述第一电场信号路径传输至所述多个电极阵列中的相应电极阵列，以向所述相应身体部位施加电场；并且
接收经由所述多个温度信号路径并行传输的所述相应的温度信号，并将对应于所述温度信号的多个温度值传输至所述电场发生器以供所述电场发生器基于所述多个温度值控制所述多个交变电场信号，所述温度信号为模拟信号，所述温度值为数字信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转接器包括：
模数转换器，被配置为将所述相应的温度信号转换为数字信号；以及
信号处理器，被配置为基于所述数字信号计算存储所述多个温度值。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多个温度传感器阵列中的每个温度传感器阵列包括多个热敏电阻。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述转接器进一步包括稳压器和多个精密电阻器，所述多个精密电阻器电连接在所述稳压器与所述多个热敏电阻中的相应热敏电阻之间。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述转接器进一步包括缓冲器，所述缓冲器包括：
多个输入端，电连接至所述多个热敏电阻中的相应热敏电阻；以及
多个输出端，电连接至所述模数转换器的多个输入端中的相应输入端。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述缓冲器的所述多个输出端进一步电连接至所述多个精密电阻器中的相应精密电阻器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转接器包括串口通信电路，所述串口通信电路被配置为将所述多个温度值串行地传输至所述电场发生器。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，还包括第二线缆，所述第二线缆被配置为提供与所述第一电场信号路径电连接的第二电场信号路径，所述第二电场信号路径将来自所述电场发生器的所述多个交变电场信号传输到所述转接器。
9.如权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，还包括第一连接器，所述第一连接器机械地且电连接在所述第一线缆和所述转接器之间。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一连接器包括按压式弹簧接插件。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括第二连接器，所述第二连接器被配置用于将所述第二线缆机械地且电性地连接至所述电场发生器。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二连接器包括按压式弹簧接插件。
13.一种用于向受检者的身体施加电场的系统，其特征在于，包括：
电场发生器；以及
如权利要求1-12中任一项所述的装置。
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