CN116367882A - 改变肿瘤治疗场(ttfield)系统中个体电极元件上的金属化面积以使电流最大化而不会过热 - Google Patents

改变肿瘤治疗场(ttfield)系统中个体电极元件上的金属化面积以使电流最大化而不会过热 Download PDF

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Abstract

用于施加肿瘤治疗场(TTField)的常规换能器阵列包括一组个体电极元件，并且更外围地定位的电极元件(例如，换能器阵列的拐角或边缘处的电极元件)倾向于变得比更中心地定位的电极元件更热。这种情况可以通过降低更外围地定位的电极元件的电容来改善。降低那些元件的电容降低了流经那些元件的电流(在任何给定电压下)，这降低了那些元件的温度。一旦降低了更外围地定位的电极元件的电容，就可以使用更高的电压而不会过热。这导致总电流中的增加，这可以提高TTField治疗的功效。

Description

改变肿瘤治疗场(TTFIELD)系统中个体电极元件上的金属化 面积以使电流最大化而不会过热
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年9月25日提交的美国申请第63/083，590号的权益，该美国申请的全部公开内容通过引用被整体地并入本文中。
背景技术
美国专利第7,136,699号和第7,146,210号描述了用特定频率和场强下的AC电场治疗肿瘤或其他快速分裂的细胞，所述美国专利中的每个都通过引用并入本文中。这些AC电场在本文中被称为“肿瘤治疗场”或“TTField”。
美国专利8,715,203描述了用于施加TTField的现有技术“复合电极”(也称为“换能器阵列”)。′203专利的换能器阵列在图1中描绘，并且它包括9个圆形电极元件，圆形电极元件中的每个包括直径方面测量约为2cm的陶瓷元件(例如陶瓷盘)。每个陶瓷元件的一侧面向受试者(subject)的皮肤，并且另一侧具有导电背衬(backing)(例如，镀银)。柔性电路将任何给定换能器阵列上的所有的陶瓷元件的镀银背面连接到单根引线。并且水凝胶层被布置在陶瓷元件中的每个和受试者的皮肤之间。
当第一换能器阵列靠着人体的一侧上的皮肤定位，并且第二换能器阵列靠着人体的相对侧上的人的皮肤定位，并且在第一和第二换能器阵列的引线之间施加AC电压时，电流被电容地耦合到人体内。为了使TTField有效，足够量的电流必须通过电极电容地耦合并进入到人体内；并且较高的电流与较高的治疗的功效强相关。因为增加换能器阵列中的每个的电容导致相应的电流的增加，所以现有技术换能器阵列通常使用具有非常高的介电常数(例如＞1000)的相对薄的陶瓷元件(例如大约1mm厚的陶瓷盘)，以便获得足够高的电流。
陶瓷元件在使用期间发热(heatup)；并且安全考虑要求陶瓷元件中的每个处的温度保持低于特定的安全阈值(例如41℃)。
当任何给定换能器阵列中的所有陶瓷元件并联连线(wire)时，如果给定换能器阵列上的陶瓷元件中的任何一个陶瓷元件处的温度变得太高，则必须降低施加到整个换能器阵列的电压，以防止最热元件的温度超过安全阈值。(在′203专利中，使用多个热敏电阻来获得温度读数，热敏电阻中的每个被定位在相应陶瓷元件的中心。)例如，假设图1现有技术系统中的陶瓷元件中的单一陶瓷元件的温度上升到41℃，但是其余8个陶瓷元件的温度仅为39℃。在这种情况下，即使电极元件的平均温度为((8×39)+41)/9＝39.2℃，施加到换能器阵列的电压也必须降低，以防止最热的元件过热。并且该电压中的降低导致电流中的降低，这可能降低治疗的功效。
发明内容
本发明的一个方面涉及用于向活体(living subject)施加交变电场的第一装置。所述第一装置包括多个导电区域、介电材料的多个区域、衬底以及至少一个电导体。导电区域中的每个具有正面和相应的面积。介电材料的区域中的每个具有(i)相应的正面和(ii)靠着导电区域中的相应的一个导电区域的正面布置的相应背面。衬底被配置成将介电材料的多个区域的正面保持在受试者的身体上或身体中，并且在围绕质心分布的相应位置处支撑多个导电区域。并且至少一个电导体被布置成与多个导电区域电接触。多个导电区域包括至少一个第一导电区域和多个第二导电区域，并且第二导电区域中的每个相对于质心比所述至少一个第一导电区域更外围地定位。第二导电区域中的每个的面积比第一导电区域中的每个的面积小至少10％。
在第一装置的一些实施例中，介电材料的区域中的每个包括陶瓷盘，并且多个导电区域中的每个包括布置在陶瓷盘中的相应的一个陶瓷盘的背面上的金属层。在第一装置的一些实施例中，介电材料的区域中的每个包括平坦的陶瓷材料片，并且多个导电区域中的每个包括布置在陶瓷材料片中的相应的一个陶瓷材料片的背面上的金属层。
在第一装置的一些实施例中，多个导电区域中的每个包括印刷电路的焊盘，并且介电材料的区域中的每个包括聚合物膜。在第一装置的一些实施例中，多个导电区域中的每个包括印刷电路的焊盘，并且介电材料的区域中的每个使用单个连续聚合物膜的不同部分来实现。在第一装置的一些实施例中，多个导电区域中的每个包括金属箔层，并且介电材料的区域中的每个包括聚合物膜。在第一装置的一些实施例中，多个导电区域中的每个包括金属箔层，并且介电材料的区域中的每个使用单个连续聚合物膜的不同部分来实现。
第一装置的一些实施例进一步包括粘合剂层，所述粘合剂层被配置成保持衬底靠着人的皮肤，使得介电材料的多个区域的正面面向受试者的身体。
在第一装置的一些实施例中，所述多个导电区域包括：至少一个第一导电区域、和多个第二导电区域以及多个第三导电区域，其中第三导电区域中的每个相对于质心比多个第二导电区域更外围地定位，并且其中第三导电区域中的每个的面积比第二导电区域中的每个的面积小至少10％，并且其中第二导电区域中的每个相对于质心比至少一个第一导电区域更外围地定位，并且其中第二导电区域中的每个的面积比第一导电区域中的每个的面积小至少10％。
本发明的另一方面涉及用于向活体施加交变电场的第二装置。第二装置包括多个导电区域、介电材料的多个区域、衬底、多个温度传感器和至少一个电导体。导电区域中的每个具有正面和相应的面积。介电材料的区域中的每个具有(i)相应的正面和(ii)靠着导电区域中的相应的一个导电区域的正面布置的相应背面。衬底被配置成将介电材料的多个区域的正面保持在受试者的身体上或身体中，并且在围绕质心分布的相应位置处支撑多个导电区域。温度传感器中的每个被布置成与介电材料的相应区域热接触。并且至少一个电导体被布置成与多个导电区域电接触。多个导电区域包括至少一个第一导电区域和多个第二导电区域，并且第二导电区域中的每个相对于质心比所述至少一个第一导电区域更外围地定位。与第二导电区域中的每个相关联的电容比与第一导电区域中的每个相关联的电容低至少10％。
在第二装置的一些实施例中，第二导电区域中的每个具有比第一导电区域中的每个的面积小至少10％的面积。在第二装置的一些实施例中，靠着第二导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域比靠着第一导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域厚至少10％。在第二装置的一些实施例中，靠着第二导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域具有比靠着第一导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域的介电常数低至少10％的介电常数。
本发明的另一方面涉及用于向活体施加交变电场的第三装置。第三装置包括柔性电路、至少一个第一柔性聚合物区域和多个第二柔性聚合物区域。柔性电路包括：(a)定位在柔性电路的前侧上的至少一个第一导电焊盘，第一导电焊盘中的每个具有第一面积，(b)定位在柔性电路的前侧上相对于至少一个第一导电焊盘是外围的位置处的多个第二导电焊盘，第二导电焊盘中的每个具有比第一面积小至少10％的相应面积，以及(c)至少一个导电迹线，其布置成与至少一个第一导电焊盘和多个第二导电焊盘电接触。至少一个导电迹线被布置成使得第一导电焊盘中的每个和第二导电焊盘中的每个能够由电信号驱动。第一柔性聚合物区域中的每个具有正面，并且至少一个第一柔性聚合物区域中的每个被布置在柔性电路的前侧上的第一导电焊盘的相应的一个第一导电焊盘的上方和前方。第二柔性聚合物区域中的每个具有正面并且被布置在柔性电路的前侧上的第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘的上方和前方。在100kHz和500kHz之间的至少一个频率下，聚合物区域中的每个具有至少20的介电常数，并且聚合物区域中的每个在垂直于其正面的方向上具有小于20μm的厚度。
第三装置的一些实施例进一步包括定位在柔性电路的后侧上的多个热敏电阻。在这些实施例中，多个热敏电阻中的每个都被布置成与多个第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘热接触，并且柔性电路进一步包括多个导电迹线，所述导电迹线提供对多个热敏电阻的访问。
第三装置的一些实施例进一步包括柔性第三层和导电水凝胶层。在这些实施例中，柔性第三层被配置成支撑柔性电路。柔性第三层具有正面。柔性第三层的正面的第一部分涂有粘合剂，所述粘合剂粘附到人皮肤并且是可容易地从皮肤移除的。第一部分相对于柔性电路向外定位，使得当靠着皮肤的区域按压第一部分时，第一部分上的粘合剂将粘附到皮肤并且保持多个第二柔性聚合物区域邻近皮肤。导电水凝胶层被布置在第一柔性聚合物区域中的每个的正面上和布置在第二柔性聚合物区域中的每个的正面上，并且水凝胶被定位成当第二柔性聚合物区域中的每个通过粘合剂保持邻近皮肤时，与皮肤进行接触。
在第三装置的一些实施例中，聚合物区域中的每个具有小于5μm的厚度。在第三装置的一些实施例中，第二导电焊盘中的每个包括多个导电子区域，所述导电子区域通过可烧蚀导电链路互连。
第三装置的一些实施例进一步包括柔性第三层、导电水凝胶层和多个热敏电阻。柔性第三层被配置成支撑柔性电路。柔性第三层具有正面。柔性第三层的正面的第一部分涂有粘合剂，所述粘合剂粘附到人皮肤并且是可容易地从皮肤移除的。第一部分相对于柔性电路向外定位，使得当靠着皮肤的区域按压第一部分时，第一部分上的粘合剂将粘附到皮肤并且保持多个第二柔性聚合物区域邻近皮肤。导电水凝胶层被布置在第一柔性聚合物区域中的每个和第二柔性聚合物区域中的每个的正面上，并且水凝胶被定位成当第二柔性聚合物区域中的每个通过粘合剂保持邻近皮肤时，与皮肤进行接触。多个热敏电阻被定位在柔性电路的后侧上，并且多个热敏电阻中的每个被布置成与多个第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘热接触。柔性电路进一步包括多个导电迹线，所述导电迹线提供对多个热敏电阻的访问。可选地，在这些实施例中，聚合物区域中的每个具有小于5μm的厚度。
附图说明
图1描绘了用于输送TTField的现有技术换能器阵列。
图2描绘了换能器阵列的第一实施例的布局，其中四个角元件(corner element)的电容低于更中心地定位的元件的电容。
图3描绘了用于通过改变一组介电陶瓷元件的背侧上的导电金属化的面积来降低电容的三种不同方法。
图4描绘了换能器阵列的第二实施例的布局，其中六个端部元件(end elemen)的电容低于更中心地定位的元件的电容。
图5A和5B描绘了使用柔性电路来实现换能器阵列的实施例的前视图和侧(横截面)视图。
图6A、6B和6C描绘了使用柔性电路来实现换能器阵列的另一实施例的前视图、侧(横截面)视图和分解视图。
图7A和7B描绘了使用柔性电路来实现换能器阵列的另一实施例的前视图和侧(横截面)视图。
图8描绘了用于经过通过将空隙(void)并入到PCB焊盘(或金属片)中来减小用作电容器的极板(plate)的PCB焊盘(或金属片)的面积来降低电容的方法。
图9描绘了PCB焊盘布局，其为更外围地定位的焊盘提供更低的电容。
图10描绘了用于通过烧蚀薄导电链路来降低柔性电路的特定区域的电容的替代方法。
下面参考附图详细描述各种实施例，其中相同的参考标号表示相同的元件。
具体实施方式
用于向患者的身体输送TTField的换能器阵列中的电极元件在使用期间可能过热，从而需要电压中的降低以避免超过(overshooting)温度安全阈值(～41℃)。这导致电流中的降低，这可能降低治疗的功效。
可能导致任何给定元件过热的一个因素是元件和受试者的皮肤之间的不良连接，例如，如果电极元件和皮肤之间的水凝胶由于胶带粘附力中的降低而熔化或与皮肤断开，则这可能发生。但是在检查从9元件3×3换能器阵列捕获的温度数据之后，发明人认识到另一个因素也在起作用。
更具体地，当80个现有技术换能器阵列用于向20个随机选择的人类受试者施加TTField时，发明人从那些阵列获得温度数据。每个换能器阵列具有布置成3×3阵列的9个陶瓷元件，并且任何给定换能器阵列中的所有陶瓷元件的构造都是相同的。数据包括来自每个换能器阵列内的个体陶瓷元件的温度测量值(使用并入换能器阵列内的热敏电阻获得)。分析温度测量数据以确定任何给定换能器阵列中的哪个陶瓷元件首先达到41.1℃(在这种情况下，需要电压降低以防止该元件过热)。该分析显示，在超过90％的时间里，首先达到41.1℃的陶瓷元件是四个角元件之一。并且要注意，在这些情况下，最热的元件和最冷的元件之间的温度中的差通常在3和5℃之间。计算机模拟还表明，流过角元件的电流高于非角元件。
还分析了温度测量数据以找到每个盘位置的平均温度和标准偏差。该分析显示四个角元件的平均温度为37.84℃(标准偏差＝1.32；N＝639413个温度读数)，而测量的所有非角元件的平均温度为37.14℃(标准偏差＝1.15；N＝641708个温度读数)。这意味着，平均而言，四个角元件比测量的非角元件运行得高0.7℃。
发明人认识到，阵列的角/端部电极元件比非角元件运行得更热是有问题的，因为当角元件运行得更热时，它们将降低可以由给定换能器阵列输送的最大电流(这可能限制治疗的功效)。
本文中所述的实施例通过抢先(preemptively)降低流过每个换能器阵列的角/端部元件的电流(如与流过更中心元件的电流相比)以便抢先降低角/端部元件的温度上升，来平衡掉(balance out)给定换能器阵列中电极元件的平均预期温度增加。值得注意的是，这种电流中的降低并不是通过增加角/端部元件的欧姆电阻来实现的(因为这将导致I2R发热)。代之以，电流中的降低是通过降低角/端部元件的电容来实现的(如与更中心地定位的元件的电容相比)。
通过参考以下详细描述、示例、附图和权利要求及其先前和后面的描述，可以更容易地理解本发明。然而，要理解，除非另外规定，本发明不限于所公开的具体装置、设备、系统和/或方法，并且因此当然可以变化。
标题仅为了方便起见而提供，并且不要被解释为以任何方式限制本发明。在本公开的任何标题下或任何部分中说明的实施例可以与在本公开的相同或任何其他标题或其他部分下说明的实施例组合。
本文中在其所有可能变体中描述的元素的任何组合被本发明包含，除非本文中另外指示或以其他方式与上下文明显矛盾。
如说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指示物，除非上下文另外明确规定。
图2描绘了换能器阵列200的第一实施例的布局，其中由介电材料(例如，陶瓷元件)制成的九个圆形元件A1-A9被布置在3×3阵列中，并由衬底250支撑。所有的元件A1-A9的质心被标记为“C”，并且衬底250在围绕质心分布的相应位置处支撑元件。在该实施例中，四个角元件(即A1、A3、A7和A9，用星号标记)的电容低于更中心地定位的元件A2、A4、A5、A6和A8的电容。元件A1-A9中的每个的背面具有导电涂层(例如，被金属化或镀银)，并且元件A1-A9中的每个的前部在使用期间面向受试者定位。优选地，在使用期间，水凝胶层被布置在元件中的每个的正面和受试者的皮肤之间。
一个或多个电导体(例如，柔性电路上的布线或迹线，未示出)连接至元件A1-A9中的每个的金属化背面。优选地，该布线被配置成使得所有的金属化背面电连接到单个导电线或迹线，这意味着所有的元件A1-A9的电容并联布置。温度传感器(例如，热敏电阻，未示出)优选地定位成与元件A1-A9中的一些或全部热接触，例如，类似于现有技术中定位热敏电阻的方式。温度传感器和元件之间的热接触可以是直接的或间接的。
如在现有技术中一样，当第一换能器阵列200靠着人体的一侧上的人的皮肤定位，并且第二换能器阵列200靠着人体的相对侧上的人的皮肤定位，并且在第一和第二换能器阵列的引线之间施加AC电压时，电流被电容地耦合至人体中。但是图2的实施例不同于现有技术，因为角元件A1、A3、A7和A9(其相对于质心C更外围地定位)的电容低于更中心地定位的元件A2、A4、A5、A6和A8的电容。
任何给定陶瓷元件的电容：(a)与陶瓷元件的背侧上的金属化/镀银的面积成比例；(b)与陶瓷元件的介电常数成比例；以及(c)与陶瓷元件的厚度成反比。如与其他元件的电容相比，这三个参数中的任何参数都可以改变，以降低角元件的电容。陶瓷元件可以具有平坦且均匀的表面，但是在替代实施例中，陶瓷元件可以不是平坦的。
图3描绘了用于通过改变介电陶瓷元件的背侧上的导电金属化的面积来降低图2中的角元件的电容的三种不同方法。更具体地，图3中左上幅(panel)描绘了图2中的中心元件A2、A4、A5、A6和A8的陶瓷元件210上的金属化212的范围。图3中的下一幅描绘了元件220上的金属化图案222，金属化图案222具有比金属化图案212小的面积。因为元件220的金属化图案222具有比金属化图案212小的直径，所以由元件220提供的电容将低于元件210的电容。注意，当金属化图案222更小时，陶瓷元件220的直径可以可选地减小。
图3中的下一幅描绘了元件230上的不同金属化图案232，金属化图案232具有比金属化图案212小的面积。尽管金属化图案232和212两者具有相同的直径，但是因为金属化图案232具有圆形空隙235，所以金属化图案232的面积将小于金属化图案212的面积。结果，由元件230提供的电容将低于元件210的电容。类似地，图3中的底幅描绘了元件240上的又一金属化图案242，金属化图案242具有比金属化图案212小的面积。尽管金属化图案242和212两者具有相同的直径，但是因为金属化图案242具有矩形空隙245，所以金属化图案242的面积将小于金属化图案212的面积。结果，由元件240提供的电容将低于元件210的电容。
因此，通过对中心元件A2、A4、A5、A6和A8使用金属化布局212并对角元件A1、A3、A7和A9使用金属化布局222、232、242中的任一种，图3中所描绘的陶瓷元件可以用于形成(create)图2中所描绘的换能器阵列，以在角元件处提供较低的电容。例如，为了将角元件的电容降低10％，那些元件中的金属化的面积应该减少10％。
替代地，通过保持金属化的面积恒定并在四个拐角处使用较厚的陶瓷元件，可以降低角元件处的电容(相对于中心元件的电容)。例如，为了将角元件的电容降低10％，拐角处的陶瓷元件的厚度应该比中心陶瓷元件的厚度高10％。
作为又一替代方案，通过保持金属化的面积恒定并在四个拐角处使用具有较低介电常数的陶瓷元件，可以降低角元件处的电容(相对于中心元件的电容)。例如，为了将角元件的电容降低10％，拐角处的陶瓷元件的介电常数应该比中心陶瓷元件的介电常数低10％。
作为又一替代方案，通过使用其电容可在其原始制造的日期后定制的元件，可以降低角元件处的电容(相对于中心元件的电容)。在该方法中，每个元件最初制造有一个或多个子区域266，子区域266通过薄的可烧蚀导电链路268连接到主区域262。在元件初始状态中，元件的金属化的面积是主区域262和子区域266的面积之和。
在元件的初始制造后的某个时刻，通过烧蚀导电链路268降低了角元件的电容。链路268的烧蚀可以使用多种替代方法(例如，用激光对它们进行爆破(blasting)或使足够高的电流通过链路268(类似于烧断熔丝))来实现。在烧蚀那些链路之后，角元件中的相应子区域266有效地与电路断开，这减小了角元件的有效面积(active area)。并且因为中心元件的导电链路268没有被烧蚀，所以中心元件将具有比角元件更高的有效面积(以及相应的更高的电容)。
返回到图2，假设第一换能器阵列200靠着人体的一侧上的人的皮肤定位，并且第二换能器阵列200靠着人体的相对侧上的人的皮肤定位，并且在第一和第二换能器阵列的引线之间施加AC电压。进一步假设角元件A1、A3、A7和A9的电容比中央元件A2、A4、A5、A6和A8的电容低10％。(电容中的降低可以使用上述方法中的任何方法来实现。)在这种情况下，通过角元件耦合的电流将比如果角元件的电容与中心元件的电容相同则其将已经具有的电流低大约10％。并且角元件处电流中的该降低将降低角元件的温度。
现在让我们分析降低角元件的电容带来的益处。为了比较的目的，我们通过看现有技术情况开始，在现有技术情况中，所有元件由具有幅度X的AC电压驱动，并且换能器阵列中所有元件的电容是相同的。假设在操作期间，现有技术换能器阵列的角元件的温度达到41℃，但是非角元件的温度仅为39℃。在这些情况下，角元件处理最高可能的电流以避免过热。但是，因为非角元件在41℃以下操作，所以它们必然处理比它们在不过热的情况下可以安全处理的电流低的电流。
现在假设图2的情况，其中所有元件由具有相同幅度X的AC电压驱动，但换能器阵列中的角元件的电容已降低了将角元件的温度降低2℃所需的任何百分比。在这些情况下，换能器阵列200中的所有的元件将在39℃下操作，这意味着所有的元件处理比它们在不过热的情况下可以安全处理的电流低的电流。
由于所有的元件处理比它们可以安全处理的电流更小的电流，因此电压幅度可以增加到超过X到将角元件的温度升高到41℃的任何幅度。此时，角元件将处理与它们在上述现有技术情况下处理的相同的电流。但是因为图2实施例中的非角元件现在由更高的电压驱动，所以图2实施例中的非角元件将处理比现有技术情况下的非角元件更多的电流。这意味着由图2换能器阵列处理的总电流(即由角元件和非角元件处理的电流之和)将高于现有技术情况下处理的总电流。并且电流中的该增加可以提高治疗的功效。
图4描绘了换能器阵列200′的第二实施例的布局，其中由介电材料(例如，陶瓷元件)制成的13个圆形元件B1-B13被布置成三行，并由衬底250支撑。所有的元件B1-B13的质心被标记为“C”，并且衬底250在围绕质心分布的相应位置处支撑元件。图4实施例的构造和使用类似于上述图2实施例的构造和使用，除了在图4实施例中，六个端部元件(即B1、B4、B5、B9、B10和B13，用星号标记)的电容低于更中心地定位的元件B2、B3、B6-B8、B11和B12的电容。用于降低图2/3实施例中的角元件的电容的上述方法中的任何方法都可以用于降低该图4实施例中任何给定行中的端部元件的电容。对于这些方法中的每种方法，可以通过控制每个电极元件的电容或者通过改变给定阵列内的电极元件组的电容来平衡电流，这可以使用两个、三个或者多于三个不同的电极元件组来实现。
任何给定行中端部元件的电容中的降低将导致电流中的相应降低，这将降低端部元件的温度(如与其中所有元件的电容是相同的换能器阵列相比)。在该图4实施例中降低端部元件的电容所带来的益处类似于在图2实施例中降低角元件的电容所带来的益处。
注意，虽然在上述图2-4实施例中，在其背面布置有金属层的陶瓷介电材料的圆形片用作电极元件，但电极元件不必是圆形的，并且也可以使用替代的形状(例如，陶瓷介电材料的平坦的方形或六角形片)。
此外，降低换能器阵列(参见例如图2)的拐角中的电极元件的电容或降低换能器阵列(参见例如图4)中的每行的两个端部处的电极元件的电容的上述技术不限于使用其背面上布置有金属层的陶瓷介电材料构造的电极元件。相反——降低换能器阵列的拐角中或换能器阵列中每行的端部处的电极元件的电容的技术可以应用于使用多种替代构造构建的换能器阵列。
现在，将结合图5-7描述用于构造换能器阵列的替代方法的一些示例，随后是描述当使用那些版本的换能器阵列时，可以如何改变角/端部元件的电容。
下面结合图5-7所述的实施例依赖于最近发现的聚合物组合物，该聚合物组合物具有比常规聚合物显著更高的介电常数。更具体地，这些最近发现的聚合物组合物的介电常数足够高以构建换能器阵列，该换能器阵列可以通过聚合物绝缘层将AC信号有效地电容地耦合到人体中。注意，在本文中描述的所有实施例中，电极或换能器阵列的前部是面向人体的一侧，而电极或换能器阵列的后部是相对侧。
图5A和5B描绘了使用柔性电路实现换能器阵列的实施例的前和侧(横截面)视图。该实施例用于将TTField施加到活体。该图5实施例具有柔性电路，该柔性电路包括(a)定位在柔性电路25的前侧的多个导电焊盘20(例如铜焊盘)。导电焊盘20中的每个都具有一定面积。至少一个导电迹线(未示出)被布置成与多个导电焊盘20电接触。至少一个导电迹线被布置成使得导电焊盘20中的每个可以由电信号驱动。
该实施例还具有多个柔性聚合物区域30。如图5A中所描绘的，这些柔性聚合物区域30可以是单个连续聚合物材料片内的区域。替代地，这些区域30可以是由间隙分离的柔性聚合物的离散部分(或“岛”)。柔性聚合物区域30中的每个具有正面，并且布置在柔性电路25的前侧上的相应的导电焊盘20之一的上方和前方。
该实施例中聚合物区域30的规格如下：(1)在100kHz和500kHz之间的至少一个频率下，聚合物区域30中的每个具有至少20的介电常数；以及(2)聚合物区域30中的每个在垂直于其正面的方向上具有小于20μm的厚度。在一些实施例中，聚合物区域30中的每个的厚度乘以其介电强度是至少50V，并且在一些实施例中，该值是至少200V。例如，如果厚度为10μm并且介电强度为30MV/m，则该值将为300V。
在一些优选实施例中，聚合物区域30包括聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯)和/或聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-1-氯氟乙烯)。那两种聚合物在本文中分别缩写为“聚(VDF-TrFE-CtFE)”和“聚(VDF-TrFE-CFE)”。这些实施例是特别有利的，因为这些材料的介电常数大约为40。因为TTField通过电极10电容地耦合，并且因为电容与介电层的厚度成反比，所以聚合物区域30优选地是尽可能薄的(例如，小于10μm或小于5μm)。另一方面，聚合物区域30不应该太薄，因为那可能削弱可制造性，损害该层的结构完整性，并且当施加AC信号时有介电击穿(breakdown)的风险。在一些实施例中，聚合物区域30具有至少1μm的厚度。在一些实施例中，聚合物区域30为1-5μm之间厚，或者为1-3μm之间(例如，大约2μm)厚，这在上述参数之间提供了良好的平衡。在一些实施例中，聚合物区域30的厚度是均匀的。但是在替代实施例中(例如，如下所述)，厚度可以是不均匀的。
可选地，可以将陶瓷纳米颗粒混合到聚(VDF-TrFE-CtFE)和/或聚(VDF-TrFE-CFE)中，以形成“纳米复合材料”。可选地，这些陶瓷纳米颗粒可以包括铁电金属氧化物(例如，钛酸钡和钛酸锶钡中的至少一种)。
在替代实施例中，代替由聚(VDF-TrFE-CtFE)和/或聚(VDF-TrFE-CFE)形成聚合物区域30，可以使用提供高水平电容的不同聚合物。对这些不同聚合物的要求如下：(1)在100kHz和500kHz之间的至少一个频率下，聚合物层具有至少20的介电常数；以及(2)聚合物层在垂直于聚合物层的正面的方向上具有小于20μm的厚度。在一些实施例中，聚合物层的厚度乘以其介电强度是至少50V，并且在一些实施例中，该值是至少200V。注意，本文中指定的介电常数和击穿电压的值是在30-42℃的温度范围内指定的，并且该温度范围之外的那些参数的值不太相关。
可以用于代替聚(VDF-TrFE-CtFE)和/或聚(VDF-TrFE-CFE)的替代聚合物的示例包括以下各项：(1)混合到聚(VDF-TrFE)、P(VDF-HFP)、PVDF或其他聚合物中的至少一种中的陶瓷纳米颗粒；以及(2)混合到聚(VDF-TrFE)、P(VDF-HFP)、PVDF(其中聚(VDF-TrFE)、P(VDF-HFP)和PVDF分别是聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)和聚偏二氟乙烯)中的至少一种中的钛酸钡和/或钛酸锶钡陶瓷纳米颗粒。在其他实施例中，聚合物区域30通过将陶瓷纳米颗粒混合到至少一种其他聚合物(即，上面在本段中未列出的聚合物)中而形成。
在该图5实施例中，多个聚合物区域30可以被直接印刷、喷涂或浇铸到多个导电焊盘20上，这使得获得非常薄的聚合物层容易得多。在一些实施例中(例如，在其中聚合物区域30被直接印刷、喷涂或浇铸到导电焊盘20上的那些实施例中)，聚合物区域具有小于5μm的厚度。
增加被导电焊盘20覆盖的总面积将增加整个设备的电容。在一些实施例中，多个导电焊盘20的面积总共加起来至少为25cm2。
图5实施例可以使用类似绷带的柔性第三层来附到人的皮肤。在这些实施例中，柔性第三层40定位在柔性电路25的后面。柔性第三层40具有正面。第三层40的正面的至少一部分涂有粘合剂。粘合剂的第一区域直接定位在柔性电路25的后面并支撑柔性电路25，并且粘合剂的第二区域相对于第一区域向外定位。(这是没有被图5A中的柔性电路覆盖的部分。)该第二区域被构造成当靠着皮肤的区域按压时，粘附到皮肤并保持多个聚合物区域30邻近皮肤。在第二区域中使用的粘合剂也应该是可容易地从皮肤移除的。尽管柔性第三层40保持多个聚合物区域30邻近皮肤，但是可以在聚合物区域30和皮肤之间插入导电水凝胶层50，并且聚合物区域30和皮肤之间的关系将仍然被认为是“邻近的”(这适用于该图5实施例以及本文中描述的其他实施例)。在这种情况下，水凝胶层50布置在聚合物区域30中的每个的正面上。当聚合物区域30中的每个通过粘合剂的第二区域保持邻近皮肤时，水凝胶50被定位成与皮肤进行接触。
在图5实施例的变体中，使用不同的方法以使用柔性第三层来保持聚合物区域邻近皮肤。在这些实施例中，柔性第三层被配置成支撑柔性电路。柔性第三层具有正面，并且可选地可以包括对应于导电焊盘20的位置的多个切开的(cut-out)开口区域。柔性第三层的正面的第一部分涂有粘合剂，该粘合剂粘附到人皮肤并且是可容易地从皮肤移除的。该第一部分相对于柔性电路25向外定位，使得当靠着皮肤的区域按压第一部分时，第一部分上的粘合剂将粘附到皮肤并保持多个聚合物区域30邻近皮肤。如在先前的实施例中，导电水凝胶层50可以被布置在聚合物区域30中的每个的正面上。水凝胶50被定位成当聚合物区域30中的每个通过粘合剂保持邻近皮肤时，与皮肤进行接触。
多个热敏电阻可以并入到该图5实施例中。实现这一点的一种方式是将多个热敏电阻60定位在柔性电路25的后侧上(即，在柔性电路25和柔性第三层40之间)，其中多个热敏电阻60中的每个定位成与多个导电焊盘20中的相应的一个导电焊盘热接触。在这些实施例中，柔性电路25进一步包括多个导电迹线，该导电迹线提供对多个热敏电阻60的访问。在替代实施例中(未示出)，热敏电阻60可以定位在导电焊盘20之间。然而，在这种情况下，应在热敏电阻的前方提供附加的绝缘。
图6A、6B和6C描绘了使用柔性电路来实现换能器阵列的另一实施例的前视图、侧(横截面)视图和分解图。该实施例也用于将TTField应用于活体。但是代替使用集成到柔性电路中的导电焊盘(如在上述图5实施例中)，图6实施例依赖于定位在柔性电路的前方并且电连接到柔性电路的相应焊盘的多个金属箔片。
图6实施例具有柔性电路145，柔性电路145包括(a)定位在柔性电路145的前侧上的多个导电焊盘140，以及(b)布置成与多个导电焊盘140电接触的至少一根导电迹线(未示出)。至少一个导电迹线被布置成使得导电焊盘140中的每个可以由电信号驱动。多个金属箔片120被定位在柔性电路145的前方，并且那些片120中的每个都有具有一定面积的正面。所述片120中的每个被电连接到导电焊盘140中的相应的一个导电焊盘。
所述片120中的每个和导电焊盘140中的相应的一个导电焊盘之间的电连接可以如图6B中所描绘的那样通过将绝缘层130定位在所述片120中的每个和相应的导电焊盘140之间来实现。该图6B实施例中的绝缘层130在多个金属箔片120中的每个后面具有开口，并且导电路径(例如，金属、焊料等)通过该开口来提供。
图6实施例的所有变体还具有多个柔性聚合物区域30，柔性聚合物区域30中的每个均具有正面并被布置在多个金属箔片120中的相应的一个金属箔片的上方和前方。该实施例中聚合物区域30的规格如下：(1)在100kHz和500kHz之间的至少一个频率下，聚合物区域30中的每个具有至少20的介电常数；以及(2)聚合物区域30中的每个在垂直于其正面的方向上具有小于20μm的厚度。在一些实施例中，聚合物区域30中的每个的厚度乘以其介电强度为至少50V，并且在一些实施例中，该值为至少200V。上面结合图5实施例讨论的聚合物材料中的任何聚合物材料都可以用于实现该图6实施例中的聚合物区域30。
在该图6实施例中，多个聚合物区域30可以被直接印刷、喷涂或浇铸到金属箔片120上，这使得获得非常薄的聚合物层容易得多。在一些实施例中(例如，在其中聚合物区域30被直接印刷、喷涂或浇铸到金属箔片120上的那些实施例中)，聚合物区域具有小于5μm的厚度。
增加被金属箔片120覆盖的总面积将增加整个设备的电容。在一些实施例中，多个金属箔片的面积总共加起来至少为25cm2。
图6实施例可以使用柔性第三层40来附到人的皮肤，柔性第三层40的性质类似于上面结合图5实施例所述的柔性第三层。此外，导电水凝胶层50可以被布置在聚合物区域中的每个的正面上，如上面结合图5实施例所述。
多个热敏电阻也可以并入到该图6实施例中，如上面结合图5实施例所述。
图7A和7B图示了类似于上述图6实施例的实施例，除了其使用替代方法来实现金属箔片120中的每个与导电焊盘140中的相应的一个导电焊盘之间的电连接之外。如在图6方法中，绝缘层130被定位在所述片120中的每个和相应的导电焊盘140之间。但是该图7实施例中的绝缘层130在多个金属箔片120中的每个后面没有开口。代之以，该图7实施例中的绝缘层130是连续的。使用导电焊盘140和金属箔片120之间的侧面或边缘电连接160形成金属箔片120中的每个和柔性电路的导电焊盘140之间的电连接。
为了使用图5-7中的任何图中所描绘的换能器阵列，将一对换能器阵列附到人体中的目标区域的相对侧上的人的皮肤，并在那两个换能器阵列之间施加AC电压。导电焊盘20中的每个(在图5实施例中)或金属箔片120(在图6-7实施例中)充当个体电容器的极板，并且相应的聚合物区域30中的每个充当该电容器的绝缘层。然后，AC电场将通过那些电容器电容地耦合到人体内。
当所有的那些电容器具有相同的电容时，由于与图1中所描绘的现有技术换能器阵列中相同的原因，将预期角/端部焊盘20(或金属箔片120)的温度比更中心地定位的焊盘/片更频繁地过热。但是，如果图5-7实施例中的角/端部焊盘20(或片120)的电容相对于更中心地定位的焊盘/片降低，则任何给定换能器阵列的所有焊盘20(或片120)之间的温度可以由于与上述图2-4实施例中相同的原因而被均衡。
图8描绘了一种用于通过使用在换能器阵列的角/端部处具有较小面积的焊盘(或片)(如与换能器阵列的更中心地定位的部分相比)来降低图5-7实施例中的角/端部焊盘20(或片120)的电容的方法。更具体地，如果更中心地定位的焊盘20(或片120)具有类似于上部区域310的面积，并且更外围地定位的焊盘20(或片120)具有类似于区域320(其小于区域310)、区域330(其具有圆形空隙335)或下部区域340(其具有矩形空隙345)的面积，则更外围地定位的焊盘20(或片120)的面积将小于更中心地定位的焊盘20(或片120)的面积。因为焊盘20(或片120)作为电容器的极板来操作，所以面积中的减小将导致更外围地定位的焊盘20(或片120)相对于更中心地定位的焊盘20(或片120)的电容的降低。这将降低流过更外围地定位的焊盘20(或片120)的电流，这将降低那些焊盘20(或片120)处的温度。
图9描绘了图5-7实施例中PCB焊盘的合适布局的一个示例，其通过定制印刷电路焊盘的图案为更中心地定位的焊盘提供更高的电容，并且为更外围地定位的焊盘提供更低的电容。更具体地，在该示例中，中心焊盘410具有100％的面积覆盖，以提供最大量的电容；顶部、底部、右侧和左侧焊盘420具有较小百分比的面积覆盖，以提供较低水平的电容；并且角焊盘430具有甚至更小百分比的面积覆盖，以提供甚至更低水平的电容。可选地，当制造柔性电路时，可以通过对每个印刷电路焊盘的面积覆盖的图案和/或那些焊盘的布局和大小进行定制设计来控制针对任何给定患者的电场分布。因此，可以通过在给定阵列内使用不同面积覆盖的焊盘来平衡电流，这可以通过使用两种、三种或多于三种不同面积大小来实现。
图10描绘了用于改变由柔性电路的原始制造商的日期之后的柔性电路的任何给定焊盘提供的面积覆盖的图案的替代方法。在这种方法中，柔性电路最初被制造成具有多个区域500，所述区域中的每个区域具有多个子区域510，所述子区域通过薄的可烧蚀导电链路520互连(如图10中的细节i所描绘)，并且AC电压通过引线530被施加到那些子区域510中的单一子区域。注意，尽管在图10中所描绘的示例中有布置成3×3阵列550的九个区域500，但是区域500的数量可以变化(例如，在9和30之间)，那些区域500的布置也可以变化。
在柔性电路的初始制造后的某个时刻，通过烧蚀通向那些子区域510的导电链路520来断开选定数量的子区域510。例如，在细节ii中，通向标记为G和N的子区域510的所有链路已经被烧蚀。并且在细节iii中，通向标记为G、I、L和N的子区域510的所有链路都被烧蚀。链路520的烧蚀可以使用多种替代方法(例如，用激光对它们进行爆破或者使足够高的电流通过链路520(类似于烧断熔丝))来实现。在烧蚀那些链路之后，相应子区域510有效地与电路断开，这减小了有效面积，这降低了相应区域500的电容。
该方法可以用于通过烧蚀定位在整个阵列550的拐角中的区域500内的特定链路520，来降低定位在任何给定阵列的拐角中的区域的电容(如上所述)。并且有利地，这种方法可以在柔性电路的初始制造之后的时间使用(例如，以定制整个阵列550的部分的电容，以匹配个体患者的需要)。
也可以使用用于降低角/端部焊盘20(或片120)的电容的其他方法，包括通过增加相应聚合物区域30的厚度或降低相应聚合物区域30的介电常数来降低那些焊盘或片的电容。在每种情况下，通过在给定阵列内使用具有不同厚度的聚合物区域的焊盘，或者通过在给定阵列内使用具有不同介电常数的聚合物区域的焊盘，该方法可以用于平衡电流，这可以分别通过使用两种、三种或多于三种不同的厚度或介电常数中的变化来实现。
虽然已经参考特定实施例公开了本发明，但在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的领域和范围的情况下，对所述实施例的多种修改、变更和改变是可能的。因此，本发明旨在不限于所描述的实施例，而是其具有由以下权利要求的语言及其等同物所限定的全部范围。

Claims (20)

1.一种用于向活体施加交变电场的装置，所述装置包括：
多个导电区域，导电区域中的每个具有正面和相应的面积；
介电材料的多个区域，区域中的每个具有(i)相应的正面和(ii)靠着导电区域中的相应的一个导电区域的正面布置的相应背面；
衬底，其被配置成将介电材料的多个区域的正面保持在受试者的身体上或身体中，并且在围绕质心分布的相应位置处支撑多个导电区域；以及
至少一个电导体，其被布置成与多个导电区域电接触，
其中，多个导电区域包括至少一个第一导电区域和多个第二导电区域，其中，第二导电区域中的每个相对于质心比所述至少一个第一导电区域更外围地定位，并且其中第二导电区域中的每个的面积比第一导电区域中的每个的面积小至少10％。
2.根据权利要求1所述的装置，其中介电材料的区域中的每个包括陶瓷盘，并且其中多个导电区域中的每个包括布置在陶瓷盘中的相应的一个陶瓷盘的背面上的金属层。
3.根据权利要求1所述的装置，其中介电材料的区域中的每个包括平坦的陶瓷材料片，并且其中，多个导电区域中的每个包括布置在陶瓷材料片中的相应的一个陶瓷材料片的背面上的金属层。
4.根据权利要求1所述的装置，其中多个导电区域中的每个包括印刷电路的焊盘，并且其中介电材料的区域中的每个包括聚合物膜。
5.根据权利要求1所述的装置，其中多个导电区域中的每个包括印刷电路的焊盘，并且其中介电材料的区域中的每个使用单个连续聚合物膜的不同部分来实现。
6.根据权利要求1所述的装置，其中多个导电区域中的每个包括金属箔层，并且其中介电材料的区域中的每个包括聚合物膜。
7.根据权利要求1所述的装置，其中多个导电区域中的每个包括金属箔层，并且其中介电材料的区域中的每个使用单个连续聚合物膜的不同部分来实现。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括粘合剂层，所述粘合剂层被配置成保持衬底靠着人的皮肤，使得介电材料的多个区域的正面面向受试者的身体。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个导电区域包括：至少一个第一导电区域、和多个第二导电区域以及多个第三导电区域，其中第三导电区域中的每个相对于质心比多个第二导电区域更外围地定位，并且其中第三导电区域中的每个的面积比第二导电区域中的每个的面积小至少10％，并且其中第二导电区域中的每个相对于质心比至少一个第一导电区域更外围地定位，并且其中第二导电区域中的每个的面积比第一导电区域中的每个的面积小至少10％。
10.一种用于向活体施加交变电场的装置，所述装置包括：
多个导电区域，导电区域中的每个具有正面和相应的面积；
介电材料的多个区域，区域中的每个具有(i)相应的正面和(ii)靠着导电区域中的相应的一个导电区域的正面布置的相应背面；
衬底，其被配置成将介电材料的多个区域的正面保持在受试者的身体上或身体中，并且在围绕质心分布的相应位置处支撑多个导电区域；
多个温度传感器，温度传感器中的每个被布置成与介电材料的相应区域热接触；以及
至少一个电导体，其被布置成与多个导电区域电接触，
其中，多个导电区域包括至少一个第一导电区域和多个第二导电区域，其中，第二导电区域中的每个相对于质心比所述至少一个第一导电区域更外围地定位，并且其中与第二导电区域中的每个相关联的电容比与第一导电区域中的每个相关联的电容低至少10％。
11.根据权利要求10所述的装置，其中第二导电区域中的每个具有比第一导电区域中的每个的面积小至少10％的面积。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，靠着第二导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域比靠着第一导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域厚至少10％。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，靠着第二导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域具有比靠着第一导电区域中的每个的正面布置的介电材料的区域的介电常数低至少10％的介电常数。
14.一种用于向活体施加交变电场的装置，所述装置包括：
柔性电路，其包括：(a)定位在柔性电路的前侧上的至少一个第一导电焊盘，第一导电焊盘中的每个具有第一面积，(b)定位在柔性电路的前侧上相对于至少一个第一导电焊盘是外围的位置处的多个第二导电焊盘，第二导电焊盘中的每个具有比第一面积小至少10％的相应面积，以及(c)至少一个导电迹线，其布置成与至少一个第一导电焊盘和多个第二导电焊盘电接触，其中至少一个导电迹线被布置成使得第一导电焊盘中的每个和第二导电焊盘中的每个能够由电信号驱动；
至少一个第一柔性聚合物区域，第一柔性聚合物区域中的每个具有正面，并且被布置在柔性电路的前侧上的至少一个第一导电焊盘的相应的一个第一导电焊盘的上方和前方；以及
多个第二柔性聚合物区域，第二柔性聚合物区域中的每个具有正面并且被布置在柔性电路的前侧上的第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘的上方和前方，
其中，在100kHz和500kHz之间的至少一个频率下，聚合物区域中的每个具有至少20的介电常数，并且
其中，聚合物区域中的每个在垂直于其正面的方向上具有小于20μ m的厚度。
15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括定位在柔性电路的后侧上的多个热敏电阻，其中多个热敏电阻中的每个被布置成与多个第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘热接触，
其中，柔性电路进一步包括多个导电迹线，所述导电迹线提供对多个热敏电阻的访问。
16.根据权利要求14所述的装置，进一步包括：
柔性第三层，其被配置成支撑柔性电路，柔性第三层具有正面，其中(a)柔性第三层的正面的第一部分涂有粘合剂，所述粘合剂粘附到人皮肤并且是可容易地从皮肤移除的，以及(b)第一部分相对于柔性电路向外定位，使得当靠着皮肤的区域按压第一部分时，第一部分上的粘合剂将粘附到皮肤并且保持多个第二柔性聚合物区域邻近皮肤；以及
导电水凝胶层，其被布置在第一柔性聚合物区域中的每个的正面上和第二柔性聚合物区域中的每个的正面上，其中水凝胶被定位成当第二柔性聚合物区域中的每个通过粘合剂保持邻近皮肤时，与皮肤进行接触。
17.根据权利要求14所述的装置，其中聚合物区域中的每个具有小于5μ m的厚度。
18.根据权利要求14所述的装置，其中，第二导电焊盘中的每个包括多个导电子区域，所述导电子区域通过可烧蚀导电链路互连。
19.根据权利要求14所述的装置，进一步包括：
柔性第三层，其被配置成支撑柔性电路，柔性第三层具有正面，其中(a)柔性第三层的正面的第一部分涂有粘合剂，所述粘合剂粘附到人皮肤并且是可容易地从皮肤移除的，以及(b)第一部分相对于柔性电路向外定位，使得当靠着皮肤的区域按压第一部分时，第一部分上的粘合剂将粘附到皮肤并且保持多个第二柔性聚合物区域邻近皮肤；以及
导电水凝胶层，其被布置在第一柔性聚合物区域中的每个和第二柔性聚合物区域中的每个的正面上，其中水凝胶被定位成当第二柔性聚合物区域中的每个通过粘合剂保持邻近皮肤时，与皮肤进行接触；以及
多个热敏电阻，其被定位在柔性电路的后侧上，其中多个热敏电阻中的每个被布置成与多个第二导电焊盘中的相应的一个第二导电焊盘热接触，
其中，柔性电路进一步包括多个导电迹线，所述导电迹线提供对多个热敏电阻的访问。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，聚合物区域中的每个具有小于5μ m的厚度。
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