KR102305635B1 - 피드백 제어를 갖는 고전압 아날로그 회로 펄서 - Google Patents

피드백 제어를 갖는 고전압 아날로그 회로 펄서 Download PDF

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마크 피. 크라이스
다비드 제이. 다니츠
다린 알. 워커
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펄스 바이오사이언스, 인크.
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Abstract

마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기가 개시된다. 전기장 발생기는 전원 공급 기구 제어 신호를 발생시키고 펄스 발생기 제어 신호를 발생시키는 제어기, 및 전원 공급 기구 제어 신호를 수신하고 수신된 전원 공급 기구 제어 신호에 기초하여 하나 이상의 전원 전압을 발생시키는 전원 공급 기구를 포함한다. 전기장 발생기는 또한 전원 전압들 및 펄스 발생기 제어 신호를 수신하고, 전원 전압들에 기초하여 그리고 펄스 발생기 제어 신호에 기초하여 하나 이상의 펄스를 발생시키는 펄스 발생기를 포함한다. 제어기는 펄스들의 특성 또는 결과의 값을 나타내는 하나 이상의 피드백 신호를 수신하고 수신된 피드백 신호들에 기초하여 전원 공급 기구 제어 신호 및 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나를 발생시킨다.

Description

피드백 제어를 갖는 고전압 아날로그 회로 펄서{HIGH-VOLTAGE ANALOG CIRCUIT PULSER WITH FEEDBACK CONTROL}
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2016년 5월 6일에 출원된 "피드백 제어를 갖는 고전압 아날로그 회로 펄서(HIGH-VOLTAGE ANALOG CIRCUIT PULSER WITH FEEDBACK CONTROL)"라는 명칭의 미국 출원 번호 15/148,344의 계속 출원이고, 2016년 2월 29일에 출원된 "고전압 아날로그 회로 펄서(HIGH-VOLTAGE ANALOG CIRCUIT PULSER)"라는 명칭의 미국 가 출원 번호 62/301,477의 혜택을 주장한다.
기술분야
본 출원은 일반적으로 비교적 저전압 트랜지스터에 의해 부하를 통해 방전되는 에너지 축적 소자의 사용을 포함하여, 전기 펄스들을 발생시키고 방전을 제어하기 위한 회로들 및 시스템들을 포함하는 에너지 펄스 기술들에 관한 것이다. 구체적으로, 펄스 기술들은 전기 요법을 위한 가변 지속 시간 나노초 펄스 전기장들(nsPEF, nanosecond pulsed electric fields)을 발생시키기 위해 사용된다.
종양의 외과 절제는 감염을 야기시키고 흉터를 남길 수 있다. 뿐만 아니라, 더 많은 종양이 있는 경우, 모든 암성 종양이 외과의에 의해 식별되고 개별적으로 절제되어야 한다. 이는 환자들에게 불편한 것은 물론이고, 시간 및 비용이 많이 들 수 있다.
환자 체내에 있는 암성 종양들은 감지 및 치료는 고사하고, 제거하기도 어려울 수 있다. 많은 환자의 삶은 그들의 몸에서 암을 발견함으로써 엉망이 되며, 이들은 때때로 감지되기 전 비교적 큰 종양들을 형성했다.
때때로 nsPEF로 약칭되는 "나노초 펄스 전기장(nanosecond pulsed electric field"은 0.1 나노초(ns)와 1000 나노초 사이의 마이크로초 미만 펄스 폭을 갖는, 또는 또는 그 외 해당 기술분야에 알려진 바와 같은 전기장을 포함한다. 그것은 때때로 마이크로초 미만 펄스 전기장으로 지칭된다. NsPEF들은 보통 고 피크 전압들, 이를테면 센티미터 당 10 킬로볼트(kV/cm), 20 kV/cm, 내지 500 kV/cm를 갖는다. nsPEF 기술을 이용한 생물학적 세포들의 처치는 보통 범위가 초 당 0.1 (Hz)에서 10,000 Hz에 이르는 주파수의 다수의 주기적인 펄스를 사용한다.
NsPEF들은 암성 종양의 세포 자멸을 유발하는 것으로 알려져있다. nsPEF들을 이용한 상기한 종양들의 선택적 치료는 그것의 비-가열적 성질에 기인하여 주변 조직의 정상 세포들에 실질적으로 영향을 미치지 않고 종양 세포들 내 자멸을 유도할 수 있다.
생물학적 세포들에 인가되는 nsPEF의 일례가 미국 특허 번호 6,326,177(Schoenbach 외)에 제시 및 설명되며, 이는 모든 용도로 그 전체가 참조로 본 출원에 원용된다.
종양들의 처치를 위한 nsPEF의 사용은 비교적 새로운 분야이다. 인간을 대상으로 하는 암의 안전하고 효과적인 연구 및 치료를 위해 전기적 특성들을 더 양호하게 제어하는 디바이스가 요구된다.
개괄적으로, 나노초 펄스 전기장(nsPEF) 펄스들의 하나 이상의 특성을 보상 또는 조절하기 위한 피드백 제어 시스템을 통합하는 nsPEF 발생기가 개시된다. 예를 들어, 공급 전압, 펄스 폭, 펄스들의 수, 펄스들의 주파수, 듀티 사이클, 또는 다른 특성 중 하나 이상이 측정된 파라미터에 응답하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 특성은 전류, 전압, 온도, 또는 다른 파라미터 중 하나 이상의 측정에 응답하여 조절될 수 있다.
nsPEF 처치들을 위한 고전압 단 지속 시간 펄스들을 발생시키기 위해, 나노초 펄스 전기장(nsPEF) 발생기가 사용된다. 발생되는 펄스들은 바람직하게는 하나 이상의 양상, 이를테면 지속 시간, 진폭, 상승/하강 시간, 및 처치되는 조직의 온도에 미치는 영향이 적어도 제어가능하다.
하나의 발명의 양상은 마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기이다. 상기 전기장 발생기는 전원 공급 기구 제어 신호를 발생시키도록 그리고 펄스 발생기 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제어기, 및 상기 전원 공급 기구 제어 신호를 수신하도록 구성되고 수신된 상기 전원 공급 기구 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 전원 전압을 발생시키도록 구성된 전원 공급 기구를 포함한다. 상기 전기장 발생기는 또한 상기 하나 이상의 전원 전압 및 상기 펄스 발생기 제어 신호를 수신하도록, 그리고 상기 전원 공급 기구로부터 수신된 상기 하나 이상의 전원 전압에 부분적으로 기초하여 그리고 상기 제어기로부터 수신된 상기 펄스 발생기 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 발생기를 포함한다 상기 제어기는 상기 펄스들의 특성 또는 결과의 값을 나타내는 하나 이상의 피드백 신호를 수신하도록 그리고 수신된 상기 하나 이상의 피드백 신호에 부분적으로 기초하여 상기 전원 공급 기구 제어 신호 및 상기 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성된다.
다른 발명의 양상은 하나 이상의 마이크로초 미만 펄스 전기장 펄스를 발생시키는 방법이다. 상기 방법은 제어기를 이용하여 전원 공급 기구 제어 신호를 발생시키는 단계, 상기 제어기를 이용하여 펄스 발생기 제어 신호를 발생시키는 단계, 및 전원 공급 기구에서 상기 하나 이상의 전원 공급 기구 제어 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 전원 공급 기구를 이용하여 상기 전원 공급 기구 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 전원 전압을 발생시키는 단계, 펄스 발생기에서 상기 하나 이상의 전원 전압 및 상기 펄스 발생기 제어 신호를 수신하는 단계, 및 상기 펄스 발생기를 이용하여, 상기 전원 공급 기구로부터 수신된 상기 하나 이상의 전원 전압에 부분적으로 기초하여 그리고 상기 제어기로부터 수신된 상기 펄스 발생기 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 펄스를 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 제어기에서, 상기 펄스들의 특성 또는 결과의 값을 나타내는 하나 이상의 피드백 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 추가적으로, 상기 전원 공급 기구 제어 신호 및 상기 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나는 수신된 상기 하나 이상의 피드백 신호에 부분적으로 기초하여 상기 제어기에 의해 발생된다.
다른 발명의 양상은 마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기이다. 상기 전기장 발생기는 전원 공급 기구 제어 신호를 발생시키도록 그리고 펄스 발생기 제어 신호를 제어기 출력에 발생시키도록 구성된 제어기, 및 상기 전원 공급 기구 제어 신호를 수신하도록 구성된 전원 공급 기구 입력을 포함하는 전원 공급 기구로서, 상기 전원 공급 기구는 하나 이상의 대응하는 전원 공급 기구 출력에 하나 이상의 전원 전압을 발생시키도록 구성되고, 상기 하나 이상의 전원 전압은 수신된 상기 전원 공급 기구 제어 신호에 부분적으로 기초하여 발생되는, 상기 전원 공급 기구를 포함한다. 상기 전기장 발생기는 또한 상기 하나 이상의 전원 전압 및 상기 펄스 발생기 제어 신호를 수신하도록 구성된 복수의 펄스 발생기 입력을 포함하는 펄스 발생기로서, 상기 전원 공급 기구로부터 수신된 상기 하나 이상의 전원 전압에 부분적으로 기초하여 그리고 상기 제어기로부터 수신된 상기 펄스 발생기 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 펄스를 발생시키도록 구성되는, 상기 펄스 발생기를 포함한다. 추가적으로, 상기 제어기는 상기 펄스들의 특성 또는 결과의 값을 나타내는 하나 이상의 피드백 신호를 수신하도록 구성된 피드백 입력을 포함하고, 상기 제어기는 수신된 상기 하나 이상의 피드백 신호에 부분적으로 기초하여 상기 전원 공급 기구 제어 신호 및 상기 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성된다.
본 발명에 따르는 나노 초 펄스 발생기는 인간을 대상으로 하는 암의 안전하고 효과적인 연구 및 치료를 위해 전기적 특성들을 더 양호하게 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노초 펄스 발생기 장치를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 전압 및 전류 양자에 대한 펄스 프로파일을 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 7-니들 전극의 사시도를 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 2-폴 전극의 사시도를 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 펄스 발생기의 전기 배선도이다.
도 6a는 충전 모드 동안 도 5에 도시된 펄스 발생기를 예시하는 개략도이다.
도 6b는 방전 모드 동안 도 5에 도시된 펄스 발생기를 예시하는 개략도이다.
도 7은 펄스 발생기 회로들의 어셈블리의 전기 배선도이다.
도 8은 도 7에 도시된 펄스 발생기 회로들 중 하나의 전기 배선도이다.
도 9는 도 8에 도시된 펄스 발생기 스테이지들 중 하나의 전기 배선도이다.
도 10은 도 9에 도시된 스위치 드라이버들 중 하나의 전기 배선도이다.
도 11은 대안적인 스위치 소자의 전기 배선도이다.
도 12는 변압기의 동작 및 MOSFET 게이트로의 제어 전압을 예시하는 파형도이다.
도 13은 도 1에 도시된 펄스 발생기의 대안적인 전기 배선도이다.
도 14는 도 1에 도시된 펄스 발생기의 대안적인 전기 배선도이다.
도 15는 nsPEF 처치 시스템의 블록도이다.
도 16은 대안적인 펄스 발생기의 개략도이다.
도 17은 도 15의 nsPEF 처치 시스템에 사용될 수 있는 전극의 개략도이다.
도 18은 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법들의 흐름도이다.
도 19는 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법들의 흐름도이다.
도 20은 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법들의 흐름도이다.
도 21은 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법들의 흐름도이다.
도 22는 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.
도 23은 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.
도 24는 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.
도 25는 nsPEF 처치 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.
nsPEF 처치들이 암성 종양 세포들이 세모 자멸, 예정 세포사를 겪게 하기 위해 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 시험들은 처치 후 종양들이 점점 줄어 존재하지 않게 될 수 있다는 것을 밝혔다. 어떤 약도 필요하지 않을 수 있다. 또한 대상체의 면역 체계는 nsPEF 처치된 종양 내에 있지 않은 종양들의 세포들을 포함하여, 모든 유사한 종양 세포를 공격하도록 자극될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
"종양"은 임의의 신생물 또는 대상체 상 또는 내, 또는 그 외 해당 기술분야에 알려진 바와 같은 조직의 비정상적인 원치 않는 성장을 포함한다. 종양은 비정상적인 성장을 보이는 하나 이상의 세포의 집합을 포함할 수 있다. 종양들의 많은 유형이 있다. 악성 종양은 암성이고, 악성이 되기 전의 종양은 전암성이며, 양성 종양은 비암성이다. 종양들의 예들은 양성 전립선 비대증(BPH), 자궁 근종, 췌암, 간암, 신장암, 결장암, 전-기저 세포암, 및 바레트 식도와 연관된 조직을 포함한다.
"질환"은 암, 전암, 및 양성, 또는 해당 기술분야에 알려져 있는 바와 같은 다른 질환들을 포함하여, 조직의 비정상적인 제어되지 않는 성장과 연관되는 대상체 내 또는 상의 임의의 비정상적인 병태를 포함한다.
종양 또는 세포의 "세포 자멸"은 규칙을 따르는 예정 세포사, 또는 해당 기술분야에 알려져 있는 바와 같은 것을 포함한다.
종양 또는 세포의 "면역성 세포 자멸"은 면역 체계 반응이 뒤따르는 예정 세포사, 또는 해당 기술분야에 알려져 있는 바와 같은 것을 포함한다. 면역 체계 반응은 자멸 세포들이 그것의 표면들 상에 칼레티쿨린 또는 다른 항원을 나타낼 때 개입되는 것으로 생각되며, 이는 타겟 세포들을 완전히 에워싸거나, 휩싸거나, 또는 그 외 그것들의 식균 작용을 행하도록 수지상 세포들을 자극하여 타겟 종양 또는 세포에 대한 특정 T 세포 반응의 결과적인 활성화를 초래한다.
nsPEF에 대한 10 나노초와 900 나노초 사이의 펄스 길이들은 특히 면역 반응을 자극하는 데 효율적인 것으로 연구되었다. 약 100 나노초의 펄스 길이들은 특히 그것들이 저 펄스 수로 효과를 내기에 충분한 에너지를 전달하기에 충분히 기나 목적하는 방식으로 효과를 내기에 충분히 짧다는 점에서 흥미롭다.
"약" 특정 수의 나노초의 시간은 ±1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 7.5%, 10%, 15%, 20%, 25% 또는 다른 퍼센테이지들의 허용 오차, 또는 ±0.1, ±0.2, ±0.3, ±0.4, ±0.5, ±0.7, ±1.0, ±2.0, ±3.0, ±4.0 ±5.0, ±7.0, ±10, ±15, ±20,　±25, ±30, ±40, ±50, ±75 ns와 같은 고정된 허용 오차들, 또는 시간 기간의 유효성에 순응하는 해당 기술분야에서 용인되는 바와 같은 다른 허용 오차들 내 시간들을 포함한다.
면역 체계 생물 지표들은 환자에게서 면역 반응이 유발되었음을 확인하기 위해 nsPEF 처치 이전 그리고/또는 이후 측정될 수 있다. 나아가, nsPEF 처치는 암을 공격하기 위해 CD8+T 세포들(세포 독성 T 세포들)을 더 양호하게 훈련하기 위해 CD47-저지 항체 처치와 병행될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노초 펄스 발생기 시스템을 예시한다. nsPEF 시스템(100)은 전극(102), 풋 스위치(103), 및 인터페이스(104)를 포함한다. 풋 스위치(103)는 커넥터(106)를 통해 하우징(105) 및 그 안의 전자 부품들에 연결된다. 전극(102)은 고압 커넥터(112)를 통해 하우징(105) 및 그 안의 전자 부품들에 연결된다. nsPEF 시스템(100)은 또한 핸들(110) 및 보관 서랍(108)을 포함한다. 도 1의 세목 A 부분에 도시된 바와 같이, nsPEF 시스템(100)은 또한 그것의 핸들 부분(114)에 전극(102)을 홀딩하도록 구성되는 홀스터(116)를 포함한다.
조작자는 예를 들어, 펄스들의 수, 진폭, 펄스 지속 시간, 및 주파수 정보를 인터페이스(104)의 숫자 키패드 또는 터치 스크린으로 입력한다. 몇몇 실시예에서, 펄스 폭은 달라질 수 있다. 마이크로컨트롤러는 신호들을 nsPEF 시스템(100) 내 펄스 제어 소자들로 전송한다. 몇몇 실시예에서, 광섬유 케이블들은 제어 신호를 전파하면서 또한 nsPEF 발생 시스템(100)을 갖는 금속 캐비넷의 내용물을 외부와 전기적으로 절연되게 한다. 나아가 시스템을 절연시키기 위해, 시스템(100)은 벽 콘센트로부터가 아니라 배터리 구동될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전압 및 전류 양자에 대한 펄스 프로파일을 예시한다. nsPEF 시스템(100)으로부터의 출력은 도면 위 전압 및 제1 및 제2 펄스들에 대해 아래 전류를 갖는다. 제1 펄스는 약 15 kV의 진폭, 약 50 A의 전류, 및 약 15 ns의 지속 시간을 갖는다. 제2 펄스는 약 15 kV의 진폭, 약 50 A의 전류, 및 약 30 ns의 지속 시간을 갖는다. 상기한 펄스가 판들 사이 4 mm를 갖는 흡인 전극들 상에 전달되었을 경우, 펄스 발생기는 약 50 A 및 37.5 kV/cm의 펄스를 전달했을 것이다. 전압을 고려해 볼 때, 전류는 전극 유형 및 조직 저항에 크게 의존한다.
도 2가 구체적인 예를 예시하지만, 다른 펄스 프로파일들이 또한 발생될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 펄스들에 대한 상승 및/또는 하강 시간들은 20 ns, 약 20 ns, 약 25 ns, 약 30 ns, 약 40 ns, 약 50 ns, 약 60 ns, 약 75 ns 미만, 또는 75 ns 초과일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 펄스 전압은 5 kV, 약 5 kV, 약 10 kV, 약 15 kV, 약 20 kV, 약 25 kV, 약 30 kV 미만, 또는 30 kV 초과일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전류는 10 A, 약 10 A, 약 25 A, 약 40 A, 약 50 A, 약 60 A, 약 75 A, 약 100 A, 약 125 A, 약 150 A, 약 175 A, 약 200 A 미만, 또는 200 A 초과일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 펄스 지속 시간은 10 ㎱, 약 10 ㎱, 약 15 ㎱, 약 20 ㎱, 약 25 ㎱, 약 30 ㎱, 약 40 ㎱, 약 50 ㎱, 약 60 ㎱, 약 75 ㎱, 약 100 ㎱, 약 125 ㎱, 약 150 ㎱, 약 175 ㎱, 약 200 ㎱, 약 300 ㎱, 약 400 ㎱, 약 500 ㎱, 약 750 ㎱, 약 1 ㎲, 약 2 ㎲, 약 3 ㎲, 약 4 ㎲, 약 5 ㎲ 미만, 또는 5 ㎲ 초과일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 7-니들 흡인 전극의 사시도를 예시한다. 전극(300)에서는, 시스(sheath)(301)가 7개의 날카로운 전극(302)을 둘러싸고 말단부에 넓은 개구가 있다. 개방 단부가 종양 가까이 놓일 때, 종양 전체 또는 이의 일부를 챔버로 끌어들이도록 진공 홀들(304)을 통해 결과적인 챔버에서 공기가 빼내어진다. 종양은 전극들의 하나 이상이 바람직하게는 종양을 관통하도록 끌어들여진다. 전극들의 날카로운 단부들은 종양을 뚫도록 구성된다. 중앙 전극은 하나의 극성에 있을 수 있고, 외측 6개의 전극이 반대 극성에 있을 수 있다. 그 다음 나노펄스 전기장들이 nsPEF 시스템(100)을 사용하여 종양에 정밀하게 인가될 수 있다(도 1 참조).
전극들은 전극들의 각 양 및 음의 쌍 중 하나가 종양의 일측 상에 그리고 쌍의 다른 전극이 종양의 대향하는 측 상에 놓일 수 있다. 종양의 대향하는 측들은 이를테면 니들 전극이 종양의 일부를 뚫는 경우, 종양 외측 또는 내 영역들을 포함할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 2-폴 흡인 전극을 예시한다. 전극 디바이스(400)에서는, 시스(401)가 챔버의 대향 측면들 상의 두 개의 넓은 전극(402)을 둘러싼다. 공기가 진공 홀들(404)을 통해 빼내어지고 종양이 챔버 내에 끌어당겨질 때, 대향하는 전극들은 nsPEF 펄스들을 종양에 인가한다.
주로 사용되는 전극의 성질은 종양의 형상에 따른다. 그것의 물리적 크기 및 강성은 또한 특정 전극 유형의 선택시 고려될 수 있다.
미국 특허 번호 8,688,227 B2(Nuccitelli 외)는 다른 흡인 전극-기반 의료 기구들 및 치료상의 전기 요법을 위한 시스템들을 개시하고, 그것은 이에 의해 참조로 원용된다.
대상체에 다수의 종양이 있는 경우, 외과의는 종양의 전극들과의 적합성에 기초하여 처치할 하나의 종양을 선택할 수 있다. 예를 들어, 위 벽에 인접한 종양은 척추 또는 뇌에 인접한 종양보다 더 용이하게 접근가능할 수 있다. nsPEF 펄스가 바람직하게는 전기장이 영향을 받는 비-종양 세포들의 덩어리를 최소화하면서 가능한 많은 종양 덩어리를 통해 수송하도록 인가되기 때문에, 종양의 두 개의 대향되는 '폴'로의 장애가 없는 경로가 또한 선택 기준일 수 있다.
대상체의 피부 상의 또는 바로 밑의 종양들에 대해서는, 니들 전극들이 경피적으로 사용될 수 있다. 대상체 내 더 깊은 위치들에 대해서는, 집어넣을 수 있는 전극이 위경, 기관지경, 결장경, 또는 다른 내시경 또는 복강경에 꼭 들어맞을 수 있다. 예를 들어, 환자의 결장 내 종양에 접근되어 결장경 내 전극을 사용하여 처치될 수 있다.
환자의 식도 안을 받치는 조직의 부분들이 손상된 바레트 식도는 팽창 기구 상에 놓이는 전극을 사용하여 처치될 수 있다.
나노초 펄스 발전기들의 실시예들은 1 나노초 내지 1 마이크로초의 범위 내 전기 펄스들을 생성한다. 펄스들은 일반적으로 예를 들어, 용량성 또는 유도성 에너지 저장소의 충전 시간보다 훨씬 더 짧은 기간에 에너지 저장소에 저장된 에너지의 부하로의 빠른 방출에 의해 생성된다.
종래 용량형 펄스 발생기들은 펄스 형성 네트워크들을 포함하며, 이들은 고정 펄스 지속 시간 및 임피던스를 제공한다. 부하의 저항에 대한 사전 지식을 이용하면, 부하에 매칭되는 임피던스를 갖는 펄스 형성 네트워크가 사용될 수 있다. 그러나, 더 광범위한 적용을 위해, 특히 부하 저항이 알려지지 않았을 때에는, 펄스 발생기가 임피던스 매칭의 유연성 및 펄스 지속 시간의 변형을 갖게 하는 것이 바람직하다. 그러한 유연성은 커패시터를 제어가능 스위치와 스위칭함으로써 구현될 수 있다. 이 경우, 커패시터는 "전압원"으로 여겨질 수 있고 다양한 부하 저항에 적응시킬 수 있다. 그 다음 스위칭된 펄스 진폭은 커패시터의 전압과 동일한 전압을 가질 수 있다. 따라서 펄스 폭은 스위치 "온" 시간에 의해 결정된다.
나노초 펄스 발생기들에서 스위치들의 선택은 수반되는 고전압, 고전류, 및 빠른 스위칭 시간에 기인하여 제한된다.
통상적으로 펄스 전력 기술에 사용되는 스파크 갭 스위치들은 고전압을 스위칭하고 고전류를 전도할 수 있다. 그러나 그것들은 단지 턴 온될 수 있고, 전도 도중에 전류를 멈추는 것은 불가능하다. 스파크 갭들 외에, 다른 유형들의 고전압, 고전력 스위치들이 이용가능하다, 이를테면: 자기 스위치들, 진공 스위치들(예를 들어, 사이러트론들), 및 특정 고전압 반도체 스위치들.
자기 스위치들은 자기 코어의 포화도에 따라, 회로에서 고 임피던스에서 저 임피던스로 변한다. 그것들은 특정 전류 임계치를 초과하여 턴 온될 수 있으나 모든 전류가 부하에 의해 소모될 때까지 턴 오프되지 않을 것이다.
진공 스위치들은 고전압 및 고 소모율 동작에 좋은 옵션이나 자기 스위치들과 유사하여, 그것들은 또한 단지 턴 온만 될 수 있고, 미리 결정된 시간에 턴 오프될 수는 없다.
몇몇 유형의 고전압 반도체 스위치들이 또한 고려될 수 있다. 사이리스터들 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터들(IGBT들)이 몇몇 실시예에서 사용될 수 있다. 그러나, 사이리스터들 및 IGBT들의 턴 온 시간들은 그것들의 유용성을 제한한다.
금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFET들)은 본 출원에서 논의된 적용예들에 필요한 전압 및 전류를 생성하기 위해 종래 펄스 발생기 아키텍처들에 사용되기에불충분한 최대 드레인 대 소스 전압 정격들(예를 들어, < 1kV) 및 불충분한 최대 드레인 대 소스 전류 정격들(예를 들어, < 50A)을 갖는다. 그것들이 사용된다면, 고진폭 출력 전압들을 생성하기 위해 많은 수의 스테이지가 요구될 것이다. 그러나, 많은 수의 스테이지를 갖는 종래 막스 발생기(Marx generator) 아키텍처들에서, 막스 발생기는 임계 감쇠 모드가 아닌 저감쇠 모드로 전환되어, 오버슈트 손실을 야기한다. 그 결과, 전체 전압 효율이 감소된다. 예를 들어, 막스 발생기의 전압 효율은 5 스테이지에서 80%일 수 있으나 20 스테이지에서 50%로 감소된다.
뿐만 아니라, 스테이지들의 수가 증가될 때, 막스 발생기의 임피던스가 또한 증가된다. 이는 부하에 전달가능한 총 에너지를 감소시킨다. 이는 특히 저 임피던스 부하들 및 장 펄스들을 구동하는 데 적합하지 않다.
또한, 충전 저항기들의 충전 손실이 스테이지들의 증가된 수에 따라 증가된다. 그 결과, 상기한 막스 발생기들은 고 반복률 동작에 적합하지 않다.
따라서, 고전압 펄스들을 생성하기 위해, 단순히 스테이지들의 수를 증가시키는 것은 저효율, 고 임피던스 등을 포함하여, 일련의 문제를 야기할 것이다. 스테이지들의 수와 실제 출력 전압 간 트레이드오프가 있기 때문에, 종래 막스 발생기들을 사용하는 것은 본 출원에서 논의된 적용예들에 충분한 고전압 펄스들을 생성할 수 없다.
본 개시 내용의 몇몇 실시예는 조정가능한, 고전압, 나노초 펄스 발생기를 포함한다. 스위치들은 전력 MOSFET들일 수 있으며, 이것들은 예를 들어, 1kV의 전압 및 30A 까지의 전류 규격일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위치들은 전력 MOSFET들일 수 있으며, 1kV의 전압 및 지속적인 90A 까지의 그리고 200A 피크를 초과하는 전류 규격의 전력 MOSFET들이다. 전압은 막스-스위치 스택 하이브리드 회로에 의해 상향 조정된다. 각 막스 발생기 스테이지에서, 개별적으로 구성된 MOSFET들의 스택이 사용된다. 그 결과, 각 스테이지에 대한 충전 전압이 단일 스위치에 대한 최대 정격보다 더 크다.
상기 구성의 기술적 이점은 전체 출력 전압이 단 몇 스테이지(예를 들어, <=5)를 갖고 증가될 수 있다는 것이다. 그 결과, 많은 수의 스테이지를 갖는 막스 발생기들이 갖는 위에서 논의된 문제들이 회피되고 고효율, 저 임피던스, 및 펄스 지속 시간의 큰 변동성이 달성될 수 있다.
그러한 아키텍처는 또한 각 스테이지에 대해 단 하나의 트리거 회로가 요구될 수 있음에 따라 훨씬 더 용이한 제어를 가능하게 한다. 하나의 추가적인 이점은 펄스 발생기가 저 임피던스를 가지며, 그에 따라 그것이 고전류 및 연장된 펄스 지속 시간을 갖고 다양한 부하를 구동할 수 있을 것이라는 점이다. 전류의 상향 조정은 다수의 막스-스위치 스택 회로를 병렬로 조합함으로써 구현된다. 펄스 지속 시간은 스위치 스택 스위치들의 개폐에 의해 제어된다.
도 5는 도 1의 nsPEF 시스템(100) 내부에 사용될 수 있는 펄스 발생기 회로(500)를 예시한다. 펄스 발생기 회로(500)는 세 개의 스위치 스택에 의해 스위칭되는 막스 발생기를 포함하는 패널을 예시한다. nsPEF 시스템은 단일 펄스 발생기 회로 패널을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 시스템은 다수의 패널을 병렬로 포함한다.
회로(500)는 세 개의 스테이지를 포함한다 - 510, 520, 및 530. 몇몇 실시예에서, 다른 수의 스테이지가 사용된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10개의 스테이지가 사용된다. 스테이지(510)는 저항기들(512 및 514), 커패시터(515), 및 스위치 스택(516)을 포함한다. 비슷하게, 스테이지(520)는 저항기들(522 및 524), 커패시터(525), 및 스위치 스택(526)을 포함하고, 스테이지(530)는 저항기들(532 및 534), 커패시터(535), 및 스위치 스택(536)을 포함한다. 각각의 이러한 소자들은 스테이지(510)의 대응하는 소자들과 유사한 구조 및 기능을 갖는다.
스테이지(510)는 제1 및 제2 입력 전압 입력 단자들(511 및 513) 및 제1 및 제2 전압 출력 단자들(517 및 518)을 갖는다. 스테이지(520)는 제1 및 제2 입력 전압 입력 단자들(521 및 523) 및 제1 및 제2 전압 출력 단자들(527 및 528)을 갖는다. 스테이지(530)는 제1 및 제2 입력 전압 입력 단자들(531 및 533) 및 제1 및 제2 전압 출력 단자들(537 및 538)을 갖는다.
스테이지(510)의 제1 및 제2 전압 입력 단자들(511 및 513)은 제1 및 제2 전원 공급 기구 입력 단자들(V1 및 V2)에 각각 연결된다. 스테이지(510)의 제1 및 제2 전압 출력 단자들(517 및 518)은 스테이지(520)의 제1 및 제2 전압 입력 단자들(521 및 523)에 각각 연결된다. 스테이지(520)의 제1 및 제2 전압 출력 단자들(527 및 528)은 스테이지(530)의 제1 및 제2 전압 입력 단자들(531 및 533)에 각각 연결된다. 스테이지(530)의 제2 전압 출력 단자(538) 및 스테이지(510)의 제2 전압 출력 단자(513)는 제1 및 제2 전원 출력 단자들(VO1 및 VO2)에 각각 연결된다.
펄스 발생기 회로(500)는 충전 모드로, 그리고 방전 모드로 작동한다. 도 6a에 대하여 아래에서 보다 더 상세하게 설명될 충전 모드 동안, 커패시터들(515, 525, 및 535)은 제1 및 제2 전원 공급 기구 입력 단자들(V1 및 V2)로부터 수신되는 전류에 의해 충전된다. 도 6b에 대하여 아래에서 보다 더 상세하게 설명될 방전 모드 동안, 커패시터들(515, 525, 및 535)은 방전되어 제1 및 제2 전원 출력 단자들(VO1 및 VO2)에 걸쳐 연결되는 부하(미도시)에 전류를 제공한다.
도 6a는 충전 모드 동안 펄스 발생기 회로(500)를 예시한다. 제1 및 제2 입력 전압들은 각각 제1 및 제2 전원 공급 기구 입력 단자들(V1 및 V2)에 각각 인가되는 한편 각각의 스위치 스택들(516, 526, 및 536)은 비전도성이거나 개방되고, 제1 및 제2 전원 출력 단자들은 부하(미도시)에서 분리될 수 있다. 스위치 스택들(516, 526, 및 536)의 각각이 개방되기 때문에, 그것들을 통해 실질적으로 어떤 전류도 흐르지 않고, 그것들은 도 6a에서 개방 회로들로서 표현된다. 충전 모드 동안, 각각의 커패시터들(515, 525, 및 535)은 저항기들(512, 522, 532, 534, 524, 및 514)을 통해 흐르는 전류에 의해 제1 및 제2 입력 전압들 간 차와 동일한 전압으로 또는 그것에 가까이 충전된다.
스위치 스택들(516, 526, 및 536)의 각각의 스위치들은 초과되지 않아야 하는 항복 전압 정격을 갖는다. 그러나, 스위치들이 직렬로 연결되기 때문에, 커패시터들(515, 525, 및 535)은 개별적인 스위치들의 항복 전압보다 상당히 더 큰 전압으로 충전될 수 있다. 예를 들어, 스위치들의 항복 전압은 1 kV일 수 있고, 5개 이상의 스위치가 각 스위치 스택에 사용될 때, 커패시터들(515, 525, 및 535)은 5 kV의 전압으로 충전될 수 있다.
예를 들어, 제1 및 제2 입력 전압들은 각각 5kV 및 0V일 수 있다. 그러한 예에서, 각각의 커패시터들(515, 525, 및 535)은 5kV와 동일한 전압으로 또는 그것에 가까이 충전된다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 입력 전압들 간 차는 10kV 미만으로 제한된다.
*도 6b는 방전 모드 동안 펄스 발생기 회로(500)를 예시한다. 제1 전원 공급 기구 입력 단자(V1)는 제1 입력 전압에서 분리될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 전원 공급 기구 입력 단자(V1)는 제1 입력 전압에 연결된 채로 유지된다. 제2 전원 공급 기구 입력 단자(V2)는 제2 입력 전압에 연결된 채로 유지된다. 또한, 각각의 스위치 스택들(516, 526, 및 536)은 전도성이거나 닫힌다. 스위치 스택들(516, 526, 및 536)의 각각이 닫히기 때문에, 그것들을 통해 전류가 흐르고, 그것들은 도 6b에서 전도성 와이어들로서 표현된다. 그 결과, 전원 공급 기구 입력 단자(V2)로부터 전원 출력 단자(VO1)로의 저 임피던스 전기 경로는 스위치 스택(516), 커패시터(515), 스위치 스택(526), 커패시터(525), 스위치 스택(536), 및 커패시터(535)에 의해 형성된다. 그 결과, 전원 출력 단자들(VO1 및 VO2)에서의 전압 간 차는 제1 및 제2 입력 전압들 간 차의 스테이지들의 수 배(본 예에서, 3)와 동일하다.
제1 및 제2 입력 전압들이 각각 5kV 및 0V인 경우, 전원 출력 단자들(VO1 및 VO2)에 걸쳐 15kV의 전압 차가 발생된다.
도 7은 도 1의 nsPEF 시스템(100) 내부에 사용될 수 있는 대안적인 펄스 발생기 회로(700)를 예시한다. 이러한 펄스 발생기는 패널들을 병렬로 포함한다. 패널들의 수는 시스템이 상이한 양들의 전류 및 전력을 발생시킬 수 있게 하도록 조절될 수 있다.
펄스 발생기 회로(700)는 입력 포트(Vin)에 걸쳐 입력 펄스들을 수신하고, 수신된 입력 펄스들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 출력 펄스들을 발생시킨다.
펄스 발생기 회로(700)는 다수의 패널 또는 펄스 발생기 회로(710, 720, 730, 및 740)를 포함한다. 펄스 발생기 회로(700)는 또한 드라이버(750)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 네 개의 펄스 발생기 회로가 사용된다. 대안적인 실시예들에서는, 보다 더 적거나 보다 더 많은 펄스 발생기 회로가 사용된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 또는 다른 수의 펄스 발생기 회로가 사용된다.
각각의 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)은 본 출원에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로들과 유사한 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)은 도 5, 도 6a, 및 도 6b를 참조하여 위에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로(500)와 유사한 특성들을 가질 수 있다.
각각의 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)은 양 및 음의 DC 입력 단자들, 양 및 음의 제어 입력 단자들, 및 양 및 음의 출력 단자들을 갖고, 양 및 음의 제어 입력 단자들에 걸쳐 인가되는 구동 신호 펄스들에 응답하여 양 및 음의 출력 단자들에 걸쳐 출력 전압 펄스들을 발생시키도록 구성된다. 출력 전압 펄스들은 또한 양 및 음의 DC 전원 입력 단자들에 걸쳐 수신되는 전원 전압들에 기초한다.
구동 신호 펄스들은 증폭기 회로(751), 커패시터(752), 및 변압기(753)를 포함하는, 드라이버(750)에 의해 전도체들(756 및 758)에 걸쳐 발생된다. 몇몇 실시예에서, 드라이버(750)는 또한 클램프 회로들(754)을 포함한다.
드라이버(750)는 입력 포트(Vin)에 입력 신호 펄스를 수신하고 입력 신호 펄스에 응답하여 전도체들(756 및 758)에 걸쳐 구동 신호 펄스를 발생시킨다. 증폭기 회로(751)는 입력 신호 펄스를 수신하고 커패시터(752)를 통해 변압기(753)를 구동하며, 이는 저 주파수 및 DC 신호들을 차단한다. 증폭기 회로(751)에 의해 구동되는 것에 응답하여, 변압기(753)는 전도체들(756 및 758)에 걸쳐 출력 전압 펄스를 발생시키며, 그에 따라 출력 전압 펄스의 지속 시간이 입력 포트(Vin)에서의 입력 신호 펄스의 지속 시간과 동일하거나 실질적으로 동일(예를 들어, 10% 또는 1% 내)하다.
몇몇 실시예에서, 클램프 회로들(754)은 적어도 감쇠된 전위 신호들에 포함되며, 이는 그 외 공진에 의해 야기될 수 있다. 클램프 회로들(754)은 임의의 전류 반전에 대해 단락 회로 경로를 제공하는 병렬 다이오드들을 포함하고, 또한 클램프 회로들(754)에 연결되는 구성요소들에 걸쳐 최대 전압에 클랩핑한다.
몇몇 실시예에서, 변압기(753)는 1:1 권수비를 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 상이한 권수비가 사용된다.
각각의 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)은 양 및 음의 제어 입력 단자들에 걸쳐 드라이버(750)로부터 전압 펄스들을 수신하고 드라이버(750) 수신된 전압 펄스들에 응답하여 양 및 음의 출력 단자들에 걸쳐 대응하는 전압 펄스들을 발생시킨다. 양 및 음의 출력 단자들에 걸쳐 발생되는 전압 펄스들은 드라이버(750)로부터 수신된 전압 펄스들의 지속 시간들과 동일하거나 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 지속 시간들을 갖는다.
이러한 실시예에서, 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)의 음의 출력 단자들은 펄스 발생기 회로(700)의 출력 포트(Vout)의 음의 Vout 단자에 직접 연결된다. 또한, 이러한 실시예에서, 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)의 양의 출력 단자들은 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)을 통해 펄스 발생기 회로(700)의 출력 포트(Vout)의 양의 Vout 단자에 각각 연결된다. 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)을 서로 분리시킨다. 그 결과, 그렇지 않으면 발생할 수 있었을 간섭 및 관련 펄스 왜곡이 실질적으로 제거된다. 예를 들어, 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 스위칭이 완벽하게 동기화되지 않은 경우 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)의 하나로부터 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)의 다른 하나로의 전류를 막는다. 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 또한 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)이 충전되고 있는 동안 전류가 그것들로부터 흐르는 것을 막는다.
이러한 실시예에서, 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 각각 단일 다이오드를 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 각각 직렬로 연결된 다이오드들의 전압 정격들에 적어도 기초하여 직렬로 연결된 다수의 다이오드를 포함한다.
이러한 실시예에서, 다이오드들(715, 725, 735, 및 745)은 이러한 실시예에서 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)이 음의 펄스들을 발생시키도록 구성됨에 따라, 출력 포트(Vout)의 양의 단자로부터 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740) 쪽으로 전류를 전도시키도록 연결된다. 대안적인 실시예들에서, 펄스 발생기 회로들이 양의 펄스들을 발생시키도록 구성되는 경우, 다이오드들은 유사하게 펄스 발생기 회로들로부터 출력 포트의 양의 단자로 전류를 전도시키도록 연결될 수 있다.
도 8은 도 7의 펄스 발생기 회로(1000)의 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)에 사용될 수 있는 펄스 발생기 회로(800)를 예시한다.
펄스 발생기 회로(800)는 입력 포트(Vin)에 걸쳐 입력 펄스들을 수신하고, 수신된 입력 펄스들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 출력 펄스들을 발생시킨다.
펄스 발생기 회로(800)는 다수의 펄스 발생기 스테이지(810, 820, 및 830)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 펄스 발생기 회로(800)는 또한 드라이버(850), 및 임의적 공통 모드 초크들(common mode chokes)(815, 825, 및 835)을 포함한다.
각각의 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)은 본 출원에서 논의된 다른 펄스 발생기 스테이지들과 유사한 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)은 도 5, 도 6a, 및 도 6b를 참조하여 위에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로(500)의 스테이지들(510, 520, 및 530)과 유사한 특성들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 보다 더 적거나 보다 더 많은 펄스 발생기 스테이지가 사용될 수 있다.
각각의 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)은 양 및 음의 트리거 입력 단자들, 전원 양 및 음의 DC 입력 단자들, 및 양 및 음의 Vo 출력 단자들을 갖고, 양 및 음의 트리거 입력 단자들에 걸쳐 인가되는 구동 신호 펄스들에 응답하여 양 및 음의 Vo 출력 단자들에 걸쳐 출력 전압 펄스들을 발생시키도록 구성된다. 출력 전압 펄스들은 또한 각각 양 및 음의 DC 입력 단자들에 수신되는 전원 전압들(V1 및 V2)에 기초한다.
이러한 실시예에서, 펄스 발생기 스테이지(830)의 음의 Vi 출력 단자는 펄스 발생기 회로(800)의 출력 포트(Vout)의 음의 단자와 연결된다. 또한, 이러한 실시예에서, 펄스 발생기 스테이지(810)의 음의 Vo 출력 단자는 펄스 발생기 회로(800)의 출력 포트(Vout)의 양의 단자와 연결된다.
또한, 도시된 바와 같이, 펄스 발생기(830)의 양의 Vo 출력 단자는 펄스 발생기(820)의 양의 Vi 입력 단자와 연결되고, 펄스 발생기(830)의 음의 Vo 출력 단자는 펄스 발생기(820)의 음의 Vi 입력 단자와 연결된다. 뿐만 아니라, 펄스 발생기(820)의 양의 Vo 출력 단자는 펄스 발생기(810)의 양의 Vi 입력 단자와 연결되고, 펄스 발생기(820)의 음의 Vo 출력 단자는 펄스 발생기(810)의 음의 Vi 입력 단자와 연결된다.
펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)에 대한 구동 신호 펄스들은 증폭기 회로(851), 커패시터(852), 및 변압기(853)를 포함하는, 드라이버(850)에 의해 전도체들(856 및 858)에 걸쳐 발생된다. 몇몇 실시예에서, 드라이버(850)는 또한 클램프 회로들(854)을 포함한다.
드라이버(850)는 전술된 도 7에 도시된 바와 같이, 전도체들(756 및 758)에 연결되는 입력 포트(Vin)에 입력 신호 펄스를 수신한다. 드라이버(850)는 입력 신호 펄스에 응답하여 전도체들(856 및 858)에 걸쳐 구동 신호 펄스를 발생시킨다. 증폭기 회로(851)는 입력 신호 펄스를 수신하고, 커패시터(852)를 통해 변압기(853)를 구동하며, 이는 저 주파수 및 DC 신호들을 감소 또는 차단한다. 증폭기 회로(851)에 의해 구동되는 것에 응답하여, 변압기(853)는 전도체들(756 및 758)에 걸쳐 출력 전압 펄스를 발생시키며, 그에 따라 출력 전압 펄스의 지속 시간이 입력 포트(Vin)에서의 입력 신호 펄스의 지속 시간과 동일하거나 실질적으로 동일(예를 들어, 10% 또는 1% 내)하게 된다.
몇몇 실시예에서, 클램프 회로들(854)은 적어도 감쇠된 전위 신호들에 포함되며, 이는 그 외 공진에 의해 야기될 수 있다. 클램프 회로들(854)은 임의의 전류 반전에 대해 단락 회로 경로를 제공하는 병렬 다이오드들을 포함하고, 또한 클램프 회로들(854)에 연결되는 구성요소들에 걸쳐 최대 전압에 클랩핑한다.
몇몇 실시예에서, 변압기(853)는 1:1 권수비를 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 상이한 권수비가 사용된다.
각각의 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)은 대응하는 초크(815, 825, 또는 835)를 통해 드라이버(850)로부터 전압 펄스들을 수신하며, 이는 예를 들어, 고전압 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)로부터의 고 주파수 신호들이 결합하는 것을 차단한다. 전압 펄스들은 양 및 음의 트리거 입력 단자들에 수신되고 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830)은 각각 드라이버(850)로부터 수신된 전압 펄스들에 응답하여 양 및 음의 Vo 출력 단자들에 걸쳐 대응하는 전압 펄스들을 발생시킨다. 양 및 음의 Vo 출력 단자들에 걸쳐 발생되는 전압 펄스들은 드라이버(850)로부터 수신된 전압 펄스들의 지속 시간들과 동일하거나 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 지속 시간들을 갖는다.
도 9는 도 8에 도시된 펄스 발생기 회로(800)의 펄스 발생기 스테이지들(810, 820, 및 830) 중 하나로서 사용될 수 있는 펄스 발생기 스테이지(900)를 예시한다.
펄스 발생기 스테이지(900)는 입력 포트 트리거 입력에 걸쳐 트리거 펄스들을 수신하고, 수신된 트리거 펄스들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 출력 펄스들을 발생시킨다. 출력 전압들은 또한 전원 입력 단자들(V1 및 V2)에 수신되는 전원 전압들에 기초하여 발생된다. 펄스 발생기 스테이지(900)는 다수의 스위치 드라이버(950)를 포함한다. 펄스 발생기 스테이지(900)는 또한 스위치 스택(910), 커패시터(920), 및 저항기들(930 및 940)을 포함한다.
스위치 드라이버들(950)은 아래에서 더 상세하게 논의될 바와 같이, 트리거 펄스들을 수신하도록, 그리고 수신된 트리거 펄스들에 응답하여 스위치 스택(910)의 스위치들에 대한 제어 신호들을 발생시키도록 구성된다. 각각의 제어 신호들은 구동되는 스위치에 특유한 전압을 기준으로 한다. 그에 따라, 제1 스위치가 제1 및 제2 전압들 사이에 제어 신호 펄스를 수신하고, 제2 스위치가 제3 및 제4 전압들 사이에 제어 신호 펄스를 수신하며, 이때 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 전압들은 상이하다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 입력 전압들 간 차는 제3 및 제4 전압들 간 차와 실질적으로 동일하다.
스위치 스택(910), 커패시터(920), 및 저항기들(930 및 940)은 펄스 발생기 회로(800)의 양 및 음의 Vo 출력 단자들에 걸쳐 전압 펄스들을 발생시키기 위해, 도 8을 참조하여 위에서 논의한 바와 같이, 펄스 발생기 회로(800)의 다른 펄스 발생기 스테이지들에서의 대응하는 소자들과 협력하여 기능하다. 이러한 소자들은 예를 들어, 도 5, 도 6a, 및 도 6b에 도시된 펄스 발생기 회로(500)를 참조하여 위에서 논의된 대응하는 소자들로서 협력하여 기능할 수 있다. 예를 들어, 이러한 소자들은 전원 입력 단자들(V1 및 V2)에 인가되는 전원 전압들에 그리고 스위치 스택(910)의 스위치들에 인가되는 제어 신호들에 응답하여 펄스 발생기 회로(800)의 양 및 음의 Vo 출력 단자들에 걸쳐 전압 펄스들을 발생시키기 위해 협력할 수 있다.
제어 신호들이 다수의 구동 스테이지를 통해 도 7에 예시된 펄스 발생기 회로(700)의 입력 포트(Vin)에 걸쳐 수신되는 입력 펄스들에 응답하여 발생되기 때문에, 제어 신호들은 펄스 발생기 회로(700)의 스위치 스택들의 모든 스위치가 실질적으로 동시에 턴 온 그리고 턴 오프되게 한다. 예를 들어, 펄스 발생기 회로(700)의 입력 포트(Vin)에 수신되는 예를 들어, 100ns의 지속 시간을 갖는 15V 입력 펄스는 펄스 발생기 회로(700)가 약 100 ns의 지속 시간을 갖는 고전압(예를 들어, ~15 kV) 출력 펄스를 발생시키게 할 수 있다. 유사하게, 펄스 발생기 회로(700)의 입력 포트(Vin)에 수신되는 예를 들어, 5 μs의 지속 시간을 갖는 15V 입력 펄스는 펄스 발생기 회로(700)가 약 5 μs의 지속 시간을 갖는 고전압(예를 들어, ~15 kV) 출력 펄스를 발생시키게 할 수 있다. 그에 따라, 고전압 출력 펄스의 지속 시간은 입력 펄스의 선택된 지속 시간과 실질적으로 동일하다.
도 10은 도 9에 도시된 스위치 드라이버들 중 하나로서 사용될 수 있는 스위치 드라이버(1000)를 예시한다.
스위치 드라이버(1000)는 입력 포트(Vin)에 걸쳐 트리거 펄스들을 수신하고, 수신된 트리거 펄스들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 제어 신호 펄스들을 발생시킨다. 스위치 드라이버(1000)는 증폭기 회로(1010), 커패시터(1020), 및 변압기(1030)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 스위치 드라이버(1000)는 또한 클램프 회로들(1070)을 포함한다.
증폭기 회로(1010)는 트리거 펄스들을 수신하고, 커패시터(1020)를 통해 변압기(1030)를 구동하며, 이는 저 주파수 및 DC 신호들을 감소 또는 차단한다. 증폭기 회로(1010)에 의해 구동되는 것에 응답하여, 변압기(1030)는 출력 포트(Vout)에 제어 신호 펄스들을 발생시키며, 그에 따라 제어 신호 펄스들의 지속 시간이 입력 포트(Vin)에서의 트리거 펄스들의 지속 시간과 동일하거나 실질적으로 동일(예를 들어, 10% 또는 1% 내)하게 된다.
몇몇 실시예에서, 증폭기 회로(1010)는 다수의 증폭기 집적 회로를 포함한다. 예를 들어, 전류 구동 성능을 증가시키기 위해, 다수의 증폭기 집적 회로가 증폭기 회로(1010)를 형성하기 위해 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 다른 수의 증폭기 집적 회로가 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 클램프 회로들(1070)은 적어도 감쇠된 전위 신호들에 포함되며, 이는 그 외 공진에 의해 야기될 수 있다. 클램프 회로들(1070)은 임의의 전류 반전에 대해 단락 회로 경로를 제공하는 병렬 다이오드들을 포함하고, 또한 클램프 회로들(1070)에 연결되는 구성요소들에 걸쳐 최대 전압에 클랩핑한다.
몇몇 실시예에서, 드라이버들(750, 850, 및 1000)은 막스 발생기에 대한 전원 공급 기구와 구분되는 DC-DC 전원 모듈로부터 전력을 수신한다. 이는 접지 결합의 컷오프를 보장한다.
몇몇 실시예에서, 변압기(1030)는 1:1 권수비를 갖는다. 대안적인 실시예들에서, 상이한 권수비가 사용된다.
몇몇 실시예에서, 초고속 스위칭을 획득하기 위해, 변압기들(1030)은 일차 권선에서 5 미만의 권수를 갖고 이차 권선에서 5 미만의 권수를 갖는다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 변압기(1030)는 일차 및 이차 권선들의 각각에서 1, 2, 3, 또는 4 권선을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 변압기(1030)는 일차 및 이차 권선들에서 완전하지 않은 권선, 예를 들어, ½ 권선을 갖는다. 일차 및 이차 권선들의 각각에서 적은 수의 권선은 저 인덕턴스 루프를 가능하게 하고 MOSFET 스위치들의 입력 커패시턴스를 충전시키는 이차 권선의 전류 상승 시간을 증가시킨다.
종래 적용예들에서 MOSFET들을 트리거하기 위한 변압기들은 전류 전달 효율을 보장하기 위해 고결합, 고투자율, 및 저손실 코어를 필요로 한다. 펄스로부터 펄스까지, 코어에서의 잔류 자속은 변압기가 고주파수로 작동될 때 포화를 회피하기 위해 제거될 필요가 있다. 종래, 코어 에너지를 소산시키기 위해 삼차 권선을 수반하는 리셋 회로가 사용된다.
몇몇 실시예에서, 손실 변압기들, 이를테면 고주파수 신호들을 가두고 그것들의 에너지를 열로서 소산시키기 위해 전자기 간섭(EMI) 초크로서 통상적으로 사용되는 것이 스위치들을 트리거하기 위해 사용된다. 예를 들어, 변압기들은 100V㎲ 미만의 전압 시상수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 변압기들은 50V㎲, 30V㎲, 20V㎲, 10V㎲, 또는 5V㎲ 미만의 전압 시상수를 갖는다. 손실 변압기의 사용은 전력 전자 장치들에서의 통례와 배치된다.
고주파수 자속이 코어의 손실(소용돌이 손실, 히스테리시스 손실, 및 저항 손실)로 인해 감쇠되더라도, 손실 변압기들은 여전히 자속의 충분한 구속을 가능하게 하고 충분한 결합을 제공한다. 또한, 자속은 또한 제거되는 일차 권선 상의 신호에 응답하여 빠르게 감소된다. 자속 감쇠 프로세스는 보통 대략 몇 마이크로초가 걸린다.
종래 상기한 변압기가 불리한 것으로 보이나, 나노초 내지 수 마이크로초 펄스들을 결합하는 데 있어서는, 상기한 변압기가 바람직하게 사용된다. 그 결과, 다음 이점들이 달성된다: 1) 고전압 막스 발생기들로부터 저전압 드라이버들로의 고전압, 고주파수 과도 결합이 억제된다; 2) 변압기 코어들의 손실로 인해, 이전 펄스들로부터의 잔류 자속이 공통 저손실 변압기 코어들보다 빠르게 소산되며, 그에 따라 권선 리셋이 요구되지 않고 존재하지 않게 된다.
스위치 드라이버(1000)의 이점은 그것이 출력 펄스 지속 시간을 제한한다는 것이다. 스위치 제어 신호들이 변압기(1030)에 의해 발생되기 때문에, 입력 포트(Vin)에 입력 트리거 신호들을 발생시키는 회로가 무한 길이의 펄스를 발생시킨다 하더라도, 변압기는 포화되어, 제어 신호들이 스위치들을 턴 오프하게 할 것이다.
도 11은 여기서 논의된 스위치 스택들에 사용될 수 있는 구성요소들을 포함하는 스위치 소자(1100)의 일례를 예시한다. 스위치 소자(1100)는 스위치(1110)를 포함하고, 입력 포트(Vin)에 인가되는 제어 전압에 응답하여 단자들(VA 및 VB) 사이에 전도성 또는 저저항 경로를 선택적으로 형성한다.
몇몇 실시예에서, 스위치(1110)는 트랜지스터, 이를테면 MOSFET이다. 몇몇 실시예에서, 스위치(1110)는 다른 유형의 스위치이다. 몇몇 실시예에서, 스위치(1110)는 5 ㎱, 약 5 ㎱, 약 10 ㎱, 약 25 ns, 약 15 ns, 약 75 ns, 약 100 ㎱ 미만, 또는 100 ㎱ 초과의 턴 온 시간을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 스위치 소자(1100)는 또한 스너버 회로(snubber circuit)(1120)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 스위치 스택들의 스위치들의 턴 온 시간들은 동일하지 않다. 스위치(1110)가 용인할 수 있는 전압보다 큰 전압들을 방지하기 위해, 스너버 회로(1120)는 스위치(1110)를 우회하는 전류 션트 경로(current shunt path)를 제공한다. 다이오드들(1122)은 저주파수 전류 경로를 제공하고, 커패시터(1126) 및 저항기(1124)의 조합은 고주파수 전류 경로를 제공한다.
몇몇 실시예에서, 스위치 소자(1100)는 또한 임의적인 과전류 보호 회로(1140)를 포함한다. 과전류 보호 회로(1140)는 스위치(1142) 및 감지 저항기(1144)를 포함한다.
단자(VA)로부터 단자(VB)로 흐르는 전류는 감지 저항기(1144)를 통해 전도된다. 따라서, 전류가 단자(VA)로부터 단자(VB)로 흐를 때 전압이 감지 저항기(1144)에 걸쳐 발생된다. 발생된 전압은 스위치(1142)의 전도 상태를 제어한다. 단자(VA)로부터 단자(VB)로 흐르는 전류가 임계치를 초과하는 경우, 발생된 전압이 스위치(1142)를 도통하게 한다. 그 결과, 스위치(1142)가 스위치(1110)의 제어 전압을 감소시킨다. 감소된 제어 전압에 응답하여, 스위치(1110)는 덜 도통하게 또는 턴 오프하게 된다. 결과적으로, 단자(VA)로부터 단자(VB)로 전도될 수 있는 전류는 과전류 보호 회로(1140)에 의해 제한된다.
몇몇 실시예에서, 스위치(1142)가 손상을 야기할 수 있는 전류보다 큰 전류를 받는 것을 방지하기 위해 전류 제한 저항기가 스위치(1110)의 게이트와 스위치(1142)의 드레인 사이에 배치된다.
본 출원에서 논의된 실시예들에서는, MOSFET 스위치들이 사용된다. 대안적인 실시예들에서, 다른 스위치들이 사용된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 사이리스터들, IGBT들 또는 다른 반도체 스위치들이 사용된다.
변압기 동작의 일례가 도 12에 예시된다. 입력 일차 인덕터에서의 전압은 실질적으로 구형파이나, MOSFET의 게이트-소스 전압인 이차 인덕터에서의 전압은 예를 들어, 수 마이크로초의 기간 내, 전압 크기가 0으로 감소됨에 따라 점점 줄어든다. 변압기 포화에 기인한 이차 인덕터에서의 전압의 감소 이후, 전압을 수신하는 스위치는 전압이 충분히 높아진 Vgs 미만인 동작의 포화 영역으로부터 동작의 직선 영역에 진입한다. 그 결과, 스위치의 저항이 증가하고 부하에 걸친 출력 전압은 또한 점점 줄어드는 프로파일을 보인다. 이차 인덕터에서의 전압이 MOSFET의 턴 온 임계치(Vth) 미만인 값으로 감소될 때, MOSFET은 셧 오프될 것이다. MOSFET이 오프되면, 트리거 신호의 지속 시간이 연장되더라도, 스위치는 더 이상 도통하지 않고 개방 회로로 여겨질 수 있다. 따라서 이차 인덕터에서의 전압의 파형은 각 패널로부터 고전압 출력 펄스들의 지속 시간을 예를 들어, 수 마이크로초 이하로 제한한다.
몇몇 실시예에서, 트리거 신호의 지속 시간은 이차 인덕터에서의 전압의 감소가 스위치들이 직선 영역 동작에 진입하게 하기에 불충분하기 때문에 스위치들이 포화 상태에 유지되도록 충분히 짧다. 그러한 실시예들에서, 부하 전압 펄스들은 도 12에 예시된 점점 줄어드는 것을 보이지 않는다. 예를 들어, 그러한 실시예들에서, 부하 전압 펄스들은 실질적으로 정방형일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 출원에서 논의된 스위치 스택들은 위에서 논의된 바와 같은 스위치들, 뿐만 아니라 다른 구성요소들도 포함한다.
몇몇 실시예에서, 임계치 미만 지속 시간의 펄스들을 발생시킬 때, 펄스들의 형상은 실질적으로 정방형이다. 몇몇 실시예에서, 임계치를 초과하는 지속 시간의 펄스들을 발생시킬 때, 펄스들의 형상은 임계치와 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 지속 시간 동안 실질적으로 정방형이다. 임계치 이후 시간 동안, 그러한 장 펄스들의 전압은 0 V로 강하한다. 몇몇 실시예에서, 0 V로의 강하는 실질적으로 직선형이다. 몇몇 실시예에서, 0 V로의 강하는 실질적으로 지수형이다.
도 13은 도 1의 nsPEF 시스템(100) 내부에 사용될 수 있는 대안적인 펄스 발생기 회로(1300)를 예시한다.
펄스 발생기 회로(1300)는 입력 포트(Vin)에 걸쳐 입력 펄스들을 그리고 입력 포트들(VDC1 및 VDC2)에 DC 전압들을 수신하고, 수신된 입력 펄스들 및 DC 전압들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 출력 펄스들을 발생시킨다.
펄스 발생기 회로(1300)는 다수의 펄스 발생기 회로(1310 및 1320)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 두 개의 펄스 발생기 회로가 사용된다. 대안적인 실시예들에서는, 보다 더 많은 펄스 발생기 회로가 사용된다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 펄스 발생기 회로(1300)에 관하여, 아래에서 논의될 바와 같이, 그것들의 출력 포트들이 직렬로 연결된 3, 4, 5, 10 또는 다른 수의 펄스 발생기 회로가 사용된다.
각각의 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)은 본 출원에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로들과 유사할 수 있다. 예를 들어, 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)은 도 7에 관하여 위에서 논의된 펄스 발생기 회로(700)와 유사할 수 있거나 실질적으로 동일할 수 있다.
각각의 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)은 그것들의 각각의 제어 In 입력 포트들에 걸쳐 동일한 입력 신호 펄스를 수신한다. 이에 응답하여, 각각의 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)은 그것들의 각각의 Vout 출력 포트들에 걸쳐 고압 펄스들을 발생시킨다. 펄스 발생기 회로들(1310 1320)의 Vout 출력 포트들이 직렬로 연결되기 때문에, 펄스 발생기 회로(1300)의 출력 포트(Vout)에 걸쳐 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)에 의해 발생되는 전압 펄스는 펄스 발생기 회로들(1310 및 1320)에 의해 각각 발생되는 펄스들의 전압들의 합과 실질적으로 동일하다(예를 들어, 10% 또는 1% 내).
도 14는 도 1의 nsPEF 시스템(100) 내부에 사용될 수 있고, 도 13의 펄스 발생기(1300)와 유사한 특성들을 갖는 대안적인 펄스 발생기 회로(1400)를 예시한다. 펄스 발생기 회로(1400)는 펄스 발생기들(1410 및 1420), 드라이버들(1415 및 1425), 및 전원 공급 기구들(1412 및 1422)을 포함한다.
펄스 발생기 회로(1400)는 다수의 펄스 발생기 회로(1410 및 1420)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 두 개의 펄스 발생기 회로가 사용된다. 대안적인 실시예들에서는, 보다 더 많은 펄스 발생기 회로가 사용된다. 각각의 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)은 본 출원에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로들과 유사할 수 있다.
펄스 발생기 회로(1400)는 각각의 드라이버들(1415 및 1425)에서 입력 펄스들을 수신하며, 이것들은 도 8에 관하여 위에서 논의된 드라이버(850)와 유사할 수 있다. 펄스 발생기 회로(1400)는 수신된 입력 펄스들에 응답하여 출력 포트(Vout)에 걸쳐 출력 펄스들을 발생시킨다. 출력 전압 펄스들은 또한 전원 공급 기구들(1412 및 1422)로부터 수신되는 전원 전압들에 기초한다.
각각의 드라이버들(1415 및 1425)은 입력 펄스 신호를 수신한다. 수신된 입력 신호들에 응답하여, 드라이버들(1415 및 1425)은 각각 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)에 대한 구동 신호 펄스들을 발생시킨다. 구동 신호 펄스들에 응답하여, 각각의 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)은 그것들의 각각의 출력 포트들(Vo1 및 Vo2)에 걸쳐 고압 펄스들을 발생시킨다. 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)의 Vo1 및 Vo2 출력 포트들이 직렬로 연결되기 때문에, 펄스 발생기 회로(1400)의 출력 포트(Vout)에 걸쳐 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)에 의해 발생되는 전압 펄스는 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420)에 의해 각각 발생되는 펄스들의 전압들의 합과 실질적으로 동일하다(예를 들어, 10% 또는 1% 내).
이러한 실시예에서, 펄스 발생기 회로(1410)는 그것의 출력 포트(Vo1)에 걸쳐 전원 공급 기구(1412)의 전압의 3배, (-3 x [V1 - V2])와 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 고전압 펄스를 발생시킨다. 또한, 펄스 발생기 회로(1420)는 그것의 출력 포트(Vo2)에 걸쳐 전원 공급 기구(1414)의 전압의 3배(3 x [V'1 - V'2])와 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 고전압 펄스를 발생시킨다. 그 결과, 펄스 발생기 회로(1400)는 그것의 출력 포트(Vout)에 걸쳐 (3 x [V'1 - V'2]) - (-3 x [V1 - V2])의 전압을 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 드라이버들(1415 및 1425) 대신 펄스 발생기 회로(1410 및 1420) 양자에 연결되는 단일 드라이버 회로가 사용된다. 그러한 실시예들에서, 단일 드라이버 회로는 입력 펄스 신호에 응답하여 펄스 발생기 회로들(1410 및 1420) 양자에 대한 구동 신호 펄스들을 발생시킨다.
도 15는 nsPEF 처치 시스템(1550)의 블록도이며, 이는 도 1에 예시된 nsPEF 시스템(100)의 특성들과 유사하거나 동일한 특성들을 갖는다. nsPEF 처치 시스템(1550)은 펄스 발생기(1555), 전원 공급 기구(1560), 전극(1565), 인터페이스(1570), 및 제어기(1575)를 포함한다.
펄스 발생기(1555)는 본 출원에서 논의된 펄스 발생기 회로들 중 임의의 펄스 발생기 회로와 유사하거나 동일할 수 있다. 예를 들어, 펄스 발생기(1555)는 전원 공급 기구(1560)로부터 수신되는 전원 전압들과 상응하는 전압 크기를 갖고 제어기(1575)로부터 수신되는 제어 신호들과 상응하는 다른 특성들을 갖는 펄스들을 발생시키도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예들에서는, 다른 펄스 발생기 회로들이 사용될 수 있다.
전극(1565)은 본 출원에서 논의된 전극들 중 임의의 전극과 유사하거나 동일할 수 있다. 예를 들어, 전극(1565)은 도 3 및 도 4에 관하여 위에서 논의된 전극들(300 및 400)과 유사하거나 동일할 수 있다. 전극(1565)은 전도체(1556)로부터 펄스 발생기(1555)에 의해 발생된 nsPEF 펄스들을 수신하도록 구성되고 nsPEF 펄스들을 치료상의 nsPEF 처치를 받는 환자에 전달하도록 구성된다. 대안적인 실시예들에서는, 다른 치료상 전극들이 사용될 수 있다.
센서(1566)는 열전대, 전압 프로브, 전류 프로브, 임피던스 프로브, 커패시턴스 프로브, 광 센서, 습도 센서, 조직 모니터링 프로브, 및 화학 분석 프로브 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 센서(1566)는 환자, 전극(1565), 전극(1565)에 의해 전달되는 nsPEF 펄스들, 및 전극(1565)에 의해 전달되는 nsPEF 펄스들의 효과들의 하나 이상의 특성들을 감지하도록 구성될 수 있다.
전원 공급 기구(1560)는 전원 전압들을 펄스 발생기(1555)에 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 펄스 발생기(1555)가 도 7에 예시된 펄스 발생기 회로(700)와 유사한 실시예들에서, 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기 회로(700)의 전원 전압들(V1 및 V2)과 상응하는 전원 전압들을 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전원 공급 기구(1560)는 제어기(1575)로부터의 제어 신호와 상응하는 전압 레벨을 갖는 전원 전압들을 발생시키고 제공한다.
인터페이스(1570)는 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 다양한 파라미터 및 특성을 식별하는 사용자로부터의 입력을 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 인터페이스(1570)는 환자에 인가될 하나 이상의 nsPEF 펄스의 하나 이상의 특성에 대한 값들을 식별 또는 지정하는 입력을 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특성들은 환자에 인가될 하나 이상의 nsPEF 펄스의 진폭, 극성, 폭, 상승 시간, 및 하강 시간 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 특성들은 환자에 인가될 일련의 nsPEF 펄스의 주파수 및 펄스 량 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 특성들은 추가적으로 또는 대안적으로 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 결과, 이를테면 환자의 처치 조직에 대한 최대 온도를 포함할 수 있다. 수신된 입력에 의해 다른 특성들이 추가적으로 또는 대안적으로 식별 또는 지정될 수 있다.
추가적으로, 인터페이스(1570)는 수신된 입력에 의해 식별 또는 지정된 특성들을 제어기(1575)에 전달하도록 구성된다.
제어기(1575)는 인터페이스(1570)로부터 수신되는 전달된 특성들에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 제어 신호를 발생시키고 그것들을 펄스 발생기(1555) 및 전원 공급 기구(1560)에 제공하도록 구성된다. 추가적으로, 펄스 발생기(1555), 전원 공급 기구(1560), 및 전극(1565)은 공동으로 제어기(1575)로부터의 제어 신호들에 응답하여, 제어 신호들과 상응하는 특성들을 갖는 nsPEF 펄스들을 발생시키도록 구성된다.
이러한 실시예에서, 펄스 발생기(1555), 전극(1565), 및 센서(1566) 중 하나 이상은 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들 또는 nsPEF 처치 시스템(1550)의 다른 신호들의 측정된 파라미터 특성들을 나타내는 상응하는 피드백 신호들(FB1, FB2, 및 FB3)을 발생시키도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 피드백 신호들(FB1, FB2, 및 FB3)에 의해 나타내어지는 nsPEF 펄스들의 파라미터 특성들은 nsPEF 펄스들의 진폭, 극성, 폭, 상승 시간, 및 하강 시간 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 피드백 신호들(FB2, 및 FB3)에 의해 나타내어지는 nsPEF 펄스들의 파라미터 특성들은 추가적으로 또는 대안적으로 조직 임피던스, 조직 인덕턴스, 조직 커패시턴스, 조직에 인가되는 순간 전력, 및 조직에 인가되는 에너지가 계산될 수 있도록 조직에 인가되는 전류 및 전압 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 피드백 신호(FB1)에 의해 나타내어지는 파라미터 특성들은 추가적으로 또는 대안적으로 펄스 발생기(1555)의 충전 모드 동안 충전되는 캐피시터에서의 전압, 펄스 발생기(1555)의 제어 신호의 전압 및/또는 전류 특성들, 펄스 발생기(1555)의 전원 공급 기구 신호의 전압 및/또는 전류 특성들, 펄스 발생기(1555)에 의해 발생되는 펄스의 전압 및/또는 전류 특성들, 및 펄스 발생기(1555)의 다른 입력, 출력, 또는 내부 신호의 전압 및/또는 전류 특성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 파라미터 특성들은 일련의 nsPEF 펄스의 주파수를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 파라미터 특성들은 추가적으로 또는 대안적으로 환자의 처치 조직의 온도를 포함할 수 있다. 피드백 신호들(FB2, 및 FB3)은 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들, 환자, 환경, 및 nsPEF 처치 시스템(1550) 중 하나 이상의 다른 측정된 파라미터 특성들에 상응하거나 그것들을 나타낼 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제어기(1575), 전원 공급 기구(1560), 펄스 발생기(1555), 전극(1565), 및 임의적으로 센서(1566)는 공동하여 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 하나 이상의 파라미터 특성이 인터페이스(1570)에 의해 수신되는 입력에서 식별되는 상응하는 특성들의 값들과 실질적으로 동일한(예를 들어, 10% 또는 1% 내) 측정된 값들을 갖게 하는 피드백 루프를 형성한다.
예를 들어, 인터페이스(1570)는 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 진폭에 대해 15kV의 값을 지정하는 입력을 수신할 수 있다. 또한, 제어기(1575)는 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 측정된 진폭이 15kV 미만(또는 초과)임을 나타내는 전극(1565)으로부터의 피드백 신호(FB2), 펄스 발생기(1555)로부터의 피드백 신호(FB1), 또는 센서(1566)로부터의 피드백 신호(FB3)에 응답하여, 전원 공급 기구(1560)에 제공되는 제어 신호를 변경하도록 구성될 수 있다. 변경된 제어 신호에 응답하여, 전원 공급 기구(1560)는 환자에 발생 및 인가되는 nsPEF 펄스들의 진폭이 15kV로 증가(또는 감소)되도록 펄스 발생기(1555)에 제공되는 전원 신호들의 전압을 증가(또는 감소)시키도록 구성될 수 있다.
유사하게, 인터페이스(1570)는 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 펄스 폭에 대해 150ns의 값을 지정하는 입력을 수신할 수 있다. 제어기(1575)는 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 측정된 펄스 폭이 150ns 초과(또는 미만)임을 나타내는 센서(1566)로부터의 피드백 신호(FB3), 전극(1565)으로부터의 피드백 신호(FB2), 또는 펄스 발생기(1555)로부터의 피드백 신호(FB1)에 응답하여, 펄스 발생기(1555)에 제공되는 제어 신호를 변경하도록 구성될 수 있다. 변경된 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기(1555)는 감소(또는 증가된) 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들을 발생시키고 그것들을 환자에 인가하도록 구성될 수 있다. 그 결과, 피드백 신호들(FB1, FB2, 및 FB3) 중 하나 이상은 150ns로 감소(또는 증가)된 펄스 폭들을 갖는 nsPEF 펄스들을 펄스 발생기(1555)가 발생시키고 인가하게 하는 제어 신호들을 제어기(1575)가 발생시키게 한다.
몇몇 실시예에서, 피드백 루프는 비례-적분-미분(PID) 방법을 사용하여 제어된다. 예를 들어, PID 방법을 사용하면, 제어기(1575)는 에러 값을 인터페이스(1570)에서 인지되는 목적하는 값과 상응하는 측정된 파라미터 간 차로서 연속적으로 또는 실질적으로 연속적으로 계산하도록 구성될 수 있다. 또한, PID 방법을 사용하면, 제어기(1575)는 제어 신호들을 에러 신호의 제1 상수배, 에러 신호의 적분의 제2 상수배, 및 에러 신호의 미분의 제3 상수배 중 하나 이상의 합으로서 연속적으로 또는 실질적으로 연속적으로 계산하도록 구성될 수 있으며, 이때 제1, 제2, 및 제3 상수들은 양수, 음수, 또는 0과 동일할 수 있다. 다른 관례 또는 표준 제어 방법들이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 피드백 루프는 측정된 값에 기초하여 다음 값을 결정하기 위해 룩업 테이블을 사용하여 제어된다. 몇몇 실시예에서, 피드백 루프는 측정된 값이 임계치를 초과하는지 또는 그 미만인지에 대한 결정에 기초하여 정량 또는 증분량만큼 값을 감소 또는 증가시킴으로써 제어된다.
도 16은 도 15에 예시된 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)로서 사용될 수 있는 대안적인 펄스 발생기(1600)를 예시한다. 펄스 발생기(1600)는 본 출원에서 논의된 다른 펄스 발생기 회로들과 유사하거나 동일한 특징들을 가질 수 있다. 예를 들어, 펄스 발생기(1600)는 도 7의 펄스 발생기 회로(700)와 유사하거나 동일한 특징들을 가질 수 있다.
예를 들어, 펄스 발생기(1600)는 펄스 발생기 회로(700)의 드라이버(750)와 유사하거나 동일할 수 있는 드라이버 회로(1650)를 포함한다. 또한, 펄스 발생기(1600)는 각각 펄스 발생기 회로들(710, 720, 730, 및 740)과 유사하거나 동일할 수 있는, 펄스 발생기 회로들(1610, 1620, 1630, 및 1640)을 포함한다.
펄스 발생기(1600)는 또한 아날로그 대 디지털 변환기(1660)를 포함하거나, 또는 몇몇 실시예에서 그것들에 연결된다. 뿐만 아니라, 펄스 발생기(1600)는 추가적으로 또는 대안적으로 전류 모니터들(1670 및 1680)을 포함하거나, 또는 몇몇 실시예에서 그것들에 연결된다.
이러한 실시예에서, 아날로그 대 디지털(A/D) 변환기(1660)는 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들에 각각 연결되는 입력들을 갖는 제1 채널을 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 제1 저 입력 임피던스 차분 버퍼(미도시)가 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)의 입력들을 구동한다. 몇몇 실시예에서는, 프로브, 이를테면 Tektronix P6015A 수동 고전압 프로브(미도시)가 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)의 입력들을 구동한다.
몇몇 실시예에서는, 단지 양(+)의 전압 출력 단자만 아날로그 대 디지털 변환기(1660)에 연결된다. 몇몇 실시예에서는, 양(+)의 전압 출력 단자가 전압 드라이버를 통해 아날로그 대 디지털 변환기(1660)에 연결된다. 그러한 실시예들에서는, 양(+)의 전압 출력 단자에서의 전압이 접지 기준이 되고, 접지는 또한 아날로그 대 디지털 변환기(1660)에 연결된다. 예를 들어, 펄스 발생기(1600)의 음(-)의 전압 출력 단자가 접지 전압에 있는 경우 양(+)의 전압 출력 단자가 접지 기준이 된다.
또한, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)는 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들 간 전압 차를 나타내는 제1 디지털 출력을 발생시키도록 구성된다. 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1650)에 사용될 때, 제1 디지털 출력은 제어기(1675)에 대한 피드백 신호로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)는 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들에 전압들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나에 기초하여 제1 디지털 출력을 발생시킨다.
이러한 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)는 전류 모니터들(1670 및 1680)에 각각 연결되는 입력들을 갖는 제2 채널을 포함하고, 전류 모니터들(1670 및 1680)이 각각 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들에 각각 연결된다. 몇몇 실시예에서는, 제2 저 입력 임피던스 차분 버퍼(미도시)가 전류 모니터들(1670 및 1680)에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)의 입력들을 구동한다.
또한, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)는 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들을 통해 흐르는 전류든 간 전류 차를 나타내는 제2 디지털 출력을 발생시키도록 구성된다. 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)에 사용될 때, 제2 디지털 출력은 제어기(1575)에 대한 피드백 신호로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1660)는 전류 모니터들(1670 및 1680)로부터의 입력들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나에 기초하여 제2 디지털 출력을 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 전류 모니터들(1670 및 1680)은 각각 감지 저항기 및 증폭기를 포함한다. 감지 저항기는 그것을 통해 흐르는 전류의 전압 응답을 발생시키도록 구성되고, 증폭기는 감지 저항기에 걸친 전압에 기초하여 아날로그 대 디지털 변환기에 대한 입력을 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 전류 모니터들(1670 및 1680)은 전류 모니터, 이를테면 피어슨 전류 모니터(Pearson Current Monitor)(2878)를 포함하며, 이는 감지된 전류에 응답하여 전압을 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 펄스 발생기(1600)는 제1 및 제2 디지털 출력들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나를 발생시킨다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 단일 채널 아날로그 대 디지털 변환기는 아날로그 대 디지털 변환기(1660) 대신 또는 그것에 추가하여 사용된다.
몇몇 실시예에서는, 단지 단일 전류 모니터만이 사용된다. 단일 전류 모니터는 펄스 발생기(1600)의 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 단자들 중 어느 하나의 전류를 모니터할 수 있다.
도 17은 예를 들어, 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)에서의 전극(1565)으로서 사용될 수 있는 전극(1700)의 개략도이다. 전극(1700)은 본 출원에서 논의된 전극들 중 임의의 전극과 유사하거나 동일할 수 있다. 예를 들어, 전극(1700)은 도 3 및 도 4에 관하여 위에서 논의된 전극들(300 및 400)과 유사하거나 동일할 수 있다.
전극(1700)은 입력 단자들(1710 및 1720)에 걸쳐 nsPEF 펄스들을 수신하도록 그리고 nsPEF 펄스들을 양(+) 및 음(-)의 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)을 통해 치료상의 nsPEF 처치를 받는 환자에 전달하도록 구성된다.
전극(1700)은 아날로그 대 디지털 변환기(1750)를 포함하거나, 또는 몇몇 실시예에서 그것에 연결된다. 뿐만 아니라, 전극(1700)은 추가적으로 또는 대안적으로 전류 모니터들(1760 및 1770)을 포함하거나, 또는 몇몇 실시예에서 그것들에 연결된다. 또한, 전극(1700)은 열 센서들(1780 및 1790)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 전극(1700)은 열 센서들(1780 및 1790) 양자가 아니라 그 중 어느 하나를 포함한다.
이러한 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 각각 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 연결되는 입력들을 갖는 제1 채널을 포함한다. 몇몇 실시예에서는, 제1 저 입력 임피던스 차분 버퍼(미도시)가 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)의 제1 채널의 입력들을 구동한다. 몇몇 실시예에서는, 프로브, 이를테면 Tektronix P6015A 수동 고전압 프로브(미도시)가 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)의 입력들을 구동한다.
또한, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740) 간 전압 차를 나타내는 제1 디지털 출력을 출력 단자(1735)에 발생시키도록 구성된다. 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1650)에 사용될 때, 제1 디지털 출력은 제어기(1575)에 대한 피드백 신호로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에서의 전압들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나에 기초하여 제1 디지털 출력을 발생시킨다.
이러한 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 또한 전류 모니터들(1760 및 1770)에 각각 연결되는 입력들을 갖는 제2 채널을 포함하고, 전류 모니터들(1760 및 1770)이 각각 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 각각 연결된다. 몇몇 실시예에서는, 제2 저 입력 임피던스 차분 버퍼(미도시)가 전류 모니터들(1760 및 1770)에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)의 제2 채널의 입력들을 구동한다.
또한, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)을 통해 흐르는 전류들 간 전류 차를 나타내는 제2 디지털 출력을 출력 단자(1765)에 발생시키도록 구성된다. 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)에 사용될 때, 제2 디지털 출력은 제어기(1575)에 대한 피드백 신호로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 전류 모니터들(1760 및 1770)로부터의 입력들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나에 기초하여 제2 디지털 출력을 발생시킨다.
이러한 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 또한 열 센서들(1780 및 1790)에 각각 연결되는 입력들을 갖는 제3 채널을 포함하고, 열 센서들(1780 및 1790)이 각각 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 각각 열적 결합된다.
몇몇 실시예에서는, 제3 저 입력 임피던스 차분 버퍼(미도시)가 열 센서들(1780 및 1790)에 연결되고, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)의 제3 채널의 입력들을 구동한다.
아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740) 중 적어도 하나의 온도를 나타내는 제3 디지털 출력을 출력 단자(1785)에 발생시키도록 구성될 수 있다. 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)에 사용될 때, 제3 디지털 출력은 제어기(1575)에 대한 피드백 신호로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 아날로그 대 디지털 변환기(1750)는 열 센서들(1780 및 1790)로부터의 입력들 양자가 아니라, 그 중 어느 하나에 기초하여 제3 디지털 출력을 발생시킨다.
몇몇 실시예에서, 열 센서들(1780 및 1790)은 양(+) 및 음(-)의 전압 출력 치료상 전극들(1730 및 1740)에 결합되지 않고, 그 대신, 환자에 접촉하는 제1 및 제2 핀들에 결합된다. 그러한 실시예들에서, 제1 및 제2 핀들이 조직 온도를 감지하기 위해 환자에 접촉될 수 있고, 치료상 전극들(1730 및 1740)은 nsPEF 펄스들을 전달하기 위해 환자에 접촉될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 전극(1565)과 별개인 하나 이상의 열 센서가 환자에 접촉되고 제어기(1575)에 열 정보를 제공하는 케이블을 가지며, 이때 케이블의 적어도 일부는 전극(1565) 및 제어기(1575)를 연결하는 케이블과 상이하다.
몇몇 실시예에서, 전극(1565)은 적어도 하나의 레이저 온도계, 이를테면 IR 레이저 온도계를 포함하며, 이는 열 센서들(1780 및 1790)의 열 정보와 상응하는 열 정보를 제공한다.
다양한 실시예에서, 펄스 발생기(1700)는 제1, 제2, 및 제3 디지털 출력들 중 임의의 하나, 두 개, 또는 모든 디지털 출력을 발생시킨다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 단일 채널 아날로그 대 디지털 변환기는 아날로그 대 디지털 변환기(1750) 대신 또는 그것에 추가하여 사용된다.
도 18은 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(1800)의 흐름도이다. 상기 방법에서, nsPEF 처치 시스템은 처치의 파라미터를 제어하기 위한 피드백 루프를 구현한다. 제한되지 않으나, 제조 변화, 온도, 및 시스템 수명을 포함하는 하나 이상의 요인으로 인해, 처치 동안 인식 또는 측정된 파라미터들은 시스템이 프로그램된 상응하는 값들과 다소 상이한 값들을 갖는 경향이 있다. 시스템의 정확성을 증가시키기 위해, 피드백 루프는 측정된 파라미터들이 목적하는 또는 프로그램된 값들과 보다 밀접하게 매칭되도록 인식된 파라미터들을 능동적으로 측정 및 제어한다.
1810에서, 환자 또는 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 하나 이상의 목적하는 특성을 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
1820에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 인터페이스에 수신된 목적하는 특성들의 값들과 상응하여 제어 값을 발생시킨다.
1830에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전하며, 이때 수신된 하나 이상의 제어 신호는 1820에서 발생된 하나 이상의 제어 값과 상응한다.
1840에서는, 적어도 하나의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 발생된 nsPEF 펄스가 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스를 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스가 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스가 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스는 환자에 인가되지 않는다.
1850에서, nsPEF 펄스의 하나 이상의 전기적 특성 또는 환자의 특성들이 예를 들어, nsPEF 펄스가 환자에 인가되는 동안 측정 또는 감지된다.
1860에서, 측정 또는 감지된 특성의 값이 1810에서 수신된 정보에 의해 나타내어지는 바와 상응하는 목적하는 특성의 값과 비교된다.
1820으로 돌아가, 제어기는 1860에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 특성들의 값들과 상응하여 제어 값들을 변경한다. 제어기는 제어 값에 대한 변경으로 인해, 다음 측정 또는 감지되는 특성의 값이 이전에 측정 또는 감지된 특성의 값보다 목적하는 특성의 값에 더 가까울 것으로 예상되도록 제어 값들을 변경하도록 구성된다.
몇몇 실시예에서, 측정 또는 감지되는 특성은 nsPEF 펄스의 전기적 특성들, 이를테면 진폭, 펄스 폭, 주파수, 전류, 펄스 형상, 전력, 및 에너지를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 진폭, 펄스 폭, 주파수, 전류, 펄스 형상, 전력, 및 에너지 중 하나 이상의 통계 값, 이를테면 평균, 표준 편차, 중간값, 최소값, 및 최대값이 추가적으로 또는 대안적으로 사용된다. 몇몇 실시예에서는, 진폭, 펄스 폭, 주파수, 전류, 펄스 형상, 전력, 및 에너지 중 하나 이상의 순시 값, 이를테면 평균, 표준 편차, 중간값, 최소값, 및 최대값이 추가적으로 또는 대안적으로 사용된다. 다른 측정 또는 감지되는 특성들이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 측정 또는 감지되는 특성은 추가적으로 또는 대안적으로 nsPEF 펄스의 효과, 이를테면 환자 조직의 온도, 환자 조직의 전도도, 및 nsPEF 펄스 전달 전극에서의 아크를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 측정 또는 감지되는 특성은 추가적으로 또는 대안적으로 환경적 특성, 이를테면 온도, 습도, 및 화학적 농도를 포함할 수 있다.
도 19는 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(1900)의 흐름도이다.
1910에서, 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 전류 또는 전압 진폭을 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
1920에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 진폭과 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
1930에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전하며, 이때 수신된 하나 이상의 제어 신호는 1920에서 발생된 하나 이상의 제어 값과 상응한다.
1940에서는, 적어도 하나의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 발생된 nsPEF 펄스가 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스를 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스가 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스가 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스는 환자에 인가되지 않는다.
1950에서, nsPEF 펄스의 진폭이 예를 들어, nsPEF 펄스가 환자에 인가되는 동안 측정 또는 감지된다.
1960에서, 측정 또는 감지된 진폭의 값이 1910에서 수신된 정보에 의해 나타내어지는 바와 같은 진폭과 비교된다.
1920으로 돌아가, 제어기는 1960에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 진폭의 값들과 상응하여 제어 값들을 변경한다. 제어기는 측정 또는 감지된 진폭의 값이 목적하는 진폭 미만인 경우, 변경된 제어 값들이 전원 공급 기구가 이전에 사용된 값보다 더 큰 값의 전압으로 펄스 발생기를 충전시키게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다. 비슷하게, 제어기는 추가적으로 측정 또는 감지된 진폭의 값이 목적하는 진폭 초과인 경우, 변경된 제어 값들이 전원 공급 기구가 이전에 사용된 값보다 더 적은 값의 전압으로 펄스 발생기를 충전시키게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다.
도 20은 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2000)의 흐름도이다.
2010에서, 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 펄스 폭을 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
2020에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 펄스 폭과 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
2030에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전한다.
2040에서는, 적어도 하나의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 발생된 nsPEF 펄스가 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스를 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스가 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스가 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스는 환자에 인가되지 않는다.
2050에서, nsPEF 펄스의 펄스 폭이 예를 들어, nsPEF 펄스가 환자에 인가되는 동안 측정 또는 감지된다.
2060에서, 측정 또는 감지된 펄스 폭의 값이 2010에서 수신된 정보에 의해 나타내어지는 바와 같은 펄스 폭과 비교된다.
2020으로 돌아가, 제어기는 2060에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 진폭의 값들과 상응하여 제어 값들을 변경한다. 제어기는 측정 또는 감지된 펄스 폭의 값이 목적하는 펄스 폭 미만인 경우, 변경된 제어 값들이 펄스 발생기가 이전에 발생된 값보다 더 큰 값의 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들을 더 발생시키게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다. 비슷하게, 제어기는 측정 또는 감지된 펄스 폭의 값이 목적하는 펄스 폭 초과인 경우, 변경된 제어 값들이 펄스 발생기가 이전에 발생된 값보다 미만의 값의 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들을 더 발생시키게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다.
도 21은 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2100)의 흐름도이다.
2110에서, nsPEF 펄스들로 처치되고 있는 환자의 최대 조직 온도를 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
2120에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 최대 조직 온도와 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
2130에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전한다.
2140에서는, 하나 이상의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 발생된 nsPEF 펄스들이 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스들을 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스들을 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스들이 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 환자에 인가되지 않는다.
2150에서, 환자의 온도가 예를 들어, nsPEF 펄스들이 환자에 인가되는 동안 온도 센서를 이용하여 측정 또는 감지된다.
2160에서, 측정 또는 감지된 온도의 값이 2110에서 수신된 정보에 의해 나타내어지는 바와 같은 최대 온도와 비교된다.
2120으로 돌아가, 제어기는 2160에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 최대 온도의 값들과 상응하여 제어 값들을 변경한다. 제어기는 측정 또는 감지된 온도의 값이 최대 온도 초과이거나 최대 온도 미만의 임계치 초과인 경우, 변경된 제어 값들이 nsPEF 처치 시스템이 환자에 보다 적은 전력을 전달하게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다. 예를 들어, 변경된 제어 값들은 보다 적은 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 주파수를 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 전압을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다.
도 22는 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2200)의 흐름도이다.
2210에서, 목적하는 펄스 발생기 충전 전압을 나타내는 정보가 예를 들어, 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다. 몇몇 실시예에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)에 목적하는 펄스 발생기 충전 전압이 수신된다.
2220에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 펄스 발생기 충전 전압과 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
2230에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전한다.
2235에서, 펄스 발생기의 충전이 감지되고 목적하는 펄스 발생기 충전 전압과 비교된다. 예를 들어, 제어기는 충전된 펄스 발생기의 전압을 감지하고 감지된 전압을 목적하는 펄스 발생기 충전 전압과 비교할 수 있다.
감지된 전압과 목적하는 펄스 발생기 전압 간 차가 용인되는 제한 윈도의 범위 밖에 있는 경우, 방법은 2220으로 돌아가며, 이때 제어기는 목적하는 펄스 발생기 충전 전압 및 감지된 전압에 기초하여 새로운 제어 값들을 발생시킨다.
감지된 전압과 목적하는 펄스 발생기 전압 간 차가 용인되는 윈도의 범위에 들어가는 경우, 2140에서, 하나 이상의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 발생된 nsPEF 펄스들이 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스들을 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스들을 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스들이 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 환자에 인가되지 않는다.
도 22는 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2200)의 흐름도이다. 도 23은 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2300)의 흐름도이다.
2310에서, nsPEF 펄스들로 처치되고 있는 환자에 전달될 최대 에너지 및 최대 평균 전력 중 적어도 하나를 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
2320에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 최대 에너지, 목적하는 최대 전력 중 적어도 하나, 환자의 하나 이상의 목적하는 특성, 및 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 하나 이상의 목적하는 특성과 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
2330에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전한다.
2340에서는, 하나 이상의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 발생된 nsPEF 펄스들이 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스들을 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스들을 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스들이 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 환자에 인가되지 않는다.
2350에서, nsPEF 펄스들의 에너지가 예를 들어, 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 순시 전류 및 전압을 측정하고 그것들의 곱을 적분함으로써 결정된다. 측정 또는 감지된 에너지는 환자에 인가되는 총 에너지를 결정하기 위해 이전에 결정된 에너지 값들에 더해질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 시간 지속 기간 동안 평균 전력이 예를 들어, 지속 기간 동안 전달된 총 에너지를 지속 기간의 시간으로 나눔으로써 결정될 수 있다.
2360에서, 프로세서는 환자에 인가된 총 에너지 및 수신된 최대 에너지를 비교할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로세서는 환자에 인가된 평균 전력 및 수신된 최대 평균 전력을 비교할 수 있다.
2320으로 돌아가, 제어기는 2360에서 수행된 비교의 결과들에 따라 제어 값들을 변경한다. 제어기는 측정 또는 감지된 에너지 또는 평균 전력의 값이 목적하는 최대 에너지 또는 목적하는 평균 전력 초과이거나 목적하는 최대 에너지 또는 목적하는 평균 전력 미만의 임계치 초과인 경우, 변경된 제어 값들이 nsPEF 처치 시스템이 환자에 보다 적은 전력을 전달하게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다. 예를 들어, 변경된 제어 값들은 보다 적은 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 주파수를 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 전압을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다.
도 24는 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2400)의 흐름도이다.
2410에서, nsPEF 펄스들로 처치되고 있는 환자의 최대 조직 온도를 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
2420에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 목적하는 최대 조직 온도와 상응하여 제어 값들을 발생시킨다.
2430에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전한다.
2440에서는, 하나 이상의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 발생된 nsPEF 펄스들이 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스들을 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스들을 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스들이 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스들이 환자에 인가되지 않는다.
2450에서, nsPEF 펄스들의 에너지가 예를 들어, 환자에 인가되는 nsPEF 펄스들의 순시 전류 및 전압 값들을 측정 및 적분함으로써 결정된다. 측정 또는 감지된 에너지는 환자에 인가되는 총 에너지를 결정하기 위해 이전에 결정된 에너지 값들에 더해질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 시간 지속 기간 동안 평균 전력이 예를 들어, 지속 기간 동안 전달된 총 에너지를 지속 기간의 시간으로 나눔으로써 결정될 수 있다.
결정된 총 에너지 및 평균 전력 중 하나 이상에 기초하여, 조직 온도가 계산될 수 있다. 예를 들어, 주변 조직 및 환경의 온도 및 열 전도도 특성들이 알려져 있고 이러한 파라미터들 및 결정된 총 에너지 및/또는 평균 전력에 기초하여 조직 온도를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 온도 측정은 예를 들어, 열전대 또는 온도계를 사용하여 이루어질 수 있다.
2460에서, 프로세서는 계산 또는 측정된 온도를의 값을 2410에서 수신된 정보에 의해 나타내어지는 바와 같은 최대 온도와 비교할 수 있다.
2420으로 돌아가, 제어기는 2460에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 최대 온도의 값들과 상응하여 제어 값들을 변경한다. 제어기는 계산 또는 측정된 온도의 값이 최대 온도 초과이거나 최대 온도 미만의 임계치 초과인 경우, 변경된 제어 값들이 nsPEF 처치 시스템이 환자에 보다 적은 전력을 전달하게 하도록 제어 값들을 변경시키도록 구성된다. 예를 들어, 변경된 제어 값들은 보다 적은 펄스 폭을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 주파수를 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 변경된 제어 값들은 보다 낮은 전압을 갖는 nsPEF 펄스들이 발생되게 하게 할 수 있다. 방법(2400)의 몇몇 실시예에서, 계산된 조직 온도와 상응하는 조직 온도는 열 센서를 사용하여 결정되지 않는다.
도 25는 nsPEF 처치 시스템, 이를테면 도 15의 nsPEF 처치 시스템(1550)을 사용하는 방법(2500)의 흐름도이다.
2510에서, 환자 또는 환자에 인가될 nsPEF 펄스들의 하나 이상의 목적하는 특성을 나타내는 정보가 인터페이스, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 인터페이스(1570)에 수신된다.
2520에서는, 제어기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 제어기(1575)가 인터페이스에 수신된 목적하는 특성들의 값들과 상응하여 제어 값을 발생시킨다.
2530에서, 전원 공급 기구, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 전원 공급 기구(1560)는 펄스 발생기, 이를테면 nsPEF 처치 시스템(1550)의 펄스 발생기(1555)를 충전한다. 전원 공급 기구는 제어기로부터 수신된 하나 이상의 제어 신호에 기초하여 결정되는 전압 값으로 펄스 발생기를 충전하며, 이때 수신된 하나 이상의 제어 신호는 2520에서 발생된 하나 이상의 제어 값과 상응한다.
2540에서는, 적어도 하나의 nsPEF 펄스가 발생된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 발생된 nsPEF 펄스가 환자에 인가된다. 예를 들어, 제어기로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여, 펄스 발생기는 nsPEF 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 전극, 이를테면 전극(1565)은 nsPEF 펄스를 환자에 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스가 처치 요법의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서는, nsPEF 펄스가 nsPEF 처치 시스템의 특성화, 셋업, 또는 캘리브레이션의 일부로서 환자에 인가된다. 몇몇 실시예에서, nsPEF 펄스는 환자에 인가되지 않는다.
2550에서, nsPEF 펄스의 또는 환자의 하나 이상의 전기적 특성이 부하 임피던스를 결정하기 위해 예를 들어, nsPEF 펄스가 환자에 인가되는 동안 측정 또는 감지된다. 예를 들어, nsPEF 펄스 전압 및 전류는 부하 임피던스를 결정하기 위해 측정될 수있다.
2560에서, 측정 또는 감지된 부하 임피던스의 값이 상응하는 예상 부하 임피던스의 값과 비교된다.
2520으로 돌아가, 제어기는 2560에서 수행된 비교의 결과들에 따라 인터페이스에 수신된 목적하는 특성들의 값들과 상응하여 제어 값들을 가정적으로 변경한다. 제어기는 예를 들어, 측정된 임피던스가 임계치를 초과하는 경우, nsPEF 처치 시스템이 nsPEF 펄스들을 발생시키는 것을 중단하도록 제어 값들이 변경되도록 제어 값들을 변경하도록 구성된다. 높게 측정된 임피던스는 예를 들어, nsPEF 펄스 전달 전극들이 더 이상 환자에 연결되지 않기 때문에 nsPEF 처치 시스템이 계속해서 nsPEF 펄스들을 발생시키지 않아야 한다는 표시일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제어기는 예를 들어, 측정된 임피던스가 예상 범위 밖에 있는 경우, nsPEF 처치 시스템이 저전압 nsPEF 펄스들을 발생시키도록 제어 값들이 변경하도록 구성된다. 측정된 임피던스가 예상 범위 밖에 있다는 것은 nsPEF 펄스 전달 전극들이 환자에 적절하게 연결되지 않았다는 표시일 수 있다. 측정된 부하 임피던스가 예상 범위 내에 있을 때까지 저전압 nsPEF 펄스들이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, nsPEF 처치 시스템은 위에서 설명된 방법들 또는 다른 방법들 중 하나보다 많은 방법을 동시에 수행하도록 구성된다. 예를 들어, nsPEF 처치 시스템은 발생된 nsPEF 펄스들에서 측정된 다수의 특성을 인식하기 위해 하나 이상의 제어 값을 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 처치 세션 동안, nsPEF 처치 시스템은 nsPEF 펄스들의 펄스 폭 및 진폭 양자가 피드백을 통해 능동적으로 제어되도록 제어 파라미터들을 동시에 측정 및 변경하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 적절한 전극 연결을 보장하기 위해, 부하 임피던스가 처치를 받고 있는 환자에 인가되는 하나 이상의 nsPEF 펄스에 기초하여 측정되면서, nsPEF 펄스들의 특성들 피드백을 통해 능동적으로 제어된다. 몇몇 실시예에서, 펄스 발생기가 방법(2200)의 특성들을 갖는 피드백 방법을 사용하여 충전되고 nsPEF 특성들을 결정하는 제어 값들은 하나 이상의 다른 방법의 측정들에 기초하여 계산된다.
세포 자멸을 활성화시키기에 충분한 nsPEF를 종양에 인가하는 것은 적어도 경험적으로 찾아진 전기적 특성들을 포함한다. 예를 들어, 500개 내지 2000개의 펄스에 대해 초 당 1개 내지 7개의 펄스(pps)에서 20 nm 상승 시간 내지 30 kV/cm(센티미터 당 킬로볼트)를 갖는 100 nm 장 펄스가 종양 유형에 따라, 세포 자멸을 활성화시키기에 충분한 것으로 밝혀졌다. 적어도 20 kV/cm의 펄스 전기장들이 효율적인 것으로 밝혀졌다. 50개의 펄스보다 더 많은 수의 펄스가 또한 효율적인인 것으로 밝혀졌다. 결과로서 전극 유형 및 피부 저항에 따라 12 A와 60 A 사이 전류 값들이 생겼다.
본 출원에 설명된 펄스 발생기들의 실시예들은 용도가 다양하다. 대상체의 혈류를 통해 전이한 암은 nsPEF의 면역 자극 속성들을 사용하여 처치될 수 있다. 처리를 위해, 순환 종양 세포들(CTC들)이 혈류와 분리되고 유리병, 시험관, 또는 체외 환경에 적합한 다른 것에 모아진다. 몇몇 경우, 단지 몇 안 되는(예를 들어, 5, 10) 종양 세포만 수집되고 모아질 수 있다. 이러한 덩어리를 통해, 세포들을 처치하기 위해 nsPEF 전기장이 인가된다. 이는 칼레티큘린 또는 하나 이상의 다른 손상 관련 분자 패턴들(DAMP들)이 종양 세포들의 표면 막들 상에 표현되게 할 수 있다. 그 다음 종양 세포들은 주입, 투입, 또는 그 외 방법에 의해 다시 대상체의 혈류로 도입될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 단일 CTC들이 또한 혈류와 구분되고, 각 종양 세포가 개별적으로 처치될 수 있다. 비오틴 유사체들을 운반하고 중합체 층으로 코팅퇴고 CTC들을 포획하기 위한 항체들과 결합으로 된 철 나노입자들을 사용하여 전혈에서 CTC들을 포획하는 자동 시스템이 자동으로 종양 세포들을 포획할 수 있고, 자석 및 또는 원심분리기가 그것들을 분리할 수 있다. 항체들과 분리 후, CTC들은 작은 모세 혈관을 통해 nsPEF로 처리된 다음 환자의 혈류에 재도입될 수 있다.
본 출원에서의 예들은 인체 및 쥣과의 대상체들을 논의하지만, 다른 동물들의 처치가 고려된다. 농업 동물들, 이를테면 말들 및 소들, 또는 경주 동물들, 이를테면 말들이 처치될 수 있다. 애완 동물들, 이를테면 고양이들 및 개들은 본 출원에서 설명된 처치들을 이용하여 특별 용도를 찾을 수 있다. 수의사가 작은 동물에게서 많은 종양을 제거하는 것이 어려울 수 있고, 동물들은 그들의 밀려오는 통증을 의사소통할 수 없기 때문에 암들이 상대적으로 늦게 발견될 수 있다. 나아가, 종양 세포들 다시 주사하는 것에 내재하는 위험―처치된 종양세포들이더라도―이 애완 동물에서 전이된 암을 잠재적으로 막는 잠재적 이점들의 가치가 있을 수 있다.
본 발명의 방법들은 악성으로 특징지어지든, 양성으로 특징지어지든, 연 조직으로 특징지어지든, 또는 고형으로 특징지어지든, 모든 유형의 암, 그리고 전이-전 및 -후 암들을 포함하여 모든 단계 및 분류의 암들의 처치를 위해 사용될 수 있다. 상이한 유형들의 암의 예들은 이에 제한되지는 않지만, 소화 및 위장 암들 이를테면 위암(예를 들어, 복부암), 결장암, 위장관 간질성 종양들, 위장 유암 종양들, 대장암, 직장암, 항문암, 담도암, 소장암, 및 식도암; 유방암; 폐암; 담낭암; 간암; 췌장암 ; 충수암 ; 전립선암, 난소암 ; 신장암(예를 들어, 신세포암); 중추 신경계의 암; 피부암(예를 들어, 흑색종); 림프종; 교종; 융무암종; 두부암 및 경부암; 골육종; 및 혈액암들을 포함한다.
nsPEF 처치들의 전기적 특성들은 종양의 크기 및/또는 유형에 기초하여 조절될 수 있다. 종양들의 유형들은 신체의 상이한 영역들의 종양들, 이를테면 위에서 설명된 암성 종양들을 포함할 수 있다.
본 출원에 설명된 다양한 실시예는 단지 예로서 제공되고, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해된다. 예를 들어, 본 출원에 설명된 많은 물질 및 구조는 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 다른 물질들 및 구조들로 치환될 수 있다. 따라서 청구된 본 발명은 해당 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명백할 바와 같이, 본 출원에 설명된 특정 실시예들 및 바람직한 실시예들로부터의 변경들을 포함할 수 있다. 본 발명이 작용하는 이유에 관한 다양한 이론은 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해된다.
상기한 설명은 예시적인 것이고 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 많은 변형이 본 개시 내용의 검토시 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기한 설명을 기준으로 하여 결정되는 것이 아니라, 그것들의 전체 범위 또는 등가물들과 함께 계류 중인 청구범위를 기준으로 하여 결정되어야 한다.
이전에 언급한 바와 같이, 본 명세서 또는 도면들 내 본 출원에 제공되는 모든 측정, 치수, 및 물질은 단지 예이다.
"한", "하나의", 또는 "그"의 열거는 명시적으로 그 반대로 표시되지 않는 한 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. "제1" 구성요소의 언급은 반드시 제2 구성요소가 제공될 것을 필요로 하지는 않는다. 또한 "제1" 또는 "제2" 구성요소의 언급은 명시적으로 언급되지 않는 한 언급된 구성요소를 특정 위치에 제한하지 않는다.
본 출원에 언급된 모든 공보는 인용된 공보들과 관련하여 방법들 및/또는 물질들을 개시 및 설명하기 위해 참조로 본 출원에 원용된다. 본 출원에서 논의된 공보들은 단지 본 출원의 출원일 이전 그것들의 개시 내용에 대해 제공된다. 여기서 본 발명이 이전 발명의 이유로 그러한 공보보다 선행하는 권리가 없다는 자백으로 간주될 것이 아니다. 나아가, 제공되는 공개일들은 실제 공개일들과 상이할 수 있으며, 이는 따로 확인될 필요가 있을 수 있다.

Claims (29)

  1. 마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템으로서,
    전원 공급 기구 제어 신호를 발생시키고 펄스 발생기 제어 신호를 발생시키도록 구성된 제어기;
    상기 전원 공급 기구 제어 신호를 수신하고 수신된 상기 전원 공급 기구 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 전원 전압을 발생시키도록 구성된 전원 공급 기구; 및
    상기 하나 이상의 전원 전압 및 상기 펄스 발생기 제어 신호를 수신하고, 상기 전원 공급 기구로부터 수신된 상기 하나 이상의 전원 전압에 부분적으로 기초하고 상기 제어기로부터 수신된 상기 펄스 발생기 제어 신호에 부분적으로 기초하여 하나 이상의 펄스를 발생시키도록 구성된 펄스 발생기를 포함하되,
    상기 펄스 발생기는 펄스 발생기 스테이지를 포함하고, 상기 펄스 발생기 스테이지는:
    스위치;
    상기 스위치에 결합된 용량성 소자; 및
    손실 변압기를 포함하고, 상기 스위치에 연결되며, 상기 스위치를 스위칭하기 위한 스위치 제어 신호 펄스들을 발생시키도록 구성된 스위치 드라이버를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 손실 변압기는 5 미만의 일차 권선 및 5 미만의 이차 권선을 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 손실 변압기는 스위치 드라이버로의 고전압 결합을 억제 및/또는 다음 펄스를 시작하기 전에 잔류 자속을 소산하도록 구성되는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 손실 변압기는 100V㎲ 미만의 전압 시 상수를 갖는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 손실 변압기는 리셋 권선이 없는 변압기를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 발생기 스테이지는 복수의 펄스 발생기 스테이지중 제1 펄스 발생기 스테이지이고, 복수의 펄스 발생기 스테이지는 5 이하의 스테이지를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 발생기는 병렬로 연결된 복수의 펄스 발생기중 제1 펄스 발생기인
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 발생기 스테이지는 5kV보다 큰 진폭을 갖는 펄스를 발생시키도록 구성되는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 펄스는 나노초 범위 내에 존재하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 발생기는 펄스 발생기 제어 신호에 응답하여 트리거 펄스를 발생시키도록 구성되는 구동 회로를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    펄스 발생기 스테이지는 복수의 펄스 발생기 스테이지중 제1 펄스 발생기 스테이지이고, 제1 펄스 발생기 스테이지는 하나 이상의 펄스를 발생시키기 위해 스위치를 닫는(closing) 스위치 드라이버로부터의 스위치 제어 신호 펄스에 응답하여 스위치를 통해 복수의 펄스 발생기 스테이지중 다른 적어도 하나에 직렬로 연결되도록 구성되는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발생기 시스템은 센서를 포함하되, 상기 센서는 열전대, 전압 프로브, 전류 프로브, 임피던스 프로브, 커패시턴스 프로브, 광 센서, 습도 센서, 조직 모니터링 프로브, 또는 화학 분석 프로브 중 하나 이상을 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 하나 이상의 펄스의 특성 또는 결과의 값을 나타내는 하나 이상의 피드백 신호를 수신하고, 수신된 하나 이상의 피드백 신호에 부분적으로 기초하여 전원 공급 기구 제어 신호 또는 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나 또는 둘다를 발생시키도록 구성되는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 피드백 신호는 측정된 전류, 측정된 전압, 또는 둘다를 나타내는 신호를 포함하고,
    제어기는 조직에 인가되는 에너지, 조직 임피던스, 조직 인덕턴스, 조직 커패시턴스, 또는 조직에 인가되는 순시 전력 중 하나 이상을 계산하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하나 이상의 피드백 신호는 측정된 온도를 나타내는 신호를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 발생기 시스템은 상기 펄스 발생기로부터 펄스들을 수신하고 상기 펄스들을 타겟에 인가하도록 구성된 전극을 포함하되, 상기 전극은 상기 하나 이상의 피드백 신호 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성되고,
    상기 전극은
    측정된 전류를 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 전류 센서,
    측정된 전압을 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 전압 센서, 또는
    측정된 온도를 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 발생기 시스템은 하나 이상의 펄스의 상기 특성 또는 상기 결과에 대해 목적하는 값을 나타내는 정보를 수신하도록 구성되는 인터페이스를 포함하되, 상기 제어기는 상기 목적하는 값에 부분적으로 기초하여 상기 전원 공급 기구 제어 신호 또는 상기 펄스 발생기 제어 신호 중 적어도 하나, 또는 둘 다를 발생시키도록 구성되는,
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전원 공급 기구, 상기 제어기, 및 상기 펄스 발생기는 공동으로 상기 펄스들의 상기 특성 또는 상기 결과가 상기 인터페이스에 의해 수신된 상기 정보에 의해 나타내어지는 상기 목적하는 값과 실질적으로 동일한 값을 갖게 하는 피드백 루프를 형성하는,
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 피드백 루프는 비례-적분-미분(PID) 방법, 다음 제어 신호 값을 결정하기 위한 룩업 테이블, 또는 다음 제어 신호 값을 정량만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 방법을 사용하여 제어되는,
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  20. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    스위치는 스위치 스택을 포함하고, 상기 스위치 스택은 직렬로 연결된 복수의 스위치를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    복수의 스위치 각각은 항복 전압을 갖고, 하나 이상의 전원 전압은 각각의 스위치의 항복 전압보다 크고, 펄스 발생기 스테이지는 용량성 소자를 하나 이상의 전원 전압으로 충전하도록 구성되는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  22. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    스위치는 MOSFET, 사이리스터 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터 중 적어도 하나를 포함하는
    마이크로초 미만 펄스 전기장 발생기 시스템.
  23. 펄스 발생기 시스템에 의해 고전압 펄스를 발생시키는 방법으로서,
    펄스 발생기 스테이지의 용량성 소자를 충전하는 단계;
    구동 신호 펄스를 스위치 드라이버의 손실 변압기에 의해 제어 신호 펄스로 변환하는 단계; 및
    제어 신호 펄스를 기초로 용량성 소자를 방전하도록 스위치를 스위칭하는 단계에 의해
    구동 신호 펄스보다 높은 진폭을 갖는 출력 펄스를 구동 회로로부터의 구동 신호 펄스를 기초로 펄스 발생기 스테이지에서 발생시키는 단계를 포함하는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제어 신호 펄스의 최대 폭, 스위치의 최대 턴-온 시간, 및 출력 펄스의 최대 펄스 폭은 나노초 범위 내에 존재하는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    손실 변압기를 사용하여 스위치 드라이버로의 고전압 결합을 억제 및/또는 다음 펄스를 시작하기 전에 잔류 자속을 소산하는 단계를 포함하는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  26. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 펄스 발생기로부터 적어도 하나의 전극에 상기 하나 이상의 펄스를 전송하는 단계; 및
    상기 펄스 발생기, 상기 적어도 하나의 전극, 또는 둘다를 이용하여 상기 하나 이상의 피드백 신호를 발생시키는 단계를 추가로 포함하는,
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 하나 이상의 피드백 신호는 측정된 전압, 측정된 전류, 또는 둘다를 나타내는 신호를 포함하고,
    상기 방법은
    제어기에 의해 조직 임피던스, 조직 인덕턴스, 또는 조직 커패시턴스 중 하나 이상을 계산하는 단계를 추가로 포함하는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    a) 상기 펄스 발생기에 있거나 상기 적어도 하나의 전극에 있는 전압 센서를 사용하여 전압을 측정하는 단계;
    b) 상기 펄스 발생기에 있거나 상기 적어도 하나의 전극에 있는 전류 센서를 사용하여 전류를 측정하는 단계; 또는
    c) 온도 센서에 의해 측정된 온도를 나타내는 신호를 발생시키는 단계 중 하나를 추가로 포함하는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    피드백 루프를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 피드백 루프는:
    비례-적분-미분(PID) 방법;
    다음 제어 신호 값을 결정하기 위한 룩업 테이블; 및
    다음 제어 신호 값을 정해진 양만큼 증가 또는 감소시키는 것을 포함하는 방법 중 하나를 사용하여 제어되는
    고전압 펄스를 발생시키는 방법.
KR1020217003734A 2016-02-29 2017-01-31 피드백 제어를 갖는 고전압 아날로그 회로 펄서 KR102305635B1 (ko)

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