TW201545707A - 使用電容性耦合之電脈波產生系統 - Google Patents

使用電容性耦合之電脈波產生系統 Download PDF

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Abstract

依據本揭示，說明經由電容性地耦合而使樣本曝露於一或多個電脈波。在某些實施例中，此樣本可為使用脈衝電場來處理或修改的生物樣本。在某些實施例中，此等電脈波可使用電容性地耦合而被輸送至負載。在其他的實施例中，此等電脈波可為雙極脈波。

Description

使用電容性耦合之電脈波產生系統
在此所述的標的事項一般有關於利用諸如細胞治療(cell therapy)及其他的醫療環境(medical context)中之呈脈波的形式之電激勵(electrical stimulation)的應用。
脈衝式功率具有許多工業應用，諸如，醫療、生物科技、食品加工、水處理(例如，水淨化)、廢氣處理、臭氧產生、及離子佈植。例如，轉染(transfection)為被使用來透化細胞膜，以促進DNA質體進入細胞的醫療技術。此技術(也稱為電穿孔(electroporation))典型上涉及施加足夠的強度及持續期間之電脈波，以透化細胞膜，且同時保持存活性(viability)。一旦細胞膜變成「有漏洞的(leaky)」，周圍緩衝液中的DNA進入細胞中。某些活體內(vivo)和活體外(ex vivo)的血小板活化法也利用脈衝式電激勵。
往往在使用脈衝式功率的醫療技術中，脈波產生系統 被直接地耦合至保存正被激勵的樣本之容器(例如，比色皿(cuvette)。在直接(亦即，導電)耦合式系統中，與電脈波相關聯的電流直接流過樣本。典型的方波脈波被利用於電穿孔，其中，吾人可調整脈波寬度、脈波振幅、脈波的數量、及頻率。這可能會需要由導電材料(亦即，金屬)所製成的特別容器，其可能會是昂貴的或其可能不適用於生物或生物化學的樣本。
與原始主張的發明之範圍相當的某些實施例係概述如下。這些實施例並不打算限制所主張的發明之範圍，而是這些實施例僅打算提供此發明的可能形式之簡短摘要。更確切而言，此發明可包含可與下面所提及的實施例類似或不同的種種形式。
在第一實施例中，電脈波產生系統包括記憶體、顯示器、以及使用者輸入裝置。此脈波產生系統還包括樣本架，其包括配置於包含樣本的容器之任一側上的第一電極和第二電極。此脈波產生系統包括被組構成將脈波供應給此第一電極和此第二電極的脈波產生電路，及被設置於此脈波產生電路與此第二電極之間的電容性元件。此脈波產生電路被電容性地耦合至此容器。此脈波產生系統還包括處理器，被組構成執行此記憶體上所儲存的指令，以控制此脈波產生電路。
在第二實施例中，電脈波產生系統包括記憶體、顯示 器、以及使用者輸入裝置。此脈波產生系統還包括樣本架，其包括配置於包含樣本的容器之任一側上的第一電極和第二電極。此脈波產生系統包括被組構成將脈波供應給此第一電極和此第二電極的脈波產生電路，及被設置於此脈波產生電路與此第二電極之間的電容性元件。在此電脈波產生系統的操作期間，此電容性元件可為可移除的或可旁通的。此脈波產生系統還包括處理器，被組構成執行此記憶體上所儲存的指令，以控制此脈波產生電路，且無論此脈波產生電路被直接或被電容性地耦合至此樣本。
在第三實施例中，方法包括收集來自病人的血液。根據與生長因子釋放相關聯之所想要的參數來述明一序列的一或多個電脈波之組態。然後，經由電容性耦合的脈波產生系統而使此血液樣本或自此血液樣本中所取得的富含血小板血漿樣本曝露於此序列的一或多個場脈波，以觸發此血液樣本或此富含血小板血漿中的生長因子之釋放。
在第四實施例中，電脈波產生系統可包括記憶體、顯示器、以及使用者輸入裝置。此電脈波產生系統還可包含樣本架，其包括配置於此樣本架的兩側上之第一電極和第二電極，其中，此樣本架被組構成收納樣本容器；及脈波產生電路，被組構成將第一脈波和第二脈波供應給此第一電極和此第二電極。此第一脈波具有脈波持續期間及第一電場強度，而此第二脈波具有此脈波持續期間及第二電場強度。此第一電場強度與此第二電場強度為加法反元素。此電脈波產生系統可另包括處理器，被組構成執行此記憶 體上所儲存的指令，以控制此脈波產生電路。
10‧‧‧脈波產生系統
12‧‧‧脈波產生電路
14‧‧‧負載
16‧‧‧電極
18‧‧‧電極
20‧‧‧比色皿
22‧‧‧接點
24‧‧‧樣本
26‧‧‧樣本架
28‧‧‧處理器
30‧‧‧記憶體
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧使用者輸入裝置
36‧‧‧電容性元件
54‧‧‧開關
當下面的詳細說明係參考附圖來予以研讀時，本發明的這些及其他的特性、觀點、及優點將變成更佳瞭解，在圖式中，相似的符號代表遍及圖式的相似部件，其中：圖1係依據本方法的實施例之電容性耦合的脈波產生系統及負載之概圖；圖2係依據本方法的實施例之圖1的脈波產生系統及負載之概圖；圖3係依據本方法的另一實施例之圖1的脈波產生系統及負載之概圖；圖4係繪示依據本方法的實施例之用於活體之外的生長因子釋放之方法的流程圖；圖5係依據本方法的實施例之電容及直接地耦合至負載的脈波產生系統及負載之概圖；圖6係顯示未活化的PRP、未活化的全血樣本(whole blood sample)、及電容地耦合至脈波產生系統之PRP樣本中所釋放的血小板衍生生長因子之數量的圖形；圖7係顯示未活化的PRP、未活化的全血樣本、及電容地耦合至脈波產生系統之PRP樣本中所釋放的血小板衍生生長因子之數量的圖形；以及圖8係顯示使用各種方法(包括在此所討論的方法) 之各種血液樣本中所釋放的血小板衍生生長因子之數量的圖形。
本發明之一或多個特定的實施例將於下面予以說明。為了提供這些實施例的簡要說明，真正實施的所有特性可能不會在此說明書中予以說明。應該理解的是，在任何此種的真正實施之開發中(如同在任何工程或設計的方案中)，必須做出許多特定實施的決定，以達成開發者的特定目標(諸如，與系統相關及商業相關的限制相容)，這會因為實施而變化。此外，應該理解的是，此種開發努力可能是複雜且耗時的，但是對於知曉此揭示的優點之技術熟習者而言，仍然將是設計、組建(fabrication)、及製造(manufacture)的例行工作。
當引入本發明的各種實施例之元件時，冠詞「一(a)」、「一(an)」、「此(the)」、及「該(said)」旨在意謂有一或多個的元件。術語「包含(cornprising)」、「包括(including)」、及「具有(having)」旨在包括且意謂可有除了列出的元件之外的額外元件。
目前的實施例係有關用於使用脈衝式功率的應用之脈波產生系統。特別而言，在此所述的實施例係有關使用於醫療應用的脈波產生系統，其中，負載可為放置於比色皿(cuvette)或其他適當的容器中之生物樣本。脈波產生系 統可藉由電容性耦合(而在某些實施例中，藉由電容性及直接兩者的耦合)而被耦合至對應的負載。若負載可藉由電容性及直接兩者的耦合而被耦合至脈波產生系統，則操作者可選擇哪一種型式的耦合來使用。雖然在此所述的實施例係有關特定的醫療應用，但是應該理解的是，這些僅是此標的事項的可能使用之範例。因此，所揭示的技術可例如被實施於其他的醫療應用、生物科技、食品加工、水處理(例如，水淨化)、廢氣處理、臭氧產生、及離子佈植中。特別而言，曝露於電脈波的樣本可為醫療、生物科技、食品加工、水處理(例如，水淨化)、廢氣處理、臭氧產生、及/或離子佈植技術中所使用的樣本。
考慮上述，圖1繪示脈波產生系統10。脈波產生系統10可包括脈波產生電路12及負載14。負載14可包括電極組(或電極的陣列)16和18；電極16和18可被設計成導通大量的電流(諸如，在0.01-35kA的範圍內)。在所繪示的實施例中，電極16和18被隔開地位於比色皿20的兩側上。亦即，比色皿20被設置於電極16與18之間，且被電極16和18所接觸，而且此等電極經由接點22而被耦合至此脈波產生器。在一個實施例中，比色皿20被組構成保存生物或生物化學的樣本24(諸如，血液樣本)。在某些實施例中，比色皿20為可棄式，且/或可自樣本架26移除。因此，比色皿20的插入及電極16和18與接點22的接觸讓此脈波產生器能夠產生電脈波，且比色皿20內的樣本24被曝露於脈波。雖然所繪示的實施 例繪示出比色皿20，但是應該理解的是，比色皿只是樣本容器的一例，而被組構成保存樣本之任何適當的容器可被配置於電極16與18之間。在某些實施例中，比色皿20或對應的樣本架可導通電脈波。比色皿20使電極16和18彼此分離。雖然之前的說明敘述保存生物樣本的比色皿，但是應該理解的是，負載14可包括自曝露於電脈波及對應的樣本架獲益之任何適當的樣本。
在某些實施例中，系統10可包括適當的控制及輸入電路，以及可被實施於專用的外殼中，或可被耦合至電腦或其他以處理器為基礎的系統。系統10可包括控制脈波產生電路12的處理器28。系統10的其他組件可包括儲存藉由處理器28所執行的指令之記憶體30。此類指令可包括用於由脈波產生電路12所產生的電脈波之協定及/或參數。處理器28可例如包括通用之單晶片或多晶片的微處理器。此外，處理器28可為任何習知的特別用途處理器(諸如，特定應用的處理器或電路)。記憶體30可為大量儲存裝置、快閃記憶體裝置、可移除記憶體等。此外，顯示器32可將指示提供給與系統10的操作相關之操作者。系統10可包括用以啟動脈波產生電路12及/或選擇適當的參數之使用者輸入裝置34(例如，鍵盤、滑鼠、觸控螢幕、軌跡球、手持式裝置或控制器、或其任何組合)。
在所繪示的實施例中，系統10被使用於活體之外的血小板活化。例如，此樣本可為已自本體移除的血液製 品，且被處理成提高血小板濃度(例如，富含血小板血漿)。在其他的實施例中，系統10可被使用於活體內技術中。因此，系統10可被實施為輸送負載中或上的電脈波之具有隔開的電極之棒或其他的手持式裝置。
設想到的是，如同在此所提供的脈波產生系統10可被實施為單用途裝置(例如，僅用於血小板活化)，或被實施為可被使用於如在此所討論之除了血小板活化的其它電場曝露應用(諸如，電穿孔)之多用途裝置。另外，系統10可被組構成依據一或多個協定而產生電脈波。此等協定可藉由使用者輸入而被產生，及/或可被儲存於由使用者所選擇的記憶體30中。在一個實施例中，一旦載入樣本24，除了開始啟動的輸入之外，系統10可在不需啟動協定的任何使用者輸入之下操作。在此種實施例中，脈波產生電路12可在處理器28的控制下操作，以操作具有預定的電場強度、脈波長度、及/或總曝露時間的單一協定。此種協定可藉由經驗或理論的研究來予以判定。在其他的實施例中，系統10可被組構成接收與電場強度、脈波長度、及/或總曝露時間相關的使用者輸入。另外，系統10可被組構成產生特定的脈波形狀，或產生可依據使用者輸入及/或儲存的協定設定而彼此不同的一連串脈波。
由系統10所產生的脈波可取決於應用而具有自約1奈秒至約100微秒的持續期間，及自約0.1kV/cm至350kV/cm的電場強度。在電極16與18之間的間隔會影響電 場的強度(其被界定為施加的電壓與電極間隙距離的比率)。例如，若比色皿在電極之間提供1cm間隙，則此比色皿曝露於1kV產生1kV/cm的電場強度。雖然由此系統所產生的脈波可至少為10kV/cm、50kV/cm等，但是其不應該超過樣本24的崩潰電場(breakdown field)。
在習知的系統中，脈波產生系統將被直接地耦接至對應的負載，使得電流將直接自脈波產生電路流至樣本且流經樣本。依此而論，比色皿(或一般而言，樣本容器)可由導電(亦即，金屬)材料所製成，其會是昂貴的或者是不想要的(諸如，由於樣本的特性)。另外，由於與金屬表面的接觸，所以樣本會被汙染。比色皿20還會需要具有降低電崩潰(例如，電弧)的可能性之某些特徵。
為了降低或消除樣本架26的需求，而在所繪示的實施例(比色皿20)中，脈波產生系統10可被電容地耦接至負載14。如圖1中所繪示，系統10可包括設置於脈波產生電路12與樣本24之間的電容性元件36。在某些實施例中，電容性元件36可被設置於脈波產生電路12與電極16之間。在電容性耦合的系統10中，電容性元件36防止直流(DC)流經樣本24，且迫使雙極脈衝電流經過此樣本。
電容性元件36可為用作為電容器且被設置成與樣本24串聯之任何適當的組件或材料。例如，如圖2中所繪示，電容性元件36可為設置於脈波產生電路12的末端處 之電容器。如圖3中所繪示，電容器36也可被設置於電極16與樣本24之間。例如，電容器36可被附加至比色皿中的分隔室(其位於電極16與樣本架26之間)。
在某些實施例中，電容性元件36可為比色皿20，或一般的樣本容器。比色皿20可由非導電材料(例如，石英，塑膠)所製成，其讓此比色皿用作為電容器。非導電材料會是較便宜的、易於消毒、及比導電材料更不易於汙染。非導電材料也會是更容易取得。例如，若系統10被使用於血小板活化，則樣本架26可為使用來收集樣本24(亦即，血液)的注射筒。
在某些實施例中，使用電容性耦合的脈波產生系統10可被組構成產生雙極脈波。處理器28可控制脈波產生電路12，使得可相繼地產生兩個電脈波。此兩個電脈波可具有相同的脈波持續期間。然而，此等電脈波的振幅會是加法反元素。例如，第一電脈波可具有50kV/cm的電場強度，而第二電脈波可具有-50kV/cm的電場強度。如同將可理解的是，第一脈波可具有正極性，而第二脈波可具有負極性，或反之亦然，只要第一脈波的極性與第二脈波的極性相反即可。
使用電容性耦合的脈波產生系統會具有與電激勵樣本的結果相關之優點。例如，在使用電激勵的血小板活化技術中，生長因子釋放的速率可根據藉由電容性耦合的脈波產生系統所發射之電脈波的型式而變化。例如，電脈波a可致使生長因子a立即被釋放，而生長因子b後來被釋 放。另一方面，電脈波b可使生長因子a的釋放達到穩定速率，而在此過程的中途，生長因子b被釋放。與變化的生長因子釋放相關聯之脈波的特徵可藉由經驗的研究來予以判定。這些脈波組態可被併入至記憶體30上所儲存的協定中，或可藉由使用者輸入來予以述明。
如圖4中所繪示，用以觸發生長因子釋放的方法40可結合系統10來予以使用。應該瞭解的是，方法40的某些步驟可藉由操作者來予以實施，而此方法的其他步驟可藉由系統10來予以實施。在步驟42，人員(例如，醫生或護士)抽取病人的血液，其被離心以產生步驟44中的PRP樣本。在所繪示的實施中，人員判定施加至此PRP樣本的一或多個脈波之正確的序列及組態，以觸發步驟46中之釋放的生長因子之特定數量。在其他的實施例中，人員可根據釋放的生長因子之所想要的型式及/或釋放之所想要的速率來判定脈波的正確序列。在步驟48期間，此PRP樣本被曝露於此一或多個脈波，其觸發步驟50中的生長因子釋放。最後，在步驟52中，自此PRP樣本中收集生長因子。
雖然某些應用可自電容性耦合獲益，但是其他實施例可自直接耦合獲益。依此而論，對於脈波產生系統10而言，能夠取決於應用而電容性或直接地耦合至負載14會是想要的。例如，如以上所提及的，電容性元件36可為設置於電極16與樣本架26之間的電容器。電容器36可為可移除的，使得系統10一般可使用直接耦合，而當想 要電容性耦合時，操作者可附加電容器36。同樣地，當想要直接耦合時，操作者可使用導電的樣本架26，而當想要電容性耦合時，操作者可使用非導電的樣本架26。
或者是，脈波產生電路12可包括讓電流直接流至負載14(亦即，直接耦合)，或如圖5中所繪示，在負載14之前，使電流通過電容性元件36(亦即，電容性耦合)的電路。例如，脈波產生電路12可包括與負載14並聯的直接耦合，及與負載14串聯(亦即，電容性耦合)的電容性元件36(例如，電容器)。處理器28可控制經由直接耦合或電容性耦合而讓電流能夠流至負載14的兩個開關54。開關54可為能夠在導電狀態與非導電狀態之間選擇性地改變的任何裝置，諸如，矽控整流器、功率電晶體、繼電器開關、或任何其他的相似裝置。或者是，處理器28可控制能夠選擇與所想要的耦合架構相關聯之電路的其他裝置，諸如，類比或數位的多工器。處理器28可接收述明系統10應該使用哪一種耦合架構的使用者輸入。述明所產生之脈波的特徵之記憶體30上所儲存的協定也可述明是否使用直接或電容性的耦合。
某些應用也可自在直接耦合與電容性耦合之間交替之輸送至負載14的一連串電脈波獲益。此類組態可被併入至記憶體30上所儲存的協定中，或可藉由使用者輸入來予以述明。
範例 在血小板活化的期間，控制生長因子釋放的數量
圖6繪示使用如在此所討論之結合電容性耦合法的電激勵之各種型式的血液樣本中之生長因子釋放的數量。包括尚未被活化的富含血小板血漿(PRP)、尚未被活化的全血樣本、及經由電容性耦合的脈波產生系統中之電激勵而已被活化的PRP樣本之樣本的結果被顯示。此等PRP樣本被曝露於具有700V(3.5kV/cm的電場強度)的電壓及30A的電流之雙極脈波。如所繪示的，電容性耦合的PRP樣本中所存在之血小板衍生生長因子(PDGF)的數量大約為非活化的PRP樣本及全血樣本的兩倍。
圖7繪示如圖6中之類似型式的樣本(但是與基準線(未活化的PRP及全血)相較，較高的電容性耦合電壓觸發更多的生長因子釋放)中之生長因子釋放的數量。在此，電容性耦合的PRP樣本被曝露於具有1200V(6kV/cm的電場強度)的電壓及60A的電流之雙極脈波。電容性耦合的PRP樣本中所釋放之PDGF的數量比非活化的PRP樣本之PDGF的數量大六倍，而比全血樣本之PDGF的數量大約十三倍。如所顯示的，當此脈波產生系統被電容性地耦合至此樣本時，與此基準線相較，電激勵之電壓及電流的特徵影響生長因子釋放的數量。為了進一步繪示電容性耦合的脈波產生系統之功效，圖8將非活化的PRP樣本中所釋放之PDGF的數量、未曝露於電激勵的全血樣本、以牛凝血酶(bovine thrombin)活化的血液樣本、及電容性耦合的PRP樣本做比較。
單獨或結合之所揭示的實施例之一或多者可提供有用於提供各種應用中的脈衝功率之一或多個技術功效。對於脈波產生系統中的樣本架而言，某些實施例可讓操作者能夠使用非導電材料。例如，本電容性耦合的脈波產生系統可使用注射筒或其他的塑膠容器作為樣本架。這些非導電的樣本架會比習知的脈波產生系統中所使用之樣本架更不昂貴、更易於消毒、及更容易取得。另外，使用本電容性耦合的脈波產生系統而被電激勵的樣本可根據所使用之脈波的型式而有所差異。例如，改變用於血小板活化之本電容性耦合的脈波產生系統之脈波參數可修改生長因子釋放的數量。在脈波產生系統中，其他實施例也可讓操作者能夠使用直接或電容性的耦合。例如，本脈波產生系統可包含適當的控制及脈波產生電路，其讓電流直接流至樣本(亦即，直接耦合)，或使電流改由通過電容性元件(亦即，電容性耦合)。此說明書中的技術功效及技術問題為舉例的，而非限制。應該注意的是，此說明書中所述的實施例可有其他的技術功效，且可解決其他的技術問題。
雖然在此已例示及敘述此發明的僅某些特性，但是對於熟習此項技術者而言，將出現許多修改及改變。因此，要瞭解的是，後附的申請專利範圍旨在涵蓋如落入此發明的真實精神內之所有此類的改變及修改。
10‧‧‧脈波產生系統
12‧‧‧脈波產生電路
14‧‧‧負載
16‧‧‧電極
18‧‧‧電極
20‧‧‧比色皿
22‧‧‧接點
24‧‧‧樣本
26‧‧‧樣本架
28‧‧‧處理器
30‧‧‧記憶體
32‧‧‧顯示器
34‧‧‧使用者輸入裝置
36‧‧‧電容性元件

Claims (15)

  1. 一種電脈波產生系統，包含：記憶體；顯示器；使用者輸入裝置；樣本架，包含配置於該樣本架的兩側上之第一電極和第二電極，其中，該樣本架被組構成收納樣本容器；脈波產生電路，被組構成將脈波供應給該第一電極和該第二電極；電容性元件，被配置於該脈波產生電路與該第二電極之間；以及處理器，被組構成執行該記憶體上所儲存的指令，以控制該脈波產生電路，其中，該脈波產生電路被組構成電容性地耦合至該樣本容器。
  2. 如申請專利範圍第1項之電脈波產生系統，其中，該電容性元件包含配置於該脈波產生電路與該第一電極之間，或配置於該第一電極與該樣本架之間的電容器。
  3. 如申請專利範圍第1項之電脈波產生系統，其中，該電容性元件包含該樣本容器，當存在有該樣本容器時，且其中，該容器係由非導電材料所製成。
  4. 如申請專利範圍第1項之電脈波產生系統，其中，該記憶體儲存述明該脈波的一或多個特徵之指令。
  5. 如申請專利範圍第1項之電脈波產生系統，其中，該處理器被組構成接收來自該使用者輸入裝置之述明 該脈波的一或多個特徵之輸入。
  6. 如申請專利範圍第1項之電脈波產生系統，其中，該脈波具有約1奈秒與約100微秒之間的脈波持續期間，或0.1kV/cm與350kV/cm之間的電場強度之至少其中一者。
  7. 一種電脈波產生系統，包含：記憶體；顯示器；使用者輸入裝置；樣本架，包含配置於該樣本架的兩側上之第一電極和第二電極，其中，該樣本架被組構成收納樣本容器；脈波產生電路，被組構成將脈波供應給該第一電極和該第二電極；電容性元件，被配置於該脈波產生電路與該第二電極之間，其中，在操作期間，該電容性元件可為可移除的或可旁通的；以及處理器，被組構成執行該記憶體上所儲存的指令，以控制該脈波產生電路，其中，該脈波產生電路可被直接或電容性地耦合至該樣本。
  8. 如申請專利範圍第7項之電脈波產生系統，其中，該電容性元件包含配置於該第一電極與該容器之間的可移除電容器。
  9. 如申請專利範圍第7項之電脈波產生系統，其中，該脈波產生電路包含該電容性元件，及允許該脈波旁 通該電容性元件之耦合至該第一電極和該第二電極的電路。
  10. 一種方法，包含：收集來自病人的血液樣本；根據與生長因子釋放相關聯之所想要的參數來述明一序列的一或多個電脈波之組態；以及經由電容性耦合的脈波產生系統而使該血液樣本或自該血液樣本中所取得的富含血小板血漿曝露於該序列的一或多個電脈波，以觸發該血液樣本或該富含血小板血漿中的生長因子之釋放。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該所想要的參數包含釋放的生長因子之數量。
  12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該生長因子包含血小板衍生生長因子(PDGF)。
  13. 一種電脈波產生系統，包含：記憶體；顯示器；使用者輸入裝置；樣本架，包含配置於該樣本架的兩側上之第一電極和第二電極，其中，該樣本架被組構成收納樣本容器；脈波產生電路，被組構成將第一脈波和第二脈波供應給該第一電極和該第二電極；其中，該第一脈波具有脈波持續期間及第一電場強度，而該第二脈波具有該脈波持續期間及第二電場強度， 其中，該第一電場強度與該第二電場強度為加法反元素；以及處理器，被組構成執行該記憶體上所儲存的指令，以控制該脈波產生電路。
  14. 如申請專利範圍第13項之電脈波產生系統，其中，該記憶體儲存述明該第一脈波和該第二脈波的一或多個特徵之指令。
  15. 如申請專利範圍第13項之電脈波產生系統，其中，該處理器被組構成接收來自該使用者輸入裝置之述明該第一脈波和該第二脈波的一或多個特徵之輸入。
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