带有可选择性寻址子元件的TTFields阵列

Abstract

肿瘤治疗场（TTFields）可以通过关闭一个或多个过热的电极元件而不关闭没有过热的其他电极元件，以更高的场强输送到受试者的身体。这可以使用多个温度传感器来实现，其中每个温度传感器被定位为感测相应电极元件处的温度；以及多个电控开关，每个电控开关被接线以接通或断开单个电极元件的电流。控制器从温度传感器输入信号以确定每个电极元件的温度，并且控制每个电控开关的控制输入的状态，以选择性地关断任何过热的电极元件处的电流或调节占空比。

Background

FIG.1是可以传递TTFields的硬件系统Optune。

系统通过两对电极阵列21-24传递电流到头部。电极的位置如下图。电流通过AC（交流）信号发生器20产生。每个时间段只有一对电极传递电流，两对电极循环往复。

每个换能器阵列21-24被配置为经由软线互连的一组电容耦合电极元件E（例如，一组9个电极元件，每个电极元件的直径约为2cm）。

每个电极元件包括夹在导电医用凝胶层和胶带之间的陶瓷盘。当将阵列放置在患者身上时，医用凝胶会粘附在患者皮肤的轮廓上，并确保设备与身体的良好电接触。当患者进行日常活动时，胶带将整个阵列固定在患者身上。

​ 交流电流的幅度受到控制，从而使得电极的温度不超过安全阈值41℃。使用放置在电极阵列的一些电极下方的热敏电阻T来获得患者皮肤上的温度测量值。在现有的Optune系统中，每个阵列包括8个热敏电阻，其中一个热敏电阻位于阵列中相应电极的下方。

请注意，大多数阵列包括8个以上的电极，在这种情况下，温度测量只在阵列中的一个子电极集下进行

交流信号发生器中的控制器使用温度测量来控制通过每对阵列输送的电流，以将温度保持在41°C以下。

导线8传递温度数据，导线28传递信号发生器的电流到电极阵列。

Summary of the invention

第一设备包括多个电容耦合的电极元件，每个电极元件具有介电层；

每个电极都有一个支撑件，用于保持电极的位置，可以跟人体有个较好的接触。

大多数电极还有一个温度传感器，用于检测电极位置的温度，以及电控开关，电控开关用于在电极温度过高时切断电流。

控制器还被配置为从每个温度传感器接收指示感测到的温度的相应信号；基于所接受的信号，确定给定电极元件应当被驱动的占空比；并且以所确定的占空比周期性地切换与给定电极元件相对应的开关的控制输入的状态，以便周期性地防止电流在电导体和给定电极元件之间流动。

如果温度超过阈值，则控制不让电流通过对应电极；待温度降到阈值之下后，还可以重新允许电流通过电极。

每个电容耦合的电极元件包括具有平面的导电板，并且介电层设置在导电板的平面上。支撑件包括泡沫层。电导体包括柔性电路上的迹线。

支撑件被配置为将所述多个电极元件保持在受试者身体的外表面上，其中电极元件的介电层面向受试者的身体。在第一设备的一些实施例中，多个电控开关和控制器被定位在模块上，该模块经由多电导线连接器附接到支撑件。

Description of the preferred embodiments

如果在四个电极阵列21-24中的每个元件与人的身体之间没有保持良好的电接触，则治疗的有效性将下降。例如，如果电极阵列的一个或多个元件下方的水凝胶随着时间的推移而变干，或者由于一个或更多元件下方的毛发生长，则可能发生这种情况。

例如，假设在电极阵列21-24中的每一个中具有9个电极元件E的现有技术系统中，在前电极阵列21上的单个电极元件E下方的水凝胶已经干燥；并且在（a）该电极阵列21的所有其它电极元件E和（b）其它电极阵列22-24的所有电极元件E下方存在足够的水凝胶。在这种情况下，单个电极元件E与人体之间的电阻将高于任何其他电极元件与人体之间。这种电阻的增加将导致单个电极元件E的温度比其他电极元件上升得更多。

当温度过高，就必须限制电极通道的电流。但先前的设备往往都只能关闭整个电极通道的电流，造成刺激完全停止。本实施例可以解决这个问题，即只断开单个温度过高的电极通道的电流，而不是把全部的电极通道完全关闭。

例如，假设500mA的电流通过包括10个电极元件的电极阵列，而这些电极元件中只有一个开始接近41º。进一步假设需要将通过单个电极元件的电流减少10%，以将该单个电极元件处的温度保持在41°以下。不是通过将通过整个电极阵列的电流从500mA切断到450mA（如现有技术中那样）来实现电流的10%的减少，本文所述的实施例可以将通过单个电极元件的平均电流减少10%通过以90%的占空比打开和关闭通过单个电极元件的电流，同时使所有剩余电极元件保持全时通电。注意，鉴于电极元件的热惯性，开关速率必须足够快，以使单个电极元件的瞬时温度永远不会超过41°。例如，通过接通电流90 ms和断开电流10 ms，可以实现90%的占空比。在一些优选实施例中，接通和断开电流的周期小于1秒。

当使用这种方法时，通过其余9个电极元件的电流可以保持不变（即，每个电极元件50mA），并且只有通过单个电极元件的平均电流减少到45mA。然后，通过电极阵列的平均净总电流将为495mA（即，9x50+45），这意味着在不超过电极元件41°A的情况下，可以将更多的电流耦合到人体内。

该系统甚至可以被配置为增加通过其余九个电极元件的电流，以便补偿通过单个电极元件的减小的电流。例如，通过其余九个电极元件的电流可以增加到每个电极元件50.5mA（例如，通过向AC电压发生器发送将电压增加1%的请求）。如果实施该解决方案，则通过整个换能器阵列的平均净总电流将为（9个电极x 50.5 mA+1个电极ex 50.5 mAx0.9占空比）＝499.95 mA，这与最初的500 mA电流非常接近。

FIG.3描述了第一个实施例，该实施例周期性地为开始接近41°的每个单独的电极元件接通和断开电流。交流信号发生器30有两个输出端（OUT1和OUT2），每个输出端有两个端子。AC信号发生器30在这些输出中的每一个的两个端子之间以交替序列（例如，以交替序列激活OUT1 1秒，然后激活OUT2 1秒）产生AC信号（例如，200kHz正弦波）。电导线51连接信号发生器和电极阵列。

每个电极组件31、32包括多个电极元件52。在一些优选实施例中，这些电极元件52中的每一个都是电容耦合的电极元件，其类似于Optune®系统中使用的现有技术的电极元件。然而对于图3的实施例，并非将所有电极元件52并联布线，将电控开关（S）56与每个电极元件（E）52串联布线，并且将所有这些S+E组合56+52并联布线。

每个开关56被配置为基于来自相应控制器85的数字输出的相应控制输入的状态独立于其他开关而接通或断开。当开关56中的给定一个接通时（响应于相应控制输入的第一状态），电流可以在电导线51和相应电极元件52之间流动。

每个电极组件31、32还包括位于每个电极元件52处的温度传感器54（例如，热敏电阻），使得每个温度传感器54可以感测相应电极元件52的温度。每个温度传感器54产生指示相应电极元件52处（例如，下方）的温度的信号。来自温度传感器54的信号被提供给模拟前端和相应的控制器85。

在使用热敏电阻作为温度传感器54的实施例中，可以通过将已知电流选择通过每个热敏电阻并测量在每个热敏电阻两端出现的电压来获得温度读数。在一些实施例中，基于热敏电阻的温度测量可以使用双向模拟多路复用器来实现，以依次选择热敏电阻中的每一个，其中产生已知电流（例如，150UA）的电流源位于多路复用器之后，使得已知电流将在任何给定时刻被选择路径到模拟多路复用者选择的任何热敏电阻中。已知的电流将导致所选热敏电阻两端出现电压，并且可以通过测量该电压来确定所选热敏电阻器的温度。控制器85运行一个程序，该程序依次选择每个热敏电阻并依次测量每个热敏电阻两端出现的电压（指示所选热敏电阻处的温度）。可用于从每个热敏电阻获得温度读数的合适硬件和程序的示例在US 2018/0050200中进行了描述，该文献通过引用整体并入本文。

在一些优选实施例中，控制器85可以使用具有内置模拟前端和多路复用器的单片微控制器或片上可编程系统（PSoC）来实现。适用于此目的的零件号包括CY8C4124LQI-443（就是一个MCU）。

在未示出的替代实施例中，可以使用用于与热敏电阻对接的改变本地方法（例如，传统分压器方法）来代替上述恒流方法。在其他替代实施例中，可以使用不同类型的温度传感器来代替上述热敏电阻。示例包括热电偶、RTD和集成电路温度传感器，如Analog Devices AD590和Texas Instruments LM135。当然，当使用这些替代温度传感器中的任何一个时，将需要对电路进行适当的修改。

对于特殊情况，如果只有一个剩余电极元件52的占空比被降低，则可以保持原来的500mA电流（并享受使用全电流所带来的优势）。然而，如果足够多的电极元件52处的占空比被降低，那么原来的500 mA电流可能不得不被降低。 去实现这种功能，控制器85会通过其串口给交流信号发生器30发送一个请求。当交流信号发生器30收到了请求，交流信号发生器30会减少输出电流。

可选地，由控制器85选择的占空比可以基于给定电极元件52在电流施加到给定电极元件之后加热的速度来控制（通过温度传感器54和控制器85的模拟前端测量）。更具体地，如果控制器85认识到给定的电极元件52的加热速度是预期的两倍，则控制器85可以为该电极元件选择50%的占空比。类似地，如果控制器85识别出给定的电极元件52的加热速度比预期的快10%，则控制器85可以为该电极元件选择90%的占空比。