用于限制纳秒脉冲电源中的负载电流的设备和方法与流程

用于限制纳秒脉冲电源中的负载电流的设备和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2019年10月1日提交的标题为“用于限制纳秒脉冲电源中的负载电流的设备和方法(apparatuses and methods for limiting load current in nanosecond pulsed power sources)”的美国临时专利申请第62/909,187号的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。
3.通过引用并入
4.本说明书中提到的所有出版物和专利申请都通过引用以其整体并入本文，其程度就如同明确且单独地指明了每个单独的出版物或专利申请通过引用并入。
技术领域
5.本文描述了脉冲电源，其使用长传输线(例如，同轴缆线、双绞线或平行对传输线)来限制负载电流，以引入分布电感和传输线延迟，从而防止对脉冲电源的损坏。这些设备(系统和设备)通常涉及高压、快速(例如，纳秒、皮秒等)脉冲。特别地，本文描述了能够递送用于电疗的高压、纳秒脉冲电场(nspef)的纳秒脉冲系统和设备。


背景技术：

[0006]“纳秒脉冲电场”(nspef)可以应用于医疗和/或治疗目的，尤包括用于生物材料(例如，细胞和组织)的处理。nspef可以包括脉冲持续时间可以小于约1000纳秒(ns)的电场，诸如在约0.1ns和1000ns之间，并且可以具有高压的峰值电压，在一些变化中高达约5kv/cm、约10kv/cm、约20kv/cm、约50kv/cm、约100kv/cm、约250kv/cm或约500kv/cm。此类高压、非常短暂的脉冲给治疗性医疗装置带来了独特的问题。特别是，高压下快速变化(例如，纳秒或更快的脉冲)的递送可能导致负载电弧放电。当脉冲功率被传输到组织(负载)时，负载电弧放电可能发生，并且由于电流(例如，大于1ka的电流)可能从负载传输回脉冲生成器，因此可能导致对高压脉冲生成器的损坏。由于负载处的电弧实际上是负载处的突然的、意外的短路，此高短路电流(大于1ka)将从电弧反射回脉冲生成器，并且相对高的施加电压和电流可能导致大的返回电流，这可能损坏脉冲生成器的电路。
[0007]
因此，期望提供装置和设备，包括用于纳秒脉冲电场生成和递送的系统，其被配置成允许用于电疗的可变持续时间纳秒脉冲电场的生成和递送，解决现有问题，包括由电弧放电导致的问题。还期望提供可以防止负载电弧放电对设备的损坏而不会显着影响系统性能的设备和使用它们的方法。此类设备和方法在不断发展的治疗性nspef领域(包括用于治疗癌症/肿瘤、皮肤病和其他应用)特别有用。


技术实现要素：

[0008]
本文描述了用于将高压(在一些变型中，高电流)、亚微秒(例如，纳秒范围)脉冲输出施加到生物材料(例如，组织、细胞等)同时防止负载电弧放电对设备的损坏的设备(系统、装置等)和方法。本文所描述的一些设备和方法可以通过在脉冲电源和负载之间使用传
输线(例如，同轴缆线、双绞线或平行对缆线)来在负载电弧放电的情况下显著限制负载和脉冲电源电流，所述传输线具有相对较长的长度，并且特别是大于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半。通过如本文所描述选择传输线的长度，可以提高脉冲电源(例如，纳秒脉冲生成器)的可靠性。如本文所用，关于施加的能量，诸如电磁场能量，术语“脉冲宽度”可以与“脉冲持续时间”互换。
[0009]
例如，本文描述了用于传输纳秒脉冲电能的设备，其包括传输缆线，所述传输缆线被配置成限制或防止负载电弧放电电流到达脉冲生成器。这些设备中的任一个可以包括：纳秒脉冲生成器，其被配置成至少提供最大脉冲持续时间高达1000ns的高压、高电流脉冲输出；传输缆线，其在第一端耦合到纳秒脉冲生成器，所述传输缆线具有特征阻抗(z0)和缆线上的特征脉冲速度(v)，其中传输缆线在第一端和第二端之间的长度大于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半；以及脉冲递送输出端，其中脉冲递送输出端耦合到传输缆线的第二端。
[0010]
例如，纳秒脉冲生成器可以是基于marx生成器堆叠混合电路的可调高压纳秒脉冲生成器，其具有多个不同的级，每个级在每一级都包括功率mosfet的堆叠，所述功率mosfet在每一级都准许相对高的充电电压，准许用单个触发器生成总输出电压。例如，参见的美国申请第15/148,334号(公开号us20170245928a1，标题为“具有反馈控制的高压模拟电路脉冲生成器(high-voltage analog circuit pulser with feedback control)”)，其全部内容通过引用并入本文。
[0011]
例如，纳秒脉冲生成器可以被配置成提供至少200kv/μs的高压、高电流脉冲输出。由纳秒脉冲生成器生成的高压(在一些变型中，高电流)脉冲输出可以例如被配置成具有大于15kv的电压和大于300a的输出电流。
[0012]
这些设备中的任一个都可以被配置成使得通常很长(例如，在20英尺和420英尺之间)的传输缆线被固定以防止其干扰设备的其余部分。例如，传输缆线可以缠绕在脉冲生成器内和/或周围。在一些变型中，传输缆线可以被封装在壳体内，使得仅它的一小部分(例如，在传输缆线的第二端的1英尺至7英尺之间，连接到脉冲递送输出端)被暴露。同一壳体可以封装所有或一些纳秒脉冲生成器，或不同的壳体可以封装缆线和脉冲生成器。在一些变型中，所述设备包括壳体，所述壳体封装纳秒脉冲生成器的至少一部分，此外其中传输缆线的至少大部分(例如，除了最后1英尺至10英尺之外的全部)存储在壳体内。
[0013]
传输缆线可以被配置成传输高电流、高压、纳秒脉冲。例如，缆线可以是高压同轴缆线，诸如teledyne reynolds 167-2669或178-8793缆线，具有31欧姆的特征阻抗(额定20kv)。传输缆线可以是同轴缆线、双绞线或平行对传输缆线类型。传输缆线可以具有例如在约30欧姆和175欧姆之间的特征阻抗。传输缆线可在缆线上具有约1.2ft/ns和1.6ns/ft之间的特征脉冲速度。
[0014]
如上所描述的，将脉冲生成器连接到脉冲递送输出端的传输缆线的最小长度可以大于、等于或大于缆线的特征脉冲速度的最大脉冲持续时间的一半。这可在来自负载侧短路的反射脉冲之前为脉冲生成器提供足够的时间来关闭。脉冲持续时间例如可在约10ns和约1000ns之间(例如，在约50ns和约1000ns之间、在约100ns和1000ns之间等)。所述设备(例如，脉冲生成器和/或用于脉冲生成器的控制器)可以被配置成将脉冲持续时间限制为小于约1000ns(例如，小于约950ns、小于约900ns、小于约850ns、小于约800ns、小于约750ns等)。
[0015]
通常，本文所描述的设备可以包括大于25英尺至30英尺的传输缆线长度(例如，大于70英尺、大于75英尺、大于100英尺等)，包括例如在约70英尺和450英尺之间。
[0016]
通常来说，较短的缆线长度对于治疗装置是优选的。较长的缆线通常会导致输出端的电压/功率较低，因为导线的电阻必然会导致电压/功率下降。此外，较长的传输线会衰减峰值脉冲电压，并且可能添加负载上的脉冲上升时间。使用本文所描述的更长的传输缆线来连接纳秒脉冲生成器和脉冲递送输出端是令人惊讶和违反直觉的。特别地，对于诸如用于电疗的高压纳秒脉冲电场(nspef)的治疗装置，诸如本文所描述的那些，纳秒脉冲生成器和脉冲递送输出端之间的传输缆线可能比医生办公室或治疗室长。然而，人们发现，在突然的负载端短路或高压条件下，缆线的分布电感、长度的增加(例如，从10英尺增加到35英尺)可以显著降低反射回脉冲生成器的极端电流(诸如大于1ka或更大的电流)，并且对开关元件造成损坏。
[0017]
因此，本文所描述的任何设备也可以被配置成管理本文所描述的长缆线。例如，大部分缆线长度可以是固定的(例如，可以是刚性连接的)并且防止展开成线性长度，除了在一端或两端的最后x英尺(例如，最后的10英尺、最后的9英尺、最后的8英尺、最后的7英尺、最后的6英尺、最后的5英尺、最后的4英尺、最后的3英尺、最后的两英尺、最后的一英尺等)。如上所描述的，固定长度的缆线可以布置在壳体内(或可以形成壳体)。固定长度可以包括另外的外部屏蔽和接地保护。
[0018]
传输缆线的最大长度可能被限制在所述范围内。例如，在一些变型中，传输缆线的最大长度可以小于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的0.51倍。因此，传输缆线可以足够长，以防止从脉冲递送输出端返回到纳秒脉冲生成器的电流(例如，由于电弧放电)损坏脉冲电源，否则如果当开关闭合时(例如，当向传输缆线的第一端施加脉冲时)返回的电流到达脉冲生成器，则可能发生这种情况。
[0019]
在任何这些设备中，所述设备可以被配置成限制脉冲生成器的操作，使得脉冲与传输缆线的长度相匹配。例如，所述设备可以被配置成使得纳秒脉冲生成器被限制为以1000ns或更短的最大脉冲持续时间提供高压(在一些变型中，高电流)脉冲输出。
[0020]
本文所描述的设备可以被配置成以脉冲递送输出端操作，所述脉冲递送输出端被配置成向生物组织递送高压、高电流、纳秒脉冲。例如，脉冲递送输出端可以包含手持件，所述手持件被配置成递送高压脉冲输出。在一些变型中，手持件可以包括具有多个组织穿透电极的可移除尖端。例如，在2019年1月14日提交的美国专利申请第16/247,469号(“具有保护电极的治疗尖端(treatment tip with protected electrodes)”)中描述的任一手持件，说明了可以使用的具有可移除尖端的手持件的实例，其全部内容通过引用并入本文。手持件可以用于递送治疗能量来治疗在活的受试者中(例如，体内)的组织(例如，皮肤、肿瘤等)或在从受试者中移除(例如，体外)的组织。
[0021]
在一些变型中，所述设备可以包括脉冲递送输出端，所述脉冲递送输出端被配置成用于递送高压纳秒脉冲的比色皿(例如，比色皿夹具)或室。这些设备可以用于生物材料的分离部分，包括提取的和/或培养的细胞。例如，这些设备和方法可以用于电穿孔。
[0022]
本文所描述的任何设备还可以被配置成确保负载(例如，手持件和/或组织、比色皿等)与高压缆线之间存在阻抗匹配。例如，脉冲递送输出端可以包括匹配电阻器，以辅助将负载的电阻器与传输缆线的特征电阻器匹配。在一些变型中，脉冲递送输出端可以包括
接口特征，所述接口特征包括缆线阻抗匹配电阻器。接口特征可以集成到脉冲递送输出端中，或它可以与脉冲递送输出端分开(并且在一些变型中连接到脉冲递送输出端)。
[0023]
本文所描述的任何设备可以包括在传输缆线的第二端处或附近的电流传感器，以在脉冲递送输出端处提供高度精确的电流感测。例如，所述设备可以包括电流传感器，所述电流传感器包括与传输缆线并联连接的额定脉冲低电感电阻器和被配置成测量通过额定脉冲低电感电阻器的电流的高带宽电流传感器线圈。在一些变型中，此电流传感器可以是脉冲递送输出端的一部分和/或传输缆线和脉冲递送输出端之间的接口特征的一部分。替代地或另外地，这些设备中的任一个可以被配置成使用电压传感器来感测脉冲递送输出端处的电压。
[0024]
例如，用于传输纳秒脉冲电能的设备可以包括：纳秒脉冲生成器，其被配置成提供至少200kv/μs的高压脉冲输出，所述输出具有1000ns或更短的最大脉冲持续时间；传输缆线，其在第一端耦合到纳秒脉冲生成器，所述传输缆线具有特征阻抗(z0)和缆线上的特征脉冲速度(v)，其中所述传输缆线在第一端和第二端之间的长度在5英尺到420英尺之间；以及脉冲递送输出端，其中脉冲递送输出端耦合到传输缆线的第二端。例如，在一个变型中，系统可以包括10英尺长的手持件缆线，以及另外的10英尺至15英尺或更多英尺的“内部”缆线(例如，在控制台内)，这足以减缓反射的负载侧短路/电弧的上升沿并且减轻电弧损害。
[0025]
本文还描述了使用本文所描述的任何设备来施加来自脉冲生成器的高压纳秒脉冲，同时防止损坏脉冲生成器的方法。这些方法可以是用于向治疗室内的患者递送高压(在一些情况下是高电流)纳秒脉冲的方法，其中用户(例如，医生、内科医生、外科医生、技师、护士等)站在纳秒脉冲生成器旁边并且操作纳秒脉冲生成器，并且使用手持脉冲递送输出端工具(例如，手持件)将纳秒脉冲能量施加到患者。
[0026]
例如，一种向生物材料(诸如患者的组织)传输纳秒脉冲电能的方法，可以包括：从纳秒脉冲生成器生成最大脉冲持续时间高达1000ns的高压脉冲输出；以及以缆线上的特征脉冲速度将脉冲输出从耦合到纳秒脉冲生成器的传输缆线的第一端传输到传输缆线的第二端的脉冲递送输出端；其中传输缆线在第一端和第二端之间的长度可以大于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半，使得在纳秒脉冲生成器关闭高压、高电流、脉冲输出之前，来自传输缆线第二端的任何电反射都不会到达纳秒脉冲生成器。由于反射电流和电压脉冲前沿的分散，可以采用短于最大脉冲持续时间一半的缆线长度，这将导致来自负载侧电弧的高电流的转换速率的降低，并且可以充分延迟峰值电流，使其出现在关断时间之后。在电弧导致的高反射电流下，由于焊线和封装寄生效应，反射电流或电压的前沿可能会损坏mosfet。所述方法还可以包括将脉冲输出从耦合到传输缆线的第二端的脉冲递送输出端递送到组织中(例如，从具有多个组织穿透电极的手持件传输脉冲输出)。
[0027]
在一些变型中，所述方法替代地包括从包括例如比色皿室的脉冲递送输出端递送脉冲输出，以电穿孔分离的组织和/或细胞。
[0028]
高压、高电流、脉冲输出可以具有例如至少200kv/μs的电压。所述方法还可以或替代地包括将纳秒脉冲生成器的高压、高电流脉冲输出限制到1000ns或更短的最大脉冲持续时间(例如，小于约950ns、小于约900ns、小于约850ns、小于约800ns、小于约750ns等、在约10纳秒和1000纳秒之间等)。
[0029]
将脉冲输出从传输缆线的第一端传输到传输缆线的第二端可以包含将脉冲输出
传输通过传输缆线的长度的至少100英尺(例如，传输缆线的长度的约35和420英尺之间等)。如上所描述的，传输缆线的长度可以小于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的0.51倍。缆线上的特征脉冲速度可在例如1.2ft/ns和1.6ft/ns之间。
[0030]
这些方法中的任一种可以包括从高带宽电流传感器线圈确定传输缆线的第二端处或附近的电流，所述高带宽电流传感器线圈被配置成测量通过与传输缆线并联连接的额定脉冲、低电感电阻器的电流。
附图说明
[0031]
本发明的新颖特征在以下权利要求具体地阐述。通过参考阐述了说明性实施例的以下详细说明，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，在所述实施例中利用了本发明的原理，并且在附图中：
[0032]
图1是用于传输纳秒脉冲电能的设备的一个实例的示意图，所述设备包括被配置成提供高压、高电流脉冲输出的纳秒脉冲生成器(或脉冲电源)、传输线(诸如传输缆线)和通过传输缆线连接到脉冲生成器的脉冲递送输出端。
[0033]
图2a是用于递送高压、短脉冲电能(如本文所描述的纳秒脉冲电能)的设备的一种变型的示范性图示。
[0034]
图2b是诸如图1a绘示的设备的示意图。
[0035]
图3示出了正常操作期间，10英尺长、50欧姆(特征阻抗为50欧姆)缆线的模拟负载电压(上图，“v
负载”)、负载电流(中图，“i
负载”)和脉冲生成器电流(下图，“i
11”)的曲线图，没有任何负载电弧放电。在此实例中，模拟施加的脉冲具有700ns的脉冲宽度(持续时间)。
[0036]
图4示出了图3中相同的10英尺长、50欧姆缆线的负载电压(顶部，“v
负载”)、负载电流(中间，“i
负载”)和脉冲生成器电流(底部，“i
11”)的示范性模拟图，其中电弧放电在脉冲开始后不久发生，并且持续到脉冲结束。模拟施加的脉冲具有700ns的脉冲宽度(持续时间)。
[0037]
图5还示出了对于50英尺长、50欧姆的缆线的负载电压(顶部，“v
负载”)、负载电流(中间，“i
负载”)和脉冲生成器电流(底部，“i
11”)的示范性模拟的其他曲线图，其中电弧放电在脉冲开始后不久发生，并且持续到脉冲结束。
[0038]
图6示出了250英尺长、50欧姆缆线的负载电压(顶部，“v
负载”)、负载电流(中间，“i
负载”)和脉冲生成器电流(底部，“i
11”)的另一个模拟实例，其中电弧放电在脉冲开始后不久发生，并且持续到脉冲结束。
[0039]
图7示意性地绘示了用于传输纳秒脉冲电能的设备的另一个实例，所述设备包括被配置成提供高压、高电流脉冲输出的纳秒脉冲生成器(“脉冲生成器”)、传输缆线和通过传输缆线连接到脉冲生成器的脉冲递送输出端。在此实例中，脉冲递送输出端被配置成室(例如，比色皿室)。
[0040]
图8绘示了如本文所描述的向生物材料(例如，组织)递送纳秒脉冲电能的一种方法的步骤的实例。
具体实施方式
[0041]
当脉冲功率经由缆线或传输线传输到负载时，如果负载处出现电弧或短路，负载电流会迅速上升，并且反射回脉冲源。这可能导致脉冲电源遇到超出规格的高电流，并且一
个或多个重复的负载电弧放电事件可能影响内部开关和整个系统的可靠性。这可能导致对设备的损坏，尤其是对脉冲生成器的电路的损坏。
[0042]
图1示意性地绘示了用于递送纳秒脉冲电能的设备10的一个实例，所述设备包括纳秒脉冲生成器(脉冲电源)11，所述纳秒脉冲生成器被配置成至少提供纳秒范围(例如，小于1000ns)的高压、高电流脉冲输出。脉冲电源11连接到传输线，诸如在传输缆线的第一端的缆线13。线缆可以具有长度l，这将在本文中更详细地描述。传输缆线具有特征阻抗(z0)和缆线上的特征脉冲速度(v)。缆线上的特征脉冲速度是脉冲沿缆线长度的传播速度，与缆线的速度因子相关，而速度因子又与缆线电感乘以缆线电容的平方根相关，二者都用单位长度表示。根据缆线特征，这可以是例如光速的66％和84％之间，导致缆线上的特征脉冲速度在约1.6ns/ft和1.2ns/ft之间。传输缆线然后可以连接到负载(脉冲递送输出端)15。在图1中，输出示出为通常的“负载”。
[0043]
在操作中，所述系统可以施加高压、高电流、纳秒持续时间的脉冲波形。如下文将更详细描述的，当负载15处出现电弧放电时，高电流将从脉冲递送输出端或负载15沿着缆线13传播回脉冲电源，导致脉冲电源损坏，特别是当负责生成纳秒脉冲的脉冲电源的开关仍然闭合时(例如，当沿着传输线(或缆线)13传输脉冲时)。由于脉冲持续时间非常短，当缆线的长度短于可能取决于脉冲持续时间(例如，脉冲持续时间)和缆线上的特征脉冲速度的最小距离时，可能会发生此情况。如以下将描述的，因此，当使用高压、高电流、纳秒脉冲电源时，使用具有在传输缆线的第一端和传输缆线的第二端之间的长度的传输缆线是特别有益的，传输缆线的长度大于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半。然而，在一些变型中，使传输缆线长度(包括与手柄线缆长度相结合的固定的内部缆线长度)小于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半可能是有益的，尽管仍然很长(例如，15ft或更长、20ft或更长、25ft或更长等)。在本文所描述的任何设备中，内部缆线可以被锚定在设备的壳体内，并且可以是10英尺或更长(15英尺或更长，20英尺或更长，25英尺或更长等)。
[0044]
图2a至图2b绘示了用于递送纳秒脉冲电能的治疗设备的实例。
[0045]
例如，本文所描述的是可以提供保护设备的纳秒脉冲电源部分免受脉冲递送输出端处的负载电弧放电的设备(例如，纳秒脉冲电场(nspef)设备)。这些设备可以被配置成提供从50ns到1μs的脉冲持续时间，具有例如约20ns或更短的上升和下降时间，脉冲电压高达10kv至15kv(例如，在一些变型中18kv或更高)和高达约500a(或更高)的脉冲电流。
[0046]
本文所描述的任何纳秒脉冲电场(nspef)设备可以包括脉冲生成器(纳秒脉冲生成器)，所述脉冲生成器被配置成marx高压脉冲生成器的修改。此电路/系统架构可以包括多个mosfet开关，这些开关可以闭合以通过传输缆线递送纳秒脉冲。在示范性marx高压脉冲生成器中，低压脉冲定时和触发电路可以与系统低压dc电源和系统输入控制信号共享公共电路。当以高脉冲电压转换速率(诸如200kv/μs)操作此脉冲生成器时，负载上的电弧放电可能导致通过传输缆线向脉冲生成器传输相当大的电流，这可能干扰脉冲定时电路，并且可能损坏电子器件，诸如形成脉冲生成器一部分的微控制器或mosfet驱动器ic。
[0047]
图2a绘示了用于递送高压、短脉冲电能(诸如纳秒脉冲电能)的设备(例如，系统)100的一个实例，其包括被配置成手持件102和脉冲生成器107、脚踏开关103和用户接口104的脉冲递送输出端。脚踏开关103通过连接器106连接到壳体105；壳体可以封装电子部件，
包括脉冲生成器和固定长度的传输缆线(在盒122内部，具有虚线轮廓)。手持件102可以包括电极(例如，可移除或可更换的电极尖端121)，并且通过传输缆线(未示出)连接到脉冲生成器107电路。
[0048]
此实例中的传输缆线可以具有很长的长度，例如，在5英尺和420英尺之间(例如，在10英尺和420英尺之间，在15英尺和240英尺之间等)。传输缆线的大部分在由虚线(缆线外壳)中示出的盒122内，并且具有固定的预定长度。在一些变型中，固定长度的缆线可以围绕壳体的全部或一部分定位(例如，缠绕)，包括至少部分包围脉冲生成器电路。在图2a中，传输缆线的一部分116延伸到壳体外部，并且连接到手持件102；此部分的长度可在1到10英尺之间(因此，传输缆线总长度的小于5％，小于7％，小于10％，小于12％，小于15％等可以延伸到壳体外部和/或可以是可调整的)。在一些变型中，传输缆线的一部分(“非固定”部分)可以延伸或可延伸到壳体外部。
[0049]
高压系统100还可以包括存储抽屉108、输入(例如，按钮、键盘等)和监测器(用户接口)104。也可以包括另外的电路(例如，控制电路、无线电路等)。所述系统还可以包括手柄110和面板112。
[0050]
人类操作员可以调整系统的一个或多个以下设置：脉冲数量、电流或电压幅度、脉冲持续时间和脉冲频率，例如，通过将它们输入数字键盘或接口104的触摸屏；替代地或另外地，用户可以从包括预定参数设置的一个或多个预限定协议中进行选择。在一些实施例中，脉冲持续时间可以变化(例如，在限定的范围内，诸如在1ns和1000ns之间)。微控制器(例如，在壳体内，未示出)可以向系统100内的脉冲控制元件发送信号。
[0051]
在一些变型中，单独的低压缆线可以与高压传输缆线包括在一起(例如，缠绕在一起)。例如，低压缆线可以与传输缆线(或在一些变型中，传输缆线的延伸或可以从壳体延伸的部分，例如，传输缆线的非固定部分)缠绕在一起，以连接到脉冲递送输出端(例如，手持件102)。低压缆线可以将控制信号和/或信息递送到手持件或从手持件递送控制信号和/或信息，而高压缆线将高压脉冲能量传输到尖端以递送到患者。
[0052]
图2b是诸如图2a绘示的系统的示意图，例如，用于递送纳秒脉冲电能的系统100。在此实例中，所述系统包括系统电源157，所述系统电源被配置成供应系统功率和脉冲生成器功率(这些可以分开提供)。系统100还可以包括：治疗控制器159，其用于从一个或多个用户接口163接收输入；以及高速数字化仪161，其可以对系统进行采样以确认脉冲参数在一个或多个目标范围内。所述系统还可以包括纳秒脉冲生成器107，所述纳秒脉冲生成器被配置成提供至少200kv/μs的高压(并且在一些情况下为高电流)脉冲输出。纳秒脉冲生成器可以包括系统互连子系统、低压脉冲触发和定时子系统以及脉冲输出子系统(未示出)。脉冲生成器可以是改进的marx高压脉冲生成器。
[0053]
在图2b中，所述系统还包括接口板167，所述接口板包含多个电磁干扰(emi)过滤、瞬态保护和高压隔离屏障。在一些变型中，治疗控制器、系统电源和纳秒脉冲生成器都可以连接到和/或通过接口板，如图中示出的。在一些变型中，脉冲生成器的所有电源以及去往或来自脉冲生成器的所有通信和定时信号可以通过emi滤波、瞬态保护和高压隔离屏障连接，所述屏障可以是接口板的一部分。最后，所述系统可以包括控制台输出连接器155和脉冲递送输出端(例如，手持件153)。如上面所讨论的，脉冲递送输出端可以通过长传输缆线154连接到脉冲生成器(如图2a中所示，这可以包括传输缆线的外部部分116和长得多的固
定内部部分(在盒122内))。在一些变型中，也可以将低压缆线从壳体171内的系统控制器连接到手持件；此低压缆线可以至少与传输缆线的外部部分结合。
[0054]
因此，手持件可以接收来自脉冲生成器107的高压(和任选地高电流)脉冲输出。手持件153可以是输出子系统151的一部分，并且可以被配置成连接到传输缆线，可以被固定到传输缆线，和/或可以被配置成使用适当的高压连接器与将一段传输缆线连接到传输缆线的其余部分的连接器耦合。
[0055]
负载电弧放电问题如图3和图4绘示的。图3示出了在递送高压纳秒脉冲电能的模型系统中不同位置的一组模拟电流和电压迹线的实例。例如，图1中示出的系统用于模拟700纳秒(ns)脉冲，所述脉冲在无负载电弧放电(图3)和有负载电弧放电(图4)的情况下递送到负载。在这两幅图中，上部迹线示出了负载处的电压(v
负载
，或负载电压)，中间的迹线示出了负载处的电流(i
负载
，或负载电流)，而底部迹线示出了脉冲电源输出处的电流(i
11
，或脉冲电源电流)。图3示出了模拟的负载电压、负载电流和源电流波形。此模拟假设在正常工作条件下，在脉冲电源和负载(例如，连接到负载的脉冲递送输出端)之间有10英尺长、50欧姆(特征阻抗为50欧姆)的传输缆线，没有任何负载电弧放电。此模拟的结果示出，对于700ns持续时间的脉冲，i
11
具有约-327a的源峰值电流(底部曲线，示出了以ms为单位的时间对以a为单位的电流)，i
负载
具有约-327a的负载峰值电流(中间曲线，示出了以ms为单位的时间对以a为单位的电流)。脉冲401的开始在0.001ms处开始，并且脉冲在700ns后在403处终止。当没有电弧放电时，负载上的电压v
负载
跟随施加的电流。
[0056]
在图4中，示出了类似于图3中的迹线，但是负载电弧放电在700ns脉冲401开始后不久(100ns内)在405处被触发。具有负载电弧放电的10英尺50欧姆缆线的模拟负载电压、负载电流和源电流波形示出了约-5.33ka的源峰值电流和约-5.46ka的负载峰值电流。因此，与正常(无电弧放电)情况相比，脉冲生成器处的电流(底部迹线)变得非常大，并且可能损坏脉冲生成器，尤其是在脉冲被递送并且因此脉冲生成器的开关闭合的期间，从而允许电流流回电路中。请注意，由于脉冲生成器被配置用于非常快速的开关，因此很难配置系统来阻止或过滤此反射电流。在图4所示的条件下，即使在脉冲结束后，由于传输缆线两端的持续反射，源和负载处的电压和电流仍会继续振荡。
[0057]
图5和图6绘示了在存在负载电弧放电的情况下连续更长的缆线的影响。例如，图5示出了在存在相同的模拟负载电弧放电的情况下，当脉冲生成器和脉冲递送输出端之间的传输缆线长五倍时(例如，脉冲电源和负载之间的50英尺、50欧姆的传输缆线)，模拟的负载电压、负载电流和源电流波形。如此实例中所示，源峰值电流约为-2.10ka，负载峰值电流约为-2.21ka，不到图4中所示10英尺传输缆线模拟峰值电流的一半。如迹线上示出的，在负载看到700ns脉冲开始后不久，在时间405出现电弧放电。如图3至图4中示出的，底部迹线示出了由脉冲生成器施加到传输线的电流i
11
，中间迹线示出了负载处的电流(例如，由脉冲生成器施加到传输线的电流)i
负载
。
[0058]
在图6中示出的迹线中，传输缆线更长，具有250英尺的长度(例如，脉冲电源和负载之间的250英尺、50欧姆的传输缆线)。图6示出了负载电弧放电情况下的模拟负载电压、负载电流和源电流波形；在负载看到700ns脉冲开始后不久，负载电弧放电在时间405处开始，如迹线中示出的。当传输缆线足够长时(例如，传输缆线的长度大于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的一半)，源峰值电流与正常情况下大致相同，没有电弧放电，
如图3中示出的。在此实例中，源峰值电流i
11
(图6，底部)约为-322a，而负载峰值电流i
负载
(图6，中间)约为-610a。因此，在负载电弧放电情况下，长传输线会显著限制负载和源电流。在此实例中，传输线越长，电弧放电电流越低。理想的传输线长度应使电磁波单向传播时间为脉冲宽度的一半。在此理想的传输线长度下，当电磁波返回(例如，被反射)到脉冲电源时，源中的开关已经在正常工作电流水平下打开。在图3到图6中示出的模拟中，传输缆线在缆线上的特征脉冲速度约为1.5ft/ns；因此对于700ns脉冲，1/2*700ns/1.5ns/f的缆线长度给出了约233ft的最小缆线长度。长缆线长度还提供分布电感，所述分布电感导致反射电流的前沿被“分散”,并且由此减缓反射电流波形的峰值。由于分布电感对脉冲波形的影响基本上小于使用分立或“集总元件”电感器来实现相同效果的情况。因此，所述长度不会过度扭曲施加到负载的脉冲的形状。
[0059]
因此，至少部分是因为脉冲波形失真的最小化，使用长缆线来防止由于电弧放电造成的损坏可能优于阻止所产生的电弧放电电流和反射的其他方法。分立电路元件，诸如分立电感器元件或“集总元件”电感器有助于防止大电流，但是可能导致所施加脉冲的不可接受的失真。
[0060]
因此，通常而言，本文所描述的设备通常可以包括纳秒脉冲延迟元件，所述纳秒脉冲延迟元件可以将从脉冲生成器到负载的脉冲延迟最长脉冲宽度的持续时间的至少一半。使用长传输线是这一思想的简单实现；长传输线的好处是引入非常小的失真，但用于限制“分散”反射电流波形的上升沿，并且由此减轻脉冲生成器处的电弧损坏。可以使用能够延迟纳秒脉冲的任何其他脉冲延迟电路，只要它不使纳秒脉冲失真(例如，显著减少上升时间)。在一些变型中，系统可以包括脉冲延迟电路，所述脉冲延迟电路将脉冲延迟超过所施加的纳秒脉冲的脉冲持续时间的一半，并且在进入传输缆线之前向所施加的纳秒脉冲引入预失真，使得负载经历的脉冲近似为预期的形状和持续时间(例如，具有快速上升时间)，例如，看起来更“方”。因此，此预失真可以解决或校正由延迟电路引入的失真。预失真可以包括缩短脉冲持续时间和/或锐化脉冲。因此，可在传输线之前、之后或之前和之后两者，但在负载之前使用脉冲整形网络或电路。
[0061]
本文所描述的设备和方法还可以或替代地包括例如在传输线和电极之间的阻抗匹配。例如，电极的尺寸可以被配置成使负载的阻抗和脉冲递送输出端与传输线匹配。替代地或另外地，可以包括一个或多个分立或分布式阻抗元件作为传输线的一部分。此类分布式阻抗元件可以采取以分布式方式改变传输线阻抗的“短截线”的形式。
[0062]
在本文所描述的任何设备和方法中，传输缆线的长度可以小于最大长度。在一些变型中，最大长度可以根据分散电弧期间反射电流上升沿的需要来确定。例如，传输缆线的长度可以小于最大脉冲持续时间除以缆线上的特征脉冲速度的0.51倍。如果传输缆线过长，传输线的色散会衰减峰值脉冲电压并且增加负载上的脉冲上升时间。因此，传输线的长度可在适于将电弧放电电流限制到脉冲电源能够可靠处理的水平的最小长度和防止所施加的脉冲显著失真的最大长度之间。
[0063]
上述实例通常建议传输缆线的最佳最小长度，所述长度基于系统要施加的最大脉冲持续时间(并且在一些变型中，系统可能受限于所述最大脉冲持续时间)，诸如，例如1000ns。通常，建议的长度约是最大脉冲持续时间的脉冲持续时间乘以缆线上的特征脉冲速度的一半。在此长度和更长的长度上，由于负载电弧放电，在脉冲生成器上看到的电流将
被完全阻断，因为脉冲生成器将具有打开的开关，防止任何电流从传输缆线返回到脉冲生成器。然而，在一些变型中，可以改为使用更短的长度(例如，此长度的75％、此长度的80％、此长度的85％、此长度的90％、此长度的95％)，因为传输回脉冲生成器的反向电流可以通过在这些更短长度处的分散而被充分衰减或限制(如果不是完全衰减或限制)，以防止损坏脉冲生成器。因此，在一些变型中，缆线的长度可以是由设备施加的脉冲的最大脉冲持续时间的f倍除以缆线的特征脉冲速度；其中f在0.1和0.5之间(例如，0.1、0.25、0.35、0.375、0.4、0.425、0.45、0.475等)。
[0064]
通常，对于限于施加小于1000ns(例如，在100ns和1000ns之间)的脉冲的设备，以及具有在1.5ns/ft和1.2ns/ft之间的特征脉冲传播速度的缆线，传输缆线的长度可在例如约60英尺和750英尺之间。例如，下面的表1绘示了缆线的最大脉冲持续时间和特征脉冲速度的各种组合的最小缆线长度的实例。
[0065]
表1
[0066][0067]
表1：使用不同最大脉冲持续时间，具有不同特征脉冲速度的缆线的最小传输缆线长度实例。
[0068]
如表1中所示，对于最大脉冲持续时间约为1000ns的系统，取决于缆线的特征脉冲速度，最小传输缆线长度可在约333英尺和约417英尺之间。如果最大脉冲持续时间为100ns，则缆线长度可能在约33ft和约42英尺之间。因此，对于可在100ns和1000ns之间调整的系统，最好选择在这些范围之间的最大缆线长度，诸如，例如，在约33ft和约420ft之间(例如，在约45英尺和420英尺之间，在约75英尺和450英尺之间，在约100英尺和450英尺之
间，在约200英尺和450英尺之间，在约300英尺和450英尺之间，大于400英尺，大于415英尺，大于450英尺等)。
[0069]
如上所描述的，本文所描述的任何设备和方法都可以用于对容器(例如，比色皿)中的生物材料进行电穿孔。电穿孔是一种细胞膜修饰技术，其中将通常小于1000v的中等电压施加于小室或比色皿，所述小室或比色皿中装有溶液中的细胞悬浮液。所述溶液通常被设计成在细胞周围呈现模拟细胞自然环境的环境，诸如当细胞取自人或动物组织时的生理液体。室或比色皿通常很小，并且具有约15ω的电脉冲阻抗。通常，比色皿电穿孔脉冲持续时间可以是几微秒到几毫秒，在这些脉冲持续时间，电压通常在100v范围内，产生的电流约为100/15＝6.7a。
[0070]
然而，当纳秒范围内的nspef脉冲用于比色皿细胞悬浮液时，所用的电压可以是数kv，诸如5kv至8kv。此外，纳秒范围内的脉冲必须与传输脉冲到比色皿阻抗的缆线具有良好的阻抗匹配。由于特征阻抗为15ω的缆线可能很难制造并且在商业上获得，因此确保缆线末端的负载与缆线阻抗大致相同的方法可以是有益的。如果脉冲传输缆线与负载(包括具有细胞悬浮液的比色皿)不匹配，则脉冲可能会失真，并且可能不会对细胞悬浮液达到期望的效果。
[0071]
此外，在kv范围内(例如，》1kv至2kv)递送脉冲可能会有在比色皿上产生电弧放电的风险。例如，如果细胞悬浮液含有一些污染物，nspef脉冲可能会在细胞悬浮液中生成电弧，从而导致》1ka的电流，这会损坏正在生成脉冲的脉冲生成器。
[0072]
本文所描述的设备可以提供分布式电路，所述电路能够将数千伏纳秒脉冲递送到比色皿，并且使用市售高压同轴缆线来传输nspef脉冲(诸如teledyne reynolds 167-2669或178-8793，其特征阻抗为31ω，额定电压为20kv)。本文所描述的设备和方法还可以确保负载(含有比色皿的比色皿固定设备)和高压缆线之间的阻抗匹配，并且可以防止在比色皿或比色皿固定设备处使用电弧放电损坏脉冲生成器。
[0073]
本文所描述的设备和方法还可以提供负载(例如，比色皿或手持件)处的电压和电流的高精度测量，确保比色皿细胞悬浮液处的治疗电压和电流符合预期的脉冲参数。
[0074]
如上所述，在许多高压/高功率脉冲生成器设计中，高压从能量存储电路快速切换到脉冲发生路径。一个典型的高压/高功率脉冲生成器实例是marx生成器，它被设计成对并联的高压电容器充电，然后将这些充电的电容器快速切换到串联电路，所述串联电路通过不同于充电电路的电路放电。当电弧导致比开关元件的脉冲电流额定值高得多的电流时，可能会发生此类对脉冲生成器的电弧损坏。
[0075]
本文所描述的设备和方法可以帮助确保，如果在比色皿或比色皿固定设备处出现电弧，则脉冲生成器不处于连接模式，主动输出脉冲。如上所描述的，这可以通过在脉冲生成器输出和比色皿夹具之间使用长缆线来实现。缆线长度提供从脉冲递送输出端的末端(当脉冲生成器不主动输出高压脉冲时)到脉冲递送输出端(例如，比色皿夹具)的时间延迟和分布电感。
[0076]
缆线上的脉冲速度为v(英尺/秒)＝1/√lc，其中l是每英尺的缆线电感，c是每英尺的缆线电容。对于典型的31ω同轴缆线(诸如teledyne reynolds型号178-8783 20kv 31ω同轴缆线)，此脉冲速度为光速的67％，即1.5ns/英尺缆线。此外，缆线电感可防止电流上升过快，因为电流的快速变化会产生与电流变化相反的电压。这在经典电感等式v
电感
＝l*
di/dt中示出，这意味着如果流经电感的电流快速变化(di/dt，电流随时间的变化)，则电感将生成一个与电流变化相反的电压。此电感将是分布式的，就像长缆线一样，可以提供高电感，而脉冲波形的失真最小。“集总”电感(诸如由一个或多个电感元件提供的电感)会导致严重的脉冲失真，通常是通过在脉冲波形的上升沿或下降沿的大的过冲和下冲。
[0077]
从脉冲生成器到比色皿固定装置的传输缆线可以被选择为足够长，使得组合的时间延迟和缆线分布电感导致电流在电弧期间上升得更慢，并且延迟高电流返回脉冲，使得在高电流脉冲从负载(例如，比色皿固定装置)传播到脉冲生成器时，脉冲生成器内部的脉冲发生开关处于安全位置。
[0078]
图7绘示了包括长缆线以防止脉冲生成器由于负载上的电弧放电而损坏的设备的示意图的实例。在图7中，所述设备包括连接到传输缆线703的纳秒脉冲生成器701，所述传输缆线又连接(或可连接)到比色皿707；在图7中，首先通过接口夹具705与比色皿707连接。
[0079]
缆线的特征阻抗是缆线导体中存在的高频交流(或射频)波形的电压与电流之比。对于承载高压和/或高电流纳秒脉冲的长缆线，负载阻抗，在此情况下是比色皿和比色皿接口夹具，应最佳地具有非常接近缆线特征阻抗(例如，在10％以内)的阻抗。“匹配良好”的负载阻抗可以防止缆线上的脉冲反射，所述脉冲反射会使传输的脉冲失真，并且可能在负载上导致过压，从而导致比色皿处产生电弧。因此，在图7中示出的实例中，添加了与标称15ω比色皿阻抗串联的15ω电阻器，因此串联阻抗接近31ω缆线阻抗。此阻抗与图7中的比色皿负载串联示出。尽管这可以将比色皿的电压降低50％，但比色皿通常不能用于》6kv的电压，因此能够生成2倍此电压的脉冲生成器足以将比色皿驱动至其电压极限。
[0080]
本文所描述的任何设备和方法都可以使用浮动电压711和/或浮动电流709传感器，如图7示意性绘示的。通常用电流传感器线圈测量流经线圈的导线或分流器中的电流，来测量流入负载的电流。高压通常通过使用具有高分压比的分压器来测量，例如测量15kv电压，典型设计可能使用150mω电阻器与15kω电阻器串联来创建10,000:1分压器。不利的是，这可能导致高压耦合到测量装备。相反，如本文所描述，可以通过使用并联的1kω额定脉冲、低电感电阻器715(电压感测电阻器)来测量比色皿两端的电压，并且可以使用高带宽电流传感器线圈来测量通过它的电流。可以使用任何额定脉冲的低电感电阻器，前提是在将测得的电流转换为脉冲递送输出端(例如，比色皿夹具)时，要考虑流经电阻器的电流。从线圈到分流器的电容耦合可低至0.5pf，因此即使是纳秒级高压脉冲与测量仪器(通常是示波器或高速脉冲波形记录装置)的耦合也非常小。
[0081]
如上所描述的，本文所描述的设备可以用于将信号从纳秒脉冲生成器传输到输出端，诸如电输出端，所述输出端经由适于防止电反射的缆线耦合。例如，图8绘示了向生物材料(例如，组织)递送纳秒脉冲电能的方法的一个实例。任选地，可以通过传输缆线将输出端(“脉冲递送输出端”，诸如手持件)附接到纳秒脉冲生成器801。在一些变型中，传输缆线和/或手持件可能已经被附接。然后，可以向患者施加脉冲递送输出端803。例如，用户可以将脉冲递送输出端施加到患者的组织。用户也可以操作纳秒脉冲生成器的输入/控制。
[0082]
纳秒脉冲生成器可以提供最大脉冲持续时间小于约1000ns(例如，在100ns和1000ns之间)的高压(在一些变型中，高电流)输出805。来自纳秒脉冲生成器的输出可以具有大于例如5kv、10kv或15kv的电压和大于约300a的输出电流。
[0083]
在这些方法的任一种中，脉冲输出可以以缆线上的特征脉冲速度从耦合到纳秒脉
冲生成器的传输缆线的第一端传输到传输缆线的第二端的脉冲递送输出端，其中传输缆线在第一端和第二端之间的长度大于最大脉冲持续时间乘以缆线上的特征脉冲速度的一半807。例如，壳体内部的缆线部分可以具有5英尺到450英尺之间的长度，使得在纳秒脉冲生成器关闭高压脉冲输出之前，来自传输缆线的第二端的任何电反射不会到达纳秒脉冲生成器。
[0084]
当特征或元件在本文中被称为位于另一特征或元件“上”时，其可以直接位于另一特征或元件上，或者也可以存在中间特征和/或元件。相反，当特征或元件被称为“直接位于”另一特征或元件“上”时，则不存在中间特征或元件。还应理解，当特征或元件被称为“连接”、“附接”或“耦接”到另一特征或元件时，其可以直接连接、附接或耦接到另一特征或元件或者可以存在中间特征或元件。相反，当特征或元件被称为与另一特征或元件“直接连接”、“直接附接”或“直接耦接”时，则不存在中间特征或元件。尽管关于一个实施例进行了描述或示出，但是如此描述或示出的特征和元件可以应用于其它实施例。本领域的技术人员还将理解，提及与另一特征“相邻”安置的结构或特征可以具有与相邻特征重叠或位于其下的部分。
[0085]
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本发明。例如，除非上下文另外清楚地说明，否则如本文所使用的，单数形式“一个/一种(a、an)”和“所述(the)”旨在包含复数形式。还应理解，术语“包含”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定此特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包含相关联列举项中的一个或多个的任何和全部组合并且可以缩写为“/”。
[0086]
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，例如“之下”、“下方”、“下部”、“之上”、“上部”等，以描述一个元件或特征与另一个或多个元件或另一个或多个特征的关系，如图所展示的。将理解的是，除了在附图中描绘的朝向之外，空间相对术语还旨在涵盖装置在使用时或操作时的不同朝向。例如，如果附图中的装置是倒置的，则描述为在其它元件或特征“之下”或“下面”的元件将被朝向为位于其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“之下”可以涵盖“之上”和“之下”两个朝向。可以以其它方式朝向装置(旋转90度或处于其它朝向)，并且以相应的方式解释本文中使用的空间相对描述语。类似地，除非另外特别指出，否则在本文中仅出于解释的目的而使用术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等。
[0087]
尽管本文中可以使用术语“第一”和“第二”来描述各种特征/元件(包含步骤)，但是除非上下文另外指示，否则这些特征/元件不应受这些术语的限制。这些术语可以用来将一个特征/元件与另一特征/元件区分开。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下文讨论的第一特征/元件可以被称为第二特征/元件，并且类似地，下文讨论的第二特征/元件可以被称为第一特征/元件。
[0088]
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，包含如在实例中所使用的，并且除非另有明确规定，否则所有数字，即使术语没有明确出现，也可以解读为以词语“约(about)”或“大约(approximately)”开头。当描述幅度和/或定位时，可以使用短语“约”或“大约”来指示所描述的值和/或定位处于值和/或定位的合理预期范围内。例如，值可以具有规定值(或值范围)的+/-0.1％、规定值(或值范围)的+/-1％、规定值(或值范围)的+/-2％、规定值(或值范围)的+/-5％、规定值(或值范围)的+/-10％等。除非上下文另有说明，否则本文给
出的任何值也应理解为包括约或近似所述值。例如，如果公开了值“10”，则还公开了“约10”。本文中所叙述的所有数值范围旨在包含所有其中纳入的子范围。还应理解，如本领域技术人员适当理解的，当公开的值“小于或等于”所述值时，还公开了“大于或等于所述值”以及值之间的可能范围。例如，如果公开了值“x”，则还公开了“小于或等于x”以及“大于或等于x”(例如，其中x是一个数值)。还应当理解，在整个申请中，以多种不同格式提供数据，并且此数据表示端点和起点以及数据点的任何组合的范围。例如，如果公开了特定数据点“10”和特定数据点“15”，则应当理解，认为公开了大于、大于或等于、小于、小于或等于以及等于10和15以及介于10与15之间。还应理解，还公开了两个特定单元之间的每个单元。例如，如果公开了10和15，则还公开了11、12、13和14。
[0089]
尽管上文描述了各个说明性实施例，但是在不脱离如权利要求所描述的本发明的范围的情况下，可以对各个实施例进行多种改变中的任何一种。例如，在替代性实施例中，可以经常改变执行所描述的各种方法步骤的顺序，而在其它替代实施例中，可以完全跳过一个或多个方法步骤。各个装置和系统实施例的任选的特征可以包含在一些实施例中，并且不包含在其它实施例中。因此，前述描述主要是为了示例性目的而提供的，并且不应解释为限制权利要求中所阐述的本发明的范围。
[0090]
本文包含的实例和说明通过说明而非限制的方式示出了可以实践主题的具体实施例。如所提及的，可以利用其它实施例并由其得到其它实施例，使得可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构和逻辑替代和改变。本发明主题的这些实施例在本文中可以单独或统称为术语“发明”，这仅是为了方便，并且如果实际上公开了一个以上的发明或发明概念，这并且不意味着自愿将本技术的范围限制于任何单个发明或发明概念。因此，尽管本文已经对具体实施例进行了说明和描述，但是任何适合用于实现相同目的的布置都可以替代所示的具体实施例。本公开旨在覆盖各个实施例的任何和所有改编或变型。通过回顾以上描述，以上实施例的组合以及本文中未具体描述的其它实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。