CN117425514A - 用液体水凝胶构造3d模型 - Google Patents

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CN117425514A CN202280022387.3A CN202280022387A CN117425514A CN 117425514 A CN117425514 A CN 117425514A CN 202280022387 A CN202280022387 A CN 202280022387A CN 117425514 A CN117425514 A CN 117425514A
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Abstract

本文描述了水凝胶模型。所述水凝胶模型包括多个相邻设置的水凝胶元件。所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗。所述第一阻抗不同于所述第二阻抗。

Description

用液体水凝胶构造3D模型
通过参考声明对相关申请/合并的交叉引用
本专利申请要求由在2021年3月18日提交的美国序列号63/162,921标识的临时专利申请的优先权。美国序列号63/162,921的全部内容通过引用并入本文。
关于联邦资助研究或开发的声明
不适用。
背景技术
肿瘤治疗场(TTField或TTF)是在中频范围(100-500kHz)内的低强度(例如1-3V/cm)交变电场，其通过破坏有丝***靶向实体瘤。这种非侵入性治疗靶向实体瘤，并且例如描述于美国专利号7,016,725；7,089,054；7,333,852；7,565,205；8,244,345；8,715,203；8,764,675；10,188,851；和10,441,776。TTField通常通过两对换能器阵列递送，所述换能器阵列在所治疗的肿瘤内产生垂直场；构成这些对中的每一对的换能器阵列位于正在治疗的身体部分的相对侧上。TTField被批准用于治疗多形性成胶质细胞瘤(GBM)，并且可以例如经由***(Novocure Limited,St.Helier,Jersey)递送，该***包括放置在患者的剃光的头上的换能器阵列。
用于在装置中递送TTField的每个换能器阵列包含一组非导电陶瓷圆盘电极，其通过导电医用凝胶层耦合到患者的皮肤(例如但不限于用于治疗GBM的患者的剃光的头)。为了形成陶瓷圆盘电极，在非导电陶瓷材料的顶表面上形成导电层。非导电陶瓷材料的底表面耦合到导电医用凝胶。
在不同方向上施加TTField的一种方法是在第一组电极之间施加场持续一段时间，然后在第二组电极之间施加场持续一段时间，然后在延长的持续时间内(例如，在几天或几周的时间内)重复该循环。为了产生TTField，将电流施加到换能器阵列的每个电极。基于患者的每个器官的电导率，TTField与患者和患者的一个或多个器官相互作用。当TTField与患者相互作用时，该场可以部分地基于患者的每个器官的电导率和相对位置而改变形状。因为患者的每个器官的电导率改变TTField形状，并且可能需要特定的TTField形状来有效地靶向肿瘤，重要的是能够确定所施加的TTField在患者体内如何成形。
迄今为止，还没有一种方式在没有计算机模拟的情况下测量患者的实际TTField形状；然而，计算机模拟或其它模型依赖于编程技术和估计，并且不能显示患者中预期的实际TTField形状。
因为患者的每个器官的电导率改变TTField形状，并且可能需要特定的TTField形状来有效地靶向肿瘤，期望使用物理3D模型来确定TTField和各种器官之间的真实世界相互作用的新的且改进的组件和方法。本公开涉及这样的组件以及生产和使用所述组件的方法。
附图说明
图1是施加到活组织的电极的示意图的示例性实施方案。
图2是被配置成产生TTField的电子装置的示例性实施方案。
图3A是水凝胶模型的示例性实施方案的横截面图。
图3B是水凝胶模型的另一个示例性实施方案的横截面图。
图4A是根据本公开构造的凝胶施加***的示例性实施方案的图。
图4B是根据本公开构造的第二凝胶施加***的示例性实施方案的图。
图5是水凝胶模型产生过程的示例性实施方案的过程流程图。
图6是场发生垫位置放置过程的示例性实施方案的过程流程图。
图7是根据本公开的使用水凝胶模型验证计算机模拟的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如根据本公开所使用的，除非另有说明，否则以下术语应当被理解为具有以下含义：
当在权利要求书和/或说明书中与术语“包含”结合使用时，术语“一”或“一个”的使用可以指“一个”，但它也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。因此，术语“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外清楚地指出。因此，例如，提及“一种化合物”可以指一种或多种化合物、两种或更多种化合物、三种或更多种化合物、四种或更多种化合物或更多数量的化合物。术语“多个”是指“两个或更多个”。
术语“至少一个”的使用将被理解为包括一个以及多于一个的任何数量，包括但不限于2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、100等。此外，术语“X、Y和Z中的至少一个”的使用将被理解为包括单独的X、单独的Y和单独的Z，以及X、Y和Z的任何组合。序数术语(即，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等)的使用仅用于区分两个或更多个项目的目的，而不意味着暗示例如一个项目相对于另一个项目的任何顺序或次序或重要性或者任何加入顺序。
权利要求中使用的术语“或”用于指包含性的“和/或”，除非明确指出仅指替代物或者除非替代物是相互排斥的。例如，条件“A或B”由以下任何一个满足：A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，和A和B两者均为真(或存在)。
如本文所用，对“一个实施方案”、“实施方案”、“一些实施方案”、“一个实例”、“例如”或“实例”的任何引用意味着结合实施方案描述的特定元件、特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。例如，在说明书中的各个地方出现的短语“在一些实施方案中”或“一个实例”不一定全部指相同的实施方案。此外，对一个或多个实施方案或实例的所有引用都应被解释为对权利要求书的非限制。
在整个本申请中，术语“约”用于指示值包括组合物/仪器/装置、用于确定该值的方法的误差的固有变化，或研究对象之间存在的变化。
如本说明书和权利要求中所使用的，词语“包含(comprising)”(以及包含的任何形式，例如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”)、“具有(having)”(以及具有的任何形式，例如“具有(have)”和“具有(has)”)、“包括(including)”(以及包括的任何形式，例如“包括(includes)”和“包括(include)”)或“含有(containing)”(以及含有的任何形式，例如“含有(contains)”和“含有(contain)”)是包括性的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。
如本文所用，术语“或其组合”是指在该术语之前列出的项目的所有排列和组合。例如，“A、B、C或其组合”旨在包括A、B、C、AB、AC、BC或ABC中的至少一个，并且如果在特定上下文中顺序是重要的，则还包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。
如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则所有数值或范围包括这样的范围内的值和整数的分数以及这样的范围内的整数的分数。因此，为了说明，提及数值范围，例如1-10包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，以及1.1、1.2、1.3、1.4、1.5等，等等。
如本文所用，术语“基本上”是指随后描述的事件或情况完全发生，或随后描述的事件或情况在很大程度上或度上发生。
如本文所用，短语“与……相关联”和“与……耦合”包括两个部分彼此直接相关联/结合以及两个部分彼此间接相关联/结合两者。
如本文所用，术语“患者”包括人和兽医受试者。用于治疗目的“哺乳动物”是指归类为哺乳动物的任何动物，包括(但不限于)人、家畜和农场动物、非人灵长类动物和具有乳腺组织的任何其它动物。
如本文所使用，电路可以是模拟和/或数字部件，或者一个或多个适当编程的处理器(例如，微处理器)和相关联的硬件和软件，或者硬连线逻辑。而且，“部件”可以执行一个或多个功能。术语“部件”可以包括硬件，例如处理器(例如微处理器)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、硬件和软件的组合等。如本文所用，术语“处理器”是指单个处理器或独立地或一起工作以共同执行任务的多个处理器。
术语“电阻”或“电阻率”是指引起能量耗散的物质或装置对抗电流通过的程度。
术语“阻抗”是指电路或部件对交流电的有效电阻，其由欧姆电阻和电抗的组合作用产生。
术语“电导率”是指特定材料导电的程度，其计算为材料中的电流密度与引起电流流动的电场的比率。材料的“电导率”是材料电阻率的倒数。
现在参考附图，并且特别是图1，其中显示在外部TTField(例如，在约100KHz至约300KHz频率范围的交变场)的影响下，由具有负电荷的第一电极18a和具有正电荷的第二电极18b产生的***细胞10的示例性实施方案的图，该TTField通常表示为线14。进一步显示已知具有非常强的偶极矩的微管22。这种强极化使得微管22以及其它极性大分子(并且尤其是在细胞10或其周围环境中具有特定取向的那些)易受电场影响。微管22正电荷位于两个中心粒26处，而两组负极位于***细胞10的中心30和微管22与细胞膜的连接点34。电荷的位置形成双偶极子的组，并因此易受不同方向电场的影响。通过调节第一电极18a和第二电极18b相对于***细胞10的位置，可以调节电场方向，然而，电场与每个电极18和***细胞之间的一个或多个细胞或器官之间的相互作用可以引起电场的变化，例如电场的偏转。
现在转到图2，通过电子仪器50产生上述已经发现有利地破坏肿瘤细胞的TTField。图2是说明电子仪器50的主要部件的简单示意图。电子仪器50包括发生器54和一对导电引线58，包括第一导电引线58a和第二导电引线58b。第一导电引线58a包括第一端62a和第二端62b。第二导电引线58b包括第一端66a和第二端66b。第一导电引线58a的第一端62a导电地附着于发生器54，并且第二导电引线58b的第一端66a导电地附着于发生器54。发生器54产生波形或脉冲串形状的期望的电信号(TT信号)作为输出。第一导电引线58a的第二端62b连接到第一场发生垫70a，并且第二导电引线58b的第二端66b连接到第二场发生垫70b，其被供应电信号(例如，波形)。第一场发生垫70a和第二场发生垫70b中的每一个与场靶74接触或以其它方式相关联。电信号产生电容耦合到场靶74中的电场(即，TTField)，该TTField具有待在场靶74中的第一场发生垫70a和第二场发生垫70b之间产生的频率和幅度。在一个实施方案中，场靶74是水凝胶模型78，其通常包含两个或更多个图2所示的水凝胶元件82a-n作为水凝胶元件82a和水凝胶元件82b，以下详述。
第一场发生垫70a和第二场发生垫70b中的每一个包括一个或多个导电电极元件，其可以通过非导电层与场靶74电容耦合。也可以使用第一场发生垫70a和第二场发生垫70b的替代构造，包括例如使用由盘形或非盘形的陶瓷元件形成的非导电层和/或使用定位在多个扁平导体上的非陶瓷介电材料的非导电层的换能器阵列。后者的实例包括设置在印刷电路板上的垫上或扁平金属片上的聚合物膜。第一场发生垫70a和第二场发生垫70b还可以包括不与场靶74电容耦合的电极元件。在这种情况下，第一场发生垫70a和第二场发生垫70b中的每一个可以使用被配置成用于靠着人体放置的导电材料的区域来实现，而没有设置在导电元件和人体之间的绝缘电介质层。导电材料的实例包括但不限于导电膜、导电织物和/或导电泡沫。也可以使用用于实现第一场发生垫70a和第二场发生垫70b的其它备选构造，只要它们能够将TTField递送到人体。任选地，在本文描述的任何实施方案中，水凝胶层可以设置在第一场发生垫70a和场靶74之间；和第二场发生垫70b和场靶74之间。
发生器54产生频率在约50KHz至约1MHz(优选约100KHz至约300KHz)(即，TTField)范围内的交流电压波形。所需电压使得靶区域内的组织中的电场强度在约0.1V/cm至约10V/cm的范围内。为了实现这个场，第一场发生垫70a和第二场发生垫70b的两个电极18之间的电势差由***部件的相对阻抗确定，即每个部件上的电场的一小部分由该部件的阻抗除以总电路阻抗给出。
在某些特定(但非限制性)实施方案中，第一场发生垫70a和第二场发生垫70b在场靶74的靶区域内产生交变电场。可以选择交变电场以模仿一个或多个电磁辐射源。例如，为了模拟TTField，可以选择交变电场来模仿TTField(如下所述)。在其它实施方案中，例如，当模拟由手机发出的电磁辐射时，产生手机通信无线电信号作为交变电场。当测量特定手机的比吸收率时，可能特别需要模拟由手机发出的电磁辐射。
在某些特定(但非限制性)实施方案中，当场靶74是患者时，靶区域通常包含患者身体的至少一部分，并且可以是例如仅是肿瘤、相同类型或不同类型的特定细胞或细胞簇、具有异物(例如病毒或细菌)的患者身体的一部分，并且交变电场的产生选择性地破坏或抑制肿瘤的生长。可以以选择性破坏或抑制肿瘤生长的任何频率产生交变电场。
为了优化电场(即，TTField)分布，第一场发生垫70a和第二场发生垫70b(场发生垫70对)可以根据其中使用场发生垫70a和70b对的应用而不同地配置或定向。如本文所述，将场发生垫70a和70b对外部施加到场靶74。当场靶74是患者时，可以将场发生垫70对施加到患者的皮肤，以施加电流和电场(TTField)，从而在患者的组织内产生电流。通常，场发生垫70对由用户放置在患者的皮肤上，使得在治疗区域内的患者组织上产生电场。外部施加的TTField可以是局部类型或广泛分布类型，例如，皮肤肿瘤的治疗和接近皮肤表面的损伤的治疗。类似地，施加到场靶74的电场可以是局部类型或广泛分布类型。
任选地并且根据另一示例性实施方案，电子仪器50包括控制箱86和耦合到控制箱86的温度传感器90，包括控制箱以控制电场的幅度。
当包括控制箱86时，控制箱86控制发生器54的输出，引起输出保持恒定在用户预设的值处。或者，控制箱86设定发生器54的输出。温度传感器90可以机械地连接到第一场发生垫70a或第二场发生垫70b和/或以其它方式与其相关联，以便感测在第一场发生垫70a或第二场发生垫70b中的一个或两者处的场靶74的温度。
导电引线58是具有柔性金属屏蔽的标准隔离导体，优选接地，从而防止由导电引线58产生的任何电场的扩散。场发生垫70a和70b可以具有特定的形状和定位，以便在场靶74的靶区域处产生具有期望的构造、方向和强度的TTField，并且仅在那以便聚焦电场。
电子仪器50作为整体及其单个部件的规格受到以下事实的极大影响：在TTField的频率(例如，50KHZ-500KHZ)处，生命***根据它们的“欧姆”而不是它们的介电性质来工作。
图3A和3B说明图2的水凝胶模型78的示例性实施方案。在一些实施方案中，水凝胶模型78可以被形成为人或非人体部分的形状，例如手臂、肘、胸、腿、躯干等或其某种组合，或者被形成为其它类型的物体的形式，例如手机、墙壁的一部分等。在一些实施方案中，水凝胶模型78以人体或其它动物体的形状形成。在一些实施方案中，水凝胶模型78被形成为特定的人或其它动物或其一部分的解剖学上精确的表示。
参考图3A，其中显示图2的水凝胶模型78的示例性实施方案的横截面图，其描绘为由多个水凝胶元件82a-n形成的水凝胶模型头部100(模型头部100)。在所示的实例中，水凝胶模型头部100由皮肤水凝胶元件82c、骨水凝胶元件82d和脑水凝胶元件82e形成。仅为简单起见，图3A中所示的模型头部100描述为包含三个水凝胶元件82a-n，并且可以包含用户所需的任何数量的水凝胶元件82a-n，以适当地对人体或非人体的选定部分的电导率建模。图3A中还显示在模型头部100的外表面84上的第一场发生垫70A和第二场发生垫70b。
因此，在一些实施方案中，为了适当地对选择的生物组分的电导率建模，用户应首先确定待测试信号的期望的频率或频率范围，以便可以选择水凝胶模型78的适当电导率以最佳匹配选择的生物组分的电导率。用户可以从本领域已知的生物组分的电导率中选择一个或多个电导率值，例如从S Gabriel,在The Dielectric Properties of BiologicalTissues:II Measurements in the frequency range of 10Hz to 20GHz(S Gabriel等人1996 Phys.Med.Biol.41 2251)中。
在其它实施方案中，用户可以选择一个或多个生物组分的平均电导率，例如通过Ramon等人(Ramon C,Gargiulo P,EA和HaueisenJ(2014)Changes in ScalpPotentials and Spatial Smoothing Effects of Inclusion of Dura Layer in HumanHead Models for EEG Simulations.Front.Neuroeng.7:32.doi:10.3389/fneng.2014.00032)计算。仅作为举例，并且如在Ramon中所计算的，用户可以选择1.35E-3S/cm作为皮肤水凝胶元件82c的平均电导率，6.25E-5 S/cm作为骨水凝胶元件82d的平均电导率，并且3.334E-3 S/cm作为脑水凝胶元件82e的平均电导率。
在一些实施方案中，水凝胶模型78包括一个或多个支撑结构(未显示)以提供对水凝胶模型78的支撑。一个或多个支撑结构中的每一个可以是非导电的、电绝缘的或两者。在一个实施方案中，选择一个或多个支撑结构以引起与所产生的TTField的最小干扰。
应当注意，尽管图2的水凝胶模型78的示例性实施方案描绘为人头部的高精度表示，在一些实施方案中，水凝胶模型78可以由为了期望的目的而对场靶74建模所需的最小数量的水凝胶元件82a-n形成。
通过产生水凝胶模型78，用户能够确定由施加交变电场而产生的水凝胶模型78内和/或周围的TTF场的实际值和形状。例如，通过利用一个或多个传感器102a-n(下面更详细地讨论)，用户能够确定磁性质，例如一个或多个电场或电磁场功率/强度；电性质，例如电压、电流、电感、电容；热性质，例如温度；或压力；力；和/或水凝胶模型78内不同位置的类似参数。可以记录水凝胶模型78的各种构造的确定的实际值，并由用户用于产生或改进计算机模拟。在水凝胶模型78代表特定患者的情况下，所确定的实际值可以用于改进或增加该特定患者的TTField疗法的治疗益处。此外，通过将交变电场施加到水凝胶模型78，用户能够理解交变电场(例如TTField)如何以精确的、非基于计算机模拟的设置移动通过人体或非人体以及围绕各种类型的组织和/或骨。
在一个实施方案中，水凝胶模型78是聚合的凝胶(固体形式)，其包括两个或更多个水凝胶元件82a-n，所述水凝胶元件是具有本体电子传输剂的聚合的凝胶，所述本体电子传输剂在其中提供自由离子源以实现导电性，得到体积电阻率。在一个实施方案中，每个水凝胶元件82a-n主要由导电凝胶或半固体导电凝胶形成。
在图3A中描述的实施方案中，模型头部100包括三个水凝胶元件82：皮肤水凝胶元件82c、骨水凝胶元件82d和脑水凝胶元件82e，其中每个水凝胶元件82与另一个水凝胶元件82的至少一部分结合。皮肤水凝胶元件82c包括人皮肤的形状、厚度和体积，以及模拟人皮肤的电阻/阻抗/电导率的基本均匀的电阻/阻抗/电导率。骨水凝胶元件82d以模仿人头部内的骨的位置的方式定位在水凝胶模型78内。骨水凝胶元件82d包括人头部内的人骨的形状、厚度和体积，并且可以包括模拟人骨的电导率的基本上均匀的电阻/阻抗/电导率。骨水凝胶元件82d与皮肤水凝胶元件82c相邻并邻接。脑水凝胶元件82e包括人脑的形状、厚度和体积。脑水凝胶元件82e可以包括模拟人脑的电阻/阻抗/电导率的基本上均匀的电阻/阻抗/电导率。脑水凝胶元件82e部分地被骨水凝胶元件82d围绕并与其邻接。
虽然通过实例将水凝胶模型78描述为具有三种不同类型的水凝胶元件，即皮肤水凝胶元件82c、骨水凝胶元件82d和脑水凝胶元件82e，水凝胶模型78可以提供有其它类型的水凝胶元件，例如血管水凝胶元件、脊髓液水凝胶元件、血液水凝胶元件、肿瘤水凝胶元件等。在一些实施方案中，水凝胶元件82连接在一起以形成具有不同电阻/电导率的区域的连续水凝胶装置，以便共同模仿人头部的电阻/阻抗/电导率。
在一个实施方案中，每个水凝胶元件82a-n主要由导电凝胶或半固体导电凝胶形成，如下所述。本文教导的多个水凝胶元件82a-n可以与改变的水凝胶(其不仅包括穿孔，而且包括凹陷、突起等)一起使用，如在题为“Conductive Gel Compositions ComprisingBulk Electron Transport Agents and Methods of Production and Use Thereof”的美国专利申请号63/020,636中详细公开的，其通过引用以其整体并入本文。
导电凝胶可以是允许组合物根据本公开起作用的任何形式。例如(但不作为限制)，每个水凝胶元件82a-n可以是水凝胶或水胶体的形式。
在一个实施方案中，每个水凝胶元件82a-n可以由两种或更多种组分水凝胶形成。每个组分水凝胶是具有一种或多种结构的水溶性聚合物、一种或多种交联剂、一种或多种光引发剂、一种或多种电解质和一种或多种添加剂的导电凝胶。
导电凝胶可以由任何亲水性聚合物形成，所述亲水性聚合物允许每个水凝胶元件82a-n的每个组分水凝胶根据本公开起作用。例如(但不作为限制)，一种或多种导电凝胶可以是聚丙烯酸凝胶、聚维酮凝胶或纤维素凝胶。此外，一种或多种导电凝胶可以包含壳聚糖、藻酸盐、琼脂糖、甲基纤维素、透明质酸、胶原、层粘连蛋白、基质胶、纤连蛋白、玻连蛋白、聚-1-赖氨酸、蛋白聚糖、纤维蛋白胶、通过工程化和/或天然组织的去细胞化制备的凝胶以及其任意组合中的至少一种。此外，一种或多种导电凝胶可以包含聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、甲基丙烯酸甲酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)(PolyHEMA)、聚(癸二酸甘油酯)、聚氨酯、聚(异丙基丙烯酰胺)、聚(N-异丙基丙烯酰胺)或其任意组合中的至少一种。
在某些非限制性实施方案中，导电凝胶包含一种或多种以下化学和结构特征/性质：在约1nm至约200nm范围内的聚合物链长；以约0.1mM至约1M范围内的浓度存在的游离盐；在约6pH至约8pH范围内的pH；和小于约100Ohm-in的体积电阻率。
导电凝胶的一种或多种聚合物可以提供有任何聚合物链长度，其允许一种或多种导电凝胶组合物如本文所述起作用。例如(但不作为限制)，聚合物链长可以约在约3nm至约175nm的范围、约5nm至约150nm的范围、或约10nm至约125nm的范围、约15nm至约100nm的范围等，和组合落入上述值中的两个之间的两个整数的范围(即，约3nm至约157nm的范围等)。
在一些实施方案中，组分水凝胶包括一种或多种电解质，例如纯化水电解质或游离盐。
在一个实施方案中，每个水凝胶元件82a-n可以由两种或更多种组分形成。每种组分可以包括一种或多种结构水溶性聚合物、一种或多种交联剂、一种或多种光引发剂、一种或多种电解质和一种或多种添加剂。在一个实施方案中，每种组分的一种或多种添加剂可以包含湿润剂、防腐剂等中的一种或多种。
在一个实施方案中，每种组分包括一种或多种交联剂和一种或多种光引发剂。交联剂是一种结构聚合物，其提供水凝胶的稳定化，并且当活化时导致聚合物链的多维延伸。光引发剂是一种特定的交联剂，其在水凝胶固化时活化一种或多种交联剂，从而引起一种或多种交联剂形成为结构聚合物的聚合物链的多维延伸，因此形成三维(3D)凝胶。交联可以通过结构聚合物中的双键或官能团形成。
水凝胶固化是水凝胶的聚合，其可以通过两种或更多种组分的组合(通常通过施加固化剂)来构造。在水凝胶聚合之前，水凝胶可以是液体水凝胶。在一个实施方案中，聚合可以通过对水凝胶施加一定UV剂量的UV照射来完成。UV剂量可以包括照射持续时间以及照射强度，并且可以基于用户要求来确定，例如交联度，其影响水凝胶的粘性和电导率。也就是说，通过调节UV剂量，例如UV照射的持续时间和/或照射强度，用户可以调节水凝胶的固化性质，例如水凝胶的电导率和粘性。在另一个实施方案中，聚合可以通过施加替代形式的能量以固化水凝胶来完成，例如电子束或激光。将电子束或激光施加到水凝胶可以导致高交联速度和效率。可以改变电子束或激光施加的持续时间以及电子束或激光施加的强度以调节水凝胶的固化性质。
在一个实施方案中，使用形成水凝胶和/或水凝胶固化的特定组分来为多个水凝胶元件82a-n中的每一个提供期望的固化性质。
例如，在下表1中总结的实验室实验中，从中国台湾台北的Polychem UV/EBInternational Corp.获得可UV固化的水凝胶(产品号#JN0917-A)。该可UV固化的水凝胶包括两种组分，称为第一组分和第二组分。将第一组分和第二组分以三种不同的比率混合在一起，得到第一实验水凝胶元件、第二实验水凝胶元件和第三实验水凝胶元件。对于每个实验水凝胶元件，在不同的水凝胶固化持续时间下，同时用提供365nm波长光的UV LED固化，计算体积电阻率值。
第一实验水凝胶元件由比率为1:0.3的第一组分和第二组分组成。在水凝胶固化持续时间为10分钟时，测定体积电阻率值为2909ρ(Ω/cm)；在水凝胶固化持续时间为20分钟时，测定体积电阻率值为2909ρ(Ω/cm)；并且，在水凝胶固化持续时间为40分钟时，测定体积电阻率值为4160ρ(Ω/cm)。
第二实验水凝胶元件由比率为1:0.65的第一组分和第二组分组成。在水凝胶固化持续时间为10分钟时，测定体积电阻率值为272ρ(Ω/cm)；在水凝胶固化持续时间为20分钟时，测定体积电阻率值为356ρ(Ω/cm)；并且，在水凝胶固化持续时间为40分钟时，测定体积电阻率值为364ρ(Ω/cm)。第二实验水凝胶元件是POLYCHEMAdvanced可UV固化的导电#JN0917-A，一种完全合成的聚丙烯酰胺基和化学交联的高性能水凝胶，其含有净化水、湿润剂和完全合成的光聚合物。第二实验水凝胶元件在25℃和4.0-7.0之间的pH下的液体粘度为150±50cps。
第三实验水凝胶元件由比率为1:0.9的第一组分水凝胶和第二组分水凝胶组成。在水凝胶固化持续时间为10分钟时，第三实验水凝胶元件仍然具有大部分液体形式，需要另外的5分钟的水凝胶固化持续时间，此时测定体积电阻率值为86ρ(Ω/cm)；在在水凝胶固化持续时间为25分钟时，测定体积电阻率值为104ρ(Ω/cm)；并且，在水凝胶固化持续时间为45分钟时，测定体积电阻率值为104ρ(Ω/cm)。
表1
再次参考图3A，皮肤水凝胶元件82c、骨水凝胶元件82d和脑水凝胶元件82e中的每一个可以由与另一个水凝胶元件82相同或不同比率的第一组分和第二组分组成。例如，皮肤水凝胶元件82c可以由导致第一体积电阻率的第一比率的第一组分和第二组分组成，骨水凝胶元件82d可以由以导致第二体积电阻率的第二比率的第一组分和第二组分组成，并且脑水凝胶元件82e可以由导致第三体积电阻率的第三比率的第一组分和第二组分组成，其中第一比率、第二比率和第三比率可以相同或不同，并且第一体积电阻率、第二体积电阻率和第三体积电阻率可以相同或不同。在一个实施方案中，皮肤水凝胶元件82c、骨水凝胶元件82d和脑水凝胶元件82e中的一种或多种可以部分地由不同于第一组分和/或第二组分的一种或多种另外的组分组成。
在一个实施方案中，用户可以将模型头部100构造成与人头部(例如患者的头部)导电地相似。也就是说，用户可以构造模型头部100，使得皮肤水凝胶元件82c的体积电阻率与患者皮肤的体积电阻率相似，骨水凝胶元件82d的体积电阻率与患者颅骨的体积电阻率相似，并且脑水凝胶元件82e与患者脑的体积电阻率相似。在一个实施方案中，用户还可以将模型头部100构造成包括具有与靶(例如靶肿瘤)在电阻率方面类似的体积电阻率的靶水凝胶元件82f。
在一个实施方案中，用户可以将模型头部100构造成包括一个或多个另外的水凝胶元件82a-n，其对患者头部中或周围的其它部件的体积电阻率建模，所述其它部件例如软骨、眼睛、毛发、粘液、唾液、神经等。在一个实施方案中，用户可以构造一个或多个水凝胶元件82a-n以模拟器官的一部分，例如，用户可以构造在体积电阻率上类似于脑的灰质的第一脑水凝胶元件和在体积电阻率上类似于脑的白质的第二脑水凝胶元件，或者用户可以构造在体积电阻率上类似于骨髓的第一骨水凝胶元件、在体积电阻率上类似于海绵状骨的第二骨水凝胶元件和在体积电阻率上类似于致密骨的第三骨水凝胶元件。
在一个实施方案中，模型头部100可以具有一个或多个传感器102a-n，其具有传感器引线104a-n并与模型头部100上或模型头部100内的特定位置相关联，例如具有传感器引线104a并与靶水凝胶元件82f相关联的第一传感器102a和具有传感器引线104b并与皮肤水凝胶元件82c相关联的第二传感器102b。另外，每个场发生垫70(例如第一场发生垫70a和第二场发生垫70b)可以包括一个或多个传感器102a-n。每个传感器102a-n可以包括电场传感器、电压传感器、安培传感器、温度传感器、电磁场传感器等中的一个或多个。在一个实施方案中，通过监视每个传感器102a-n，用户可以确定一个或多个场发生垫70中的每一个的最佳放置。可以通过从传感器102a-n接收数据来确定一个或多个场发生垫70中的每一个的最佳放置，所述数据指示当将一个或多个TTF信号供应到第一场发生垫70a、第二场发生垫70b和待施加到水凝胶模型78的任何其它场发生垫70时产生的TTField的最大化治疗益处。
在一些实施方案中，可以将一个或多个传感器102a-n放置在遍及模型水凝胶78的多个不同的位置中。例如，将传感器102c放置在脑水凝胶元件82c的额区中。通过将一个或多个传感器102a-n放置通过水凝胶模型78，用户可以在模型水凝胶78内的多个位置确定交变电场(例如，TTField)的性质。在其它实施方案中，可以将一个或多个传感器102a-n中的至少一个放置在两个或更多个水凝胶元件82a-n之间的交叉处。通过将传感器102放置在两个或更多个水凝胶元件82a-n之间的交叉处，用户可以在交变电场从第一水凝胶元件82通向第二水凝胶元件82时确定交变电场的一个或多个性质。
在一些实施方案中，一个或多个传感器102a-n中的每一个包括可通信地耦合到外部装置120的传感器引线104a-n。通过访问外部装置120，用户可以能够确定每个传感器102a-n的一个或多个性质的值。然而，在其它实施方案中，一个或多个传感器102a-n中的每一个不包括传感器引线104a-n，并且可以包括使用符合蓝牙、RFID、WIFI、Xbee、Z波等或其某种组合的要求的无线通信拓扑结构或任何其它无线通信拓扑结构可通信地耦合到外部装置120的无线收发器。在一些实施方案中，传感器102包括通过模拟数字转换器耦合到处理器的传感器，以便提供可以由处理器读取和解释的数字信号。在这些实施方案中，由于传感器引线可以将处理器耦合到无线收发器以允许处理器经由无线收发器将数据和指令转发到外部装置120。
在一个实施方案中，模型头部100可以具有一个或多个模拟静脉108a-n。而一个或多个模拟静脉108a-n称为静脉，一个或多个模拟静脉108a-n还可以模拟动脉，或者被设计成携带或输送模型液体的人体的另一部分。在一个实施方案中，一个或多个模拟静脉108a-n中的每一个可以包括可操作以使模型液体(例如血液或具有类似于人血液的电导率和/或体积电阻率性质的合成血液)在模型头部100内循环的管、软管等。在一个实施方案中，合成血液还具有类似于人血液的导热性。在一个实施方案中，模型液体在从一个或多个传感器102a-n接收数据的同时循环。
在一个实施方案中，可以将水凝胶模型78构造成包括一个或多个非凝胶元件112，例如医疗装置或一个或多个模拟静脉108a-n。例如，如果水凝胶模型78是模型头部100，则用户可以将模型头部100构造成包括可以植入患者的头部中或放置在患者的头部上的一个或多个非凝胶元件112，例如包括骨锚接助听器、耳蜗植入物、金属板(例如用于闭合颅骨缺损)等的医疗装置。通过将水凝胶模型78构造成包括一个或多个非凝胶元件112，用户可以测量由于一个或多个非凝胶元件112而引起的水凝胶模型78内的电场(例如TTField)的变化。
在一些实施方案中，一个或多个非凝胶元件112作为医疗装置(例如起搏器)主动地产生电场。在一个实施方案中，通过将水凝胶模型78构造为具有一个或多个体积电阻率与胸腔内各种器官相似的水凝胶元件82a-n的胸腔，并且在水凝胶模型78内包括起搏器，用户可以测量由于场发生垫70a-n引起的电场以及由起搏器产生的电信号引起的电场中的任何波动。
在一个实施方案中，一个或多个另外的场发生垫70(未显示)可以附着于模型头部100。连接到每个场发生垫70的发生器54可以将具有第一功率和第一频率的第一电信号供应至一个或多个场发生垫70(例如第一场发生垫70a和第二场发生垫70b)的第一组，并且将具有第二功率和第二频率的第二电信号供应至在同一时刻附着于模型头部100的一个或多个场发生垫70的第二组。也就是说，发生器54可以同时向第一组供应第一电信号和向第二组供应第二电信号。虽然上述实施方案仅描述了第一组和第二组，应当理解，可以存在超过两组。
图3B是图2的水凝胶模型78的另一个示例性实施方案的横截面图，其被描绘为被配置成对生物组分的外部和生物组分的内部的电导率进行适当建模的流体容器130。流体容器130可以是任何形状，包括但不限于立方体、矩形棱柱、球体、锥体、圆柱体或任何奇特的形状。图3B所示的流体容器130是形成以容纳流体的凹入的近似半球形的器皿。
流体容器130包括具有外表面136和内表面138的至少一个外壁134。至少一个外壁134可以由至少一个水凝胶元件82形成。在一些实施方案中，流体容器130包括由第一水凝胶元件82g形成的单个壁。水凝胶元件82g可以被配置成近似生物组分(例如，颅骨、躯干的外部皮肤及其组合)的外部组分的电导率和/或对其建模。例如，水凝胶元件82g可以被配置成近似人体或非人体的颅骨的电导率和/或对其建模。为此，水凝胶元件82g可以被配置成近似骨、皮肤和/或脑物质的电导率和/或对其建模。
流体容器130的内部可以填充或部分填充流体溶液140。流体溶液140可以被配置成近似生物组分(例如，脑物质、血液、器官)的内部的电导率和/或对其建模。例如，流体溶液140可以被配置成近似脑物质(即，白质和/或灰质)的电导率和/或对其建模。在一些实施方案中，流体溶液140可被配置成近似例如白质和灰质的平均电导率。在一些实施方案中，流体溶液140可以是盐水溶液，盐水溶液的盐含量被配置成近似生物组分内部的电导率。
参考图3B，在一些实施方案中，一个或多个靶水凝胶元件82f可以在至少一个可移动探针142的至少一部分上形成或与其附着。靶水凝胶元件82f可以被配置成具有近似于一个或多个靶肿瘤的电阻率。靶水凝胶元件82f可以定位在可移动探针142上的任何点处。具有在其上形成或与其附着的靶水凝胶元件82f的至少一个可移动探针142可以定位在流体容器130的内部周围，并且在流体容器130的流体溶液140内可移动。例如，至少一个可移动探针142可以定位在流体容器130的内部内的第一部位处，其中可以获得相对于靶水凝胶元件82f的一个或多个测量结果。然后，至少一个可移动探针142可以定位在流体容器130的内部的第二部位处，其中可以获得相对于靶水凝胶元件82f的一个或多个测量结果。另外，一个或多个靶水凝胶元件82f可以与至少一个可移动探针142一起使用。为此，至少一个可移动探针142可以定位在第一部位，其中可以获得相对于附着于探针142的第一靶水凝胶元件82f的一个或多个测量结果。至少一个可移动探针142可以定位在第二部位，其中可以获得相对于附着于探针142的第二靶水凝胶元件82f的一个或多个测量结果。应当注意，根据本公开，可以将可移动的或固定的另外的探针定位在流体容器130的内部。
在一些实施方案中，类似于模型头部100，流体容器130可以包括一个或多个传感器102a-n(图3A中所示)、一个或多个模拟静脉108a-n(图3A中所示)和/或定位在流体容器130的内部(例如，在流体容器130的流体溶液140内)的一个或多个非凝胶元件112(图3A中所示)。
至少一个可移动探针142可以被配置成定位在流体容器130内以测量流体容器130的内部内的电场。流体容器130的内部由外壁134的内表面138界定。参考图2和3B，一个或多个场发生垫70可以附着于流体容器130的外壁134的外表面136。连接到每个场发生垫70的发生器54可以将具有第一功率和第一频率的第一电信号供应到一个或多个场发生垫70(例如第一场发生垫70a和第二场发生垫70b)的第一组，并且将具有第二功率和第二频率的第二电信号供应到附着于流体容器130的外部的一个或多个场发生垫70的第二组。具有至少一个中其上或与其附着的靶水凝胶元件82f的至少一个可移动探针142可以被配置成测量内部流体容器130内的电场，并且在一些实施方案中测量在从发生器54产生电信号期间靶水凝胶元件82f内的电场。
现在参考图4A，其中显示根据本公开构造的凝胶施加***200的示例性实施方案的图。凝胶施加***200通常包含一个或多个施加器204和可移动地附着于壳体212的平台208。为了简洁起见，仅显示一个施加器204；然而，可以利用多于一个施加器204。一个或多个施加器204进一步包含至少一个喷嘴216，以便以一定喷射速率喷射导电凝胶，如上文更详细地描述的。在构造水凝胶模型78时，平台208支撑水凝胶模型78，描绘为具有部分皮肤水凝胶元件82c’和部分骨水凝胶元件82d’的部分模型头部100’。在一个实施方案中，第一组分和第二组分(以液体形式)可以在施加器204内混合并作为液体导电凝胶从施加器204的喷嘴216喷射。
在一个实施方案中，施加器204可以在第一方向220、第二方向224或第三方向226中的一个方向及其组合移动。在一个实施方案中，平台208可以在第一方向220、第二方向224、第三方向226或其一个或多个组合移动。第一方向220可以是y方向，第二方向224可以是x方向，并且第三方向226可以是z方向。在一个实施方案中，凝胶施加***200包括控制器228，以控制平台208的移动和/或控制施加器204的移动。
在一些实施方案中，控制器228负载有具有至少一个建议的水凝胶元件的建议的水凝胶模型的三维模型。在这些实施方案中，三维模型提供有多个体素，其中每个体素是至少一个建议的水凝胶元件之一的一部分。每个体素提供有识别(或用于确定)该体素的特定电阻、阻抗或电导的性质信息。性质信息由控制器228读取，并且可以用于产生具有电阻、阻抗或电导的体素。
在一个实施方案中，控制器228可以提供有电路，例如，存储器229，例如非暂时性计算机可读介质，其可通信地耦合到至少一个处理器230。存储三维模型的存储器229和被配置为读取三维模型的计算机可执行代码可以由处理器230访问。执行被配置为读取三维模型的计算机可执行代码的处理器230可以引起平台208的施加器204在第一方向220、第二方向224或第三方向228中的一个或多个方向上移动，并且引起施加器204以喷射速率喷射导电凝胶。在一个实施方案中，计算机***(未显示)用于将水凝胶模型78建模为三维模型的多个体素，并将三维模型通信到控制器228，其中三维模型然后可以存储在存储器229中。在一个实施方案中，控制器228与一个或多个计算机***通信以接收三维模型或形成三维模型的多个体素。
在一个实施方案中，凝胶施加***200进一步包括固化仪器232，以引起第一组分和第二组分(以液体形式)固化或聚合成一个或多个水凝胶元件82的三维导电凝胶。固化仪器232可以将固化剂(例如UV辐射、激光和/或电子束)供应至包含第一组分和第二组分(以液体形式)的特定体素234，其中特定体素234是三维模型的未固化的体素，其对应于一个或多个水凝胶元件82中的特定的一个，如图4A所示为部分皮肤水凝胶元件82c’或部分骨水凝胶元件82d’。通过施加固化剂，固化仪器232从而引起特定体素234聚合成三维导电凝胶，形成一个或多个水凝胶元件82的特定的一个的一部分。
在一个实施方案中，用户使用控制器228引起凝胶施加***200的施加器204喷射由具有第一比率的第一组分和第二组分组成的第一液体水凝胶，并且使固化仪器232以第一强度向第一液体水凝胶供应固化剂，持续第一持续时间，以形成具有与患者皮肤相似的体积电阻率的部分皮肤水凝胶元件82c’的第一体素，并且引起凝胶施加***200的施加器204喷射由具有第二比率的第一组分和第二组分组成的第二液体水凝胶，并且使固化仪器232以第二强度向第二液体水凝胶供应固化剂，持续第二持续时间，以形成具有与患者颅骨相似的体积电阻率的部分骨水凝胶元件82d’的第二体素。
在一个实施方案中，用户使用控制器228引起凝胶施加***200的施加器204喷射由具有特定比率的第一组分和第二组分组成的液体水凝胶，并且固化仪器232基于逐个体素(即对于特定体素，例如对于至少一个水凝胶元件82中的一个的每个部分)以特定的强度向液体水凝胶供应固化剂，持续特定的持续时间，施加器204喷射液体水凝胶，并且在已经喷射对于特定体素的液体水凝胶之后，固化仪器232将固化剂供应到喷射的液体水凝胶。在一个实施方案中，每个体素的体积可以基于形成水凝胶模型78所需的精度、可以在每个体素中固化的液体水凝胶的体积中的一个或多个来确定，其部分地基于液体水凝胶的粘度、体素中液体水凝胶上固化剂的渗透限制等。在一个实施方案中，每个水凝胶元件82的每个体素具有相似的体积。在一些实施方案中，每个体素的体积在0.001mm3至1cm3之间。在一些实施方案中，每个体素具有近似相同的体积，而在其它实施方案中，不是所有体素都具有相同的体积。在一些实施方案中，每个体素的宽度在0.01mm至1cm之间。
在一个实施方案中，控制器228可以将三维模型切成一层或多层，其中每层是多个基本上共面的体素，并且其中多个基本上共面的体素的每个体素对应于特定水凝胶元件82a-n的体积。对于特定层上的每个体素，控制器228可以引起施用器204喷射液体水凝胶，所述液体水凝胶由至少第一组分和第二组分组成，并将固化剂施加到体素，使得体素表现出与特定水凝胶元件82a-n的体素的相应体积相似的电导率、阻抗和/或体积电阻率。在一个实施方案中，控制器228引起多个基本上共面的体素中的全部或大部分在逐层的基础上喷射并固化，即，如果控制器228将三维模型切成具有第一多个基本上共面的体素的第一层和具有第二多个基本上共面的体素的第二层，则控制器228可以引起第一多个基本上共面的体素中的大部分或全部在第一层处形成，然后控制器228引起第二多个基本上共面的体素中的大部分或全部在第二层处形成。在一个实施方案中，计算机***可以将三维模型切成一层或多层，其中每层是多个基本上共面的体素，并且其中多个基本上共面的体素中的每个体素对应于特定水凝胶元件82a-n的体积。
在一个实施方案中，喷嘴216具有由喷嘴216与平台208之间的距离确定的施加距离，并且在施加压力下喷射导电凝胶，例如水凝胶(以液体形式)，并且相对于平台208以施加速度移动。通过调节施加距离、施加压力和施加速度，可以调节体素体积和/或体素形状。
在一个实施方案中，可以使用多于一个施加器204来同时形成多于一个水凝胶模型78。
在一个实施方案中，当部分模型头部100’正由凝胶施加***200构造或印刷时，可以将一个或多个非凝胶元件(例如一个或多个医疗装置、一个或多个模拟静脉108a-n等)放置在部分模型头部100’的特定层上。通过在模型头100的构造期间附着一个或多个非凝胶元件，当导电凝胶固化时，导电凝胶可以附着于非凝胶元件，从而防止一个或多个非凝胶元件的移动，因为非凝胶元件的移动可能将误差引入水凝胶模型78中。
现在参考图4B，其中显示根据本公开构造的凝胶施加***200a的示例性实施方案的图。凝胶施加***200a在结构和功能上与上述和图4A所示的凝胶施加***200相似，除了施加器204包括第一施加器204a和第二施加器204b，其中第一施加器204a以第一速率通过第一喷嘴216a可操作以喷射第一组分(以液体形式)，并且第二施加器204b以第二速率通过第二喷嘴216b可操作以喷射第二组分(以液体形式)到相同位置，以引起第一和第二组分混合并形成一个或多个水凝胶元件82之一的一部分。在该实施方案中，通过调节第一组分的第一喷射速率和第二组分的第二喷射速率持续一段时间，用户可以选择第一组分和第二组分之间的比率，以凝固成固体、凝胶形式。通过重复施加第一和第二组分的步骤，随后固化所施加的第一和第二组分，凝胶施加***200可以产生水凝胶模型78的水凝胶元件82a-n。
凝胶施加***200a进一步包含可移动地附着于壳体212的平台208。在构造水凝胶模型78时，平台208支撑水凝胶模型78。水凝胶模型78被描绘为具有部分皮肤水凝胶元件82c’和部分骨水凝胶元件82d’的部分模型头部100’。
在一些实施方案中，控制器228负载有具有至少一个建议的水凝胶元件的建议的水凝胶模型的三维模型。在这些实施方案中，三维模型提供有多个体素，其中每个体素是至少一个建议的水凝胶元件之一的一部分。每个体素提供有识别(或用于确定)该体素的特定电阻、阻抗或电导的性质信息。性质信息由控制器228读取，并且可以用于产生具有电阻、阻抗或电导的体素。控制器228可以提供有存储器229，例如非暂时性计算机可读介质，其可通信地耦合到至少一个处理器230。存储三维模型的存储器229和被配置成读取三维模型的计算机可执行代码可以由处理器230访问。执行被配置成读取三维模型的计算机可执行代码的处理器230可以引起平台208的第一施加器204a和第二施加器204b在第一方向220、第二方向224或第三方向228中的一个或多个方向上移动，并且引起第一施加器204a以第一速率通过第一喷嘴216a喷射第一组分(以液体形式)，并且第二施加器204b以第二速率通过第二喷嘴216b可操作以喷射第二组分(以液体形式)。
在一个实施方案中，计算机***(未显示)用于将水凝胶模型78建模为三维模型的多个体素，并将三维模型通信到控制器228，其中三维模型然后可以存储在存储器229中。在一个实施方案中，控制器228与一个或多个计算机***通信以接收三维模型或形成三维模型的多个体素。在一个实施方案中，计算机***可以将三维模型切成一层或多层，其中每层是多个基本上共面的体素，并且其中多个基本上共面的体素中的每个体素对应于特定水凝胶元件82a-n的体积。
现在参考图5，其中显示水凝胶模型产生过程250的示例性实施方案，其通常包括以下步骤：确定期望的体积电阻率(步骤254)，将第一体积的第一组分水凝胶与第二体积的第二水凝胶组合成水凝胶元件(步骤258)，以及固化水凝胶元件以形成水凝胶模型(步骤262)。
在一个实施方案中，确定期望的体积电阻率(步骤254)可以通过测量患者的靶区域(例如靶肿瘤)的体积电阻率来执行。在一个实施方案中，确定期望的体积电阻率(步骤254)可以包括针对特定器官的一组预定的电导率，为患者的特定部分(例如特定器官)选择体积电阻率。例如，如果特定器官是肝，并且预定肝通常具有肝体积电阻率，则可以选择该预定的肝体积电阻率作为期望的体积电阻率。
在一个实施方案中，将第一体积的第一组分和第二体积的第二组分组合成水凝胶元件(步骤258)通常包括选择水凝胶组分比率，例如如产生表1所确定的，其中特定比率包括近似或类似于期望的体积电阻率的体积电阻率，并选择第一体积和第二体积，使得第一体积与第二体积的比率约等于水凝胶组分比率。
在一个实施方案中，将第一体积的第一组分和第二体积的第二组分组合成水凝胶元件(步骤258)可以进一步包括形成具有第一体积的第一组分和第二体积的第二组分的一个或多个体素，其中每个体素是水凝胶元件的离散体积或部分。
在一个实施方案中，固化水凝胶元件以形成水凝胶模型(步骤262)通常包括将固化剂施加到水凝胶元件持续特定的持续时间。例如，特定的持续时间可以部分基于对应于期望的体积电阻率的水凝胶组分比率的固化持续时间来确定。在一个实施方案中，固化水凝胶元件以形成水凝胶模型(步骤262)可以包括在形成每个体素时固化一个或多个体素中的每一个，使得固化的和凝固的体素共同形成水凝胶元件。
现在参考图6，其中显示场发生垫位置放置过程300的示例性实施方案，其通常包括以下步骤：将两个或更多个场发生垫在特定位置处附着于水凝胶模型78(步骤304)，产生具有在约50kHz至约1MHz的范围内的频率的交变电场持续一段时间(步骤308)，测量一个或多个传感器以确定功效(步骤312)，确定功效是否高于功效阈值(步骤316)，并且如果功效高于功效阈值，选择水凝胶模型上的两个或更多个场发生垫中的每一个的特定位置作为治疗性场发生垫位置(步骤320)，否则返回到步骤304。
在一个实施方案中，将两个或更多个场发生垫附着于水凝胶模型(步骤304)可以由用户执行，并且可以包括将两个或更多个场发生垫附着在水凝胶模型78上的特定位置处，并且将一个或多个传感器附着于水凝胶模型78。在一个实施方案中，产生具有在约50kHz至约500kHz的范围内的频率的交变电场持续一段时间(步骤308)包括由用户访问发生器54或控制盒86，并且引起发生器54产生交变电场。
在一些实施方案中，测量一个或多个传感器以确定功效(步骤312)可以包括测量附着于水凝胶模型78的一个或多个传感器102a-n中的每一个的电场强度或强度、测量电压、测量安培数或测量温度或其某种组合，以确定在靶区域处施加的交变电场的功效。在一个实施方案中，所施加的交变电场是TTField，并且靶区域是场靶74的靶区域。在一些实施方案中，测量以确定功效可以包括从可移动探针142获得电场的一个或多个测量结果。
在一个实施方案中，确定功效是否高于功效阈值(步骤316)包括将在步骤312中确定的功效与功效阈值进行比较，并且如果功效高于功效阈值，则选择水凝胶模型78上的两个或更多个场发生垫70中的每一个的当前位置作为治疗性场发生垫位置。如果功效低于功效阈值，则返回到将两个或更多个场发生垫附着于水凝胶模型78(步骤304)，并且在与所述特定位置中的至少一个不同的位置处将两个或更多个场发生垫附着于水凝胶模型。例如，如果功效阈值是温度阈值，则确定功效是否低于功效阈值(步骤316)包括将通过测量温度确定的功效与温度阈值进行比较，并且如果温度超过温度阈值，则返回到步骤304，否则继续选择水凝胶模型上的两个或更多个场发生垫中的每一个的特定位置作为治疗性场发生垫位置(步骤320)。
图7是根据本公开的用于验证TTField强度(即，在计算机模型内预测的估计的TTField强度)的模拟的示例性方法400的流程图。代替TTField强度或除TTField强度之外，还可以验证以下内容：电压、安培数、温度或根据本公开的其某种组合。
在步骤402中，一个或多个计算机模拟可以确定体内靶区域的估计的TTField强度。通常，计算机模拟确定用于TTField治疗的电极的位置。通过获得身体特定部分的CT扫描和/或MRI图像，可以产生身体(例如，头部、躯干)内的电导率的一个或多个计算机模型。例如，以下专利和专利公开中的公开内容详细描述了CT扫描和/或MRI图像的分割，以提供用于确定TTField治疗中电极位置的电导率的计算机模型：在2016年10月27日提交的美国专利号10,188,851；在2019年11月12日提交的美国专利公开号2020/0146586；和在2019年7月18日提交的美国专利公开号2020/0023179，其通过引用以其整体并入本文。在计算机模拟中，可以基于电极的模拟的定位来确定体内靶区域(例如肿瘤)的估计的TTField强度。
在步骤404中，使用水凝胶模型78，根据本公开可以获得水凝胶模型78内的实际TTField强度。场发生垫70a和70b可以基于利用计算机模拟或模型对电极的定位而定位在水凝胶模型78周围。可以将交变电场施加到具有场发生垫70a和70b的水凝胶模型78。可以测量与通过水凝胶模型78的至少一部分的交变电场相关的实际TTFIeld强度。
在步骤406中，可以比较计算机模拟的估计的TTField强度和水凝胶模型78的实际TTField强度以提供所得比较输出。在步骤408中，所得比较输出可以验证估计的TTField强度的计算机模拟，和/或所得比较输出可以用于更新计算机模拟。例如，如果实际TTField强度与估计的TTField强度之间的差值在预定的阈值内，则所得比较输出可以验证由计算机模拟提供的估计的TTField强度。在一些实施方案中，所得比较可以用于调节或校准计算机模拟(例如，更新计算机模拟内的一个或多个算法)。
以下是本文公开的本发明构思的非限制性说明性实施方案的数量列举。
1.水凝胶模型，其包含：
多个连接的水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗。
2.说明性实施方案1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件为患者的身体部分的形式。
3.说明性实施方案1所述的水凝胶模型，其中所述水凝胶元件中的至少一个为肿瘤的形式，并且所述多个相邻设置的水凝胶元件中的至少一个具有模拟所述肿瘤的阻抗的阻抗。
4.说明性实施方案1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件是人头的形状。
5.说明性实施方案1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件中的每一个包括预定比率的第一组分和第二组分。
6.说明性实施方案1所述的水凝胶模型，其进一步包含与所述多个连接的水凝胶元件中的至少一个通信的非凝胶元件。
7.说明性实施方案6所述的水凝胶模型，其中所述非凝胶元件是与所述多个相邻设置的水凝胶元件中的至少一个通信的医疗装置。
8.说明性实施方案6所述的水凝胶模型，其中将所述非凝胶元件植入所述多个相邻设置的水凝胶元件内。
9.方法，其包括：
接收物体的3维模型，所述3维模型具有多个体素，其中每个体素提供有识别或可用于确定所述体素的阻抗或电阻中的至少一个的性质信息；和
操作凝胶施加***，以通过在所述水凝胶模型内产生对应于所述3维模型内的体素的水凝胶元件，用所述3维模型产生水凝胶模型。
10.方法，其包括：
将场发生垫在所述水凝胶模型上的特定位置处附着于水凝胶模型，所述水凝胶模型具有多个连接的水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗；
用所述场发生垫将交变电场施加到所述水凝胶模型；
用多个传感器测量与通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场相关的至少一个性质；和
执行以下步骤中的至少一个：
确定所述交变电场对所述水凝胶模型内的靶区域的功效；和
使用通过所述多个传感器测量的数据对通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场建模。
11.说明性实施方案10所述的方法，其中施加交变电场包括用所述场发生垫将肿瘤治疗场施加到所述水凝胶模型。
12.说明性实施方案10所述的方法，其进一步包括至少部分基于与所述交变电场相关的所测量的至少一个性质来计算所述水凝胶模型对所述交变电场的比吸收率。
13.说明性实施方案10所述的方法，其进一步包括将所述多个传感器附着在所述水凝胶模型上或所述水凝胶模型内并且与所述水凝胶模型的特定部分相关联，每个传感器提供至少一个性质。
14.说明性实施方案13所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述多个传感器中的至少一个以确定所述至少一个性质。
15.说明性实施方案14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的温度。
16.说明性实施方案14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述一个或多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的电性质。
17.说明性实施方案14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述一个或多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的磁性质。
18.说明性实施方案14所述的方法，其中施加交变电场包括用所述场发生垫将肿瘤治疗场施加到所述水凝胶模型。
19.说明性实施方案18所述的方法，其中对所述肿瘤治疗场建模包括确定所述交变电场对所述水凝胶模型内的靶区域的功效。
20.方法，其包括：
基于计算机模拟，将场发生垫在预定的位置处附着于水凝胶模型，所述水凝胶模型具有多个水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗；
用所述场发生垫将交变电场施加到所述水凝胶模型；
测量与通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场相关的TTField强度，以获得实际TTField强度；和，
将所述实际TTField强度与从所述计算机模拟获得的估计的TTField强度进行比较。
21.说明性实施方案20所述的方法，其中所述场发生垫附着于所述水凝胶模型的外壁。
22.说明性实施方案20所述的方法，其中所述水凝胶元件中的所述第二个的所述第二阻抗匹配肿瘤的阻抗。
23.说明性实施方案22所述的方法，其中所述水凝胶元件的第二个附着于被配置成测量TTField强度的探针，并且进一步包括相对于所述水凝胶元件移动所述探针的步骤。
从以上描述中，清楚的是，本文所公开和要求保护的发明构思非常适于实现本文所提到的目的和获得本文所提到的优点以及本发明固有的那些优点。尽管为了本公开的目的已经描述了本发明构思的示例性实施方案，应当理解，可以进行许多改变，这些改变对于本领域技术人员来说是容易想到的，并且在本文公开和要求保护的本发明构思的精神内实现。在前述说明书、说明性实施方案、或所附权利要求书或附图中公开的特征，以其特定形式或根据用于执行所公开的功能的装置、或用于获得所公开的结果的方法或过程来表达，适当地，可以单独地或以这样的特征的任意组合来用于以其不同形式实现本公开。

Claims (23)

1.水凝胶模型，其包含：
多个连接的水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗。
2.权利要求1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件为患者的身体部分的形式。
3.权利要求1所述的水凝胶模型，其中所述水凝胶元件中的至少一个为肿瘤的形式，并且所述多个相邻设置的水凝胶元件中的至少一个具有模拟所述肿瘤的阻抗的阻抗。
4.权利要求1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件是人头的形状。
5.权利要求1所述的水凝胶模型，其中所述多个连接的水凝胶元件中的每一个包括预定比率的第一组分和第二组分。
6.权利要求1所述的水凝胶模型，其进一步包含与所述多个连接的水凝胶元件中的至少一个通信的非凝胶元件。
7.权利要求6所述的水凝胶模型，其中所述非凝胶元件是与所述多个相邻设置的水凝胶元件中的至少一个通信的医疗装置。
8.权利要求6所述的水凝胶模型，其中将所述非凝胶元件植入所述多个相邻设置的水凝胶元件内。
9.方法，其包括：
接收物体的3维模型，所述3维模型具有多个体素，其中每个体素提供有识别或可用于确定所述体素的阻抗或电阻中的至少一个的性质信息；和
操作凝胶施加***，以通过在所述水凝胶模型内产生对应于所述3维模型内的体素的水凝胶元件，用所述3维模型产生水凝胶模型。
10.方法，其包括：
将场发生垫在所述水凝胶模型上的特定位置处附着于水凝胶模型，所述水凝胶模型具有多个连接的水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗；
用所述场发生垫将交变电场施加到所述水凝胶模型；
用多个传感器测量与通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场相关的至少一个性质；和
执行以下步骤中的至少一个：
确定所述交变电场对所述水凝胶模型内的靶区域的功效；和
使用通过所述多个传感器测量的数据对通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场建模。
11.权利要求10所述的方法，其中施加交变电场包括用所述场发生垫将肿瘤治疗场施加到所述水凝胶模型。
12.权利要求10所述的方法，其进一步包括至少部分基于与所述交变电场相关的所测量的至少一个性质来计算所述水凝胶模型对所述交变电场的比吸收率。
13.权利要求10所述的方法，其进一步包括将所述多个传感器附着在所述水凝胶模型上或所述水凝胶模型内并且与所述水凝胶模型的特定部分相关联，每个传感器提供至少一个性质。
14.权利要求13所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述多个传感器中的至少一个以确定所述至少一个性质。
15.权利要求14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的温度。
16.权利要求14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述一个或多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的电性质。
17.权利要求14所述的方法，其中测量与所述交变电场相关的至少一个性质进一步包括测量所述一个或多个传感器中的至少一个以确定与通过所述水凝胶模型的所述特定部分的所述交变电场相关的磁性质。
18.权利要求14所述的方法，其中施加交变电场包括用所述场发生垫将肿瘤治疗场施加到所述水凝胶模型。
19.权利要求18所述的方法，其中对所述肿瘤治疗场建模包括确定所述交变电场对所述水凝胶模型内的靶区域的功效。
20.方法，其包括：
基于计算机模拟，将场发生垫在预定的位置处附着于水凝胶模型，所述水凝胶模型具有多个水凝胶元件，所述水凝胶元件的第一个具有第一电阻抗，并且所述水凝胶元件的第二个具有第二阻抗，其中所述第一阻抗不同于所述第二阻抗；
用所述场发生垫将交变电场施加到所述水凝胶模型；
测量与通过所述水凝胶模型的至少一部分的所述交变电场相关的TTField强度，以获得实际TTField强度；和，
将所述实际TTField强度与从所述计算机模拟获得的估计的TTField强度进行比较。
21.权利要求20所述的方法，其中所述场发生垫附着于所述水凝胶模型的外壁。
22.权利要求20所述的方法，其中所述水凝胶元件中的所述第二个的所述第二阻抗匹配肿瘤的阻抗。
23.权利要求22所述的方法，其中所述水凝胶元件的第二个附着于被配置成测量TTField强度的探针，并且进一步包括相对于所述水凝胶元件移动所述探针的步骤。
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