双RF双极电外科手术的独立控制的制作方法

双rf双极电外科手术的独立控制
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求美国临时专利申请第63/028,012号、第63/028,007号、第63/028,009号和第63/028,049号的权益和优先权，所述美国临时专利申请中的每一个于2020年5月21日申请。前述申请中的每一个的全部内容都以引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及用于控制电外科发生器的系统和方法。特别地，本公开涉及控制递送两个单独的双极射频波形的多个双极电外科装置。


背景技术：

4.电外科手术涉及将高射频电流施加到手术部位以切割、消融、干燥或凝结组织。在单极电外科手术中，电源或有源电极将来自电外科发生器的射频交流电递送到目标组织。病患返回电极远离有源电极放置以使电流传导回到发生器。
5.在双极电外科手术中，返回电极和有源电极彼此靠近放置，使得在两个电极之间形成电路(例如在电外科镊子的情况下)。以此方式，所施加的电流限于定位在电极之间的身体组织。因此，双极电外科手术通常涉及器械的使用，以实现两个电极之间的电外科能量的集中递送。
6.用于双部位手术的当前解决方案，即同时使用两个电外科器械，通常是使用两个电外科发生器。此解决方案本身就很繁琐并且成本高昂。因此，需要使用公共返回路径对单个电外科发生器的多个端口进行独立控制。


技术实现要素：

7.本公开提供了一种电外科系统，其包含电外科发生器，所述电外科发生器具有由两个单独的rf源产生的两个射频(rf)信道。所述源中的每一个包含被配置成输出dc功率的电源和被配置成输出rf波形的rf功率逆变器。个别rf波形被供应到对应双极器械。所述源中的每一个都由其自身的控制器控制，所述控制器中的每一个都联接到公共时钟源。电外科发生器对每个rf源的不连续或连续信号进行宽带测量，同时检测rf源之间的交叉传导和串扰。如本文所使用，交叉传导是能量信道的电流流过相对信道的接触阻抗，并且串扰是电外科发生器内部能量信道之间的辐射干扰。
8.根据本公开的一个实施例，公开一种电外科发生器。发生器包含第一射频源，其具有：第一电源，所述第一电源被配置成输出第一直流波形；第一射频逆变器，其联接到第一电源，并且被配置成从第一直流波形产生第一询问波形和第一射频波形；以及第一控制器，其被配置成基于第一询问波形的响应而控制第一射频逆变器以输出第一射频波形。发生器还包含第二射频源，其具有：第二电源，所述第二电源被配置成输出第二直流波形；第二射频逆变器，其联接到第二电源，并且被配置成在产生第一询问波形的同时产生第二询问波形，且在产生第一射频波形的同时产生第二射频波形；以及第二控制器，其被配置成基于第
二询问波形的响应而控制第二射频逆变器以输出第二射频波形。
9.根据本公开的另一实施例，公开一种电外科系统。系统包含第一双极电外科器械和第二双极电外科器械。系统还包含具有第一射频源的电外科发生器，所述第一射频源包含：第一电源，其被配置成输出第一直流波形；以及第一射频逆变器，其联接到第一电源和第一双极电外科器械。第一射频逆变器被配置成从第一直流波形产生第一询问波形和第一射频波形。第一射频源还包含：第一控制器，其被配置成基于第一询问波形的响应而控制第一射频逆变器以输出第一射频波形。发生器还包含第二射频源，所述第二射频源具有：第二电源，其被配置成输出第二直流波形；以及第二射频逆变器，其联接到第二电源和第二双极电外科器械。第二射频逆变器被配置成在产生第一询问波形的同时产生第二询问波形，且在产生第一射频波形的同时产生第二射频波形。第二射频源还包含：第二控制器，其被配置成基于第二询问波形的响应而控制第二射频逆变器以输出第二射频波形。
10.根据上述实施例中的任一个的一个方面，第一询问波形和第二询问波形中的每一个是脉冲射频波形。脉冲射频波形包含持续时间为约10微秒到约1,000微秒且重复率为约10毫秒到约50毫秒的多个脉冲。
11.根据上述实施例中的任一个的另一方面，第一射频源进一步包含至少一个第一传感器，其被配置成基于第一询问波形来测量第一阻抗。第一控制器被进一步配置成基于第一阻抗与开路阈值的比较来确定联接到第一射频源的第一电外科器械与组织之间的接触。第一控制器被进一步配置成基于比较而控制第一射频逆变器以输出第一射频波形。
12.根据上述实施例中的任一个的另一方面，第二射频源进一步包含至少一个第二传感器，其被配置成基于第二询问波形来测量第二阻抗。第二控制器被进一步配置成基于第二阻抗与开路阈值的比较来确定联接到第二射频源的第二电外科器械与组织之间的接触。第二控制器被进一步配置成基于比较而控制第二射频逆变器以输出第二射频波形。
13.根据上述实施例中的任一个的另一方面，发生器进一步包含：时钟源，其联接到第一控制器和第二控制器，并且被配置成使第一控制器和第二控制器的操作同步。
附图说明
14.在结合后续详细描述考虑时，可通过参考附图来理解本公开，在附图中：
15.图1是根据本公开的一实施例的电外科系统的透视图；
16.图2是根据本公开的一实施例的图1的双rf源电外科发生器的正视图；
17.图3是根据本公开的一实施例的图1的电外科发生器的示意图；
18.图4是根据本公开的图1的联接到电外科发生器的第一rf源的第一控制器和第二控制源的第二控制器的时钟源的示意图；
19.图5是根据本公开的由图1的电外科发生器产生的连续rf波形的频率响应标绘图；
20.图6是根据本公开的由图1的电外科发生器产生的不连续rf波形的频率响应标绘图；
21.图7是根据本公开的一实施例的用于操作图1的电外科发生器以在自动双极模式期间检测组织接触的方法的流程图；以及
22.图8是根据本公开的一实施例的用于操作图1的电外科发生器以检测过电流和/或交叉传导的方法的流程图。
具体实施方式
23.参考附图详细地描述本发明所公开的电外科系统的实施例，在附图中，相同的参考标号在若干视图中的每一个中表示相同或对应元件。如本文所使用，术语“远侧”是指与其联接的手术器械中更靠近患者的部分，而术语“近侧”是指更远离患者的部分。
24.术语“应用程序”可以包含被设计成执行功能、任务或活动以使用户受益的计算机程序。应用程序可以指例如作为独立程序或在网络浏览器中本地或远程运行的软件，或本领域的技术人员将其理解为应用程序的其它软件。应用程序可以在控制器上或在用户装置上运行，包含例如在移动装置、iot装置、服务器系统或任何可编程逻辑装置上运行。
25.在以下描述中，没有详细描述公知的功能或构造，以避免在不必要的细节上使本公开模糊。本领域的技术人员将理解，本公开可以适于与内窥镜器械、腹腔镜器械或开放器械一起使用。还应了解，不同的电气和机械连接以及其它考虑因素可以应用于每种特定类型的器械。
26.根据本公开的电外科发生器可以用于单极和/或双极电外科手术中，包含例如切割、凝结、消融和血管密封手术。发生器可以包含用于与各种超声和电外科器械(例如，超声解剖器和止血器、单极器械、返回电极垫、双极电外科镊子、脚开关等)接口连接的多个输出。此外，发生器可以包含电子电路，所述电子电路被配置成产生射频能量，所述射频能量特别适合于为以各种电外科模式(例如，切割、混合、凝结、止血、电灼、喷射等)和程序(例如，单极、双极、血管密封)操作的超声器械和电外科装置供电。
27.参考图1中所展示的电外科系统10，其包含一个或多个双极电外科器械20'和20”，所述双极电外科器械展示为分别具有一对电极23a'和23b'以及23a”和23b”的镊子，以用于治疗患者的组织。在实施例中，双极电外科器械20'和20”可以是一对镊子。器械20'和20”经由缆线24'和24”联接到发生器100。发生器100是双源rf发生器，其被配置成将单独的rf波形从个别rf源供应到器械20'和20”中的每一个。
28.参考图2，展示了发生器100的正面102。发生器100可以包含多个端口110、112、114、116以容纳各种类型的电外科器械，且包含端口118以联接到返回电极垫。发生器100包含用于向用户提供各种输出信息(例如，强度设置、治疗完成指示符等)的显示器120。显示器120是触摸屏，其被配置成显示器械(例如，双极电外科器械20'和20”、电外科镊子等)的对应菜单。然后，用户只需触摸对应菜单选项即可调整输入。发生器100还包含用于控制发生器100的合适的输入控制件122(例如，按钮、激活器、开关、触摸屏等)。
29.发生器100被配置成在各种模式中操作，并且被配置成基于所选择的模式输出双极波形。所述模式中的每一个都基于预编程的功率曲线进行操作，所述预编程的功率曲线指示在负载(例如组织)的变化阻抗范围内发生器100输出多少功率。功率曲线中的每一个都包含功率、电压和电流控制范围，这些范围由用户选择的强度设置和测量到的最小负载阻抗限定。
30.第一和第二rf波形可以是连续的或不连续的，并且可以具有约200khz到约500khz的载波频率。如本文所使用，连续波形是具有100％占空比的波形。在实施例中，连续波形用于对组织施加切割效果。相反，不连续波形是具有非连续占空比(例如，低于100％)的波形。在实施例中，不连续波形用于向组织提供凝结效果。
31.参考图3，发生器100包含双源rf架构，其中每个rf源由个别且单独的rf逆变器供
应，所述逆变器中的每一个由个别且单独的dc电源供电。更确切地说，发生器100包含第一rf源202和第二源302。源202和302中的每一个包含第一控制器204和第二控制器304、第一电源206和第二电源306，以及第一rf逆变器208和第二rf逆变器308。电源206和306可以是连接到公共ac源(例如，线电压)的高电压dc电源，并且向它们各自的rf逆变器208和308提供高电压dc功率，然后所述rf逆变器通过它们各自的有源端子210和310将dc功率转换成第一和第二rf波形。能量分别经由第一返回端子212和第二返回端子312返回到其上。确切地说，用于为双极电外科器械20'和20”通电的电外科能量通过端口114和116递送，所述端口中的每一个分别联接到有源端子210和返回端子212以及有源端子310和返回端子312。
32.有源端子210和返回端子212通过隔离变压器214联接到rf逆变器208。隔离变压器214包含联接到rf逆变器208的初级绕组214a和联接到有源端子210和返回端子212的次级绕组214b。类似地，有源端子310和返回端子312通过隔离变压器314联接到rf逆变器308。隔离变压器314包含联接到rf逆变器308的初级绕组314a和联接到有源端子310和返回端子312的次级绕组314b。
33.rf逆变器208和308被配置成在多个模式中操作，在所述模式期间，发生器100输出具有特定占空比、峰值电压、波峰因数等的对应波形。可以预见的是，在其它实施例中，发生器100可以基于其它类型的合适电源拓扑。如所展示，rf逆变器208和308可以是谐振rf放大器或非谐振rf放大器。如本文中所使用，非谐振rf放大器表示缺少布置在rf逆变器与负载(例如，组织)之间的任何调谐组件(即，导体、电容器等)的放大器。
34.控制器204和304可以包含可操作地连接到存储器(图中未展示)的处理器(图中未展示)，所述存储器可以包含易失性、非易失性、磁性、光学或电气介质中的一种或多种，例如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可擦除可编程rom(eeprom)、非易失性ram(nvram)或快闪存储器。处理器可以是适于执行本公开中描述的操作、计算和/或指令集的任何合适的处理器(例如，控制电路)，包含但不限于硬件处理器、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)、中央处理单元(cpu)、微处理器和其组合。本领域的技术人员将了解，可以通过使用适于执行本文所描述的计算和/或指令集的任何逻辑处理器(例如，控制电路)来代替处理器。
35.控制器204和304中的每一个可操作地连接到各自的电源206和306和/或rf逆变器208和308，从而允许处理器根据开环和/或闭环控制方案来控制发生器100的第一rf源202和第二源302的输出。闭环控制方案是反馈控制环，其中多个传感器测量各种组织和能量特性(例如，组织阻抗、组织温度、输出功率、电流和/或电压等)，并向控制器204和304中的每一个提供反馈。然后，控制器204和304控制它们各自的电源206和306和/或rf逆变器208和308，所述逆变器分别调整dc和/或rf波形。
36.根据本公开的发生器100还可以包含多个传感器216和316，所述传感器中的每一个监测发生器100的第一rf源202和第二rf源302的输出。传感器216和316可以是任何合适的电压、电流、功率和阻抗传感器。在图3中所示出的实施例中，传感器216联接到rf逆变器208的引线220a和220b。引线220a和220b将rf逆变器208联接到变压器214的初级绕组214a。传感器316联接到rf逆变器308的引线320a和320b。引线320a和320b将rf逆变器308联接到变压器314的初级绕组314a。因此，传感器216和316被配置成感测供应到有源端子210和310以及返回端子212和312的能量的电压、电流和其它电特性。
37.在其它实施例中，传感器216和316可以联接到电源206和306，并且可以被配置成感测供应到rf逆变器208和308的dc电流的特性。控制器204和304还从显示器120和发生器100的输入控制件122和/或器械20'和20”接收输入信号。控制器204和304响应于输入信号而调整由发生器100输出的功率和/或在其上执行其它控制功能。
38.rf逆变器208和308分别包含以h桥拓扑结构布置的多个开关元件228a
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228d和328a
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328d。在实施例中，rf逆变器208和308可以根据任何合适的拓扑结构来配置，包含但不限于半桥式、全桥式、推挽式等。合适的开关元件包含电压控制装置，例如晶体管、场效应晶体管(fet)、其组合等。在实施例中，fet可以由氮化镓、氮化铝、氮化硼、碳化硅或任何其它合适的宽带隙材料形成。
39.控制器204和304与相应的rf逆变器208和308通信，且确切地说，与开关元件228a
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228d和328a
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328d通信。控制器204和304被配置成向开关元件228a
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228d和328a
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328d输出控制信号，所述控制信号可以是脉宽调制(“pwm”)信号。确切地说，控制器204被配置成调制供应到rf逆变器208的开关元件228a
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228d的控制信号d1，并且控制器304被配置成调制供应到rf逆变器308的开关元件328a
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328d的控制信号d2。控制信号d1和d2提供pwm信号，所述pwm信号以它们各自选择的载波频率操作rf逆变器208和308。另外，控制器204和304被配置成计算发生器100的第一rf源202和第二源302的输出的功率特性，并且至少部分地基于测量到的功率特性来控制第一rf源202和第二源302的输出，所述测量到的功率特性包含但不限于rf逆变器208和308的输出处的电压、电流和功率。
40.参考图3和图4，控制器204和304中的每一个联接到时钟源340，所述时钟源充当用于控制器204和304中的每一个的公共频率源，使得控制器204和304同步。时钟源340是电子振荡器电路，其产生用于使控制器204和304的操作同步的时钟信号。确切地说，控制器204和304的采样操作是同步的。控制器204和304中的每一个基于来自时钟源340的时钟信号和所选择的模式来产生rf波形。因此，一旦用户选择电外科模式中的一个，则控制器204和304中的每一个均输出第一和第二控制信号，所述第一和第二控制信号用于控制相应的rf逆变器208和308以输出对应于所选择的模式的第一和第二rf波形。第一rf源202和第二源302中的每一个的所选择的模式以及对应的rf波形可以相同或不同。
41.rf波形具有不同的载波频率，使得第一rf波形具有第一载波频率，并且第二rf波形具有第二载波频率。选择两个不同的载波频率，使得控制器204和304可以在频域中辨别或分离测量数据。测量数据由传感器216和316收集，所述传感器监测第一rf源202和第二源302的输出。控制器204和304使用任何合适的带通技术或将测量数据变换到频域的任何技术(例如，离散傅立叶变换(dft)和快速傅立叶变换(fft))来分析它们各自的第一和第二rf波形。在实施例中，控制器204和304可以使用goertzel滤波器的阵列，所述阵列指向连续波形(例如，在切割模式期间使用的那些波形)的rf波形的载波频率及其谐波。对于不连续波形，goertzel滤波器指向正分析的波形的重复频率的重复率和谐波。测量数据的过滤可以由控制器204和304可执行的应用程序(例如，软件指令)执行。
42.选择第一和第二rf波形的频率以在第一rf波形与第二rf波形的载波频率之间提供足够的信道间隔，如由带通goertzel滤波器所确定。参考图5的频率响应标绘图350，选择连续波形的相对rf端口频率位于频率响应的零点处。这样可以最大程度地实现源到源的分离。
43.参考图6，其展示了不连续波形的频率响应标绘图360，单独的goertzel滤波器被指向正分析的rf波形的基本重复率以及偶奇谐波。由于基本频率不完全正交，因此某些谐波存在重叠。谐波组的重叠会在goertzel阵列标绘图中产生不连续性。这用于检测来自一个rf源的显著交叉传导是否在另一rf源的传感器216或316中发生。如果希望分离仅包含多个谐波中的1个组合信息的源，则未受影响的谐波与一定比例的受影响谐波组合使用。分离出的交叉传导信息用作剂量监测器，以检测过度的交叉传导情况。
44.在第一和第二rf波形均不连续的实施例中，有限的频率空间可能是受约束的。不连续的波形可以具有约20khz到约490khz的重复率。从信号处理的角度来看，重复率不允许完全正交的解决方案。用于确定将用于独立控制的第一rf源202和第二源302中的每一个的功率值的技术取决于交叉传导的水平。交叉传导使得实功率沉积在接触阻抗处。因此，控制的功率是基于沉积在接触阻抗处的交叉传导功率与沉积在接触阻抗处的端口源功率的总和。在实施例中，沉积在非接触组织阻抗和返回电极垫26中的功率也可以包含在特定rf端口的整体校准中。如果频率鉴别用于功率控制，则在使用发生器100之前，在校准程序中使用器械20'和20”以及返回电极垫26，这考虑了供应线24'和24”以及返回线28两者的缆线补偿以及谐波重叠和交叉传导。交叉传导也可以作为减轻潜在剂量误差的手段进行监测。
45.在实施例中，在第一和第二rf波形中的一个是连续的而另一个是不连续的情况下，连续的rf波形可以处于约481khz的较高goertzel频率，而不连续的rf波形可以处于约433khz的较低频率，使得在源之间几乎不会发生干扰，这是由于goertzel的频率响应可被45整除(参见图5和6)以及不连续能量的浓度处于或低于其433khz的载波频率。
46.在第一和第二rf波形是连续的实施例中，由于连续波形通常不是完美的正弦波，因此433khz和481khz的预选唯一载波频率也符合用于与goertzel滤波器组合分离连续rf源的相干采样规则，以提供对来自另一源的干扰相长或相消信号的衰减。带通滤波器提供信号通带区域和下/上信号抑制区域。抑制水平是可变的，且基于所设计的带通滤波器的类型。有限脉冲响应(fir)滤波器提供了正弦函数(sin x/x)类型的幅度与频率响应的关系。计算效率高的goertzel滤波器的实现方式类似于采样函数而起作用，如图5和6的标绘图350和360所展示。
47.发生器100被配置成在自动双极模式中操作，在此期间，第一rf源202和rf第二源302中的每一个在检测到组织接触之后输出任何合适的双极rf波形。用户可在此模式期间配置第一rf源202和rf第二源302中的每一个以设置功率电平，且在确认双极电外科器械20'和20”与组织接触之后设置用于开始rf递送的延迟时间。在此模式中，发生器输出低功率询问脉冲波形以测量阻抗并确定与组织的接触。询问波形可以是约1w到约5w，并且可以具有约10微秒到约1,000微秒的持续时间，并且可以每10毫秒到约每50毫秒重复一次。在检测到指示组织接触的阻抗之后，在用户可选择的延迟时间之后，发生器100通过所连接的双极器械20'和20”输出能量。
48.参考图7，公开了一种用于控制发生器100的方法。方法提供了第一rf源202和rf第二源302的同时双重激活。最初，通过选择自动双极模式来配置第一rf源202和第二rf源302中的每一个。如上所述，每个模式与预定的rf波形相关联，所述预定的rf波形可以是连续的或不连续的，且基于期望的组织效果。自动双极模式rf波形可以是不连续的波形。用户还分别配置第一rf源202和第二rf源302中的每一个，以包含rf波形的功率电平和在检测到组织
接触之后用于产生rf波形的延迟。
49.在操作期间，在模式处于作用中时，第一rf源202和rf第二源302中的每一个连续地输出第一询问波形和第二询问波形。第一和第二询问波形被分离，且由传感器216和316使用以测量由器械20'和20”中的每一个接触的组织的阻抗(如果存在的话)。处理器204和304中的每一个连续地将响应于第一和第二询问波形的阻抗与预定阈值进行比较，所述预定阈值指示存在电阻负载(例如，不是开路)，所述电阻负载可以是1,000ω。在其它实施例中，可以将阻抗与指示短路的低阈值进行比较，所述低阈值可以是约10欧姆(ω)到约50ω。
50.处理器204和304利用信号处理技术和/或时分复用技术来区分同时激活的第一和第二询问波形。处理器204和304还确定第一rf源202和第二rf源302之间的交叉传导水平。询问波形载波频率使得载波频率在时间关键功率计算更新率下提供相干采样，并提供有效频率鉴别以及用于交叉传导的检测的组合。载波频率比可以在45:50的goertzel比到49:51的goertzel比之间变化，以提供用于组织接触检测的不同响应率，即区别于开路。时间级联的goertzel计算也可以用于为算法提供功率计算之间的较小时间间隔。
51.在实施例中，可以通过扫描第一rf源202和第二rf源302的频率响应并识别噪声频率来确定用于第一和第二询问波形的最佳频率。在识别噪声载波频率之后，选择较安静的频率以避免第一和第二询问波形的损坏，从而避免组织接触的错误检测。
52.在其它实施例中，第一和第二询问波形的脉冲可以在时间上间隔开，使得它们不重叠。由于第一和第二询问波形的每个脉冲的持续时间(例如，约10微秒到约1,000微秒)小于脉冲之间的关闭时间(例如，约10毫秒到约每50毫秒)，则脉冲可以与另一波形的关闭周期内的任何时隙同步，使得脉冲不会同时发生。
53.参考图8，一种监测第一rf源202和rf第二源302的输出的方法，其包含针对过电流和交叉传导的询问波形和rf双极波形。一旦处理器204和304确认器械20'和20”与组织接触，则处理器204和304向第一rf源202和/或rf第二源302发生信号以输出第一和第二双极rf波形以治疗组织，这取决于器械20'或20”中的哪一个与组织接触。因此，如果基于图7的检测方法确认器械20'或20”中的仅一个与组织接触，则仅为对应的第一rf源202或第二rf源302通电以输出双极波形，以治疗组织。第一rf源202或第二rf源302中的另一个保持在询问模式中，直到用户退出自动双极模式或检测到组织接触为止。
54.如果两个询问波形均确认组织接触，则可以同时提供第一和第二双极rf波形。在同时传输双极rf波形期间，传感器216和316测量第一和第二rf波形的特性。可以选择双极rf波形载波频率和凝结重复率，以在时间关键功率计算更新率下提供相干采样。
55.传感器216和316结合相应的控制器204和304对每个第一和第二rf波形执行宽带测量，同时检测第一rf源202与第二rf源302之间的交叉传导。
56.控制器204和304中的每一个还利用信号处理技术，即上文所描述的goertzel阵列标绘图，来鉴别同时激活的第一rf源202和第二rf源302。控制器204和304还被配置成使用信号处理鉴别技术来确定第一rf源202和第二rf源302之间的交叉传导水平(如果存在的话)。在确定交叉传导水平之后，在同时进行的双极rf操作期间，将交叉传导水平用作安全缓解器，即用作剂量误差监测器。确切地说，在通过控制器204或304中的任一个检测到交叉传导之后，控制器204和304中的每一个被配置成响应于交叉传导剂量误差而输出警告和/或关闭第一rf源202和第二rf源302两者。
57.虽然已在附图中展示和/或在本文中描述了本公开的若干实施例，但是并不旨在将本公开限于这些实施例，而旨在使本公开与本领域所允许的范围一样广泛，并且应以同样的方式阅读本说明书。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的例证。本领域的技术人员将设想在本文所附的权利要求书的范围内的其它修改。