高頻雙極性微秒脈沖電場不可逆電穿孔消融腫瘤的實驗與機理研究.pdf

1、近年來，脈沖電場在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為科學(xué)家們研究的熱點，其中不可逆電穿孔作為一種新型的非熱消融腫瘤的方式已經(jīng)在臨床中得到應(yīng)用，并取得了較好的療效。不可逆電穿孔技術(shù)相對于傳統(tǒng)的腫瘤治療方式，具有獨特的優(yōu)勢：快捷、可控、可視、選擇性和非熱機理，可用于鄰近血管、神經(jīng)等重要器官和組織的腫瘤治療。因此對于開展不可逆電穿孔技術(shù)的研究及臨床推進對于腫瘤的治療和保障人民的生命健康具有重要的意義。
　　然而，臨床應(yīng)用和研究表明不可逆電穿孔消

2、融腫瘤的技術(shù)仍存在一些難點問題亟待突破。首先，由于生物組織中包含多種細胞且具有各向異性的特征，使得電場在組織中分布是不均勻的，與理想電場仿真計算結(jié)果差異較大，從而導(dǎo)致脈沖電場消融腫瘤時存在一定的殘留，引起腫瘤復(fù)發(fā)；其次，由于脈沖電場的刺激，肌肉和神經(jīng)會引發(fā)動作電位，從而導(dǎo)致肌肉收縮現(xiàn)象，在臨床治療中增加了病人的痛苦，并容易引起電極針移位，導(dǎo)致消融區(qū)域不能精確控制。為了解決上述難題，本論文提出了一種新型的脈沖電場——高頻雙極性微秒脈沖電場

3、，用于腫瘤消融，并達到均勻組織電場分布和抑制肌肉收縮的目的。為此，本論文在重慶市杰出青年基金項目(批準(zhǔn)號：cstc2014jcyjjq90001)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項項目(批準(zhǔn)號：106112015CDJZR158804)的支持下，深入研究了高頻雙極性微秒脈沖消融腫瘤、均勻電場分布和抑制肌肉收縮的規(guī)律與機理等關(guān)鍵技術(shù)。取得的成果主要有：
　?、偬岢隽烁哳l雙極性微秒脈沖電場用于解決不可逆電穿孔臨床應(yīng)用中的電場分布不均和肌肉收

4、縮問題的新方法，并揭示了其誘導(dǎo)細胞電穿孔的生物電效應(yīng)作用機理。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)高頻化脈沖作用下細胞及組織中的電場分布更加均勻，且可以使動作電位發(fā)放的電流密度閾值大幅度提升，從而降低肌肉收縮強度。建立了單細胞五層介電有限元模型，仿真分析雙極性微秒脈沖下細胞電穿孔動態(tài)變化過程及參數(shù)效應(yīng)。仿真結(jié)果表明，雙極性脈沖電場作用下細胞膜的跨膜電位迅速上升并超過閾值電位，穿孔區(qū)域逐漸擴大且電導(dǎo)率激增；孔徑、穿孔區(qū)域隨場強升高不斷擴大，在相同場強及高電平

5、時間下，孔徑與脈沖寬度呈正比例關(guān)系。
　?、诨陔娏﹄娮蛹夹g(shù)，對 Marx經(jīng)典脈沖發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計了高頻雙極性脈沖發(fā)生器，結(jié)合 FPGA程控技術(shù)，最終研制出一套高頻雙極性微秒脈沖電場消融腫瘤臨床試驗樣機，該樣機輸出的脈沖串內(nèi)子脈沖寬度0.2~100μs、幅值±3 kV，重復(fù)頻率0.1~10 Hz，單脈沖上升沿<30 ns。樣機根據(jù)國家醫(yī)療器械檢驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過了國家食品藥品監(jiān)督管理局上海醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的注冊檢驗

6、，測試內(nèi)容包括電氣安全、電氣性能及電磁兼容等項目。
　　③以人卵巢癌細胞為研究對象，研究高頻雙極性微秒脈沖電場殺傷腫瘤細胞的機理。通過DiI染色單細胞實驗，研究了脈沖參數(shù)對細胞膜電穿孔程度的作用效果，結(jié)合CCK-8染色實驗，研究了高頻雙極性微秒脈沖致使細胞壞死的機制是誘導(dǎo)細胞膜發(fā)生了不可逆電穿孔。通過流式細胞儀分析和細胞核形狀變化檢測得出高頻雙極性微秒脈沖作用下，細胞存在凋亡現(xiàn)象，且隨著子脈沖寬度的增加，細胞凋亡比例逐漸增加。對線

7、粒體膜電位和免疫組化凋亡蛋白進行檢測，確定了腫瘤細胞凋亡的內(nèi)源性信號通路機制。
　?、荛_展了高頻雙極性微秒脈沖電場消融組織的實驗，并研究了其均勻電場機理及消融療效。首先通過對馬鈴薯塊莖組織施加不同參數(shù)的高頻雙極性脈沖電場，研究了組織消融時的電阻變化與消融療效之間的關(guān)系，得出組織電阻變化可作為判斷療效的依據(jù)。然后，分別采用平板電極及針電極進行兔肝臟組織在體消融實驗，結(jié)合電場仿真及模型計算，優(yōu)化選擇了子脈沖寬度并揭示高頻雙極性微秒脈沖

8、均勻電場分布機理，確定肝臟組織消融閾值場強。
　?、輰Ω哳l雙極性微秒脈沖電場參數(shù)與電極結(jié)構(gòu)對活體動物肌肉收縮規(guī)律的影響進行了研究。根據(jù)平板電極及針電極對肌肉收縮及電場分布的影響規(guī)律，表明了肌肉收縮與脈沖形式和電極結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，繼而研制了適用于體內(nèi)腫瘤消融的微創(chuàng)絕緣電極針，并進行了高頻雙極性微秒脈沖電場作用下肝臟組織在體消融實驗，結(jié)果表明絕緣電極針可保證組織消融效果并進一步降低肌肉收縮的強度。
　　綜上所述，本論文提出了高頻

9、雙極性微秒脈沖電場消融腫瘤的新技術(shù)，并對高頻雙極性微秒脈沖電場均勻組織中電場分布及抑制肌肉收縮的原理進行研究，分析這種新型脈沖誘導(dǎo)細胞膜發(fā)生電穿孔的機理；基于全固態(tài)脈沖發(fā)生器技術(shù)和電力電子開關(guān)技術(shù)，開展了適用于生物醫(yī)學(xué)實驗及臨床腫瘤消融的高頻雙極性微秒脈沖電場治療樣機的研制工作，并通過上海醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的注冊檢驗；以離體腫瘤細胞為對象，揭示高頻雙極性微秒脈沖誘導(dǎo)細胞壞死及細胞凋亡的機理；通過對兔肝臟組織活體消融實驗研究了高頻雙