高頻雙極性微秒脈沖電場不可逆電穿孔消融腫瘤的實(shí)驗(yàn)與機(jī)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(diǎn)，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(dú)特的優(yōu)勢：快捷、可控、可視、選擇性和非熱機(jī)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(jìn)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(diǎn)問題亟待突破。首先，由于生物組織中包含多種細(xì)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(jì)算結(jié)果差異較大，從而導(dǎo)致脈沖電場消融腫瘤時(shí)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(huì)引發(fā)動(dòng)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(dá)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(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：cstc2014jcyjjq90001)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：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(jī)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(xì)胞電穿孔的生物電效應(yīng)作用機(jī)理。通過仿真研究發(fā)現(xiàn)高頻化脈沖作用下細(xì)胞及組織中的電場分布更加均勻，且可以使動(dòng)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(qiáng)度。建立了單細(xì)胞五層介電有限元模型，仿真分析雙極性微秒脈沖下細(xì)胞電穿孔動(dòng)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(xì)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(kuò)大且電導(dǎo)率激增；孔徑、穿孔區(qū)域隨場強(qiáng)升高不斷擴(kuò)大，在相同場強(qiáng)及高電平

5、時(shí)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(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)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(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)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(jī)根據(jù)國家醫(yī)療器械檢驗(yàn)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(yàn)中心的注冊檢驗(yàn)

6、，測試內(nèi)容包括電氣安全、電氣性能及電磁兼容等項(xiàng)目。
　?、垡匀寺殉舶┘?xì)胞為研究對象，研究高頻雙極性微秒脈沖電場殺傷腫瘤細(xì)胞的機(jī)理。通過DiI染色單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，研究了脈沖參數(shù)對細(xì)胞膜電穿孔程度的作用效果，結(jié)合CCK-8染色實(shí)驗(yàn)，研究了高頻雙極性微秒脈沖致使細(xì)胞壞死的機(jī)制是誘導(dǎo)細(xì)胞膜發(fā)生了不可逆電穿孔。通過流式細(xì)胞儀分析和細(xì)胞核形狀變化檢測得出高頻雙極性微秒脈沖作用下，細(xì)胞存在凋亡現(xiàn)象，且隨著子脈沖寬度的增加，細(xì)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(jìn)行檢測，確定了腫瘤細(xì)胞凋亡的內(nèi)源性信號(hào)通路機(jī)制。
　?、荛_展了高頻雙極性微秒脈沖電場消融組織的實(shí)驗(yàn)，并研究了其均勻電場機(jī)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(shí)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(jìn)行兔肝臟組織在體消融實(shí)驗(yàn)，結(jié)合電場仿真及模型計(jì)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(jī)理，確定肝臟組織消融閾值場強(qiáng)。
　?、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(dòng)物肌肉收縮規(guī)律的影響進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明絕緣電極針可保證組織消融效果并進(jìn)一步降低肌肉收縮的強(qiáng)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(jìn)行研究，分析這種新型脈沖誘導(dǎo)細(xì)胞膜發(fā)生電穿孔的機(jī)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(shí)驗(yàn)及臨床腫瘤消融的高頻雙極性微秒脈沖電場治療樣機(jī)的研制工作，并通過上海醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的注冊檢驗(yàn)；以離體腫瘤細(xì)胞為對象，揭示高頻雙極性微秒脈沖誘導(dǎo)細(xì)胞壞死及細(xì)胞凋亡的機(jī)理；通過對兔肝臟組織活體消融實(shí)驗(yàn)研究了高頻雙