复合脉冲消融肿瘤致组织介电与阻抗特性动态变化机理及实验研究

发布时间：2020-07-20 19:10

【摘要】：随着脉冲电场在生物医学领域的广泛应用,其中以非热效应为代表的不可逆电穿孔组织消融技术引起了学者们的广泛关注。不可逆电穿孔利用外施电场与细胞的耦合作用,破坏细胞膜结构,打破细胞生理平衡进而杀伤细胞。不可逆电穿孔通过电场作用杀伤细胞、消融组织,具有非热、快捷、可控、选择性杀伤等优点,因而在肿瘤治疗领域有了广泛应用,尤其针对热疗法难以消融的肿瘤,目前已经开展了多种肿瘤消融的临床试验。新近提出的新型复合脉冲不可逆电穿孔消融肿瘤的方法能够有效缓解甚至消除传统不可逆电穿孔脉冲肿瘤治疗过程中的肌肉收缩问题和电场分布不均导致的消融盲区问题,对推进不可逆电穿孔肿瘤消融肿瘤具有重要意义。然而,作为一种新型的脉冲形式,在肿瘤治疗过程中仍存在一些关键问题亟需突破。首先,由于复合波形特征与传统不可逆电穿孔脉冲的差异,使得其引起的组织介电特性变化区别于传统脉冲,进而导致组织内部电场分布的不同,因而复合脉冲消融肿瘤治疗前脉冲参数的确定将有别于传统脉冲;另一方面,脉冲电场作用诱导的组织消融需要一定的时间过程,目前通过医学成像手段还难以实现消融效果的即刻评估,因而对最佳脉冲施加剂量的确定即何时停止治疗主要依靠实践经验。为了解决以上两大难题,本文从高电压工程和电工理论角度分析得到,对复合脉冲波形特征参数选择的研究实际上是研究不同波形特征的脉冲电场作用下组织介电性能变化与内部电场分布相互耦合作用的动态过程。其次,脉冲电场作用后的疗效实时评估实际上是对脉冲电场作用后组织状态的评估,因此对于脉冲电场处理后不可逆电穿孔消融疗效的即刻评估即可转换为对组织介电性能状态的评估。综合以上分析,本文将重点研究复合脉冲作用下组织介电性能的变化机制,借此研究不可逆电穿孔的动态发展过程,指导复合脉冲治疗参数的选择;另一方面,利用脉冲电场引起的组织介电性能变化,为组织消融效果的实时评估提供依据,从而有效解决以上两大难题。为此,本论文在重庆市杰出青年基金项目(批准号:cstc2014jcyjjq90001)、中央高校基本科研业务费专项项目(批准号:106112015CDJZR158804)和重庆市重点产业共性关键技术创新专项(批准号:cstc2015zdcy-ztzxX0003)的支持下,深入研究了复合脉冲作用下生物组织介电性能的变化机制、组织阻抗信息变化与消融效果间的内在联系等关键基础科学问题,最终开展了复合脉冲不可逆电穿孔消融人体前列腺肿瘤国内外首批临床研究。取得的成果主要有:(1)通过实验与仿真相结合的手段,研究了复合脉冲波形特征参数对细胞杀伤效果的影响,发现当单个脉冲宽度大于细胞膜充电时间常数时,相同脉冲宽度下,脉冲串内占空比对复合脉冲杀伤效果影响不大,对于脉宽小于细胞膜充电时间常数的双极性复合脉冲,正负脉冲间隔时间越大,引起的电穿孔效果越好。通过研究脉冲电场诱导的组织介电响应发现,相同脉冲剂量下,脉冲宽度越宽,引起的组织介电性能变化越明显。同时,脉冲电场作用后,组织直流电导率变化最明显且具有规律性,成为后续研究电穿孔动态过程的关键指标。(2)以新西兰大白兔肝脏组织为研究对象,建立了复合脉冲作用下肝脏组织电导率的动态变化模型,并基于该模型计算消融范围,发现其与实际消融范围能够较好吻合;构建了多脉冲作用下组织电导率随电场强度和脉冲数目变化的多尺度模型,解释了现有不可逆电穿孔组织消融中的有关实验现象;建立了脉冲间隔期间内组织电导率恢复模型,并据此计算得到电导率恢复的最终稳定值,该参数是反映脉冲处理后组织状态评估的关键参量。(3)基于脉冲电场作用对组织电导率变化的影响,选用便于直接测量并与电导率变化直接相关的组织阻抗谱变化反映不可逆电穿孔消融疗效。直接采用处理电极测量脉冲作用前后组织阻抗谱,发现其具有明显变化,通过等效电路转换量化阻抗变化谱发现,复合脉冲引起的阻抗相对变化不及传统脉冲,并且阻抗相对变化与消融面积具有函数关系。不同数目的复合脉冲电场消融肝脏组织实验研究发现,随着脉冲剂量的增加,消融范围逐步扩大,仅采用处理电极测量得到的阻抗谱变化会逐步饱和,因此当消融范围较大时,需要寻求新的消融范围评估方式。(4)结合不可逆电穿孔实际应用时采用多电极的情况,提出采用不同电极对测量阻抗谱的方式从多个方向评估消融区域的发展情况,避免仅采用处理电极测量阻抗变化出现饱和的现象。仿真分析了不同电极数目与布置下阻抗灵敏度分布,得到最优的阻抗测量方式使得其能够反映电导率变化的有效范围最大,同时测量次数最少。根据不同电极对测量的结果,建立阻抗变化程度与消融边界在各个方向上位置点之间的联系,实现了根据阻抗谱的变化评估脉冲电场不可逆电穿孔的消融范围,并在复合脉冲消融动物肝脏组织平台上得到进一步验证。借助组织灌注平台,研究了多针循环施加处理脉冲得到的阻抗谱变化与消融范围之间的联系,验证了阻抗灵敏度分析得到的最佳阻抗测量方式的可行性,表明多电极对测量得到的阻抗相对变化能够反映多针循环治疗效果。(5)根据患者CT影像资料,建立了真实组织与肿瘤的三维模型,仿真计算了复合脉冲作用下组织内部电、热场分布,分析电场、热场分布对正常组织以及周边血管的影响。开展了国内外首次复合脉冲不可逆电穿孔消融人体前列腺肿瘤的临床试验,结果表明,复合脉冲电场能够安全有效地消融前列腺肿瘤。研究中测量了一位患者在脉冲处理前后阻抗谱的变化情况,发现脉冲处理后肿瘤组织等效细胞外液电阻值分散性减小,同时阻抗相对变化程度与核磁共振观测得到的消融范围相关,阻抗变化程度越大,对应电极针周边消融范围越大。综上所述,本论文研究了复合脉冲特征参数对细胞杀伤效率及组织介电响应的影响,根据组织介电参数在脉冲作用下的变化规律,研究了复合脉冲作用于生物组织诱导的不可逆电穿孔动态过程,同时分析了多脉冲作用下组织电导率的累积发展以及脉冲间隔期间的恢复过程,揭示了脉冲电场作用下的电穿孔动态发展机制;在对脉冲电场作用引起的组织介电参数动态变化规律理解的基础上,分别研究了两针及多针条件下脉冲电场作用引起的组织阻抗谱变化与消融范围之间的联系,并建立数学模型用于根据阻抗谱相对变化预测消融范围;建立了患者实际肿瘤模型,仿真分析了复合脉冲作用下组织内部的的电-热耦合场分布;最后开展了国内外首批复合脉冲消融前列腺肿瘤的临床试验,论证了新型复合脉冲消融肿瘤临床应用的安全性与有效性。以上基础理论研究与临床应用研究为进一步深入探究复合脉冲不可逆电穿孔机制和推广复合脉冲消融其他肿瘤的临床应用提供了必要的理论基础和宝贵的临床研究经验
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN78;R730.5
【图文】：

静息电位,细胞

孔疗效评估方法，并结合临床实际进行了系统研应用，并将以上理论初步应用于临床治疗中，为床应用奠定了坚实的理论基础，具有重要的学术穿孔技术研究现状技术的发展，细胞外阳离子浓度大于细胞内阳离子浓度，形数细胞正常情况下静息跨膜电位呈现内负外正的分外加电场强度作用下，细胞膜跨膜电位上升到某破坏引起细胞膜的通透性急剧升高，使得正常条子能够轻松通过细胞膜，类似于细胞表面形成纳胞膜电穿孔。从高电压角度分析，带电粒子流通类似于绝缘介质击穿，因此也称这种现象为细胞

细胞电穿孔,复合脉冲,占空比,孔密度

自由进出细胞，破坏细胞原有的内负外正的静息电位分布。在脉冲幅值和脉冲宽度一样的条件下，即使脉冲占空比不同，细胞膜上不同位置处能够达到的最大孔密度相同。说明孔密度主要由脉冲幅值和脉冲宽度决定，并且从细胞膜上靠近电极的位置（A 点）到细胞极点（G 点），孔密度逐步减小，极点位置处由于未发生电穿孔，因此孔密度基本维持初始值。现有的细胞实验发现，细胞电穿孔后荧光在靠近电极的两侧表达最强[110]，说明荧光分子主要集中在孔密度较大的位置进入细胞。如图 2.5 所示，在脉冲占空比为 20%时，由于脉冲间隔时间较长，细胞有一定的时间恢复。根据 Schoenbach 等的研究发现孔的恢复在十微秒的数量级[113]，因此细胞膜穿孔已经有所恢复。对于孔恢复的时间，不同的研究之间差异较大，也有将孔分为长寿命孔与短寿命孔的研究，发现不同的孔的恢复时间不一致[114]。从本研究的仿真中看，20%的占空比细胞有相对较长的时间进行恢复，没有体现出明显的累积效应。然而，对于占空比为 50%和 80%的复合脉冲，其累积效应较为明显，孔径基本呈现出单调增长的趋势。

孔径分布,跨膜电位,脉冲作用,占空比

图 2.6 第 1 个 5μs 脉冲作用下跨膜电位发展情况evelopment of the transmembrane potential caused by th为不同占空比的复合脉冲电场作用下，细胞电化规律。结合以上孔径发展曲线以及孔径分布径在脉冲撤去后能够恢复，但是随着脉冲数目然而在占空比为 50%和 80%时，孔径基本呈现间歇时间内，仅有小幅的恢复，随后便单调代表实际细胞穿孔的微孔大小，仅定性的表

【参考文献】