【摘要】：隨著脈沖電場在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,其中以非熱效應(yīng)為代表的不可逆電穿孔組織消融技術(shù)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。不可逆電穿孔利用外施電場與細胞的耦合作用,破壞細胞膜結(jié)構(gòu),打破細胞生理平衡進而殺傷細胞。不可逆電穿孔通過電場作用殺傷細胞、消融組織,具有非熱、快捷、可控、選擇性殺傷等優(yōu)點,因而在腫瘤治療領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用,尤其針對熱療法難以消融的腫瘤,目前已經(jīng)開展了多種腫瘤消融的臨床試驗。新近提出的新型復(fù)合脈沖不可逆電穿孔消融腫瘤的方法能夠有效緩解甚至消除傳統(tǒng)不可逆電穿孔脈沖腫瘤治療過程中的肌肉收縮問題和電場分布不均導(dǎo)致的消融盲區(qū)問題,對推進不可逆電穿孔腫瘤消融腫瘤具有重要意義。然而,作為一種新型的脈沖形式,在腫瘤治療過程中仍存在一些關(guān)鍵問題亟需突破。首先,由于復(fù)合波形特征與傳統(tǒng)不可逆電穿孔脈沖的差異,使得其引起的組織介電特性變化區(qū)別于傳統(tǒng)脈沖,進而導(dǎo)致組織內(nèi)部電場分布的不同,因而復(fù)合脈沖消融腫瘤治療前脈沖參數(shù)的確定將有別于傳統(tǒng)脈沖;另一方面,脈沖電場作用誘導(dǎo)的組織消融需要一定的時間過程,目前通過醫(yī)學(xué)成像手段還難以實現(xiàn)消融效果的即刻評估,因而對最佳脈沖施加劑量的確定即何時停止治療主要依靠實踐經(jīng)驗。為了解決以上兩大難題,本文從高電壓工程和電工理論角度分析得到,對復(fù)合脈沖波形特征參數(shù)選擇的研究實際上是研究不同波形特征的脈沖電場作用下組織介電性能變化與內(nèi)部電場分布相互耦合作用的動態(tài)過程。其次,脈沖電場作用后的療效實時評估實際上是對脈沖電場作用后組織狀態(tài)的評估,因此對于脈沖電場處理后不可逆電穿孔消融療效的即刻評估即可轉(zhuǎn)換為對組織介電性能狀態(tài)的評估。綜合以上分析,本文將重點研究復(fù)合脈沖作用下組織介電性能的變化機制,借此研究不可逆電穿孔的動態(tài)發(fā)展過程,指導(dǎo)復(fù)合脈沖治療參數(shù)的選擇;另一方面,利用脈沖電場引起的組織介電性能變化,為組織消融效果的實時評估提供依據(jù),從而有效解決以上兩大難題。為此,本論文在重慶市杰出青年基金項目(批準號:cstc2014jcyjjq90001)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項項目(批準號:106112015CDJZR158804)和重慶市重點產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(批準號:cstc2015zdcy-ztzxX0003)的支持下,深入研究了復(fù)合脈沖作用下生物組織介電性能的變化機制、組織阻抗信息變化與消融效果間的內(nèi)在聯(lián)系等關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題,最終開展了復(fù)合脈沖不可逆電穿孔消融人體前列腺腫瘤國內(nèi)外首批臨床研究。取得的成果主要有:(1)通過實驗與仿真相結(jié)合的手段,研究了復(fù)合脈沖波形特征參數(shù)對細胞殺傷效果的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)單個脈沖寬度大于細胞膜充電時間常數(shù)時,相同脈沖寬度下,脈沖串內(nèi)占空比對復(fù)合脈沖殺傷效果影響不大,對于脈寬小于細胞膜充電時間常數(shù)的雙極性復(fù)合脈沖,正負脈沖間隔時間越大,引起的電穿孔效果越好。通過研究脈沖電場誘導(dǎo)的組織介電響應(yīng)發(fā)現(xiàn),相同脈沖劑量下,脈沖寬度越寬,引起的組織介電性能變化越明顯。同時,脈沖電場作用后,組織直流電導(dǎo)率變化最明顯且具有規(guī)律性,成為后續(xù)研究電穿孔動態(tài)過程的關(guān)鍵指標。(2)以新西蘭大白兔肝臟組織為研究對象,建立了復(fù)合脈沖作用下肝臟組織電導(dǎo)率的動態(tài)變化模型,并基于該模型計算消融范圍,發(fā)現(xiàn)其與實際消融范圍能夠較好吻合;構(gòu)建了多脈沖作用下組織電導(dǎo)率隨電場強度和脈沖數(shù)目變化的多尺度模型,解釋了現(xiàn)有不可逆電穿孔組織消融中的有關(guān)實驗現(xiàn)象;建立了脈沖間隔期間內(nèi)組織電導(dǎo)率恢復(fù)模型,并據(jù)此計算得到電導(dǎo)率恢復(fù)的最終穩(wěn)定值,該參數(shù)是反映脈沖處理后組織狀態(tài)評估的關(guān)鍵參量。(3)基于脈沖電場作用對組織電導(dǎo)率變化的影響,選用便于直接測量并與電導(dǎo)率變化直接相關(guān)的組織阻抗譜變化反映不可逆電穿孔消融療效。直接采用處理電極測量脈沖作用前后組織阻抗譜,發(fā)現(xiàn)其具有明顯變化,通過等效電路轉(zhuǎn)換量化阻抗變化譜發(fā)現(xiàn),復(fù)合脈沖引起的阻抗相對變化不及傳統(tǒng)脈沖,并且阻抗相對變化與消融面積具有函數(shù)關(guān)系。不同數(shù)目的復(fù)合脈沖電場消融肝臟組織實驗研究發(fā)現(xiàn),隨著脈沖劑量的增加,消融范圍逐步擴大,僅采用處理電極測量得到的阻抗譜變化會逐步飽和,因此當(dāng)消融范圍較大時,需要尋求新的消融范圍評估方式。(4)結(jié)合不可逆電穿孔實際應(yīng)用時采用多電極的情況,提出采用不同電極對測量阻抗譜的方式從多個方向評估消融區(qū)域的發(fā)展情況,避免僅采用處理電極測量阻抗變化出現(xiàn)飽和的現(xiàn)象。仿真分析了不同電極數(shù)目與布置下阻抗靈敏度分布,得到最優(yōu)的阻抗測量方式使得其能夠反映電導(dǎo)率變化的有效范圍最大,同時測量次數(shù)最少。根據(jù)不同電極對測量的結(jié)果,建立阻抗變化程度與消融邊界在各個方向上位置點之間的聯(lián)系,實現(xiàn)了根據(jù)阻抗譜的變化評估脈沖電場不可逆電穿孔的消融范圍,并在復(fù)合脈沖消融動物肝臟組織平臺上得到進一步驗證。借助組織灌注平臺,研究了多針循環(huán)施加處理脈沖得到的阻抗譜變化與消融范圍之間的聯(lián)系,驗證了阻抗靈敏度分析得到的最佳阻抗測量方式的可行性,表明多電極對測量得到的阻抗相對變化能夠反映多針循環(huán)治療效果。(5)根據(jù)患者CT影像資料,建立了真實組織與腫瘤的三維模型,仿真計算了復(fù)合脈沖作用下組織內(nèi)部電、熱場分布,分析電場、熱場分布對正常組織以及周邊血管的影響。開展了國內(nèi)外首次復(fù)合脈沖不可逆電穿孔消融人體前列腺腫瘤的臨床試驗,結(jié)果表明,復(fù)合脈沖電場能夠安全有效地消融前列腺腫瘤。研究中測量了一位患者在脈沖處理前后阻抗譜的變化情況,發(fā)現(xiàn)脈沖處理后腫瘤組織等效細胞外液電阻值分散性減小,同時阻抗相對變化程度與核磁共振觀測得到的消融范圍相關(guān),阻抗變化程度越大,對應(yīng)電極針周邊消融范圍越大。綜上所述,本論文研究了復(fù)合脈沖特征參數(shù)對細胞殺傷效率及組織介電響應(yīng)的影響,根據(jù)組織介電參數(shù)在脈沖作用下的變化規(guī)律,研究了復(fù)合脈沖作用于生物組織誘導(dǎo)的不可逆電穿孔動態(tài)過程,同時分析了多脈沖作用下組織電導(dǎo)率的累積發(fā)展以及脈沖間隔期間的恢復(fù)過程,揭示了脈沖電場作用下的電穿孔動態(tài)發(fā)展機制;在對脈沖電場作用引起的組織介電參數(shù)動態(tài)變化規(guī)律理解的基礎(chǔ)上,分別研究了兩針及多針條件下脈沖電場作用引起的組織阻抗譜變化與消融范圍之間的聯(lián)系,并建立數(shù)學(xué)模型用于根據(jù)阻抗譜相對變化預(yù)測消融范圍;建立了患者實際腫瘤模型,仿真分析了復(fù)合脈沖作用下組織內(nèi)部的的電-熱耦合場分布;最后開展了國內(nèi)外首批復(fù)合脈沖消融前列腺腫瘤的臨床試驗,論證了新型復(fù)合脈沖消融腫瘤臨床應(yīng)用的安全性與有效性。以上基礎(chǔ)理論研究與臨床應(yīng)用研究為進一步深入探究復(fù)合脈沖不可逆電穿孔機制和推廣復(fù)合脈沖消融其他腫瘤的臨床應(yīng)用提供了必要的理論基礎(chǔ)和寶貴的臨床研究經(jīng)驗
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN78;R730.5
【圖文】：

孔療效評估方法，并結(jié)合臨床實際進行了系統(tǒng)研應(yīng)用，并將以上理論初步應(yīng)用于臨床治療中，為床應(yīng)用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)穿孔技術(shù)研究現(xiàn)狀技術(shù)的發(fā)展，細胞外陽離子濃度大于細胞內(nèi)陽離子濃度，形數(shù)細胞正常情況下靜息跨膜電位呈現(xiàn)內(nèi)負外正的分外加電場強度作用下，細胞膜跨膜電位上升到某破壞引起細胞膜的通透性急劇升高，使得正常條子能夠輕松通過細胞膜，類似于細胞表面形成納胞膜電穿孔。從高電壓角度分析，帶電粒子流通類似于絕緣介質(zhì)擊穿，因此也稱這種現(xiàn)象為細胞

自由進出細胞，破壞細胞原有的內(nèi)負外正的靜息電位分布。在脈沖幅值和脈沖寬度一樣的條件下，即使脈沖占空比不同，細胞膜上不同位置處能夠達到的最大孔密度相同。說明孔密度主要由脈沖幅值和脈沖寬度決定，并且從細胞膜上靠近電極的位置（A 點）到細胞極點（G 點），孔密度逐步減小，極點位置處由于未發(fā)生電穿孔，因此孔密度基本維持初始值�，F(xiàn)有的細胞實驗發(fā)現(xiàn)，細胞電穿孔后熒光在靠近電極的兩側(cè)表達最強[110]，說明熒光分子主要集中在孔密度較大的位置進入細胞。如圖 2.5 所示，在脈沖占空比為 20%時，由于脈沖間隔時間較長，細胞有一定的時間恢復(fù)。根據(jù) Schoenbach 等的研究發(fā)現(xiàn)孔的恢復(fù)在十微秒的數(shù)量級[113]，因此細胞膜穿孔已經(jīng)有所恢復(fù)。對于孔恢復(fù)的時間，不同的研究之間差異較大，也有將孔分為長壽命孔與短壽命孔的研究，發(fā)現(xiàn)不同的孔的恢復(fù)時間不一致[114]。從本研究的仿真中看，20%的占空比細胞有相對較長的時間進行恢復(fù)，沒有體現(xiàn)出明顯的累積效應(yīng)。然而，對于占空比為 50%和 80%的復(fù)合脈沖，其累積效應(yīng)較為明顯，孔徑基本呈現(xiàn)出單調(diào)增長的趨勢。

圖 2.6 第 1 個 5μs 脈沖作用下跨膜電位發(fā)展情況evelopment of the transmembrane potential caused by th為不同占空比的復(fù)合脈沖電場作用下，細胞電化規(guī)律。結(jié)合以上孔徑發(fā)展曲線以及孔徑分布徑在脈沖撤去后能夠恢復(fù)，但是隨著脈沖數(shù)目然而在占空比為 50%和 80%時，孔徑基本呈現(xiàn)間歇時間內(nèi)，僅有小幅的恢復(fù)，隨后便單調(diào)代表實際細胞穿孔的微孔大小，僅定性的表

【參考文獻】

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1 安東均;鄭曉燕;張成;;358例肝腫瘤微波消融并發(fā)癥的臨床分析[J];肝膽外科雜志;2015年01期

2 王連渠;卜宏民;閆擁軍;徐國良;焦志靈;;兩種徑路腹腔鏡行腎上腺腫瘤手術(shù)的體會(附62例報告)[J];現(xiàn)代泌尿生殖腫瘤雜志;2015年01期

3 姚陳果;趙亞軍;李成祥;米彥;廖瑞金;;不可逆電穿孔微創(chuàng)消融腫瘤技術(shù)的研究進展[J];高電壓技術(shù);2014年12期

4 蘇海兵;鄒建中;王智彪;;高強度聚焦超聲腫瘤治療技術(shù)原理[J];中華肝膽外科雜志;2011年03期

5 李成祥;姚陳果;米彥;熊正愛;;物理消融腫瘤的研究進展[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2009年05期

6 張積仁;;氬氦刀冷凍消融治療腫瘤[J];中國腫瘤;2007年05期

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2 李成祥;不可逆電穿孔治療腫瘤的作用機理及臨床應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];重慶大學(xué);2011年

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本文編號：2763834