【摘要】：研究目的:高壓陡脈沖作用于生物組織,能夠在細(xì)胞膜上產(chǎn)生納米級的不可逆電穿孔(Irreversible electroporation,IRE)效應(yīng),導(dǎo)致生物組織凋亡。應(yīng)用這項技術(shù)對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行消融,無熱沉效應(yīng),保留了腫瘤附近血管、神經(jīng)等結(jié)締組織結(jié)構(gòu)不受損傷。這一特性對不可手術(shù)的特殊部位腫瘤治療具有特殊意義。IRE技術(shù)是借助50-100微秒高壓電脈沖作用與腫瘤細(xì)胞,術(shù)中組織流過20-50A大電流,對于放電脈沖的控制要求高,研究該系統(tǒng)的控制器對于治療儀的開發(fā)具有重要意義。研究方法:1.采用DSP+CPLD控制技術(shù),設(shè)計高壓陡脈沖治療儀的控制電路。結(jié)合治療儀的臨床應(yīng)用需求,采用C語言設(shè)計控制器程序,借助CCS和Quartus等平臺,進(jìn)行仿真、調(diào)試和驗證。2.將控制器應(yīng)用于高壓陡脈沖治療儀,通過高壓探頭、電流互感器和示波器等設(shè)備,搭建測試平臺,監(jiān)控輸出脈沖的電壓、脈寬、周期等參數(shù),以測試系統(tǒng)脈沖輸出精度及邏輯功能。3.將小型豬分為實驗組和對照組,實驗組按照1500V/cm、50-100μs,70個脈沖劑量實施消融手術(shù),對照組僅進(jìn)行穿刺未實施消融手術(shù),術(shù)后對觀察動物生活狀態(tài)、血液指標(biāo),術(shù)后1天、3天7天、14天和21天,處死取樣進(jìn)行大體觀察、組織切片染色和電鏡切片,觀察細(xì)胞凋亡及細(xì)胞膜上電穿孔狀況,驗證控制器控制主機(jī)消融的有效性。研究結(jié)果:1.本系統(tǒng)實現(xiàn)了高壓陡脈沖的生成,脈沖參數(shù)靈活可調(diào),可通過上位機(jī)界面進(jìn)行脈沖的電壓、脈寬、組數(shù)等參數(shù)設(shè)置。固定負(fù)載測試表明,系統(tǒng)輸出脈沖電壓誤差為±20V,脈寬誤差為±1μs,通過反饋電路和軟件控制,實現(xiàn)過流保護(hù)報警提示功能。2.術(shù)后受試動物在觀察期內(nèi)無明顯行為異常現(xiàn)象,HE染色結(jié)果顯示,IRE消融區(qū)域邊界明顯,在第3天可見明顯的細(xì)胞凋亡現(xiàn)象,在第14天和21天可見明顯的組織纖維化和肝組織假小葉增生現(xiàn)象,且隨著術(shù)后時間推移,炎性細(xì)胞浸潤和組織水腫現(xiàn)象逐步減弱。3.TEM電鏡觀察顯示,消融區(qū)域的大血管、膽管等組織結(jié)構(gòu)保留完整,在消融區(qū)域可見巨噬細(xì)胞和凋亡小體出現(xiàn),細(xì)胞膜不完整,細(xì)胞間邊界不明顯,空泡化嚴(yán)重,細(xì)胞核固縮,有少量炎性細(xì)胞浸潤等現(xiàn)象,在觀察后期,第14天和21天時,新生細(xì)胞增多,組織空泡化逐漸減少。研究結(jié)論:本研究采用DSP+CPLD控制技術(shù),實現(xiàn)了高壓陡脈沖控制器設(shè)計。脈沖參數(shù)控制靈活,工作穩(wěn)定可靠,達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。動物實驗顯示,高壓陡脈沖控制器實現(xiàn)了對于高壓陡脈沖治療儀的精準(zhǔn)控制,術(shù)后動物無明顯異常狀況,HE染色與TEM電鏡觀察均呈現(xiàn)明顯的組織消融,且能完整保留大血管、膽管等管腔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明該控制器可以安全、有效的進(jìn)行不可逆電穿孔消融。滿足了進(jìn)入臨床驗證的要求。
【學(xué)位授予單位】：天津醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH77
【圖文】：

圖 1.高壓陡脈沖治療儀外觀.。1 為顯示屏，2 為腳踏，3 為脈沖輸出接口，4 為心電同步器，5 為電極針2017 年天津市鷹泰利安康醫(yī)療科技有限責(zé)任公司推出了高壓陡脈沖治療儀，該儀器由高壓輸出主機(jī)和輸出電極針組成。高壓輸出主機(jī)包括上位機(jī)控制端、機(jī)箱和外接腳踏組成。醫(yī)生可通過上位機(jī)界面設(shè)置電壓、脈寬、周期、脈沖數(shù)等參數(shù)，在一組脈沖放電完畢后可顯示等比例的脈沖波形。臨床治療時，通常采取經(jīng)皮穿刺的方式，在超聲或 CT 引導(dǎo)下，將電極針平行植入腫瘤組織，根據(jù)腫瘤區(qū)域大小、深度等參數(shù)，上位機(jī)控制端自動生成電場分布仿真模型，并給出治療所需電極針數(shù)、電壓幅度、暴露深度等參數(shù)。高壓陡脈沖治療儀操作簡單，是目前最安全的介入消融方法之一，在系統(tǒng)啟動時首先系統(tǒng)自動進(jìn)入自檢操作，以確保各個功能單元工作正常，之后醫(yī)生可將超聲或 CT 觀察的腫瘤數(shù)據(jù)輸入上位機(jī)，進(jìn)行電場區(qū)域仿真。根據(jù)系統(tǒng)給出最佳的電極針數(shù)量、電極針間距及脈沖參數(shù)，醫(yī)生在超聲或 CT 等成像設(shè)備的引導(dǎo)下將電極針平行植入腫瘤組織。雙腳踏用于控制脈沖釋放，減少了臨床誤操作。手

圖 2.高壓陡脈沖治療儀基本原理壓陡脈沖治療儀基本原理圖，由電源模塊 E、充電電阻 C 組成充電電路。由儲能電容 C、開關(guān) S2、作為開關(guān)的負(fù)載電阻 R2組成放電電路�；竟ぷ鬟^程是，首先使能源模塊 E 輸出預(yù)定電壓，在控制電路控制下閉合開關(guān) S1 R1為儲能電容 C 充電，在充電達(dá)到設(shè)定電壓后，使能放，斷開開關(guān) S1，閉合開關(guān) S2，根據(jù)設(shè)定參數(shù)驅(qū)動 IGBT 上生成特定的陡脈沖。實現(xiàn)原理，高壓陡脈沖治療儀的電路組成分為控制器、直電電路、IGBT 驅(qū)動電路及上位機(jī)控制端五部分。

圖 2.高壓陡脈沖治療儀基本原理圖 2 是高壓陡脈沖治療儀基本原理圖，由電源模塊 E、充電電阻 R1、開及儲能電容 C 組成充電電路。由儲能電容 C、開關(guān) S2、作為開關(guān)的分立元壓 IGBT 及負(fù)載電阻 R2組成放電電路�；竟ぷ鬟^程是，首先使能充電回高壓電路電源模塊 E 輸出預(yù)定電壓，在控制電路控制下閉合開關(guān) S1，斷開過固定電阻 R1為儲能電容 C 充電，在充電達(dá)到設(shè)定電壓后，使能放電回路閉充電回路，斷開開關(guān) S1，閉合開關(guān) S2，根據(jù)設(shè)定參數(shù)驅(qū)動 IGBT 導(dǎo)通與，即在負(fù)載上生成特定的陡脈沖。根據(jù)基本實現(xiàn)原理，高壓陡脈沖治療儀的電路組成分為控制器、直流高壓、電容充放電電路、IGBT 驅(qū)動電路及上位機(jī)控制端五部分。

【參考文獻(xiàn)】

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1 范衛(wèi)君;韓s

本文編號：2771947