陡脉冲肿瘤治疗仪的研制及应用

　　在正常的生理机能状况下,细胞膜能较好地阻碍离子和亲水分子的传输。但是,当施加电场强度高达数千伏每厘米,持续时间为μs~ms级的电脉冲于细胞时,细胞膜会发生构形变化,出现大量微孔,使细胞膜的电导率与通透能力激增,这种现象被称为电穿孔现象。细胞膜电穿孔的结果是细胞内外分子交换有显著的增加,有利于细胞吸收各种药物、脱氧核糖核酸(DNA)、蛋白质等大分子[1]。这项技术现在已用于恶性肿瘤的治疗即电穿孔疗法(Electroporation Therapy,EPT)[2-3]。电穿孔疗法采用电脉冲辅助化疗药物如博莱酶素(BLM)等治疗肿瘤。其治疗机理是电脉冲导致肿瘤细胞膜电穿孔,使得细胞膜的电导率和粒子渗透作用剧增从而促进化疗药物的运送,这种方法只需小剂量的药物就能高效、低毒性地杀死肿瘤细胞,大大提高了化疗药物的杀伤力。自1987年日本学者M. Okino等人首次应用电穿孔疗法以来[4],国外已经有许多人对其进行了深入的研究,有的已经应用于临床治疗。

　　电穿孔现象是可逆的,在撤去外加电场后,细胞膜又能恢复其屏障功能。若在发生电穿孔后不是撤去外加电场,而是继续增加外加场强,则会引起细胞膜微孔数量或孔径的激增,以致膜组织断裂,细胞死亡。这种现象被称为不可逆性电击穿(irreversible electricalbreakdown,IREB )[5]。电穿孔疗法不是用电脉冲直接杀死肿瘤细胞,只是起增强化疗药物疗效的辅助作用,不能从根本上避免化疗药物对身体的危害。因此,人们希望不使用化疗药物,对肿瘤组织单独施加电脉冲,利用细胞膜的不可逆性电击穿特性,直接将肿瘤细胞杀死。但迄今为止尚未见有研究成果报道。

　　为了研究陡脉冲对肿瘤细胞的不可逆性电击穿,必须研制一套稳定可靠的、精确的、能应用于肿瘤治疗实验研究的装置。本文应用现代电力电子技术和高电压新技术,研制出了一套脉冲峰值、脉冲宽度、重复频率和脉冲陡度独立可调的能量可控陡脉冲肿瘤治疗仪。实验结果表明,该治疗仪能够满足治疗恶性肿瘤实验研究的需要。

　　1　能量可控陡脉冲肿瘤治疗仪的工作原理

　　图1所示为该治疗仪的工作原理,该仪器主要由直流高压产生电路、陡脉冲的形成与整形输出电路和计算机采集测量系统三部分组成。

　　1.1　直流高压产生电路

　　由不可控全桥整流器、Buck斩波电路、控制电路和脉冲峰值调节旋钮等组成。由图1可以看出,系统采用工频220 V电源输入,经单相不可控全桥整流后变为脉动直流,并经大电容滤波后得到纹波很小的稳定直流电压。通过PWM控制电路调节Buck斩波变换电路中开关的导通时间来调节输出直流电压的幅值,从而实现对输出脉冲峰值的调节。在Buck斩波电路中,选用特制的大电感和大电容组成的LC滤波电路来减小输出直流电压的纹波。