近年来,脉冲电场在生物医学领域的应用逐渐成为科学家们研究的热点,其中不可逆电穿孔作为一种新型的非热消融肿瘤的方式已经在临床中得到应用,并取得了较好的疗效。不可逆电穿孔技术相对于传统的肿瘤治疗方式,具有独特的优势:快捷、可控、可视、选择性和非热机理,可用于邻近血管、神经等重要器官和组织的肿瘤治疗。因此对于开展不可逆电穿孔技术的研究及临床推进对于肿瘤的治疗和保障人民的生命健康具有重要的意义。然而,临床应用和研究表明不可逆电穿孔消融肿瘤的技术仍存在一些难点问题亟待突破。首先,由于生物组织中包含多种细胞且具有各向异性的特征,使得电场在组织中分布是不均匀的,与理想电场仿真计算结果差异较大,从而导致脉冲电场消融肿瘤时存在一定的残留,引起肿瘤复发;其次,由于脉冲电场的刺激,肌肉和神经会引发动作电位,从而导致肌肉收缩现象,在临床治疗中增加了病人的痛苦,并容易引起电极针移位,导致消融区域不能精确控制。为了解决上述难题,本论文提出了一种新型的脉冲电场——高频双极性微秒脉冲电场,用于肿瘤消融,并达到均匀组织电场分布和抑制肌肉收缩的目的。为此,本论文在重庆市杰出青年基金项目(批准号:cstc2014jcyjjq90001)和中央高校基本科研业务费专项项目(批准号:106112015CDJZR158804)的支持下,深入研究了高频双极性微秒脉冲消融肿瘤、均匀电场分布和抑制肌肉收缩的规律与机理等关键技术。取得的成果主要有:(1)提出了高频双极性微秒脉冲电场用于解决不可逆电穿孔临床应用中的电场分布不均和肌肉收缩问题的新方法,并揭示了其诱导细胞电穿孔的生物电效应作用机理。通过仿真研究发现高频化脉冲作用下细胞及组织中的电场分布更加均匀,且可以使动作电位发放的电流密度阈值大幅度提升,从而降低肌肉收缩强度。建立了单细胞五层介电有限元模型,仿真分析双极性微秒脉冲下细胞电穿孔动态变化过程及参数效应。仿真结果表明,双极性脉冲电场作用下细胞膜的跨膜电位迅速上升并超过阈值电位,穿孔区域逐渐扩大且电导率激增;孔径、穿孔区域随场强升高不断扩大,在相同场强及高电平时间下,孔径与脉冲宽度呈正比例关系。(2)基于电力电子技术,对Marx经典脉冲发生器拓扑结构进行改进设计了高频双极性脉冲发生器,结合FPGA程控技术,最终研制出一套高频双极性微秒脉冲电场消融肿瘤临床试验样机,该样机输出的脉冲串内子脉冲宽度0.2~100μs、幅值±3 kV,重复频率0.1~10 Hz,单脉冲上升沿<30 ns。样机根据国家医疗器械检验相关标准,通过了国家食品药品监督管理局上海医疗器械质量监督检验中心的注册检验,测试内容包括电气安全、电气性能及电磁兼容等项目。(3)以人卵巢癌细胞为研究对象,研究高频双极性微秒脉冲电场杀伤肿瘤细胞的机理。通过DiI染色单细胞实验,研究了脉冲参数对细胞膜电穿孔程度的作用效果,结合CCK-8染色实验,研究了高频双极性微秒脉冲致使细胞坏死的机制是诱导细胞膜发生了不可逆电穿孔。通过流式细胞仪分析和细胞核形状变化检测得出高频双极性微秒脉冲作用下,细胞存在凋亡现象,且随着子脉冲宽度的增加,细胞凋亡比例逐渐增加。对线粒体膜电位和免疫组化凋亡蛋白进行检测,确定了肿瘤细胞凋亡的内源性信号通路机制。(4)开展了高频双极性微秒脉冲电场消融组织的实验,并研究了其均匀电场机理及消融疗效。首先通过对马铃薯块茎组织施加不同参数的高频双极性脉冲电场,研究了组织消融时的电阻变化与消融疗效之间的关系,得出组织电阻变化可作为判断疗效的依据。然后,分别采用平板电极及针电极进行兔肝脏组织在体消融实验,结合电场仿真及模型计算,优化选择了子脉冲宽度并揭示高频双极性微秒脉冲均匀电场分布机理,确定肝脏组织消融阈值场强。(5)对高频双极性微秒脉冲电场参数与电极结构对活体动物肌肉收缩规律的影响进行了研究。根据平板电极及针电极对肌肉收缩及电场分布的影响规律,表明了肌肉收缩与脉冲形式和电极结构有密切关系,继而研制了适用于体内肿瘤消融的微创绝缘电极针,并进行了高频双极性微秒脉冲电场作用下肝脏组织在体消融实验,结果表明绝缘电极针可保证组织消融效果并进一步降低肌肉收缩的强度。综上所述,本论文提出了高频双极性微秒脉冲电场消融肿瘤的新技术,并对高频双极性微秒脉冲电场均匀组织中电场分布及抑制肌肉收缩的原理进行研究,分析这种新型脉冲诱导细胞膜发生电穿孔的机理;基于全固态脉冲发生器技术和电力电子开关技术,开展了适用于生物医学实验及临床肿瘤消融的高频双极性微秒脉冲电场治疗样机的研制工作,并通过上海医疗器械质量监督检验中心的注册检验;以离体肿瘤细胞为对象,揭示高频双极性微秒脉冲诱导细胞坏死及细胞凋亡的机理;通过对兔肝脏组织活体消融实验研究了高频双极性微秒脉冲均匀电场分布的机理及消融阈值场强;对比不同参数的高频双极性微秒脉冲及不同结构的电极引起肌肉收缩强度规律,研制了新型绝缘电极针用于微创消融体内组织,结合高频双极性微秒脉冲电场降低肌肉收缩对临床消融肿瘤的影响。为推进高频双极性微秒脉冲临床消融肿瘤的应用提供了必要的理论依据、硬件基础和技术支撑。