本申請涉及不可逆電穿孔設(shè)備，更具體地，本申請涉及用于在生物組織的細胞上產(chǎn)生不可逆穿孔從而消融生物組織的設(shè)備以及生物組織消融方法。

背景技術(shù)：

癌癥是危害人類健康的主要疾病。腫瘤的傳統(tǒng)療法以及新近發(fā)展起來的以微創(chuàng)消融為特征的熱消融物理療法，由于受適應(yīng)癥、禁忌癥、治療副作用、熱效應(yīng)等因素的限制，使得其臨床應(yīng)用存在一定的局限性。近年來，隨著脈沖生物電學(xué)的不斷發(fā)展，電場脈沖以其非熱、微創(chuàng)的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)引起了研究人員的關(guān)注，而其中的不可逆電穿孔治療腫瘤以其快捷、可控、可視、選擇性和非熱機理等的優(yōu)勢和特色更是引起國內(nèi)外生物電學(xué)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注，并逐漸應(yīng)用于腫瘤的臨床治療。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

然而，雖然不可逆電穿孔技術(shù)在國內(nèi)外的臨床應(yīng)用中取得了令人振奮的治療效果，但是由于生物組織的復(fù)雜性導(dǎo)致了組織中實際電場分布不均勻，使得腫瘤組織不能夠完全被不可逆電穿孔有效電場覆蓋，導(dǎo)致在臨床試驗中有部分患者需要二次或多次重復(fù)治療。因此，如果能探尋到一種能在生物組織中實現(xiàn)電場均勻分布的電場脈沖消融方法就成為解決上述困擾臨床醫(yī)生和患者難題的關(guān)鍵，將有力地促進不可逆電穿孔治療腫瘤技術(shù)在臨床的推廣應(yīng)用。

因此，本申請針對上述問題中的至少一個提出了以下方面。

本申請的一個方面涉及一種不可逆電穿孔設(shè)備，其包括：脈沖形成裝置，其被配置為產(chǎn)生雙極性脈沖；和電極，其被配置為從脈沖形成裝置接收雙極性脈沖并適于將雙極性脈沖施加到生物組織。其中，雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔。

本申請的另一個方面涉及一種生物組織消融方法，包括以下步驟：根據(jù)待消融的生物組織來確定待施加的雙極性脈沖，該雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔；產(chǎn)生具有所設(shè)置的參數(shù)的雙極性脈沖；將所產(chǎn)生的雙極性脈沖施加到待消融的生物組織。

根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖可以有效地增加消融電場的均勻性，并且雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔，從而減小消融盲區(qū)。

附圖說明

圖1是根據(jù)本申請的第一實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備的示意圖。

圖2是由根據(jù)本申請的第一實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備形成的雙極性脈沖的示意圖。

圖3是根據(jù)本申請的第一實施方式的脈沖產(chǎn)生單元12的構(gòu)造的示意圖。

圖4是根據(jù)本申請的第二實施方式的雙極性脈沖的波形圖。

圖5是根據(jù)本申請的第三實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備的示意圖。

圖6是根據(jù)本申請的生物組織消融方法的示意流程圖。

圖7是對兔肝臟組織的細胞進行消融實驗的結(jié)果的示意圖，其中，圖7的(A)是施加傳統(tǒng)單極性脈沖的結(jié)果的放大圖，圖7的(B)是施加根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖。

圖8是對兔肝臟組織的細胞進行消融實驗的結(jié)果的示意圖，其中圖8的(A)是施加脈沖寬度為1μs的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖，圖8的(B)是施加脈沖寬度為5μs的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照附圖來詳細描述本申請的各種示例性實施例。應(yīng)注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)字表達式和數(shù)值不限制本申請的范圍。

同時，應(yīng)當明白，為了便于描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸并不是按照實際的比例關(guān)系繪制的。

以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本申請及其應(yīng)用或使用的任何限制。

對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當被視為授權(quán)說明書的一部分。

在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。

1、第一實施方式

圖1是根據(jù)本申請的第一實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備的示意圖。

根據(jù)該實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備1包括脈沖形成裝置10和電極20。該脈沖形成裝置10用來產(chǎn)生根據(jù)本實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備1所需的脈沖，電極20用來從脈沖形成裝置10接收所產(chǎn)生的脈沖，并將所產(chǎn)生的脈沖施加到生物組織的細胞，諸如腫瘤細胞。

根據(jù)本申請的實施方式的脈沖形成裝置10包括電源11、脈沖產(chǎn)生單元12、控制單元13和用戶界面14等。電源11用來為不可逆電穿孔設(shè)備1以及其中的各個單元供電。脈沖產(chǎn)生單元12用來產(chǎn)生根據(jù)本實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備1所需的脈沖?？刂茊卧?3用來對不可逆電穿孔設(shè)備1的各個單元的操作進行控制和監(jiān)測。用戶界面14用來提供用戶輸入、監(jiān)視不可逆電穿孔過程和顯示不可逆電穿孔結(jié)果等。

控制單元13可以至少部分以數(shù)字電子電路、模擬電子電路或者計算機硬件、固件、軟件或其組合來實施?？刂茊卧?3可以實施為特定目的邏輯電路，例如FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)或者ASIC(專用集成電路)。另外，控制單元13可以實施作為計算機程序產(chǎn)品，即，有形地嵌入信息載體，例如機器可讀存儲設(shè)備或者產(chǎn)生的信號至的計算機程序，可由數(shù)據(jù)處理裝置，例如可編程處理器、計算機或多計算機執(zhí)行或控制操作。計算機程序可以以任何編程語言編寫，包括編輯或編譯語言，并且其可以以任何形式布置，包括作為獨立程序或者作為模塊、組件、子例程或適于在計算環(huán)境中使用的其他單元。計算機程序可以布置為在一個地點或分布在多個地點處的一個計算機上或者多個計算機上執(zhí)行并且由通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。并且，控制單元13還可以包括存儲器等，用來存儲用戶設(shè)置、各個參數(shù)以及監(jiān)測結(jié)果等。

用戶界面14用于輸入命令和顯示狀態(tài)、信息等，并且可以包括各種輸入/輸出設(shè)備。例如，輸入設(shè)備可以使用觸摸屏、小鍵盤或全鍵盤，并且包括各種輸入接口、磁盤驅(qū)動器等。輸出設(shè)備包括各種視覺、聽覺、觸覺輸出設(shè)備，例如，顯示器、LED燈、振動器等。

下文中對由根據(jù)本實施方式的脈沖產(chǎn)生單元12產(chǎn)生的脈沖進行說明。

當在生物組織的細胞膜上施加強脈沖時，在強脈沖所產(chǎn)生的強電場的作用下，在細胞膜上建立起的足夠大的跨膜電位分布，從而在細胞膜的磷脂雙分子層上產(chǎn)生納米量級的小孔，并且通過該小孔可以輸送分子進出細胞膜，即，發(fā)生電穿孔。在電穿孔對細胞膜的傷害較小的情況下，當電脈沖停止時，小孔關(guān)閉并且細胞可以存活，這樣的情況被稱作為可逆性電穿孔(Reversible electroporation，RE)。而當電穿孔對細胞膜的傷害達到一定程度之后，細胞內(nèi)物質(zhì)通過小孔泄漏過度嚴重或是小孔的關(guān)閉過度緩慢，對細胞造成不可逆的傷害，從而使得細胞因此自然凋亡，而不是其他消融系統(tǒng)通過熱能或是輻射造成的壞死，這樣的情況被稱作為不可逆電穿孔(Inreversible electroporation，IRE)。

本申請的發(fā)明人認識到，生物組織的細胞的細胞膜存在約-90mV的靜息跨膜電位，因此，當對生物組織的細胞施加單一極性電脈沖時，由于細胞膜的靜息跨膜電位的存在，由單一極性的電脈沖在細胞膜上建立起的跨膜電位分布可能是不均勻的。這樣的不均勻可能導(dǎo)致當細胞的細胞膜的部分區(qū)域的跨膜電位超過不可逆電穿孔閾值時，細胞膜的其余大部分區(qū)域的跨膜電位仍然未能達到不可逆電穿孔閾值，使得跨膜電位未能達到不可逆電穿孔閾值的細胞膜區(qū)域不會形成不可逆電穿孔。另外，電穿孔過程存在隨機性，即，即使細胞膜的某一區(qū)域的跨膜電位達到了不可逆電穿孔閾值，細胞膜的該區(qū)域也不一定能發(fā)生完全的不可逆電穿孔。因此，由于細胞膜的靜息跨膜電位的存在，使得細胞膜的跨膜電位超過不可逆電穿孔閾值的區(qū)域變得不均勻，這將極大地降低使單個細胞的細胞膜發(fā)生不可逆電穿孔的概率，從而導(dǎo)致通過施加單一極性的脈沖來進行不可逆電穿孔時可能存在消融盲區(qū)。另外，考慮到實際生物組織中的細胞的形態(tài)是不規(guī)則的，而非簡單的球形，所以細胞膜的靜息電位對細胞整體產(chǎn)生不可逆電穿孔效率的影響會更加嚴重。

本申請的發(fā)明人在進行以上考慮之后，提出了本申請的不可逆電脈沖消融設(shè)備，其中，采用了雙極性脈沖，該雙極性脈沖的總脈沖寬度和由該雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔?？偯}沖寬度指的是正極性脈沖和負極性脈沖的高電平時間之和，而由該雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度指的是通過電極施加正極性脈沖和負極性脈沖而在生物組織中產(chǎn)生的電場強度。由該雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度可以根據(jù)所施加的脈沖的幅值、用于施加脈沖的電極的構(gòu)造和電極間距離以及生物組織的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等來確定。本申請中提到的“雙極性脈沖的總脈沖寬度和由該雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔”指的是在施加產(chǎn)生該電場強度和總脈沖寬度的電壓脈沖時，能夠在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔，從而使得該細胞最終死亡。在本申請的實施方式中，通過施加上述雙極性脈沖，避免了在施加單一極性電場脈沖時，由于細胞膜靜息電位的存在導(dǎo)致的跨膜電位超過不可逆電穿孔閾值的分布不均勻問題，從而使細胞膜大部分區(qū)域達到不可逆電穿孔閾值跨膜電位，提高單個細胞發(fā)生不可逆電穿孔概率，最大限度地減小了消融盲區(qū)。

針對不同類型的生物組織，足以在細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖總脈沖寬度和由該雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度可能存在區(qū)別。

根據(jù)本申請的發(fā)明人針對不同的細胞、生物組織和動物進行實驗的結(jié)果，足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度例如在1.5kV/cm以上，總脈沖寬度例如在50μs以上。另外，考慮到生物組織對于高電壓脈沖的承受能力以及治療過程中的舒適程度，一般來說，所施加的雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度例如可以在3kV/cm以下，總脈沖寬度例如可以在150μs以下。

根據(jù)生物電介質(zhì)理論，細胞可以等效為膜電容與離子電導(dǎo)構(gòu)成的電容、電阻串聯(lián)模型。在本申請的實施方式中，本申請的發(fā)明人將一階電路階躍響應(yīng)的特征應(yīng)用到生物電介質(zhì)細胞模型，發(fā)現(xiàn)在對生物組織的細胞施加電脈沖時，在充電時間常數(shù)的4～5倍的充電持續(xù)時間之后，細胞就能達到穩(wěn)定的充電狀態(tài)，從而在細胞膜上產(chǎn)生較強的不可逆電穿孔效應(yīng)以達到較好的組織消融效果。因此，在本申請的一個實施方式中，單個正極性和負極性脈沖的脈沖寬度至少為生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍。例如，對于充電時間常數(shù)為1μs左右的細胞膜，單個正極性和負極性的脈沖的脈沖寬度都至少為約5μs。通過將單個正極性和負極性脈沖的脈沖寬度設(shè)置為生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍以上，可以避免過度減小脈沖寬度導(dǎo)致的消融效果下降的問題，從而減小消融盲區(qū)。另外，同樣考慮到生物組織對于高電壓脈沖的承受能力以及治療過程中的舒適程度，以及治療過程中發(fā)熱等情況，一般來說，正極性和負極性的脈沖的脈沖寬度例如可以在約50μs以下。

在改變單個正極性和負極性脈沖的脈沖寬度的同時，為了保證總脈沖寬度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔，需要相應(yīng)地改變正極性脈沖和負極性脈沖的個數(shù)，以將雙極性脈沖的總脈沖寬度基本保持在所需值。

在本申請的實施方式中，雙極性脈沖的總脈沖寬度，即，正極性和負極性的脈沖的脈沖寬度之和，可以與傳統(tǒng)的單極性脈沖的不可逆電穿孔設(shè)備中的單個脈沖的脈沖寬度相當。例如，在傳統(tǒng)的單極性脈沖的不可逆電穿孔設(shè)備中，單個脈沖的脈沖寬度的典型值為100μs，參考該參數(shù)，在本申請的實施方式中正極性和負極性的脈沖的脈沖寬度之和可以為100μs。通過參考傳統(tǒng)的單極性脈沖的不可逆電穿孔設(shè)備的參數(shù)，可以保持不可逆電穿孔典型脈沖電場的參數(shù)特征，使得更容易將傳統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)中的參數(shù)應(yīng)用到本申請的實施方式中。

另外，為了保證不可逆電穿孔的效果，根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖可以被重復(fù)施加多次。例如，在本申請的一個實施方式中，雙極性脈沖可以周期性地例如每1秒施加一次并重復(fù)施加例如90個周期。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以認識到，可以根據(jù)具體情況來非周期性地產(chǎn)生任意次數(shù)的雙極性脈沖。

圖2是由根據(jù)本申請的第一實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備1形成的雙極性脈沖的示意圖。

圖2的(A)示出了其中正、負極性的脈沖交替施加的情況，而圖2的(B)示出了其中先施加正極性的脈沖，再施加負極性的脈沖的情況。如圖2所示，在本申請的該實施方式中，總脈沖寬度為正、負極性的脈沖寬度之和，即正、負極性的脈沖寬度與正、負極性的脈沖個數(shù)的乘積，并且總脈沖寬度可以被設(shè)置為100μs。從圖2中可以看出，在本申請的實施方式中，為了便于說明和解釋的目的，所采用的雙極性脈沖為雙極性方波脈沖。

但是，由于不同的生物組織的性質(zhì)(例如，生物組織的類型、在身體上所處位置、整體形狀、組織微環(huán)境，以及構(gòu)成細胞的類型、形狀、含水率、電解質(zhì)濃度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等)之間存在較大差異，所以針對不同的生物組織等的具體情況，可以對雙極性脈沖的參數(shù)進行適當?shù)卦O(shè)置。

因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到，在本申請的實施方式中正極性和負極性的脈沖的脈沖寬度之和不一定要參考傳統(tǒng)的單極性脈沖的不可逆電穿孔設(shè)備的參數(shù)，而是可以根據(jù)具體情況來適當?shù)卦O(shè)置。例如，總脈沖寬度可以被設(shè)置為50μs到150μs的范圍中的各個數(shù)值，例如，50μs、60μs、70μs、80μs、90μs、100μs、110μs、120μs、130μs、140μs和150μs等。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以認識到，在本申請的實施方式中所施加的正極性和負極性脈沖的排列方式不僅僅局限于圖2的(A)和(B)中示出的兩種排列方式，而是可以根據(jù)具體情況來適當?shù)卦O(shè)置。例如，正極性和負極性的脈沖不需要交替施加，而是可以以任意順序施加等。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以認識到，在本申請的實施方式中正極性和負極性脈沖的個數(shù)的比率不一定是1:1的關(guān)系，而是可以根據(jù)具體情況來適當?shù)卦O(shè)置，只要向生物組織施加的脈沖既包括正極性脈沖又包括負極性脈沖即可。例如，正極性和負極性脈沖的個數(shù)的比率可以是在1:2到2:1的范圍中的任意數(shù)值，例如，1:2、2:3、4:5、1:1、5:4、3:2、2:1等。

因此，在本申請的實施方式中，可以針對生物組織施加脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足夠使得生物組織的細胞膜產(chǎn)生不可逆電穿孔的若干雙極性脈沖，此時所產(chǎn)生電場可充分作用于細胞膜使其發(fā)生不可逆電穿孔，使得電場對于生物組織的每個細胞而言分布得更加均勻，從而減小消融盲區(qū)。

圖3是根據(jù)本實施方式的脈沖產(chǎn)生單元12的構(gòu)造的示意圖。脈沖產(chǎn)生單元12包括儲能元件121和開關(guān)電路122。儲能元件121儲存由電源11提供的能量，并通過開關(guān)電路122將能量釋放給電極20。開關(guān)電路122被配置為按照用戶設(shè)定的脈沖寬度、脈沖間隔以及脈沖個數(shù)，以脈沖形式進行相應(yīng)的開關(guān)動作，從而產(chǎn)生所需的脈沖波形。開關(guān)電路122的一個示例為全橋電路，通過控制全橋電路中的開關(guān)的斷開和接通的狀態(tài)、順序、頻率以及次數(shù)等，可以形成所需要的正極性的脈沖和負極性的脈沖。當然，根據(jù)本申請的實施方式的開關(guān)電路122也可以操作來產(chǎn)生單極性的電脈沖。

通過本申請的實施方式，通過施加高場強的電場脈沖作用與生物組織，誘導(dǎo)細胞膜出現(xiàn)不可逆電穿孔，從而導(dǎo)致細胞死亡，同時，具有快捷(治療施加脈沖時間僅為幾十秒，全過程也僅需幾分鐘)，可控(治療參數(shù)可通過三維建模電場計算獲取，治療范圍精確、安全)，可視(治療過程可在超聲/CT/MRI引導(dǎo)下完成，療效可通過超聲/CT/MRI評估)，可選擇性(不損傷消融區(qū)的膽管，血管及神經(jīng)等)和非熱機理(無熱效應(yīng)，可克服熱療法帶來的‘熱損傷’與‘熱沉’)的優(yōu)點。

進一步地，通過施加脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖，可以使得細胞膜充分完成不可逆電穿孔過程，并且大大改善脈沖電場在細胞及組織中的分布均勻性，可以突破細胞膜的靜息電位、電容效應(yīng)以及生物組織各向異性帶來的內(nèi)部電場分布不均勻的障礙，實現(xiàn)目標組織區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不可逆電穿孔劑量的電場有效覆蓋，從而解決了不可逆電穿孔臨床應(yīng)用的消融盲區(qū)的問題。

進一步地，通過將正極性和負極性脈沖的脈沖寬度設(shè)置為至少為生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍，可以避免過度減小脈沖寬度所導(dǎo)致的消融效果下降的問題，從而減小消融盲區(qū)。

2、第二實施方式

以下描述本申請的第二實施方式。

在通過不可逆電穿孔技術(shù)消融技術(shù)治療例如癌癥等疾病時，越來越將患者的舒適程度等作為重要的內(nèi)容進行考慮。因此，在對人體等活體生物組織進行不可逆電穿孔消融治療時，除了考慮減小消融盲區(qū)之外，還可以考慮人體的承受能力、舒適程度以及消融區(qū)域的發(fā)熱情況等。

有鑒于此，在本申請的實施方式中，可以適當?shù)販p小每個極性的脈沖的脈沖寬度，并且在一些情況下，可以將每個極性的脈沖的脈沖寬度設(shè)置為約等于被消融的生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍，從而保證了在減小了消融盲區(qū)的同時，減少給患者帶來的痛苦感和不適感。

在本申請的第二實施方式中，可以將由不可逆電穿孔設(shè)備形成的每個極性的脈沖的脈沖寬度限定為約5μs。圖4是根據(jù)本申請的第二實施方式的雙極性脈沖的波形圖。

相比于傳統(tǒng)的單極性脈沖不可逆電穿孔消融技術(shù)，本申請的該實施方式有利地在保證消融效果的同時盡可能地縮短每個極性的脈沖的脈沖寬度，進一步減少了給患者帶來的痛苦感和不適感。

3、第三實施方式

以下描述本申請的第三實施方式。

圖5是根據(jù)本申請的第三實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備2的示意圖。

在該實施方式中，如圖5所示的不可逆電穿孔設(shè)備2與如圖1所示的不可逆電穿孔設(shè)備1的區(qū)別在于脈沖形成裝置10還可以包括脈沖測量單元15。

脈沖測量單元15被配置為測量由脈沖產(chǎn)生單元12產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)，并將所獲得的參數(shù)提供給控制單元13。脈沖測量單元15所測量的脈沖的參數(shù)可以包括例如：脈沖的幅值、脈沖的極性、脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖個數(shù)以及脈沖串個數(shù)等。控制單元13可以監(jiān)視將所獲得的參數(shù)并可以將所獲得的參數(shù)通過用戶界面14提供給用戶。

之后，控制單元13可以自動地或在用戶的控制下根據(jù)需要對脈沖產(chǎn)生單元12進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而確保輸出脈沖參數(shù)的準確性。

4、第四實施方式

本申請的另一個方面涉及一種生物組織消融方法。利用本申請的不可逆電穿孔設(shè)備，使用消融電極通過相應(yīng)的程序?qū)颊叩纳锝M織進行消融。

圖6是根據(jù)本申請的生物組織消融方法的示意流程圖。

首先，在步驟S101處，確定用于待消融的生物組織的消融參數(shù)。消融參數(shù)包括消融電極的選擇以及消融脈沖參數(shù)的確定。對于消融電極來說，例如，對于體表的生物組織，可以選擇使用夾板式電極或吸附式電極，對于體內(nèi)的生物組織，可以選擇使用針式電極。針式消融電極可以是1個兩極電極針、兩個電極針、三個電極針以及多個電極針。另外，可以根據(jù)被消融生物組織的位置和形狀等來選擇消融電極的形狀和配置方式。消融電極的配置方式例如包括：消融電極的插入位置、插入深度以及暴露長度等。對于消融脈沖參數(shù)來說，可以根據(jù)待消融的生物組織的性質(zhì)來確定包括例如：脈沖的幅值、脈沖的極性、脈沖寬度、脈沖間隔、脈沖個數(shù)以及脈沖串個數(shù)等。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，根據(jù)所使用的電極的形狀和配置方式、電極間的距離、所采用的消融脈沖的參數(shù)以及估計或測量得到的待消融的生物組織的電導(dǎo)率、介電常數(shù)，可以計算出由所施加的雙極性脈沖在待消融的生物組織中產(chǎn)生的電場強度。消融脈沖的參數(shù)的范圍參見本說明書上文中的討論，在此不再進行重復(fù)。

之后，在步驟S102處，在不可逆電穿孔設(shè)備中設(shè)置在步驟S101中確定的用于待消融的生物組織的消融參數(shù)，將所確定的消融參數(shù)通過用戶界面14等提供給控制單元13，以便在控制單元13的控制下，通過所設(shè)置的參數(shù)的雙極性脈沖對生物組織進行消融。

之后，在步驟S103處，啟動并開始消融。按照在步驟S101選擇的消融電極的類型以及消融電極的配置方式來將消融電極布置到患者的待消融生物組織，并自動地或者通過用戶手動地啟動不可逆電穿孔消融程序。通過本申請的不可逆電穿孔設(shè)備，產(chǎn)生符合所設(shè)置脈沖參數(shù)的雙極性脈沖，并將所產(chǎn)生的雙極性脈沖通過電極施加到患者的待消融生物組織，開始消融。

之后，在步驟S104處，判斷消融是否完成，即，是否已經(jīng)將全部待消融生物組織消融。判斷消融是否完成的方式可以包括例如：進行消融操作的用戶直接通過觀察判斷消融是否完成，通過顯微鏡等光學(xué)成像設(shè)備生成被消融生物組織的圖像來判斷消融是否完成，通過諸如超聲波成像、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)等的醫(yī)學(xué)成像方式生成被消融生物組織的圖像來判斷消融是否完成，通過測量被消融生物組織的生理參數(shù)(例如，生物活性、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、阻抗等)來判斷消融是否完成等。另外，是否完成消融的判斷可以由本申請的不可逆電穿孔設(shè)備自動做出，或者由用戶來手動地做出。

如果在步驟S104處判斷已經(jīng)完成全部待消融生物組織的消融，那么處理進行到步驟S105，結(jié)束消融過程，停止輸出脈沖信號并可以通過用戶界面14等提示用戶消融已經(jīng)結(jié)束。

如果在步驟S104處判斷尚未完成全部待消融生物組織的消融，那么處理返回到步驟S104之前，等待再次判斷消融是否完成。

通過本申請的實施方式，通過將足以在生物組織上形成不可逆穿孔的電場脈沖施加到生物組織，誘導(dǎo)細胞膜出現(xiàn)不可逆電穿孔，從而導(dǎo)致細胞死亡，同時，具有快捷(治療施加脈沖時間僅為幾十秒，全過程也僅需幾分鐘)，可控(治療參數(shù)可通過三維建模電場計算獲取，治療范圍精確、安全)，可視(治療過程可在超聲/CT/MRI引導(dǎo)下完成，療效可通過超聲/CT/MRI評估)，可選擇性(不損傷消融區(qū)的膽管，血管及神經(jīng)等)和非熱機理(無熱效應(yīng)，可克服熱療法帶來的‘熱損傷’與‘熱沉’)的優(yōu)點。

進一步地，通過施加脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖，可以使得細胞膜充分完成不可逆電穿孔過程，并且大大改善脈沖電場在細胞及組織中的分布均勻性，可以突破細胞膜的靜息電位、電容效應(yīng)以及生物組織各向異性帶來的內(nèi)部電場分布不均勻的障礙，實現(xiàn)目標組織區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不可逆電穿孔劑量的電場有效覆蓋，從而解決了不可逆電穿孔臨床應(yīng)用的消融盲區(qū)的問題。

此外，在本申請的一個實施方式中，在步驟S103之后，可以進行步驟S106來測量并判斷所產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)是否與所設(shè)置的雙極性脈沖的參數(shù)相同。如果所產(chǎn)生的脈沖的參數(shù)與所設(shè)置的雙極性脈沖的參數(shù)相同，則處理進行到步驟S104，判斷已經(jīng)完成全部待消融生物組織的消融。否則，處理返回到步驟S102，對在不可逆電穿孔設(shè)備中設(shè)置的消融參數(shù)進行相應(yīng)更改，以使得所產(chǎn)生的脈沖參數(shù)與所設(shè)置的雙極性脈沖的參數(shù)相同。

因此，本申請的一個方面涉及一種生物組織消融方法，包括以下步驟：

根據(jù)待消融的生物組織來確定待施加的雙極性脈沖的參數(shù)，使得該雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被確定為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔；

產(chǎn)生具有所確定的參數(shù)的雙極性脈沖；

將所產(chǎn)生的雙極性脈沖施加到待消融的生物組織。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，每個正極性脈沖和每個負極性脈沖的脈沖寬度分別至少為能夠使得生物組織的細胞膜達到穩(wěn)定充電狀態(tài)的時間段。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，每個正極性脈沖和每個負極性脈沖的脈沖寬度分別至少為生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，每個正極性脈沖和每個負極性脈沖的脈沖寬度為5到50微秒。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，每個正極性脈沖和每個負極性脈沖的脈沖寬度為5微秒。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖在生物組織中產(chǎn)生的電場強度為1.5kV/cm到3kV/cm。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔的雙極性脈沖的總脈沖寬度為50微秒到150微秒。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法還包括脈沖測量步驟，在該步驟中，測量所產(chǎn)生的雙極性脈沖的參數(shù)并且根據(jù)所測量的參數(shù)來調(diào)整產(chǎn)生具有所確定的參數(shù)的雙極性脈沖的步驟，以產(chǎn)生具有所確定的參數(shù)的雙極性脈沖。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，雙極性脈沖為雙極性方波脈沖。

優(yōu)選地，在根據(jù)本申請的生物組織消融方法中，重復(fù)地產(chǎn)生雙極性脈沖并將重復(fù)地產(chǎn)生的雙極性脈沖施加到生物組織。

5、實驗結(jié)果

針對現(xiàn)有技術(shù)的單極性不可逆電穿孔設(shè)備和根據(jù)本申請的實施方式的雙極性不可逆電穿孔設(shè)備，本申請的發(fā)明人進行了以下驗證實驗。

發(fā)明人以兔肝臟組織作為生物組織來進行研究，通過夾板電極對兔肝臟組織施加電脈沖。通過研究表明，兔肝臟組織的細胞的充電時間常數(shù)約為1μs。因此，所施加的傳統(tǒng)單極性脈沖的在兔肝臟組織中產(chǎn)生的電場強度為1.5kV/cm，脈沖寬度為100μs，脈沖的重復(fù)次數(shù)為90次，而所施加的雙極性脈沖中，正極性和負極性的脈沖在兔肝臟組織中產(chǎn)生的電場強度為2kV/cm，脈沖寬度為充電時間常數(shù)的五倍(即，5μs)，每個周期內(nèi)正極性和負極性的脈沖分別施加10次，重復(fù)90個周期。之后，用顯微鏡放大被消融的生物組織，觀察是否存在殘留的未被消融的肝細胞。

圖7是以上實驗的結(jié)果，其中圖7的(A)是施加傳統(tǒng)單極性脈沖的結(jié)果的放大圖，圖7的(B)是施加根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖。通過比較可以看出，在施加傳統(tǒng)單極性脈沖的情況下，肝臟組織的膽管周邊仍存在完整肝細胞，消融不徹底并且存在消融盲區(qū)，而在施加根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖的情況下，肝臟組織的膽管周邊的肝細胞全部死亡，消融較為徹底并且不存在消融盲區(qū)。

因此，通過該比較，可以充分證明根據(jù)本申請的實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備以及生物組織消融方法可以減小消融盲區(qū)，提高消融效果。

另外，申請人比較了在采用雙極性脈沖的情況下，當脈沖寬度小于生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍時和等于該時間段時的消融效果。

仍然以細胞的充電時間常數(shù)約為1μs的兔肝臟組織為例。所施加的第一種雙極性脈沖中，正極性和負極性的脈沖在兔肝臟組織中產(chǎn)生的電場強度為2kV/cm，脈沖寬度為充電時間常數(shù)的1倍(即，1μs)，每個周期內(nèi)正極性和負極性的脈沖分別施加50次，重復(fù)90個周期。另外，在所施加的第二種雙極性脈沖中，正極性和負極性的脈沖在兔肝臟組織中產(chǎn)生的電場強度為2kV/cm，脈沖寬度為充電時間常數(shù)的5倍(即，5μs)，每個周期內(nèi)正極性和負極性的脈沖分別施加10次，重復(fù)90個周期。之后，用顯微鏡放大被消融的生物組織，觀察是否存在殘留的未被消融的肝細胞。

圖8是以上實驗的結(jié)果，其中圖8的(A)是施加脈沖寬度為1μs的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖，圖8的(B)是施加脈沖寬度為5μs的雙極性脈沖的結(jié)果的放大圖。通過比較可以看出，在施加脈沖寬度為1μs的雙極性脈沖的情況下，未被消融的區(qū)域較多，消融不徹底并且存在消融盲區(qū)，而在施加脈沖寬度為5μs的雙極性脈沖的情況下，未被消融的區(qū)域很少，消融較為徹底并且不存在消融盲區(qū)。

因此，通過該比較，根據(jù)本申請的實施方式的不可逆電穿孔設(shè)備以及生物組織消融方法通過將雙極性脈沖的脈沖寬度設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔，例如，大于或等于生物組織的細胞的充電時間常數(shù)的4到5倍，可以減小消融盲區(qū)，提高消融效果。

6、總結(jié)

本申請?zhí)岢隽艘环N不可逆電穿孔裝置，其包括：脈沖形成單元，其被配置為產(chǎn)生雙極性脈沖；和電極，其被配置為從脈沖形成單元接收雙極性脈沖并適于將雙極性脈沖施加到生物組織。其中，雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔。

本申請的另一個方面涉及一種生物組織消融方法，包括以下步驟：根據(jù)待消融的生物組織來確定待施加的雙極性脈沖，該雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度被設(shè)置為足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔；產(chǎn)生具有所設(shè)置的參數(shù)的雙極性脈沖；將所產(chǎn)生的雙極性脈沖施加到待消融的生物組織。

根據(jù)本申請的實施方式的雙極性脈沖可以有效地增加消融電場的均勻性，并且雙極性脈沖的脈沖寬度和在生物組織中產(chǎn)生的電場強度足以在生物組織的細胞膜上產(chǎn)生不可逆電穿孔，從而減小消融盲區(qū)。

本說明書中“實施例”或類似表達方式的引用是指結(jié)合該實施例所述的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特性系包括在本公開的至少一具體實施例中。因此，在本說明書中，“在本公開的實施例中”及類似表達方式的用語的出現(xiàn)未必指相同的實施例。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當知道，本公開被實施為一系統(tǒng)、裝置、方法或作為計算機程序產(chǎn)品的計算機可讀媒體。因此，本公開可以實施為各種形式，例如完全的硬件實施例、完全的軟件實施例(包括固件、常駐軟件、微程序代碼等)，或者也可實施為軟件與硬件的實施形式，在以下會被稱為“電路”、“模塊”或“系統(tǒng)”。此外，本公開也可以任何有形的媒體形式實施為計算機程序產(chǎn)品，其具有計算機可使用程序代碼存儲于其上。

以下本公開的相關(guān)敘述會參照根據(jù)本公開具體實施例的系統(tǒng)、裝置、方法及計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方塊圖來進行說明?？梢岳斫饷恳粋€流程圖和/或方塊圖中的每一個方塊，以及流程圖和/或方塊圖中方塊的任何組合，可以使用計算機程序指令來實施。這些計算機程序指令可供通用型計算機或特殊計算機的處理器或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置所組成的機器來執(zhí)行，而指令經(jīng)由計算機或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置處理以便實施流程圖和/或方塊圖中所說明的功能或操作。

在附圖中顯示根據(jù)本公開各種實施例的系統(tǒng)、裝置、方法及計算機程序產(chǎn)品可實施的架構(gòu)、功能及操作的流程圖及方塊圖。另外應(yīng)當注意，在某些其它的實施例中，方塊所述的操作可以不按圖中所示的順序進行。舉例來說，兩個圖示相連接的方塊事實上也可以同時執(zhí)行，或根據(jù)所涉及的功能在某些情況下也可以按圖標相反的順序執(zhí)行。此外還需注意，每個方塊圖和/或流程圖的方塊，以及方塊圖和/或流程圖中方塊的組合，可藉由基于專用硬件的系統(tǒng)來實施，或者藉由專用硬件與計算機指令的組合，來執(zhí)行特定的功能或操作。