CN100469331C - 陡脉冲治疗肿瘤的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种陡脉冲治疗肿瘤的装置及其方法，属于肿瘤治疗技术领域。本发明装置主要包括陡脉冲发生与测控系统、计算机系统、电源系统和操纵台；本发明方法是利用本发明装置，利用肿瘤治疗电极，通过程序进行治疗。由于本发明是在不注射化疗药物的情况下，施加纳秒级陡脉冲于肿瘤组织，对整个肿瘤细胞产生全面的破坏作用，使其发生不可逆性电击穿而死亡，治疗效果好，并从根本上避免了化疗药物的副作用对患者身体的危害，本发明装置使用方便，本发明方法操作简单。故本发明可广泛应用于人体及动物的肿瘤治疗。

Description

陡脉冲治疗肿瘤的装置及其方法

技术领域

本发明属于肿瘤治疗技术领域，尤其涉及治疗肿瘤的装置及其方法。

背景技术

目前用于治疗肿瘤的方法主要有：手术切除、放射治疗、化疗、热疗等。这些方法由于受到其适应症、禁忌症与副作用等因素的限制，对肿瘤的疗效仍不够理想。

脉冲电化学疗法是近三十年发展起来的治疗肿瘤的新技术，由日本学者M.Okino于1987年首创。治疗方法是先经静脉给药或者在肿瘤组织周围进行肌肉注射，给予肿瘤细胞一定剂量的化疗药物(如博莱酶素、顺铂等)，一段时间(4～30分钟)后通过电极引入一定剂量的方波电脉冲(峰值1～2kV/cm、脉宽100μs、频率1～4Hz、脉冲个数4～10个)辅助治疗。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，当施加电场强度为kV/cm级、持续时间为ms～μs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、DNA、蛋白质等大分子。脉冲电化学疗法正是利用电脉冲导致细胞膜电穿孔，从而促进化疗药物的运送，提高化疗药物的杀伤力。因此，脉冲电化学疗法又被称为电穿孔疗法。

电穿孔疗法已经在欧美应用于肿瘤的临床治疗。例如，美国Inovio公司生产的MedPulser电穿孔治疗系统已经于2003年得到美国FDA的批准进入头颈癌和皮肤癌的III期临床试验，该系统由电脉冲发生器、脚踏开关、电极头和微型打印机(可选)组成，其电脉冲发生器由变压器、高压功率变换电路和低压数字式控制电路组成，能产生6个峰值为500～1500V、脉宽为100μs的电压脉冲，其方法是先向患者的肿瘤组织注射化疗药物(博来梅素)，十分钟后向肿瘤组织中插入电极阵列，并踏下脚踏开关，将电脉冲输出至电极针之间的肿瘤组织。意大利IGEA公司生产的CLINIPORATOR电穿孔治疗系统已经在意大利、法国、斯洛文尼亚等国应用于体表肿瘤的临床治疗，该系统由电脉冲发生器、脚踏开关、电极头、便携式电脑、打印机和机架组成，其电脉冲发生器能产生8～20个峰值为500～1000V、脉宽为30μs～5ms、重复频率为1Hz～5kHz的电压脉冲，其治疗方法同上。虽然脉冲电化学疗法在肿瘤的临床治疗中取得了引人注目的效果，但该疗法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的副作用对患者身体的危害。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有脉冲电化学疗法的不足，提供的一种陡脉冲治疗肿瘤的装置及方法。本发明是在不注射化疗药物的情况下，施加陡度为纳秒(ns)级、大剂量的指数衰减电脉冲于肿瘤组织，使肿瘤细胞发生不可逆性电击穿(IREB)而死亡，同时激发机体的抗血管效应、免疫效应和凋亡效应等，从而达到治疗效果。本发明把脉冲电化学疗法中电脉冲的辅助治疗作用转变为主要治疗手段，可以消除化疗药物的副作用，简化治疗过程。

本发明装置的原理：本发明装置的核心部件是陡脉冲发生与测控系统，该系统主要由陡脉冲发生单元、陡脉冲控制单元和陡脉冲测量前置处理单元组成，计算机系统作为其测量和控制的终端。在陡脉冲发生单元中，输入的市电(220V/50Hz)经全桥整流变成310V左右的高压直流电，正激变换器将该直流电压变成40kHz的高频方波脉冲，将该方波脉冲整流又得到直流电，该直流电压经电阻给电容充电，充满电的电容经陡化电路对负载放电即可输出指数衰减陡脉冲。在陡脉冲控制单元中，脉冲宽度调制(PWM)电路产生重复频率和脉冲宽度都可任意调节的低压方波脉冲，将该方波脉冲进行隔离和驱动得到相同重复频率和脉冲宽度的方波脉冲，该方波脉冲就可用来控制陡脉冲发生单元中正激变换器电路和电容充放电回路中的开关元器件。调节陡脉冲控制单元的PWM电路中可调电阻(Rw21)的大小，即可改变PWM电路中芯片(IC21)输出方波脉冲的占空比，以该方波脉冲作为陡脉冲发生单元正激变换器电路中开关元器件(K11)的控制信号，则可调节陡脉冲发生单元所产生的陡脉冲的峰值；调节陡脉冲控制单元的PWM电路中电阻(Rt2)的大小，即可改变IC21输出方波脉冲的重复频率，以该方波脉冲作为陡脉冲发生单元电容充放电回路中开关元器件(K12、K13)的控制信号，则可调节陡脉冲发生单元所产生的陡脉冲的重复频率，并且该频率可由式(1)确定；调节陡脉冲控制单元的驱动电路中可调电阻(Rw22)的大小，即可改变陡脉冲发生单元电容放电回路中开关元器件(K13)的栅极电阻，从而对陡脉冲发生单元所产生的陡脉冲的上升时间进行调节；在负载(例如肿瘤组织)一定时，输入/输出信号控制卡通过控制陡脉冲发生单元中电容充放电回路选择不同的充放电电容，就可实现调节陡脉冲发生单元输出陡脉冲的脉冲宽度。陡脉冲发生单元输出的陡脉冲波形经降压变换后，送给陡脉冲测量前置处理单元进行处理，处理好的信号最后送入计算机系统内部的数据采集卡进行采样，测得的陡脉冲波形通过液晶显示器显示给用户。本发明装置产生的陡脉冲为指数衰减脉冲波形，由快速增加的上升沿和缓慢衰减的下降沿组成，其上升沿包含了大量的低频分量，主要作用于肿瘤细胞的细胞膜(可近似等效为电容)，而下降沿则包含了丰富的高频分量，能透过细胞膜并作用于肿瘤细胞内部的细胞核、线粒体等膜内细胞器。因此，整个指数衰减陡脉冲包含了从直流、低频、高频到甚高频的极宽频谱范围，并能对整个肿瘤细胞产生普遍的作用。

$f=\frac{1}{{2C}_{t2}(0.67R_{t2}+1.3R_{d2})}---\left(1\right)$

实现本发明目的的技术方案是：一种陡脉冲治疗肿瘤装置，主要包括陡脉冲发生与测控系统、计算机系统、电源系统和操纵台。其中：陡脉冲发生与测控系统由陡脉冲发生单元、陡脉冲控制单元和陡脉冲测量前置处理单元组成，陡脉冲控制单元产生的控制信号用导线与陡脉冲发生单元连接，陡脉冲发生单元产生的陡脉冲信号用导线与陡脉冲测量前置处理单元连接；计算机系统由工业控制计算机主机、液晶显示器、键盘鼠标、数据采集卡和输入/输出信号控制卡组成，液晶显示器、键盘鼠标与工业控制计算机主机用导线连接，数据采集卡插在工业控制计算机主机的总线插槽里，并与陡脉冲测量前置处理单元用同轴电缆相连，输入/输出信号控制卡也插在工业控制计算机主机的总线插槽里，并与陡脉冲控制单元用数据线相连；电源系统由隔离变压器、不间断电源(UPS)、线性直流电源和插线板组成，输入的市电(220V/50Hz)先用导线接入隔离变压器，隔离变压器的输出端用导线接至UPS，UPS的输出端用导线接至插线板，插线板的输出端用电源线接至线性直流电源、陡脉冲发生与测控系统、工业控制计算机主机和液晶显示器，线性直流电源与陡脉冲发生与测控系统用电源线相连；操纵台由电源开关、指示灯和陡脉冲输出接头组成，它们均与陡脉冲发生与测控系统用信号线相连。液晶显示器装设在机柜顶端，操纵台装设在机柜上端，在机柜内从上至下依次装设有键盘鼠标、陡脉冲发生与测控系统、工业控制计算机主机及电源系统，在机柜的下端四角处装设有万向轮，便于随意移动，在机柜后面的上端部装设有把手，以便推动本装置随意移动。

本发明装置所产生的陡脉冲为单向指数衰减电脉冲。调节陡脉冲控制单元中可调电阻Rw21的大小，陡脉冲的峰值在0V～1000V之间连续可调；调节陡脉冲控制单元中电阻Rt2的大小，陡脉冲的重复频率在1Hz～10kHz之间连续可调；调节陡脉冲控制单元中可调电阻Rw22的大小，陡脉冲的上升时间在10ns～100ns之间连续可调；陡脉冲发生单元中选择不同的充放电电容，陡脉冲的脉冲宽度在100ns～100μs之间分6级可调。本发明装置正是通过对其输出陡脉冲上述参数的调节实现对输出陡脉冲能量的精确控制，并且这些参数的调节各自独立、互不干扰。本发明陡脉冲治疗肿瘤装置通过强大的软件系统，除了能对输出陡脉冲的各个参数进行预置和调节外，还能对输出陡脉冲的波形进行实时采集和显示、特征参数实时测量，并且还具有较完善的病人病历数据库系统。

一种陡脉冲治疗肿瘤的方法，利用本发明的陡脉冲治疗肿瘤装置，利用肿瘤治疗电极，通过程序进行治疗的具体方法步骤如下：

(1)初始化

本发明陡脉冲治疗肿瘤装置开机后，初始化陡脉冲的特征参数(即脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度、上升时间和治疗时间)及程序参量(如波形采集、波形显示、计时时间等)。

(2)确定治疗参数

①制定治疗方案

第(1)步完成后，根据患者的特点(身体状况、年龄、性别等)及其肿瘤组织的具体情况(种类、恶性程度、尺寸等)制定相应的治疗方案，并确定陡脉冲的特征参数(即脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度、上升时间和治疗时间)及电极头的插入位置和深度。

②预置治疗参数

根据第(2)-①步确定的治疗参数，通过本发明装置的计算机系统，预置陡脉冲治疗肿瘤装置的脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度、上升时间和治疗时间等治疗参数。

(3)进行治疗

①插入电极头

在第(2)步完成后，根据第(2)-①步确定的电极头的插入位置和深度，将电极头插入治疗的肿瘤组织中。

②进行治疗

在第(3)-①步完成后，进入键盘事件判断程序：当判断结果为“准备”时，则通过输入/输出信号控制卡控制陡脉冲发生单元输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡输出控制信号使操纵台上的“准备”指示灯亮，表示可以进入“治疗”；当判断结果为“治疗”时，则通过输入/输出信号控制卡控制陡脉冲发生单元通过操纵台上的陡脉冲输出接头输出陡脉冲至外部肿瘤组织，并通过输入/输出信号控制卡输出控制信号使操纵台上的“准备”指示灯熄灭、“治疗”指示灯亮，表示已进入“治疗”，同时启动数据采集卡开始采集陡脉冲波形，将陡脉冲波形实时显示在液晶显示器的屏幕上，并测量出陡脉冲各特征参数(脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度和上升时间)。将测得的各陡脉冲参数与原来预置的参数进行比较，判断是否达到预置值：当没有达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡控制陡脉冲控制单元调整(增大或减小)治疗参数，并回到波形采集和显示程序，再次进行参数测量和比较，重复此过程直至参数测量值与预置值相等；当参数测量值与预置值相等时，则开始计时，在该过程中，波形采集与显示程序一直都启动。将治疗时间与其预置值进行比较：当治疗时间没有达到预置值时，则计时继续进行，并继续比较治疗时间与其预置值；当治疗时间达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡控制陡脉冲发生单元输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡输出控制信号使操纵台上的“治疗”指示灯熄灭，表示“治疗”结束。

(4)治疗结束

在第(3)-②步完成即操纵台上的“治疗”指示灯熄灭后，从肿瘤组织中拔出电极头，治疗结束。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：

1、本发明采用的ns级陡脉冲波形为指数衰减电脉冲，波形分为快速上升部分和缓慢下降部分两部分，其快速上升部分包含了丰富的高频分量，能透过肿瘤细胞的细胞膜(可近似等效为电容)，作用于细胞核、线粒体等膜内细胞器；其缓慢下降部分则包含了丰富的低频分量，主要作用于肿瘤细胞的细胞膜。因此，整个陡脉冲包含了从直流、低频、高频到甚高频的极宽频谱范围，将该陡脉冲作用于肿瘤细胞，能对其产生全面的破坏作用。

2、采用本发明的陡脉冲治疗肿瘤装置及其方法，在不注射化疗药物的情况下，对人卵巢腺SKOV₃癌细胞、20例手术离体后的新鲜肿瘤组织、60只荷瘤BALB/c小鼠、20只荷瘤Wistar大鼠和80只荷瘤新西兰大白兔进行了实验。结果表明，陡脉冲能导致肿瘤细胞发生不可逆性电击穿而死亡，同时激发机体的抗血管效应、免疫效应和凋亡效应等，破坏了肿瘤的生存条件，明显抑制了肿瘤的生长、增殖，治疗效果好，并从根本上避免了化疗药物的副作用对患者身体的危害，显示出良好的临床应用前景。

3、本发明装置使用方便，本发明方法操作简单。

本发明可广泛应用于人体及动物的肿瘤治疗。

附图说明：

图1为本发明装置的正视图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明装置的结构图；

图4为本发明装置的操纵台、陡脉冲发生与测控系统、工业控制计算机主机和电源系统的结构示意图；

图5为本发明装置的陡脉冲发生与测控系统原理框图；

图6为本发明方法的程序流程框图；

图7为实施例1的陡脉冲发生单元电路原理图；

图8为实施例1的陡脉冲控制单元的脉冲宽度调制(PWM)电路原理图；

图9为实施例1的陡脉冲控制单元的驱动电路原理图；

图10为实施例1的陡脉冲测量前置处理单元电路原理图；

图11为实施例1的线性直流电源电路原理图；

图12为实施例1的陡脉冲完整波形图；

图13为实施例1的陡脉冲上升沿波形图；

图14为实施例2未进行陡脉冲治疗的癌细胞扫描电子显微镜照片；

图15为实施例2进行陡脉冲治疗后的癌细胞扫描电子显微镜照片；

图16为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄一周后的BALB/c小鼠进行陡脉冲治疗前的照片；

图17为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠进行陡脉冲治疗后3天的照片；

图18为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠进行陡脉冲治疗后10天的照片；

图19为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄后17天的BALB/c小鼠未进行陡脉冲治疗的照片；

图20为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠的肿瘤生长曲线图；

图中：曲线1为未进行陡脉冲治疗的肿瘤生长曲线；

曲线2为进行陡脉冲治疗的抑瘤曲线。

图21为实施例3皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠的生存曲线图；

图中：曲线3为未进行陡脉冲治疗的生存曲线；

曲线4为进行陡脉冲治疗的生存曲线。

图中：1液晶显示器，2操纵台，3键盘鼠标，4机柜，5万向轮，6把手，7陡脉冲发生与测控系统，8工业控制计算机主机，9电源系统，10铭牌标志，11陡脉冲输出接头，12电源开关，13指示灯，14同轴电缆接口，15数据线接口，16直流电源接口，17交流电源接口，18陡脉冲发生单元，19陡脉冲控制单元，20陡脉冲测量前置处理单元，21数据采集卡，22输入/输出信号控制卡，23交流电源输入接口，24隔离变压器，25不间断电源(UPS)，26插线板，27线性直流电源，28信号线，29数据线，30同轴电缆，31电源线，32计算机系统。

具体实施方式：

下面结合具体实施方案，进一步说明本发明。

实施例1：

如图1～5和图7～13所示，一种陡脉冲治疗肿瘤装置，主要包括陡脉冲发生与测控系统7、计算机系统32、电源系统9和操纵台2。其中：陡脉冲发生与测控系统7由陡脉冲发生单元18、陡脉冲控制单元19和陡脉冲测量前置处理单元20组成，陡脉冲控制单元19产生的控制信号用导线与陡脉冲发生单元18相连接，陡脉冲发生单元18产生的陡脉冲信号用导线与陡脉冲测量前置处理单元20相连接，陡脉冲发生单元18通过交流电源接口17和直流电源接口16用电源线31与电源系统9相连，陡脉冲控制单元19通过数据线接口15用数据线29与计算机系统2相连、通过直流电源接口16用电源线28与电源系统9相连，陡脉冲测量前置处理单元20通过同轴电缆接口14用同轴电缆30与计算机系统2相连、通过直流电源接口16用电源线31与电源系统9相连；计算机系统32由工业控制计算机主机8、液晶显示器1、键盘鼠标3、数据采集卡21和输入/输出信号控制卡22组成，液晶显示器1、键盘鼠标3与工业控制计算机主机8用导线相连接，数据采集卡21插在工业控制计算机主机8的总线插槽里，并与陡脉冲测量前置处理单元20用同轴电缆30相连，输入/输出信号控制卡22也插在工业控制计算机主机8的总线插槽里，并与陡脉冲控制单元19用数据线29相连；电源系统9由隔离变压器24、UPS25、线性直流电源27和插线板26组成，输入的市电(220V/50Hz)由交流电源输入接口23用导线接入隔离变压器24，隔离变压器24的输出端用导线接至UPS25，UPS25的输出端用导线接至插线板26，插线板26的输出端用电源线31接至线性直流电源27、陡脉冲发生与测控系统7、工业控制计算机主机8和液晶显示器1，线性直流电源27与陡脉冲发生与测控系统7用电源线31相连；操纵台2由电源开关12、指示灯13和陡脉冲输出接头11组成，它们均与陡脉冲发生与测控系统7用信号线28相连。

本实施例装置的液晶显示器1装设在机柜4顶端，其倾角根据用户需求灵活调节；操纵台2装设在机柜4上端与水平面呈一定夹角(22.5度)的斜面上；在机柜4内从上至下依次装设有键盘鼠标3、陡脉冲发生与测控系统7、工业控制计算机主机8及电源系统9；机柜4的四周设置有前门和后门及两个侧门与外界隔开，前门和后门均装设有自动锁，打开后，拉下顶部的插销即能将其卸下，两个侧门结构相同，均用四个螺钉固定，其上均设置有上下两排通风孔；在机柜4的下端四角处装设有万向轮5，便于随意移动；在机柜4后面的上端部装设有把手6，以便推动本装置随意移动。

本实施例装置的陡脉冲生单元18的电路主要由市电整流滤波电路、正激变换器、脉冲整流滤波电路、取样反馈电路、电容充放电电路和陡化电路组成。二极管D11、D12、D13和D14组成的整流电路将输入的市电(220V/50Hz)变换成310V的高压直流电，电容C11组成的滤波电路将其变换成稳定的高压直流电。高频变压器Tr1、绝缘栅双极晶体管(IGBT)K11和快恢复二极管D15构成正激变换器电路，将310V左右的直流电压变成40kHz的高频方波脉冲；高频变压器Tr1包含铁氧体磁心和漆包线，实现原、副边脉冲电压峰值的变换，其原边与滤波电容C11和IGBT K11相连，副边与快恢复二极管D15和模拟地相连；IGBT K11的集电极与高频变压器Tr1的原边相连，发射极与滤波电容C11相连，栅极与陡脉冲控制单元19相连；快恢复二极管D15的阳极与高频变压器Tr1副边的一端相连，其阴极与滤波电感L1的一端相连，高频变压器Tr1副边的另一端与模拟地相连。脉冲整流滤波电路由快恢复二极管D16、滤波电感L1和滤波电容C12组成，将40kHz的高频方波脉冲变换成稳定的高压直流电；快恢复二极管D16的阳极与模拟地相连，其阴极与快恢复二极管D15的阴极相连，滤波电感L1的两端分别与快恢复二极管D16的阴极和滤波电容C12的正极相连，滤波电容C12的负极与模拟地相连。取样反馈电路由电阻R11和可调电阻Rw1组成，电阻R11与可调电阻Rw1串联后，再与滤波电容C12并联，并且电阻R11和可调电阻Rw1的串联点与陡脉冲控制单元19相连。电容充放电电路由充电电阻R12、IGBT K12、IGBT K13和电容器组构成，产生上升时间为数百纳秒的指数衰减脉冲；充电电阻R12的一端与滤波电容C12的正极和电阻R11的并联点相连，其另一端与IGBT K12的集电极相连，IGBT K12的栅极与陡脉冲控制单元19相连，其发射极分别与IGBT K13的集电极和电容器组的一端相连，电容器组的另一端与模拟地相连；电容器组由六个共模拟地的电容组成，通过陡脉冲控制单元19选择其中的一个电容为工作电容，与IGBT K12的发射极和IGBT K13的集电极相连；IGBT K13的发射极与电容C13的一端相连，其栅极与陡脉冲控制单元19相连，电容C13的另一端与模拟地相连。陡化电路由电容C13、陡化间隙S1和负载组成，减小电容充放电电路产生的指数衰减脉冲的上升时间；陡化间隙S1与负载串联后，再与电容C13并联。

本实施例装置的陡脉冲控制单元19的PWM控制电路以集成电路IC21(SG1525AJ)为核心，在外围电阻电容的配合下产生重复频率和脉冲宽度都可任意调节的低压方波脉冲。电阻R21的一端与陡脉冲发生单元18中电阻R11和可调电阻Rw1的交点相连，另一端与IC21的1脚相连。电阻R22的一端与可调电阻Rw21的调节端相连，另一端与IC21的2脚相连。可调电阻Rw21的一端与IC21的16脚相连，另一端与Gnd1(数字地1)相连，调节端与电阻R22相连。电容Ct2的一端与IC21的5脚相连，另一端与数字地1相连。电阻Rt2的一端与IC21的6脚相连，另一端与数字地1相连。电阻Rd2的一端与IC21的7脚相连，另一端与IC21的5脚相连。电容C21的一端与IC21的8脚相连，另一端与数字地1相连。电容C22的一端与IC21的9脚相连，另一端与电阻R23相连。电阻R23的一端与电容C22相连，另一端与IC21的1脚相连。IC21的12脚与数字地1相连，13脚与15脚都与电源Vcc1(+15V)相连，11脚和14脚输出极性相反的两路方波脉冲信号。

本实施例装置的陡脉冲控制单元19的驱动电路以集成电路IC22(TLP250)为核心，在外围电阻电容的配合下，将PWM控制电路产生的方波脉冲进行隔离和放大，其输出信号与陡脉冲发生单元18中三个IGBT的栅极相连，作为其控制信号。IC22的2脚与PWM控制电路中的11脚或14脚相连。电阻R24的一端与IC22的3脚相连，另一端与数字地1相连。IC22的5脚和8脚分别与电源Vee2(-15V)和Vcc2(+15V)相连。电阻R25的一端与IC22的6脚相连，另一端与Gnd2(数字地2)相连。可调电阻Rw22的一端与IC22的6脚相连，调节端和另一端为驱动电路的输出端，与陡脉冲发生单元18中三个IGBT的栅极相连。稳压管Z21的阴极与驱动电路的输出端相连，阳极与稳压管Z22的阳极相连。稳压管Z22的阳极与稳压管Z21的阳极相连，阴极与数字地2相连。

本实施例装置的陡脉冲测量前置处理单元20的电路由脉冲电流传感器、电流-电压(I-V)变换电路、放大级和工作点伺服电路组成，对陡脉冲发生单元18产生的脉冲电流信号进行处理，并输出至计算机系统2的数据采集卡21。脉冲电流传感器包含环形微晶磁心和漆包线，陡脉冲发生单元18产生的脉冲电流信号从其中穿过，其副边与电容C31和模拟地相连。I-V变换电路由集成运算放大器A31、电阻R31和R32组成，将脉冲电流传感器得到的脉冲电流信号转换为脉冲电压信号；电阻R31的一端与A31的反相输入端相连，另一端与A31的输出端相连；电阻R32的一端与A31的同相输入端相连，另一端与模拟地相连。放大级由集成运算放大器A32、电阻R33、R34和R35组成，对脉冲电压信号进行放大，其输出与计算机系统2的数据采集卡21相连；电阻R33的一端与A31的输出端相连，另一端与A32的反相输入端相连；电阻R34的一端与A32的反相输入端相连，另一端与A32的输出端相连；电阻R35的一端与A32的同相输入端相连，另一端与模拟地相连。工作点伺服电路由集成运算放大器A33、电阻R36、R37、R38、电容C32、C33和二极管D31、D32组成，自动地对运算放大器A31、A32的工作点进行调整使其静态漂移接近于零；电阻R36的一端与A32的输出端相连，另一端与A33的同相输入端相连；电容C32的一端与A33的同相输入端相连，另一端与模拟地相连；二极管D31的阳极与A33的同相输入端相连，阴极与模拟地相连；二极管D31的阴极与A33的同相输入端相连，阳极与模拟地相连；电阻R37的一端与A33的反相输入端相连，另一端与模拟地相连；电容C33的一端与A33的反相输入端相连，另一端与A33的输出端相连；电阻R38的一端与A33的输出端相连，另一端与A31的同相输入端相连。

实施例2：

如图6所示，一种陡脉冲治疗离体人卵巢腺SKOV₃癌细胞的方法，利用本发明的陡脉冲治疗肿瘤装置及本申请人的公开号为CN1810318A的“正负极一体化记忆合金集束电极”，通过程序对人卵巢腺SKOV₃癌细胞进行治疗的具体方法步骤如下：

(1)初始化

本发明陡脉冲治疗肿瘤装置开机后，初始化陡脉冲的特征参数(即脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度、上升时间和治疗时间)及程序参量(如波形采集、波形显示、计时时间等)。

(2)确定治疗参数

①制定治疗方案

第(1)步完成后，根据人卵巢腺SKOV₃癌细胞的特点(离体、恶性肿瘤、细胞悬液)制定治疗方案，确定陡脉冲的特征参数为：脉冲峰值200V、重复频率100Hz、脉冲宽度10μs、上升时间100ns、治疗时间20min，电极头垂直细胞悬液表面插入1cm深。

②预置治疗参数

根据第(2)-①步确定的治疗参数，通过本发明装置的计算机系统32，预置陡脉冲治疗肿瘤装置的脉冲峰值为200V、重复频率为100Hz、脉冲宽度为10μs、上升时间为100ns、治疗时间为20min。

(3)进行治疗

①插入电极头

在第(2)步完成后，根据第(2)-①步确定的电极头的插入位置和深度，将电极头插入治疗的离体人卵巢腺SKOV₃癌细胞悬液中。

②进行治疗

在第(3)-①步完成后，进入键盘事件判断程序：当判断结果为“准备”时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“准备”指示灯亮，表示可以进入“治疗”；当判断结果为“治疗”时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18通过操纵台2上的陡脉冲输出接头11输出陡脉冲至外部肿瘤细胞悬液，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“准备”指示灯熄灭、“治疗”指示灯亮，表示已进入“治疗”，同时启动数据采集卡21开始采集陡脉冲波形，将陡脉冲波形实时显示在液晶显示器1的屏幕上，并测量出陡脉冲各特征参数(脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度和上升时间)。将测得的各陡脉冲参数与原来预置的参数进行比较，判断是否达到预置值：当没有达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲控制单元19调整(增大或减小)治疗参数，并回到波形采集和显示程序，再次进行参数测量和比较，重复此过程直至参数测量值与预置值相等；当参数测量值与预置值相等时，则开始计时，在该过程中，波形采集与显示程序一直都启动。将治疗时间与其预置值进行比较：当治疗时间没有达到预置值时，则计时继续进行，并继续比较治疗时间与其预置值；当治疗时间达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“治疗”指示灯熄灭，表示“治疗”结束。

(4)治疗结束

在第(3)-②步完成即操纵台2上的“治疗”指示灯熄灭后，从细胞悬液中拔出电极头，治疗结束。

治疗效果：对照组(未经陡脉冲治疗)和陡脉冲治疗组的扫描电子显微镜照片分别如图14和图15所示(均放大4000倍)。由该图可以看出，对照组细胞膜表面完整，而处理组中细胞出现直径为5μm左右的孔洞(电穿孔造成的孔洞直径一般为20～110nm)，细胞膜破裂，细胞质外喷。说明在陡脉冲作用下，细胞膜发生了剧烈的形态变化过程。可以推测这是陡脉冲对细胞膜造成不可逆性电击穿的结果。

实施例3：

如图6所示，一种陡脉冲治疗皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠的方法，利用本发明的陡脉冲治疗肿瘤装置及本申请人的公开号为CN1810318A的“正负极一体化记忆合金集束电极”，通过程序对皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠进行治疗的具体方法步骤如下：

(1)初始化

本发明陡脉冲治疗肿瘤装置开机后，初始化陡脉冲的特征参数(即脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度、上升时间和治疗时间)及程序参量(如波形采集、波形显示、计时时间等)。

(2)确定治疗参数

①制定治疗方案

第(1)步完成后，根据皮下移植人宫颈癌U₁₄的BALB/c小鼠的特点(鼠龄2个月、体重35至38克、雌性)及其肿瘤组织的具体情况(在体、恶性肿瘤、直径在1cm左右、位置为小鼠后肢下方)制定相应的治疗方案，确定陡脉冲的特征参数为：脉冲峰值40V、重复频率50Hz、脉冲宽度30μs、上升时间100ns、治疗时间30min，电极头垂直小鼠后肢下方的肿瘤组织表面插入1cm深。

②预置治疗参数

根据第(2)-①步确定的治疗参数，通过本发明装置的计算机系统32，预置陡脉冲治疗肿瘤装置的脉冲峰值为40V、重复频率为50Hz、脉冲宽度为30μs、上升时间为100ns、治疗时间为30min。

(3)进行治疗

①插入电极头

在第(2)步完成后，根据第(2)-①步确定的电极头的插入位置和深度，将电极头插入治疗的肿瘤组织中。

②进行治疗

在第(3)-①步完成后，进入键盘事件判断程序：当判断结果为“准备”时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“准备”指示灯亮，表示可以进入“治疗”；当判断结果为“治疗”时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18通过操纵台2上的陡脉冲输出接头11输出陡脉冲至外部肿瘤组织，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“准备”指示灯熄灭、“治疗”指示灯亮，表示已进入“治疗”，同时启动数据采集卡21开始采集陡脉冲波形，将陡脉冲波形实时显示在液晶显示器1的屏幕上，并测量出陡脉冲各特征参数(脉冲峰值、重复频率、脉冲宽度和上升时间)。将测得的各陡脉冲参数与原来预置的参数进行比较，判断是否达到预置值：当没有达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲控制单元19调整(增大或减小)治疗参数，并回到波形采集和显示程序，再次进行参数测量和比较，重复此过程直至参数测量值与预置值相等；当参数测量值与预置值相等时，则开始计时，在该过程中，波形采集与显示程序一直都启动。将治疗时间与其预置值进行比较：当治疗时间没有达到预置值时，则计时继续进行，并继续比较治疗时间与其预置值；当治疗时间达到预置值时，则通过输入/输出信号控制卡22控制陡脉冲发生单元18输出陡脉冲至装置内部假负载，并通过输入/输出信号控制卡22输出控制信号使操纵台2上的“治疗”指示灯熄灭，表示“治疗”结束。

(4)治疗结束

在第(3)-②步完成即操纵台2上的“治疗”指示灯熄灭后，从肿瘤组织中拔出电极头，治疗结束。

治疗效果：BALB/c小鼠后肢下方皮下移植人宫颈癌U₁₄一周后瘤体直径可达1cm左右，如图16所示。此时，对BALB/c小鼠进行陡脉冲治疗；同时设立对照组，不施加陡脉冲治疗。治疗组和对照组在同等条件下饲养，隔天测量治疗组和对照组的肿瘤尺寸，并根据式(2)计算肿瘤体积：

V＝πabc/6                              (2)

式中，a、b、c分别是肿瘤的长、宽、厚。治疗后3天，治疗组小鼠瘤体开始结痂，如图17所示；而对照组小鼠瘤体则不断增大。治疗后10天，治疗组小鼠瘤体焦痂脱落，体表皮肤组织愈合，如图18所示；而对照组小鼠瘤体则继续增大，如图19所示。取对照组每天的平均肿瘤体积制作肿瘤自然生长曲线，取治疗组每天的平均肿瘤体积制作肿瘤抑制曲线，如图20所示。从图20可以看出，陡脉冲治疗后5天对照组和治疗组肿瘤生长开始出现差异，治疗组受到抑制；随着荷瘤小鼠生存时间延长，两组肿瘤生长速度差别逐渐增加。两组t检验结果P<0.05，二者差异有显著性。在治疗组的20只小鼠中，有9只结痂脱落并完全治愈，治愈率达45％；而对照组的20只小鼠中有6只小鼠在15天内死亡，经解剖发现恶性肿瘤已在体内广泛转移。治疗组和对照组在同等条件下饲养，任其自然生存，记录小鼠死亡时间(以天为单位)，应用Kaplan-Meier氏方法制作荷瘤小鼠生存曲线，如图21所示。可以看出，荷瘤小鼠生长前15天，治疗组和对照组的生存曲线无明显差异；15天后，对照组荷瘤小鼠死亡数量增加，到第60天，对照组小鼠已全部死亡，而治疗组仍有9只生存，两组差异有非常显著性(P<0.01)。对照组荷瘤小鼠平均生存时间为33.05天，而治疗组荷瘤小鼠平均生存时间为52.05天。

结合病理组织学观察结果和透射电子显微镜观察结果，可以得出如下结论：陡脉冲治疗后的恶性肿瘤细胞受到杀伤，治疗组荷瘤小鼠的肿瘤生长受到明显抑制，治疗组荷瘤小鼠的生存期被显著延长，显示出良好的临床应用前景。

Claims (4)

1、一种陡脉冲治疗肿瘤装置，其特征在于主要包括陡脉冲发生与测控系统(7)、计算机系统(32)、电源系统(9)和操纵台(2)，其中：陡脉冲发生与测控系统(7)由陡脉冲发生单元(18)、陡脉冲控制单元(19)和陡脉冲测量前置处理单元(20)组成，陡脉冲控制单元(19)与陡脉冲发生单元(18)用导线连接，陡脉冲发生单元(18)与陡脉冲测量前置处理单元(20)用导线连接，陡脉冲发生单元(18)通过交流电源接口(17)和直流电源接口(16)用电源线(31)与电源系统(9)相连，陡脉冲控制单元(19)通过数据线接口(15)用数据线(29)与计算机系统(32)相连、通过直流电源接口(16)用电源线(28)与电源系统(9)相连，陡脉冲测量前置处理单元(20)通过同轴电缆接口(14)用同轴电缆(30)与计算机系统(32)相连、通过直流电源接口(16)用电源线(31)与电源系统(9)相连，计算机系统(32)由工业控制计算机主机(8)、液晶显示器(1)、键盘鼠标(3)、数据采集卡(21)和输入/输出信号控制卡(22)组成，液晶显示器(1)、键盘鼠标(3)与工业控制计算机主机(8)用导线连接，数据采集卡(21)插在工业控制计算机主机(8)的总线插槽里，并与陡脉冲测量前置处理单元(20)用同轴电缆(30)相连，输入/输出信号控制卡(22)也插在工业控制计算机主机(8)的总线插槽里，并与陡脉冲控制单元(19)用数据线(29)相连，电源系统(9)由隔离变压器(24)、UPS(25)、线性直流电源(27)和插线板(26)组成，输入的市电先用导线接入隔离变压器(24)，隔离变压器(24)的输出端用导线接至UPS(25)，UPS(25)的输出端用导线接至插线板(26)，插线板(26)的输出端用电源线(31)接至线性直流电源(27)、陡脉冲发生与测控系统(7)、工业控制计算机主机(8)和液晶显示器(1)，线性直流电源(27)与陡脉冲发生与测控系统(7)用电源线(31)相连，操纵台(2)由电源开关(12)、指示灯(13)和陡脉冲输出接头(11)组成，它们均与陡脉冲发生与测控系统(7)用信号线(28)相连，液晶显示器(1)装设在机柜(4)顶端，操纵台(2)装设在机柜(4)上端，在机柜(4)内从上至下依次装设有键盘鼠标(3)、陡脉冲发生与测控系统(7)、工业控制计算机主机(8)及电源系统(9)，在机柜(4)的下端四角处装设有万向轮(5)，在机柜(4)后面的上端部装设有把手(6)。

2、按照权利要求1所述的陡脉冲治疗肿瘤装置，其特征在于所产生的陡脉冲为单向指数衰减电脉冲，其脉冲峰值在0V～1000V之间连续可调、重复频率在1Hz～10kHz之间连续可调、上升时间在10ns～100ns之间连续可调、脉冲宽度在100ns～100μs之间分6级可调。

3、按照权利要求1所述的陡脉冲治疗肿瘤装置，其特征在于机柜(4)顶端的倾角根据用户需求灵活调节，操纵台(2)装设在机柜(4)上端与水平面呈22.5度夹角的斜面上，机柜(4)的四周设置有前门和后门及两个侧门，前门和后门均装设有自动锁，两个侧门结构相同，均用四个螺钉固定，其上均设置有上下两排通风孔。

4、按照权利要求3所述的陡脉冲治疗肿瘤装置，其特征在于所述的陡脉冲发生单元(18)的电路主要由市电整流滤波电路、正激变换器、脉冲整流滤波电路、取样反馈电路、电容充放电电路和陡化电路组成，二极管D11、D12、D13和D14组成整流电路，电容C11组成滤波电路，高频变压器Tr1、绝缘栅双极晶体管IGBT K11和快恢复二极管D15构成正激变换器电路，高频变压器Tr1包含铁氧体磁心和漆包线，其原边与滤波电容C11和IGBT K11相连，副边与快恢复二极管D15和模拟地相连，IGBT K11的集电极与高频变压器Tr1的原边相连，发射极与滤波电容C11相连，栅极与陡脉冲控制单元(19)相连，快恢复二极管D15的阳极与高频变压器Tr1副边的一端相连，其阴极与滤波电感L1的一端相连，高频变压器Tr1副边的另一端与模拟地相连，脉冲整流滤波电路由快恢复二极管D16、滤波电感L1和滤波电容C12组成，快恢复二极管D16的阳极与模拟地相连，其阴极与快恢复二极管D15的阴极相连，滤波电感L1的两端分别与快恢复二极管D16的阴极和滤波电容C12的正极相连，滤波电容C12的负极与模拟地相连，取样反馈电路由电阻R11和可调电阻Rw1组成，电阻R11与可调电阻Rw1串联后，再与滤波电容C12并联，并且电阻R11和可调电阻Rw1的串联点与陡脉冲控制单元(19)相连，电容充放电电路由充电电阻R12、IGBT K12、IGBT K13和电容器组构成，充电电阻R12的一端与滤波电容C12的正极和电阻R11的并联点相连，其另一端与IGBT K12的集电极相连，IGBTK12的栅极与陡脉冲控制单元(19)相连，其发射极分别与IGBT K13的集电极和电容器组的一端相连，电容器组的另一端与模拟地相连，电容器组由六个共模拟地的电容组成，通过陡脉冲控制单元(19)选择其中的一个电容为工作电容，与IGBT K12的发射极和IGBT K13的集电极相连，IGBT K13的发射极与电容C13的一端相连，其栅极与陡脉冲控制单元(19)相连，电容C13的另一端与模拟地相连，陡化电路由电容C13、陡化间隙S1和负载组成，陡化间隙S1与负载串联后，再与电容C13并联；

所述的陡脉冲控制单元(19)的PWM控制电路以集成电路SG1525AJ IC21为核心，电阻R21的一端与陡脉冲发生单元(18)中电阻R11和可调电阻Rw1的交点相连，另一端与IC21的1脚相连，电阻R22的一端与可调电阻Rw21的调节端相连，另一端与IC21的2脚相连，可调电阻Rw21的一端与IC21的16脚相连，另一端与数字地1即Gnd1相连，调节端与电阻R22相连，电容Ct2的一端与IC21的5脚相连，另一端与数字地1相连，电阻Rt2的一端与IC21的6脚相连，另一端与数字地1相连，电阻Rd2的一端与IC21的7脚相连，另一端与IC21的5脚相连，电容C21的一端与IC21的8脚相连，另一端与数字地1相连，电容C22的一端与IC21的9脚相连，另一端与电阻R23相连，电阻R23的一端与电容C22相连，另一端与IC21的1脚相连，IC21的12脚与数字地1相连，13脚与15脚都与+15V的电源Vcc1相连；

所述的陡脉冲控制单元(19)的驱动电路以集成电路TLP250 IC22为核心，其输出信号与陡脉冲发生单元(18)中三个IGBT的栅极相连，IC22的2脚与PWM控制电路中的11脚或14脚相连，电阻R24的一端与IC22的3脚相连，另一端与数字地1相连，IC22的5脚和8脚分别与-15V的电源Vee2和+15V的Vcc2相连，电阻R25的一端与IC22的6脚相连，另一端与数字地2即Gnd2相连，可调电阻Rw22的一端与IC22的6脚相连，调节端和另一端为驱动电路的输出端，与陡脉冲发生单元(18)中三个IGBT的栅极相连，稳压管Z21的阴极与驱动电路的输出端相连，阳极与稳压管Z22的阳极相连，稳压管Z22的阳极与稳压管Z21的阳极相连，阴极与数字地2相连；

所述的陡脉冲测量前置处理单元(20)的电路由脉冲电流传感器、电流-电压变换电路、放大级和工作点伺服电路组成，脉冲电流传感器包含环形微晶磁心和漆包线，陡脉冲发生单元(18)产生的脉冲电流信号从其中穿过，其副边与电容C31和模拟地相连，电流-电压变换电路由集成运算放大器A31、电阻R31和R32组成，电阻R31的一端与A31的反相输入端相连，另一端与A31的输出端相连，电阻R32的一端与A31的同相输入端相连，另一端与模拟地相连，放大级由集成运算放大器A32、电阻R33、R34和R35组成，其输出与计算机系统(2)的数据采集卡(21)相连，电阻R33的一端与A31的输出端相连，另一端与A32的反相输入端相连，电阻R34的一端与A32的反相输入端相连，另一端与A32的输出端相连，电阻R35的一端与A32的同相输入端相连，另一端与模拟地相连，工作点伺服电路由集成运算放大器A33、电阻R36、R37、R38、电容C32、C33和二极管D31、D32组成，电阻R36的一端与A32的输出端相连，另一端与A33的同相输入端相连，电容C32的一端与A33的同相输入端相连，另一端与模拟地相连，二极管D31的阳极与A33的同相输入端相连，阴极与模拟地相连，二极管D31的阴极与A33的同相输入端相连，阳极与模拟地相连，电阻R37的一端与A33的反相输入端相连，另一端与模拟地相连，电容C33的一端与A33的反相输入端相连，另一端与A33的输出端相连，电阻R38的一端与A33的输出端相连，另一端与A31的同相输入端相连。

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