CN101287519B - 利用被导引到身体内的期望位置的电场来治疗癌症的装置 - Google Patents

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Abstract

具有一定特性的电场已经显示出在阻止癌细胞(以及其它迅速分裂细胞)的生长过程中是有效的。但是，当癌症位于身体表面下的目标区域内时，传送所述有益场到所述目标区域可能是困难的。通过在身体表面和所述目标区域之间放置生物相容场导、在场导的每一个侧放置电极、以及在所述电极之间施加具有适当频率和振幅的交流电压，所述困难可被克服。这种布置使得场导将有益场导引到所述目标区域。在替换实施例中，所述电极之一被直接放置在场导上面。

Description

利用被导引到身体内的期望位置的电场来治疗癌症的装置
相关申请的交叉引用 
本申请要求2005年6月8日提交的美国临时申请第60/688,998号的优先权。 
背景技术
在这里通过引用而并入的美国专利6,868,289公开了利用具有特定特性的电场来治疗肿瘤的方法和装置。它还公开了改变在期望位置的电场强度的各种方法(见，例如图21-26)。 
本申请公开了改变电场的另外方法，以便在患者身体内的期望位置明显地增加或减小电场。这些改变能够提高治疗病变和肿瘤的质量和选择性，并提高选择性组织切除或破坏。 
图1A显示了一种布置，其中在空气16环境中，两个电极11、11’被放置在皮下组织10(例如肌肉)上方的患者皮肤15上。图1B描绘了当如图1A所示，绝缘电极11、11’被放置在所述皮肤上，并且施加100kHz交流信号到所述电极时，在空气中和肌肉组织中产生的电场的有限元模拟结果。优选的是，如在美国专利6,868,289中描述的，所述绝缘电极具有导电芯和具有高介电常数的绝缘层，并且它们被配置成通过位于所述导电芯和身体表面之间的绝缘层与身体表面接触。 
图1B(与在这里包括的所有其它场强图一样)示出了当在正好在第一电极下面的组织的近侧和正好在第二电极下面的组织的近侧之间(通过在所述电极终端之间施加足够大的电压)引入1伏交流电(测量的零至峰值)时，以mV/cm为单位的场强。在图1B的主要部分(在这里包括在其它的电场强度图)中沿着x和y轴的数字代表以厘米测量的距离。每条等位线代表从1伏峰值下降一个固定步长，并且以mV/cm为单位。注意，然而，因为所述电压在较高值处变化很快，所述等位 线一起发展形成出现实体黑色区域。 
在图1B中看到，在皮肤15上方的空气和在皮肤15下面的组织中，电场强度在接近所述电极11、11’的边缘区域中是最大的，并且电场强度随着距离迅速衰减。结果，如果一个肿瘤相对深地位于皮肤15下面，那么将有效治疗肿瘤所需的期望电场强度传送到目标区域可能是困难的。 
类似的情况存在于人脑中。图2是人脑的示意图，其中所有组织部分被给出它们的相应电属性。脑包括皮肤1、头骨2、灰质3和白质4。图3A是将所述电极11、11’放置在脑同一侧面上的皮肤表面上的示意图，并且图3B显示了在所述电极之间施加100kHz的交流电场时在那些条件下产生的电场。(电场计算以在图2中显示的脑示意图为基础通过有限元模拟来完成)。电场强度在皮肤中电极附近和脑的表面区域是最高的，而且迅速下降。值得注意的是，电场强度在脑中间附近是非常弱的(即小于20mV/cm)。 
图4A是在人脑相对侧面上放置电极11、11’的示意图，图4B显示了当所述电极之间施加100kHz的交流电场时在那些条件下产生的电场。再一次，电场计算通过有限元模拟来完成，而且再一次，电场强度在脑中间附近是非常弱的(即小于24mV/cm)。电场强度在皮肤中电极附近和脑的表面区域是最高的，而且迅速下降，使得在脑中心场强较低。因此，对于任何肿瘤或病变的电场治疗效果在距表面或电极一段距离将会相应地减弱。 
发明内容
生物相容场导被放置在身体表面和所述表面下方的目标区域之间。在所述场导的每一侧上放置电极，并且在所述电极之间施加具有适当频率和振幅的交流电压，使得所述场导传送电场到目标区域。在一个替换实施例中，电极之一被直接放置在所述场导的上面。 
根据本发明的一个方面，公开了一种用于阻止位于身体表面下的目标区域内的快速分裂细胞的生长的装置，所述装置包括：生物相容场导，具有(a)第一端、(b)第二端、以及(c)远大于或远小于所述身体的阻抗的阻抗，其中，所述第二端放置在身体表面下并与所述目标区域相邻，以及所述第一端放置在所述身体表面附近或上面，并且其中所述第二端比所述第一端更深地放置在所述身体表面下；第一电极，在所述场导的第一侧放置在所述身体表面上；第二电极，在所述场导的第二侧放置在所述身体表面上，其中第二电极与第一电极放置在身体的同一侧；以及交流电压源，配置成在所述第一电极和第二电极之间产生交流电压，其中，所述交流电压的频率、振幅和所述场导的阻抗具有导致在所述目标区域内形成阻止所述快速分裂细胞的生长的电场的值。
根据本发明的另一个方面，公开了一种用于阻止位于身体表面下的目标区域内的快速分裂细胞的生长的装置，所述装置包括：生物相容场导，具有(a)第一端、(b)第二端、以及(c)远大于或者远小于所述身体的阻抗的阻抗，其中，所述第二端放置在身体表面下并与所述目标区域相邻，以及所述第一端放置在所述身体表面附近或上面，并且其中所述第二端比所述第一端更深地放置在所述身体表面下；第一电极，直接在所述场导上面放置在所述身体表面上；第二电极，离开所述场导的一侧放置在所述身体表面上，其中第二电极与第一电极放置在身体的同一侧；以及交流电压源，配置成在所述第一电极和第二电极之间产生交流电压，其中，所述交流电压的频率、振幅和所述场导的阻抗具有导致在所述目标区域内形成阻止所述快速分裂细胞的生长的电场的值。 
附图说明
图1A是被放置在目标区域上方的患者皮肤上的两个电极的示意图。 
图1B示出源自图1A的布置的电场。 
图2是人脑的示意图； 
图3A是放置在所述脑的同一侧上的两个电极的示意图。 
图3B示出源自图3A的布置的电场。 
图4A是放置在所述脑的相对侧上的两个电极的示意图。 
图4B示出源自图4A的布置的电场。 
图5A和5B分别是使用实心绝缘棒的本发明第一实施例的截面图和俯视图。 
图6A示出源自图5的布置的电场。 
图6B是图6A的中心的放大图。 
图7A示出使用空心绝缘棒的第二实施例的电场。 
图7B是图7A的中心的放大图。 
图8A示出当添加导电胶时第三实施例的电场。 
图8B是图8A的中心的放大图。 
图9A示出使用空心导电棒的第三实施例的电场。 
图9B是图9A的中心的放大图。 
图9C描绘了6个空心金属管场导的一组场强图。 
图10A示出源自使用实心导电棒的电场。 
图10B是图10A的中心的放大图。 
图11A和11B分别是使用实心绝缘块的本发明第四实施例的切面图和俯视图。 
图12A示出源自图11的布置的电场。 
图12B是图12A的中心的放大图。 
图13A示出第五实施例使用空心导电珠时的电场。 
图13B是图13A的中心的放大图。 
图14示出第六实施例的电场，其中，导电胶被放置在两个电极之间的皮肤表面上。 
图15示出替换布置的电场，其中棒状场导被直接放置在电极之一的下面。 
图16示出将场导引到目标区域而不穿过重要器官的弯曲场导。 
具体实施方式
本发明人认识到可以使用适当场导将场导引到患者身体内的期望位置。 
在本发明的一些实施例中，绝缘构件被引入介质或组织内的位置，使得所述构件在给定介质中充当场导(FG，Field Guide)。虽然例如棒、管、棍或线的细长形状是优选的，但是其它形状(例如片或板)也可以被使用。在这些实施例中，所述场导的电阻抗ZFG远高于介质的电阻抗(ZFG＞＞ZM)。例如，所述场导可以由诸如塑料(例如聚苯乙烯、PVC、聚四氟乙烯)、硅树脂、橡胶等的电绝缘材料制造，而所述介质是组织(例如肌肉)。具有极高介电常数(见专利‘289的电极绝缘)的绝缘体比那些具有低介电特性的优选。为了在医学应用中使用，所述场导应当优选地由生物相容材料制造。可选地，所述场导可以由生物可降解材料制造，只要电特性保持如这里所描述的。 
图5A和5B是第一实施例的切面图和俯视图，其中绝缘棒12被插入一对绝缘电极11、11’之间的组织10内。FG棒12的上端正好位于皮肤15下面。所述棒的优选直径在大约0.5mm和大约10mm之间，但是也可以使用在该范围以外的直径。 
图6A示出当5cm长、直径3cm、具有比所述组织的阻抗大4-6个数量级的阻抗、并且介电常数大约为2-3的实心塑料制造的绝缘FG棒12被插入所述绝缘电极对11、11’之间的组织10内时，在所述组织内产生的电场的有限元模拟。所述电极的上(近)端位于皮肤表面上，并且在所述电极之间施加100kHz的交流电压。图6B是图6A的中心的放大部分，以便更详细地显示所述场。正如在图6A和图6B中看到的，正好在棒12下面的场强高得多。这样，通过插入FG，使其正好位于期望目标位置的上面，所述场连同所述场的相应有益效果(如在专利‘289中描述)被导引到期望位置。 
第二实施例类似于第一实施例，除了使用空心绝缘棒12来代替第一实施例的实心绝缘棒12之外。本例中的棒的外径是3mm，内径是2.5mm，并且也是5cm长。图7A示出所述第二实施例电场的有限元模拟，图7B示出图7A的中心的放大图。在这里再一次，正好在棒下面的 场强高得多。我们因此看到，空心绝缘FG也能被用来引导场到期望位置。 
可选地，导电胶可以被放置在所述绝缘电极之间的区域中的皮肤表面上。图8A显示了当导电胶展开在两个电极11、11’之间的皮肤上时，第二实施例(使用空心绝缘棒12)的电场的有限元模拟，以及图8B示出图8A的中心的放大图。在这里再一次，正好在棒下面的场强高得多。此外，电极之间正好在所述胶下面的皮肤15表面下的区域的场也更强。注意，与本实施例有关的所述导电胶也可以被用在这里所述的其他实施例中，具有类似的结果。 
在第三实施例中，使用空心导电棒来代替所述第二实施例的空心绝缘棒。在这第三实施例中，所述FG的电阻抗ZFG远低于介质的电阻抗ZM(ZFG＜＜ZM)。例如，FG可以由诸如金、不锈钢、钛等的金属制造，而所述介质是组织(例如肌肉)。图9A示出使用空心导电棒12的所述第三实施例的电场的有限元模拟，以及图9B示出图9A的中心的放大图。在这里再一次，正好在棒12的下面场强高得多。因此我们看到，空心导电FG也可以用于引导场到期望位置。 
图9C描绘了6个不同直径的空心金属管FG(每一个长5cm)一组场强图，再加上第7个平坦的没有使用FG的情况下的场强图。每个图描绘了管深处的场强作为距管顶中心的水平距离的函数如何变化。在图9C中看到，最宽的图对应于内径5mm的管，以及陆续变窄的图分别对应于内径4、3、2、1和0.5mm的管。在所描绘的图之间，在FG顶中心的最大场强出现于内径2mm的管。 
在替换实施例中(没有示出)，场导可以是复合结构，例如涂有绝缘层或生物相容材料层的空心金属棒。在其它替换实施例中，替代把所述棒埋入组织内一定深度使棒顶正好位于所述患者皮肤表面下面，也可以使用穿过所述皮肤突出的棒，而具有相似有效程度。在那些实施例中，建议采取恰当的预防措施来降低感染的风险。 
在上述的实施例中，看到FG有效地运载场到组织深部内。与此相反，如果使用实心导电棒12，如在图10A和10B的有限元模拟所示的， 电场不会被引导到棒底下面。 
图11A和11B是本发明第四实施例的切面图和俯视图。在本实施例中，短的绝缘实心FG珠22被插入正好在两个绝缘电极11、11’之间的皮肤15下面。适合于上述与第一实施例有关的绝缘FG棒12的相同材料也适合于本绝缘珠22。在本实施例的图解范例中的珠是1cm长而且外径是1cm的圆柱体。其他形状的珠(例如立方体)也可以同样被使用。 
图12A示出当所述绝缘珠22被插入皮肤下面到所述绝缘电极对11、11’之间的组织10内时，在所述组织中产生的电场的有限元模拟。所述电极位于皮肤表面上，并且在所述电极之间施加100kHz的交流电压。图12B是图12A的中心的放大部分，以更详细地示出电场。正如在图12A和图12B中看到的，在皮肤表面下面的电场强度比如在图1A和图1B中显示的没有FG时要高。本实施例因此对于将场导引到诸如恶性黑素瘤皮肤病变或乳腺癌皮肤转移等等的浅肿瘤中是有用的。 
图13A和13B示出在其中先前实施例的绝缘珠22被空心导电珠代替的第五实施例中，在组织中产生的电场的有限元模拟的正常图和放大图。在本实施例中，在皮肤表面下面的场强比如在图1A和图1B中显示的当没有FG时要高。该第五实施例因此对导引场到浅的肿瘤中也是有用的。 
图14图解了第六实施例，其中导电FG平行于皮肤表面被放置在所述绝缘电极11、11’之间的皮肤上。在本图解的实施例中，所述导电FG是导电胶，导电胶被展开在所述电极下面和电极之间的区域中的连续层中的皮肤上。优选的是，所述胶具有高导电性，并在长期时间是周期生物相容的。一种合适的胶是AG603水凝胶，可从AmGel Technologies，1667S.Mission Road，Fallbrock，CA 92028-4115，USA获得。与没有导电胶的例子对比(见图1B中)，在所述两个电极11、11’之间的区域中的皮肤15和皮下组织10中的电场有显著增强。 
在上述各种实施例中，代替如在图5-9中放置FG在所述电极之间，FG棒或珠(或者可以是实心绝缘的，空心绝缘的，或者空心导电 的，如上所述)被直接放置在所述绝缘电极之一11的下面。图15示出这种构造的电场的有限元模拟。再一次，正好在FG下面的场强比如在图1B中所示的当没有使用FG时在相应深度的场强高得多。 
虽然在图1-10中描绘了直FG，但是别的形状可以在替换实施中被使用，如适于肿瘤附近的解剖。在图16中，例如使用弯曲的FG 52绕过重要器官13(为了避免用直FG刺穿所述器官13)到达目标区域14。类似于单纤维丝鱼线的细柔性FG也可以被使用，在这种情况下，可以使用适合于解剖区域的导引装置将其穿入期望位置。 
表面FG可以被放置在皮肤表面上、表面下、穿过皮肤或者是上述的组合。所述表面导电FG可以是胶片、金属片、棒管等等。利用皮下注射针、导管类导入装置、切口等等，所述FG可被插入并移动到位。可选地，有源电极、表面FG和内部FG的组合可以根据需要被使用，从而获得期望的场。 
虽然在增加所述组织中一定位置的场强的上下文中阐明了上述实施例，但是，所述FG的副作用是在其它区域场强被减弱。能够利用这种状况使用FG来产生具有较低场强的区域，从而避免作用、刺激或加热身体或组织内的敏感区域。这提供了保护敏感区域的能力，而不依靠环绕元素的封闭或局部封闭导体的屏蔽效果(例如环绕敏感器官的导电网，如在专利‘289中描述的)。通过延伸图6、7和9的横截面到三维空间，可以想象产生戒指或环状物形状的减弱场区域的例子，在此例中低场区域围绕FG是明显的(做为与如在图1B中显示的当没有FG时的较高场强的对比)。 
所述FG的使用能够增加治疗位于许多体内深处位置的肿瘤或病变的功效，所述位置包括例如脑、肺、结肠、肝、胰腺、乳房、前列腺、卵巢等等。最佳频率和场强将取决于被治疗的特定问题而变化。对于许多种癌症，频率在100kHz至300kHz之间、场强在1至10V/cm之间已经被示出是有帮助的。包括B16F1黑素瘤的例子，易受120kHz场的影响；以及F-98神经胶质瘤易受150和250kHz之间的场的影响。见E.D.Kirson 等人的Disruption of Cancer Cell Replication by  Alternating Electric Fields，Cancer Research 64，3288-3295，May 1，2004，其在这里通过引用而并入。 

Claims (54)

1.一种用于阻止位于身体表面下的目标区域内的快速分裂细胞的生长的装置，所述装置包括：
生物相容场导，具有(a)第一端、(b)第二端、以及(c)远大于或远小于所述身体的阻抗的阻抗，其中，所述第二端放置在身体表面下并与所述目标区域相邻，以及所述第一端放置在所述身体表面附近或上面，并且其中所述第二端比所述第一端更深地放置在所述身体表面下；
第一电极，在所述场导的第一侧放置在所述身体表面上；
第二电极，在所述场导的第二侧放置在所述身体表面上，其中第二电极与第一电极放置在身体的同一侧；以及
交流电压源，配置成在所述第一电极和第二电极之间产生交流电压，其中，所述交流电压的频率、振幅和所述场导的阻抗具有导致在所述目标区域内形成阻止所述快速分裂细胞的生长的电场的值。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导具有细长形状。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是弯曲的。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是直的。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是棒、棍或线。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是细柔性单纤维丝。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是实心绝缘棒。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是空心绝缘棒。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是珠。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是实心绝缘珠。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是空心绝缘珠。
12.如权利要求9所述的装置，其中，所述珠是圆柱体或立方体。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导的阻抗远高于所述身体的阻抗。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述场导的阻抗比所述身体的阻抗大4-6个数量级。
15.如权利要求13所述的装置，其中，所述场导由电绝缘材料制造。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述场导由塑料、硅树脂或橡胶制造。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述塑料是聚苯乙烯、PVC、或聚四氟乙烯。
18.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是空心导电棒。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述场导由金属制造。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述金属是金、不锈钢或钛。
21.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导是空心导电珠。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述场导由金属制造。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述金属是金、不锈钢或钛。
24.如权利要求1所述的装置，其中，所述场导由生物可降解材料制造。
25.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二电极每一个都具有导电芯和具有高介电常数的绝缘层，并且其中，所述第一和第二电极适于通过位于所述导电芯和身体表面之间的绝缘层与身体表面接触。
26.如权利要求1所述的装置，其中，所述交流电压的频率在100kHz和300kHz之间。
27.如权利要求26所述的装置，其中，所述目标区域内的电场的场强大于1V/cm。
28.一种用于阻止位于身体表面下的目标区域内的快速分裂细胞的生长的装置，所述装置包括：
生物相容场导，具有(a)第一端、(b)第二端、以及(c)远大于或者远小于所述身体的阻抗的阻抗，其中，所述第二端放置在身体表面下并与所述目标区域相邻，以及所述第一端放置在所述身体表面附近或上面，并且其中所述第二端比所述第一端更深地放置在所述身体表面下；
第一电极，直接在所述场导上面放置在所述身体表面上；
第二电极，离开所述场导的一侧放置在所述身体表面上，其中第二电极与第一电极放置在身体的同一侧；以及
交流电压源，配置成在所述第一电极和第二电极之间产生交流电压，其中，所述交流电压的频率、振幅和所述场导的阻抗具有导致在所述目标区域内形成阻止所述快速分裂细胞的生长的电场的值。
29.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导具有细长形状。
30.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是弯曲的。
31.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是直的。
32.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是棒、棍或线。
33.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是细柔性单纤维丝。
34.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是实心绝缘棒。
35.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是空心绝缘棒。
36.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是珠。
37.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是实心绝缘珠。
38.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是空心绝缘珠。
39.如权利要求36所述的装置，其中，所述珠是圆柱体或立方体。
40.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导的阻抗远高于所述身体的阻抗。
41.如权利要求40所述的装置，其中，所述场导的阻抗比所述身体的阻抗大4-6个数量级。
42.如权利要求40所述的装置，其中，所述场导由电绝缘材料制造。
43.如权利要求42所述的装置，其中，所述场导由塑料、硅树脂或橡胶制造。
44.如权利要求43所述的装置，其中，所述塑料是聚苯乙烯、PVC或聚四氟乙烯。
45.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是空心导电棒。
46.如权利要求45所述的装置，其中，所述场导由金属制造。
47.如权利要求46所述的装置，其中，所述金属是金、不锈钢或钛。
48.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导是空心导电珠。
49.如权利要求48所述的装置，其中，所述场导由金属制造。
50.如权利要求49所述的装置，其中，所述金属是金、不锈钢或
钛。
51.如权利要求28所述的装置，其中，所述场导由生物可降解材料制造。
52.如权利要求28所述的装置，其中，所述第一和第二电极的每一个都具有导电芯和具有高介电常数的绝缘层，并且其中，所述第一和第二电极适于通过位于所述导电芯和所述身体表面之间的绝缘层与所述身体表面接触。
53.如权利要求28所述的装置，其中，所述交流电压的频率在100kHz和300kHz之间。
54.如权利要求53所述的装置，其中，所述目标区域内的电场的场强大于1V/cm。
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