CN106388932B

CN106388932B - 不可逆电穿孔设备

Info

Publication number: CN106388932B
Application number: CN201610545618.5A
Authority: CN
Inventors: 姚陈果; 孙颖浩; 王海峰; 董守龙
Original assignee: Shanghai Rui Rui Medical Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Rui Rui Medical Technology Co Ltd
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: CN106388932A; WO2018010659A1; CN109661210B; CN109661210A

Abstract

本申请涉及不可逆电穿孔设备，其包括：脉冲形成装置，其被配置为产生双极性脉冲；和电极，其被配置为从脉冲形成装置接收双极性脉冲并适于将双极性脉冲施加到生物组织。其中，双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔。根据本申请的实施方式的双极性脉冲可以有效地增加消融电场的均匀性，并且双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔，从而减小消融盲区。

Description

不可逆电穿孔设备

技术领域

本申请涉及不可逆电穿孔设备，更具体地，本申请涉及用于在生物组织的细胞上产生不可逆穿孔从而消融生物组织的设备以及生物组织消融方法。

背景技术

癌症是危害人类健康的主要疾病。肿瘤的传统疗法以及新近发展起来的以微创消融为特征的热消融物理疗法，由于受适应症、禁忌症、治疗副作用、热效应等因素的限制，使得其临床应用存在一定的局限性。近年来，随着脉冲生物电学的不断发展，电场脉冲以其非热、微创的生物医学效应引起了研究人员的关注，而其中的不可逆电穿孔治疗肿瘤以其快捷、可控、可视、选择性和非热机理等的优势和特色更是引起国内外生物电学领域研究人员的广泛关注，并逐渐应用于肿瘤的临床治疗。

发明内容

然而，虽然不可逆电穿孔技术在国内外的临床应用中取得了令人振奋的治疗效果，但是由于生物组织的复杂性导致了组织中实际电场分布不均匀，使得肿瘤组织不能够完全被不可逆电穿孔有效电场覆盖，导致在临床试验中有部分患者需要二次或多次重复治疗。因此，如果能探寻到一种能在生物组织中实现电场均匀分布的电场脉冲消融方法就成为解决上述困扰临床医生和患者难题的关键，将有力地促进不可逆电穿孔治疗肿瘤技术在临床的推广应用。

因此，本申请针对上述问题中的至少一个提出了以下方面。

本申请的一个方面涉及一种不可逆电穿孔设备，其包括：脉冲形成装置，其被配置为产生双极性脉冲；和电极，其被配置为从脉冲形成装置接收双极性脉冲并适于将双极性脉冲施加到生物组织。其中，双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔。

本申请的另一个方面涉及一种生物组织消融方法，包括以下步骤：根据待消融的生物组织来确定待施加的双极性脉冲，该双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔；产生具有所设置的参数的双极性脉冲；将所产生的双极性脉冲施加到待消融的生物组织。

根据本申请的实施方式的双极性脉冲可以有效地增加消融电场的均匀性，并且双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔，从而减小消融盲区。

附图说明

图1是根据本申请的第一实施方式的不可逆电穿孔设备的示意图。

图2是由根据本申请的第一实施方式的不可逆电穿孔设备形成的双极性脉冲的示意图。

图3是根据本申请的第一实施方式的脉冲产生单元12的构造的示意图。

图4是根据本申请的第二实施方式的双极性脉冲的波形图。

图5是根据本申请的第三实施方式的不可逆电穿孔设备的示意图。

图6是根据本申请的生物组织消融方法的示意流程图。

图7是对兔肝脏组织的细胞进行消融实验的结果的示意图，其中，图7的(A)是施加传统单极性脉冲的结果的放大图，图7的(B)是施加根据本申请的实施方式的双极性脉冲的结果的放大图。

图8是对兔肝脏组织的细胞进行消融实验的结果的示意图，其中图8的(A)是施加脉冲宽度为1μs的双极性脉冲的结果的放大图，图8的(B)是施加脉冲宽度为5μs的双极性脉冲的结果的放大图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

1、第一实施方式

根据该实施方式的不可逆电穿孔设备1包括脉冲形成装置10和电极20。该脉冲形成装置10用来产生根据本实施方式的不可逆电穿孔设备1所需的脉冲，电极20用来从脉冲形成装置10接收所产生的脉冲，并将所产生的脉冲施加到生物组织的细胞，诸如肿瘤细胞。

根据本申请的实施方式的脉冲形成装置10包括电源11、脉冲产生单元12、控制单元13和用户界面14等。电源11用来为不可逆电穿孔设备1以及其中的各个单元供电。脉冲产生单元12用来产生根据本实施方式的不可逆电穿孔设备1所需的脉冲。控制单元13用来对不可逆电穿孔设备1的各个单元的操作进行控制和监测。用户界面14用来提供用户输入、监视不可逆电穿孔过程和显示不可逆电穿孔结果等。

控制单元13可以至少部分以数字电子电路、模拟电子电路或者计算机硬件、固件、软件或其组合来实施。控制单元13可以实施为特定目的逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)。另外，控制单元13可以实施作为计算机程序产品，即，有形地嵌入信息载体，例如机器可读存储设备或者产生的信号至的计算机程序，可由数据处理装置，例如可编程处理器、计算机或多计算机执行或控制操作。计算机程序可以以任何编程语言编写，包括编辑或编译语言，并且其可以以任何形式布置，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子例程或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以布置为在一个地点或分布在多个地点处的一个计算机上或者多个计算机上执行并且由通信网络互联。并且，控制单元13还可以包括存储器等，用来存储用户设置、各个参数以及监测结果等。

用户界面14用于输入命令和显示状态、信息等，并且可以包括各种输入/输出设备。例如，输入设备可以使用触摸屏、小键盘或全键盘，并且包括各种输入接口、磁盘驱动器等。输出设备包括各种视觉、听觉、触觉输出设备，例如，显示器、LED灯、振动器等。

下文中对由根据本实施方式的脉冲产生单元12产生的脉冲进行说明。

当在生物组织的细胞膜上施加强脉冲时，在强脉冲所产生的强电场的作用下，在细胞膜上建立起的足够大的跨膜电位分布，从而在细胞膜的磷脂双分子层上产生纳米量级的小孔，并且通过该小孔可以输送分子进出细胞膜，即，发生电穿孔。在电穿孔对细胞膜的伤害较小的情况下，当电脉冲停止时，小孔关闭并且细胞可以存活，这样的情况被称作为可逆性电穿孔(Reversible electroporation，RE)。而当电穿孔对细胞膜的伤害达到一定程度之后，细胞内物质通过小孔泄漏过度严重或是小孔的关闭过度缓慢，对细胞造成不可逆的伤害，从而使得细胞因此自然凋亡，而不是其他消融系统通过热能或是辐射造成的坏死，这样的情况被称作为不可逆电穿孔(Inreversible electroporation，IRE)。

本申请的发明人认识到，生物组织的细胞的细胞膜存在约-90mV的静息跨膜电位，因此，当对生物组织的细胞施加单一极性电脉冲时，由于细胞膜的静息跨膜电位的存在，由单一极性的电脉冲在细胞膜上建立起的跨膜电位分布可能是不均匀的。这样的不均匀可能导致当细胞的细胞膜的部分区域的跨膜电位超过不可逆电穿孔阈值时，细胞膜的其余大部分区域的跨膜电位仍然未能达到不可逆电穿孔阈值，使得跨膜电位未能达到不可逆电穿孔阈值的细胞膜区域不会形成不可逆电穿孔。另外，电穿孔过程存在随机性，即，即使细胞膜的某一区域的跨膜电位达到了不可逆电穿孔阈值，细胞膜的该区域也不一定能发生完全的不可逆电穿孔。因此，由于细胞膜的静息跨膜电位的存在，使得细胞膜的跨膜电位超过不可逆电穿孔阈值的区域变得不均匀，这将极大地降低使单个细胞的细胞膜发生不可逆电穿孔的概率，从而导致通过施加单一极性的脉冲来进行不可逆电穿孔时可能存在消融盲区。另外，考虑到实际生物组织中的细胞的形态是不规则的，而非简单的球形，所以细胞膜的静息电位对细胞整体产生不可逆电穿孔效率的影响会更加严重。

本申请的发明人在进行以上考虑之后，提出了本申请的不可逆电脉冲消融设备，其中，采用了双极性脉冲，该双极性脉冲的总脉冲宽度和由该双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔。总脉冲宽度指的是正极性脉冲和负极性脉冲的高电平时间之和，而由该双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度指的是通过电极施加正极性脉冲和负极性脉冲而在生物组织中产生的电场强度。由该双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度可以根据所施加的脉冲的幅值、用于施加脉冲的电极的构造和电极间距离以及生物组织的电导率、介电常数等来确定。本申请中提到的“双极性脉冲的总脉冲宽度和由该双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔”指的是在施加产生该电场强度和总脉冲宽度的电压脉冲时，能够在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔，从而使得该细胞最终死亡。在本申请的实施方式中，通过施加上述双极性脉冲，避免了在施加单一极性电场脉冲时，由于细胞膜静息电位的存在导致的跨膜电位超过不可逆电穿孔阈值的分布不均匀问题，从而使细胞膜大部分区域达到不可逆电穿孔阈值跨膜电位，提高单个细胞发生不可逆电穿孔概率，最大限度地减小了消融盲区。

针对不同类型的生物组织，足以在细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲总脉冲宽度和由该双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度可能存在区别。

根据本申请的发明人针对不同的细胞、生物组织和动物进行实验的结果，足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度例如在1.5kV/cm以上，总脉冲宽度例如在50μs以上。另外，考虑到生物组织对于高电压脉冲的承受能力以及治疗过程中的舒适程度，一般来说，所施加的双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度例如可以在3kV/cm以下，总脉冲宽度例如可以在150μs以下。

根据生物电介质理论，细胞可以等效为膜电容与离子电导构成的电容、电阻串联模型。在本申请的实施方式中，本申请的发明人将一阶电路阶跃响应的特征应用到生物电介质细胞模型，发现在对生物组织的细胞施加电脉冲时，在充电时间常数的4～5倍的充电持续时间之后，细胞就能达到稳定的充电状态，从而在细胞膜上产生较强的不可逆电穿孔效应以达到较好的组织消融效果。因此，在本申请的一个实施方式中，单个正极性和负极性脉冲的脉冲宽度至少为生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍。例如，对于充电时间常数为1μs左右的细胞膜，单个正极性和负极性的脉冲的脉冲宽度都至少为约5μs。通过将单个正极性和负极性脉冲的脉冲宽度设置为生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍以上，可以避免过度减小脉冲宽度导致的消融效果下降的问题，从而减小消融盲区。另外，同样考虑到生物组织对于高电压脉冲的承受能力以及治疗过程中的舒适程度，以及治疗过程中发热等情况，一般来说，正极性和负极性的脉冲的脉冲宽度例如可以在约50μs以下。

在改变单个正极性和负极性脉冲的脉冲宽度的同时，为了保证总脉冲宽度足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔，需要相应地改变正极性脉冲和负极性脉冲的个数，以将双极性脉冲的总脉冲宽度基本保持在所需值。

在本申请的实施方式中，双极性脉冲的总脉冲宽度，即，正极性和负极性的脉冲的脉冲宽度之和，可以与传统的单极性脉冲的不可逆电穿孔设备中的单个脉冲的脉冲宽度相当。例如，在传统的单极性脉冲的不可逆电穿孔设备中，单个脉冲的脉冲宽度的典型值为100μs，参考该参数，在本申请的实施方式中正极性和负极性的脉冲的脉冲宽度之和可以为100μs。通过参考传统的单极性脉冲的不可逆电穿孔设备的参数，可以保持不可逆电穿孔典型脉冲电场的参数特征，使得更容易将传统现有技术中的参数应用到本申请的实施方式中。

另外，为了保证不可逆电穿孔的效果，根据本申请的实施方式的双极性脉冲可以被重复施加多次。例如，在本申请的一个实施方式中，双极性脉冲可以周期性地例如每1秒施加一次并重复施加例如90个周期。本领域技术人员也可以认识到，可以根据具体情况来非周期性地产生任意次数的双极性脉冲。

图2是由根据本申请的第一实施方式的不可逆电穿孔设备1形成的双极性脉冲的示意图。

图2的(A)示出了其中正、负极性的脉冲交替施加的情况，而图2的(B)示出了其中先施加正极性的脉冲，再施加负极性的脉冲的情况。如图2所示，在本申请的该实施方式中，总脉冲宽度为正、负极性的脉冲宽度之和，即正、负极性的脉冲宽度与正、负极性的脉冲个数的乘积，并且总脉冲宽度可以被设置为100μs。从图2中可以看出，在本申请的实施方式中，为了便于说明和解释的目的，所采用的双极性脉冲为双极性方波脉冲。

但是，由于不同的生物组织的性质(例如，生物组织的类型、在身体上所处位置、整体形状、组织微环境，以及构成细胞的类型、形状、含水率、电解质浓度、电导率、介电常数等)之间存在较大差异，所以针对不同的生物组织等的具体情况，可以对双极性脉冲的参数进行适当地设置。

因此，本领域技术人员可以认识到，在本申请的实施方式中正极性和负极性的脉冲的脉冲宽度之和不一定要参考传统的单极性脉冲的不可逆电穿孔设备的参数，而是可以根据具体情况来适当地设置。例如，总脉冲宽度可以被设置为50μs到150μs的范围中的各个数值，例如，50μs、60μs、70μs、80μs、90μs、100μs、110μs、120μs、130μs、140μs和150μs等。

另外，本领域技术人员还可以认识到，在本申请的实施方式中所施加的正极性和负极性脉冲的排列方式不仅仅局限于图2的(A)和(B)中示出的两种排列方式，而是可以根据具体情况来适当地设置。例如，正极性和负极性的脉冲不需要交替施加，而是可以以任意顺序施加等。

另外，本领域技术人员还可以认识到，在本申请的实施方式中正极性和负极性脉冲的个数的比率不一定是1:1的关系，而是可以根据具体情况来适当地设置，只要向生物组织施加的脉冲既包括正极性脉冲又包括负极性脉冲即可。例如，正极性和负极性脉冲的个数的比率可以是在1:2到2:1的范围中的任意数值，例如，1:2、2:3、4:5、1:1、5:4、3:2、2:1等。

因此，在本申请的实施方式中，可以针对生物组织施加脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度足够使得生物组织的细胞膜产生不可逆电穿孔的若干双极性脉冲，此时所产生电场可充分作用于细胞膜使其发生不可逆电穿孔，使得电场对于生物组织的每个细胞而言分布得更加均匀，从而减小消融盲区。

图3是根据本实施方式的脉冲产生单元12的构造的示意图。脉冲产生单元12包括储能元件121和开关电路122。储能元件121储存由电源11提供的能量，并通过开关电路122将能量释放给电极20。开关电路122被配置为按照用户设定的脉冲宽度、脉冲间隔以及脉冲个数，以脉冲形式进行相应的开关动作，从而产生所需的脉冲波形。开关电路122的一个示例为全桥电路，通过控制全桥电路中的开关的断开和接通的状态、顺序、频率以及次数等，可以形成所需要的正极性的脉冲和负极性的脉冲。当然，根据本申请的实施方式的开关电路122也可以操作来产生单极性的电脉冲。

通过本申请的实施方式，通过施加高场强的电场脉冲作用与生物组织，诱导细胞膜出现不可逆电穿孔，从而导致细胞死亡，同时，具有快捷(治疗施加脉冲时间仅为几十秒，全过程也仅需几分钟)，可控(治疗参数可通过三维建模电场计算获取，治疗范围精确、安全)，可视(治疗过程可在超声/CT/MRI引导下完成，疗效可通过超声/CT/MRI评估)，可选择性(不损伤消融区的胆管，血管及神经等)和非热机理(无热效应，可克服热疗法带来的‘热损伤’与‘热沉’)的优点。

进一步地，通过施加脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲，可以使得细胞膜充分完成不可逆电穿孔过程，并且大大改善脉冲电场在细胞及组织中的分布均匀性，可以突破细胞膜的静息电位、电容效应以及生物组织各向异性带来的内部电场分布不均匀的障碍，实现目标组织区域实现不可逆电穿孔剂量的电场有效覆盖，从而解决了不可逆电穿孔临床应用的消融盲区的问题。

进一步地，通过将正极性和负极性脉冲的脉冲宽度设置为至少为生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍，可以避免过度减小脉冲宽度所导致的消融效果下降的问题，从而减小消融盲区。

2、第二实施方式

以下描述本申请的第二实施方式。

在通过不可逆电穿孔技术消融技术治疗例如癌症等疾病时，越来越将患者的舒适程度等作为重要的内容进行考虑。因此，在对人体等活体生物组织进行不可逆电穿孔消融治疗时，除了考虑减小消融盲区之外，还可以考虑人体的承受能力、舒适程度以及消融区域的发热情况等。

有鉴于此，在本申请的实施方式中，可以适当地减小每个极性的脉冲的脉冲宽度，并且在一些情况下，可以将每个极性的脉冲的脉冲宽度设置为约等于被消融的生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍，从而保证了在减小了消融盲区的同时，减少给患者带来的痛苦感和不适感。

在本申请的第二实施方式中，可以将由不可逆电穿孔设备形成的每个极性的脉冲的脉冲宽度限定为约5μs。图4是根据本申请的第二实施方式的双极性脉冲的波形图。

相比于传统的单极性脉冲不可逆电穿孔消融技术，本申请的该实施方式有利地在保证消融效果的同时尽可能地缩短每个极性的脉冲的脉冲宽度，进一步减少了给患者带来的痛苦感和不适感。

3、第三实施方式

以下描述本申请的第三实施方式。

图5是根据本申请的第三实施方式的不可逆电穿孔设备2的示意图。

在该实施方式中，如图5所示的不可逆电穿孔设备2与如图1所示的不可逆电穿孔设备1的区别在于脉冲形成装置10还可以包括脉冲测量单元15。

脉冲测量单元15被配置为测量由脉冲产生单元12产生的脉冲的参数，并将所获得的参数提供给控制单元13。脉冲测量单元15所测量的脉冲的参数可以包括例如：脉冲的幅值、脉冲的极性、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数以及脉冲串个数等。控制单元13可以监视将所获得的参数并可以将所获得的参数通过用户界面14提供给用户。

之后，控制单元13可以自动地或在用户的控制下根据需要对脉冲产生单元12进行相应的调节，从而确保输出脉冲参数的准确性。

4、第四实施方式

本申请的另一个方面涉及一种生物组织消融方法。利用本申请的不可逆电穿孔设备，使用消融电极通过相应的程序对患者的生物组织进行消融。

图6是根据本申请的生物组织消融方法的示意流程图。

首先，在步骤S101处，确定用于待消融的生物组织的消融参数。消融参数包括消融电极的选择以及消融脉冲参数的确定。对于消融电极来说，例如，对于体表的生物组织，可以选择使用夹板式电极或吸附式电极，对于体内的生物组织，可以选择使用针式电极。针式消融电极可以是1个两极电极针、两个电极针、三个电极针以及多个电极针。另外，可以根据被消融生物组织的位置和形状等来选择消融电极的形状和配置方式。消融电极的配置方式例如包括：消融电极的插入位置、插入深度以及暴露长度等。对于消融脉冲参数来说，可以根据待消融的生物组织的性质来确定包括例如：脉冲的幅值、脉冲的极性、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲个数以及脉冲串个数等。另外，本领域技术人员可以理解，根据所使用的电极的形状和配置方式、电极间的距离、所采用的消融脉冲的参数以及估计或测量得到的待消融的生物组织的电导率、介电常数，可以计算出由所施加的双极性脉冲在待消融的生物组织中产生的电场强度。消融脉冲的参数的范围参见本说明书上文中的讨论，在此不再进行重复。

之后，在步骤S102处，在不可逆电穿孔设备中设置在步骤S101中确定的用于待消融的生物组织的消融参数，将所确定的消融参数通过用户界面14等提供给控制单元13，以便在控制单元13的控制下，通过所设置的参数的双极性脉冲对生物组织进行消融。

之后，在步骤S103处，启动并开始消融。按照在步骤S101选择的消融电极的类型以及消融电极的配置方式来将消融电极布置到患者的待消融生物组织，并自动地或者通过用户手动地启动不可逆电穿孔消融程序。通过本申请的不可逆电穿孔设备，产生符合所设置脉冲参数的双极性脉冲，并将所产生的双极性脉冲通过电极施加到患者的待消融生物组织，开始消融。

之后，在步骤S104处，判断消融是否完成，即，是否已经将全部待消融生物组织消融。判断消融是否完成的方式可以包括例如：进行消融操作的用户直接通过观察判断消融是否完成，通过显微镜等光学成像设备生成被消融生物组织的图像来判断消融是否完成，通过诸如超声波成像、光学相干断层扫描(OCT)等的医学成像方式生成被消融生物组织的图像来判断消融是否完成，通过测量被消融生物组织的生理参数(例如，生物活性、电导率、介电常数、阻抗等)来判断消融是否完成等。另外，是否完成消融的判断可以由本申请的不可逆电穿孔设备自动做出，或者由用户来手动地做出。

如果在步骤S104处判断已经完成全部待消融生物组织的消融，那么处理进行到步骤S105，结束消融过程，停止输出脉冲信号并可以通过用户界面14等提示用户消融已经结束。

如果在步骤S104处判断尚未完成全部待消融生物组织的消融，那么处理返回到步骤S104之前，等待再次判断消融是否完成。

通过本申请的实施方式，通过将足以在生物组织上形成不可逆穿孔的电场脉冲施加到生物组织，诱导细胞膜出现不可逆电穿孔，从而导致细胞死亡，同时，具有快捷(治疗施加脉冲时间仅为几十秒，全过程也仅需几分钟)，可控(治疗参数可通过三维建模电场计算获取，治疗范围精确、安全)，可视(治疗过程可在超声/CT/MRI引导下完成，疗效可通过超声/CT/MRI评估)，可选择性(不损伤消融区的胆管，血管及神经等)和非热机理(无热效应，可克服热疗法带来的‘热损伤’与‘热沉’)的优点。

此外，在本申请的一个实施方式中，在步骤S103之后，可以进行步骤S106来测量并判断所产生的脉冲的参数是否与所设置的双极性脉冲的参数相同。如果所产生的脉冲的参数与所设置的双极性脉冲的参数相同，则处理进行到步骤S104，判断已经完成全部待消融生物组织的消融。否则，处理返回到步骤S102，对在不可逆电穿孔设备中设置的消融参数进行相应更改，以使得所产生的脉冲参数与所设置的双极性脉冲的参数相同。

因此，本申请的一个方面涉及一种生物组织消融方法，包括以下步骤：

根据待消融的生物组织来确定待施加的双极性脉冲的参数，使得该双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被确定为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔；

产生具有所确定的参数的双极性脉冲；

将所产生的双极性脉冲施加到待消融的生物组织。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度分别至少为能够使得生物组织的细胞膜达到稳定充电状态的时间段。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度分别至少为生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度为5到50微秒。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度为5微秒。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度为1.5kV/cm到3kV/cm。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲的总脉冲宽度为50微秒到150微秒。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法还包括脉冲测量步骤，在该步骤中，测量所产生的双极性脉冲的参数并且根据所测量的参数来调整产生具有所确定的参数的双极性脉冲的步骤，以产生具有所确定的参数的双极性脉冲。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，双极性脉冲为双极性方波脉冲。

优选地，在根据本申请的生物组织消融方法中，重复地产生双极性脉冲并将重复地产生的双极性脉冲施加到生物组织。

5、实验结果

针对现有技术的单极性不可逆电穿孔设备和根据本申请的实施方式的双极性不可逆电穿孔设备，本申请的发明人进行了以下验证实验。

发明人以兔肝脏组织作为生物组织来进行研究，通过夹板电极对兔肝脏组织施加电脉冲。通过研究表明，兔肝脏组织的细胞的充电时间常数约为1μs。因此，所施加的传统单极性脉冲的在兔肝脏组织中产生的电场强度为1.5kV/cm，脉冲宽度为100μs，脉冲的重复次数为90次，而所施加的双极性脉冲中，正极性和负极性的脉冲在兔肝脏组织中产生的电场强度为2kV/cm，脉冲宽度为充电时间常数的五倍(即，5μs)，每个周期内正极性和负极性的脉冲分别施加10次，重复90个周期。之后，用显微镜放大被消融的生物组织，观察是否存在残留的未被消融的肝细胞。

图7是以上实验的结果，其中图7的(A)是施加传统单极性脉冲的结果的放大图，图7的(B)是施加根据本申请的实施方式的双极性脉冲的结果的放大图。通过比较可以看出，在施加传统单极性脉冲的情况下，肝脏组织的胆管周边仍存在完整肝细胞，消融不彻底并且存在消融盲区，而在施加根据本申请的实施方式的双极性脉冲的情况下，肝脏组织的胆管周边的肝细胞全部死亡，消融较为彻底并且不存在消融盲区。

因此，通过该比较，可以充分证明根据本申请的实施方式的不可逆电穿孔设备以及生物组织消融方法可以减小消融盲区，提高消融效果。

另外，申请人比较了在采用双极性脉冲的情况下，当脉冲宽度小于生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍时和等于该时间段时的消融效果。

仍然以细胞的充电时间常数约为1μs的兔肝脏组织为例。所施加的第一种双极性脉冲中，正极性和负极性的脉冲在兔肝脏组织中产生的电场强度为2kV/cm，脉冲宽度为充电时间常数的1倍(即，1μs)，每个周期内正极性和负极性的脉冲分别施加50次，重复90个周期。另外，在所施加的第二种双极性脉冲中，正极性和负极性的脉冲在兔肝脏组织中产生的电场强度为2kV/cm，脉冲宽度为充电时间常数的5倍(即，5μs)，每个周期内正极性和负极性的脉冲分别施加10次，重复90个周期。之后，用显微镜放大被消融的生物组织，观察是否存在残留的未被消融的肝细胞。

图8是以上实验的结果，其中图8的(A)是施加脉冲宽度为1μs的双极性脉冲的结果的放大图，图8的(B)是施加脉冲宽度为5μs的双极性脉冲的结果的放大图。通过比较可以看出，在施加脉冲宽度为1μs的双极性脉冲的情况下，未被消融的区域较多，消融不彻底并且存在消融盲区，而在施加脉冲宽度为5μs的双极性脉冲的情况下，未被消融的区域很少，消融较为彻底并且不存在消融盲区。

因此，通过该比较，根据本申请的实施方式的不可逆电穿孔设备以及生物组织消融方法通过将双极性脉冲的脉冲宽度设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔，例如，大于或等于生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍，可以减小消融盲区，提高消融效果。

6、总结

本申请提出了一种不可逆电穿孔装置，其包括：脉冲形成单元，其被配置为产生双极性脉冲；和电极，其被配置为从脉冲形成单元接收双极性脉冲并适于将双极性脉冲施加到生物组织。其中，双极性脉冲的脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔。

本说明书中“实施例”或类似表达方式的引用是指结合该实施例所述的特定特征、结构、或特性系包括在本公开的至少一具体实施例中。因此，在本说明书中，“在本公开的实施例中”及类似表达方式的用语的出现未必指相同的实施例。

本领域技术人员应当知道，本公开被实施为一系统、装置、方法或作为计算机程序产品的计算机可读媒体。因此，本公开可以实施为各种形式，例如完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、常驻软件、微程序代码等)，或者也可实施为软件与硬件的实施形式，在以下会被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开也可以任何有形的媒体形式实施为计算机程序产品，其具有计算机可使用程序代码存储于其上。

以下本公开的相关叙述会参照根据本公开具体实施例的系统、装置、方法及计算机程序产品的流程图和/或方块图来进行说明。可以理解每一个流程图和/或方块图中的每一个方块，以及流程图和/或方块图中方块的任何组合，可以使用计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可供通用型计算机或特殊计算机的处理器或其它可编程数据处理装置所组成的机器来执行，而指令经由计算机或其它可编程数据处理装置处理以便实施流程图和/或方块图中所说明的功能或操作。

在附图中显示根据本公开各种实施例的系统、装置、方法及计算机程序产品可实施的架构、功能及操作的流程图及方块图。另外应当注意，在某些其它的实施例中，方块所述的操作可以不按图中所示的顺序进行。举例来说，两个图示相连接的方块事实上也可以同时执行，或根据所涉及的功能在某些情况下也可以按图标相反的顺序执行。此外还需注意，每个方块图和/或流程图的方块，以及方块图和/或流程图中方块的组合，可藉由基于专用硬件的系统来实施，或者藉由专用硬件与计算机指令的组合，来执行特定的功能或操作。

Claims

1.一种不可逆电穿孔设备，其包括：

脉冲形成装置，其被配置为产生正负极的脉冲交替的双极性脉冲，其中正极性脉冲和负极性脉冲之间有脉冲间隔；和

电极，其被配置为从脉冲形成装置接收所述双极性脉冲并适于将所述双极性脉冲施加到生物组织，

其中，双极性脉冲的总脉冲宽度和在生物组织中产生的电场强度被设置为足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔。

2.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度分别至少为能够使得生物组织的细胞膜达到稳定充电状态的时间段。

3.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度分别至少为生物组织的细胞的充电时间常数的4到5倍。

4.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度为5到50微秒。

5.根据权利要求4所述的不可逆电穿孔设备，其中，每个正极性脉冲和每个负极性脉冲的脉冲宽度为5微秒。

6.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲在生物组织中产生的电场强度为1.5kV/cm到3kV/cm。

7.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，足以在生物组织的细胞膜上产生不可逆电穿孔的双极性脉冲的总脉冲宽度为50微秒到150微秒。

8.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，还包括脉冲测量装置，其被配置为测量由脉冲形成装置产生的双极性脉冲的参数，并且所述脉冲消融设备根据由脉冲测量装置所测量的参数来控制脉冲形成装置，以产生具有期望参数的双极性脉冲。

9.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，双极性脉冲为双极性方波脉冲。

10.根据权利要求1所述的不可逆电穿孔设备，其中，脉冲形成装置重复产生双极性脉冲并通过电极将重复产生的双极性脉冲施加到生物组织。