一種陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，包括外置陰極、絕緣支架、陽極、絕緣管套，所述的外置陰極為金屬球弧電極，外置陰極安裝于絕緣支架；所述的陽極為導(dǎo)電金屬針，陽極中段外套所述的絕緣管套。本發(fā)明陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極根據(jù)腫瘤解剖形狀設(shè)計，特點是圓盤狀腫瘤適形電極，貼住腫瘤外表面形成回路，能確保能夠完全覆蓋腫瘤及電場能量的穩(wěn)定輸送，不留死腔，與針狀電極相比優(yōu)點是不刺入腫瘤，避免了針狀電極的腫瘤細胞沿著針道轉(zhuǎn)移擴散問題。
【專利說明】-種陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于腫瘤物理治療輔助設(shè)備制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于治療實體腫 瘤的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其利用納秒脈沖電場直接針對長徑或短 徑均超過l〇mm實驗動物皮下接種瘤納秒脈沖電場消融治療。

【背景技術(shù)】
[0002] 納秒脈沖電場（nanosecond electrical fields, nsPEF)能夠?qū)Υ娴哪芰吭诖_定 的納秒級的時間單位內(nèi)（1-1000X ΚΓ9秒）釋放。從2003年開始，納秒脈沖電場對組織細 胞的影響逐漸受到關(guān)注，已經(jīng)報道nsPEF對細胞功能的影響主要包括誘導(dǎo)細胞凋亡，損傷 DNA和影響細胞周期，通過破壞內(nèi)膜系統(tǒng)影響細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。納秒脈沖電場的誘導(dǎo)細胞凋亡 的能力在腫瘤細胞中得到驗證后，很快被用于腫瘤的消融治療研究，包括黑色素瘤、肝細胞 癌、基底細胞癌、皮膚乳頭瘤和鱗狀細胞癌，這種壓縮在超短時間內(nèi)的能量脈沖已經(jīng)被證明 能夠精確高效地消融各種腫瘤組織。目前用來將高能電脈沖釋放到目標組織主要依靠各種 不同類型的電極對，包括兩塊平板電極對、針狀電極陣列、金屬環(huán)形陰極和中心電極針陽極 組成的電極對等。在實際進行實驗動物皮下接種腫瘤組織消融實驗的過程中，目標組織往 往是大小不均一形態(tài)不嚴格規(guī)則的半橢圓形，給實驗研究帶來了困難。因此，需要設(shè)計針對 性的電極和并提出相應(yīng)的納秒脈沖釋放方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足及臨床、實驗的需要，提供一種陰極外置陽極內(nèi)置式 納秒脈沖電場荷載電極，其外置陰極近似四分球形，針狀陽極放置在腫瘤組織內(nèi)部，可直接 針對長徑或短徑均超過l〇mm的實驗動物皮下接種瘤進行納秒脈沖電場消融治療。
[0004] 本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，包 括外置陰極、絕緣支架、陽極、絕緣管套，所述的外置陰極為金屬球弧電極，外置陰極安裝于 絕緣支架；所述的陽極為導(dǎo)電金屬針，陽極中段外套所述的絕緣管套。
[0005] 優(yōu)選的，外置陰極通過絕緣工程塑料螺絲固定于所述的絕緣支架。
[0006] 優(yōu)選的，外置陰極形成凹陷，凹陷部呈局部球面狀。
[0007] 優(yōu)選的，凹陷部呈四分之一的球面狀。
[0008] 優(yōu)選的，外置陰極采用黃銅制作而成。
[0009] 優(yōu)選的，外置陰極旋接第二螺絲，第二螺絲與耐5000V高壓以上電線電聯(lián)接。
[0010] 優(yōu)選的，陽極選用不銹鋼針或直徑〇. 6mm的不銹鋼空心針管。
[0011] 優(yōu)選的，陽極的尾端與耐5000V高壓以上的電線焊接。
[0012] 優(yōu)選的，絕緣管套采用聚四氟乙烯管套，內(nèi)徑0. 6mm、外徑0. 9mm。
[0013] 優(yōu)選的，外置陰極涂布醫(yī)用導(dǎo)電膠。
[0014] 本發(fā)明設(shè)計了近似四分球形外置陰極和針狀陽極放置在腫瘤組織內(nèi)部來實現(xiàn)對 目標區(qū)域的納秒脈沖電場消融，其具有如下特點：1、外置陰極為固定在絕緣支架上，為金屬 球弧結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)線與脈沖發(fā)生器陰極相連；2、陽極為前端導(dǎo)電金屬針，針身通過聚四氟乙 烯管套絕緣處理，陽極針尾部通過導(dǎo)線與脈沖發(fā)生器陽極相連；3、治療時，外置陰極內(nèi)涂布 導(dǎo)電膠，在底部沿腫瘤組織與皮膚連接切緣貼合的前提下，導(dǎo)電部分盡可能貼近腫瘤；陽極 針從腫瘤中心插入腫瘤內(nèi)部，通過測量陰極陽極之間電阻值變化確定陽極針最終位置；4、 治療時，通過導(dǎo)電膠覆蓋腫瘤外四分球，計算腫瘤內(nèi)部電場強度分布，計算電場覆蓋范圍內(nèi) 電場強度最大值和電場強度最小值來設(shè)定給予脈沖治療的方式。
[0015] 本發(fā)明陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極根據(jù)腫瘤解剖形狀設(shè)計，特點 是圓盤狀腫瘤適形電極，貼住腫瘤外表面形成回路，能確保能夠完全覆蓋腫瘤及電場能量 的穩(wěn)定輸送，不留死腔，與針狀電極相比優(yōu)點是不刺入腫瘤，避免了針狀電極的腫瘤細胞沿 著針道轉(zhuǎn)移擴散問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是納秒發(fā)生器消融腫瘤過程中陰極和陽極位置放置模式圖。
[0017] 圖2是外置陰極貼合腫瘤后在腫瘤對側(cè)面向腫瘤方向觀察投影圖（黑色示意電 極，灰色示意腫瘤）。
[0018] 圖3是外置陰極貼合腫瘤后在垂直于腫瘤和實驗動物面觀察投影圖（黑色示意電 極，腫瘤組織被包圍在在弧圈內(nèi)）。
[0019] 圖4是外置陰極貼合腫瘤后在沿垂直電極中軸視線觀察投影圖（黑色示意電極， 腫瘤組織被包圍在在弧圈內(nèi)）。
[0020] 圖5是針式陽極示意圖（黑色部分（除a段部分之外）為絕緣針，a段部分示意 前端導(dǎo)電部分）。
[0021] 圖6是陰極和陽極裝配后計算電極間距陽極示意圖。
[0022] 圖7是電極對治療BalB/C裸小鼠皮下接種HCCLM3移植瘤后24小時HE檢測圖 (左圖未處理組腫瘤組織內(nèi)部未見明顯壞死灶，標尺示200um，左上角為放大圖像，標尺示 100um ;右圖治療組24腫瘤內(nèi)部大面積細胞壞死，標尺示200um，左上角為放大圖像，標尺示 lOOum)。
[0023] 圖8是本發(fā)明陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極一種實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。

【具體實施方式】
[0024] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、積極效果更加清楚明白，通過以下實施例對本發(fā) 明進行進一步詳細說明。以下對于具體實施方案的描述僅用于解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā) 明。
[0025] 如圖8所示，本實施例陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，包括外置陰 極1、絕緣支架2、陽極4、聚四氟乙烯管套5,絕緣支架2采用工程塑料P0M制作而成，其嵌 入外置陰極1，外置陰極1為金屬球弧電極，采用黃銅制作而成，形成近似四分之一的凹陷 球形部，外置陰極導(dǎo)電部分用絕緣工程塑料（如P0M)螺絲3固定在絕緣支架2上。外置陰 極1中部弧頂邊緣還旋接一螺絲6,工作時，螺絲6通過耐5000V高壓以上電線連接到脈沖 發(fā)生儀器輸出陰極。
[0026] 陽極4采用不銹鋼針或直徑0. 6mm的不銹鋼空心針管，前端為陽極針頭，針身通過 聚四氟乙烯管套絕緣包被處理（電極針中段外套內(nèi)徑0· 6mm、外徑0· 9mm聚四氟乙烯針套 5)，包被處能承受5000V時與零電位之間不產(chǎn)生放電；陽極針尾端與耐5000V高壓以上的電 線焊接，工作時，陽極針尾部通過電線與外置的納秒脈沖發(fā)生器陽極相連。
[0027] 治療時，外置陰極內(nèi)涂布醫(yī)用導(dǎo)電膠，在底部沿腫瘤組織與皮膚連接切緣貼合的 前提下，導(dǎo)電部分盡可能貼近腫瘤。陽極針從腫瘤中心插入腫瘤內(nèi)部，通過測量陰極陽極之 間電阻值變化確定陽極針最終位置。通過導(dǎo)電膠覆蓋腫瘤外四分球，計算腫瘤內(nèi)部電場強 度分布，計算電場覆蓋范圍內(nèi)電場強度最大值和電場強度最小值來設(shè)定給予脈沖治療的方 式。
[0028] 電極與腫瘤外皮膚間可以采用醫(yī)用導(dǎo)電膠填充，沿垂直于腫瘤表面方向推動外置 電極以擠壓出多余的導(dǎo)電膠，治療過程中，外置陰極緊貼腫瘤表面，腫瘤表面不規(guī)則部位由 導(dǎo)電膠填充。
[0029] 腫瘤中心部位是指，腫瘤最長徑和最短徑的交叉點；
[0030] 確定陽極針最終位置的方法如下：電極與腫瘤圖示如圖1所示，陽極垂直于腫瘤 中心植入腫瘤內(nèi)部，陽極植入腫瘤的最深距離不超出腫瘤長徑和短徑均值的1/2,電極前端 導(dǎo)電端長度控制在在[1/20(腫瘤長徑和短徑之和）?1/10(腫瘤長徑和短徑之和）]范圍 內(nèi)。陽極植入過程中，步進幅度為腫瘤1/20腫瘤長徑和短徑之和。從電極前端導(dǎo)電部分完 全沒入組織內(nèi)部開始，每進一步，測量陽極與陰極間電阻，計算每幅步進后兩電極之間組織 變化。
[0031] 假定Ri為步進到第i步測得電阻值，從步進第二步開始，即可求得絕對阻值 變化I n I，求得I n I /% ;從第三步開始，可獲得絕對阻值變化I Rh-Rh I，求得 n I /1 Rh-Rh | ;當 I n I /1 Rh-Rh | > 20,而 | H | < 2,開始預(yù)處理，預(yù)處理 后電極退回一步，該點即設(shè)定的陽極初始位置；
[0032] 如果陽極導(dǎo)電端露出皮膚外，在導(dǎo)電短外涂布1mm厚絕緣油脂。
[0033] 治療時通過導(dǎo)電膠覆蓋腫瘤外四分球，計算腫瘤內(nèi)部電場強度分布，計算電場覆 蓋范圍內(nèi)電場強度最大值和電場強度最小值來設(shè)定給予脈沖治療，脈沖治療過程描述如 下：
[0034] 1. 1電極與腫瘤圖示如圖1所示，治療過程中陽極位置確定后，放置陰極開始治 療。
[0035] 1. 2在治療過程為指先陽極定位，如圖1所示放置外置陰極，通過電極對發(fā)送預(yù)定 脈沖數(shù)，兩個脈沖之間時間間隔不小于30秒；外置電極沿電極中軸線與腫瘤中心法線，以 植入電極為軸線，沿順時針方向移動90°角，通過電極對發(fā)送預(yù)定脈沖數(shù)，兩個脈沖之間時 間間隔不小于30秒；外置電極沿電極中軸線與腫瘤中心法線，以植入電極為軸線，沿順時 針方向移動90°角，通過電極對發(fā)送預(yù)定脈沖數(shù)，兩個脈沖之間時間間隔不小于30秒；夕卜 置電極沿電極中軸線與腫瘤中心法線，以植入電極為軸線，沿順時針方向移動90°角，通過 電極對發(fā)送預(yù)定脈沖數(shù)，兩個脈沖之間時間間隔不小于30秒。
[0036] 1. 3輸出設(shè)定脈沖納秒脈沖電場，控制兩電極間電場強度超過1 X 106v/m，輸出脈 沖達到設(shè)定次數(shù)。
[0037] 1.4將陽極往退回一個導(dǎo)電端長度，如果陽極導(dǎo)電端露出皮膚外，控制兩電極間電 場強度超過IX l〇6v/m，在導(dǎo)電短外涂布1mm厚絕緣油脂，重復(fù)11. 2的治療。
[0038] 1. 5陽極退回時如果已經(jīng)不在腫瘤組織內(nèi)，治療完成。
[0039] "當| H | / | | >20,而| H | /%〈2,開始預(yù)處理，預(yù)處理后電極退回一 步，開始進行納秒脈沖電場治療"所述，預(yù)處理方法為：
[0040] 2. 1輸出納秒脈沖，確定輸出波形符合標準。
[0041] 2. 2計算兩電極針對最大距離和最小距離。
[0042] 2. 3計算輸出電場強度。
[0043] 2. 4控制電場覆蓋范圍內(nèi)輸出電場最小強度和最大強度。
[0044] 輸出納秒脈沖，確定輸出波形符合標準的方法為：
[0045] 3. 1利用Tekkronix DP04054B型數(shù)字式熒光示波器，1000倍以上衰減電壓檢測探 頭，探頭接地端連接負載電阻近接地端，探頭檢測端連接負載電阻另一端（如圖1所示）。
[0046] 3. 2輸出脈沖在平臺期各點與期望輸出值之間差值小于期望值20%。
[0047] 3. 3測量過程中脈沖上升沿定義為電壓由基線（±3% )單調(diào)上升達到某一峰值過 程中，達到峰值50%處為起始點。
[0048] 3. 4測量過程中脈沖下降沿定義為電壓由最后一個極高值單調(diào)下降到基線附近極 低值（基線值±5% )為下降沿，下降沿中值處對應(yīng)點為終點。
[0049] 3. 5脈寬指13. 4定義終點與13. 3定義起點之間時間間隔。
[0050] 3. 6設(shè)定預(yù)期電壓值時，輸出100個脈沖，計算輸出實際脈沖的脈寬，脈寬電壓計 算輸出脈沖平臺期算術(shù)平均值；脈寬的平均值控制在期望值±5%，標準偏差< 5%。
[0051] 計算兩電極針對最大距離和最小距離，其方法為：
[0052] 4. 1假定腫瘤長徑為rl，短徑為r2,適配外置球弧電極取球弧半徑R > rl球弧形 陰極，腫瘤與組織間隙用導(dǎo)電膠填充。
[0053] 4. 2沿垂直于腫瘤體表中心（0點）軸線透視面觀察，假定Θ為球弧貼近實驗動 物體表部分與貼近腫瘤最上端之間球弧夾角（如圖4-6所示），R為球弧半徑（對應(yīng)選定電 極，θ和R為常數(shù)）。
[0054] 4. 3針狀電極總長度為1，尖端導(dǎo)電區(qū)域長度為a，電極針導(dǎo)電端外徑為Φ (對應(yīng)于 選定針狀電極，上述參數(shù)為常數(shù)）；如圖5所示,針狀電極前端導(dǎo)電區(qū)域為點h和02之間。
[0055] 4. 4針狀陽極插入腫瘤后，如暴露在腫瘤外部部分長度為d,因為(p?R，電極針直 徑對電極間距測算的影響忽略不計。
[0056] 4. 5針狀陽極沿腫瘤中心垂直插入腫瘤內(nèi)部后，導(dǎo)電區(qū)域兩端（01、02)與外置弧 球形陰極球心〇之間的距離用al和a2表示（如圖5、6所示），則有：
[0057]

【權(quán)利要求】
1. 陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是包括外置陰極、絕緣支架、陽 極、絕緣管套，所述的外置陰極為金屬球弧電極，外置陰極安裝于絕緣支架；所述的陽極為 導(dǎo)電金屬針，陽極中段外套所述的絕緣管套。
2. 如權(quán)利要求1所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是：所述 的外置陰極通過絕緣工程塑料螺絲固定于所述的絕緣支架。
3. 如權(quán)利要求1所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是：所述 的外置陰極形成凹陷，凹陷部呈局部球面狀。
4. 如權(quán)利要求3所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是：所述 的凹陷部呈四分之一的球面狀。
5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征 是：所述的外置陰極采用黃銅制作而成。
6. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征 是：所述的外置陰極旋接第二螺絲，第二螺絲與耐5000V高壓以上電線電聯(lián)接。
7. 如權(quán)利要求1所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是：所述 的陽極選用不銹鋼針或直徑〇. 6mm的不銹鋼空心針管。
8. 如權(quán)利要求7所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征是：所述 陽極的尾端與耐5000V高壓以上的電線焊接。
9. 如權(quán)利要求1或7或8所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征 是：所述的絕緣管套采用聚四氟乙烯管套，內(nèi)徑〇. 6_、外徑0. 9mm。
10. 如權(quán)利要求1或2或4所述的陰極外置陽極內(nèi)置式納秒脈沖電場荷載電極，其特征 是：所述的外置陰極涂布醫(yī)用導(dǎo)電膠。
【文檔編號】A61N1/06GK104056349SQ201410232988
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】陳永剛 申請人:杭州睿笛生物科技有限公司