一种阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，包括外置阴极、绝缘支架、阳极、绝缘管套，所述的外置阴极为金属球弧电极，外置阴极安装于绝缘支架；所述的阳极为导电金属针，阳极中段外套所述的绝缘管套。本发明阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极根据肿瘤解剖形状设计，特点是圆盘状肿瘤适形电极，贴住肿瘤外表面形成回路，能确保能够完全覆盖肿瘤及电场能量的稳定输送，不留死腔，与针状电极相比优点是不刺入肿瘤，避免了针状电极的肿瘤细胞沿着针道转移扩散问题。
【专利说明】-种阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极
【技术领域】
[0001] 本发明属于肿瘤物理治疗辅助设备制造【技术领域】，具体涉及一种用于治疗实体肿 瘤的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其利用纳秒脉冲电场直接针对长径或短 径均超过l〇mm实验动物皮下接种瘤纳秒脉冲电场消融治疗。
【背景技术】
[0002] 纳秒脉冲电场（nanosecond electrical fields, nsPEF)能够将储存的能量在确定 的纳秒级的时间单位内（1-1000X ΚΓ9秒）释放。从2003年开始，纳秒脉冲电场对组织细 胞的影响逐渐受到关注，已经报道nsPEF对细胞功能的影响主要包括诱导细胞凋亡，损伤 DNA和影响细胞周期，通过破坏内膜系统影响细胞信号转导。纳秒脉冲电场的诱导细胞凋亡 的能力在肿瘤细胞中得到验证后，很快被用于肿瘤的消融治疗研究，包括黑色素瘤、肝细胞 癌、基底细胞癌、皮肤乳头瘤和鳞状细胞癌，这种压缩在超短时间内的能量脉冲已经被证明 能够精确高效地消融各种肿瘤组织。目前用来将高能电脉冲释放到目标组织主要依靠各种 不同类型的电极对，包括两块平板电极对、针状电极阵列、金属环形阴极和中心电极针阳极 组成的电极对等。在实际进行实验动物皮下接种肿瘤组织消融实验的过程中，目标组织往 往是大小不均一形态不严格规则的半椭圆形，给实验研究带来了困难。因此，需要设计针对 性的电极和并提出相应的纳秒脉冲释放方法。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有技术的不足及临床、实验的需要，提供一种阴极外置阳极内置式 纳秒脉冲电场荷载电极，其外置阴极近似四分球形，针状阳极放置在肿瘤组织内部，可直接 针对长径或短径均超过l〇mm的实验动物皮下接种瘤进行纳秒脉冲电场消融治疗。
[0004] 本发明通过如下技术方案实现：阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，包 括外置阴极、绝缘支架、阳极、绝缘管套，所述的外置阴极为金属球弧电极，外置阴极安装于 绝缘支架；所述的阳极为导电金属针，阳极中段外套所述的绝缘管套。
[0005] 优选的，外置阴极通过绝缘工程塑料螺丝固定于所述的绝缘支架。
[0006] 优选的，外置阴极形成凹陷，凹陷部呈局部球面状。
[0007] 优选的，凹陷部呈四分之一的球面状。
[0008] 优选的，外置阴极采用黄铜制作而成。
[0009] 优选的，外置阴极旋接第二螺丝，第二螺丝与耐5000V高压以上电线电联接。
[0010] 优选的，阳极选用不锈钢针或直径〇. 6mm的不锈钢空心针管。
[0011] 优选的，阳极的尾端与耐5000V高压以上的电线焊接。
[0012] 优选的，绝缘管套采用聚四氟乙烯管套，内径0. 6mm、外径0. 9mm。
[0013] 优选的，外置阴极涂布医用导电胶。
[0014] 本发明设计了近似四分球形外置阴极和针状阳极放置在肿瘤组织内部来实现对 目标区域的纳秒脉冲电场消融，其具有如下特点：1、外置阴极为固定在绝缘支架上，为金属 球弧结构，通过导线与脉冲发生器阴极相连；2、阳极为前端导电金属针，针身通过聚四氟乙 烯管套绝缘处理，阳极针尾部通过导线与脉冲发生器阳极相连；3、治疗时，外置阴极内涂布 导电胶，在底部沿肿瘤组织与皮肤连接切缘贴合的前提下，导电部分尽可能贴近肿瘤；阳极 针从肿瘤中心插入肿瘤内部，通过测量阴极阳极之间电阻值变化确定阳极针最终位置；4、 治疗时，通过导电胶覆盖肿瘤外四分球，计算肿瘤内部电场强度分布，计算电场覆盖范围内 电场强度最大值和电场强度最小值来设定给予脉冲治疗的方式。
[0015] 本发明阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极根据肿瘤解剖形状设计，特点 是圆盘状肿瘤适形电极，贴住肿瘤外表面形成回路，能确保能够完全覆盖肿瘤及电场能量 的稳定输送，不留死腔，与针状电极相比优点是不刺入肿瘤，避免了针状电极的肿瘤细胞沿 着针道转移扩散问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是纳秒发生器消融肿瘤过程中阴极和阳极位置放置模式图。
[0017] 图2是外置阴极贴合肿瘤后在肿瘤对侧面向肿瘤方向观察投影图（黑色示意电 极，灰色示意肿瘤）。
[0018] 图3是外置阴极贴合肿瘤后在垂直于肿瘤和实验动物面观察投影图（黑色示意电 极，肿瘤组织被包围在在弧圈内）。
[0019] 图4是外置阴极贴合肿瘤后在沿垂直电极中轴视线观察投影图（黑色示意电极， 肿瘤组织被包围在在弧圈内）。
[0020] 图5是针式阳极示意图（黑色部分（除a段部分之外）为绝缘针，a段部分示意 前端导电部分）。
[0021] 图6是阴极和阳极装配后计算电极间距阳极示意图。
[0022] 图7是电极对治疗BalB/C裸小鼠皮下接种HCCLM3移植瘤后24小时HE检测图 (左图未处理组肿瘤组织内部未见明显坏死灶，标尺示200um，左上角为放大图像，标尺示 100um ;右图治疗组24肿瘤内部大面积细胞坏死，标尺示200um，左上角为放大图像，标尺示 lOOum)。
[0023] 图8是本发明阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极一种实施例的结构示 意图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案、积极效果更加清楚明白，通过以下实施例对本发 明进行进一步详细说明。以下对于具体实施方案的描述仅用于解释本发明，并不限定本发 明。
[0025] 如图8所示，本实施例阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，包括外置阴 极1、绝缘支架2、阳极4、聚四氟乙烯管套5,绝缘支架2采用工程塑料P0M制作而成，其嵌 入外置阴极1，外置阴极1为金属球弧电极，采用黄铜制作而成，形成近似四分之一的凹陷 球形部，外置阴极导电部分用绝缘工程塑料（如P0M)螺丝3固定在绝缘支架2上。外置阴 极1中部弧顶边缘还旋接一螺丝6,工作时，螺丝6通过耐5000V高压以上电线连接到脉冲 发生仪器输出阴极。
[0026] 阳极4采用不锈钢针或直径0. 6mm的不锈钢空心针管，前端为阳极针头，针身通过 聚四氟乙烯管套绝缘包被处理（电极针中段外套内径0· 6mm、外径0· 9mm聚四氟乙烯针套 5)，包被处能承受5000V时与零电位之间不产生放电；阳极针尾端与耐5000V高压以上的电 线焊接，工作时，阳极针尾部通过电线与外置的纳秒脉冲发生器阳极相连。
[0027] 治疗时，外置阴极内涂布医用导电胶，在底部沿肿瘤组织与皮肤连接切缘贴合的 前提下，导电部分尽可能贴近肿瘤。阳极针从肿瘤中心插入肿瘤内部，通过测量阴极阳极之 间电阻值变化确定阳极针最终位置。通过导电胶覆盖肿瘤外四分球，计算肿瘤内部电场强 度分布，计算电场覆盖范围内电场强度最大值和电场强度最小值来设定给予脉冲治疗的方 式。
[0028] 电极与肿瘤外皮肤间可以采用医用导电胶填充，沿垂直于肿瘤表面方向推动外置 电极以挤压出多余的导电胶，治疗过程中，外置阴极紧贴肿瘤表面，肿瘤表面不规则部位由 导电胶填充。
[0029] 肿瘤中心部位是指，肿瘤最长径和最短径的交叉点；
[0030] 确定阳极针最终位置的方法如下：电极与肿瘤图示如图1所示，阳极垂直于肿瘤 中心植入肿瘤内部，阳极植入肿瘤的最深距离不超出肿瘤长径和短径均值的1/2,电极前端 导电端长度控制在在[1/20(肿瘤长径和短径之和）?1/10(肿瘤长径和短径之和）]范围 内。阳极植入过程中，步进幅度为肿瘤1/20肿瘤长径和短径之和。从电极前端导电部分完 全没入组织内部开始，每进一步，测量阳极与阴极间电阻，计算每幅步进后两电极之间组织 变化。
[0031] 假定Ri为步进到第i步测得电阻值，从步进第二步开始，即可求得绝对阻值 变化I n I，求得I n I /% ;从第三步开始，可获得绝对阻值变化I Rh-Rh I，求得 n I /1 Rh-Rh | ;当 I n I /1 Rh-Rh | > 20,而 | H | < 2,开始预处理，预处理 后电极退回一步，该点即设定的阳极初始位置；
[0032] 如果阳极导电端露出皮肤外，在导电短外涂布1mm厚绝缘油脂。
[0033] 治疗时通过导电胶覆盖肿瘤外四分球，计算肿瘤内部电场强度分布，计算电场覆 盖范围内电场强度最大值和电场强度最小值来设定给予脉冲治疗，脉冲治疗过程描述如 下：
[0034] 1. 1电极与肿瘤图示如图1所示，治疗过程中阳极位置确定后，放置阴极开始治 疗。
[0035] 1. 2在治疗过程为指先阳极定位，如图1所示放置外置阴极，通过电极对发送预定 脉冲数，两个脉冲之间时间间隔不小于30秒；外置电极沿电极中轴线与肿瘤中心法线，以 植入电极为轴线，沿顺时针方向移动90°角，通过电极对发送预定脉冲数，两个脉冲之间时 间间隔不小于30秒；外置电极沿电极中轴线与肿瘤中心法线，以植入电极为轴线，沿顺时 针方向移动90°角，通过电极对发送预定脉冲数，两个脉冲之间时间间隔不小于30秒；夕卜 置电极沿电极中轴线与肿瘤中心法线，以植入电极为轴线，沿顺时针方向移动90°角，通过 电极对发送预定脉冲数，两个脉冲之间时间间隔不小于30秒。
[0036] 1. 3输出设定脉冲纳秒脉冲电场，控制两电极间电场强度超过1 X 106v/m，输出脉 冲达到设定次数。
[0037] 1.4将阳极往退回一个导电端长度，如果阳极导电端露出皮肤外，控制两电极间电 场强度超过IX l〇6v/m，在导电短外涂布1mm厚绝缘油脂，重复11. 2的治疗。
[0038] 1. 5阳极退回时如果已经不在肿瘤组织内，治疗完成。
[0039] "当| H | / | | >20,而| H | /%〈2,开始预处理，预处理后电极退回一 步，开始进行纳秒脉冲电场治疗"所述，预处理方法为：
[0040] 2. 1输出纳秒脉冲，确定输出波形符合标准。
[0041] 2. 2计算两电极针对最大距离和最小距离。
[0042] 2. 3计算输出电场强度。
[0043] 2. 4控制电场覆盖范围内输出电场最小强度和最大强度。
[0044] 输出纳秒脉冲，确定输出波形符合标准的方法为：
[0045] 3. 1利用Tekkronix DP04054B型数字式荧光示波器，1000倍以上衰减电压检测探 头，探头接地端连接负载电阻近接地端，探头检测端连接负载电阻另一端（如图1所示）。
[0046] 3. 2输出脉冲在平台期各点与期望输出值之间差值小于期望值20%。
[0047] 3. 3测量过程中脉冲上升沿定义为电压由基线（±3% )单调上升达到某一峰值过 程中，达到峰值50%处为起始点。
[0048] 3. 4测量过程中脉冲下降沿定义为电压由最后一个极高值单调下降到基线附近极 低值（基线值±5% )为下降沿，下降沿中值处对应点为终点。
[0049] 3. 5脉宽指13. 4定义终点与13. 3定义起点之间时间间隔。
[0050] 3. 6设定预期电压值时，输出100个脉冲，计算输出实际脉冲的脉宽，脉宽电压计 算输出脉冲平台期算术平均值；脉宽的平均值控制在期望值±5%，标准偏差< 5%。
[0051] 计算两电极针对最大距离和最小距离，其方法为：
[0052] 4. 1假定肿瘤长径为rl，短径为r2,适配外置球弧电极取球弧半径R > rl球弧形 阴极，肿瘤与组织间隙用导电胶填充。
[0053] 4. 2沿垂直于肿瘤体表中心（0点）轴线透视面观察，假定Θ为球弧贴近实验动 物体表部分与贴近肿瘤最上端之间球弧夹角（如图4-6所示），R为球弧半径（对应选定电 极，θ和R为常数）。
[0054] 4. 3针状电极总长度为1，尖端导电区域长度为a，电极针导电端外径为Φ (对应于 选定针状电极，上述参数为常数）；如图5所示,针状电极前端导电区域为点h和02之间。
[0055] 4. 4针状阳极插入肿瘤后，如暴露在肿瘤外部部分长度为d,因为(p?R，电极针直 径对电极间距测算的影响忽略不计。
[0056] 4. 5针状阳极沿肿瘤中心垂直插入肿瘤内部后，导电区域两端（01、02)与外置弧 球形阴极球心〇之间的距离用al和a2表示（如图5、6所示），则有：
[0057]
【权利要求】
1. 阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是包括外置阴极、绝缘支架、阳 极、绝缘管套，所述的外置阴极为金属球弧电极，外置阴极安装于绝缘支架；所述的阳极为 导电金属针，阳极中段外套所述的绝缘管套。
2. 如权利要求1所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是：所述 的外置阴极通过绝缘工程塑料螺丝固定于所述的绝缘支架。
3. 如权利要求1所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是：所述 的外置阴极形成凹陷，凹陷部呈局部球面状。
4. 如权利要求3所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是：所述 的凹陷部呈四分之一的球面状。
5. 如权利要求1-4任一项所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征 是：所述的外置阴极采用黄铜制作而成。
6. 如权利要求1-4任一项所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征 是：所述的外置阴极旋接第二螺丝，第二螺丝与耐5000V高压以上电线电联接。
7. 如权利要求1所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是：所述 的阳极选用不锈钢针或直径〇. 6mm的不锈钢空心针管。
8. 如权利要求7所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征是：所述 阳极的尾端与耐5000V高压以上的电线焊接。
9. 如权利要求1或7或8所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征 是：所述的绝缘管套采用聚四氟乙烯管套，内径〇. 6_、外径0. 9mm。
10. 如权利要求1或2或4所述的阴极外置阳极内置式纳秒脉冲电场荷载电极，其特征 是：所述的外置阴极涂布医用导电胶。
【文档编号】A61N1/06GK104056349SQ201410232988
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】陈永刚 申请人:杭州睿笛生物科技有限公司