专利名称：高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电脉冲治疗肿瘤技术领域，特别涉及高压纳秒脉冲治疗肿瘤的装置。
背景技术：
20世纪70年代，人们发现在场强为1kV/cm级、脉宽为100μs级的脉冲电场作用下，细胞膜的脂质双分子层被暂时重新排列形成一些被称为微孔的亲水性通道，脉冲电场撤消后，微孔会自行关闭而不会对细胞造成任何影响，这种现象称之为可逆性电穿孔(reversible electroporation，REP)。近年来，研究发现增大诱导可逆性电穿孔的脉冲电场剂量(增大脉冲幅值或脉宽或脉冲个数)，细胞膜穿孔后不会愈合，完整性受到破坏，细胞发生凝固性死亡，这种现象称为不可逆性电穿孔(irreversible electroporation，IRE)或不可逆性电击穿(irreversibleelectrical breakdown，IREB)。由于不可逆性电穿孔可以在不使用化疗药物的辅助作用下直接杀死细胞，可避免化疗药物对患者身体的危害作用，减少治疗痛苦，因此人们正致力于将不可逆性电穿孔应用于肿瘤治疗中，即不可逆性电穿孔肿瘤治疗法。
不可逆性电穿孔治疗肿瘤的应用还没有商业化，但已处于临床试验的申请过程中。中国专利申请号为200710078282.7的“陡脉冲治疗肿瘤的装置及方法”公开了一种利用陡脉冲不可逆性电击穿效应治疗肿瘤的装置及方法，该装置由陡脉冲发生与测控系统、计算机系统、电源系统和操纵台组成，可以产生峰值为0～1000V连续可调、重复频率为1Hz～10kHz连续可调、脉宽为100ns～100μs分6级可调、上升时间10～100ns连续可调的单向指数衰减电脉冲，其治疗方法是先根据患者的特点及其肿瘤组织的具体情况确定陡脉冲的特征参数及电机头的插入位置和深度，通过计算机系统预置装置的特征参数，然后将电极头插入到肿瘤组织中，最后通过键盘或鼠标操作进行治疗。该陡脉冲不可逆性电穿孔治疗肿瘤方法是一种物理方法，是在不使用化疗药物的情况下进行的，它利用陡脉冲诱导肿瘤细胞膜发生不可逆性电穿孔，破坏细胞膜的完整性和细胞的生存环境，使肿瘤细胞发生凝固性坏死，从而达到治疗肿瘤的目的。该方法虽然虽然从根本上避免了化疗药物对身体的毒副作用，但是会出现炎症、疼痛、溃疡、结巴等不良反应。
发明内容
本发明的目的是针对现有不可逆性电穿孔肿瘤治疗方法的不足，提供一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置。本发明是在不注射化学药物的情况下，施加高压(几kV/cm)纳秒(几百ns)脉冲电场作用于肿瘤细胞，使肿瘤细胞发生凋亡，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。该方法使肿瘤细胞自动消失，可以避免炎症、疼痛、溃疡、结巴等，减少了治疗过程中的不良反应。
本发明的机理由于细胞凋亡是一种与坏死不同的死亡机制，是细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自己的程序，自己结束生命的过程，最后细胞脱落离体或裂解为若干凋亡小体，被机体中的吞噬细胞所吞噬。因此，高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡是一种与低压陡脉冲通过不可逆性电击穿使肿瘤细胞发生凝固性坏死截然不同的杀灭肿瘤细胞的机制。同时，虽然高压纳秒脉冲的峰值功率很高(达数兆瓦)，但由于脉冲持续时间(脉冲宽度)很短，释放在肿瘤组织上的能量很小，热效应可以忽略不计，可见高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡是一种非热生物效应。而传统的射频、高强度聚焦超声、冷冻等是利用电磁波、超声或冷冻剂等对肿瘤组织进行加热或致冷，改变肿瘤细胞的生存环境，从而也使得肿瘤组织发生凝固坏死，但这些传统的基于热效应的治疗方法由于血运会带走一部分产生的热量，从而使治疗效果会受到影响，而且易对周围的正常组织或脏器造成热损伤。因此，从生物效应角度来看，本发明提供的是一种与传统的射频、高强度聚焦超声、冷冻等肿瘤治疗法不同的肿瘤治疗原理。
实现本发明目的的技术方案是一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置，主要包括高压直流模块、脉冲形成系统、脉冲测量系统、计算机系统、电源系统等。电源系统由电源、电源滤波器、隔离变压器及插线板组成，电源通过导线与电源滤波器的输入端相连接，电源滤波器的输出端通过导线与隔离变压器的输入端相连接，用以对输入的电源进行滤波和隔离；隔离变压器的输出端通过导线接至插线板，插线板的输出端用导线分别接至高压直流模块、脉冲形成系统的预热变压器及脚踏开关的一端、脉冲测量系统的示波器和计算机系统的医用平板电脑，用以供给其电源。高压直流模块为市购模块，通过导线与脉冲形成系统的充电电阻的一端相连接，用以在计算机系统的控制下输出连续可调的高压直流电，作为脉冲形成系统的储能电容的充电电源。脉冲测量系统由分压器、电流传感器和示波器组成，分压器的输入端用金属条与脉冲形成系统的假负载的输出端相连接，分压器的输出端用导线与示波器的输入端相连接；电流传感器套在脉冲形成系统的输出接口上，使脉冲形成系统输出的高压纳秒脉冲电流从电流传感器的中心流过，电流传感器的输出端用导线分别与示波器的输入端和脉冲形成系统的触发单元相连接，示波器的数据输出接口用导线与计算机系统的医用平板电脑相连接，用以对脉冲形成系统输出的高压纳秒脉冲电压和电流波形进行实时检测和数据采集。计算机系统由医用平板电脑、键盘鼠标和I/O控制模块组成，键盘鼠标用导线与医用平板电脑相连接，医用平板电脑用导线与I/O控制模块的输入端相连接，I/O控制模块的输出端用导线与高压直流模块和脉冲形成系统的触发单元相连接，用以对高压直流模块输出的电压进行调节或预置、脉冲形成系统的触发单元输出的用于触发闸流管的触发脉冲的重复频率和个数进行调节或预置、脉冲形成系统输出的高压纳秒脉冲电压和电流波形的显示及其特征参数的测量以及患者病历的管理。脉冲形成系统由充电电阻、储能电容、闸流管、预热变压器、触发单元、脚踏开关和假负载组成，充电电阻的另一端用金属条分别与储能电容的一端和闸流管的阳极相连接，储能电容的另一端用金属条与假负载相连接，预热变压器的输出端用导线与闸流管的预热极相连接，用以对闸流管进行预热，触发单元的输出端用导线与闸流管的触发极相连接，用以为闸流管提供触发脉冲；脚踏开关的另一端通过导线与触发单元相连接，用作治疗开关以方便操作。高压直流模块输出的高压直流电通过充电电阻和等效负载(假负载与肿瘤细胞并联作为等效负载)对储能电容充电，充满电后，经过预热的闸流管在触发单元输出的触发脉冲作用下迅速导通，将储能电容中储存的电荷迅速释放到等效负载上，形成单向负极性指数衰减高压纳秒脉冲输出，用于诱导肿瘤细胞凋亡。
本发明装置的脉冲形成系统所形成的高压纳秒脉冲为单向负极性指数衰减脉冲，通过计算机系统调节或预置高压直流模块输出的高压直流电压，高压纳秒脉冲峰值在0～9.9kV范围内连续调节或预置；通过计算机系统调节或预置脉冲形成系统的触发单元输出的用于触发闸流管的触发脉冲的重复频率和个数，高压纳秒脉冲的重复频率在2～100Hz范围内连续调节或预置，个数根据治疗需要调节或预置；通过手动调节脉冲形成系统的储能单元的电容器个数，脉冲宽度在200ns～1μs范围内分7级可调，这些参数的调节各自独立、互不影响。本发明装置通过强大的软件系统，除了能对输出脉冲峰值、重复频率、脉冲个数进行调节和预置外，还能对纳秒脉冲波形进行实时采集和显示以及特征参数的实时测量，并且还具有较完善的患者病历数据库系统。
利用本发明装置通过程序对肿瘤进行治疗，其具体方法步骤与本申请人的申请号为200710078282.7的“陡脉冲治疗肿瘤的装置及方法”的方法相同。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点1、本发明所采用的高压纳秒脉冲等值频率很高，能透过细胞中的主要表现为电容特性的细胞膜，作用于细胞核、线粒体、内质网等膜内细胞器，激活细胞内部的凋亡因子，诱导细胞发生凋亡，最后细胞脱落离体或裂解为若干凋亡小体，被机体中的吞噬细胞所吞噬。该方法使肿瘤细胞自动消失，因而不会产生炎症、疼痛、溃疡、结巴等不良反应。
2、本发明所采用的高压纳秒脉冲虽然峰值功率很高(达数兆瓦)，但由于脉冲持续时间(脉冲宽度)很短，释放在肿瘤组织上的能量很小，热效应可以忽略不计，即本发明的高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡是一种非热生物效应，因而治疗效果不会受到血运的影响，也不会对周围正常组织或脏器造成热损伤。
3、本发明采用高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡，不需要任何药物的辅助，是一种纯粹的物理方法，能完全避免化疗药物的毒副作用。
本发明装置可广泛应用于肿瘤治疗，也可以应用于去除息肉、多余脂肪(减肥)以及外阴病变等病症的治疗。
图1为本发明装置的原理框图；图2为本实施例装置的脉冲形成系统；图3为图2的触发单元的主电路原理图；图4为图2的触发单元的IGBT驱动电路原理图；图5为图2的触发单元的保护电路原理图；图6为图2的触发单元的芯片工作电源电路原理图；图7为本实施例的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的荧光显微镜照片；其中A为对照组(放大倍数为200)，B为处理组(放大倍数为200)。
图8为本实施例的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的透射电子显微镜照片；其中A为处理组(放大倍数为5000)，B为对照组(放大倍数为5000)。
图9为本实施例的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的流式细胞术检测结果图。
其中A为对照组，B为处理组。
图中1高压直流模块，2脉冲形成系统，3脉冲测量系统，4计算机系统，5电源系统，R电阻，C电容，K闸流管，B变压器，L电感，D二极管，Q绝缘栅双极晶体管(IGBT)，TK触发单元，TQ IGBT驱动电路，Ip保护电路，IC1数字电位器，IC2、IC4 555定时器，IC3光电隔离器，IC5运算放大器，IC6比较器(LM3 11)，IC7或非门，U1、U2三端集成稳压器。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，进一步说明本发明。
如图1～6所示，一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置，主要包括高压直流模块1、脉冲形成系统2、脉冲测量系统3、计算机系统4和电源系统5等。电源系统5由电源、电源滤波器、隔离变压器及插线板组成，电源为220V/50Hz的市电，电源通过电源线与电源滤波器的输入端相连接，电源滤波器的输出端通过电源线与隔离变压器的输入端相连接，用以对输入的电源进行滤波和隔离；隔离变压器的输出端通过电源线接至插线板，插线板的输出端用电源线线分别接至高压直流模块1、脉冲形成系统2的预热变压器B1及脚踏开关的一端、脉冲测量系统3的示波器和计算机系统4的医用平板电脑，用以供给其电源。高压直流模块1为市购模块，其型号为DW-P153-20AC，通过电源线与脉冲形成系统2的充电电阻R0的一端相连接，用以在计算机系统4的控制下输出连续可调的高压直流电，作为脉冲形成系统2的储能电容C0的充电电源。脉冲测量系统3由分压器、电流传感器和示波器组成，分压器的输入端用金属条与脉冲形成系统2的假负载Rf的输出端相连接，分压器的输出端用同轴电缆与示波器的输入端相连接；电流传感器套在脉冲形成系统2的输出接口上，使脉冲形成系统2输出的高压纳秒脉冲电流从电流传感器的中心流过，电流传感器的输出端用同轴电缆分别与示波器的输入端和脉冲形成系统2的触发单元TK相连接，示波器的数据输出接口用数据线与计算机系统4的医用平板电脑相连接，用以对脉冲形成系统2输出的高压纳秒脉冲电压和电流波形进行实时检测和数据采集。计算机系统4由医用平板电脑、键盘鼠标和I/O控制模块组成，键盘鼠标用信号线与医用平板电脑相连接，医用平板电脑用数据线与I/O控制模块的输入端相连接，I/O控制模块的输出端用信号线与高压直流模块1和脉冲形成系统2的触发单元TK相连接，用以对高压直流模块1输出的电压进行调节或预置、脉冲形成系统2的触发单元TK输出的用于触发闸流管K的触发脉冲的重复频率和个数进行调节或预置、脉冲形成系统2输出的高压纳秒脉冲电压和电流波形的显示及其特征参数的测量以及患者病历的管理。脉冲形成系统2主要由充电电阻R0、储能电容C0、闸流管K、预热变压器B1、触发单元TK和假负载Rf组成，充电电阻R0的另一端用金属条分别与储能电容C0的一端和闸流管K的阳极A相连接，储能电容C0的另一端用金属条与假负载Rf的一端相连接，假负载Rf的另一端用金属条与地1(Gnd1)相连接，预热变压器B1的两个输出端子用电源线分别与闸流管K的预热极F1和地1(Gnd1)相连接，闸流管K的预热极F2和阴极KC均用金属条与地(Gnd1)相连接，用以对闸流管K进行预热，触发单元TK用同轴电缆与闸流管K的触发极G相连接，为闸流管K提供触发脉冲，脚踏开关的另一端通过电源线与触发单元TK相连接，用作治疗开关以方便操作。高压直流模块1输出的高压直流电通过充电电阻R0和等效负载(假负载Rf与肿瘤细胞并联作为等效负载)对储能电容C0充电，充满电后，经过预热3～5分钟的闸流管K在触发单元Tk输出的触发脉冲作用下迅速导通，将储能电容C0中储存的电荷迅速释放到等效负载上，形成单向负极性指数衰减高压纳秒脉冲输出，用于诱导肿瘤细胞凋亡。通过计算机系统4调节或预置高压直流模块1输出的高压直流电压，高压纳秒脉冲幅值在0～9.9kV范围内连续调节或预置；通过计算机系统4调节或预置脉冲形成系统2的触发单元Tk输出的用于触发闸流管K的触发脉冲的重复频率和个数，高压纳秒脉冲的重复频率2～100Hz范围内连续调节或预置，个数根据治疗需要调节或预置；通过手动调节储能电容C0的电容器个数，脉冲宽度在200ns～1μs范围内分7级调节。
脉冲形成系统2的触发单元TK的主电路主要由绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q、升压变压器B2、四个二极管D3～D6、电感L、两个瞬态抑制二极管D7和D8、三个电容C11～C13、两个电阻R6和R7组成。经过电源系统1滤波和隔离后的220V/50Hz电源用电源线与脚踏开关的一端相连接，脚踏开关的另一端用电源线分别与变比为1∶2的升压变压器B2和带两个独立副边绕组的降压变压器B3的原边绕组相连接，升压变压器B2的副边绕组与四个二极管D3～D6相连，构成不可控全桥整流电路，其输出端与电感L、两个串联滤波电容C11和C12构成的LC滤波电路相连接，用以对市电进行升压、整流和滤波，得到约为600V的直流电。该直流电的输出端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电容C13的一端和IGBT Q的集电极Qc相连，电容C13的另一端与地(Gnd1)相连，该直流电通过电阻R6对电容C13充电。IGBT Q的栅极Qg和发射极Qe分别与触发单元TK的IGBT驱动电路TQ的输出端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与地1(Gnd1)相连，IGBT Q在触发单元TK的IGBT驱动电路TQ产生的驱动信号作用下导通，将电容C13中储存的能量释放到电阻R7上，在电阻R7两端得到幅值约为600V、脉冲宽度约为5μs的触发脉冲，用以触发闸流管K，通过调节或预置触发单元TK的IGBT驱动电路TQ产生的驱动信号的重复频率和个数，触发单元TK输出的用于触发闸流管K触发脉冲的重复频率在2～100Hz之间调节或预置，触发脉冲个数根据治疗需要调节或预置。两个额定电压300V的瞬态抑制二极管D7和D8串联后并联在电阻R7两端，防止闸流管K导通过程中产生的过电压对触发单元TK产生影响。控制脚踏开关的通断，可以控制触发单元TK是否输出用于触发闸流管K的触发脉冲，从而控制本装置是否输出高压纳秒脉冲，因而脚踏开关为本装置的治疗开关。
脉冲形成系统2的触发单元TK的IGBT驱动电路TQ主要由型号为MAX5455的数字电位器IC1、两个型号为NE555P的555定时器IC2和IC4、型号为TLP250的光电隔离器IC3、型号为MC74HC02的或非门IC7以及相应的外围电路组成。数字电位器IC1、555定时器IC2、电阻R1和R2、电容C1～C5构成多谐振荡电路，用以产生幅值为5V的方波控制信号，从555定时器IC2的输出端(3脚)输出。555定时器IC2的输出端(3脚)与光电隔离器IC3的输入端(2脚)相连，光电隔离器IC3、电阻R3及电容C6构成隔离电路，用以对555定时器IC2输出的方波控制信号进行地电位隔离，同时将幅值放大到15V。光电隔离器IC3的输出端(6脚)与电容C7、电阻R4及二极管D1构成的微分电路相连，微分电路用以对经过隔离和放大后的方波控制信号进行微分，得到脉宽小于5μs的指数衰减脉冲。微分电路的输出端与555定时器IC4的输入端(2脚)相连，555定时器IC4、电阻R5和电容C8～C10构成单稳态电路，555定时器IC4的输出端(3脚)和接地端(1脚)分别与触发单元TK的主电路的IGBT Q的栅极Qg和发射极Qe相连，单稳态电路将微分电路输出的指数衰减脉冲转换成脉宽固定为5μs、幅值为15V的驱动信号，用以驱动触发单元TK的主电路中的IGBT Q。稳压二极管D2的两端分别与运算放大器IC5的输出端(3脚)和地2(Gnd2)相连，用以限制IGBT Q导通过程中的过电压。数字电位器IC1的增/减控制输入端(3脚)、触点调节控制输入端(12脚)、片选端(14脚)以及接地端(11脚)用信号线与计算机系统4的I/O控制模块的输出端相连，通过计算机系统4调节或预置数字电位器IC1输出的电阻值，555定时器IC2输出的方波控制信号的重复频率在2～100Hz之间调节或预置，从而使IGBT驱动电路TQ输出的用于驱动触发单元TK中的IGBT Q的驱动信号的重复频率在2～100Hz之间调节或预置。555定时器IC2的使能端(4脚)与或非门IC7的输出端(3脚)相连，而或非门IC7的两个输入端(1脚和2脚)分别与计算机系统4的I/O控制模块的输出端和触发单元TK的保护电路Ip的输出端相连，通过计算机系统4控制或非门IC7的输出电平而控制555定时器IC2是否工作，555定时器IC2输出的方波控制信号的个数根据治疗需要调节或预置，从而使IGBT驱动电路TQ输出的用于驱动触发单元TK中的IGBT Q的驱动信号个数根据治疗需要调节或预置。
脉冲形成系统2的触发单元TK的保护电路Ip主要由型号为OP07的运算放大器IC5和型号为LM311的比较器IC6以及相应的外围电路组成。电流传感器的输出端通过同轴电缆的芯线与二极管D9的阳极相连，同轴电缆的屏蔽层与地(Gnd1)相连，二极管D9、电阻R8和电容C14构成峰值保持电路，用以对电流传感器检测到的脉冲形成系统2输出的高压纳秒脉冲电流信号进行峰值保持。二极管D9的阴极与运算放大器IC5的同相输入端(3脚)相连，运算放大器IC5、电阻R9、电容C15和C16构成电压跟随电路，用以对经过峰值保持电路的电流信号进行电压跟随。运算放大器IC5的输出端(6脚)与比较器IC6的同相输入端(2脚)相连，比较器IC6、可调电阻R10、电阻R11和电容C17构成比较电路，可调电阻R10的中间抽头与比较器IC6的反相输入端(3脚)相连，另外两端分别与电源1(VCC1)和地1(Gnd1)相连，为比较器IC6的反相输入端(3脚)提供参考电位。电阻R11两端分别与比较器IC6的反相输入端(3脚)和输出端(7脚)相连，作为反馈支路。比较电路将比较器IC6的同相输入端(2脚)的电位与反相输入端(3脚)的参考电位进行比较，当同相输入端(2脚)电位大于反相输入端(3脚)的参考电位，比较器IC6输出高电平，反之，输出低电平。比较器IC6的输出端(7脚)与或非门IC7的输入端(2脚)相连，当比较器IC6输出高电平时，或非门IC7输出低电平，555定时器IC2停止工作。因此，当本装置输出的高压纳秒脉冲电流超过设定值，即比较器IC6的同相输入端电位与反相输入端的参考电位时，比较器IC6输出的高电平使或非门IC7输出低电平，555定时器IC2停止工作，触发单元TK停止输出用于触发闸流管K的触发脉冲，本发明装置停止输出高压纳秒脉冲，从而实现对本装置的过流或短路保护。
脉冲形成系统2的触发单元TK的芯片工作电源电路主要由降压变压器B3、型号为MC7805的三端集成稳压器U1、型号为MC7815的三端集成稳压器U2、十个二极管D10～D19、八个电容C19～C26组成。220V/50Hz的电源经过降压变压器B3的降压后，在两个副边绕组上得到两个独立的有效值为15V的低压交流电源，其中一个副边绕组与四个二极管D10～D13相连，构成不可控全桥整流电路，用于对该副边绕组输出的低压交流电源进行整流，得到脉动直流电，整流电路的输出端与电容C19相连，电容C19对整流后的脉冲直流电进行滤波，得到副值约为21V的直流电，再接至三端集成稳压器U1及其外围的电容C20～C22和二极管D14构成的5V稳压电路，输出稳定的幅值为5V的直流电，三端集成稳压器U1的输出端(3脚)和接地端(2脚)分别与数字电位器IC1、555定时器IC2、运算放大器IC5、比较器IC6、或非门IC7的电源端和相应的地(Gnd1)相连，为它们提供工作电源。降压变压器B3的另一个副边绕组与四个二极管D15～D18相连，构成不可控全桥整流电路，用于对该副边绕组输出的低压交流电源进行整流，得到脉动直流电，整流电路的输出端与电容C23相连，电容C23对整流后的脉动直流电进行滤波，得到副值约为21V的直流电，再接至三端集成稳压器U2及其外围的电容C24～C26和二极管D19构成的15V稳压电路，输出稳定的幅值为15V的直流电，三端集成稳压器U2的输出端(3脚)和接地端(2脚)光电隔离器IC3、555定时器IC4的电源端和相应的地(Gnd2)相连，为它们提供工作电源。
利用本发明装置通过程序控制诱导人工培养的人卵巢腺SKOV3发生凋亡，其具体方法步骤与本申请人的申请号为200710078282.7的“陡脉冲治疗肿瘤的装置及方法”的方法相同。
实验结果采用本实施例的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的装置，对人工培养的人卵巢腺SKOV3细胞进行实验。实验所施加的脉冲参数为峰值8kV/cm，脉冲宽度200ns，重复频率2Hz，脉冲个数300个。试验后，采用多种医学凋亡检测方法分别对处理组和对照组进行检测，如图7～9所示。
如图7所示的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的AO/EB染色荧光显微镜照片。对照组仅可见正常细胞形态规则，呈梭形，胞膜完整，细胞核荧光均匀，呈绿色强荧光，胞浆在绿色荧光背景下可见少量红色点状荧光。处理组可见早期凋亡细胞、晚期凋亡细胞、坏死细胞及正常细胞。早期凋亡细胞细胞体积缩小，胞膜完整，细胞核呈黄绿色或橙色荧光，浓聚成颗粒状，位于细胞的一侧，胞质浓缩，呈黄绿色荧光。晚期凋亡细胞细胞体积缩小，胞膜完整，细胞核呈橙红色荧光，浓聚和偏向，胞质亦浓缩，呈红色荧光。坏死细胞细胞体积增大，呈不均匀的橙红色荧光，轮廓不清，已解体或接近解体。
如图8所示的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的透射电子显微镜照片。对照组正常细胞形态规则，有丰富的微绒毛，核规则，以常染色体为主，核仁清晰，靠近核膜的一侧；胞浆丰富，电子密度低，线粒体嵴结构完整，并可见大量粗大内质网及游离核糖体。处理组可见凋亡细胞，体积明显变小，表面微绒毛消失，细胞膜完整，核膜皱褶，核内异染色质增多，染色质浓缩，边集于核膜，呈分叶状、花瓣状基底部紧贴核膜；胞浆电子密度增加，细胞器集中，线粒体轻度肿胀，溶酶体代偿性增多；胞膜出“芽”正在形成凋亡小体。。
如图9所示的高压纳秒脉冲诱导细胞凋亡的流式细胞术检测结果图。左上象限代表细胞收集过程中出现的机械性损伤或处理过于强烈机械性损失的细胞(Annexin-/PI+)；右上象限代表晚期凋亡或坏死细胞(Annexin+/PI+)；左下象限代表正常细胞(Annexin-/PI-)；右下象限代表早期凋亡细胞(Annexin+/PI-)。处理组细胞早期和晚期凋亡率分别为39.96％和31.28％，与对照组相比显著增加(P＜0.01)；处理组细胞凋亡及坏死总率为74.52％，与对照组相比也具有显著差异(P＜0.05)，可见，从统计学来看，经过处理后的细胞大部分都发生了凋亡。
从上述实验结果可知，不论是从形态学(荧光显微镜和电子显微镜观察结果)的角度，还是从统计学(流式细胞术检测结果)的角度都证明了高压纳秒脉冲可以诱导细胞发生凋亡，从而达到杀灭肿瘤细胞的目的。
权利要求
1.一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置，主要包括高压直流模块(1)、脉冲形成系统(2)、脉冲测量系统(3)、计算机系统(4)、电源系统(5)，其特征在于电源系统(5)由电源、电源滤波器、隔离变压器及插线板组成，电源通过导线与电源滤波器的输入端相连接，电源滤波器的输出端通过导线与隔离变压器的输入端相连接，隔离变压器的输出端通过导线接至插线板，插线板的输出端用导线分别接至高压直流模块(1)、脉冲形成系统(2)的预热变压器及脚踏开关的一端、脉冲测量系统(3)的示波器和计算机系统(4)的医用平板电脑，高压直流模块(1)为市购模块，通过导线与脉冲形成系统(2)的充电电阻(R0)的一端相连接，脉冲测量系统(3)由分压器、电流传感器和示波器组成，分压器的输入端用金属条与脉冲形成系统(2)的假负载(Rf)的输出端相连接，分压器的输出端用导线与示波器的输入端相连接，电流传感器套在脉冲形成系统(2)的输出接口上，电流传感器的输出端用导线分别与示波器的输入端和脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)相连接，示波器的数据输出接口用导线与计算机系统(4)的医用平板电脑相连接，计算机系统(4)由医用平板电脑、键盘鼠标和I/O控制模块组成，键盘鼠标用导线与医用平板电脑相连接，医用平板电脑用导线与I/O控制模块的输入端相连接，I/O控制模块的输出端用导线与高压直流模块(1)和脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)相连接，脉冲形成系统(2)主要由充电电阻(R0)、储能电容(C0)、闸流管(K)、预热变压器(B1)、触发单元(TK)、脚踏开关和假负载(Rf)组成，充电电阻(R0)的另一端用金属条分别与储能电容(C0)的一端和闸流管(K)的阳极(A)相连接，储能电容(C0)的另一端用金属条与假负载(Rf)相连接，预热变压器(B1)的输出端用导线与闸流管(K)的预热极(F1、F2)相连接，触发单元(TK)的输出端用导线与闸流管(K)的触发极(G)相连接，脚踏开关的另一端用导线与触发单元(TK)相连接。
2.按照权利要求1所述的高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡装置，其特征在于所述的脉冲形成系统(2)所形成的高压纳秒脉冲为单向负极性指数衰减脉冲，其脉冲幅值在0～9.9kV之间连续调节或预置、重复频率在2Hz～100Hz之间连续调节或预置、脉冲宽度在200ns～1μs之间分7级调节或预置、脉冲个数根据治疗需要调节或预置。
3.按照权利要求1所述的高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡装置，其特征在于一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡装置，主要包括高压直流模块(1)、脉冲形成系统(2)、脉冲测量系统(3)、计算机系统(4)和电源系统(5)，电源系统(5)由电源、电源滤波器、隔离变压器及插线板组成，电源为220V/50Hz的市电，电源通过电源线与电源滤波器的输入端相连接，电源滤波器的输出端通过电源线与隔离变压器的输入端相连接，隔离变压器的输出端通过电源线接至插线板，插线板的输出端用电源线线分别接至高压直流模块(1)、脉冲形成系统(2)的预热变压器(B1)及脚踏开关的一端、脉冲测量系统(3)的示波器和计算机系统(4)的医用平板电脑，高压直流模块(1)为市购模块，其型号为DW-P153-20AC，通过电源线与脉冲形成系统(2)的充电电阻(R0)的一端相连接，脉冲测量系统(3)由分压器、电流传感器和示波器组成，分压器的输入端用金属条与脉冲形成系统(2)的假负载(Rf)的输出端相连接，分压器的输出端用同轴电缆与示波器的输入端相连接，电流传感器套在脉冲形成系统(2)的输出接口上，电流传感器的输出端用同轴电缆分别与示波器的输入端和脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)相连接，示波器的数据输出接口用数据线与计算机系统(4)的医用平板电脑相连接，计算机系统(4)由医用平板电脑、键盘鼠标和I/O控制模块组成，键盘鼠标用信号线与医用平板电脑相连接，医用平板电脑用数据线与I/O控制模块的输入端相连接，I/O控制模块的输出端用信号线与高压直流模块(1)和脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)相连接，脉冲形成系统(2)主要由充电电阻(R0)、储能电容(C0)、闸流管(K)、预热变压器(B1)、触发单元(TK)和假负载(Rf)组成，充电电阻(R0)的另一端用金属条分别与储能电容(C0)的一端和闸流管(K)的阳极(A)相连接，储能电容(C0)的另一端用金属条与假负载(Rf)的一端相连接，假负载(Rf)的另一端用金属条与地1相连接，预热变压器(B1)的两个输出端子用电源线分别与闸流管(K)的预热极(F1)和地1相连接，闸流管(K)的预热极(F2)和阴极(KC)均用金属条与地1相连接，触发单元(TK)用同轴电缆与闸流管(K)的触发极(G)相连接，脚踏开关的另一端通过电源线与触发单元(TK)相连接，脉冲形成系统(2)输出单向负极性指数衰减高压纳秒脉冲，其脉冲幅值在0～9.9kV之间连续调节或预置，重复频率在2Hz～100Hz之间连续调节或预置，脉冲宽度在200ns～1μs范围内分7级可调，个数根据治疗需要调节或预置；所述的脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)的主电路主要由IGBT(Q)、升压变压器(B2)、四个二极管(D3～D6)、电感(L)、两个瞬态抑制二极管(D7)和(D8)、三个电容(C11～C13)和两个电阻(R6、R7)组成，经过电源系统(1)滤波和隔离后的220V/50Hz电源用电源线与脚踏开关的一端相连接，脚踏开关的另一端用电源线分别与变比为1∶2的升压变压器(B2)和带两个独立副边绕组的降压变压器(B3)的原边绕组相连接，升压变压器(B2)的副边绕组与四个二极管(D3～D6)相连，构成不可控全桥整流电路，其输出端与电感(L)和两个串联的滤波电容(C11、C12)构成的LC滤波电路相连接，滤波电路的输出端与电阻(R6)的一端相连，电阻(R6)的另一端与电容(C13)的一端和IGBT(Q)的集电极(Qc)相连，电容(C13)的另一端与地1相连，IGBT(Q)的栅极(Qg)和发射极(Qe)分别与触发单元(TK)的IGBT驱动电路(TQ)的输出端和电阻(R7)的一端相连，电阻(R7)的另一端与地1相连，两个额定电压300V的瞬态抑制二极管(D7、D8)串联后并联在电阻(R7)两端，在电阻(R7)的两端输出用于触发闸流管(K)的触发脉冲，其脉冲幅值约为600V、脉冲宽度约为5μs、重复频率在2Hz～100Hz之间连续调节或预置、个数根据治疗需要调节或预置；所述的脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)的IGBT驱动电路(TQ)主要由型号为MAX5455的数字电位器(IC1)、两个型号为NE555P的555定时器(IC2、IC4)、型号为TLP250的光电隔离器(IC3)、型号为MC74HC02的或非门(IC7)以及相应的外围电路组成，数字电位器(IC1)、555定时器(IC2)、电阻(R1、R2)、电容(C1～C5)构成多谐振荡电路，555定时器(IC2)的输出端(3脚)与光电隔离器(IC3)的输入端(3脚)相连，光电隔离器(IC3)、电阻(R3)及电容(C6)构成隔离电路，光电隔离器(IC3)的输出端(6脚)与电容(C7)、电阻(R4)及二极管(D1)构成的微分电路相连，微分电路的输出端与555定时器(IC4)的输入端(2脚)相连，555定时器(IC4)、电阻(R5)和电容(C8～C10)构成单稳态电路，555定时器(IC4)的输出端(3脚)和接地端(1脚)分别与触发单元(TK)的主电路的IGBT(Q)的栅极(Qg)和发射极(Qe)相连，稳压二极管(D2)的两端分别与555定时器(IC4)的输出端(3脚)和地2相连，数字电位器(IC1)的增/减控制输入端(3脚)、触点调节控制输入端(12脚)、片选端(14脚)以及接地端(11脚)用信号线与计算机系统(4)的I/O控制模块的输出端相连，555定时器(IC2)的使能端(4脚)与或非门(IC7)的输出端(3脚)相连，而或非门(IC7)的两个输入端(1脚和2脚)分别与计算机系统(4)的I/O控制模块的输出端和触发单元(TK)的保护电路(Ip)相连，IGBT驱动电路(TQ)输出的用于驱动触发单元(TK)中的IGBT(Q)的驱动信号，其幅值为15V、脉宽为5μs、重复频率在2～100Hz之间连续调节或预置、个数根据治疗需要调节或预置；所述的脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)的保护电路(Ip)主要由型号为OP07的运算放大器(IC5)和型号为LM311的比较器(IC6)以及相应的外围电路组成，电流传感器的输出端通过同轴电缆的芯线与二极管(D9)的阳极相连，同轴电缆的屏蔽层与地1相连，二极管(D9)、电阻(R8)和电容(C14)构成峰值保持电路，二极管(D9)的阴极与运算放大器(IC5)的同相输入端(3脚)相连，运算放大器(IC5)、电阻(R9)、电容(C15)和(C16)构成电压跟随电路，运算放大器(IC5)的输出端(6脚)与比较器(IC6)的同相输入端(2脚)相连，比较器(IC6)、可调电阻(R10)、电阻(R11)和电容(C17)构成比较电路，可调电阻(R10)的中间抽头与比较器(IC6)的反相输入端(3脚)相连，另外两端分别与电源1)和地1相连，电阻(R11)两端分别与比较器(IC6)的反相输入端(3脚)和输出端(7脚)相连，比较器(IC6)的输出端(7脚)与或非门(IC7)的输入端(2脚)相连；所述的脉冲形成系统(2)的触发单元(TK)的芯片工作电源电路主要由降压变压器(B3)、型号为MC7805的三端集成稳压器(U1)、型号为MC7815的三端集成稳压器(U2)、十个二极管(D10～D19)、八个电容(C19～C26)组成，220V/50Hz的电源经过降压变压器(B3)的降压后，在两个副边绕组上得到两个独立的有效值为15V的低压交流电源，其中一个副边绕组与四个二极管(D10～D13)相连，构成不可控全桥整流电路，整流电路的输出端与电容(C19)相连，再接至三端集成稳压器(U1)及其外围的电容(C20～C22)和二极管(D14)构成的5V稳压电路，输出稳定的幅值为5V的直流电，三端集成稳压器U1的输出端(3脚)和接地端(2脚)分别与数字电位器(IC1)、555定时器(IC2)、运算放大器(IC5)、比较器(IC6)、或非门(IC7)的电源端和相应的地相连，降压变压器(B3)的另一个副边绕组与四个二极管(D15～D18)相连，构成不可控全桥整流电路，整流电路的输出端与电容(C23)相连，再接至三端集成稳压器(U2)及其外围的电容(C24～C26)和二极管(D19)构成的15V稳压电路，输出稳定的幅值为15V的直流电，三端集成稳压器(U2)的输出端(3脚)和接地端(2脚)分别与光电隔离器(IC3)、555定时器(IC4)的电源端和相应的地相连。
全文摘要
一种高压纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的装置，属于电脉冲治疗肿瘤技术领域。本发明装置主要包括高压直流模块、脉冲形成系统、脉冲测量系统、计算机系统、电源系统等。高压纳秒脉冲的幅值在0～9.9kV之间连续调节或预置、重复频率在2Hz～100Hz之间连续调节或预置、宽度在200ns～1μs之间分7级调节或预置、个数根据治疗需要调节或预置。由于本发明装置能诱导肿瘤细胞发生凋亡，是一种纯粹的物理方法，不需要任何药物辅助，因而在治疗过程中不仅能完全避免化疗药物的独副作用，还能避免炎症、疼痛、溃疡、结巴等不良反应。故本发明装置可广泛应用于肿瘤治疗，也可以应用于去除息肉、多余脂肪以及外阴病变等病症的治疗。
文档编号A61B18/00GK101085391SQ20071007866
公开日2007年12月12日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者姚陈果, 米彦, 李成祥, 杜林 , 莫登斌, 廖瑞金, 李剑, 孙才新 申请人:重庆大学