不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置及方法

专利名称：不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置及方法
技术领域：
本发明属于肿瘤治疗技术领域，尤其涉及治疗肿瘤的装置及方法。
背景技术：
目前用于治疗肿瘤的方法主要有手术切除、放射治疗、化疗、热疗等。这些方法由 于受到相应适应症、禁忌症与副作用等因素的限制，对肿瘤的疗效仍不够理想。脉冲电化学疗法是近三十年发展起来的治疗肿瘤的新技术，由日本学者M. Okino 于1987年首创。治疗方法是先经静脉给药或者在肿瘤组织周围进行肌肉注射，给予肿瘤细 胞一定剂量的化疗药物(如博莱酶素、顺钼等)，一段时间(4 30分钟)后通过电极引入 一定剂量的方波电脉冲(峰值1 2kV/cm、脉宽100 μ S、频率1 4Hz、脉冲个数4 10 个)辅助治疗。在正常的生理机能状况下，细胞膜能较好地阻碍离子和亲水分子的传输， 但是，当施加电场强度为kV/cm级、持续时间为μ s ms级的电脉冲于细胞时，细胞膜会发 生构形变化，出现大量微孔，使细胞膜的电导率与通透能力激增，这种现象被称为电穿孔现 象。细胞膜电穿孔的结果是细胞内外分子交换有显著的增加，有利于细胞吸收各种药物、 DNA、蛋白质等大分子。脉冲电化学疗法正是利用电脉冲导致细胞膜电穿孔，从而促进化疗 药物的运送，提高化疗药物的杀伤力。因此，脉冲电化学疗法又被称为电穿孔疗法。现有的基于脉冲电化学疗法(又称电穿孔疗法)的肿瘤治疗装置及方法，如美国 Inovio公司生产的MedPulser电穿孔治疗系统由电脉冲发生器、脚踏开关、电极头和微型 打印机(可选)组成，其电脉冲发生器由变压器、高压功率变换电路和低压数字式控制电 路组成，能产生6个峰值为500 1500V、脉宽为100 μ s的电压脉冲，其公开的方法是先 向患者的肿瘤组织注射化疗药物(如博来梅素)，十分钟后向肿瘤组织中插入电极阵列， 并踏下脚踏开关，将电脉冲输出至电极针之间的肿瘤组织，又如意大利IGEA公司生产的 CLINIP0RAT0R电穿孔治疗系统由电脉冲发生器、脚踏开关、电极头、便携式电脑、打印机和 机架组成，其电脉冲发生器能产生8 20个峰值为500 1000V、脉宽为30 μ s 5ms、重 复频率为IHz 5kHz的电压脉冲，其治疗方法同前。该装置和方法的主要缺点是以化学 药物治疗为主，电穿孔治疗系统起增强化疗药物疗效的辅助作用，肿瘤患者仍然要承受化 疗的危害和痛苦，有的肿瘤患者因无法承受化疗的危害和对身体带来的痛苦而放弃治疗。

发明内容
本发明的目的在于针对现有脉冲电化学疗法装置及方法的不足，提供的一种不 可逆电穿孔治疗肿瘤的装置及方法。本发明是在不注射化疗药物的情况下，施加脉宽为微 秒(μ S)级、大剂量的方波电脉冲于肿瘤组织，使肿瘤细胞发生不可逆电穿孔(IRE)而死 亡，同时激发机体的抗血管效应、免疫效应和凋亡效应等，从而达到治疗效果。本发明将脉 冲电化学疗法中电脉冲的辅助治疗作用转变为主要治疗手段，能消除化疗药物的副作用， 简化治疗过程，从根本上避免了化疗药物为患者带来的危害和痛苦。本发明装置的原理本发明装置是基于电容器充放电产生初始脉冲，再由全控型功率器件对初始脉冲斩波获得所需方波脉冲的原理实现的，其核心部件是方波脉冲发生与 测量系统，测控系统作为测量和控制的终端，还包括信号转换系统、人机通信系统和供电系 统等。用户通过人机通信系统设置的输出脉冲幅值、脉冲脉宽、脉冲频率和脉冲个数被测控 系统接收后转换为相应的电信号通过信号转换系统发送给方波脉冲发生与测量系统。高压 恒流电源按照用户设定的输出脉冲幅值对电容器进行充电，充电完成后电容器将能量释放 给负载，电容器和负载之间有两个全控型功率器件，其中一个按照用户设定的脉冲宽度、脉 冲频率和脉冲个数进行开关动作从而控制输出脉冲的宽度、频率和脉冲个数，另一个则实 现过流保护并确保脉冲脉宽在安全范围以内，脉冲输出结束后，电容器上剩余的能量释放 给放电电阻，此时装置内不存在高电压处于安全状态，以上工作和保护方案确保对装置输 出脉冲的精确控制和整个装置及用户的安全性。信号转换系统将传感器测量得到的电容器 电压信号和输出脉冲电流信号发送给测控系统，这样可以使装置输出偏离设定值时及时调 整测控系统工作，确保输出脉冲参数的准确性和装置及用户的安全，信号转换系统将方波 脉冲发生与测量系统和测控系统进行隔离，也保证了测控系统不受到来自强电部分的威胁 和干扰。本装置的电容器对负载放电的RC值由电容器电容值和负载电阻值决定，由于输出 方波脉冲实质是通过金控型功率器件截取电容器对负载的放电得到的，因此不能算是严格 意义上的方波，每个方波脉冲波尾幅值和波头幅值相比有所下降。设定的输出脉冲幅值为 Vm，脉宽为t，则波尾电压幅值相比波头电压幅值下降的电压V的最大值由式⑴确定V = Fm-Vmx(l-e'^)(1)本发明装置能准确可靠地产生微秒级高压方波脉冲，其所诱导的肿瘤细胞外膜跨 膜电位大于内膜跨膜电位，当所加场强使得外膜跨膜电位大于穿孔阈值，则细胞膜发生不 可逆电穿孔，导致肿瘤细胞死亡，从而实现不依赖化疗药物的不可逆电穿孔治疗肿瘤。实现本发明目的的技术方案是一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置，主要包括方 波脉冲发生与测量系统、信号转换系统、人机通信系统、测控系统和供电系统。所述的方波脉冲发生与测量系统，主要包括高压恒流电源I、第一真空继电器IK 和第二真空继电器2K、电容器C、放电电阻R1、第一三极管Sl及第一驱动器D1、第二三极管 S2及第二驱动器D2、负载R及由电阻分压器R2和电流传感器R3组成的测量部件。电容器 C用导线先与第一真空继电器IK的常开触点串联后，再与高压恒流电源I的高压输出端并 联从而构成电容器C的充电回路；高压恒流电源I的控制端用信号屏蔽线和所述的信号转 换系统连接，控制高压恒流电源I向电容器C进行充电，确保方波脉冲的电压幅值达到设 定值；第一真空继电器IK的线圈用导线和所述的测控系统连接，在所述的测控系统的控制 下，当第一真空继电器IK的线圈通电时，第一真空继电器IK的常开触点闭合，高压恒流电 源I向电容器C充电，当第一真空继电器IK的线圈断电时，第一真空继电器IK的常开触点 断开，高压恒流电源I停止向电容器C充电，从而确保本装置和用户的安全。负载R用导线 先与第二三极管S2的发射极和集电极及第一三极管Sl的发射极和集电极串联后，再与第 二真空继电器2K的一对常开触点2K"串联，然后再与电容器C并联从而构成电容器C的 放电回路；第一三极管Sl的控制极用导线和第一驱动器Dl的输出端连接，第二三极管S2 的控制极用导线和第二驱动器D2的输出端连接，第一、二驱动器Dl、D2的输入端分别用导 线和所述的供电系统连接，第一、二驱动器Dl、D2的控制端分别用导线和所述的信号转换 系统连接，在所述的信号转换系统的作用下，脉冲发生期间第二驱动器D2输出驱动信号使
6第二三极管S2的集电极和发射极一直处于导通状态，仅在负载R上电流过大或脉冲脉宽大 于500 μ s时使第二三极管S2的集电极与发射极关断以保护放电回路乃至整个装置和用户 的安全，第一驱动器Dl输出驱动信号使第一三极管Sl的集电极与发射极导通或关断，当其 导通时，电容器C向负载R放电，当其关断时，电容器C停止向负载R放电，控制电容器C对 负载R放电的脉冲宽度而形成所需的方波脉冲。放电电阻Rl用导线先与第二真空继电器 2Κ的一对常闭触点2‘3串联，再与电容器C并联从而构成电容器C的保护放电回路；当本 装置脉冲输出完毕，通过保护放电回路将电容器C中储存的剩余电能释放掉，确保本装置 及用户的安全。第二真空继电器2K的线圈用导线和所述的测控系统连接，在所述的测控系 统的控制下，当第二真空继电器2K的线圈通电时，第二真空继电器2K的常开触点2K"闭 合，进而控制电容器C对负载R放电形成治疗的方波脉冲，当第二真空继电器2K的线圈断 电时，第二真空继电器2K的常闭触点闭合，进而控制电容器C对放电电阻Rl放电从 而释放电容器C中的剩余电能，确保装置及用户的安全。电阻分压器R2的两端用导线并联 在电容器C的两端，电阻分压器R2的分压端用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，用 于监测电容器C的端电压，确保输出脉冲电压幅值和设定值一致同时保障装置及用户的安 全；电流传感器R3串联在负载R和第二三极管S2的发射极的串联点处，电流传感器R3用 信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，用于监测电容器C放电回路的电流，确保装置及 用户的安全。 所述的信号转换系统，主要包括模/数转换集成块、第一电/光转换集成块和第二 电/光转换集成块、第一光/电转换集成块和第二光/电转换集成块、数/模转换集成块。 模/数转换集成块用导线和第一电/光转换集成块连接，第一电/光转换集成块用光纤和 第一光/电转换集成块连接，第一光/电转换集成块用导线和数/模转换集成块连接，第二 电/光转换集成块用光纤和第二光/电转换集成块连接。模/数转换集成块用导线和所述 的测控系统连接，数/模转换集成块用信号屏蔽线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统 的高压恒流电源I的控制端、电阻分压器R2的分压端和电流传感器R3连接，将所述的测控 系统发出的高压恒流电源I的控制信号、所述的方波脉冲发生与测量系统传输给所述的测 控系统的电容器C的端电压信号和输出脉冲电流信号转换成光信号进行传输，避免信号受 所述的方波脉冲发生与测量系统的高压的影响造成波动甚至偏离真实值而导致装置工作 异常；第二电/光转换集成块用导线和所述的测控系统连接，第二光/电转换集成块用导线 分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器Dl、D2的控制端连接，将所述的 测控系统发送给第一、二驱动器Dl、D2的控制信号转换成光信号进行传输，避免受到所述 的方波脉冲发生与测量系统的高压的干扰，确保控制信号的准确和稳定。所述的信号转换 系统位于所述的测控系统和所述的方波脉冲发生与测量系统之间，将所述的测控系统和所 述的方波脉冲发生与测量系统间交换的对准确性和稳定性要求较高的电信号转换成光信 号进行传输，确保信号的传输不受到高压影响，保护所述的测控系统乃至整个装置和用户 的安全并且避免所述的测控系统受到来自强电部分的干扰。 所述的人机通信系统，主要包括液晶显示屏、指示灯和按键。液晶显示屏用导线和 指示灯连接，液晶显示屏用导线和按键连接。液晶显示屏用多芯屏蔽线和所述的测控系统 连接，液晶显示屏用导线和所述的供电系统连接。工作人员用按键输入命令通过液晶显示 屏发送给所述的测控系统，而所述的测控系统则将仪器工作情况发送至液晶显示屏而实现人机通信。所述的测控系统，主要包括DSP芯片、数/模转换芯片、数据通信芯片、光耦芯片和 脚踏开关。DSP芯片用导线分别与数/模转换芯片和数据通信芯片及光耦芯片连接，脚踏开 关用导线和光耦芯片连接。数据通信芯片用多芯屏蔽线和所述的人机通信系统的液晶显示 屏连接，实现所述的测控系统和所述的人机通信系统间的通信；光耦芯片用导线分别与所 述的方波脉冲发生与测量系统的第一真空继电器IK及第二真空继电器2K的线圈连接，由 于第一、二真空继电器1K、2K所需控制信号幅值允许的变化范围较大并且是直流，因此第 一、二真空继电器1Κ、2Κ的控制信号由DSP芯片发出后经光耦芯片直接供给，没有经过所述 的信号转换系统；DSP芯片用导线和所述的信号转换系统的模/数转换集成块连接，DSP芯 片发出的高压恒流电源I的控制信号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述 的方波脉冲发生与测量系统的高压恒流电源I的控制端，而所述的方波脉冲发生与测量系 统发送的电容器C的端电压信号和输出脉冲电流信号通过所述的信号转换系统的光电隔 离后发送至所述的测控系统的DSP芯片进行处理；数/模转换芯片用导线和所述的信号转 换系统的第二电/光转换集成块连接，DSP芯片发出的给第一、二驱动器D1、D2的控制信号 通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二 驱动器Dl、D2的控制端；DSP芯片用导线和所述的供电系统连接。所述的测控系统的主要 功能是与所述的人机通信系统进行通信，发送给高压恒流电源I、第一、二驱动器Dl、D2、第 一真空继电器IK和第二真空继电器2K控制信号，接收所述的方波脉冲发生与测量系统测 量得到的经由所述的信号转换系统发送的电容器C的端电压信号和输出脉冲电流信号，控 制整个装置的工作并进行突发事故处理，起到对装置的总体控制作用。所述的供电系统，主要包括电源(市电220V/50HZ)、第一、二隔离变压器(电压、频 率变比均为1 1)τ 、T2、第一、二、三开关电源(含变压和整流装置，220V/50HZ交流输入 变为15V直流输出)Τ3、Τ4、Τ5。电源用导线分别和第一、二隔离变压器Τ1、Τ2的原边连接， 电源用导线分别和第二、三开关电源Τ4、Τ5的输入端连接，第一隔离变压器Tl的副边用导 线和第一开关电源Τ3的输入端连接。第二隔离变压器Τ2的副边用导线和所述的方波脉冲 发生与测量系统的高压恒流电源I的输入端连接，第一开关电源Τ3的输出端用导线分别和 所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器Dl、D2的输入端连接，第一、二隔离变压 器Tl、Τ2副边的接地线和原边的接地线不直接连接，将电源和所述的方波脉冲发生与测量 系统的高压恒流电源I、第一、二驱动器D1、D2进行隔离，使它们不同大地相连，减少了来自 地的杂波干扰因而可以更稳定工作，第一开关电源T3则将第一隔离变压器Tl副边输出的 220V/50HZ交流电转换为15V直流输送给第一、二驱动器D1、D2的输入端为其供电；第二开 关电源T4的输出端用导线和所述的测控系统的DSP芯片连接，第三开关电源T5的输出端 用导线和所述的人机通信系统的液晶显示屏连接，将电源的220V/50HZ交流电转换为15V 直流输送给所述的测控系统和所述的人机通信系统为其供电。供电系统为装置的所述的方 波脉冲发生与测量系统、所述的人机通信系统和所述的测控系统提供安全、稳定的电能，保 障装置的正常工作。本发明装置所产生的方波脉冲为单向方波电脉冲。调节方波脉冲是通过控制高压 恒流电源I输出电压、第一三极管Si每次导通时间、开断频率和开断次数来完成，方波脉冲 的幅值在100 3000V可调；方波脉冲脉宽在10 500 μ S可调；方波脉冲频率在1 IOHz
8可调；方波脉冲个数在1 600可调。本发明装置正是通过上述参数的调节实现对输出方 波脉冲能量的精确控制，并且这些参数的调节各自独立、互不干扰。本发明装置通过强大 的软件系统，除了能对输出方波脉冲的各个参数进行预置和调节外，还能通过检测电容器C 的端电压、输出脉冲电流及时判断和调整装置的工作状态确保脉冲控制的精确性和装置及 用户的安全。一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的方法，利用本发明装置和治疗电极，通过程序对肿 瘤进行治疗的具体方法步骤如下(1)初始化本发明装置接通电源开机后，“等待”状态的黄色的指示灯亮起，系统进行初始化； 然后液晶显示屏进入参数设置界面(设置的参数包括脉冲幅值、重复频率、脉冲宽度和脉 冲个数)，显示的初设参数分别为脉冲幅值2000V、重复频率1Hz、脉冲宽度100 μ s、脉冲个 数100个。(2)确定治疗参数第(1)步完成后，先根据患者的特点(身体状况、年龄、性别)及肿瘤组织的具体 情况(种类、恶性程度、尺寸)制定相应的治疗方案，并确定方波脉冲的参数(即脉冲幅值、 重复频率、脉冲宽度和脉冲个数)及电极头的插入位置和深度；再通过本发明装置的人机 通信系统，将确定的方波脉冲的脉冲幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数输入给本发明装 置的测控系统，以便对患者的肿瘤进行治疗。(3)进行治疗在第(2)步完成后，按照确定的电极头的插入位置和深度，工作人员将电极头插 入患者的肿瘤组织中；点击按键上“启动”键，高压恒流电源I对电容器C进行充电，第二真 空继电器2Κ的一对常开触点2Ki_2闭合形成放电回路，充电完成液晶显示屏提示“开始治 疗”后，工作人员踩住脚踏开关令测控系统给第一、二驱动器D1、D2发出信号，使第一、二三 极管S1、S2动作，输出脉冲进行治疗，此时黄色的指示灯熄灭，“治疗”状态的绿色的指示灯 点亮，本发明装置输出设定的治疗脉冲个数。当治疗未完成时工作人员松开脚踏开关则停 止发送信号给第一、二驱动器D1、D2，停止输出脉冲，此时绿色的指示灯熄灭，“等待”状态的 黄色的指示灯点亮；工作人员继续踩下脚踏开关则测控系统发送给第一、二驱动器Dl、D2 信号使第一、二三极管Si、S2动作，继续输出剩余的脉冲进行治疗，直到治疗完成或工作人 员再次松开脚踏开关。(4)治疗结束在第(3)步完成后液晶显示屏提示“治疗结束”，工作人员从患者的肿瘤组织中拔 出电极头，治疗结束。本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果1、本发明采用的脉冲波形为微秒方波，主要作用于肿瘤细胞的细胞膜，致使细胞 膜发生不可逆电穿孔，破坏肿瘤细胞的结构和生存条件，杀伤肿瘤细胞。本发明不使用化疗 药物，能够完全避免化疗方法及电化学疗法中化疗药物的毒副作用。2、采用本发明的微秒方波脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置及方法，治疗范围精 确控制，且不影响周围正常组织；具有非热效应特点，疗效不受血流的影响；治疗时间短， 无痛苦，一般几分钟即可完成；电极可根据肿瘤的特征灵活布置；治疗过程及治疗效果可视化，全过程能在医学超声及核磁共振成像等医疗成像设备监控下观察。3、采用本发明的微秒方波脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置及方法，对人卵巢腺 SK0V3癌细胞、人肺癌细胞L9981和A549、荷瘤BALB/c小鼠进行了实验。结果表明，微秒方 波脉冲能导致肿瘤细胞发生不可逆电穿孔而死亡，明显抑制了肿瘤的生长、增殖，治疗效果 好，并从根本上避免了化疗药物的副作用对患者身体的危害，显示出良好的临床应用前景。4、采用本发明的微秒方波脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置，对于治疗过程可能 发生的误操作，均具有完备的安全保障措施，可完全保证治疗对象的安全，同时确保装置不 受任何损害。5、本发明装置使用方便，本发明方法操作简单。本发明可广泛应用于治疗人体和动物的肿瘤，特别适用于治疗人体的肿瘤。


图1为本发明装置的结构示意图；图2为本发明装置的原理框图；图3为本发明装置的方波脉冲发生与测量系统的电路原理框图；图4为本发明装置的信号转换系统结构框图；图5为本发明装置的测控系统结构框图；图6为本发明装置的供电系统结构框图；图7为本发明方法的程序框图；图8为本实施例1的方波脉冲波形图；图中1液晶显示屏，2指示灯，3按键，4数/模转换芯片，5模/数转换集成块， 第一电/光转换集成块，7第二开关电源(T4)，8第一真空继电器(1Κ)，9第二真空继电 器(2Κ)，10电流传感器(R3)，11放电电阻(Rl)，12高压恒流电源(I)，13第二隔离变压器 (Τ2)，14电源(市电220V/50Hz)，15第一隔离变压器(Tl)，16负载(R)，17脚踏开关，18电 容器(C)，19电阻分压器(R2)，20数/模转换集成块，21第一光/电转换集成块，22第一开 关电源(Τ3)，23第二三极管(S2)，24第一三极管(Si)，25第一驱动器(Dl)，第二 26驱动器 (D2)，27第二光/电转换集成块，28第二电/光转换集成块，29光耦芯片，30第三开关电源 (Τ5)，31DSP芯片，32数据通信芯片
具体实施例方式下面结合具体实施方案，进一步说明本发明。实施例1 如图1 6所示，一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置，主要包括方波脉冲发生与测 量系统、信号转换系统、人机通信系统、测控系统和供电系统。所述的方波脉冲发生与测量系统，主要包括高压恒流电源(输入为220V/50HZ交 流电，输出最高电压幅值4000V、最大电流幅值60mA的直流电)12、第一真空继电器(型 号为G41A，一对常开触点，最大耐压5000V，直流情况下最大导通电流为30A，脉冲情况下 最大导通电流为100A，最大动作电流IOOmA以上)8和第二真空继电器(型号为G41C，一 对常开触点和一对常闭触点，最大耐压5000V，直流情况下最大导通电流为30A，脉冲情况下最大导通电流为100A，最大动作电流IOOmA以上)9、电容器(最大耐压5000V，电容值 IOOyF) 18、放电电阻11、第一三极管(型号为IXEL40N400，最大耐压4000V，25°C时最大导 通电流90A，开通时间不大于300ns，关断时间不大于1. 5 μ s) 24及第一驱动器25、第二三 极管(型号为IXEL40N400，最大耐压4000V，25°C时最大导通电流90A，开通时间不大于 300ns，关断时间不大于1. 5 μ s) 23及第二驱动器26、负载16及由电阻分压器19和电流传 感器10组成的测量部件。电容器18用导线先与第一真空继电器8的常开触点串联后，再与 高压恒流电源12的高压输出端并联从而构成电容器18的充电回路；高压恒流电源12的控 制端用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，控制高压恒流电源12向电容器18进行充 电，确保方波脉冲的电压幅值达到设定值；第一真空继电器8的线圈用导线和所述的测控 系统连接，在所述的测控系统的控制下，当第一真空继电器8的线圈通电时，第一真空继电 器8的常开触点闭合，高压恒流电源12向电容器18充电，当第一真空继电器8的线圈断电 时，第一真空继电器8的常开触点断开，高压恒流电源12停止向电容器18充电，从而确保 本装置和用户的安全。负载16用导线先与第二三极管23的发射极和集电极及第一三极管 24的发射极和集电极串联后，再与第二真空继电器9的一对常开触点串联，然后再与 电容器18并联从而构成电容器18的放电回路；第一三极管24的控制极用导线和第一驱动 器25的输出端连接，第二三极管23的控制极用导线和第二驱动器26的输出端连接，第一、 二驱动器25、26的输入端分别用导线和所述的供电系统连接，第一、二驱动器25、26的控制 端分别用导线和所述的信号转换系统连接，在所述的信号转换系统的作用下，脉冲发生期 间第二驱动器26输出驱动信号使第二三极管23的集电极和发射极一直处于导通状态，仅 在负载16上电流过大或脉冲脉宽大于500 μ s时使第二三极管23的集电极与发射极关断 以保护放电回路乃至整个装置和用户的安全，第一驱动器25输出驱动信号使第一三极管 24的集电极与发射极导通或关断，当其导通时，电容器18向负载16放电，当其关断时，电容 器18停止向负载16放电，控制电容器18对负载16放电的脉冲宽度而形成所需的方波脉 冲。放电电阻11用导线先与第二真空继电器9的一对常闭触点串联，再与电容器18 并联从而构成电容器18的保护放电回路；当本装置脉冲输出完毕，通过保护放电回路将电 容器18中储存的剩余电能释放掉，确保本装置及用户的安全。第二真空继电器9的线圈用 导线和所述的测控系统连接，在所述的测控系统的控制下，当第二真空继电器9的线圈通 电时，第二真空继电器9的常开触点2K"闭合，进而控制电容器18对负载16放电形成治疗 的方波脉冲，当第二真空继电器9的线圈断电时，第二真空继电器9的常闭触点闭合， 进而控制电容器18对放电电阻11放电从而释放电容器18中的剩余电能，确保装置及用户 的安全。电阻分压器19的两端用导线并联在电容器18的两端，电阻分压器19的分压端用 信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，用于监测电容器18的端电压，确保输出脉冲电压 幅值和设定值一致同时保障装置及用户的安全；电流传感器10串联在负载16和第二三极 管23的发射极的串联点处，电流传感器10用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，用于 监测电容器18放电回路的电流，确保装置及用户的安全。 所述的信号转换系统，主要包括模/数转换集成块5、第一电/光转换集成块6和 第二电/光转换集成块28、第一光/电转换集成块21和第二光/电转换集成块27、数/模 转换集成块20。模/数转换集成块5用导线和第一电/光转换集成块6连接，第一电/光 转换集成块6用光纤和第一光/电转换集成块21连接，第一光/电转换集成块21用导线和数/模转换集成块20连接，第二电/光转换集成块28用光纤和第二光/电转换集成块27 连接。模/数转换集成块5用导线和所述的测控系统连接，数/模转换集成块20用信号屏 蔽线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的高压恒流电源12的控制端、电阻分压器19 的分压端和电流传感器10连接，将所述的测控系统发出的高压恒流电源12的控制信号、所 述的方波脉冲发生与测量系统传输给所述的测控系统的电容器18的端电压信号和输出脉 冲电流信号转换成光信号进行传输，避免信号受所述的方波脉冲发生与测量系统的高压的 影响造成波动甚至偏离真实值而导致装置工作异常；第二电/光转换集成块28用导线和所 述的测控系统连接，第二光/电转换集成块27用导线分别与所述的方波脉冲发生与测量系 统的第一、二驱动器25、26的控制端连接，将所述的测控系统发送给第一、二驱动器25、26 的控制信号转换成光信号进行传输，避免受到所述的方波脉冲发生与测量系统的高压的干 扰，确保控制信号的准确和稳定。所述的信号转换系统位于所述的测控系统和所述的方波 脉冲发生与测量系统之间，将所述的测控系统和所述的方波脉冲发生与测量系统间交换的 对准确性和稳定性要求较高的电信号转换成光信号进行传输，确保信号的传输不受到高压 影响，保护所述的测控系统乃至整个装置和用户的安全并且避免所述的测控系统受到来自 强电部分的干扰。所述的人机通信系统，主要包括液晶显示屏1、指示灯2和按键3。液晶显示屏1用 导线和指示灯2连接，液晶显示屏1用导线和按键3连接。液晶显示屏1用多芯屏蔽线和 所述的测控系统连接，液晶显示屏1用导线和所述的供电系统连接。工作人员用按键3输 入命令通过液晶显示屏1发送给所述的测控系统，而所述的测控系统则将仪器工作情况发 送至液晶显示屏1而实现人机通信。所述的测控系统，主要包括DSP芯片31、数/模转换芯片4、数据通信芯片32、光耦 芯片29和脚踏开关17。DSP芯片31用导线分别与数/模转换芯片4和数据通信芯片32 及光耦芯片29连接，脚踏开关17用导线和光耦芯片29连接。数据通信芯片32用多芯屏 蔽线和所述的人机通信系统的液晶显示屏1连接，实现所述的测控系统和所述的人机通信 系统间的通信；光耦芯片29用导线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的第一真空继 电器8及第二真空继电器9的线圈连接，由于第一、二真空继电器8、9所需控制信号幅值允 许的变化范围较大并且是直流，因此第一、二真空继电器8、9的控制信号由DSP芯片31发 出后经光耦芯片29直接供给，没有经过所述的信号转换系统；DSP芯片31用导线和所述的 信号转换系统的模/数转换集成块5连接，DSP芯片31发出的高压恒流电源12的控制信 号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的方波脉冲发生与测量系统的高压 恒流电源12的控制端，而所述的方波脉冲发生与测量系统发送的电容器18的端电压信号 和输出脉冲电流信号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的测控系统的DSP 芯片31进行处理；数/模转换芯片4用导线和所述的信号转换系统的第二电/光转换集 成块28连接，DSP芯片31发出的给第一、二驱动器25、26的控制信号通过所述的信号转换 系统的光电隔离后发送至所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器25、26的控制 端；DSP芯片31用导线和所述的供电系统连接。所述的测控系统的主要功能是与所述的人 机通信系统进行通信，发送给高压恒流电源12、第一、二驱动器25、26、第一真空继电器8和 第二真空继电器9控制信号，接收所述的方波脉冲发生与测量系统测量得到的经由所述的 信号转换系统发送的电容器18的端电压信号和输出脉冲电流信号，控制整个装置的工作
12并进行突发事故处理，起到对装置的总体控制作用。所述的供电系统，主要包括电源(市电220V/50Hz)14、第一、二隔离变压器(电压、 频率变比均为1 1)15、13、第一、二、三开关电源(含变压和整流装置，22(^/50泡交流输 入变为15V直流输出)22、7、30。电源14用导线分别和第一、二隔离变压器15、13的原边 连接，电源用导线分别和第二、三开关电源7、30的输入端连接，第一隔离变压器15的副边 用导线和第一开关电源22的输入端连接。第二隔离变压器13的副边用导线和所述的方波 脉冲发生与测量系统的高压恒流电源12的输入端连接，第一开关电源22的输出端用导线 分别和所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器25、26的输入端连接，第一、二隔 离变压器15、13副边的接地线和原边的接地线不直接连接，将电源14和所述的方波脉冲发 生与测量系统的高压恒流电源12、第一、二驱动器25、26进行隔离，使它们不同大地相连， 减少了来自地的杂波干扰因而可以更稳定工作，第一开关电源22则将第一隔离变压器I 5 副边输出的220V/50HZ交流电转换为15V直流输送给第一、二驱动器25、26的输入端为其 供电；第二开关电源7的输出端用导线和所述的测控系统的DSP芯片31连接，第三开关电 源30的输出端用导线和所述的人机通信系统的液晶显示屏1连接，将电源14的220V/50HZ 交流电转换为15V直流输送给所述的测控系统和所述的人机通信系统为其供电。供电系统 为装置的所述的方波脉冲发生与测量系统、所述的人机通信系统和所述的测控系统提供安 全、稳定的电能，保障装置的正常工作。本实施例1所产生的方波脉冲为单向方波电脉冲。调节方波脉冲是通过控制高压 恒流电源12输出电压、第一三极管24每次导通时间、开断频率和开断次数来完成，方波脉 冲的幅值在100 3000V可调；方波脉冲脉宽在10 500 μ s可调；方波脉冲频率在1 IOHz可调；方波脉冲个数在1 600可调。本发明装置正是通过上述参数的调节实现对输 出方波脉冲能量的精确控制，并且这些参数的调节各自独立、互不干扰。本发明装置通过强 大的软件系统，除了能对输出方波脉冲的各个参数进行预置和调节外，还能通过检测电容 器18的端电压、输出脉冲电流及时判断和调整装置的工作状态确保脉冲控制的精确性和 装置及用户的安全。实施例2 如图7所示，一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的方法，利用实施例1的装置和治疗电 极，通过程序对肿瘤进行治疗的具体方法步骤如下(1)初始化实施例1的装置接通电源14开机后，“等待”状态的黄色的指示灯2亮起，系统 进行初始化；然后液晶显示屏1进入参数设置界面(设置的参数包括脉冲幅值、重复频率、 脉冲宽度和脉冲个数)，显示的初设参数分别为脉冲幅值2000V、重复频率1Hz、脉冲宽度 100 μ S、脉冲个数100个。(2)确定治疗参数第(1)步完成后，先根据患者的特点(身体状况、年龄、性别)及肿瘤组织的具体 情况(种类、恶性程度、尺寸)制定相应的治疗方案，并确定方波脉冲的参数(即脉冲幅值、 重复频率、脉冲宽度和脉冲个数)及电极头的插入位置和深度；再通过实施例1的装置的人 机通信系统，将确定的方波脉冲的脉冲幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数输入给实施例 1的装置的测控系统，以便对患者的肿瘤进行治疗。
(3)进行治疗在第(2)步完成后，按照确定的电极头的插入位置和深度，工作人员将电极头插 入患者的肿瘤组织中；点击按键3上“启动”键，高压恒流电源12对电容器18进行充电，第 二真空继电器9的一对常开触点2K"闭合形成放电回路，充电完成液晶显示屏1提示“开 始治疗”后，工作人员踩住脚踏开关17令测控系统给第一、二驱动器25、26发出信号，使第 一、二三极管24、23动作，输出脉冲进行治疗，此时黄色的指示灯2熄灭，“治疗”状态的绿色 的指示灯2点亮，实施例1的装置输出设定的治疗脉冲个数。当治疗未完成时工作人员松 开脚踏开关17则停止发送信号给第一、二驱动器25、26，停止输出脉冲，此时绿色的指示灯 2熄灭，“等待”状态的黄色的指示灯2点亮；工作人员继续踩下脚踏开关17则测控系统发 送给第一、二驱动器25、26信号使第一、二三极管24、23动作，继续输出剩余的脉冲进行治 疗，直到治疗完成或工作人员再次松开脚踏开关17。(4)治疗结束在第(3)步完成后液晶显示屏1提示“治疗结束”，工作人员从患者的肿瘤组织中 拔出电极头，治疗结束。
权利要求
一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置，主要包括方波脉冲发生与测量系统、人机通信系统、测控系统和供电系统，其特征在于该装置还包括信号转换系统；所述的方波脉冲发生与测量系统，主要包括高压恒流电源(12)、第一真空继电器(8)和第二真空继电器(9)、电容器(18)、放电电阻(11)、第一三极管(24)及第一驱动器(25)、第二三极管(23)及第二驱动器(26)、负载(16)及由电阻分压器(19)和电流传感器(10)组成的测量部件，电容器(18)用导线先与第一真空继电器(8)的常开触点串联后，再与高压恒流电源(12)的高压输出端并联从而构成电容器(18)的充电回路，高压恒流电源(12)的控制端用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，控制高压恒流电源(12)向电容器(18)进行充电，确保方波脉冲的电压幅值达到设定值，第一真空继电器(8)的线圈用导线和所述的测控系统连接，在所述的测控系统的控制下，当第一真空继电器(8)的线圈通电时，第一真空继电器(8)的常开触点闭合，高压恒流电源(12)向电容器(18)充电，当第一真空继电器(8)的线圈断电时，第一真空继电器(8)的常开触点断开，高压恒流电源(12)停止向电容器(18)充电，负载(16)用导线先与第二三极管(23)的发射极和集电极及第一三极管(24)的发射极和集电极串联后，再与第二真空继电器(9)的一对常开触点2K1 2串联，然后再与电容器(18)并联从而构成电容器(18)的放电回路，第一三极管(24)的控制极用导线和第一驱动器(25)的输出端连接，第二三极管(23)的控制极用导线和第二驱动器(26)的输出端连接，第一、二驱动器(25、26)的输入端分别用导线和所述的供电系统连接，第一、二驱动器(25、26)的控制端分别用导线和所述的信号转换系统连接，在所述的信号转换系统的作用下，脉冲发生期间第二驱动器(26)输出驱动信号使第二三极管(23)的集电极和发射极一直处于导通状态，仅在负载(16)上电流过大或脉冲脉宽大于500μs时使第二三极管(23)的集电极与发射极关断，第一驱动器(25)输出驱动信号使第一三极管(24)的集电极与发射极导通或关断，当其导通时，电容器(18)向负载(16)放电，当其关断时，电容器(18)停止向负载(16)放电，控制电容器(18)对负载(16)放电的脉冲宽度而形成所需的方波脉冲，放电电阻(11)用导线先与第二真空继电器(9)的一对常闭触点2K1 3串联，再与电容器(18)并联从而构成电容器(18)的保护放电回路，当本装置脉冲输出完毕，通过保护放电回路将电容器(18)中储存的剩余电能释放掉，第二真空继电器(9)的线圈用导线和所述的测控系统连接，在所述的测控系统的控制下，当第二真空继电器(9)的线圈通电时，第二真空继电器(9)的常开触点2K1 2闭合，进而控制电容器(18)对负载(16)放电形成治疗的方波脉冲，当第二真空继电器(9)的线圈断电时，第二真空继电器(9)的常闭触点2K1 3闭合，进而控制电容器(18)对放电电阻(11)放电，电阻分压器(19)的两端用导线并联在电容器(18)的两端，电阻分压器(19)的分压端用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接，电流传感器(10)串联在负载(16)和第二三极管(23)的发射极的串联点处，电流传感器(10)用信号屏蔽线和所述的信号转换系统连接；所述的信号转换系统，主要包括模/数转换集成块(5)、第一电/光转换集成块(6)和第二电/光转换集成块(28)、第一光/电转换集成块(21)和第二光/电转换集成块(27)、数/模转换集成块(20)，模/数转换集成块(5)用导线和第一电/光转换集成块(6)连接，第一电/光转换集成块(6)用光纤和第一光/电转换集成块(21)连接，第一光/电转换集成块(21)用导线和数/模转换集成块(20)连接，第二电/光转换集成块(28)用光纤和第二光/电转换集成块(27)连接，模/数转换集成块(5)用导线和所述的测控系统连接，数/模转换集成块(20)用信号屏蔽线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的高压恒流电源(12)的控制端、电阻分压器(19)的分压端和电流传感器(10)连接，将所述的测控系统发出的高压恒流电源(12)的控制信号、所述的方波脉冲发生与测量系统传输给所述的测控系统的电容器(18)的端电压信号和输出脉冲电流信号转换成光信号进行传输，第二电/光转换集成块(28)用导线和所述的测控系统连接，第二光/电转换集成块(27)用导线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器(25、26)的控制端连接，将所述的测控系统发送给第一、二驱动器(25、26)的控制信号转换成光信号进行传输，所述的信号转换系统位于所述的测控系统和所述的方波脉冲发生与测量系统之间，将所述的测控系统和所述的方波脉冲发生与测量系统间交换的对准确性和稳定性要求较高的电信号转换成光信号进行传输；所述的人机通信系统，主要包括液晶显示屏(1)、指示灯(2)和按键(3)，液晶显示屏(1)用导线和指示灯(2)连接，液晶显示屏(1)用导线和按键(3)连接，液晶显示屏(1)用多芯屏蔽线和所述的测控系统连接，液晶显示屏(1)用导线和所述的供电系统连接，装置用户用按键(3)输入命令通过液晶显示屏(1)发送给所述的测控系统，而所述的测控系统则将仪器工作情况发送至液晶显示屏(1)而实现人机通信；所述的测控系统，主要包括DSP芯片(31)、数/模转换芯片(4)、数据通信芯片(32)、光耦芯片(29)和脚踏开关(17)，DSP芯片(31)用导线分别与数/模转换芯片(4)和数据通信芯片(32)及光耦芯片连接(29)，脚踏开关(17)用导线和光耦芯片(29)连接，数据通信芯片(32)用多芯屏蔽线和所述的人机通信系统的液晶显示屏(1)连接，实现所述的测控系统和所述的人机通信系统间的通信，光耦芯片(29)用导线分别与所述的方波脉冲发生与测量系统的第一真空继电器(8)及第二真空继电器(9)的线圈连接，第一、二真空继电器(8、9)的控制信号由DSP芯片(31)发出后经光耦芯片(29)直接供给，DSP芯片(31)用导线和所述的信号转换系统的模/数转换集成块(5)连接，DSP芯片(31)发出的高压恒流电源(12)的控制信号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的方波脉冲发生与测量系统的高压恒流电源(12)的控制端，而所述的方波脉冲发生与测量系统发送的电容器(18)的端电压信号和输出脉冲电流信号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的测控系统的DSP芯片(31)进行处理，数/模转换芯片(4)用导线和所述的信号转换系统的第二电/光转换集成块(28)连接，DSP芯片(31)发出的给第一、二驱动器(25、26)的控制信号通过所述的信号转换系统的光电隔离后发送至所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器(25、26)的控制端，DSP芯片(31)用导线和所述的供电系统连接，所述的测控系统的主要功能是与所述的人机通信系统进行通信，发送给高压恒流电源(12)、第一、二驱动器(25、26)、第一真空继电器(8)和第二真空继电器(9)控制信号，接收所述的方波脉冲发生与测量系统测量得到的经由所述的信号转换系统发送的电容器(18)的端电压信号和输出脉冲电流信号，控制整个装置的工作并进行突发事故处理；所述的供电系统，主要包括电源(14)、第一、二隔离变压器(15、13)、第一、二、三开关电源(22、7、30)，电源(14)用导线分别和第一、二隔离变压器(15、13)的原边连接，电源(14)用导线分别和第二、三开关电源(7、30)的输入端连接，第一隔离变压器(15)的副边用导线和第一开关电源(22)的输入端连接，第二隔离变压器(13)的副边用导线和所述的方波脉冲发生与测量系统的高压恒流电源(12)的输入端连接，第一开关电源(22)的输出端用导线分别和所述的方波脉冲发生与测量系统的第一、二驱动器(25、26)的输入端连接，第一、二隔离变压器(15、13)副边的接地线和原边的接地线不直接连接，第一开关电源(22)则将第一隔离变压器(15)副边输出的220V/50Hz交流电转换为15V直流输送给第一、二驱动器(25、26)的输入端为其供电，第二开关电源(7)的输出端用导线和所述的测控系统的DSP芯片(31)连接，第三开关电源(30)的输出端用导线和所述的人机通信系统的液晶显示屏(1)连接，将电源(14)的220V/50Hz交流电转换为15V直流输送给所述的测控系统和所述的人机通信系统为其供电。
2.按照权利要求1所述的不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置，其特征在于所述的方波脉冲 的幅值在100 3000V可调，脉宽在10 500 μ s可调，频率在1 IOHz可调，个数在1 600可调。
3.一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的方法，利用权利要求1所述的装置和治疗电极，通过 程序对肿瘤进行治疗，其特征在于具体方法步骤如下(1)初始化权利要求1所述的装置接通电源(14)开机后，“等待”状态的黄色的指示灯(2)亮起， 系统进行初始化，然后液晶显示屏(1)进入参数设置界面，设置的参数包括脉冲幅值、重复 频率、脉冲宽度和脉冲个数，显示的初设参数分别为脉冲幅值2000V、重复频率1Hz、脉冲宽 度100 μ S、脉冲个数100个；(2)确定治疗参数第(1)步完成后，先根据患者的特点，即身体状况、年龄、性别，及其肿瘤组织的具体情 况，即种类、恶性程度、尺寸，制定相应的治疗方案，并确定方波脉冲的参数，即脉冲幅值、重 复频率、脉冲宽度和脉冲个数，及电极头的插入位置和深度，再通过权利要求1所述的装置 的人机通信系统，将确定的方波脉冲的脉冲幅值、重复频率、脉冲宽度和脉冲个数输入给权 利要求1所述的装置的测控系统；(3)进行治疗在第(2)步完成后，按照确定的电极头的插入位置和深度，工作人员将电极头插入患 者的肿瘤组织中，点击按键⑶上“启动”键，高压恒流电源(12)对电容器(18)进行充电， 第二真空继电器(9)的一对常开触点闭合形成放电回路，充电完成液晶显示屏(1)提 示“开始治疗”后，工作人员踩住脚踏开关(17)令测控系统给第一、二驱动器(25、26)发 出信号，使第一、二三极管(24、23)动作，输出脉冲进行治疗，此时黄色的指示灯(2)熄灭， “治疗”状态的绿色的指示灯(2)点亮，权利要求1所述的装置输出设定的治疗脉冲个数，当 治疗未完成时工作人员松开脚踏开关(17)则停止发送信号给第一、二驱动器(25、26)，停 止输出脉冲，此时绿色的指示灯⑵熄灭，“等待”状态的黄色的指示灯⑵点亮，工作人员 继续踩下脚踏开关(17)则测控系统发送给第一、二驱动器(25、26)信号使第一、二三极管 (24,23)动作，继续输出剩余的脉冲进行治疗，直到治疗完成或工作人员再次松开脚踏开关 (17)；(4)治疗结束在第(3)步完成后液晶显示屏(1)提示“治疗结束”，工作人员从患者的肿瘤组织中拔 出电极头。
全文摘要
一种不可逆电穿孔治疗肿瘤的装置和方法，属于肿瘤治疗技术领域。本发明装置主要包括方波脉冲发生与测量系统、信号转换系统、人机通信系统、测控系统和供电系统。本发明方法是利用本发明装置和治疗电极，通过程序进行肿瘤治疗。本发明是在不注射化疗药物的情况下，施加微秒级方波脉冲于肿瘤组织，对整个肿瘤细胞产生全面的破坏作用，使其发生不可逆电穿孔而死亡，从根本上避免了化疗药物的副作用对患者身体的危害，并具有治疗时间短、无痛苦、治疗效果好、安全性高、装置使用方便、方法操作简单、便于推广应用等特点。本发明可广泛应用于治疗人体和动物的肿瘤，特别适用于治疗人体的肿瘤。
文档编号A61B18/12GK101972168SQ20101054616
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者周电波, 姚陈果, 孙才新, 李成祥, 杜林 , 米彦, 陈伟根 申请人:重庆大学