《新型微秒电脉冲不可逆电穿孔消融技术原理及应用》介绍了不可逆电穿孔治疗肿瘤技术的基本原理、发展现状以及未来发展趋势，力求深入浅出地阐释该新兴肿瘤治疗方法的发展历程。《新型微秒电脉冲不可逆电穿孔消融技术原理及应用》共6章，分别介绍了不可逆电穿孔肿瘤消融技术的发展、不可逆电穿孔肿瘤消融基本原理、传统不可逆电穿孔肿瘤消融面临的问题、新型不可逆电穿孔肿瘤消融模式及其治疗计划，*后介绍了不可逆电穿孔肿瘤消融技术研究的*新进展及其未来发展方向。《新型微秒电脉冲不可逆电穿孔消融技术原理及应用》在撰写过程中得到了电气工程、生物工程、临床医学等多学科领域专家的大力支持，保证了《新型微秒电脉冲不可逆电穿孔消融技术原理及应用》内容的科学性与严谨性。

第1章 绪论
　　1.1 肿瘤及其治疗方法
　　1.1.1 肿瘤及其严峻形势
　　肿瘤是机体在各种致癌因子的作用下，局部组织细胞出现过度增殖和异常分化而形成的新生物。根据新生物的细胞特性及对机体的危害程度，可将肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。癌症是起源于上皮组织的恶性肿瘤，占恶性肿瘤的90%以上，癌细胞不同于正常细胞，它不受新陈代谢规律控制而无节制地生长增殖，并且能够侵犯邻近正常组织并转移到远处的组织器官，影响机体功能[1，2]。
　　目前，癌症是严重威胁人民健康的主要公共卫生问题之一。根据世界卫生组织国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer， IARC)发布的全球*新癌症数据：2020年全球新发癌症病例1929万例，新增死亡病例996万例；其中，中国新发病例457万例，新增死亡病例超300万例，即每天约有1.25万人确诊癌症，而每分钟有超过5.7人因癌症而离世[3]。因此，我国癌症的防治形势极其严峻[4]，针对肿瘤等重大疾病的诊疗技术及其医学前沿技术研发是广大科研工作者面向人民生命健康亟须攻关的重大医学及科研课题。
　　1.1.2 肿瘤的传统治疗方法
　　一直以来，生物学、医学以及物理学等多学科研究人员长期致力于癌症治疗领域的研究工作，力图寻求恶性肿瘤治疗的*佳方案。传统的肿瘤治疗手段主要包括手术治疗、放射治疗(简称放疗)和化学抗癌药物治疗(化学治疗，简称化疗)。
　　1. 手术治疗
　　手术一般被视为大多数恶性肿瘤*选的治疗方案，它主要适用于早期和中期局部性肿瘤的**性治疗，也可用于晚期肿瘤的姑息性治疗。然而，手术对患者的创伤较大，肉眼难以发现的微小病灶或转移扩散的恶性肿瘤更是无法切除，加之某些部位肿瘤的手术开展难度非常大，难以实施。因此，手术更适合早期局部病灶，而且要尽量实现完全切除，否则残留的肿瘤细胞极易复发，导致总体治疗效果不佳。现有研究表明，手术可能会刺激肿瘤细胞的生长，从而加速肿瘤的转移，因此，对于已经出现转移扩散的中晚期肿瘤，手术不再适用[2]。
　　2. 放射治疗
　　放射治疗是指用放射性同位素的射线、X射线治疗机产生的普通X射线、加速器产生的高能X射线，还有各种加速器所产生的电子束、质子、快中子、负π介子以及其他重粒子等来治疗恶性肿瘤。放射治疗能够杀死局部肿瘤细胞，尤其对于一些对放射线敏感的肿瘤，如鼻咽肿瘤等，可作为*选的治疗方法。与手术治疗一样，放射治疗也属于局部治疗肿瘤的方法。然而，放射治疗的一个基本特征是射线在杀死肿瘤细胞的同时，也会对正常细胞组织造成一定程度的损伤，因此其副作用也较为明显。除此之外，放射治疗后肌肉和神经损伤的后遗症较多，恢复难度也较大。因此，放射治疗主要用于恶性肿瘤局部肿块的控制。
　　3. 化学治疗
　　化学治疗是使用化学物质破坏脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid， DNA)抑制有丝分裂来诱导细胞凋亡，杀死快速分裂的肿瘤细胞，并通过定期、剂量控制的数次疗程，让肿瘤继续缩小，从而达到治疗、延长患者生存周期的目的。20世纪80年代以后，化疗药物的种类不断丰富，配伍不断完善，新的化疗药物更是层出不穷，使得肿瘤化学治疗的效果愈加显著。相较于手术和放射治疗，化学治疗具有*特的优势：①全身性。手术治疗及放射治疗只是局部治疗，尤其是手术治疗对造血系统以及发生转移的实体瘤等的全身治疗无能为力；而化学治疗能起到全身治疗的效果。②降低复发率。手术治疗和放射治疗往往难以彻底消灭亚临床的肿瘤细胞，治疗后常有复发，辅助化学治疗可提高手术治疗及放射治疗的治愈率，降低治疗后的复发率[5]。因此，化学治疗一般用于对化疗药物敏感的癌症如白血病和淋巴瘤等的根治性治疗，也用于手术和放射治疗后的辅助性治疗以预防复发和转移，更是一些有全身扩散倾向的肿瘤或已经转移的中晚期肿瘤的主要治疗手段[5]。
　　同时，化学治疗也存在影响其疗效的难以克服的问题：药物治疗的选择性、毒性作用以及抗药性等。几乎所有的抗癌药物在治疗过程中杀伤肿瘤细胞的同时，也会杀伤正常的组织细胞，尤其是增殖旺盛的骨髓造血细胞及胃肠道细胞，一方面限制了药物的剂量，另一方面常常导致患者免疫功能下降；并且，化疗药物剂量越大，毒性越大，副作用越强，会严重影响患者生活质量；另外，抗药性的存在和产生往往使得治疗后期在原发及周边部位，甚至远端转移性复发，也是化学治疗失败的主要原因之一[5]。
　　总体而言，化学治疗和放射治疗常常作为手术切除的补充，消除残余病灶。肿瘤的传统疗法在目前的肿瘤治疗中仍占有较大比重，但是人们对微创、副作用小、并发症少的新型疗法的追求，促使广大科学工作者协同合作，共同在肿瘤治疗新方法方面实现重大突破[6，7]。
1.1.3 肿瘤的微创物理治疗方法
　　随着人们健康意识的增强以及社会医疗保健水平的提高，大部分肿瘤有望在早期得到及时发现和诊断，以微创医疗为特征的新型物理治疗手段如激光、冷冻、热疗等应运而生，并在临床中得到了广泛应用。这些方法打破了内科医生和外科医生的界限，也改变了临床科室与辅诊科室的专业领域，要求各科医生越来越紧密地和介入、影像、计算机及基础医学相结合。根据采用的物理因子的不同，主要有以下几种物理消融方法。
　　1. 光动力治疗
　　光动力治疗(photodynamic therapy， PDT)是20世纪70年代末开始形成的一项治疗肿瘤的新技术[8]。PDT属于光医学范畴，它的作用基础是光动力效应。它采用特定波长的激光照射肿瘤部位，使聚集在肿瘤组织的光敏药物激化，激化态的光敏剂又将能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧，进而与附近的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性导致细胞死亡，从而杀伤肿瘤细胞，即通过引发光化学反应达到消融肿瘤的目的[9]。光动力治疗作为一种微创疗法，主要用于治疗癌前期病变、早期癌或不能手术的肿瘤，对于累及口腔、食管、气管等浅表性肿瘤的治疗具有显著性优势。同时，由于光动力治疗严重依赖光敏剂，光敏剂的毒性在一定程度限制了它的应用[10]。
　　2. 冷冻治疗
　　冷冻治疗包括氩氦靶向治疗、液氮冷冻消融治疗和二氧化碳冷冻治疗。它是利用局部超低温引起病变细胞的机械性破坏或代谢性损伤而达到损毁病变组织的一种治疗方法[11，12]。冷冻治疗主要包括低温、冷冻、热融三个过程，其主要机制是：①细胞脱水和皱缩；②细胞电解质毒性浓度和pH值改变；③细胞膜脂蛋白成分变性；④细胞内冰晶形成和冰晶的机械性损伤；⑤血流瘀滞和微血管形成；⑥免疫效应等使得肿瘤细胞被杀死，达到肿瘤局部消融的目的。冷冻治疗技术由于具有速度快、损伤小、不出血等特点，临床上主要应用于肺癌、肾癌、肝癌等的手术配合。其缺点在于冷冻区边缘可能残存肿瘤细胞，成为复发来源，冷冻范围过大又可引起器官裂开及冷休克等严重并发症[6]。
　　3. 热消融
　　热消融是近五十年来迅速发展起来的一种新型肿瘤无创或微创技术，和医学影像技术紧密结合，治疗更精准、有效，目前在临床上已得到广泛的应用。其主要是利用多种形式的物理因子为治疗源，通过能量转换使得肿瘤靶区温度迅速升高至60℃以上，诱导机体肿瘤组织发生凝固性坏死，达到功能性切除的目的。根据物理因子的不同，热消融技术主要包括射频消融[13]、微波消融[14]、激光消融[10]以及聚焦超声消融[15]等。依据其临床优势，目前主要用于局部肿瘤组织消融或姑息性治疗。
　　总体而言，肿瘤的热消融属于单纯的物理消融，避免了化疗药物的毒副作用，并且治疗往往采用的是直径为毫米级的电极针或外置探头，实现了肿瘤的微创或无创消融。然而，该方法在消融热敏器官附近的肿瘤时存在一定的局限性，容易对邻近重要脏器造成损伤；同时，由于血管、淋巴等循环系统的散热效应，肿瘤部位的温度难以上升到消融所需温度，即“热沉效应”，使得治疗效果大打折扣[7]。为此，人们还在进一步寻找更为有效、非热的肿瘤微创疗法。
　　1.1.4 其他治疗方法
　　近年来，肿瘤的免疫疗法已经成为肿瘤研究领域的热点。肿瘤的免疫治疗是通过修复被肿瘤破坏的肿瘤-免疫循环中的相关环节，重启肿瘤-免疫循环，恢复抗肿瘤免疫应答，从而实现机体自主识别并清除肿瘤的一种肿瘤疗法。肿瘤免疫疗法理论上可以克服肿瘤快速变异，可适用于多种类型、多种变异的肿瘤的治疗；同时，肿瘤免疫疗法具有记忆功能，可维持长时间应答甚至可实现临床治愈；*后，肿瘤免疫疗法具有与其他治疗手段和药物联合使用的潜力，可进一步增强疗效，提高临床治愈率或患者生存率。根据修复的肿瘤-免疫循环环节的不同，肿瘤免疫疗法可以分为单克隆抗体类免疫检查点抑制剂疗法、治疗性抗体疗法、癌症疫苗疗法、细胞疗法和小分子抑制剂疗法等。不同的疗法对肿瘤的治疗效果也有所不同，如免疫检查点抑制剂主要针对黑色素瘤、消化道的恶性肿瘤或非小细胞肺癌。近年来，肿瘤免疫疗法好消息不断，目前已有多个肿瘤免疫治疗药物获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration， FDA)批准进入临床应用阶段。然而，肿瘤免疫疗法作为一种新兴的肿瘤疗法，仍存在诸多未知问题亟须解决，例如，免疫治疗药物并不能给所有患有同一种癌症的患者带来持久的临床效果。因此，为了进一步推进肿瘤免疫疗法的临床应用，还需继续深入研究其内在作用机制并逐步解决临床应用存在的重大挑战，如肿瘤免疫的主要驱动子、组织特异性肿瘤免疫、肿瘤免疫疗法的自身免疫毒性等[16]。
　　除以上常见肿瘤治疗手段，肿瘤基因疗法[17]、脉冲超声疗法[18]以及乙醇疗法[19]均在肿瘤治疗中展现出一定的应用前景，同时在临床应用中也面临着不同挑战，仍需更加广泛和深入的研究来推动上述方法的临床应用，本书在此不再赘述。
　　1.2 基于电场生物效应的新型治疗方法
　　众所周知，自然界中包含了六种基本能量形式，而上述的肿瘤治疗方法从传统治疗方法到微创新型治疗方法均利用了自然界除电能以外的五种能量形式(手术—机械能、放射疗法—核能、化学疗法和免疫疗法—化学能、热疗—热能、光疗—光能)，由于各方法的临床适应证限制和不足，不能很好地满足临床治疗的巨大需求。研究者逐渐把目光聚焦到自然界中另一个重要的物理能量—电能，认为如果把生物细胞或组织看作电介质，那么在一定强度的电场作用下，或可在肿瘤细胞或组织这一特殊的生物介质上诱导与以上基于光能、热能等物理方式完全不同的生物效应，为医学肿瘤治疗带来新的应用优势和突破口。本节主要介绍基于电能发展起来的几种新型肿瘤疗法及其应用和发展。
　　1.2.1 直流电场疗法
　　直流电场疗法是通过将低电压(0～25V)、低电流(0～250mA)的直流电通过电极施加于肿瘤组织，经过电解、电离、电泳、电渗等一系列的电化学反应改变肿瘤的生存环境，达到杀死肿瘤细胞从而消融肿瘤组织的目的。直流电场疗法在肿瘤治疗领域已取得了良好的成果并且在我国进行了临床试验研究[20，21]。直流电的抗肿瘤效应主要是依赖于电极与组织交界面的电化学反应(电解)产生的具有细胞毒性的粒子和引起的局部微环境的pH值变化，以此杀死肿瘤细胞并消融肿瘤组织。然而，电极表面的电化学反应主要依赖于电极的材料与施加环境[22]。如果阳极的材料是电化学可溶的(如铜)，那么阳极的电流主要来自金属的溶解，小部分的电流是基于氧化作用或者已在组织中溶解的特定离子的传输。阴极材料在施加电流期间会由于电化学溶解而受到保护，阴极的电化学反应主要是水分子分解成氢分子和羟基离子：
　　(1-1)
　　在阳极与阴极产生的离子因浓度梯度扩散或者电势差扩散到周围组织中。在阳极附近，电化学反应产生的金属离子、氢离子以及含氧原子与氯原子等不同种类离子与分子都会对局部的生物组织产生毒性。氢氧根离子以及氢分子在阴极都是具有强破坏性的反应物。电化学反应产物也会与生物组织中有机、无机成分产生反应，从而

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 肿瘤及其治疗方法 1
1.1.1 肿瘤及其严峻形势 1
1.1.2 肿瘤的传统治疗方法 1
1.1.3 肿瘤的微创物理治疗方法 3
1.1.4 其他治疗方法 4
1.2 基于电场生物效应的新型治疗方法 5
1.2.1 直流电场疗法 5
1.2.2 交变电场疗法 6
1.2.3 脉冲电场疗法 7
1.3 脉冲电场肿瘤治疗方法 8
1.3.1 可逆电穿孔疗法 8
1.3.2 不可逆电穿孔疗法 10
1.4 本章小结 15
参考文献 15
第2章 不可逆电穿孔肿瘤消融治疗方法 28
2.1 引言 28
2.2 细胞电穿孔的基本原理 28
2.2.1 动物细胞膜结构 28
2.2.2 外加电场下的细胞响应 31
2.2.3 细胞膜电穿孔机理 32
2.2.4 细胞膜不可逆电穿孔 34
2.2.5 基于电场应力的细胞内外膜电穿孔机理 35
2.3 不可逆电穿孔治疗肿瘤的生物效应机理 38
2.3.1 脉冲电场剂量-效应关系的实验研究 38
2.3.2 脉冲场强参数的窗口效应及机理 40
2.3.3 脉冲电场诱导肿瘤细胞不可逆电穿孔及凋亡机理 44
2.3.4 脉冲电场对肿瘤细胞侵袭能力和转移能力的影响 47
2.4 不可逆电穿孔肿瘤消融的研究进展 52
2.4.1 不可逆电穿孔肿瘤消融的数值仿真 52
2.4.2 不可逆电穿孔肿瘤消融的细胞实验 54
2.4.3 不可逆电穿孔肿瘤消融的组织实验 55
2.4.4 不可逆电穿孔肿瘤消融的治疗计划 55
2.4.5 不可逆电穿孔肿瘤消融的临床应用 56
2.5 不可逆电穿孔临床应用中存在的主要问题 58
2.6 本章小结 61
参考文献 61
第3章 高频双极性脉冲不可逆电穿孔肿瘤消融治疗方法 67
3.1 引言 67
3.2 传统不可逆电穿孔技术难点问题分析 67
3.2.1 消融不均难题分析及解决思路 67
3.2.2 肌肉收缩难题分析及解决思路 70
3.3 新型不可逆电穿孔肿瘤消融脉冲波形特征 70
3.3.1 融合多特征的脉冲组合方式 70
3.3.2 高频双极性脉冲的主要波形特征 72
3.4 高频双极性脉冲解决传统不可逆电穿孔应用难点问题的有效性 73
3.4.1 高频双极性脉冲电场均匀性仿真研究 73
3.4.2 高频双极性脉冲电场均匀性实验研究 74
3.4.3 高频双极性脉冲电场抑制肌肉收缩仿真研究 78
3.4.4 高频双极性脉冲电场抑制肌肉收缩实验研究 82
3.5 高频双极性脉冲诱导不可逆电穿孔的生物效应机制 87
3.5.1 高频双极性脉冲诱导的细胞电响应数值仿真研究 87
3.5.2 高频双极性脉冲作用下细胞的死亡途径 95
3.6 高频双极性脉冲不可逆电穿孔组织消融的有效性与安全性 104
3.6.1 高频双极性脉冲不可逆电穿孔肿瘤治疗样机研制 104
3.6.2 高频双极性脉冲组织消融效果 105
3.6.3 肝脏组织消融效果及阈值场强 107
3.6.4 高频双极性脉冲大动物消融实验的安全性与有效性 110
3.7 本章小结 114
参考文献 114
第4章 多序列组合脉冲不可逆电穿孔肿瘤消融治疗方法 117
4.1 引言 117
4.2 多序列组合脉冲电场肿瘤治疗方法 117
4.2.1 不可逆电穿孔临床应用中存在的其他问题 117
4.2.2 增强型多序列组合脉冲思路 119
4.3 多序列组合脉冲作用下组织可逆与不可逆电穿孔区域变化规律 120
4.4 多序列组合脉冲增效细胞的实验验证 125
4.4.1 多序列组合脉冲细胞杀伤效果的初步验证 125
4.4.2 不同场强下多序列组合脉冲的细胞杀伤效果 127
4.4.3 相同剂量下多序列组合脉冲的细胞杀伤效果 130
4.4.4 相同脉冲个数下多序列组合脉冲的细胞杀伤效果 131
4.4.5 多序列组合脉冲作用下细胞悬液的温升分析 132
4.5 多序列组合脉冲扩大组织消融面积的实验验证 133
4.5.1 多序列组合脉冲扩大兔肝脏组织消融面积的在体实验验证 133
4.5.2 相同脉冲个数下多序列组合脉冲扩大兔肝脏组织消融面积的实验验证 135
4.5.3 多序列组合脉冲与临床常用脉冲参数作用下的消融面积对比 137
4.5.4 多序列组合脉冲施加顺序及脉冲间隔对消融面积的影响 137
4.5.5 多序列组合脉冲的阈值场强及其温升分析 138
4.5.6 多序列组合脉冲有效扩大消融面积的讨论分析 140
4.6 多序列组合脉冲肿瘤组织消融的安全有效性分析 141
4.7 本章小结 143
参考文献 143
第5章 新型脉冲肿瘤消融的治疗计划及疗效评估策略 145
5.1 引言 145
5.2 新型脉冲不可逆电穿孔临床应用中的关键问题 145
5.2.1 高频双极性脉冲不可逆电穿孔消融肿瘤的治疗参数选择 145
5.2.2 脉冲电场组织消融的疗效即刻评估 146
5.3 脉冲电场作用下的组织电导率动态变化模型 146
5.3.1 高频双极性脉冲作用下生物组织电导率动态变化 146
5.3.2 多脉冲作用下的组织电导率动态变化模型 152
5.4 脉冲电场组织消融效果评估 159
5.4.1 兔肝脏组织动态消融判据 159
5.4.2 高频双极性脉冲组织消融效果动态评估 162
5.4.3 两电极作用下组织阻抗变化与消融范围的关系 163
5.4.4 多针电极布置下组织阻抗变化与消融范围的关系 168
5.5 高频双极性脉冲不可逆电穿孔肿瘤消融治疗计划 174
5.6 基于遗传算法的肿瘤组织不可逆电穿孔消融治疗计划 179
5.7 本章小结 183
参考文献 184
第6章 不可逆电穿孔肿瘤消融技术进展与发展趋势 186
6.1 引言 186
6.2 不可逆电穿孔肿瘤消融技术的进展 186
6.2.1 应用于不可逆电穿孔组织消融的新型电极 186
6.2.2 协同纳米材料增强不可逆电穿孔疗效 187
6.2.3 协同电化学反应增强不可逆电穿孔疗效 187
6.2.4 不可逆电穿孔联合免疫疗法 188
6.2.5 不可逆电穿孔联合其他肿瘤疗法 189
6.3 不可逆电穿孔肿瘤消融技术的发展趋势 189
6.3.1 不可逆电穿孔临床肿瘤治疗的可视化与疗效评估 189
6.3.2 不可逆电穿孔肿瘤消融的联合治疗 189
6.4 本章小结 190
参考文献 190