研究目的:高压陡脉冲作用于生物组织,能够在细胞膜上产生纳米级的不可逆电穿孔(Irreversible electroporation,IRE)效应,导致生物组织凋亡。应用这项技术对肿瘤细胞进行消融,无热沉效应,保留了肿瘤附近血管、神经等结缔组织结构不受损伤。这一特性对不可手术的特殊部位肿瘤治疗具有特殊意义。IRE技术是借助50-100微秒高压电脉冲作用与肿瘤细胞,术中组织流过20-50A大电流,对于放电脉冲的控制要求高,研究该系统的控制器对于治疗仪的开发具有重要意义。研究方法:1.采用DSP+CPLD控制技术,设计高压陡脉冲治疗仪的控制电路。结合治疗仪的临床应用需求,采用C语言设计控制器程序,借助CCS和Quartus等平台,进行仿真、调试和验证。2.将控制器应用于高压陡脉冲治疗仪,通过高压探头、电流互感器和示波器等设备,搭建测试平台,监控输出脉冲的电压、脉宽、周期等参数,以测试系统脉冲输出精度及逻辑功能。3.将小型猪分为实验组和对照组,实验组按照1500V/cm、50-100μs,70个脉冲剂量实施消融手术,对照组仅进行穿刺未实施消融手术,术后对观察动物生活状态、血液指标,术后1天、3天7天、14天和21天,处死取样进行大体观察、组织切片染色和电镜切片,观察细胞凋亡及细胞膜上电穿孔状况,验证控制器控制主机消融的有效性。研究结果:1.本系统实现了高压陡脉冲的生成,脉冲参数灵活可调,可通过上位机界面进行脉冲的电压、脉宽、组数等参数设置。固定负载测试表明,系统输出脉冲电压误差为±20V,脉宽误差为±1μs,通过反馈电路和软件控制,实现过流保护报警提示功能。2.术后受试动物在观察期内无明显行为异常现象,HE染色结果显示,IRE消融区域边界明显,在第3天可见明显的细胞凋亡现象,在第14天和21天可见明显的组织纤维化和肝组织假小叶增生现象,且随着术后时间推移,炎性细胞浸润和组织水肿现象逐步减弱。3.TEM电镜观察显示,消融区域的大血管、胆管等组织结构保留完整,在消融区域可见巨噬细胞和凋亡小体出现,细胞膜不完整,细胞间边界不明显,空泡化严重,细胞核固缩,有少量炎性细胞浸润等现象,在观察后期,第14天和21天时,新生细胞增多,组织空泡化逐渐减少。研究结论:本研究采用DSP+CPLD控制技术,实现了高压陡脉冲控制器设计。脉冲参数控制灵活,工作稳定可靠,达到预期设计要求。动物实验显示,高压陡脉冲控制器实现了对于高压陡脉冲治疗仪的精准控制,术后动物无明显异常状况,HE染色与TEM电镜观察均呈现明显的组织消融,且能完整保留大血管、胆管等管腔结构。结果表明该控制器可以安全、有效的进行不可逆电穿孔消融。满足了进入临床验证的要求。