不可逆電擊穿腫瘤細(xì)胞的仿真研究

朱岳岳, 薛 亮, 馮 悅

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

在人類社會的發(fā)展進(jìn)程中,惡性腫瘤因其不斷增加的發(fā)病率和致死率逐漸成為嚴(yán)重危害人類生命健康的疾病之一?，F(xiàn)階段治療腫瘤的傳統(tǒng)方法以手術(shù)治療[1-2]、放射治療[3]以及化學(xué)藥物滲透等手段為主,不僅治愈率低而且術(shù)后可能給患者帶來隱患。陡脈沖序列可致細(xì)胞膜不可逆性電擊穿,從而將腫瘤細(xì)胞直接殺死,為腫瘤治療提供了一種新思路[4-5]。為達(dá)到陡脈沖電場的最佳治療效果,最大程度地殺傷腫瘤細(xì)胞且保護(hù)周圍正常組織不受損傷,需要尋求對腫瘤細(xì)胞給予最大程度殺傷的脈沖參數(shù)值范圍[6-7]。本文利用有限元多物理場耦合仿真軟件COMSOL,建立了人體肝臟器官中腫瘤組織的物理模型。通過改變激勵脈沖的各項(xiàng)參數(shù),定量分析腫瘤細(xì)胞的壞死程度,為電擊穿腫瘤細(xì)胞的實(shí)際操作提供必要的參考。

1 仿真模型的搭建

為了簡化運(yùn)算同時保證可直觀地觀察到電擊穿細(xì)胞的壞死情況,本文選用球形單細(xì)胞模型用以模擬肝臟內(nèi)部的腫瘤分布。設(shè)均勻介質(zhì)C為人體肝臟組織,相對介電常數(shù)為65,電阻率為0.3 Ω·m;均勻介質(zhì)D為腫瘤細(xì)胞,相對介電常數(shù)為40,電導(dǎo)率為0.5 S·m。7針電極模型中的g電極接地,a,b,c,d,e,f電極分別連接陡脈沖電場。搭建的2針電極和7針電極的二維物理模型如圖1所示。

圖1 電極二維物理模型

2 仿真結(jié)果分析

在保證患者安全的前提下,將電脈沖引入癌癥組織中。仿真時,陡脈沖脈寬為0.5 s,頻率為1 Hz,探針間距為1.00 cm,探針直徑為0.40 cm,作用2 s后腫瘤組織壞死現(xiàn)象表現(xiàn)為僅在電極探針周圍出現(xiàn)類圓形的損傷。為尋求最佳治療效果,本文采用的陡脈沖峰值電壓以500 V起步,間隔為100 V,對不同等級電壓的作用效果進(jìn)行了仿真。2針電極下,峰值電壓為900 V時的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 2針電極下電壓峰值為900 V時腫瘤的壞死情況

通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)觀察腫瘤組織在均勻介質(zhì)中發(fā)生不可逆性電擊穿后的壞死情況,尋找能夠最大程度殺傷腫瘤組織且對周圍正常組織影響最小的陡脈沖形式。當(dāng)陡脈沖電壓峰值為800 V,900 V,1 000 V時,作用2 s后腫瘤壞死區(qū)域開始逐漸向垂直于電極探針連線方向朝外擴(kuò)展。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),仿真實(shí)驗(yàn)中最佳治療腫瘤細(xì)胞的各項(xiàng)參數(shù)如下:脈沖電場的脈寬為0.5 s,頻率為1 Hz,電壓峰值為1 100 V,作用時間為1.6 s;電極探針針徑為0.40 cm,間距為1.00 cm。脈沖電場對腫瘤組織造成的不可逆性電擊穿損傷情況如圖3所示。

圖3 最佳治療情況下的腫瘤組織損傷情況

由2針電極脈沖電場的仿真結(jié)果可知,一支電極探針的殺傷半徑約為0.25 cm。對于直徑小于0.5 cm的腫瘤細(xì)胞來說,可用雙電極探針進(jìn)行組合治療;對于直徑較大的腫瘤細(xì)胞,考慮到2針電極電場覆蓋面積過窄、殺傷效果不均勻等因素,可以用電極陣列的方式替代2針電極模式。

電極陣列能夠增加治療覆蓋區(qū)域的多樣性和可塑性,使得電極探針?biāo)┘拥拿}沖電場更加全面地覆蓋腫瘤組織,進(jìn)而有效消融腫瘤細(xì)胞,防止其再生和擴(kuò)散。7針電極模型中,將脈寬為0.5 s、頻率為1 Hz、作用時間為2 s、峰值電壓為900 V的陡脈沖電場作用于均勻肝臟腫瘤細(xì)胞組織中,電極探針針徑為0.40 cm,間距為0.50 cm,其仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,腫瘤組織的壞死程度和電場強(qiáng)度被控制在電極陣列中間,高電場區(qū)域細(xì)胞損傷情況均勻,壞死細(xì)胞較多,損傷效果隨著電極距離的增加而迅速減少,因此對人體器官的損傷較微小。通過對比2針電極與7針電極的仿真結(jié)果可知,多針陣列可使高電場強(qiáng)度疊加以加大對腫瘤細(xì)胞造成的傷害。

圖4 7針電極下電壓峰值為900 V時

3 腫瘤細(xì)胞定位仿真分析

由上述腫瘤組織損傷輪廓圖可知,陡脈沖電場同時作用于正常組織與腫瘤組織的結(jié)果不同,其原因在于兩者的介電常數(shù)不同。一般情況下,正常細(xì)胞的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于腫瘤細(xì)胞,因此腫瘤細(xì)胞容易被電擊穿。因此,可根據(jù)電擊穿效應(yīng)估計(jì)腫瘤細(xì)胞的位置。將多個腫瘤細(xì)胞C和D分散排列,施加陡脈沖電場,觀察均勻介質(zhì)中細(xì)胞損傷情況。其仿真模型如圖5所示。

圖5 分散腫瘤細(xì)胞的二維物理模型

在脈寬為0.1 s、頻率為1 Hz、峰值電壓為1 000 V的陡脈沖電場的作用下,0.5 s后,均勻介質(zhì)中腫瘤組織受損情況如圖6所示。

圖6 分散腫瘤細(xì)胞模型中腫瘤組織受損情況

由圖6可知,不同介電常數(shù)細(xì)胞的電擊穿損傷情況不同。仿真時,正常介質(zhì)的介電常數(shù)的設(shè)定值為1 000,正常人體肝臟中細(xì)胞的相對介電常數(shù)為1.83×106,其他器官組織中正常細(xì)胞的相對介電常數(shù)同樣遠(yuǎn)大于1 000。因此,若仿真時將正常介質(zhì)的介電常數(shù)的設(shè)定值接近人體正常水平時,施加脈沖時的受損情況差異將更明顯,觀察圖像將可更清楚地估計(jì)癌變細(xì)胞的位置和輪廓。這可為癌細(xì)胞的定位與治療提供一種新思路。

4 結(jié) 論

(1) 借助COMSOL有限元多物理場分析軟件,仿真均勻介質(zhì)中脈沖電場強(qiáng)度并觀察在不同參數(shù)下肝臟組織的受損情況,可知陡脈沖電場強(qiáng)度在兩電極探針尖端處場強(qiáng)最高,并以電極探針為圓心向外衰減。

(2) 仿真實(shí)驗(yàn)中肝臟腫瘤組織最佳治療效果的各項(xiàng)參數(shù)如下:脈沖電壓脈寬為0.5 s,頻率為1 Hz,電壓峰值為1 100 V,電極探針直徑為0.40 cm,間距為1.00 cm。

(3) 2針電極的高電場疊加覆蓋面積較小;7針陣列下發(fā)生不可逆性電擊穿高電場區(qū)域覆蓋面積較大,當(dāng)腫瘤組織直徑較大時,可改變電極探針陣列以保證有效擊穿。

(4) 由于正常細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的介電常數(shù)不同,在相同陡脈沖和電極探針的參數(shù)作用下的壞死程度也不同,可以利用這一性質(zhì)對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行定位分析,可為后續(xù)治療提供前期基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。