【摘要】：不可逆電穿孔(IRE)是一種新型的腫瘤消融技術(shù),它通過高壓脈沖反復(fù)刺激細胞,誘導(dǎo)細胞膜上產(chǎn)生許多不可逆的小孔,進而導(dǎo)致細胞死亡,從而達到消除腫瘤的目的。由于實際消融區(qū)域是不均勻的,會導(dǎo)致腫瘤組織再生復(fù)發(fā)。計算機模型可以作為一種IRE治療效果的預(yù)測手段為實際臨床治療提供指導(dǎo)和方案設(shè)計,以防止腫瘤因未完全消除而產(chǎn)生的復(fù)發(fā)。然而以往的模型主要是基于IRE閾值理論建立的,精度不高且不能反映實際消融過程,限制了仿真結(jié)果對臨床的指導(dǎo)意義。為了解決這一問題,本課題致力于針對宮頸癌組織建立一種精度更高的IRE治療效果預(yù)測模型以提高計算機模型對臨床手術(shù)的指導(dǎo)意義。本文的主要研究內(nèi)容為:(1)利用宮頸癌細胞IRE體外實驗,首先確定一種有效的測量宮頸癌細胞活率的方法,然后利用實驗數(shù)據(jù)和修正的Peleg模型建立宮頸癌組織的IRE統(tǒng)計學模型。(2)將建立的IRE統(tǒng)計學模型與現(xiàn)有的IRE閾值模型進行對比,論證IRE統(tǒng)計學模型的優(yōu)越性。(3)基于IRE統(tǒng)計學模型在COMSOL中建立三維宮頸癌組織模型,運用響應(yīng)曲面法對脈沖電壓和電極針的結(jié)構(gòu)(針間距離,針的個數(shù)和針的有效長度)進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明:(1)IRE施加后培養(yǎng)4個小時再對細胞進行臺盼藍染色,能夠準確測量出宮頸癌細胞活率。(2)相對于IRE閾值模型,本文建立的IRE統(tǒng)計學模型在反映IRE消融效果方面更為精確和全面。(3)相對于三電極針和四電極針,兩電極針能夠同時實現(xiàn)最大面積的消融區(qū)域和最小的正常組織損傷,且兩電極的消融區(qū)域圓度更高,可控性更好。
【圖文】：

形成機理的描述主要有電場模型和能量模型兩種。逡逑利用拉普拉斯方程可以描述一個擁有非導(dǎo)電膜的獨立球形細胞在外部電場下周逡逑圍的電勢分布［２１］，如圖２．１所示，并可以通過以下方程求出跨膜電壓（ｔ／）：逡逑Ｕ邋＝邋ｆ邋？邋ｒ邋？邋Ｅｅｘｔ邋？邋ｃｏｓ邋Ｇ邋？邋（１邋—邋ｅ—；）邐（２－１）逡逑Ｔ邋＝邐？（＊邋＋邋＊）邐（２－２）逡逑其中／■代表細胞的半徑，０是細胞膜上目標位置的法線方向與外加電場４ｍ方向的逡逑夾角，ｆ是一個反應(yīng)細胞密度（細胞半徑與細胞間距的比率）的影響系數(shù)，細胞膜充電逡逑時間常數(shù)由細胞膜電容（＾確定，，巧和分別為細胞內(nèi)和細胞外的電導(dǎo)率［２２＿２４］。根據(jù)此逡逑模型，對于一個典型的半徑ｌＯ＾ｉｍ的真核細胞，要達到ＩＶ的跨膜電壓需要６６７Ｖ／ｃｍ的逡逑外加電場［２５］，而一旦達到ＩＶ的跨膜電壓細胞膜就會出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象。逡逑Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑，、厶卜．邐ｒｃｓｃａｉｓ逡逑＋邐－邐？十邋一邋0０逡逑0０邐！邐＼邐＾邐？■邐Ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑＇邐ｐｅｒｎ—逡逑；＼邐ｆ邐ｒ）０逡逑ＩＪ邐＼邋／逡逑Ｉ－＼ｌｃｍａｌ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋Ｅｅｘｌ邐邐』——－——逡逑／？＊逡逑圖２．１電穿孔的消融原理圖—逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ａｂｌａｔｉｏｎ＾２１】逡逑在早期的研究中，有人提出孔的產(chǎn)生是由于外界電場的壓力所致［２６］。然而，根據(jù)這逡逑個模型每個特定的細胞類型都有一個確定性的閾值

其中Ａ￡（／？，（；）是產(chǎn)生半徑為的孔的自由能，Ａ和ｃｔ分別是膜的邊緣線張力和表面張逡逑力，ａ代表水和脂質(zhì)介電常數(shù)的比值。這個模型考慮了外加電場和膜的內(nèi)在物理性質(zhì)（如逡逑線張力和表面張力）的因素，這些因素也會影響電穿孔的結(jié)果［２９１，如圖２．２所示。此外，逡逑該理論模型可以用［３（）１和［３１１中所述的公式來估算孔形成速率。逡逑ａ邋￣邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ邐Ａ邋ＡＥ逡逑Ａ邋￣邋Ｅｄｇｅ邋ｌｉｎｅ邋Ｔｅｎｓｉｏｎ邐／？？逡逑圖２．２基于能量的電穿孔模型的影響因素％逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ邋ｆａｃｔｏｒｓ邋ｏｆ邋ｅｎｅｒｇｙ－ｂａｓｅｄ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅｌｔ２９１逡逑２．１．２不可逆電穿孔致死機理逡逑國外已經(jīng)有很多文章涉及到有關(guān)電穿孔致死機理的研究［３２￣３３］。然而由于時間周期和逡逑成像方法空間分辨率的限制，瞬態(tài)孔形成過程的直接可視化一直難以實現(xiàn)。通過使用電逡逑子顯微鏡（ＥＭ），邋Ｃｈａｎｇ等人能夠從快速冰凍電穿孔樣品中觀察到“孔狀”結(jié)構(gòu)，如圖逡逑２．３ａ所示。因為直接形成的孔是很難觀察到的，所以可以通過間接觀測法來觀察孔的變逡逑化。例如，電導(dǎo)率的快速變化可以用來反映膜通透性的變化，所以可以用來判定孔的出逡逑現(xiàn)［３４１。染料攝取和細胞的體積響應(yīng)（圖２．３ｂ）ｆｃ被用于評估電穿孔期間孔形成的依據(jù)［３５］。逡逑■邋■■■■逡逑Ｔ＝？０．５ｍｓ邐Ｔ＝３ｍｓ邐Ｔ＝４０ｍｓ邐Ｔ＝Ｓｓ邐Ｔ＝１０ｓ逡逑（ａ）逡逑ａ邐ｂ邐ｃ逡逑ｂｏ＇ｂ逡逑ｉｆ邐—邐篆逡逑？f牽ｅ義希ǎ猓╁義賢跡玻車绱┛

本文編號：2618626