郭飛+胡向東+唐賢倫+陳功貴

摘要：不可逆電穿孔技術(shù)在臨床應(yīng)用時(shí)涉及電場(chǎng)分布的合理優(yōu)化，因此，通過(guò)仿真研究具有不同針個(gè)數(shù)的電極結(jié)構(gòu)對(duì)電場(chǎng)分布的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)治療方案的優(yōu)化具有重要的意義。本文基于有限元法研究不同電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況，結(jié)果表明：七針電極結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)最好的治療效果。通過(guò)此次仿真，既可加深學(xué)生對(duì)電場(chǎng)分布的認(rèn)識(shí)和理解，又可提高學(xué)生運(yùn)用仿真技術(shù)解決相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：不可逆電穿孔；電場(chǎng)分布；電極設(shè)置；有限元法

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）09-0096-02

一、引言

按照脈沖電場(chǎng)作用細(xì)胞時(shí)膜上產(chǎn)生的微孔是否會(huì)在電場(chǎng)取消后自動(dòng)恢復(fù)，電穿孔效應(yīng)分為可逆電穿孔和不可逆電穿孔[1-4]。當(dāng)腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆電穿孔時(shí)，細(xì)胞會(huì)因其跨膜電位崩潰而壞死。因此，脈沖電場(chǎng)不可逆電穿孔可以作為一種新型的腫瘤治療方法，展現(xiàn)出良好的治療效果。

作為一種電場(chǎng)閾值效應(yīng)，不可逆電穿孔用于臨床應(yīng)用時(shí)，其基本原則是：治療區(qū)域腫瘤組織完全發(fā)生不可逆性電穿孔，而治療區(qū)域外正常組織盡可能不發(fā)生不可逆性電穿孔，此外，應(yīng)使外加脈沖電場(chǎng)幅值盡可能低從而減弱或者消除電場(chǎng)引起的肌肉收縮和人體不適應(yīng)等副作用[5-6]。

脈沖電場(chǎng)作用腫瘤組織能否誘導(dǎo)不可逆電穿孔效應(yīng)與脈沖電場(chǎng)在腫瘤組織內(nèi)的電場(chǎng)分布密切相關(guān)；在脈沖參數(shù)一定情況下，脈沖電場(chǎng)在腫瘤組織內(nèi)的分布與其電極結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，為了實(shí)現(xiàn)不可逆電穿孔技術(shù)在臨床腫瘤組織中的良好治療效果，需要研究不同電極結(jié)構(gòu)對(duì)腫瘤組織電場(chǎng)分布的影響，進(jìn)而仿真研究不同電極結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)最優(yōu)電極結(jié)構(gòu)。

二、針電極和生物組織的有限元模型

通常情況下需要借助醫(yī)用電極將脈沖電場(chǎng)引導(dǎo)至靶區(qū)病變組織或器官，從而達(dá)到治療的目的。常見(jiàn)的電極包括平板電極和不同結(jié)構(gòu)的針電極。前者基本上可以實(shí)現(xiàn)皮膚或淺表病變組織的無(wú)創(chuàng)治療，但其最大的問(wèn)題是無(wú)法確定腫瘤最深處是否能夠?qū)崿F(xiàn)治療，尤其是對(duì)于不規(guī)則形狀病灶，難以實(shí)現(xiàn)一次性完全切除；后者可以通過(guò)醫(yī)學(xué)影像手段引導(dǎo)以穿刺的方式進(jìn)入深部組織并能實(shí)現(xiàn)不規(guī)則病灶的完全切除。此外，在臨床應(yīng)用上，特別是對(duì)體內(nèi)深部腫瘤，如肝癌、肺癌等癌癥的治療，平板電極需要較大手術(shù)輔助進(jìn)行，創(chuàng)傷面大且不易于根據(jù)腫瘤形狀調(diào)整電極布置，因此，研究人員多選用針電極陣列進(jìn)行不可逆電穿孔臨床腫瘤治療[5]。由電磁場(chǎng)理論得知，電極針直徑越大，電場(chǎng)分布越均勻，在施加一定脈沖電場(chǎng)參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)越高，越利于不可逆電穿孔治療；然而較粗的電極針經(jīng)穿刺進(jìn)入深部組織時(shí)會(huì)造成正常組織較大的創(chuàng)傷，因此，綜合考慮上述因素，本文選用的針電極直徑均為0.8mm，然后建立四種典型的針電極模型，研究其在人體肝臟組織中的電場(chǎng)分布規(guī)律。

正常肝臟組織與腫瘤組織都可以看作是均勻的、各向同性介質(zhì)，介電參數(shù)設(shè)置為電導(dǎo)率σ=1.29S/m、相對(duì)介電常數(shù)ε=5.5。因此，在研究不同結(jié)構(gòu)電場(chǎng)在生物組織中電場(chǎng)分布時(shí)，通過(guò)求解拉普拉斯方程？塄2φ=0，可以得到組織中電場(chǎng)分布情況。采用有限元仿真軟件FEMLAB中的currents模塊建立三維有限元模型。

三、組織內(nèi)電場(chǎng)仿真計(jì)算

有效電場(chǎng)覆蓋半徑的仿真計(jì)算，當(dāng)外加電場(chǎng)高于637V/cm時(shí)，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆性電穿孔從而直接將之殺死[4]。因此，首先需要求出場(chǎng)強(qiáng)大于不可逆電穿孔電場(chǎng)閾值（Eeff=637V/cm）區(qū)域的截面面積（垂直于電極針的截面），同時(shí)為了比較不同電極針的電場(chǎng)分布，我們將治療面積等效為圓面積，用圓的半徑來(lái)表征治療區(qū)域范圍，即有效電場(chǎng)覆蓋半徑reff。

在不同電極結(jié)構(gòu)下，電極治療區(qū)域內(nèi)如果滿足Emin≥Eeff條件，則reff越大治療效果越好；若治療區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)Emin

表1結(jié)果表明：不同間距的2針電極結(jié)構(gòu)治療區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)Emin

四、結(jié)論

通過(guò)有限元法對(duì)不同針電極結(jié)構(gòu)電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算并比較各自的有效覆蓋半徑等指標(biāo)，得出：從治療效率考慮，在相同針間距、相同外加電壓下7針梅花狀電極在腫瘤組織內(nèi)產(chǎn)生的有效治療區(qū)域?yàn)樽畲?，治療效果最好；從安全性考慮，7針梅花狀電極結(jié)構(gòu)能有效的控制強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域Eeff在電極針覆蓋范圍之內(nèi)，避免了對(duì)周圍組織的損傷。因此7針梅花狀電極適合電穿孔療法的臨床應(yīng)用。通過(guò)將理論知識(shí)和實(shí)際仿真計(jì)算相結(jié)合，使學(xué)生對(duì)靜電場(chǎng)電場(chǎng)分布具有更直觀的理解，并對(duì)麥克斯韋方程有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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Simulation Study of Electrode Configuration in Irreversible Electroporation Based on Finite Element Method

GUO Fei，HU Xiang-dong，TANG Xian-lun，CHEN Gong-gui

（School of Automation，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：Optimization of electric field distribution is involved in the clinical application of irreversible electroporation （IRE） technology. Therefore，simulation study of the effect of electrode configuration with different needle number on electric field distribution has great significance in optimization of treatment planning of IRE technology. Electric field distribution of different electrode configuration has been investigated in this paper，and the results indicate that seven-needle electrode configuration is found to have the best treatment effects with general comparison among different electrode configurations. The simulation experience can not only enhance the students understanding of electric field distribution，but also improve their ability of using the computer technology to solve related scientific questions.

Key words：irreversible electroporation；electric field distribution；electrode configuration；finite element method