高频纳秒脉冲串作用下皮肤肿瘤热效应的多参数有限元仿真与实验

为综合传统微秒脉冲电场和纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优点,提出一种高频纳秒脉冲串的脉冲形式来治疗肿瘤。研究此高频纳秒脉冲串在生物组织中产生的热效应,并通过多参数有限元方法对施加镊子电极的皮肤黑色素肿瘤的温度以及热损伤进行仿真。施加的电场强度范围为1~10k V/cm,脉宽范围为50~500ns,脉冲串内重复频率介于100k Hz和1MHz之间,一串脉冲的长度为100μs,脉冲串重复频率为1Hz。对于皮肤肿瘤,施加电场强度5k V/cm、脉宽500ns、脉冲串内重复频率1MHz的脉冲,1s后肿瘤的最高温度仅为37.4℃,热损伤可以忽略不计。对不同电场强度、脉宽、重复频率下皮肤黑色素肿瘤的温度和热损伤进行仿真计算,研究肿瘤温度以及热损伤与脉冲参数的关系,并确定使肿瘤不发生热损伤的脉冲参数范围。对裸鼠在体黑色素肿瘤的温度进行实测,肿瘤的温升结果与仿真中的平均温度变化较为一致。     

纳秒级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应

ns级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡用于肿瘤病变的治疗,展现出令人振奋的临床应用前景。由于ns级脉冲电场诱导的凋亡率高低与场强-脉宽等参数存在一定的选择性,使得目前脉冲参数的选择存在较大的盲目性。为寻求诱导肿瘤细胞有效凋亡的ns级脉冲电场参数,将不同参数组合(电压幅值9 kV,脉宽分别为1、50、100与200 ns,脉冲个数分别为10、30、60与80,频率1 Hz)的ns级脉冲电场作用于SKOV3细胞。利用AnnexinV/PI双染法检测细胞早期凋亡率和坏死率,DNA ladder凝胶电泳实验检测细胞晚期凋亡情况,AnnexinV/PI双染法以及DNA ladder凝胶电泳实验表明:细胞的早期凋亡率同施加的脉冲电场参数存在窗口效应,且脉冲参数为100 ns、30个脉冲时可得到最大的凋亡率与坏死率差值。     

高频双极性脉冲诱导SKOV–3细胞生物电效应的实验研究

不可逆电穿孔技术以其非热、微创的独特优势而广泛应用于肿瘤治疗领域,但在治疗过程中会出现消融不彻底与肌肉收缩这2个问题;高频双极性脉冲作为新式脉冲形式可在肿瘤组织中产生均匀电场来解决肌肉收缩难题,同时与传统脉冲相比能有效缓解肌肉收缩。为此,以SKOV–3细胞为研究对象,采用CCK–8检测细胞活性,采用JC–1荧光探针分子观察线粒体膜电位变化,采用免疫组化技术检测凋亡蛋白表达。研究发现：传统单极性脉冲对肿瘤细胞的杀伤机理主要是对细胞膜的不可逆破坏,继而导致细胞坏死;ns高频双极性脉冲虽然与传统脉冲具有相同的电场强度与高电平时间,但却不能有效杀死肿瘤细胞;而μs高频双极性脉冲不仅能有效诱导细胞坏死,而且通过活性检测发现也可能诱导细胞凋亡;进一步研究发现,μs高频双极性脉冲能作用于线粒体使线粒体膜电位崩溃;同时也检测出BAX、BCL–2、Caspase–3和Caspase–9凋亡蛋白的表达。该研究结果表明μs高频双极性脉冲不仅可诱导细胞坏死,而且可启动线粒体凋亡程序来杀死细胞。     

大气压空气中纳秒脉冲弥散放电实验研究

为了能够在大气压下获得大面积高能量密度的低温等离子体,近年来弥散放电的研究与应用受到广泛关注。采用基于磁脉冲压缩系统的重复频率ns脉冲电源来激励大气压空气中尖板电极结构放电,通过电压电流测量和发光图像拍摄研究了弥散放电的特性。实验结果表明,在常温常压和高重复频率下能够获得大面积均匀的弥散放电,气隙距离增大或减小时,弥散放电分别向电晕放电与火花放电转换。重频ns脉冲放电存在极性效应,电极的小曲率半径处施加负脉冲时需要比正脉冲更高的电场强度才能获得弥散放电。此外,弥散放电的强度随着脉冲上升时间的增大而减弱。因此合适的气隙距离、极不均匀电场的强场处施加正极性脉冲和较陡的脉冲上升时间有利于获得较为强烈的弥散放电。     

纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的内质网信号通路分析

ns脉冲电场在诱导肿瘤细胞凋亡方面展现出诱人的应用前景。由于ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的机制尚未明确,严重阻碍了ns脉冲电场肿瘤治疗的临床进程。为进一步揭示其诱导凋亡的机制,将参数组合(电压幅值9kV,脉宽100ns,脉冲30个,频率1Hz)作用于人卵巢浆液性囊腺癌(SKOV3)细胞。首先检测了半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-12(cysteine aspartic acid specific protease-12,Caspase-12)蛋白的释放水平,其次用浓度分别为0、25、50、100μmol/L的钙螯合剂(BAPTA-AM)螯合细胞内的游离Ca2+,用Hoechst 33342荧光染色检测细胞凋亡率,最后采用蛋白质印迹(western blot)技术检测了Caspase-12蛋白释放的变化。试验结果表明:ns脉冲诱导SK-OV3凋亡时引起了细胞内Ca2+升高,从而介导内质网凋亡信号通路。该研究结果将进一步揭示ns脉冲诱导凋亡的机制。     

纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对皮肤癌细胞活性的剂量效应研究

为了研究多壁碳纳米管(MWCNTs)联合纳秒脉冲电场(nsPEF)影响离体细胞活性的剂量效应,采用CCK-8检测法对比分析皮肤癌A375细胞活性随电场强度E、脉宽t、脉冲个数N等单因素的变化规律。研究表明,细胞活性随电场强度和脉宽的变化具有阈值效应(S形变化),而随脉冲个数的变化无明显的阈值效应(指数型变化)。细胞活性随脉冲注入能量E(tN)~(0.5)的增加呈现S形下降。基于logistic模型利用一元非线性回归分析方法分别拟合得到细胞活性与三个脉冲参数间的函数关系。同时,建立细胞活性与多因素之间的归一化关系。结果表明,MWCNTs的加入不影响细胞活性与脉冲参数间的变化规律,但却明显降低了nsPEF杀伤肿瘤细胞所需要的幅值,从而可以有效提高nsPEF在肿瘤治疗中的电气安全性。     

低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对人皮肤癌A375细胞的杀伤效果

为了探究低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对细胞的杀伤效果,在多壁碳纳米管毒性实验的基础上,分别采用CCK-8检测法和Annexin V/PI双染法研究引入多壁碳纳米管后不同幅值的纳秒脉冲电场对A375细胞活性、凋亡坏死率的影响。研究表明,当多壁碳纳米管质量浓度≤200mg/L时,其对细胞无毒性效应;只有当质量浓度≥300 mg/L时,其诱导的细胞毒性才具有剂量依赖性,即质量浓度越高,对细胞的毒性越强。固定频率为1 Hz、脉宽为300 ns、脉冲个数为100个时,凋亡率、坏死率随着场强的增加而增加,细胞活性随着场强的增加而减小。多壁碳纳米管的引入不影响上述变化规律,但是明显提高了对应的杀伤效果,可以在保持纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优势前提下提高临床治疗中的电气安全性。     

低强度纳秒脉冲电场联合靶向金纳米棒对A375黑色素瘤细胞的杀伤效果研究

为了改善纳秒脉冲电场(nsPEFs)在治疗肿瘤过程中存在的电气安全性问题,该文首次研究低强度nsPEFs联合叶酸修饰的金纳米棒对A375黑色素瘤细胞杀伤效果的影响。首先对聚乙二醇-金纳米棒(GNR-PEG)的表面进行叶酸(FA)的修饰,从而实现对A375黑色素瘤细胞的靶向作用;然后用暗场显微镜观察其结合效果。该文在确定了GNR-PEG和GNR-PEG-FA安全质量分数后,通过改变电场强度(2～8kV/cm)和脉冲个数(15～260个)来研究该联合方法对细胞活性和凋亡的影响。结果发现,GNR-PEG-FA与低强度nsPEFs联合显示出最佳的抗肿瘤效果,在较低的电场强度和较少的脉冲个数作用下,实现了更低比例的细胞的活性和更高比例的细胞凋亡。该联合方法增强了nsPEFs对A375黑色素瘤细胞杀伤效果,改善了nsPEFs治疗中的电气安全性问题。     

脉冲电场对细胞杀伤效果及其原理的研究

使用两种不同上升沿的脉冲电场(1μs和100 ns)电击悬浮HL-60细胞,观察脉冲强度、数目、电击后恢复时间等参数的变化对细胞死亡率和细胞形态的影响.实验表明,脉冲强度、数目的增加导致死亡率也增加.电击后,100 ns脉冲作用的细胞的死亡率比1μs的增加得更快.本文还进一步讨论不同上升沿电场在作用机理上的差异.     

ns级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究

为进一步研究ns级陡脉冲诱导细胞的凋亡效应,以人卵巢腺癌SKOV3细胞为对象,进行了电场强度为10 kV/cm、脉宽为100 ns的陡脉冲实验研究。结果表明,通过流式细胞术观测发现早期凋亡率约22%;通过AO/EB荧光染色检测显示,早期凋亡细胞表现为细胞体积缩小,胞膜完整,浓聚成颗粒状,位于细胞的一侧,胞质浓缩,呈黄绿色荧光;晚期凋亡细胞体积缩小,胞膜完整,细胞核呈橙红色或红色荧光;细胞坏死时,细胞体积增大,呈不均匀的橙红色荧光,轮廓不清,已解体或接近解体。医学统计学和形态学特征表明ns级陡脉冲能诱导SKOV3肿瘤细胞发生凋亡。     

高压纳秒脉冲气体放电试验研究进展

按时间顺序综述了纳秒脉冲下气体放电的试验研究结果,简述了几种纳秒脉冲下放电机理假说,并总结了相关的经验公式。目前,重频纳秒脉冲下气体放电的试验研究有较多空白,有必要开展此项研究。     

高压ns脉冲测量中的分压器性能及阻抗匹配

为研究ns级高压脉冲测量中存在的问题,探讨了分压器阶跃响应性能与脉冲测量结果的关系及测量系统的阻抗匹配与否对测量结果的影响。由阶跃响应性能不同的分压器的双指数脉冲响应的Pspice仿真和实验测量可知:当分压器阶跃响应存在过冲时,波形上升和下降时间变短;当阶跃响应的上升时间大于被测双指数脉冲的上升时间时,波形上升和下降时间加长。基于传输线理论和Pspice仿真分析及实验测量结果可知:系统内部阻抗不匹配将导致反射和初始分压比小于稳态分压比,高压引线始端不匹配将激发振荡。因此,只有当分压器的阶跃响应无过冲且上升时间低于被测脉冲上升时间、测量系统的阻抗匹配时,才可能得到准确的测量结果。     

纳秒级周期脉冲信号检测方法的研究

针对数字信号处理器(DSP)的高速低耗、实时性好的特点,运用混沌测量原理构建了一个特定的混沌系统用于检测纳秒级周期脉冲信号。此系统将不稳定的混沌状态到稳定的大尺度周期状态的跃迁作为检测周期性高速脉冲信号的依据,将待测信号作为影响Duffing振子周期的摄动源设计成混沌检测系统,并根据系统的运动状态(大尺度周期运动态或噪声混沌态)检测高速脉冲信号的幅值与频率。理论分析和实验均表明该检测系统能实时有效地检测出脉冲信号及其特性。     

快前沿高压脉冲源用纳秒液体开关的研制

设计了一种具有运动触发极的新型三电极纳秒液体开关.开关由位置固定的阳极、阴极和可运动的触发极组成,开关间隙充入无毒、可生物降解、绝缘性能好的精炼菜籽油.开关腔外的触发极控制系统包括电磁铁、无线接收控制电路和遥控器,无线接收控制电路接收遥控器信号控制触发极运动来调节开关相对间隙,实现开关放电.开关设计工作电压为40 kV...     

纳秒高压脉冲电阻分压器的结构优化

由电阻分压器和存储示波器组成的纳秒级高电压脉冲测量系统中,各组成部分间的阻抗匹配与否,对测量结果影响很大.笔者基于高频电磁场仿真软件FEKO,建立了电阻分压器的仿真模型,分析了其结构对测量结果的影响,并比较了4种典型结构的优劣,对选中的结构进行了过渡段的选型和锥角优化.仿真结果表明,为减小反射,分压器应采取过渡结构,且...     

高电压纳秒气体开关绝缘恢复特性的实验研究

气体开关绝缘恢复曲线中存在的"平台现象",大大延长了开关的绝缘恢复时间,但其存在原因尚未取得共识。为此,结合GW级Tesla型ns脉冲源,在开关工作电压约220 k V情况下,研究了不同气压(0.1~7 MPa)的N2、H2、SF6 3种气体开关的恢复特性及稳定性。结果表明:对于N2、H2开关,随着气压的升高,开关恢复曲线中的"平台现象"逐渐减弱,当气压超过一定阈值后,开关"平台现象"消失;对于SF6开关,则不存在"平台现象"。可见对于N2、H2、SF6 3种气体"平台现象"产生的原因是不同的,同时Tesla型脉冲源对开关的"平台现象"也具有一定的影响。N2、H2、SF6气体绝缘恢复系数达到95%的最短时间分别为7.1 ms、0.68 ms、5.4 ms。     

毫微秒脉冲法用于变压器绕组变形研究初探

变压器绕组变形是变压器的常见故障,为提高变压器绕组变形检测的灵敏度,对毫微秒脉冲检测法进行了研究。着重对毫微秒脉冲参数的选择进行了探讨,通过仿真计算选择了波前5ns30%,脉冲宽度为50ns30%的脉冲作为脉冲信号。利用毫微秒脉冲法对试验变压器进行了绕组变形检测,试验结果证实该方法能较好反应出绕组变形,同时,在0～80MHz范围内试验结果的重复性较好。