基于磁聚焦的高陡度脉冲磁场无创治疗肿瘤技术的基础研究

脉冲磁场治疗肿瘤已经显示出一定的临床应用前景，但其安全性和确切生物电磁效应机理仍不够明确。为此，本项目对高陡度指数衰减脉冲磁场的空间聚焦原理及其无创治疗肿瘤的生物电磁效应机理等关键基础科学问题进行深入研究。建立电流线圈阵列模型、正常与肿瘤组织的介电模型，采用时域有限差分法理论仿真脉冲磁场的空间聚焦原理与方法、高陡度指数衰减脉冲磁场在正常与肿瘤组织中的传播规律；通过离体细胞实验深入研究磁场强度和磁通变化率对肿瘤细胞杀伤效果的影响规律，采用激光共聚焦显微镜、膜片钳等手段实时测量细胞膜跨膜电位、膜电阻、膜电容、离子通道电流等电磁参数的变化，深入研究其生物电磁效应机理；通过在体动物实验验证该方法的疗效和无创性。本项目旨在揭示基于磁聚焦的高陡度指数衰减脉冲磁场无创治疗肿瘤技术的原理和方法，为最终成功开发拥有完全自主知识产权的新型医疗设备提供理论基础和实验依据，具有较高的学术价值和良好的临床应用前景。

脉冲磁场治疗肿瘤已经显示出一定的临床应用前景，但其治疗安全性和确切的生物电磁效应机理仍不够明确。为此，本项目对基于磁聚焦的高陡度脉冲磁场无创治疗肿瘤技术进行了较深入的研究。建立磁聚焦球面电流线圈阵列模型，采用COMSOL Multiphysics软件仿真计算了其空间磁场分布，采用遗传算法对各子线圈电流组合进行优化配置，选择5个半径5cm、线径1cm的紫铜棒材料研制出磁聚焦球面电流线圈阵列；采用IGBT单管并联技术和光纤隔离同步驱动技术，研制出基于固态开关的脉冲电流发生器，联合上述电流线圈阵列的实测结果表明，焦点处的指数衰减脉冲磁场参数为上升时间1μs、脉宽3.5μs、磁感应强度幅值1mT，80%Bm以上区域所对应的面积只占聚焦平面面积的2.07%，聚焦效果明显。建立包含正常组织与肿瘤组织的介电模型，采用Ansoft Maxwell软件对高陡度指数衰减脉冲磁场作用下正常组织和肿瘤组织中的感应电流和磁场分布进行了仿真计算，发现：感应电流密度零星分布在正常组织与肿瘤组织的分界面，其原因与两种组织分界面上电导率变化较大有关；肿瘤组织与正常组织中的磁场分布基本一致，其原因与两种组织的磁导率相差非常微弱有关。将脉冲磁场作用于人卵巢癌SKOV3细胞，MTT法和流式细胞术检测结果表明较低陡度、不同强度的指数衰减脉冲磁场没有明显抑制肿瘤细胞增殖和诱导肿瘤细胞凋亡，但激光共聚焦显微镜却检测出较低陡度、较高强度的指数衰减脉冲磁场能使肿瘤细胞的跨膜电位和细胞内钙离子浓度显著增加；将脉冲磁场作用于人乳腺癌MB231细胞，MTT检测结果表明高陡度、较低强度的指数衰减脉冲磁场能显著抑制肿瘤细胞的增殖。建立包含细胞核的细胞介电模型，采用COMSOL Multiphysics软件对脉冲磁场作用下细胞质中带电粒子的受力分析与运动轨迹进行了仿真计算，发现：感应电场力是粒子运动的最初动力，它使粒子加速后进而受到粘滞力和洛伦兹力的作用；脉冲磁场上升沿与下降沿的改变使粒子在细胞质中沿变半径、变圆心的钟摆路径曲折前进，方波脉冲磁场的平顶部分则能使粒子作圆周运动；脉冲磁场幅值、上升沿与下降沿的变化率、磁场波形的种类、粒子初速度的大小与方向会影响其运行轨迹。综上，本项目揭示了高陡度指数衰减脉冲磁场的空间聚焦原理及其杀伤肿瘤细胞的生物电磁效应机理，为脉冲磁场非热生物效应的进一步深入研究奠定了坚实的基础。