近年来,脉冲电场在生物医学领域中的应用逐渐受到科学家、工程师、医师的广泛关注,其中不可逆电穿孔作为一种非热肿瘤消融的物理手段,在肿瘤治疗领域中具有以下优势:快捷、可视、可控、微创、选择性和非热机理,因此已在临床中取得了良好的治疗效果,具有广阔的应用前景。然而不可逆电穿孔技术在临床肿瘤治疗中仍存在难点问题亟需解决,目前采用传统脉冲治疗大尺寸肿瘤时,产生的消融区域相对较小,因此在肿瘤治疗时将有可能出现无法完全覆盖其目标组织的情况,导致消融不彻底。上述问题的解决,能够进一步推进不可逆电穿孔肿瘤治疗的临床应用,对广大肿瘤患者的治疗具有重要意义。临床中为保证治疗微创性,一般采用针电极传递脉冲,组织中形成的电场可在针电极周围产生消融区域,同时在消融区域外围也会产生可逆电穿孔区域。治疗结束后,可逆电穿孔区域恢复,导致消融区域无法进一步扩大。基于此,本论文在国家自然科学基金面上项目(51877022)、重庆市杰出青年基金项目(批准号:cstc2014jcyjjq90001)和中央高校基本科研业务费专项项目(批准号:2018CDPTCG0001/24)的支持下,提出了采用协同脉冲方法扩大组织消融区域,深入研究了协同脉冲参数对电穿孔动态过程的影响规律、扩大组织消融区域的电学机制及剂量学效应等关键基础科学问题。取得的成果主要有:(1)通过脉冲作用期间的细胞响应电流分析电穿孔集聚、发展过程中的变化规律,并基于此规律研究脉冲参数对动态电穿孔的影响机制。研究发现高电场强度有助于缩短电穿孔集聚初始时间与提高电穿孔密度,低场强的宽脉冲能够有助于维持电穿孔发展,研究结论为协同脉冲中高压窄脉冲与低压宽脉冲组合的特征波形提供理论指导。开展协同脉冲肿瘤细胞杀伤效应研究,表明协同脉冲能够有效杀伤肿瘤细胞,不同参数的协同脉冲细胞杀伤效果表明,对比传统脉冲,其杀伤效率可显著性增强,为后续研究组织消融效果提供有效的协同脉冲参数范围。(2)构建针电极传递脉冲时的组织电穿孔区域测量平台,研究组织中可逆电穿孔区域与不可逆电穿孔区域变化规律,发现与传统脉冲对比,协同脉冲能够产生宽范围的电穿孔区域(包含可逆与不可逆电穿孔区域),建立多脉冲作用下可逆电穿孔阈值场强、不可逆电穿孔阈值场强与脉冲个数的函数关系发现,协同脉冲作用下可逆电穿孔阈值场强与不可逆电穿孔阈值场强的差值较传统脉冲小,表明协同脉冲不仅能够产生宽范围电穿孔区域,而且将可逆电穿孔区域转变为不可逆电穿孔区域的潜在能力更强。(3)基于脉冲消融组织时产生的电解效应,开展协同脉冲扩大组织消融区域的特性研究。首先细胞死亡通路检测结果发现,可逆电穿孔和电解联合作用激活了细胞程序性坏死途径,与不可逆电穿孔诱导细胞死亡途径相同。多脉冲作用下的电解效应研究发现,脉冲产生的电解效应能将可逆电穿孔区域逐步转变为消融区域。协同脉冲产生的宽范围电穿孔区域为电解效应提供了作用区域,因此消融区域进一步扩大。(4)开展新西兰大白兔肝脏组织消融实验,研究协同脉冲扩大组织消融区域的剂量学效应,结果发现单位脉冲剂量下,协同脉冲较传统脉冲具有更高的消融效率,并且消融阈值场强也更低,因此能够产生更广的消融区域;协同脉冲扩大组织消融区域的效率和参数中高压窄脉冲与低压宽脉冲的电压幅值比相关。最后开展荷瘤小鼠实验,论证了协同脉冲能够安全有效的消融肿瘤组织。综上所述,本论文研究了脉冲作用下动态电穿孔变化机制,根据脉冲场强、宽度对电穿孔集聚、发展过程的影响规律,明确协同脉冲特征波形(高压窄脉冲与低压宽脉冲组合),同时研究了协同脉冲增强肿瘤细胞杀伤效应的参数范围;随后分析了针电极传递协同脉冲时组织中的电穿孔区域变化规律,建立协同脉冲作用下可逆电穿孔阈值场强、不可逆电穿孔阈值场强与脉冲个数间的数学函数关系;依据上述可逆电穿孔与不可逆电穿孔阈值场强变化趋势,通过研究脉冲作用下的电解效应,揭示协同脉冲作用下电穿孔与电解联合扩大生物组织消融区域的电学特性,然后分析协同脉冲剂量与消融区域间的内在联系,初步获取能够扩大组织消融区域的协同脉冲最佳参数组合;最后开展荷瘤小鼠实验,论证了协同脉冲作用下在体肿瘤组织消融的安全有效性。上述研究为协同脉冲不可逆电穿孔肿瘤治疗的临床应用提供了必要的理论依据和关键技术支撑。