Die gepulste Feldablation (PFA) ist eine nicht-thermische Energiemodalität, die zur Verkleinerung und Entfernung von Tumoren fester Organe eingesetzt wird. Bei dieser Technik wird ein elektrisches Hochspannungsfeld auf Zellen angewendet, um die Durchlässigkeit der Zellmembran zu erhöhen, was zum gezielten Zelltod führt. Während sich die PFA als wirksam erwiesen hat, haben Forscher vor kurzem eine neue Art der irreversiblen Elektroporation (IRE), die Hochfrequenz-IRE (H-FIRE), entwickelt, die einzigartige Vorteile bietet.

Es gibt zwei Arten der Elektroporation: reversibel und irreversibel. Bei der reversiblen Elektroporation bildet sich eine nicht dauerhafte Pore, in der ein elektrisches Feld geringer Intensität angelegt wird, das das Eindringen von Chemikalien, Medikamenten oder DNA in die Zelle ermöglicht. Bei der irreversiblen Elektroporation werden permanente Poren gebildet, die zu einer Störung der zellulären Homöostase und zum Zelltod führen. IRE wird vor allem bei der Herz- und Tumorablation eingesetzt.

Aus elektrotechnischer Sicht ist der Unterschied zwischen den beiden Techniken eine Funktion der elektrischen Feldstärke und der Dauer, für die das Feld angelegt wird. Bei den etablierten PFA-Verfahren werden in der Regel 80 bis 120 unipolare Impulse mit einer Impulsdauer von 50 bis 100 ms und einem elektrischen Feld von über 1.000 V/cm angewendet. Dies kann zwar wirksam sein, aber dieses Protokoll kann zu Muskelkontraktionen führen, die für den Patienten schmerzhaft sind und eine Verschiebung der Elektrodennadeln zur Folge haben.

Im Gegensatz dazu verwendet H-FIRE eine Reihe von bipolaren Impulsbündeln, die aus einzelnen Impulsen mit einer Dauer von 0,5 bis 10 ms bestehen, die zu einem Bündel von bis zu 100 ms zusammengefasst werden. H-FIRE bietet einzigartige Vorteile, darunter die selektive Ausrichtung auf Kardiomyozyten bei gleichzeitiger Schonung der Kollateralschäden an der Bindegewebsstruktur.

Mehrere Studien haben die Anwendung von IRE bei Lebertumoren dokumentiert, wobei die früheste Studie aus dem Jahr 2011 stammt. Die angelegte Spannung lag im Bereich von 1,5-3 kV/cm mit einer Dauer von 70-100 µs, und die besten Ergebnisse wurden mit Plattenelektroden erzielt, die 80 Impulse von 100 ms bei 0,3 Hz mit einer elektrischen Feldstärke von 2,5 kV/cm über dem Tumor abgaben.

PFA-Strom

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für PFA-Systeme ist die Notwendigkeit, HV-Impulse (Hochspannung) mit hoher Energie zuverlässig und wiederholbar zu liefern. Für biowissenschaftliche Anwendungen wird in der Regel ein System mit niedriger Leistung im Bereich von 2 bis 300 W benötigt. Bei chirurgischen Anwendungen liegt die durchschnittliche Leistung einzelner Impulse für das System im Kilowattbereich.

Die erforderliche Spannung liegt typischerweise im Bereich von 1 kV bis 3 kV, wobei einige Anwendungen bis zu 5 kV mit Strömen bis zu 65 A erfordern. Die Impulsbreiten liegen typischerweise im Bereich von 100 ns bis 100 µs mit Burst-Mode-Frequenzen bis zu 5 MHz. Die damit verbundenen Anstiegsgeschwindigkeiten für den Impuls sind sowohl signifikant als auch anspruchsvoll.

Um diese Herausforderungen zu meistern, besteht eine Stromversorgungslösung für eine PFA-Anwendung aus mehreren Stufen, die den Wechselstromeingang in den für die Behandlung erforderlichen gepulsten Hochspannungs-Gleichstromausgang umwandeln. Die erste Stufe ist der Wechselstromeingang und die Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die kritische Konformitätsparameter wie Primär-Sekundär-Isolierung, Ableitstrom, EMI-Filterung und PFC berücksichtigt.

 

Die zweite Stufe ist der DC-DC-Wandler. Diese Stufe wandelt die Eingangsspannung von typischerweise 380 VDC in den für die Anwendung erforderlichen Hochspannungsimpulsausgang um. Die Topologie für diese Stufe hängt von den Wellenformanforderungen der Anwendung ab. So kann beispielsweise ein Sperrwandler für unipolare Impulsanwendungen geeignet sein, während ein Durchflusswandler besser für bipolare Impulsanwendungen geeignet ist.

Eine Technologie, die sich für diese Stufe eignet, ist die UltraVolt® C-Serie von Advanced Energy, eine Serie von geregelten Hochleistungs-DC-DC-Wandlern, die für Laser-, Kondensatorlade- und Impulsleistungsanwendungen optimiert ist. Diese Serie umfasst 17 Geräte mit Spannungen von 125 bis 60.000 V und einer typischen Restwelligkeit von weniger als 10.000 ppm. Die in positiver oder negativer Polarität als Einzelausgang erhältlichen Wandler liefern bis zu 250 W Schnellladeleistung mit weniger als 1 % Überschwingen von einem 24-VDC-Eingang. Darüber hinaus ermöglichen mehrere analoge Schnittstellen die Steuerung und Überwachung des Hochspannungsausgangs und des Stroms.

Die dritte Stufe ist der Ausgangsfilter. Diese Stufe dämpft alle verbleibenden Schaltgeräusche oder Restwelligkeiten am Hochspannungsausgang, bevor sie an die Last abgegeben werden. Die Filtertopologie hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Zu den Optionen gehören Tiefpassfilter, Pi-Filter und T-Filter.

Zu den weiteren Komponenten des PFA-Systems gehören neben dem Netzteil der Impulsgenerator, die Elektrodennadeln und die Steuerungssoftware. Der Impulsgenerator erzeugt die Hochspannungsimpulse, die über die Elektrodennadeln an das Gewebe abgegeben werden, während die Steuersoftware dem Bediener die Konfiguration der Wellenformparameter und die Überwachung des Behandlungsfortschritts ermöglicht.

Schlussfolgerung

Die gepulste Feldablation ist eine vielversprechende Technik für die Ablation fester Organtumore und die Herzablation, die das Potenzial hat, präzise nicht-thermische Energie an das Zielgewebe abzugeben und gleichzeitig die Kollateralschäden am umliegenden Gewebe zu minimieren. Die Stromversorgung ist eine kritische Komponente des PFA-Systems, die eine zuverlässige und wiederholbare Abgabe von Hochspannungsimpulsen mit den erforderlichen Wellenformparametern erfordert. Das richtige Stromversorgungsdesign gewährleistet, dass PFA-Systeme eine sichere und wirksame Behandlung für eine Reihe von medizinischen Anwendungen bieten.

Mit dem breitesten Angebot an Standard- und modifizierten AC/DC-, DC/DC- und Hochspannungsprodukten und -plattformen, gepaart mit umfassender Erfahrung in den Bereichen Anwendungen und Konformität, bietet Advanced Energy Systementwicklern ein konkurrenzloses Angebot an bewährten Stromversorgungslösungen für PFA-Stromversorgungsdesigns.

Quelle: https://www.advancedenergyblog.com/advancedenergy/industry-news/revolutionizing-solid-organ-tumor-ablation-with-high-voltage-solutions/