Ablacja polem pulsacyjnym (PFA) to nietermiczna metoda pozyskiwania energii, która jest wykorzystywana do zmniejszania i usuwania guzów narządów litych. Technika ta stosuje pole elektryczne o wysokim napięciu do komórek w celu zwiększenia przepuszczalności błony komórkowej, co prowadzi do ukierunkowanej śmierci komórek. Chociaż PFA okazała się skuteczna, naukowcy opracowali niedawno nowy rodzaj nieodwracalnej elektroporacji (IRE) o nazwie IRE o wysokiej częstotliwości (H-FIRE), która oferuje wyjątkowe korzyści.

Istnieją dwa rodzaje elektroporacji: odwracalna i nieodwracalna. Elektroporacja odwracalna tworzy nietrwałe pory, w których stosowane jest pole elektryczne o niskim natężeniu, pozwalające na wnikanie do komórki substancji chemicznych, leków lub DNA. Nieodwracalna elektroporacja polega na tworzeniu trwałych porów, co prowadzi do zaburzenia homeostazy komórkowej i śmierci komórki. IRE ma podstawowe zastosowanie w ablacji serca i nowotworów.

Z punktu widzenia inżynierii elektrycznej różnica między tymi dwiema technikami jest funkcją natężenia pola elektrycznego i czasu trwania pola. Uznane metody PFA zazwyczaj stosują od 80 do 120 impulsów jednobiegunowych o czasie trwania impulsu od 50 do 100 ms i polu elektrycznym przekraczającym 1000 V/cm. Chociaż może to być skuteczne, protokół ten może powodować skurcz mięśni, prowadząc do bólu u pacjenta i przemieszczenia igieł elektrod.

W przeciwieństwie do tego, H-FIRE wykorzystuje zestaw bipolarnych impulsów składających się z pojedynczych impulsów o czasie trwania od 0,5 do 10 ms, zgrupowanych w impuls o czasie trwania do 100 ms. H-FIRE oferuje unikalne korzyści, w tym selektywne celowanie w kardiomiocyty przy jednoczesnym oszczędzeniu uszkodzenia struktury tkanki łącznej.

Wiele badań udokumentowało zastosowanie IRE do guzów wątroby, przy czym najwcześniejsze z nich pochodzą z 2011 roku. Przyłożone napięcie mieściło się w zakresie 1,5-3 kV/cm z czasem trwania między 70-100 µs, a najlepsze wyniki uzyskano przy użyciu elektrod płytkowych do dostarczenia 80 impulsów po 100 ms przy 0,3 Hz z natężeniem pola elektrycznego 2,5 kV/cm w poprzek guza.

PFA Power

Podstawowym wyzwaniem związanym z projektowaniem rozwiązań zasilania dla systemów PFA jest potrzeba niezawodnego i powtarzalnego dostarczania impulsów HV (wysokiego napięcia) o wysokiej energii. W przypadku zastosowań w naukach przyrodniczych zazwyczaj wymagany jest system o niskiej mocy w zakresie 2-300 W. W przypadku zastosowań chirurgicznych, poszczególne impulsy mają średnią moc systemu w zakresie kilowatów.

Wymagane napięcie mieści się zazwyczaj w zakresie od 1 kV do 3 kV, przy czym niektóre aplikacje wymagają napięcia do 5 kV przy prądzie do 65 A. Szerokości impulsów mieszczą się zazwyczaj w zakresie od 100 ns do 100 µs przy częstotliwościach trybu burst do 5 MHz. Związane z tym szybkości narastania impulsu są zarówno znaczące, jak i wymagające.

Aby sprostać tym wyzwaniom, rozwiązanie zasilania dla aplikacji PFA składa się z wielu etapów, przekształcając wejście sieciowe AC w wysokonapięciowe impulsowe wyjście DC wymagane do leczenia. Pierwszym etapem jest wejście prądu przemiennego i korekcja współczynnika mocy (PFC), która dotyczy krytycznych parametrów zgodności, w tym izolacji pierwotnej i wtórnej, prądu upływu, filtrowania EMI i PFC.

 

Drugim etapem jest konwerter DC-DC. Ten stopień konwertuje napięcie wejściowe wynoszące zazwyczaj 380 VDC na wyjście impulsowe wysokiego napięcia wymagane dla danej aplikacji. Topologia tego stopnia zależy od wymagań dotyczących kształtu fali w danym zastosowaniu. Na przykład, konwerter typu flyback może być odpowiedni do zastosowań z impulsami unipolarnymi, podczas gdy konwerter typu forward może być lepiej dostosowany do zastosowań z impulsami bipolarnymi.

Jedną z technologii nadających się do tego etapu jest seria UltraVolt® C firmy Advanced Energy, regulowanych przetwornic DC-DC o dużej mocy, które są zoptymalizowane pod kątem zastosowań laserowych, ładowania kondensatorów i zasilania impulsowego. Seria ta obejmuje 17 urządzeń o napięciu od 125 do 60 000 V i typowym tętnieniu poniżej 10 000 ppm. Dostępne w wersji z pojedynczym wyjściem o polaryzacji dodatniej lub ujemnej, przetwornice dostarczają do 250 W szybko rosnącej mocy ładowania z mniejszym niż 1% przeregulowaniem z wejścia 24 VDC. Ponadto kilka interfejsów analogowych umożliwia sterowanie i monitorowanie wysokiego napięcia wyjściowego i prądu.

Trzecim stopniem jest filtr wyjściowy. Stopień ten tłumi wszelkie szczątkowe szumy przełączania lub tętnienia na wyjściu wysokiego napięcia, zanim zostanie ono dostarczone do obciążenia. Topologia filtra będzie zależeć od wymagań aplikacji, z opcjami obejmującymi filtry dolnoprzepustowe, filtry Pi i filtry T.

Oprócz zasilacza, inne elementy systemu PFA obejmują generator impulsów, igły elektrod i oprogramowanie sterujące. Generator impulsów wytwarza impulsy wysokiego napięcia, które są dostarczane do tkanki przez igły elektrod, podczas gdy oprogramowanie sterujące pozwala operatorowi skonfigurować parametry fali i monitorować postęp leczenia.

Wnioski

Ablacja polem pulsacyjnym jest obiecującą techniką ablacji guzów narządów litych i ablacji serca, z potencjałem dostarczania precyzyjnej, nietermicznej energii do tkanek docelowych przy jednoczesnym minimalizowaniu uszkodzeń otaczających tkanek. Zasilacz jest krytycznym elementem systemu PFA, wymagającym niezawodnego i powtarzalnego dostarczania impulsów wysokiego napięcia o wymaganych parametrach kształtu fali. Odpowiednia konstrukcja zasilacza zapewnia, że systemy PFA zapewniają bezpieczne i skuteczne leczenie w wielu zastosowaniach medycznych.

Dzięki najszerszej gamie standardowych i zmodyfikowanych produktów i platform AC/DC, DC/DC i wysokiego napięcia, w połączeniu z rozległym doświadczeniem w zakresie zastosowań i zgodności, Advanced Energy oferuje projektantom systemów niezrównaną gamę sprawdzonych rozwiązań zasilania do projektowania zasilaczy PFA.

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