[发明专利]一种针对不可逆电穿孔电极针布置的规划方法

说明书

本发明提供了一种针对不可逆电穿孔电极针布置的规划方法。首先将待消融组织的三维空间覆盖问题刻画成平面覆盖与深度调整问题。其次，根据电极针布置过程中的实际情况和约束条件，选取电极入针方向，利用NM单纯形‑粒子群混合算法寻取平面电极针位置，在入针方向上调整电极针深度。最后在仿真环境下通过电极针放电实现对待消融区域的三维覆盖。本发明方法能够满足对待消融区域的完全消融且布针过程中避开了影响电极针分布的障碍物，减少消融规划时间。本发明是计算机辅助IRE布针规划的一种全新的方法，为后续计算机辅助IRE布针规划方法的发展提供了依据，使得IRE消融技术能够具有更加广泛的应用。

技术领域

本发明涉及一种针对不可逆电穿孔电极针布置的规划方法，一般应用于生物领域与机 器人领域。

背景技术

不可逆电穿孔(irreversible electroporation,IRE)是一种生物组织消融技术，其通过将多根 电极针插入待消融区域或其周围，符合约束条件的电极针两两之间释放高压电脉冲，使得 在细胞膜表面形成永久性穿孔，打破细胞生理平衡，最终造成细胞死亡。IRE技术可应用 于杀菌及食品保存预处理等。

IRE消融的难点是电极针的布置，目前对IRE消融技术的研究通常都是在寻找电极针 布置的通用性方法，利用有限元仿真的方法对电极针放电时的电场进行仿真，该方法耗时 较大且不利于在线调整。其次，通用的消融仿真常忽略待消融区域的形状和大小，未考虑 障碍物对仿真过程的影响，这样的仿真结果实用性较差。

电极针的分布对消融效果起到至关重要的作用。目前的IRE消融技术是根据待消融区 域的形状和位置，人为地给出电极针的分布结果。因为待消融区域的形状不规则且具有多 样性，技术人员往往需要较长的时间对平面电极针位置及电极针深度进行调整，以实现待 消融区域的全覆盖，这对技术人员有较高的专业性要求且极大地限制了IRE消融技术的应 用。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术存在的上述问题，提出一种针对不可逆电穿孔电极针 布置的规划方法。

本发明的技术方案如下：

一种针对不可逆电穿孔电极针布置的规划方法，整体流程如图1所示，首先，根据待 消融区域的实际情况提出约束条件，明确电极针数目，电极针间距，电极针平行程度，电脉冲参数的要求；随后，将电极针规划过程拆分成选取入针平面，规划平面入针点，调整 电极针深度三个方面；构造惩罚函数避开障碍物，并利用单纯形-粒子群混合算法实现电极针入针点规划；最后通过仿真实验，实现电极针放电对待消融区域的覆盖及消融。

所述利用单纯形-粒子群混合算法实现电极针入针点规划，当利用粒子群算法进行规划 陷入局部最优时，引入NM单纯形算法，在粒子适应度函数中构造惩罚函数，使得在入针 路径中避开障碍物。

本发明用解析解近似得到两个电极针的电场分布结果，并给出满足约束条件的电极针 规划方案，解决传统规划方案的缺陷。

上述电极针布置过程中的约束条件包括：

1.脉冲参数：一般采用70-90个脉宽为70-100μs的方波高压(千伏级1000-3000V)电脉冲作为常见的消融设定。在IRE的理论分析中，认为当细胞所处电场环境中， 场强达到594V/cm时即发生不可逆电穿孔；因此设定发生不可逆电穿孔的场强阈 值为：594V/cm。

2.电极针的数目：消融中使用2-6根(不大于6)电极针，适用于消融2.0-4.0cm的生物组织，每次消融两根电极针放电，消融过程可以移动一至两根电极针，因此最 多可能有8个入针点。

3.电极针之间的距离：目前IRE消融设备的最高输出电压为3000V，1.5-2.2cm的针间距会产生较为理想的消融体积。