[发明专利]使用磁芯施加具有高均匀性的脉冲电场的方法和系统

说明书

提供了一种用于产生具有良好均匀性的脉冲电场的装置、系统和方法。电场占据适合放置人类或动物患者的大体积。提供了一种用于生成电场的装置，该装置包括用电线缠绕的一个或更多个环形或圆筒形磁芯，当用电流加以脉冲时，该电线在环形或圆筒形芯的内部区域中生成高均匀性的电场。这些电场脉冲当与药理学药剂结合使用时，会通过称为靶向渗透裂解的过程破坏癌细胞。

相关申请

本申请要求2018年12月6日提交的美国临时申请第62/776,105号和2019年12月2日提交的美国临时申请第62/942,348号的优先权，两者均通过引用全部并入本文以供所有目的。

领域

本发明涉及医疗装置和疾病和障碍的医学治疗领域。更具体地，本发明涉及针对医疗应用使用环形或圆筒形磁芯施加具有高均匀性的脉冲电场的方法和系统。

背景技术

脉冲电场治疗现在广泛用于多种生物和医学应用：基因递送、电化学疗法和癌症疗法。脉冲电场治疗的一个优点是能够以非热能方式破坏组织或肿瘤。因此，脉冲电场治疗使得诸如血管和轴突的敏感组织保持完整成为可能。此外，该非侵入性技术允许在治疗区域中采用健康细胞和组织进行再生的可能性而不会留下疤痕，并且与电流刺激不同，刺激的递送明显更加均匀。

传统器具由三部分组成：脉冲发生器、电极以及它们之间的连接链路。脉冲发生器以规律间隔产生方波脉冲。幅度、脉冲宽度、周期和相位延迟是确定输出波形的形状的主要参数。取决于脉冲幅度和电极之间的距离，电场强度通常对于完全的治疗效果至关重要。当电极不合适时，某个目标区的强度不足，导致不完全的治疗效果。

电场由类似于在雷达中使用的设备生成。这对成本和可用性有一些影响。最典型的设备生成短方波并使极性反转，部分地是为了避免电极腐蚀。然而，双极发电机的成本大约是单极发电机的两倍。其他波形包括指数衰减和正弦波形。正弦形式在某种程度上更容易生成，因为它使用类似于普通无线电设备的设备，但它只在一瞬间达到峰值功率，并且因此与方波相比，在临界场强以上每周期递送更少的能量。

用于生成此类电场脉冲的两种替代方案是明显的。第一种是使用螺线管布置，诸如在内部生成均匀磁场的大线圈。患者将被放置在螺线管内侧。然而，该技术具有很大的缺点。第一个在于生成的电场沿此类螺线管的轴为零，并且随着距中心轴的距离线性增加。因此，电场不仅在最临界区域消失，而且在各处高度不均匀。事实上，该不均匀性是将患者放置在倾斜磁场(ramped magnetic field)的区域内的任何技术的固有限制。由于电磁场的物理特性，变化磁场的区域内的电场必然是不均匀的。此类技术的第二个缺点是此类线圈会生成的热量的量。如果此类线圈设计得足够大，从而使人类患者或中等大小的动物适配在内部，则线圈会生成极大数量的热量，该热量不仅必须从装置中去除，而且对应用该装置的建筑物强加了大量的HVAC要求。对于被放大以应用于人类或大型动物大小的装置，将生成50-400千瓦范围内的峰值热功率。此类功率需求对建筑设施提出了巨大挑战。

用于生成电场的第二替代方案是使用带电物体的布置，诸如导电板，以生成电场。该技术的缺点在于，最实际的实现方式涉及以使得场点垂直于患者的表面排列的方式施加电场，从而由于组织内水分子的介电极化，导致患者体内电场的大幅降低。此外，实际的场对患者填充的板之间的空间的百分比非常敏感。该技术的另一个缺点是对患者的几何形状的敏感性。腰围较大的患者需要不同的施加电压。身体的具有不同大小的不同区域(诸如，与躯干相比的手臂和腿)将会接收非常不同的电场剂量。板可以与患者直接接触地放置，但除非板是柔性的，否则它们只会接触患者皮肤的一部分。通过这种方式，需要大量能量来克服皮肤的阻抗，而电刺激并不舒服，并且常常是痛苦的。此类限制在本质上是实际的，并且相信这里公开的方法为此类方法提供了许多优点。

尽管最近在使用电脉冲来诱导细胞死亡方面取得了进展，但本领域仍然需要改进的方法来破坏患病或紊乱的组织，诸如肿瘤组织，而不损害正常组织。特别需要生成具有高均匀性的大体积的脉冲电场的方法和系统。

发明概述