组织电穿孔建模：脉冲间电场方向变化及IRE后区域电导率增加的影响
组织电穿孔建模研究
背景介绍
电穿孔（Electroporation）是一种在细胞膜暴露于短时电脉冲时发生的现象，能够增加细胞膜对离子和大分子的通透性。根据电脉冲对细胞膜的影响，电穿孔可分为可逆电穿孔（Reversible Electroporation, RE）和不可逆电穿孔（Irreversible Electroporation, IRE）。IRE是一种非热组织消融技术，通过电极施加高电压脉冲诱导细胞凋亡，广泛应用于肿瘤治疗。然而，传统的IRE模拟模型未能充分考虑电脉冲间电场方向变化及IRE区域电导率增加对消融效果的影响。为了解决这一问题，研究者提出了一种改进的数值模型，旨在更准确地预测肿瘤消融区域，提升临床治疗计划的精确性。
论文来源
本论文由Fei Guo、Xinghe Gou和Cong Zou共同完成，他们均来自重庆邮电大学生态安全研究所。论文发表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering (TBME)，并于2025年正式出版。该研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52377223）的部分支持。
研究流程与结果
研究流程
模型建立与参数设定
研究团队使用有限元分析软件COMSOL Multiphysics 6.1构建了一个二维肿瘤模型。肿瘤被模拟为半径为1厘米的圆形，电极由不锈钢制成，半径为0.25毫米，三个电极均匀分布在半径为0.5厘米的圆周上。脉冲参数设置为：单极脉冲宽度1微秒，幅值2500伏，上升和下降时间均为10纳秒。电穿孔效应与热效应模拟
在肿瘤模型中，研究者通过电极对施加脉冲电场，利用拉普拉斯方程计算电场分布，并通过生物热传导方程描述组织温度分布。电导率模型采用平滑的阶跃函数（Heaviside Function），考虑了电场强度、温度及电穿孔阈值的影响。电场方向变化效应
研究者首次建立了电场方向变化角度与IRE阈值之间的线性关系，并将其引入模型中。通过atan2函数计算电场方向变化角度，并调整IRE阈值，以模拟电场方向变化对消融效果的影响。IRE区域电导率增加效应
研究者改进了电导率模型，考虑了IRE区域电导率的增加对后续脉冲作用的影响。在IRE区域，电导率增加后不再恢复到初始值，从而影响后续脉冲的电场分布。Sobol敏感性分析
为了量化参数不确定性对消融区域的影响，研究者采用Sobol方法分析了四个参数（单极脉冲IRE阈值、双极脉冲IRE阈值、初始电导率和电导率增长因子）对消融区域的敏感性。
主要结果
电场与电导率分布
与传统模型相比，改进模型（Base_TI）在电场方向变化区域电场略有增加，但在IRE区域电场显著降低。电导率分布也因IRE区域电导率的增加而发生变化。消融区域变化
改进模型显著减少了IRE区域和电穿孔区域。与传统模型相比，Base_TI模型的IRE区域减少了14.40%，电穿孔区域减少了9.18%。敏感性分析
Sobol分析表明，消融区域主要受单极和双极脉冲IRE阈值的影响，电导率参数的影响较小。实验验证
通过马铃薯切片实验验证了模型的预测准确性。实验结果与改进模型的预测高度一致，证实了模型的有效性。
结论
本研究提出的改进模型首次将电场方向变化和IRE区域电导率增加引入组织IRE消融模拟中，显著提高了消融区域的预测精度。研究结果表明，电场方向变化和IRE区域电导率增加对电场分布、电导率分布及消融区域均有显著影响。改进模型为临床肿瘤治疗计划提供了更可靠的理论支持。
研究亮点
创新性模型
首次将电场方向变化和IRE区域电导率增加纳入IRE消融模拟，填补了传统模型的不足。高预测精度
改进模型显著提高了消融区域的预测准确性，为临床治疗提供了更可靠的依据。实验验证
通过马铃薯切片实验验证了模型的有效性，增强了研究结果的可信度。
其他有价值的信息
研究还指出，未来可以考虑将脉冲序列和多脉冲效应纳入模型，以进一步优化肿瘤消融的预测效果。
本研究为IRE技术的临床应用提供了重要的理论支持，具有显著的科学价值和实际应用意义。通过改进模型，研究者为肿瘤治疗计划的精确制定开辟了新的途径。