液體中高壓脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的規(guī)律*

武曉東 陳沿州 韓瑞 郭雨怡 莊杰3) 石富坤

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院(蘇州),生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部,蘇州 215163)

2) (中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所,蘇州 215163)

3) (濟(jì)南國(guó)科醫(yī)工科技發(fā)展有限公司,濟(jì)南 250101)

脈沖電場(chǎng)是心房顫動(dòng)及腫瘤消融的一種新型物理能量源.相比于傳統(tǒng)熱消融,其具有非熱、不損傷周邊組織等優(yōu)勢(shì).物理消融過(guò)程中產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡可能導(dǎo)致氣體栓塞,對(duì)人體有潛在的危害.然而當(dāng)前尚未有針對(duì)消融脈沖參數(shù)對(duì)擴(kuò)散氣泡的影響研究.因此,本實(shí)驗(yàn)搭建了脈沖產(chǎn)生和氣泡觀察平臺(tái),具體研究了溶液電導(dǎo)率,脈沖電壓、脈寬、輸入能量等參數(shù)與擴(kuò)散氣泡之間的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)了不同條件下擴(kuò)散氣泡的尺寸分布范圍,并探究了擴(kuò)散氣泡的可能產(chǎn)生原因.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 液體中產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡量與脈沖電壓、輸入能量正相關(guān);高電導(dǎo)率、長(zhǎng)脈寬可以增強(qiáng)熱效應(yīng),并增加擴(kuò)散氣泡量,且更易產(chǎn)生尺寸大于100 μm 的擴(kuò)散氣泡;通過(guò)對(duì)結(jié)果推測(cè),針電極為陰極時(shí),電解反應(yīng)可能是擴(kuò)散氣泡的主要來(lái)源.本研究有望指導(dǎo)未來(lái)脈沖電場(chǎng)消融參數(shù)的優(yōu)化.

1 引言

心房顫動(dòng)與癌癥均是影響人體健康的重大疾病,據(jù)統(tǒng)計(jì),2016 年全球心房顫動(dòng)患病人數(shù)約為4630 萬(wàn)人,隨著人口老齡化加劇,房顫患病率和發(fā)病率正呈現(xiàn)上升趨勢(shì)[1],而癌癥在中國(guó)每年均有數(shù)百萬(wàn)的新發(fā)病例及死亡病例[2].脈沖電場(chǎng)消融(pulsed field ablation,PFA)因其非熱、治療時(shí)間短、組織選擇性、貼靠壓力要求低等特點(diǎn)[3-6],有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱消融技術(shù)易損傷周圍組織的不足[7-9],成為心房顫動(dòng)消融及腫瘤消融領(lǐng)域[10,11]的一種新型物理能量來(lái)源[12-16].但基于電流或電場(chǎng)的物理消融技術(shù)在治療過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡(diffusion bubble)[17-19].擴(kuò)散氣泡的產(chǎn)生可能來(lái)源于電致伸縮、焦耳熱、電解反應(yīng)、溶解氣體析出等諸多因素[20-22].由擴(kuò)散氣泡導(dǎo)致的氣體栓塞,會(huì)阻礙毛細(xì)血管中血液的流動(dòng),使得組織缺血和組織損傷,從而危害人體健康[21,23-25].一項(xiàng)評(píng)估擴(kuò)散氣泡危害性的研究表明,在冠狀動(dòng)脈中栓塞0.1—0.2 mL空氣足以導(dǎo)致心肌損傷[21].此外,氣體栓塞可能增加無(wú)癥狀腦事件(silent cerebral events,SCE)的發(fā)生概率[26-29].SCE 已被證明可能發(fā)生在射頻和冷凍消融治療中,SCE 發(fā)生率成為消融技術(shù)栓塞風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[30].因此,針對(duì)PFA 擴(kuò)散氣泡的研究有助于預(yù)防栓塞風(fēng)險(xiǎn),增強(qiáng)臨床研究的安全性.

在較早的實(shí)驗(yàn)中,Bardy等[21]在尺寸為26 cm ×30 cm × 50 cm 的裝滿新鮮抗凝牛血的試驗(yàn)池內(nèi),研究帶有單尖端電極的阻尼正弦波脈沖的能量、電極表面積、電極間距離對(duì)氣泡形成的影響.該研究認(rèn)為,電弧會(huì)導(dǎo)致溶液中溶解氣體的析出,但此結(jié)果難以解釋不產(chǎn)生放電的PFA 氣泡的產(chǎn)生規(guī)律與機(jī)理.van Es等[30]利用多電極圓形導(dǎo)管對(duì)施加后未發(fā)生放電的毫秒脈沖產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行量化,并在體外生理鹽水的環(huán)境中,探究了施加的傳遞電荷、電極極性對(duì)氣泡量的影響.研究表明,輸送電荷與氣泡量存在較強(qiáng)的線性關(guān)系,且陽(yáng)極脈沖產(chǎn)生氣體量少于陰極脈沖產(chǎn)生的氣體量.在2022 年,Osuna等[31]通過(guò)研究電導(dǎo)率為2.365 mS/cm 的NaCl 溶液中,脈沖脈寬為800 μs 時(shí)的氣泡產(chǎn)生規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在0.6—2 kV/cm 的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍,氣泡直徑與能量呈線性關(guān)系.而Zhang等[32,33]在食品殺菌領(lǐng)域中研究發(fā)現(xiàn),在超高場(chǎng)強(qiáng)(＞20 kV/cm)下隨著電導(dǎo)率、電壓的升高,可能導(dǎo)致電極溫度的異常升高及局部放電,此時(shí)觀測(cè)到大量氣泡產(chǎn)生,即液體中氣泡的產(chǎn)生對(duì)于電極放電擊穿可能有直接影響.研究表明,氣泡產(chǎn)生量與被處理對(duì)象的電學(xué)性質(zhì)、脈沖參數(shù)(脈沖波形、脈寬、頻率等)及電極有相關(guān)性[34,35],但是針對(duì)適用于PFA 的脈沖參數(shù)[18,34],尚未開(kāi)展脈沖電壓幅值、脈寬等關(guān)鍵參數(shù)變化如何影響擴(kuò)散氣泡的研究.

根據(jù)臨床應(yīng)用和臨床試驗(yàn)報(bào)道,PFA 普遍采用在電壓3 kV 以內(nèi),脈寬100 μs 及以內(nèi)的脈沖作為房顫和腫瘤的消融參數(shù)[34,36-40],這些脈沖參數(shù)為本文參數(shù)選擇提供了參考.

因此,本實(shí)驗(yàn)首先采用單極性微秒脈沖作為脈沖源,研究溶液電導(dǎo)率、脈沖電壓幅值、脈沖寬度、輸入能量等因素對(duì)擴(kuò)散氣泡產(chǎn)生的影響.進(jìn)一步對(duì)比針電極為陽(yáng)極或陰極時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡,并針對(duì)不同工作條件下擴(kuò)散氣泡的直徑尺寸分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),探索氣泡直徑與脈沖能量之間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中采用的針-環(huán)結(jié)構(gòu)電極,可以準(zhǔn)確捕捉電極中產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡,進(jìn)而可測(cè)量擴(kuò)散氣泡俯視角度橫截面積及直徑尺寸.

2 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)散氣泡均在針-環(huán)電極的電極環(huán)狀槽中產(chǎn)生,針-環(huán)電極與擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng)的連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散氣泡的觀測(cè)與拍攝,繼而可進(jìn)行氣泡尺寸、數(shù)量等參數(shù)的統(tǒng)計(jì).本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖如圖1(a)所示,包含擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng)、針-環(huán)電極、脈沖發(fā)生裝置、示波器、電壓電流探頭.

圖1 (a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)易圖,包含擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng)、針-環(huán)電極、示波器、脈沖發(fā)生裝置;(b)針-環(huán)電極裝置模型圖;(c)針電極實(shí)物圖;(d) 電導(dǎo)率14.08 mS/cm,脈寬100 μs,脈沖輸出電壓250 V 時(shí),拍攝的擴(kuò)散氣泡圖像Fig.1.(a) A simple diagram of the experimental system,including the diffusion bubble observation system,needle-ring electrode,oscilloscope,and pulse generation device;(b) a model of the needle-ring electrode device;(c) the actual diagram of the needle electrode;(d) the image of the diffusion bubble generated by theconductivity of 14.08 mS/cm,pulse width of 100 μs,pulse output voltage of 250 V.

2.1 針-環(huán)電極

本實(shí)驗(yàn)采用的針-環(huán)電極結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.該結(jié)構(gòu)具有較好捕捉擴(kuò)散氣泡、電場(chǎng)強(qiáng)度覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn).使用針灸針制造針電極,其材質(zhì)為不銹鋼.針電極分為針身與針尖兩部分,針身部分直徑為0.4 mm,為避免針電極處場(chǎng)強(qiáng)過(guò)大,對(duì)針尖的尖端進(jìn)行打磨鈍化,使得尖端處曲率約為0.1 mm (如圖1(c)中所示).環(huán)電極采用不銹鋼墊片,墊片厚1.4 mm,外徑12 mm,內(nèi)徑6.5 mm.直徑為35 mm 的培養(yǎng)皿放置在電極支撐結(jié)構(gòu)的頂部,不銹鋼墊片黏附在培養(yǎng)皿中央,針電極穿過(guò)支撐結(jié)構(gòu)底部孔與培養(yǎng)皿,使得針電極暴露1.2 mm在環(huán)電極內(nèi)環(huán)中.在該針-環(huán)電極中,墊片內(nèi)環(huán)作為溶液槽,在墊片的頂部覆蓋蓋玻片.對(duì)該電極施加脈沖之后,產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡在溶液中向上擴(kuò)散,最后附著在頂端蓋玻片上,通過(guò)擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng),可以直接觀測(cè)并拍攝擴(kuò)散氣泡,進(jìn)而測(cè)量擴(kuò)散氣泡相關(guān)參數(shù).

2.2 脈沖發(fā)生裝置

本實(shí)驗(yàn)采用課題組自制的微秒脈沖發(fā)生裝置,該裝置主要由FPGA 控制器、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)以及高壓電容組成.設(shè)備工作流程為FPGA 控制器對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷進(jìn)行時(shí)序控制,進(jìn)而控制高壓電容完成充放電的過(guò)程.本實(shí)驗(yàn)采取的設(shè)備的脈沖上升沿為200 ns,單個(gè)脈沖的脈寬范圍為1—100 μs,最高脈沖電壓幅值為3 kV.

2.3 擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng)

體視熒光顯微鏡(MZX81,Mshot,中國(guó))和圖像分析系統(tǒng)(Mshot-MSX2)連接可用于對(duì)氣泡圖像的采集及處理.Mshot-MSX2 的分辨率選擇為4088×3072,幀率15 frames/s.該裝置可觀測(cè)到的最小氣泡直徑尺寸約為5 μm.

2.4 氣泡圖像分析

本實(shí)驗(yàn)采用ImageJ 軟件對(duì)擴(kuò)散氣泡觀察系統(tǒng)拍攝的圖像進(jìn)行處理,以獲得擴(kuò)散氣泡的相關(guān)尺寸、數(shù)量參數(shù).擴(kuò)散氣泡附著在蓋玻片上后截面近似為圓形,故本實(shí)驗(yàn)利用ImageJ 軟件的“圓形工具”對(duì)氣泡手動(dòng)框選,測(cè)量氣泡面積、尺寸及數(shù)量.使用GraphPad Prism 9.0.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)繪圖分析,在該軟件中采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù),擬合函數(shù)為:Y=AX+B.

2.5 參數(shù)選擇

基于生理鹽水電導(dǎo)率的上下范圍,利用純度為99.5%的分析純氯化鉀(KCl,福晨化學(xué))試劑配置了電導(dǎo)率分別為140.8,14.08,1.408 mS/cm 的溶液,以簡(jiǎn)單模擬血液電導(dǎo)率環(huán)境[41].以14.08 mS/cm電導(dǎo)率溶液配制為例: 稱取干燥后的氯化鉀試劑0.454 g,用蒸餾水溶解后移入50 mL 容量瓶中并稀釋至刻度,充分混合后使用電導(dǎo)率儀(RS232 Conductivity Meter)測(cè)量溶液電導(dǎo)率,根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)溶液鹽濃度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié).單極性脈沖施加個(gè)數(shù)為1,脈沖寬度選擇分別為5,10,50,100 μs.電壓幅值選擇根據(jù)不同的脈寬、電導(dǎo)率條件下是否產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡以及對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度是否產(chǎn)生電弧來(lái)綜合考慮確定.

通過(guò)有限元法(COMSOL multiphysics)建立仿真模型確定近似PFA 消融參數(shù)的實(shí)驗(yàn)用脈沖電壓.電極槽中設(shè)置KCl 溶液環(huán)境,針電極接地,在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度分布.圖2(a)和圖2(b)為不同角度下環(huán)電極電壓為900 V,針電極為接地電極,仿真計(jì)算得到的場(chǎng)強(qiáng)分布結(jié)果.最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在針電極尖端區(qū)域,針電極表面場(chǎng)強(qiáng)分布為18—35 kV/cm.

圖2 (a) YZ 截面場(chǎng)強(qiáng)分布圖;(b) XY 截面場(chǎng)強(qiáng)分布圖Fig.2.(a) Field intensity distribution of the YZ cross-section;(b) field intensity distribution of the XY cross-section.

為了對(duì)比不同電壓下電極的電場(chǎng)強(qiáng)度分布,在上述模型中考慮了輸入電壓為20,200,500 V 時(shí)的電場(chǎng)分布,針電極表面的場(chǎng)強(qiáng)范圍分別為0.4—0.8 kV/cm,4—8 kV/cm,10—20 kV/cm.結(jié)合現(xiàn)有PFA 的臨床應(yīng)用和臨床試驗(yàn)脈沖參數(shù)[34],本實(shí)驗(yàn)電壓設(shè)置如表1.

表1 脈沖參數(shù)表Table 1.Pulse parameter table.

2.6 統(tǒng)計(jì)與分析

本文進(jìn)行了9 組獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn),使用均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示擴(kuò)散氣泡面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果,直徑分布由小提琴圖表示(中位數(shù)和四分位數(shù)范圍).

3 結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)擴(kuò)散氣泡特性分析的參數(shù)選擇為:蓋玻片上擴(kuò)散氣泡俯視角度橫截面積、擴(kuò)散氣泡的直徑尺寸分布、擴(kuò)散氣泡的最大直徑尺寸.圖3(a)為電導(dǎo)率140.8 mS/cm,脈寬100 μs,電壓分別是20 V 和80 V 條件下的電流波形;圖3(b)為電導(dǎo)率140.8 mS/cm,脈寬50 μs,電壓分別為20 V 和80 V 條件下的電流波形.可以看出: 電壓為20 V時(shí),電流平滑變化;而在80 V 時(shí),電流急劇下降,并伴有尖峰,在50 μs 后進(jìn)入平穩(wěn)期.圖3(c)為電導(dǎo)率140.8 mS/cm,脈寬100 μs,電壓90 V 條件下的電流波形.可以看到施加電壓后的0—20 μs,電流隨時(shí)間快速降低至2 A;在20—40 μs,電流反而隨時(shí)間上升至3 A;在40 μs 之后,電流整體隨時(shí)間為降低趨勢(shì),且40—50 μs 內(nèi)電流下降速率更大.

圖3 不同電壓時(shí)的電流波形圖(電導(dǎo)率-脈寬-電壓) (a) 140.8 mS/cm-100 μs-20/80 V;(b) 140.8 mS/cm-50 μs-20/80 V;(c) 140.8 mS/cm-100 μs-90 VFig.3.Current waveform plot at different voltages (electrical conductivity-pulse width-voltage): (a) 140.8 mS/cm-100 μs-20/80 V;(b) 140.8 mS/cm-50 μs-20/80 V;(c) 140.8 mS/cm-100 μs-90 V.

3.1 氣泡面積隨溶液電導(dǎo)率、脈沖電壓、脈寬的變化統(tǒng)計(jì)

在針電極為陰極時(shí),施加表1 中的每一個(gè)脈沖參數(shù),得到擴(kuò)散氣泡面積隨溶液電導(dǎo)率、脈沖電壓、脈寬的變化如圖4 所示.

圖4 不同電導(dǎo)率下,擴(kuò)散氣泡面積隨電壓變化的線性擬合圖 (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cm;(c) 1.408 mS/cmFig.4.Linear fit of diffusion bubble area with voltage under different electrical conductivity: (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cm;(c) 1.408 mS/cm.

圖4(a)—(c)分別代表在電導(dǎo)率為140.8,14.08,1.408 mS/cm 的情況下,脈寬與電壓對(duì)氣泡面積的影響.在圖4(a)中,4 種顏色圖標(biāo)分別代表不同的脈寬,即5,10,50,100 μs,對(duì)應(yīng)脈寬的電壓范圍分別為100—200 V,80—160 V,10—70 V,10—60 V.當(dāng)脈沖幅值低于電壓范圍最小值時(shí),未觀測(cè)到明顯擴(kuò)散氣泡,而脈沖幅值高于電壓范圍最大值時(shí),電流隨時(shí)間出現(xiàn)驟降,且波形中有多個(gè)波峰,表明電極可能產(chǎn)生了放電擊穿.當(dāng)脈寬不同時(shí),施加脈沖后產(chǎn)生氣泡的擬合直線斜率不同,脈寬越小,直線斜率越小.在同一脈寬下,擴(kuò)散氣泡總面積隨著電壓增大而增大,并有較強(qiáng)的線性關(guān)系.脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),最大電壓下產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡總面積分別為(26540±7483) μm2,(54351±14124) μm2,(90992±21525) μm2,(154680±27055) μm2.圖4(b)中,脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡電壓范圍分別為650—900 V,400—700 V,200—325 V,150—275 V.最大電壓下產(chǎn)生的氣泡總面積分別為(8403±3862) μm2,(16251±6332) μm2,(60851±14464) μm2,(92922±18236) μm2.圖4(c)中,脈寬為5,10 μs 時(shí),脈沖電壓為900 V 以內(nèi)時(shí)均未產(chǎn)生明顯氣泡.

表2 為圖4 中不同電導(dǎo)率及脈寬下的擴(kuò)散氣泡面積隨電壓變化的擬合方程.在擬合方程中,A為斜率,代表擴(kuò)散氣泡面積隨電壓增加的增長(zhǎng)速率.相同電導(dǎo)率條件下,隨著脈寬的增大,擬合方程的斜率增大;對(duì)不同電導(dǎo)率下的相同脈寬,電導(dǎo)率越大時(shí),擬合方程斜率越大.通過(guò)-B/A,可以得到不同脈寬下,開(kāi)始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的電壓.當(dāng)電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),擬合方程中初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的電壓分別為115,80,12,8 V.當(dāng)電導(dǎo)率為14.08 mS/cm,脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),擬合方程中初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的電壓分別為665,407,218,146 V.當(dāng)電導(dǎo)率為1.408 mS/cm,脈寬為50,100 μs 時(shí),擬合方程中初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的電壓分別為793,669 V.

表2 擴(kuò)散氣泡面積隨電壓變化的擬合方程Table 2.Fitting equation for the area of diffusion bubble with voltage.

當(dāng)針電極為陽(yáng)極,在與針電極為陰極時(shí)相同的電導(dǎo)率、脈寬、電壓幅值等參數(shù)的條件下,施加脈沖后針電極均未產(chǎn)生明顯擴(kuò)散氣泡.進(jìn)一步增大各脈寬下的電壓,觀測(cè)氣泡的產(chǎn)生如圖5 所示.圖5(a)為電導(dǎo)率為140.8 mS/cm 時(shí),脈寬與電壓對(duì)氣泡面積的影響.脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),對(duì)應(yīng)電壓范圍分別為300—500 V,300—450 V,150—250 V,100—200 V,在該電壓范圍內(nèi),電流出現(xiàn)異常波動(dòng),即電極可能產(chǎn)生了電弧.此時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡面積與電壓無(wú)明顯線性關(guān)系,且氣泡面積隨電壓變化波動(dòng)范圍大.圖5(b)為電導(dǎo)率為14.08 mS/cm 時(shí),脈寬與電壓對(duì)氣泡面積的影響.當(dāng)脈寬為5,10 μs時(shí),900 V 電壓內(nèi)的脈沖均不使得針電極產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡;脈寬為50,100 μs 時(shí),對(duì)應(yīng)電壓范圍分別為500—700 V,400—550 V.此時(shí)氣泡面積與電壓無(wú)明顯線性關(guān)系,且氣泡產(chǎn)生量波動(dòng)范圍大.當(dāng)電導(dǎo)率為1.408 mS/cm,對(duì)于5,10,50,100 μs 的脈寬,電壓最高至900 V 時(shí)均無(wú)擴(kuò)散氣泡產(chǎn)生.

圖5 不同電導(dǎo)率下,針電極為陽(yáng)極時(shí)的擴(kuò)散氣泡面積統(tǒng)計(jì) (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cmFig.5.Statistical analysis of the diffusion bubble area when the needle electrode acts as an anode under different electrical conductivity: (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cm.

3.2 脈沖輸入能量對(duì)擴(kuò)散氣泡面積的影響

使針電極為陰極,由公式E=UIτ計(jì)算表1中每一個(gè)脈沖參數(shù)施加后的輸入能量(單位為mJ),式中符號(hào)分別是能量、電壓、電流和脈寬.表1中對(duì)應(yīng)脈沖參數(shù)的輸入能量如表3 所列.

表3 不同脈沖參數(shù)的輸入能量表Table 3.Input energy table for different pulse parameters.

以輸入能量為橫坐標(biāo),得到不同電導(dǎo)率、脈寬條件下,擴(kuò)散氣體面積隨輸入能量的變化,如圖6所示.圖6 中,同一電導(dǎo)率時(shí),脈寬越大,輸入能量的范圍越大,這是由于在不同脈寬時(shí),電壓范圍也不同導(dǎo)致的.圖6(a)中電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,不同顏色擬合線代表不同脈寬,脈寬為5,10,50,100 μs時(shí),輸入能量范圍分別為1.25—5.00 mJ,0.90—6.40 mJ,0.50—6.12 mJ,0.25—9.00 mJ;圖6(b)中脈寬為5,10,50,100 μs 時(shí),輸入能量范圍分別為6.03—11.57 mJ,4.57—12.07 mJ,5.70—15.10 mJ,4.46—17.86 mJ;圖6(c)脈寬為50,100 μs 時(shí),輸入能量范圍分別為10.65—13.50 mJ,12.00—24.08 mJ,即高電導(dǎo)率下,相同脈寬時(shí)輸入能量范圍更低.

圖6 不同電導(dǎo)率下,擴(kuò)散氣泡面積隨輸入能量變化的擬合圖 (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cm;(c) 1.408 mS/cmFig.6.Fitted plot of diffusion bubbles area as a function of input energy under different electrical conductivity: (a) 140.8 mS/cm;(b) 14.08 mS/cm;(c) 1.408 mS/cm.

圖6 中對(duì)于相同脈寬及能量輸入范圍的情況,當(dāng)電導(dǎo)率不同時(shí),產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡面積范圍不同.如當(dāng)電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,脈寬100 μs,能量輸入范圍在7.5—10 mJ 時(shí),擴(kuò)散氣泡面積范圍為125000—15000 μm2;而電導(dǎo)率為14.08 mS/cm,脈寬100 μs,能量輸入范圍在7.5—10 mJ 時(shí),氣泡面積范圍為10000—30000 μm2.本實(shí)驗(yàn)測(cè)試出當(dāng)電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,脈寬為5,10 μs 時(shí)剛好能觀察到氣泡的輸入能量范圍為1.35—1.64 mJ.脈寬為50,100 μs 時(shí)初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的輸入能量為0.15—0.25 mJ;電導(dǎo)率為14.08 mS/cm 時(shí),各脈寬下初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的輸入能量為5.80—6.00 mJ;電導(dǎo)率為1.408 mS/cm 時(shí),各脈寬下初始產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的輸入能量為10.70—14.00 mJ.

3.3 不同電導(dǎo)率、脈寬及輸入能量下擴(kuò)散氣泡尺寸分布的變化

圖7(a)—7(d),圖7(e)—(h),圖7(i)和圖7(j)分別表示電導(dǎo)率為140.8,14.08,1.408 mS/cm 時(shí),不同脈寬下輸入能量對(duì)擴(kuò)散氣泡尺寸分布影響的小提琴圖.該圖例中,中間的虛線表示擴(kuò)散氣泡尺寸的中位數(shù);下方的虛線表示下四分位數(shù),即處在25%位置上的數(shù)值;上方虛線表示上四分位數(shù),即處在75%位置上的數(shù)值.四分位數(shù)通過(guò)3 條線將全部數(shù)據(jù)等分為4 部分,其中每部分包含25%的數(shù)據(jù).該圖能夠形象表示一定溶液電導(dǎo)率及脈寬條件時(shí),輸入能量變化對(duì)擴(kuò)散氣泡的尺寸分布范圍的影響.

圖7 氣泡直徑尺寸分布圖 (電導(dǎo)率-脈寬) (a) 140.8 mS/cm-5 μs;(b) 140.8 mS/cm-10 μs;(c) 140.8 mS/cm-50 μs;(d) 140.8 mS/cm-100 μs;(e) 14.08 mS/cm-5 μs;(f) 14.08 mS/cm-10 μs;(g) 14.08 mS/cm-50 μs;(h) 14.08 mS/cm-100 μs;(i) 1.408 mS/cm-50 μs;(j) 1.408 mS/cm-100 μsFig.7.Distribution of bubble diameter size (electrical conductivity-pulse width): (a) 140.8 mS/cm-5 μs;(b) 140.8 mS/cm-10 μs;(c) 140.8 mS/cm-50 μs;(d) 140.8 mS/cm-100 μs;(e) 14.08 mS/cm-5 μs;(f) 14.08 mS/cm-10 μs;(g) 14.08 mS/cm-50 μs;(h) 14.08 mS/cm-100 μs;(i) 1.408 mS/cm-50 μs;(j) 1.408 mS/cm-100 μs.

當(dāng)電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,對(duì)應(yīng)圖7(a)中脈寬為5 μs 時(shí),實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生擴(kuò)散氣泡的輸入能量范圍為1.25—5.00 mJ,不同輸入能量下的上、下四分位數(shù)之間的范圍大致相同,為20—35 μm,即有25%的氣泡直徑尺寸大于35 μm.圖7(b)—(d)中,不同輸入能量下的上、下四分位數(shù)之間范圍分別約為20—35 μm,20—50 μm,20—55 μm.

當(dāng)電導(dǎo)率不同時(shí),對(duì)比相同脈寬下的氣泡分布,低電導(dǎo)率下擴(kuò)散氣泡尺寸集中分布的范圍數(shù)值較小,如電導(dǎo)率為14.08 mS/cm,脈寬為5,10 μs時(shí),擴(kuò)散氣泡尺寸的四分位數(shù)范圍約為10—30 μm;脈寬50,100 μs 時(shí),擴(kuò)散氣泡尺寸的四分位數(shù)范圍約為20—40 μm.電導(dǎo)率為1.408 mS/cm,脈寬為50,100 μs 時(shí),擴(kuò)散氣泡尺寸的四分位數(shù)范圍分別約為10—20 μm,15—30 μm.除此之外,圖7 中任意電導(dǎo)率、脈寬條件時(shí),增大輸入能量均使得產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡的最大尺寸增大,大氣泡尺寸分布在上四分位數(shù)之上.

特別統(tǒng)計(jì)了施加不同脈沖后產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡的最大直徑尺寸以及氣泡平均尺寸,結(jié)果如表4 所列.根據(jù)表1 的脈沖電壓數(shù)值、表3 的輸入能量數(shù)值,可查閱對(duì)應(yīng)參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的最大擴(kuò)散氣泡直徑尺寸及任意參數(shù)下的氣泡平均尺寸.

表4 各脈沖參數(shù)下產(chǎn)生的最大氣泡直徑尺寸及平均氣泡尺寸Table 4.The maximum bubble diameter size and average bubble size generated under each pulse parameter.

4 討論

通過(guò)對(duì)浸泡在不同電導(dǎo)率溶液的針-環(huán)電極施加不同電壓的5—100 μs 脈沖,觀察了擴(kuò)散氣泡俯視角度橫截面積和直徑的分布變化情況.由于針電極尖端表面曲率變化較大導(dǎo)致其電場(chǎng)強(qiáng)度較其他區(qū)域更高,擴(kuò)散氣泡主要出現(xiàn)在針電極尖端及其附近區(qū)域.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)針電極作為陰極時(shí),其擴(kuò)散氣泡變化具有一定規(guī)律.而作為陽(yáng)極時(shí),擴(kuò)散氣泡數(shù)量和體積都明顯減小,并且難以觀察到擴(kuò)散氣泡隨脈沖參數(shù)和溶液電導(dǎo)率的確定規(guī)律.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)針電極的電極極性改變會(huì)極大影響擴(kuò)散氣泡的觀察結(jié)果.當(dāng)針電極為陰極時(shí)(圖4 和表1),根據(jù)氣泡面積、氣泡產(chǎn)生速率、初始電壓(根據(jù)擬合方程推導(dǎo)得到開(kāi)始產(chǎn)生氣泡的電壓閾值)、放電電壓(開(kāi)始產(chǎn)生放電的電壓閾值) 4 個(gè)角度可以總結(jié)出4 條規(guī)律:

1)溶液電導(dǎo)率、脈沖電壓、脈寬三者越大,氣泡面積越大;

2)溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,初始電壓越低;

3)溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,放電電壓越低;

4)溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,氣泡產(chǎn)生速率越快.

上述規(guī)律與圖6 氣泡總面積與脈沖能量的關(guān)系展現(xiàn)的基本一致.從圖4 和圖6 可以觀察到氣泡量與脈沖電荷能量具有線性關(guān)系,符合法拉第定律,這表明擴(kuò)散氣泡的產(chǎn)生主要是由于電解反應(yīng).本文結(jié)果與在van Es等[30]針對(duì)毫秒脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生氣泡的研究結(jié)果一致.他們測(cè)量了輸入能量為50,100,200 J 的多個(gè)毫秒脈沖產(chǎn)生的氣泡體積,結(jié)果表明氣體量隨著輸入能量呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì),預(yù)示了氣泡的產(chǎn)生原因主要是電解反應(yīng).另在Rubinsky等[42]的研究中,為說(shuō)明電解反應(yīng)在脈沖電場(chǎng)組織消融中的發(fā)生,使0.9%生理鹽水與0.5%細(xì)菌瓊脂混合以模擬體內(nèi)環(huán)境,并利用針電極對(duì)該模型施加脈沖電場(chǎng).研究者通過(guò)施加脈沖電場(chǎng)后PH 比色指示劑的變化判斷了電解反應(yīng)的發(fā)生,且根據(jù)PH 值結(jié)果指出陽(yáng)極產(chǎn)生的電解產(chǎn)物可能存在氯氣.針對(duì)KCl 溶液,根據(jù)電解原理,在溶液中存在著K+,Cl-,H+,OH-四種離子,通電時(shí),在陽(yáng)極Cl-比OH-容易失去電子,氧化生成氯氣;在陰極,H+比K+容易得到電子,還原生成氫氣.因此,導(dǎo)電電極發(fā)生的電解反應(yīng)為

該公式表明,KCl 溶液電解產(chǎn)生的氣體量與傳遞電荷成正比.本研究結(jié)果與張若兵等[43]針對(duì)脈沖電場(chǎng)技術(shù)電極設(shè)備電化學(xué)腐蝕的研究中的發(fā)現(xiàn)也一致,即脈寬、電壓、電導(dǎo)率三者增大會(huì)增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)從而增加氣泡產(chǎn)生.

氫氣與氯氣在水溶液中標(biāo)準(zhǔn)條件下溶解度分別為1.83%和200%,陽(yáng)極上出現(xiàn)的氯氣在產(chǎn)生后會(huì)快速溶解,導(dǎo)致可觀察到的氣體量遠(yuǎn)少于陰極.這解釋了圖5 與圖4 之間的差別.從而進(jìn)一步驗(yàn)證電解反應(yīng)是產(chǎn)生氣泡的主要原因.在電解反應(yīng)中,可能存在Cl-與OH-失去電子生成氯氣與氧氣.根據(jù)陽(yáng)極現(xiàn)有結(jié)果(圖5 所示),施加表1 中參數(shù)無(wú)明顯氣泡;增大電壓產(chǎn)生氣泡量相較于陰極氣泡少,且氣泡長(zhǎng)時(shí)間未消散,可判斷此時(shí)低溶解度的氣體占了主要成分,即可能存在氧氣.

除了電解反應(yīng),擴(kuò)散氣泡的產(chǎn)生還可能來(lái)源于電致伸縮、焦耳熱、溶解氣體析出等諸多因素.電致伸縮產(chǎn)生空化氣泡通常發(fā)生在納秒脈沖放電或電極表面施加超高電壓(＞20 kV)條件下,作為初始?xì)馀莓a(chǎn)生的種子,隨后熱效應(yīng)將這些種子氣泡放大[21,35,44,45].根據(jù)本文采用的脈沖電壓,我們有理由可以忽略電致伸縮效應(yīng)的貢獻(xiàn).Shneider 和Pekker[46]在一個(gè)針對(duì)平板放電的研究表明0.1—100 μs 的高壓脈沖產(chǎn)生氣泡的原因主要是熱漲落效應(yīng)和焦耳熱.其中熱漲落是指由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的1 nm 以內(nèi)的微空隙,而焦耳熱使得微空隙繼續(xù)膨脹形成氣泡.當(dāng)增大電壓時(shí),熱漲落效應(yīng)與焦耳熱效應(yīng)的增強(qiáng),可能導(dǎo)致陰極產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡有尺寸變大的趨勢(shì),會(huì)使得電極表面阻抗發(fā)生變化.圖3 中電壓為80,90 V 時(shí),觀測(cè)到電流整體隨著時(shí)間有下降趨勢(shì),表明電極表面阻抗隨時(shí)間上升.由于氣體阻抗相較液體更大,故該現(xiàn)象可能是由于隨著電壓增大,電極表面產(chǎn)生的氣泡快速增加及尺寸增大(如圖4 和圖7 所示),從而導(dǎo)致電極表面阻抗上升.圖3(c)中電壓為90 V,電流在20—40 μs 出現(xiàn)了較大的波峰,電流的急劇增大伴隨可肉眼觀察到的放電現(xiàn)象,這可能是由于發(fā)生了氣泡內(nèi)的放電擊穿現(xiàn)象.根據(jù)結(jié)果分析,認(rèn)為電流下降是由于氣泡的大量產(chǎn)生導(dǎo)致電極表面阻抗增大,電流的上升部分為氣泡被擊穿后的放電階段,氣泡破裂的同時(shí)存在大量新產(chǎn)生的氣泡,使得電極表面阻抗增大,從而使電流整體隨時(shí)間保持下降趨勢(shì).這種氣泡的快速增加可能是由于熱漲落和焦耳熱膨脹等原因.實(shí)驗(yàn)中在該條件下觀測(cè)到的氣泡尺寸以及總面積均較表1 中未放電參數(shù)所產(chǎn)生的更大.這一現(xiàn)象與Zhang等[32,33]在食品領(lǐng)域針對(duì)高電導(dǎo)率高場(chǎng)強(qiáng)條件出現(xiàn)脈沖放電現(xiàn)象的情況類似,在他們的研究中,大量氣泡的出現(xiàn)被認(rèn)為是電極溫度的異常升高及局部放電的結(jié)果.在另一個(gè)針對(duì)氣泡影響PEFs 處理室中放電的實(shí)驗(yàn)中,他們觀察到不同電導(dǎo)率溶液下氣泡開(kāi)始產(chǎn)生時(shí),溶液溫度從15 ℃普遍上升了4 ℃左右,并且隨著電導(dǎo)率的增高,液體擊穿時(shí)的溫升更大[32].在我們的研究中(圖3)也觀察到電流在下降過(guò)程中還出現(xiàn)了尖峰,說(shuō)明存在放電擊穿現(xiàn)象.50 μs 后電流區(qū)域平穩(wěn),這可能是由于氣泡產(chǎn)生過(guò)多,電極表面阻抗增加到了一個(gè)平頂期,大氣泡的出現(xiàn)也阻礙了放電的出現(xiàn).

另有針對(duì)脈沖焦耳熱導(dǎo)致的溫升的研究[47],發(fā)現(xiàn)在微秒范圍內(nèi),初始溫度為37 ℃時(shí)脈沖焦耳熱導(dǎo)致的溫度上升一般在1 ℃以內(nèi).根據(jù)本文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溶液電導(dǎo)率越高時(shí),相同輸入能量時(shí)產(chǎn)生的氣泡面積更大,并且初始生成氣泡的最低脈沖輸入能量越小.另由圖4 和圖6 的結(jié)果,熱效應(yīng)可能導(dǎo)致了氣泡量與脈沖能量之間線性關(guān)系的偏離,但沒(méi)有顯著影響本文對(duì)氣泡的觀察研究.但在高場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)放電現(xiàn)象時(shí),熱效應(yīng)可能是大量氣泡快速生成的主要原因.

氣泡直徑是影響栓塞風(fēng)險(xiǎn)的最大因素.本文結(jié)果表明擴(kuò)散氣泡的直徑分布和最大氣泡直徑均與脈沖參數(shù)和溶液電導(dǎo)率有關(guān)系.Chung等[48]總結(jié)了不同直徑氣泡的溶解速度及其栓塞風(fēng)險(xiǎn)的高低,結(jié)果表明直徑低于38 μm 的微氣泡在30 s 內(nèi)溶解,無(wú)栓塞風(fēng)險(xiǎn),而當(dāng)氣泡直徑為100—500 μm 時(shí),氣泡存在時(shí)間從數(shù)分鐘到一小時(shí),可能引發(fā)栓塞.另外,Haines等[49]發(fā)現(xiàn)氣泡直徑為20—200 μm 時(shí),或氣泡最小總體積為4 μL 時(shí),可造成急性缺血性腦損傷的現(xiàn)象.本文圖7 結(jié)果表明除電導(dǎo)率14.08 mS/cm、脈寬5 μs,以及低電導(dǎo)率1.408 mS/cm 條件下都不存在大于100 μm 的氣泡,其他電導(dǎo)率及脈寬條件下通過(guò)增大電壓/輸入能量均能觀察到有直徑大于100 μm 的擴(kuò)散氣泡產(chǎn)生,并且電導(dǎo)率和脈寬越大,氣泡直徑越大.對(duì)圖7 分析表明,相同脈寬下,隨著電壓增大,氣泡直徑上、下四分位數(shù)較為固定,在所有的電導(dǎo)率中,上四分位數(shù)均未大于60 μm,這意味著本實(shí)驗(yàn)中,至少75%的氣泡尺寸小于60 μm.此外,結(jié)合表3 和表4,隨著電壓/輸入能量的增大,產(chǎn)生氣泡的平均尺寸、最大尺寸及氣泡數(shù)量均有增大趨勢(shì).其中氣泡直徑的平均尺寸增大速率不具有顯著性,各脈寬下最大輸入能量產(chǎn)生的氣泡平均尺寸均不超過(guò)38 μm.而最大尺寸隨著電壓和電導(dǎo)率增加有顯著增加趨勢(shì).高電導(dǎo)率(140.8 mS/cm)條件下各脈寬在低輸入能量時(shí)都會(huì)產(chǎn)生尺寸大于100 μm 氣泡.而在接近血液電導(dǎo)率的14.08 mS/cm 的條件下,只有大于50 μs 脈寬的脈沖才比較容易出現(xiàn)大于100 μm 氣泡.從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同能量時(shí),電導(dǎo)率或脈寬越小,產(chǎn)生氣泡的最大氣泡直徑尺寸越小.針對(duì)本文施加的單個(gè)脈沖,不同電導(dǎo)率、脈寬時(shí)避免產(chǎn)生大尺寸氣泡(直徑尺寸大于100 μm 的氣泡可能存在栓塞風(fēng)險(xiǎn);下同)的輸入能量閾值不同.電導(dǎo)率為140.8 mS/cm,脈寬5,10,50,100 μs 時(shí)產(chǎn)生大尺寸氣泡的輸入能量閾值分別約為2.50,2.00,2.00,1.00 mJ.電導(dǎo)率為14.08 mS/cm,脈寬5,10 μs時(shí)輸入能量在12.00 mJ 以內(nèi)均不產(chǎn)生大尺寸氣泡;脈寬50,100 μs 時(shí)產(chǎn)生大尺寸氣泡的輸入能量閾值約為9.00 mJ.電導(dǎo)率為1.408 mS/cm,對(duì)100 μs內(nèi)任一脈寬,輸入能量在25 mJ 之內(nèi)均不產(chǎn)生直徑尺寸大于100 μm 的氣泡.因此本文對(duì)擴(kuò)散氣泡直徑尺寸分布及最大擴(kuò)散氣泡尺寸的研究有望指導(dǎo)脈沖電場(chǎng)治療參數(shù)的優(yōu)化,從而降低栓塞風(fēng)險(xiǎn).

5 結(jié)論

本工作針對(duì)當(dāng)前房顫和腫瘤消融普遍使用的脈沖參數(shù),在不產(chǎn)生放電擊穿的條件下,研究溶液電導(dǎo)率、脈寬、電壓、脈沖能量對(duì)擴(kuò)散氣泡直徑、總面積、生成速率的影響.結(jié)果表明電解反應(yīng)作為脈沖電場(chǎng)產(chǎn)生氣泡的主要因素,其他條件一致時(shí),陰極產(chǎn)生的氣泡面積與電壓、輸入能量正相關(guān).陰極上氣泡量顯著高于陽(yáng)極,陽(yáng)極產(chǎn)生的氣泡會(huì)快速溶解,可觀察到的少量氣泡可能產(chǎn)生于熱效應(yīng)等因素.以針電極為陰極可以總結(jié)出擴(kuò)散氣泡相關(guān)規(guī)律:

1) 溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,初始電壓越低;

2)溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,放電電壓越低;

3)溶液電導(dǎo)率、脈寬越大,氣泡產(chǎn)生速率越快;

4) 相同溶液電導(dǎo)率、輸入能量,脈寬越大時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡面積越大;

5) 相同脈寬、輸入能量,溶液電導(dǎo)率越大時(shí)產(chǎn)生的擴(kuò)散氣泡面積越大.

針對(duì)擴(kuò)散氣泡直徑分布的研究,可以發(fā)現(xiàn)相同能量時(shí),短脈寬、低電導(dǎo)率的組合使得產(chǎn)生大尺寸氣泡(直徑大于100 μm)概率更低,且單個(gè)5 μs 脈沖時(shí)產(chǎn)生大尺寸有栓塞風(fēng)險(xiǎn)的氣泡的概率較小,這可以為脈沖電場(chǎng)消融的脈寬選擇閾值提供參考.本文從擴(kuò)散氣泡面積及氣泡直徑尺寸的兩個(gè)角度與脈沖參數(shù)之間的關(guān)系展開(kāi)了較為細(xì)致的研究.發(fā)現(xiàn)脈寬越短產(chǎn)生氣泡越少并且越小.這為臨床上應(yīng)用更短脈寬進(jìn)行消融的趨勢(shì)提供了實(shí)驗(yàn)支持.此外,脈沖電場(chǎng)消融也要關(guān)注電解反應(yīng)的危害,所以選擇金屬活動(dòng)性不強(qiáng)的金屬作為電極也是非常重要的.