導 讀
本文簡單介紹了PFA的歷史應用到如今爆火的心臟消融領域的發(fā)展歷程，著重介紹了影響PFA作用效果的影響因素，核心零部件以及系統(tǒng)組成，最后總結了PFA在心臟電生理治療的潛在風險。
一、脈沖電場發(fā)展歷程1
脈沖電場消融（pulsed field ablation, PFA）指在非常短的時間內（ms、μs、ns）應用間歇性的高強度脈沖電場，造成細胞膜電穿孔的不可逆性損傷（IRE）。
該技術始于上世紀六十年代食品和水消毒領域，八十年代初，嘗試應用直流電脈沖消融心動過速，也是該技術首次用于心臟領域，由于當時對電脈沖的認識不足，安全性無法保證而終止；
Neumann在1982年首先應用電穿孔技術將外生的DNA引入到小鼠的淋巴瘤細胞內。細胞膜在一定強度的脈沖電場中可以發(fā)生RE，這一現(xiàn)象隨后被廣泛應用于基因工程，藥物篩選和電化學治療；
本世紀初，Davalos教授應用脈沖電場成功地破壞了實體腫瘤組織；
2012年，F(xiàn)DA批準基于高頻脈沖電場的納米刀技術用于腫瘤治療。同年，F(xiàn)red首次應用脈沖電場技術和環(huán)形電極對豬的心外膜心肌組織進行消融，驗證了脈沖電場在心肌組織內可以形成連續(xù)的損傷，脈沖電場造成的損傷深度，足可以實現(xiàn)肺靜脈的隔離；
2018年，Reddy教授首次在房顫患者中應用PFA技術進行了肺靜脈消融，15例心內膜消融患者即刻成功率100%，每位患者總的PFA時間＜60s，無嚴重并發(fā)癥。
近些年國內外公司已經(jīng)基于PFA原理進行大規(guī)模的心臟電生理消融臨床試驗， 2021年初，F(xiàn)arapulse PFA 系統(tǒng)獲 CE 批準上市，國內也誕生了大量相關企業(yè)，對 PFA 的開發(fā)趨于白熱化，技術也向更加快速化、精準化、整合化的方向發(fā)展。
二、脈沖電場消融的影響因素
1.脈沖電場生物學基礎
每個生物細胞都被雙層脂質質膜包圍，其中含有多種蛋白質，用作離子泵或通道，允許特定分子在細胞內部和外部之間運輸。對于其他物質，細胞膜充當生物屏障，保護細胞免受環(huán)境影響。質膜的脂質由親水（極性）和疏水（非極性）部分組成。細胞與離子泵和通道一起維持質膜內側和外側之間的電勢差。在真核細胞中，靜息跨膜電壓范圍為-40至-70 mV2。
當生物膜暴露于足夠高的外部電場可導致其電導率和滲透性快速大幅增加。這種效應通常被稱為膜電穿孔。根據(jù)電場的強度對細胞莫得影響分為可逆電穿孔和不可逆電穿孔。對于心律失常治療，目標達到不可逆電穿孔狀態(tài)從而阻滯異常電信號的傳導。
不可逆電穿孔受到多重因素影響，其中最重要的是電穿孔閾值因細胞而異，據(jù)報道在 200 至 500 mV 之間。電穿孔效果很大程度上取決于所施加的電穿孔信號的精確再現(xiàn)性。由于電穿孔過程是由局部電場驅動的，因此在大多數(shù)情況下輸出電壓是受控的。電穿孔信號的特征在于電場強度、脈沖幅度和持續(xù)時間、脈沖數(shù)量、脈沖重復頻率和換向序列3。
2.電場強度
電穿孔對組織產生作用的基礎是電場強度。傳遞的電場越強，對目標組織的影響越大。但隨著電場強度的增加，產生熱量的風險也會增加，從而導致熱效應的轉變。如下圖所示：脈沖越長、電壓越大，造成不可逆?zhèn)蜔釗p壞的可能性就越大4。
3.脈沖數(shù)和脈沖重復率
增加脈沖數(shù)量和脈沖重復頻率通常會增加觀察到的總體效果，但是這種關系不是完全線性關系。
目前尚不清楚需要施加的脈沖數(shù)量是否有一個臨界閾值，但一些單細胞數(shù)據(jù)提示，當施加超過16個脈沖時，通透性或50%細胞群的死亡沒有顯著差異5。
電穿孔依賴于脈沖重復率，但目前文獻并沒有取得一致的認同關系。在一系列體內和體外實驗中，有報道說隨著重復次數(shù)的增加，效果會降低或者效果會提高。
4.脈沖時間
脈沖持續(xù)時間的增加將對細胞產生更大的電穿孔效應。對于較長的脈沖，需要較低的電壓來維持相同數(shù)量的電穿孔細胞，是一種非線性關系，特別是當持續(xù)時間<1毫秒時，需要更高的電壓才能達到相同的效果。例如，當電場強度為137 V/cm時，100 ms脈沖可以導致細胞電穿孔，當電場增加到575 V/cm，100μs 即可導致細胞電穿孔，當電場強度升到10 kV/cm，獲得相同效果時僅用150 ns脈沖6。
5.脈沖形狀
典型的脈沖電場（PEF）系統(tǒng)使用直流 (DC) 電源對電容器充電，然后在高壓開關的幫助下對電容器進行放電（脈沖）。PEF有多種脈沖波形，包括方波、指數(shù)波、雙相波和正弦波。方波是醫(yī)學上最常用的，并且可以以相對較高的頻率傳送多個脈沖。方波有許多參數(shù)，包括脈沖持續(xù)時間、上升和下降時間以及幅度。雙極高頻脈沖在高頻（高達 1 MHz）下使用多個非常短的脈沖（低至不到一微秒）可以防止肌肉收縮，產生有效的損傷的同時還會帶來最小的疼痛或沒有疼痛。
6.電極方向
電極方向相對于消融組織的纖維取向（各向異性）對觀察到的效果具有重要影響。當平行于組織纖維施加類似的電場時，觀察到比垂直于組織施加電場時更大的電穿孔效應。
肌纖維的取向也對組織選擇性的優(yōu)勢起作用。例如，食道既有縱向肌纖維也有圓形肌纖維，電場穿透縱向纖維;當它到達垂直的圓形纖維時，收到的 PEF效應比較小。如下圖所示：LA，左心房;LSPV，左上肺靜脈; LIPV，左下肺靜脈; RSPV，右上肺靜脈; RIPV，右下肺靜脈。
7.細胞選擇特異性7
當跨膜電壓達到每個組織或細胞特有的某個閾值時，電穿孔現(xiàn)象就會發(fā)生。心臟細胞的 IRE 閾值低于周圍組織的 IRE 閾值，例如神經(jīng) (3,800 V/cm)、血管平滑肌細胞或內皮細胞（1,750 V/cm）。
心臟電穿孔閾值的個體化數(shù)據(jù)源自細胞研究。然而，不同的非標準化電穿孔方案所應用的脈沖參數(shù)（或脈沖參數(shù)定義）不一致以及使用不同的電穿孔發(fā)生器導致數(shù)據(jù)的可比性、再現(xiàn)性不一致。大鼠成肌細胞為 375 V/cm，大鼠心室細胞為 500 V/cm（導致 80% 細胞死亡），人心肌細胞為750 V/cm ，和另一個心臟細胞系為1,250 V/cm。所以每一個電脈沖消融系統(tǒng)都需要探索其特定模式下的相關電穿孔參數(shù)。
圖 不同類型細胞的 IＲE 閾值
三、PFA的發(fā)生
脈沖發(fā)生器系統(tǒng)一般由電源、存儲單元、快速開關、觸發(fā)電路、負載構成。
電源能持續(xù)穩(wěn)定地將電能存儲在儲能單元中，儲能單元存儲足夠的能量后，控制觸發(fā)電路產生觸發(fā)信號，驅動快速開關導通或關斷，使儲能單元的能量在一瞬間被釋放，輸出到負載上形成高壓脈沖8。
依據(jù)儲能單元不同，脈沖功率技術中常用的儲能單元可以分為電容型儲能和電感型儲能。典型的納秒脈沖發(fā)生器有9：
馬克思發(fā)生器（ MARX）：利用低壓直流電源 U 對電容 C并聯(lián)充電，再利用開關 S 使所有電容支路串聯(lián)放電，在AB端輸出高電壓脈沖信號。
Blumlein傳輸線（Blumlein Transmission Line）：U0 為高壓直流電源， Ri 為充電電阻，單根傳輸線長度為 l，特性阻抗為 Z， S 為放電開關， R 為負載電阻，其基本工作原理是高壓直流電源經(jīng)過充電電阻將兩個串聯(lián)的傳輸線充電至 U0。當負載匹配，開關 S閉合時，負載電阻兩端可得到幅值為 U0 的電脈沖。
目前臨床上使用的納秒脈沖消融腫瘤設備也大多是基于這些原理并加以改良而制造的。想要獲得納米級脈沖，快速開關是核心器件既要實現(xiàn)納秒級快速導通和關斷，又要能夠承受數(shù)十千伏甚至上百千伏的高壓。納秒脈沖消融腫瘤設備對快速開關要求十分嚴苛，傳統(tǒng)的開關器件雖然輸出電壓較高，但體積大、成本高且壽命有限。
近年來現(xiàn)代功率半導體技術的發(fā)展，新型半導體開關器件的開關速度和耐壓有很大提升，給納秒脈沖功率技術帶來了新的方向。
四、PFA的潛在風險和不良反應
脈沖電場作為新的消融能量在心律失常領域展現(xiàn)了安全和高效的優(yōu)勢，但同時還需要了解和關注這項技術目前存在的一些問題，包括高電壓的風險、骨骼肌收縮、微泡現(xiàn)象等。
1.高電壓的影響
更高的輸出電壓意味著更高的場強和可能更大的損傷范圍。但是，過大的輸出電壓也會帶來安全性的風險：包括出現(xiàn)熱效應、增加骨骼肌的收縮、微泡的形成，甚至出現(xiàn)電弧。
電弧的出現(xiàn)可以造成局部組織的氣壓傷，電弧還會造成血液在電極表面的結痂和凝結，影響隨后的消融效果。因此，脈沖消融儀在參數(shù)設置上要有安全上限值，手術中對輸出電壓的調整不能超過安全上限。另外，脈沖消融儀還需要能夠實時監(jiān)控是否發(fā)生了電弧，如果發(fā)生，需要能夠自動切斷后續(xù)脈沖波的輸出。
2.骨骼肌收縮
骨骼肌收縮是PFA過程中常出現(xiàn)的伴隨癥狀，尤其是長時程的單相脈沖波消融時。增加脈沖波的頻率，可以顯著減少骨骼肌的收縮和扭矩。目前市場上用于房顫的主流脈沖消融儀器多采用高頻雙相脈沖波，采用較短時程的消融10。
3.微泡現(xiàn)象
脈沖波發(fā)放時可以通過超聲監(jiān)測到微泡的發(fā)生。術中微泡的形成機制目前還不是非常明確，可能的機制是血液中氮氣的水解或置換。多個脈沖參數(shù)（電壓、脈寬等）的改變可以影 響 微泡的形成。直徑＜38μm的氣泡被認為會迅速溶解（6-10s），不太可能導致腦血流受損11。目前對于PFA過程中微泡的影響，還缺乏大樣本和長期的隨訪數(shù)據(jù)，值得進一步探索。
參考文獻：
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