導(dǎo) 讀
本文簡單介紹了PFA的歷史應(yīng)用到如今爆火的心臟消融領(lǐng)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(jié)了PFA在心臟電生理治療的潛在風(fēng)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(nèi)（ms、μs、ns）應(yīng)用間歇性的高強度脈沖電場，造成細(xì)胞膜電穿孔的不可逆性損傷（IRE）。
該技術(shù)始于上世紀(jì)六十年代食品和水消毒領(lǐng)域，八十年代初，嘗試應(yīng)用直流電脈沖消融心動過速，也是該技術(shù)首次用于心臟領(lǐng)域，由于當(dāng)時對電脈沖的認(rèn)識不足，安全性無法保證而終止；
Neumann在1982年首先應(yīng)用電穿孔技術(shù)將外生的DNA引入到小鼠的淋巴瘤細(xì)胞內(nèi)。細(xì)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(yīng)用于基因工程，藥物篩選和電化學(xué)治療；
本世紀(jì)初，Davalos教授應(yīng)用脈沖電場成功地破壞了實體腫瘤組織；
2012年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)基于高頻脈沖電場的納米刀技術(shù)用于腫瘤治療。同年，F(xiàn)red首次應(yīng)用脈沖電場技術(shù)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(nèi)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(yīng)用PFA技術(shù)進行了肺靜脈消融，15例心內(nèi)膜消融患者即刻成功率100%，每位患者總的PFA時間＜60s，無嚴(yán)重并發(fā)癥。
近些年國內(nèi)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(zhǔn)上市，國內(nèi)也誕生了大量相關(guān)企業(yè)，對 PFA 的開發(fā)趨于白熱化，技術(shù)也向更加快速化、精準(zhǔn)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(xué)基礎(chǔ)
每個生物細(xì)胞都被雙層脂質(zhì)質(zhì)膜包圍，其中含有多種蛋白質(zhì)，用作離子泵或通道，允許特定分子在細(xì)胞內(nèi)部和外部之間運輸。對于其他物質(zhì)，細(xì)胞膜充當(dāng)生物屏障，保護細(xì)胞免受環(huán)境影響。質(zhì)膜的脂質(zhì)由親水（極性）和疏水（非極性）部分組成。細(xì)胞與離子泵和通道一起維持質(zhì)膜內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的電勢差。在真核細(xì)胞中，靜息跨膜電壓范圍為-40至-70 mV2。
當(dāng)生物膜暴露于足夠高的外部電場可導(dǎo)致其電導(dǎo)率和滲透性快速大幅增加。這種效應(yīng)通常被稱為膜電穿孔。根據(jù)電場的強度對細(xì)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(biāo)達到不可逆電穿孔狀態(tài)從而阻滯異常電信號的傳導(dǎo)。
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(xì)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(qū)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(fù)頻率和換向序列3。
2.電場強度
電穿孔對組織產(chǎn)生作用的基礎(chǔ)是電場強度。傳遞的電場越強，對目標(biāo)組織的影響越大。但隨著電場強度的增加，產(chǎn)生熱量的風(fēng)險也會增加，從而導(dǎo)致熱效應(yīng)的轉(zhuǎn)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(fù)率
增加脈沖數(shù)量和脈沖重復(fù)頻率通常會增加觀察到的總體效果，但是這種關(guān)系不是完全線性關(guān)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(xì)胞數(shù)據(jù)提示，當(dāng)施加超過16個脈沖時，通透性或50%細(xì)胞群的死亡沒有顯著差異5。
電穿孔依賴于脈沖重復(fù)率，但目前文獻并沒有取得一致的認(rèn)同關(guān)系。在一系列體內(nèi)和體外實驗中，有報道說隨著重復(fù)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(xì)胞產(chǎn)生更大的電穿孔效應(yīng)。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(xì)胞，是一種非線性關(guān)系，特別是當(dāng)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(dāng)電場強度為137 V/cm時，100 ms脈沖可以導(dǎo)致細(xì)胞電穿孔，當(dāng)電場增加到575 V/cm，100μs 即可導(dǎo)致細(xì)胞電穿孔，當(dāng)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(guān)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(xué)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(chǎn)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(dāng)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(yīng)。
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(dāng)它到達垂直的圓形纖維時，收到的 PEF效應(yīng)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(xì)胞選擇特異性7
當(dāng)跨膜電壓達到每個組織或細(xì)胞特有的某個閾值時，電穿孔現(xiàn)象就會發(fā)生。心臟細(xì)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(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞（1,750 V/cm）。
心臟電穿孔閾值的個體化數(shù)據(jù)源自細(xì)胞研究。然而，不同的非標(biāo)準(zhǔn)化電穿孔方案所應(yīng)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(dǎo)致數(shù)據(jù)的可比性、再現(xiàn)性不一致。大鼠成肌細(xì)胞為 375 V/cm，大鼠心室細(xì)胞為 500 V/cm（導(dǎo)致 80% 細(xì)胞死亡），人心肌細(xì)胞為750 V/cm ，和另一個心臟細(xì)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(guān)電穿孔參數(shù)。
圖 不同類型細(xì)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(guān)、觸發(fā)電路、負(fù)載構(gòu)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(chǎn)生觸發(fā)信號，驅(qū)動快速開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷，使儲能單元的能量在一瞬間被釋放，輸出到負(fù)載上形成高壓脈沖8。
依據(jù)儲能單元不同，脈沖功率技術(shù)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(guān) 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(guān)， R 為負(fù)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(dāng)負(fù)載匹配，開關(guān) S閉合時，負(fù)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(shè)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(guān)是核心器件既要實現(xiàn)納秒級快速導(dǎo)通和關(guān)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(shè)備對快速開關(guān)要求十分嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的開關(guān)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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，新型半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)速度和耐壓有很大提升，給納秒脈沖功率技術(shù)帶來了新的方向。
四、PFA的潛在風(fēng)險和不良反應(yīng)
脈沖電場作為新的消融能量在心律失常領(lǐng)域展現(xiàn)了安全和高效的優(yōu)勢，但同時還需要了解和關(guān)注這項技術(shù)目前存在的一些問題，包括高電壓的風(fēng)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(fēng)險：包括出現(xiàn)熱效應(yīng)、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(jié)痂和凝結(jié)，影響隨后的消融效果。因此，脈沖消融儀在參數(shù)設(shè)置上要有安全上限值，手術(shù)中對輸出電壓的調(diào)整不能超過安全上限。另外，脈沖消融儀還需要能夠?qū)崟r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(shù)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(rèn)為會迅速溶解（6-10s），不太可能導(dǎo)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。
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