纳秒脉冲与细胞作用的模型仿真与电路设计

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目纳秒脉冲与细胞作用的模型仿真与电路设计学科专业无线电物理学号201521040535作者姓名王增瑞指导教师陈晓东教授分类号密级注1UDC学位论文纳秒脉冲与细胞作用的模型仿真与电路设计（题名和副题名）王增瑞（作者姓名）指导教师陈晓东教授电子科技大学成都赵德双教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业无线电物理提交论文日期2018.3.30论文答辩日期2018.5.11学位授予单位

2、和日期电子科技大学2018年06月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。ModelSimulationandCircuitDesignBasedonNanosecondPulsesWorkingonCellsAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:RadioPhysicsAuthor:ZengruiWangSupervisor:Prof.XiaodongChenSchool:SchoolofElectro

3、nicScienceandEngineering摘要摘要目前世界上肿瘤发病率居第二，成为仅次于心血管病威胁人类健康的主要杀手之一。根据世卫组织调查，全世界共4000多万患癌者，随着快速的工业和城市化进程以及不断加重的环境污染，癌症发病率仍然每年以2-3%的速度增加。所以寻找治疗肿瘤的有效手段非常紧迫且重要。目前治疗肿瘤的方法有外科、化疗、放疗、免疫法及其联合应用。对某些病人，这些方案使他们存活率提高五年或更长。但这些方案有诸多重要限制：如肿瘤复发转移、形成耐药性，毒副作用大、降低病人免疫力，无法去除重要器官肿瘤、造成外表损伤、辐射致头发脱落等，这些副作用

4、经常使治疗失败。很多学者尝试研发能避免上述副作用的治疗方案。所以近年来，研究脉冲电场对肿瘤细胞和生物组织的作用效果是学者们关注的，尤其是其中纳秒脉冲电场的生物电效应，因为其具有特殊的靶向诱导肿瘤细胞凋亡的效果。具有靶向选择和凋亡微创两大特殊优势的脉冲电场临床肿瘤治疗时诱导肿瘤凋亡，对肿瘤周围正常组织的损伤能极大降低。故研究纳秒脉冲导致的细胞电穿孔不但可以推进肿瘤临床治疗，而且减轻了肿瘤病人的痛苦，可以提高其生活质量并促使社会进步，具有重要意义。本文推导了球壳和球体的电容和电阻公式，推导了细胞各部分的传递函数，推导了时域微分方程。基于细胞双层介电模型，构建

5、球形单细胞全电路等效模型。使用MATLAB，通过编程和Simulink定量计算纳秒脉冲电场作用时细胞膜的跨膜电位。使用COMSOL，引入细胞各组分的频率色散效应，完成瞬态计算，稳态计算，提取参数，定量计算膜电压。发现连续纳秒脉冲时，细胞膜穿膜电压幅值和细胞核膜穿膜电压幅值随脉冲数增加而变大，说明纳秒脉冲电场对细胞膜和细胞核膜等膜结构有积累效应。在纳秒级脉宽下，细胞膜和细胞核膜穿膜电压，随脉宽增加而幅值增大，说明纳秒脉冲电场对细胞膜和细胞核膜都有较强的作用。越薄的细胞结构场强越大，说明纳秒脉冲电场对细胞膜及内部薄膜结构有作用。使用Multisim，利用MO

6、SFET搭建高压脉冲源，并在Simulink中验证电路。调试电路制作PCB完成实测，实现了脉冲源空载输出。得到的仿真结果及脉冲源电路为后续实验做了指导和准备。关键字：电穿孔，肿瘤，数值仿真，脉冲源IABSTRACTABSTRACTAtpresent,theincidenceofcancerintheworldrankssecond,makingitoneofthemajorkillersthataresecondonlytocardiovasculardiseaseandthreatenhumanhealth.AccordingtotheWHOsurve

7、y,therearemorethan40millioncancerpatientsworldwide.Withtherapidindustrialandurbanizationprocessandincreasingenvironmentalpollution,theincidenceofcancerisstillincreasingatarateof2-3%peryear.Therefore,itisveryurgentandimportanttofindaneffectivemeanstotreatcancer.Currentmethodsfortr

8、eatingtumorsincludesurgery,chemotherapy,