用于改进的基于组织感测的电穿孔的系统和方法技术方案

本公开涉及一种用于使用电穿孔(EP)系统在细胞或组织的EP期间控制EP脉冲参数的自适应控制方法，其包含：提供用于自适应控制以优化包含EP脉冲参数的EP脉冲参数的系统，将电压和电流激励信号施加到细胞，从电流和电压测量获得数据，以及处理所述数据以分离合意的数据与不合意的数据，从所述合意的数据提取相关特征，将所述相关特征的至少一部分应用于经训练的诊断模型，基于所述应用的相关特征的结果估计EP脉冲参数，其中经初始化EP脉冲参数是基于所述经训练的模型和所述相关特征，从而优化所述EP脉冲参数，以及由产生器基于所述第一脉冲参数而施加第一EP脉冲。

An improved system and method of electroporation based on tissue sensing

The invention relates to a method for the use of electroporation (EP) control adaptive control method, the EP pulse parameters during the system in a cell or tissue comprising: EP for adaptive control system to optimize the parameters of EP pulse parameters including EP pulse, the applied voltage and current excitation signal to the cell, data obtained from current and voltage measuring and processing the data to separate the desired data and undesirable data, extracting relevant features from the desired data, the relevant characteristics of at least a portion of the application on the diagnosis model of training, relevant features of the application results of the parameter estimation of EP pulse based on the initialization of the EP pulse the parameter is based on the training model and the related features, so as to optimize the parameters of the EP pulse generator, and is based on the first pulse parameters and Application Add the first EP pulse.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改进的基于组织感测的电穿孔的系统和方法相关申请的参考本申请要求2015年9月4日提交的标题为“用于优化电穿孔的系统和方法(SYSTEMANDMETHODFOROPTIMIZEDELECTROPORATION)”的第62/214,807号美国临时专利申请以及2015年9月4日提交的标题为“用于优化的基于导管的电穿孔的系统和方法(SYSTEMANDMETHODFOROPTIMIZEDCATHETER-BASEDELECTROPORATION)”的第62/214,872号美国临时专利申请的优先权，以上申请中的每一个相关于2015年3月31日提交的标题为“聚焦脉冲加法电穿孔(FOCUSEDPULSEADDITIONELECTROPORATION)”的第62/141,142号美国临时专利申请、2015年3月31日提交的标题为“电化学组织感测(ELECTROCHEMICALTISSUESENSING)”的第62/141,182号美国临时专利申请、2015年3月31日提交的标题为“用于改进的治疗剂递送的一体化装置(ALL-IN-ONEDEVICEFORIMPROVEDTHERAPEUTICAGENTDELIVERY)”的第62/141,256号美国临时专利申请以及2015年3月31日提交的标题为“用于改进的治疗剂递送的装置(DEVICEFORIMPROVEDTHERAPEUTICAGENTDELIVERY)”的第62/141,164号美国临时专利申请，以上申请的公开明确地以全文引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及使用控制系统以改善电穿孔过程且增加细胞的渗透性，且更具体来说涉及用于通过电穿孔疗法(EPT)将治疗部分递送到细胞中的受控电场的优化施加的方法和设备，所述电穿孔疗法也被称作细胞穿孔疗法(CPT)和电化学疗法(ECT)。
技术介绍
在1970年代，发现可以使用电场在细胞中产生孔隙而不会造成永久性损伤。此发现使得将大分子插入到细胞的细胞质中成为可能。众所周知，可以通过被称为电穿孔的过程将例如药理学化合物等治疗部分并入到活细胞中。将基因或其它分子注入到活细胞中且施加高电场的短脉冲。细胞膜短暂地变为多孔且基因或分子进入细胞，在细胞中所述基因或分子能够修改细胞的基因体。在以化疗对某些类型的癌症的治疗中，有必要使用足够高剂量的药品来杀灭癌细胞而不会杀灭不可接受高数目的正常细胞。如果化疗药品可以直接插入于癌细胞内部，那么可以实现此目标。一些抗癌药物，例如博莱霉素(bleomycin)，通常无法有效地穿透某些癌细胞的薄膜。然而，电穿孔使得有可能将博莱霉素插入到细胞中。通常通过将抗癌药品直接注入到肿瘤中且在一对电极之间将电场施加到肿瘤来实行治疗。必须准确合理地调整场强度以使得肿瘤的细胞的电穿孔发生而没有对任何正常或健康细胞的损伤或至少只有最小损伤。这通常可通过将电极施加到肿瘤的相对侧以使得电场在电极之间而对外部肿瘤容易实行。当所述场均匀时，随后可测量电极之间的距离，且随后可将根据公式E＝V/d的合适电压施加于电极(E＝以V/cm计的场强度；V＝以伏特计的电压；且d＝以cm计的距离)。当大的或内部肿瘤待治疗时，恰当地定位电极且测量电极之间的距离是不容易的。使用细胞穿孔疗法对主体的治疗提供了避免通常与抗癌或细胞毒性剂的施予相关联的有害影响的手段。此治疗将允许引入这些试剂以选择性损伤或杀灭不合意的细胞，同时避开周围的健康细胞或组织。然而，使用电穿孔技术的一个问题是病变组织、尤其是癌变组织可能相当异构，从而要求电穿孔条件的调整。因此，本专利技术提供与用于EP的自适应控制方法结合使用电化学阻抗谱分析方法以最大化所需组织的电穿孔，同时最小化组织损伤。
技术实现思路
因此，需要实施一种控制系统，其使用基于组织感测的反馈以用在每一EP脉冲之前和之间所获取的肿瘤特定测量值来优化EP过程。根据一些实施例，一种用于使用电穿孔(EP)装置在细胞和组织的EP期间提供自适应控制以优化EP脉冲参数的系统包括测量装置、初始化模块、产生器、控制器和存储器模块。测量装置被配置成测量细胞和组织的介电和导电性质，且包含：电压传感器，用以测量由激励信号和施加于组织的EP脉冲中的每一个产生的跨越组织的电压；以及电流传感器，用以测量由激励信号和至少一个所施加EP脉冲产生的跨越组织的电流。初始化模块被配置成初始化用于在细胞或组织中执行电穿孔的EP脉冲参数，其中经初始化EP脉冲参数是至少部分地基于至少一个经训练的模型。产生器被配置成将激励信号和EP脉冲中的至少一个施加到组织。测量装置的电压传感器和电流传感器响应于激励信号的施加而测量跨越组织的细胞的电压和电流。控制器被配置成从测量装置接收与测得的传感器数据相关的对应于激励信号和EP脉冲中的至少一个的信号，以将所述数据拟合于至少一个经训练的模型且将所述数据处理为诊断学和经更新控制参数。控制器包括：预处理模块，用以接收与来自电流和电压测量的数据相关的信号，且处理所述数据以分离合意的数据与不合意的数据；特征提取模块，用以从合意的数据提取相关特征；诊断模块，用以将合意的数据的相关特征的至少一部分应用于至少一个经训练的诊断模型；以及脉冲参数估计模块，用以基于测得的数据、诊断模块和特征提取模块中的至少一个的结果而估计经初始化脉冲参数和后续脉冲参数中的至少一个。存储器模块存储合意的和不合意的数据、传感器数据和经训练的模型用于控制器进行特征提取。在一些实施例中，EP装置包括中心探头、施加器以及至少两个相反地带电的电穿孔电极(EPE)。中心探头界定至少中心管腔且从近端延伸到远端，所述中心探头的至少一部分具有螺旋几何形状以产生用于治疗部分向组织的递送的通道。中心探头的所述部分具有沿着螺旋几何形状定位的至少一个喷射端口。中心探头的近端被配置成接收递送到中心探头的治疗部分，且中心探头的远端是开放的以界定用于治疗部分向组织的递送的开口且具有被配置成刺穿组织的形状。施加器至少部分地容纳中心探头，且具有远端，中心探头的所述部分被配置成通过所述远端延伸到施加器的外部以接触组织及缩回到施加器中。所述至少两个相反地带电的EPE被配置成包围组织而定位且适于从近端延伸到远端。远端具有被配置成刺穿组织的针形状。测量装置耦合到EPE，且EPE适于耦合到产生器以接收激励信号和用于EP脉冲的电波形中的至少一个。在一些实施例中，EP装置包括中心探头、至少一个取道线、斜坡、电连接器、小孔隙连接器、手柄以及至少两个相反地带电的电极。中心探头界定至少中心管腔且具有近端和闭合的远端。远端的顶端具有被配置成刺穿组织的针形状且具有定位于距远端预定位置处的至少一个退出端口。退出端口将中心管腔流体地连接到中心探头的外部。所述至少一个取道线定位于中心管腔中且能够在中心探头内滑动，且具有定位于中心探头中的近端以及被配置成延伸到中心探头的外部及通过退出端口缩回到中心管腔中的远端。取道线的远端的顶端具有被配置成刺穿通过组织且界定开口的形状，取道线的至少一部分通过所述开口进入组织以产生流体通道，治疗部分通过所述流体通道递送到组织。治疗部分通过退出端口从中心管腔递送到通道中。斜坡与中心探头的内表面一体地形成或耦合，所述内表面界定中心管腔，且斜坡被配置成接触且导引取道线以使中心探头退出到中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使用电穿孔(EP)装置在细胞和组织的EP期间提供自适应控制以优化EP脉冲参数的系统，所述系统包括：a)测量装置，其被配置成测量细胞和组织的介电和导电性质，所述测量装置包含：i)电压传感器，其被配置成测量从激励信号和施加于所述组织的EP脉冲中的每一个产生的跨越所述组织的电压；以及ii)电流传感器，其被配置成测量从所述激励信号和所述至少一个所施加EP脉冲中的每一个产生的跨越所述组织的电流；b)初始化模块，其被配置成初始化用于在所述细胞或组织中执行电穿孔的EP脉冲参数，所述经初始化EP脉冲参数至少部分地基于至少一个经训练的模型；c)产生器，其被配置成将所述激励信号和所述EP脉冲中的至少一个施加于所述组织，其中所述测量装置的所述电压传感器和电流传感器响应于所述激励信号的所述施加而测量跨越所述组织的所述细胞的电压和电流；d)控制器，其被配置成从所述测量装置接收与所述测得的传感器数据相关的对应于所述激励信号和所述EP脉冲中的至少一个的信号，以将所述数据拟合于至少一个经训练的模型且将所述数据处理成诊断学和经更新控制参数，其中所述控制器包括：i)预处理模块，其用以从所述电流和电压测量接收与所述数据相关的所述信号，且处理所述数据以分离合意的数据与不合意的数据；ii)特征提取模块，其用以从所述合意的数据提取相关特征；iii)诊断模块，其用以将所述合意的数据的所述相关特征的至少一部分应用于至少一个经训练的诊断模型；以及iv)脉冲参数估计模块，其用以基于所述测得的数据、所述诊断模块和所述特征提取模块中的至少一个的结果而估计经初始化脉冲参数和后续脉冲参数中的至少一个；以及e)存储器模块，其用以存储所述合意的和不合意的数据、传感器数据和所述经训练的模型以用于所述控制器进行特征提取。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.31 US 62/141,142;2015.03.31 US 62/141,164;1.一种用于使用电穿孔(EP)装置在细胞和组织的EP期间提供自适应控制以优化EP脉冲参数的系统，所述系统包括：a)测量装置，其被配置成测量细胞和组织的介电和导电性质，所述测量装置包含：i)电压传感器，其被配置成测量从激励信号和施加于所述组织的EP脉冲中的每一个产生的跨越所述组织的电压；以及ii)电流传感器，其被配置成测量从所述激励信号和所述至少一个所施加EP脉冲中的每一个产生的跨越所述组织的电流；b)初始化模块，其被配置成初始化用于在所述细胞或组织中执行电穿孔的EP脉冲参数，所述经初始化EP脉冲参数至少部分地基于至少一个经训练的模型；c)产生器，其被配置成将所述激励信号和所述EP脉冲中的至少一个施加于所述组织，其中所述测量装置的所述电压传感器和电流传感器响应于所述激励信号的所述施加而测量跨越所述组织的所述细胞的电压和电流；d)控制器，其被配置成从所述测量装置接收与所述测得的传感器数据相关的对应于所述激励信号和所述EP脉冲中的至少一个的信号，以将所述数据拟合于至少一个经训练的模型且将所述数据处理成诊断学和经更新控制参数，其中所述控制器包括：i)预处理模块，其用以从所述电流和电压测量接收与所述数据相关的所述信号，且处理所述数据以分离合意的数据与不合意的数据；ii)特征提取模块，其用以从所述合意的数据提取相关特征；iii)诊断模块，其用以将所述合意的数据的所述相关特征的至少一部分应用于至少一个经训练的诊断模型；以及iv)脉冲参数估计模块，其用以基于所述测得的数据、所述诊断模块和所述特征提取模块中的至少一个的结果而估计经初始化脉冲参数和后续脉冲参数中的至少一个；以及e)存储器模块，其用以存储所述合意的和不合意的数据、传感器数据和所述经训练的模型以用于所述控制器进行特征提取。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述EP装置包括：a)中心探头，其界定至少中心管腔且从近端延伸到远端，所述中心探头的至少一部分具有螺旋几何形状以产生用于治疗部分向所述组织的递送的通道，所述中心探头的所述部分具有沿着所述螺旋几何形状定位的至少一个喷射端口，其中所述中心探头的所述近端被配置成接收递送到所述中心探头的所述治疗部分，且其中所述中心探头的所述远端是开放的以界定用于所述治疗部分向所述组织的递送的开口且具有被配置成刺穿所述组织的形状；b)施加器，其至少部分地容纳所述中心探头，所述施加器具有远端，所述中心探头的所述部分被配置成通过所述远端延伸到所述施加器的外部以接触所述组织以及缩回到所述施加器中；以及c)至少两个相反地带电的电穿孔电极(EPE)，其被配置成包围所述组织而定位，所述EPE适于从近端延伸到远端，所述远端具有被配置成刺穿所述组织的针形状，其中所述测量装置耦合到所述EPE，且所述电极适于耦合到所述产生器以接收所述激励信号和用于所述EP脉冲的所述电波形中的至少一个。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述EP装置包括：a)中心探头，其界定至少中心管腔且具有近端和闭合的远端，所述远端的顶端具有被配置成刺穿组织的针形状且具有定位于距所述远端预定位置处的至少一个退出端口，所述退出端口将所述中心管腔流体地连接到所述中心探头的外部；b)至少一个取道线，其定位于所述中心管腔中且能够在所述中心探头内滑动，所述取道线具有定位于所述中心探头中的近端以及被配置成延伸到所述中心探头的所述外部及通过所述退出端口缩回到所述中心管腔中的远端，所述取道线的所述远端的顶端具有被配置成刺穿通过所述组织且界定开口的形状，所述取道线的至少一部分通过所述开口进入所述组织以产生流体通道，所述治疗部分通过所述流体通道递送到所述组织，其中所述治疗部分通过所述退出端口从所述中心管腔递送到所述通道中；c)斜坡，其与所述中心探头的所述内表面一体地形成或耦合，所述内表面界定所述中心管腔，且所述斜坡被配置成接触且导引所述取道线以使所述中心探头退出到所述中心探头的所述外部；d)电连接器，其将所述中心探头和取道线电连接到所述产生器；e)小孔隙连接器，其连接到所述中心探头以用于所述治疗部分的递送；f)手柄，其至少部分地容纳所述电连接器且耦合到所述中心探头和所述取道线的所述近端以促进所述中心探头和所述取道线的所述远端的穿透深度；以及g)至少两个相反地带电的电极，其被配置成包围所述组织而定位，所述电极从近端延伸到远端，所述远端的顶端具有被配置成刺穿所述组织的针形状，其中所述电极适于耦合到所述产生器，从所述产生器接收至少一个电波形，且将所述至少一个激励信号和至少一个EP脉冲供应到所述组织，其中所述测量装置耦合到所述电极。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述EP装置包括：a)套管针，其包括：i)插管，其从近端延伸到开放远端且界定被配置成接收闭孔器的第一管腔；以及ii)所述闭孔器，其从近端延伸到远端，所述远端具有被配置成刺穿通过皮肤、穿透进入身体腔且形成路径的尖锐形状，所述插管通过所述路径可以至少部分地插入到所述腔中，其中所述闭孔器被配置成能够在所述第一管腔内滑动，所述闭孔器的所述远端被配置成通过所述插管的所述开放远端延伸到所述第一管腔的外部；b)至少两个相反地带电的电极，其以可缩回方式安置于锚定件的远端且被配置成包围所述组织而定位，其中所述测量装置耦合到所述电极，且所述电极适于耦合到产生器，从所述产生器接收至少一个电波形，且将所述至少一个激励信号和EP脉冲供应到所述区；以及c)中心探头，其以可缩回方式安置于所述锚定件的所述远端且具有内表面，所述内表面界定中心管腔且从所述锚定件的所述远端延伸，所述中心探头的至少一部分具有被配置成产生用于所述治疗部分向所述组织的递送的通道的螺旋几何形状，其中所述中心探头的远端具有被配置成刺穿所述组织的形状且是开放的以界定用于所述治疗部分向所述组织的所述递送的开口。5.一种用于使用电穿孔(EP)系统在细胞或组织的EP期间控制EP脉冲参数的自适应控制方法，所述自适应控制方法包括：a)提供根据权利要求1所述的系统；b)通过所述初始化模块初始化用于在所述细胞或组织中执行所述EP的EP脉冲参数，所述经初始化EP脉冲参数至少部分地基于所述至少一个经训练的模型；c)通过所述产生器将所述电压和电流激励信号施加于所述细胞和组织，且通过所述测量装置测量对应于所述所施加激励信号的跨越所述细胞和组织的所述电压和电流；d)通过所述控制器从所述电流和电压测量获得数据，且处理所述数据以分离所述合意的数据与所述不合意的数据；e)通过所述控制器从所述合意的数据提取相关特征；f)通过所述控制器将所述合意的数据的所述相关特征的至少一部分应用于所述至少一个经训练的诊断模型；g)通过所述控制器基于对所述经训练的模型的所述应用的相关特征的结果而估计EP脉冲参数，其中所述经初始化EP脉冲参数是基于所述至少一个经训练的模型和所述相关特征，从而优化所述EP脉冲参数；以及h)通过所述产生器基于所述第一脉冲参数而施加第一EP脉冲。6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括通过所述控制器使用基于先前EP脉冲的所述经训练的模型以及所施加EP脉冲之间的所述相关特征中的至少一个的改变而在所述第一EP脉冲已施加之后预测后续EP脉冲参数。7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：f)通过所述产生器基于所述后续EP脉冲参数而施加后续EP脉冲；以及g)重复所述施加所述电压和电流激励信号，重复所述测量所述细胞或组织，重复所述获得所述数据且分离合意的数据与不合意的数据；重复所述提取相关特征；以及重复所述施加，直到i)达到EP脉冲序列的数目或EP脉冲的循环的预定限制，或ii)所述诊断响应提示终止所述自适应控制方法的诊断决策。8.根据权利要求5所述的方法，其中所述特征是从所述电压和电流信号的量值和相位测量的参数模型拟合导出的，选自包括胞内电阻、胞外电阻、溶液电阻、薄膜电容、导纳、常数相位元件指数和充电时间常数的群组。9.根据权利要求5所述的方法，其中所述特征是从所述激励电压和电流信号的量值比率或相位差导出的，且所述特征包括：a)在固定频率下所述激励电压和电流信号的量值比率和相位差的值；b)以下各项的平均值、中值、最大值和最小值中的至少一个：i)在窄频带上所述激励电压和电流信号量值的量值比率或相位差；ii)在宽频带上所述激励电压和电流信号量值相位的量值比率或相位差；以及c)所述激励电压和电流信号的所述量值比率或相位差相对于频率的曲率、斜率和噪声。10.一种用于将治疗部分递送到组织的治疗区中的细胞的装置，所述装置包括：a)中心探头，其界定至少中心管腔且从近端延伸到远端，所述中心探头的至少一部分具有螺旋几何形状以产生用于所述治疗部分向所述组织的递送的通道，所述中心探头的所述部分具有沿着所述螺旋几何形状定位的至少一个喷射端口，其中所述中心探头的所述近端是开放的且流体地连接所述第一中心管腔与注入器的管腔，所述治疗剂通过所述注入器递送到所述中心探头，且其中所述中心探头的所述远端是开放的以界定用于所述治疗部分向所述组织中的递送的开口...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴哈拉米，A·E·丹尼森，C·S·海登，R·J·康诺利，R·H·皮尔斯，D·W·布朗，E·T·约翰逊，R·R·拉格兰，J·坎贝尔，
申请(专利权)人：昂科赛克医疗公司，
类型：发明
国别省市：美国,US