開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)腸癌組織、癌周正常組織介電常數(shù)和電導(dǎo)率比較

魏珊珊，馮曉創(chuàng)，符芳翔，陳建國(guó)，韓帥，辛學(xué)剛，厲周

(1 南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣州 510515；2 南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院；3 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院)

?

開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)腸癌組織、癌周正常組織介電常數(shù)和電導(dǎo)率比較

魏珊珊1，馮曉創(chuàng)1，符芳翔1，陳建國(guó)1，韓帥2，辛學(xué)剛3，厲周2

(1 南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣州 510515；2 南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院；3 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院)

目的比較開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)腸癌組織、癌周正常組織介電常數(shù)和電導(dǎo)率。 方法39例份新鮮離體結(jié)腸癌組織(A組)及其癌旁組織(B組)，采用開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)42.58、85.16、127.74、170.32、212.90、255.48、298.06、340.64、383.22、425.80、468.38、500.00 MHz下A組癌組織黏膜面、B組手術(shù)切緣黏膜面的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。結(jié)果不同檢測(cè)頻率下A組介電常數(shù)、電導(dǎo)率均高于B組(P均<0.05)。結(jié)論開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)腸癌組織介電常數(shù)和電導(dǎo)率均高于癌周正常組織，開端同軸線射頻鑒別結(jié)腸癌組織與癌周正常組織準(zhǔn)確性較高。

結(jié)腸癌；開端同軸線；射頻；介電常數(shù)；電導(dǎo)率

結(jié)直腸癌是我國(guó)常見消化道腫瘤，發(fā)病率居惡性腫瘤發(fā)病率第3位[1]。結(jié)直腸癌發(fā)病隱匿，早期癥狀不典型，臨床確診時(shí)大部分已發(fā)生轉(zhuǎn)移，患者預(yù)后較差[2，3]。手術(shù)是結(jié)直腸癌的主要治療方法，腹腔鏡結(jié)直腸癌根治術(shù)是目前外科常用術(shù)式。術(shù)前準(zhǔn)確定位病灶位置及范圍可指導(dǎo)醫(yī)生對(duì)手術(shù)方案的選擇。開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)由半剛性的開端同軸線及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)成，通過開端同軸線向組織發(fā)射不同頻率的電磁波，根據(jù)不同組織磁場(chǎng)中吸收和消耗電磁能量的性質(zhì)差異，進(jìn)行介電常數(shù)及電導(dǎo)率的計(jì)算，可實(shí)時(shí)、無創(chuàng)、快速鑒別組織的性質(zhì)[4]。2015年10月～2016年2月，我們采用開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)了結(jié)腸癌組織與癌周正常組織的介電常數(shù)、電導(dǎo)率，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1　資料與方法

1.1臨床資料39例份新鮮離體結(jié)腸癌組織(A組)與癌周正常組織(B組)來自南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院普通外科手術(shù)室，患者中男22例、女17例，年齡45～60歲、平均52歲，均為腺癌。納入標(biāo)準(zhǔn)：術(shù)前確診結(jié)腸癌；年齡<75歲；手術(shù)為腹腔鏡下結(jié)腸癌根治術(shù)；手術(shù)時(shí)間<4 h；術(shù)后病理為腺癌；術(shù)后切緣未找到腫瘤細(xì)胞。排除標(biāo)準(zhǔn)：術(shù)后病理結(jié)果為非腺癌；切緣組織中發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)同意，所有患者知情同意并簽署知情同意書。

1.2結(jié)腸癌組織與癌周正常組織介電常數(shù)、電導(dǎo)率檢測(cè)方法采用開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)檢測(cè)兩組介電常數(shù)、電導(dǎo)率：?jiǎn)?dòng)AV3656A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司，第四十一研究所)后安裝開端同軸探頭(Micro-Coax，直徑0.358 cm)，預(yù)熱5 min。調(diào)整探頭位置直至分析儀屏幕中的史密斯圓形圖案穩(wěn)定，選擇42.58、85.16、127.74、170.32、212.90、255.48、298.06、340.64、383.22、425.80、468.38、500.00 MHz為測(cè)量頻率，每次使用砂紙擦去探頭表面的氧化層，將探頭暴露在空氣中，不接觸任何物體進(jìn)行開路調(diào)試2次；將探頭接觸鋁箔紙形成短路狀態(tài)進(jìn)行短路調(diào)試2次[5]。利用四種校正液(去離子水、甲醇、無水乙醇、丙二醇)方法[5]進(jìn)行參數(shù)校正(校正時(shí)，探頭完全浸入校正液中，應(yīng)用開端同軸線法測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量去離子水、甲醇、無水乙醇、丙二醇的介電常數(shù)和電導(dǎo)率)。隨機(jī)選擇A組癌組織黏膜面黏膜上6個(gè)點(diǎn)，隨機(jī)選擇B組手術(shù)切緣黏膜面上6個(gè)點(diǎn)。每1點(diǎn)進(jìn)行1次介電特性(介電常數(shù)、電導(dǎo)率)探測(cè)，取平均值為最終介電常數(shù)、電導(dǎo)率。

2　結(jié)果

不同測(cè)量頻率下 A、B組介電常數(shù)和電導(dǎo)率比較見表1。本研究探測(cè)時(shí)間為6.5～7.3(6.84±0.28)min。

表1　不同測(cè)量頻率下兩組介電常數(shù)和電導(dǎo)率比較±s)

注：與B組同頻率比較，#P<0.05 。

3　討論

在電磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來的電磁特性是物質(zhì)的固有屬性，人體組織也不例外。人體組織在電磁場(chǎng)作用下會(huì)表現(xiàn)出來一定的電特性[6]。其中介電特性能反映出生物組織在電磁場(chǎng)中吸收和消耗電磁能量的性質(zhì)，通過計(jì)算生物組織暴露于電磁場(chǎng)中時(shí)的能量吸收比(比吸收率SAR)和能量在生物組織中的空間分布，從而推測(cè)出被測(cè)組織的性質(zhì)[7,8]。人體組織介電特性的研究超過了100 多年歷史。Gabriel等[9]系統(tǒng)地總結(jié)并研究了健康組織的介電特性頻率譜，并且已經(jīng)構(gòu)建健康人體組織介電特性數(shù)據(jù)庫(kù)，向全世界公開，成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域內(nèi)里程碑式的成果。同軸線法是測(cè)量生物組織介質(zhì)特性的比較成熟的方法，其原理是將各向同性的均勻介質(zhì)材料填充到傳輸線內(nèi)(波導(dǎo)或者同軸線等)，通過測(cè)量加載介質(zhì)樣品前后傳輸線阻抗或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化來求解介電特性。開端同軸線法因適應(yīng)超寬頻帶測(cè)量，可在體、在線式測(cè)量，使用簡(jiǎn)單、方便等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，成為生物組織電參數(shù)測(cè)量的最佳方法[10～12]。本實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)改進(jìn)了目前的測(cè)量法，考慮到測(cè)量頻率為MRI共振頻率，簡(jiǎn)化了探頭頂端的等效回路，以及通過散射系數(shù)求解電參數(shù)的方程，使得組織介電特性的求解過程更加簡(jiǎn)潔。

人體組織的介電特性與組織內(nèi)非均勻分布的絕緣的細(xì)胞膜和導(dǎo)電的電解液等有關(guān)，細(xì)胞不同的生理病理狀態(tài)、代謝微環(huán)境的改變、含水量變化、分子的轉(zhuǎn)運(yùn)都將導(dǎo)致介電特性的改變，因此組織各處的介電特性分布呈現(xiàn)不均勻性，并具有頻率依賴性[13～16]。癌性組織的含水量比正常組織的高，從而導(dǎo)致癌性組織的介電特性比正常組織高，有的差異甚至達(dá)到了9倍[14]。如果能夠?qū)铙w組織的介電特性進(jìn)行檢測(cè)或成像，這些介電特性將反映組織、器官的生理和病理狀態(tài)，可能為診斷提供有價(jià)值的信息，一方面可能用于癌癥早期診斷，甚至可能用于追蹤監(jiān)測(cè)正常組織演化成癌癥組織的整個(gè)變化過程，對(duì)癌癥的研究可能具有開創(chuàng)性的價(jià)值[15]，另一方面可以快速在術(shù)中探測(cè)組織是否為惡性從而客觀、精準(zhǔn)地指導(dǎo)醫(yī)生選擇手術(shù)切緣?；诖耍狙芯堪l(fā)明一種開端同軸線腫瘤射頻鑒別系統(tǒng)并驗(yàn)證該系統(tǒng)在射頻下探測(cè)癌性組織與正常組織介電特性差異的可行性。

本研究中不同檢測(cè)頻率下A組介電常數(shù)、電導(dǎo)率均高于B組，說明開端同軸線腫瘤射頻鑒別系統(tǒng)能有效區(qū)分癌性組織與正常組織，癌性組織含水量、代謝水平及物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)較正常組織高，細(xì)胞膜及細(xì)胞液的組分與正常細(xì)胞之間的差異是造成腫瘤組織與正常組織介電特性差異較大的主要原因[16]。含水量高的乳腺癌組織的介電特性比含水量低的正常乳腺脂肪組織高出約9倍，而乳腺癌組織的介電特性與含水量稍高的正常乳腺腺葉或纖維組織的介電特性僅有不到10%的差異，可以看出兩種組織含水量的差異影響介電特性的差異大小[16]。組織的含水量的差異為開端同軸線射頻鑒別系統(tǒng)區(qū)分腫瘤組織與正常組織的重要基礎(chǔ)，可反映不同組織介電特性的差異。規(guī)范的術(shù)前腸道準(zhǔn)備、標(biāo)本探測(cè)處理、有效的短路開路以及四種校正液校正尤為重要。本研究中探測(cè)時(shí)間(6.84±0.28)min，最短探測(cè)時(shí)間為6.5 min，最長(zhǎng)探測(cè)時(shí)間為7.3 min。由于病理切片檢測(cè)需要經(jīng)過一系列的冷凍、石蠟包埋等準(zhǔn)備工作，而該系統(tǒng)可快速、實(shí)時(shí)測(cè)量組織介電特性，因此該系統(tǒng)明顯較目前臨床常用的病理切片檢查用時(shí)短。

本實(shí)驗(yàn)僅觀察了結(jié)腸腫瘤組織與正常組織介電特性的差異，后續(xù)本課題組將擴(kuò)大樣本量測(cè)量結(jié)腸癌標(biāo)本介電特性，旨在建立腫瘤組織及周圍浸潤(rùn)組織的介電特性數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)與腸鏡進(jìn)行結(jié)合，在內(nèi)鏡下進(jìn)行在體探測(cè)結(jié)腸癌組織的介電特性，建立結(jié)腸腫瘤射頻診斷系統(tǒng)，為結(jié)腸腫瘤的早期診斷提供理論依據(jù)。

[1] Torre LA,Bray F,Siegel RL,et al.Global cancer statistics,2012 [J].CA Cancer J Clin，2015，65(2):87-108.

[2] 代珍,鄭榮壽,鄒小農(nóng),等.中國(guó)結(jié)直腸癌發(fā)病趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè) [J].中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志,2012,46(7):598-603.

[3] 張玥,石菊芳,黃慧瑤，等.中國(guó)人群結(jié)直腸癌疾病負(fù)擔(dān)分析 [J].中華流行病學(xué)雜志,2015,36(7):709-714.

[4] 魏珊珊,陳建國(guó),王衛(wèi)衛(wèi),等.開端同軸線儀器在探測(cè)胃癌組織中的應(yīng)用[J].廣東醫(yī)學(xué),2016,37(5):652-654.

[5] Bobowski JS,Johnson T.Permittivity measurements of biological samples by an open-ended coaxial line[J].Physiol Meas,2012,40(9):159-183.

[6] Zhang L,Liu P,Dong X,et al.Dielectric analysis of heterogeneous biological tissues based on mixing rule[J].Biomed Mater Eng，2015，26(Suppl 1):S439-445.

[7] Abdilla L,Sammut C,Mangion LZ.Dielectric properties of muscle and liver from 500 MHz-40 GHz[J].Electromagn Biol Med，2013，32(2):244-252

[8] Wang H,He Y,Yan Q,et al.Correlation between the dielectric properties and biological activities of human ex vivo hepatic tissue[J].Phys Med Biol，2015，60(6):2603-2617.

[9] Gabriel C,Gabriel S,Corthout E.The dielectric properties of biological tissues: I.Literature survey [J].Phys Med Biol,1996,41(11):2231-2249.

[10] Sturdily MA,Sturchly SS.Coaxial line reflection method for measuring dielectric properties of biological substances at radio and microwave frequencies[J].IEEE Trans Instr Meas,1980,29(7):176.

[11] Staebell KF,Misra D.An experimental technique for in vivo permittivity measurements of materials at microwave frequencies[J].IEEE Trans Microwave Theory Tech,1990，38(3):337-339.

[12] Sasaki K,Isimura Y,Fujii K,et al.Dielectric property measurement of ocular tissues up to 110 GHz using 1 mm coaxial sensor[J].Phys Med Biol，2015，60(16):6273-6288.

[13] Joines WT,Zhang Y,Li CX,et al.The measured electrical properties of normal and malignanthuman tissues from 50 to 900 MHz [J].Med Phys,1994,21(4):547-550.

[14] Lu YJ,Li BM,Xu JP,et al.Dielectric properties of human glioma and surrounding tissue[J].Int J Hyperthermia,1992,8(6):755-760.

[15] 辛學(xué)剛.人體組織電特性磁共振斷層成像(MR EPT)技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2015,34(1):83-90.

[16] Bharati S,Rishi P,Tripathi SK,et al.Changes in the electrical properties at an early stage of mouse liver carcinogenesis[J].Bioelectromagnetics,2013,34(6):429-436.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61172034)；廣東自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A030313234)；廣東省科技計(jì)劃(2014J4100160)；廣東省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201512121127)。

厲周(E-mail：leezhou888@yeah.net)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.27.028

R735.35

B

1002-266X(2016)27-0080-03

2015-11-23)