基于開端同軸探頭技術(shù)的人體正常食管和食管癌介電特性比較

黃 強(qiáng)，盧 笛，韓繼鈞，于洪峰，董 文，蔡開燦，余學(xué)飛

1南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院胸外科，廣東 廣州 510515；3安徽醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230032；4杭州市富陽中醫(yī)骨傷醫(yī)院設(shè)備科，浙江 杭州 311400

介電特性作為生物的固有屬性表征了電磁場與人體的相互作用，通常由相對(duì)介電常數(shù)εr和電導(dǎo)率σ表示［1］。介電特性具有頻率依賴性和溫度依賴性，隨著組織的離子濃度、自由水與結(jié)合水的比例［2］、蛋白質(zhì)表面電荷的改變［3］而發(fā)生改變，當(dāng)組織生理、病理狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，組織的介電特性也會(huì)隨之變化［4］。

過去的幾十年來，有大量的文獻(xiàn)對(duì)生物組織的介電特性進(jìn)行報(bào)道，研究表明人體正常組織和癌癥組織介電特性存在顯著性差異［4-9］?；谡＝M織和癌癥組織的差異已經(jīng)發(fā)展出許多新型的診斷治療技術(shù)，其中包括微波消融技術(shù)［10-12］，磁共振電特性成像技術(shù)（MREPT）［13-15］，術(shù)中腫瘤邊緣檢測［16,17］以及微波成像［18,19］。介電特性決定了組織對(duì)電磁能的吸收率，研究正常組織與腫瘤組織的介電特性差異有助于微波消融技術(shù)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，微波成像的原理也是基于正常組織和腫瘤組織的介電特性差異。研究組織介電特性可為MREPT提供拉莫頻率1.5T（64 MHz）、3T（128 MHz）、7T（298 MHz）下的介電特性實(shí)測數(shù)據(jù)［7］。已有文獻(xiàn)報(bào)道在乳房腫塊切除手術(shù)中應(yīng)用了腫瘤組織和正常組織的介電特性差異［17］，利用建立好的乳房正常與腫瘤的介電特性數(shù)據(jù)庫與實(shí)時(shí)測量的乳房介電特性數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)現(xiàn)快速的術(shù)中腫瘤邊緣檢測。若后續(xù)要對(duì)其他組織實(shí)現(xiàn)基于介電特性的術(shù)中腫瘤邊緣檢測，則需要測量其正常與腫瘤的介電特性并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，因此，對(duì)食管正常組織與腫瘤組織的介電特性研究有助于實(shí)現(xiàn)食管癌術(shù)中腫瘤邊緣檢測提供理論基礎(chǔ)。本研究使用開端同軸探頭法測量組織的介電特性，開端同軸探頭法具有操作簡便，微創(chuàng)，易搭建，耗時(shí)短及測量介電特性精度較高的優(yōu)點(diǎn)［20］，這有利于術(shù)中對(duì)食管癌組織邊緣的實(shí)時(shí)檢測，有望降低陽性切緣的概率，具有重要的臨床意義。在過去的研究中，針對(duì)發(fā)病率較高的乳腺癌，肺癌，結(jié)直腸癌有大量報(bào)道，對(duì)于食管介電特性，Gabriel等［21］雖然報(bào)道了食管的有關(guān)數(shù)據(jù)，但卻是使用胃的介電特性數(shù)據(jù)代替食管的介電特性數(shù)據(jù)，F(xiàn)ornes等［22］雖然報(bào)道了豬的食管介電特性但沒有報(bào)道食管腫瘤的介電特性數(shù)據(jù)，目前沒有文獻(xiàn)對(duì)人體正常食管以及食管癌組織的介電特性進(jìn)行大規(guī)模的寬頻帶的研究報(bào)告?；谝陨蠋c(diǎn)，本文在50 MHz～4 GHz頻率范圍研究人體正常食管和腫瘤的介電特性。

本文將報(bào)道測量所得的人體食管正常組織及食管癌組織介電特性并研究其差異。在全頻段及6個(gè)特定頻率點(diǎn)（64、128、298、433、915、2450 MHz）進(jìn)行分析，并給出擬合參數(shù)建立人體食管介電特性數(shù)據(jù)庫。

1 材料和方法

1.1 測量系統(tǒng)

開端同軸探頭法是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射電磁波，由于同軸探頭和待測組織阻抗不匹配導(dǎo)致電磁波部分反射，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀接受到反射電磁波并計(jì)算出反射系數(shù)，從而計(jì)算待測組織介電特性參數(shù)。用特征阻抗為50歐姆，直徑3.58 mm的半剛性同軸探頭經(jīng)50歐姆的同軸線連接便攜式網(wǎng)絡(luò)分析儀（AⅤ3680A），便攜式網(wǎng)絡(luò)分析儀由網(wǎng)線與筆記本電腦連接，測量頻率范圍為50 MHz～4 GHz，整個(gè)系統(tǒng)通過筆記本控制，測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)Fig.1 Illustration of the measurement system.

1.2 食管介電特性數(shù)據(jù)測量

開始測量之前，先將探頭終端打磨平整，磨去表面氧化層。使用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方式測量開路、短路、負(fù)載終端（去離子水）的反射系數(shù)（S11），利用校準(zhǔn)得到的反射系數(shù)進(jìn)行三參數(shù)法［22,23］計(jì)算后續(xù)被測物的介電特性。開始測量組織前將濃度為99.8%的甲醇、99.8%的乙醇和生理鹽水作為標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行測量，將測量值與文獻(xiàn)參考值［24,25］進(jìn)行對(duì)比，待誤差在可接受范圍內(nèi)進(jìn)行后續(xù)組織測量，否則重新校準(zhǔn)。待臨床醫(yī)生將病變食管切除下來，用紗布將組織表面的血擦干避免影響測量結(jié)果。測量時(shí)探頭終端與組織緊密接觸排除空氣間隙。對(duì)標(biāo)本進(jìn)行測量并使用溫度計(jì)TM-902C測量其溫度，整個(gè)測量過程在標(biāo)本離體后0.5 h內(nèi)完成。測量頻率范圍為50 MHz～4 GHz，共計(jì)3951個(gè)頻率點(diǎn)。所有測量樣本均來源于南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院胸外科，整個(gè)測量過程在手術(shù)室進(jìn)行，所有組織正常與腫瘤部分均由外科醫(yī)生鑒定，測量后與病理結(jié)果進(jìn)行對(duì)照?？偣矞y量了51例病人的88個(gè)樣本，其中包括了53個(gè)腫瘤樣本和35個(gè)正常樣本，病人年齡范圍為41～87歲，離體標(biāo)本溫度范圍為22.2±1.6 ℃。

1.3 介電特性數(shù)據(jù)分析

測量完成后，計(jì)算正常食管組織和食管癌組織的介電特性均值及標(biāo)準(zhǔn)差，給出了6個(gè)特定頻率點(diǎn)64、128、298、433、915、2450 MHz的介電特性數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，64、128和298對(duì)應(yīng)1.5、3、7T磁共振的拉莫爾頻率，433、915、2450 MHz的介電特性數(shù)據(jù)可用于設(shè)計(jì)工作在ISM（Industrial Scientific Medical）頻帶的設(shè)備。因?yàn)椴糠謹(jǐn)?shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，所以本文采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)對(duì)食管正常組織和食管腫瘤組織在這6個(gè)特定頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P＜0.01具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

1.4 數(shù)據(jù)擬合

在文獻(xiàn)中，生物組織的介電特性被廣泛的用Cole-Cole［26］模型來表示，通過模型的擬合，可以更好的提供組織在寬頻范圍內(nèi)的介電特性參考數(shù)據(jù)。將測量得到數(shù)據(jù)值取平均然后等間隔選取100個(gè)點(diǎn)進(jìn)行雙極Cole-Cole模型擬合，以下為雙極Cole-Cole擬合公式：

其中ω為角頻率，ε0=8.854×10-12Fm-1為真空介電常數(shù)，ε∞為高頻介電常數(shù)，△ε1和△ε2是第一個(gè)和第二個(gè)馳豫過程的馳豫強(qiáng)度，α1和α2是第1個(gè)和第2個(gè)馳豫過程的分布參數(shù)，τ1和τ2是第一個(gè)和第二個(gè)馳豫過程的馳豫時(shí)間，σs為直流電導(dǎo)率［4］。文章對(duì)50 MHz～4 GHz等間隔取100個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合操作過程由文獻(xiàn)［27］提出的軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果

2.1 正常食管組織與腫瘤食管組織介電特性比較

食管腫瘤的相對(duì)介電常數(shù)與電導(dǎo)率在整個(gè)頻段都大于正常食管，并且正常組織的誤差棒要大于腫瘤組織，電導(dǎo)率的差異隨著頻率增大而增大（圖2）。在6個(gè)特定頻率點(diǎn)下，相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率都具有顯著性差異（P＜0.01，表1）。

圖2 正常食管組織和腫瘤食管組織介電特性對(duì)比Fig.2 Comparison of dielectric properties between normal and malignant esophageal tissues.A:Relative permittivity;B:Conductivity

表1 6個(gè)特定頻率點(diǎn)下的介電特性值Tab.1 Dielectric property values at 6 specific frequencies

2.2 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

正常食管的相對(duì)介電常數(shù)（圖3A）和電導(dǎo)率的擬合結(jié)果（圖3B），腫瘤組織的擬合結(jié)果（圖3C，D），在50 MHz～4000 MHz范圍內(nèi)，使用雙極Cole-Cole經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢垣@得很好的擬合結(jié)果（表2）。

表2 腫瘤組織和正常組織的的Cole-Cole擬合參數(shù)Tab.2 Cole-Cole fitting parameters for malignant and normal tissues

圖3 正常食管和腫瘤介電特性Cole-Cole擬合結(jié)果Fig.3 Cole-Cole fitting results of the dielectric property values of normal and malignant esophageal tissues.A:Relative permittivity of normal esophageal tissue.B:Conductivity of normal esophageal tissue.C:Relative permittivity of malignant esophageal tissue.D:Conductivity of malignant esophageal tissue.

2.3 文獻(xiàn)值對(duì)比結(jié)果

從變化趨勢來看，本研究的相對(duì)介電常數(shù)與電導(dǎo)率的變化趨勢與過往研究一致［21,22］。本研究報(bào)告的正常食管的介電特性值與過往研究略有不同，在整個(gè)研究頻段，本研究的正常組織相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率都低于過往研究（圖4）。

圖4 正常食管介電特性與文獻(xiàn)對(duì)比Fig.4 Relative permittivity(A)and conductivity(B)of normal esophageal tissue measured in this study and the reported values.

3 討論

本研究報(bào)道了人體正常食管與食管癌的介電特性，圖2 觀察到食管腫瘤組織的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率在50 MHz～4 GHz都大于正常食管組織，這與近年來文獻(xiàn)［4-9］報(bào)道的腫瘤組織的介電特性值大于正常組織的介電特性值趨勢一致。對(duì)于六個(gè)特定頻率點(diǎn)而言，本研究采用非參數(shù)檢驗(yàn)（Mann-WhitneyU檢驗(yàn)）進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果（表1）顯示，六個(gè)特定頻率點(diǎn)都存在顯著性差異（P＜0.01），這與以往的研究［6,7］一致。正常組織和腫瘤組織的介電特性值差異由諸多因素引起，腫瘤組織含水量比正常組織高，由于蛋白質(zhì)在癌癥組織中獲得更多的表面電荷，水分子被吸引從而增加了結(jié)合水［3,28］都是造成上述測量中正常組織與腫瘤組織的介電特性差異的原因，此外本研究溫度跨度不大故而對(duì)介電特性的影響也較小［29］。圖3可觀察到本研究的介電特性值測量數(shù)據(jù)符合雙極Cole-Cole模型，有很好的擬合效果，同時(shí)表2給出了正常食管和腫瘤的介電特性擬合參數(shù)，其中擬合參數(shù)中△ε1與水含量相關(guān)，該系數(shù)越大，低頻介電常數(shù)越高，組織含水量也越高［22］，這些參數(shù)在癌癥的早期檢測和術(shù)中腫瘤快速檢測中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值并可用于創(chuàng)建正常和癌癥食管組織的電磁模型［7］。

本研究報(bào)告的正常食管的介電特性值與過往研究略有不同。圖4中Gabriel［21］與Fornes［22］報(bào)道的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率在整個(gè)頻段差異較小且均大于本研究。本研究與Gabriel［21］報(bào)道的差異可能是因?yàn)镚abriel［21］是用胃的介電特性來代替食管的介電特性。Fornes［22］研究的豬的在體正常食管，而本研究測量的是離體組織，在體和離體組織存在顯著性差異且在體測量值要高于離體測量值［30］，作者也明確報(bào)道其測量值比大多數(shù)體外研究都要高。此外，由于僅僅報(bào)道了3只豬的食管介電特性，樣本量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于本研究，這也是數(shù)據(jù)有所差異的原因之一。總體而言本研究樣本數(shù)量要比Fornes［22］多，并且首次報(bào)道了人的正常食管組織和腫瘤的介電特性。

目前研究中都是測量離體的數(shù)據(jù)，后續(xù)研究需要測量更多的在體食管組織介電特性值。正常食管介電特性與腫瘤食管的介電特性值誤差棒有一定的重疊，因此后續(xù)需要類似于文獻(xiàn)［31-33］的機(jī)器學(xué)習(xí)方法輔助分類。這些結(jié)果在癌癥檢測、診斷、術(shù)中腫瘤邊緣快速檢測中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，有望為臨床術(shù)中快速鑒別提供一種新的檢測依據(jù)。