黃 強(qiáng)，盧 笛，韓繼鈞，于洪峰，董 文，蔡開(kāi)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(yáng)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(chǎng)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(guò)去的幾十年來(lái)，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(cè)［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(cè)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(kù)與實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)。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(cè)，則需要測(cè)量其正常與腫瘤的介電特性并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(cè)提供理論基礎(chǔ)。本研究使用開(kāi)端同軸探頭法測(cè)量組織的介電特性，開(kāi)端同軸探頭法具有操作簡(jiǎn)便，微創(chuàng)，易搭建，耗時(shí)短及測(cè)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(cè)，有望降低陽(yáng)性切緣的概率，具有重要的臨床意義。在過(guò)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(méi)有報(bào)道食管腫瘤的介電特性數(shù)據(jù)，目前沒(méi)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(cè)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(kù)。

1 材料和方法

1.1 測(cè)量系統(tǒng)

開(kāi)端同軸探頭法是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射電磁波，由于同軸探頭和待測(cè)組織阻抗不匹配導(dǎo)致電磁波部分反射，通過(guò)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(cè)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(cè)量頻率范圍為50 MHz～4 GHz，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)筆記本控制，測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

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

1.2 食管介電特性數(shù)據(jù)測(cè)量

開(kāi)始測(cè)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(cè)量開(kāi)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(cè)物的介電特性。開(kāi)始測(cè)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(cè)量，將測(cè)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(cè)量，否則重新校準(zhǔn)。待臨床醫(yī)生將病變食管切除下來(lái)，用紗布將組織表面的血擦干避免影響測(cè)量結(jié)果。測(cè)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(cè)量并使用溫度計(jì)TM-902C測(cè)量其溫度，整個(gè)測(cè)量過(guò)程在標(biāo)本離體后0.5 h內(nèi)完成。測(cè)量頻率范圍為50 MHz～4 GHz，共計(jì)3951個(gè)頻率點(diǎn)。所有測(cè)量樣本均來(lái)源于南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院胸外科，整個(gè)測(cè)量過(guò)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(cè)量后與病理結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。總共測(cè)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(cè)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(lái)表示，通過(guò)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(cè)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(guò)程的馳豫強(qiáng)度，α1和α2是第1個(gè)和第2個(gè)馳豫過(guò)程的分布參數(shù)，τ1和τ2是第一個(gè)和第二個(gè)馳豫過(guò)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(guò)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(shì)來(lái)看，本研究的相對(duì)介電常數(shù)與電導(dǎo)率的變化趨勢(shì)與過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(shì)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(cè)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(cè)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(cè)和術(shù)中腫瘤快速檢測(cè)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(guò)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(lái)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(cè)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(cè)量值要高于離體測(cè)量值［30］，作者也明確報(bào)道其測(cè)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?？傮w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(cè)量離體的數(shù)據(jù)，后續(xù)研究需要測(cè)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(cè)、診斷、術(shù)中腫瘤邊緣快速檢測(cè)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(cè)依據(jù)。