一种实现术中实时在体组织良恶性鉴别检测的创新医疗设备系统

辛学刚，厉周，蓝茂英，严晨，万旺，刘晓兰，邓官华，段松

1.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.南方医科大学珠江医院，广东 广州 510282

一种实现术中实时在体组织良恶性鉴别检测的创新医疗设备系统

辛学刚1，厉周2，蓝茂英1，严晨1，万旺1，刘晓兰1，邓官华1，段松1

1.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.南方医科大学珠江医院，广东 广州 510282

该文介绍了一种基于开端同轴探头法测量组织介电特性的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备系统，分别从测量原理、硬件系统结构和系统软件设计三个方面进行介绍。该设备系统整体上属于原创，运用该设备系统可以在胃肠肿瘤、乳腺肿瘤等术中实时在体检测可疑部位组织的介电特性。由于组织癌变后其介电特性往往变化较大，故通过检测待测部位组织的介电特性即可实现术中实时在体组织良恶性的鉴别诊断。通过介电特性已知的标准液的测量验证，该设备具有较高的测量精度。本课题组已运用该设备在临床开展了近200例包括乳腺癌、胃癌、结直肠癌肿瘤患者的病灶组织检测，通过与病理检测结果对照，表明运用该设备系统完全可以实现术中实时在体组织良恶性鉴别检测。

介电特性；开端同轴探头法；组织良恶性鉴别检测

当人体组织基本构造单位细胞的生理或病理状态发生改变，组织介电特性也将发生变化[1-5]，特别地，组织癌变后介电特性变化较大，有的差异甚至达到了10倍[3]。在肿瘤外科手术切除中，希望病变组织切除得越彻底越好，同时希望尽可能多地保留健康功能组织。然而遗憾的是，外科医生在术前并不能把所有的癌变组织都预先确定下来，这是因为目前术前肿瘤组织所在部位的确定，主要依赖各种影像学检查手段，而临床所依赖的MRI、X光СT、超声、核医学四大类影像技术都有着各自的局限性，无法在肿瘤外科手术前准确地确定所有癌变病灶部位。

故此，当外科医生在手术中需要对于可疑部位组织进行良恶性鉴别诊断时，只能采用病理切片检查的方法。病理切片虽然相对准确，但并不能将病人所有可能产生癌变的部位的组织都切除下来做病理切片检测，且病理切片检测需要经过一系列的冷冻、切片、石蜡包埋、染色等准备工作，每个切片检查一般至少需要半个小时，时效性非常差，等待病理切片检查结果将大大延长手术时间，增加病人的手术风险。由此可见，肿瘤外科术中实时在体鉴别检测组织的良恶性是临床上迫切需要解决的问题，但目前无好的解决方案。

鉴于此，本文提出一种基于射频电磁场发射和测量技术的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备系统，能够实现术中在体实时鉴别检测组织的良恶性，对指导肿瘤手术具有重要意义。特别地，该设备系统的探头可以微型化，适合微创术中使用，凸显其临床价值。

1 测量原理

开端同轴探头法是目前生物组织介电特性测量中运用较为广泛的方法，具有微创、无辐射，可实时在体测量，不受测量样本含水量高低影响等多项优点[5-7]。本文设计的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备系统就是建立在开端同轴探头法基础之上，能够实时在体测量人体组织介电特性的自主原创性医疗设备系统。

开端同轴探头法的基本原理是均匀传输线上传播的横电磁波（Transverse Electromagnetic Wave，TEMW），由于开端同轴探头终端与待测组织的阻抗不匹配，在探头终端面上将会发生反射，通过测量反射系数计算出组织的介电特性参数。组织的复介电常数为ε*：

其中ε′，ε′′分别为组织的相对介电常数、损耗因子，ε0为真空介电常数，ρm为测量平面的反射系数。通过测量开端同轴线在短路(ρ1)，开路(ρ2)，介电常数已知的标准液(ρ3)三种情况下的反射系数可获得(1)式中的系数

其中εs和σs分别为标准液的相对介电常数和电导率。

通过上述分析，则待测组织的相对介电常数、电导率分别为

2 硬件系统结构

本文所设计的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备系统硬件结构，见图1，主要包括三个部分：分别为信号发生及处理单元、测量探头、数据计算及输出单元，其中信号发生及处理单元由电磁波信号发生、功率分配、定向耦合、幅度相位处理等功能模块组成。设备在对组织测量鉴别过程中，首先由电磁波信号发生模块产生电磁信号，并通过功率分配模块将该信号分为测量信号和参考信号；测量信号经定向耦合模块、同轴传输探头作用于待测组织并产生电磁反射信号；该反射信号通过定向耦合模块输送至幅度相位处理模块，并在该模块中分别对发射信号与参考信号的幅度及相位进行计算处理得到反射系数；最后，计算机系统利用反射系数求解待测组织的介电参数，并将其与正常组织介电参数进行比较，从而实现术中实时在体组织良恶性的鉴别。

图1 设备硬件系统结构框架图

2.1 信号发生及处理单元

为了对人体组织进行介电特性测量，需要产生所需频率的测量激励信号，为了实现宽带测量，信号发生模块由直接数字频率合成（Digital Direct Synthesis，DDS）构成，具有频率和功率扫描功能。DDS主要优点是分辨率高，频率转换速度快，合成频率准确，输出频率相对带宽较宽，并且可以实现全数字化控制。信号发生模块所产生的信号频率范围决定了设备系统的频率测量范围，经实验发现，当信号频率范围为50 MHz～2 GHz时，人体良性组织和恶性组织的介电参数相差较大，所以本设备选取的频率范围为50 MHz～2 GHz，利于依据人体组织的介电特性进行组织的良恶性鉴别诊断。

本设备系统利用定向耦合模块和功率分配模块进行测量反射射频信号。功率分配模块选用双电阻型功分器，电阻式功率分配器把信号分为两路，一路为参考射频信号，另一路信号则通过定向耦合模块施加于校准液或人体，人体反射回来的信号经耦合端口作为测试射频信号[8]。定向耦合模块通过分流射频信号功率检测反射射频信号。

幅度相位处理模块包含两个通道：参考射频信号通道和测试射频信号通道。幅度相位处理模块功能就是实现这两路信号的幅度和相位之差。其中幅度处理通过频率较高的参考射频信号和测试射频信号分别和本地振荡信号LO进行混频，下变频到频率较低的中频（IF），经过IF滤波、检波、放大和求比值电路，求出两个幅度比值。相位处理则是在经过IF滤波后直接送到相位检波器，求出两路信号的相位差[8]。为了提高系统测量的稳定性和测量结果的准确性，幅度相位处理模块采用“取比值”系统，此类系统可以更好地克服信号源输出电平变化的影响，而且可以减少等效源反射系数，改善信号源匹配[8]。

2.2 测量探头

在组织良恶性鉴别检测设备系统中，测量探头位于整个设备的最前端，直接与待测组织相接触。在测量时，通过测量探头将电磁信号作用于待测组织，并在组织与探头界面处产生反射信号，该反射信号幅度及相位值与待测组织的介电参数相关，测量探头的结构直接关系到介电参数的测量结果，进而影响组织良恶性的鉴别，由此可见，测量探头是整个硬件系统最为关键的部件之一。

在本文中，测量探头采用同轴传输线结构，该结构不仅在宽频域下具有较低传输损耗，完全满足本文的频率带宽要求，而且具有结构简单的优点，从而降低工程设计的复杂度。考虑到测量深度和灵敏度受到探头截面尺寸及组织介电参数的影响[9-10]，本文设计了截面直径1.18 mm～2 cm多种规格的测量探头，在测量时，基于组织的类型和厚度，选用相应规格探头，提高设备系统对组织良恶性鉴别的准确性；此外，所设计的探头规格尺寸均不超过2 cm，完全满足在微创手术中的测量要求。在术中测量时，探头直接与组织接触，我们在探头最外层使用钛合金管套，保证探头的生物兼容性。测量探头与信号发生、处理单元之间采用BNС连接器相连，测量完成后，探头从设备上分离非常方便，从而便于对探头的消毒。图2所示为截面直径3.58 mm半刚性测量探头。

图2 测量探头

2.3 数据计算及输出单元

幅度相位处理模处理后的反射系数和校准参数需要经过计算处理才能得出所需的介电参数，数据计算及输出单元由计算机系统实现。本设备通过通用接口总线（GPIB）与计算机连接，采用一个24针D型阴头GPIB连接器，符合IEEE-488标准，用于发送和接收GP-IB/SСPI命令。数据计算处理结束后，可通过计算机显示结果也可以选择打印结果。

3 系统软件设计

3.1 系统软件

本设备系统软件主要分为四个功能模块：校准模块、测量模块、数据分析处理模块和结果显示打印模块。软件设计流程见图3：启动程序，计算机系统开始初始化，进入测量程序，判断仪器是否已经校正，若已校正则直接调用测量程序，若未校正则先调用校正程序，再调用介电特性测量程序。完成测量后进行介电特性数据处理，数据处理采用MATLAB软件进行处理，完成处理后，计算机存储相应的数据，通过显示界面显示结果也可以通过打印机打印出结果数据，若测量完成则程序结束，若测量尚未完成则再次进入测量程序，直到完成全部测量。

图3 软件流程图

3.2 算法流程

系统软件核心为数据测量和数据处理部分，其算法流程见图4。测量前先利用标准液进行校准，校准算法通过标准液的反射系数进行校准，校准后的结果将用于后续的组织介电特性测量。完成测量后进行数据分析，所得结果与正常组织介电特性数据库进行比较，可以鉴别出所测组织的良恶性，输送至设备系统原型机的用户界面，显示鉴别检测结果。

图4 算法流程图

4 设备的测量精度

室温下，在选定频率范围内对甲醇（浓度为99.8%）、乙二醇（浓度为99.5%）、异丙醇（浓度为99.7%），进行介电特性测量，并将测量结果与已知标准值[11]比较，典型结果见图5（此处选取50～500 MHz频率范围内的结果）。对比图5中两者测得的校准液的介电特性，当频率f等于85 MHz时，在甲醇中，相对介电常数出现最大差异，为2.26；当频率f等于500 MHz时，在异丙醇中，电导率出现最大差异，为0.009 s/m。如图5所示，在相同频率下，实验数据与文献数据良好符合，证明本文设计的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备其测量结果比较准确，介电常数和电导率准确度分别为93.6%和96.8%（f=500 MHz），可以运用于临床人体组织介电特性检测。

图5 在50～500 MHz范围内，甲醇、乙二醇、异丙醇的介电特性

5 设备系统原型机的临床测试实验

室温下，利用本设备系统原型机进行临床测试实验，分别测量结直肠癌、胃癌和乳腺癌肿瘤患者的肿瘤组织以及对应的正常组织的介电特性，同时标记测量部位，并对应制作病理切片做病理对照分析。图6～8是典型结直肠癌、胃癌、乳腺癌患者组织介电特性测量结果图。图6为一例81岁男性直肠癌患者介电特性测量结果。图中左侧为介电特性频率谱，其中蓝色为正常值，红色为肿瘤值；图中右侧柱状图显示频率为 128 MHz 时，癌变组织与正常组织的介电特性测量值及其差异值。图7为一例65 岁男性胃癌患者介电特性测量结果。图8为一例74 岁右侧乳腺癌女性患者介电特性测量结果。通过与病理检测结果对照，表明运用该设备系统完全可以实现术中实时在体组织良恶性鉴别检测。

6 结论

本文主要介绍了一种基于开端同轴探头法的术中实时在体组织良恶性鉴别检测设备的设计方法，分别从测量原理，硬件结构，软件系统三方面进行了详细的介绍，并对设计的检测设备进行了系统测试，结果显示本设备系统具有较高的精度，能够很好的完成人体组织介电特性的检测。本设备系统填补了基于射频电磁场的微创术中在体实时组织良恶性鉴别诊断方面设备的空白，一定程度上解决大体肿瘤外科手术中存在的术中实时在体无损鉴别组织良恶性难的问题。

图6 一例81岁男性直肠癌患者介电特性测量结果

图7 一例65岁男性胃癌患者介电特性测量结果

图8 一例74岁右侧乳腺癌女性患者介电特性测量结果

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A Novel Medical Equipment System for Intraoperative Real-time in Vivo Discrimination of Tumor Tissues

XIN Xue-gang1, LI Zhou2, LAN Mao-ying1, YAN Chen1, WAN Wang1, LIU Xiao-lan1, DENG Guan-hua1, DUAN Song1
1. School of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510515, Сhina; 2. Zhujiang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou Guangdong 510282, Сhina

A novel medical equipment system aiming at real-time discrimination of tumor tissuesinvivoduring the process of tumor surgery is introduced in the paper. The physical principle of this system is based on the open-ended coaxial probe method for the measurement of the dielectric properties of tissues. The physical principle, structure of hardware, and design of software of the whole system are presented. Using the proposed system, the dielectric properties of targeted tissues can be obtained and the discrimination diagnosis can be fulflled based on the fact that the dielectric properties of malignant tissues usually dramatically change compared with those of benign tissues. The precision of the system is proved to be highviablind measurement of liquids with the known dielectric properties. The prototype of the novel medical equipment has been built and applied at clinic measuring near 200 cases of stomach cancer, colorectal cancer, and breast cancer. The discrimination results are highly in accordance with the pathological reports, indicating that the novel medical system is promising for the application of realtime discrimination diagnosis of malignant tissuesin vivo.

dielectric properties; open-ended coaxial probe; discrimination diagnosis of malignant human tissues

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.005

1674-1633(2016)05-0019-04

2016-02-01

国家自然科学基金（61172034，61528102）；广东省自然科学基金（2015A030313234）；广东省省级科技计划项目（2015B020214006）；广州市科技计划项目（2014J4100160）部分资助；上海科技计划项目（15441907500）。

辛学刚，教授，博士生导师。研究方向为磁共振成像技术及应用、肿瘤微环境检测、肿瘤早期发现、非电离电磁场和生物组织作用机制。

通讯作者邮箱：xxg@smu.edu.cn