基于开端同轴探头技术的人体正常食管和食管癌介电特性比较

黄 强，卢 笛，韩继钧，于洪峰，董 文，蔡开灿，余学飞

1南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；2南方医科大学南方医院胸外科，广东 广州 510515；3安徽医科大学生物医学工程学院，安徽 合肥 230032；4杭州市富阳中医骨伤医院设备科，浙江 杭州 311400

介电特性作为生物的固有属性表征了电磁场与人体的相互作用，通常由相对介电常数εr和电导率σ表示［1］。介电特性具有频率依赖性和温度依赖性，随着组织的离子浓度、自由水与结合水的比例［2］、蛋白质表面电荷的改变［3］而发生改变，当组织生理、病理状态发生变化时，组织的介电特性也会随之变化［4］。

过去的几十年来，有大量的文献对生物组织的介电特性进行报道，研究表明人体正常组织和癌症组织介电特性存在显著性差异［4-9］。基于正常组织和癌症组织的差异已经发展出许多新型的诊断治疗技术，其中包括微波消融技术［10-12］，磁共振电特性成像技术（MREPT）［13-15］，术中肿瘤边缘检测［16,17］以及微波成像［18,19］。介电特性决定了组织对电磁能的吸收率，研究正常组织与肿瘤组织的介电特性差异有助于微波消融技术相关设备的研发，微波成像的原理也是基于正常组织和肿瘤组织的介电特性差异。研究组织介电特性可为MREPT提供拉莫频率1.5T（64 MHz）、3T（128 MHz）、7T（298 MHz）下的介电特性实测数据［7］。已有文献报道在乳房肿块切除手术中应用了肿瘤组织和正常组织的介电特性差异［17］，利用建立好的乳房正常与肿瘤的介电特性数据库与实时测量的乳房介电特性数据对比实现快速的术中肿瘤边缘检测。若后续要对其他组织实现基于介电特性的术中肿瘤边缘检测，则需要测量其正常与肿瘤的介电特性并建立相应的数据库，因此，对食管正常组织与肿瘤组织的介电特性研究有助于实现食管癌术中肿瘤边缘检测提供理论基础。本研究使用开端同轴探头法测量组织的介电特性，开端同轴探头法具有操作简便，微创，易搭建，耗时短及测量介电特性精度较高的优点［20］，这有利于术中对食管癌组织边缘的实时检测，有望降低阳性切缘的概率，具有重要的临床意义。在过去的研究中，针对发病率较高的乳腺癌，肺癌，结直肠癌有大量报道，对于食管介电特性，Gabriel等［21］虽然报道了食管的有关数据，但却是使用胃的介电特性数据代替食管的介电特性数据，Fornes等［22］虽然报道了猪的食管介电特性但没有报道食管肿瘤的介电特性数据，目前没有文献对人体正常食管以及食管癌组织的介电特性进行大规模的宽频带的研究报告。基于以上几点，本文在50 MHz～4 GHz频率范围研究人体正常食管和肿瘤的介电特性。

本文将报道测量所得的人体食管正常组织及食管癌组织介电特性并研究其差异。在全频段及6个特定频率点（64、128、298、433、915、2450 MHz）进行分析，并给出拟合参数建立人体食管介电特性数据库。

1 材料和方法

1.1 测量系统

开端同轴探头法是通过网络分析仪发射电磁波，由于同轴探头和待测组织阻抗不匹配导致电磁波部分反射，通过网络分析仪接受到反射电磁波并计算出反射系数，从而计算待测组织介电特性参数。用特征阻抗为50欧姆，直径3.58 mm的半刚性同轴探头经50欧姆的同轴线连接便携式网络分析仪（AⅤ3680A），便携式网络分析仪由网线与笔记本电脑连接，测量频率范围为50 MHz～4 GHz，整个系统通过笔记本控制，测量系统如图1所示。

图1 测量系统Fig.1 Illustration of the measurement system.

1.2 食管介电特性数据测量

开始测量之前，先将探头终端打磨平整，磨去表面氧化层。使用传统的校准方式测量开路、短路、负载终端（去离子水）的反射系数（S11），利用校准得到的反射系数进行三参数法［22,23］计算后续被测物的介电特性。开始测量组织前将浓度为99.8%的甲醇、99.8%的乙醇和生理盐水作为标准液进行测量，将测量值与文献参考值［24,25］进行对比，待误差在可接受范围内进行后续组织测量，否则重新校准。待临床医生将病变食管切除下来，用纱布将组织表面的血擦干避免影响测量结果。测量时探头终端与组织紧密接触排除空气间隙。对标本进行测量并使用温度计TM-902C测量其温度，整个测量过程在标本离体后0.5 h内完成。测量频率范围为50 MHz～4 GHz，共计3951个频率点。所有测量样本均来源于南方医科大学南方医院胸外科，整个测量过程在手术室进行，所有组织正常与肿瘤部分均由外科医生鉴定，测量后与病理结果进行对照。总共测量了51例病人的88个样本，其中包括了53个肿瘤样本和35个正常样本，病人年龄范围为41～87岁，离体标本温度范围为22.2±1.6 ℃。

1.3 介电特性数据分析

测量完成后，计算正常食管组织和食管癌组织的介电特性均值及标准差，给出了6个特定频率点64、128、298、433、915、2450 MHz的介电特性数据并进行统计学分析，64、128和298对应1.5、3、7T磁共振的拉莫尔频率，433、915、2450 MHz的介电特性数据可用于设计工作在ISM（Industrial Scientific Medical）频带的设备。因为部分数据不符合正态分布，所以本文采用Mann-WhitneyU检验对食管正常组织和食管肿瘤组织在这6个特定频率点的数据进行统计学分析，P＜0.01具有统计学差异。

1.4 数据拟合

在文献中，生物组织的介电特性被广泛的用Cole-Cole［26］模型来表示，通过模型的拟合，可以更好的提供组织在宽频范围内的介电特性参考数据。将测量得到数据值取平均然后等间隔选取100个点进行双极Cole-Cole模型拟合，以下为双极Cole-Cole拟合公式：

其中ω为角频率，ε0=8.854×10-12Fm-1为真空介电常数，ε∞为高频介电常数，△ε1和△ε2是第一个和第二个驰豫过程的驰豫强度，α1和α2是第1个和第2个驰豫过程的分布参数，τ1和τ2是第一个和第二个驰豫过程的驰豫时间，σs为直流电导率［4］。文章对50 MHz～4 GHz等间隔取100个点进行拟合，拟合操作过程由文献［27］提出的软件实现。

2 结果

2.1 正常食管组织与肿瘤食管组织介电特性比较

食管肿瘤的相对介电常数与电导率在整个频段都大于正常食管，并且正常组织的误差棒要大于肿瘤组织，电导率的差异随着频率增大而增大（图2）。在6个特定频率点下，相对介电常数和电导率都具有显著性差异（P＜0.01，表1）。

图2 正常食管组织和肿瘤食管组织介电特性对比Fig.2 Comparison of dielectric properties between normal and malignant esophageal tissues.A:Relative permittivity;B:Conductivity

表1 6个特定频率点下的介电特性值Tab.1 Dielectric property values at 6 specific frequencies

2.2 数据拟合结果

正常食管的相对介电常数（图3A）和电导率的拟合结果（图3B），肿瘤组织的拟合结果（图3C，D），在50 MHz～4000 MHz范围内，使用双极Cole-Cole经验模型可以获得很好的拟合结果（表2）。

表2 肿瘤组织和正常组织的的Cole-Cole拟合参数Tab.2 Cole-Cole fitting parameters for malignant and normal tissues

图3 正常食管和肿瘤介电特性Cole-Cole拟合结果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 文献值对比结果

从变化趋势来看，本研究的相对介电常数与电导率的变化趋势与过往研究一致［21,22］。本研究报告的正常食管的介电特性值与过往研究略有不同，在整个研究频段，本研究的正常组织相对介电常数和电导率都低于过往研究（图4）。

图4 正常食管介电特性与文献对比Fig.4 Relative permittivity(A)and conductivity(B)of normal esophageal tissue measured in this study and the reported values.

3 讨论

本研究报道了人体正常食管与食管癌的介电特性，图2 观察到食管肿瘤组织的相对介电常数和电导率在50 MHz～4 GHz都大于正常食管组织，这与近年来文献［4-9］报道的肿瘤组织的介电特性值大于正常组织的介电特性值趋势一致。对于六个特定频率点而言，本研究采用非参数检验（Mann-WhitneyU检验）进行检验，结果（表1）显示，六个特定频率点都存在显著性差异（P＜0.01），这与以往的研究［6,7］一致。正常组织和肿瘤组织的介电特性值差异由诸多因素引起，肿瘤组织含水量比正常组织高，由于蛋白质在癌症组织中获得更多的表面电荷，水分子被吸引从而增加了结合水［3,28］都是造成上述测量中正常组织与肿瘤组织的介电特性差异的原因，此外本研究温度跨度不大故而对介电特性的影响也较小［29］。图3可观察到本研究的介电特性值测量数据符合双极Cole-Cole模型，有很好的拟合效果，同时表2给出了正常食管和肿瘤的介电特性拟合参数，其中拟合参数中△ε1与水含量相关，该系数越大，低频介电常数越高，组织含水量也越高［22］，这些参数在癌症的早期检测和术中肿瘤快速检测中具有潜在的应用价值并可用于创建正常和癌症食管组织的电磁模型［7］。

本研究报告的正常食管的介电特性值与过往研究略有不同。图4中Gabriel［21］与Fornes［22］报道的相对介电常数和电导率在整个频段差异较小且均大于本研究。本研究与Gabriel［21］报道的差异可能是因为Gabriel［21］是用胃的介电特性来代替食管的介电特性。Fornes［22］研究的猪的在体正常食管，而本研究测量的是离体组织，在体和离体组织存在显著性差异且在体测量值要高于离体测量值［30］，作者也明确报道其测量值比大多数体外研究都要高。此外，由于仅仅报道了3只猪的食管介电特性，样本量远远少于本研究，这也是数据有所差异的原因之一。总体而言本研究样本数量要比Fornes［22］多，并且首次报道了人的正常食管组织和肿瘤的介电特性。

目前研究中都是测量离体的数据，后续研究需要测量更多的在体食管组织介电特性值。正常食管介电特性与肿瘤食管的介电特性值误差棒有一定的重叠，因此后续需要类似于文献［31-33］的机器学习方法辅助分类。这些结果在癌症检测、诊断、术中肿瘤边缘快速检测中具有潜在的应用价值，有望为临床术中快速鉴别提供一种新的检测依据。