本文目的在于探討開端同軸射頻組織介電特性測量技術實時鑒別檢測乳腺癌及癌周組織的可行性。16例新鮮乳腺導管癌標本來自珠江醫院普外科，標本切除后立即應用開端同軸線腫瘤射頻設備在射頻頻率42.85~500 MHz下，進行乳腺癌灶及遠隔癌灶3 cm、5 cm組織的介電常數與電導率探測，并對各個探測點進行組織病理學檢查。對乳腺癌組織與癌周3 cm組織、乳腺癌組織與癌周5 cm組織之間進行比較，電導率與介電常數差異均有統計學意義（P＜0.01）；癌周3 cm組織與癌周5 cm組織的電導率及介電常數差異無統計學意義（P＞0.05）。病理檢查證實：癌周3 cm組織及癌周5 cm組織均未見癌細胞浸潤。開端同軸線腫瘤射頻技術能有效探測乳腺癌組織與癌周組織的介電特性差異，具有應用于乳腺癌輔助診斷的廣闊前景。
引用本文： 陳妙良, 陳建國, 魏珊珊, 符芳翔, 徐彩玲, 馮曉創, 段晶晶, 厲周, 辛學剛, 韓帥, 王衛衛, 段松, 鄧官華. 基于開端同軸射頻組織介電特性測量技術的乳腺癌及癌周組織鑒別檢測實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(5): 958-962. doi: 10.7507/1001-5515.20160154 復制
0 引言
美國癌癥協會最近的數據顯示，乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，在女性癌癥死亡率中排第二位[1]。全世界范圍內，每年大約170萬人被診斷為乳腺癌，有521 900的人因為乳腺癌而去世[2]。中國乳腺癌的平均發病高峰與歐洲其他國家相比提前10年，呈現年輕化趨勢[3]。因此，乳腺癌的早期診斷對降低癌癥的病死率至關重要。目前主要通過鉬靶X線檢查、B超、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、病理檢查等方法診斷乳腺癌。影像學檢查共同的缺點是分辨率有限。其中鉬靶X線檢查缺乏統一的分型與診斷標準，對于致密型乳腺癌組織的診斷率低，而且具有放射性損害而增加患癌風險[4]。超聲所提供的影像學信息較少，而且容易受到檢查者水平的影響，假陽性較高[5]。MRI由于掃描速度慢、費用昂貴等不能用于乳腺癌的常規診斷，無法普及[6]。手術中主要采用冰凍病理學檢查組織的良、惡性以及確定術后切緣是否有腫瘤細胞殘留，但較為耗時。因此針對現有檢查技術的不足，本研究應用一種測量簡便、快速以及價格低廉的開端同軸線射頻診斷設備，檢測乳腺癌性組織與癌周組織的介電特性差異，以期用于乳腺癌輔助診斷。
1 資料與方法
1.1 主要儀器與試劑
AV3656A矢量網絡分析儀(中國電子科技集團公司第四十一研究所)；組織介電特性測量探頭(半剛性, 低損耗, 外直徑為0.358 cm)；四種介電特性校正液體(去離子水，甲醇，無水乙醇，丙二醇)等。
1.2 乳腺癌標本
本研究納入病例時間為2015年5月10日-2015年11月15日。16例新鮮乳腺癌標本來自南方醫科大學珠江醫院普外科的16名非肥胖女性患者，其基本信息如下：年齡為(43.56±5.31)歲，體重為(54.75±3) kg，身高為(1.61±0.05) m，身體質量指數(body mass index, BMI)為(20.95±1.20) kg/m2; 左側乳腺癌6例，右側乳腺癌10例，術前均由細針穿刺活檢病理結果證實為乳腺浸潤性導管癌。所有患者術式均為乳腺癌改良根治術，均由同一外科醫生主刀。
1.3 開端同軸探頭和軟硬件系統
啟動AV3656A矢量網絡分析儀后安裝開端同軸測量儀探頭，調整探頭位置直至分析儀屏幕中的史密斯圓形圖案穩定，再通過網絡分析儀操作面板選擇測量參數，在射頻頻率42.85~500 MHz下[42.58(1T)，85.16(2T)，127.74(3T)，170.32(4T)，212.90(5T)，255.48(6T)，298.06(7T)，340.64(8T)，383.22(9T)，425.8(10T)，468.38(11T)，500 MHz]探測腫瘤標本。使用儀器測量前預熱半小時，連接計算機并運行介電特性測量計算軟件，計算得到待測組織部位的復介電特性。該測量技術的路線為：采用寬頻帶射頻信號發生電路系統，產生強度可調的寬頻帶射頻信號，經過功率分配器產生參考信號和測試信號兩路信號。參考信號連接至射頻波幅相檢測模塊，測試信號經定向耦合器，通過50 Ω同軸傳輸線傳輸至待測組織部位，在待測組織處產生反射波。定向耦合器從耦合端輸出其檢測到的反射波信號，將此反饋信號輸送至射頻波幅相檢測模塊，經與參考信號比較，計算得到同軸傳輸線的反射系數，以此為基礎，結合開路、短路以及四種標準校正液測量，計算得到待測組織部位的介電常數和電導率。
1.4 校正參數
對參數的校正依照文獻[7]進行。探測標本前首先進行開路和短路調試：使探頭末端暴露在空氣中，不接觸任何物體, 為開路狀態；將探頭末端接觸鋁箔紙形成短路，保證操作屏幕上史密斯圖像的穩定。開路和短路狀態均測試兩次。為了使得測量數據穩定，我們應用四種液體進行校正：校正前使用溫度測量儀分別測量去離子水、甲醇、乙醇、丙醇的溫度，并記錄數據。將探頭末端完全浸入校正液其中，應用開端同軸線測量系統分別測量上述四種校正液的介電常數和電導率。
1.5 標本探測及分組
探測實驗在珠江醫院手術室進行。由普外科醫生行乳腺癌改良根治術，完整切除腫瘤和周圍組織，然后立即用開端同軸探頭對標本進行測量。徹底完整暴露癌灶，使用紗布擦干標本的血液及其他液體等異物，將標本完全展開。探測點選擇在乳腺癌灶、癌周3 cm組織以及癌周5 cm組織部位。如圖 1所示為實驗探測過程：探測乳腺癌組織時，隨機選取癌灶中的6個探測點，將同軸線探頭依次置于這6個探測點上，測量6個探測點的介電參數，每次探測前確保探頭末端平整，使得末端與探測點組織表面密切接觸；同樣，探測癌周3 cm、5 cm組織時，隨機選取遠隔癌灶3 cm、5 cm的各6個探測點，以相同的方法進行組織介電參數探測。同時，記錄乳腺癌組織、癌周3 cm組織及5 cm組織各6個點探測完畢的總時間為T，即為每個標本的總測量時間。探測點為探頭與軟組織的接觸面，每個點探測后均做好標記以方便在相應位點進行病理檢查。網絡分析儀測量得到的網絡參數按照不同的頻率點對應關系輸入計算機系統，結合校驗網絡參數，運用我們創建的專門編制的介電特性軟件包，最終計算得到被測組織的介電特性。
圖1
開端同軸腫瘤射頻探測儀器
Figure1.
Open-ended coaxial probe tumor sensor at radio frequencies
1.6 組織病理學檢查
對上述探測標記點進行組織病理學檢查，確定標記點的腫瘤類型以及癌周3 cm、5 cm組織癌細胞浸潤情況。
1.7 統計處理
所有變量(介電常數、電導率、標本總測量時間、溫度、患者年齡等)均以均數±標準差(x±s)的形式表示。兩組均數比較采用t檢驗，多組均數比較采用方差分析(ANOVA分析), 事后均數兩兩比較采用q檢驗，P＜0.01表示差異有統計學意義。所有實驗數據采用SPSS20.0統計軟件進行分析。
2 結果
2.1 病理結果
切除的16例乳腺浸潤性導管癌標本中，癌灶的所有探測點病理檢查提示為惡性組織，而癌周3 cm組織及癌周5 cm組織的所有探測點均未發現癌性細胞浸潤。
2.2 標本測量時間
全組標本總測量時間為(4.14±0.498) min，最短測量時間為3.6 min，最長測量時間為4.8 min。
2.3 乳腺標本的溫度
乳腺癌性組織的溫度為(24.45±1.52) ℃，癌周3 cm組織的溫度為(24.55±1.43) ℃，癌周5 cm組織的溫度為(24.53±1.45) ℃，三組之間溫度差異無統計學意義(P＞0.05)。
2.4 乳腺癌組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織介電特性
結果如表 1所示，乳腺癌組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織的介電常數及電導率不全相等(P＜0.01)。乳腺癌組織與癌周5 cm組織、乳腺癌組織與癌周3 cm組織之間比較，介電常數和電導率差異均有統計學意義(P＜0.01)；癌周5 cm組織與癌周3 cm組織的介電常數和電導率差異則均無統計學意義(P＞0.05)。其中，乳腺癌組織的平均介電常數約為癌周5 cm組織的2.75倍，平均電導率約為后者的2.83倍；乳腺癌組織的平均介電常數約為癌周3 cm組織的2.88倍，平均電導率則約為后者的2.88倍。
表1
乳腺癌性組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織的介電特性比較
Table1.
Conparison of dielectric properties among breast cancerous tissue, 5 cm adjacent tissue and 3 cm adjacent tissue
3 討論
人體組織在電磁場作用下會表現出一定的電特性和磁特性，介電特性主要是指組織的介電常數與電導率[8-10]。人體組織的介電特性主要與其組成細胞的形態、核質比及其細胞外液等因素有關。研究表明，早期癌細胞與正常組織細胞在細胞形態、核質比和細胞外液等方面已有明顯差異。因此，利用組織的介電特性進行腫瘤組織的早期診斷證據充分[11-12]。目前，測量介電特性的方法包括諧振腔、自由空間以及同軸線法，自由空間法要求特制的天線及1 GHz以上的頻段等[13]；諧振腔法波導腔體比較笨重，不便于在線、在體測量等[14]；而開端同軸線法因其結構可以適應超寬頻帶測量，同時利于在線式測量，現在多用于檢測生物組織的電特性[15-16]。
近年來，國內外研究大量聚焦于對人體正常組織介電特性的研究，并建立了人體正常組織介電特性的數據庫[17-19]。但關于癌性組織在射頻下介電特性的研究相對較少[8]，一方面與臨床腫瘤標本獲取困難有關，另一方面與臨床腫瘤標本介電特性受影響因素較多有關。腫瘤的分化類型、離體時間、患者狀況及手術創傷都會導致組織介電特性的變化。尤其對于乳腺腫瘤組織，不同年齡段女性乳房中脂肪組織、腺體組織、纖維組織含量的變化較大，年輕女性以致密型腺體為主，老年女性則以脂肪型腺體為主。目前，國內外對乳腺癌性組織及正常組織如乳腺脂肪、纖維及腺葉組織的介電常數及電導率開展了大量研究，但關于乳腺癌性組織與正常組織間介電特性的差異性沒有統一的研究結果。本研究采用相同年齡階段、同種分化類型、相同離體時間和相同治療方法的乳腺癌組織標本作為測量樣本，盡可能最大程度地減少誤差，能為該研究提供較為基礎的一線測量數據。
本文旨在探究開端同軸線腫瘤射頻診斷技術能否有效探測乳腺癌性組織與癌周組織的介電特性差異，以及是否有望應用于乳腺癌的早期診斷。本組結果顯示，在42.85~500 MHz射頻范圍下，乳腺癌組織的平均介電常數為乳腺癌周未浸潤組織的2.75~2.88倍，平均電導率則為后者的2.83~2.88倍，差異均有統計學意義(P＜0.01)；而癌周5 cm組織及癌周3 cm組織間介電特性的差異沒有統計學意義(P＞0.05)，且病理結果顯示此二組均未發現癌性細胞浸潤。上述結果表明，開端同軸線腫瘤射頻診斷技術可以明顯分辨乳腺惡性組織與癌周未浸潤組織的介電特性差異，據此差異有望在將來成為一種新的腫瘤輔助診斷技術并可用于惡性腫瘤的早期診斷。我們在下一步研究中將會加大樣本量，并且直接進行實時、在體乳腺癌組織與癌周組織的探測。
綜上所述，本研究提出了開端同軸線腫瘤射頻診斷技術可以有效探測乳腺癌組織與癌旁組織的介電特性差異，有望將其應用于乳腺惡性腫瘤的輔助鑒別檢測。
0 引言
美國癌癥協會最近的數據顯示，乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，在女性癌癥死亡率中排第二位[1]。全世界范圍內，每年大約170萬人被診斷為乳腺癌，有521 900的人因為乳腺癌而去世[2]。中國乳腺癌的平均發病高峰與歐洲其他國家相比提前10年，呈現年輕化趨勢[3]。因此，乳腺癌的早期診斷對降低癌癥的病死率至關重要。目前主要通過鉬靶X線檢查、B超、磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)、病理檢查等方法診斷乳腺癌。影像學檢查共同的缺點是分辨率有限。其中鉬靶X線檢查缺乏統一的分型與診斷標準，對于致密型乳腺癌組織的診斷率低，而且具有放射性損害而增加患癌風險[4]。超聲所提供的影像學信息較少，而且容易受到檢查者水平的影響，假陽性較高[5]。MRI由于掃描速度慢、費用昂貴等不能用于乳腺癌的常規診斷，無法普及[6]。手術中主要采用冰凍病理學檢查組織的良、惡性以及確定術后切緣是否有腫瘤細胞殘留，但較為耗時。因此針對現有檢查技術的不足，本研究應用一種測量簡便、快速以及價格低廉的開端同軸線射頻診斷設備，檢測乳腺癌性組織與癌周組織的介電特性差異，以期用于乳腺癌輔助診斷。
1 資料與方法
1.1 主要儀器與試劑
AV3656A矢量網絡分析儀(中國電子科技集團公司第四十一研究所)；組織介電特性測量探頭(半剛性, 低損耗, 外直徑為0.358 cm)；四種介電特性校正液體(去離子水，甲醇，無水乙醇，丙二醇)等。
1.2 乳腺癌標本
本研究納入病例時間為2015年5月10日-2015年11月15日。16例新鮮乳腺癌標本來自南方醫科大學珠江醫院普外科的16名非肥胖女性患者，其基本信息如下：年齡為(43.56±5.31)歲，體重為(54.75±3) kg，身高為(1.61±0.05) m，身體質量指數(body mass index, BMI)為(20.95±1.20) kg/m2; 左側乳腺癌6例，右側乳腺癌10例，術前均由細針穿刺活檢病理結果證實為乳腺浸潤性導管癌。所有患者術式均為乳腺癌改良根治術，均由同一外科醫生主刀。
1.3 開端同軸探頭和軟硬件系統
啟動AV3656A矢量網絡分析儀后安裝開端同軸測量儀探頭，調整探頭位置直至分析儀屏幕中的史密斯圓形圖案穩定，再通過網絡分析儀操作面板選擇測量參數，在射頻頻率42.85~500 MHz下[42.58(1T)，85.16(2T)，127.74(3T)，170.32(4T)，212.90(5T)，255.48(6T)，298.06(7T)，340.64(8T)，383.22(9T)，425.8(10T)，468.38(11T)，500 MHz]探測腫瘤標本。使用儀器測量前預熱半小時，連接計算機并運行介電特性測量計算軟件，計算得到待測組織部位的復介電特性。該測量技術的路線為：采用寬頻帶射頻信號發生電路系統，產生強度可調的寬頻帶射頻信號，經過功率分配器產生參考信號和測試信號兩路信號。參考信號連接至射頻波幅相檢測模塊，測試信號經定向耦合器，通過50 Ω同軸傳輸線傳輸至待測組織部位，在待測組織處產生反射波。定向耦合器從耦合端輸出其檢測到的反射波信號，將此反饋信號輸送至射頻波幅相檢測模塊，經與參考信號比較，計算得到同軸傳輸線的反射系數，以此為基礎，結合開路、短路以及四種標準校正液測量，計算得到待測組織部位的介電常數和電導率。
1.4 校正參數
對參數的校正依照文獻[7]進行。探測標本前首先進行開路和短路調試：使探頭末端暴露在空氣中，不接觸任何物體, 為開路狀態；將探頭末端接觸鋁箔紙形成短路，保證操作屏幕上史密斯圖像的穩定。開路和短路狀態均測試兩次。為了使得測量數據穩定，我們應用四種液體進行校正：校正前使用溫度測量儀分別測量去離子水、甲醇、乙醇、丙醇的溫度，并記錄數據。將探頭末端完全浸入校正液其中，應用開端同軸線測量系統分別測量上述四種校正液的介電常數和電導率。
1.5 標本探測及分組
探測實驗在珠江醫院手術室進行。由普外科醫生行乳腺癌改良根治術，完整切除腫瘤和周圍組織，然后立即用開端同軸探頭對標本進行測量。徹底完整暴露癌灶，使用紗布擦干標本的血液及其他液體等異物，將標本完全展開。探測點選擇在乳腺癌灶、癌周3 cm組織以及癌周5 cm組織部位。如圖 1所示為實驗探測過程：探測乳腺癌組織時，隨機選取癌灶中的6個探測點，將同軸線探頭依次置于這6個探測點上，測量6個探測點的介電參數，每次探測前確保探頭末端平整，使得末端與探測點組織表面密切接觸；同樣，探測癌周3 cm、5 cm組織時，隨機選取遠隔癌灶3 cm、5 cm的各6個探測點，以相同的方法進行組織介電參數探測。同時，記錄乳腺癌組織、癌周3 cm組織及5 cm組織各6個點探測完畢的總時間為T，即為每個標本的總測量時間。探測點為探頭與軟組織的接觸面，每個點探測后均做好標記以方便在相應位點進行病理檢查。網絡分析儀測量得到的網絡參數按照不同的頻率點對應關系輸入計算機系統，結合校驗網絡參數，運用我們創建的專門編制的介電特性軟件包，最終計算得到被測組織的介電特性。
圖1
開端同軸腫瘤射頻探測儀器
Figure1.
Open-ended coaxial probe tumor sensor at radio frequencies
1.6 組織病理學檢查
對上述探測標記點進行組織病理學檢查，確定標記點的腫瘤類型以及癌周3 cm、5 cm組織癌細胞浸潤情況。
1.7 統計處理
所有變量(介電常數、電導率、標本總測量時間、溫度、患者年齡等)均以均數±標準差(x±s)的形式表示。兩組均數比較采用t檢驗，多組均數比較采用方差分析(ANOVA分析), 事后均數兩兩比較采用q檢驗，P＜0.01表示差異有統計學意義。所有實驗數據采用SPSS20.0統計軟件進行分析。
2 結果
2.1 病理結果
切除的16例乳腺浸潤性導管癌標本中，癌灶的所有探測點病理檢查提示為惡性組織，而癌周3 cm組織及癌周5 cm組織的所有探測點均未發現癌性細胞浸潤。
2.2 標本測量時間
全組標本總測量時間為(4.14±0.498) min，最短測量時間為3.6 min，最長測量時間為4.8 min。
2.3 乳腺標本的溫度
乳腺癌性組織的溫度為(24.45±1.52) ℃，癌周3 cm組織的溫度為(24.55±1.43) ℃，癌周5 cm組織的溫度為(24.53±1.45) ℃，三組之間溫度差異無統計學意義(P＞0.05)。
2.4 乳腺癌組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織介電特性
結果如表 1所示，乳腺癌組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織的介電常數及電導率不全相等(P＜0.01)。乳腺癌組織與癌周5 cm組織、乳腺癌組織與癌周3 cm組織之間比較，介電常數和電導率差異均有統計學意義(P＜0.01)；癌周5 cm組織與癌周3 cm組織的介電常數和電導率差異則均無統計學意義(P＞0.05)。其中，乳腺癌組織的平均介電常數約為癌周5 cm組織的2.75倍，平均電導率約為后者的2.83倍；乳腺癌組織的平均介電常數約為癌周3 cm組織的2.88倍，平均電導率則約為后者的2.88倍。
表1
乳腺癌性組織、癌周5 cm組織、癌周3 cm組織的介電特性比較
Table1.
Conparison of dielectric properties among breast cancerous tissue, 5 cm adjacent tissue and 3 cm adjacent tissue
3 討論
人體組織在電磁場作用下會表現出一定的電特性和磁特性，介電特性主要是指組織的介電常數與電導率[8-10]。人體組織的介電特性主要與其組成細胞的形態、核質比及其細胞外液等因素有關。研究表明，早期癌細胞與正常組織細胞在細胞形態、核質比和細胞外液等方面已有明顯差異。因此，利用組織的介電特性進行腫瘤組織的早期診斷證據充分[11-12]。目前，測量介電特性的方法包括諧振腔、自由空間以及同軸線法，自由空間法要求特制的天線及1 GHz以上的頻段等[13]；諧振腔法波導腔體比較笨重，不便于在線、在體測量等[14]；而開端同軸線法因其結構可以適應超寬頻帶測量，同時利于在線式測量，現在多用于檢測生物組織的電特性[15-16]。
近年來，國內外研究大量聚焦于對人體正常組織介電特性的研究，并建立了人體正常組織介電特性的數據庫[17-19]。但關于癌性組織在射頻下介電特性的研究相對較少[8]，一方面與臨床腫瘤標本獲取困難有關，另一方面與臨床腫瘤標本介電特性受影響因素較多有關。腫瘤的分化類型、離體時間、患者狀況及手術創傷都會導致組織介電特性的變化。尤其對于乳腺腫瘤組織，不同年齡段女性乳房中脂肪組織、腺體組織、纖維組織含量的變化較大，年輕女性以致密型腺體為主，老年女性則以脂肪型腺體為主。目前，國內外對乳腺癌性組織及正常組織如乳腺脂肪、纖維及腺葉組織的介電常數及電導率開展了大量研究，但關于乳腺癌性組織與正常組織間介電特性的差異性沒有統一的研究結果。本研究采用相同年齡階段、同種分化類型、相同離體時間和相同治療方法的乳腺癌組織標本作為測量樣本，盡可能最大程度地減少誤差，能為該研究提供較為基礎的一線測量數據。
本文旨在探究開端同軸線腫瘤射頻診斷技術能否有效探測乳腺癌性組織與癌周組織的介電特性差異，以及是否有望應用于乳腺癌的早期診斷。本組結果顯示，在42.85~500 MHz射頻范圍下，乳腺癌組織的平均介電常數為乳腺癌周未浸潤組織的2.75~2.88倍，平均電導率則為后者的2.83~2.88倍，差異均有統計學意義(P＜0.01)；而癌周5 cm組織及癌周3 cm組織間介電特性的差異沒有統計學意義(P＞0.05)，且病理結果顯示此二組均未發現癌性細胞浸潤。上述結果表明，開端同軸線腫瘤射頻診斷技術可以明顯分辨乳腺惡性組織與癌周未浸潤組織的介電特性差異，據此差異有望在將來成為一種新的腫瘤輔助診斷技術并可用于惡性腫瘤的早期診斷。我們在下一步研究中將會加大樣本量，并且直接進行實時、在體乳腺癌組織與癌周組織的探測。
綜上所述，本研究提出了開端同軸線腫瘤射頻診斷技術可以有效探測乳腺癌組織與癌旁組織的介電特性差異，有望將其應用于乳腺惡性腫瘤的輔助鑒別檢測。
