101例手术切除的结直肠癌组织介电特性的探讨*

王卫卫，厉周，林世明，韩帅，陈妙良，段松，辛学刚△，蔡寨△

（1.南方医科大学珠江医院普外科，广州510280；2.南方医科大学生物医学工程学院，广州510515）

1 引 言

结直肠癌是常见的消化道肿瘤，是世界第三高发恶性肿瘤，死亡率位居恶性肿瘤第四位［1］。我国原本属结直肠癌的低发地区，但是近年来发病率和死亡率呈总体上升趋势［1-2］，因此，结直肠癌的早发现、早诊断、早治疗显得尤为重要。目前结直肠癌的诊断主要依赖电子结肠镜、CT、MRI、PET、病理等方法。电子结肠镜对腺瘤或息肉诊断率低，漏诊率高，对结直肠癌早期黏膜病变点状或微小癌灶同样可能存在漏诊［3-4］。影像学共同缺点是分辨率有限，CT和PET的缺点是存在辐射而增加患癌的风险，对未产生形态学改变的病变及小的病灶无能为力；MRI因扫描速度慢、费用贵等不能用于结直肠癌的常规诊断，无法普及；病理切片虽然是诊断肿瘤的金标准，但需要经过一系列的冷冻、石蜡包埋等准备工作，时效性差。因此，针对现有检查技术的不足，发明一种实时、无创、快速、精准的结直肠癌诊断技术具有极其重要的意义。本研究的开端同轴线射频系统可以快速检测组织的介电特性［5-8］，并利用介电特性的差异，鉴别癌性组织与正常组织，填补了上述需求的空白，有望应用于结直肠癌的辅助诊断。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

101例新鲜离体结肠/直肠癌标本（南方医科大学珠江医院手术室）；AV3656A矢量网络分析仪（中国电子科技集团公司，第四十一研究所）、S-参数组件（型号87511A，安捷伦公司）、组织介电特性测量软件系统、半刚性开端同轴线（外直径3.58mm）、四种校正液体（去离子水，甲醇，无水乙醇，正丙醇）、温度测量仪等。

2.2 方法［7-9］

2.2.1 仪器的准备 开端同轴线一端连接矢量网络分析仪，另一端作为探头与标本接触并测量组织的相对介电常数和电导率。测量频率范围选定170～500 MHz，粗略选取 7个频率点：170.32（4T）、212.90（5T）、255.48（6T）、298.06（7T）、383.22（9T）、468.38（11T）、500.00 MHz（11.7T）的介电特性纳入统计分析。

2.2.2 参数校正 检测标本前进行开路和短路调试：使探头暴露在空气中，不接触任何物体，为开路状态；适当外力加压于探头使其与铝箔纸紧密接触，待史密斯图像与开路状态的史密斯图像接近中心对称时即为短路状态。开路和短路状态均测试两次。随后使用去离子水、甲醇、无水乙醇、正丙醇这四种校正液进行参数校正，校正前用温度测量仪分别测量四种校正液的温度并记录数据。校正时，探头完全浸入校正液中，应用开端同轴线测量系统分别测量这四种校正液的相对介电常数和电导率。

2.2.3 肿瘤标本的检测 通过开放或腹腔镜下切除结肠/直肠癌原发病灶及周围正常肠管、肠系膜等组织，用开端同轴线仪器对标本进行检测。剪开结肠/直肠肠管，充分暴露肿瘤病灶和远隔切缘的粘膜面，用干净的无菌纱布擦干标本的肠液、血液和粪便等，记录标本的离体时间和温度。挑选肉眼可识别的肿瘤病灶粘膜面和手术切缘的粘膜面两个位置，每个位置各随机选取6个测量点进行检测。将网络分析仪测量得到的网络参数输入计算机系统，利用介电特性测量软件计算出癌灶和切缘粘膜面的相对介电常数和电导率。

2.2.4 组织病理学检查对手术切除的肿瘤标本行病理切片检查，以明确肿瘤的病理类型、分化程度、手术切缘有无癌细胞浸润等。

2.2.5 数据处理与统计分析采用SPSS 20.0软件进行统计分析，计量资料以±s表示。均数比较采用t检验或单因素方差分析，方差齐性比较采用Levene检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

3 结果

3.1 患者信息

101名患者，其中男性57人，女性44人。年龄在27～83岁，平均60.72±12.36岁。手术日期在2015年1月至2016年4月。通过术前检查和术中探查，肿瘤病灶位于升结肠25例、横结肠10例、降结肠9例，乙状结肠26例、直肠31例。

3.2 病理结果

101例手术切除的标本经病理证实肿瘤病灶均为癌性组织。所有标本的手术切缘均未见癌细胞，可定义切缘为正常组织。按病理类型分类，腺癌88例，粘液腺癌13例。按分化程度分类，高分化者8例，中分化者81例，低分化者7例，另有5例标本病理报告未给出分化程度。

3.3 标本的离体时间和温度

本研究对标本的离体时间定义为：从手术切除肿瘤组织离开人体到检测标本时所用的时间。101例标本的离体时间为1～30 min，平均（10.30±8.50）min。标本的温度定义为检测时的温度，其中癌组织温度为（26.8±2.8）℃，正常组织温度为（26.9±2.2）℃。两者的温度差异比较无统计学意义（P=0.734）。

3.4 结直肠癌组织与正常结直肠组织介电特性的差异

结直肠癌组织与正常结直肠组织的相对介电常数和电导率的差异均存在统计学意义（P＜0.01），结果见表1。结直肠癌组织的相对介电常数比正常结直肠组织平均高出8.98%，电导率平均高出11.01%。计算每例标本癌组织与正常组织相对介电常数和电导率的绝对差值，将每例标本的绝对差值纳入统计分析，发现绝对差值在不同的频率点基本一致（P＞0.05），见表2。

表1 癌组织与正常组织的介电特性对比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between malignant and normal tissues（±s）

表1 癌组织与正常组织的介电特性对比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between malignant and normal tissues（±s）

频率（MHz）电导率（S/m）相对介电常数癌组织 正常组织 P值 癌组织 正常组织 P值170.32 74.05±6.88 67.46±7.62 ＜0.01 0.8771±0.1046 0.9020±0.1214 ＜0.01.0967 0.7896±0.1165 ＜0.01 212.90 70.44±5.29 64.65±6.50 ＜0.01 0.9008±0.0909 0.8111±0.1096 ＜0.01 255.48 69.03±6.72 63.16±7.37 ＜0.01 0.9153±0.0967 0.8235±0.1143 ＜0.01 298.06 67.23±5.55 61.86±6.45 ＜0.01 0.9315±0.0924 0.8392±0.1145 ＜0.01 383.22 65.59±6.58 60.19±7.14 ＜0.01 0.9613±0.0997 0.8681±0.1200 ＜0.01 468.38 64.44±6.67 59.32±7.32 ＜0.01 0.9943±0.1041 0.8927±0.1165 ＜0.01 500.00 63.64±5.93 58.63±6.60 ＜0.01 0.9979±0

表2 癌组织与正常组织介电特性的绝对差值在不同频率点的比较（±s）Table2 Comparison of absolute difference values for dielectric properties between malignant and normal tissues at discrete frequencies（±s）

表2 癌组织与正常组织介电特性的绝对差值在不同频率点的比较（±s）Table2 Comparison of absolute difference values for dielectric properties between malignant and normal tissues at discrete frequencies（±s）

频率（MHz）相对介电常数绝对差值 P值电导率（S/m）绝对差值 P值170.32 6.56±5.02 0.986 0.0888±0.0936 0.853 212.90 5.84±4.79 0.0911±0.0882 255.48 5.79±4.68 0.0928±0.0923 298.06 5.38±4.61 0.0939±0.0919 383.22 5.34±4.63 0.0948±0.0950 468.38 5.04±5.52 0.1024±0.0931 500.00 4.95±4.55 0.1076±0.1372

3.5 腺癌组织与粘液腺癌组织介电特性的差异

在每个频率点，粘液腺癌组织的相对介电常数和电导率均比腺癌组织高。但是对于相对介电常数，两者的差异无统计学意义（P＞0.05）；而对于电导率，在 170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz这些频率点两者的差异存在统计学差异（P＜0.05）。结果见表3。

表3 腺癌组织与粘液腺癌组织的介电特性对比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between adenocarcinoma and mucinous adenocarcinoma tissues（±s）

表3 腺癌组织与粘液腺癌组织的介电特性对比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between adenocarcinoma and mucinous adenocarcinoma tissues（±s）

频率（MHz）电导率（S/m）相对介电常数腺癌（n=88） 粘液腺癌（n=13） P值 腺癌（n=88） 粘液腺癌（n=13） P值170.32 74.06±7.05 73.55±4.51 0.831 0.8694±0.0926 0.9444±0.1033 0.024 212.90 70.29±5.48 70.86±2.29 0.757 0.8930±0.0876 0.9599±0.0990 0.033 255.48 68.46±6.96 69.03±3.76 0.809 0.9084±0.0933 0.9768±0.0999 0.039 298.06 67.09±5.73 67.71±3.07 0.749 0.9235±0.0887 0.9953±0.0998 0.024 383.22 65.53±6.80 65.41±4.16 0.959 0.9539±0.0958 1.0240±0.1079 0.041 468.38 64.42±6.95 64.01±3.57 0.861 0.9887±0.1022 1.0394±0.1025 0.159 500.00 63.53±6.11 63.93±3.78 0.849 0.9907±0.1019 1.0526±0.1087 0.088

3.6 结直肠癌不同分化程度介电特性的差异

将高分化、中分化与低分化结直肠癌的介电特性进行单因素方差分析，结果发现，无论相对介电常数还是电导率，三者在每个频率点的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

4 讨论

物质在电磁场作用下表现出来的电磁特性是物质的固有属性，人体组织也不例外，介电特性主要是指组织的相对介电常数与电导率。近年来，国内外研究大量聚焦于对人体正常组织介电特性的研究，已经建立人体正常组织介电特性的数据库［10-12］。但对于癌性组织，尤其结直肠癌组织在射频下介电特性的研究很少［8］。基于这样的研究现状，本研究对结直肠癌组织的介电特性进行了深入的探讨和研究。组织的含水量是影响组织介电特性的主要因素，癌性组织的含水量比正常组织高，从而导致癌性组织的介电特性更高［7，13］。对于含水量高的乳腺癌组织，其介电特性比含水量低的正常乳腺脂肪组织高出9倍［14］。除此之外，组织类型、组织温度及测量频率等都会影响组织的介电特性［13，15-16］。由此我们在探讨结直肠癌的介电特性时，可以很好地借鉴这些研究成果和结论。

本研究对101例手术切除的新鲜离体的结肠/直肠癌标本进行实验，选择170～500 MHz频率段进行统计分析。标本的离体时间为（10.30±8.50）min，使离体组织的介电特性尽量与在体状态保持一致，避免标本因离体时间过长诱发组织脱水而导致介电特性的改变。癌组织与正常组织的温度比较无统计学差异，从而排除了组织温度对介电特性的影响。通过比较结直肠癌组织与正常结直肠组织相对介电常数和电导率的差异，可以发现癌组织的介电特性明显比正常组织高（P＜0.01）。其中癌组织的相对介电常数比正常结直肠组织平均高出8.98%，电导率则平均高出11.01%。由此反映出通过开端同轴线仪器鉴别癌组织与正常组织的可行性和敏感性。进一步将两者的绝对差值进行统计分析，发现绝对差值在不同的频率点无显著性差异（P＞0.05），说明虽然癌组织和正常组织的介电特性呈现频率依赖性，但是两者介电特性的差异在不同频率点保持一致，因此，应用开端同轴线法在不同的频率点对结直肠癌组织和结直肠正常组织的鉴别效能是一致的。然而，将所有标本按病理类型分类，对比腺癌与粘液腺癌组织介电特性的差异时，两者的相对介电常数无显著性差异（P＞0.05），而电导率只在170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz时存在显著性差异（P＜0.05）。显然电导率的差异在腺癌与粘液腺癌的鉴别中具有比相对介电常数更高的敏感性。至于腺癌和粘液腺癌组织介电特性的差异，考虑与两者的组织内部成分不同有关，粘液腺癌相比腺癌恶性程度更高，预后更差［17］，意味着其具备更强的生长能力和侵袭性，供应肿瘤生长的血管更加丰富，血管扩张更加明显，组织含水量相应更高，但是组织内部成分的差异尚未达到每个频率点均出现显著性差异的敏感性。但是在对比结直肠癌不同分化程度的介电特性时，高、中、低分化的相对介电常数和电导率对比无显著性差异（P＞0.05），有待后续研究中扩大高分化和低分化标本的数量以进一步深究。

开端同轴线法可以测量超宽频率范围内的介电特性，具有结构开放、测量系统组成简单和通用性强等特点，同时该法对待测样品的尺寸、形状和物理形态没有过多要求［5-6，8-9］，已成为最常用的测量组织介电特性的方法。本研究利用开端同轴线法可以快速而准确地测量出结直肠癌组织与正常结直肠组织介电特性的差异，并通过综合 170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz几个频率点的癌组织的电导率，可以判断结直肠癌的病理类型。本研究的局限性是粘液腺癌的标本量较少，在分析不同病理类型和不同分化程度的介电特性差异时，组间样本量分布不均匀，在后续的研究中将继续扩大标本的数量。另外，本研究仍属离体实验阶段，未能完全真实反映结直肠癌的介电特性，有待以后将开端同轴线射频仪器应用于在体结直肠癌组织的检测。

综上，应用开端同轴线仪器可以鉴别结直肠癌组织和正常组织，并判断结直肠癌的病理类型，有望成为一种实时、无创、快速、精准的检测结直肠癌的辅助诊断新技术。