101例手術切除的結直腸癌組織介電特性的探討*

王衛衛，厲周，林世明，韓帥，陳妙良，段松，辛學剛△，蔡寨△

（1.南方醫科大學珠江醫院普外科，廣州510280；2.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣州510515）

1 引 言

結直腸癌是常見的消化道腫瘤，是世界第三高發惡性腫瘤，死亡率位居惡性腫瘤第四位［1］。我國原本屬結直腸癌的低發地區，但是近年來發病率和死亡率呈總體上升趨勢［1-2］，因此，結直腸癌的早發現、早診斷、早治療顯得尤為重要。目前結直腸癌的診斷主要依賴電子結腸鏡、CT、MRI、PET、病理等方法。電子結腸鏡對腺瘤或息肉診斷率低，漏診率高，對結直腸癌早期黏膜病變點狀或微小癌灶同樣可能存在漏診［3-4］。影像學共同缺點是分辨率有限，CT和PET的缺點是存在輻射而增加患癌的風險，對未產生形態學改變的病變及小的病灶無能為力；MRI因掃描速度慢、費用貴等不能用于結直腸癌的常規診斷，無法普及；病理切片雖然是診斷腫瘤的金標準，但需要經過一系列的冷凍、石蠟包埋等準備工作，時效性差。因此，針對現有檢查技術的不足，發明一種實時、無創、快速、精準的結直腸癌診斷技術具有極其重要的意義。本研究的開端同軸線射頻系統可以快速檢測組織的介電特性［5-8］，并利用介電特性的差異，鑒別癌性組織與正常組織，填補了上述需求的空白，有望應用于結直腸癌的輔助診斷。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

101例新鮮離體結腸/直腸癌標本（南方醫科大學珠江醫院手術室）；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）、S-參數組件（型號87511A，安捷倫公司）、組織介電特性測量軟件系統、半剛性開端同軸線（外直徑3.58mm）、四種校正液體（去離子水，甲醇，無水乙醇，正丙醇）、溫度測量儀等。

2.2 方法［7-9］

2.2.1 儀器的準備 開端同軸線一端連接矢量網絡分析儀，另一端作為探頭與標本接觸并測量組織的相對介電常數和電導率。測量頻率范圍選定170～500 MHz，粗略選取 7個頻率點：170.32（4T）、212.90（5T）、255.48（6T）、298.06（7T）、383.22（9T）、468.38（11T）、500.00 MHz（11.7T）的介電特性納入統計分析。

2.2.2 參數校正 檢測標本前進行開路和短路調試：使探頭暴露在空氣中，不接觸任何物體，為開路狀態；適當外力加壓于探頭使其與鋁箔紙緊密接觸，待史密斯圖像與開路狀態的史密斯圖像接近中心對稱時即為短路狀態。開路和短路狀態均測試兩次。隨后使用去離子水、甲醇、無水乙醇、正丙醇這四種校正液進行參數校正，校正前用溫度測量儀分別測量四種校正液的溫度并記錄數據。校正時，探頭完全浸入校正液中，應用開端同軸線測量系統分別測量這四種校正液的相對介電常數和電導率。

2.2.3 腫瘤標本的檢測 通過開放或腹腔鏡下切除結腸/直腸癌原發病灶及周圍正常腸管、腸系膜等組織，用開端同軸線儀器對標本進行檢測。剪開結腸/直腸腸管，充分暴露腫瘤病灶和遠隔切緣的粘膜面，用干凈的無菌紗布擦干標本的腸液、血液和糞便等，記錄標本的離體時間和溫度。挑選肉眼可識別的腫瘤病灶粘膜面和手術切緣的粘膜面兩個位置，每個位置各隨機選取6個測量點進行檢測。將網絡分析儀測量得到的網絡參數輸入計算機系統，利用介電特性測量軟件計算出癌灶和切緣粘膜面的相對介電常數和電導率。

2.2.4 組織病理學檢查對手術切除的腫瘤標本行病理切片檢查，以明確腫瘤的病理類型、分化程度、手術切緣有無癌細胞浸潤等。

2.2.5 數據處理與統計分析采用SPSS 20.0軟件進行統計分析，計量資料以±s表示。均數比較采用t檢驗或單因素方差分析，方差齊性比較采用Levene檢驗，P＜0.05表示差異有統計學意義。

3 結果

3.1 患者信息

101名患者，其中男性57人，女性44人。年齡在27～83歲，平均60.72±12.36歲。手術日期在2015年1月至2016年4月。通過術前檢查和術中探查，腫瘤病灶位于升結腸25例、橫結腸10例、降結腸9例，乙狀結腸26例、直腸31例。

3.2 病理結果

101例手術切除的標本經病理證實腫瘤病灶均為癌性組織。所有標本的手術切緣均未見癌細胞，可定義切緣為正常組織。按病理類型分類，腺癌88例，粘液腺癌13例。按分化程度分類，高分化者8例，中分化者81例，低分化者7例，另有5例標本病理報告未給出分化程度。

3.3 標本的離體時間和溫度

本研究對標本的離體時間定義為：從手術切除腫瘤組織離開人體到檢測標本時所用的時間。101例標本的離體時間為1～30 min，平均（10.30±8.50）min。標本的溫度定義為檢測時的溫度，其中癌組織溫度為（26.8±2.8）℃，正常組織溫度為（26.9±2.2）℃。兩者的溫度差異比較無統計學意義（P=0.734）。

3.4 結直腸癌組織與正常結直腸組織介電特性的差異

結直腸癌組織與正常結直腸組織的相對介電常數和電導率的差異均存在統計學意義（P＜0.01），結果見表1。結直腸癌組織的相對介電常數比正常結直腸組織平均高出8.98%，電導率平均高出11.01%。計算每例標本癌組織與正常組織相對介電常數和電導率的絕對差值，將每例標本的絕對差值納入統計分析，發現絕對差值在不同的頻率點基本一致（P＞0.05），見表2。

表1 癌組織與正常組織的介電特性對比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between malignant and normal tissues（±s）

表1 癌組織與正常組織的介電特性對比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between malignant and normal tissues（±s）

頻率（MHz）電導率（S/m）相對介電常數癌組織 正常組織 P值 癌組織 正常組織 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 癌組織與正常組織介電特性的絕對差值在不同頻率點的比較（±s）Table2 Comparison of absolute difference values for dielectric properties between malignant and normal tissues at discrete frequencies（±s）

表2 癌組織與正常組織介電特性的絕對差值在不同頻率點的比較（±s）Table2 Comparison of absolute difference values for dielectric properties between malignant and normal tissues at discrete frequencies（±s）

頻率（MHz）相對介電常數絕對差值 P值電導率（S/m）絕對差值 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 腺癌組織與粘液腺癌組織介電特性的差異

在每個頻率點，粘液腺癌組織的相對介電常數和電導率均比腺癌組織高。但是對于相對介電常數，兩者的差異無統計學意義（P＞0.05）；而對于電導率，在 170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz這些頻率點兩者的差異存在統計學差異（P＜0.05）。結果見表3。

表3 腺癌組織與粘液腺癌組織的介電特性對比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between adenocarcinoma and mucinous adenocarcinoma tissues（±s）

表3 腺癌組織與粘液腺癌組織的介電特性對比（±s）Table 1 Comparison of dielectric properties between adenocarcinoma and mucinous adenocarcinoma tissues（±s）

頻率（MHz）電導率（S/m）相對介電常數腺癌（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 結直腸癌不同分化程度介電特性的差異

將高分化、中分化與低分化結直腸癌的介電特性進行單因素方差分析，結果發現，無論相對介電常數還是電導率，三者在每個頻率點的差異均無統計學意義（P＞0.05）。

4 討論

物質在電磁場作用下表現出來的電磁特性是物質的固有屬性，人體組織也不例外，介電特性主要是指組織的相對介電常數與電導率。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，已經建立人體正常組織介電特性的數據庫［10-12］。但對于癌性組織，尤其結直腸癌組織在射頻下介電特性的研究很少［8］。基于這樣的研究現狀，本研究對結直腸癌組織的介電特性進行了深入的探討和研究。組織的含水量是影響組織介電特性的主要因素，癌性組織的含水量比正常組織高，從而導致癌性組織的介電特性更高［7，13］。對于含水量高的乳腺癌組織，其介電特性比含水量低的正常乳腺脂肪組織高出9倍［14］。除此之外，組織類型、組織溫度及測量頻率等都會影響組織的介電特性［13，15-16］。由此我們在探討結直腸癌的介電特性時，可以很好地借鑒這些研究成果和結論。

本研究對101例手術切除的新鮮離體的結腸/直腸癌標本進行實驗，選擇170～500 MHz頻率段進行統計分析。標本的離體時間為（10.30±8.50）min，使離體組織的介電特性盡量與在體狀態保持一致，避免標本因離體時間過長誘發組織脫水而導致介電特性的改變。癌組織與正常組織的溫度比較無統計學差異，從而排除了組織溫度對介電特性的影響。通過比較結直腸癌組織與正常結直腸組織相對介電常數和電導率的差異，可以發現癌組織的介電特性明顯比正常組織高（P＜0.01）。其中癌組織的相對介電常數比正常結直腸組織平均高出8.98%，電導率則平均高出11.01%。由此反映出通過開端同軸線儀器鑒別癌組織與正常組織的可行性和敏感性。進一步將兩者的絕對差值進行統計分析，發現絕對差值在不同的頻率點無顯著性差異（P＞0.05），說明雖然癌組織和正常組織的介電特性呈現頻率依賴性，但是兩者介電特性的差異在不同頻率點保持一致，因此，應用開端同軸線法在不同的頻率點對結直腸癌組織和結直腸正常組織的鑒別效能是一致的。然而，將所有標本按病理類型分類，對比腺癌與粘液腺癌組織介電特性的差異時，兩者的相對介電常數無顯著性差異（P＞0.05），而電導率只在170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz時存在顯著性差異（P＜0.05）。顯然電導率的差異在腺癌與粘液腺癌的鑒別中具有比相對介電常數更高的敏感性。至于腺癌和粘液腺癌組織介電特性的差異，考慮與兩者的組織內部成分不同有關，粘液腺癌相比腺癌惡性程度更高，預后更差［17］，意味著其具備更強的生長能力和侵襲性，供應腫瘤生長的血管更加豐富，血管擴張更加明顯，組織含水量相應更高，但是組織內部成分的差異尚未達到每個頻率點均出現顯著性差異的敏感性。但是在對比結直腸癌不同分化程度的介電特性時，高、中、低分化的相對介電常數和電導率對比無顯著性差異（P＞0.05），有待后續研究中擴大高分化和低分化標本的數量以進一步深究。

開端同軸線法可以測量超寬頻率范圍內的介電特性，具有結構開放、測量系統組成簡單和通用性強等特點，同時該法對待測樣品的尺寸、形狀和物理形態沒有過多要求［5-6，8-9］，已成為最常用的測量組織介電特性的方法。本研究利用開端同軸線法可以快速而準確地測量出結直腸癌組織與正常結直腸組織介電特性的差異，并通過綜合 170.32、212.90、255.48、298.06、383.22 MHz幾個頻率點的癌組織的電導率，可以判斷結直腸癌的病理類型。本研究的局限性是粘液腺癌的標本量較少，在分析不同病理類型和不同分化程度的介電特性差異時，組間樣本量分布不均勻，在后續的研究中將繼續擴大標本的數量。另外，本研究仍屬離體實驗階段，未能完全真實反映結直腸癌的介電特性，有待以后將開端同軸線射頻儀器應用于在體結直腸癌組織的檢測。

綜上，應用開端同軸線儀器可以鑒別結直腸癌組織和正常組織，并判斷結直腸癌的病理類型，有望成為一種實時、無創、快速、精準的檢測結直腸癌的輔助診斷新技術。