腫瘤治療電場的雙層金屬絲網傳感器電場測試方法研究

【摘要】 目的 提出并驗證了一種雙層金屬絲網傳感器（MWMS）測量腫瘤治療電場（TTFields）的新方法。方法 通過COMSOL建立圓柱模型并進行仿真，驗證了雙層MWMS的有效性。明膠和NaCl按照一定比例配置來模擬頭顱內部組織和用豬肌肉替代腫瘤組織，并設計單層MWMS測量系統驗證單層MWMS測量效果。結果 仿真結果表明，雙層MWMS在測量精度上明顯優于單層MWMS。實際測試結果表明，單層MWMS可以測出模擬頭顱內部組織區域的電場強度和豬肌肉所在位置。結論 雙層MWMS為TTFields的電場測量提供了更加精確的工具。

【關鍵詞】 腫瘤治療電場；單層/雙層金屬絲網傳感器；單層MWMS電場測量系統；頭顱內部組織；圓柱模型

【中圖分類號】 R651 【文獻標志碼】 A 【文章編號】 1672-7770（2024）05-0529-07

Research on the electric field testing method of double-layer metal wire mesh sensors for tumor treating fields PENG Qingen， CAO Qunsheng， LYU Zhuhai， WANG Yang， QIU Xianxin， HONG Feng， GE Binghua. College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China

Corresponding author： CAO Qunsheng

Abstract： Objective To proposed and validated a new method for measuring tumor treating fields（TTFields） using a double-layer metal wire mesh sensor（MWMS）. Methods A cylindrical layered model was established by using COMSOL and simulated to verify the effectiveness of the double-layer MWMS. Gelatin and NaCl were configured in a certain ratio to simulate the internal tissues of the skull， and pig muscle was used to replace tumor tissue. A single-layer MWMS measurement system was designed to verify the measurement effect of single-layer MWMS. Results The simulation results showed that the double-layer MWMS had significantly better measurement accuracy than the single-layer MWMS. The actual test results showed that single-layer MWMS could measure the electric field strength in the simulated internal tissue area of the head and the location of pig muscles. Conclusions The double-layer MWMS provides a more accurate instrument for measuring the electric field of TTFields.

Key words： tumor treating fields; single-layer/double-layer metal wire mesh sensor; single-layer MWMS electrical field measurement system; internal tissue of the skull; cylindrical model

基金項目：2023年南京航空航天大學研究生研究與實踐創新項目（xcxjh20230402）

作者單位：211106 南京，南京航空航天大學電子信息工程學院（彭慶恩，曹群生，洪峰，葛秉鏵）； 南京醫科大學附屬腦科醫院神經外科（呂著海）；復旦大學附屬華山醫院放療中心（汪洋，邱獻新）

通信作者：曹群生

直流或低頻交變電場會影響細胞膜的極化特性^［1］，高頻電場可以用于熱透療法、組織和腫瘤消融等醫學手段^［2-3］。直到21世紀初，有研究發現中頻電場會影響和擾亂癌細胞的細胞分裂^［4-5］。中頻電場可以破壞腫瘤細胞的分裂，被用來治療腫瘤疾病^［6］。腫瘤治療電場（tumor treating fields，TTFields）是一種使用中頻（100～300 kHz）交流電壓在腫瘤中產生低強度（1～3 V/cm）交流電場以破壞癌癥細胞分裂的治療方法^［7-10］。目前，TTFields已經作為第四種治療腫瘤的方式，在治療腫瘤上取得了很大的療效^［11-12］。本研究提出并驗證了一種雙層金屬絲網傳感器（metal wire mesh sensor，MWMS）測量TTFields的新方法。

1 材料與方法

1.1 材料 仿真是由COMSOL Multiphysics 5.6完成。實際測試中，模擬顱內組織由NaCl溶液和明膠配置而成，用豬肌肉代替腫瘤。

1.2 方法

1.2.1 拉普拉斯三維有限差分法 利用拉普拉斯三維有限差分法^［13］可計算出中心的電壓值V：

V=VA+VB+VC+VD+VE+VF6（1）

其中：VA、VB、VC、VD、VE和VF為A點（前）、B點（后）、C點（左）、D點（右）、E點（下）和F點（上）的電壓值，見圖1。

1.2.2 ECCT系統 參考由多個電容電極組成的ECCT，設計出圓筒模型。圓筒的頂部和底部放置電極板，與信號源的正負極相連，見圖2。其工作原理是利用電容板之間產生的電場來破壞癌細胞的生長。

1.2.3 單層MWMS 傳統的MWMS是由兩層存在間距且呈90°夾角的金屬絲組成^［14］，用來測試層間液面的微小變化。上層金屬絲為激勵端，下層金屬絲為接收端。信號源依次激勵上層金屬絲，接收器并行讀取下層金屬絲所傳出的數據，從而確定液面的氣泡大小、形狀及位置等^［15］。隨后，研究人員取消了傳統MWMS中兩層金屬絲之間的間距，將所有的金屬絲作為接收通道^［31］，形成了單層MWMS，見圖3。單層MWMS是利用公式（1）和勻強電場公式^［16］計算電場強度。

1.2.4 雙層MWMS 在對單層MWMS進行研究的基礎上，將單層金屬絲網增加為雙層金屬絲網，且每根金屬絲覆蓋上絕緣層（除測量點以外），形成雙層MWMS，見圖4A。兩層金屬絲網上的測量點位置相同，每根金屬絲僅有一個測量點（5×5雙層MWMS每層的測量點數目為10），見圖4B，未進行測量的點利用雙線性插值法^［17］補全。雙層MWMS利用勻強電場公式計算電場強度值。

1.2.5 單層MWMS測試系統 單層MWMS測試系統由直流電壓源、交流變壓電路板、示波器、單層MWMS、采集卡和電腦組成。直流電壓源提供30 V和1 A的輸出激活交流變壓電路板；交流變壓電路板輸出頻率為200 kHz的4.2 V正弦波激勵；交流變壓電路板的正負極分別接單層MWMS圓筒的頂部和底部的電極板，使得圓筒內部產生電場；采集卡與單層MWMS的銅絲相連，并采集工作時銅絲的電壓值后傳送到電腦；電腦用于對數據進行保存并處理；示波器用于測量交流變壓電路板和銅絲端的電壓值。

1.2.6 模擬顱內組織 大腦中白質電導率為0.12 S/m ^［18］。0.01 mol/L的NaCl溶液電導率為0.1左右^［19］。在該溶液中加入明膠將溶液凝固成固體。再利用如下方法進行計算驗證^［20-21］。利用儀器LCR阻抗分析儀測得樣品的電阻值，再根據公式（2）計算出樣品的電導率。

σ=LRS（2）

其中：σ為樣品的電導率，L為樣品的長度，R為測得樣品的電阻值，S為樣品的截面積。

2 結 果

2.1 單層MWMS的電場仿真計算 采用COMSOL 電磁軟件對MWMS建模，圓筒內、外徑為9 cm和10 cm，高度為14 cm，有效高度為13.6 cm。豬肌肉的尺寸為2 cm×2 cm×2 cm，電導率為0.273 4 S/m^［22］，相對介電常數為2 000；模擬顱內組織的電導率經測量計算為0.1 S/m，相對介電常數為500^［19］。銅絲半徑為0.1 mm。電極板材料為鐵，分別接4.2 V和0 V。

與無MWMS模型結果相比，單層MWMS對于模擬顱內組織的電場強度無影響，但使豬肌肉的電場增加約2.08 V/m。該方法可檢測出豬肌肉的位置，但其電場值與模擬顱內組織的電場值相近，見圖5、表1。

2.2 雙層MWMS的電場仿真計算

2.2.1 5×5雙層MWMS測量豬肌肉的電場仿真計算在單層MWMS測量方法基礎上，提出了雙層MWMS測量方法。在單層MWMS的基礎上構建雙層MWMS電磁建模，銅絲半徑0.1 mm，測量點露出長度為1 mm，在銅絲其余部分覆蓋上0.1 mm絕緣層。測量點選取如圖4B。絕緣層材料選擇聚氯乙烯，電阻率為10^{8 ［23］}，相對介電常數為3.2^［24］。

無雙層WMS仿真與添加雙層MWMS后計算出的電場分布圖一致，表明雙層MWMS可準確地測量不同位置的電場強度，見圖5A、圖6B，其中標記的字母點為測量點。結果表明，加入雙層MWMS對于原電場無影響。在模擬顱內組織區域，絲網模型計算的與原電場強度最大差值為0.71 V/m，誤差為2.50%；在豬肌肉區域，中心測量點F的電場強度差值僅在0.03 V/m，誤差為0.15%；而在兩區域交界處的測量點C、D、E和G點，差值最大值為1.31 V/m，誤差為5.41%。見圖6。

2.2.2 5×5雙層MWMS在顱內組織分層模型中的電場仿真計算 為了驗證雙層MWMS技術對于頭顱復雜情況測量的準確性，建立了上、下對稱的顱內組織分層模型^［25］，見圖7。電極板分別接±30 V電壓。

在白質區域，絲網模型計算的電場與原電場最大差值約為4.17 V/m，誤差為1.58%；在腫瘤區域中心測量點F的差值為0.41 V/m，誤差為0.19%；在交界處測量點場強最大差值約為6.77 V/m，誤差為2.80%。見圖8。

對于分層模型，雙層MWMS可以準確地測量出腫瘤的電場強度。同樣，在分層模型中，改變腫瘤的位置、大小或者形狀，雙層MWMS同樣適用。且增加金屬絲網提升至9×9后，電場分辨率提高。

2.3 單層MWMS電場測量系統和測試結果 為了驗證單層MWMS方法的準確度，建立了5×5的單層MWMS電場測量系統，對模擬顱內組織進行電場測量和呈現電場分布圖。測試系統由直流電壓源、交流變壓電路板、示波器、單層MWMS圓筒、采集卡和PC組成。見圖9。

實際的圓筒尺寸同電磁建模尺寸相同（圖10A），金屬絲選用銅絲，其半徑為0.1 mm。圓筒的材料為橡膠。金屬絲網的位置位于圓筒高度的一半，同一方向上的金屬絲間距離為1 cm（圖10B）。

模擬顱內組織由400 g明膠和3.6 kg的NaCl溶液配制而成。將1.96 g的NaCl顆粒融入適量蒸餾水中，待其完全溶解后，繼續加入蒸餾水至4 L，期間用攪拌機攪拌均勻。取出3.6 kg的NaCl溶液，進行加熱并保持在70 ℃左右。再將400 g的明膠分批加入，同時用攪拌機攪拌，待明膠完全融化且分布均勻后，停止加熱。待溶液溫度降至40 ℃左右后，倒入溶液直至與金屬絲網齊平，同時讓剩下的溶液保持溫度維持液體形態。待圓筒中溶液逐漸凝固后，在金屬絲上放入豬肌肉，再注入剩下一半溶液，常溫下凝固24 h^［26-27］。豬肌肉區域內的電場強度小于模擬顱內組織區域的電場強度。豬肌肉組織區域的電場為30.54 V/m，誤差為49.63%；模擬頭顱內部組織中的最大電場為30.69 V/m，誤差為0.71%。見圖10。

單層MWMS電場測試系統可以檢測出豬肌肉在模擬頭顱內部組織中的位置，較為準確地測量出豬肌肉的電場強度。測量的誤差來源于實驗中的人體組織厚度較難控制及相應的電參數數值誤差。盡管如此，實驗驗證了該系統的可行性和實用性，解決了TTFields內部電場測試問題，并避免探針測試導致電場畸變的問題，為TTFields的實際頭顱內部電場測試奠定了基礎。未來可通過加工雙層MWMS和改善頭顱內部組織構成來改進測試精度。

3 討 論

為了解決TTFields方法對頭顱內部電場測試的困難，本研究提出并驗證了改進型的雙層MWMS方法和單層MWMS的實驗測試系統。有研究^［5］對腦腫瘤患者的TTFields進行電場測量，結果表明測量值與仿真結果值相差小于10%。在一項老鼠研究^［28］中，對其體內不同深度的TTFields電場進行測量，確定了在不同頻率和深度下施加電流值與體內場強的關系。雖然上述研究進行了體內電場測量，但并未闡明具體的測量方法。一些研究人員使用立體定向腦電圖電極測量經顱電刺激所產生的電場，利用立體定向腦電圖電極觸點之間的電位差除以觸點間距，得到場強^［29-31］。然而，體內電場的測量方法依然缺失。

有研究搭建了實驗平臺，用瓊脂模型模擬人體組織，對其進行電場測量^［32-33］，準確地測量出瓊脂模型內多個位置的電場，但均勻的瓊脂模型中缺乏腫瘤的存在。Nismayanti等^［34］在仿真和實際測試中，通過電極板加壓的方法在圓柱內部產生電場，利用單層MWMS測量空氣中模擬人體組織的電場，二者對比給出初步較理想的結果，但空氣與顱內組織的電參數相差較大。該研究中電極板加壓方法類似中頻交變電場治療癌癥的替代方法之一的電場療法（ECCT）^［35-36］。

在生物醫學中，使用人體活組織存在局限性^［37］。模擬人體組織為了模擬真實人體組織的電特性和力學性能而制作，并已經被用于無線通信系統^［38-39］、醫學成像系統^［40］、治療應用^［41］等多個領域。秦麗平等^［42］提到組織的介電常數對于電場的影響很小，所以本研究在實際測試中重視組織的電導率。

為了驗證雙層MWMS測試方法對于不同環境的準確度，本研究使用圓柱體顱內組織分層模型來模擬真實的頭顱特征。圓柱上、下表面用電極板加載電壓，利用雙層MWMS進行電場測量，并進行電場分布圖的繪制。雙層MWMS測試方法較單層MWMS方法提高了頭顱內部電場的準確度。其中，5×5的雙層MWMS方法計算出的電場強度與電磁軟件計算出的電場強度對比，誤差介于0.19%～2.79%，而誤差最小點均在腫瘤的中心點，最大點均在腫瘤區域和模擬頭顱內部組織區域的交界處。雙層MWMS方法計算出的電場分布圖與電磁軟件仿真出的電場分布圖一致。

此外，利用明膠和NaCl溶液按照一定比例配置成模擬顱內組織，并在其中放入豬肌肉模擬腦腫瘤，測試了單層MWMS電場測試系統，對豬肌肉周圍進行了實際電場測量并繪制內部的電場分布圖。結果發現，模擬頭顱內部組織區域的電場強度的誤差僅在0.71%，而在豬肌肉區域的電場強度的誤差在49.63%，并可以準確地測量出豬肌肉組織所在的位置。單層MWMS實驗測試系統的建立確定了TTFields實際測試方法。確定了頭顱內部組織的電場強度測量的可行性。

在未來，雙層MWMS會進行實際測試。雙層MWMS的制作關鍵在于測量點，露出恰當長度的測量點以保證測量結果的準確性，選擇合適的測量點以便于測量所需位置的電場。同時雙層MWMS測量易受到周圍設備的干擾，使得測量結果誤差增大，因此在測量時需要一個干擾較少的環境。

綜上所述，提出的單層/雙層MWMS方法和建立的單層MWMS的實驗測試系統對TTFields未來準確測量頭顱內部電場數值和醫療效果的有效評判均具有重要的理論意義和應用價值。對于TTFields的多個電極片同時工作，雙層MWMS依然會具有較高的精度。目前，TTFields已經開始用于治療身體其他部位的腫瘤^［43-44］，雙層MWMS測量出的電場可以有效評判TTFields的治療效果。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明：彭慶恩負責建模仿真、測試系統設計、實際測試和文章撰寫；曹群生負責把握整體方向和文章指導；呂著海負責技術支持；汪洋負責實驗步驟指導；邱獻新負責材料支持；洪峰負責測試指導；葛秉鏵負責輔助測試和文章修改。

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（收稿2024-04-11 修回2024-05-20）