MRI拉莫爾頻率范圍內(nèi)人體腦膠質(zhì)瘤組織的介電特性

黃唯，徐中標，鄧官華，呂鳳泉，李海南，蔡林波，梁瑜

1.廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院）放療科，廣東廣州510080；2.廣東三九腦科醫(yī)院腫瘤綜合治療中心，廣東廣州510510；3.廣東三九腦科醫(yī)院病理科，廣東廣州510510

前言

腦膠質(zhì)瘤是常見顱內(nèi)惡性腫瘤，約占原發(fā)性腦腫瘤的60%，且其呈浸潤性生長，無明顯邊界［1］。目前臨床上對腦膠質(zhì)瘤的治療主要為以手術(shù)切除為主，放化療為輔的綜合治療［2］。近年來，免疫治療及基因治療等新療法也從基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化［3］。然而，對于腦膠質(zhì)瘤的治療并沒有取得突破性進展，高級別膠質(zhì)瘤患者大多在確診后一年內(nèi)死亡［4］。現(xiàn)有的文獻表明，人體組織的介電特性在腫瘤組織與正常組織之間存在較大差異［5-8］。這種由于細胞生理或者病理狀態(tài)發(fā)生改變導(dǎo)致的組織階電特性變化，有可能成為腫瘤早期診斷的有效手段。在MRI 頻率范圍內(nèi)，人體組織介電特性的研究有了幾十年的歷史，并且Gabriel 等［9］建成了人體正常組織的介電特性數(shù)據(jù)庫。Surowiec 等［10］利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了人體乳腺癌組織在20 kHz～100 MHz 范圍內(nèi)的介電特性，并給出了相應(yīng)的一階Cole-Cole 模型參數(shù)。Haemmerich 等［11］在10 Hz-1 MHz 范圍內(nèi)，利用四電極法測量了人體肝癌組織的介電特性，結(jié)果顯示肝癌組織的電導(dǎo)率至少比正常肝組織高80%。王潔然等［12］利用阻抗分析儀在100 Hz～100 MHz 范圍內(nèi)，測量了肺癌組織的介電特性，結(jié)果顯示肺癌組織的相對介電常數(shù)為正常肺組織的3～5倍，電導(dǎo)率為正常肺組織的1.6～3.3 倍。Zhou 等［13］利用開端同軸線法在50～500 MHz 范圍內(nèi)，測量了人體結(jié)直腸癌組織的介電特性，結(jié)果顯示結(jié)直腸癌組織的相對介電常數(shù)比正常結(jié)直腸組織高14.6%，電導(dǎo)率比正常結(jié)直腸組織高17%。然而到目前為止，對于人體腦膠質(zhì)瘤組織介電特性的數(shù)據(jù)報道尚很缺乏。磁共振斷層成像技術(shù)（Magnetic Resonance Electrical Property Tomography,MREPT）是在磁共振成像技術(shù)基礎(chǔ)上，通過檢測反映人體組織介電特性分布的射頻場來計算人體組織各處介電特性分布的新型診斷技術(shù)［14］。研究腦膠質(zhì)瘤組織在MRI頻率范圍內(nèi)的介電特性能為MREPT技術(shù)提供1.5 T（64 MHz）、3.0 T（128 MHz）、7.0 T（298 MHz）、9.4 T（400 MHz）及11 T（468 MHz）下的腦膠質(zhì)瘤組織介電特性的比數(shù)據(jù)庫。因此，本文將利用開端同軸線法，在37 °C 下，測量人體腦膠質(zhì)瘤組織在磁共振頻率范圍內(nèi)（50～500 MHz）的介電特性，并給出相應(yīng)的四階Cole-Cole 模型參數(shù)，為人體腦膠質(zhì)瘤組織介電特性研究和MREPT測量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測量原理

利用開端同軸線測量組織介電特性時，探頭終端可以用等效電路模型進行分析，如圖1 所示。其中，Cf表示為同軸線內(nèi)部的等效電容，C(εr)表示同軸探頭內(nèi)外導(dǎo)體之間電場在待測組織形成的等效電容。

圖1 生物組織介電特性值測量示意圖Fig.1 Principle scheme of measurement of dielectric properties of biological tissues

通過分析，可以建立反射系數(shù)與待測組織復(fù)介電常數(shù)ε*的關(guān)系式［15-17］：

其中，ε'為相對介電常數(shù)，ε''為損耗因子，ρm為測量平面發(fā)射系數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。A1、A2、A3為測量系數(shù)，通過測量開端同軸線在短路（ρ1）、開路（ρ2）及去離子水（ρ3）3種情況下的反射系數(shù)來確定：

1.2 測量系統(tǒng)

本研究采用操作簡單，非侵入式且適用于寬頻測量的開端同軸線法，該方法在測量過程中只需將探頭緊貼待測組織表面，避免了探頭插入待測組織內(nèi)部導(dǎo)致組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損引起介電特性值變化的影響。測量系統(tǒng)由便攜式網(wǎng)絡(luò)分析儀（AV 3656A，安捷倫科技有限公司）、半剛性同軸線（UT-086，深圳市泰維諾克科技有限公司）、恒溫水箱（HH-1，紹興市景邁儀器設(shè)備有限公司）、電子溫度計（Apuhua TM-902，佛山市普聯(lián)云儀表科技有限公司）組成，筆記本電腦用于控制網(wǎng)絡(luò)分析儀和數(shù)據(jù)處理，連接示意圖如圖2所示。

圖2 介電特性測量系統(tǒng)Fig.2 Dielectric properties measurement system

1.3 校準過程

為了確保開端同軸線法的測量精度，在測量人腦膠質(zhì)瘤組織介電特性前，需要對測量系統(tǒng)進行參數(shù)校準和誤差分析。通過測量甲醇（濃度99.8%，國藥集團化學試劑有限公司）、乙二醇（濃度99.5%，國藥集團化學試劑有限公司）、異丙醇（濃度99.7%，國藥集團化學試劑有限公司）在50～500 MHz 范圍內(nèi)的介電特性，并與對應(yīng)溫度下（25 ℃）的文獻值比較［18］，來分析測量系統(tǒng)的準確性。為了減小實驗誤差，在校準過程中采取多次測量，測量結(jié)果取平均值。

1.4 測量人體腦膠質(zhì)瘤組織

選取廣東三九腦科醫(yī)院收治的10 例腦膠質(zhì)瘤切除術(shù)患者作為研究對象，患者的一般臨床資料如表1所示。為了保持標本的組織活性，標本切除后馬上送往測量中心，所有標本測量要求在30 min 內(nèi)完成。標本直徑至少為2 cm，有效厚度約為1 cm［19］，測量前需要用手術(shù)紙將黏附在腫瘤組織表面的血液及組織液擦干凈，以免影響測量結(jié)果［20］。為了確保測量組織介電特性的精確性，在兼顧組織標本大小及有效厚度的情況下，采用特征阻抗為50 Ω，外徑為2.2 mm的半剛性開端同軸線探頭，同軸線內(nèi)部以聚四氟乙烯填充，以防止被測組織的水份滲入縫隙引起測量誤差［21］。此外，對測量探頭表面進行鍍銀處理，以避免探頭與組織液發(fā)生電解反應(yīng)。同時為了保持被測量離體組織的溫度接近于在體狀態(tài)（37 ℃），實驗測量主要在溫度為37 ℃的恒溫水箱中進行，通過恒溫水箱來保持組織溫度，如圖2所示。

表1 病人臨床資料Tab.1 Clinical data of patients

1.5 數(shù)據(jù)處理

為了便于相關(guān)研究人員快速得到50～500 MHz范圍內(nèi)任意一點腦膠質(zhì)瘤組織的介電特性，本實驗將離散頻率點的介電特性轉(zhuǎn)換為連續(xù)頻率的介電特性。為了提高擬合精度，對測量數(shù)據(jù)進行了四階的Cole-Cole經(jīng)驗公式擬合［22］：

其中ω為角頻率；ε*( ω )為與頻率相關(guān)的組織復(fù)介電常數(shù)；ε'(ω)為與頻率相關(guān)的組織相對介電常數(shù)，ε''(ω)為與頻率相關(guān)的損耗因子；ε∞、σi、?εn、τn、an、?εn、τn、an（n=1,2,3,4）為四階Cole-Cole擬合參數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 3種標準物的介電特性

圖3 顯示為甲醇、乙二醇、異丙醇3 種標準物在50～500 MHz 范圍內(nèi)的介電特性。對于相對介電常數(shù)，甲醇、乙二醇、異丙醇與文獻值在整個頻率段范圍內(nèi)的最大絕對誤差分別為1.623、1.304、1.552，相應(yīng)的最大相對誤差分別為4.728%、3.151%、7.656%；電導(dǎo)率的最大絕對誤差分別為0.003、0.004、0.007 S/m，相應(yīng)的最大相對誤差分別為4.193%、4.218%、3.320%。除了異丙醇的相對介電常數(shù)外，甲醇、乙二醇的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率以及異丙醇的電導(dǎo)率測量相對誤差均在5%以內(nèi)。由于在50～500 MHz 范圍內(nèi)，異丙醇的相對介電常數(shù)較小，從而造成相對誤差較大（超過5%）。考慮到人體腦組織屬于高介電特性組織（高相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率），本系統(tǒng)的測量誤差可控制在5%以內(nèi)，誤差在臨床可接受誤差范圍內(nèi)。

圖3 甲醇、乙二醇、異丙醇3種校準液的介電特性Fig.3 Dielectric properties of 3 kinds of calibration solutions,namely methanol,ethanol and propanol

2.2 待測人體腦膠質(zhì)瘤組織標本及其病理

圖4 為1 例待測腦組織標本及其對應(yīng)的病理結(jié)果圖，標本有效直徑至少2 cm，有效厚度為1 cm。每一組織塊至少測量3個不同位置，每個位置至少重復(fù)測量5 次，對測量結(jié)果取平均，以減少取樣造成測量不確定度的影響。如圖4b所示，腦組織發(fā)生癌變后，其細胞密度有所增加。

圖4 待測組織標本及其病理結(jié)果Fig.4 Tissue specimen to be detected and its pathological result

2.3 人體腦膠質(zhì)瘤組織介電特性的Cole-Cole模型

為了便于相關(guān)科研人員能夠獲取任意頻率下介電特性，本實驗對腦膠質(zhì)瘤組織離散頻率電的介電特性進行四階Cole-Cole擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，其中圖5a為腦膠質(zhì)瘤相對介電常數(shù)中值曲線擬合圖，圖5b為腦膠質(zhì)瘤電導(dǎo)率中值曲線擬合圖，其中ε∞、σi、?ε1、τ1、a1、?ε2、τ2、a2、?ε3、τ3、a3、?ε4、τ4、a4分別為19、0.38、32、15 ps、0.01、235、7.96 ns、0.1、4×104、45 μs、0.3、4×107、7.958 ms、0.02。此外，圖5中紅色線為Gabriel等［9］測量的正常腦組織介電特性，粉紅色圓形為Lu等［8］測得的腦膠質(zhì)瘤組織介電特性。由圖5可知，在50～500 MHz范圍內(nèi)，腦膠質(zhì)瘤組織相對介電常數(shù)至少比正常腦組織高29.5%，最高差異達36.6%；電導(dǎo)率至少比正常腦組織高56.1%，最高差異達64.8%。

圖5 腦膠質(zhì)瘤組織介電特性四階Cole-Cole擬合結(jié)果Fig.5 Fourth-order Cole-Cole fitting results of dielectric properties of glioma tissue

3 討論

腦膠質(zhì)瘤作為顱內(nèi)常見的惡性腫瘤，約占原發(fā)腫瘤的60%，具有浸潤性生長的生物學特性［1］。雖然隨著現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展及綜合治療技術(shù)的進步，腦膠質(zhì)瘤的治療有了很大的提高，但是病人的生存期并沒有取得突破性進展。因此，積極探索腦膠質(zhì)瘤的早期診斷是近年來備受矚目的研究熱點之一。科學文獻表明在組織病變早期，組織介電特性會發(fā)生顯著變化，因此以組織介電特性作為成像介質(zhì)進行疾病診斷有可能為癌癥早期診斷提供有價值的信息。

本研究根據(jù)開端同軸線法的相關(guān)理論，測量人腦膠質(zhì)瘤組織在MRI拉莫爾頻率范圍內(nèi)（50～500 MHz）的介電特性，并對其進行了較為詳細的分析。為了保證測量系統(tǒng)的準確性及穩(wěn)定性，在測量人體腦膠質(zhì)瘤組織介電特性前，需測量甲醇、乙二醇、異丙醇3種標準物的介電特性并與文獻值相比較。實驗結(jié)果顯示本測量系統(tǒng)具有較高的準確性及良好的穩(wěn)定性，如圖3所示，可為人體腦膠質(zhì)瘤組織介電特性測量提供可靠依據(jù)。Gabriel 等［9］系統(tǒng)地總結(jié)了健康組織的介電特性頻率譜，且已經(jīng)建立健康人體腦組織介電特性，如圖5所示。在50～500 MHz范圍內(nèi)，腦膠質(zhì)瘤組織介電特性高于正常腦組織，且電導(dǎo)率隨著頻率的增加差異逐漸增大，最大差異達64.8%。組織的介電特性很大程度上取決于組織的含水量，組織的含水量越高其介電特性越大［20］。從宏觀層面上可以將腦膠質(zhì)瘤組織與正常腦組織的介電特性差異解釋為腦膠質(zhì)瘤組織與正常腦組織含水量的差異［20］。相關(guān)文獻表明正常腦組織向腦膠質(zhì)瘤組織轉(zhuǎn)化過程中，膠質(zhì)瘤細胞會通過分泌血管內(nèi)皮生長因子來促進腫瘤血管的形成，進而增加腫瘤微血管的密度［23-24］。隨著惡性程度依次增加，血管新生也愈加明顯，腫瘤周圍水腫區(qū)域也愈大，進而導(dǎo)致腫瘤組織的含水量高于正常組織，導(dǎo)致惡性腦膠質(zhì)瘤組織介電特性高于正常腦組織。微觀層面上可以解釋為膠質(zhì)瘤細胞組成成分及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細胞膜通透性增加，鈉、鉀離子通道表達異常，鈉、鉀離子往細胞內(nèi)流［25-26］，使得其具有較高的介電特性。此外，如圖5 所示，通過與Lu等［8］測量的腦膠質(zhì)組織介電特性對比發(fā)現(xiàn)，本文所測的數(shù)據(jù)略高于Lu 所測的膠質(zhì)瘤組織介電特性，相對介電常數(shù)高7.9%～15.1%，電導(dǎo)率高23.0%～25.9%。究其原因，有以下幾方面：一是Lu 等是在室溫下（24°C）下測量了人腦膠質(zhì)瘤組織的介電特性。而本實驗中待測腦組織的溫度為37°C，考慮到組織的介電特性與溫度相關(guān)，溫度每增加1°C 時，組織的介電常數(shù)將發(fā)生0.3%～1.2%的變化。二是Lu等所測量的腦組織為腦白質(zhì)，本實驗采用的腦組織成分包含了腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)，兩者的腦組織標本來源稍微不同，且腦灰質(zhì)介電特性要高于腦白質(zhì)。三是兩組膠質(zhì)瘤WHO 分級不一樣。在Lu 等研究中，患者主要為WHO Ⅱ～Ⅲ級，而本實驗中患者主要為WHO Ⅳ級，病理級別較高，癌細胞密度較大，血管較為豐富，腫瘤組織含水量較高。綜上所述，本實驗報道的腦膠質(zhì)瘤組織介電特性要高于與Lu等報道的數(shù)據(jù)。

本研究利用開端同軸線法，在37 ℃下，快速準確的測量了人腦膠質(zhì)瘤組織在50～500 MHz 范圍的介電特性，并建立腦膠質(zhì)瘤組織介電特性的Cole-Cole參數(shù)模型。本研究的局限性是人體腦膠質(zhì)瘤的標本量較少，未能分析不同病理類型和不同分化程度的膠質(zhì)瘤介電特性差異，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)擴大標本的數(shù)量。另外，雖然本研究所有測量操作均在組織離體后30 min內(nèi)完成，根據(jù)Gersing［27］文獻報道，生物組織的介電特性在離體幾個小時內(nèi)可以維持穩(wěn)定，但嚴格意義上本研究仍屬于離體實驗階段，未能完全真實反映在體人體腦膠質(zhì)瘤的介電特性，有待以后將開端同軸線射頻儀器應(yīng)用于在體人體腦膠質(zhì)瘤組織的檢測。

4 結(jié)論

本文根據(jù)開端同軸線法的相關(guān)理論，在37 °C下，測量了人腦膠質(zhì)瘤組織在50～500 MHz 范圍的介電特性，并對其進行了較為詳細的分析。實驗結(jié)果顯示腦膠質(zhì)瘤組織介電特性顯著高于正常腦組織，相對介電常數(shù)最大差異達36.6%，電導(dǎo)率最大差異達64.8%。此外，本實驗還將腦膠質(zhì)瘤組織離散頻率點的介電特性轉(zhuǎn)換為連續(xù)頻率的介電特性，并提取了腦膠質(zhì)瘤組織四階Cole-Cole 模型的參數(shù)，便于相關(guān)科研人員快速得到MRI 拉莫爾頻率范圍內(nèi)（50～500 MHz）腦膠質(zhì)瘤組織的介電特性。