双端口电磁方法在生物组织识别与肿瘤精准检测中的突破性研究

《Electromagnetic Science》：Bioelectromagnetic Identification and Analysis of Tissues by Dual-Port Electromagnetic Methodology

本研究针对手术中快速准确识别生物组织类型的临床需求，提出了一种基于双端口电磁方法的新型检测技术。通过分析生物组织固有的电磁特性差异，利用双端口S参数实现定量组织鉴别，在离体荷瘤小鼠模型中成功区分皮肤、肌肉、脂肪和肿瘤组织。该技术首次实现免校准操作，可检测小至0.1 mm的肿瘤，比吸收率低于0.0091 W/kg确保操作安全，为临床诊断和精准手术导航提供了创新平台。

　　

在肿瘤治疗领域，确保手术切除的彻底性直接关系到患者的预后效果。然而，传统影像学方法如超声、磁共振成像(MRI)和X射线主要适用于术前筛查，在手术过程中的实时应用仍面临灵活性和实用性的挑战。更棘手的是，现有单端口电磁检测方法虽然能够通过反射系数分析组织特性，但存在检测速度有限、操作复杂、需要严格校准等问题，且对小于2 mm的病灶识别能力不足。

针对这些技术瓶颈，来自北京航空航天大学和中国人民解放军总医院的研究团队在《Electromagnetic Science》上发表了创新性研究成果。他们开发了一种双端口生物电磁识别方法，通过同时分析反射系数和传输系数来提升组织鉴别能力。该方法巧妙利用了不同生物组织在电磁特性上的固有差异，这些差异在信号传输过程中表现为独特的衰减特性。

研究团队设计了专门用于生物组织检测的双端口框架，其创新性体现在三个方面：首先，该方法基于生物组织电磁特性差异进行识别；其次，新技术实现了快速测量过程，可检测小至0.1 mm的肿瘤，同时确保电磁暴露安全性；最后，双端口探头通过分析信号通过不同生物组织时的衰减变化，能够准确区分皮肤、脂肪、肌肉和肿瘤组织。

关键技术方法包括：1）基于四阶Cole-Cole模型和Debye模型的生物组织电磁特性建模；2）采用GSGSG锥形尖端探头的双端口检测系统设计；3）基于矢量网络分析仪(VNA)的宽带S参数测量（10 MHz-20 GHz）；4）使用荷瘤小鼠模型（BALB/c An-nu小鼠接种E0771鼠源乳腺癌细胞系）进行实验验证；5）依据IEC/IEEE标准进行比吸收率(SAR)安全评估。

电磁特性分析与识别原理

研究人员通过建立生物组织的电磁特性模型，发现皮肤、脂肪、肌肉和肿瘤组织在相对介电常数和电导率上存在显著差异。这些差异为组织鉴别提供了理论基础。双端口方法通过将探头置于生物组织表面，一个端口注入电磁信号，另一个端口检测传输信号，同时测量反射系数和传输系数。

探头与组织接触时形成等效电容，其中C₁代表各端口与参考地之间的等效电容，C₂代表注入和检测端口之间的等效电容。通过测量ρ_m(ω)和T_m(ω)参数，结合散射矩阵分析，能够提取组织的复介电常数和电导率信息。与单端口方法仅依赖反射系数相比，双端口方法通过增加传输系数分析，提供了更丰富的组织鉴别维度。

生物模拟模型表征

为了验证双端口方法的可行性，研究团队开发了三种探头尖端配置：矩形(Tip1)、锥形(Tip2)和GSGSG锥形(Tip3)。仿真结果显示，Tip3结构在双端口识别中提供了最佳的隔离特性。他们建立了生物组织的HFSS仿真模型，将组织表示为40mm×40mm×15mm的矩形体积，探头垂直放置并与组织表面接触。

仿真结果表明，S₁₁曲线在区分皮肤和肌肉组织时差异最小，而S₂₁曲线则显示出不同组织之间的明显趋势和幅度差异。除了肿瘤和脂肪组织的显著差异外，肌肉和皮肤组织也存在明显区别，这些独特的S₂₁响应使得能够直接从测量结果中识别生物组织。

肿瘤组织识别能力

研究团队评估了双端口方法识别肿瘤组织的能力，重点考察了探头与肿瘤方向平行或垂直时的识别分辨率。当探头垂直于肿瘤方向时，对于宽度小于1mm的肿瘤，S₁₁将其归类为脂肪组织；而当肿瘤宽度超过1.4mm时，S₁₁曲线能准确识别肿瘤。S₂₁仅在肿瘤宽度超过2mm时将其归类为肿瘤组织，但对于小于1mm的宽度，S₂₁测量反映了端口之间组织的综合特性。

当探头平行于肿瘤方向时，研究发现只有当肿瘤宽度超过探头尖端厚度1.086mm时才能检测到肿瘤。对于0.1mm至1.0mm宽度的肿瘤，S₂₁结果显示来自脂肪和肿瘤的复合信号，整体趋势与肿瘤特征相匹配，从而验证了检测位点处的存在性。这些发现表明，使用双端口S_{21特征弥补了有限S11分辨率，实现了对0.1mm肿瘤的识别，而无需进行介电重构。}

实验验证

稳定性测量通过比较不同方向（垂直、水平、倾斜）的S₁₁和S₂₁变化来进行。结果显示，角度偏移在保持正常探头-组织接触时影响可忽略，S₁₁和S₂₁的最大误差分别为0.37dB和0.46dB，证明了双端口探头的测量稳定性。

准确性评估使用荷瘤小鼠进行，结果显示S₁₁曲线在四种组织类型中呈现重叠分布，而S₂₁曲线则显示出显著差异。肿瘤组织的测量值幅度最大，脂肪组织最小，皮肤和肌肉组织具有相当的幅度。通过利用组织间宽带电磁特性变化产生的独特传输效应，S₂₁参数的检测有助于快速准确的生物组织识别。

比吸收率(SAR)测试结果显示，在整个工作带宽内，SAR值保持在0.01W/kg以下，显著低于1.6W/kg的监管限值。这表明该方法在电磁安全性方面具有明显优势。

研究结论与意义

该研究引入的双端口生物电磁表征方法为手术中切除组织的快速准确评估提供了创新解决方案。仿真表明肿瘤组织具有独特的电磁传输特性，表现为显著的异质性、增加的细胞密度和跨频率的稳定介电常数。这些因素共同作用，使信号衰减相较于正常组织最小化。

微型化探头尖端和高端口隔离是实现局部组织特性准确空间测量的关键。研究团队开发的锥形尖端双端口探头采用GSGSG配置，在10MHz至20GHz频率范围内，即使端口间距最小为1mm，也能实现大于53.5dB的端口隔离。这种能力通过传输特征分析实现了对小至0.1mm肿瘤的可靠识别。

荷瘤小鼠的实验验证证实，双端口方法有效利用了差异性的生物电磁组织特性，在组织表征过程中表现出高测量稳定性和电磁安全性。该方法建立了一个可临床转化的精准肿瘤诊断平台，并展示了术中引导的潜力。

与现有技术相比，该双端口方法在检测分辨率、免校准操作和安全性方面均有显著提升，为未来智能手术系统的发展提供了重要的技术支撑。特别是其识别微小肿瘤的能力，有望在早期癌症诊断和精准手术治疗中发挥重要作用。