具体实施方式
图1显示了一个检测系统100,其中波形发生器102被用于生成信号104以用于测量人体组织表面120的阻抗。波形发生器102最好是可独立控制的,通过控制输入端122,使每次,每个频率和振幅都能独立控制。信号104驱动和感测电路106,电路106使信号加倍成为一对引线108,其顶端分别是电极110和112。电极110,112以这样一种方式接触组织表面120,使驱动和感测电路106可以得到与在组织表面120中的信号104的反应有关的测量值114。
当使用多对电极时,一个多路复用器可以耦合在电极及驱动和感测电路106之间以散布刺激信号,并接受从电极而来的反应。然后响应信号114在信号处理装置116中被处理,以提取与组织表面120的阻抗幅度和相位相关的信息118。
幅值和相位信息118最好记录到一台计算机或以微处理器为基础的系统,诸如图4中的系统400,用于组织类型识别分析。
这些对幅值和相位信息118的分析,可使用软件而实现,如在计算机系统400内执行的一个应用程序。特别是,处理步骤可通过由计算机系统400运行的软件的指示而体现。该指令被做成一个或多个代码模块, 每个模块用于执行一个或多个特定的任务。该软件也可以被分成两个独立的部分,其中第一部分执行组织识别方法,第二部分管理一个第一部分和用户之间的用户界面。该软件可以被存储在计算机可读的介质,例如,包括下面描述的存储设备。软件从该计算机可读介质加载到计算机系统400中,然后由计算机执行。一种具有这种软件,或有计算机程序记录其上的计算机可读介质是计算机程序产品。在计算机系统400中使用计算机程序产品,更好地反映一个有利的组织类型识别的装置。
计算机系统400是由计算机模块401形成的,输入设备诸如键盘402和鼠标403,输出设备包括一台打印机415和显示装置414。计算机模块401使用调制器-解调器(调制解调器)收发器416以建立与通信网络420之间的交流,例如经由电话线路421或其他功能性介质而连接。调制解调器416可以用于链接到Internet和其它网络系统,如局域网(LAN)或广域网(WAN)。
计算机模块401通常包括至少一个处理器单元405,存储单元406,例如由半导体随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)而形成,输入/输出(I/O)接口,包括一个视频接口407,和一个对应键盘402和鼠标403的I/O接口413,和一个对应调制解调器416的接口408。还有存储装置409,它通常包括一个硬盘驱动器410和软盘驱动器411。也可以使用一个磁带驱动器(未示出)。通常还提供一个CD-ROM驱动器412作为稳定的数据源。计算机模块401的组件405至413通常通过一个相互连接的总线404进行联络,这种方式导致计算机系统400的在相关领域中已知的常规操作模式。可实行所描述的安排的计算机系统的例子包括IBM-PC及其兼容机,SUN Sparcstations或由此进化而来的类似的计算机系统。也可以使用其他的计算机。
通常情况下,该应用程序存在于硬盘驱动器410上,由处理器405读取并控制其执行。
中间存储从网络420中取出的程序和任何数据可以用半导体存储器406来完成,可能与硬盘驱动器410共同完成。在某些情况下,应用程序可以加密后存在CD-ROM或软盘上提供给用户,然后通过相应的驱动器412或411读取,或者用户可以通过调制解调器设备416从网络420读取。另外,该软件还可以从其它计算机可读介质加载到计算机系统400。本文所用的术语“计算机可读介质”,是指参与向计算机系统400提供指令和/或数据,以被执行和/或处理的任何存储或传输介质。存储介质的例子包括软盘,磁带,CD-ROM,硬盘驱动器,一个ROM或集成电路,磁光盘,或计算机可读的卡如PCMCIA卡或其它类似的卡,而不论这些设备是在计算机模块401的内部或外部。传输媒体例子包括无线电或红外线的传输信道,以及通过网络连接到另一台计算机或已连在网络中的设备,和因特网或局域网,包括e-mail的传输和记录在网站或类似地方的信息。
组织类型识别过程也可以在专用硬件上进行,例如一个或多个集成电路,执行适当的功能或子功能。这种专用的硬件可以包括图形处理器,数字信号处理器,或一个或多个微处理器和相关的存储器。
幅值和相位信息118可以通过计算机网络420提供给计算机系统400,其中信号处理装置116能向此网络提供一个适当的输出。或者,信号处理装置116可耦合到计算机模块401的模拟接口431,其中的幅值和相位信息118被提供给接口431的一个输入端432。模拟接口431然后可以操作将幅度和相位信息118转换成数字形式,使其能够通过计算机模块401进一步处理。幅度和相位信息118传输到计算机模块401的形式,提供了使用存储装置409而对原始测量数据的存储,并使后续的信息处理和处理后结果的存储得以完成。
在操作中,在电极110和112被定位在组织120上,然后,电阻抗 和相位响应由波形发生器102建立的在一个范围内的频率而确定。多路复用器可能被再次使用,这里使用了多个电极对。从这个数据,由引线108,电极110和112和组织120所形成的电极系统的等效电阻和电容的值可以被确定。这个数据是通过已建立的电子技术而获得的。
包括引线108和电极110和112的电极系统是由双极电极形成和布置的,相同的电极用于施加能量到组织120同时也被用于测量组织120的阻抗。这种安排被用来集中在组织的表面层对所收集的数据的影响,相比电极本身的响应,这可能被认为是每个应用程序和传感的互补。
例如,我们已经发现,平均而言,子宫颈组织的阻抗测量是能够从可以存在的许多不同的组织类型中做出分辩。
考虑到占主导地位的宫颈组织类型是鳞状上皮组织,它具有高阻抗,而柱状上皮具有低阻抗,癌变组织的阻抗则为中等。不幸的是,测量值的分布使得该技术如果仅仅确定阻抗,对作为子宫颈癌筛查的工具则没有价值。这些已被一些独立来源证实了。
由本发明人对幅值和相位信息118所做的仔细研究表明,阻抗与频率关系的数据的相位斜率随组织类型的变化而变化。此数据可用于减轻对简单的阻抗大小的依赖,阻抗的大小不足以用作组织识别的可靠方法,特别是由于电极性能的变化,如电极的电容。可以通过使用不同的电极配置和间隔以获得更多关于不同组织类型及其不同深处的阻抗的信息。
一种对由引线108和电极110和112而组成的电极组件的优先应用施包括专门为子宫颈癌检测而配置的探针装置。此探针的尺寸和形状类似于一支书写笔,探针的顶部配置了电极,从而使探针可以在宫颈表面移动并接触以尝试检测癌前期与癌变组织。图2A显示了该设备的一个简单的探针针尖200,其中一对电极202和204分别是圆形,并且通常彼此间间隔约2毫米,从而使探针针尖200的整体直径约为5-7毫米。
图2B显示了另一种安排。在那里探针前端210包括两个半圆形状电极212和214,它们被间隔216分开,而此间隔仍为约2毫米。这种安排使电极212和214之间的导通出现在组织120的表层中,而不是在整个组织120中。
一个更进一步的替代方法显示于图2C中。该方案采用三电极结构,但如前所述它仍能以“双极”方式进行操作。在图2C中,一个电极头220有三个电极222,224和228,每个占据约三分之一的环形电弧,此环形电弧探针主要由针尖220的直径而定义。在这样的结构中,任何两个电极222,224和228,或成对的组合,尤如相对于其他两个电极的一个电极,可以被用来提供和检测刺激。另外,样品可以通过交替参考电极而形成,从而使电极222,224和228中的每一个被用作每一个驱动电极和在不同实例中的一个参考电极。
图2D显示了特别适用于检测宫颈癌的另一电极头230的横截面图示。探针针尖230包括一个安装部分232,一个耦合棒可被连接到此安装部分以传达电极引线并在探针230与子宫颈接触时提供韧性支持。具体而言,所述探针包括一个圆形表面的尖端,该尖端有一凹部234,形成中央细长部分236周围的环形空间。有了这样的结构,探针针尖230可以接触宫颈使得中央延伸236可以进入产道检测产道内的癌前病期和癌变组织,这是通常外部探测不能做到的。
与接触子宫颈的探针针尖230的弯曲表面相对应的是一些电极238,这些电极与图2A中的电极相对应或类似。另外,它们还可被激活,并被以双极性的次序感测到以获得来自宫颈表面不同部位的阻抗测量值。
图2E示意性地显示了本文所描述的进行阻抗测量中的典型的传导执行过程。在图2E中,排列250中的电极252和254与患者的组织256接触,组织256也解释为具有表面构件260因而表示电极252和254, 和块状组织258之间的一个非常小的边界。在目前的安排中,为了检测许多癌前病变和癌变组织,特别是在宫颈组织中,组织的表面部分260的反应才是重要的,而不是块状组织258。其结果是,在电极252和254和表面260之间相互作用的形式很大程度上影响着获得的测量结果的可靠性,从而影响对检测到的组织的类型的判定。
可使用的电极配置取决于被诊断组织的组成。例如,对于子宫颈组织,我们可以使用上述安排。这使得电极可通过由窥阴器打开的通道而放置于子宫颈上。也可以使用其他的电极配置。
当我们是要在管状器官的壁上作检测时,例如宫颈管的壁,电极通常位于圆柱形探针的外壁上。使用探针时需施加压力,以确保电极与壁进行充分接触。也可以使用其他配置。
如上面所指出的,使用的测量电路可包括对成对或成组的电极之间的电特性的测量。其它的结构,可能需要对一个电极和其它多个与被测组织接触的电极之间的测量。在其他情况下,一个单独的参考电极可放置在病人的方便的地方,测量参比电极和其它被检测组织上的电极之间的值。电极的尺寸和间距对度量到的大块组织的阻抗有影响。就此而言,从大型的和广泛分布的电极而来的电流比从小型的和紧密排列的电极的电流源更可能遵循的路径是通过更深层次的(低阻抗)的组织,例如组织258。
电极的材料可以是金属或一些其它的导体,如导电聚合物。电极的表面电极化学需要是可预测的,以便在各种不同组织类型可获得可重复性的数据。电极的组成物必须不对病人造成任何危险。某些金属和聚合物对组织有刺激,因此需要避免。合适的生物相容性材料一般是可找到的。黄金就满足这些要求,是上述电极的优选材料。
信号处理装置116可以通过使用在本领域中广泛使用的阻抗频谱分析仪而实现。
与其他医疗设备一样,必须提供电气安全系统100,以确保病人的安全。因此,有必要在系统100的每个组件中使用隔离电路,除非在某个阶段通过配置,病人隔离和安全可以得到保证。
从系统100而来的数据通常由计算机来做分析,因为任一测得的参数与组织的类型或健康之间的关系是不简单的。因此,可使用如图4所示的通用计算机配置。计算机系统400与频谱分析仪(构成信号处理装置116)相连,从而通过视频显示器414或打印机415提供一个输出以通知用户阻抗计算的结果。作为一种替代使用通用计算机系统400的方法,也可使用一个具有相应的可操作功能的独立的数字信号处理(DSP)系统。
计算机400所使用的用于评估幅值和相位信息118的算法来自使用相同或等同的测量组织的装置而收集到的数据。该数据是从已知的组织类型中提取,并被收集及用于驱动合适的方程式已做出各种诊断。用于组织类型或组织健康分型的诊断可以是一个或几个可能的方法的组合。对于宫颈组织,现有的诊断方法包括细胞学,组织学和阴道镜检查,它们往往得出不同的结论。现有类似的方法用于其它组织分型。另外,本文所描述的各种诊断方法可能会成为一个更广泛的组织分析方法的一部分,只要这不需要人为评判作为干预以得出结果。
本发明人发现,相位数据可以用以支持阻抗数据并可显著提高诊断的可靠性。本发明人已经发现,当频率范围超过200赫兹~200,000赫兹,使用2平方毫米的金电极,相位响应能可靠地区分三种主要的组织类型。在频率频率中间范围(以对数刻度),相位响应如下:
鳞状上皮组织:相位随频率上升。
柱状组织:相位随频率下降。
癌组织:相位随频率相对不变。
实施例1
本公告之发明特别用于宫颈异常的诊断可以描述如下。根据图2C安排的电极接触到子宫颈表面,每个电极面积2平方毫米,在每个两个频率上测量阻抗的幅度和阻抗的相位。组织类型显示的参数如下面的表1所述:
表1
本发明人观察到,表1中的相位比基本保持恒定的,即便电极电容有显著的改变,如+-20%。
这是因为我们是在对于每种组织类型都有恒定的相位斜率的区域中测量相位的。此区域延伸超出测量点至少20%的频率。由蛋白质吸收而引起的电极电容改变,仅仅转移频率轴但并没有改变在指定的范围内的相位斜率。因此,本发明人可以确定,为了计算相位比,重要的是选择测量频率,确保其相位斜率基本上是恒定的。
实施例2
我们得到了在更宽的频率范围内的更大的组织类型样本,其结果在表2和表3中,这表示从50例各种正常组织类型和5例患者的癌组织所获得的样品的平均值,。因此,这些值对从此得出的结果提供了可靠的统计基础。这些结果在图3A和图3B中也被绘制成线图。在这个例子中,“校准”组织是一个标准的医用级的生理盐水溶液。从图图3A我们可以理解,对于所示的每种组织类型,阻抗的幅度在所讨论的频率范 围内下降。我们进一步注意到,高度癌变组织的阻抗幅值介于典型的宫颈组织类型之间,诸如柱状上皮和鳞状上皮,这两者都是正常的组织类型。在这方面,柱状组织是粘膜,并在许多方面是代表或与宫颈部位的体液相关联的。鳞状组织正相反,基本上是类似皮肤。这些都是正常的组织类型,和高度的癌组织截然不同。
孤立地考虑,虽然统计显示在试验中癌变组织与其它组织是不同的,但图3A中阻抗曲线的大小并没有被认为其本身有足够的根据作为组织分型诊断的基础,这是由于改变电极电容对此所产生的影响。
然而,从观察图3B中所示的阻抗相的曲线,本发明人意识到,不同的组织类型在测量频率范围内显示出相当不同的相位特性。与例1相一致,两种正常组织类型(柱状和鳞状)连同校准类型,在中度频率范围内(即5kHz至10kHz),都显示了显著的和相当恒定的斜率。鳞状组织的斜率显示了与柱状组织和校准组织所不同的特征。具有重要意义的是,高度癌变组织的相位曲线在低频率时是递减的,在较高频率下的相位是递增的,而在中等频率段是基本恒定的或平的。高度癌变组织的相位曲线的大致平坦部分与每个其它组织在该频率范围内的相位图形成对比。正是这种独特的高度癌变组织与正常组织间相位曲线的关系,提供了一个显着特点,使基于使用相位测量阻抗来诊断高度癌前病变和癌变组织成为可能。
此外,我们可以使用额外的多种类型的测量,以改善组织类型之间的区分。例如,绝对的幅度和相位可以与其他变量组合。
另外,虽然图3A和图3B中所示的数据表示从相应样品得出的平均值,仍有其它处理形式可以用于确定对于组织类型和一定频率的有用的相位和阻抗幅值的参考值。例如,可应用曲线拟合以最佳地匹配一系列样本数据。
我们进一步观察到阻抗有一形式,该形式与组织的粘膜特性相关。 虽然相位的斜率由负变到正,但在感兴趣的频率范围内癌前病变组织示出了相对恒定的相位。虽然图3A中所有这些量的阻抗幅值的平均值是诊断性的,但这些值可以有很大的变化,因为它们具有相对比较多的干扰。根据本公告,同时考虑到幅度和相位最大程度地减少了诊断中的错误。
测量中的错误可以通过在获得该频率的平均值之前于每个不同频率采取多个阻抗样本而得到改善。即便在更广泛的范围内作测量,至少应使用两个频率,例如5kHz和10kHz,如图3A和3B所示这极大地改善了准确性。从图3B中可以看出,在大约3千赫到大约12千赫的频率范围内,每一个相位图都是其直线部分。如图3A和图3B所示,为了详细的结果,可用扫瞄的连续频率以便能精确绘制在扫频范围内的相变。我们应当注意,在图3A和图3B中所使用的频率在统计学上适用于子宫颈癌,其它频率范围或特定的频率可能显示出对其它类型组织具有诊断性。仅在几个(例如2个)频率处测量的一个优点是,这种测量的速度更快,可以更快地进行处理,从而能够在可接受的时间范围内对来自多个电极对的测量。
图3C显示了从表2和表3的样本数据而确定的实际的和虚拟的复数阻抗曲线图,这些构成了图3A和图3B的曲线图。图3C中的点包括每个跟踪标记以表示从3.5kHz到10kHz的频率范围。这一对阻抗数据的不同观点也具有组织型识别的可能性。曲线在3.5-10kHz范围内的部分显示了不同的梯度和空间特征。
所述的安排,通过最佳电极选择,克服了电极变异的问题。在这方面,图3A中的校准“组织”(即生理盐水溶液),充分显示了电极的电容效应,即阻抗随频率逐步下降。在更高的频率,电阻主导了阻抗,从而幅度随频率而减小就停止了。这在图3A中的校准曲线可以看出,在大约8千赫处有一个明显的曲线斜率的变化。在较低的频率(例如300赫 兹-1千赫)所测量的阻抗受电极的电容效应的影响。
以上所述的阻抗测量可以通过使用一个恒定幅度的刺激信号104而得到。通过测量该组织的脉冲反应,以确定对脉冲反应的频率和相位分量中,该安排可进一步增强。在这样的运用中,通过调整时间控制输入端122,波形发生器102可以输出一系列脉冲。
关于应用时域或脉冲反应作测量在美国专利第5800350号和6026323号中有描述。使用经由脉冲技术的测量可使系统100特征化电极,从而可以修正测量的阻抗数据。相同的方式,也可运用如上所述的使用频谱分析仪的方法作测量,以提高脉冲数据的质量。这样进一步降低了诊断中的不确定性。
除了应用恒定幅度的信号,美国专利5800350描述了时域的方法,该方法使用电压脉冲刺激组织,然后测量脉冲过程中进入患者体内的电流和电流脉冲后组织电压的衰减。该技术对电极的参数性能的变化很敏感。下面将要讨论的时域分析技术已被人应用以减少电极参数变化的效应。
时间域的技术涉及使用电流和电压曲线末端的时间常数,以获取和估计电极电容。此估计便可以被用来纠正由于电极的电容变化而导致的衰变曲线的变异。在用于得出表2和表3中的实验结果的装置中,我们发现,时间常数为200μ,这是由电极的尺寸和探头输入的阻抗而造成的。
图5A和图5B分别显示电压曲线和电流曲线。电压脉冲的应用导致电流流入患者。最初电流曲线主要是电流使组织导电。然而,电流曲线的尾部主要是经过病人电阻后电极充电的残留电流。同样地,在脉冲之后,由于受组织电容和电极电容的影响,电压曲线由最初的200μ衰减。到电压曲线的尾部(200μ经过了我们的电极和输入电阻后),衰减的时间常数主要是电极的电容。因此,衰减显示了一个受两个电容影响 的双电层效应。
使用下面的等式1,通过曲线的斜率,可以计算出电流和电压曲线尾部(如图5A和图5B中所示的tauC和tauV)的时间常数(tau):
然后,使用公式2,时间常数可以被用来估计电极电容(CE),其中,Rin是测量装置的输入电阻(通常约为10千Ω):
以这种方式计算出的电极电容,显示出对电极的生产变化的敏感,而同时由于其对组织表的面灵敏度而保留一些残留的组织鉴别。因此,已有技术出现,使生产正常化从而消除生产变化(即无效),而同时保持组织的识别。这是通过在测量组织之前在标准生理盐水溶液中作测量,同时使用从生理盐水测量计算出的电极电容来获得组织衰减曲线的修正因子而实现的。
由测量标准生理盐水溶液(即校准“组织”)而得到的电极的电容(CEsaline)与的目标值(CEtarget)进行比较,使用公式3可计算出校正因子:
然后,电压衰减曲线的值可以被归一化,根据公式4:
Vamp_norm是通过比较使用测试溶液而测量的衰减曲线的振幅和目标读数而计算出,目标读数t=tref使用敏感性分析技术得出,该技术在此领域已为人知。振幅归一化的时间点(tref)被选择发生于组织反应的衰减已经达到零后,但在电极完全衰减之前。这在我们这里描述的系统中大约是300μ。
上述技术是建立在假设电流和电压曲线遵循纯幂(即电极阻抗是一个线性电容)衰变之上的。在实践中,电极的阻抗可以被做成为一个恒定的相位元件,其阻抗由以下公式(5)给出:
在方程式5中,α决定时间常数在电压衰减波形中的分布。对于一个线性电容,α等于1,并只有一个时间常数,它在电压衰减期间是恒定的。对于其他的α值,在电压衰减期间,有效时间常数随时间而增加。
为指数衰减而推导出的技术可以应用到电极阻抗是一个恒定的相位元件的情况,这需要计算时间常数和衰减曲线中每个点的校正因子。在较小的时间范围内,指数衰减具有恒定时间常数的假设是有效的。这表述在以下的方程6,7和8中:
这里,Vamp_norm和tref如前面所定义。
使用在本技术领域的技术人员已知的技术,我们可以通过使用阻抗扫描数据测量出α的值。在这种模式中,使用扫频技术测量到的阻抗可以用来提供校正因子,以用于时域分析。
结合阻抗测量和其他组织参数的测量,例如也在上述美国专利中由叙述的光学性能,可以进一步提高诊断的准确性。
本发明人可以肯定,这种技术将大大地且可靠地消除衰减曲线中的生产变化效应,而同时保留对组织的鉴别,该组织鉴别是由测量组织上的电极电容而实现的。在生理盐水中的测量可以在生产测试期间进行,也可以在电极使用之前。
表2
表3
实施例3
该实施例中所用原料和溶剂均为商购。
将对甲磺酰胺基苯醌1.85g(0.01mol),3-氧庚酸乙酯1.74g(0.011mol)溶入无水二氧六环50ml中,氮气保护,加入甲醇钠40mg,搅拌反应1小时,反应完毕。加入冰乙酸,中和,蒸除二氧六环,向残留物,加入甲基叔丁基醚50ml,水50ml振摇,分除水相,有机相再用水50ml洗涤,无水硫酸镁干燥。过滤,滤除硫酸镁,滴液减压浓缩至干,得2-(2-羟基-5-甲磺酰胺基苯基)-3-氧基庚酸乙酯。
1H NMR(400MHz,CDCl3):0.97(T,3H,CH3),1.44(m,2H,CH2),1.76(m,2H,CH2),2.33(T,2H,CH2),2.94(m,1H,CH),3.06(S,3H,CH3),4.42(S,3H,OCH3),6.56(S,1H,NH),7.23(Tetra,1H,6-CH),7.56(d,1H,7-CH),7.72(d,1H,4-CH).
将2-(2-羟基-5-甲磺酰胺基苯基)-3-氧基庚酸乙酯1.0g溶入二氧六环30ml中,加入浓盐酸25ml,回流1小时,反应完毕。稍冷,减压浓缩,除去二氧六环,有固体析出,抽滤,滤出固体,水洗,烘干,得2-甲基-5-甲磺酰胺基苯骈呋喃-3-甲酸乙酯。
1H NMR(400MHz,CDCl3):0.97(T,3H,CH3),1.44(m,2H,CH2),1.76(m,2H,CH2),3.06(S,3H,CH3),3.17(T,2H,CH2),4.42(S,3H,OCH3),7.09(S,1H,NH),7.28(Tetra,1H,6-CH),7.42(d,1H,7-CH),7.88(d,1H,4-CH)。