随着外科手术从“经验主导”逐步转向“精准量化”，术中如何快速且可靠地判断组织病理状态成为临床外科手术中的迫切问题。以往肿瘤切缘评估主要依赖术中冰冻切片病理检查，术者视诊、触诊作为辅助判断，但冰冻切片受制于取样点有限、制片流程繁琐、反馈滞后等因素，难以实现对全部切缘的实时覆盖与精确判读
[1]。与此同时，射频、微波与高强度聚焦超声等能量外科技术不断推进，术中还需对切缘位置、能量沉积分布、坏死区边界的精确识别
[2]。因此患者特异性的组织物理学参数十分重要，它既支撑快速的边界判别，也关系到个体化的消融能量处方，已成为精准外科的重要研究方向。
在此背景下，生物组织的介电特性测量为实现术中组织病理状态的快速判别提供了一个可行的新路径。生物组织的介电特性是电磁能量在组织内的传播、吸收与转化的基础物理量，其参数特征直接决定了电磁信号在组织中的穿透深度和成像对比度等关键指标，不同类型的组织、正常组织与病变组织间存在显著的介电特性差异，这一特点奠定了介电特性在外科手术中快速甄别组织病理状态、实现手术切缘精准判定等方面应用的基础。20世纪90年代，Gabriel等
[3-5]就建立了经典电磁波特性数据库，系统性整理了常见组织在10 Hz ~ 20 GHz频段的电磁特性数据库。此后，围绕乳腺、胃肠、肝脏和脑组织的扩展测量与参数化建模不断推进。研究发现，在良性、恶性或不同类型组织之间存在着可用于判别与建模的稳定差异
[6]。目前，介电特性测量在外科推广应用中展现出3个方面的价值：(1)手术切缘评估的精准导航判断，多中心研究提示射频光谱设备(如Marginal Probe设备)可降低再切除率，可作为标本X线与冰冻切片的补充；(2)在能量外科的个体化处方制定中，鉴于消融效果依赖于电学与热学参数，通过结合患者组织介电特性的个体差异来优化功率、时间及天线布局，有助于提升疗效、缩短手术时间并降低复发风险；(3)在术前规划与术后评估的整合应用方面，磁共振电特性成像(magnetic resonance electrical properties tomography，MR-EPT)适用于在体成像，可应用于脑部疾病的术前规划及术后评估等临床场景，电阻抗谱(electrical impedance spectroscopy，EIS) (如Nevisense设备和 ZedScan设备等)则在皮肤和宫颈病变的监测与分诊中应用前景良好。
本文综述了生物组织介电特性主流测量方法在外科手术过程中的应用进展，剖析其临床应用现存的核心问题，并结合安全规范与未来趋势，探讨介电特性测量中数据库建设、人工智能与多模态融合以及大规模验证的必要性，为其在外科诊疗中的规范化应用和临床转化提供参考。
1 生物组织介电特性测量在外科手术中的应用现状
生物组织的介电特性是反映细胞结构、含水量及病理状态的基础物理量，也是电磁能量在组织中传播与吸收的关键参数，良恶性及不同类型组织间的介电特性存在稳定可区分的差异，为外科手术的精准化提供了重要依据；目前主流的测量技术主要有以下4类(
表1)，开口同轴探头法结构紧凑、响应迅速，是应用最广泛的技术，适合术中实时点测
[7-8]。波导与传输线法主要适用于离体组织样本测量，能为数据库建设和电磁仿真提供可靠基准。EIS通过分析多频阻抗变化解析组织信息，多款设备已商品化，适配术前筛查与术中辅助判断。MR-EPT为非侵入式技术，可重建组织介电常数三维分布，适合在体成像与术前规划、术后评估，目前仍处于临床研究阶段；基于这些测量技术的介电特性检测，已在外科领域实现多方面应用，既可为乳腺癌保乳术等手术提供切缘评估的精准导航，降低再切除率，也能为肝癌、肺癌等的射频/ 微波消融提供患者特异性介电参数，助力能量外科个体化处方制定，还可通过 MR-EPT、EIS等技术实现脑部、皮肤、宫颈等部位病变的术前规划、筛查及术后疗效监测与随访，同时相关测量数据也为外科领域的标准化数据库建设、人工智能建模提供了关键支撑。
1.1 手术切缘评估的精准导航判断
乳腺癌是全球女性最常见的恶性肿瘤之一，保乳手术已成为主流治疗方式。手术的关键在于获得阴性切缘。根据《中国早期乳腺癌保乳手术临床实践指南(2022年版)》
[9]，规范化保乳术可降低再切除率，但传统依赖冰冻切片仍存在再切除率高达20% ~ 30%的问题。在此背景下，基于介电特性的术中快速检测逐渐进入临床研究中。2023年，Mokhtari等
[10]采用开口同轴探头技术，对超过60例乳腺样本进行了检测，结果显示，该方法在评估乳腺肿瘤切缘时，灵敏度和特异性分别达到94.7%和83.1%。2023年，Meani等
[11]采用EIS对105例离体乳腺癌样本进行电阻抗谱检测，结果显示能够很好地区分健康和癌症组织(
AUC=0.800)，可作为乳腺癌切缘评估工具和冰冻切片前的补充工具
[12]。
在临床应用方面，目前已有 Marginal Probe设备，利用开口同轴探头方式基于射频电学特性差异实现乳腺癌术中切缘判定，通过探头实时测量组织切缘的电学参数，并与数据库数据进行比对，从而输出“可疑/阴性”提示结果。Marginal Probe作为乳腺癌保乳手术中乳腺肿瘤切缘恶性组织扫描工具，在优化成本和降低二次切除率方面具有很好的潜力，2023年，Gilmore等
[13]通过成本最小化模型分析表明，在保乳手术中使用Margin Probe设备系统比全腔削切能为支付方节约1 061美元/例。2023年，Rossou等
[14]的一项系统性综述纳入12项研究共2 680例患者，结果表明，在乳腺癌保乳手术中，使用MarginProbe系统可使患者再切除率显著降低54.68%，同时不会对乳房美学外观或切除组织体积产生显著负面影响。
1.2 能量外科的个体化处方制定
肝癌是全球常见的恶性肿瘤之一，在局部消融方面，射频消融(radiofrequency ablation，RFA)/微波消融(microwave ablation，MWA)已列入指南推荐
[15]。介电特性是射频消融、微波消融等能量消融技术的物理基础，因此，准确获取目标区及周围关键组织结构的介电参数，是建立消融模型和制定合理能量处方的前提。
研究表明，采用患者自身组织的介电特性预测模型来指导微波消融治疗，对于提升疗效、改善患者预后起着关键作用
[16]。2024年，Heshmat等
[17]开发了基于患者自身组织的介电特性三维模型的微波消融仿真，对3例肝肿瘤患者的消融区进行预测，结果显示其预测模型与临床消融区的Dice相似性系数分别达0.73、0.86和0.80，优于厂商预测模型。目前该技术尚处于临床研究阶段。若不校正温度效应，将严重影响能量沉积模型的精确性
[18-19]。在实验记录中同步记录温度并建立修正曲线，以提高预测准确性，2020年，Fallahi等
[20]采用开口同轴探头技术，在500 MHz ~ 6 GHz频段测量了离体牛肝组织在20 ~ 130℃下的介电特性，并建立了随温度和热剂量变化的参数模型，为微波消融模拟与监测提供了关键数据基础。
对于无法耐受手术切除的早期非小细胞肺癌患者，RFA/MWA正逐渐成为重要微创替代方案。2019年，Sebek等
[21]采用开口同轴探头法，在500 MHz ~ 6 GHz频段测量了离体猪/牛正常肺组织31 ~ 150℃的宽带介电特性，建立了温度-频率双依赖的分段线性参数模型并量化了组织介电特性的变异性，为肺肿瘤微波消融的计算模型与设备研发提供了关键参数支撑。因此，在局部消融或切除时，联动温度依赖与异质性因素的动态校正，更有利于形成可执行、可验证的个体化处方。
1.3 术前规划与术后评估的整合应用
脑组织的电学特性对灰质、白质和病变组织有显著差异。MR-EPT是一种非侵入式重建生物组织电导率和介电常数三维分布的新兴技术。将MR-EPT与常规MRI联合使用，实现更贴近病理实质的多模态分析。无需侵入或接触组织即可估算电学参数，因而非常适合在体成像，应用于术前规划和术后评估等临床场景。
近年来，MR-EPT逐步证实，组织电导率的空间分布与多类脑部疾病高度相关，在脑肿瘤方面，MR-EPT可以区分良恶性肿瘤，提供独特的组织电导率信息，能显著提高对胶质母细胞瘤治疗后进展的诊断准确性。2021年，Lesbats等
[22]在大鼠胶质母细胞瘤模型中建立了MR-EPT电学成像流程，结果显示电导率图能够提供区别于常规结构像/扩散参数的独特对比度，用于描绘肿瘤内部异质性及其动态演变，该研究提示，肿瘤电导率分布有望为术前评估病灶范围提供补充信息；同时在术后或治疗后随访中进行定量对照，用于疗效监测与复发/进展风险评估。2023年，Jung等
[23]提出MR-EPT电导率重建方法，并在3例脑膜瘤患者中按术中一致性分为“软质”(2例)与“硬质”(1例)，初步发现软质脑膜瘤电导率高于硬质，该结果提示，MR-EPT电导率信息可为术前肿瘤软硬度评估与切除策略制定提供补充量化指标，并可作为术前“电学基线”用于术后随访对照。
对于癫痫病灶，MR-EPT可用于术前评估，精确地划定致痫区，2024年，Lagarde等[24]提出一种基于立体脑电图低强度脉冲刺激与生物物理模型的新方法，对16例药物难治性局灶性癫痫患者进行MR-EPT脑组织电导率在体估计，研究结果显示，癫痫灶的电导率显著低于非癫痫灶，且与癫痫发生指数呈负相关。该方法为术中精准定位癫痫灶及理解其病理生理机制提供了新的电学生物标志物，2021年，Kim等[25]采用MR-EPT技术对NMDA诱导的癫痫大鼠脑损伤进行研究，结果表明，该方法可非侵入性地识别海马区神经元损伤与电导率下降的关联。
在神经退行性病变中，MR-EPT可通过测量组织电导率的变化来帮助早期识别和纵向随访，2022年，Park等[26]采用MR-EPT技术，对74例参与者的脑部进行研究，其结果表明，岛叶高频电导率值区分阿尔茨海默病患者与认知正常者的灵敏度和特异性分别达到82%和97%，该研究提示，MR-EPT所提供的电导率信息既可在临床症状明确前用于风险分层与干预策略制定的“前置评估”，也可作为个体化“电学基线”在随访中追踪电导率变化以监测疾病进展与治疗反应，从而形成“规划—评估”的整合应用路径。
近年来，EIS技术在外科与筛查环节展现出可观潜力，已有基于该技术研制的设备进入临床阶段。乳腺筛查方面，2022年，Gatabi等[27]通过系统回顾与荟萃分析，综合了12项研究共计5 487例乳腺癌患者电阻抗断层成像的检测数据，其结果表明，乳腺癌检测的总体灵敏度为75.88%，特异性为82.04%，可作为传统影像学的补充。皮肤外科领域，Nevisense设备对黑色素瘤的检测，显示出对早期病变的优良灵敏度[28]，有助于术中边界判断与降低漏诊，2024年，Hartman等[29]采用Nevisense设备，对311例参与者的440处皮肤病变进行了多中心前瞻性研究，其结果表明，该设备检测黑色素瘤的灵敏度为95.5%。妇科方面，ZedScan设备用于宫颈病变筛查与术中辅助判断，可显著提升 CIN2+病变的检出能力，2022年，Tidy等[30]采用ZedScan设备作为常规阴道镜的辅助工具，在9个欧洲国家的26个中心对5 257例女性进行了前瞻性研究，其结果表明，该技术使高级别宫颈上皮内瘤变的检出率提升了24%，并显著提高了阴道镜检查的敏感性(从74.1%提升至91.6%)。总体来看，EIS 作为一种“辅助诊断和分流”工具，能够优化活检取材并减少不必要活检，推动了精准诊疗的实现[31]。
2 介电特性测量在临床应用中存在的不足
介电特性测量已在切缘评估、消融处方建模及无创电学成像等场景中展现出潜在价值，但从“可测”到“可用”，仍需跨过临床落地的关键门槛：一是不同中心/不同设备间数据的一致性和标准化的不足，导致阈值难以迁移；二是术中环境复杂(温度、出血、接触压力、运动伪影)，对实时测量与判读提出更高要求；三是缺乏与外科决策链条相匹配的可视化呈现与循证证据。以下从标准化、实时性、流程融合与循证评价4个层面归纳当前主要挑战。
2.1 测量一致性与标准化不足
当前介电特性测量在外科临床应用中面临一致性和标准化不足两大核心问题。在一致性方面，不同研究中心在探头参数、接触压力与耦合控制、标定流程、频段选择以及建模算法上缺乏统一方案，导致结果可比性不强[32]，根本的原因是，很多规范沿用了实验室物理测量的思路，却缺少适配术中复杂环境的“临床化SOP”。以乳腺组织为例，跨实验室的介电常数曲线常出现幅值或形态差异，这既影响多中心研究的外推性，也削弱了数据库在临床端的可用性。尤其是，尚无公认的“最小数据集”标准，这一点已成为外科场景落地的关键瓶颈之一。在标准化方面，基金会标准化数据库(The Foundation for Research on Information Technologies in Society，IT’IS)搭建的生物组织介电特性标准化数据库，通过制定统一的测量规范与数据框架规范了研究流程，显著提升了多中心研究的数据一致性[33]。但样本量有限，且缺少按年龄、性别、体质量指数、病理状态等关键变量的系统分层。缺少疾病特异性与人群分层的数据支撑，难以真正服务个体化决策[34]，未来应建立标准化数据库与共享平台，统一数据格式和清晰的元数据框架，汇集多中心资料，并建立可控开放的共享机制。共享化数据平台不仅可提升参数对比的一致性，还可为人工智能建模提供大样本训练基础[35-36]。此外，设备的定期校准与核验同样关键，进入临床后，还需要一套简捷、可执行的电磁安全管理流程。因此，介电特性测量技术的外科临床应用，亟需制定适配术中场景的统一操作规范，搭建分层完善的标准化多中心数据库与共享平台，同时建立健全设备校准核验及电磁安全管理体系。
2.2 术中实时性不足
外科决策往往需要秒级(手术中切缘评估)到分钟级(消融规划)反馈，但不少技术尚难满足。开口同轴探头固然便捷，却对接触状态与环境噪声较敏感。MR-EPT虽能给出全器官电学图谱，但采集与反演耗时较长，不适合术中即时决策[37-38]。如何在精度与时效之间取得平衡，是当前必须直面的难题。
2.3 与外科流程的融合度不够
外科医师需要直观、迅速的反馈，但目前读数常以数值或频谱曲线呈现，尚未形成符合临床阅读习惯的可视化范式。以保乳术为例，术者更希望看到“可疑区域高亮”之类的图形提示，而非一组抽象的电学参数[39-40]。把数据转化为可操作的决策信息，仍是落地应用的关键一步。
2.4 循证医学证据不足
现阶段研究多为单中心、小样本探索。虽有Marginal Probe、EIT(T-SCAN 2000)、Nevisense、ZedScan等设备进入临床，但大规模随机对照试验有限，长期随访证据亦不足，故在多数指南中仍定位为辅助或探索性工具[41]。未来需要开展大样本、多中心随机对照试验，需通过验证其在替代性终点(如切缘阳性率、再切除率)和长期终点(如5年局部无复发生存率)上的改善效果。一旦形成充分证据，相关技术有望被写入乳腺癌、肝癌、肺癌等外科疾病诊疗指南，成为循证医学框架下的常规工具。
3 介电特性测量临床应用展望
未来介电特性测量技术的临床应用，将聚焦四大核心方向实现突破：通过人工智能与反演算法融合提升测量精度与可视化水平，借助传感单元与手术器械、导航系统的集成赋能术中精准决策，依托可穿戴与床旁设备拓展全周期监测场景，同时依靠跨学科协作打通“产学研医”创新链条，最终推动该技术走向规范化的外科临床实践。
3.1 人工智能与反演算法的融合
未来，人工智能可在两类关键任务中发挥作用：一是“反演加速与稳健化”，例如将物理模型(Maxwell/Helmholtz)约束与深度网络结合，形成PINNs，以减少噪声敏感性并提升 MR-EPT的重建效率；二是“多模态信息融合与临床可视化”，将介电参数与MRI、超声弹性、光学/核医学等影像共同建模，把抽象的电学读数转化为病灶高亮、风险分层或能量沉积分布等可操作提示[42-43]。需要强调的是，上述方向仍需在大样本数据、跨中心泛化、算法可解释性与实时算力约束等方面进一步验证与优化，方能支持规范化临床应用。
3.2 与手术器械和导航系统集成
当前，将介电特性测量探头与手术器械进行一体化集成正成为外科手术重要的研究方向。随着微型化技术与柔性电子技术结合的进步，使得传感单元可以以阵列的方式嵌入在手术刀、钳或导管表面，形成一种“面检测”的能力，从而快速地描绘出病变组织的分布范围。尤其是在热消融等场景中，这种集成设计还可通过导航系统将探头的测量信号与术中影像进行融合，直观显示出能量沉积区域与安全边界的动态变化。这种集成式设计有望提升外科手术中操作的直观性与控制精度，也有效减少外科医师在手术中复杂决策的判断负担[44-45]。
3.3 可穿戴与床旁测量
可穿戴与便携式设备的进步，让介电测量从实验室走到人身边。对术后随访的患者，可以用贴片或手持小设备按计划采集数据，居家也能完成监测。到床旁操作时，设备还能连续输出组织电学参数的变化曲线，给术者一个实时、可追踪的趋势参考。
3.4 跨学科协作
生物组织的介电特性测量涉及物理学基础研究、电子工程技术、医学影像学、临床外科学等多个专业。通过跨多个学科深度合作，在优化反演算法、改进探头设计、开展严谨的临床验证和推动指南共识等方面形成合力。未来的进展将源于“产学研医”融合创新的体系，让工程技术的突破精准对接临床需求，同时使外科手术中的发现快速反馈到实验室的基础研究中。
4 结语
生物组织介电特性的测量技术正从“实验室测量数据”走向“临床外科应用工具”。目前在乳腺癌保乳术中的切缘评估、肝癌和肺癌微波消融建模、皮肤与宫颈病变早期筛查、神经外科术前规划等领域已经展现出独特价值。当然，这项技术要真正广泛应用于临床，还需克服测量的一致性、术中决策的实时性和循证医学证据不足等挑战，未来研究可聚焦于标准化介电特性数据库建设、人工智能技术的赋能、多模态信息深度融合、与外科器械的一体化集成，以及大规模前瞻性临床研究。随着这些关键问题的逐步解决，介电特性有望在外科诊疗全流程中实现从“参数”到“决策”的重要跨越，成为精准外科手术的重要支撑。
国家自然科学基金项目(62476285)
国家重点实验室开放基金(EMC2024N001)
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