基于弛豫时间分布的不可逆电穿孔定量评估方法

《Electrochemistry Communications》：Quantitative assessment method for irreversible electroporation based on the distribution of relaxation times

　　

研究人员使用弛豫时间分布（DRT）评估不可逆电穿孔（IRE）诱导的组织消融；DRT有效分离多个重叠过程；消融降低了DRT峰的峰面积和峰高；研究人员使用高斯过程回归（GPR）定量评估消融深度；四电极阻抗检测降低了接触阻抗效应。

**不可逆电穿孔定量评估方法研究：基于弛豫时间分布的阻抗谱分析**

**研究背景与问题**

不可逆电穿孔（IRE）是一种新兴的非热、纯物理消融技术，通过施加高压脉冲在细胞膜上形成不可逆亲水孔，诱导细胞死亡并实现宏观组织消融。由于IRE的非热机制，它避免了热消融固有的热沉效应，能够在保留邻近血管和神经结构完整性的同时实现精确的边缘控制，在肿瘤学应用中具有显著优势。然而，IRE诱导的细胞凋亡往往存在时间延迟，当前影像学和组织病理学方法难以在术中提供即时反馈，导致评估滞后。相比之下，组织阻抗在施加电场后立即变化，因此基于阻抗谱的术中监测具有高灵敏度和快速响应的特点，有望实现实时反馈以动态调整参数、优化消融范围并减少治疗不足或过度消融的风险。

等效电路模型（ECM）是解释阻抗谱的常用方法，但其有效使用依赖于足够的先验知识来指定合理的电路拓扑结构。在组织尺度上，膜充电时间常数是分布的，单一集总电容无法再现测量谱中的非理想特征（如“压扁半圆”），常需要引入恒相位元件（CPE），但CPE具有经验性且缺乏明确的微观物理解释。当先验知识不足时，电路选择具有主观性，且同一系统在不同操作条件下可能需要不同电路，同一组阻抗谱数据可能由多个电路获得相当好的拟合，导致不确定性。此外，多个过程具有相似时间常数时，其阻抗响应耦合，难以解析。

弛豫时间分布（DRT）方法提供了一种对结构先验假设依赖性较低的分析路径，将系统表示为准连续的R∥C基本单元组合，根据特征时间常数沿时间轴分离不同过程，具有较低的计算成本。DRT能直接识别主导时间常数，简化谱图解释，提高物理解释的保真度，并对强重叠的物理化学过程提供优越的分辨率和解耦能力。近年来，DRT在电池领域取得了快速发展，但据研究人员所知，其系统应用于IRE尚未见报道。

**研究目的与意义**

本研究将DRT引入IRE组织消融评估，并基于DRT开发了消融深度预测模型。采用马铃薯模型（广泛应用于电穿孔研究）进行实验验证，通过DRT反演提取消融前后阻抗谱的关键特征（峰面积、峰高、特征时间常数），识别与消融深度显著相关的指标，并训练高斯过程回归（GPR）模型预测消融深度。该方法可实现实时术中反馈，提供消融结果的定量评估，从而提高IRE的可控性和安全性，并为理解IRE机制提供时间尺度分辨的视角。论文发表在《Electrochemistry Communications》。

**主要关键技术方法（不超过250字）**

研究采用自主研发的脉冲源和基于AD5940平台的阻抗测量系统（10 Hz–200 kHz），结合柔性印刷电路工艺制备的多功能接触电极系统（聚酰亚胺基底，浸金表面处理），采用四电极法测量以降低接触阻抗效应。马铃薯（Solanum tuberosum）组织样本（17×17×5 mm³）作为体外模型。对阻抗谱首先进行Kramers–Kronig（K–K）有效性检验，再通过DRT反演（Tikhonov正则化，贝叶斯岭回归，RBF半高宽0.5十年，正则化参数λ=10^?3）提取峰面积、峰高和特征时间常数。采用距离相关（dCor）进行特征筛选，并使用高斯过程回归（GPR）建立DRT特征变化率与消融深度的映射模型，通过留一组交叉验证评估性能。

**研究结果**

**3.1. 测量数据的有效性**

所有阻抗谱经K–K检验，以χ²评估一致性。代表性数据集的χ²(Z)=5.23×10^?6，实部误差<0.5%，虚部误差<2.5%，无系统性频率漂移，表明数据质量良好，适合DRT分析。

**3.2. DRT反演参数选择**

通过L曲线法和贝叶斯抽样分析，选择正则化参数λ=10^?3和RBF半高宽=0.5十年，以在分辨率、稳定性和不确定性之间取得平衡。该参数下DRT重建与实验数据吻合良好，低频峰P4可能受有限频率窗口截断影响。

**3.3. 消融前后DRT特征表征**

Nyquist图显示双半圆特征，而DRT谱进一步解析出四个特征峰（P1–P4）。P1–P3对应Nyquist图中两个半圆，表明DRT能有效分离耦合的弛豫过程。消融后，DRT峰面积和峰高显著减小，特征时间常数发生偏移，且随脉冲幅度增加（75 V→125 V）变化趋势增强。不同样本间绝对DRT特征存在差异，但相对变化率（消融前后比值）一致性更好，因此采用相对变化率作为后续分析指标。

**3.4. 消融效应评估的参数提取**

计算四个峰（P1–P4）的峰面积率、峰高率和时间常数率与消融深度的距离相关系数。P2和P3对应的特征与消融深度相关性最强。P1–P3的时间常数相对变化为负（向更短时间常数移动），P3接近零（可能受边界效应影响）。峰高和峰面积相对变化一般为正（消融后减小）。这些趋势与膜穿孔引起的离子再分布一致：膜孔形成使细胞内高浓度离子泄漏至胞外，增加电导率，导致DRT峰面积和峰高减小。基于有限样本量和特征间相关性，采用平衡分组策略，每类保留一个最优特征组成最终特征集。

**3.5. 基于GPR的消融效应估计**

采用留一组交叉验证框架（14组，每组4次重复），每折仅用训练集进行特征筛选和模型训练。GPR模型达到R²=0.777，MSE=0.0099，大部分预测点落在±10%误差带内，优于线性回归基线。补充分析显示，特征组合A2、T3、H3（P2峰面积率、P3时间常数率、P3峰高率）在11折中被自动选中，具有高稳定性；使用该统一特征集时GPR模型R²=0.900，MSE=0.0045。

**讨论与结论**

本研究将DRT引入IRE组织消融评估，利用马铃薯模型和四电极测量建立了基于GPR的消融深度预测框架。DRT能有效分离Nyquist图中耦合的弛豫过程，消融后特征峰面积和峰高显著减小，与膜穿孔引起的离子再分布一致。通过距离相关特征筛选和留一组交叉验证，GPR模型实现了定量评估（MSE=0.0099），稳定特征集A2、H3、T3进一步提高了性能（MSE=0.0045）。

**研究结论部分翻译**：本研究将DRT引入IRE组织消融评估，并基于马铃薯模型和四电极测量开发了基于GPR的预测框架，将DRT特征映射至消融深度。实验结果表明，Nyquist图呈现两个半圆，而DRT谱进一步解析出四个峰，其中P1–P3对应Nyquist图中的两个半圆，表明DRT方法能有效分离相互耦合的电化学过程并提供更清晰的时间尺度信息。消融后特征峰面积和峰高显著减小，与膜穿孔诱导的离子再分布一致。在定量预测方面，采用基于距离相关的特征筛选，并通过严格的留一组交叉验证策略评估模型性能，GPR模型达到MSE=0.0099。此外，使用稳定统一特征集A2、H3、T3进行补充分析时，GPR模型MSE进一步降至0.0045，表明这些DRT特征与消融深度具有相对稳定的统计依赖性。总体而言，该方法能够实现消融结果的定量评估，提高IRE的可控性和安全性，并为未来的IRE研究提供基于DRT的时间尺度分辨视角。