新輔助化療后乳腺癌組織電阻抗特性測量方法及測量平臺研究

王瑞青，張偉，徐帆，史學濤，劉本源，季振宇

1.解放軍陸軍第82集團軍醫院 醫學工程科，河北 保定 071000；2.空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032

引言

乳腺癌是全世界女性最為常見的惡性腫瘤，其發病率和死亡率呈逐年升高的態勢[1]。乳腺癌新輔助化療（Neoadjuvant Chemotherapy，NAC）是對乳腺癌患者手術前進行的一種系統性的化學藥物治療[2]。NAC不僅可以縮減腫瘤大小，降低腫瘤分期，更重要的是人們可以根據其實際療效有望實現精準用藥[3-4]。目前臨床上用于NAC療效評價的影像技術主要有乳腺X線鉬靶、超聲、MRI等，雖然它們在很大程度上提高了療效評估的準確度，但也存在各自的局限性。乳腺電阻抗掃描（Electrical Impedance Scanning，EIS）成像技術是一種無創便捷、無輻射的功能成像技術，對乳腺癌組織功能狀態信息和癌灶區供血狀態變化信息具有檢測敏感的優勢[5-6]，為乳腺癌NAC療效評價提供了新思路。研究NAC作用后乳腺癌組織的電阻抗特性可為乳腺EIS成像技術應用于NAC療效評價提供數據支持和生物物理學基礎，具有重要的研究價值。

另外，生物組織電阻抗特性是組織在電磁場作用下的固有屬性，攜帶了大量的生理和病理信息[7]。國內外各研究小組對于乳腺組織阻抗特性的研究已經較為深入：早在1926年，Fricke等[8]測量了乳腺癌組織及癌周組織的阻抗特性；此后，各研究小組對正常乳腺組織、良性腫瘤組織和惡性腫瘤組織進行了阻抗測量[9-10]，結果表明：在各自的測量頻段內，與正常乳腺組織（腺體除外）和良性腫瘤組織相比，癌組織一般具有更高的電導率和相對介電常數。然而，目前尚未見到NAC后乳腺癌組織阻抗特性的系統研究。而由于NAC的有效作用和微創手術的趨勢會導致經手術獲取的乳腺癌組織樣本尺寸多數較小，可用于電阻抗測量的甚至是一些病理學檢查余下的邊角料[11]；有一些學者建立了乳腺癌動物模型，并開展了NAC作用下癌灶區變化的研究[12-13]，但因接種細胞的活性、化療藥物的作用等的綜合影響，導致實驗得到的乳腺癌組織樣本的長徑多數在5～10 mm之間。因此，若要對NAC作用后乳腺癌組織進行電阻抗測量，則需研究適用于小體積（長徑介于5～10 mm）生物組織的電阻抗測量方法與測量裝置。

本研究從搭建測量平臺入手，建立了一套完善的適用于小體積生物組織的電阻抗測量研究方法，以期為實現對NAC作用后乳腺癌組織的電阻抗測量提供理論基礎和平臺基礎。

1 小體積生物組織阻抗測量系統的建立

1.1 測量方法的選定

生物組織的阻抗特性具有頻率依賴性，而100 Hz～100 MHz頻段是生物組織發生α弛豫和β弛豫的頻率范圍，可顯著地反映生物組織的結構和病生理特性[14]。因此研究此頻段內的阻抗特性對于深入認識NAC作用后乳腺組織的生物物理學特性具有重要的意義。目前適用于此頻段的阻抗測量方法主要有終端同軸測量[15]、二電極法[16]和四電極法[17]等，但各自又存在各自的優勢與局限性。

終端同軸測量法能夠實現超寬頻段內的組織阻抗特性測量，在無創、在體測量上有著巨大的優勢，但是其要求待測組織樣本的尺寸在10 mm以上、厚度在5 mm以上。二電極法，即通過兩個電極施加電流作用于待測組織樣本，同時仍通過這兩個電極獲得電壓差的測量方法。該方法測量原理簡單，且能夠用于測量長徑在10 mm以下的組織樣本，但由于其在較低頻段（一般在kHz以下）產生的電極極化和電極與被測組織間的接觸阻抗的影響，會產生難以避免的測量誤差。四電極法包含兩對電極，其中一對電極（激勵電極）施加電流進入待測組織樣本，同時另一對電極（測量電極）位于兩激勵電極之間，測量得到待測部位的電位差。該方法雖然能夠較好地解決較低頻段（kHz以下）的電極極化和接觸阻抗等問題，但在較高頻段（1～100 MHz）下分布在引線上的雜散電感和電容又會對測量結果產生較大的影響。

由此，本研究綜合考慮測量的實際需求和各測量方法的優勢與局限性，選取二電極法作為NAC作用后乳腺癌組織電阻抗特性的測量方法。

1.2 測量平臺的建立

本研究所建立的阻抗測量平臺主要由容量可調的圓筒形測量盒、阻抗分析儀和溫度控制系統組成，總體框圖如圖1所示。

圖1 阻抗測量平臺框架圖

1.2.1 容量可調的圓筒形測量盒

考慮到獲得的NAC作用后乳腺癌組織樣本的大小不一且長徑多在5～10 mm之間，同時為了避免小體積組織樣本因不必要剪裁而產生的損耗，我們自行設計了容量可調的生物組織電阻抗特性測量盒（以下簡稱測量盒）如圖2所示。測量盒主體（圖2a中II）采用有機玻璃制成，中間有一直徑為3 mm、長度為12 mm的，用于放置待測組織的圓柱形空腔；測量盒兩側為測量盒蓋（圖2a中I），測量盒蓋上鑲嵌有銀質圓片狀電極（圖2a中III），直徑為10 mm，厚度為0.5 mm，其中一側測量盒蓋上的銀質圓片狀電極與一同為銀質材料的圓柱形連接桿（圖2a中IV），直徑3 mm，長12 mm相連。當兩側測量盒蓋扣緊于測量盒時，銀質圓柱形連接桿與兩側的銀質圓片狀電極緊密接觸。

實際測量過程中，將獲得的組織樣本適當修剪為直徑3 mm的圓柱形長條，隨后裝入測量盒內，移動連接桿以推動組織樣本向另一側移動，直至組織樣本與另一側的銀質圓片狀電極緊密接觸，此時利用游標卡尺測量得到測量盒盒體外側到測量盒蓋內側的距離L，即為裝入測量盒內的組織樣本的測量長度，詳見圖2b。

圖2 測量盒示意圖和實物圖

1.2.2 阻抗分析儀

阻抗分析儀選用美國安捷倫公司的4294A型精密阻抗分析儀。該分析儀基于自動平衡電橋原理，可對待測組件進行高精度、高效率的阻抗測量和分析，其在100 Hz～110 MHz頻段內的基本阻抗精度可達到±0.08%。在實際測量過程中，該分析儀通過配套的測量端子適配器和測試夾具16092A與裝載待測組織樣本的測量盒相連（圖3），從而避免了高頻下導線帶來的測量誤差。

圖3 Agilent 4294A阻抗分析儀系統

1.2.3 溫度控制系統

為了保持待測組織樣本的生物活性、減小測量誤差，本研究選用嬰兒培養箱作為待測組織樣本的溫度控制裝置如圖4所示。

圖4 溫度控制系統

1.3 數據的分析與處理

生物組織的電阻抗特性參數主要包括電導率σ和相對介電常數εr。生物組織電阻抗可以寫成公式(1)復阻抗形式[18]：

其中，Re和Im為實際測量得到的阻抗實部和虛部，也可以寫成公式(2)的復導納形式：

通過公式(1)～(2)，可以得到生物組織的電導率和相對介電常數，見公式(3)～(4)。

其中，f0為激勵信號頻率，ε0=8.85×10-12F/m為真空介電常數，L為待測組織測量長度，A為待測組織橫截面積。

2 測量平臺的測試

在阻抗測量領域，研究者一般使用NaCl溶液等對測量裝置進行標定[19]。由此，本研究首先使用了不同濃度的NaCl溶液對測量平臺的準確度和精度進行測試。然后利用該平臺對離體后的乳腺癌組織與癌周組織進行電阻抗測量，以進一步驗證測量平臺的可行性。

2.1 梯度濃度的NaCl溶液測量

選用濃度分別為0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.12、0.15和0.18 mol/L的NaCl溶液，這個濃度范圍內的NaCl溶液的電導率與文獻報道的乳腺癌組織的電導率[20-21]接近。準確度驗證時，固定樣品（NaCl溶液）長度為5 mm，測量不同濃度下NaCl溶液的電導率，并與Peyman等[22]研究提出的NaCl溶液的電導率理論值（表1）進行對比；測量精度驗證時，固定NaCl溶液的濃度，通過改變樣品長度L（4、6、8、10、12 mm），對系統的精度進行測試。每種條件下均測量5次，并取平均值作為每種條件下的測量值。最后根據測量值和理論值的相對誤差，來分析驗證測量方法的準確度和測量精度。

表1 不同濃度下NaCl溶液電導率的理論值

2.2 乳腺癌組織和癌周組織的電阻抗測量

研究對象：荷人乳腺癌的BALB/c裸鼠。其中，人乳腺癌細胞系選用T47D細胞，接種部位為裸鼠的腹股溝皮下。電阻抗測量：將裸鼠采用頸椎脫臼法逐一處死，迅速取出乳腺癌組織與癌周組織，并經簡單裁剪后裝入測量盒，隨后使用前述測量平臺測量得到不同頻率下的組織樣本的電阻值R和電抗值X（圖5），最后根據1.3中介紹的方法計算得到對應的電導率和相對介電常數。

圖5 裸鼠處死后取樣

3 結果

3.1 梯度濃度的NaCl溶液測量結果

利用不同濃度的NaCl溶液對本研究建立起的測量方法準確性的驗證結果如圖6所示。從圖6a中可以看出，在100 Hz～100 MHz頻段內，測量NaCl溶液得到的電導率與理論值的相對誤差（絕對值）最大出現在0.01 mol/L處（8.2%）；相對誤差（絕對值）隨著NaCl溶液濃度的上升而快速下降；當NaCl濃度上升到0.09 mol/L時，相對誤差（絕對值）降至1.7%，最后趨于平坦。NaCl溶液濃度較低（小于0.05 mol/L）時，測量結果的相對誤差（絕對值）偏大，這可能是由于當NaCl溶液濃度較低時，溶液自身的電導率數值過小，所以即使是因濃度偏差、測量誤差產生的數據浮動不大也會導致相對誤差（絕對值）較大。從圖6b中可以看出，當NaCl溶液濃度固定時，相對誤差隨著樣品長度的增加而逐漸減小，但均在5%以內；當樣品長度為6 mm時，隨著NaCl溶液濃度從0.03 mol/L升至0.12 mol/L，相對誤差從3.7%降至2.3%。

圖6 測量方法準確性的驗證結果

3.2 乳腺癌組織與癌周組織電阻抗測量結果

圖7描述了乳腺癌組織與癌周組織的電阻抗特性隨頻率的變化。從圖7a中可以看出，癌組織與癌周組織的電導率均隨著頻率的增加而增加；癌組織與癌周組織的電導率比值在 100 Hz～1 MHz 頻段內為 4.3～9.4，而在 1 MHz～100 MHz頻段內則為2.2～4.2。圖7b表明，癌組織與癌周組織的相對介電常數均隨著頻率的增加而逐漸減少；在所測頻段內，癌組織與癌周組織的相對介電常數的比值為3.0～6.3。

圖7 乳腺癌組織與癌周組織的電阻抗特性隨頻率的變化曲線

4 討論與結論

考慮到實驗環境的溫度和濕度會對生物組織的電阻抗特性產生影響[23-24]，本研究通過溫濕度控制系統將實驗環境的溫度控制在37 ℃，濕度控制在90%，最大程度上減少了溫濕度對測量結果的影響。

NAC的有效作用和微創手術的趨勢會導致經手術獲取的乳腺癌組織樣本尺寸多數較小，而100 Hz～100 MHz頻段是生物組織發生α弛豫和β弛豫的頻率范圍，包含了大量的病生理信息。由此，針對小體積生物組織樣本和寬頻段的電阻抗測量這一問題，Hesabgar等[25]提出了一種用于在低頻下（100 Hz～1 MHz）測量小鼠異種移植模型的體外組織樣品阻抗特性的測量方法，并建立了相應的測量裝置。但是，該裝置的測量電極為銅質電極，相比于銀質電極，其電極極化效應更加顯著[26]；此外，該裝置包含一定長度的導線，而分布導線上的雜散電感和電容則限制了其在較高頻段（1～100 MHz）的使用。本研究設計了可以裝載小體積生物組織（長徑介于5～10 mm）的容量可調的圓筒形測量盒，并基于二電極法搭建了測量平臺。對比以上設計，本研究具有以下優勢：測量盒采用滑竿式的設計，減少了小體積組織樣本因不必要剪裁而產生的損耗；測量電極選用導電性能良好的銀質電極，在一定程度上減少了電極極化效應對測量結果的影響；在實際的測量過程中，我們將測量盒經適配器和配套的夾具與阻抗分析儀直接相連，避免了導線的使用，從而在一定程度上減少了較高頻段下導線上的分布電容和雜散電感對測量結果的影響。本研究對測量平臺的精準性和可行性的測量結果表明，該平臺可實現100 Hz～100 MHz頻段內、長度為5～10 mm的小體積生物組織阻抗特性的準確測量，進而為后續進行NAC后乳腺癌組織電阻抗特性的測量和計算提供了平臺和理論基礎。