人體正常與腫瘤甲狀腺組織10 Hz～100 MHz間介電特性的對(duì)比研究

史學(xué)濤 周怡敏 季振宇 蔡占秀 尤富生 付 峰 董秀珍#*

1(空軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，西安 710032)2(濰坊醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濰坊 261053)

引言

甲狀腺癌是女性常見(jiàn)的惡性腫瘤之一。根據(jù)2018年美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，甲狀腺癌發(fā)病率目前已躍升至女性易發(fā)腫瘤的第5位，且在49歲以下女性浸潤(rùn)性癌癥患者中僅次于乳腺癌，占第二位，對(duì)女性的健康與生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-3]。早期發(fā)現(xiàn)與治療已成為提高該病治愈率的重要手段。傳統(tǒng)的甲狀腺癌診斷方法主要有超聲成像、細(xì)針穿刺活檢和X線CT掃描[4]，但這些方法或靈敏度和特異性有限，或有放射性損傷風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，需要探索新的、對(duì)人體無(wú)創(chuàng)且具有更高靈敏度和特異性的甲狀腺癌早期診斷法。

生物組織的介電特性是生物組織的被動(dòng)電性能，是組織對(duì)外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性的基礎(chǔ)。由于甲狀腺屬于人體表淺器官，如能掌握正常與病變甲狀腺組織介電特性差異，則一方面有望利用電阻抗掃描成像[6]等無(wú)創(chuàng)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)甲狀腺癌的檢測(cè)與篩查，從而提高甲狀腺癌治療效果；另一方面也有望在手術(shù)過(guò)程中，通過(guò)組織的介電特性測(cè)量與分析實(shí)現(xiàn)癌變與正常組織的快速區(qū)分，提高手術(shù)的效率。然而，從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀上看，關(guān)于生物組織介電特性的研究一般多針對(duì)動(dòng)物或人尸體中血液、肌肉等組織[7-10]，少有關(guān)于人體活性組織介電特性的研究報(bào)導(dǎo)[11-13]，更未見(jiàn)關(guān)于不同病變類型的甲狀腺介電特性的系統(tǒng)研究。因而本課題以人體活性甲狀腺組織為目標(biāo)，對(duì)從臨床上獲得的活性正常、良性腫瘤及癌變組織在10 Hz～100 MHz間的介電特性進(jìn)行了測(cè)量與分析，并在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，對(duì)各類組織的介電特性特征參數(shù)的分布范圍及相互間的差異進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自西京醫(yī)院血管內(nèi)分泌外科2012年1月～2017年10月行甲狀腺腫瘤切除術(shù)的甲狀腺病變患者，共計(jì)獲得135例可供介電特性測(cè)量的樣本。依據(jù)校倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，手術(shù)嚴(yán)格按照外科手術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)“人體生物醫(yī)學(xué)研究國(guó)際倫理指南”征得病人或家屬同意。

1.2 方法

介電特性測(cè)量在手術(shù)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，基于課題組前期建立的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量平臺(tái)[14]，通過(guò)兩電極法與四電極法相結(jié)合的方式，在37℃、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)測(cè)量組織在10 Hz～100 MHz頻段內(nèi)的介電特性[15]。測(cè)量的基本流程為：手術(shù)室取樣后，迅速將樣本轉(zhuǎn)移到37 ℃恒溫箱內(nèi)，無(wú)菌條件下對(duì)樣本進(jìn)行修剪、裝盒，并在樣本離體30 min時(shí)開(kāi)始介電特性測(cè)量，測(cè)量時(shí)間控制在10 min以內(nèi)。

10 Hz～100 MHz頻段涵蓋了生物組織的α、β兩個(gè)頻散區(qū)間，因此在介電特性建模分析中，采用含有兩個(gè)頻散區(qū)間的Cole-Cole模型進(jìn)行模型擬合與建模分析[16]。模型擬合公式為

(1)

式中，ρ*為組織的復(fù)電阻率，ρ∞為組織的高頻電阻率，δα和δβ分別為組織在α、β頻散區(qū)間的離散系數(shù)，fcα、fcβ以及Δρα、Δρβ則分別為這兩個(gè)區(qū)間的特征頻率以及電阻率差。建模方法采用課題組建立的分段最小二乘法[17]。為控制建模誤差，提高模型擬合的準(zhǔn)確性，依據(jù)下式對(duì)擬合殘差進(jìn)行評(píng)估，有

(2)

式中，fi為第i個(gè)測(cè)量頻率，ρ測(cè)與ρ擬分別為復(fù)電阻率測(cè)量值與擬合值。

測(cè)量結(jié)束后將樣本放入福爾馬林固定液中固定，送病理科進(jìn)行組織學(xué)檢測(cè)。最后，依據(jù)病理組織學(xué)檢測(cè)結(jié)果，將樣本分為正常組織、良性腫瘤和惡性腫瘤3組，進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)與分析。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13.0軟件實(shí)現(xiàn)：先進(jìn)行單向方差分析(one-way ANOVA)，如果方差齊，則使用方差相等的成組t檢驗(yàn)，如方差不齊，使用Cochran & Cox法分析。

2 結(jié)果

2.1 甲狀腺組織樣本分類

組織病理檢驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)樣本包括正常組織95例，癌組織19例(髓樣癌14例、乳頭狀癌5例)，良性腫瘤(濾泡性腺瘤)21例。其中正常組織樣本的病人年齡分布在23～78歲，14例髓樣癌樣本的病人年齡分布在41～57歲，5例乳頭狀癌樣本的病人年齡在25～32歲，21例濾泡性腺瘤樣本的病人年齡在36～53歲。圖1分別給出了甲狀腺正常組織、濾泡性腺瘤和髓樣癌樣本的病理檢測(cè)結(jié)果。從中可以看出：

圖1 不同類型甲狀腺組織的病理結(jié)果。(a)正常組織；(b)濾泡性腺瘤；(c)髓樣癌Fig.1 Pathological results of different types of thyroid tissues. (a) The normal; (b) Follicular neoplasia; (c) Medullary carcinoma

1)正常甲狀腺組織由濾泡和濾泡間結(jié)締組織構(gòu)成，濾泡由立方形的濾泡上皮細(xì)胞、少量的濾泡旁細(xì)胞和內(nèi)部的膠質(zhì)構(gòu)成。

2)濾泡性腺瘤薄膜完整、膜薄，腫瘤細(xì)胞大小一致，體積不大，排列整齊，間質(zhì)較少；細(xì)胞核大，染色質(zhì)多；濾泡內(nèi)充滿膠質(zhì)。

3)髓樣癌由濾泡旁細(xì)胞產(chǎn)生，瘤細(xì)胞形狀多樣，呈巢狀、束狀或片狀，間質(zhì)內(nèi)有淀粉樣物質(zhì)沉著。細(xì)胞核大、深染、形態(tài)不一，核質(zhì)比失常。

3種組織在細(xì)胞形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)方面均有著顯著差異。

2.2 甲狀腺組織介電特性分布

圖2分別給出了10 Hz～100 MHz區(qū)間內(nèi)3類甲狀腺組織的電導(dǎo)率、介電系數(shù)、電阻率實(shí)部與電阻率虛部測(cè)量數(shù)據(jù)的均值(分別用□、○、Δ等符號(hào)標(biāo)示)和模型擬合均值(分別用實(shí)線、線段和點(diǎn)線標(biāo)示)隨頻率的變化趨勢(shì)圖。從中可以看出，擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好，表明所建模型能較好體現(xiàn)對(duì)應(yīng)組織的介電特性。3種組織的電導(dǎo)率均隨頻率的增高而增大，相對(duì)介電系數(shù)和電阻率實(shí)部均隨頻率的增高而減小，電阻率虛部在1～100 kHz之間存在負(fù)向最大值。整體走勢(shì)上基本相同，呈現(xiàn)出較高的頻率依賴性。

2.3 正常和病變甲狀腺組織介電特性比較

從圖2所示的電導(dǎo)率頻譜可以看出，30 kHz之前，癌組織電導(dǎo)率最小，正常組織和良性腫瘤腫瘤組織非常接近；在30～50 kHz之間，3種組織電導(dǎo)率非常接近，在50 kHz以上，良、惡性腫瘤組織電導(dǎo)率均高于正常組織。電阻率實(shí)部曲線走勢(shì)與電導(dǎo)率相似，從電阻率虛部曲線上可以看出，惡性腫瘤組織整體上低于良性腫瘤，而良性腫瘤又低于正常組織。從介電系數(shù)曲線上看，3種組織未體現(xiàn)出規(guī)律性區(qū)別。

表1對(duì)比了正常組織、良性腫瘤與惡性腫瘤特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異及擬合殘差分布情況。為分析方便，參照多數(shù)文獻(xiàn)作法，取

ρ0=ρ∞+Δρα+Δρβ

(3)

代表直流時(shí)的電阻率。

從表1中可以看出：各類組織平均擬合殘差不足2%，擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度一致，效果良好。結(jié)果顯示：正常組織與惡性腫瘤組織的參數(shù)ρ0、fcα、fcβ和δβ存在顯著性差異，與良性腫瘤組織的參數(shù)ρ∞、fcα和δβ存在顯著性差異，而良、惡性腫瘤在ρ∞、ρ0、fcα、fcβ和δβ參數(shù)方面存在顯著性差異。因此，可以通過(guò)以上參數(shù)及其組合，實(shí)現(xiàn)甲狀腺組織性質(zhì)的區(qū)分與鑒別。

圖2 10 Hz～100 MHz間不同類型甲狀腺組織的介電特性。(a)電導(dǎo)率；(b)介電系數(shù)；(c)電阻率實(shí)部；(d)電阻率虛部Fig.2 Dielectric properties of different types of thyroid tissues from 10 Hz to 100 MHz. (a) The conductivity; (b) Dielectric coefficient; (c) Resistivity in real; (d) Resistivity in imaginary

表1 不同性質(zhì)甲狀腺組織介電特性特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of the dielectric properties of different types of thyroid tissues.

注：*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001與正常組比較；#P<0.05，##P<0.01，###P<0.001與良性腫瘤組比較。

Note：*P<0.05,**P<0.01 and***P<0.001, compared with the normal group;#P<0.05，##P<0.01 and###P<0.001, compared with the benign tumor group.

3 討論

介電特性是生物組織固有的物理特性之一，與組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、功能狀態(tài)密切相關(guān)。因而，諸如電阻抗斷層成像[18-19]、電阻抗掃描成像等基于生物組織介電特性的測(cè)量技術(shù)在重大疾病的篩查與早期檢測(cè)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但要最大限度發(fā)揮這些技術(shù)在疾病早期檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，還需要對(duì)相應(yīng)組織的介電特性，特別是正常與病變組織之間的介電特性差異有清楚的認(rèn)識(shí)。

根據(jù)Foster、Schwan、Pethig等的研究，生物組織一般存在α、β和γ這3個(gè)頻散區(qū)間。其中α區(qū)間主要反映細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞間質(zhì)中的帶電離子在細(xì)胞膜附近擴(kuò)散情況，而β區(qū)間主要與細(xì)胞器(如胞核)、大的蛋白質(zhì)分子等的極化相關(guān)，這兩個(gè)區(qū)間主要集中在10 Hz～數(shù)十MHz之間，且頻散現(xiàn)像最明顯。而γ區(qū)間主要與小分子化合物(如水分子)的極化相關(guān)，一般處在GHz以上頻段[20-21]。因而，在本研究中，基于甲狀腺病變組織的檢測(cè)與鑒別需求，重點(diǎn)研究10 Hz～100 MHz頻段內(nèi)相關(guān)組織的介電特性差異。

通過(guò)上述的研究結(jié)果可以看出：惡性腫瘤組織在低頻時(shí)，導(dǎo)電性能比其余兩類組織都差，但特征頻率明顯低于其余兩類。通過(guò)圖1所示的組織病理圖片和病變組織性質(zhì)分析可知，正常組織及良性腫瘤組織的細(xì)胞膜完整，細(xì)胞外間距相似，而癌變組織細(xì)胞密度顯著增高，其細(xì)胞間質(zhì)明顯少于前兩種組織，并存在間質(zhì)改變現(xiàn)象(有淀粉樣沉著)[22]。而組織低頻段的電導(dǎo)率主要由細(xì)胞間質(zhì)特性決定，間質(zhì)的減少和性質(zhì)的改變可能是癌變組織在低頻段電導(dǎo)率降低的主要原因。這也應(yīng)當(dāng)是表1中所示的正常與良性腫瘤組織的直流阻抗ρ0(主要反映細(xì)胞間質(zhì)屬性)無(wú)顯著性差異，而惡性腫瘤組織差異顯著的主要原因。

α頻段的特征頻率fcα主要與細(xì)胞膜電容及膜內(nèi)電阻乘積的倒數(shù)相關(guān)[16,23]。從圖1可以看出：正常甲狀腺組織中的濾泡較多，細(xì)胞密度相對(duì)較少，因而膜電容也相應(yīng)較小，導(dǎo)致其特征頻率最高；良性腫瘤組織中細(xì)胞密度明顯較正常組織增多，其膜電容成份也相應(yīng)增高，因而其特征頻率低于正常組織；惡性腫瘤組織細(xì)胞形態(tài)差異較大，大部分癌細(xì)胞體積較小，因而膜電容相對(duì)更大，其特征頻率更小。從表1所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，三者的fcα存在顯著性差異，與細(xì)胞形態(tài)學(xué)結(jié)果相一致。

ρ∞是組織的高頻電阻率，由膜外電阻與膜內(nèi)電阻并聯(lián)產(chǎn)生。從表1的對(duì)比結(jié)果上看，良性腫瘤組織的ρ∞顯著高于正常和惡性腫瘤組織，這可能與濾泡性腺瘤組織的細(xì)胞體積相對(duì)較小、膜內(nèi)電阻相對(duì)較大相關(guān)。從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，ρ∞是正常與良性腫瘤組織差異最顯著的介電特征參數(shù)。

β頻段的特征頻率fcβ主要與細(xì)胞核等核內(nèi)物質(zhì)相關(guān)[23]。從圖2可以看出，惡性腫瘤組織的細(xì)胞核顯著大于正常及良性腫瘤組織，且形態(tài)不一，核質(zhì)比失常。這應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)致其fcβ與后兩者差異顯著的主要原因。

離散系數(shù)δα與δβ可能與細(xì)胞形態(tài)、排列方式的一致性等相關(guān)，其產(chǎn)生的機(jī)制與具體的影響因素尚未見(jiàn)定論，因而本研究暫不做進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

甲狀腺組織的介電特性與組織的性質(zhì)、組織的微觀形態(tài)之間具有顯著的相關(guān)性，正常、良性與惡性病變的甲狀腺組織因細(xì)胞的性質(zhì)、形態(tài)與排列方式的不同，在10 Hz～100 MHz頻段內(nèi)呈現(xiàn)出介電特性差異。本研究通過(guò)大量的臨床樣本測(cè)量與分析，首次確定了正常及常見(jiàn)病變甲狀腺組織的介電特性特征參數(shù)分布范圍，并分析了這些參數(shù)差異產(chǎn)生的原因，使得基于介電特性的甲狀腺組織性質(zhì)快速判斷成為可能，也為相關(guān)的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。