【摘要】 目的 研究人体乳腺癌浸润部位对其电阻抗频谱特性的影响，为乳腺电阻抗扫描成像仪器检查结果中出现“暗区”现象提供实验依据和基础数据。 方法 依据乳腺癌浸润部位不同分为2组：浸润到脂肪组和浸润到腺体组，采用英国Solartron公司1255B型频响分析仪，四电极法离体测量组织电阻抗频谱特性，测量频率1 Hz~1 MHz。采用非线性曲线拟合的方法得到colecole模型参数。结果 从电阻抗特性实部看，浸润到脂肪组中乳腺癌的电阻率大大低于周围脂肪组织；而浸润到腺体组的乳腺癌组织的电阻率高于周围腺体组织；从电阻抗特性虚部看，各种测量组织的特征频率有所不同：脂肪组织的特征频率在1 kHz左右，乳腺癌组织在200 k~300 kHz；腺体组织为2 k~3 kHz。结论 无论是测量数据还是模型参数，乳腺癌及其周围组织的电阻抗特性存在显著性差异，同时发现癌组织浸润的部位不同，其差异有所不同。

【关键词】 阻抗频谱；乳腺癌；电阻抗特性;电阻抗扫描

Influence of Breast Cancer Infiltration Locations on Multifrequency Impedance Characteristics.

LIAO Qimei, DONG Xiuzhen, FU Feng, CHEN Guangsheng, YAN Yan, ZHANG Juliang, LING Rui, QI Jiaxue, GUO Qingxia.

Abstract: Objective To study the influence of breast cancer infiltration sites on multifrequency impedance characteristics and provide some basic data and experimental basis of the “dark spots” on the images of breast cancer in electrical impedance scanning (EIS). Methods According to the locations, the infiltrations were divided into two groups: i.e. infiltration into fat tissue and that into the mammary gland. Model 1255 B impedance/gainphase analyzer of Solartron Company was used to facilitate the fourelectrode measuring method by which the multifrequency impedance characteristics of breast cancer and their surrounding tissues were measured in vitro. The measurements were made with frequencies from 1 Hz to 1 MHz. ColeCole parameters were calculated by nonlinear curve fitting using computer program. Results From the real parts of impedance characteristics, it was found that the resistivity of the breast cancer was remarkably lower in the infiltrated fat tissue than in their surrounding fat tissues whereas the resistivity of the cancer is remarkably higher in the infiltrated mammary gland than in their surrounding gland tissues. From the imaginary parts of impedance characteristics, differences existed in the characteristic frequencies. In fat tissues, the frequency was about 1 kHz, the frequency of the breast cancer was 200 k~300 kHz and that of the mammary gland tissues was 2 k~3 kHz. Conclusion There are significant differences between the breast cancer and their surrounding tissues in both measured and modeled data. Further analysis showed that the significant differences in impedance characteristics of the surrounding tissues are in connection with the locations infiltrated by the tumor.

Key words:impedance spectroscopy; breast cancer; electrical impedance characteristics; electrical impedance scanning

Address reprint requests to:DONG Xiuzhen.Department of Medical Electronic Engineering, Faculty of Biomedical Engineering,The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032,China

生物组织的阻抗频谱测量技术是近十年来发展迅速的一种技术，所谓阻抗频谱（impedance spectroscopy）是指生物组织复电阻抗中，阻性成分和容性成分的值随驱动电压或电流的频率发生变化的特性，这种特性主要依赖于组织的构成、结构、脂肪和水的含量，并会随着组织病理状态的不同而发生改变，因而组织中由于肿瘤而引起的变化会反映在组织电阻抗的变化中。所以生物组织的电阻抗特性引起了诸多学者的广泛关注。

乳腺癌是妇女常见的发病率颇高的恶性肿瘤之一，研究乳腺组织的电阻抗频谱特性不仅对于乳腺癌的早期辅助诊断有重要意义，而且对于手术预后也有重要的指导意义。正是基于这点，国外从上世纪80年代开始进行乳腺组织电阻抗频谱测量，其中有两位学者的研究颇具代表性，一位是加拿大学者Surowiec［1］，他在20 kHz~100 MHz频率范围内测量并比较了乳腺癌中心区域组织、癌边缘组织和正常组织的电阻抗频谱特性，结果表明癌组织的电导率σ和介电常数ε高于正常组织；另一位是法国学者Jossinet［23］，他于1996年测量了6组不同的乳腺组织，结果显示乳腺癌组织的电阻率低于皮下脂肪组织和结缔组织，高于纤维腺瘤；正常组织（腺体组织）和良性病变组织（腺病和纤维腺瘤）的电阻率没有显著差异。这两位学者的成果为乳腺电阻抗扫描（electrical impedance scanning，EIS）成像系统的研究奠定了实验基础。

我们在使用本课题组自主研发的EIS系统对妇女进行乳腺检查时发现，我国妇女的EIS成像结果与西方女性有差别。而乳腺组织电阻抗频谱特性国内尚未见研究报道，这提示我们有必要研究我国女性乳腺组织电阻抗频谱特性。针对乳腺癌存在不同的浸润部位，我们展开了以下的研究。

按乳腺癌浸润的部位对52名乳腺癌患者进行分组，分别测量各患者的乳腺癌及其周围组织的电阻抗频谱特性，用最小二乘法提取了测量组织的电阻抗特征参数，并对测量数据和特征参数进行了统计学分析，结果显示癌组织和周围组织的电阻抗频谱特性存在显著性差异，而且癌组织浸润的部位不同，差异也有所不同。

生物阻抗测量原理生物组织含有大量不同形状的细胞,这些细胞之间的液体可视为电解质。因此,当直流或低频电流施加于生物组织时,电流将以任意一种可能的方式绕过细胞,主要流经细胞外液;当施加于生物组织电流的频率增加,细胞膜电容的容抗减小,一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液。所以生物组织的低频阻抗较大而高频阻抗较小,阻抗值由大到小的过渡恰好反映了生物组织细胞膜的电容性质。

图1 生物组织复电阻率复平面轨迹图（略）

Fig.1 Impedivity locus of the tissue on the complex plane

生物组织电阻抗频谱特性的轨迹是复平面上的一段圆弧（如图1所示，图中虚轴值取为-ρx，以便图像画在第一象限中），研究中经常采用Cole在1940年总结出来的经验公式：ρ*=ρ∞+ρ0-ρ∞1+（jf/fc)α(1)

其中ρ0为直流时的电阻率，ρ∞为频率无穷大时的电阻率，α为散射系数(dispersion parameter)，fc为组织的特征频率（即虚部达到最大值时对应的频率）。由图1我们可以看到，生物组织电阻抗频谱特性的一般规律是随着频率的增加，阻抗的实部在减小，而虚部是一个先增大，再减小的过程。当虚部达到最大值时所对应的频率就称为特征频率。
生物组织的阻抗特性可由特征参数ρ0、ρ∞、α和fc描述。对于不同的组织，特征参数各不相同；而同一种组织，病理状态不同，特征参数也会有差异，因此这些特征参数可以作为区分不同的正常组织或正常组织和病理组织的判别依据。

在实验中通过频响分析仪Solartron 1255B得到的是测量组织的复阻抗R*，考虑测量组织的几何尺寸，可以计算出测量组织的复电阻率ρ*，见公式（2）。ρ*=SLR*(2)

其中：S为测量组织的横截面积；L为测量组织的长度。

方法

标本收集 用于阻抗频谱测量的标本取自52名乳腺癌患者在西京医院外科行乳腺手术切下的新鲜组织，一般术后10 min内得到标本。从外观上将这些组织初步分成两组：第一组称为浸润到脂肪组，其特点是中心为质硬包块，周围包裹着黄色的脂肪组织；第二组称为浸润到腺体组，特点是中心为质硬包块，周围附带灰白色质韧组织。样本分组最终是根据病理石蜡切片诊断为依据：第一、二组的质硬包块为乳腺浸润癌，第一组的黄色组织为脂肪组织，第二组的灰白色质韧组织为腺体组织。第一组取到样本84个，第二组取得样本60个。对样本不做任何处理，按测量盒尺寸修剪好后直接测量。 测量系统 测量系统主要由银电极、样本测量盒、阻抗分析仪、数据采集板、PC机等几部分构成。其中阻抗分析仪采用Solartron 1255B 频率响应仪和与其相连的Impedance Interface 1294，通过接口卡和数据线与计算机相连。样本测量盒采用有机玻璃制作，分为上下两部分，分别凿出直径为6 mm的半圆柱槽，两部分合拢后就拼为直径6 mm的圆柱体，将离体组织修剪成圆柱体置于其间。测量电极为直径1 mm的自制针状银电极，间距为4 mm，驱动电极用不锈钢板状电极，间距12 mm（图2）。

图2 测量盒示意图（略）

Fig.2 Measuring device

为了屏蔽外界干扰，尤其是电磁干扰，测量时需要罩上自制的铜网。

测量方法 电阻抗频谱的测量采用四电极法，测量频率范围1 Hz~1 MHz，采用对数形式取测量点，共37个测量点，测量时间约2 min。测量温度20℃。〖HTH]统计学处理 采用SPSS软件（11.0版本）分别对各组样本中的两组组织在1 Hz～1 MH