人体正常与肿瘤甲状腺组织10 Hz～100 MHz间介电特性的对比研究

史学涛 周怡敏 季振宇 蔡占秀 尤富生 付 峰 董秀珍#*

1(空军军医大学生物医学工程学院，西安 710032)2(潍坊医学院生物科学与技术学院，山东 潍坊 261053)

引言

甲状腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一。根据2018年美国癌症协会统计数据，甲状腺癌发病率目前已跃升至女性易发肿瘤的第5位，且在49岁以下女性浸润性癌症患者中仅次于乳腺癌，占第二位，对女性的健康与生命安全构成了严重威胁[1-3]。早期发现与治疗已成为提高该病治愈率的重要手段。传统的甲状腺癌诊断方法主要有超声成像、细针穿刺活检和X线CT扫描[4]，但这些方法或灵敏度和特异性有限，或有放射性损伤风险[5]。因此，需要探索新的、对人体无创且具有更高灵敏度和特异性的甲状腺癌早期诊断法。

生物组织的介电特性是生物组织的被动电性能，是组织对外加电磁场的响应特性的基础。由于甲状腺属于人体表浅器官，如能掌握正常与病变甲状腺组织介电特性差异，则一方面有望利用电阻抗扫描成像[6]等无创测量技术，实现甲状腺癌的检测与筛查，从而提高甲状腺癌治疗效果；另一方面也有望在手术过程中，通过组织的介电特性测量与分析实现癌变与正常组织的快速区分，提高手术的效率。然而，从国内外的研究现状上看，关于生物组织介电特性的研究一般多针对动物或人尸体中血液、肌肉等组织[7-10]，少有关于人体活性组织介电特性的研究报导[11-13]，更未见关于不同病变类型的甲状腺介电特性的系统研究。因而本课题以人体活性甲状腺组织为目标，对从临床上获得的活性正常、良性肿瘤及癌变组织在10 Hz～100 MHz间的介电特性进行了测量与分析，并在数学建模的基础上，对各类组织的介电特性特征参数的分布范围及相互间的差异进行了统计分析。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究数据来自西京医院血管内分泌外科2012年1月～2017年10月行甲状腺肿瘤切除术的甲状腺病变患者，共计获得135例可供介电特性测量的样本。依据校伦理委员会批准，手术严格按照外科手术操作标准，并依据“人体生物医学研究国际伦理指南”征得病人或家属同意。

1.2 方法

介电特性测量在手术室现场进行，基于课题组前期建立的标准化测量平台[14]，通过两电极法与四电极法相结合的方式，在37℃、规定的时间内测量组织在10 Hz～100 MHz频段内的介电特性[15]。测量的基本流程为：手术室取样后，迅速将样本转移到37 ℃恒温箱内，无菌条件下对样本进行修剪、装盒，并在样本离体30 min时开始介电特性测量，测量时间控制在10 min以内。

10 Hz～100 MHz频段涵盖了生物组织的α、β两个频散区间，因此在介电特性建模分析中，采用含有两个频散区间的Cole-Cole模型进行模型拟合与建模分析[16]。模型拟合公式为

(1)

式中，ρ*为组织的复电阻率，ρ∞为组织的高频电阻率，δα和δβ分别为组织在α、β频散区间的离散系数，fcα、fcβ以及Δρα、Δρβ则分别为这两个区间的特征频率以及电阻率差。建模方法采用课题组建立的分段最小二乘法[17]。为控制建模误差，提高模型拟合的准确性，依据下式对拟合残差进行评估，有

(2)

式中，fi为第i个测量频率，ρ测与ρ拟分别为复电阻率测量值与拟合值。

测量结束后将样本放入福尔马林固定液中固定，送病理科进行组织学检测。最后，依据病理组织学检测结果，将样本分为正常组织、良性肿瘤和恶性肿瘤3组，进行分类统计与分析。统计分析采用SPSS 13.0软件实现：先进行单向方差分析(one-way ANOVA)，如果方差齐，则使用方差相等的成组t检验，如方差不齐，使用Cochran & Cox法分析。

2 结果

2.1 甲状腺组织样本分类

组织病理检验结果显示，实验样本包括正常组织95例，癌组织19例(髓样癌14例、乳头状癌5例)，良性肿瘤(滤泡性腺瘤)21例。其中正常组织样本的病人年龄分布在23～78岁，14例髓样癌样本的病人年龄分布在41～57岁，5例乳头状癌样本的病人年龄在25～32岁，21例滤泡性腺瘤样本的病人年龄在36～53岁。图1分别给出了甲状腺正常组织、滤泡性腺瘤和髓样癌样本的病理检测结果。从中可以看出：

图1 不同类型甲状腺组织的病理结果。(a)正常组织；(b)滤泡性腺瘤；(c)髓样癌Fig.1 Pathological results of different types of thyroid tissues. (a) The normal; (b) Follicular neoplasia; (c) Medullary carcinoma

1)正常甲状腺组织由滤泡和滤泡间结缔组织构成，滤泡由立方形的滤泡上皮细胞、少量的滤泡旁细胞和内部的胶质构成。

2)滤泡性腺瘤薄膜完整、膜薄，肿瘤细胞大小一致，体积不大，排列整齐，间质较少；细胞核大，染色质多；滤泡内充满胶质。

3)髓样癌由滤泡旁细胞产生，瘤细胞形状多样，呈巢状、束状或片状，间质内有淀粉样物质沉着。细胞核大、深染、形态不一，核质比失常。

3种组织在细胞形态、组成结构方面均有着显著差异。

2.2 甲状腺组织介电特性分布

图2分别给出了10 Hz～100 MHz区间内3类甲状腺组织的电导率、介电系数、电阻率实部与电阻率虚部测量数据的均值(分别用□、○、Δ等符号标示)和模型拟合均值(分别用实线、线段和点线标示)随频率的变化趋势图。从中可以看出，拟合曲线与实测数据一致性较好，表明所建模型能较好体现对应组织的介电特性。3种组织的电导率均随频率的增高而增大，相对介电系数和电阻率实部均随频率的增高而减小，电阻率虚部在1～100 kHz之间存在负向最大值。整体走势上基本相同，呈现出较高的频率依赖性。

2.3 正常和病变甲状腺组织介电特性比较

从图2所示的电导率频谱可以看出，30 kHz之前，癌组织电导率最小，正常组织和良性肿瘤肿瘤组织非常接近；在30～50 kHz之间，3种组织电导率非常接近，在50 kHz以上，良、恶性肿瘤组织电导率均高于正常组织。电阻率实部曲线走势与电导率相似，从电阻率虚部曲线上可以看出，恶性肿瘤组织整体上低于良性肿瘤，而良性肿瘤又低于正常组织。从介电系数曲线上看，3种组织未体现出规律性区别。

表1对比了正常组织、良性肿瘤与恶性肿瘤特征参数的统计学差异及拟合残差分布情况。为分析方便，参照多数文献作法，取

ρ0=ρ∞+Δρα+Δρβ

(3)

代表直流时的电阻率。

从表1中可以看出：各类组织平均拟合残差不足2%，拟合数据与实测数据高度一致，效果良好。结果显示：正常组织与恶性肿瘤组织的参数ρ0、fcα、fcβ和δβ存在显著性差异，与良性肿瘤组织的参数ρ∞、fcα和δβ存在显著性差异，而良、恶性肿瘤在ρ∞、ρ0、fcα、fcβ和δβ参数方面存在显著性差异。因此，可以通过以上参数及其组合，实现甲状腺组织性质的区分与鉴别。

图2 10 Hz～100 MHz间不同类型甲状腺组织的介电特性。(a)电导率；(b)介电系数；(c)电阻率实部；(d)电阻率虚部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 不同性质甲状腺组织介电特性特征参数统计结果Table 1 Statistical results of the dielectric properties of different types of thyroid tissues.

注：*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001与正常组比较；#P<0.05，##P<0.01，###P<0.001与良性肿瘤组比较。

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 讨论

介电特性是生物组织固有的物理特性之一，与组织的形态结构、功能状态密切相关。因而，诸如电阻抗断层成像[18-19]、电阻抗扫描成像等基于生物组织介电特性的测量技术在重大疾病的筛查与早期检测方面有着独特的优势，但要最大限度发挥这些技术在疾病早期检测方面的优势，还需要对相应组织的介电特性，特别是正常与病变组织之间的介电特性差异有清楚的认识。

根据Foster、Schwan、Pethig等的研究，生物组织一般存在α、β和γ这3个频散区间。其中α区间主要反映细胞质与细胞间质中的带电离子在细胞膜附近扩散情况，而β区间主要与细胞器(如胞核)、大的蛋白质分子等的极化相关，这两个区间主要集中在10 Hz～数十MHz之间，且频散现像最明显。而γ区间主要与小分子化合物(如水分子)的极化相关，一般处在GHz以上频段[20-21]。因而，在本研究中，基于甲状腺病变组织的检测与鉴别需求，重点研究10 Hz～100 MHz频段内相关组织的介电特性差异。

通过上述的研究结果可以看出：恶性肿瘤组织在低频时，导电性能比其余两类组织都差，但特征频率明显低于其余两类。通过图1所示的组织病理图片和病变组织性质分析可知，正常组织及良性肿瘤组织的细胞膜完整，细胞外间距相似，而癌变组织细胞密度显著增高，其细胞间质明显少于前两种组织，并存在间质改变现象(有淀粉样沉着)[22]。而组织低频段的电导率主要由细胞间质特性决定，间质的减少和性质的改变可能是癌变组织在低频段电导率降低的主要原因。这也应当是表1中所示的正常与良性肿瘤组织的直流阻抗ρ0(主要反映细胞间质属性)无显著性差异，而恶性肿瘤组织差异显著的主要原因。

α频段的特征频率fcα主要与细胞膜电容及膜内电阻乘积的倒数相关[16,23]。从图1可以看出：正常甲状腺组织中的滤泡较多，细胞密度相对较少，因而膜电容也相应较小，导致其特征频率最高；良性肿瘤组织中细胞密度明显较正常组织增多，其膜电容成份也相应增高，因而其特征频率低于正常组织；恶性肿瘤组织细胞形态差异较大，大部分癌细胞体积较小，因而膜电容相对更大，其特征频率更小。从表1所示的统计结果可以看出，三者的fcα存在显著性差异，与细胞形态学结果相一致。

ρ∞是组织的高频电阻率，由膜外电阻与膜内电阻并联产生。从表1的对比结果上看，良性肿瘤组织的ρ∞显著高于正常和恶性肿瘤组织，这可能与滤泡性腺瘤组织的细胞体积相对较小、膜内电阻相对较大相关。从表1的统计结果可以看出，ρ∞是正常与良性肿瘤组织差异最显著的介电特征参数。

β频段的特征频率fcβ主要与细胞核等核内物质相关[23]。从图2可以看出，恶性肿瘤组织的细胞核显著大于正常及良性肿瘤组织，且形态不一，核质比失常。这应当是导致其fcβ与后两者差异显著的主要原因。

离散系数δα与δβ可能与细胞形态、排列方式的一致性等相关，其产生的机制与具体的影响因素尚未见定论，因而本研究暂不做进一步分析。

4 结论

甲状腺组织的介电特性与组织的性质、组织的微观形态之间具有显著的相关性，正常、良性与恶性病变的甲状腺组织因细胞的性质、形态与排列方式的不同，在10 Hz～100 MHz频段内呈现出介电特性差异。本研究通过大量的临床样本测量与分析，首次确定了正常及常见病变甲状腺组织的介电特性特征参数分布范围，并分析了这些参数差异产生的原因，使得基于介电特性的甲状腺组织性质快速判断成为可能，也为相关的研究与应用奠定了基础。