為研究人體正常肺組織和肺癌組織復阻抗及特征參數隨離體時間的變化規律,并建立肺部復阻抗實虛部對照圖,為基礎醫學和臨床診斷提供理論依據和數據參考,并為電阻抗斷層成像技術(EIT)研究提供先驗信息。本實驗將手術切下的人體正常肺組織和肺癌組織放入測試箱中,控制測試箱的溫度和濕度,控制并保持離體時間分別為30、60、80 min,采用Agilent 4294A阻抗分析儀在頻率為1 000 Hz~30 MHz范圍內對人體正常肺組織和肺癌組織復阻抗進行測量。實驗結果顯示,在所測量的范圍及對應的離體時間內,隨離體時間延長,正常肺組織和肺癌組織的復阻抗均發生顯著變化,但正常肺組織的阻抗值大于肺癌組織。該變化與細胞外液、細胞內液、細胞膜的變化相關。
引用本文： 龐珊, 王化祥, 徐曉. 人體肺部組織復阻抗特性研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(3): 527-531. doi: 10.7507/1001-5515.20140098 復制
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引言
研究生命體生物物理特性成為生物醫學界亟待解決的問題之一[1]。人體組織阻抗由實部和虛部組成，實部和虛部的阻值由細胞內液、細胞外液、細胞膜、環境等共同決定[2]。研究生物阻抗隨頻率以及離體時間的變化具有重要的生物醫學意義[3-4]，醫學上可以根據不同的阻抗值判斷不同的生物組織，以估計器官移植的組織成活性。對于正常和癌變組織阻抗的測量有益于從物理特性的角度區分兩種組織，并且為電阻抗斷層成像技術(electrical impedance tomography,EIT)進一步研究提供可靠的先驗信息。第四軍醫大學對離體動物組織的電阻抗進行測量得到相應的等效模型，并研究了阻抗譜的變化[5]。Brace[6]報道了肝癌組織的介電特性研究，Taehong小組報道了乳腺癌組織的介電特性研究[7]。上述研究均對生物阻抗測量研究具有重要的參考價值。本課題組構建了人體肺部離體組織阻抗測量系統，在頻率為1 000 Hz~30 MHz范圍內，對正常肺組織和肺癌組織的復阻抗特性進行測試，并在此基礎上探討了生物阻抗隨離體時間的變化。
1 材料與方法
1.1 實驗樣本
本實驗的樣本來自天津醫科大學總醫院心胸外科肺癌手術切除的組織。將切下的肺癌組織及肺部周邊正常組織放置于紗布上，擦拭血液后切割并放入測試盒，然后置于測試箱中準備測量。實驗中，將術后得到的樣本中非肺癌的數據剔除，只研究正常肺組織和肺癌組織的特性，剔除后為正常肺組織和肺癌組織數據各48例。
1.2 測量系統
生物阻抗測量系統如圖 1(a)和(b)所示，實際測試箱如圖 1(c)所示。生物細胞阻抗測量采用美國Aglient 4294A阻抗分析儀，為保證離體組織的活性，降低測量誤差，測試箱中設置了溫、濕控制器，使測試箱中溫度保持在37 ℃，濕度保持在90% RH，以模擬人體內環境。
圖1
生物阻抗測量系統
(a)生物阻抗測量系統示意圖；(b)生物阻抗測量系統實物圖；(c)生物阻抗測試箱
Figure1. Biological impedance measuring system(a) bio-impedance measurement system diagram; (b) physical map of the bio-impedance measurement system; (c) biological impedance test box
1.3 測量基礎
生物組織單個細胞的電特性可用圖 2所示的等效電路模型表示[8]。其中Re為細胞外液的電阻，Ri為細胞內液的電阻，Cm為細胞膜的并聯電容。當對生物組織施加低頻電流時，電流將繞過細胞從而使大部分電流經細胞外液流過，只有極小部分電流可以穿過細胞膜流經細胞內液。當激勵電流頻率增加時，細胞膜的容抗減小，通過細胞內液的電流比例將隨之增大。因此，隨著激勵電流頻率的增加，生物組織的電阻抗減小[9]。Ro是激勵電流頻率趨于0時的阻抗，R∞是激勵電流頻率趨于無窮大時的阻抗(復阻抗實部)，fc為復阻抗的虛部為最大值時的驅動電流頻率，即為特征頻率。依據多頻點阻抗信息，通過最小二乘擬合確定Cole-Cole模型(生物組織電阻抗在復平面上的軌跡)的圓心和半徑，再依據半徑及相應頻率點的阻抗值即可得到Ro和R∞。
圖2
生物阻抗等效電路模型
Figure2.
Bio-impedance equivalent circuit model
1.4 測量盒及測量方法
本實驗測量盒為圓柱形，由透明有機玻璃制成，采用圓片形Pt電極，電極間距12 mm，電極圓盤直徑5 mm，如圖 3所示。本實驗綜合了各組織所有標本在離體30、60和80 min時復阻抗頻率特性的測量結果。在實際測量中，測量的結果受到多種因素影響。本實驗中，一方面只研究人體正常肺組織和肺癌組織在近似人體內的溫濕條件下，隨離體時間變化的阻抗-頻率特性。另一方面由于組織的生理或病理改變，必然會影響到細胞膜的通透性和細胞間質的電解質濃度等的變化，從而影響其組織的頻率特性。此外，手術者性別、年齡、身體狀況、環境等各種因素的影響將使測量結果在不同的頻段內呈現出一定的離散度，體現出電阻抗作為一種生理參數，對各種變化是相當敏感的[10]。
圖3
測量盒及電極實物圖
Figure3.
Test box and electrode physical map
2 實驗結果
實驗樣本為肺癌患者的離體正常肺組織和肺癌組織各48例。測量前首先進行阻抗儀開路和短路的標定，標定無誤后，以50 Ω的標準電阻進行測量校正，確保測量準確無誤后，在頻率為1 000 Hz~30 MHz范圍內取23個頻率點對離體正常肺組織和肺癌組織標本進行測量。
2.1 正常肺組織和肺癌組織的阻抗-頻率特性
對人體典型肺部離體組織的復阻抗特性的測量結果如圖 4、5所示。圖 4(a)和(b)分別為肺癌組織復電阻抗的實部和虛部測量結果；圖 5(a)和(b) 分別為正常肺組織復電阻抗的實部和虛部測量結果。
圖4
典型肺癌組織的復阻抗特性
(a)復阻抗實部特性；(b)復阻抗虛部特性
Figure4. Typical complex impedance characteristics of cancerous lung tissue(a) real part of the characteristic of complex impedance; (b) imaginary part of the characteristic of complex impedance
圖5
典型正常肺組織的復阻抗特性
(a)復阻抗實部特性；(b)復阻抗虛部特性
Figure5. Typical complex impedance characteristics of normal lung tissue(a) real part of the characteristic of complex impedance; (b) imaginary part of the characteristic of complex impedance
2.2 正常肺組織和肺癌組織的復電阻抗譜
不同的生物組織具有不同的電特性，同樣的生物組織在不同條件下會具有不同的電特性，根據實驗測量數據，分別用復阻抗實部-虛部對照圖描述正常肺組織及肺癌組織阻抗值隨離體時間變化的實驗結果，如圖 6所示。
圖6
典型肺組織復電阻抗譜隨離體時間的變化
(a)肺癌組織；(b)正常肺組織
Figure6. Typical complex impedance spectrum change of lung tissue with time(a) cancerous lung tissue; (b) normal lung tissue
從測量結果可以得到被測量人體肺癌組織和正常肺組織的復阻抗特性的有關參數，如表 1、2所示。
表1
典型肺癌組織特征參數
Table1.
Typical cancerous lung tissue characteristic parameters
表2
典型正常肺組織特征參數
Table2.
Typical normal lung tissue characteristic parameters
3 討論
本實驗研究了人體正常肺組織和肺癌組織在不同頻率激勵下、不同離體時間的電阻抗變化規律和趨勢。實驗測量前，進行“夾具補償”，消除了測量夾具和阻抗分析儀的連接所造成的誤差，抑制外部干擾。測量參數時，始終控制測量盒中的溫度和濕度，盡可能模擬人體內真實環境，減小測量誤差。
對實驗結果進行分析，可觀察到人體正常肺組織和肺癌組織的電阻抗特性隨離體時間延長均發生顯著變化。變化主要表現為：① 隨離體時間的延長，正常肺組織和肺癌組織的低頻段電阻顯著減小，但正常肺組織仍大于肺癌組織；② 低頻段，隨離體時間的延長，正常肺組織和肺癌組織電阻抗虛部的絕對值顯著減小，正常肺組織依然大于肺癌組織；③ 隨離體時間的延長，頻率特性逐漸升高，正常肺組織和肺癌組織的阻抗譜均發生移動，但正常組織的阻抗仍大于肺癌組織。由于本實驗只限于對離體30 min以后的正常肺組織和肺癌組織的電阻抗進行測量結果分析，對于離體30 min以內的肺組織電阻抗變化情況擬進一步進行實驗研究。
本實驗在較大的頻率變化范圍內(低頻、高頻)測量得到人體正常肺組織和肺癌組織隨時間變化的阻抗信息，具有重要的意義。后續工作可與病理切片的研究相結合，從細胞微觀病理的層面尋找區分兩種組織的方法，可為肺部EIT系統的進一步研究提供先驗信息。實驗結果表明，當人體肺組織隨離體時間延長而活性逐漸降低時，其組織在細胞水平上發生了生物特性的變化。細胞外液、細胞內液離子成分的變化，細胞膜活性的改變應該為導致這一變化的主要原因。細胞處于導電的細胞外液之中，且細胞由導電的細胞內液和具有半透膜性質的細胞膜組成。可以預測，隨著生物組織離體時間的延長，組織細胞活性逐漸降低，細胞膜允許某些物質有選擇性的通過這一功能逐漸退化，細胞內外液的成分和濃度緩慢發生改變，這些變化均會影響到其組織的電阻抗頻率特性。這一結論尚有待細胞水平實驗的進一步驗證。
引言
研究生命體生物物理特性成為生物醫學界亟待解決的問題之一[1]。人體組織阻抗由實部和虛部組成，實部和虛部的阻值由細胞內液、細胞外液、細胞膜、環境等共同決定[2]。研究生物阻抗隨頻率以及離體時間的變化具有重要的生物醫學意義[3-4]，醫學上可以根據不同的阻抗值判斷不同的生物組織，以估計器官移植的組織成活性。對于正常和癌變組織阻抗的測量有益于從物理特性的角度區分兩種組織，并且為電阻抗斷層成像技術(electrical impedance tomography,EIT)進一步研究提供可靠的先驗信息。第四軍醫大學對離體動物組織的電阻抗進行測量得到相應的等效模型，并研究了阻抗譜的變化[5]。Brace[6]報道了肝癌組織的介電特性研究，Taehong小組報道了乳腺癌組織的介電特性研究[7]。上述研究均對生物阻抗測量研究具有重要的參考價值。本課題組構建了人體肺部離體組織阻抗測量系統，在頻率為1 000 Hz~30 MHz范圍內，對正常肺組織和肺癌組織的復阻抗特性進行測試，并在此基礎上探討了生物阻抗隨離體時間的變化。
1 材料與方法
1.1 實驗樣本
本實驗的樣本來自天津醫科大學總醫院心胸外科肺癌手術切除的組織。將切下的肺癌組織及肺部周邊正常組織放置于紗布上，擦拭血液后切割并放入測試盒，然后置于測試箱中準備測量。實驗中，將術后得到的樣本中非肺癌的數據剔除，只研究正常肺組織和肺癌組織的特性，剔除后為正常肺組織和肺癌組織數據各48例。
1.2 測量系統
生物阻抗測量系統如圖 1(a)和(b)所示，實際測試箱如圖 1(c)所示。生物細胞阻抗測量采用美國Aglient 4294A阻抗分析儀，為保證離體組織的活性，降低測量誤差，測試箱中設置了溫、濕控制器，使測試箱中溫度保持在37 ℃，濕度保持在90% RH，以模擬人體內環境。
圖1
生物阻抗測量系統
(a)生物阻抗測量系統示意圖；(b)生物阻抗測量系統實物圖；(c)生物阻抗測試箱
Figure1. Biological impedance measuring system(a) bio-impedance measurement system diagram; (b) physical map of the bio-impedance measurement system; (c) biological impedance test box
1.3 測量基礎
生物組織單個細胞的電特性可用圖 2所示的等效電路模型表示[8]。其中Re為細胞外液的電阻，Ri為細胞內液的電阻，Cm為細胞膜的并聯電容。當對生物組織施加低頻電流時，電流將繞過細胞從而使大部分電流經細胞外液流過，只有極小部分電流可以穿過細胞膜流經細胞內液。當激勵電流頻率增加時，細胞膜的容抗減小，通過細胞內液的電流比例將隨之增大。因此，隨著激勵電流頻率的增加，生物組織的電阻抗減小[9]。Ro是激勵電流頻率趨于0時的阻抗，R∞是激勵電流頻率趨于無窮大時的阻抗(復阻抗實部)，fc為復阻抗的虛部為最大值時的驅動電流頻率，即為特征頻率。依據多頻點阻抗信息，通過最小二乘擬合確定Cole-Cole模型(生物組織電阻抗在復平面上的軌跡)的圓心和半徑，再依據半徑及相應頻率點的阻抗值即可得到Ro和R∞。
圖2
生物阻抗等效電路模型
Figure2.
Bio-impedance equivalent circuit model
1.4 測量盒及測量方法
本實驗測量盒為圓柱形，由透明有機玻璃制成，采用圓片形Pt電極，電極間距12 mm，電極圓盤直徑5 mm，如圖 3所示。本實驗綜合了各組織所有標本在離體30、60和80 min時復阻抗頻率特性的測量結果。在實際測量中，測量的結果受到多種因素影響。本實驗中，一方面只研究人體正常肺組織和肺癌組織在近似人體內的溫濕條件下，隨離體時間變化的阻抗-頻率特性。另一方面由于組織的生理或病理改變，必然會影響到細胞膜的通透性和細胞間質的電解質濃度等的變化，從而影響其組織的頻率特性。此外，手術者性別、年齡、身體狀況、環境等各種因素的影響將使測量結果在不同的頻段內呈現出一定的離散度，體現出電阻抗作為一種生理參數，對各種變化是相當敏感的[10]。
圖3
測量盒及電極實物圖
Figure3.
Test box and electrode physical map
2 實驗結果
實驗樣本為肺癌患者的離體正常肺組織和肺癌組織各48例。測量前首先進行阻抗儀開路和短路的標定，標定無誤后，以50 Ω的標準電阻進行測量校正，確保測量準確無誤后，在頻率為1 000 Hz~30 MHz范圍內取23個頻率點對離體正常肺組織和肺癌組織標本進行測量。
2.1 正常肺組織和肺癌組織的阻抗-頻率特性
對人體典型肺部離體組織的復阻抗特性的測量結果如圖 4、5所示。圖 4(a)和(b)分別為肺癌組織復電阻抗的實部和虛部測量結果；圖 5(a)和(b) 分別為正常肺組織復電阻抗的實部和虛部測量結果。
圖4
典型肺癌組織的復阻抗特性
(a)復阻抗實部特性；(b)復阻抗虛部特性
Figure4. Typical complex impedance characteristics of cancerous lung tissue(a) real part of the characteristic of complex impedance; (b) imaginary part of the characteristic of complex impedance
圖5
典型正常肺組織的復阻抗特性
(a)復阻抗實部特性；(b)復阻抗虛部特性
Figure5. Typical complex impedance characteristics of normal lung tissue(a) real part of the characteristic of complex impedance; (b) imaginary part of the characteristic of complex impedance
2.2 正常肺組織和肺癌組織的復電阻抗譜
不同的生物組織具有不同的電特性，同樣的生物組織在不同條件下會具有不同的電特性，根據實驗測量數據，分別用復阻抗實部-虛部對照圖描述正常肺組織及肺癌組織阻抗值隨離體時間變化的實驗結果，如圖 6所示。
圖6
典型肺組織復電阻抗譜隨離體時間的變化
(a)肺癌組織；(b)正常肺組織
Figure6. Typical complex impedance spectrum change of lung tissue with time(a) cancerous lung tissue; (b) normal lung tissue
從測量結果可以得到被測量人體肺癌組織和正常肺組織的復阻抗特性的有關參數，如表 1、2所示。
表1
典型肺癌組織特征參數
Table1.
Typical cancerous lung tissue characteristic parameters
表2
典型正常肺組織特征參數
Table2.
Typical normal lung tissue characteristic parameters
3 討論
本實驗研究了人體正常肺組織和肺癌組織在不同頻率激勵下、不同離體時間的電阻抗變化規律和趨勢。實驗測量前，進行“夾具補償”，消除了測量夾具和阻抗分析儀的連接所造成的誤差，抑制外部干擾。測量參數時，始終控制測量盒中的溫度和濕度，盡可能模擬人體內真實環境，減小測量誤差。
對實驗結果進行分析，可觀察到人體正常肺組織和肺癌組織的電阻抗特性隨離體時間延長均發生顯著變化。變化主要表現為：① 隨離體時間的延長，正常肺組織和肺癌組織的低頻段電阻顯著減小，但正常肺組織仍大于肺癌組織；② 低頻段，隨離體時間的延長，正常肺組織和肺癌組織電阻抗虛部的絕對值顯著減小，正常肺組織依然大于肺癌組織；③ 隨離體時間的延長，頻率特性逐漸升高，正常肺組織和肺癌組織的阻抗譜均發生移動，但正常組織的阻抗仍大于肺癌組織。由于本實驗只限于對離體30 min以后的正常肺組織和肺癌組織的電阻抗進行測量結果分析，對于離體30 min以內的肺組織電阻抗變化情況擬進一步進行實驗研究。
本實驗在較大的頻率變化范圍內(低頻、高頻)測量得到人體正常肺組織和肺癌組織隨時間變化的阻抗信息，具有重要的意義。后續工作可與病理切片的研究相結合，從細胞微觀病理的層面尋找區分兩種組織的方法，可為肺部EIT系統的進一步研究提供先驗信息。實驗結果表明，當人體肺組織隨離體時間延長而活性逐漸降低時，其組織在細胞水平上發生了生物特性的變化。細胞外液、細胞內液離子成分的變化，細胞膜活性的改變應該為導致這一變化的主要原因。細胞處于導電的細胞外液之中，且細胞由導電的細胞內液和具有半透膜性質的細胞膜組成。可以預測，隨著生物組織離體時間的延長，組織細胞活性逐漸降低，細胞膜允許某些物質有選擇性的通過這一功能逐漸退化，細胞內外液的成分和濃度緩慢發生改變，這些變化均會影響到其組織的電阻抗頻率特性。這一結論尚有待細胞水平實驗的進一步驗證。
