论文摘要：医学电阻抗技术具有无创、廉价和功能信息丰富等特点，可从细胞层次上提取信息，检测到在尚未出现结构性改变之前乳房组织的电特性变化，给出肿瘤早期预报信息。
论文关键词：乳腺 肿瘤检测 电阻抗 阻抗CT
1 引言
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，其发病率在全球范围，尤其在亚洲国家呈明显上升趋势，已成为严重危害妇女健康和生命的主要疾病之一。英国妇女一生中患乳腺癌的几率为1/12，每年死于该病的人数超过15000[1]。据美国癌症学会报告，乳腺癌是继肺癌之后美国妇女癌死亡的第二大病因， 2001年美国估计有192200名妇女被诊断为乳癌，有40200名妇女死于该病。
近几年，我国乳腺癌发病率增长很快，天津市肿瘤医院的一项流行病学调查表明，该市乳腺癌发病率呈明显上升趋势，近10年间由18.2／10万上升至25／10万，升幅达37%。全市每年新发乳腺癌病例约2400人，成为发病率上升最快的女性恶性肿瘤，已跃居女性各种恶性肿瘤的第二位，仅次于肺癌，且发病年龄趋于年轻化。上海的乳腺癌发病率高于天津，为26.47／10万，已居女性恶性肿瘤之首[2]。
与对其它癌症一样，对乳癌也同样应采取早发现、早诊断、早治疗的方针。其中早期发现是提高乳腺癌生存率和降低死亡率的关键所在。传统的常规诊断检查方法主要是乳房X射线摄影。在英国，50-59岁的妇女每三年接受一次乳房摄影检查，满60岁的妇女，则要每年进行一次检查，至65岁[1]。在美国，有数百万妇女每年定期接受乳房摄影检查。不久前，美国联邦卫生官员发布一项新指南，强烈建议年过四十岁的妇女，应定期接受乳房摄影检查。这项新建议把以往建议检查的年龄（五十岁）前推了十年。美国预防医学委员会经过两年评估后也建议：40岁到69岁的妇女，应每两年进行一次乳房摄影检查。
乳房X射线摄影已是一种成熟的检查技术，不过，据估计，乳房X射线摄影的错误率为全部恶性病变的10%~15%。在那些检查结果未确定的病例中，患者往往还须接受活组织 检查。每年进行的活检尽管超过百万次，但癌却只占约20%。这一事实表明，如果能提供更为准确、有效的乳房检查方法，则上述绝大多数（约80%）活检就可以避免，这些患者也毋需担心受怕，经受活检的痛苦。
其次，乳房X射线摄影在用于年轻女性和进行激素替代治疗的妇女时，因其乳腺组织较为质密，脂肪量少，乳房小叶和导管成像会受到一定的限制[3]。
乳房X射线摄影提供乳腺肿瘤图像，属于结构成像（第二代）技术。这种结构图像只有当疾病已经发生，并形成器质性病变，且相关组织与器官的结构已经改变（如已形成一定大小的肿瘤实体）时，才能给出诊断结果。它以已经确定发生的结构性变化为医生提供临床诊断依据，但是却无法检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前而实际上却已经发生的组织或功能性变化。
当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往先于器质性病变和其它临床症状。在经过一定的功能代偿期或潜伏期后，向器质性病变发展，继而出现组织与器官结构性变化或其他相关临床症状。如能在疾病的潜伏期或功能代偿期，即在组织与器官结构性变化出现之前，及时检测和确认该组织与器官的功能性变化，对于相关疾病的普查，预防和早期诊断与治疗将是非常有利的。
检测组织变异与器官的功能性变化，向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向康复和愈后评价延伸，正是医学电阻抗技术的优势。
2 医学电阻抗技术
医学电阻抗（Medical electrical impedance）技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。具有无创、无害，廉价、安全、操作简单和功能信息丰富等特点，医生和病人易于接受。
人体的基本构造单位是细胞。人体内所有的生理功能和生化反应，都是在细胞及其产物（如细胞间隙中的胶原和蛋白聚糖）的物质基础上进行的。细胞被一层薄膜所包被，这是一种具有特殊结构和功能的半透性膜，称作细胞膜或质膜。它允许某些物质有选择地通过，但又能严格地保持细胞内物质成分的稳定。它把细胞内容物和细胞的周围环境分隔开来，又使细胞通过细胞膜与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动[4]。
细胞膜不但是细胞和环境之间的屏障，也是细胞接受外界或其它细胞影响的门户。细胞环境中的各种物理性刺激，体内产生的激素和递质等化学性刺激物，以及进入人体内的某些药物等，很多都是首先作用于细胞膜，然后再影响细胞内的各种生理过程。细胞膜还和机体的兔疫功能和细胞的分裂、分化以及癌变等生理和病理过程有密切的关系[4]。3 乳腺肿瘤阻抗特性
正常乳腺组织在发生病变，向肿瘤组织发展的过程中，首先将在分子水平和细胞层次上发生一系列的变化，从而引发与此相联系的电特性（阻抗）变化。
肿瘤的本质是细胞的间变（anaplasia），又称“退行发育”，指的是幼稚细胞在成长、发育、分化途中误人歧途，发生质变，导致形态、功能、代谢、免疫、行为的分化不良，成为有特殊表现的肿瘤细胞。肿瘤性增生表现为分化异常（abnoma1ity of differentiation），包括细胞形态、功能、代谢、免疫行为等多个方面，如肿瘤细胞大小、形状、排列上的多形性，核质比例增大、染色质浓集、核分裂象质与量的异常，原有功能的缺失、异常功能（运动、失接触抑制、异位激素分泌）的显现，特殊代谢表现（细胞膜离子变化、合成代谢亢进、有氧糖酵解导致大量乳酸形成、酶系变化等），兔疫变化（胚胎性抗原AFP、CEA的产生、某些相对特异抗原的形成），以及行为的改变（侵袭、浸润、转移）等[5,6]。伴随着上述肿瘤细胞异形性变化和肿瘤组织结构的异形性变化，由图1和式（1）表示的组织阻抗特性也必然要同步地发生相应的改变。
当乳腺组织形成肿瘤或发生癌变时，可释放一种血管因子，刺激肿瘤产生大量滋养血管，且多分布在肿瘤进展的边缘或从肿瘤外周插入肿瘤内。因而肿瘤及其边界组织新生血管丰富，血流速度加快，血液供应增加[7]，由此发生的组织阻抗变化十分明显。
以上各种发生在乳腺肿瘤早期和潜伏期的分子与细胞生物学变化，由于肿瘤实体尚未形成，现有的一些临床检查方法，如乳房X射线摄影等难以探知。相比之下，在乳腺肿点愈亮，恶性病变的可能性就愈大。已发现恶性病灶组织的电容和电导要比正常组织或良性病变高50倍。
T-SCAN系统已经美国FDA批准，作为乳房X射线摄影的补充检查在美国使用。
俄罗斯科学院电子与无线电工程研究所报告了一种与T-SCAN相似的乳腺检测系统[9]。其特点是能提供三维测量结果，即给出与乳房探头平面平行的七层阻抗截面分布图像，深度间距为8ｍｍ/幅。该系统使用由256个电极构成园形阵列的探头。这种探头可以避免方形阵列中处于四角位置上的电极可能发生接触不良而影响测量结果的问题。测量时探头置于被测乳房表面，另有两电极固定于手腕。其中的一个用于注入测量电流，另一电极作为电位测量参考点。
该系统还用于对妇女不同生理时期的乳腺电阻抗特性进行研究。发现妇女在不同生理时期，如卵泡期、黄体期、怀孕期、哺乳期和绝经期等，由于内分泌（雌激素，孕酮，催乳素，促孕激素等）情况的改变，其乳腺组织的电阻抗特性也发生相应的变化[10]。这一结果令人鼓舞，表明了阻抗技术诱人的应用前景。
阻抗分布测量方法由于使用了电极阵列（8X8或16X16），测量点密集，信息量较大，以参数分布灰度图像的方式给出检查结果，其定量性、定位性，以及对鉴别恶性病变与正常组织的特异性等比较好。虽然该系统的性能还有待于进一步提高，但是它的成功应用已经显示了阻抗测量技术的巨大潜力。特别是作为一种乳房肿瘤的筛查手段，可能是其他方法，包括乳房X射线摄影，无法与之相比的。
4.3 电阻抗断层图像技术
电阻抗断层图像技术（EIT：Electrical Impedance Tomography ）是继形态、结构成像之后，于最近二十年才出现的新一代无损伤功能成像技术。它具有功能成像，无损伤和医学图像监护三大突出优势[11]。
EIT采用生物阻抗技术给出人体组织与器官的断层图像，所以也叫阻抗CT。采用X线获取人体断层图像的CT与采用聚集声束的超声成像技术等提供人体结构图像，以已经确定发生的结构性变化为目标，而EIT却可以检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前（如肿瘤潜伏期）而实际上却已经发生的组织特性或功能性变化，提供反映分子与细胞生物学变化的预报性或前瞻性信息。这正是功能成像与结构成像的本质区别。
乳房为人体浅表组织，突出于胸部，形状规则，左右对称。乳腺肿瘤检测提取组织状态信息，对实时性要求不高，是EIT技术较为容易，也是较好的应用领域之-。英国、俄罗斯和美国等在EIT乳腺检测系统方面有较好的研究工作。
英国德蒙福特（De Montfort）大学研究组的多频EIT乳腺检测系统MK2已用于初步人体成像试验，以收集与乳腺肿瘤相关的临床应用数据[12]。MK2的最大测量电极数为32，测量频率1kHz-5MHz，阻抗测量范围10-500Ω，数据采集精度优于1%，可在多个频率点对乳腺组织进行阻抗实部与虚部信息采集，给出组织阻抗及参数图像，可识别5mm大小的肿瘤。该研究组多年来一直致力于改进与提高EIT乳腺检测系统的分辨率和综合性能。其研究工作的目标是能识别２mm的异常组织，从而检测到Ⅰ级、甚至0级水平的乳腺肿瘤。
美国新罕布什尔州达特茅斯（Dartmouth，NH）大学报告的EIT乳腺检测系统使用16电极，十个频率（10, 20, 40, 50,70, 125, 225, 525, 750, 950kHz）进行测量，给出电导σ和介电常数ε图像。一幅图像的采集时间为2分钟，信噪比SNR为30Db。为保证成像结果的一致性和重复性，还特别设计了专用测量床[13]。测量时，患者取俯卧位，乳房经一园形测量孔自然下垂，测量孔下方有一个电极阵自动调节、适应装置，可对不同大小、形态的乳房快速、正确地放置EIT电极，使之位置准确，接触良好。该系统已对近百例自愿者和患者进行了乳房断层图像测量初步观察，显示了很好的稳定性和重复性[14]。 与CT、超声等成像技术现在所达到的图像分辨率相比，目前EIT的结构象分辨率还有待继续提高。但是，就在EIT目前结构象分辨率相对较低的的情况下，其具有的功能成像优势也是CT、超声等成像技术无法与之比拟的。例如，设高分辨率CT可以发现1mm大小的肿瘤组织，而EIT能确定10mm范围的组织性能变化。若以分辨率而论，CT的1mm结构象分辨率明显高于EIT的10mm，但是EIT功能图像所发现的10mm组织性能变化是在肿瘤形成之前，组织结构变化尚未发生，1mm、甚至更高分辨率的CT也根本无法探知的肿瘤潜伏期组织性能特性或功能性变化，给出的是预报性或前瞻性信息。其重要的临床意义是显而易见的。这也正是世界各国众多生物医学工程研究人员和医学专家寄希望于EIT的原因。
参考文献
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