[科普中国]-乳腺电阻抗检测技术

乳腺电阻抗检测是基于不同类型乳腺组织的电阻抗谱特性存在差异的生物物理特性，以乳腺健康状态检测、乳腺癌早期检测为目，所进行的生物电阻抗成像、生物电阻抗谱分析等系列技术方法研究。

（一）乳腺组织电阻抗谱特性生物组织是由细胞及细胞间质共同组成。细胞外的细胞膜由一个薄的脂质双分子层构成，其间有离子通道，既有电容性又有电阻性；细胞质和细胞间质相类似，主要表现为电阻性。由于生物组织的电阻抗既包含电阻又包含电容，所以其电阻抗Z可为Z=R+jX，其中Z为阻抗，R为电阻，X为电抗。

Fricke和More于1926年首先测量并提出了乳腺癌组织和正常组织之间的电容特性存在显著性差别。这一发现提示了可以用组织的电阻抗特性反映组织的一些潜在的特征信息，随后几十年中不同的研究者对乳腺正常组织和离体组织的电阻抗特性进行了研究。其中对乳腺组织的电阻抗特性与组织类型及激励频率的关系进行深入研究的有Surowiec 等人的研究小组，以及Jossinet的研究小组。针对离体的乳腺组织，Surowiec等人在b散射区域内测量了并比较了乳腺中心区域组织、癌边缘组织和正常组织的电阻抗频谱特性。这一研究表明癌组织的电导率和介电常数均显著地大于正常组织的参数，最高可达10:1。同样Jossinet等人在对离体乳腺组织的研究结果也表明癌组织的电导率和正常组织（脂肪组织和结缔组织）存在显著差异，其差异可达4:1~6:1。相关基础研究结果认为：当乳腺组织发生癌变后，局部的病变组织在局部血液循环、细胞内、外液成份、细胞膜离子通透性等许多因素发生改变，这些变化引起了局部组织的电阻抗特性发生显著性变化，这种局部癌变与局部电阻率充数化的关系非常敏感，因而可以通过检测电阻抗特性来检测乳腺组织的癌变。

乳房内正常组织主要包括脂肪组织、结缔组织、腺体组织，如图1所示为癌变组织、脂肪组织、结缔组织的离体电阻抗频谱特性，由此可见癌组织相比脂肪组织和结缔组织，其的电阻抗谱具有显著差异。

图****1 乳房内正常组织和癌组织的电阻抗频谱特性

（二）乳腺电阻抗检测技术分类乳腺电阻抗检测技术可分为无创体表检测和有创体内检测技术，由于有创体内检测需要将检测探针置入体内，检测复杂性和风险性较高，所以相关研究较少。乳腺电阻抗无创检测技术因其具有无创、无痛、无射线及操作简便等技术优势，因此成为研究的热点，主要可分为乳腺电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）、乳腺电阻抗扫描成像技术（Electrical Impedance Scanning，EIS）、乳腺电阻抗频谱测量技术（Electrical Impedance frequency spectrum measurement， EISFS）。

1. 乳腺电阻抗断层成像技术乳腺电阻抗断层成像技术的检测模式是采用环形电极，将乳房环绕，按照一定的驱动模式，通过对乳房表面施加一定的交流激励，并通过检测电极提取乳房表面的响应信号，将检测信号经数据处理后利用图像重构算法，获得二维或三维断层内的电导率分布。目前国际上代表性的乳腺EIT成像研究小组主要有Dartmouth研究小组。

该小组使用的是一个32通道，多频率二维的EIT系统，测量电极是银-氯化银电极，系统采用电压激励、电流测量的方法。测量方式如图2所示，将16个测量电极放射状分布，电极放置在检查床底部，被检查者俯躺于检测床上，将乳房置于检测电极其中进行检查。完成一次测量后，利用静态EIT成像算法，可以获得乳房系列多频EIT成像结果。

图2 Dartmouth研究小组的乳腺EIT测量示意图

2. 乳腺电阻抗扫描成像技术乳腺EIS成像基于平板检测电极阵列的测量方式，通常采用电压激励，电流测量的模式，其成像结果是对检测电极阵列下乳房区域内的电阻抗值的映射，属于静态映射成像。按照检测模式乳腺EIS检测可分为手持探头检测模式和夹板式检测模式。国际上开展乳腺EIS技术的代表性研究小组有以色列的Transscan小组、国内第四军医大学研究小组、韩国Kyung Hee大学研究小组。

（1）手持探头检测模式

手持探头式检测模式，要求病人平躺，病人一手握激励电极，检查者将测量电极阵列置于乳房表面进行检查。激励电极施加一定的交流电压，检测电极面的电势为地电势，那么电流就会通过人的手臂到达高电导率的胸肌组织，并穿过乳房内组织流入检测电极阵列。因为健康的乳房中正常组织的的电导率远小于肌肉组织的电导率，因此可将乳房下胸大肌的电势近似为激励电压，从而在胸大肌和检测电极面之间形成了交流电场。同时操作者利用检测电极按压乳房表面以便接触良好，通过对检测电流的提取分析，并利用映射成像算法，获得检测电极阵列下组织的电阻抗分布图像。

图****3 手持式乳腺EIS检测模式

如图3、图4分别为Transscan公司和第四军医大学小组研发的手持探头式乳腺EIS检测设备。

（2）夹板式检测模式

夹板式乳腺EIS检测模式，其检测方式类似于乳腺X线钼靶的方式。设备包含两个平行电极板，在乳腺检测是用于夹持乳房，其中一个电极板为激励电极板，对侧的电极板为检测电极板。图4所示为韩国Kyung Hee大学研究小组研制的夹板式乳腺EIS检测实验系统，该系统所用的检测电极阵列包含3600个电极单元。目前系统在物理模型获得了初步的成像结果，还未用于临床试验。

3. 乳腺电阻抗频谱测量技术乳腺电阻抗频谱测量技术检测时不对目标体进行成像，是一种直接通过对体表测量获得的多频电阻抗谱数据进行分析，进而判别乳房健康状态的技术方法。根据检测模式的不同，乳腺电阻抗频谱测量技术所用的检测设备也不尽相同。

（1）乳腺Z-tech技术检测方法

乳腺Z-tech技术是加拿大Z-tech公司开发的一种乳腺电阻抗检测方法，进行检测时将自粘性的“花瓣状电极”（SuperStellate Sensors）置于病人的双乳。工作时每次一对电极施加激励，通过切换控制可以获得多组乳腺体表阻抗谱测量数据。根据测量数据，Z-tech技术采用“同源电差异分析”（Homologous Electrical Difference Analysis，HEDA）的方法，对左右乳房的对称位置进行数据分析，如果对称分析无异常则认为乳房健康，如果乳房中有癌变包块存在，则在进行HEDA分析时，左右乳的检测结果会有较大差异。

（2）乳腺响应频率阻抗谱技术检测方法

乳腺响应频率阻抗谱技术是一种基于体表多频电阻抗谱信息分析的检测技术，如图6所示的检测系统是一个扫频范围从200Hz~800kHz的检测系统，该系统配有1个杯罩形检测探头，探头内置7个检测电极。每次检测都需要进行多频率扫描，频率按照5kHz的步进变化，每次可以得到121个测量数据。通过对多频测量进行分析，获得乳房的健康状态信息。

（三）乳腺电阻抗检测技术研究现状 目前乳腺电阻抗检测技术的主要研究目标是实现乳腺的健康评估以及对乳腺癌的早期检测，该技术具有功能成像的优势，此外兼具无创、无辐射、安全、便捷等特点，有望与现有乳腺癌检测技术（X线钼靶、乳腺超声等）形成技术优势互补。乳腺EIT检测技术、乳腺EIS检测技术及乳腺电阻抗频谱检测技术是近年来的几种热点研究技术，根据文献报道，目前从事该方向研究的小组分布在美国、英国、以色列、韩国、中国等多个国家。乳腺EIT、乳腺EIS及乳腺电阻抗频谱检测技术均开始临床应用研究，其中以色列的Transscan公司的TS2000乳腺检测设备于1999年获美国FDA的PMA（pre-Market Approval，PMA），被批准为可以辅助X线钼靶进行乳腺检测的设备，是迄今唯一获FDA认证的电阻抗乳腺检测设备。我国第四军医大学研究小组所研制的Angleplan-EIS1000型电阻抗成像检测仪也于2007年通过国家医疗器械注册认证。

本词条内容贡献者为:

季振宇 - 教授 - 第四军医大学生物医学工程系董秀珍 - 教授 - 第四军医大学生物医学工程系