微尺度電阻抗成像在腫瘤細(xì)胞檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

姚佳烽

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

目前，電阻抗成像（EIT）方法已經(jīng)逐步被應(yīng)用于宏觀的生物組織檢測(cè)，面向微尺度生物檢測(cè)的EIT方法是發(fā)展趨勢(shì)。EIT技術(shù)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種安全、非侵入式、成本低廉的功能成像技術(shù)，是一種可視化的檢測(cè)技術(shù)，其利用一系列分布在被測(cè)物體表面的電極，進(jìn)行檢測(cè)，確定目標(biāo)內(nèi)部各個(gè)位置的導(dǎo)電率或電容率分布，已被廣泛且成熟地應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)與醫(yī)療成像[1]。EIT技術(shù)的原理是通過(guò)向待測(cè)場(chǎng)域施加一定頻率的安全激勵(lì)電流，并測(cè)量邊界電壓信號(hào)來(lái)計(jì)算出待測(cè)場(chǎng)域內(nèi)部的電導(dǎo)率分布情況。相較于計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）等斷層成像技術(shù)，EIT功能成像的特點(diǎn)可以較好地應(yīng)用在生物組織與細(xì)胞的檢測(cè)中[2]。

1 EIT方法

在微觀尺度下，當(dāng)電場(chǎng)作用于流體進(jìn)行阻抗檢測(cè)時(shí)，溶液中的離子在電場(chǎng)的作用下遷移到電極，在電極表面形成雙電層，雙電層引起的接觸阻抗屏蔽了電場(chǎng)對(duì)流體的作用，造成極大的噪聲，降低了系統(tǒng)對(duì)流體阻抗檢測(cè)的敏感度[3]。該噪聲與信號(hào)之間的干擾導(dǎo)致設(shè)備開(kāi)發(fā)難度較大，雖然目前研究較少，但EIT仍是非常有潛力的一種成像技術(shù)。2010年TAO等[4]人開(kāi)發(fā)了直徑為6 mm的16電極EIT傳感器，實(shí)現(xiàn)了真菌的生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)；2018年LEMMENS等[5]人開(kāi)發(fā)了圓形8電極EIT傳感器，并利用阻抗分析儀搭建了電阻抗成像系統(tǒng)，對(duì)細(xì)胞的培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)控；2019年YANG等[6]人開(kāi)發(fā)了用于三維細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程進(jìn)行定量成像與檢測(cè)的微型EIT系統(tǒng)，系統(tǒng)基于PCB板開(kāi)發(fā)，傳感器直徑為15 mm，有16個(gè)激勵(lì)電極與1個(gè)接地電極，見(jiàn)圖1-A；將其用于MCF7乳腺腫瘤細(xì)胞檢測(cè)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)直徑為0.5 mm腫瘤細(xì)胞團(tuán)的檢測(cè)，見(jiàn)圖1-B。從現(xiàn)有微尺度EIT研究結(jié)果來(lái)看，還存在兩個(gè)問(wèn)題：第一，成像精度還不夠高，不能滿足腫瘤細(xì)胞檢測(cè)的需求；第二，該研究過(guò)程還停留在靜止?fàn)顟B(tài)下的檢測(cè)，未涉及到流動(dòng)狀態(tài)下的細(xì)胞檢測(cè)。

圖1 面向微小生物組織檢測(cè)的EIT方法

姚佳烽等[7-8]已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新型多電極陣列三維結(jié)構(gòu)的微流控芯片，見(jiàn)圖2，其突破了傳統(tǒng)微流路尺寸的設(shè)計(jì)技術(shù)限制，將多電極陣列于流路周圍，擴(kuò)大了微流路的管道直徑，與傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀相比，檢測(cè)效率提高了10倍以上，現(xiàn)有研究報(bào)道尚未發(fā)現(xiàn)類似結(jié)構(gòu)。該芯片可以實(shí)現(xiàn)血液循環(huán)系統(tǒng)中腫瘤細(xì)胞的高效率檢測(cè)，并為腫瘤細(xì)胞高速分離提供了關(guān)鍵的細(xì)胞定位信息。

圖2 多電極陣列微流路

圖3為流量Q=10 mL/h時(shí)利用電阻抗掃描成像（EIS）法測(cè)量的微流道內(nèi)不同截面細(xì)胞濃度曲線以及利用EIT技術(shù)重構(gòu)的微流道內(nèi)3個(gè)截面細(xì)胞的沉淀分布圖，下部表示細(xì)胞，上部表示水，圖中顯示分布在微流道底部的紅色區(qū)域逐漸減少[9]。在以前的研究[7]中已經(jīng)分析了細(xì)胞沉降的速度，通過(guò)圖3可以看到微流道截面z1、z3及z5中細(xì)胞沉降的重建圖像，該結(jié)果與之前研究中通過(guò)電化學(xué)阻抗譜（EIS）法檢測(cè)的細(xì)胞濃度分布相一致。細(xì)胞濃度從Φ= 17.5 vol%緩慢地降低到Φ= 4.9 vol%，可以看出由于沉降導(dǎo)致從第1個(gè)截面到第5個(gè)截面細(xì)胞積聚逐漸變化。微尺度EIT方法和EIS方法關(guān)于細(xì)胞沉降的一致性說(shuō)明了開(kāi)發(fā)微尺度EIT系統(tǒng)可以在多層電極微流道中成功地實(shí)現(xiàn)細(xì)胞沉降可視化。

圖3 沿著微流道中3個(gè)橫截面的細(xì)胞沉降可視化的應(yīng)用

2 生物電阻抗譜掃描（BIS）方法

BIS方法是一種利用生物組織的電阻抗特性提取相應(yīng)病理信息的檢測(cè)技術(shù)[10]。GABRIEL等[11]研究了人體組織及器官在10 ～ 20 GHz頻率范圍內(nèi)的介電特性，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)建立阻抗譜分析模型和數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站，成為BIS研究的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。LU等[12]人通過(guò)對(duì)離體組織在不同頻率下電特性的研究，發(fā)現(xiàn)組織電阻抗實(shí)部和虛部具有不同且豐富的生理病理信息，這一發(fā)現(xiàn)為BIS進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，借助于微流控芯片，BIS也逐步被應(yīng)用于細(xì)胞檢測(cè)[13]。生物細(xì)胞作為非均勻結(jié)構(gòu)（細(xì)胞外、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)），其電學(xué)特性具有異質(zhì)性，當(dāng)交流電場(chǎng)作用于細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞的介電響應(yīng)出現(xiàn)α色散、β色散和γ色散的弛豫現(xiàn)象，可以利用該弛豫現(xiàn)象對(duì)細(xì)胞的不同結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別[14]。BIS技術(shù)通過(guò)交流電阻抗技術(shù)檢測(cè)生物細(xì)胞的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，并引入電介質(zhì)物理模型的數(shù)值計(jì)算，獲得細(xì)胞外液、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的電學(xué)信息，由此來(lái)區(qū)分不同種類的細(xì)胞。該檢測(cè)包括具有流動(dòng)聚焦區(qū)、測(cè)量電極和分類電極的阻抗式細(xì)胞儀，用于研究單個(gè)腫瘤細(xì)胞在三維基質(zhì)中遷移的集成微流控裝置的微電極傳感器；集成并行BIS的微流控芯片，其可監(jiān)測(cè)多個(gè)腫瘤球體的大小，在電極上滾動(dòng)的微組織產(chǎn)生一個(gè)峰值，其厚度與球體的大小成正比，該BIS傳感器允許細(xì)胞單列通過(guò)，限制了細(xì)胞的檢測(cè)效率，見(jiàn)圖4。

圖4 BIS方法區(qū)分不同種類的生物細(xì)胞

由于BIS方法具有操作簡(jiǎn)單和信息豐富等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了研究。2008年P(guān)ATEL等[15]研究采用BIS方法研究了細(xì)胞的死亡過(guò)程，由于細(xì)胞的死亡往往伴隨著細(xì)胞膜完整性的喪失，細(xì)胞膜的介電參數(shù)值也會(huì)發(fā)生顯著變化。2018年MODENA等[16]采用集成微流控裝置的微電極傳感器采集了生物細(xì)胞的阻抗譜，該傳感器允許細(xì)胞單列通過(guò)，由此研究了單個(gè)腫瘤細(xì)胞在三維基質(zhì)中的遷移規(guī)律。2018年LI等[17]采用BIS方法研究了體外循環(huán)系統(tǒng)中紅細(xì)胞的凝聚過(guò)程，該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅細(xì)胞的濃度于凝聚狀態(tài)的監(jiān)控。

LIU等[18]已經(jīng)將BIS技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞 -?溶液兩相流檢測(cè)中，建立了細(xì)胞 -?溶液兩相流的等效電路模型，并通過(guò)BIS方法實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞生死狀態(tài)的識(shí)別，見(jiàn)圖5，該成果發(fā)表在了IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems等期刊上。目前在基于以往理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)識(shí)別不同種類細(xì)胞。

圖5 BIS方法識(shí)別細(xì)胞生死狀態(tài)

WANG等[19]在毫米級(jí)別電阻抗成像方面取得了一定的研究結(jié)果，實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)裝有水溶液的圓形水槽作為二維成像區(qū)域，水槽直徑為5 mm，且圓形水槽周圍均勻分布8個(gè)電極，魚卵細(xì)胞直徑為1 mm。最終實(shí)現(xiàn)了靜止?fàn)顟B(tài)下一個(gè)截面電極魚卵的電阻抗成像檢測(cè)，為細(xì)胞流動(dòng)過(guò)程的多截面檢測(cè)提供了技術(shù)積累。由于魚卵細(xì)胞比較小，不便于人眼識(shí)別，因此使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察魚卵具體位置，用來(lái)驗(yàn)證電阻抗成像檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖6，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為多電極陣列腫瘤細(xì)胞的微尺度電阻抗成像提供了實(shí)踐支撐。

圖6 靜止?fàn)顟B(tài)下一個(gè)截面電極魚卵的電阻抗成像檢測(cè)

3 BIS與EIT互為補(bǔ)償方式

然而，在微尺度下，BIS得到的數(shù)據(jù)在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞種類、數(shù)量、大小識(shí)別的時(shí)候，受到細(xì)胞位置分布的影響。當(dāng)細(xì)胞數(shù)量和大小產(chǎn)生的阻抗值疊加時(shí)，也不容易區(qū)分細(xì)胞的個(gè)數(shù)與體積信息，這就需要借助于EIT成像方法來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞信息的進(jìn)一步識(shí)別。

YAO等[20]認(rèn)為，BIS技術(shù)能夠定量判斷細(xì)胞的類型、大小和數(shù)量（一維信息）；然而在高通量細(xì)胞群的檢測(cè)中電氣參數(shù)表征能力不完備，細(xì)胞群位置容易影響測(cè)量精度；EIT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞位置的二維圖像重構(gòu)，但是檢測(cè)信號(hào)受到微尺度下雙電層等噪聲影響，檢測(cè)精度很難提高。因此，姚佳烽等提出了一種腫瘤細(xì)胞精準(zhǔn)電阻抗檢測(cè)方法。采用EIT位置檢測(cè)與BIS定量檢測(cè)互為補(bǔ)償?shù)姆椒?，并借助?xì)胞識(shí)別的人工智能算法，著力構(gòu)建出一套微尺度下腫瘤細(xì)胞精準(zhǔn)電阻抗檢測(cè)的新方法。

通過(guò)16電極陣列微流控芯片采集數(shù)據(jù)，采用BIS與EIT互為補(bǔ)償?shù)姆绞?，獲取精準(zhǔn)的細(xì)胞電阻抗信息，其流程包括：首先，根據(jù)EIT初次獲取的細(xì)胞群位置，選擇離細(xì)胞群最近的電極作為BIS的激勵(lì) -?測(cè)量電極，消除細(xì)胞群位置對(duì)測(cè)量精度的影響，實(shí)現(xiàn)BIS的精準(zhǔn)檢測(cè)；同時(shí)，以EIT初次獲取的細(xì)胞群位置作為最佳成像區(qū)域，選取EIT的最優(yōu)激勵(lì) -?測(cè)量模式，提高EIT的成像質(zhì)量；其次，提取EIT圖像特征作為BIS電氣特征的補(bǔ)充，建立完備的特征組，輸入機(jī)器學(xué)習(xí)模型，準(zhǔn)確判斷細(xì)胞群種類、大小及個(gè)數(shù)；最后，根據(jù)得出的細(xì)胞群種類、大小及個(gè)數(shù)再次修正EIT圖像，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞精準(zhǔn)成像，見(jiàn)圖7。

圖7 EIT與BIS數(shù)據(jù)互為補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)電阻抗檢測(cè)過(guò)程

BIS與EIT數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于，電阻抗初次成像確定細(xì)胞分布位置后，為阻抗譜測(cè)量的激勵(lì) -?測(cè)量電極選擇提供決策，電阻抗二次成像的圖像特征和阻抗譜辨識(shí)出的電氣特征一起形成完備的特征組，用于綜合判斷細(xì)胞群種類、大小及個(gè)數(shù)，而判斷出的細(xì)胞種類提供了細(xì)胞圖像邊緣的平滑度信息，大小及個(gè)數(shù)則用于結(jié)合成像區(qū)域的質(zhì)心位置修正細(xì)胞影像的尺寸，精確修正EIT的二次成像，最終實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)成像。

4 小結(jié)與展望

電阻抗成像在微尺度檢測(cè)方面是未來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并且已經(jīng)表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。其中EIT方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0.5 mm以上粒子的檢測(cè)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞群的檢測(cè)，而在微尺度檢測(cè)方面還存在精度低的問(wèn)題；與此同時(shí)，BIS作為一維的電阻抗檢測(cè)方法，在一定程度上能夠反映出細(xì)胞的電學(xué)特性規(guī)律，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)細(xì)胞的檢測(cè)。將BIS與EIT互為補(bǔ)償，獲取精準(zhǔn)的細(xì)胞電阻抗信息，最終實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)成像。針對(duì)目前的新冠疫情，納米尺度的病毒檢測(cè)很有可能成為電阻抗檢測(cè)方法的下一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)。