微尺度電阻抗成像在腫瘤細胞檢測中的應用進展

姚佳烽

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

目前，電阻抗成像（EIT）方法已經逐步被應用于宏觀的生物組織檢測，面向微尺度生物檢測的EIT方法是發展趨勢。EIT技術是20世紀80年代出現的一種安全、非侵入式、成本低廉的功能成像技術，是一種可視化的檢測技術，其利用一系列分布在被測物體表面的電極，進行檢測，確定目標內部各個位置的導電率或電容率分布，已被廣泛且成熟地應用于工業檢測與醫療成像[1]。EIT技術的原理是通過向待測場域施加一定頻率的安全激勵電流，并測量邊界電壓信號來計算出待測場域內部的電導率分布情況。相較于計算機斷層掃描（CT）、磁共振成像（MRI）等斷層成像技術，EIT功能成像的特點可以較好地應用在生物組織與細胞的檢測中[2]。

1 EIT方法

在微觀尺度下，當電場作用于流體進行阻抗檢測時，溶液中的離子在電場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對流體的作用，造成極大的噪聲，降低了系統對流體阻抗檢測的敏感度[3]。該噪聲與信號之間的干擾導致設備開發難度較大，雖然目前研究較少，但EIT仍是非常有潛力的一種成像技術。2010年TAO等[4]人開發了直徑為6 mm的16電極EIT傳感器，實現了真菌的生長過程監測；2018年LEMMENS等[5]人開發了圓形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，對細胞的培養過程進行了監控；2019年YANG等[6]人開發了用于三維細胞培養過程進行定量成像與檢測的微型EIT系統，系統基于PCB板開發，傳感器直徑為15 mm，有16個激勵電極與1個接地電極，見圖1-A；將其用于MCF7乳腺腫瘤細胞檢測并進行了實驗驗證，可以實現直徑為0.5 mm腫瘤細胞團的檢測，見圖1-B。從現有微尺度EIT研究結果來看，還存在兩個問題：第一，成像精度還不夠高，不能滿足腫瘤細胞檢測的需求；第二，該研究過程還停留在靜止狀態下的檢測，未涉及到流動狀態下的細胞檢測。

圖1 面向微小生物組織檢測的EIT方法

姚佳烽等[7-8]已經開發出了新型多電極陣列三維結構的微流控芯片，見圖2，其突破了傳統微流路尺寸的設計技術限制，將多電極陣列于流路周圍，擴大了微流路的管道直徑，與傳統流式細胞儀相比，檢測效率提高了10倍以上，現有研究報道尚未發現類似結構。該芯片可以實現血液循環系統中腫瘤細胞的高效率檢測，并為腫瘤細胞高速分離提供了關鍵的細胞定位信息。

圖2 多電極陣列微流路

圖3為流量Q=10 mL/h時利用電阻抗掃描成像（EIS）法測量的微流道內不同截面細胞濃度曲線以及利用EIT技術重構的微流道內3個截面細胞的沉淀分布圖，下部表示細胞，上部表示水，圖中顯示分布在微流道底部的紅色區域逐漸減少[9]。在以前的研究[7]中已經分析了細胞沉降的速度，通過圖3可以看到微流道截面z1、z3及z5中細胞沉降的重建圖像，該結果與之前研究中通過電化學阻抗譜（EIS）法檢測的細胞濃度分布相一致。細胞濃度從Φ= 17.5 vol%緩慢地降低到Φ= 4.9 vol%，可以看出由于沉降導致從第1個截面到第5個截面細胞積聚逐漸變化。微尺度EIT方法和EIS方法關于細胞沉降的一致性說明了開發微尺度EIT系統可以在多層電極微流道中成功地實現細胞沉降可視化。

圖3 沿著微流道中3個橫截面的細胞沉降可視化的應用

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病理信息的檢測技術[10]。GABRIEL等[11]研究了人體組織及器官在10 ～ 20 GHz頻率范圍內的介電特性，根據測量數據建立阻抗譜分析模型和數據庫網站，成為BIS研究的重要參考標準。LU等[12]人通過對離體組織在不同頻率下電特性的研究，發現組織電阻抗實部和虛部具有不同且豐富的生理病理信息，這一發現為BIS進一步研究奠定了基礎。

隨著微機電系統（MEMS）技術的發展，借助于微流控芯片，BIS也逐步被應用于細胞檢測[13]。生物細胞作為非均勻結構（細胞外、細胞膜和細胞質），其電學特性具有異質性，當交流電場作用于細胞時，細胞的介電響應出現α色散、β色散和γ色散的弛豫現象，可以利用該弛豫現象對細胞的不同結構特征進行檢測識別[14]。BIS技術通過交流電阻抗技術檢測生物細胞的電導率和介電常數，并引入電介質物理模型的數值計算，獲得細胞外液、細胞膜和細胞質的電學信息，由此來區分不同種類的細胞。該檢測包括具有流動聚焦區、測量電極和分類電極的阻抗式細胞儀，用于研究單個腫瘤細胞在三維基質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，其可監測多個腫瘤球體的大小，在電極上滾動的微組織產生一個峰值，其厚度與球體的大小成正比，該BIS傳感器允許細胞單列通過，限制了細胞的檢測效率，見圖4。

圖4 BIS方法區分不同種類的生物細胞

由于BIS方法具有操作簡單和信息豐富等特點，國內外已經有大量學者對該方法進行了研究。2008年PATEL等[15]研究采用BIS方法研究了細胞的死亡過程，由于細胞的死亡往往伴隨著細胞膜完整性的喪失，細胞膜的介電參數值也會發生顯著變化。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胞的阻抗譜，該傳感器允許細胞單列通過，由此研究了單個腫瘤細胞在三維基質中的遷移規律。2018年LI等[17]采用BIS方法研究了體外循環系統中紅細胞的凝聚過程，該方法可以實現對紅細胞的濃度于凝聚狀態的監控。

LIU等[18]已經將BIS技術應用于細胞 -?溶液兩相流檢測中，建立了細胞 -?溶液兩相流的等效電路模型，并通過BIS方法實現了細胞生死狀態的識別，見圖5，該成果發表在了IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems等期刊上。目前在基于以往理論與實驗基礎上，進一步采用機器學習方法來識別不同種類細胞。

圖5 BIS方法識別細胞生死狀態

WANG等[19]在毫米級別電阻抗成像方面取得了一定的研究結果，實驗采用一個裝有水溶液的圓形水槽作為二維成像區域，水槽直徑為5 mm，且圓形水槽周圍均勻分布8個電極，魚卵細胞直徑為1 mm。最終實現了靜止狀態下一個截面電極魚卵的電阻抗成像檢測，為細胞流動過程的多截面檢測提供了技術積累。由于魚卵細胞比較小，不便于人眼識別，因此使用光學顯微鏡進行觀察魚卵具體位置，用來驗證電阻抗成像檢測的實驗結果，見圖6，該實驗結果為多電極陣列腫瘤細胞的微尺度電阻抗成像提供了實踐支撐。

圖6 靜止狀態下一個截面電極魚卵的電阻抗成像檢測

3 BIS與EIT互為補償方式

然而，在微尺度下，BIS得到的數據在實現細胞種類、數量、大小識別的時候，受到細胞位置分布的影響。當細胞數量和大小產生的阻抗值疊加時，也不容易區分細胞的個數與體積信息，這就需要借助于EIT成像方法來實現細胞信息的進一步識別。

YAO等[20]認為，BIS技術能夠定量判斷細胞的類型、大小和數量（一維信息）；然而在高通量細胞群的檢測中電氣參數表征能力不完備，細胞群位置容易影響測量精度；EIT技術能夠實現細胞位置的二維圖像重構，但是檢測信號受到微尺度下雙電層等噪聲影響，檢測精度很難提高。因此，姚佳烽等提出了一種腫瘤細胞精準電阻抗檢測方法。采用EIT位置檢測與BIS定量檢測互為補償的方法，并借助細胞識別的人工智能算法，著力構建出一套微尺度下腫瘤細胞精準電阻抗檢測的新方法。

通過16電極陣列微流控芯片采集數據，采用BIS與EIT互為補償的方式，獲取精準的細胞電阻抗信息，其流程包括：首先，根據EIT初次獲取的細胞群位置，選擇離細胞群最近的電極作為BIS的激勵 -?測量電極，消除細胞群位置對測量精度的影響，實現BIS的精準檢測；同時，以EIT初次獲取的細胞群位置作為最佳成像區域，選取EIT的最優激勵 -?測量模式，提高EIT的成像質量；其次，提取EIT圖像特征作為BIS電氣特征的補充，建立完備的特征組，輸入機器學習模型，準確判斷細胞群種類、大小及個數；最后，根據得出的細胞群種類、大小及個數再次修正EIT圖像，實現腫瘤細胞精準成像，見圖7。

圖7 EIT與BIS數據互為補償的精準電阻抗檢測過程

BIS與EIT數據融合的關鍵在于，電阻抗初次成像確定細胞分布位置后，為阻抗譜測量的激勵 -?測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出的電氣特征一起形成完備的特征組，用于綜合判斷細胞群種類、大小及個數，而判斷出的細胞種類提供了細胞圖像邊緣的平滑度信息，大小及個數則用于結合成像區域的質心位置修正細胞影像的尺寸，精確修正EIT的二次成像，最終實現腫瘤細胞的精準成像。

4 小結與展望

電阻抗成像在微尺度檢測方面是未來的一個研究熱點，并且已經表現出了一定的優勢。其中EIT方法可以實現對0.5 mm以上粒子的檢測，同時也可以實現對細胞群的檢測，而在微尺度檢測方面還存在精度低的問題；與此同時，BIS作為一維的電阻抗檢測方法，在一定程度上能夠反映出細胞的電學特性規律，可以用來實現微米級細胞的檢測。將BIS與EIT互為補償，獲取精準的細胞電阻抗信息，最終實現腫瘤細胞的精準成像。針對目前的新冠疫情，納米尺度的病毒檢測很有可能成為電阻抗檢測方法的下一個應用熱點。