Discrimination and characterization of healthy and tumor tissues by electrical impedance spectroscopy and tomography

Diagnosis of cancer is currently based on morphological or functional imaging (radiology, endoscopy, nuclear medicine) before proceeding to pathological examination of bioptic tissue samples. However, it is well known that differential diagnosis of lesions may be sometimes critical because of inadequate sensitivity and specificity of imaging methods. The actual gold standard, histology, is subjected to some problems due to the radiological and/or endoscopic procedures, that do not permit to fully address biopsy during the tissue withdrawal, being it often hard to correctly identify tumor tissue without collecting several tissues samples. Furthermore, biopsy is a complex procedure and it is associated with collateral problems for the patient, it requires long recovery times, and cannot guarantee the real-time diagnosis of the disease. A useful tool for the improvement of the predictive value of the current methods (x‐ray, nuclear medicine, magnetic resonance), in order to reduce false positive/negative test and reduce the interventional invasive procedures, and also to better target biopsy, could be represented by the quantitative assessment of electrical properties of tissues. The cell cytoplasm and extracellular space act as conductive media, being isolated from each other by the cell membrane. Different electrical equivalent circuits can model the total impedance including both its real and imaginary parts, which depend on resistance and reactance, respectively. Supposing that the presence of neoplastic tissue alters this structure, differences in the electrical properties of normal and cancerous tissue have been already investigated. Differences in resistivity between cancerous and normal tissue have been attributed to the different water content, being it known that cancer cells have a higher water content and sodium concentration than normal cells, as well as different electrochemical properties of their cell membranes. For this reason, cancerous tissue exhibits a greater permittivity and conductivity than normal tissue. In order to take advantage of impedance for cancer discrimination, the objective of this thesis is the exploration of the tissue electrical behavior, healthy and pathological, with the scope of designing and manufacturing a prototype for the impedance evaluation in biological tissues. Firstly, we focused on a feasibility study, to test effectively the reliability of impedance for the discrimination between pathological and healthy tissues, to continue with the development of prototypes for improving the tissue characterization, to solve issues that occur using commercial laboratory devices with biological samples, and to define the basis for a device that can be used during the clinical practice.

La diagnosi del cancro attualmente è basata sull'imaging morfologico e funzionale (radiologia, endoscopia, medicina nucleare), prima di procedere con l'esame patologico dei campioni di tessuto. Tuttavia, è noto che la diagnosi differenziale delle lesioni, a volte può essere critica a causa della inadeguata sensibilità e specificità dei metodi di imaging. Il gold standard attuale, l'esame istologico, è soggetto ad alcuni problemi con le attuali procedure endoscopiche e/o radiologiche, che non consentono di indirizzare correttamente la biopsia durante il prelievo tessutale, essendo spesso difficile identificare il tessuto tumorale, senza raccogliere un numero considerevole di campioni. Inoltre, la biopsia è una procedura complessa ed è associata a problemi collaterali per il paziente, richiede lunghi tempi di degenza e non può garantire la diagnosi in tempo reale della malattia. Uno strumento utile per il miglioramento dell'efficacia dei metodi attuali (radiografia, medicina nucleare, risonanza magnetica), al fine di ridurre i falsi positivi/negativi e ridurre l'invasività delle procedure interventistiche, e anche per indirizzare meglio la biopsia, potrebbe essere rappresentato dalla valutazione quantitativa delle proprietà elettriche dei tessuti. L'impedenza totale del campione biologico può essere modellizzata tramite circuiti equivalenti, che includano sia le sue parti reali che quelle immaginarie, che dipendono rispettivamente dalla resistenza e dalla reattanza. Supponendo che la presenza di una neoplasia ne alteri questa struttura, le differenze nelle proprietà elettriche del tessuto normale e canceroso sono già state studiate. Queste differenze sono state attribuite al diverso contenuto di acqua, essendo noto che le cellule tumorali hanno un più elevato contenuto di acqua e concentrazione di sodio rispetto alle cellule normali, così come differenti proprietà elettrochimiche delle loro membrane cellulari. Per questo motivo, il tessuto canceroso presenta una maggiore permettività e conducibilità rispetto ai tessuti normali. Al fine di sfruttare al meglio l'impedenza per la discriminazione tessutale in campo oncologico, l'obiettivo di questa tesi è l'osservazione del comportamento elettrico dei tessuti, sani e patologici, con lo scopo di progettare e produrre un prototipo per la valutazione dell'impedenza nei campioni biologici. In primo luogo, ci siamo concentrati su uno studio di fattibilità, per testare in modo efficace l'affidabilità dell'impedenza per la discriminazione tra tessuti sani e patologici, per poi continuare con lo sviluppo di prototipi per migliorare la caratterizzazione dei tessuti, per risolvere problemi che si possono verificare utilizzando dispositivi commerciali da laboratorio in presenza di campioni biologici e per definire le basi per lo sviluppo di un dispositivo utilizzabile durante la pratica clinica.