Caracterización del tejido columnar del cérvix mediante espectroscopia de impedancia eléctrica y modelado computacional / Characterization of cervical columnar tissue through electrical impedance spectroscopy and computer modeling

RESUMEN Introducción: En este artículo se presenta la utilización de la espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) en la caracterización del tejido columnar cervical y como herramienta de apoyo a las técnicas diagnósticas del cáncer de cuello uterino. Métodos: Se realizó un estudio de validez diagnóstica a 30 pacientes no menopáusicas que presentaron ectopia cervical durante la colposcopia. Se obtuvieron 129 espectros de impedancia eléctrica de tejido columnar, que fueron diferenciados en cuatro zonas o puntos de toma de medidas, semejantes a las zonas horarias 12, 3, 6, y 9 de un reloj análogo. Los datos experimentales obtenidos fueron ajustados al modelo de Cole-Cole, que describe la fisiología y estructura del tejido mediante parámetros eléctricos de resistividad R y S, frecuencia característica Fc y capacitancia de membrana Cm. Resultados: La comparación entre tejidos columnares sanos y con lesión en cada uno de los puntos de medida se realizó mediante pruebas no paramétricas U de Mann-Whitney, que mostraron diferencias estadísticamente significativas (p <0,05) para las medianas de R y S, con un nivel de confianza del 95%. Los valores promedio de R y S para tejido columnar sano fueron 2,0 Ω-m y 11,36 Ω-m, con desviación estándar 0,41 y 0,51 respectivamente; mientras que para los tejidos con lesiones el valor promedio R y S fueron de 4,21 Ω-m y 7,03 Ω-m, con desviación estándar 0,40 para ambas medidas. Conclusión: Se encontró que la resistividad del líquido extracelular R y la resistividad de la matriz intracelular S son las que mejor discriminan entre epitelios columnares sanos y aquellos afectados por lesiones.

ABSTRACT Introduction: Thi s pape r shows the implementation of Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) in the characterization of the cervical columnar tissue and as a supporting tool to the diagnostic techniques of cervical cáncer Methods: A diagnostic validity study was performed on 30 non-menopausal patients who presented cervical ectopy during colposcopy. A total of 129 electric impedance spectra of columnar tissue was obtained, which were differentiated into four measurement zones or points similar to time zones 12, 3, 6, and 9 of an analog clock. The experimental data obtained were adjusted to the Cole-Cole model which describes the physiology and structure of the tissue through electrical resistivity parameters R and S, characteristic frequency Fc and membrane capacitance Mc. Results: The comparison between healthy and damaged columnar tissue at each of the measurement points was performed using non-parametric Mann-Whitney U tests which showed statistically significant differences (p <0.05) for the R and S medians with a 95% confidence level. The average values of R and S for healthy columnar tissue were 2.0 Ω-m and 11.36 Ω-m, with 0.41 and 0.51 standard deviation respectively, whereas for a damaged tissue the average value of R and S were 4.21 Ω-m and 7.03 Ω-m, with 0.40 standard deviation for both measurements. Conclusions: It was found that the resistivity of the extracellular liquid R, and the resistivity of the intracellular matrix S, are the parameters that better discriminate between healthy columnar epithelia and those affected by lesions.

EVALUATION OF ELECTRICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY FOR CERVICAL INTRAEPITHELIAL LESIONS DETECTION / EVALUACIÓN DE LA ESPECTROSCOPIA DE IMPEDANCIA ELÉCTRICA PARA LA DETECCIÓN DE LESIONES INTRAEPITELIALES DEL CUELLO UTERINO

Objective: To evaluate the diagnostic accuracy of electrical impedance spectroscopy (EIS) in detection of pre-invasive cervical lesions. Design: Cross-sectional study of diagnostic validity carried out with 265 women between 15 and 55 years with abnormal pap smear report, referred to colposcopy, who were evaluated between January 2008 and June 2010 in the Cervical Pathology and Colposcopy Network in the Departments of Caldas and Risaralda (Colombia). Measurements of electrical impedance spectroscopy of the cervix were made, new pap smear samples were taken, colposcopic examination and colposcopically directed biopsies were performed. Results: The evaluated parameters were resistivity of the extracellular space (R), resistivity of the intracellular space (S), cell membrane capacitance (Cm) and characteristic frequency (Fc). The results obtained for R parameter were: in squamous normal tissue 21.27 +/- 16.48 (O-m); in high-grade lesions 4.28 +/- 2.28 (O-m); and in low-grade lesions 10.1 +/- 4.59 (O-m), showing a decrease of R in neoplastic tissue compared to normal tissue. The sensitivity of the EIS was 0.88 for high grade lesions and 0.71 for low grade lesions. The area under the ROC curves for high grade lesions /normal epithelium was 0.96, for low grade lesions/normal epithelium was 0.76 and for high grade/low grade was 0.90. Conclusions: This study established that EIS is a useful technique for detection and characterization of cervical intraepithelial lesions, with diagnostic precision greater than 75%, with sensitivity and specificity over 69%, with an acceptable positive predictive value and a negative predictive value close to 90%.

Objetivo: Evaluar la precisión diagnóstica de la espectroscopia de impedancia eléctrica (EIE) en la detección de lesiones preinvasoras del cuello uterino. Diseño: Estudio de validez diagnóstica ensamblado en un estudio de corte transversal realizado en 265 mujeres entre los 15 y 55 años, con reporte de citología anormal, referidas a colposcopia, evaluadas entre enero de 2008 y junio de 2010 en la red de patología cervical y colposcopia en los departamentos de Caldas y Risaralda (Colombia). Se realizaron lecturas de espectroscopia de impedancia eléctrica del cuello uterino, nueva toma de citología, colposcopia y biopsias dirigidas. Resultados: Los parámetros evaluados fueron la resistividad del espacio extracelular (R), la resistividad del espacio intracelular (S), la capacitancia de la membrana celular (Cm) y la frecuencia característica (Fc). Los resultados obtenidos para la variable R fueron: en tejidos escamosos normales de 21,27+/-16,48 (?-m), en lesiones de alto grado 4,28+/-2,28 (?-m) y en lesiones de bajo grado 10,1+/-4,59 (?-m), evidenciando una disminución de R en los tejidos lesionados respecto a los normales. La sensibilidad de la EIE fue de 0,88 para lesiones de alto grado y de 0,71 para lesiones de bajo grado. El área bajo las curvas COR para lesiones de alto grado/epitelio normal fue de 0,96; lesiones de bajo grado/epitelio normal 0,76 y lesión alto grado/bajo grado 0,90. Conclusiones: Este estudio permitió establecer que la EIE es una técnica útil para la detección y caracterización de lesiones intraepiteliales del cuello uterino, con una precisión diagnóstica mayor al 75%, con sensibilidad y especificidad superiores al 69%, un valor predictivo positivo aceptable y un valor predictivo negativo, cercano al 90%.

Espectroscopia de impedancia eléctrica en cáncer invasivo del cuello uterino en mujeres de Caldas (Colombia), 2008-2009 / Electrical impedance spectroscopy in cervical cancer in women from Caldas, Colombia 2008-2009

Objetivo: obtener las curvas de resistividad eléctrica de tejido cervical en presencia de cáncer invasivo del cuello uterino. Metodología: estudio de corte transversal en pacientes con carcinoma invasor del cérvix. Se utilizó un medidor de impedancia de tejido (Electrical Impedance Spectroscopy Mk3.5 single channel system), el cual, mediante una sonda tetrapolar con dos electrodos de corriente y dos de voltaje, permite calcular la impedancia de transferencia de los tejidos. Resultados: se realizaron 102 mediciones y se obtuvieron las curvas de resistividad del tejido cervical en 18 mujeres con edades entre 46 y 72 años (56+/-9, media +/-DS). De esta manera, se encontró que los tejidos presentan una curva de resistividad característica para cáncer invasivo de cérvix con parámetros de resistividad promedio (R0 = 4,35+/-2,26 [Ω-m], media +/-DSy R∞ = 1,41+/-0,57 [Ω-m]). Con estos estimativos se obtuvieron los valores de la resistividad de los líquidos extra e intracelular (R = 4,35+/-2,26 [Ω-m] y S = 2,44+/-1,11 [Ω-m]). Conclusión: la espectroscopia de impedancia eléc trica muestra un patrón diferente en tejidos prove nientes de carcinoma invasor del cérvix en relación con el tejido cervical sano.

Objective: obtaining electrical resistivity curves for cervical tissues in invasive cervical cancer. Methodology: a tissue impedance meter was used (MK 3.5 Electrical Impedance Spectroscopy, single channel system) in this cross-sectional study of invasive cervical cancer patients; it led to calculating the tissues’ transfer impedance by means of a pencil probe incorporating four gold electrodes.Results: 102 measurements were made and resistivity curves for cervical tissue were obtained in 18 women aged 46 to 72 (56±9, mean ± SD). These tissues presented a special resistivity curve for invasive cervical cancer, average resistivity parameters being (R0 = 4.35 ± 2.26 [Ω-m] and R∞ = 1.41 ± 0.57 [Ω-m]). Resistivity values for those estimations (R = 4.35 ± 2.26 [Ω-m] and S = 2.44 ± 1.11 [Ω-m]). Conclusion: electrical impedance spectroscopy presented different patterns for invasive cervical cancer tissue and healthy tissue.

Detección precoz de lesiones intraepiteliales del cuello uterino en mujeres de Caldas-Colombia mediante la técnica de espectroscopia de impedancia eléctrica / Early detection of cervical intraepithelial lesions in women from Caldas, Colombia, by electrical impedance spectroscopy

Objetivo: evaluar la precisión diagnóstica de la espectroscopia de impedancia eléctrica para la detección de lesiones intraepiteliales del cuello uterino. Metodología: estudio de validez diagnóstica ensamblado sobre un estudio de corte transversal. Se evaluaron 285 pacientes de las cuales se seleccionaron 118 no menopáusicas que presentaron citología anormal, sin biopsias o tratamientos previos del cuello uterino. Fueron obtenidas curvas de magnitud de resistividad (Ω-m) contra frecuencia (kHz) las cuales permiten diferenciar tipos de tejidos y grados de lesión y las curvas de operación característica del receptor (COR). Resultados: de los parámetros obtenidos se encontró que la resistividad del líquido extracelular R es la que mejor discrimina entre epitelios escamosos sanos y aquellos afectados por lesiones tipo NIC 1 y NIC 2 - 3. El valor promedio de R para tejido escamoso sano fue de 24,31 Ω-m, desviación estándar 11,26, coeficiente de variación 46,3por ciento; para tejidos con lesiones tipo NIC 1 el valor promedio fue de 9,76 Ω-m, desviación estándar 6,52, coeficiente de variación 66,8 por ciento; y para tejidos con lesiones tipo NIC 2 - 3, el valor promedio fue 6,12 Ω-m, desviación estándar 4,32, coeficiente de variación 70,6 por ciento. También fueron obtenidas curvas de magnitud de resistividad (Ω-m) contra frecuencia (kHz), las cuales permiten diferenciar tipos de tejidos y grados de lesión. La precisión de esta técnica diagnóstica fue medida utilizando curvas de operación característica del receptor (COR) con las cuales se diferencia el tejido escamoso normal y NIC 1 con sensibilidad del 79,3 por ciento y especificidad del 79,1 por ciento. Entre epitelio escamoso normal y NIC 2 - 3 con sensibilidad del 88,4 por ciento y especificidad del 87,1 por ciento. Entre NIC 1 y NIC 2 - 3 con sensibilidad y especificidad de 63,8 y 63,6 por ciento respectivamente