電阻抗掃描乳腺成像的初步實驗

1、<p>　　電阻抗掃描乳腺成像的初步實驗</p><p>　　作者：季振宇，付峰，尤富生，史學(xué)濤，劉銳崗，董秀珍，王侃 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 電阻抗掃描 </p><p>　　【Abstract】 AIM: To lay basis for the design of the measuring electrode, hardware an

2、d imaging algorithm used in EIS Breast Imaging System Electrical Impedance Scanning (EIS), a new technique used in the diagnosis of breast cancer. METHODS: Based on the principle of EIS, we set up a workplace used in si

3、gnal measurement and analyzed the amplitude and phase of the measuring signal from the human body. RESULTS: The results showed that the measuring electrode, skinelectrode, contacting impedance, an</p><p>　　

4、【Keywords】 electrical impedance scanning; signal measurement; electrode </p><p>　　【摘要】 目的： 電阻抗掃描（electrical impedance scanning， EIS）成像原理應(yīng)用于婦女乳腺檢查是一種新的診斷技術(shù). 初步實驗研究在于為后續(xù)EIS乳腺成像系統(tǒng)電極陣列、硬件系統(tǒng)、軟件算法的設(shè)計提供依據(jù). 方法: 基于EI

5、S檢測原理通過初步建立的信號檢測平臺，采集一些人體數(shù)據(jù)，并對信號的幅值、相位進行分析. 結(jié)果： 電極陣列、電極皮膚接觸阻抗、激勵頻率均對檢測信號有影響. 結(jié)論： 明確了影響EIS檢測結(jié)果的因素，為EIS乳腺成像系統(tǒng)的設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ). </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 電阻抗掃描；信號檢測；電極 </p><p><b>　　0引言 </b></p>

6、<p>　　電阻抗掃描（electrical impedance scanning，EIS）成像是利用正方形電極陣列對感興趣區(qū)體表電壓或電流進行測量，在二維圖像上再現(xiàn)被測區(qū)組織電阻和電容值的一種技術(shù). 其理論基礎(chǔ)是均勻電場中如含有電導(dǎo)率不同的其他電介質(zhì)時電場的分布就會改變［1］. 健康的乳房中大量存在的脂肪組織，可以被認為電介質(zhì)是均一的，癌變組織被認為比周圍正常組織有著較高的電導(dǎo)率，因此在一個等效的乳腺組織電流場模型中，癌變

7、組織可以被認為是一個低電阻或高電導(dǎo)的介質(zhì)，那么它就會使乳腺組織電流場中的電流分布發(fā)生改變. 如果將測量電極陣列置于乳房表面就可以通過測量電極單元上的電流大小間接地反映電極下的組織特性［2］. </p><p>　　本研究通過EIS乳腺成像初步實驗，明確了影響被測信號的因素，為將來電極陣列、硬件系統(tǒng)和軟件算法的設(shè)計提供了依據(jù). </p><p><b>　　1信號檢測方法 <

8、/b></p><p>　　測量時被測者手握激勵電極（參考電極），將測量電極置于乳房表面. 如果測量電極陣列的電勢為地電勢，對激勵電極施加一定的電壓，那么電流通過人的手臂到達高電導(dǎo)率的胸肌組織，這樣就可以將大面積的胸肌組織看作是一個等電勢的平面，胸肌組織表面和測量電極就構(gòu)成平行板電容器，它們之間會產(chǎn)生電場. 因為健康的乳房中存在大量的脂肪組織，所以可以理想認為所形成的電場是均勻的，如果乳房中存在癌變組織，該

9、組織就會在均勻電場中產(chǎn)生擾動，具體表現(xiàn)為該部位對應(yīng)的測量單元電極上的電流值增加［2］. 測量方法如Fig 1所示. </p><p>　　作為初步實驗研究我們使用可調(diào)幅調(diào)頻的信號源（泰克AFG320）作為激勵源，激勵電極上的電壓信號由激勵源輸出，在測量過程中可以改變激勵信號的頻率和幅值，電壓幅值設(shè)定小于2.5 V，確保被測者處在安全電壓下. 頻率設(shè)置為50 Hz~50 kHz范圍內(nèi)可調(diào). </p>

10、<p>　　測量電極是由一些小單元電極組成的正方形電極陣列（Fig 2），通過測量每個單元電極上的電流，從而間接反映每個單元電極下對應(yīng)組織的阻抗特性. 單元電極上的電流測量是通過電流電壓轉(zhuǎn)化電路（Fig 3）實現(xiàn)的，當(dāng)測量一個單元電極上的電流時，其他單元電極均保持地電勢. </p><p>　　通過對經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路所測到的電壓信號值進行分析可以換算出相應(yīng)測量單元電極上的電流值. </p>

11、<p>　　2影響被測信號性質(zhì)的因素 </p><p>　　EIS乳腺成像初步實驗研究關(guān)鍵在于明確影響被測信號質(zhì)量的因素，評估被測信號的幅值范圍、頻率特性，為后續(xù)的電極設(shè)計、硬件系統(tǒng)及軟件算法的設(shè)計提供依據(jù). 采用我們初步設(shè)計的信號檢測方法，通過一系列的實驗我們發(fā)現(xiàn)影響被測信號質(zhì)量的因素主要有以下幾個方面： </p><p>　　2.1電極陣列中單元電極位置對所測信號的影響我

12、們使用的檢測電極陣列是8*8電極陣列，陣列外圍無接地環(huán)路，測量過程中分別選擇幾組具有代表性的測量單元（Fig 4），通過比較這些單元電極上所測得的電流信號分析陣列中單元電極位置對信號的影響. </p><p>　　比較電極單元分類為：中心區(qū)電極單元和四個邊角處電極單元的比較（如選擇A0，H0，A7，H7和D3，E3，D4，E4進行比較）；同一行（列）中心處電極單元和邊緣處電極單元的比較（如選擇A4，C4，E4，G

13、4進行比較）. 相同條件下分別測量這些電極單元上電流幅值，多次測量過程中我們發(fā)現(xiàn)了如下的規(guī)律：即相同條件下處于邊緣區(qū)單元電極上所測得的信號幅值要高于中心區(qū)單元電極上所測得的信號幅值. 通過分析我們認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是平行電場的邊緣效應(yīng)的存在，所以在后續(xù)設(shè)計中有必要考慮這種因素對測量信號所造成的影響. </p><p>　　2.2測量電極陣列對所測信號的影響作為檢測弱電信號的電極陣列，單元電極的面積、數(shù)目均會對

14、所檢測的信號有一定的影響. 實驗中我們分別使用了單元電極數(shù)目為4*4，8*8且單元電極面積不同的電極陣列進行電流信號測量，其中各電極的尺寸標(biāo)注如Fig 5所示. 利用我們設(shè)計的不同規(guī)格的電極進行實驗，測量用電流電壓轉(zhuǎn)換電路使用的運算放大器為AD公司的OP27，取反饋電阻為10 kΩ，在激勵電壓幅值（峰峰值）為2 V，激勵頻率分別為100 Hz，500 Hz，1 kHz和2 kHz時，將測量電極陣列固定于同一被測試者的相同測量部位，在電極

15、陣列中心區(qū)電極測得的電流信號幅值范圍如Tab 1所示. </p><p>　　由Tab 1可以得到以下結(jié)論：不同規(guī)格的電極陣列在同等測量條件下所測得的電流信號幅值有明顯的差別，其主要影響因素是單元電極面積和單位測量面積內(nèi)測量電極單元的數(shù)目. 電極單元的面積關(guān)系到所測得電流信號幅值的大小，單位測量面積內(nèi)測量電極單元的數(shù)目關(guān)系到測量系統(tǒng)分辨同等深度異常組織大小的能力，故在測量電極陣列的設(shè)計中為了能得到最佳的檢測效果需

16、考慮這兩個重要的影響因素.表1不同電極陣列測得的電流信號幅值（峰峰）范圍表（略） </p><p>　　2.3電極皮膚接觸阻抗對所測信號的影響當(dāng)電極接觸皮膚表面時就會引入接觸阻抗，其阻抗特性可用一個阻容網(wǎng)絡(luò)模型等效，接觸阻抗的大小隨著頻率的增加而減小. 用8*8電極陣列（Fig 5A）進行測量，當(dāng)激勵頻率在50～100 Hz范圍時，單元電極上測得的電流幅值（峰峰）范圍為2.0~4.2 μA. 隨著激勵頻率的增加單

17、元電極上測得的電流值逐漸增加，到20 kHz時電流幅值（峰峰）增大為36 μA左右. 利用其他規(guī)格電極陣列進行測量，所測得單元電極上的電流幅值隨頻率的變化規(guī)律相同. </p><p>　　同時，接觸阻抗的大小還跟電極與皮膚接觸的緊密程度有很大的關(guān)系. 測量中測量電極陣列與皮膚接觸緊密程度不同（在電極陣列與皮膚完全接觸的情況下）所測得的電流信號的幅值也不同，但電流信號的相移無明顯差異. 由于電極陣列與皮膚接觸的緊密

18、程度無法定量地把握，因此我們只能從所測量電流幅值和相位趨勢上定性地得出以上測量結(jié)論. </p><p>　　電極皮膚的接觸阻抗對所檢測電流信號有一定的影響，在低頻時接觸阻抗如果比較大則會淹沒電極陣列下組織阻抗特性造成的差異. 因此在電極材料的選擇上要考慮選擇接觸阻抗相對恒定的材料，同時在測量過程中要注意皮膚和電極接觸的緊密程度，另外也可考慮采用較寬頻帶范圍內(nèi)的多頻測量、改進成像算法、綜合考慮所測信號的幅值和相位信

19、息等方面減少電極皮膚接觸阻抗帶來的影響. </p><p>　　2.4激勵頻率對所測信號的影響從3.2，3.3兩部分的敘述中可看到激勵頻率對所測信號幅值的影響，這里我們給出采用4*4電極陣列（Fig 5B）、8*8電極陣列（Fig 5A）進行測量時，在電極陣列中心區(qū)單元電極上所測得的電流信號幅頻曲線圖（Fig 6）. </p><p>　　測量時設(shè)定的激勵信號頻率范圍為50 Hz～50 k

20、Hz，隨著頻率的增大所測信號的幅值增大但當(dāng)頻率大于25 kHz時增大的趨勢不明顯. 通過示波器（泰克TDS3032）可以看到隨著頻率的增大，信號（經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)化得到的電壓信號）的相移也會逐漸增加. 由于示波器測量相移的誤差比較大，本文只定性地加以討論. </p><p>　　人體組織的阻抗可等效為一個阻容模型，因此可以通過改變激勵頻率測量不同頻率下組織的阻抗參數(shù)值，以提高EIS檢測系統(tǒng)對病變組織的鑒別能力. 在將

21、來激勵源的設(shè)計中要從可變頻方面加以考慮. </p><p>　　因人對低頻電流較為敏感，實驗過程中發(fā)現(xiàn)在激勵電壓幅值（峰峰）為2 V，頻率在小于60 Hz測量時，部分被測者會有微麻的感覺，這種現(xiàn)象提示我們在將來EIS系統(tǒng)設(shè)計中要考慮到過電流保護的設(shè)計. </p><p><b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　通過EIS乳腺檢測的初期

22、實驗研究明確了影響被測信號質(zhì)量的主要因素，在分析這些影響因素的基礎(chǔ)上可以為后期電極的設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件算法的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ). 但作為初期實驗研究，在測量電極設(shè)計、信號檢測方法. 所選擇器件的性能方面考慮不是很全面，因此會對測量精度產(chǎn)生一定的影響，這需要在今后的研究中不斷完善設(shè)計方案以提高測量的精度. 同時我們在測量過程中主要對信號的幅值進行了定量的分析，對信號的相移只是定性地分析，將來有必要采用一定的解調(diào)方法對信號相移進行定量

23、的研究. </p><p><b>　　【參考文獻】 </b></p><p>　?。?］ Scholz B, Anderson R. On electrical impedance scanningPrinciples and simulations ［J］. Electromedica, 2000;68:35-44. </p><p>