專利名稱：一種電阻抗成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電阻抗成像方法，屬于電阻抗掃描成像技術(electricalimpedance scanning, EIS)令頁域。
背景技術：
由于人體乳腺癌灶組織的電導納(阻抗)大于(小于)乳腺正常組織，以測量組織電阻抗或?qū)Ъ{為基礎的乳腺癌檢測或診斷技術得到了迅速發(fā)展。因阻抗概念更為人所熟知，因此這類技術被稱為電阻抗技術。目前，該領域已由離體組織測量、侵入式在體測量發(fā)展到了非侵入式在體測量階段。電阻抗掃描成像技術即為電阻抗技術在乳腺癌檢測及診斷應用領域的典型代表。EIS通過手握的不銹鋼棒狀電極將恒定幅度交流電壓信號引入到導電性能優(yōu)異的胸大肌，然后通過將乳房表面的測量探頭所有電極虛地，在胸大肌與探頭之間形成一個近似的平行電場。通過測量探頭檢測電流，然后計算出待檢測區(qū)域的電導納分
布，根據(jù)導納分布進行乳腺癌診斷。健康的乳腺組織可看作一個均勻組織，因此其導納分布接近均勻分布狀態(tài)；當乳腺中存在癌組織時，由于癌組織導納大于周圍正常組織，待檢測區(qū)域的電導或電納圖像中就會出現(xiàn)數(shù)值局部增大的現(xiàn)象(亮斑效應，或局部擾動現(xiàn)象)。EIS檢測過程如圖I所示，表示的是檢測區(qū)域中不存在癌灶組織，組織均勻情況下的電流分布情況。探頭中心區(qū)域由于組織均勻分布，而形成均勻的電場分布；探頭四周，由于電流流動缺乏地電位引導，會首先呈發(fā)散性流動而穿出探頭所在的垂直區(qū)域。電流在接近探頭表面(探頭表面虛地)時，受地電位吸引而由探頭四周的電極流出。這種效應造成EIS技術即使對均勻分布的組織進行測量，也得不到均勻分布的導納圖像，圖像邊緣測量值通常大于中心區(qū)域。當測量區(qū)域中存在癌灶組織時，測量結果應是圖像中心區(qū)域的導納值增大，但如果增大的幅度小于邊緣區(qū)域的增大幅度，擾動信息就可能被削弱甚至淹沒，從而影響到乳腺癌的檢出，這種效應即為邊界效應。EIS測量過程采用的是恒定幅度電壓，給導納乘以該恒定幅度電壓即為測量電流分布，因此電流分布和導納分布是一種等效的概念，本文均以測量電流分布作說明。EIS測量屬于低頻測量，一般測量頻率在20KHz以下(組織電參數(shù)信息集中的a和P散射頻段)，測量電流以傳導電流為主，位移電流基本可以忽略不計。因此，實踐和分析中僅考慮電導效應。1999年，以色列的TransScan公司推出了全世界第一臺EIS乳腺檢測設備一TS2000，并獲得美國FDA授權，可用作X線攝影在乳腺癌診斷中的輔助診斷工具。2003年，我國第四軍醫(yī)大學聯(lián)合上海東影公司推出了國內(nèi)第一臺EIS乳腺檢測設備一Angelplan E丨SIOOOx,并經(jīng)中國SFDA獲準進入臨床應用。EIS設備均采用手持式探頭，為保證探頭上的所有電極在檢測過程均能與乳房表面可靠接觸，探頭通常都不能設計的太大。盡管如此，EIS測量中仍經(jīng)常受到電極接觸偽影的困擾。以EIS檢測中最常用的8 X 8電極探頭為例，仿真其在不同大小乳腺檢測中的邊界效應。我國婦女乳房大小分布區(qū)間為100-170mm，平躺姿態(tài)乳房厚度在30-60mm之間。乳房皮膚平均厚度為5_，電導率為0. 01S/m。EIS檢測過程中，乳房經(jīng)醫(yī)師按壓抹平之后檢測，因此其可近似看作方形柱狀體，其邊長為100-170mm，厚度為30-60mm。該柱狀體為兩層結構，表面為皮膚層。圖2為計算示例。圖2(a)為直徑為IOOmm的乳房EIS檢測模型，乳腺組織中存在半徑為IOmm之癌灶,其深度為20mm ;癌灶組織電導率為0. 7S/m,乳腺組織為脂肪，電導率為0.04S/m。圖2(b)為采用四面體單元剖分處理后的模型。通過有限元軟件COMSOL求解本征方程，即可獲得探頭測量電流分布，具體數(shù)值求解過程為EIS檢測通過給乳房組織施加低頻正弦激勵(激勵頻率〈20K Hz)，然后在乳房表面檢測電流。考慮到乳房內(nèi)部無電流源同時不存在電流累積效應，因此乳房內(nèi)部的電位分布滿足典型的拉普拉斯方程
-V (cr.Vp)=0 in Q(I)其中，O為組織電導，Q代表待檢測的乳房，(P為乳房內(nèi)及表面的電位值。EIS檢測過程中正弦激勵電壓由患者手握的電極棒引入直達胸大肌，然后經(jīng)由乳房組織由乳房表面的探頭電極(電極均虛地)流出。因此，電位分布除滿足式(I)的本征方程以外，還需滿足式(2)所示的狄利克萊邊界條件。狄利克萊邊界r I包括探頭表面(包括電極表面和保護電極表面)和胸大肌所在平面，其邊界條件分別為U=O和U=L 9V(EIS激勵電壓幅度)。
妒=U on Ti⑵除邊界rl外，Q之其他表面統(tǒng)稱為紐曼邊界r2。r 2邊界所接觸的外圍物質(zhì)為空氣，考慮到皮膚的電導遠大于空氣，因此在該邊界不存在邊界電流。即式(I)所描述的電場分布還需要滿足式(3)所示的紐曼邊界條件(又稱為電隔離條件)
a-QcpIdn = Q onT2(3)通過求解式⑴-(3)，可獲得EIS的電位分布(P。在探頭表面，考慮到電極(銅材質(zhì))可看作理想導體，則其可看作等位體，其電場強度切向分量為零。所以，在探頭與乳房的接觸面上，組織中的電場強度僅有法向分量。對電位(P按式(4)計算電極表面的電流密度分布，通過式(5)進行積分即可獲得探頭檢測的電流分布。
J= -a-dq> I dn(4)I= / Jds(5)將8X8電極測量得到的電流按照其對應位置顯示，即可得到探頭的電流分布(見圖3(b))。如果乳房大小與探頭尺寸相等，那么激勵面(胸大肌平面)與探頭面大小相當，電流只能在這兩個平面之間流動，因此邊緣擾動(邊界效應)幾乎可以忽略。圖3 (a)為此種情況下的探頭表面電流分布，可見明顯的由癌灶所帶來的電流擾動信息。圖3(c) — 3(d)為進一步增大乳房尺寸，探頭檢測得到的電流分布。由于邊緣擾動愈發(fā)明顯，由癌灶帶來的擾動信息有逐漸被淹沒的趨勢。為了客觀評價邊界效應的影響，本文定義了一個癌灶顯著性評價指標(breast cancer significance measure,BCSM) ,BCSM表不探頭(NXN)中心位
置電極檢測電流的平均值與探頭最外圍四個邊的電極檢測電流的平均值之比。
權利要求
1.一種電阻抗成像方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、在待成像物體相對兩側分別設置與待成像物體表面相接觸的第一電極裝置和第二電極裝置，并使第一電極裝置和第二電極裝置對待成像物體施加恒定的夾持カ； 步驟2、通過第一電極裝置施加輸入電信號，并采集第二電極裝置的輸出電信號，得到待成像物體在該夾持力下的電流分布； 步驟3、改變第一電極裝置和第二電極裝置對待成像物體所施加的夾持力，并重復步驟2 ； 步驟4、根據(jù)待成像物體在兩個不同夾持カ下的電流分布的差值，構建待成像物體的阻抗圖像。
2.如權利要求I所述電阻抗成像方法，其特征在于，所述第一電極裝置和第二電極裝置為相同的平板電極陣列。
3.如權利要求2所述電阻抗成像方法，其特征在于，所述平板電極陣列與待成像物體相接觸的一面設置有導電介質(zhì)層。
4.如權利要求I所述電阻抗成像方法，其特征在于，還包括 步驟5、對步驟4得到的待成像物體的阻抗圖像進行濾波。
5.如權利要求4所述電阻抗成像方法，其特征在于，所述濾波采用中值濾波方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電阻抗成像方法，屬于電阻抗掃描成像技術領域。本發(fā)明方法包括步驟1、在待成像物體相對兩側分別設置與待成像物體表面相接觸的第一電極裝置和第二電極裝置，并使第一電極裝置和第二電極裝置對待成像物體施加恒定的夾持力；步驟2、通過第一電極裝置施加輸入電信號，并采集第二電極裝置的輸出電信號，得到待成像物體在該夾持力下的電流分布；步驟3、改變第一電極裝置和第二電極裝置對待成像物體所施加的夾持力，并重復步驟2；步驟4、根據(jù)待成像物體在兩個不同夾持力下的電流分布的差值，構建待成像物體的阻抗圖像。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有成像靈敏度更高、電極接觸偽影抑制效果好的優(yōu)點，且實現(xiàn)成本低。
文檔編號A61B5/053GK102846318SQ201210284300
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權日2012年8月10日
發(fā)明者張峰, 羅立民, 鮑旭東 申請人:東南大學