1、<p>　　電阻抗掃描乳腺成像的初步實(shí)驗(yàn)</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(shí)驗(yàn)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(jì)提供依據(jù). 方法: 基于EI

5、S檢測(cè)原理通過初步建立的信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)，采集一些人體數(shù)據(jù)，并對(duì)信號(hào)的幅值、相位進(jìn)行分析. 結(jié)果： 電極陣列、電極皮膚接觸阻抗、激勵(lì)頻率均對(duì)檢測(cè)信號(hào)有影響. 結(jié)論： 明確了影響EIS檢測(cè)結(jié)果的因素，為EIS乳腺成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ). </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 電阻抗掃描；信號(hào)檢測(cè)；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(duì)感興趣區(qū)體表電壓或電流進(jìn)行測(cè)量，在二維圖像上再現(xiàn)被測(cè)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(chǎng)中如含有電導(dǎo)率不同的其他電介質(zhì)時(shí)電場(chǎng)的分布就會(huì)改變［1］. 健康的乳房中大量存在的脂肪組織，可以被認(rèn)為電介質(zhì)是均一的，癌變組織被認(rèn)為比周圍正常組織有著較高的電導(dǎo)率，因此在一個(gè)等效的乳腺組織電流場(chǎng)模型中，癌變

7、組織可以被認(rèn)為是一個(gè)低電阻或高電導(dǎo)的介質(zhì)，那么它就會(huì)使乳腺組織電流場(chǎng)中的電流分布發(fā)生改變. 如果將測(cè)量電極陣列置于乳房表面就可以通過測(cè)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(shí)驗(yàn)，明確了影響被測(cè)信號(hào)的因素，為將來電極陣列、硬件系統(tǒng)和軟件算法的設(shè)計(jì)提供了依據(jù). </p><p><b>　　1信號(hào)檢測(cè)方法 <

8、/b></p><p>　　測(cè)量時(shí)被測(cè)者手握激勵(lì)電極（參考電極），將測(cè)量電極置于乳房表面. 如果測(cè)量電極陣列的電勢(shì)為地電勢(shì)，對(duì)激勵(lì)電極施加一定的電壓，那么電流通過人的手臂到達(dá)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(gè)等電勢(shì)的平面，胸肌組織表面和測(cè)量電極就構(gòu)成平行板電容器，它們之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng). 因?yàn)榻】档娜榉恐写嬖诖罅康闹窘M織，所以可以理想認(rèn)為所形成的電場(chǎng)是均勻的，如果乳房中存在癌變組織，該

9、組織就會(huì)在均勻電場(chǎng)中產(chǎn)生擾動(dòng)，具體表現(xiàn)為該部位對(duì)應(yīng)的測(cè)量單元電極上的電流值增加［2］. 測(cè)量方法如Fig 1所示. </p><p>　　作為初步實(shí)驗(yàn)研究我們使用可調(diào)幅調(diào)頻的信號(hào)源（泰克AFG320）作為激勵(lì)源，激勵(lì)電極上的電壓信號(hào)由激勵(lì)源輸出，在測(cè)量過程中可以改變激勵(lì)信號(hào)的頻率和幅值，電壓幅值設(shè)定小于2.5 V，確保被測(cè)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(cè)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(cè)量每個(gè)單元電極上的電流，從而間接反映每個(gè)單元電極下對(duì)應(yīng)組織的阻抗特性. 單元電極上的電流測(cè)量是通過電流電壓轉(zhuǎn)化電路（Fig 3）實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測(cè)量一個(gè)單元電極上的電流時(shí)，其他單元電極均保持地電勢(shì). </p><p>　　通過對(duì)經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換電路所測(cè)到的電壓信號(hào)值進(jìn)行分析可以換算出相應(yīng)測(cè)量單元電極上的電流值. </p>

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

12、們使用的檢測(cè)電極陣列是8*8電極陣列，陣列外圍無接地環(huán)路，測(cè)量過程中分別選擇幾組具有代表性的測(cè)量單元（Fig 4），通過比較這些單元電極上所測(cè)得的電流信號(hào)分析陣列中單元電極位置對(duì)信號(hào)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(gè)邊角處電極單元的比較（如選擇A0，H0，A7，H7和D3，E3，D4，E4進(jìn)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(jìn)行比較）. 相同條件下分別測(cè)量這些電極單元上電流幅值，多次測(cè)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(cè)得的信號(hào)幅值要高于中心區(qū)單元電極上所測(cè)得的信號(hào)幅值. 通過分析我們認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是平行電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)的存在，所以在后續(xù)設(shè)計(jì)中有必要考慮這種因素對(duì)測(cè)量信號(hào)所造成的影響. </p><p>　　2.2測(cè)量電極陣列對(duì)所測(cè)信號(hào)的影響作為檢測(cè)弱電信號(hào)的電極陣列，單元電極的面積、數(shù)目均會(huì)對(duì)

14、所檢測(cè)的信號(hào)有一定的影響. 實(shí)驗(yàn)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(jìn)行電流信號(hào)測(cè)量，其中各電極的尺寸標(biāo)注如Fig 5所示. 利用我們?cè)O(shè)計(jì)的不同規(guī)格的電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量用電流電壓轉(zhuǎn)換電路使用的運(yùn)算放大器為AD公司的OP27，取反饋電阻為10 kΩ，在激勵(lì)電壓幅值（峰峰值）為2 V，激勵(lì)頻率分別為100 Hz，500 Hz，1 kHz和2 kHz時(shí)，將測(cè)量電極陣列固定于同一被測(cè)試者的相同測(cè)量部位，在電極

15、陣列中心區(qū)電極測(cè)得的電流信號(hào)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(cè)量條件下所測(cè)得的電流信號(hào)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(cè)量面積內(nèi)測(cè)量電極單元的數(shù)目. 電極單元的面積關(guān)系到所測(cè)得電流信號(hào)幅值的大小，單位測(cè)量面積內(nèi)測(cè)量電極單元的數(shù)目關(guān)系到測(cè)量系統(tǒng)分辨同等深度異常組織大小的能力，故在測(cè)量電極陣列的設(shè)計(jì)中為了能得到最佳的檢測(cè)效果需

16、考慮這兩個(gè)重要的影響因素.表1不同電極陣列測(cè)得的電流信號(hào)幅值（峰峰）范圍表（略） </p><p>　　2.3電極皮膚接觸阻抗對(duì)所測(cè)信號(hào)的影響當(dāng)電極接觸皮膚表面時(shí)就會(huì)引入接觸阻抗，其阻抗特性可用一個(gè)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(jìn)行測(cè)量，當(dāng)激勵(lì)頻率在50～100 Hz范圍時(shí)，單元電極上測(cè)得的電流幅值（峰峰）范圍為2.0~4.2 μA. 隨著激勵(lì)頻率的增加單

17、元電極上測(cè)得的電流值逐漸增加，到20 kHz時(shí)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(jìn)行測(cè)量，所測(cè)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(shí)，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(cè)量中測(cè)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(cè)得的電流信號(hào)的幅值也不同，但電流信號(hào)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(cè)量電流幅值和相位趨勢(shì)上定性地得出以上測(cè)量結(jié)論. </p><p>　　電極皮膚的接觸阻抗對(duì)所檢測(cè)電流信號(hào)有一定的影響，在低頻時(shí)接觸阻抗如果比較大則會(huì)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(duì)恒定的材料，同時(shí)在測(cè)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(cè)量、改進(jìn)成像算法、綜合考慮所測(cè)信號(hào)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(lì)頻率對(duì)所測(cè)信號(hào)的影響從3.2，3.3兩部分的敘述中可看到激勵(lì)頻率對(duì)所測(cè)信號(hào)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(jìn)行測(cè)量時(shí)，在電極陣列中心區(qū)單元電極上所測(cè)得的電流信號(hào)幅頻曲線圖（Fig 6）. </p><p>　　測(cè)量時(shí)設(shè)定的激勵(lì)信號(hào)頻率范圍為50 Hz～50 k

20、Hz，隨著頻率的增大所測(cè)信號(hào)的幅值增大但當(dāng)頻率大于25 kHz時(shí)增大的趨勢(shì)不明顯. 通過示波器（泰克TDS3032）可以看到隨著頻率的增大，信號(hào)（經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)化得到的電壓信號(hào)）的相移也會(huì)逐漸增加. 由于示波器測(cè)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(gè)阻容模型，因此可以通過改變激勵(lì)頻率測(cè)量不同頻率下組織的阻抗參數(shù)值，以提高EIS檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)病變組織的鑒別能力. 在將

21、來激勵(lì)源的設(shè)計(jì)中要從可變頻方面加以考慮. </p><p>　　因人對(duì)低頻電流較為敏感，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在激勵(lì)電壓幅值（峰峰）為2 V，頻率在小于60 Hz測(cè)量時(shí)，部分被測(cè)者會(huì)有微麻的感覺，這種現(xiàn)象提示我們?cè)趯鞥IS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮到過電流保護(hù)的設(shè)計(jì). </p><p><b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　通過EIS乳腺檢測(cè)的初期

22、實(shí)驗(yàn)研究明確了影響被測(cè)信號(hào)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(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件算法的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ). 但作為初期實(shí)驗(yàn)研究，在測(cè)量電極設(shè)計(jì)、信號(hào)檢測(cè)方法. 所選擇器件的性能方面考慮不是很全面，因此會(huì)對(duì)測(cè)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(jì)方案以提高測(cè)量的精度. 同時(shí)我們?cè)跍y(cè)量過程中主要對(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行了定量的分析，對(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)相移進(jìn)行定量

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