一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量装置及方法与流程

本发明属于医学成像技术领域的电阻抗扫描成像，特别涉及一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量装置及方法。

背景技术：

由于人体乳腺癌灶组织的电导纳(阻抗)大于(小于)乳腺正常组织，以测量组织电阻抗或导纳为基础的乳腺癌检测或诊断技术得到了迅速发展。因阻抗概念更为人所熟知，因此这类技术被称为电阻抗技术。目前，该领域已由离体组织测量、侵入式在体测量进入了非侵入式在体测量阶段。电阻抗扫描成像技术(electrical impedance scanning,EIS)即为电阻抗技术在乳腺癌检测及诊断应用领域的典型代表。

EIS用于乳腺癌检测最早出现于上世纪末，第一台商用EIS系统TS2000由以色列TransScan公司研发、Siemens公司推出，并于1999年获美国FDA认证。在国内，第四军医大学生物医学工程系于2002年研发成功并由上海英迈吉东影图像设备有限公司(简称上海东影公司)推出了国内第一台乳腺EIS系统Angelplan-EISl000，并于2005年获得中国国家食品药品监督管理局(State Food and Drug Administration，SFDA)批准进入临床使用。

EIS设备通过手握的不锈钢棒状电极将恒定幅度交流电压信号引入到导电性能优异的胸大肌，然后将乳房表面的测量探头所有电极虚地，在手臂至胸大肌直到乳房之间形成一个电场分布，目前的理论分析中一般将手臂至胸大肌之间的阻抗分布看成均匀分布，进而将胸大肌和乳房之间看做一个近似的平行电场。通过测量探头检测电流，然后计算出待检测区域的电导纳分布，根据导纳分布进行乳腺癌诊断。但是，这种测量方式在一定程度上延长了电流路径，使得电场分布更加复杂。

健康的乳腺组织可看作一个均匀组织，因此其导纳分布接近均匀分布状态；当乳腺中存在癌组织时，由于癌组织导纳大于周围正常组织，待检测区域的电导或电纳图像中就会出现局部数值增大的现象(亮斑效应，或局部扰动现象)。EIS检测过程如图1所示，但边界效应直接影响了EIS的检测性能。图2为EIS检测的边界效应示意图。探头中心区域由于组织均匀分布，而形成均匀的电场分布；探头四周，由于电流流动缺乏地电位引导，会首先呈发散性流动而穿出探头所在的垂直区域。电流在接近探头表面(探头表面虚地)时，受地电位吸引而由探头四周的电极流出。这种效应造成EIS技术即使对均匀分布的组织进行测量，也得不到均匀分布的导纳图像，图像边缘测量值通常大于中心区域。当测量区域中存在癌灶组织时，测量结果应是图像中心区域的导纳值增大，但如果增大的幅度小于边缘区域的增大幅度，扰动信息就可能被削弱甚至淹没，从而影响到乳腺癌的检出，这种效应即为边界效应。

另外，EIS设备均采用手持式方形探头，为保证探头上的所有电极在检测过程均能与乳房表面可靠接触，探头通常都不能设计的太大。尽管如此，EIS测量中仍经常受到电极接触伪影的困扰。

技术实现要素：

为了克服EIS测量路径复杂、探头边界效应和电极接触不良等现有技术的不足，本发明的目的是提供一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量装置及方法，采用大平板聚流环电极形式，屏蔽电极增强主电极激励电流的聚焦能力，能提高电极对于乳腺组织中的扰动区域的灵敏度；测量过程中，测量电流路径更加优化，避免了EIS中的多测量通道同时工作所带来的串扰问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量装置，包括平行设置的上下面相同的上聚流电极阵列和下聚流电极阵列，上、下聚流电极阵列的电极区为直径160mm半圆，电极按蜂窝布局，电极外径4.5mm，电极之间间隔为1mm，每个电极区布置392个电极，上、下聚流电极阵列能够360°旋转，可在任意角度对乳房进行测量。

所述的上、下聚流电极阵列其聚流电极的设置为：聚流电极采用主电极A₀结合聚流环A_s的形式，主电极半径取0.375mm，聚流环宽1.5mm，主电极与聚流环间隔0.375mm。

一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量方法，包括以下步骤：

步骤一、上表面测量时，上下表面对应电极工作，上聚流电极阵列的主电极接激励电流，下聚流电极阵列对应电极虚地形成电流回路，高速A/D采集通道对上表面聚流环进行电压检测，所有上聚流电极阵列测量完成以后，转入下表面测量，其过程与上聚流电极阵列测量过程相同；

步骤二、测量过程中，主电极A₀和聚流环A_s供以相同极性的电流I₀和I_S，I₀为+1mA；测量过程中保持A₀和A_s等电位，以限制主电极和聚流环之间的横向电流移动，限制主电极电流I₀沿轴向传播；当A₀与A_s电位不相等时，其电位差被送到调整线路上，通过调节A_s上的屏蔽电流I_S使A_s与A₀保持等电位，由于主电流I₀被I_S所屏蔽，主电流只能沿轴向呈圆盘状流过待测阻抗区域，测量电路记录的是聚流环A_s与回路电极B之间的电位差ΔU，于是有

r₀—表示主电极对回路电极B的接地阻抗，表示主电极的电流由主电极至回路电极所经过的介质的阻抗，如果在主电极的电流通道上存在阻抗扰动区域，那么主电极的接地阻抗就能发现这种扰动，主电极的接地阻抗可看成是由两部分组成，即r₀＝r_s+r_t，r_s表示乳腺皮肤层阻抗，r_t表示乳腺组织的阻抗，其中，r_s、r_t对r₀的贡献，取决于聚焦能力大小，聚焦能力强，则r_t贡献大，反之r_t对r₀贡献就小。

步骤一所述的上聚流电极阵列测量，其测量的扫描顺序采取分区测量方式，将布置的392个电极，每7个电极构成一个区群，每个电极占据一个小区，这7个电极即为一个区群。自某一小区触发，沿边的垂直方向跨2个小区，再向左或向右转60°，再跨1个小区，这样就到达同组电极。每次同时测量一个小组的电极，直至检测完7个小组的所有电极。

根据区群设计理论，扫描顺序中的两次相邻检测电极之间的最小距离为r为六变形的外接圆的半径加电极间隔距离，N为区群中的小区数。

本发明的有益效果是：

本发明采用大平板聚流环电极形式，采用屏蔽电极增强主电极激励电流的聚焦能力，能提高电极对于乳腺组织中的扰动区域的灵敏度；测量过程中，测量电流路径更加优化，避免了EIS中的多测量通道同时工作所带来的串扰问题；扫描顺序更加优化，相对于EIS中的扫描顺序设计，同等电极尺寸下，相邻两次检测电极之间的距离明显增大，有效降低了测量中的电极极化效应的影响；上下平板电极阵列采用半圆形形式，可以避免方形探头四周电极容易与乳房接触不良的弊端；上下平板直接夹持乳房进行测量，避免了EIS测量中手臂阻抗的影响，灵敏度更高；上下平板可360°旋转，可在任意角度对乳房进行检测。

附图说明

图1为EIS检测过程示意图。

图2为EIS检测的边界效应示意图。

图3为双面大平板聚流电极阵列测量示意图。

图4为大平板聚流电极结构及电极布局图。

图5为聚流电极设计图。

图6为聚流电极测量方法原理图。

图7为大平板聚流电极区群布局示意图。

图8为EIS检测的扫描顺序示意图。

具体实施方式

下面对本发明做详细叙述。

本发明并不局限于具体实施方式，本领域的技术人员还可据此做出多种变化，但任何和本发明等同或者雷同的变化都应涵盖在本发明权力要求的范围内。

参照图4，一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量装置，包括平行设置的上下面相同的上聚流电极阵列和下聚流电极阵列，上、下聚流电极阵列的电极区为直径160mm半圆，电极按蜂窝布局，电极外径4.5mm，电极之间间隔为1mm，每个电极区布置392个电极，上、下聚流电极阵列能够360°旋转，可在任意角度对乳房进行测量。

双面大平板聚流电极阵列设计参数依据：中国女性的乳房直径在100-120mm以内，乳轴(由基底面到乳头的高度)为50-60mm，多数女性单侧的乳房体积在180,000-220,000mm³之间。女性乳房可以近似看作一个半球状形态。类似X线钼靶乳腺成像的结构，乳房受到上下两个平板测量电极挤压。挤压后的乳房厚度参照X线钼靶检查时的乳腺厚度范围12.5～71.5mm。按照测量过程中体积不变，乳腺厚度取下限计算，平板与乳房按压形成类似半圆形，其半径最大不超过74mm。结合电路板设计工艺，最终电极区为直径160mm半圆，电极按蜂窝布局，电极外径4.5mm，电极之间间隔1mm。每个单板布置392个电极。结构设计如图4所示，上下面相同。

所述的上、下聚流电极阵列其聚流电极的设置为：聚流电极采用主电极A₀结合聚流环A_s的形式，聚流电极的大小决定平板探头的分辨率。增大电极，则分辨率降低；减小电极，则分辨率提高。A_s与A₀相比，聚流环越宽，聚焦能力越强，主电流越接近直线，测量灵敏度越大；反之，灵敏度越小。综合以上理论分析及仿真结果，主电极半径取0.375mm，聚流环宽1.5mm，主电极与聚流环间隔0.375mm，具体设计见图5所示。

一种应用于乳腺癌的大平板聚流阻抗测量方法，参照图3，包括以下步骤：

步骤一、步骤一、上表面测量时，上下表面对应电极工作，上聚流电极阵列的主电极接激励电流，下聚流电极阵列对应电极虚地形成电流回路，高速A/D采集通道对上表面聚流环进行电压检测，所有上聚流电极阵列测量完成以后，转入下表面测量，其过程与上聚流电极阵列测量过程相同；

步骤二、如图6所示，测量过程中，主电极A₀和聚流环A_s供以相同极性的电流I₀和I_S，I₀为+1mA；测量过程中保持A₀和A_s等电位，以限制主电极和聚流环之间的横向电流移动，限制主电极电流I₀沿轴向传播；当A₀与A_s电位不相等时，其电位差被送到调整线路上，通过调节A_s上的屏蔽电流I_S使A_s与A₀保持等电位，由于主电流I₀被I_S所屏蔽，主电流只能沿轴向呈圆盘状流过待测阻抗区域，测量电路记录的是聚流环A_s与回路电极B之间的电位差ΔU，于是有

r₀—表示主电极对回路电极B的接地阻抗，表示主电极的电流由主电极至回路电极所经过的介质的阻抗，如果在主电极的电流通道上存在阻抗扰动区域，那么主电极的接地阻抗就能发现这种扰动，主电极能够发现这种扰动的灵敏程度和电极的聚焦能力有关。主电极的接地阻抗可看成是由两部分组成，即r₀＝r_s+r_t，r_s表示乳腺皮肤层阻抗，r_t表示乳腺组织的阻抗，其中，r_s、r_t对r₀的贡献，取决于聚焦能力大小，聚焦能力强，则r_t贡献大，反之r_t对r₀贡献就小。从这个角度而言，采用双面测量，就是要确保电极设计至少要在乳腺夹持厚度一半的深度范围(大约在35-45mm左右)内保持较好的聚焦能力，使乳腺组织的阻抗对r₀的贡献较大，使主电极对乳腺组织中的阻抗扰动更加敏感，以便能尽早发现乳腺组织中的阻抗扰动情况。

测量过程中的扫描顺序借鉴了移动通信中的区群概念。因为乳腺组织中有大量的导电离子，测量过程中的电场会使得组织发生极化效应，测量过程中组织阻抗会随着极化效应的增强而越来越大。如果按电极物理顺序逐行逐列进行检测，不同的电极所测量的组织就会存在不同程度的极化累积。即使是测量均匀的乳腺组织，电极之间的测量结果也会存在一定程度的差异。为了减小极化效应带来的影响，一种办法是使所有电极同时进行测量，但这种办法会增加硬件成本，同时难以保证测量通道电参数的一致性，还容易造成相邻通道之间的串扰。大平板聚流阻抗测量的扫描顺序采取分区测量方式。区群设计如图7所示，每7个电极构成一个区群，每个电极占据一个小区，为了显示电极阵列中的一个区群的结构，图7中有七个电极颜色与其他电极不一样，这7个电极即为一个区群。针对上述区群结构，自某一小区触发，沿边的垂直方向跨2个小区，再向左(或向右)转60°，再跨1个小区，这样就到达同组电极。图7中的箭头的起、止电极就是一对同组电极。采取上述方法，就可以将392个电极分为7个小组，每组56个同组电极。扫描顺序为先检测第1小组中的56个电极，待第一小组电极检测完后，再检测第2小组中的56个电极，直至检测完7个小组的所有电极，根据区群设计理论，同组电极之间的最小距离为r为六变形的外接圆的半径加电极间隔距离，N为区群中的小区数。

对比例：

见图8所示，现有常规技术的EIS探头的扫描顺序电极编号采用组间和组内结合的编号方式，共分为8个小组，每组8个电极，编号格式为(i,j)，i为小组编号，j为小组内序号。例如，(0,0)表示第0小组中的0号电极，(0,1)表示第0小组中的1号电极，(3,3)表示第3小组中的3号电极。测量过程中，分组进行测量，先测量第0小组8个电极，再测量第1小组8个电极，直至完成8个小组64个电极的测量。这种扫描顺序的特点是，每个电极在进行测量时，它的8邻域范围内的电极都为空闲状态，这样可以减少邻近电极对采样电极的干扰。以第0组电极为例，其(0,0)和(0,1)、(0,2)和(0,3)、(0,4)、(0,5)和(0,6)这四对相邻电极之间的距离为4·r。可以看出，EIS检测相邻电极之间的最小距离为4·r，r为方形电极半个边长加电极间隔距离。而本发明同组电极之间的最小距离为因此，本发明的电极布置及扫描顺序设计提高了检测中相邻电极之间的距离，减小了极化效应的影响。