專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于乳腺包塊早期診斷的電阻抗掃描投影成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械或儀器，涉及一種可用于乳腺包塊早期診斷的電阻抗投影掃描成像方法。
背景技術(shù)：
乳腺癌是婦女常見(jiàn)惡性腫瘤之一，發(fā)病率呈逐年增高的趨勢(shì)，早期的無(wú)創(chuàng)診斷和鑒別各種乳腺疾病尤其惡性腫瘤，對(duì)提高患者生存率和治愈率極為重要。現(xiàn)有的診斷技術(shù)如X線乳腺檢查、B超、紅外線檢查等，因?yàn)楦髯约夹g(shù)方法的限制，都不能很好地用于對(duì)乳腺腫瘤的早期普查。
乳腺內(nèi)的異常包塊(良性、惡性腫瘤、增生)，伴隨其組織、細(xì)胞水平的生理、病理變化，其電阻抗也與正常組織有顯著差異，研究結(jié)果表明癌變組織的電阻抗僅為正常乳腺脂肪和結(jié)締組織的1/6～1/3，且電阻抗的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于包塊出現(xiàn)顯著癥狀，這使得利用電阻抗分布的變化來(lái)檢查乳腺內(nèi)異常包塊的存在成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為早期檢測(cè)乳腺異常包塊提供一種基于電阻抗投影掃描成像的方法。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是用于乳腺包塊早期診斷的電阻抗掃描投影成像方法，其特征在于，采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理，建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型，實(shí)現(xiàn)乳腺包塊阻抗投影成像；具體包括以下步驟1)采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理建立兩個(gè)平行的導(dǎo)電面A和B，在平行的導(dǎo)體面A和B之間設(shè)立阻抗均勻分布的場(chǎng)域，將導(dǎo)體面A接地即電位為零，導(dǎo)體面B接電壓為V，則在導(dǎo)體面A和導(dǎo)體面B之間建立均勻電流場(chǎng)，導(dǎo)體面B上的電流密度分布也為恒定值I0；當(dāng)場(chǎng)域中某一區(qū)域阻抗發(fā)生變化時(shí)，即當(dāng)阻抗由均勻分布ρ(x，z)＝ρ0變?yōu)棣袻(x，z)＝ρ1，其中ρ0＞ρ1，電流場(chǎng)發(fā)生顯著擾動(dòng)，原來(lái)導(dǎo)體面B均勻分布的電流密度，會(huì)在阻抗擾動(dòng)區(qū)域的垂直投影位置產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，電流分布存將在I0的基礎(chǔ)上擾動(dòng)形成一個(gè)峰值Imax；因而可以根據(jù)導(dǎo)體面B上均勻電流分布的擾動(dòng)來(lái)判斷場(chǎng)域中阻抗分布的擾動(dòng)；2)建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型將正常乳腺組織視為電阻抗均勻分布的電介質(zhì)，其阻抗的分布ρ(x，y，z)＝ρ0為常數(shù)；通過(guò)在置于乳房表面的電極陣列和上肢末端加載驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，電極陣列通過(guò)接地將電壓置為0，上肢末端加載電壓為V，所加電壓信號(hào)通過(guò)人體導(dǎo)電性較好的肌肉組織傳導(dǎo)到位于乳腺下方的胸肌，胸肌上電壓為V0，從而建立了胸肌通過(guò)乳腺組織即電介質(zhì)到乳房表面電極陣列的均勻電流場(chǎng)，體表電極陣列測(cè)得的電流值基本為均勻；3)乳腺包塊阻抗投影成像若電極陣列下方乳腺內(nèi)存在一低電阻抗包塊，則會(huì)使均勻電流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，體表電極陣列上探測(cè)到的電流值也發(fā)生擾動(dòng)；乳房表面位于包塊正上方的電極上測(cè)得的電流值顯著增大，而其他電極上測(cè)得的電流值基本不變；由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測(cè)到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從電極陣列到胸肌間的電阻抗分布；用灰階方式將這一分布以二維圖像形式表示出來(lái)，從而形成了乳腺相區(qū)域的電阻抗投影掃描圖像。


圖1為阻抗均勻分布的電流場(chǎng)示意圖；圖2阻抗分布擾動(dòng)后的電流分布圖；圖3為乳腺組織電流場(chǎng)等效模型圖；圖4為乳腺包塊阻抗投影成像；圖5是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖6為單路阻抗計(jì)算示意圖；圖7為物理模型；圖8為三幅相同測(cè)量深度不同體積測(cè)量目標(biāo)的成像結(jié)果；上三個(gè)圖所示從左至右灰階圖像為成像結(jié)果，下三個(gè)圖為立體數(shù)據(jù)圖示。
圖9為三幅同體積測(cè)量目標(biāo)不同測(cè)量深度成像結(jié)果。上三個(gè)圖所示從左至右灰階圖像為成像結(jié)果，下三個(gè)圖為立體數(shù)據(jù)圖示。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖以及發(fā)明人給出的原理和實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理，建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型，實(shí)現(xiàn)乳腺包塊阻抗投影成像。
1.均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理如圖1所示，在兩個(gè)平行的導(dǎo)體面A和B之間為阻抗均勻分布的場(chǎng)域，將導(dǎo)體面A接地(電位為零)，導(dǎo)體面B接電壓為V，則在A、B之間建立均勻電流場(chǎng)，導(dǎo)體面B上的電流密度分布也為恒定值I0。當(dāng)場(chǎng)域中某一區(qū)域阻抗發(fā)生變化時(shí)(如圖2所示當(dāng)阻抗由均勻分布ρ(x，z)＝ρ0變?yōu)棣袻(x，z)＝ρ1其中ρ0＞ρ1)，電流場(chǎng)發(fā)生顯著擾動(dòng)，原來(lái)導(dǎo)體而B(niǎo)上均勻分布的電流密度，會(huì)在阻抗擾動(dòng)區(qū)域的垂直投影位置產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，電流分布存將在I0的基礎(chǔ)上擾動(dòng)形成一個(gè)峰值Imax。因而可以根據(jù)導(dǎo)體面B上均勻電流分布的擾動(dòng)來(lái)判斷場(chǎng)域中阻抗分布的擾動(dòng)。
2.乳腺組織電流場(chǎng)等效模型將正常乳腺組織視為電阻抗均勻分布的電介質(zhì)，其阻抗的分布ρ(x，y，z)＝ρ0為常數(shù)。通過(guò)在置于乳房表面的電極陣列和上肢末端加載驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，電極陣列通過(guò)接地將電壓置為0，上肢末端加載電壓為V，所加電壓信號(hào)通過(guò)人體導(dǎo)電性較好的肌肉組織傳導(dǎo)到位于乳腺下方的胸肌，胸肌上電壓為V0，從而建立了胸肌通過(guò)乳腺組織(電介質(zhì))到乳房表面電極陣列的均勻電流場(chǎng)，體表電極陣列測(cè)得的電流值基本為均勻(如圖3所示，圖中的符號(hào)a.電極陣列，b.胸大肌，c.乳房，d.均勻電流場(chǎng)，e.用于連接檢測(cè)電路)。
3.乳腺包塊阻抗投影成像若電極陣列下方乳腺內(nèi)存在一低電阻抗包塊，則會(huì)使均勻電流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，體表電極陣列上探測(cè)到的電流值也發(fā)生擾動(dòng)乳房表面位于包塊正上方的電極上測(cè)得的電流值顯著增大，而其他電極上測(cè)得的電流值基本不變(如圖4所示)。由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測(cè)到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從電極陣列到胸肌間的電阻抗分布。用灰階方式將這一分布以二維圖像形式表示出來(lái)，從而形成了乳腺相區(qū)域的電阻抗投影掃描圖像。
驗(yàn)證本方法的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示系統(tǒng)，主要包括激勵(lì)源、物理模型、檢測(cè)系統(tǒng)、成像算法及圖像顯示五個(gè)模塊激勵(lì)源激勵(lì)源輸出頻率、幅值可調(diào)的正弦波信號(hào)，輸出幅值在0.1V～3.2V，頻率掃描范圍為50Hz～20KHz，且具有單頻和四頻率組合兩種激勵(lì)波形。
物理模型物理模型分為64電極物理模型和256電極物理模型兩種。它們都是由結(jié)構(gòu)如圖7所示的有機(jī)玻璃槽、粘于有機(jī)玻璃槽前側(cè)的檢測(cè)電極陣列和插于槽中的激勵(lì)電極板同共構(gòu)成。其中64電極物理模型的內(nèi)側(cè)尺寸為47×47×100mm3，256電極物理模型的內(nèi)側(cè)尺寸為79×79×100mm3。測(cè)量時(shí)將槽內(nèi)注入適當(dāng)濃度的NaCl溶液，通過(guò)2根34芯(對(duì)于256電極物理模型需8根)0.5mm間距扁平線將檢測(cè)電極陣列與相應(yīng)的測(cè)量電路相連，將激勵(lì)電極板與激勵(lì)源相連并平行固定于槽內(nèi)距檢測(cè)電極陣列2mm以外處，在激勵(lì)電極與檢測(cè)電極之間通過(guò)放入具有不同電阻率的物體的方式改變槽內(nèi)的電阻率分布，然后用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量各檢測(cè)電極的的電流并成像。
檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)將電極陣列上檢測(cè)到的電流分別進(jìn)行放大、預(yù)處理、數(shù)字化，將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給成像算法軟件。
成像算法將檢測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，分別求取響應(yīng)電流信號(hào)的輻值和相位。
對(duì)于電極陣列中的每一個(gè)電極，垂直于這個(gè)電極的皮膚、乳腺組織、胸肌和外加的激勵(lì)源共同構(gòu)成一個(gè)回路(如圖6所示)。電極面積為SE，皮膚厚度為L(zhǎng)S，皮膚電阻率為ρS，乳腺組織厚度為L(zhǎng)t，乳腺組織電阻率為ρt，電流密度為J.=IS]]>這一回路中總的電阻抗為Z=V1=ρSLSS+ρtLtS=ρSLS+ρtLtS]]>則有I=VZ=VSρSLS+ρtLt]]>
J=IS=VρSLS+ρtLt]]>對(duì)于電極陣列上的所有電極所構(gòu)成的局部電流回路，ρS和LS是基本恒定不變的。因而電流密度J的差異主要是由于乳腺組織電阻抗ρt分布的擾動(dòng)造成。利用上式可以計(jì)算出每個(gè)電極下面覆蓋的乳腺組織電阻抗的差別。
圖像顯示根據(jù)生物組織阻容網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，分別計(jì)算出各電極對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)、電容。在一幀數(shù)據(jù)內(nèi)，將電導(dǎo)的差別用灰階對(duì)比的方式顯示成二維圖像。并用系統(tǒng)軟件提供的處理工具對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)節(jié)。
方法實(shí)現(xiàn)的過(guò)程1.將物理模型的驅(qū)動(dòng)電極與電極陣列的距離調(diào)整為50mm，在插槽內(nèi)固定好驅(qū)動(dòng)電極板，將激勵(lì)源的信號(hào)端接至驅(qū)動(dòng)電極板，將電極陣列接入檢測(cè)系統(tǒng)；2.在物理模型的驅(qū)動(dòng)電極板和電極陣列之間放入電阻率為2.417kΩ*cm的NaCl溶液；3.啟動(dòng)激勵(lì)源在物模型上建立電流場(chǎng)，啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，依次測(cè)量電極陣列上每電極上的電流并進(jìn)行放大和數(shù)字化送入成像算法；4.在成像軟件中將檢測(cè)值進(jìn)行處理，并在軟件界面上分別觀察阻抗分布數(shù)據(jù)和二維灰階影像；5.此時(shí)圖像和數(shù)據(jù)應(yīng)為均勻，若不均勻，則檢查物理模型和檢測(cè)系統(tǒng)后重復(fù)1-4步；6.制作體積為8*8*8mm3、電阻率為648Ω*cm的瓊脂塊7.將小瓊脂塊用絕緣細(xì)線吊放入物理模型內(nèi)NaCl溶液中，離測(cè)量電極15mm；
8.重復(fù)3-4步，若灰階圖像中對(duì)應(yīng)位置有高亮度區(qū)域存在、數(shù)據(jù)上也有對(duì)應(yīng)擾動(dòng)存在，則證明了本方法對(duì)阻抗分布擾動(dòng)檢測(cè)的有效性。物理模型成像結(jié)果相同測(cè)量深度不同體積測(cè)量目標(biāo)的成像結(jié)果激勵(lì)幅值1.9V，頻率為992Hz，測(cè)量電極陣列距離激勵(lì)電極板為50mm，瓊脂塊的體積分別為4mm3，8mm3，12mm3，背景溶液NaCl的電阻率2.417kΩ*cm瓊脂塊置于距測(cè)量電極7.5mm處。圖8中上三個(gè)圖所示從左至右灰階圖像為成像結(jié)果，下三個(gè)圖為立體數(shù)據(jù)圖示。
同體積測(cè)量目標(biāo)不同測(cè)量深度成像結(jié)果激勵(lì)幅值1.9V，頻率為992Hz，測(cè)量電極陣列距離激勵(lì)電極板為50mm，瓊脂塊與測(cè)量電極平行面的面積8mm*8mm，背景溶液NaCl的電阻率2.417kΩ*cm，瓊脂塊的電阻率為648Ω*cm。瓊脂塊置于離測(cè)量電極的距離分別為7.5mm、12.5mm、15mm。圖9中上三個(gè)圖所示從左至右灰階圖像為成像結(jié)果，下三個(gè)圖為立體數(shù)據(jù)圖示。
權(quán)利要求
1.一種用于乳腺包塊早期診斷的電阻抗掃描投影成像方法，其特征在于，采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型，以實(shí)現(xiàn)乳腺包塊阻抗投影成像；具體包括以下步驟1)采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理建立兩個(gè)平行的導(dǎo)電面A和B，在平行的導(dǎo)體面A和B之間設(shè)立阻抗均勻分布的場(chǎng)域，將導(dǎo)體面A接地即電位為零，導(dǎo)體面B接電壓為V，則在導(dǎo)體面A和導(dǎo)體面B之間建立均勻電流場(chǎng)，導(dǎo)體面B上的電流密度分布也為恒定值I0；當(dāng)場(chǎng)域中某一區(qū)域阻抗發(fā)生變化時(shí)，即當(dāng)阻抗由均勻分布ρ(x，z)＝ρ0變?yōu)棣袻(x，z)＝ρ1，其中ρ0＞ρ1，電流場(chǎng)發(fā)生顯著擾動(dòng)，原來(lái)導(dǎo)體面B均勻分布的電流密度，會(huì)在阻抗擾動(dòng)區(qū)域的垂直投影位置產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，電流分布存將在I0的基礎(chǔ)上擾動(dòng)形成一個(gè)峰值Imax；因而可以根據(jù)導(dǎo)體面B上均勻電流分布的擾動(dòng)來(lái)判斷場(chǎng)域中阻抗分布的擾動(dòng)；2)建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型將正常乳腺組織視為電阻抗均勻分布的電介質(zhì)，其阻抗的分布ρ(x，y，z)＝ρ0為常數(shù)；通過(guò)在置于乳房表面的電極陣列和上肢末端加載驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，電極陣列通過(guò)接地將電壓置為0，上肢末端加載電壓為V，所加電壓信號(hào)通過(guò)人體導(dǎo)電性較好的肌肉組織傳導(dǎo)到位于乳腺下方的胸肌，胸肌上電壓為V0，從而建立了胸肌通過(guò)乳腺組織即電介質(zhì)到乳房表面電極陣列的均勻電流場(chǎng)，體表電極陣列測(cè)得的電流值基本為均勻；3)乳腺包塊阻抗投影成像若電極陣列下方乳腺內(nèi)存在一低電阻抗包塊，則會(huì)使均勻電流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，體表電極陣列上探測(cè)到的電流值也發(fā)生擾動(dòng)；乳房表面位于包塊正上方的電極上測(cè)得的電流值顯著增大，而其他電極上測(cè)得的電流值基本不變；由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測(cè)到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從電極陣列到胸肌間的電阻抗分布；用灰階方式將這一分布以二維圖像形式表示出來(lái)，從而形成了乳腺相區(qū)域的電阻抗投影掃描圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于乳腺包塊早期診斷的電阻抗掃描投影成像方法，采用均勻電介質(zhì)電流場(chǎng)擾動(dòng)原理建立乳腺組織電流場(chǎng)等效模型，通過(guò)在置于乳房表面的電極陣列和上肢末端加載驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，若乳腺內(nèi)存在一低電阻抗包塊，則會(huì)使均勻電流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，體表電極陣列上探測(cè)到的電流值也發(fā)生擾動(dòng)；乳房表面位于包塊正上方的電極上測(cè)得的電流值顯著增大，而其它電極上測(cè)得的電流值基本不變。由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測(cè)到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從電極陣列到胸肌間的電阻抗分布。用灰階方式將這一分布以二維圖像形式表示出來(lái)，從而形成乳腺相區(qū)域的電阻抗投影掃描圖像。
文檔編號(hào)A61B5/053GK1559343SQ20041002589
公開(kāi)日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者董秀珍, 付峰, 史學(xué)濤, 劉銳崗, 尤富生, 季振宇 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)