本發(fā)明屬于醫(yī)學成像技術領域的電阻抗掃描成像，特別涉及一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量裝置及方法。

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導納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、侵入式在體測量進入了非侵入式在體測量階段。電阻抗掃描成像技術(electrical impedance scanning,EIS)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用于乳腺癌檢測最早出現(xiàn)于上世紀末，第一臺商用EIS系統(tǒng)TS2000由以色列TransScan公司研發(fā)、Siemens公司推出，并于1999年獲美國FDA認證。在國內，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系于2002年研發(fā)成功并由上海英邁吉東影圖像設備有限公司(簡稱上海東影公司)推出了國內第一臺乳腺EIS系統(tǒng)Angelplan-EISl000，并于2005年獲得中國國家食品藥品監(jiān)督管理局(State Food and Drug Administration，SFDA)批準進入臨床使用。

EIS設備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，然后將乳房表面的測量探頭所有電極虛地，在手臂至胸大肌直到乳房之間形成一個電場分布，目前的理論分析中一般將手臂至胸大肌之間的阻抗分布看成均勻分布，進而將胸大肌和乳房之間看做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，根據導納分布進行乳腺癌診斷。但是，這種測量方式在一定程度上延長了電流路徑，使得電場分布更加復雜。

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)局部數(shù)值增大的現(xiàn)象(亮斑效應，或局部擾動現(xiàn)象)。EIS檢測過程如圖1所示，但邊界效應直接影響了EIS的檢測性能。圖2為EIS檢測的邊界效應示意圖。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。

另外，EIS設備均采用手持式方形探頭，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測量中仍經常受到電極接觸偽影的困擾。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服EIS測量路徑復雜、探頭邊界效應和電極接觸不良等現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量裝置及方法，采用大平板聚流環(huán)電極形式，屏蔽電極增強主電極激勵電流的聚焦能力，能提高電極對于乳腺組織中的擾動區(qū)域的靈敏度；測量過程中，測量電流路徑更加優(yōu)化，避免了EIS中的多測量通道同時工作所帶來的串擾問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量裝置，包括平行設置的上下面相同的上聚流電極陣列和下聚流電極陣列，上、下聚流電極陣列的電極區(qū)為直徑160mm半圓，電極按蜂窩布局，電極外徑4.5mm，電極之間間隔為1mm，每個電極區(qū)布置392個電極，上、下聚流電極陣列能夠360°旋轉，可在任意角度對乳房進行測量。

所述的上、下聚流電極陣列其聚流電極的設置為：聚流電極采用主電極A₀結合聚流環(huán)A_s的形式，主電極半徑取0.375mm，聚流環(huán)寬1.5mm，主電極與聚流環(huán)間隔0.375mm。

一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量方法，包括以下步驟：

步驟一、上表面測量時，上下表面對應電極工作，上聚流電極陣列的主電極接激勵電流，下聚流電極陣列對應電極虛地形成電流回路，高速A/D采集通道對上表面聚流環(huán)進行電壓檢測，所有上聚流電極陣列測量完成以后，轉入下表面測量，其過程與上聚流電極陣列測量過程相同；

步驟二、測量過程中，主電極A₀和聚流環(huán)A_s供以相同極性的電流I₀和I_S，I₀為+1mA；測量過程中保持A₀和A_s等電位，以限制主電極和聚流環(huán)之間的橫向電流移動，限制主電極電流I₀沿軸向傳播；當A₀與A_s電位不相等時，其電位差被送到調整線路上，通過調節(jié)A_s上的屏蔽電流I_S使A_s與A₀保持等電位，由于主電流I₀被I_S所屏蔽，主電流只能沿軸向呈圓盤狀流過待測阻抗區(qū)域，測量電路記錄的是聚流環(huán)A_s與回路電極B之間的電位差ΔU，于是有

r₀—表示主電極對回路電極B的接地阻抗，表示主電極的電流由主電極至回路電極所經過的介質的阻抗，如果在主電極的電流通道上存在阻抗擾動區(qū)域，那么主電極的接地阻抗就能發(fā)現(xiàn)這種擾動，主電極的接地阻抗可看成是由兩部分組成，即r₀＝r_s+r_t，r_s表示乳腺皮膚層阻抗，r_t表示乳腺組織的阻抗，其中，r_s、r_t對r₀的貢獻，取決于聚焦能力大小，聚焦能力強，則r_t貢獻大，反之r_t對r₀貢獻就小。

步驟一所述的上聚流電極陣列測量，其測量的掃描順序采取分區(qū)測量方式，將布置的392個電極，每7個電極構成一個區(qū)群，每個電極占據一個小區(qū)，這7個電極即為一個區(qū)群。自某一小區(qū)觸發(fā)，沿邊的垂直方向跨2個小區(qū)，再向左或向右轉60°，再跨1個小區(qū)，這樣就到達同組電極。每次同時測量一個小組的電極，直至檢測完7個小組的所有電極。

根據區(qū)群設計理論，掃描順序中的兩次相鄰檢測電極之間的最小距離為r為六變形的外接圓的半徑加電極間隔距離，N為區(qū)群中的小區(qū)數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用大平板聚流環(huán)電極形式，采用屏蔽電極增強主電極激勵電流的聚焦能力，能提高電極對于乳腺組織中的擾動區(qū)域的靈敏度；測量過程中，測量電流路徑更加優(yōu)化，避免了EIS中的多測量通道同時工作所帶來的串擾問題；掃描順序更加優(yōu)化，相對于EIS中的掃描順序設計，同等電極尺寸下，相鄰兩次檢測電極之間的距離明顯增大，有效降低了測量中的電極極化效應的影響；上下平板電極陣列采用半圓形形式，可以避免方形探頭四周電極容易與乳房接觸不良的弊端；上下平板直接夾持乳房進行測量，避免了EIS測量中手臂阻抗的影響，靈敏度更高；上下平板可360°旋轉，可在任意角度對乳房進行檢測。

附圖說明

圖1為EIS檢測過程示意圖。

圖2為EIS檢測的邊界效應示意圖。

圖3為雙面大平板聚流電極陣列測量示意圖。

圖4為大平板聚流電極結構及電極布局圖。

圖5為聚流電極設計圖。

圖6為聚流電極測量方法原理圖。

圖7為大平板聚流電極區(qū)群布局示意圖。

圖8為EIS檢測的掃描順序示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明做詳細敘述。

本發(fā)明并不局限于具體實施方式，本領域的技術人員還可據此做出多種變化，但任何和本發(fā)明等同或者雷同的變化都應涵蓋在本發(fā)明權力要求的范圍內。

參照圖4，一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量裝置，包括平行設置的上下面相同的上聚流電極陣列和下聚流電極陣列，上、下聚流電極陣列的電極區(qū)為直徑160mm半圓，電極按蜂窩布局，電極外徑4.5mm，電極之間間隔為1mm，每個電極區(qū)布置392個電極，上、下聚流電極陣列能夠360°旋轉，可在任意角度對乳房進行測量。

雙面大平板聚流電極陣列設計參數(shù)依據：中國女性的乳房直徑在100-120mm以內，乳軸(由基底面到乳頭的高度)為50-60mm，多數(shù)女性單側的乳房體積在180,000-220,000mm³之間。女性乳房可以近似看作一個半球狀形態(tài)。類似X線鉬靶乳腺成像的結構，乳房受到上下兩個平板測量電極擠壓。擠壓后的乳房厚度參照X線鉬靶檢查時的乳腺厚度范圍12.5～71.5mm。按照測量過程中體積不變，乳腺厚度取下限計算，平板與乳房按壓形成類似半圓形，其半徑最大不超過74mm。結合電路板設計工藝，最終電極區(qū)為直徑160mm半圓，電極按蜂窩布局，電極外徑4.5mm，電極之間間隔1mm。每個單板布置392個電極。結構設計如圖4所示，上下面相同。

所述的上、下聚流電極陣列其聚流電極的設置為：聚流電極采用主電極A₀結合聚流環(huán)A_s的形式，聚流電極的大小決定平板探頭的分辨率。增大電極，則分辨率降低；減小電極，則分辨率提高。A_s與A₀相比，聚流環(huán)越寬，聚焦能力越強，主電流越接近直線，測量靈敏度越大；反之，靈敏度越小。綜合以上理論分析及仿真結果，主電極半徑取0.375mm，聚流環(huán)寬1.5mm，主電極與聚流環(huán)間隔0.375mm，具體設計見圖5所示。

一種應用于乳腺癌的大平板聚流阻抗測量方法，參照圖3，包括以下步驟：

步驟一、步驟一、上表面測量時，上下表面對應電極工作，上聚流電極陣列的主電極接激勵電流，下聚流電極陣列對應電極虛地形成電流回路，高速A/D采集通道對上表面聚流環(huán)進行電壓檢測，所有上聚流電極陣列測量完成以后，轉入下表面測量，其過程與上聚流電極陣列測量過程相同；

步驟二、如圖6所示，測量過程中，主電極A₀和聚流環(huán)A_s供以相同極性的電流I₀和I_S，I₀為+1mA；測量過程中保持A₀和A_s等電位，以限制主電極和聚流環(huán)之間的橫向電流移動，限制主電極電流I₀沿軸向傳播；當A₀與A_s電位不相等時，其電位差被送到調整線路上，通過調節(jié)A_s上的屏蔽電流I_S使A_s與A₀保持等電位，由于主電流I₀被I_S所屏蔽，主電流只能沿軸向呈圓盤狀流過待測阻抗區(qū)域，測量電路記錄的是聚流環(huán)A_s與回路電極B之間的電位差ΔU，于是有

r₀—表示主電極對回路電極B的接地阻抗，表示主電極的電流由主電極至回路電極所經過的介質的阻抗，如果在主電極的電流通道上存在阻抗擾動區(qū)域，那么主電極的接地阻抗就能發(fā)現(xiàn)這種擾動，主電極能夠發(fā)現(xiàn)這種擾動的靈敏程度和電極的聚焦能力有關。主電極的接地阻抗可看成是由兩部分組成，即r₀＝r_s+r_t，r_s表示乳腺皮膚層阻抗，r_t表示乳腺組織的阻抗，其中，r_s、r_t對r₀的貢獻，取決于聚焦能力大小，聚焦能力強，則r_t貢獻大，反之r_t對r₀貢獻就小。從這個角度而言，采用雙面測量，就是要確保電極設計至少要在乳腺夾持厚度一半的深度范圍(大約在35-45mm左右)內保持較好的聚焦能力，使乳腺組織的阻抗對r₀的貢獻較大，使主電極對乳腺組織中的阻抗擾動更加敏感，以便能盡早發(fā)現(xiàn)乳腺組織中的阻抗擾動情況。

測量過程中的掃描順序借鑒了移動通信中的區(qū)群概念。因為乳腺組織中有大量的導電離子，測量過程中的電場會使得組織發(fā)生極化效應，測量過程中組織阻抗會隨著極化效應的增強而越來越大。如果按電極物理順序逐行逐列進行檢測，不同的電極所測量的組織就會存在不同程度的極化累積。即使是測量均勻的乳腺組織，電極之間的測量結果也會存在一定程度的差異。為了減小極化效應帶來的影響，一種辦法是使所有電極同時進行測量，但這種辦法會增加硬件成本，同時難以保證測量通道電參數(shù)的一致性，還容易造成相鄰通道之間的串擾。大平板聚流阻抗測量的掃描順序采取分區(qū)測量方式。區(qū)群設計如圖7所示，每7個電極構成一個區(qū)群，每個電極占據一個小區(qū)，為了顯示電極陣列中的一個區(qū)群的結構，圖7中有七個電極顏色與其他電極不一樣，這7個電極即為一個區(qū)群。針對上述區(qū)群結構，自某一小區(qū)觸發(fā)，沿邊的垂直方向跨2個小區(qū)，再向左(或向右)轉60°，再跨1個小區(qū)，這樣就到達同組電極。圖7中的箭頭的起、止電極就是一對同組電極。采取上述方法，就可以將392個電極分為7個小組，每組56個同組電極。掃描順序為先檢測第1小組中的56個電極，待第一小組電極檢測完后，再檢測第2小組中的56個電極，直至檢測完7個小組的所有電極，根據區(qū)群設計理論，同組電極之間的最小距離為r為六變形的外接圓的半徑加電極間隔距離，N為區(qū)群中的小區(qū)數(shù)。

對比例：

見圖8所示，現(xiàn)有常規(guī)技術的EIS探頭的掃描順序電極編號采用組間和組內結合的編號方式，共分為8個小組，每組8個電極，編號格式為(i,j)，i為小組編號，j為小組內序號。例如，(0,0)表示第0小組中的0號電極，(0,1)表示第0小組中的1號電極，(3,3)表示第3小組中的3號電極。測量過程中，分組進行測量，先測量第0小組8個電極，再測量第1小組8個電極，直至完成8個小組64個電極的測量。這種掃描順序的特點是，每個電極在進行測量時，它的8鄰域范圍內的電極都為空閑狀態(tài)，這樣可以減少鄰近電極對采樣電極的干擾。以第0組電極為例，其(0,0)和(0,1)、(0,2)和(0,3)、(0,4)、(0,5)和(0,6)這四對相鄰電極之間的距離為4·r。可以看出，EIS檢測相鄰電極之間的最小距離為4·r，r為方形電極半個邊長加電極間隔距離。而本發(fā)明同組電極之間的最小距離為因此，本發(fā)明的電極布置及掃描順序設計提高了檢測中相鄰電極之間的距離，減小了極化效應的影響。