[发明专利]一种电阻抗成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电阻抗成像方法，属于电阻抗扫描成像技术(electrical impedance scanning,EIS)领域。

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、侵入式在体测量发展到了非侵入式在体测量阶段。电阻抗扫描成像技术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，然后通过将乳房表面的测量探头所有电极虚地，在胸大肌与探头之间形成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。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数值局部增大的现象(亮斑效应，或局部扰动现象)。EIS检测过程如图1所示，表示的是检测区域中不存在癌灶组织，组织均匀情况下的电流分布情况。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。EIS测量过程采用的是恒定幅度电压，给导纳乘以该恒定幅度电压即为测量电流分布，因此电流分布和导纳分布是一种等效的概念，本文均以测量电流分布作说明。EIS测量属于低频测量，一般测量频率在20KHz以下(组织电参数信息集中的α和β散射频段)，测量电流以传导电流为主，位移电流基本可以忽略不计。因此，实践和分析中仅考虑电导效应。

1999年，以色列的TransScan公司推出了全世界第一台EIS乳腺检测设备—TS2000，并获得美国FDA授权，可用作X线摄影在乳腺癌诊断中的辅助诊断工具。2003年，我国第四军医大学联合上海东影公司推出了国内第一台EIS乳腺检测设备—Angelplan并经中国SFDA获准进入临床应用。EIS设备均采用手持式探头，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。

以EIS检测中最常用的8×8电极探头为例，仿真其在不同大小乳腺检测中的边界效应。我国妇女乳房大小分布区间为100-170mm，平躺姿态乳房厚度在30-60mm之间。乳房皮肤平均厚度为5mm，电导率为0.01S/m。EIS检测过程中，乳房经医师按压抹平之后检测，因此其可近似看作方形柱状体，其边长为100-170mm，厚度为30-60mm。该柱状体为两层结构，表面为皮肤层。图2为计算示例。图2(a)为直径为100mm的乳房EIS检测模型，乳腺组织中存在半径为10mm之癌灶，其深度为20mm；癌灶组织电导率为0.7S/m，乳腺组织为脂肪，电导率为0.04S/m。图2(b)为采用四面体单元剖分处理后的模型。

通过有限元软件COMSOL求解本征方程，即可获得探头测量电流分布，具体数值求解过程为：EIS检测通过给乳房组织施加低频正弦激励(激励频率<20K Hz)，然后在乳房表面检测电流。考虑到乳房内部无电流源同时不存在电流累积效应，因此乳房内部的电位分布满足典型的拉普拉斯方程：

其中，σ为组织电导，Ω代表待检测的乳房，为乳房内及表面的电位值。EIS检测过程中正弦激励电压由患者手握的电极棒引入直达胸大肌，然后经由乳房组织由乳房表面的探头电极(电极均虚地)流出。因此，电位分布除满足式(1)的本征方程以外，还需满足式(2)所示的狄利克莱边界条件。狄利克莱边界г1包括探头表面(包括电极表面和保护电极表面)和胸大肌所在平面，其边界条件分别为U=0和U=1.9V(EIS激励电压幅度)。

除边界г1外，Ω之其他表面统称为纽曼边界г2。г2边界所接触的外围物质为空气，考虑到皮肤的电导远大于空气，因此在该边界不存在边界电流。即式(1)所描述的电场分布还需要满足式(3)所示的纽曼边界条件(又称为电隔离条件)：