CN101480337A - 多深度层电阻抗断层成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明的提出的多深度层电阻抗断层成像系统，通过大量不同电极上电压幅值的测量，对人体皮下多个平行与皮肤表面的不同深度层的断层进行检测。在实际医学检测时候，通过大量不同电极上电压幅值的测量，重构出人体皮下的实际阻抗信息。首先要设置电极下的平行与电极盘与皮肤的接触面的多个断层。每个断层的深度是可以根据检测需要预先设定的，然后分别将各个断层进行剖分，即将各个断层剖分成若干个小的区域。则检测的目的就是得到所设定的各个断层中的所有小的区域的相对阻抗值，然后将这些数值用图像表现出来，可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。

Description

多深度层电阻抗断层成像系统

技术领域

本发明涉及生物医学信号检测领域，主要用于生物电阻抗断层检测。

背景技术

医学电阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象注入微小的交流测量电流或电压幅值，检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。具有无创、无害，廉价、安全、操作简单和功能信息丰富等特点，医生和病人易于接受。

从细胞学角度来说，人体的基本构造单位是细胞。人体内所有的生理功能和生化反应，都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。细胞被一层薄膜所包被，这是一种具有特殊结构和功能的半透性膜，称作细胞膜或质膜。它允许某些物质有选择地通过，但又能严格地保持细胞内物质成分的稳定。它把细胞内容物和细胞的周围环境分隔开来，又使细胞通过细胞膜与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动。细胞膜不但是细胞和环境之间的屏障，也是细胞接受外界或其它细胞影响的门户。细胞环境中的各种物理性刺激，体内产生的激素和递质等化学性刺激物，以及进入人体内的某些药物等，很多都是首先作用于细胞膜，然后再影响细胞内的各种生理过程。细胞膜还和机体的免疫功能和细胞的分裂、分化以及癌变等生理和病理过程有密切的关系。

正常组织在发生病变，向肿瘤组织发展的过程中，首先将在分子水平和细胞层次上发生一系列的变化，从而引发与此相联系的电特性(阻抗)变化。肿瘤的本质是细胞的间变，又称“退行发育”，指的是幼稚细胞在成长、发育、分化途中误人歧途，发生质变，导致形态、功能、代谢、免疫、行为的分化不良，成为有特殊表现的肿瘤细胞。肿瘤性增生表现为分化异常，包括细胞形态、功能、代谢、免疫行为等多个方面，如肿瘤细胞大小、形状、排列上的多形性，核质比例增大、染色质浓集、核分裂象质与量的异常，原有功能的缺失、异常功能(运动、失接触抑制、异位激素分泌)的显现，特殊代谢表现(细胞膜离子变化、合成代谢亢进、有氧糖酵解导致大量乳酸形成、酶系变化等)，兔疫变化(胚胎性抗原AFP、CEA的产生、某些相对特异抗原的形成)，以及行为的改变(侵袭、浸润、转移)等。伴随着上述肿瘤细胞异形性变化和肿瘤组织结构的异形性变化，组织阻抗特性也必然要同步地发生相应的改变。当组织形成肿瘤或发生癌变时，可释放一种血管因子，刺激肿瘤产生大量滋养血管，且多分布在肿瘤进展的边缘或从肿瘤外周插入肿瘤内。因而肿瘤及其边界组织新生血管丰富，血流速度加快，血液供应增加，由此发生的组织阻抗变化十分明显。因此生物组织阻抗携带着丰富的生理、病理信息。采用相应的技术或方法生成人体各组织的阻抗分布图像，并通过图像处理，分析和研究生理、病理状况，在医学临床和研究领域都具有很高的实用价值。采用医学电阻抗技术可以从细胞层次上提取与组织和器官的功能变化相联系的电特性信息，从而检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前，在细胞水平开始发生的生理与病理事件，给出疾病的早期预报或前瞻性信息。

生物电阻抗技术中重要的引用领域是生物电阻抗断层成像技术，能给出人体组织与器官的断层图像，可以检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前(如肿瘤潜伏期)而实际上却已经发生的组织特性或功能性变化，提供反映分子与细胞生物学变化的预报性或前瞻性信息。

生物电阻抗断层成像技术基本的测量方式是基于环形电极排列方式的。如附图1所示。

具体来说，对于一个测量域，通过在测量域四周安放多个电极，依次选定激励电极并注入交流电流，在产生电流场的同时，测量其他非激励电极的检测电极之间相对电压幅值。由注入的交流电流和测量的电流电压幅值数据，以及一些附加信息，例如电极位置信息、横截面剖分情况等，可以重构电极阵列所在横截面内物体的电导率(或电阻率)的分布，然后用图像表示出来，从而得到电阻抗断层图像。

但是，对于实际检测来说，很多的肿瘤病灶位置是在表皮以下的，使用传统环形电极排列方式的生物电阻抗断层成像技术来说有很多的弊端。其主要的局限性在于：

第一，该方式用途局限于人体的脑，胸腹、肢体等可近似为一个具有一定电阻抗分布的圆柱型部位，每次只能对电极排列平面所在断层的边缘进行电场分布的测量，无法得到人体皮下平行与皮肤表面的断层信息。

第二，该方式存在检测盲区，检测的大致有效区域如附图2所示。产生这样现象的原因可以概括为：首先，检测的环形平面内，与电极相对较近的区域由于受激励电流的干扰，往往不能得到理想的检测效果。其次，与电极相对很远的中心区域往往只有微量电流通过，难以得到中心区域的阻抗的信息。

第三，由于电极呈环形排列，其数量和分布上有很大的局限，获得的信息量较小，图像效果不甚理想。

为了解决上述电阻抗断层成像电极系统存在的技术局限性，设想多深度层电阻抗断层成像系统。

发明内容

本发明的提出的多深度层电阻抗断层成像系统，其检测的原理和构造与以往的基于环形电极排列方式的生物电阻抗断层成像技术有着根本性的差别。目的是解决肿瘤病灶发生在表皮以下时，采用基于环形电极排列方式的生物电阻抗断层成像技术的弊端。提高检测的准确率。本发明使用多深度层电阻抗断层成像系统及其测量方法，通过大量不同电极上电压幅值的测量，可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。

将大量柱状电极安装在电极盘的一侧并垂直于电极盘成二维分布，电极阵列按拓扑排列，电极盘外形为一平面盘，其分布示意图如附图3所示，侧面图如附图4所示。

如附图5所示，测量时，电极盘压在人体皮肤上，使其与人体皮肤充分接触，保证电极盘上的所有电极都与人体皮肤紧密接触。在数据采集系统控制下将激励电压加载到电极阵列的某一个电极上，该电极即为激励电流的注入端，则这个电极在该时刻为激励电极。在人体远端(如人体四肢)安置一电极，使得由激励电极进入人体的电流大部分通过该电极流出人体。那么整体电流路径如附图5。

电流流经的人体组织是存在阻抗的，所以，在电流路径(电流线)上，各点的电压幅值随电流方向逐渐下降。由于人体组织的阻抗是连续的，所以电压幅值在数值上也是连续的，而非离散分布的，这样，当激励电流注入人体后，电流线成发散状，如附图6。每条电流路径上都可以找到某个相等电压幅值的点。如果将所有电流线上等于该电压幅值的点都连接在一起，则可以找出一个等势面。那么，如附图7，通过选择一系列不同的电压幅值，则可以找出一系列不同的等势面。

如果人体组织的阻抗是均匀分布的，那么所有电流线在相等路径上的电压幅值降是相等的。则等势面与电极盘与皮肤的接触面之间的交线是一个标准圆形。也就是说离激励电极距离相等的各个点上的电压幅值是相等的。这些点应该在同一个等势面上。如果电极盘上的电极与人体皮肤充分接触，电极盘上的电极间距足够紧密，则离激励电极距离相等或相似的各个电极上的电压幅值是相等或相似的，该电压幅值是指数据采集系统控制下检测某个非激励电极与人体远端安置的电极之间的电压幅值差。也就是说，如果人体组织是均匀的。则所检测的离激励电极距离相等或相似的各个电极上的电压幅值数值是相等或相似的。一旦人体组织中存在某些功能性变化所导致某个区域的人体组织与周围组织之间的阻抗存在差异。那么则所检测的离激励电极距离相等或者相似的各个电极上的电压幅值数值是有突变的。

在实际医学检测时候，通过大量不同电极上电压幅值的测量，重构出人体皮下的实际阻抗信息。如附图8所示，首先要设置电极下的平行与电极盘与皮肤的接触面的多个断层。每个断层的深度是可以根据检测需要预先设定的，然后分别将各个断层进行剖分，即将各个断层剖分成若干个小的区域。则检测的目的就是得到所设定的各个断层中的所有小的区域的相对阻抗值，然后将这些数值用图像表现出来，可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。

例如，为了得到图中某一断层剖分后的某一个小区域P区域的电阻抗值，首先建立三维坐标系，接下来确定在某个电极作为激励电极时，人体组织的阻抗是均匀分布条件下，该区域所在的等势面S，以及该等势面S与电极盘与皮肤的接触面(z＝0)的交线L(x，y，0)，以及在此条件下，交线L(x，y，0)上的各个电极的电压幅值。这些电压幅值是通过计算得到的。原理上，这些电压幅值是相等的。让后将该电压幅值做线性插值到交线L(x，y，0)，使其数值连续。

接下来，进行实际检测，首先选定某个电极作为激励电极，注入电压，通过数据采集系统得到上述交线L(x，y，0)上的各个电极的实际电压幅值，同样将这些电压幅值在交线L(x，y，0)上做线性插值，得到L(x，y，0)上所有连续点的电压幅值。接下来可以通过如下公式得到该小区域的未修正阻抗值：

$P(x,y,z)=1+M\frac{1}{\underset{l}{\∫}\frac{1}{R^4}\mathrm{dl}}\underset{l}{\∫}\frac{\frac{1}{R^4}(E^{/}\left(l\right)-E\left(l\right))}{E^{/}\left(l\right)}\mathrm{dl}$

其中M为灵敏度调节系数，R表示L(x，y，0)上的点与P区域的距离，由于空间位置已经确定，所以很容易计算得出。

表示L(x，y，0)上对P区域距离的第一型曲线积分。计算出在这个电极作为激励电极条件下其P(x，y，z)值所占的权重。

计算出在L(x，y，0)上每个点的实际电压幅值与均匀分布条件下的标准电压幅值的相对比在作为加权条件下L(x，y，0)上的第一型曲线积分。最终通过交线L(x，y，0)上做的线性插值电压幅值计算出P区域的未修正阻抗值。

至此，只是得到对于某个电极作为激励电极时P区域的未修正电阻抗，我们仍然要计算在其他各个电极作为激励电极的情况下，该点的多个未修正电阻抗，然后将这些数值的修正项 $M\frac{1}{\underset{l}{\∫}\frac{1}{R^4}\mathrm{dl}}\underset{l}{\∫}\frac{\frac{1}{R^4}(E^{/}\left(l\right)-E\left(l\right))}{E^{/}\left(l\right)}\mathrm{dl}$ 相加即可。公式如下：

$P(x,y,z)=1+M\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{\underset{l}{\∫}\frac{1}{{R\left(l\right)}^4}\mathrm{dl}}\underset{l}{\∫}\frac{\frac{1}{{R\left(l\right)}^4}(E^{/}\left(l\right)-E\left(l\right))}{E^{/}\left(l\right)}\mathrm{dl}$

这样，我就可以图中某一断层剖分后的某一个小区域P区域的修正电阻抗值。依次往复，就可以得到各个小区域以至各个深度层的修正的阻抗值。最后将这些数值用图像表现出来。可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。

附图说明：

图1：基于环形电极排列方式的基本测量方式图

图中1是：基于环形电极排列方式的电极；图中2是：基于环形电极排列方式的测量域

图2：基于环形电极排列方式的测量域内的有效区域图

图中3是：基于环形电极排列方式的测量域内的某个目标；图中4是：基于环形电极排列方式的测量域内的有效区域

图3：电极盘电极排列示意图

图中5是：电极盘；图中6是：电极盘上的电极阵列

图4：电极盘侧面图

图中7是：电极盘与皮肤接触面；图中8是：电极盘下的人体组织

图5：整体电流路径图

图中9是：激励电极；图中10是：电流路径；图中11是：恒压源；图中12是：人体远端电极

图6：电流线示意图

图7：等势面示意图

图中13是：均匀组织条件下等势面；图中14是：均匀组织条件下等势面和电极盘与皮肤的接触面之间的交线

图8：检测某一个小区域示意图

图中15是：平行与电极盘与皮肤的接触面的多个断层；图中16是：断层的剖分；图中17是：断层剖分后的某一个小区域；图中18是：交线上的或者其附近的各个电极

图9：系统框架流程图

具体实施例：

如附图9所示，本发明的硬件系统包括：电极阵列、数据采集系统、信号处理系统、控制系统、PC机等几大部分组成，其中，数据采集系统包括激励电极选择模块、电压激励模块、数据检测模块，信号处理系统包括滤波模块、信号放大模块、A/D转换模块。

在系统运行时，PC机首先要设置电极下的平行与电极盘与皮肤的接触面的多个断层。每个断层的深度是根据检测需要预先设定。然后分别将各个断层进行剖分，即将各个断层剖分成若干个小的区域。通过预先设定的人体组织的阻抗是均匀分布条件下的人体阻抗值，计算出每个小区域在不同激励电极情况下的等势面及其与电极盘与皮肤的接触面之间的交线，计算出每条交线上的电压幅度值。控制系统将通过数据采集系统对上述各条交线上或者交线附近的每个电极上的电压幅度值进行测量：激励电极选择模块用来选定某个电极在某个时刻作为激励电极。然后通过电压激励模块对激励电极给予电压激励，并且接通人体远端电极，形成回路。然后由数据检测模块检测各条交线上或者交线附近的每个电极上的电压幅度值。接下来将检测到的交流电压信号交由信号处理系统，分别对交流电压信号进行滤波、放大、A/D转换。然后这些数据经由控制系统输入到PC机。有PC机根据算法完成图像的输出。

Claims (2)

1.一种多深度层电阻抗断层成像系统，包括电极盘、数据采集系统、信号处理系统、控制系统、PC机等几大部分组成，电极盘上安置大量电极阵列、通过数据采集系统选择电极盘上某个电极作为激励电极，同时完成其他各个电极上电压幅值的测量，往复以上过程，通过对大量不同电极上电压幅值的测量所得到的数据进行处理和计算，由PC机完成图像的输出。

2.按照权利要求1中所述的通过大量不同电极上电压幅值的测量，对人体皮下多个平行与皮肤表面的不同深度层的断层进行检测。

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