CN105212927A - 用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣。本发明包括内层罩杯、中间气囊层和外部胸衣层。在内层罩杯上对称分布有电极阵列，电极阵列直接与乳腺组织接触；所述的电极阵列包括呈圆形分布的六个电极和位于圆心处的公共电极，公共电极接地，另外六个电极连接电路控制模块。电路控制模块通过将乳腺组织等效成RC电路，然后串联一个匹配电感，组成RLC电路；利用电流激励方式，RLC电路会在某一频率发生谐振，并通过测得的相应且最低的电压得到共振频率，最终确定使用者的乳腺情况。本发明不仅检测方便、简单、安全、对人体无害，而且可以及早的检测到乳腺组织的是否病变，早点防治和预防乳腺疾病。

Description

用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣

技术领域

本发明涉及健康、医疗领域，是一种可以检测和诊断乳腺组织病变风险程度的便携式、可穿戴的智能胸衣。

背景技术

乳腺癌是当今女性高发肿瘤疾病，乳腺癌的诊断方法只能去医院检测，通过医生的触诊、超声、乳腺钼靶或乳腺MRI甚至乳腺活检等方法完成。但是据相关文献报道，在接受检查的适龄妇女中，真正患乳腺癌的妇女比例是极低的，在接受活检的妇女中，仅有15％的女性被确认为恶性肿瘤，而大多是良性肿瘤，甚至就是普通的乳腺疾病。目前由于各种原因，导致妇女过度检查的情况大量存在，因此减少过度检查很有必要。

乳房是女性的私密部位，尤其对于中国女性，很多妇女由于是敏感部位的原因而不去医院做检查，等到感觉非常不适时而不得不去医院做检查，此时可能为时已晚，因此，如有一种便捷的、甚至可以通过自检的方式即可得知自己乳腺患病情况，就显得非常有必要。

基于共振频率的电阻抗扫频(Resonance-frequency-basedElectricalImpedanceSpectroscopy，REIS)检测方法，是由匹斯堡大学的LedermanDror教授等组成的研究小组提出的，是一种根据乳腺中的恶性肿瘤组织与正常组织的电导率存在显著差异，利用人体正常乳腺组织的对称性与电路中的共振原理的方法。人体可以看作是由在空间按一定位置分布、具有不同电特性的组织所组成的一个混合导体。而细胞是人体的形态结构、生理功能和生长发育的基本单位。人体细胞由细胞膜，细胞质，细胞核构成，而细胞则浸浴于细胞外液之中。细胞质构成的细胞內液和细胞外液中含有某些离子，具有导电性，其电学性质类似于电阻，具有阻抗特性。而细胞膜具有选择性通透某些离子特点，无直流导电性，但可以通过交流电，类似于电容，具有电容特性。因此，人体可以近似等效于一个由许多电阻与电容构成的生物电网络，形成了一个应用广泛的三元件等效电路模型。当乳腺组织发生病变时，可以释放出一种血管因子，使得恶性肿瘤组织新生血管丰富，血液流速加快，代谢增快，这些也可导致恶性肿瘤组织及其周边组织发生明显的容抗变化。据研究表明，癌变组织的容抗与正常细胞的容抗差距可达50倍左右。将幅值恒定，频率不同的正弦交变电流源串接适当的电感的电路的两极接在组织(可以等效成电阻电容组成的电路)两端时，在某一频率下，电路会发生谐振，此时负载(匹配电感与生物组织组成的电路)两端电压最小。通过采集电压最低点对应频率值，可以通过频率与容抗感抗(感抗固定可知)之间的关系可以的确定生物组织的阻抗，从而可以确定组织是否癌变，甚至组织病变的程度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明包括内层罩杯、中间气囊层和外部胸衣层。

在所述内层罩杯上对称分布有电极阵列，电极阵列直接与乳腺组织接触；所述的电极阵列包括呈圆形分布的六个电极和位于圆心处的公共电极，公共电极接地，另外六个电极连接电路控制模块。

所述的电路控制模块位于下扒部位，包括微处理器、正弦信号发生电路、电压/电流转换电路、电极选通模块和幅值处理单元。

所述的微处理器实现正弦信号发生电路的变频信号输出；控制电极阵列中的电极选通；连接幅值处理单元，采集数据并进行预处理。

所述的正弦信号发生电路提供一个幅值恒定、频率可变的正弦信号源；其输入端连接微处理器，获得微处理器单元的控制命令；输出端连接电压/电流转换电路，输出所需的一个幅值恒定、频率可变的正弦信号源。

所述的电压/电流转换电路转换电压为电流，为胸衣提供幅值恒定、频率可变的交变电流作为激励电流，其输入端为正弦信号发生电路，接入幅值恒定，频率变化的正弦信号源；输出端连接电极选通模块，使交变电流通到检测电极阵列中的待测电极。

所述的幅值处理单元用于检测等效RLC电路两端的电压在一个频率周期内的峰峰值；其输入端为电压/电流转换电路的输出端，也就是电极选通模块的输入端；其输出端与微处理器连接，提供检测的电压值。

所述的电路控制模块通过将乳腺组织等效成RC电路，然后串联一个匹配电感，组成RLC电路；利用电流激励方式，RLC电路会在某一频率发生谐振，并通过测得的相应且最低的电压得到共振频率，最终确定使用者的乳腺情况。

本发明的有益效果是：该智能胸衣不仅检测方便、简单、安全、对人体无害，而且可以及早的检测到乳腺组织的是否病变，早点防治和预防乳腺疾病。面对急剧增长的乳腺疾病，本发明的出现和其功能对广大女性群众来说如同及时雨，其检测技术的无害性对于担心传统的乳腺检测方法——X射线、超声波等有伤害的乳腺病患者更是福音。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是功能模块分布图；

图3是检测电极阵列分布；

图4是电路工作原理图；

图5是乳乳腺组织等效RC电路模型；

图6是RLC电路图；

图7是罩杯层次结构图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，本发明优选出一个实施例，请参阅以下本实施例的详细说明及附图。

本发明是基于共振频率的电阻抗扫频的检测方法，用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣。智能胸衣为可穿戴式，其样式与普通运动胸衣一样，具有心位、上托、下托、下扒、耳部与肩带等部位，并且可以根据不同的人，设计不同大小的上下托(下面称为罩杯)，以便于穿戴合适。智能胸衣的下扒、心位与心位、上下托(罩杯)等部分集成了由有关功能的小模块串起来的电路，实现检测乳腺组织情况与数据通信功能，达到乳腺癌早期风险检测的作用。在智能胸衣的罩杯处由内层罩杯、中间气囊层与外部胸衣层三层组成，三层共同作用可以使检测更加稳定，胸衣的效果更加准确。这种可穿戴式智能胸衣的出现，使得广大女性群众可以在家里自主、方便、随时的检测乳腺健康情况。并且通过此发明，使用者可以长期的监测乳腺情况，达到预防乳腺疾病的目的。

本实施例如图1所示，本实施例中的可穿戴式智能胸衣与一般的运动胸衣类似。在胸衣上的某些部位集成了：9—电源模块、10—微处理器单元、11—正弦信号发生电路、12—电压/电流转换电路、13—电极选通模块、8—检测电极阵列(其分布如图3所示)、14—幅值处理单元、—蓝牙模块。整个电路模块分布如图2所示。

图1中表明了智能胸衣的几个主要部位，图2中表明了电路模块的分布：①为鸡心或心位，位于双乳之间、下扒之上的区域，心位部位的上部分放置电极选通小模块13，下半部分放置电压/电流源转换小模块；②为下扒部位，是电路模块的主要集中部位，这个部位集成了电源小模块、正弦信号发生小模块、微处理器小模块、幅值检测小模块以及蓝牙模块；③、④为上下托，共同组成罩杯，即检测电极阵列；⑤、⑥分别为耳部与肩带，虽然没有安装电路，但也是不可缺少的部分，有了它才可以用于穿戴；⑦是气囊充气口，用于给罩杯的中间气囊层充气(其分层如图7所示)；16是充电器，用于装置供电；17是气泵，提供气源。

智能胸衣整个电路的分布图如图2所示、工作原理如图4所示：

电源模块与充电器共同组成整个胸衣的供电部分，给其他各个需要供电的模块供电。电源模块的输入连接充电器，充电器的出入端直接连接家庭电源。

微处理器单元是胸衣控制其他模块、采集与预处理数据、输出数据等的模块，功能结构如图4所示。通过编写相关程序，微处理器对胸衣的各个模块发出控制指令，实现正弦信号发生电路的变频信号输出；控制检测电极阵列的电极选通；连接幅值处理单元，采集数据并进行预处理；与无线模块连接，传输数据。

正弦信号发生电路需提供一个幅值恒定，频率可变的正弦信号源。其输入端连接微处理器，获得微处理器单元的控制命令；输出端连接电压/电流转换电路，输出所需的一个幅值恒定，频率可变的正弦信号源。

电压/电流转换电路转换电压为电流，为胸衣提供幅值恒定，频率可变的交变电流作为激励电流。其输入端为正弦信号发生电路，接入幅值恒定，频率变化的正弦信号源；输出端连接电极选通模块，使交变电流通到检测电极阵列中的待测电极。

电极选通模块为多路开关，用于控制电流源输出电流流向哪一个电极。其输入端接电流源的输出端，同时还接微处理器单元输出控制选通的命令；输出端分别接到电极检测阵列12个电极。

检测电极阵列包括模拟开关、匹配电感和左右7个共14个电极，电极分布如图3所示分布，图中O为中心电极，即公共电极，周围1—6个电极分别对应2点钟、4点钟、6点钟、8点钟、10点钟、12点钟六个方向。如图3与图4所示，检测电极阵列中心电极O连接GND，其他六个方向的电极连接电极选通模块的12输出端，当电极选通模块选通一个电极接通时，某个电极就可获得幅值恒定，频率变化的交变电流。一个电极工作完成，就接通下一个电极，实际工作中只有六个点中的一个与公共电极接在乳腺组织上；同理，右边的检测电极一样。

幅值处理单元用于检测等效RLC电路两端的电压在一个频率周期内的峰峰值。其输入端为电压/电流转换电路的输出端，也就是电极选通模块的输入端；其输出端与微处理器连接，提供检测的电压值。

蓝牙模块用于与上位机或者其他移动端通信，传输检测到的数据以及获得上位机或者移动端的控制命令，输入与输出均与微处理器相连。

电路的各个小模块是利用粘扣带将其固定在胸衣上。首先将各个小模块固定在粘扣带勾面的背面，然后将粘扣带毛面固定胸衣上，最后便是勾面与毛面贴合。这样就各个电路小模块固定在了胸衣上。

整个电路通过将乳腺组织等效成RC电路(如图5所示)，一端接在六个方向的电极上，另一端接在中心电极上，然后串联一个匹配电感，组成RLC电路(如图6所示)。利用电流激励方式，电路会在在某一频率发生谐振，并通过测得的相应且最低的电压得到共振频率，最终确定使用者的乳腺情况。最后，为确保智能胸衣能稳定、有效的测量，本发明添加了气泵以及将罩杯分为三层。气泵可以手动充气，便于调整内层罩杯与乳房的契合度。罩杯分三层，如图7所示，里面一层为内层罩杯8-1，上面按图3所示分布了一些电极，直接与乳腺组织接触；中间一层为中间气囊层8-2，使用者可以根据内层罩杯是否贴紧乳房，而向里面充气，最终确保内层罩杯紧贴乳房，达到良好、有效采集数据；外面一层为外部胸衣层8-3，是最外面的胸衣，一方面起保护作用，另一方面与气囊相互作用，是内层罩杯紧贴乳房。

本发明首先是建立在将乳腺组织可以近似等效于一个由许多电阻与电容构成的生物电网络，形成了一个应用广泛的三元件等效电路模型，如图5所示。然后与这个电路模型串联一个匹配电感，组成一个RLC电路(如图6所示)。最后，在RLC电路两端串入电流源，输入幅值恒定，频率不定的电流时，RLC电路两端的电压的幅值会因频率变化而变化。基于这种思想，发明的胸衣包括了：电源模块、微处理器单元、正弦信号发生电路、电压/电流转换电路、电极选通模块、检测电极阵列(其分布如图3所示)、幅值处理单元，整个电路的功能结构如图4所示。

使用者使用流程。首先，将本发明穿在身上，对准电极并检查电极是否能良好接触，若不能，通过充气口对气囊充气，确保检测电极紧贴乳房，然后接通智能胸衣的电源，并通过蓝牙或串口将PC机或者移动端与胸衣连接，利用上位机发送启动指令，最后等待检测完毕，获得结果就可以完成整个测量。

系统工作流程。当电源模块通电，微处理器单元开始工作。首先微处理器对内部需要的模块：时钟模块、通用I/O口模块、串口UART模块、AD采样模块进行初始化后，等待人为启动的开始命令；当有人启动时，串口接收到启动命令，并处理中断处理程序——初始化定时器模块，开始定时中断程序，逐步完成：

通过I/O口控制模拟开关，选通左乳房2点钟方向与中心电极的导通；

10ms一次，输出40位控制指令，实现电路输出200k的正弦波，正弦波通过电路使电路输出200k的交变电流，电流通过模拟开关，流通匹配电感和乳腺组织，回到中心电极O形成回路；

利用电路可以测量中心电极与电路的输出端的峰值电压信号；

微处理器单元对电压信号采集三次并进行求和平均，得到电路在频率为200k的正弦信号激励下的幅值；

将采集到的幅值通过UART传送出去；

更改40位控制指令，实现以2k的频率递增，202k-800k的变频，并重复进行

切换电极，依次选通左罩杯4点到12点方向，右罩杯2点到12点方向，重复进行

经过上述步骤便可以得到左右乳腺六个方向上200—800k的频率对应的幅值，并将其发送出去。通过相关分析算法，可以根据得到的幅值与其对应的频率，计算得到不同的特征，从而分析出使用者的乳腺是否患病，甚至检测出哪种乳腺疾病。目前最直接、最方便的分析方法就是共振频率法，当然得到的结果也是简单的病否。这种方法就是根据电路的发生谐振时，谐振部位电压值最小，此时的谐振频率仅与电容、电感有关。当外接电感固定时，唯一变量就是电容，因此谐振频率大小可以等效成电容大小。通过得到的幅值便可以轻易的确定每个方向的谐振频率，也就是乳腺组织每个方向的电容，再结合组织病变影响组织电容的原理，便可以确定组织是否病变，哪个方向病变。

相信本领域的技术人员通过以上描述都可以理解本发明的具体做法，但以上所示仅为本发明优选的实施例，并非用来局限本发明的专利范围，故利用本发明的框架图和说明内容所作的等效结构变化，均包含在本发明范围内。

Claims (5)

1.用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣，其特征在于：包括内层罩杯、中间气囊层和外部胸衣层；

在所述内层罩杯上对称分布有电极阵列，电极阵列直接与乳腺组织接触；所述的电极阵列包括呈圆形分布的六个电极和位于圆心处的公共电极，公共电极接地，另外六个电极连接电路控制模块；

所述的电路控制模块位于下扒部位，包括微处理器、正弦信号发生电路、电压/电流转换电路、电极选通模块和幅值处理单元；

所述的微处理器实现正弦信号发生电路的变频信号输出；控制电极阵列中的电极选通；连接幅值处理单元，采集数据并进行预处理；

所述的正弦信号发生电路提供一个幅值恒定、频率可变的正弦信号源；其输入端连接微处理器，获得微处理器单元的控制命令；输出端连接电压/电流转换电路，输出所需的一个幅值恒定、频率可变的正弦信号源；

所述的电压/电流转换电路转换电压为电流，为胸衣提供幅值恒定、频率可变的交变电流作为激励电流，其输入端为正弦信号发生电路，接入幅值恒定，频率变化的正弦信号源；输出端连接电极选通模块，使交变电流通到检测电极阵列中的待测电极；

所述的幅值处理单元用于检测等效RLC电路两端的电压在一个频率周期内的峰峰值；其输入端为电压/电流转换电路的输出端，也就是电极选通模块的输入端；其输出端与微处理器连接，提供检测的电压值；

所述的电路控制模块通过将乳腺组织等效成RC电路，然后串联一个匹配电感，组成RLC电路；利用电流激励方式，RLC电路会在某一频率发生谐振，并通过测得的相应且最低的电压得到共振频率，最终确定使用者的乳腺情况。

2.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣，其特征在于：电极阵列中相邻两个电极的距离相等。

3.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣，其特征在于：所述的电极选通模块位于鸡心。

4.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣，其特征在于：电极选通模块为多路开关。

5.根据权利要求1所述的用于乳腺癌早期风险检测评估的智能胸衣，其特征在于：还包括蓝牙模块，该模块用于与上位机或者其他移动端通信，传输检测到的数据以及获得上位机或者移动端的控制命令，输入与输出均与微处理器相连。