CN106618568A - 一种应用于乳腺癌检测的快速eis混频测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，包括：用于产生混频激励信号的激励源，连接在激励源的输出端的激励电极，用于采集数据的探头，探头为阵列式探头，采用区群式电极布局，区群式电极由7个区群组成，每个区群均采用正六边形结构，每个区群由7个电极组成，其中，1个电极设置在正六边形结构的中心位置，其余6个电极分别布置在正六边形的六个顶点位置，本发明的EIS混频测量装置将若干个预先设计好的不同频率的正弦激励信号进行叠加后再进行激励，利用离散傅里叶变换一次获得多个频率下的阻抗，多个频率同时进行测量，在相同时间可获得更多的阻抗信息，提高测量速度一个数量级，可保证探头所有电极测量条件的一致性。
Description
技术领域
本发明属于医学成像技术领域，涉及一种生物阻抗测量装置，特别涉及一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置。
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，其中，电阻抗扫描成像技术(electrical impedancescanning,EIS)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用于乳腺癌检测最早出现于上世纪末，第一台商用EIS系统TS2000由以色列TransScan公司研发、Siemens公司推出，并于1999年获美国FDA认证。在国内，第四军医大学生物医学工程系于2002年研发成功并由上海英迈吉东影图像设备有限公司(简称上海东影公司)推出了国内第一台乳腺EIS系统Angelplan-EISl000，并于2005年获得中国国家食品药品监督管理局(State Food and Drug Administration，SFDA)批准进入临床使用。
传统的EIS成像过程如图1所示，电压激励信号由病人手持的电极棒引入，顺手臂直达导电性能优异的胸大肌平面，此平面可看作一等电位面。检查人员手持探头按压于胸部表面，探头电极均虚地以测量检查区域的电流分布。通过电流分布中是否存在扰动判断待检查区域是否存在病变。图1中局部放大的两个高亮区域代表乳头区域，该区域因乳腺导管密集(导电能力强)而呈高亮。如果在非乳头区域存在高亮或暗斑(年轻女性罹患乳腺癌，因腺体尚未退化，常表现为暗斑)，且此种情况非左右对称出现，通常认为是乳腺癌阳性特征。
由于EIS设备采用手持式探头，为保证探头上所有电极的测量条件一致，测量速度对于手持式探头至为关键。为了提高测量速度，目前EIS设备采用200HZ作为标准扫描频率，以快速完成左右乳房所有分区的测量工作。近年来，越来越多的研究指出，获得待测组织的多频阻抗信息比单一频率阻抗信息更有价值。为了解决这一问题，EIS设备又增加了一个目标扫描模式，先使用标准扫描模式进行全面检查，待发现可疑区域后，再对该区域进行多频轮扫测量。但是，这样做增加了漏诊的可能。而且，多频轮扫测量用时随所需测量频率数的增加而延长，时间延长导致测量条件的变化，例如医生手部的抖动导致测量位置的改变，并且激励电流流入人体时间的延长会使得组织极化从而影响测量的准确性。因此，严格地讲，这样做并没有彻底解决扫描测量速度慢的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，同时对多个电极进行多个频率的测量，有效提高了EIS的测量速度。通过采用区群式电极布局，降低测量通道之间的串扰影响，保证了测量的准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，包括：用于产生混频激励信号的激励源，连接在激励源的输出端用于被测患者手持的激励电极，用于采集数据的探头，所述探头为阵列式探头，采用区群式电极布局，区群式电极由7个区群组成，每个区群均采用正六边形结构，每个区群由7个电极组成，其中，1个电极设置在正六边形结构的中心位置，其余6个电极分别布置在正六边形的六个顶点位置。
进一步的，7个区群的大小和形状完全一致，其中一个区群为中央区群，另外6个区群围绕中央区群布置，即另外6个区群分别有一条边与中央区群的一条边相邻。
进一步的，7个区群中中处于同一位置的7个电极组成一组电极。
进一步的，本发明还包括：
I/V转换器，连接在探头的数据输出端，用于将流经探头的电流信号转换为电压信号；
多路开关，与I/V转换器的输出端相连，用于依次将区群式电极中每组电极的电压信号送入响应信号采样通道；
数据采集通道，包括响应信号采样通道和激励信号采样通道，所述响应信号采样通道的输入端与多路开关的输出端相连，所述激励信号采样通道的输入端与激励源的输出端相连；响应信号采样通道与激励信号采样通道采用同一个采样同步信号；
离散傅里叶变换器，分别与响应信号采样通道和激励信号采样通道相连，用于将采集到的离散数字信号进行傅里叶变换进而得到阻抗值。
进一步的，所述响应信号采样通道为7路，所述激励信号采样通道为1路。
进一步的，所述电极为圆形，直径为3-5mm，相邻电极之间最小间隔1mm。
进一步的，所述探头为手持式探头，探头的形状为圆形。
进一步的，所述探头的最外侧为环状保护电极，环宽为2-8mm。
进一步的，所述激励信号为正弦混频电压信号，频率处于α或β频段，其中，α频段从10Hz到60KHz，β频段从90KHz到30MHz。
进一步的，所述激励电极为金属棒。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的EIS混频测量装置将若干个预先设计好的不同频率的正弦激励信号进行叠加后再进行激励，利用离散傅里叶变换一次获得多个频率下的阻抗，多个频率同时进行测量，在相同时间可获得更多的阻抗信息，提高测量速度一个数量级，容易保证探头上所有电极测量条件的一致性。
所述探头为阵列式探头，采用区群式电极布局，所述区群式电极由7个区群组成，每个区群由7个电极组成，合理的结构布局，同时测量的一组电极之间的最小距离相对于现有的分区方法明显增大，能有效降低测量通道之间的串扰影响。
所述探头的形状为圆形，探头采用圆形设计，有效解决方形探头设计中四角电极容易与乳房表面接触不良的弊端，较好地保证所有电极与乳腺皮肤良好接触。
所述探头的最外侧为环状保护电极，环宽3mm，可消除电流场边缘效应。
所述探头为手持式探头，检测时易于操作。
附图说明
图1为现有技术的EIS检测过程示意图；
图2为本发明的探头结构示意图；
图3为现有技术EIS检测的扫描顺序示意图；
图4为本发明的数据采样示意图；
图5为本发明的测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。
本发明的应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，包括：
激励源，用于产生混频激励信号；
激励电极，与激励源的输出端相连，该激励电极为金属棒；
阵列式探头，采用区群式电极布局，所述电极为圆形，直径为4.5mm，相邻电极之间最小间隔1mm，如图2所示，探头共设49个圆形电极，探头直径为49mm，最外侧为环状保护电极，环宽3mm，主要用于消除电流场边缘效应；电极布局借鉴移动通信中的区群设计思路，49个电极共分为7个区群，每个区群7个电极，这样可将49个电极分为7个小组，第1组电极是1A、2A、3A、4A、5A、6A和7A，第2组电极是1B、2B、3B、4B、5B、6B和7B，类似地，第7组电极是1G、2G、3G、4G、5G、6G和7G；
I/V转换器，输入端与探头相连，用于将流经阵列式探头的电流信号转换为电压信号；
多路开关，与I/V转换器的输出端相连，用于依次将区群式电极中每组电极的电压信号送入数据采样通道；
数据采集通道，包括7路响应信号采样通道和1路激励信号采样通道，所述响应信号采样通道的输入端与多路开关的输出端相连，用于采集响应信号，所述激励信号采样通道的输入端与激励源的输出端相连用于采集激励信号；响应信号采样通道与激励信号采样通道采用同一个采样同步信号；测量如图4所示，同时测量1路激励信号和一个小组的7个电极的电流信号，共8路数据采样通道；
离散傅里叶变换器，分别与响应信号采样通道和激励信号采样通道相连，用于将采集到的离散数字信号进行傅里叶变换进而得到阻抗。
根据区群设计理论，本发明同时检测的电极之间的最小距离为r为六边形的外接圆的半径加电极间隔距离，N为区群中的电极数，N＝7。
而现有技术中EIS探头的扫描顺序如图3所示，电极编号采用组间和组内结合的编号方式，共分为8个小组，每组8个电极，编号格式为(i,j)，i为小组编号，j为小组内序号。例如，(0,0)表示第0小组中的0号电极，(0,1)表示第0小组中的1号电极，(3,3)表示第3小组中的3号电极。测量过程中，分组进行测量，先测量第0小组8个电极，再测量第1小组8个电极，直至完成8个小组64个电极的测量。其特点是，每个电极在进行测量时，它的邻域范围内的电极都为空闲状态，这样可以减少邻近电极对采样电极的干扰。以第0组电极为例，其(0,0)和(0,1)、(0,2)和(0,3)、(0,4)和(0,5)、(0,6)和(0,7)这四对相邻电极之间的距离为2·r。可以看出，EIS检测相邻电极之间的最小距离为2·r，r为其方形电极边长加电极间隔距离。因此，本发明结合区群的电极布置明显提高了检测中相邻电极之间的距离，减小了串扰的影响。
不同的活体组织及其所处的不同生理状态在不同频率下所测得的电阻抗并不相同，通过不同的测量频率所测的电阻抗信息可有助于更好地区分这些组织及其所处的状态。因此，近年来生物电阻抗研究中多频测量系统获得了青睐。多频轮扫测量方式是多频测量的一种方法，它是将事先设置好的若干个频率的正弦信号依次送入人体并依次进行测量。其优点是设计简单，在单频的基础上易于实现，缺点是测量用时随所需测量频率数的增加而延长。时间延长导致测量条件的变化，例如医生手部的抖动导致测量位置的改变，并且激励电流流入人体时间的延长会使得组织极化从而影响测量的准确性，本方法将若干个预先设计好的不同频率的正弦激励信号进行叠加再输入人体进行激励，利用离散傅里叶变换一次获得多个频率下的阻抗。
本发明的激励信号为多个不同频率的正弦波叠加混合的混频电压信号，频率处于EIS常用的α和β频段。激励源的数学模型为：
其中，n为信号中所含频率分量的个数，Ai为第i个频率分量的幅度，ki为频率系数，为该频率分量的相位，ω为角频率。
如图5所示，将这个电压信号加到人体组织上，组织中将流过一个特定电流，该电流经过I/V转换，将得到一个电压：
其中，Ki是I/V转换在第i个频率分量下的放大倍数，Zi是第i个频率分量下的人体组织的电阻抗的模，φi为对应的相移，这两个参数就是通过测量要得到的参数。Zi和φi包含着组织的实部和虚部信息。V(t)是包括多个频率分量的混频信号，将各个频率分量完全分离出来，就可以得到对应频率下的Zi和φi。
将激励信号和响应信号送往激励信号采样通道和响应信号采样通道转换为数字信号，其数字信号形式分别为：
其中，N为一个周期采样点数，m为信号中所含频率分量的个数，Ai为第i个频率分量的幅度，ki为频率系数，为第i个频率分量的相位，φi为第i个频率分量下人体组织的相位。
响应信号和激励信号的离散傅里叶变换分别是：
其中对采样的数字信号，进行FFT变换可快速计算上式，得到N个复数数据。由于激励信号由m个信号混频而成，因此激励和响应信号的离散傅里叶变换所得的N个复数数据在选定的m个频率点处会呈现较大的模值，而在其他频率点处模值会很小。由此，搜索到响应和激励信号中的m个复数数据后，根据如下对应关系可得到人体组织在m个频率点处的阻抗：
其中i＝0,1,...,m-1。
优选的，所述探头的形状为圆形，可有效避免方形探头所固有的四角处的电极与乳房表面接触不良的弊端，较好地保证所有电极与乳腺皮肤良好接触，探头的最外侧为环状保护电极，环宽3mm，可消除电流场边缘效应，探头为手持式探头，检测时易于操作。
本发明的快速EIS混频测量装置可以通过以下步骤来用于乳腺癌的检测：
1)待测人员躺在检查床上，左手持金属棒激励电极，医生手持圆形探头，将探头按压在右侧乳房表面。
2)按照从左到右、从上到下的顺序将乳房划分为9个分区，逐一检测。
3)检测时，同时采集第一组7个电极上的电流信号和激励电压信号以得到阻抗；然后，同时采集第二组7个电极上的电流信号和激励电压信号以得到阻抗，直至完成7个小组总计49个电极的多频阻抗测量工作；
4)切换分区，重复3)所示的测量流程，直至完成9个分区的测量。
5)待测人员换右手持金属棒激励电极，医生手持圆形探头，将探头按压在左侧乳房表面，重复2)至4)所示的测量流程，直至完成9个分区的测量。
6)在每个测量频点，读取相应的阻抗数据，按照分区位置分别显示9个分区的电阻图像和电容图像，对每个频点而言，左、右胸总计显示36幅图像，每幅图像的外形和阵列式探头的图形一样，图像分辨率为探头电极的数量。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非用于限制本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种替换与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，包括：用于产生混频激励信号的激励源，连接在激励源的输出端用于被测患者手持的激励电极，用于采集数据的探头，所述探头为阵列式探头，采用区群式电极布局，区群式电极由7个区群组成，每个区群均采用正六边形结构，每个区群由7个电极组成，其中，1个电极设置在正六边形结构的中心位置，其余6个电极分别布置在正六边形的六个顶点位置。
2.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，7个区群的大小和形状完全一致，其中一个区群为中央区群，另外6个区群围绕中央区群布置，即另外6个区群分别有一条边与中央区群的一条边相邻。
3.根据权利要求2所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，7个区群中中处于同一位置的7个电极组成一组电极。
4.根据权利要求3所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，还包括：
I/V转换器，连接在探头的数据输出端，用于将流经探头的电流信号转换为电压信号；
多路开关，与I/V转换器的输出端相连，用于依次将区群式电极中每组电极的电压信号送入响应信号采样通道；
数据采集通道，包括响应信号采样通道和激励信号采样通道，所述响应信号采样通道的输入端与多路开关的输出端相连，所述激励信号采样通道的输入端与激励源的输出端相连；响应信号采样通道与激励信号采样通道相连，响应信号采样通道与激励信号采样通道采用同一个采样同步信号；
离散傅里叶变换器，分别与响应信号采样通道和激励信号采样通道相连，用于将采集到的离散数字信号进行傅里叶变换进而得到阻抗值。
5.根据权利要求4所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述响应信号采样通道为7路，所述激励信号采样通道为1路。
6.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述电极为圆形，直径为3-5mm，相邻电极之间最小间隔1mm。
7.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述探头为手持式探头，探头的形状为圆形。
8.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述探头的最外侧为环状保护电极，环宽为2-8mm。
9.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述激励信号为正弦混频电压信号，频率处于α或β频段，其中，α频段从10Hz到60KHz，β频段从90KHz到30MHz。
10.根据权利要求1所述的一种应用于乳腺癌检测的快速EIS混频测量装置，其特征在于，所述激励电极为金属棒。
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