CN111481200B - 基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法 - Google Patents

基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法，通过分布在生物组织周围的非接触的电极板向生物组织施加高频电场激励，检测经过生物组织的电流幅值和相位，根据激励的高频电场电压和检测的电流，利用生物组织电阻抗实部和虚部关系去除由于空气间隙引起的间隙耦合电容影响，提取生物组织复阻抗，根据Cole‑Cole理论，计算电阻抗特征参数，重建生物组织的电阻抗特征参数分布图像。本发明可为癌症早期检测提供了一种新的快速、低成本、安全无损、功能图像病灶定位的手段和工具。

Description

基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法。
背景技术
癌症早期诊断是人类面临的重大问题，影像学技术是防癌的关键手段。生物电阻抗变化先于组织器质性病变的特点使得电阻抗检测技术成为癌症早期检测应用最具发展潜力的技术，也是国内外专家学者研究的热点。
目前，癌症早期诊断的电阻抗检测技术主要包括电阻抗谱扫描(ElectricalImpedance Spectroscopy，EIS)技术和电阻抗断层成像(Electrical ImpedanceTomography,EIT)技术。电阻抗谱扫描EIS是利用多个频率的正弦波对生物组织激励并检测多个频率下的复阻抗，提取组织的特征参数，进而根据电阻抗特征参数的差异对组织的生理、病理状态进行诊断的技术。EIS虽然在癌症检测上具有无损、低成本功能检测的优势，但作为一种分时扫频的检测方法，耗时较长，且其对整体组织的集总参数检测难以实现癌症病灶的准确定位，癌症组织引起的检测信号扰动有可能会淹没在正常信号中，检测结果缺乏直观性，不利于癌症的早期诊断。电阻抗断层成像EIT技术是采用各种方法给人体施加小的安全激励电流，测量相应体表的电位信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化图像的技术。根据成像目标的不同，EIT可以分为静态EIT和动态EIT。静态EIT技术由于本身病态性、不适定性以及硬件检测的高噪声等技术限制，造成实用化困难；动态EIT技术主要分为时差EIT和频差EIT，其中时差EIT对短时间内电阻抗变化较大的应用检测较为灵敏，如脑出血、肺通气等，而对于短时期内电阻抗变化不大的癌症病变检测不明显；频差EIT虽然可以依靠生物组织电阻抗在不同频率下的差值进行区分，但不同频率下不一致的电阻抗差异可能引起较大的电阻抗变化量，使得频差EIT的线性估算算法出现较大的误差，不利于癌症的早期检测。
随着电阻抗检测技术的发展，有学者将EIS与EIT技术相结合，提出一种电阻抗断层成像谱(Electrical Impedance Tomography Spectroscopy,EITS)的方法，也叫电阻抗参数成像(Electrical Impedance Parametric Tomography,EIPT)，它采用电极注入电流检测体表电压的方式反演计算检测体内组织的电阻抗特征参数分布。EITS充分利用了检测的多频率复阻抗信息去获得组织器官的功能状态，兼具了EIS细胞层次组织特性检测和EIT分布参数图像重建的优势，是对被测目标电阻抗信息的进一步挖掘。但EITS在低频时复阻抗虚部信息表达不明显，高频时杂散电容影响过大，且存在电极极化、接触阻抗影响等问题，使得目前电阻抗检测技术在癌症早期诊断上难以发挥应有的作用。
发明内容
本发明的目的是克服现有电阻抗检测技术的缺点，提出一种基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法。
本发明基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法，通过分布在生物组织周围的非接触的电极板向生物组织施加高频电场激励，检测经过生物组织的电流幅值和相位，根据激励的高频电场电压和检测的电流，利用生物组织电阻抗实部和虚部关系去除由于空气间隙引起的间隙耦合电容影响，提取生物组织复阻抗，根据Cole-Cole理论，计算电阻抗特征参数，重建生物组织的电阻抗特征参数分布图像。
本发明方法步骤如下：
(1)检测激励电场电位
本发明首先通过一块电极板向生物组织施加高频电场激励，所述电极板为均匀布置在生物组织周围的多个与组织非接触的电极板中的一块，激励频率f1在100kHz-1GHz之间，然后采集激励的高频电场电压U(f1)的幅值和相位信息；
(2)检测响应电流
将其余电极板轮流接地，并检测经过生物组织的电流I(f1)的幅值和相位；
(3)求解复阻抗
利用采集的高频电场电压和检测的电流求解整个检测区域的复阻抗Zc(f1)：
Zc(f1)＝Rc(f1)+jXc(f1)
其中，Rc(f1)为复阻抗Zc(f1)的实部，Xc(f1)为复阻抗Zc(f1)的虚部，j为虚部符号，所述检测区域是指激励电极板与接地电极板之间测区域，包括生物组织及电极板与生物组织之间的空气隙；
(4)变换电场激励频率检测
依次变换高频电场激励频率为f2,f3,…fn，n为自然数，n≥4，激励频率均在100kHz-1GHz之间，重复步骤(1)～步骤(3)，可分别得到不同激励频率下的检测区域的复阻抗Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)，n为激励频率数量；
(5)求解整个生物组织的电阻抗特征参数
根据公式：
利用Zc(f1)，Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)的复阻抗实部建立方程组，求解电阻抗特征参数R0c，R∞c，τc和αc。
式中，Re(Zc(fi))为复阻抗Zc(fi)的实部，i＝1,2,…n，i是激励频率的脚标，R0c为频率为0时整个生物组织的等效电阻，R∞c为频率为∞时整个生物组织的等效电阻，ωi为激励高频电场的角频率，ωi＝2πfi，τc为整个生物组织的驰豫时间，αc为整个生物组织的散射系数，αc∈(0,1)，θc为设定参数，设定θc＝παc/2；
(6)求解生物组织复阻抗
将电阻抗特征参数R0，R∞，τ和α代入以下公式，求解生物组织的复阻抗虚部Im(Z(fi))，得到n个频率下生物组织的复阻抗Z(fi)＝Rc(fi)+jIm(Z(fi))；
(7)变换激励，求解复阻抗序列
轮流变换高频电场激励的电极板，重复步骤(1)～步骤(6)，得到不同电极板激励下生物组织的复阻抗序列[Z(fi)]；
(8)求解生物组织内部复阻抗分布
假设生物组织内部以有限元法剖分为m个单元，其复阻抗分布为D＝[d1,d2,d3…dm],每个单元复阻抗的微小变化都会影响生物组织复阻抗Z(fi)的线性变化，其对应关系设为T，则
△Z(fi)＝T[△D]
其中，△D为生物组织内单元的微小变化，△Z(fi)为生物组织复阻抗的变化。
利用反变换求得生物组织内剖分单元的复阻抗分布：
D＝T-1[Z(fi)]＝T-1[RD(fi)+jXD]
其中，RD(fi)为生物组织内剖分单元的复阻抗实部，RD(fi)＝[Rd1,Rd2,Rd3…Rdm]，XD(fi)为生物组织内剖分单元的复阻抗虚部，XD(fi)＝[Xd1,Xd2,Xd3…Xdm]；
(9)获得生物组织内部电阻抗特征参数分布图像
根据Cole-Cole理论，提取每个激励频率下的复阻抗实部RD(fi)和复阻抗虚部XD(fi)的值，利用最小二乘法或最小一乘法，结合圆方程计算得到生物组织内每个剖分单元的电阻抗特征参数R0D，R∞D，τD和αD，其中，R0D为频率为0时生物组织内剖分单元的等效电阻，R∞D为频率为∞时生物组织内剖分单元的等效电阻，τD为生物组织内剖分单元的驰豫时间，αD为生物组织内剖分单元的散射系数，αc∈(0,1)，进而可获得整个生物组织内的电阻抗特征参数分布图像。
在Cole-Cole理论中，各频率下生物组织复阻抗实部和虚部的值在复阻抗平面中表示为一段圆心位于第一象限的第四象限圆弧。生物组织的复阻抗可以等效为：
式中，Z为生物组织的总复阻抗；R0为频率为0时生物组织的等效电阻，表现为复阻抗圆图中阻抗圆弧与复阻抗实部坐标轴的高值交点；R∞为频率为∞时生物组织的等效电阻，表现为复阻抗圆图中阻抗圆弧与复阻抗实部坐标轴的低值交点；ω为激励电场信号的角频率；τ为生物组织的驰豫时间，复阻抗圆图中阻抗圆弧所对应的圆心位置的激励频率为1/τ；α为生物组织的散射系数，α∈(0,1)，复阻抗圆图中阻抗圆弧所对应的圆心角度为πα；j为虚部符号。R0，R∞，τ和α即为生物组织的电阻抗特征参数。
当采用电场非接触激励时，激励的电极板与生物组织之间会存在空隙，形成一个间隙耦合电容，则依靠激励电场和检测电流得到的总复阻抗Zc＝Rc+jXc包含了间隙耦合电容的影响，其中，Rc为复阻抗Zc的实部，Xc为复阻抗Zc的虚部，j为虚部符号，间隙耦合电容的影响体现在计算得到的复阻抗的虚部：
其中：θ＝πα/2为设定参数，C1-2为激励极板和生物组织间间隙电容以及检测极板与生物组织间间隙电容的和。
因而在求解时需要去除C1-2的影响。
利用生物组织复阻抗实部和虚部的值结合圆方程即可求出复阻抗圆图中的阻抗圆弧，获得各电阻抗特征参数。
本发明采用了非接触的电场同步激励检测模式，有效避免传统电阻抗激励检测模式存在的电极极化、接触阻抗等问题；提出了去除间隙耦合电容影响的生物组织复阻抗信息提取方法，高频激励时突出了组织容抗信息对状态和活性的表达；基于电场激励的电阻抗特征参数分布反演的做法，充分利用了多频率下电阻抗特征参数分布的差异可实现病灶信息的直观表达。所述方法打破了传统方法带来的技术发展瓶颈，可推动生物电阻抗检测技术的发展，为癌症早期检测提供了一种新的快速、低成本、安全无损、功能图像病灶定位的手段和工具。
附图说明
图1本发明所述基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法的激励检测原理示意图；
图2本发明所述基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法的实现步骤图；
图3本发明所述方法检测等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法，通过分布在生物组织3周围的非接触的电极板2向生物组织施加高频电场1激励，检测经过生物组织3的电流5幅值和相位，根据激励的高频电场1电压和检测的电流5，利用生物组织3电阻抗实部和虚部关系去除由于空气间隙4引起的间隙耦合电容影响，提取生物组织3复阻抗，根据Cole-Cole理论，计算电阻抗特征参数，重建生物组织3内部的电阻抗特征参数分布图像。
如图2所示，本发明方法步骤如下：
(1)检测激励电场电位
首先通过一块电极板向生物组织3施加高频电场激励，所述电极板为均匀布置在生物组织3周围的多个与组织非接触的电极板2中的一块，激励频率f1在100kHz-1GHz之间，然后采集激励的高频电场1电压U(f1)的幅值和相位信息；
(2)检测响应电流
将其余电极板2轮流接地，并检测经过生物组织3的电流5I(f1)的幅值和相位；
(3)求解复阻抗
利用采集的高频电场1电压和检测的电流5求解整个检测区域的复阻抗Zc(f1)：
Zc(f1)＝Rc(f1)+jXc(f1)
Rc(f1)为复阻抗Zc(f1)的实部，Xc(f1)为复阻抗Zc(f1)的虚部，j为虚部符号，所述检测区域是指激励电极板与接地电极板之间测区域，包括生物组织3及电极板与生物组织3之间的空气隙4；
(4)变换电场激励频率检测
依次变换高频电场1激励频率为f2,f3,…fn，n为自然数，n≥4，激励频率均在100kHz-1GHz之间，重复步骤(1)～步骤(3)，可分别得到不同激励频率下的检测区域的复阻抗Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)，n为激励频率数量；
(5)求解整个生物组织的电阻抗特征参数
根据公式：
利用Zc(f1)，Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)的复阻抗实部建立方程组，求解电阻抗特征参数R0c，R∞c，τc和αc。
式中，Re(Zc(fi))为复阻抗Zc(fi)的实部，i＝1,2,…n，i是激励频率的脚标；R0c为频率为0时整个生物组织3的等效电阻；R∞c为频率为∞时整个生物组织3的等效电阻；ωi为激励高频电场1的角频率，ωi＝2πfi；τc为整个生物组织3的驰豫时间；αc为整个生物组织3的散射系数，αc∈(0,1)；θc为设定参数，θc＝παc/2；
(6)求解生物组织复阻抗
将电阻抗特征参数R0，R∞，τ和α代入以下公式，求解生物组织3的复阻抗虚部Im(Z(fi))，得到n个频率下生物组织3的复阻抗Z(fi)＝Rc(fi)+jIm(Z(fi))；
(7)变换激励求解复阻抗序列
轮流变换高频电场1激励的电极板，重复步骤(1)～步骤(6)，得到不同电极板2激励下生物组织3的复阻抗序列[Z(fi)]；
(8)求解生物组织内部复阻抗分布
假设生物组织3内部以有限元法剖分为m个单元，其复阻抗分布为D＝[d1,d2,d3…dm],每个单元复阻抗的微小变化都会影响生物组织3复阻抗Z(fi)的线性变化，其对应关系设为T，则
△Z(fi)＝T[△D]
其中，△D为生物组织3内单元的微小变化，△Z(fi)为生物组织3复阻抗的变化。
利用反变换求得生物组织3内剖分单元的复阻抗分布：
D＝T-1[Z(fi)]＝T-1[RD(fi)+jXD]
其中，RD(fi)为生物组织3内剖分单元的复阻抗实部，RD(fi)＝[Rd1,Rd2,Rd3…Rdm]，XD(fi)为生物组织3内剖分单元的复阻抗虚部，XD(fi)＝[Xd1,Xd2,Xd3…Xdm]；
(9)获得生物组织内部电阻抗特征参数分布图像
根据Cole-Cole理论，提取每个高频电场1激励频率下的生物组织3内剖分单元的复阻抗实部RD(fi)和复阻抗虚部XD(fi)的值，利用最小二乘法或最小一乘法，结合圆方程计算得到生物组织3内每个剖分单元的电阻抗特征参数R0D，R∞D，τD和αD，其中，R0D为频率为0时生物组织3内剖分单元的等效电阻，R∞D为频率为∞时生物组织3内剖分单元的等效电阻，τD为生物组织3内剖分单元的驰豫时间，αD为生物组织3内剖分单元的散射系数，αc∈(0,1)，进而可获得整个生物组织3内的电阻抗特征参数分布图像。
在Cole-Cole理论中，生物组织3可等效成一个三元件的电路图，则本发明所述方法检测时也可等效成一个电路图，如图3所示。图3中，Ri，Re和Cm代表了生物组织3等效的三元件，C1和C2为间隙耦合电容，Vs为激励电场，I为检测电流。生物组织3各频率下复阻抗实部和虚部的值在复阻抗平面中表示为一段圆心位于第一象限的第四象限圆弧。生物组织3的复阻抗可以等效为：
式中，Z为生物组织3的总复阻抗，R0＝Re为频率为0时生物组织3的等效电阻，表现为复阻抗圆图中阻抗圆弧与复阻抗实部坐标轴的高值交点；为频率为∞时生物组织3的等效电阻，表现为复阻抗圆图中阻抗圆弧与复阻抗实部坐标轴的低值交点；ω为激励高频电场1信号的角频率；τ＝(Re+Ri)Cm为生物组织3的驰豫时间，复阻抗圆图中阻抗圆弧所对应的圆心位置的激励频率为1/τ；α为生物组织3的散射系数，α∈(0,1)，复阻抗圆图中阻抗圆弧所对应的圆心角度为πα；j为虚部符号。
当采用高频电场1非接触激励时，激励的电极板2与生物组织3之间会存在空隙4，形成一个间隙耦合电容，则依靠激励高频电场1和检测电流5得到的总复阻抗Zc＝Rc+jXc包含了间隙耦合电容的影响，其中，Rc为复阻抗Zc的实部，Xc为复阻抗Zc的虚部，j为虚部符号，间隙耦合电容的影响难以通过硬件系统去除，体现在计算得到的复阻抗的虚部：
其中：θ＝πα/2为设定参数，C1-2为激励极板和生物组织3间间隙电容以及检测极板与生物组织3间间隙电容的和。
因而在求解时需要去除C1-2的影响。
利用生物组织复阻抗实部和虚部的值结合圆方程即可求出复阻抗圆图中的阻抗圆弧，获得各电阻抗特征参数。

Claims (1)

1.一种基于电场激励的电阻抗特征参数成像方法，其特征在于：通过分布在生物组织(3)周围的非接触的电极板(2)向生物组织(3)施加高频电场(1)激励，检测经过生物组织(3)的电流(5)幅值和相位，根据激励的高频电场(1)电压和检测的电流(5)，利用生物组织(3)电阻抗实部和虚部关系去除由于空气间隙(4)引起的间隙耦合电容影响，提取生物组织(3)复阻抗，根据Cole-Cole理论，计算电阻抗特征参数，重建生物组织(3)内部的电阻抗特征参数分布图像；
所述方法步骤如下：
(1)检测激励电场电位
首先通过一块电极板向生物组织(3)施加高频电场激励，所述电极板为均匀布置在生物组织(3)周围的多个与组织非接触的电极板(2)中的一块，激励频率f1在100kHz-1GHz之间，然后采集激励的高频电场(1)电压U(f1)的幅值和相位信息；
(2)检测响应电流
将其余电极板(2)轮流接地，并检测经过生物组织(3)的电流(5)I(f1)的幅值和相位；
(3)求解复阻抗
利用采集的高频电场(1)电压和检测的电流(5)求解整个检测区域的复阻抗Zc(f1)：
Zc(f1)＝Rc(f1)+jXc(f1)
Rc(f1)为复阻抗Zc(f1)的实部，Xc(f1)为复阻抗Zc(f1)的虚部，j为虚部符号，所述检测区域是指激励电极板与接地电极板之间测区域，包括生物组织(3)及电极板与生物组织(3)之间的空气间隙(4)；
(4)变换电场激励频率检测
依次变换高频电场(1)激励频率为f2,f3,…fn，n为自然数，n≥4，激励频率均在100kHz-1GHz之间，重复步骤(1)～步骤(3)，可分别得到不同激励频率下的检测区域的复阻抗Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)，n为激励频率数量；
(5)求解整个生物组织的电阻抗特征参数
根据公式：
利用Zc(f1)，Zc(f2)，Zc(f3)，…Zc(fn)的复阻抗实部建立方程组，求解电阻抗特征参数R0c，R∞c，τc和αc；
式中，Re(Zc(fi))为复阻抗Zc(fi)的实部，i＝1,2,…n，i是激励频率的脚标；R0c为频率为0时整个生物组织(3)的等效电阻；R∞c为频率为∞时整个生物组织(3)的等效电阻；ωi为激励高频电场(1)的角频率，ωi＝2πfi；τc为整个生物组织(3)的驰豫时间；αc为整个生物组织(3)的散射系数，αc∈(0,1)；θc为设定参数，θc＝παc/2；
(6)求解生物组织复阻抗
将电阻抗特征参数R0，R∞，τ和α代入以下公式，求解生物组织(3)的复阻抗虚部Im(Z(fi))，得到n个频率下生物组织(3)的复阻抗Z(fi)＝Rc(fi)+jIm(Z(fi))；
(7)变换激励求解复阻抗序列
轮流变换高频电场(1)激励的电极板，重复步骤(1)～步骤(6)，得到不同电极板(2)激励下生物组织(3)的复阻抗序列[Z(fi)]；
(8)求解生物组织内部复阻抗分布
假设生物组织(3)内部以有限元法剖分为m个单元，其复阻抗分布为D＝[d1,d2,d3…dm],每个单元复阻抗的微小变化都会影响生物组织(3)复阻抗Z(fi)的线性变化，其对应关系设为T，则ΔZ(fi)＝T[ΔD]
其中，ΔD为生物组织(3)内单元的微小变化，ΔZ(fi)为生物组织(3)复阻抗的变化，
利用反变换求得生物组织(3)内剖分单元的复阻抗分布：
D＝T-1[Z(fi)]＝T-1[RD(fi)+jXD]
其中，RD(fi)为生物组织(3)内剖分单元的复阻抗实部，RD(fi)＝[Rd1,Rd2,Rd3…Rdm]，XD(fi)为生物组织(3)内剖分单元的复阻抗虚部，XD(fi)＝[Xd1,Xd2,Xd3…Xdm]；
(9)获得生物组织内部电阻抗特征参数分布图像
根据Cole-Cole理论，提取每个激励频率下的生物组织(3)内剖分单元的复阻抗实部RD(fi)和复阻抗虚部XD(fi)的值，利用最小二乘法或最小一乘法，结合圆方程计算得到生物组织(3)内每个剖分单元的电阻抗特征参数R0D，R∞D，τD和αD，其中，R0D为频率为0时生物组织(3)内剖分单元的等效电阻，R∞D为频率为∞时生物组织(3)内剖分单元的等效电阻，τD为生物组织(3)内剖分单元的驰豫时间，αD为生物组织(3)内剖分单元的散射系数，αc∈(0,1)，进而可获得整个生物组织(3)内的电阻抗特征参数分布图像。
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