CN114587330B - 基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统。其特征是：它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、微处理器(5)、成像模块(6)组成。本发明可用于不平整皮肤病变区域的检测与病变形状的三维构建，可广泛用于不平整的人体皮下组织健康检测等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统，可用于不平整皮肤病变组织区域的检测与病变形状的三维构建，属于电子医疗装置技术领域。
(二)背景技术
皮肤癌是现代社会最常见的皮肤癌类型之一，占全球所有确诊癌症的40％。且其发病率与死亡率正逐年攀升，成为危害人类生命健康的一大元凶。而皮肤病变的轮廓图是诊断癌变的关键因素，通常由于受到成本、精度以及使用方便程度的影响，现阶段诊断皮肤癌的常用手段仍为皮肤镜与肉眼观察。电阻抗成像技术作为一种非侵入式检测技术，具有无创、廉价、便携等优点，是实现皮肤病变区域检测的有效途径。其原理是，根据人体皮肤在不同的状态下具有不同电导率的特点，通过对激励电极施加一个安全的激励信号，并在测量电极上测量得到响应信号，并通过信号数据处理与算法来实现皮肤病变区域的电导率重构以及成像的实现。
2002年，俄罗斯科学院无线电工程和电子研究所的切雷佩宁等人发表了一篇名为《Three-Dimensional EIT Imaging of Breast Tissues:System Design and ClinicalTesting》的文章，文章中提出了一种电极阵列结构。由256个电极排列成直径为12厘米的圆形平面矩阵，这增加了与待测组织的接触面积。
2006年瑞典斯德哥尔摩的科学基础有限公司申请了一种利用阻抗来诊断皮肤的患病情况的方法及其应用(中国专利：CN 101365382 B)。该专利提供了一种微阵列检测装置，阵列包含三个在同一平面上的矩形电极，每个电极上有若干微探针，可以实现通过阻抗测量来诊断皮肤的患病情况。
2011年，重庆大学电气工程学院的鞠康发表的《开放式三维多频电阻抗测量系统》以人体乳腺疾病的检测作为背景，设计了一套64电极的三维EIT测量系统。该系统采用8*8的方形电极阵列加上复合背电极作为辅助电极，测量时，采用四电极法测量。在以琼脂模型作为物理实验模型的实验中，得到了初步的实验结果
2016年，爱丁堡大学的Yang,Y等人发表了一篇名为《A Miniature ElectricalImpedance Tomography Sensor and 3-D Image Reconstruction for Cell Imaging》的文章，文章中提出了一种由16个呈圆形排列的电极阵列组成的电阻抗测量系统，经过一定的三维重构算法成像后，可以得到较为准确的3D图像。
2018年，武汉中科科理光电技术有限公司的燕自保、夏志宽、刘泉等人申请了一个射频检测成像装置(CN 209518867 U)。该专利提供了一种射频检测成像装置，在检测座上设有多个阵列布置的电极，电极通过开关阵列或扫描信号控制与射频发生器电连接。此外，检测座上还设有抽真空装置，使检测座可以与待测区域相贴合。通过检测交变电磁场在皮肤组织中产生的位移电流，并通过特定算法还原重建图像，可以实现检测炎症和病变组织。
2019年西南医科大学的吴军与颜洪申请了一种皮肤病变内源性电场测量装置及方法(中国专利：CN 109717841 A)。该方法利用一个探测电极板与人体皮肤构成一个电容，通过检测与分析探测电极板高速振动时，实现了皮肤电场在探测电极板上感生出的交变电压来对皮肤的病变情况进行分析。
但上述方案均无法解决对不平整皮肤病变组织区域的测量问题，为此，本发明设计了一种基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统，通过一种可伸缩的微电极阵列结构，解决了现有平面阵列无法对不平整病变组织区域测量的问题，实现了对不平整病变组织范围的准确覆盖与测量，为早期的诊断与评估提供更直观化的参考。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供具有可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统。以利于实现对不平整病变组织范围的准确确定与测量，为早期的诊断与评估提供更直观化的参考。
它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、微处理器(5)、成像模块(6)组成。所述激励发生器(1)与电极阵列的第一个电极相连，所述控制模块(3)通过测量总线(3a)和激励总线(3c)与电极阵列的电极相连，所述信号处理模块(4)与控制模块(3)相连，所述微处理器(5)与信号处理模块(4)及控制模块(3)相连，所述成像模块(6)与微处理器(5)相连。
本发明是这样实现的：将所述电极阵列放置于病变区域上，由所述激励发生器(1)向电极阵列的第一个电极发送激励信号，微处理器(5)控制控制模块(3)闭合第二个电极的测量开关(3b)并打开激励开关(3d)，使该电极上接收到的响应信号通过测量总线(3a)进入信号处理模块(4)后，打开测量开关(3b)闭合激励开关(3d)。信号处理模块(4)一路对信号处理后传送数字信号至微处理器(5)，另一路延时后通过激励总线(3d)返回到第二个电极，作为第三个电极的激励信号，输出完成后打开激励开关(3d)。第三个电极至最后一个电极的测量过程重复上述步骤，每组数据暂存于微处理器(5)内。全部电极测量完毕后，微处理器(5)将数据传输至成像模块(6)内，数据在该模块内完成三维图像的构建。
所述系统中所采用的激励发生器装置，其作用是：产生特定频率与幅值的电压(电流)激励信号，由系统内部电路生成。
所述系统中的可伸缩电极阵列装置(2)，其特征是：所述电极阵列与外壳相连，再通过控制模块(3)连接信号处理模块(4)，并可以通过控制模块(3)打开测量开关(3b)与激励开关(3d)分别与测量总线(3a)与激励总线(3d)相连，电极阵列呈预先设置好的几何形状排列。
所述系统中的电极，其特征是：每个电极均由圆柱状外壳(2b)通过弹簧结构(2a)与电极(2c)相连，受力变化会自动伸缩，外壳(2b)侧面不导电，电极(2c)通过弹簧结构(2a)与外壳(2b)顶面导通，顶面与后端电路相连。
所述系统中的信号处理模块(4)，其特征是：可以实现延时(4a)、电流源(4b)、放大(4c)、滤波(4d)、模/数转换(4e)等功能，与测量总线(3a)、激励总线(3b)及微处理器(5)相连，其作用是：响应信号通过测量总线(3a)进入信号处理模块(4)后，一路对信号进行放大(4c)、滤波(4d)、模/数转换(4e)处理后传送数字信号至微处理器(5)，另一路对信号延时(4a)3后由电流源(4b)通过激励总线(3d)输出与输入信号电流值相同的电流信号至原电极；其中，延时单元(4a)可以是延时元件、延时组合电路中的任意一种；电流源可以是电压控制电流源、电流控制电流源的任意一种，其作用是：使输出信号的电流值与输入信号的电流值保持特定比例。
系统中所述的微处理器(5)可以是单片机、现场可编程逻辑门阵列中的任意一种。其特征是：可以实现数据的传输、处理与存储，并可以通过控制控制模块(3)实现任意电极上与之相联的测量开关(3b)或激励开关(3d)的开合。
系统中所述的成像模块，其特征是：设有显示装置与输入装置，与微处理器相连，用于数据处理与三维图像重构。
(四)附图说明
图1是基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统示意图。它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、微处理器(5)、成像模块(6)组成。
图2是基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统实施例示意图。它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、STM32(5)、上位机(6)组成。
图3是实施例中电极阵列机构示意图，电极呈阿基米德螺线状排列，在螺线上等距排列。电极1(1)为最外圈第一个电极，用于输出激励发生器所生成的激励信号。电极2(2)为按螺线朝内圈走的相邻一个电极，用于接收响应信号并输出激励信号，最内圈的电极为最后一个电极。
图4是实施例控制模块结构示意图。
图5是实施例单个电极结构示意图。圆柱状外壳(2)通过弹簧结构(1)与电极(3)相连。外壳(2)侧面不导电，电极(3)通过弹簧结构(1)与外壳(2)顶面导通，顶面与后端电路相连。
图6是实施例可伸缩电极阵列装置结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
如图2、3、4、5给出了基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统的实施例示意图，它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、STM32(5)、上位机(6)组成。
在检测前使用生理盐水冲洗皮肤，以减小表皮的阻抗，从而帮助装置能够检测到皮肤深层的阻抗值，以提高测试精度。
实施例中采用强度恒定的方波电流信号进行激励，分别对每个电极上接收到的信号在一个周期内，分别在其高电平与低电平期间进行一次采样，取两个电压的差值作为该点的阻抗信息。
其具体测量过程为：
激励发生器(1)生成一个周期的方波电流激励信号通过第一个电极施加到待测皮肤上后，在第二个电极上产生响应电压信号。
STM32(5)控制控制模块(3)闭合第二个电极上的测量开关(3b)并打开激励开关(3d)，响应信号通过测量总线(3a)进入信号处理模块(4)后，打开测量开关(3b)，闭合激励开关。
电压响应信号在信号处理模块(4)内分成两路。一路经过延时模块(4a)延时半个周期或一个周期后，经电流控制电流源(4b)镜像输出与响应信号电流值相同的电流信号。另一路通过差动放大(4c)，以及带通滤波(4d)滤除干扰信号后，由高速A/D(4e)转换模拟信号为数字信号后传送至STM32(5)。
第三个电极至最后一个电极重复上述步骤。
在STM32(5)中对数据进行初步处理，在一个信号周期内，对其在高电平与低电平期间分别进行一次采样，记为V1与V2。取高电平与低电平的差值Vs＝V1-V2作为该点的电阻抗信息，进行解调。
Vs值暂存于微处理器(5)内，全部电极测量完毕后，传送所有点数据至上位机(6)。
在上位机(6)内通过编写三维图像重构算法，完成病变区域的三维图层重构。
Claims (7)
1.一种基于可伸缩电极阵列的皮肤病变三维重构系统，其特征是：它由激励发生器(1)、可伸缩电极阵列装置(2)、控制模块(3)、信号处理模块(4)、微处理器(5)、成像模块(6)组成；所述激励发生器(1)与电极阵列的第一个电极相连，所述控制模块(3)通过测量总线(3a)和激励总线(3c)与电极阵列的电极相连，所述信号处理模块(4)与控制模块(3)相连，所述微处理器(5)与信号处理模块(4)及控制模块(3)相连，所述成像模块(6)与微处理器(5)相连；将所述电极阵列放置于病变区域上，由所述激励发生器(1)向电极阵列的第一个电极发送激励信号，微处理器(5)控制控制模块(3)闭合第二个电极的测量开关(3b)并打开激励开关(3d)，使该电极上接收到的响应信号通过测量总线(3a)进入信号处理模块(4)后，打开测量开关(3b)闭合激励开关(3d)；信号处理模块(4)一路对信号处理后传送数字信号至微处理器(5)，另一路延时后通过激励总线(3d)返回到第二个电极，作为第三个电极的激励信号，输出完成后打开激励开关(3d)；第三个电极至最后一个电极的测量过程重复上述步骤，每组数据暂存于微处理器(5)内；全部电极测量完毕后，微处理器(5)将数据传输至成像模块(6)内，数据在该模块内完成三维图像的构建。
2.根据权利要求1所述的激励发生器(1)，其作用是：产生特定频率与幅值的电压(电流)激励信号，由系统内部电路生成。
3.根据权利要求1所述的可伸缩电极阵列装置(2)，其特征是：所述电极阵列与外壳相连，再通过控制模块(3)连接信号处理模块(4)，并可以通过控制模块(3)打开测量开关(3b)与激励开关(3d)分别与测量总线(3a)与激励总线(3d)相连，电极阵列呈预先设置好的几何形状排列。
4.根据权利要求1所述的电极，其特征是：每个电极均由圆柱状外壳(2b)通过弹簧结构(2a)与电极(2c)相连，受力变化会自动伸缩，外壳(2b)侧面不导电，电极(2c)通过弹簧结构(2a)与外壳(2b)顶面导通，顶面与后端电路相连。
5.根据权利要求1所述的的信号处理模块(4)，其特征是：可以实现延时(4a)、电流源(4b)、放大(4c)、滤波(4d)、模/数转换(4e)等功能，与测量总线(3a)、激励总线(3b)及微处理器(5)相连，其作用是：响应信号通过测量总线(3a)进入信号处理模块(4)后，一路对信号进行放大(4c)、滤波(4d)、模/数转换(4e)处理后传送数字信号至微处理器(5)，另一路对信号延时(4a)后由电流源(4b)通过激励总线(3d)输出与输入信号电流值相同的电流信号至原电极；其中，延时单元(4a)可以是延时元件、延时组合电路中的任意一种；电流源可以是电压控制电流源、电流控制电流源的任意一种，其作用是：使输出信号的电流值与输入信号的电流值保持特定比例。
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7.根据权利要求1所述的成像模块，其特征是：设有显示装置与输入装置，与微处理器相连，用于数据处理与三维图像重构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Tong Xuanke Inventor after: Yang Guangming Inventor after: Li Xiang Inventor after: Zhang Qi Inventor after: Deng Shijie Inventor before: Yang Guangming Inventor before: Li Xiang Inventor before: Zhang Qi Inventor before: Tong Xuanke Inventor before: Deng Shijie |
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| GR01 | Patent grant | ||
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