本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物阻抗測(cè)量裝置，特別涉及一種應(yīng)用于乳腺癌檢測(cè)的快速EIS混頻測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

由于人體乳腺癌灶組織的電導(dǎo)納(阻抗)大于(小于)乳腺正常組織，以測(cè)量組織電阻抗或?qū)Ъ{為基礎(chǔ)的乳腺癌檢測(cè)或診斷技術(shù)得到了迅速發(fā)展。因阻抗概念更為人所熟知，因此這類技術(shù)被稱為電阻抗技術(shù)，其中，電阻抗掃描成像技術(shù)(electrical impedance scanning,EIS)為電阻抗技術(shù)在乳腺癌檢測(cè)及診斷應(yīng)用領(lǐng)域的典型代表。

EIS用于乳腺癌檢測(cè)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)末，第一臺(tái)商用EIS系統(tǒng)TS2000由以色列TransScan公司研發(fā)、Siemens公司推出，并于1999年獲美國(guó)FDA認(rèn)證。在國(guó)內(nèi)，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系于2002年研發(fā)成功并由上海英邁吉東影圖像設(shè)備有限公司(簡(jiǎn)稱上海東影公司)推出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)乳腺EIS系統(tǒng)Angelplan-EISl000，并于2005年獲得中國(guó)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局(State Food and Drug Administration，SFDA)批準(zhǔn)進(jìn)入臨床使用。

傳統(tǒng)的EIS成像過(guò)程如圖1所示，電壓激勵(lì)信號(hào)由病人手持的電極棒引入，順手臂直達(dá)導(dǎo)電性能優(yōu)異的胸大肌平面，此平面可看作一等電位面。檢查人員手持探頭按壓于胸部表面，探頭電極均虛地以測(cè)量檢查區(qū)域的電流分布。通過(guò)電流分布中是否存在擾動(dòng)判斷待檢查區(qū)域是否存在病變。圖1中局部放大的兩個(gè)高亮區(qū)域代表乳頭區(qū)域，該區(qū)域因乳腺導(dǎo)管密集(導(dǎo)電能力強(qiáng))而呈高亮。如果在非乳頭區(qū)域存在高亮或暗斑(年輕女性罹患乳腺癌，因腺體尚未退化，常表現(xiàn)為暗斑)，且此種情況非左右對(duì)稱出現(xiàn)，通常認(rèn)為是乳腺癌陽(yáng)性特征。

由于EIS設(shè)備采用手持式探頭，為保證探頭上所有電極的測(cè)量條件一致，測(cè)量速度對(duì)于手持式探頭至為關(guān)鍵。為了提高測(cè)量速度，目前EIS設(shè)備采用200HZ作為標(biāo)準(zhǔn)掃描頻率，以快速完成左右乳房所有分區(qū)的測(cè)量工作。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究指出，獲得待測(cè)組織的多頻阻抗信息比單一頻率阻抗信息更有價(jià)值。為了解決這一問(wèn)題，EIS設(shè)備又增加了一個(gè)目標(biāo)掃描模式，先使用標(biāo)準(zhǔn)掃描模式進(jìn)行全面檢查，待發(fā)現(xiàn)可疑區(qū)域后，再對(duì)該區(qū)域進(jìn)行多頻輪掃測(cè)量。但是，這樣做增加了漏診的可能。而且，多頻輪掃測(cè)量用時(shí)隨所需測(cè)量頻率數(shù)的增加而延長(zhǎng)，時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)量條件的變化，例如醫(yī)生手部的抖動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量位置的改變，并且激勵(lì)電流流入人體時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使得組織極化從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，嚴(yán)格地講，這樣做并沒(méi)有徹底解決掃描測(cè)量速度慢的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于乳腺癌檢測(cè)的快速EIS混頻測(cè)量裝置，同時(shí)對(duì)多個(gè)電極進(jìn)行多個(gè)頻率的測(cè)量，有效提高了EIS的測(cè)量速度。通過(guò)采用區(qū)群式電極布局，降低測(cè)量通道之間的串?dāng)_影響，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種應(yīng)用于乳腺癌檢測(cè)的快速EIS混頻測(cè)量裝置，包括：用于產(chǎn)生混頻激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)源，連接在激勵(lì)源的輸出端用于被測(cè)患者手持的激勵(lì)電極，用于采集數(shù)據(jù)的探頭，所述探頭為陣列式探頭，采用區(qū)群式電極布局，區(qū)群式電極由7個(gè)區(qū)群組成，每個(gè)區(qū)群均采用正六邊形結(jié)構(gòu)，每個(gè)區(qū)群由7個(gè)電極組成，其中，1個(gè)電極設(shè)置在正六邊形結(jié)構(gòu)的中心位置，其余6個(gè)電極分別布置在正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)位置。

進(jìn)一步的，7個(gè)區(qū)群的大小和形狀完全一致，其中一個(gè)區(qū)群為中央?yún)^(qū)群，另外6個(gè)區(qū)群圍繞中央?yún)^(qū)群布置，即另外6個(gè)區(qū)群分別有一條邊與中央?yún)^(qū)群的一條邊相鄰。

進(jìn)一步的，7個(gè)區(qū)群中中處于同一位置的7個(gè)電極組成一組電極。

進(jìn)一步的，本發(fā)明還包括：

I/V轉(zhuǎn)換器，連接在探頭的數(shù)據(jù)輸出端，用于將流經(jīng)探頭的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

多路開(kāi)關(guān)，與I/V轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，用于依次將區(qū)群式電極中每組電極的電壓信號(hào)送入響應(yīng)信號(hào)采樣通道；

數(shù)據(jù)采集通道，包括響應(yīng)信號(hào)采樣通道和激勵(lì)信號(hào)采樣通道，所述響應(yīng)信號(hào)采樣通道的輸入端與多路開(kāi)關(guān)的輸出端相連，所述激勵(lì)信號(hào)采樣通道的輸入端與激勵(lì)源的輸出端相連；響應(yīng)信號(hào)采樣通道與激勵(lì)信號(hào)采樣通道采用同一個(gè)采樣同步信號(hào)；

離散傅里葉變換器，分別與響應(yīng)信號(hào)采樣通道和激勵(lì)信號(hào)采樣通道相連，用于將采集到的離散數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換進(jìn)而得到阻抗值。

進(jìn)一步的，所述響應(yīng)信號(hào)采樣通道為7路，所述激勵(lì)信號(hào)采樣通道為1路。

進(jìn)一步的，所述電極為圓形，直徑為3-5mm，相鄰電極之間最小間隔1mm。

進(jìn)一步的，所述探頭為手持式探頭，探頭的形狀為圓形。

進(jìn)一步的，所述探頭的最外側(cè)為環(huán)狀保護(hù)電極，環(huán)寬為2-8mm。

進(jìn)一步的，所述激勵(lì)信號(hào)為正弦混頻電壓信號(hào)，頻率處于α或β頻段，其中，α頻段從10Hz到60KHz，β頻段從90KHz到30MHz。

進(jìn)一步的，所述激勵(lì)電極為金屬棒。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明的EIS混頻測(cè)量裝置將若干個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的不同頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行疊加后再進(jìn)行激勵(lì)，利用離散傅里葉變換一次獲得多個(gè)頻率下的阻抗，多個(gè)頻率同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，在相同時(shí)間可獲得更多的阻抗信息，提高測(cè)量速度一個(gè)數(shù)量級(jí)，容易保證探頭上所有電極測(cè)量條件的一致性。

所述探頭為陣列式探頭，采用區(qū)群式電極布局，所述區(qū)群式電極由7個(gè)區(qū)群組成，每個(gè)區(qū)群由7個(gè)電極組成，合理的結(jié)構(gòu)布局，同時(shí)測(cè)量的一組電極之間的最小距離相對(duì)于現(xiàn)有的分區(qū)方法明顯增大，能有效降低測(cè)量通道之間的串?dāng)_影響。

所述探頭的形狀為圓形，探頭采用圓形設(shè)計(jì)，有效解決方形探頭設(shè)計(jì)中四角電極容易與乳房表面接觸不良的弊端，較好地保證所有電極與乳腺皮膚良好接觸。

所述探頭的最外側(cè)為環(huán)狀保護(hù)電極，環(huán)寬3mm，可消除電流場(chǎng)邊緣效應(yīng)。

所述探頭為手持式探頭，檢測(cè)時(shí)易于操作。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的EIS檢測(cè)過(guò)程示意圖；

圖2為本發(fā)明的探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)EIS檢測(cè)的掃描順序示意圖；

圖4為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采樣示意圖；

圖5為本發(fā)明的測(cè)量原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本發(fā)明的應(yīng)用于乳腺癌檢測(cè)的快速EIS混頻測(cè)量裝置，包括：

激勵(lì)源，用于產(chǎn)生混頻激勵(lì)信號(hào)；

激勵(lì)電極，與激勵(lì)源的輸出端相連，該激勵(lì)電極為金屬棒；

陣列式探頭，采用區(qū)群式電極布局，所述電極為圓形，直徑為4.5mm，相鄰電極之間最小間隔1mm，如圖2所示，探頭共設(shè)49個(gè)圓形電極，探頭直徑為49mm，最外側(cè)為環(huán)狀保護(hù)電極，環(huán)寬3mm，主要用于消除電流場(chǎng)邊緣效應(yīng)；電極布局借鑒移動(dòng)通信中的區(qū)群設(shè)計(jì)思路，49個(gè)電極共分為7個(gè)區(qū)群，每個(gè)區(qū)群7個(gè)電極，這樣可將49個(gè)電極分為7個(gè)小組，第1組電極是1A、2A、3A、4A、5A、6A和7A，第2組電極是1B、2B、3B、4B、5B、6B和7B，類似地，第7組電極是1G、2G、3G、4G、5G、6G和7G；

I/V轉(zhuǎn)換器，輸入端與探頭相連，用于將流經(jīng)陣列式探頭的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

多路開(kāi)關(guān)，與I/V轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，用于依次將區(qū)群式電極中每組電極的電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采樣通道；

數(shù)據(jù)采集通道，包括7路響應(yīng)信號(hào)采樣通道和1路激勵(lì)信號(hào)采樣通道，所述響應(yīng)信號(hào)采樣通道的輸入端與多路開(kāi)關(guān)的輸出端相連，用于采集響應(yīng)信號(hào)，所述激勵(lì)信號(hào)采樣通道的輸入端與激勵(lì)源的輸出端相連用于采集激勵(lì)信號(hào)；響應(yīng)信號(hào)采樣通道與激勵(lì)信號(hào)采樣通道采用同一個(gè)采樣同步信號(hào)；測(cè)量如圖4所示，同時(shí)測(cè)量1路激勵(lì)信號(hào)和一個(gè)小組的7個(gè)電極的電流信號(hào)，共8路數(shù)據(jù)采樣通道；

離散傅里葉變換器，分別與響應(yīng)信號(hào)采樣通道和激勵(lì)信號(hào)采樣通道相連，用于將采集到的離散數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換進(jìn)而得到阻抗。

根據(jù)區(qū)群設(shè)計(jì)理論，本發(fā)明同時(shí)檢測(cè)的電極之間的最小距離為r為六邊形的外接圓的半徑加電極間隔距離，N為區(qū)群中的電極數(shù)，N＝7。

而現(xiàn)有技術(shù)中EIS探頭的掃描順序如圖3所示，電極編號(hào)采用組間和組內(nèi)結(jié)合的編號(hào)方式，共分為8個(gè)小組，每組8個(gè)電極，編號(hào)格式為(i,j)，i為小組編號(hào)，j為小組內(nèi)序號(hào)。例如，(0,0)表示第0小組中的0號(hào)電極，(0,1)表示第0小組中的1號(hào)電極，(3,3)表示第3小組中的3號(hào)電極。測(cè)量過(guò)程中，分組進(jìn)行測(cè)量，先測(cè)量第0小組8個(gè)電極，再測(cè)量第1小組8個(gè)電極，直至完成8個(gè)小組64個(gè)電極的測(cè)量。其特點(diǎn)是，每個(gè)電極在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它的鄰域范圍內(nèi)的電極都為空閑狀態(tài)，這樣可以減少鄰近電極對(duì)采樣電極的干擾。以第0組電極為例，其(0,0)和(0,1)、(0,2)和(0,3)、(0,4)和(0,5)、(0,6)和(0,7)這四對(duì)相鄰電極之間的距離為2·r?？梢钥闯觯珽IS檢測(cè)相鄰電極之間的最小距離為2·r，r為其方形電極邊長(zhǎng)加電極間隔距離。因此，本發(fā)明結(jié)合區(qū)群的電極布置明顯提高了檢測(cè)中相鄰電極之間的距離，減小了串?dāng)_的影響。

不同的活體組織及其所處的不同生理狀態(tài)在不同頻率下所測(cè)得的電阻抗并不相同，通過(guò)不同的測(cè)量頻率所測(cè)的電阻抗信息可有助于更好地區(qū)分這些組織及其所處的狀態(tài)。因此，近年來(lái)生物電阻抗研究中多頻測(cè)量系統(tǒng)獲得了青睞。多頻輪掃測(cè)量方式是多頻測(cè)量的一種方法，它是將事先設(shè)置好的若干個(gè)頻率的正弦信號(hào)依次送入人體并依次進(jìn)行測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在單頻的基礎(chǔ)上易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是測(cè)量用時(shí)隨所需測(cè)量頻率數(shù)的增加而延長(zhǎng)。時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致測(cè)量條件的變化，例如醫(yī)生手部的抖動(dòng)導(dǎo)致測(cè)量位置的改變，并且激勵(lì)電流流入人體時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使得組織極化從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，本方法將若干個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的不同頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行疊加再輸入人體進(jìn)行激勵(lì)，利用離散傅里葉變換一次獲得多個(gè)頻率下的阻抗。

本發(fā)明的激勵(lì)信號(hào)為多個(gè)不同頻率的正弦波疊加混合的混頻電壓信號(hào)，頻率處于EIS常用的α和β頻段。激勵(lì)源的數(shù)學(xué)模型為：

其中，n為信號(hào)中所含頻率分量的個(gè)數(shù)，A_i為第i個(gè)頻率分量的幅度，k_i為頻率系數(shù)，為該頻率分量的相位，ω為角頻率。

如圖5所示，將這個(gè)電壓信號(hào)加到人體組織上，組織中將流過(guò)一個(gè)特定電流，該電流經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換，將得到一個(gè)電壓：

其中，K_i是I/V轉(zhuǎn)換在第i個(gè)頻率分量下的放大倍數(shù)，Z_i是第i個(gè)頻率分量下的人體組織的電阻抗的模，φ_i為對(duì)應(yīng)的相移，這兩個(gè)參數(shù)就是通過(guò)測(cè)量要得到的參數(shù)。Z_i和φ_i包含著組織的實(shí)部和虛部信息。V(t)是包括多個(gè)頻率分量的混頻信號(hào)，將各個(gè)頻率分量完全分離出來(lái)，就可以得到對(duì)應(yīng)頻率下的Z_i和φ_i。

將激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)送往激勵(lì)信號(hào)采樣通道和響應(yīng)信號(hào)采樣通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，其數(shù)字信號(hào)形式分別為：

其中，N為一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)，m為信號(hào)中所含頻率分量的個(gè)數(shù)，A_i為第i個(gè)頻率分量的幅度，k_i為頻率系數(shù)，為第i個(gè)頻率分量的相位，φ_i為第i個(gè)頻率分量下人體組織的相位。

響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的離散傅里葉變換分別是：

其中對(duì)采樣的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行FFT變換可快速計(jì)算上式，得到N個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)。由于激勵(lì)信號(hào)由m個(gè)信號(hào)混頻而成，因此激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的離散傅里葉變換所得的N個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)在選定的m個(gè)頻率點(diǎn)處會(huì)呈現(xiàn)較大的模值，而在其他頻率點(diǎn)處模值會(huì)很小。由此，搜索到響應(yīng)和激勵(lì)信號(hào)中的m個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)如下對(duì)應(yīng)關(guān)系可得到人體組織在m個(gè)頻率點(diǎn)處的阻抗：

其中i＝0,1,...,m-1。

優(yōu)選的，所述探頭的形狀為圓形，可有效避免方形探頭所固有的四角處的電極與乳房表面接觸不良的弊端，較好地保證所有電極與乳腺皮膚良好接觸，探頭的最外側(cè)為環(huán)狀保護(hù)電極，環(huán)寬3mm，可消除電流場(chǎng)邊緣效應(yīng)，探頭為手持式探頭，檢測(cè)時(shí)易于操作。

本發(fā)明的快速EIS混頻測(cè)量裝置可以通過(guò)以下步驟來(lái)用于乳腺癌的檢測(cè)：

1)待測(cè)人員躺在檢查床上，左手持金屬棒激勵(lì)電極，醫(yī)生手持圓形探頭，將探頭按壓在右側(cè)乳房表面。

2)按照從左到右、從上到下的順序?qū)⑷榉縿澐譃?個(gè)分區(qū)，逐一檢測(cè)。

3)檢測(cè)時(shí)，同時(shí)采集第一組7個(gè)電極上的電流信號(hào)和激勵(lì)電壓信號(hào)以得到阻抗；然后，同時(shí)采集第二組7個(gè)電極上的電流信號(hào)和激勵(lì)電壓信號(hào)以得到阻抗，直至完成7個(gè)小組總計(jì)49個(gè)電極的多頻阻抗測(cè)量工作；

4)切換分區(qū)，重復(fù)3)所示的測(cè)量流程，直至完成9個(gè)分區(qū)的測(cè)量。

5)待測(cè)人員換右手持金屬棒激勵(lì)電極，醫(yī)生手持圓形探頭，將探頭按壓在左側(cè)乳房表面，重復(fù)2)至4)所示的測(cè)量流程，直至完成9個(gè)分區(qū)的測(cè)量。

6)在每個(gè)測(cè)量頻點(diǎn)，讀取相應(yīng)的阻抗數(shù)據(jù)，按照分區(qū)位置分別顯示9個(gè)分區(qū)的電阻圖像和電容圖像，對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)而言，左、右胸總計(jì)顯示36幅圖像，每幅圖像的外形和陣列式探頭的圖形一樣，圖像分辨率為探頭電極的數(shù)量。

以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非用于限制本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種替換與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。