乳腺EIS成像中電極-皮膚界面特性及其影響的抑制方法研究.pdf

1、乳腺癌是危害婦女健康和生命的最常見惡性腫瘤之一。早發(fā)現(xiàn)、早治療是降低死亡率的重要手段。目前臨床上常見的乳腺癌檢測技術(shù)，如X線鉬靶、超聲、MRI等，在很大程度上提高了乳腺癌診斷的準(zhǔn)確度。但是由于存在放射性、或?qū)Σ僮髡咭蕾囆詮?qiáng)、或設(shè)備昂貴等不足，尚不能滿足對早期乳腺癌進(jìn)行大規(guī)模篩查的臨床需求。乳腺電阻抗掃描成像（Electrical Impedance Scanning，EIS）作為一種新型的乳腺癌檢測技術(shù)，具有價格低廉、無創(chuàng)、無輻射、操作

2、簡便和功能成像等優(yōu)勢。它對早期癌變信息敏感，在早期乳腺癌篩查方面具有良好的應(yīng)用前景，現(xiàn)已進(jìn)入臨床研究階段。
　　乳腺EIS根據(jù)乳腺癌組織與正常組織的電阻抗特性存在顯著性差異，實(shí)現(xiàn)對乳腺癌的檢測。它通過測量乳房表面的電流信號，得到乳腺內(nèi)部的電阻抗分布。由于其靜態(tài)成像的特點(diǎn)，在通過該方法對乳腺內(nèi)部的電阻抗信息進(jìn)行提取時，電極-皮膚界面的電阻抗也同時被提取，并且二者處于疊加狀態(tài)，因此電極-皮膚界面的特性與乳腺EIS中的信息提取密切相關(guān)。

3、目前，針對電極-皮膚界面的優(yōu)化設(shè)計研究一直是國內(nèi)外研究者所關(guān)注的重點(diǎn)。本課題組首次提出將 EIS技術(shù)用于乳腺癌的早期篩查應(yīng)用中，對EIS的檢測速度、檢測穩(wěn)定性和易操作性等提出了更高的要求，對電極-皮膚界面的性能也同樣提出了新的要求。本研究旨在對電極-皮膚界面的性能進(jìn)行優(yōu)化，并抑制其對乳腺 EIS成像的影響，具有重要的理論意義和臨床價值。本論文研究內(nèi)容如下：
　　（1）乳腺EIS成像中電極-皮膚界面特性及影響的仿真研究
　　電

4、極-皮膚界面包括皮膚組織層、耦合層和電極陣列三層結(jié)構(gòu)，其特性主要指電阻抗特性。首先，基于等效電路模型分析方法，進(jìn)一步明確電極-皮膚界面的三個特性指標(biāo)（電極-皮膚界面阻抗（ESII）的大小、均勻性及耦合層的電導(dǎo)率）與乳腺EIS成像的影響關(guān)系。其次，借助有限元仿真研究分別探索了耦合層的電導(dǎo)率對乳腺EIS的檢測能力及電極間信號串?dāng)_的影響，發(fā)現(xiàn)在模擬真實(shí)檢測方式的情況下，耦合層電導(dǎo)率的最優(yōu)取值范圍為0.35S/m~0.8S/m，為下一步探索新型

5、的耦合層介質(zhì)材料提供了理論依據(jù)。最后，通過仿真研究分析了電極-皮膚界面局部異常所引起圖像偽影的特征，為下一步探索此類偽影的識別及校正方法奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）改善電極-皮膚界面性能的方法研究
　　在仿真研究的基礎(chǔ)上，本研究探索了三種耦合層介質(zhì)材料（離子膜 DSICM-A、DSICM-B和DSICM-C），分別構(gòu)成三種新型電極-皮膚界面，并將其與現(xiàn)有的CFGTL界面和曾使用的耦合劑界面進(jìn)行了對比研究。首先，利用四電極推導(dǎo)法，

6、通過在體測量的方式對五種界面的電極-皮膚界面阻抗（ESII）進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)三種離子膜界面的ESII比CFGTL界面下降了20％~25%，并且穩(wěn)定性更高。最后，通過臨床測試對比了五種界面下乳腺EIS測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，綜合評估表明DSICM-C界面的性能最佳。相比于現(xiàn)有的CFGTL界面，電流信號的均值分別提升了10.8%，單幀測量數(shù)據(jù)的離散性分別下降了9.2%，測量結(jié)果的可重復(fù)性提高了24.1%。
　?。?）電極-皮膚界面局部異常引起

7、圖像偽影的抑制方法研究
　　電極-皮膚界面局部異常會導(dǎo)致圖像偽影，影響乳腺EIS診斷結(jié)果的可靠性。在仿真研究的基礎(chǔ)之上，提出了雙向梯度分析法和奇異值分解法兩種偽影識別方法，并分別利用仿真數(shù)據(jù)及臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：兩種方法對仿真數(shù)據(jù)中的偽影信息可以準(zhǔn)確識別；兩種方法聯(lián)合使用時，可以將臨床數(shù)據(jù)中偽影的識別率由現(xiàn)有閾值法的65.0%提升到87.6%。在此基礎(chǔ)上，提出了基于奇異值分解法的偽影數(shù)據(jù)校正方法，經(jīng)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，

8、該方法可以有效抑制圖像偽影，增強(qiáng)對圖像中有用信息的辨識。
　?。?）通過對乳腺EIS擴(kuò)頻改善電極-皮膚界面性能的探索性研究
　　相關(guān)研究表明，擴(kuò)寬乳腺EIS的掃描頻率可以進(jìn)一步改善電極-皮膚界面的性能，并可以提供更加豐富的乳腺組織電阻抗頻譜信息。在現(xiàn)有乳腺 EIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)將其最高掃描頻率從200 kHz提高到500 kHz，本研究主要針對前置級信號檢測模塊進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。首先，提出了適用于高頻檢測的前置級檢測方

9、案；然后，通過測試確定了能夠滿足高頻信號測量的運(yùn)算放大器芯片 AD4637-1和控制電極通道切換的2選1模擬開關(guān)芯片ADG333A；最后，完成了前置級檢測模塊硬件電路的設(shè)計。本研究為后續(xù)的乳腺EIS硬件擴(kuò)頻工作奠定了基礎(chǔ)。
　　綜上，在仿真研究的基礎(chǔ)之上，本研究探索了一種性能更佳的耦合層介質(zhì)材料，有效地改善了電極-皮膚界面的性能；針對電極-皮膚界面局部異常引起的圖像偽影探索了相應(yīng)的識別和校正方法，經(jīng)仿真數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本研究提