（生物医学工程专业论文）乳腺电阻抗扫描成像研究.pdf

摘要 论文题目： 研究生姓名： 导师姓名： 学校名称： 摘要 乳腺电阻抗扫描成像研究 董艳丽 鲍旭东教授 东南大学 电阻抗扫描( e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n g ，e i s ) 技术是一种新的诊断技术，目前主要 用于识别乳房组织的癌变区域。研究发现癌细胞的介电特性不同于正常细胞，从而使其癌变区域 的电流场发生变化，使用e i s 可以测得诱导电流的电容率和电导率。e i s 对病人无伤害，相对成 本较低，具有良好的应用前景。 本文首先对e i s 乳腺检测的信号进行了分析，将其归纳为4 个信号来源，分别是乳房组织阻 抗，皮肤阻抗，电极一皮肤接触阻抗和扰动等噪声信号。 基于信号分析的结果，完成了两个实验，分别是病例分类实验和盲信号提取实验，实验数据 来自上海东影公司的a n g e l p l a ne i s 1 0 0 0 乳腺电阻抗扫描检测系统。 第一个实验在标准频率2 0 0 h z 下进行，将测量所得的病例导纳数据进行独立成分分析，提取 特征矩阵，进行基于支持向量机的病例分类实验，灵敏度为8 6 7 ，特异度为7 3 3 ，准确度为 8 0 o ，达到了很好的识别效果；第二个实验则是将多频扫描得到的导纳数据进行了c o l e 模型拟 合和模型参数提取，将提取的参数进行了基于二阶统计量的实验，实验结果显示，正常病例提取 的源信号矩阵具有很好的一致性，而癌变病例则相反。两个实验都得到了较好的病例识别效果。 之后介绍了一套新的基于扫频的e i s 硬件系统，它的最高频率提高到了i m h z 。本文基于该 系统完成了系统校正实验，并对耦合剂的影响进行了研究。 本文最后对乳腺电阻抗扫描的研究工作进行了总结和展望，总结了本论文所完成的主要工 作，指出了在未来研究工作中尚存在的难点和尚需解决的问题。 关键词：乳腺电阻抗扫描，独立成分分析，支持向量机，校正 a b s t r a c t a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo fe l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n gf o rt h ed e t e c t i o no fb r e a s t c a n c e r a u t h o r ：d o n gy a n l i s u p e r v i s o r ：p r o f b a ox u d o n g s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n g ( e i s ) i san e wd i a g n o s t i ct o o l ，s of a ru s e dp r i m a r i l yf o rt h e i d e n t i f i c a t i o no fm a l i g n a n tb r e a s td i s e a s e s t u d i e ss u g g e s tt h a tc a n c e rc e l l sh a v ea l t e r e dd i e l e c t r i c p r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t hn o r m a lc e l l s ，t h e r e b yd i s t o r t i n gt h el o c a le l e c t r i c a lf i e l d t h ei n d u c e dc h a n g e s i nc a p a c i t a n c ea n dc o n d u c t i v i t ya r em e a s u r a b l eu s i n ge i s e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n gh a sb e e n g e n e r a t i n gi n t e r e s tf o rs e v e r a lr e a s o n sa tp r e s e n t ，i n c l u d i n gc o m f o r tt ot h ep a t i e n t ，t h er e l a t i v e l yl o wc o s t a n ds o o n i nt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e r , e i ss i g n a lc o n t e n t sf o rb r e a s td e t e c t i o nw e r es u m m a r i z e da n df o u r s o u r c e sw e r ep r o p o s e dw h i c hw e r eb r e a s tt i s s u ei m p e d a n c e ，s k i ni m p e d a n c e ，e l e c t r o d e - s k i nc o n t a c t i m p e d a n c ea n dn o i s e s b a s e do nt h es i g n a la n a l y s i s ，t w oe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do n e x p e r i m e n t a l d a t aw e r ef r o ma n g e l p l a ne i s 一10 0 0f o rb r e a s tc a n c e rd e t e c t i o n ，w h i c hm a d ei ns h a n g h a ie a s t i m a g e e q u i p m e n tc o r p o r a t i o n t h ef i r s te x p e r i m e n tw a sp r o p o s e dt ou s ei n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i st oe x t r a c tf e a t u r e so f o r i g i n a la d m i t t a n c ed a t af r o me i su n d e rt h es t a n d a r df r e q u e n c y2 0 0 h z c o m b i n e dw i t hs u p p o r tv e c t o r m a c h i n ea sc l a s s i f i e r , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tc o u l di d e n t i f ym a l i g n a n tb r e a s tf r o mn o r m a l t h er e s u l t c o u l da c h i e v ea s e n s i t i v i t yo f8 6 7 as p e c i f i c i t yo f7 3 3 a n da na c c u r a c yo f8 0 0 c o l em o d e lw a su s e dt oe x t r a c tm o d e lp a r a m e t e r so nt h es e c o n de x p e r i m e n t i tw a sb a s e do n s e c o n d - o r d e rs t a t i s t i c sa n ds o u r c em a t r i xw a se s t i m a t e df r o mp a r a m e t e rm a t r i x e x p e r i m e n t a lr e s u l t s u g g e s tt h a te s t i m a t e ds o u r c em a t r i xf r o mn o r m a lc a s e ss h o wg o o du n i f o r m i t ya n dt h eo n ef r o mc a n c e r c a s ei nr e v e r s e f o l l o w i n gu p w a r dan e wp i e c e o fh a r d w a r ee q u i p m e n tw a si n t r o d u c e d ，w h o s eu p p e r m o s t f r e q u e n c yw a sp r o m o t e dt oim h z b a s e do nt h ee q u i p m e n t ，as y s t e mc o r r e c t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o na n ds o m es t u d i e sa b o u tt h ee f f e c to fc o u p l a n tp r o c e e d e d t h es t u d yo fb r e a s te l e c t r i c a li m p e d a n c ew a ss u m m a r i z e da n dp r e v i e w e di nt h ee n d ，i n c l u d i n gt h e m a i nr e s e a r c h e sh a v eb e e nc o m p l e t e ds of a r , t h ed i f f i c u l t i e se x i s t e di nt h er e s e a r c ha n dp r o b l e m st ob e s o l v e d ，a sw e l la st h er e s e a r c hp r o s p e c t k e y w o r d ：e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n gf o rb r e a s t , i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ，c o r r e c t i o n i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录川 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 乳腺疾病预防和检测方法2 1 2 1 乳腺钼靶x 线照相( m a m m o g r a p h y ) 2 1 2 2 乳腺超声2 1 2 3 乳腺核磁共振( m ri ) 2 1 3 论文的组织3 第二章乳腺电阻抗扫描原理5 2 1 生物电阻抗技术概况5 2 1 1 电阻抗断层成像技术( e it ) 5 2 1 2 电阻抗扫描成像技术( e i s ) 6 2 1 3 磁感应成像技术( m i t ) 6 2 2 电阻抗技术理论基础7 2 2 1 频散理论7 2 2 2f ric k m o rs e 模型8 2 2 3c p e 元件和c o i e 模型l o 2 3 乳腺电阻抗扫描原理1 0 2 3 1 乳腺组织电流场扰动原理l o 2 3 2 乳腺组织的电特性1 l 2 3 3 乳腺电阻抗扫描过程1 2 2 4e i s 信号成分分析1 2 2 5 本章小结1 3 第三章基于支持向量机的病例分类实验1 4 3 1 弓i 言j 14 3 2 支持向量机原理1 4 3 2 1 样本线性可分1 5 3 2 2 样本线性不可分1 6 3 2 3 交叉验证思想1 7 3 2 4 l ib s v m 2 8 工具箱1 7 i i i 目录 3 3 实验过程及结果分析1 8 3 3 1 实验数据l8 3 3 2 实验过程1 9 3 3 3 实验结果及讨论一：2 0 3 4 本章小结2 2 第四章基于二阶统计量的实验一2 3 4 1 引言2 3 4 2 独立成分分析理论2 3 4 2 1ic a 统计独立的度量。2 3 4 2 2lc a 数学模型2 4 4 2 3 基于二阶统计量的方法2 5 4 3 实验过程及结果分析2 7 4 3 1 实验数据2 7 4 3 2 实验过程2 9 4 3 3 实验结果及讨论2 9 4 4 本章小结3 2 第五章多频分时扫描的eis 系统及校正实验3 4 5 1 e i s 硬件系统一3 4 5 1 1 系统激励源单元3 5 5 1 2 数据采集单元3 5 5 1 3 主控单元3 6 5 1 4 测量电极阵列( 简称手柄) 3 7 5 2e i s 测试软件3 7 5 3 电极一致性研究3 9 5 4 系统校正研究4 0 5 。4 1 纯电阻试验4 0 5 4 2 无耦合剂的阻容模型实验4 2 5 4 3 有耦合剂的阻容模型实验4 3 5 4 4 涂耦合剂的实验模型4 3 5 5 本章小结4 5 第六章总结与展望4 6 致 射4 7 参考文献4 8 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 乳腺癌是危害女性健康的恶性肿瘤之一，全世界每年约有1 4 0 万妇女患乳腺癌，4 0 万妇女死于乳腺癌。我国的乳腺癌发病率近年来一直呈上升趋势。中国癌症研究基金会 2 0 0 8 年公布的一项调查数据显示，在上海、北京、广州等城市，乳腺癌已经成为最严重 的威胁女性健康的恶性肿瘤。在情况最严重的上海，发病率达到了6 0 1 1 0 万人；在北 京，乳腺癌的发病率也高达3 3 7 1 0 万人，年均增长速度甚至高出欧美国家l 2 个百分 点。中国女性乳腺癌发病率从2 0 2 5 岁开始增加，到4 5 5 0 岁达高峰，比西方女性足足 提前了1 0 岁l 。 乳腺癌的发展过程大致分为几个阶段：隐匿阶段，这个阶段细胞历经癌变、原位癌 后发展到早期浸润癌阶段；早期浸润癌阶段癌细胞开始突破乳腺导管上皮基膜，向间质 浸润；浸润癌阶段，癌细胞向乳腺间质广泛浸润，肿瘤直径从l c m 增大至5 c m 以上；晚 期乳腺癌是较为严重的阶段，多数病人在该阶段出现不同程度的转移。 由此可见，乳腺癌一旦出现浸润，其发展速度呈增快的趋势，因此乳腺癌的早期诊 断和治疗是非常重要的。 目前的乳腺癌诊断方法有x 射线、乳腺超声、乳腺核磁共振等，但对于早期的微弱 病理信号仍无法检测；此外由于人为因素，比如主观性、判断原则的差异或受图像特征 的迷惑，误诊漏诊率很高；对于一些无法确诊的可疑区域，则需要对病人做进一步的乳 房活组织检查。总之，整个诊断过程复杂而具有伤害性。 乳腺电阻抗扫描技术恰好弥补了以上的不足，是一种具有良好前景的乳腺疾病普查 技术。 乳腺电阻抗扫描技术是利用生物电阻抗技术进行乳腺癌检测的诊断技术，它具有无 损伤，无辐射，经济安全，操作简便的优点，这恰好符合了乳腺疾病的早期普查工作的 要求，无创伤、非侵入、无辐射、可多次重复检测、成本低廉且不需要特殊的检查环境。 在国内，第四军医大学和东南大学影像科学与技术实验室，针对乳腺电阻抗扫描技术做 了大量的研究工作【2 】【3 】【11 】【2 7 】【3 6 】【5 0 l 。 表1 - 1e i s 技术与传统乳腺检测技术的比较 技术名称 成像特点创伤性仪器造价检查费用简便性临床应用 x 射线照相结构成像细胞损害较高较高复杂有 核磁共振结构及功能不明显昂贵高复杂有 超声结构及功能不明显较高较高较复杂 有 e i s 功能成像不明显较低低简单实验阶段 东两大学坝士学位论文 不同于x 射线、乳腺超声、乳腺核磁共振，乳腺电阻抗扫描的成像原理是功能性成 像。表卜1 为e i s 技术与传统乳腺检测技术的简单比较。 在肿瘤病变早期，往往包块较小，不易被常规解剖学成像方式检测到，但肿瘤早期 病变就已经引发了内部及其周围组织细胞结构、血供、组织成分、体液成分等功能性改 变，这些改变引起了组织电导率的变化。乳腺电阻抗扫描成像技术正是基于这样的生理 原理，通过检测电阻抗的差异来判断组织是否发生了病变。 1 2 乳腺疾病预防和检测方法 在乳腺癌诊疗中影像检测技术发挥着非常重要的作用，这些技术主要包括乳腺钼靶 x 线照相，乳腺超声，乳腺核磁共振等。 1 2 1 乳腺钼靶x 线照相( m a m m o g r a p h y ) 乳腺钼靶x 线照相技术是一种通过分析x 线照片中的肿块影和钙化点等来判断病症 的乳腺检查技术，它的最大的优势是可以发现乳腺癌常见的象征性肿块，特别是其他检 查方法不容易发现的钙化，而钙化是乳腺癌早期的重要特征。 但是一般临床检查中钙化点非常小，尺寸通常在0 1 1 o m m 之间，由于它们尺寸的 限制，相对于周围组织的识别率较低，特别是对于小于0 1 m m 的钙化点，无法从高频噪 声中区分出来1 4 j ，而且某些良性病变组织和恶性病变组织具有相似的形态，这些都降低 了乳腺钼靶x 线照相技术探测乳腺癌的能力。临床实践中，由乳腺x 线照相技术诊断为 阳性的乳腺病变，在病理学检查结果为非恶性的占检测总数的8 0 以上【5 】【6 】【7 】。 除了乳腺x 线照相技术检查的特异性较低，其设备昂贵，检查成本高，有放射性污 染。x 射线对乳腺的危害性不但与剂量有关，更与被照射的乳腺是否对放射线敏感有关。 未生育的年轻妇女，尤其是月经初潮前后的青春期女性，以及怀孕女性，其乳腺对放射 性有较高的敏感性。这些缺陷限制了乳腺x 线照相技术在乳腺普查中的应用。 1 2 2 乳腺超声 乳腺超声是最为常见的辅助性检测手段，尤其对于有高密度乳房组织的年轻妇女。 乳腺超声通过频谱，分析乳腺肿块内部及其周围的血管数目、分布情况、血流速度等， 进而判断乳腺肿块是否为良性。但是乳腺超声对乳腺癌的敏感度较低，不能发现微小钙 化，难以检测小的肿瘤。 由于乳腺超声自身的限制【8 】，它的主要用途还是区分乳腺肿块是否有囊，提供致密 乳腺的诊断信息，引导乳腺活检【9 】【1 0 1 。 1 2 3 乳腺核磁共振( m r i ) 乳腺的核磁共振成像作为一种获得人体空间信息和代谢过程的技术，可以提供分子 水平的信息，能够显示功能和代谢过程的图像，发现人体生理化学的早期变化，它对软 2 第一章绪论 组织具有良好的分辨率，可以清晰显示致密型乳腺病变的形态，与钼靶平片、超声相比 能更好地显示肿瘤形态和血液动力学的特征，大大提高了乳腺癌的诊断率，可以作为乳 腺癌辅助诊断工具。 但是乳腺m 对检查过程复杂，检查时间长，费用极其昂贵，受临床环境的限制，难 以推广为乳腺普查技术。 1 3 论文的组织 与乳腺钼靶x 线照相技术、乳腺超声和乳腺核磁共振技术相比，乳腺电阻抗扫描技 术具有无可替代的优势，它能对早期病变区域进行功能性成像和识别，无辐射，操作简 单，检查费用低，具有广泛的应用前景。但是目前，乳腺电阻抗扫描技术在应用中还存 在诸多问题，包括皮肤阻抗和接触阻抗的存在，测量电极与皮肤接触不良，空气泡的存 在等，致使乳腺电阻抗扫描技术的误诊率较高，阻碍了在临床上的推广。 乳腺电阻抗扫描的研究有着深远的意义和良好的前景，但是研究道路任重道远。 目前上海英迈吉东影图像设备有限公司与东南大学电子系和本实验室合作研发了 两个版本的e i s 系统：一是采用混频激励的方式，混频的十个频率点为1 9 5 3 h z ， 1 5 6 2 4 8 h z ，4 1 0 1 5 1 h z ，6 0 5 4 6 1 h z ，8 0 0 7 7 1 h z ，9 9 6 0 8 1 h z ，1 2 1 0 9 2 2 h z ，1 6 0 1 5 4 2 h z ， 1 7 9 6 8 5 2 h z ，1 9 9 2 1 6 2 2 0 h z ，八个测量通道并行采集；二是采用多频分时扫描的激励方 式，激励频率有十个：2 0 0 h z ，1 k h z ，5 k h z ，1 0 k h z ，2 0 k h z ，5 0 k h z ，1 0 0 k h z ，2 0 0 k h z ， 5 0 0 k h z 和1m h z ，工作方式有单频和扫频方式。 本文对乳腺电阻抗扫描技术进行了研究：对混频版的e i s 系统3 】【1 1 1 的临床病例数据 进行特征提取，基于支持向量机进行病例的分类识别；应用基于二阶统计量的方法，研 究正常乳腺组织与恶性肿瘤组织的特征差异，寻找乳腺组织识别的统计学方法。另外， 论文还对多频分时扫描版的e i s 系统中6 4 个电极的一致性进行研究，模拟人体阻抗环 境进行系统校正，并对耦合剂的影响进行了研究。 各章节的具体内容如下： 第二章详细介绍了生物电阻抗技术的发展，以及乳腺电阻抗扫描技术的基本原理， 包括频散理论，人体阻抗模型一c o l e 模型，乳腺组织的电特性等。最后分析了e i s 信号 的主要成分，将其归纳为四个信号来源。 第三章阐述了支持向量机的原理和基本概念，并介绍了实验平台- - i 具箱 l i b s v m 2 8 。本章最后利用9 0 个正常病例和7 0 个癌变病例，进行了基于支持向量机的 病例分类实验。 第四章介绍了独立成分分析的基本原则和方法，并着重介绍了基于二阶统计量的 算法，利用该算法进行了信号源估计实验，实验结果说明了不同组织状况下的病例源信 号的特征是不同的。 东南人学硕士学位论文 。1 。- - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ - 一 第五章介绍了多频分时版的e i s 硬件系统的主要组成模块。根据硬件的通讯方式 实现串口通讯和数据采集，完r a * l 腺电阻抗扫描样机的测试软件。基于多频分时版的e i s 样机，使用三元组模拟人体阻抗环境，进行耦合剂试验，对系统进行校正研究，并对耦 合剂的影响进行了讨论。 第六章本章主要是对所做工作进行了总结，指出了在未来的研究工作中尚需解决 的问题和本课题的发展前景。 4 第二章乳腺电阻抗扫描原理 第二章乳腺电阻抗扫描原理 2 1 生物电阻抗技术概况 2 1 1 电阻抗断层成像技术( e i t ) 1 9 7 6 年s w a n s o n 教授率先提出了电阻抗断层成像技术( 以下简称e i t ) ，在生物医学 界引起了极大的关注，该技术是一种无创伤的，能够反映生物体内部结构及组织器官功 能的新颖医学影像技术。它根据生物各组织电特性参数( 如电阻率、电容率) 的不同，通 过配置于生物体体表的一组列电极施加一定频率的低幅值交变电流或者电压激励，并通 过扫描阵列电极得到一组电压或者电流数据，提取与人体生理、病理状态相关的组织或 器官的电特性信息，给出结构及功能性结果【l2 1 。 在e i t 技术的研究中，根据成像目标的不同，主要可以分为两种【1 3 l ：一种是以电阻 抗分布的绝对值为成像目标，称为静态e i t ，该技术需要克服的问题是计算量大，抗噪 声性能较差，图像对比度差，分辨率低；另一种是以电阻抗分布的变化值为成像目标， 使用测量数据的差值成像，被称为动态e i t ，由于测量数据中的系统噪声可以在相减时 得到消除，因此它的图像重建算法对数据采集系统的要求不是太高，实现相对容易，计 算量较小。 根据激励频率的不同，可将e i t 分为单频e i t 和多频e i t 。单频e i t 只采用单一频 率的激励源激励成像目标，而多频e i t 采用多个激励频率( 1 0 k h z 一1 m h z ) 激励成像 目标，多频下可以充分提取目标组织的阻抗频率特性，进而得到组织的特征参数图像， 为进一步识别组织建立了基础。 电阻抗断层成像作为一种有广泛应用前景的新型成像技术【l4 1 ，一直是国内外电阻抗 领域研究的热点，据不完全统计，目前美英俄德法等十三个研究小组在进行e i t 技术的 研究工作，国内重庆大学，第四军医大学、中科院生物医学工程研究所等单位都设有电 阻抗研究小组。 近年来，e i t 技术也开始用于研究乳腺疾病。 o s t e r m a n ”j 等人在2 0 0 0 年使用多频e i t 对1 3 名志愿者进行了乳腺在体检查。使用 的电阻抗断层成像设备的激励源为正弦交流信号，频率范围在1 0 k h z i m h z 之间，1 6 个测量电极呈放射状分布。由测量得到的图像发现，除了充满液体的包囊，介电常数图 像比电导率图像的信息量更丰富。正常测量者的电导率分布基本均匀，而有肿瘤或囊肿 等病变的测量者，其病变所在区域的电导率则表现出高亮度。该系统使用静态算法重构 e i t 图像，抗噪能力较差，图像对比度低，限制了在临床实践中的应用。 c h e r e p e n i n 等在2 0 0 1 年采用三维e i t 系统对二十多名乳腺肿瘤患者进行了检测。 该实验所用测量电极数为2 5 6 个，以1 6 1 6 的阵列分布在1 2 c m 1 2 c m 的平面上，由于 东南大学硕士学位论文 电极阵列本身的面积比乳房组织还大，难以保证所有电极都与皮肤良好接触，在电极阵 列外围有图像伪迹出现。另外，该实验选择的二十多名病人的病变组织尺寸范围在1 5 5 o c m ，这属于乳腺组织病变中尺寸较大的，而对于初期病变尺寸在1 0 , - 一1 5 c m 的病患 未有涉及。 2 1 2 电阻抗扫描成像技术( e i s ) 电阻抗扫描成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n g ，以下简称e i s ) ，是一种新型 的生物电阻抗测量方法。s c h o l z t l 6 】等和a s s e n h e i m e r 等分别在2 0 0 0 年和2 0 0 1 1 7 1 年对电 阻抗扫描成像技术的基本原理进行了阐述。 人体不同组织具有不同的电导率，实验证明，人体各组织的电导率随着健康状况的 变化而变化，一些生理和病理的变化会引起电导率的变化。正常的乳腺组织具有比较均 匀的电导率，而癌病变组织与周围正常组织相比电导率较高【1 6 】【17 1 。 当有电流流经乳房组织时，癌变区域将吸引较多的电流，使得穿过其中的电流密度 增大，电流穿出癌变组织后，随着距离的延长，电流密度恢复均匀状态。通过测量电极 阵列在皮肤组织表面探测，得到病变区域的非均匀电流分布，进而确知相关的病变信息。 病变的可探测性与病变区域的皮肤表面状况、深度、大小及其与周围组织的电导率的比 值有关。 e i s 用于乳腺癌检测的研究仍然处于探索阶段，国内外许多实验室对此做了大量的 研究工作。 2 0 0 0 年s c h o l z 和a n d e r s o n 【1 8 】使用简化的e i s 数学模型进行了仿真数值计算，结果 说明癌变区域的电特性的确不同于正常组织，这些区域可以产生可探测的信号。此外他 们还指出e i s 测量中最关键的问题是降低假阳性率和去除图像伪迹等问题，这主要依赖 于多频数据的使用。 2 0 0 1 年m i c h e la s s e n h e i m e r t l 9 】等把乳腺e i s 检测近似为求解一个平行电场内复电导 率扰动引起的电场扭曲。他们提出了两种模型：一种是用无限深度的偶极子模型表示均 匀电介质中的电导率扰动；另一种是有限深度的偶极子模型。此外还提出使用三元组模 型来消弱皮肤阻抗的影响。 2 0 0 6 年l e i g ncw a r d 2 0 】提出了多频情况下c o l e 模型参数的确定方法。文章根据c o l e 模型，将四个离散的频率下测得的数据，使用迭代方式进行非线性拟合，来估计频率为 零和频率无限大时的阻抗值。 。 2 1 3 磁感应成像技术( t ) 磁感应成像( m a g n e t i ci n d u c t i o nt o m o g r a p h y ，以下简称m i t ) 属于非接触式成像， 它的激励和测量都不与人体接触。它的基本原理是磁场中存在的容积导体内某一区域的 电导率扰动会引起该区域涡流的改变，从而可以在导体外部感应出磁场的变化，根据该 6 第二章乳腺电阻抗扫描原理 变化就可以重建目标导体内部的电导率变化的分布。 m i t 的最大优势是非接触，它不需要在皮肤表面设置电极来进行测量，因此就不会 受到电极一皮肤接触阻抗的困扰，有利于提高信噪比和测量精度。目前m i t 研究中存在 的主要问题是对弱磁场的检测精度不高，重构算法尚不成熟，尚未有成熟应用于乳腺癌 检测的案例和产品披露。 2 2 电阻抗技术理论基础 2 2 1 频散理论 细胞膜是生命存在的先决条件，通过膜的渗透性，细胞可以控制细胞内部。此外， 细胞膜还是发生基础生命过程的场所。1 9 世纪末，b e r n s t e i n 提出了“细胞膜理论， 认为细胞膜是使生物组织阻抗随频率变化的主要原因。如图2 - 1 说明了细胞膜在频率变 化的情况下的工作机制。细胞膜在低频可以看作为绝缘体，当输入低频电流时，电流必 须绕过细胞，只流经细胞外液；当输入高频电流时，细胞膜的阻直流一通交流的电容特 性允许电流通过细胞膜进入细胞，这样就大大增加了细胞载流的能力【2 1 1 。 ll h 删， li 蛐h 呷m 噼 图2 - 1 电流穿过生物组织示意图 松弛的主要特征就是时间依赖性，这个概念被m a x w e l l 首次用于说明气体的弹力， 后来d e b y e 使用“松弛 来说明偶极性分子定位的时间。1 9 5 7 年s c h w a n 将电介质松弛 机制分为三类，每一类都与细胞膜、细胞器、动电势等相关联，并将其命名为q 、p 、，y 频散域1 2 2 1 【2 3 1 。根据松弛原理，频散是频率依赖性，是频域的松弛现象。s c h w a n 指出肌 肉组织介电常数的降低与这三个频散域相关，对应频率分别为1 0 0 h z ，1 m h z 和1 0 g h z 。 图2 2 说明了生物材料的介电常数是随着频率的增加而渐渐消失的。图中给出了仅、 p 、7 频散域的分布范围，其中横轴代表了频率，纵坐标分别表示生物组织的介电常数 和电导系数仃。 由图观察发现，q 散射频率主要发生在音频频段( 1 0 h z 1 0 k h z ) ，主要机制包括膜 表面的反离子效应，活细胞膜效应和门控路通道，细胞内结构，离子渗透等。p 频散主 要发生在射频频段( 1 0 k h z 1 0 m h z ) ，主要由膜电阻的容性短路和蛋白质大分子的旋转 松弛所引起的。 7 东南大学硕士学位论文 1 0 1 0 5 1 0 2 o 。 ( l s 妇町 图2 - 2 频率散射示意图 在q 和散射域内，随着频率增加，膜电容的容抗减小，电流在低频时绕过细胞膜 只流经细胞外液，到高频时穿过细胞膜流经细胞内、外液，因此，表现为电导系数随频 率升高而增大，相反介电系数则随着频率升高而减小。 7 频散主要发生在微波频段，几十兆赫兹以上，由蛋白质和与蛋白质结合的水在电 场作用下分子的偶极转动所引起。由此可见，在音频频段和射频频段对生物组织介电特 性的研究可以同时反映出细胞内液和外液的特性。 2 2 2f r i o k - m o r s e 模型 1 9 0 7 年l a p i c q u e 对神经细胞膜进行建模，提出了三元模型，即电阻尺。和电容c 。并 联后，再与电阻r ；串联构成。 1 9 2 1 年p h i l i p p s o n 对几内亚猪的肌肉、肝脏组织和血红细胞在3 h z 5 0 0 h z 频率范围内 进行电阻抗测量时，发现在测量生物组织电阻抗时，组织低频电阻较大而高频组织电阻 抗较小。同时发现测量时组织电阻抗在随频率的增大而减小的过程中，高频电阻和低频 电阻都被限制在某个范围内。 1 9 2 5 年，f r i c k 和m o r s e l 2 4 j 测量血细胞电阻抗时发现，生物组织由细胞和细胞间质组 成，其电阻抗模型的示意图如图2 3 所示。细胞的细胞膜是具有低漏特性的绝缘膜，表 现为阻容性，分别用r 。和c 。表示；细胞间质由具有电解液特性的组织液和悬浮的大分 子化合物构成，表现为电阻特性，用尼表示。细胞质与细胞间质类似，用r ，表示。由 8 第二章乳腺电阻抗扫描原理 此得到等效电路，如图2 4 ，这就是f r i c k m o r s e 模型，又称为三元并联r r c 模型。 医j 2 - 3 生物组织电阻抗模型示意图 f r i c k m o r s e 三元组模型的电阻抗形式定义为： z = r 。+ i r 了。瓦- r c 。 ( 2 1 ) 其中，r o = r e ，为直流时组织的阻抗值； r o o = 瓦r 而e r i ，为理论极限频率下的电阻抗值； 亿= ( r e + r i ) ，为时间常数。 r e 图2 - 4f ri c k - m o r s e 模型示意图 由此电阻抗方程可知r c 三元组生物电阻抗模型在复平面上的轨迹是第四象限的一 个半圆，圆心在实轴上，如图2 - 5 所示。 n 、- 一 基 一 l ，一、口 。、vl 。 一 ， 。，l 图2 - 5r c 三元件生物电阻抗模型在复平面上的轨迹 9 东南大学硕士学位论文 2 2 3c p e 元件和c ole 模型 f r i c k m o r s e 模型是一个纯频率依赖性的电容模型，虽然能够对细胞电阻抗变化做出 合理的解释，但是并不与生物材料的特性完全一致，而是会表现出一定的松弛时间的分 布特性。 1 9 2 8 年k e n n e t hsc o l e 引入了恒相位元( c o n s t a n tp h a s ee l e m e n t ，c p e ) ，提出了 复阻抗分析方法。c p e 是一种理想的电子器件，并不是实际存在的元件，它的特性介于 纯电阻和纯电容之间，能很好的拟合生物组织电阻抗随频率变化的特点。它是一个频率 相关的器件，但相位与频率无关，其模型如下： z = k 一1 ( 歹) 一a ( 2 2 ) c p e 相角妒恒等：j ：t r ( 1 2 。其中，口为介于o l 之间的常数。 k e n n e t hsc o l e 在1 9 4 0 年对细胞电阻抗模型进行了改进，最终形成了现在的c o l e 电阻抗模型。 c o l e 阻抗模型： z = 冗+ r 干_ ( a 丽r ，a r = r o 一冗 ( 2 3 ) 其中凡是直流电阻，疋是理论极限频率下的电阻，f ：是阻抗形式的系统特征时间常量， 它和特征频率q = 1 v ：呈倒数关系，( r ：) 。是一个c p e 元件，口为介于0 - 1 之间的无 量纲常数。由c o l e 阻抗模型方程可以推导出模型在复阻抗坐标系中的分布，是一个圆 心位于横轴的第四象限的半圆。 文献 2 5 在四个频率下( 1 2 5 k h z 、2 5 0 k h z 、5 0 0 k h z 和1 m h z ) ，对乳腺组织c o l e 模型 的特征参数进行了研究，实验中使用了1 2 0 例数据，包括正常组织数据和病变组织数据， 其中正常组织分为乳腺组织、结缔组织和脂肪组织三类；病变组织分为乳腺病、纤维性 瘤和乳腺癌三类，其中前两类为良性肿瘤，最后一类为恶性肿瘤。实验结果提出，c o l e 模型参数能够有效的区分乳腺癌与其他正常或良性组织，但是任何单独一个参数都不足 以完成分类的目的，需要几个参数的信息配合实现。基于这样的研究结果，本文的后续 实验考虑使用c o l e 模型多参数的统计信息进行病例的分类。 2 3 乳腺电阻抗扫描原理 2 3 1 乳腺组织电流场扰动原理 两个平行的导电面a 和b 之间充满了阻抗均匀的介质，如图2 - 6 所示。如果导电面a 电 势为y ，b 的电势为零时，a 和b 之间将产生均匀电场，导电面b 上分布了均匀的电流密度 局。类比至i j e i s 检测过程，可以将胸肌设为导电面a ，其上电势为矿；测量电极阵列虚地， 电势为零，设为导电面b ；a 与b 之间的均匀介质即为乳腺组织。 l o 第二苹乳脲电阻抗扫描原理 当乳腺组织中某一区域的发生癌变，则这一区域的电导率由均匀分布o ( x ，y ) = 6 r 0 变 为盯( z ，y ) = o 1 时，电流场将发生扰动，原来测量电极阵列上均匀分布的电流密度，会在 阻抗扰动区域的垂直投影位置也相应的产生一个扰动。因为癌变组织的电导率比正常组 织高，这里假设癌变区域盯1 0 0 ，电流密度将在而的基础上形成一个峰值为。的扰动。 根据测量电极阵列上均匀电流分布的扰动，来判断乳腺组织中阻抗分布的变化情况。 j 11i!i 黔俐 ib i m n ， i n ( a )( b ) 图2 - 6 阻抗发生变化时均匀电场产生的扰动示意图 2 3 2 乳腺组织的电特性 1 9 9 6 年g a b r i e l 等人的研究发现，频率范围在1 k h z 到i o m h z 之间特征阻抗的存 在；1 9 9 6 年j o s s i e n t 报告了正常乳腺组织和癌变组织之间的具有明显的差异性；2 0 0 0 年o s t e r m a n 等人的临床试验说明了电阻抗方法能够检测到癌变组织的存在。 2 0 0 0 年s c h o l z 和a n d e r s o n 2 6 j 在4 8 8 h z 至1 m h z 频率范围内选择了1 2 个频率，他 们使用测