用于乳腺普查的电阻抗扫描系统的硬件设计

　　1　引　　言

　　乳腺癌是妇女常见的一种恶性肿瘤,严重威胁妇女的健康,早期诊断和治疗是一种有效的方法[1]。目前常用的乳腺癌诊断设备(X-ray、Ultrasound、MRI等)主要有以下不足:1)对早期肿瘤不易区别良恶性;2)对于致密型乳腺检查准确率不高;3)设备昂贵。这些缺点限制了现有乳腺诊断设备作为乳癌早期普查工具的应用[2]。1926年, Frick和More测量了离体乳腺组织的阻抗特性,表明乳腺恶性肿瘤组织和正常组织的阻抗特性有显著差异。随之多个实验小组通过研究表明乳腺癌组织和正常组织间的电阻抗特性存在显著性差异,因此采用电阻抗方法进行乳腺成像成为一个研究的热点,其检查不受致密乳腺的影响,可用于年轻妇女及早期恶性肿瘤进行识别[3-5]。

　　乳腺阻抗检测方法从检测形式上可以分为环形电极检测方式和平板式阵列电极检测方式。采用环型电极的小组有Dartmouth小组,该研究小组构建了32通道多频2-D乳腺断层成像系统;Wtorek等人建立了3-D乳腺断层成像系统,检测电极环型多层分布形成一个半球形检测面。使用阵列式电极的典型代表是TSCAN小组,采用8×8或16×16检测电极进行乳腺组织阻抗成像。该方法已获1999年美国FDA认证;俄罗斯CherepeninV等人(Grou Pfrom Russian academy of Sciences),将16×16个检测电极单元组成在一个直径为12 cm的阵列进行3-D乳腺组织阻抗成像。美国的RensselaerPolytechnic Insti-tute (RPI)小组对4×4和5×5的电极阵列进行了数学仿真和盐水槽实验研究。巴西研究小组也于2001年构建了8×8电极的物理模型实验并进行相关研究[5-6]。但针对不同的应用方向,各研究小组的硬件检测系统在激励-测量模式、电极阵列设计、成像方式上各有不同。但目前可用于临床乳腺普查的系统还未实现,本研究所要实现的硬件系统立足于可应用于临床乳腺早期普查。因此要求乳腺阻抗检测设备应操作简单方便,检查时间短,当然廉价的设备更适合于社区医疗。考虑到环形检测电极应用乳腺癌早期普查时电极放置具有操作不方便、费时的特点,本课题组使用平板式电极阵列检测方法进行了乳腺阻抗扫描(electrical mi pedance scanning, EIS)成像硬件设备的设计研究。本文主要从以下几个方面进行了硬件设计分析: 1)激励测量模式的选择; 2)病人接口设计;3)信号检测电路。并提出了一个实用的、低成本、满足临床乳腺普查需要的硬件系统设计方案。基于此方案,本研究实现了一个乳腺阻抗扫描硬件系统。最后采用定标电阻网络、物理模型对其性能进行评价,结果表明,系统检测精度高,可用于临床实验研究。

　　2　系统设计

　　2.1　激励测量模式

　　电流和电压激励是电阻抗成像系统常采用的两种驱动方法[7]。研究表明,优化电流源激励方式是最佳的激励模式,目前RPI研究小组就采用这种方式。虽然理论分析这种测量方式可以得到最高的识别能力(distin-guishability),但要求每一个电极都有独立的激励源。如果用于平板阵列式电极进行阻抗测量则需要较多的激励源(若64电极则需要64个激励源),这样的系统成本高、结构复杂,很容易造成通道间不能良好匹配。研究表明,使用单激励源模式(电压激励或电流激励)对于平板阵列式电极检测的识别能力差异不大[8]。俄罗斯小组采用单电流源激励的模式,TSCAN和巴西的小组采用单电压源激励模式。考虑到电压源较电流源结构简单,成本低,在硬件系统中采用单电压源驱动模式。