專利名稱：多深度層電阻抗斷層成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學信號檢測領域，主要用于生物電阻抗斷層檢測。
背景技術：
醫學電阻抗技術是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規律 提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術。它通常是借 助置于體表的電極系統向檢測對象注入微小的交流測量電流或電壓幅值， 檢測相應的電阻抗及其變化情況，然后根據不同的應用目的，獲取相關的 生理和病理信息。具有無創、無害，廉價、安全、操作簡單和功能信息豐 富等特點，醫生和病人易于接受。
從細胞學角度來說，人體的基本構造單位是細胞。人體內所有的生 理功能和生化反應，都是在細胞及其產物的物質基礎上進行的。細胞被--層薄膜所包被，這是一種具有特殊結構和功能的半透性膜，稱作細胞膜或 質膜。它允許某些物質有選擇地通過，但又能嚴格地保持細胞內物質成分 的穩定。它把細胞內容物和細胞的周圍環境分隔開來，又使細胞通過細胞 膜與周圍環境進行有選擇的物質交換而維持生命活動。細胞膜不但是細胞 和環境之間的屏障，也是細胞接受外界或其它細胞影響的門戶。細胞環境 中的各種物理性刺激，體內產生的激素和遞質等化學性刺激物，以及進入 人體內的某些藥物等，很多都是首先作用于細胞膜，然后再影響細胞內的 各種生理過程。細胞膜還和機體的免疫功能和細胞的分裂、分化以及癌變 等生理和病理過程有密切的關系。
正常組織在發生病變，向腫瘤組織發展的過程中，首先將在分子水 平和細胞層次上發生一系列的變化，從而引發與此相聯系的電特性(阻抗)變化。腫瘤的本質是細胞的間變，又稱"退行發育"，指的是幼稚細胞在 成長、發育、分化途中誤人歧途，發生質變，導致形態、功能、代謝、免 疫、行為的分化不良，成為有特殊表現的腫瘤細胞。腫瘤性增生表現為分 化異常，包括細胞形態、功能、代謝、免疫行為等多個方面，如腫瘤細胞 大小、形狀、排列上的多形性，核質比例增大、染色質濃集、核分裂象質 與量的異常，原有功能的缺失、異常功能(運動、失接觸抑制、異位激素 分泌)的顯現，特殊代謝表現(細胞膜離子變化、合成代謝亢進、有氧糖
酵解導致大量乳酸形成、酶系變化等)，兔疫變化(胚胎性抗原AFP、 CEA 的產生、某些相對特異抗原的形成)，以及行為的改變(侵襲、浸潤、轉移) 等。伴隨著上述腫瘤細胞異形性變化和腫瘤組織結構的異形性變化，組織 阻抗特性也必然要同步地發生相應的改變。當組織形成腫瘤或發生癌變 時，可釋放一種血管因子，刺激腫瘤產生大量滋養血管，且多分布在腫瘤 進展的邊緣或從腫瘤外周插入腫瘤內。因而腫瘤及其邊界組織新生血管豐 富，血流速度加快，血液供應增加，由此發生的組織阻抗變化十分明顯。 因此生物組織阻抗攜帶著豐富的生理、病理信息。采用相應的技術或方法 生成人體各組織的阻抗分布圖像，并通過圖像處理，分析和研究生理、病 理狀況，在醫學臨床和研究領域都具有很高的實用價值。采用醫學電阻抗 技術可以從細胞層次上提取與組織和器官的功能變化相聯系的電特性信 息，從而檢測到組織與器官在尚未出現結構性改變之前，在細胞水平開始 發生的生理與病理事件，給出疾病的早期預報或前瞻性信息。
生物電阻抗技術中重要的引用領域是生物電阻抗斷層成像技術，能給 出人體組織與器官的斷層圖像，可以檢測到組織與器官在尚未出現結構性 改變之前(如腫瘤潛伏期)而實際上卻已經發生的組織特性或功能性變化，提供反映分子與細胞生物學變化的預報性或前瞻性信息。
生物電阻抗斷層成像技術基本的測量方式是基于環形電極排列方式的。 如附圖1所示。
具體來說，對于一個測量域，通過在測量域四周安放多個電極，依次選 定激勵電極并注入交流電流，在產生電流場的同時，測量其他非激勵電極 的檢測電極之間相對電壓幅值。由注入的交流電流和測量的電流電壓幅值 數據，以及一些附加信息，例如電極位置信息、橫截面剖分情況等，可以 重構電極陣列所在橫截面內物體的電導率(或電阻率)的分布，然后用圖像 表示出來，從而得到電阻抗斷層圖像。
但是，對于實際檢測來說，很多的腫瘤病灶位置是在表皮以下的，使用 傳統環形電極排列方式的生物電阻抗斷層成像技術來說有很多的弊端。其 主要的局限性在于
第一，該方式用途局限于人體的腦，胸腹、肢體等可近似為一個具有 一定電阻抗分布的圓柱型部位，每次只能對電極排列平面所在斷層的邊緣 進行電場分布的測量，無法得到人體皮下平行與皮膚表面的斷層信息。
第二，該方式存在檢測盲區，檢測的大致有效區域如附圖2所示。產 生這樣現象的原因可以概括為首先，檢測的環形平面內，與電極相對較
近的區域由于受激勵電流的干擾，往往不能得到理想的檢測效果。其次， 與電極相對很遠的中心區域往往只有微量電流通過，難以得到中心區域的 阻抗的信息。
第三，由于電極呈環形排列，其數量和分布上有很大的局限，獲得的 信息量較小，圖像效果不甚理想。
為了解決上述電阻抗斷層成像電極系統存在的技術局限性，設想多深度層電阻抗斷層成像系統。

發明內容
本發明的提出的多深度層電阻抗斷層成像系統，其檢測的原理和構造 與以往的基于環形電極排列方式的生物電阻抗斷層成像技術有著根本性的 差別。目的是解決腫瘤病灶發生在表皮以下時，采用基于環形電極排列方 式的生物電阻抗斷層成像技術的弊端。提高檢測的準確率。本發明使用多 深度層電阻抗斷層成像系統及其測量方法，通過大量不同電極上電壓幅值 的測量，可得到人體皮下平行與皮膚表面的多個不同深度層的斷層信息。
將大量柱狀電極安裝在電極盤的一側并垂直于電極盤成二維分布，電
極陣列按拓撲排列，電極盤外形為一平面盤，其分布示意圖如附圖3所示， 側面圖如附圖4所示。
如附圖5所示，測量時，電極盤壓在人體皮膚上，使其與人體皮膚充 分接觸，保證電極盤上的所有電極都與人體皮膚緊密接觸。在數據釆集系 統控制下將激勵電壓加載到電極陣列的某一個電極上，該電極即為激勵電 流的注入端，則這個電極在該時刻為激勵電極。在人體遠端(如人體四肢) 安置一電極，使得由激勵電極進入人體的電流大部分通過該電極流出人體。 那么整體電流路徑如附圖5。
電流流經的人體組織是存在阻抗的，所以，在電流路徑(電流線)上， 各點的電壓幅值隨電流方向逐漸下降。由于人體組織的阻抗是連續的，所 以電壓幅值在數值上也是連續的，而非離散分布的，這樣，當激勵電流注 入人體后，電流線成發散狀，如附圖6。每條電流路徑上都可以找到某個 相等電壓幅值的點。如果將所有電流線上等于該電壓幅值的點都連接在一起，則可以找出一個等勢面。那么，如附圖7，通過選擇一系列不同的電 壓幅值，則可以找出一系列不同的等勢面。
如果人體組織的阻抗是均勻分布的，那么所有電流線在相等路徑上的 電壓幅值降是相等的。則等勢面與電極盤與皮膚的接觸面之間的交線是一 個標準圓形。也就是說離激勵電極距離相等的各個點上的電壓幅值是相等 的。這些點應該在同一個等勢面上。如果電極盤上的電極與人體皮膚充分 接觸，電極盤上的電極間距足夠緊密，則離激勵電極距離相等或相似的各 個電極上的電壓幅值是相等或相似的，該電壓幅值是指數據采集系統控制 下檢測某個非激勵電極與人體遠端安置的電極之間的電壓幅值差。也就是 說，如果人體組織是均勻的。則所檢測的離激勵電極距離相等或相似的各 個電極上的電壓幅值數值是相等或相似的。 一旦人體組織中存在某些功能 性變化所導致某個區域的人體組織與周圍組織之間的阻抗存在差異。那么 則所檢測的離激勵電極距離相等或者相似的各個電極上的電壓幅值數值是 有突變的。
在實際醫學檢測時候，通過大量不同電極上電壓幅值的測量，重構出 人體皮下的實際阻抗信息。如附圖8所示，首先要設置電極下的平行與電 極盤與皮膚的接觸面的多個斷層。每個斷層的深度是可以根據檢測需要預 先設定的，然后分別將各個斷層進行剖分，即將各個斷層剖分成若干個小 的區域。則檢測的目的就是得到所設定的各個斷層中的所有小的區域的相 對阻抗值，然后將這些數值用圖像表現出來，可得到人體皮下平行與皮膚 表面的多個不同深度層的斷層信息。
例如，為了得到圖中某一斷層剖分后的某一個小區域P區域的電阻抗 值，首先建立三維坐標系，接下來確定在某個電極作為激勵電極時，人體組織的阻抗是均勻分布條件下，該區域所在的等勢面S，以及該等勢面S與
電極盤與皮膚的接觸面(^0)的交線L(x，y，0)，以及在此條件下，交線 L(x，y，O)上的各個電極的電壓幅值。這些電壓幅值是通過計算得到的。原 理上，這些電壓幅值是相等的。讓后將該電壓幅值做線性插值到交線 L(x,y，O)，使其數值連續。
接下來，進行實際檢測，首先選定某個電極作為激勵電極，注入電壓， 通過數據采集系統得到上述交線L(x， y， O)上的各個電極的實際電壓幅值， 同樣將這些電壓幅值在交線L(x, y， 0)上做線性插值，得到L(x， y， 0)上所有 連續點的電壓幅值。接下來可以通過如下公式得到該小區域的未修正阻抗 值
去(r (/) — ￡(/))
其中M為靈敏度調節系數，R表示L(x，y，O)上的點與P區域的距離，由 于空間位置已經確定，所以很容易計算得出。p^Z/表示L(x，y，0)上對P區
域距離的第一型曲線積分。計算出在這個電極作為激勵電極條件下其
"^(五'(/)_￡(/))
P(x，y，z)值所占的權重。~~^-J/計算出在L(x，y，0)上每個點的實
/ ￡ (/)
際電壓幅值與均勻分布條件下的標準電壓幅值的相對比在;-作為加權條 件下L(x， y， O)上的第一型曲線積分。最終通過交線L(x, y， O)上做的線性插 值電壓幅值計算出P區域的未修正阻抗值。
至此，只是得到對于某個電極作為激勵電極時P區域的未修正電阻抗， 我們仍然要計算在其他各個電極作為激勵電極的情況下，該點的多個未修正電阻抗，然后將這些數值的修正項M^^J"^~~^-J/相加即可。公
<formula>formula see original document page 9</formula>式如下
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這樣，我就可以圖中某一斷層剖分后的某一個小區域P區域的修正電 阻抗值。依次往復，就可以得到各個小區域以至各個深度層的修正的阻抗 值。最后將這些數值用圖像表現出來?？傻玫饺梭w皮下平行與皮膚表面的 多個不同深度層的斷層信息。


圖l:基于環形電極排列方式的基本測量方式圖
圖中l是基于環形電極排列方式的電極；圖中2是基于環形電極 排列方式的測量域
圖2:基于環形電極排列方式的測量域內的有效區域圖
圖中3是基于環形電極排列方式的測量域內的某個目標；圖中4是: 基于環形電極排列方式的測量域內的有效區域 圖3:電極盤電極排列示意圖
圖中5是電極盤；圖中6是電極盤上的電極陣列 圖4:電極盤側面圖
圖中7是電極盤與皮膚接觸面；圖中8是電極盤下的人體組織圖中9是激勵電極；圖中10是電流路徑；圖中ll是恒壓源； 圖中12是人體遠端電極 圖6:電流線示意圖
圖7:等勢面示意圖
圖中13是均勻組織條件下等勢面；圖中14是均勻組織條件下等 勢面和電極盤與皮膚的接觸面之間的交線 圖8:檢測某一個小區域示意圖
圖中15是平行與電極盤與皮膚的接觸面的多個斷層；圖中16是 斷層的剖分；圖中17是斷層剖分后的某一個小區域；圖中18是交線
上的或者其附近的各個電極
圖9:系統框架流程圖 具體實施例
如附圖9所示，本發明的硬件系統包括電極陣列、數據采集系統、 信號處理系統、控制系統、PC機等幾大部分組成，其中，數據采集系統包 括激勵電極選擇模塊、電壓激勵模塊、數據檢測模塊，信號處理系統包括
濾波模塊、信號放大模塊、A/D轉換模塊。
在系統運行時，PC機首先要設置電極下的平行與電極盤與皮膚的接觸 面的多個斷層。每個斷層的深度是根據檢測需要預先設定。然后分別將各 個斷層進行剖分，即將各個斷層剖分成若干個小的區域。通過預先設定的 人體組織的阻抗是均勻分布條件下的人體阻抗值，計算出每個小區域在不 同激勵電極情況下的等勢面及其與電極盤與皮膚的接觸面之間的交線，計 算出每條交線上的電壓幅度值?？刂葡到y將通過數據采集系統對上述各條
交線上或者交線附近的每個電極上的電壓幅度值進行測量激勵電極選擇模塊用來選定某個電極在某個時刻作為激勵電極。然后通過電壓激勵模塊 對激勵電極給予電壓激勵，并且接通人體遠端電極，形成回路。然后由數 據檢測模塊檢測各條交線上或者交線附近的每個電極上的電壓幅度值。接 下來將檢測到的交流電壓信號交由信號處理系統，分別對交流電壓信號進
行濾波、放大、A/D轉換。然后這些數據經由控制系統輸入到PC機。有PC 機根據算法完成圖像的輸出。
權利要求
1. 一種多深度層電阻抗斷層成像系統，包括電極盤、數據采集系統、信號處理系統、控制系統、PC機等幾大部分組成，電極盤上安置大量電極陣列、通過數據采集系統選擇電極盤上某個電極作為激勵電極，同時完成其他各個電極上電壓幅值的測量，往復以上過程，通過對大量不同電極上電壓幅值的測量所得到的數據進行處理和計算，由PC機完成圖像的輸出。
2. 按照權利要求1中所述的通過大量不同電極上電壓幅值的測量，對人體皮下多個平行與皮膚表面的不同深度層的斷層進行檢測。
全文摘要
本發明的提出的多深度層電阻抗斷層成像系統，通過大量不同電極上電壓幅值的測量，對人體皮下多個平行與皮膚表面的不同深度層的斷層進行檢測。在實際醫學檢測時候，通過大量不同電極上電壓幅值的測量，重構出人體皮下的實際阻抗信息。首先要設置電極下的平行與電極盤與皮膚的接觸面的多個斷層。每個斷層的深度是可以根據檢測需要預先設定的，然后分別將各個斷層進行剖分，即將各個斷層剖分成若干個小的區域。則檢測的目的就是得到所設定的各個斷層中的所有小的區域的相對阻抗值，然后將這些數值用圖像表現出來，可得到人體皮下平行與皮膚表面的多個不同深度層的斷層信息。
文檔編號A61B5/053GK101480337SQ20081005216
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者任超世, 磊 汪, 洪 沙, 妍 王, 舒 趙, 軍 韋 申請人:中國醫學科學院生物醫學工程研究所