作者：季振宇，付峰，尤富生，史学涛，刘锐岗，董秀珍，王侃
【关键词】 电阻抗扫描
【Abstract】 AIM: To lay basis for the design of the measuring electrode， hardware and imaging algorithm used in EIS Breast Imaging System Electrical Impedance Scanning (EIS)， a new technique used in the diagnosis of breast cancer. METHODS: Based on the principle of EIS， we set up a workplace used in signal measurement and analyzed the amplitude and phase of the measuring signal from the human body. RESULTS: The results showed that the measuring electrode， skinelectrode， contacting impedance， and stimulating frequency all influenced the measured signal. CONCLUSION: We have ascertained the main influencing factors in EIS measurement and laid experimental basis for the design of EIS Breast Imaging System.
【Keywords】 electrical impedance scanning; signal measurement; electrode
【摘要】 目的： 电阻抗扫描（electrical impedance scanning， EIS）成像原理应用于妇女乳腺检查是一种新的诊断技术. 初步实验研究在于为后续EIS乳腺成像系统电极阵列、硬件系统、软件算法的设计提供依据. 方法: 基于EIS检测原理通过初步建立的信号检测平台，采集一些人体数据，并对信号的幅值、相位进行分析. 结果： 电极阵列、电极皮肤接触阻抗、激励频率均对检测信号有影响. 结论： 明确了影响EIS检测结果的因素，为EIS乳腺成像系统的设计打下了良好的基础.
【关键词】 电阻抗扫描；信号检测；电极
0引言
电阻抗扫描（electrical impedance scanning，EIS）成像是利用正方形电极阵列对感兴趣区体表电压或电流进行测量，在二维图像上再现被测区组织电阻和电容值的一种技术. 其理论基础是均匀电场中如含有电导率不同的其他电介质时电场的分布就会改变［1］. 健康的乳房中大量存在的脂肪组织，可以被认为电介质是均一的，癌变组织被认为比周围正常组织有着较高的电导率，因此在一个等效的乳腺组织电流场模型中，癌变组织可以被认为是一个低电阻或高电导的介质，那么它就会使乳腺组织电流场中的电流分布发生改变. 如果将测量电极阵列置于乳房表面就可以通过测量电极单元上的电流大小间接地反映电极下的组织特性［2］.
本研究通过EIS乳腺成像初步实验，明确了影响被测信号的因素，为将来电极阵列、硬件系统和软件算法的设计提供了依据.
1信号检测方法
测量时被测者手握激励电极（参考电极），将测量电极置于乳房表面. 如果测量电极阵列的电势为地电势，对激励电极施加一定的电压，那么电流通过人的手臂到达高电导率的胸肌组织，这样就可以将大面积的胸肌组织看作是一个等电势的平面，胸肌组织表面和测量电极就构成平行板电容器，它们之间会产生电场. 因为健康的乳房中存在大量的脂肪组织，所以可以理想认为所形成的电场是均匀的，如果乳房中存在癌变组织，该组织就会在均匀电场中产生扰动，具体表现为该部位对应的测量单元电极上的电流值增加［2］. 测量方法如Fig 1所示.
作为初步实验研究我们使用可调幅调频的信号源（泰克AFG320）作为激励源，激励电极上的电压信号由激励源输出，在测量过程中可以改变激励信号的频率和幅值，电压幅值设定小于2.5 V，确保被测者处在安全电压下. 频率设置为50 Hz~50 kHz范围内可调.
测量电极是由一些小单元电极组成的正方形电极阵列（Fig 2），通过测量每个单元电极上的电流，从而间接反映每个单元电极下对应组织的阻抗特性. 单元电极上的电流测量是通过电流电压转化电路（Fig 3）实现的，当测量一个单元电极上的电流时，其他单元电极均保持地电势.
通过对经电流电压转换电路所测到的电压信号值进行分析可以换算出相应测量单元电极上的电流值.
2影响被测信号性质的因素
EIS乳腺成像初步实验研究关键在于明确影响被测信号质量的因素，评估被测信号的幅值范围、频率特性，为后续的电极设计、硬件系统及软件算法的设计提供依据. 采用我们初步设计的信号检测方法，通过一系列的实验我们发现影响被测信号质量的因素主要有以下几个方面：
2.1电极阵列中单元电极位置对所测信号的影响我们使用的检测电极阵列是8*8电极阵列，阵列外围无接地环路，测量过程中分别选择几组具有代表性的测量单元（Fig 4），通过比较这些单元电极上所测得的电流信号分析阵列中单元电极位置对信号的影响.
比较电极单元分类为：中心区电极单元和四个边角处电极单元的比较（如选择A0，H0，A7，H7和D3，E3，D4，E4进行比较）；同一行（列）中心处电极单元和边缘处电极单元的比较（如选择A4，C4，E4，G4进行比较）. 相同条件下分别测量这些电极单元上电流幅值，多次测量过程中我们发现了如下的规律：即相同条件下处于边缘区单元电极上所测得的信号幅值要高于中心区单元电极上所测得的信号幅值. 通过分析我们认为出现这种现象的原因是平行电场的边缘效应的存在，所以在后续设计中有必要考虑这种因素对测量信号所造成的影响.
2.2测量电极阵列对所测信号的影响作为检测弱电信号的电极阵列，单元电极的面积、数目均会对所检测的信号有一定的影响. 实验中我们分别使用了单元电极数目为4*4，8*8且单元电极面积不同的电极阵列进行电流信号测量，其中各电极的尺寸标注如Fig 5所示. 利用我们设计的不同规格的电极进行实验，测量用电流电压转换电路使用的运算放大器为AD公司的OP27，取反馈电阻为10 kΩ，在激励电压幅值（峰峰值）为2 V，激励频率分别为100 Hz，500 Hz，1 kHz和2 kHz时，将测量电极阵列固定于同一被测试者的相同测量部位，在电极阵列中心区电极测得的电流信号幅值范围如Tab 1所示.
2.3电极皮肤接触阻抗对所测信号的影响当电极接触皮肤表面时就会引入接触阻抗，其阻抗特性可用一个阻容网络模型等效，接触阻抗的大小随着频率的增加而减小. 用8*8电极阵列（Fig 5A）进行测量，当激励频率在50～100 Hz范围时，单元电极上测得的电流幅值（峰峰）范围为2.0~4.2 μA. 随着激励频率的增加单元电极上测得的电流值逐渐增加，到20 kHz时电流幅值（峰峰）增大为36 μA左右. 利用其他规格电极阵列进行测量，所测得单元电极上的电流幅值随频率的变化规律相同.
同时，接触阻抗的大小还跟电极与皮肤接触的紧密程度有很大的关系. 测量中测量电极阵列与皮肤接触紧密程度不同（在电极阵列与皮肤完全接触的情况下）所测得的电流信号的幅值也不同，但电流信号的相移无明显差异. 由于电极阵列与皮肤接触的紧密程度无法定量地把握，因此我们只能从所测量电流幅值和相位趋势上定性地得出以上测量结论.
电极皮肤的接触阻抗对所检测电流信号有一定的影响，在低频时接触阻抗如果比较大则会淹没电极阵列下组织阻抗特性造成的差异. 因此在电极材料的选择上要考虑选择接触阻抗相对恒定的材料，同时在测量过程中要注意皮肤和电极接触的紧密程度，另外也可考虑采用较宽频带范围内的多频测量、改进成像算法、综合考虑所测信号的幅值和相位信息等方面减少电极皮肤接触阻抗带来的影响.
2.4激励频率对所测信号的影响从3.2，3.3两部分的叙述中可看到激励频率对所测信号幅值的影响，这里我们给出采用4*4电极阵列（Fig 5B）、8*8电极阵列（Fig 5A）进行测量时，在电极阵列中心区单元电极上所测得的电流信号幅频曲线图（Fig 6）.
测量时设定的激励信号频率范围为50 Hz～50 kHz，随着频率的增大所测信号的幅值增大但当频率大于25 kHz时增大的趋势不明显. 通过示波器（泰克TDS3032）可以看到随着频率的增大，信号（经电流电压转化得到的电压信号）的相移也会逐渐增加. 由于示波器测量相移的误差比较大，本文只定性地加以讨论.
人体组织的阻抗可等效为一个阻容模型，因此可以通过改变激励频率测量不同频率下组织的阻抗参数值，以提高EIS检测系统对病变组织的鉴别能力. 在将来激励源的设计中要从可变频方面加以考虑.
因人对低频电流较为敏感，实验过程中发现在激励电压幅值（峰峰）为2 V，频率在小于60 Hz测量时，部分被测者会有微麻的感觉，这种现象提示我们在将来EIS系统设计中要考虑到过电流保护的设计.
3结论
通过EIS乳腺检测的初期实验研究明确了影响被测信号质量的主要因素，在分析这些影响因素的基础上可以为后期电极的设计、硬件系统设计、软件算法的设计打下良好的基础. 但作为初期实验研究，在测量电极设计、信号检测方法. 所选择器件的性能方面考虑不是很全面，因此会对测量精度产生一定的影响，这需要在今后的研究中不断完善设计方案以提高测量的精度. 同时我们在测量过程中主要对信号的幅值进行了定量的分析，对信号的相移只是定性地分析，将来有必要采用一定的解调方法对信号相移进行定量的研究.
【参考文献】
［1］ Scholz B， Anderson R. On electrical impedance scanningPrinciples and simulations ［J］. Electromedica， 2000;68:35-44.
［2］ Assenheimer M， LaverMoskovitz O， Malonek D， et al. The TSCANTM technology: Electrical impedance as a diagnostic tool for breast cancer detection ［J］. Physiol Meas， 2001;22(1):1-8.转贴于