乳腺EIS成像中电极—皮肤界面特性及其影响的抑制方法研究

发布时间：2019-01-04 10:28

【摘要】：乳腺癌是危害妇女健康和生命的最常见恶性肿瘤之一。早发现、早治疗是降低死亡率的重要手段。目前临床上常见的乳腺癌检测技术,如X线钼靶、超声、MRI等,在很大程度上提高了乳腺癌诊断的准确度。但是由于存在放射性、或对操作者依赖性强、或设备昂贵等不足,尚不能满足对早期乳腺癌进行大规模筛查的临床需求。乳腺电阻抗扫描成像(Electrical Impedance Scanning,EIS)作为一种新型的乳腺癌检测技术,具有价格低廉、无创、无辐射、操作简便和功能成像等优势。它对早期癌变信息敏感,在早期乳腺癌筛查方面具有良好的应用前景,现已进入临床研究阶段。乳腺EIS根据乳腺癌组织与正常组织的电阻抗特性存在显著性差异,实现对乳腺癌的检测。它通过测量乳房表面的电流信号,得到乳腺内部的电阻抗分布。由于其静态成像的特点,在通过该方法对乳腺内部的电阻抗信息进行提取时,电极-皮肤界面的电阻抗也同时被提取,并且二者处于叠加状态,因此电极-皮肤界面的特性与乳腺EIS中的信息提取密切相关。目前,针对电极-皮肤界面的优化设计研究一直是国内外研究者所关注的重点。本课题组首次提出将EIS技术用于乳腺癌的早期筛查应用中,对eis的检测速度、检测稳定性和易操作性等提出了更高的要求,对电极-皮肤界面的性能也同样提出了新的要求。本研究旨在对电极-皮肤界面的性能进行优化,并抑制其对乳腺eis成像的影响,具有重要的理论意义和临床价值。本论文研究内容如下:(1)乳腺eis成像中电极-皮肤界面特性及影响的仿真研究电极-皮肤界面包括皮肤组织层、耦合层和电极阵列三层结构,其特性主要指电阻抗特性。首先,基于等效电路模型分析方法,进一步明确电极-皮肤界面的三个特性指标(电极-皮肤界面阻抗(esii)的大小、均匀性及耦合层的电导率)与乳腺eis成像的影响关系。其次,借助有限元仿真研究分别探索了耦合层的电导率对乳腺eis的检测能力及电极间信号串扰的影响,发现在模拟真实检测方式的情况下,耦合层电导率的最优取值范围为0.35s/m~0.8s/m,为下一步探索新型的耦合层介质材料提供了理论依据。最后,通过仿真研究分析了电极-皮肤界面局部异常所引起图像伪影的特征,为下一步探索此类伪影的识别及校正方法奠定了基础。(2)改善电极-皮肤界面性能的方法研究在仿真研究的基础上,本研究探索了三种耦合层介质材料(离子膜dsicm-a、dsicm-b和dsicm-c),分别构成三种新型电极-皮肤界面,并将其与现有的cfgtl界面和曾使用的耦合剂界面进行了对比研究。首先,利用四电极推导法,通过在体测量的方式对五种界面的电极-皮肤界面阻抗(esii)进行了测量,发现三种离子膜界面的esii比cfgtl界面下降了20%~25%,并且稳定性更高。最后,通过临床测试对比了五种界面下乳腺eis测量数据的质量,综合评估表明dsicm-c界面的性能最佳。相比于现有的cfgtl界面,电流信号的均值分别提升了10.8%,单帧测量数据的离散性分别下降了9.2%,测量结果的可重复性提高了24.1%。(3)电极-皮肤界面局部异常引起图像伪影的抑制方法研究电极-皮肤界面局部异常会导致图像伪影,影响乳腺eis诊断结果的可靠性。在仿真研究的基础之上,提出了双向梯度分析法和奇异值分解法两种伪影识别方法,并分别利用仿真数据及临床数据进行验证。结果表明:两种方法对仿真数据中的伪影信息可以准确识别;两种方法联合使用时,可以将临床数据中伪影的识别率由现有阈值法的65.0%提升到87.6%。在此基础上,提出了基于奇异值分解法的伪影数据校正方法,经仿真数据和实测数据验证,该方法可以有效抑制图像伪影,增强对图像中有用信息的辨识。(4)通过对乳腺EIS扩频改善电极-皮肤界面性能的探索性研究相关研究表明,扩宽乳腺EIS的扫描频率可以进一步改善电极-皮肤界面的性能,并可以提供更加丰富的乳腺组织电阻抗频谱信息。在现有乳腺EIS系统的基础上,为了实现将其最高扫描频率从200 kHz提高到500 kHz,本研究主要针对前置级信号检测模块进行了改进设计。首先,提出了适用于高频检测的前置级检测方案;然后,通过测试确定了能够满足高频信号测量的运算放大器芯片AD4637-1和控制电极通道切换的2选1模拟开关芯片ADG333A;最后,完成了前置级检测模块硬件电路的设计。本研究为后续的乳腺EIS硬件扩频工作奠定了基础。综上,在仿真研究的基础之上,本研究探索了一种性能更佳的耦合层介质材料,有效地改善了电极-皮肤界面的性能;针对电极-皮肤界面局部异常引起的图像伪影探索了相应的识别和校正方法,经仿真数据和临床数据验证,本研究提出的伪影识别方法可以对此类伪影进行有效识别,校正方法的使用可以有效抑制此类伪影对乳腺EIS成像的影响;针对乳腺EIS硬件系统的扩频进行了探索性研究,为进一步改善电极-皮肤界面的性能提供了有效途径。
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【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R737.9
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本文编号：2400152