乳腺電阻抗掃描中電極屏蔽環對檢測電場邊緣效應的影響

王威，史學濤，季振宇

1.中國人民解放軍中部戰區總醫院醫學工程科，湖北武漢430070 2.第四軍醫大學軍事生物醫學工程學系醫學電子工程教研室，陜西西安710032

引言

基于生物組織電阻抗特性的差異，生物電阻抗成像技術是一種新型的無創、低成本的成像技術，目前正處于研究階段。根據電阻抗成像檢測方式的不同可分為電阻抗斷層成像和電阻抗掃描（Electrical Impedance Scanning，EIS）成像[1-2]。根據其成像原理和檢測方式的不同，目前電阻抗斷層成像主要應用于腔體的成像（胸部、腹部、頭部等），而電阻抗映射成像則主要應用于淺表器官的成像（乳腺、皮膚、腋窩淋巴等）。根據電阻抗成像所反應的阻抗差異的不同可分為靜態成像和動態成像。靜態成像主要用于測定成分較均勻生物組織中的異常部分，如乳房腫瘤。而動態成像則主要測定隨時間變化的生物組織阻抗差異，如血流、肺通氣量等[3-4]。

乳腺EIS是利用正方形電極陣列對感興趣區體表電壓或電流進行測量，在二維圖像上再現被測區組織電阻抗特性的一種技術。其理論基礎是均勻電場中如含有其它電介質時電場的分布就會改變。健康的乳房中大量存在的脂肪組織，可以被認為其電介質是均一的，而癌變組織被認為比周圍正常組織有著較高的電導率，所以通過測量因電導率的差異造成的均勻電場電流擾動可以間接反映組織的阻抗特性。因此乳腺EIS屬于電阻抗映射靜態成像。將EIS技術應用于婦女乳腺病檢查，為乳腺癌的檢查提供了一種新型的無創、無射線的成像手段[5-7]。

屏蔽技術是物理學、電子學等學科常用的一種抗干擾技術，其主要作用在于屏蔽外界電磁場的干擾。因為生物組織的復雜性，其電阻抗測量是一個復雜的電磁場問題，測量結果往往受到生物體電特性和形態的影響。因此生物體阻抗的測定往往限制在一個有限的區域中進行，通過測定該區域阻抗的變化反應一定范圍內生物體阻抗的差異。在阻抗測量中使用屏蔽環技術的目的在于限定被測區域內電場分布的范圍，減少邊緣效應，該方法的有效性已得到研究證實[8-10]。在乳腺EIS檢測電極陣列周圍通常會設計屏蔽環，以減少電場邊緣效應對有效檢測電流的影響，屬于提升檢測數據質量的關鍵性設計因素之一[11-15]。分析屏蔽環對EIS乳腺成像結果影響的研究鮮有報道，本文首先基于EIS乳腺成像仿真模型解釋了屏蔽環對檢測電流的影響，進一步結合EIS物理模型，利用模型實測數據分析電極屏蔽環寬度對成像結果的影響規律，同時結合初步人體實驗針對乳腺EIS檢測電極陣列提出了電極屏蔽環設計方案建議。

1 EIS檢測電極屏蔽環與檢測電場邊緣效應

1.1 乳腺EIS檢測方式

EIS采用電壓激勵電流檢測的測量方式，基本檢測原理如圖1a所示。被測者手握激勵電極，檢測電極陣列置于乳房部位，采用壓流轉換電路進行測量。此時可等效為胸大肌的電勢為激勵電壓，而測量電極陣列的電勢為地電勢。由于乳房內大量為脂肪組織，可等效為均勻介質，此時在檢測電極和胸大肌之間就形成等效的均勻電場[16]。在均勻電場的作用下，檢測電極和胸大肌間形成如圖1b中所示的等效電場分布。目前EIS乳腺檢測電極陣列通常由8×8或16×16電極單元構成（圖1c），電極單元面積為3 mm×3 mm，相鄰電極單元間距離1 mm，在檢測電極陣列周圍增加屏蔽環，屏蔽環和電極單元間距離1 mm。屏蔽環的作用在于屏蔽電場的邊緣效應，使測量電極陣列下的電場分布更均勻。

1.2 屏蔽環寬度對EIS檢測邊緣效應的仿真分析

按照文獻中常規使用的乳腺EIS仿真模型[16-17]，設乳房區域表示為Ω，其表面為?Ω。激勵電極表示為γ，電壓為V。檢測電極和屏蔽環的電勢同為地電勢，且同為金屬導體。將它們表示為Γ。根據電磁場理論及準靜態電場下的Maxwell方程，結合邊界條件，Ω內任意一點處的電壓滿足如式(1)。

圖1 乳腺EIS檢測方式示意圖

其中σ+iωε為Ω內均勻介質的復電導率，ν（r）為邊界上的單位法向量。

在此基礎上，利用多物理場仿真軟件COMSOL建立EIS檢測電場模型如圖2a所示。乳腺組織區域內介質的電導率為0.083 S/m[18-19]，并設定邊界條件，令激勵電壓為2 V。

圖2 EIS仿真模型及仿真結果曲線

在仿真中設置EIS檢測電極為8×8陣列，檢測電極外屏蔽環寬度可變。我們設定屏蔽環的寬度從0變至8 mm，間隔1 mm。經仿真計算得到隨屏蔽環寬度變化，檢測電極陣列上的電流密度分布。由圖2b可見，邊緣效應影響的結果是，EIS邊緣檢測電極上的電流密度總大于其它電極上的電流密度。屏蔽環寬度越小，檢測電場受邊緣效應影響越明顯，隨著屏蔽環寬度增加，檢測電流趨于均勻。本文使用邊緣電極上的電流密度與中心電極的電流密度比值作為評估電場邊緣效應對EIS結果影響的參數。評估參數按如式(2)。

式中Jedge表示邊緣電極上的電流密度，Jcenter為中心電極上的電流密度。對于仿真模型，可根據計算的仿真結果求解PEFEE；由于邊緣效應的存在，PEFEE值總是大于 1（圖 2c），所以當使用EIS檢測技術對一個電阻抗特性均勻的區域進行檢測時，PEFEE值可以反映測電極單元上測量值的一致性程度，PEFEE值越趨近于1，意味著邊緣效應對EIS測量值影響越小。

2 物理模型驗證

2.1 EIS物理模型平臺

在本研究中我們使用課題組已建立了EIS硬件實驗平臺[20-21]，圖3a所示的是EIS物理模型鹽水槽，并設計了具有不同規格屏蔽環的電極，如圖3b所示，分別是屏蔽環寬度為0、2、3、5、7 mm 規格的 64（8×8）電極，每個電極單元的面積為3 mm×3 mm。

圖3 EIS硬件實驗平臺

物理模型中背景溶液采用NaCl溶液，模擬乳房健康組織的NaCl溶液配制電導率為0.083 S/m，按照電導率1∶4進行配比瓊脂電導率以模擬成像目標體。實驗時EIS硬件系統設置激勵輸出為1.9 V，頻率分別設置為200 Hz。

2.2 實驗方法與結果

基于EIS物理模型本研究主要從三個方面評估了電極屏蔽環對EIS成像結果的影響。

2.2.1 不同寬度屏蔽環的測量電極在均勻背景下的成像

實驗時分別將不同規格屏蔽環的8×8測量電極置于鹽水槽檢測面，物理模型中充滿NaCl均勻背景溶液，并按照2.1中的條件進行實驗。每種規格的電極下采集12次數據平均后成像。

如圖4所示，左側為EIS檢測數據成像結果，右側為對應的三維matlab顯示。自上而下，依次是屏蔽環寬度為0、2、3、5、7 mm規格時對應的EIS檢測成像結果。可見當電極陣列沒有屏蔽環時（寬度為0），由于電場邊緣效應的作用，使靠近電極陣列邊緣的電極上流過的電流比較強，遠遠大于流過中心部位電極的電流。隨著屏蔽環寬度的增大，因為屏蔽環可以吸收一些電場邊緣效應產生的電流，所以流過電極陣列的電流逐漸趨于一致。為評估流過電極單元電流的一致性，計算每幀測量數據中，64個電極單元上對應實部測量數據的最大正偏差和最大負偏差，見公式（3）～（4），并取其12幀的平均值得到如表1所示的結果。

表1 不同條件下測量數據的平均正偏差和平均負偏差水平

2.2.2 不同寬度屏蔽環對目標體識別的影響

物理模型中設置體積為5 mm×5 mm×10 mm的瓊脂塊檢測目標體，距離測量電極板10 mm處。按照2.1中設置的系統參數進行試驗。每種規格的電極下采集12次數據平均后成像。通過分析成像結果評估不同規格屏蔽環的電極對目標體的識別能力。

實驗結果如圖5所示，左側為EIS實部數據成像結果，右側為對應的三維matlab顯示。自上而下，依次是屏蔽環寬度為0、2、3、5、7 mm規格時對應的EIS檢測成像結果。當電極陣列無屏蔽環時（屏蔽環寬度0 mm）看不到對目標體的成像結果。當屏蔽環的寬度增大到3 mm時，可以隱約看到對目標的成像。當環的寬度增大到5 mm和7 mm時對目標體的成像結果明顯。

圖4 不同寬度屏蔽環下EI對均勻背景的成像結果

圖5 不同寬度屏蔽環下EIS對擾動目標體的成像

2.2.3非均勻屏蔽環的測量電極在均勻背景下的成像

選擇屏蔽環寬度為7 mm的8×8電極，將一側屏蔽環用絕緣膠布粘貼，造成一個具有非均勻屏蔽環的測量電極。然后對均勻背景的NaCl溶液的物理模型進行成像。并對結果進行分析。實驗結果如圖6所示，當屏蔽環一側被覆蓋后，靠近該側的最外緣電極單元的測量值明顯升高。而其它電極單元上的測量值較為均勻一致。

圖6 非均勻屏蔽環時在均勻背景下的EIS成像

3 健康人測量數據的初步評估

由物理模型的實驗結果可知，當屏蔽環寬度>5 mm時，電場邊緣效應對EIS成像結果的影響程度減弱。為此，我們選擇屏蔽環寬度為7 mm的8×8電極對一組健康人（6個志愿者）的乳腺進行測量，通過EIS采集原始數據分析驗證屏蔽環對人體乳腺成像結果的影響。

每人測量16幀數據。共得到96幀實驗數據，然后統計測量電極陣列中每個電極出現最大值的概率。我們將每個電極單元定義坐標，如電極單元（1，1）表示第一行第一列處對應的電極單元。發現出現最大值的高概率的電極單元依次為電極單元（2，8）、電極單元（1，1）、電極單元（1，2）、電極單元（8，1）和電極單元（1，8）。其對應的出現最大值的概率值分別為5.21%、4.17%、4.17%、4.17%和3.13%。而統計最大值出現在最外側電極的概率和為59.37%。理論上若對健康乳房進行測量，則流過單元電極上的電流應該近似相等。所以每個電極單元出現最大值的概率應該相同。而最外層單元電極的總數共28個占總單元電極數（64）的43.7%，若測量值均勻分布則最大值在最外層電極出現的概率接近與43.7%。

4 討論

在EIS檢測中，電場邊緣效應可以產生偽影并且影響成像結果，甚至于可以掩蓋對有用信息的檢測，為檢測電極陣列增加屏蔽環可以抑制邊緣效應。本文利用EIS仿真模型和物理模型實驗研究了電極屏蔽環對EIS檢測結果的影響規律。根據仿真實驗，可見隨著屏蔽環寬度的增加，電場邊緣效應對EIS檢測結果的影響減少，表現為檢測電極陣列上電流分布趨于一致。同樣在EIS物理模型實驗中，可見當屏蔽環寬度太窄時，則流過邊緣電極陣列單元的電流會增大，屏蔽環寬度>5 mm時，EIS檢測結果受邊緣效應的影響減少，流過各個電極單元的電流趨于均勻一致。

仿真實驗和物理模型實驗均表明，屏蔽環的寬度是抑制EIS邊緣效應影響的一個重要指標，而且從仿真和物理模型實驗結果中也可看到屏蔽環寬度對邊緣效應抑制程度的變化規律是一致的。根據仿真結果（圖2c）我們可以從屏蔽環的寬度，判斷其對EIS邊緣效應的抑制程度，這使得利用仿真模型指導EIS檢測電極屏蔽環的設計成為可能。雖然如果將屏蔽地環寬度一直增加可以進一步降低邊緣效應，但顯然這樣的方法不能用于實際設計中。原因闡述為如下兩個方面：首先EIS檢測中電流信號部分從屏蔽環流走。因此當屏蔽環寬度增大時，流過檢測電極陣列的電流幅度就會降低，為采集高精度信號帶來困難。另一個方面，當屏蔽環寬度加大時會使得EIS檢測電極面增大，這會造成檢測電極和被測物體表面接觸困難，不利于良好接觸。因此，EIS檢測電極屏蔽環寬度應該是一個考慮實際應用的折中設計。在本文物理模型實驗中，當屏蔽環寬度>5 mm時，流過各個電極單元的電流較為均勻一致，對目標體檢測的影響程度降低，目標體的成像不會被電場邊緣效應的噪聲淹沒。進一步結合EIS仿真分析和物理模型實驗結果，可見對于EIS的8×8檢測電極陣列其屏蔽環寬度應該大于5 mm。

本文實驗中我們發現在EIS實際檢測中，電極陣列的屏蔽環若和目標體接觸不均勻，如非均勻屏蔽環的測量電極在均勻背景下成像的結果，會影響電極單元上流過電流的正常值，因此在實際測量中特別是臨床檢查中要保證，電極屏蔽環和被測目標表面緊密接觸。對于該結論在初步人體實驗中進一步得到證實，由于測量過程中一些人為因素造成屏蔽環和人體不能完全接觸良好，使得測量值中靠近屏蔽環的電極單元出現最大電流值概率較大。對于該現象應該提示操作者在操作過程中盡量保證屏蔽環和人體皮膚的接觸良好。同時也要求在電極設計時，選擇和人體接觸好的材料，以保證整個電極和皮膚良好接觸。

從以上分析可以看到電極陣列周圍的屏蔽環對EIS測量數據有較大的影響，應該設計合理寬度的屏蔽環以使成像效果達到最佳，同時提示在臨床操作中在保證電極陣列與皮膚的良好接觸時，也要保證屏蔽環和皮膚的良好接觸。