電阻抗掃描成像（Electrical impedance scanning，EIS）屬於電阻抗成像技術的一種，常用於對生物體表淺器官（如乳房，淋巴結，甲狀腺等）的電阻抗成像。EIS採用陣列式檢測電極覆蓋於被測物體表面的方式，通過平面電極陣列測量人體皮膚表面的電流分布，來探測皮下組織內部的電導率擾動，以發現電導率異於正常組織的病變組織，並最終經過成像算法得到被測區域內的電阻抗二維分布。
基本介紹
- 中文名：電阻抗掃描成像
- 外文名：Electrical impedance scanning，EIS
（一）電阻抗掃描成像原理與等效模型,（二）數據採集系統,1、EIS檢測電極陣列,2、EIS激勵源及激勵電極,3、EIS信號檢測處理模組,4、中心控制單元,（三）EIS技術的主要套用,1. 乳腺EIS套用研究,2. EIS的其他套用研究,參考文獻,
（一）電阻抗掃描成像原理與等效模型
EIS技術基於平行電流場擾動模型實現，三維簡化模型如圖1所示。
圖1 三維簡化的EIS仿真模型
（1：均勻介質，2：擾動目標，3：測量電極陣列，4：保護環，5：參考電極）
圖2二維電場內電流分布示意圖
圖2是EIS檢測技術的二維電流場分布模型， 通過建立兩個平行的導電面A和B，在平行的導體面A和B之間設立阻抗均勻分布的場域，將導體面A接地即電位為零，導體面B接電壓為V，則在導體面A和導體面B之間建立均勻電流場，導體面B上的電流密度分布也為恆定值I0；當場域中某一區域阻抗發生變化時，即當阻抗由均勻分布變為，其中；當阻抗分布不均勻時，電流場發生顯著擾動時，原來導體面B均勻分布的電流密度，會在阻抗擾動區域的垂直投影位置產生一個擾動，電流分布存將在I0的基礎上擾動形成一個峰值Imax；因而可以根據導體面B上均勻電流分布的擾動來判斷場域中阻抗分布的擾動。電阻抗分布均勻的電流分布圖如圖2（A）所示，若電極陣列下方的檢測區域記憶體在電阻抗異常擾動包塊，則會使均勻電流場發生擾動（如圖2B所示），體表電極陣列上探測到的電流值也發生擾動。包塊正上方電極單元上測得的電流值顯著增大，而其他電極上測得的電流值基本不變；由於電壓恆定，探頭電極陣列各電極上檢測到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線性關係，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從平行板電場間的電阻抗分布；擾動目標體的可探測性與其深度、大小及病變與周圍介質電導率的比值有關。EIS可檢測到回響電流的幅值和相位信息，並按照電極陣列的位置形成二維信號分布，並以灰度圖像顯示。EIS圖像不是解剖圖像，其實質是經導納的“映射”。
（二）數據採集系統
電阻抗掃描成像系統數據採集系統主要包括激勵源，檢測電極，以及信號測量模組三大部分。EIS檢測技術通常基於電壓激勵電流檢測的模式實現，通過對目標體施加一定的交流電壓，然後採集流過檢測電極陣列上的電流信號並進行後續處理分析，其數據採集系統結構圖如圖3所示，主要包括檢測電極陣列、激勵源及激勵電極、信號檢測處理模組、中心控制單元等主要部件。
圖3 EIS數據採集系統結構圖
1、EIS檢測電極陣列
EIS檢測電極陣列在數據採集系統中實現信號感測的功能，是數據採集系統的關鍵部件。當EIS採用電壓激勵—電流檢測的模式工作時，通過檢測電極單元獲取檢測區域的檢測電流。檢測電極陣列由多個小尺寸電極單元等間隔均勻排列組成，電極單元的數目通常根據檢測目標和檢測模式確定。例如，用於乳腺EIS檢測的TSCAN2000，其檢測電極陣列分兩種類型分別是8×8個電極單元和16×16個電極單元。第四軍醫大學乳腺EIS研究小組設計了8×8、11×11兩種規格的檢測電極陣列。韓國Kyung Hee大學的實現的乳腺EIS檢測系統，採用類似乳腺鉬靶的夾板式檢測模式，其檢測電極陣列由60×60個電極單元組成。
圖4：EIS 檢測電極陣列
2、EIS激勵源及激勵電極
激勵源輸出激勵電壓信號，通過激勵電極施加於被測目標體。在系統的控制下激勵源輸出通常為可變頻率和可調幅度的安全電壓信號，以實現多頻電阻抗信號的檢測，根據EIS檢測目標和檢測方式的不同，激勵電極的設計也有不同。常規乳腺EIS檢測激勵電極設計為病人手握的金屬棒，激勵源施加的激勵信號傳遞到金屬棒後，經手臂肌肉傳遞到胸大肌，此時將檢測電極陣列置於乳房表面，則會在檢測電極與胸大肌之間形成檢測電場。採用夾板式乳腺EIS檢測時，激勵電極設計為平面電極板，乳房位於激勵電極板和檢測電極陣列之間。
3、EIS信號檢測處理模組
EIS信號檢測處理單元實現對檢測電極單元上提取的電流信號的檢測和預處理，主要包括電流—電壓轉換、多路信號切換、信號可變增益調節、信號濾波、等，其目的是確保穩定高質量的檢測信號傳遞到數據採集單元。為提高採集速度，對於多路檢測信號一般設計為多路並行採集工作方式。
4、中心控制單元
中心控制單元主要完成對激勵輸出信號頻率及幅度的控制、對多路開關的切換控制、對AD採集通道切換控制、以及回響上位機的命令的作用，中心控制單元協同上位機和採集系統之間有序的工作。
（三）EIS技術的主要套用
目前EIS檢測技術的套用主要在乳腺癌、甲狀腺癌、淋巴結、皮膚癌等方面，其中乳腺EIS技術研究最為深入。
1. 乳腺EIS套用研究
基於EIS技術進行乳腺癌檢測研究的國內外研究小組主要有以色列的Transscan研究小組，韓國Kyung Hee大學研究小組，國內第四軍醫大學電阻抗成像研究小組。
以色列的Transscan公司的TS2000乳腺檢測設備於1999年獲美國FDA的PMA（pre-Market Approval，PMA），被批准為可以輔助X線鉬靶進行乳腺檢測的設備，是迄今唯一獲FDA認證的電阻抗乳腺檢測設備。2005年前後該公司又研製了第二代EIS乳腺檢測儀——TS2000ED，該設備進一步拓寬了檢測頻帶，並使用了數據後處理算法（P-algorithm），該算法可以提示檢測結果是否為可疑區域，可獲取更豐富的檢測信息。TS2000系列設備已經進行了大量的臨床實驗。
韓國Kyung Hee大學的研究小組，Oh TI等人在2007年建立了多頻TAS（multi-frequency trans-admittance scanner）系統。該硬體系統激勵源可輸出的頻率範圍為10Hz~500kHz。系統採用的檢測電極為320個電極單元組成的圓形電極陣列，其有效接觸面積為3318.3mm，激勵電極採用手握式金屬柱。該小組於2013年有設計了類似乳腺鉬靶檢測方式的夾板式EIS檢測設備，檢測時乳房置於平板激勵電極和檢查電極之間，平板式檢測電極陣列採用的電極單元數為60×60。目前設備僅在物理模型上進行了實驗研究。
第四軍醫大學研究小組2004年成功研製出Angleplan-EIS1000型電阻抗成像檢測儀，該設備設計了8×8、11×11兩種規格的檢測電極單元陣列，可以實現164種頻率的測量。該小組於2010年研製了第二代實時動態乳腺EIS設備，該設備可實現25幀/s的檢測速度，可有效減少操作依賴性，提高檢測精度。
2. EIS的其他套用研究
除了將EIS套用於乳腺癌的檢查上之外，還有一些研究者將其用於淋巴結、皮膚癌等檢查，以及動物實驗上。代表性的研究如下：
Malich和Mentzel等在2001-2003年進行了炎症和惡性淋巴結的EIS研究，表明EIS可輔助超聲探測惡性淋巴結，肯定了其對於分辨超聲檢查結果模糊的淋巴結疾病具有潛在的價值。
Facius等在2002年對腮腺和下頜下腺的超聲可疑病變進行了EIS檢查，表明EIS作為超聲的輔助可以識別唾液腺的惡性病變。
Glichman等在2003年對人體可疑皮膚病變進行了EIS檢查，表明EIS可作為分辨良性和惡性皮膚病變的客觀的和非侵入性的工具。他們還對皮下注射人黑色素瘤菌株的裸鼠進行了EIS檢查，結果發現隨著裸鼠上腫瘤的生長，EIS的電導和電容也發生改變，說明EIS的電阻抗測量可以反映與惡性皮膚病變生長有關的形態學變化。
Malich等在2003年在白色紐西蘭兔的上腿肌肉中，植入1mm的VX2腫瘤細胞，然後分別用EIS和超聲進行檢查。結果表明VX2腫瘤可用EIS探測到，第一次被EIS探測到的平均腫瘤大小為52 mm，最小約為8mm。
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