[科普中国]-电阻抗扫描成像技术

电阻抗扫描成像（Electrical impedance scanning，EIS）属于电阻抗成像技术的一种，常用于对生物体表浅器官（如乳房，淋巴结，甲状腺等）的电阻抗成像。EIS采用阵列式检测电极覆盖于被测物体表面的方式，通过平面电极阵列测量人体皮肤表面的电流分布，来探测皮下组织内部的电导率扰动，以发现电导率异于正常组织的病变组织，并最终经过成像算法得到被测区域内的电阻抗二维分布。

（一）电阻抗扫描成像原理与等效模型EIS技术基于平行电流场扰动模型实现，三维简化模型如图1所示。

图1 三维简化的EIS仿真模型

（1：均匀介质，2：扰动目标，3：测量电极阵列，4：保护环，5：参考电极）

图2二维电场内电流分布示意图

图2是EIS检测技术的二维电流场分布模型， 通过建立两个平行的导电面A和B，在平行的导体面A和B之间设立阻抗均匀分布的场域，将导体面A接地即电位为零，导体面B接电压为V，则在导体面A和导体面B之间建立均匀电流场，导体面B上的电流密度分布也为恒定值I0；当场域中某一区域阻抗发生变化时，即当阻抗由均匀分布变为，其中；当阻抗分布不均匀时，电流场发生显著扰动时，原来导体面B均匀分布的电流密度，会在阻抗扰动区域的垂直投影位置产生一个扰动，电流分布存将在I0的基础上扰动形成一个峰值Imax；因而可以根据导体面B上均匀电流分布的扰动来判断场域中阻抗分布的扰动。电阻抗分布均匀的电流分布图如图2（A）所示，若电极阵列下方的检测区域内存在电阻抗异常扰动包块，则会使均匀电流场发生扰动（如图2B所示），体表电极阵列上探测到的电流值也发生扰动。包块正上方电极单元上测得的电流值显著增大，而其他电极上测得的电流值基本不变；由于电压恒定，探头电极阵列各电极上检测到得的电流值与其所覆盖的组织电阻抗成反比线性关系，因而乳房表面电极阵列上电流的分布代表了从平行板电场间的电阻抗分布；扰动目标体的可探测性与其深度、大小及病变与周围介质电导率的比值有关。EIS可检测到响应电流的幅值和相位信息，并按照电极阵列的位置形成二维信号分布，并以灰度图像显示。EIS图像不是解剖图像，其实质是经导纳的“映射”。

（二）数据采集系统电阻抗扫描成像系统数据采集系统主要包括激励源，检测电极，以及信号测量模块三大部分。EIS检测技术通常基于电压激励电流检测的模式实现，通过对目标体施加一定的交流电压，然后采集流过检测电极阵列上的电流信号并进行后续处理分析，其数据采集系统结构图如图3所示，主要包括检测电极阵列、激励源及激励电极、信号检测处理模块、中心控制单元等主要部件。

图3 EIS数据采集系统结构图

1、EIS检测电极阵列EIS检测电极阵列在数据采集系统中实现信号传感的功能，是数据采集系统的关键部件。当EIS采用电压激励—电流检测的模式工作时，通过检测电极单元获取检测区域的检测电流。检测电极阵列由多个小尺寸电极单元等间隔均匀排列组成，电极单元的数目通常根据检测目标和检测模式确定。例如，用于乳腺EIS检测的TSCAN2000，其检测电极阵列分两种类型分别是8×8个电极单元和16×16个电极单元。第四军医大学乳腺EIS研究小组设计了8×8、11×11两种规格的检测电极阵列。韩国Kyung Hee大学的实现的乳腺EIS检测系统，采用类似乳腺钼靶的夹板式检测模式，其检测电极阵列由60×60个电极单元组成。

图4：EIS 检测电极阵列

2、EIS激励源及激励电极激励源输出激励电压信号，通过激励电极施加于被测目标体。在系统的控制下激励源输出通常为可变频率和可调幅度的安全电压信号，以实现多频电阻抗信号的检测，根据EIS检测目标和检测方式的不同，激励电极的设计也有不同。常规乳腺EIS检测激励电极设计为病人手握的金属棒，激励源施加的激励信号传递到金属棒后，经手臂肌肉传递到胸大肌，此时将检测电极阵列置于乳房表面，则会在检测电极与胸大肌之间形成检测电场。采用夹板式乳腺EIS检测时，激励电极设计为平面电极板，乳房位于激励电极板和检测电极阵列之间。

3、EIS信号检测处理模块EIS信号检测处理单元实现对检测电极单元上提取的电流信号的检测和预处理，主要包括电流—电压转换、多路信号切换、信号可变增益调节、信号滤波、等，其目的是确保稳定高质量的检测信号传递到数据采集单元。为提高采集速度，对于多路检测信号一般设计为多路并行采集工作方式。

4、中心控制单元中心控制单元主要完成对激励输出信号频率及幅度的控制、对多路开关的切换控制、对AD采集通道切换控制、以及响应上位机的命令的作用，中心控制单元协同上位机和采集系统之间有序的工作。

（三）EIS技术的主要应用目前EIS检测技术的应用主要在乳腺癌、甲状腺癌、淋巴结、皮肤癌等方面，其中乳腺EIS技术研究最为深入。

1. 乳腺EIS应用研究基于EIS技术进行乳腺癌检测研究的国内外研究小组主要有以色列的Transscan研究小组，韩国Kyung Hee大学研究小组，国内第四军医大学电阻抗成像研究小组。

以色列的Transscan公司的TS2000乳腺检测设备于1999年获美国FDA的PMA（pre-Market Approval，PMA），被批准为可以辅助X线钼靶进行乳腺检测的设备，是迄今唯一获FDA认证的电阻抗乳腺检测设备。2005年前后该公司又研制了第二代EIS乳腺检测仪——TS2000ED，该设备进一步拓宽了检测频带，并使用了数据后处理算法（P-algorithm），该算法可以提示检测结果是否为可疑区域，可获取更丰富的检测信息。TS2000系列设备已经进行了大量的临床实验。

韩国Kyung Hee大学的研究小组，Oh TI等人在2007年建立了多频TAS（multi-frequency trans-admittance scanner）系统。该硬件系统激励源可输出的频率范围为10Hz~500kHz。系统采用的检测电极为320个电极单元组成的圆形电极阵列，其有效接触面积为3318.3mm，激励电极采用手握式金属柱。该小组于2013年有设计了类似乳腺钼靶检测方式的夹板式EIS检测设备，检测时乳房置于平板激励电极和检查电极之间，平板式检测电极阵列采用的电极单元数为60×60。目前设备仅在物理模型上进行了实验研究。

第四军医大学研究小组2004年成功研制出Angleplan-EIS1000型电阻抗成像检测仪，该设备设计了8×8、11×11两种规格的检测电极单元阵列，可以实现164种频率的测量。该小组于2010年研制了第二代实时动态乳腺EIS设备，该设备可实现25帧/s的检测速度，可有效减少操作依赖性，提高检测精度。

2. EIS的其他应用研究除了将EIS应用于乳腺癌的检查上之外，还有一些研究者将其用于淋巴结、皮肤癌等检查，以及动物实验上。代表性的研究如下：

Malich和Mentzel等在2001-2003年进行了炎症和恶性淋巴结的EIS研究，表明EIS可辅助超声探测恶性淋巴结，肯定了其对于分辨超声检查结果模糊的淋巴结疾病具有潜在的价值。

Facius等在2002年对腮腺和下颌下腺的超声可疑病变进行了EIS检查，表明EIS作为超声的辅助可以识别唾液腺的恶性病变。

Glichman等在2003年对人体可疑皮肤病变进行了EIS检查，表明EIS可作为分辨良性和恶性皮肤病变的客观的和非侵入性的工具。他们还对皮下注射人黑色素瘤菌株的裸鼠进行了EIS检查，结果发现随着裸鼠上肿瘤的生长，EIS的电导和电容也发生改变，说明EIS的电阻抗测量可以反映与恶性皮肤病变生长有关的形态学变化。

Malich等在2003年在白色新西兰兔的上腿肌肉中，植入1mm的VX2肿瘤细胞，然后分别用EIS和超声进行检查。结果表明VX2肿瘤可用EIS探测到，第一次被EIS探测到的平均肿瘤大小为52 mm，最小约为8mm。

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本词条内容贡献者为:

季振宇 - 教授 - 第四军医大学生物医学工程系董秀珍 - 教授 - 第四军医大学生物医学工程系