[科普中国]-电阻抗扫描成像数据采集系统及其关键技术指标-

电阻抗扫描成像（Electrical impedance scanning，EIS）技术是生物电阻抗成像技术的一种，对生物体内组织电阻抗信息进行检测并以图像方式显示组织的电阻抗分布特性。该技术采用电压激励——电流检测模式，通过平板多单元阵列式电极提取被测区域的电阻抗分布，基于均匀平行电场模型理论实现对被测区域的电阻抗分布映射。通过二维灰度图表征检测电极阵列所获取的电阻抗分布映射信息，不同的灰度值体现电阻抗值的分布差异，操作者直观二维灰度图来判断检测结果。

硬件数据采集模块是电阻抗扫描检测系统的获取检测信号的关键平台，数据采集的精度、准确性等关键技术指标直接关系到系统的性能优劣。

（一）电阻抗扫描检测硬件数据采集系统电阻抗扫描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。电阻抗扫描检测基于电压激励电流检测的模式，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。激励源和检测模块的性能直接影响数据采集系统的性能。

图1电阻抗扫描检测硬件数据采集系统

对应于在每个检测电极单元处，为实现电流信号检测，通常采用如图2所示传统的经阻抗（trans-impedance）技术进行测量。

图2传输阻抗测量原理图

（二）数据采集系统关键指标激励源、信号检测、信号采集是EIS数据采集系统的关键单元模块，激励源的输出特性、检测系统的信噪比、检测灵敏度、检测精度、重复性、通道串扰、采集速度等是EIS数据采集系统的关键指标。

激励源的频率及幅度生物组织的电阻抗具有频率相关的特性。在进行电阻抗扫描检测时，对目标体施加不同的激励频率，通过检测可以得到相应频率下的组织电阻抗特性。为了获得测量目标的频谱特性及更丰富的阻抗信息，通常需要进行电阻抗扫描检测多频参数分析，因此激励源的输出信号频率范围是电阻抗扫描检测技术的一个关键指标。同时在进行生物体的电阻抗检测时，需要考虑生物体的安全测量电流范围，通常电流安全阈值与频率相关性较大，所以激励源的幅度也是一个关键指标。

激励源输出频率和幅度的测试方法。可以采用示波器进行检测，根据本仪器提供的激励信号的幅度和频率范围，可选择任一频率与幅值的组合参数进行检测。

系统信噪比信噪比的定义与检测类电子设备的信噪比定义一致，反映电阻抗扫描硬件系统所提取的有用信号与噪声的比例。计算方法是20Lg（Vs/Vn），Vs 和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。信噪比越大表明系统抑制噪声的能力越强，系统的检测精度越高。
检测灵敏度灵敏度反映电阻抗扫描硬件系统对被测目标体内电阻抗微弱变化的检测能力，是系统设计的关键指标之一。设被测目标体的初始电阻抗值为Z，当目标体电阻抗值发生△Z的变化时，如果能够被系统检测到，则系统的检测灵敏度定义为：△Z/Z ×100%。如图所示为系统灵敏度检测电路，Zt为基础测量阻抗，通过开关选择可以将Z1（或Z2、Z3）与Zt并联获得一组新的待测阻抗，使新的待测阻抗值相比基础阻抗值Zt发生微弱的变化。根据硬件系统可检测到的最小阻抗变化，可以计算得到系统的检测灵敏度。

图****2 系统灵敏度测试接线图

检测精度精度反映系统对被测目标体电阻抗值检测的准确性，系统的检测精度误差需要设计在系统灵敏度范围内。在实际检测时，通常首先选定高精度阻抗模块Z作为待测模块，然后将其接入系统检测电路，如果系统测量得到的阻抗值为Z’，则利用公式S=|Z’-Z|/Z×100%可以得到系统的测量精度。
测量重复性为了保证系统在检测过程中的准确度，系统必须具备稳定性，测量重复性是反映系统稳定性的指标。系统重复性指在测量条件不变的情况下，系统检测待测目标电阻抗值的稳定性。系统重复性指标需要进行多次测量，计算多次测得的阻抗值的平均值（记为Z）和标准差（记为S），重复性用公式CV =S/Z×100%表示。
通道串扰电阻抗扫描检测成像系统采用多单元电极阵列进行信号检测，单元电极数有8×8、11×11、16×16等多种，由于单元电极分布紧密，且每个单元电极对应一个检测通道，因此系统性能设计需要考虑检测通道间串扰，特别是在频率较高时，通道间更易发生串扰影响。系统通道串扰指标，反映单一测量通道的测量结果受邻近通道的干扰程度。

在进行通道串扰检测时，设定固定的激励频率和电压，在任意一个测量通道上串接一个已知电阻抗值的待测目标，电极的其余通道接地。检测系统同时可获取待测目标串联通道及相邻通道的测量值（分别记为X参考，Y接地）。通道串扰用20log(Y地/X参考)计算获得。

图3 通道串扰****测试接线图

数据采集速度数据采集速度反映电阻抗扫描检测系统的检测速度，即每秒可完成的采集帧数。单帧数据包含来自每个电极单元的测量数据，所以数据采集速度不仅与系统的采集处理性能相关，也与电极单元数目相关。为了实现实时电阻抗扫描成像，要求系统的数据采集速度至少达到25帧/秒以上。

（三）应用举例目前电阻抗扫描检测系统多用于乳腺癌的早期检测，代表性的硬件数据采集系统有TransScan公司的系列设备、韩国庆熙大学的系列设备、以及第四军医大学的系列设备。

T-SCAN系列设备以色列的TransScan研究小组于2001年报道其开发的TS2000乳腺癌检测系统，该系统基于电阻抗扫描检测成像的原理实现，根据文献报道，激励源输出频率范围100Hz~100kHz，幅度范围1~2.5V。系统在低频（100H组）时的信噪比约70dB，高频（接近100kHz）时的信噪比约40dB。对于电容范围20pF~1nF及电导范围1~20uS的电阻抗目标体，其检测精度为5%。

图4 T-SCAN系列乳腺检测设备

韩国庆熙大学的系列设备韩国庆熙大学2012年报道了他们用于乳腺检测电阻抗扫描系统样机，该设备的工作频率为50Hz~500kHz，在全频段下系统的信噪比优于70dB。系统工作在低于10kHz时，通道串扰小于-98.5dB，工作在500kHz时，通道串扰小于-60dB。由于该系统采用的阵列电极单元数为3600个，在5kHz时完成一帧数据的测量需要1.6s，而随着频率的增加数据采集速度逐渐增大，在10kHz时可以实现15帧/秒的采集速度。

图5 庆熙大学夹板式EIS检测系统

第四军医大学的系列设备第四军医大学小组2004年成功研制出第一代乳腺EIS检测设备，Angleplan-EIS1000型电阻抗成像检测仪，并通过医疗仪器安全性检测；2010年研制了第二代乳腺EIS检测设备，该设备激励频率输出在100Hz~200kHz之间，输出幅度在0.5~3.3V之间可调，系统信噪比在70dB。检测信号的通道串扰-60dB，系统可以检测到2×2×2目标体距离检测电极9mm处的电阻抗扰动变化，采用8×8电极阵列进行信号检测，当检测频率大于4kHz时，系统可以实现25帧/秒以上的数据采集。

**（A）**Angleplan-EIS1000 （第一代） **（B）**CareScan-5000 （第二代）

图6 第四军医大学乳腺电阻抗成像检测仪

扩展阅读[1]. Scholz B, Anderson R. On Electrical Impedance Scanning－Principles and Simulations Electromedica 2000;68: 35-44.

[2]. Stojainovic A, Nissan A, Gallimidi Z etc. Electrical Impedance Scanning for the Early Detection of Breast Cancer in Young Women: Preliminary Results of a Multicenter Prospective Clinical Trial. J Clin Oncol 2005; 23: 2703-15.

[3]. Tong I O, Jeehyun L, Jin K S, Sung W K and Eung J W 2007 Feasibility of breast cancer lesion detection using a multi-frequency trans-admittance scanner (TAS) with 10Hz to 500kHz bandwidth Physiol. Meas. 28 S71-S84

[4]. Ji Zhenyu, Li Jing, Shi Xuetao, You Fusheng et al. Broadband self-calibration measuring probe in multi-frequency electrical impedance scanning system for breast cancer detection Journal of Medical Imaging and Health Informatics.2014,4(3)439-43

[5]. MingkangZhao, HunWi, EunJungLee, EungJeWoo and TongInOh Feasibility of anomaly detection and characterization using trans-admittance mammography with 60×60 electrode array. Phys. Med. Bio. 2014,(59) 5831-47.

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