乳腺电阻抗扫描中电极屏蔽环对检测电场边缘效应的影响

王威，史学涛，季振宇

1.中国人民解放军中部战区总医院医学工程科，湖北武汉430070 2.第四军医大学军事生物医学工程学系医学电子工程教研室，陕西西安710032

引言

基于生物组织电阻抗特性的差异，生物电阻抗成像技术是一种新型的无创、低成本的成像技术，目前正处于研究阶段。根据电阻抗成像检测方式的不同可分为电阻抗断层成像和电阻抗扫描（Electrical Impedance Scanning，EIS）成像[1-2]。根据其成像原理和检测方式的不同，目前电阻抗断层成像主要应用于腔体的成像（胸部、腹部、头部等），而电阻抗映射成像则主要应用于浅表器官的成像（乳腺、皮肤、腋窝淋巴等）。根据电阻抗成像所反应的阻抗差异的不同可分为静态成像和动态成像。静态成像主要用于测定成分较均匀生物组织中的异常部分，如乳房肿瘤。而动态成像则主要测定随时间变化的生物组织阻抗差异，如血流、肺通气量等[3-4]。

乳腺EIS是利用正方形电极阵列对感兴趣区体表电压或电流进行测量，在二维图像上再现被测区组织电阻抗特性的一种技术。其理论基础是均匀电场中如含有其它电介质时电场的分布就会改变。健康的乳房中大量存在的脂肪组织，可以被认为其电介质是均一的，而癌变组织被认为比周围正常组织有着较高的电导率，所以通过测量因电导率的差异造成的均匀电场电流扰动可以间接反映组织的阻抗特性。因此乳腺EIS属于电阻抗映射静态成像。将EIS技术应用于妇女乳腺病检查，为乳腺癌的检查提供了一种新型的无创、无射线的成像手段[5-7]。

屏蔽技术是物理学、电子学等学科常用的一种抗干扰技术，其主要作用在于屏蔽外界电磁场的干扰。因为生物组织的复杂性，其电阻抗测量是一个复杂的电磁场问题，测量结果往往受到生物体电特性和形态的影响。因此生物体阻抗的测定往往限制在一个有限的区域中进行，通过测定该区域阻抗的变化反应一定范围内生物体阻抗的差异。在阻抗测量中使用屏蔽环技术的目的在于限定被测区域内电场分布的范围，减少边缘效应，该方法的有效性已得到研究证实[8-10]。在乳腺EIS检测电极阵列周围通常会设计屏蔽环，以减少电场边缘效应对有效检测电流的影响，属于提升检测数据质量的关键性设计因素之一[11-15]。分析屏蔽环对EIS乳腺成像结果影响的研究鲜有报道，本文首先基于EIS乳腺成像仿真模型解释了屏蔽环对检测电流的影响，进一步结合EIS物理模型，利用模型实测数据分析电极屏蔽环宽度对成像结果的影响规律，同时结合初步人体实验针对乳腺EIS检测电极阵列提出了电极屏蔽环设计方案建议。

1 EIS检测电极屏蔽环与检测电场边缘效应

1.1 乳腺EIS检测方式

EIS采用电压激励电流检测的测量方式，基本检测原理如图1a所示。被测者手握激励电极，检测电极阵列置于乳房部位，采用压流转换电路进行测量。此时可等效为胸大肌的电势为激励电压，而测量电极阵列的电势为地电势。由于乳房内大量为脂肪组织，可等效为均匀介质，此时在检测电极和胸大肌之间就形成等效的均匀电场[16]。在均匀电场的作用下，检测电极和胸大肌间形成如图1b中所示的等效电场分布。目前EIS乳腺检测电极阵列通常由8×8或16×16电极单元构成（图1c），电极单元面积为3 mm×3 mm，相邻电极单元间距离1 mm，在检测电极阵列周围增加屏蔽环，屏蔽环和电极单元间距离1 mm。屏蔽环的作用在于屏蔽电场的边缘效应，使测量电极阵列下的电场分布更均匀。

1.2 屏蔽环宽度对EIS检测边缘效应的仿真分析

按照文献中常规使用的乳腺EIS仿真模型[16-17]，设乳房区域表示为Ω，其表面为∂Ω。激励电极表示为γ，电压为V。检测电极和屏蔽环的电势同为地电势，且同为金属导体。将它们表示为Γ。根据电磁场理论及准静态电场下的Maxwell方程，结合边界条件，Ω内任意一点处的电压满足如式(1)。

图1 乳腺EIS检测方式示意图

其中σ+iωε为Ω内均匀介质的复电导率，ν（r）为边界上的单位法向量。

在此基础上，利用多物理场仿真软件COMSOL建立EIS检测电场模型如图2a所示。乳腺组织区域内介质的电导率为0.083 S/m[18-19]，并设定边界条件，令激励电压为2 V。

图2 EIS仿真模型及仿真结果曲线

在仿真中设置EIS检测电极为8×8阵列，检测电极外屏蔽环宽度可变。我们设定屏蔽环的宽度从0变至8 mm，间隔1 mm。经仿真计算得到随屏蔽环宽度变化，检测电极阵列上的电流密度分布。由图2b可见，边缘效应影响的结果是，EIS边缘检测电极上的电流密度总大于其它电极上的电流密度。屏蔽环宽度越小，检测电场受边缘效应影响越明显，随着屏蔽环宽度增加，检测电流趋于均匀。本文使用边缘电极上的电流密度与中心电极的电流密度比值作为评估电场边缘效应对EIS结果影响的参数。评估参数按如式(2)。

式中Jedge表示边缘电极上的电流密度，Jcenter为中心电极上的电流密度。对于仿真模型，可根据计算的仿真结果求解PEFEE；由于边缘效应的存在，PEFEE值总是大于 1（图 2c），所以当使用EIS检测技术对一个电阻抗特性均匀的区域进行检测时，PEFEE值可以反映测电极单元上测量值的一致性程度，PEFEE值越趋近于1，意味着边缘效应对EIS测量值影响越小。

2 物理模型验证

2.1 EIS物理模型平台

在本研究中我们使用课题组已建立了EIS硬件实验平台[20-21]，图3a所示的是EIS物理模型盐水槽，并设计了具有不同规格屏蔽环的电极，如图3b所示，分别是屏蔽环宽度为0、2、3、5、7 mm 规格的 64（8×8）电极，每个电极单元的面积为3 mm×3 mm。

图3 EIS硬件实验平台

物理模型中背景溶液采用NaCl溶液，模拟乳房健康组织的NaCl溶液配制电导率为0.083 S/m，按照电导率1∶4进行配比琼脂电导率以模拟成像目标体。实验时EIS硬件系统设置激励输出为1.9 V，频率分别设置为200 Hz。

2.2 实验方法与结果

基于EIS物理模型本研究主要从三个方面评估了电极屏蔽环对EIS成像结果的影响。

2.2.1 不同宽度屏蔽环的测量电极在均匀背景下的成像

实验时分别将不同规格屏蔽环的8×8测量电极置于盐水槽检测面，物理模型中充满NaCl均匀背景溶液，并按照2.1中的条件进行实验。每种规格的电极下采集12次数据平均后成像。

如图4所示，左侧为EIS检测数据成像结果，右侧为对应的三维matlab显示。自上而下，依次是屏蔽环宽度为0、2、3、5、7 mm规格时对应的EIS检测成像结果。可见当电极阵列没有屏蔽环时（宽度为0），由于电场边缘效应的作用，使靠近电极阵列边缘的电极上流过的电流比较强，远远大于流过中心部位电极的电流。随着屏蔽环宽度的增大，因为屏蔽环可以吸收一些电场边缘效应产生的电流，所以流过电极阵列的电流逐渐趋于一致。为评估流过电极单元电流的一致性，计算每帧测量数据中，64个电极单元上对应实部测量数据的最大正偏差和最大负偏差，见公式（3）～（4），并取其12帧的平均值得到如表1所示的结果。

表1 不同条件下测量数据的平均正偏差和平均负偏差水平

2.2.2 不同宽度屏蔽环对目标体识别的影响

物理模型中设置体积为5 mm×5 mm×10 mm的琼脂块检测目标体，距离测量电极板10 mm处。按照2.1中设置的系统参数进行试验。每种规格的电极下采集12次数据平均后成像。通过分析成像结果评估不同规格屏蔽环的电极对目标体的识别能力。

实验结果如图5所示，左侧为EIS实部数据成像结果，右侧为对应的三维matlab显示。自上而下，依次是屏蔽环宽度为0、2、3、5、7 mm规格时对应的EIS检测成像结果。当电极阵列无屏蔽环时（屏蔽环宽度0 mm）看不到对目标体的成像结果。当屏蔽环的宽度增大到3 mm时，可以隐约看到对目标的成像。当环的宽度增大到5 mm和7 mm时对目标体的成像结果明显。

图4 不同宽度屏蔽环下EI对均匀背景的成像结果

图5 不同宽度屏蔽环下EIS对扰动目标体的成像

2.2.3非均匀屏蔽环的测量电极在均匀背景下的成像

选择屏蔽环宽度为7 mm的8×8电极，将一侧屏蔽环用绝缘胶布粘贴，造成一个具有非均匀屏蔽环的测量电极。然后对均匀背景的NaCl溶液的物理模型进行成像。并对结果进行分析。实验结果如图6所示，当屏蔽环一侧被覆盖后，靠近该侧的最外缘电极单元的测量值明显升高。而其它电极单元上的测量值较为均匀一致。

图6 非均匀屏蔽环时在均匀背景下的EIS成像

3 健康人测量数据的初步评估

由物理模型的实验结果可知，当屏蔽环宽度>5 mm时，电场边缘效应对EIS成像结果的影响程度减弱。为此，我们选择屏蔽环宽度为7 mm的8×8电极对一组健康人（6个志愿者）的乳腺进行测量，通过EIS采集原始数据分析验证屏蔽环对人体乳腺成像结果的影响。

每人测量16帧数据。共得到96帧实验数据，然后统计测量电极阵列中每个电极出现最大值的概率。我们将每个电极单元定义坐标，如电极单元（1，1）表示第一行第一列处对应的电极单元。发现出现最大值的高概率的电极单元依次为电极单元（2，8）、电极单元（1，1）、电极单元（1，2）、电极单元（8，1）和电极单元（1，8）。其对应的出现最大值的概率值分别为5.21%、4.17%、4.17%、4.17%和3.13%。而统计最大值出现在最外侧电极的概率和为59.37%。理论上若对健康乳房进行测量，则流过单元电极上的电流应该近似相等。所以每个电极单元出现最大值的概率应该相同。而最外层单元电极的总数共28个占总单元电极数（64）的43.7%，若测量值均匀分布则最大值在最外层电极出现的概率接近与43.7%。

4 讨论

在EIS检测中，电场边缘效应可以产生伪影并且影响成像结果，甚至于可以掩盖对有用信息的检测，为检测电极阵列增加屏蔽环可以抑制边缘效应。本文利用EIS仿真模型和物理模型实验研究了电极屏蔽环对EIS检测结果的影响规律。根据仿真实验，可见随着屏蔽环宽度的增加，电场边缘效应对EIS检测结果的影响减少，表现为检测电极阵列上电流分布趋于一致。同样在EIS物理模型实验中，可见当屏蔽环宽度太窄时，则流过边缘电极阵列单元的电流会增大，屏蔽环宽度>5 mm时，EIS检测结果受边缘效应的影响减少，流过各个电极单元的电流趋于均匀一致。

仿真实验和物理模型实验均表明，屏蔽环的宽度是抑制EIS边缘效应影响的一个重要指标，而且从仿真和物理模型实验结果中也可看到屏蔽环宽度对边缘效应抑制程度的变化规律是一致的。根据仿真结果（图2c）我们可以从屏蔽环的宽度，判断其对EIS边缘效应的抑制程度，这使得利用仿真模型指导EIS检测电极屏蔽环的设计成为可能。虽然如果将屏蔽地环宽度一直增加可以进一步降低边缘效应，但显然这样的方法不能用于实际设计中。原因阐述为如下两个方面：首先EIS检测中电流信号部分从屏蔽环流走。因此当屏蔽环宽度增大时，流过检测电极阵列的电流幅度就会降低，为采集高精度信号带来困难。另一个方面，当屏蔽环宽度加大时会使得EIS检测电极面增大，这会造成检测电极和被测物体表面接触困难，不利于良好接触。因此，EIS检测电极屏蔽环宽度应该是一个考虑实际应用的折中设计。在本文物理模型实验中，当屏蔽环宽度>5 mm时，流过各个电极单元的电流较为均匀一致，对目标体检测的影响程度降低，目标体的成像不会被电场边缘效应的噪声淹没。进一步结合EIS仿真分析和物理模型实验结果，可见对于EIS的8×8检测电极阵列其屏蔽环宽度应该大于5 mm。

本文实验中我们发现在EIS实际检测中，电极阵列的屏蔽环若和目标体接触不均匀，如非均匀屏蔽环的测量电极在均匀背景下成像的结果，会影响电极单元上流过电流的正常值，因此在实际测量中特别是临床检查中要保证，电极屏蔽环和被测目标表面紧密接触。对于该结论在初步人体实验中进一步得到证实，由于测量过程中一些人为因素造成屏蔽环和人体不能完全接触良好，使得测量值中靠近屏蔽环的电极单元出现最大电流值概率较大。对于该现象应该提示操作者在操作过程中尽量保证屏蔽环和人体皮肤的接触良好。同时也要求在电极设计时，选择和人体接触好的材料，以保证整个电极和皮肤良好接触。

从以上分析可以看到电极阵列周围的屏蔽环对EIS测量数据有较大的影响，应该设计合理宽度的屏蔽环以使成像效果达到最佳，同时提示在临床操作中在保证电极阵列与皮肤的良好接触时，也要保证屏蔽环和皮肤的良好接触。