多深度层电阻抗断层成像系统技术方案

本发明专利技术的提出的多深度层电阻抗断层成像系统，通过大量不同电极上电压幅值的测量，对人体皮下多个平行与皮肤表面的不同深度层的断层进行检测。在实际医学检测时候，通过大量不同电极上电压幅值的测量，重构出人体皮下的实际阻抗信息。首先要设置电极下的平行与电极盘与皮肤的接触面的多个断层。每个断层的深度是可以根据检测需要预先设定的，然后分别将各个断层进行剖分，即将各个断层剖分成若干个小的区域。则检测的目的就是得到所设定的各个断层中的所有小的区域的相对阻抗值，然后将这些数值用图像表现出来，可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物医学信号检测领域，主要用于生物电阻抗断层检测。
技术介绍
医学电阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律 提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。它通常是借 助置于体表的电极系统向检测对象注入微小的交流测量电流或电压幅值， 检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的 生理和病理信息。具有无创、无害，廉价、安全、操作简单和功能信息丰 富等特点，医生和病人易于接受。从细胞学角度来说，人体的基本构造单位是细胞。人体内所有的生 理功能和生化反应，都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。细胞被--层薄膜所包被，这是一种具有特殊结构和功能的半透性膜，称作细胞膜或 质膜。它允许某些物质有选择地通过，但又能严格地保持细胞内物质成分 的稳定。它把细胞内容物和细胞的周围环境分隔开来，又使细胞通过细胞 膜与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动。细胞膜不但是细胞 和环境之间的屏障，也是细胞接受外界或其它细胞影响的门户。细胞环境 中的各种物理性刺激，体内产生的激素和递质等化学性刺激物，以及进入 人体内的某些药物等，很多都是首先作用于细胞膜，然后再影响细胞内的 各种生理过程。细胞膜还和机体的免疫功能和细胞的分裂、分化以及癌变 等生理和病理过程有密切的关系。正常组织在发生病变，向肿瘤组织发展的过程中，首先将在分子水 平和细胞层次上发生一系列的变化，从而引发与此相联系的电特性(阻抗)变化。肿瘤的本质是细胞的间变，又称退行发育，指的是幼稚细胞在 成长、发育、分化途中误人歧途，发生质变，导致形态、功能、代谢、免 疫、行为的分化不良，成为有特殊表现的肿瘤细胞。肿瘤性增生表现为分 化异常，包括细胞形态、功能、代谢、免疫行为等多个方面，如肿瘤细胞 大小、形状、排列上的多形性，核质比例增大、染色质浓集、核分裂象质 与量的异常，原有功能的缺失、异常功能(运动、失接触抑制、异位激素 分泌)的显现，特殊代谢表现(细胞膜离子变化、合成代谢亢进、有氧糖酵解导致大量乳酸形成、酶系变化等)，兔疫变化(胚胎性抗原AFP、 CEA 的产生、某些相对特异抗原的形成)，以及行为的改变(侵袭、浸润、转移) 等。伴随着上述肿瘤细胞异形性变化和肿瘤组织结构的异形性变化，组织 阻抗特性也必然要同步地发生相应的改变。当组织形成肿瘤或发生癌变 时，可释放一种血管因子，刺激肿瘤产生大量滋养血管，且多分布在肿瘤 进展的边缘或从肿瘤外周插入肿瘤内。因而肿瘤及其边界组织新生血管丰 富，血流速度加快，血液供应增加，由此发生的组织阻抗变化十分明显。 因此生物组织阻抗携带着丰富的生理、病理信息。采用相应的技术或方法 生成人体各组织的阻抗分布图像，并通过图像处理，分析和研究生理、病 理状况，在医学临床和研究领域都具有很高的实用价值。采用医学电阻抗 技术可以从细胞层次上提取与组织和器官的功能变化相联系的电特性信 息，从而检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前，在细胞水平开始 发生的生理与病理事件，给出疾病的早期预报或前瞻性信息。生物电阻抗技术中重要的引用领域是生物电阻抗断层成像技术，能给 出人体组织与器官的断层图像，可以检测到组织与器官在尚未出现结构性 改变之前(如肿瘤潜伏期)而实际上却已经发生的组织特性或功能性变化，提供反映分子与细胞生物学变化的预报性或前瞻性信息。生物电阻抗断层成像技术基本的测量方式是基于环形电极排列方式的。 如附图1所示。具体来说，对于一个测量域，通过在测量域四周安放多个电极，依次选 定激励电极并注入交流电流，在产生电流场的同时，测量其他非激励电极 的检测电极之间相对电压幅值。由注入的交流电流和测量的电流电压幅值 数据，以及一些附加信息，例如电极位置信息、横截面剖分情况等，可以 重构电极阵列所在横截面内物体的电导率(或电阻率)的分布，然后用图像 表示出来，从而得到电阻抗断层图像。但是，对于实际检测来说，很多的肿瘤病灶位置是在表皮以下的，使用 传统环形电极排列方式的生物电阻抗断层成像技术来说有很多的弊端。其 主要的局限性在于第一，该方式用途局限于人体的脑，胸腹、肢体等可近似为一个具有 一定电阻抗分布的圆柱型部位，每次只能对电极排列平面所在断层的边缘 进行电场分布的测量，无法得到人体皮下平行与皮肤表面的断层信息。第二，该方式存在检测盲区，检测的大致有效区域如附图2所示。产 生这样现象的原因可以概括为首先，检测的环形平面内，与电极相对较近的区域由于受激励电流的干扰，往往不能得到理想的检测效果。其次， 与电极相对很远的中心区域往往只有微量电流通过，难以得到中心区域的 阻抗的信息。第三，由于电极呈环形排列，其数量和分布上有很大的局限，获得的 信息量较小，图像效果不甚理想。为了解决上述电阻抗断层成像电极系统存在的技术局限性，设想多深度层电阻抗断层成像系统。
技术实现思路
本专利技术的提出的多深度层电阻抗断层成像系统，其检测的原理和构造 与以往的基于环形电极排列方式的生物电阻抗断层成像技术有着根本性的 差别。目的是解决肿瘤病灶发生在表皮以下时，采用基于环形电极排列方 式的生物电阻抗断层成像技术的弊端。提高检测的准确率。本专利技术使用多 深度层电阻抗断层成像系统及其测量方法，通过大量不同电极上电压幅值 的测量，可得到人体皮下平行与皮肤表面的多个不同深度层的断层信息。将大量柱状电极安装在电极盘的一侧并垂直于电极盘成二维分布，电极阵列按拓扑排列，电极盘外形为一平面盘，其分布示意图如附图3所示， 侧面图如附图4所示。如附图5所示，测量时，电极盘压在人体皮肤上，使其与人体皮肤充 分接触，保证电极盘上的所有电极都与人体皮肤紧密接触。在数据釆集系 统控制下将激励电压加载到电极阵列的某一个电极上，该电极即为激励电 流的注入端，则这个电极在该时刻为激励电极。在人体远端(如人体四肢) 安置一电极，使得由激励电极进入人体的电流大部分通过该电极流出人体。 那么整体电流路径如附图5。电流流经的人体组织是存在阻抗的，所以，在电流路径(电流线)上， 各点的电压幅值随电流方向逐渐下降。由于人体组织的阻抗是连续的，所 以电压幅值在数值上也是连续的，而非离散分布的，这样，当激励电流注 入人体后，电流线成发散状，如附图6。每条电流路径上都可以找到某个 相等电压幅值的点。如果将所有电流线上等于该电压幅值的点都连接在一起，则可以找出一个等势面。那么，如附图7，通过选择一系列不同的电 压幅值，则可以找出一系列不同的等势面。如果人体组织的阻抗是均匀分布的，那么所有电流线在相等路径上的 电压幅值降是相等的。则等势面与电极盘与皮肤的接触面之间的交线是一 个标准圆形。也就是说离激励电极距离相等的各个点上的电压幅值是相等 的。这些点应该在同一个等势面上。如果电极盘上的电极与人体皮肤充分 接触，电极盘上的电极间距足够紧密，则离激励电极距离相等或相似的各 个电极上的电压幅值是相等或相似的，该电压幅值是指数据采集系统控制 下检测某个非激励电极与人体远端安置的电极之间的电压幅值差。也就是 说，如果人体组织是均匀的。则所检测的离激励电极距离相等或相似的各 个电极上的电压幅值数值是相等或相似的。 一旦人体组织中存在某些功能 性变化所导致某个区域的人体组织与周围组织之间的阻抗存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多深度层电阻抗断层成像系统，包括电极盘、数据采集系统、信号处理系统、控制系统、ＰＣ机等几大部分组成，电极盘上安置大量电极阵列、通过数据采集系统选择电极盘上某个电极作为激励电极，同时完成其他各个电极上电压幅值的测量，往复以上过程，通过对大量不同电极上电压幅值的测量所得到的数据进行处理和计算，由ＰＣ机完成图像的输出。

【技术特征摘要】
1. 一种多深度层电阻抗断层成像系统，包括电极盘、数据采集系统、信号处理系统、控制系统、PC机等几大部分组成，电极盘上安置大量电极阵列、通过数据采集系统选择电极盘上某个电极作为激励电极，同时完成其他各个电极上电压幅值的测...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙洪，王妍，韦军，汪磊，赵舒，任超世，
申请(专利权)人：中国医学科学院生物医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]