EIS检测电极屏蔽地环宽度对成像结果的影响

                    作者：王侃，付峰，季振宇，尤富生，刘锐岗，史学涛，董秀珍

【摘要】  目的： 评估电阻抗乳腺扫描（EIS）技术中检测电极阵列周围屏蔽地环大小对系统检测性能的影响，并针对64电极阵列提出合适的地环宽度. 方法： 在64电极的物理模型中模拟人体乳腺组织分布，采用相同电极阵列、不同屏蔽地环宽度的检测电极，分别检测均匀背景溶液、同一体积和深度的琼脂目标体，对比测量结果. 人为使用绝缘材料遮盖检测电极屏蔽地环，测量30例女性志愿者，观察地环屏蔽前后的数值变化. 结果： 屏蔽地环宽度越小，电场边缘效应越明显，测量数据的离散性呈以下趋势： 0 mm>2 mm>3 mm>5 mm>7 mm. 在临床检查中，屏蔽地环的不良接触同样影响EIS成像质量. 结论： 电极屏蔽地环宽度大小对于EIS成像中检测性能的影响至关重要，介于5～7 mm之间的屏蔽地环宽度对于64电极阵列较为合适.

【关键词】  电阻抗扫描；电极；屏蔽地环

　　0引言

　　电阻抗乳腺扫描（electrical impedance scanning, EIS）是利用正方形电极阵列对乳腺组织体表电流进行测量，得到二维阻抗成像图的一种全新的乳腺疾病诊断技术［1-2］. 临床应用中发现，电极屏蔽地环的接触不良会造成EIS成像伪影，直接影响成像结果. 目前有关屏蔽地环宽度与EIS成像结果关系的研究尚较少报道［3］. 本实验通过探讨不同屏蔽地环宽度对于电场边缘效应及系统检测性能的影响，旨在针对EIS系统64电极阵列选择合适宽度的屏蔽地环.

　　1材料和方法

　　1.1材料用于EIS测量的64电极物理模型系统［4］，电阻率为1200 Ω·cm的NaCl溶液，电阻率为300 Ω·cm，体积为5 mm×5 mm×10 mm圆柱体琼脂. 检测电极选用8×8正方形镀金电极板，电极阵列四周的屏蔽地环宽度分别为0，2，3，5和7 mm. 电阻抗乳腺诊断仪Angelplan?EIS1000［5-6］，激励电压幅值0.1～2.5 V可调，频率50～20 kHz可调. 绝缘胶布，耦合剂. 选择乳腺健康志愿者30例. 入选标准： 年龄范围20～50岁，乳房皮肤表面无破溃、损伤，不在孕期及哺乳期的女性.

　　1.2方法

　　1.2.1均匀背景溶液测量将电阻率为1200 Ω·cm的NaCl溶液作为背景溶液注入64电极物理模型中模拟阻抗均匀的乳房组织，固定检测电极和驱动电极之间距离为90 mm. 分别更换不同宽度的屏蔽地环电极作为检测电极对均匀的背景溶液扫描测量，对比成像结果.

　　1.2.2同一深度目标体测量将电阻率为300 Ω·cm的琼脂目标体用细线固定后，吊置于电阻率为1200 Ω·cm的均匀背景溶液中，保持琼脂块的长度方向和电力线水平，圆形横截面和电力线垂直，与检测电极板的距离固定在10 mm，固定检测电极与驱动电极板之间距离为90 mm. 更换不同宽度的屏蔽地环电极作为检测电极对目标体在相同测量距离下扫描测量，对比成像结果.
 
　　1.2.3临床测量使用电阻抗乳腺诊断仪对30例女性志愿者进行测量，扫描过程中用绝缘胶布覆盖整个64检测电极的屏蔽地环（7 mm宽），模拟临床使用中屏蔽地环接触不良现象，对比覆盖屏蔽地环前后的实验结果.

　　1.2.4数据评估比较使用不同宽度屏蔽地环得到的EIS测量数据波动范围，?=DMAX-DMIN〖〗DMIN×100%，其中?表示数据波动范围，DMAX表示数据最大值，DMIN表示数据最小值.

　　2结果

　　2.1均匀背景溶液成像结果测量结果如图1所示. 屏蔽地环宽度越小，EIS灰度图的成像越黑且图像的四周一圈会出现白色发亮区域. 随着屏蔽地环宽度的增大，这种现象逐渐消失，边缘的发亮区域逐渐减弱，并且成像效果有所改善. 在三维成像图中显示当屏蔽地环宽度<5 mm时，四周的数值高于中心区域的数值，即电极阵列周边电极单元的测量数值较大，数据波动明显；当屏蔽地环宽度≥5 mm时，电极阵列周边电极单元的测量数值逐渐变小，数据的一致性逐渐提高. 测量数据的波动范围可知，?0 mm=186.8％>?2 mm=34.3％>?3 mm=24.1%>?7 mm=12.6％>?5 mm=9.2％. 因此当屏蔽地环宽度在5～7 mm之间时，EIS测量数据稳定性最高.

　　2.2同一深度目标体成像结果如图2所示. 随着屏蔽地环宽度的增加，物理模型中同一体积、同一深度目标体所引起的电场扰动有不同体现. 当屏蔽地环宽度<3 mm时， EIS成像结果中，除了周围边缘一圈有白色区域出现，图像中心仍以黑色为主，目标体完全不能成像；当屏蔽地环宽度≥5 mm时，检测电极可以检测到电场中的电流变化，并且在图像中心区域有高亮表现. 对应其三维成像图，随着屏蔽地环宽度的增加，四周区域数值逐渐减小、中心区域数值逐渐增大，目标体引起的扰动得以体现.

　　A： EIS扫描所得实部数据的灰度图； B： 实部数据的三维成像图. 0 mm地环： 屏蔽地环宽度0 mm； 2 mm地环：屏蔽地环宽度2 mm； 3 mm地环：屏蔽地环宽度3 mm； 5 mm地环：屏蔽地环宽度5 mm； 7 mm地环：屏蔽地环宽度7 mm.

　　图1不同地环宽度的纯溶液成像图（略）

　　A： EIS扫描所得实部数据的灰度图； B： 实部数据的三维成像图. 0 mm地环：屏蔽地环宽度0 mm； 2 mm地环：屏蔽地环宽度2 mm； 3 mm地环：屏蔽地环宽度3 mm； 5 mm地环：屏蔽地环宽度5 mm； 7 mm地环：屏蔽地环宽度7 mm.

　　图2不同地环宽度的目标体成像图（略）

　　2.3临床测量结果电极屏蔽地环覆盖后，电极阵列四周一圈测量数据的数值明显增大，在EIS灰度图上表现为中心黑、四周亮，在三维成像图上显示四周的数值高于中心区域的数值，同图1中0 mm地环成像结果. 根据EIS测量数据变化趋势也可以看出这一现象，图3中电极屏蔽地环粘贴绝缘胶布后所得数据每7个电极点出现一次高峰值（电极边缘区），且整个曲线两端的数值较平均值大，即8×8电极阵列中，边缘阵列的数值较中间阵列的数值大；而数值在6×6电极区域中，波动范围小，一致性好. 屏蔽地环覆盖前测量数据的电压平均值为0.0863 V. 对于屏蔽地环被覆盖后的测量结果，紧邻屏蔽地环的外圈数据的电压平均值为0.172 V，而去掉最外层数据后6×6个数据点得到的电压平均值为0.0879 V，接近正常测量结果的平均值.

　　A： 屏蔽地环覆盖前EIS测量数据变化趋势； B： 屏蔽地环覆盖后EIS测量数据变化趋势.

　　图364电极屏蔽地环覆盖前后测量数据（略）

　　3讨论

　　EIS电阻抗扫描成像中，电流的流向从驱动电极到检测电极，为了减小电场边缘效应的影响，需要在电极阵列外围添加电流屏蔽接地环. 我们通过64电极物理模型仿真实验研究发现，只有设计合理的屏蔽地环的宽度才能使电极阵列周边电极单元上的测量值和其它区域电极单元上的测量值一致性较好. 对于同一目标体，同一测量深度条件下，屏蔽地环宽度越小(<5 mm)，测量数据的离散性越大，对目标体的识别能力也就越差. 只有继续增大目标体体积或者缩短目标体与检测电极之间的距离，才可以检测到目标，明显影响了检测电极对目标体的识别能力. 因此，屏蔽地环宽度过小会影响到系统对目标体识别和对目标测量深度的识别能力. 同样，屏蔽地环宽度过大也会系统的检测精度. 当选择屏蔽地环宽度在7 mm时，电极阵列周边电极的测量值会出现较其它区域测量值偏低的现象，引起数据波动范围的增大，造成测量伪影，影响检测精度. 因此作为EIS临床使用的检测电极，屏蔽地环宽度可在5~7 mm之间考虑.

　　临床测量结果中，检测电极的屏蔽地环被覆盖后，造成屏蔽地环的不良接触，加强了电场边缘效应，致使电极阵列边缘附近的数值明显增大，直接影响整体数据的一致性，引起较大偏差，明显降低了系统的成像效果和检测精度. 因而，EIS临床扫描时不但要保证检测电极中8×8电极阵列与皮肤接触良好，还必须确保屏蔽地环和皮肤充分接触，减小边缘电流的干扰，提高成像质量.

【】
  　　［1］ Stojadinovic A, Nissan A, Gallimidi Z, et al. Electrical impedance scanning for the early detection of breast cancer in young women: Preliminary Results of a multicenter prospective clinical trial［J］. Clini Oncol, 2005, 23:2703-2715.

　　［2］ Michael H, Flory D, Cacilia S, et al. The negative predictive value of electrical impedance scanning in BI?RADS category IV breast lesions ［J］. Invest Radiol, 2005, 40:478-485.

　　［3］ Steren P, Tor D, Wendy A, et al. Electromagnetic Breast Imaging: Results of a Pilot Study in Women with Abnormal Mammograms ［J］. Radiology, 2007,243:350-359.

　　［4］ 季振宇，付峰，王侃，等. 电阻抗扫描成像物理模型仿真实验研究［J］. 航空航天医学杂志, 2005,18(2):130-134.

　　［5］ Liu R, Dong X, Fu F, et al. Primary Multi?frequency Data Analyze in Electrical Impedance Scanning ［J］. Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2005, 2：1504-1507.

　　［6］ Liu R, Dong X, Fu F, et al. Multi?frequency parameter mapping of electrical impedance scanning using two kinds of circuit model ［J］. Physiol Meas, 2007,28：85-100.