【摘要】：乳腺癌是危害婦女健康和生命的最常見惡性腫瘤之一。早發(fā)現(xiàn)、早治療是降低死亡率的重要手段。目前臨床上常見的乳腺癌檢測技術(shù),如X線鉬靶、超聲、MRI等,在很大程度上提高了乳腺癌診斷的準(zhǔn)確度。但是由于存在放射性、或?qū)Σ僮髡咭蕾囆詮?qiáng)、或設(shè)備昂貴等不足,尚不能滿足對(duì)早期乳腺癌進(jìn)行大規(guī)模篩查的臨床需求。乳腺電阻抗掃描成像(Electrical Impedance Scanning,EIS)作為一種新型的乳腺癌檢測技術(shù),具有價(jià)格低廉、無創(chuàng)、無輻射、操作簡便和功能成像等優(yōu)勢。它對(duì)早期癌變信息敏感,在早期乳腺癌篩查方面具有良好的應(yīng)用前景,現(xiàn)已進(jìn)入臨床研究階段。乳腺EIS根據(jù)乳腺癌組織與正常組織的電阻抗特性存在顯著性差異,實(shí)現(xiàn)對(duì)乳腺癌的檢測。它通過測量乳房表面的電流信號(hào),得到乳腺內(nèi)部的電阻抗分布。由于其靜態(tài)成像的特點(diǎn),在通過該方法對(duì)乳腺內(nèi)部的電阻抗信息進(jìn)行提取時(shí),電極-皮膚界面的電阻抗也同時(shí)被提取,并且二者處于疊加狀態(tài),因此電極-皮膚界面的特性與乳腺EIS中的信息提取密切相關(guān)。目前,針對(duì)電極-皮膚界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究一直是國內(nèi)外研究者所關(guān)注的重點(diǎn)。本課題組首次提出將EIS技術(shù)用于乳腺癌的早期篩查應(yīng)用中,對(duì)eis的檢測速度、檢測穩(wěn)定性和易操作性等提出了更高的要求,對(duì)電極-皮膚界面的性能也同樣提出了新的要求。本研究旨在對(duì)電極-皮膚界面的性能進(jìn)行優(yōu)化,并抑制其對(duì)乳腺eis成像的影響,具有重要的理論意義和臨床價(jià)值。本論文研究內(nèi)容如下:(1)乳腺eis成像中電極-皮膚界面特性及影響的仿真研究電極-皮膚界面包括皮膚組織層、耦合層和電極陣列三層結(jié)構(gòu),其特性主要指電阻抗特性。首先,基于等效電路模型分析方法,進(jìn)一步明確電極-皮膚界面的三個(gè)特性指標(biāo)(電極-皮膚界面阻抗(esii)的大小、均勻性及耦合層的電導(dǎo)率)與乳腺eis成像的影響關(guān)系。其次,借助有限元仿真研究分別探索了耦合層的電導(dǎo)率對(duì)乳腺eis的檢測能力及電極間信號(hào)串?dāng)_的影響,發(fā)現(xiàn)在模擬真實(shí)檢測方式的情況下,耦合層電導(dǎo)率的最優(yōu)取值范圍為0.35s/m~0.8s/m,為下一步探索新型的耦合層介質(zhì)材料提供了理論依據(jù)。最后,通過仿真研究分析了電極-皮膚界面局部異常所引起圖像偽影的特征,為下一步探索此類偽影的識(shí)別及校正方法奠定了基礎(chǔ)。(2)改善電極-皮膚界面性能的方法研究在仿真研究的基礎(chǔ)上,本研究探索了三種耦合層介質(zhì)材料(離子膜dsicm-a、dsicm-b和dsicm-c),分別構(gòu)成三種新型電極-皮膚界面,并將其與現(xiàn)有的cfgtl界面和曾使用的耦合劑界面進(jìn)行了對(duì)比研究。首先,利用四電極推導(dǎo)法,通過在體測量的方式對(duì)五種界面的電極-皮膚界面阻抗(esii)進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)三種離子膜界面的esii比cfgtl界面下降了20%~25%,并且穩(wěn)定性更高。最后,通過臨床測試對(duì)比了五種界面下乳腺eis測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量,綜合評(píng)估表明dsicm-c界面的性能最佳。相比于現(xiàn)有的cfgtl界面,電流信號(hào)的均值分別提升了10.8%,單幀測量數(shù)據(jù)的離散性分別下降了9.2%,測量結(jié)果的可重復(fù)性提高了24.1%。(3)電極-皮膚界面局部異常引起圖像偽影的抑制方法研究電極-皮膚界面局部異常會(huì)導(dǎo)致圖像偽影,影響乳腺eis診斷結(jié)果的可靠性。在仿真研究的基礎(chǔ)之上,提出了雙向梯度分析法和奇異值分解法兩種偽影識(shí)別方法,并分別利用仿真數(shù)據(jù)及臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:兩種方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)中的偽影信息可以準(zhǔn)確識(shí)別;兩種方法聯(lián)合使用時(shí),可以將臨床數(shù)據(jù)中偽影的識(shí)別率由現(xiàn)有閾值法的65.0%提升到87.6%。在此基礎(chǔ)上,提出了基于奇異值分解法的偽影數(shù)據(jù)校正方法,經(jīng)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證,該方法可以有效抑制圖像偽影,增強(qiáng)對(duì)圖像中有用信息的辨識(shí)。(4)通過對(duì)乳腺EIS擴(kuò)頻改善電極-皮膚界面性能的探索性研究相關(guān)研究表明,擴(kuò)寬乳腺EIS的掃描頻率可以進(jìn)一步改善電極-皮膚界面的性能,并可以提供更加豐富的乳腺組織電阻抗頻譜信息。在現(xiàn)有乳腺EIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,為了實(shí)現(xiàn)將其最高掃描頻率從200 kHz提高到500 kHz,本研究主要針對(duì)前置級(jí)信號(hào)檢測模塊進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先,提出了適用于高頻檢測的前置級(jí)檢測方案;然后,通過測試確定了能夠滿足高頻信號(hào)測量的運(yùn)算放大器芯片AD4637-1和控制電極通道切換的2選1模擬開關(guān)芯片ADG333A;最后,完成了前置級(jí)檢測模塊硬件電路的設(shè)計(jì)。本研究為后續(xù)的乳腺EIS硬件擴(kuò)頻工作奠定了基礎(chǔ)。綜上,在仿真研究的基礎(chǔ)之上,本研究探索了一種性能更佳的耦合層介質(zhì)材料,有效地改善了電極-皮膚界面的性能;針對(duì)電極-皮膚界面局部異常引起的圖像偽影探索了相應(yīng)的識(shí)別和校正方法,經(jīng)仿真數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證,本研究提出的偽影識(shí)別方法可以對(duì)此類偽影進(jìn)行有效識(shí)別,校正方法的使用可以有效抑制此類偽影對(duì)乳腺EIS成像的影響;針對(duì)乳腺EIS硬件系統(tǒng)的擴(kuò)頻進(jìn)行了探索性研究,為進(jìn)一步改善電極-皮膚界面的性能提供了有效途徑。
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【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R737.9
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本文編號(hào)：2400152