用于乳腺癌检测的电阻抗扫描信号分析

摘要

乳腺电阻抗扫描成像(Electrical Impedance Scanning,EIS)技术是一种极具前途的无创乳腺恶性肿瘤检测技术。研究表明,生物组织的电导率和电容率会随着频率变化而变化,并且不同的组织具有不同的频响特性,据此可对乳腺组织进行特性分析。EIS即以生物组织的电阻抗特性作为理论依据,通过向人体注入安全多频激励电流,采集响应信号,恢复出乳腺组织的电导分布情况,以检测乳腺组织的止常与否。该技术安全,方便,非侵入,无辐射,因此具有较为良好的应用前景。 本文采用实验室研制的乳腺电阻抗扫描检测系统,对在200Hz～20kHz相对较低的频率范围内扫描测量所得的病例导纳数据进行分析。研究发现,由于人体组织固有的复杂性,以及检测过程中的一些系统影响因素,使用Cole等效模型的简化模型拟合的测量数据在高频数据段具有较大的误差。文章验证了这种误差是由于模型的不匹配所导致的。针对在高频段复阻抗值随频率增加而增加的情况,本文推测,随着频率的增高,在测量的过程中产生了含有感抗性质的效应元件,并提出在Cole简化模型的基础上串联一个恒相位元(CPE),来拟合这一成分。使用非线性最小二乘方法对新的模型进行拟合,发现与测量数据符合较好,特别是可以大大减小高频段的误差。新的模型考虑了实际测量中存在的一些问题,进一步保证了特征参数的有效性。 从乳腺电阻抗数据的等效模型中可以提取多个特征参数,这些特征参数对表征乳腺组织的电特性具有一定的意义,有些参数或参数的组合已经被人为的赋予了物理意义,有些参数则是一种经验性的表示,因此可以利用这些参数来进行乳腺癌的识别。本文考虑对这些参数进行多元分析,提取非参数性的或参数性的统计量进行识别。由于乳房组织的个体差异比较明显,本文提出使用单个病例检测数据的参数整体分布作参考,使其他检测区域与该参考分布做相似性或相异性比较,以获取衡量组织正常与否的评价参数用于成像。文中使用了相关系数法求取该相似性测度,并应用于成像,得到了较好的效果。 本文最后对乳腺电阻抗研究工作进行了总结和展望,给出了本研究所完成的主要研究工作,指出了在研究工作中尚存在的难点和尚需解决的问题,及对本课题今后的研究展望。

目录

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声明

第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究状况

1.2.1电阻抗扫描成像技术

1.2.2电阻抗断层成像

1.2.3磁感应成像

1.3论文的目的与意义

1.4论文的组织

第二章乳腺电阻抗扫描理论及系统

2.1电阻抗理论基础

2.1.1组织的电介质特性

2.1.2生物组织的频散特性

2.2电阻抗分析方法

2.2.1图解法

2.2.2电学模型法

2.2.3电场模型分析法

2.3乳腺电阻抗扫描成像

2.3.1成像原理：

2.3.2 EIS系统简述

2.4乳腺电阻抗扫描系统分析

2.4.1电压对信噪比的影响

2.4.2多通道间的差异性分析

2.4.3边界效应

第三章阻抗模型及特征参数的提取

3.1皮肤阻抗与接触阻抗

3.2等效模型的建立

3.2.1考虑皮肤阻抗的等效模型

3.2.2考虑高频阻抗值的等效模型

3.3模型的最小二乘拟合和参数求解

3.3.1使用圆函数进行最小二乘求解

3.3.2使HJ Levenberg-Marguardt方法求解

3.4拟合结果及讨论分析

3.4.1拟合结果比较

3.4.2讨论分析

3.5本章小结

第四章EIS数据分析

4.1特征参数分析

4.1.1特征参数及其识别意义

4.1.2使用单个参数的识别分析

4.2多参数分析方法

4.2.1相似性测度

4.2.2相异测度-距离法

4.2.3主成分分析法

4.3实验结果及讨论

第五章总结和展望

致 谢

在校期间发表论文

参考文献