基于三维直接图像重建的多频电阻抗成像技术研究

Breast cancer is one of the most common malignant tumors that harm women's health, and its early detection and diagnosis can greatly improve the cure rate, which has important practical significance. Electrical impedance tomography (EIT) is a technology that aims to reconstruct the electrical conductivity distribution in the human body. It has the advantages of non-radiative and non-invasive, and is an important supplementary means for breast cancer monitoring. With the improvement demand on clinical monitoring in recent years, a high-performance 3D EIT technology for breast cancer is highly desired. Aiming to solve the key problems in the multi-frequency impedance measurement and 3D image reconstruction for EIT, a multi-frequency impedance measurement method based on the digital recursive demodulation algorithm is firstly proposed in this project. It can effectively improve the impedance measurement speed and flexibility. Then a 3D direct image reconstruction algorithm based on a breast hemisphere model is proposed. The conductivity distribution in the area of mammary tumor tissue can be independently reconstructed and hence the computation amount of 3D image reconstruction can be reduced. By using the impedance spectroscopy information, the precision and quality of the reconstructed images can be further improved. On this basis, a portable EIT measuring instrument and sensor are developed. The experiment based on the breast hemisphere model was carried out to evaluate the performance of the proposed system. The research content of this project can lay the foundation for the clinical data collection, and can be applied to the prediction and diagnosis of breast cancer and the modeling of patient rehabilitation.

乳腺癌是危害女性健康的最常见恶性肿瘤之一，其早期检测与诊断可大幅提高治愈率，具有重要的现实意义。电阻抗成像技术（EIT）是一种以重建人体电导率分布为目标的技术，具有无辐射、非侵入等优点，是乳腺癌诊断的重要辅助手段。近年来随着临床监护需求的提高，迫切需要开发一种高性能的乳腺三维EIT技术。本项目针对EIT技术中多频阻抗测量和三维图像重建等的关键问题，首先提出一种基于数字递推解调算法的多频阻抗测量方法，可有效提高阻抗测量速度和灵活性；其次，提出一种基于乳腺半球模型的三维直接图像重建算法，可对乳腺肿瘤组织区域电导率分布进行独立重建，减少三维图像重建计算量，并利用阻抗谱信息提高重建图像的信息量和质量；在此基础上，研制便携式EIT仪器及传感器，针对乳腺半球仿体模型进行实验，并评价系统性能。本项目的研究内容可为临床大数据收集奠定基础，应用于乳腺癌预测与诊断、病人康复状况建模。

乳腺癌是危害女性健康的最常见恶性肿瘤之一，全球每年约有50万女性死于乳腺癌。中国乳腺癌发病率的增速是全球平均增速的两倍，在全世界排第一，已成为当前社会的重大公共卫生问题。研究表明，早期发现的乳腺癌治愈率达90%以上。乳腺癌的早期发现和诊断，对于减少乳腺疾病的发生、提高患者的生存率意义重大。电阻抗成像技术（EIT）是一种以重建人体电导率分布为目标的技术，具有无辐射、非侵入等优点，正在逐渐发展成为乳腺癌早期检测和诊断的重要补充手段。.本项目突破了EIT技术中多频阻抗测量和三维图像重建等关键技术瓶颈，提出了三维多频电阻抗成像技术，获得了多项重要结果，具体如下：（1）提出了一种多频数字递推解调方法和多频数字式电阻抗测量结构，并在此基础上研制了相应的测量电路。相较于传统的数字解调方法，提高了解调的速度，且具有实现简单、资源消耗少的优点。（2）设计并制作了扁半球形的三维EIT传感器，提出了多种基于直接图像重建和深度学习的二维/三维EIT图像重建算法，相较于传统的重建方法，大大提高了重建性能和适应性。（3）研制了便携式多频电阻抗成像测量系统，开发了相应的上位机软件，并进行了乳腺癌仿体测量实验。在二维乳腺癌仿体检测实验中，针对不同位置、大小的肿瘤仿体目标进行测量以及图像重建，对肿瘤仿体的位置重建误差为3.4%，大小重建误差为1.05%。在三维乳腺癌仿体检测实验中，针对含不同x坐标、z坐标、大小、形状目标物的敏感场进行三维测量以及重建，x轴测量误差为5.83%，z轴测量误差为6.25%，可检测2mm的肿瘤仿体半径变化。且可实现圆球、圆锥、长方体、圆柱、椭球以及双球形状的区分。.本项目研究成果可为乳腺癌患者临床大数据收集奠定基础，所研制仪器将应用于乳腺癌早期筛查与诊断、康复过程监测等，有望成为社区级医院甚至个人日常护理使用的便携式医疗仪器，应用前景广阔。