（一）電阻抗掃描檢測硬體數據採集系統
電阻抗掃描數據採集系統主要包括激勵源，檢測電極，以及信號測量模組三大部分。電阻抗掃描檢測基於電壓激勵電流檢測的模式，通過對目標體施加一定的交流電壓，然後採集流過檢測電極陣列上的電流信號並進行後續處理分析。激勵源和檢測模組的性能直接影響數據採集系統的性能。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖 1 電阻抗掃描檢測硬體數據採集系統
對應於在每個檢測電極單元處，為實現電流信號檢測，通常採用如圖2所示傳統的經阻抗（trans-impedance）技術進行測量。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖2傳輸阻抗測量原理圖
（二）數據採集系統關鍵指標
激勵源、信號檢測、信號採集是EIS數據採集系統的關鍵單元模組，激勵源的輸出特性、檢測系統的信噪比、檢測靈敏度、檢測精度、重複性、通道串擾、採集速度等是EIS數據採集系統的關鍵指標。
1. 激勵源的頻率及幅度
生物組織的電阻抗具有頻率相關的特性。在進行電阻抗掃描檢測時，對目標體施加不同的激勵頻率，通過檢測可以得到相應頻率下的組織電阻抗特性。為了獲得測量目標的頻譜特性及更豐富的阻抗信息，通常需要進行電阻抗掃描檢測多頻參數分析，因此激勵源的輸出信號頻率範圍是電阻抗掃描檢測技術的一個關鍵指標。同時在進行生物體的電阻抗檢測時，需要考慮生物體的安全測量電流範圍，通常電流安全閾值與頻率相關性較大，所以激勵源的幅度也是一個關鍵指標。
激勵源輸出頻率和幅度的測試方法。可以採用示波器進行檢測，根據本儀器提供的激勵信號的幅度和頻率範圍，可選擇任一頻率與幅值的組合參數進行檢測。
2. 系統信噪比
信噪比的定義與檢測類電子設備的信噪比定義一致，反映電阻抗掃描硬體系統所提取的有用信號與噪聲的比例。計算方法是20Lg（Vs/Vn），Vs 和Vn分別代表信號和噪聲電壓的“有效值”。信噪比越大表明系統抑制噪聲的能力越強，系統的檢測精度越高。
3. 檢測靈敏度
靈敏度反映電阻抗掃描硬體系統對被測目標體內電阻抗微弱變化的檢測能力，是系統設計的關鍵指標之一。設被測目標體的初始電阻抗值為Z，當目標體電阻抗值發生△Z的變化時，如果能夠被系統檢測到，則系統的檢測靈敏度定義為：△Z/Z ×100%。如圖所示為系統靈敏度檢測電路，Zt為基礎測量阻抗，通過開關選擇可以將Z1（或Z2、Z3）與Zt並聯獲得一組新的待測阻抗，使新的待測阻抗值相比基礎阻抗值Zt發生微弱的變化。根據硬體系統可檢測到的最小阻抗變化，可以計算得到系統的檢測靈敏度。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖 2 系統靈敏度測試接線圖
4. 檢測精度
精度反映系統對被測目標體電阻抗值檢測的準確性，系統的檢測精度誤差需要設計在系統靈敏度範圍內。在實際檢測時，通常首先選定高精度阻抗模組Z作為待測模組，然後將其接入系統檢測電路，如果系統測量得到的阻抗值為Z’，則利用公式S=|Z’-Z|/Z×100%可以得到系統的測量精度。
5. 測量重複性
為了保證系統在檢測過程中的準確度，系統必須具備穩定性，測量重複性是反映系統穩定性的指標。系統重複性指在測量條件不變的情況下，系統檢測待測目標電阻抗值的穩定性。系統重複性指標需要進行多次測量，計算多次測得的阻抗值的平均值（記為Z）和標準差（記為S），重複性用公式CV =S/Z×100%表示。
6. 通道串擾
電阻抗掃描檢測成像系統採用多單元電極陣列進行信號檢測，單元電極數有8×8、11×11、16×16等多種，由於單元電極分布緊密，且每個單元電極對應一個檢測通道，因此系統性能設計需要考慮檢測通道間串擾，特別是在頻率較高時，通道間更易發生串擾影響。系統通道串擾指標，反映單一測量通道的測量結果受鄰近通道的干擾程度。
在進行通道串擾檢測時，設定固定的激勵頻率和電壓，在任意一個測量通道上串接一個已知電阻抗值的待測目標，電極的其餘通道接地。檢測系統同時可獲取待測目標串聯通道及相鄰通道的測量值（分別記為X參考，Y接地）。通道串擾用20log(Y地/X參考)計算獲得。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖3 通道串擾 測試接線圖
7. 數據採集速度
數據採集速度反映電阻抗掃描檢測系統的檢測速度，即每秒可完成的採集幀數。單幀數據包含來自每個電極單元的測量數據，所以數據採集速度不僅與系統的採集處理性能相關，也與電極單元數目相關。為了實現實時電阻抗掃描成像，要求系統的數據採集速度至少達到25幀/秒以上。
（三）套用舉例
目前電阻抗掃描檢測系統多用於乳腺癌的早期檢測，代表性的硬體數據採集系統有TransScan公司的系列設備、韓國慶熙大學的系列設備、以及第四軍醫大學的系列設備。
1. T-SCAN系列設備
以色列的TransScan研究小組於2001年報導其開發的TS2000乳腺癌檢測系統，該系統基於電阻抗掃描檢測成像的原理實現，根據文獻報導，激勵源輸出頻率範圍100Hz~100kHz，幅度範圍1~2.5V。系統在低頻（100H組）時的信噪比約70dB，高頻（接近100kHz）時的信噪比約40dB。對於電容範圍20pF~1nF及電導範圍1~20uS的電阻抗目標體，其檢測精度為5%。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖4 T-SCAN系列乳腺檢測設備
2. 韓國慶熙大學的系列設備
韓國慶熙大學2012年報導了他們用於乳腺檢測電阻抗掃描系統樣機，該設備的工作頻率為50Hz~500kHz，在全頻段下系統的信噪比優於70dB。系統工作在低於10kHz時，通道串擾小於-98.5dB，工作在500kHz時，通道串擾小於-60dB。由於該系統採用的陣列電極單元數為3600個，在5kHz時完成一幀數據的測量需要1.6s，而隨著頻率的增加數據採集速度逐漸增大，在10kHz時可以實現15幀/秒的採集速度。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 圖5 慶熙大學夾板式EIS檢測系統
3. 第四軍醫大學的系列設備
第四軍醫大學小組2004年成功研製出第一代乳腺EIS檢測設備，Angleplan-EIS1000型電阻抗成像檢測儀，並通過醫療儀器安全性檢測；2010年研製了第二代乳腺EIS檢測設備，該設備激勵頻率輸出在100Hz~200kHz之間，輸出幅度在0.5~3.3V之間可調，系統信噪比在70dB。檢測信號的通道串擾-60dB，系統可以檢測到2×2×2目標體距離檢測電極9mm處的電阻抗擾動變化，採用8×8電極陣列進行信號檢測，當檢測頻率大於4kHz時，系統可以實現25幀/秒以上的數據採集。
電阻抗掃描成像數據採集系統及其關鍵技術指標 （ A ） Angleplan-EIS1000 （第一代） （ B ） CareScan-5000 （第二代）
圖6 第四軍醫大學乳腺電阻抗成像檢測儀
擴展閱讀
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