用于术中乳腺癌病灶边缘界定的病理阻抗测量装置转让专利
申请号 : CN200810052520.1
文献号 : CN100596275C
文献日 : 2010-03-31
发明人 : 王超
申请人 : 天津大学
摘要 :
本发明提供一种用于术中乳腺癌病灶边缘界定的病理阻抗测量装置，该装置包括手持式探头电极、电压控制电流源，信号发生单元、差分放大单元、可编程增益放大单元、解调单元、A/D转换单元、中央处理单元和显示单元，测量时将其电极置于待测组织表面。本发明的有益效果是利用该装置可对术中切除的乳腺癌组织进行快速检测，通过对组织电特性的分析处理，将结果反馈给施术医师，以便快速确定下一步的手术方案，缩短手术时间，减轻病人痛苦。由于采用手持式探头电极，其激励电极与测量电极的相对位置固定，稳定性和可靠性较高，检测结果受外界干扰小，使用操作简便灵活。该装置在临床应用中具有重要的现实意义。
权利要求 :
1、一种用于术中乳腺癌病灶边缘界定的病理阻抗测量装置，该 装置包括手持式探头电极(5)、电压控制电流源(6)、信号发生单元(7)、 差分放大单元(8)、可编程增益放大单元(9)、解调单元(10)、A/D转 换单元(11)、中央处理单元(12)和显示单元(13)；将手持式探头电 极(5)置于待测组织表面，由中央处理单元(12)配置信号发生单元(7) 产生交流激励电压信号，再由电压控制电流源(6)将该电压信号转换为电 流信号，施加于上述手持式探头电极(5)中的一对激励电极，上述手持式 探头电极(5)中的测量电极上的信号首先经差分放大单元(8)初步放大 后，再经由中央处理单元(12)控制下的可编程增益放大单元(9)将信号 调整为适合解调单元(10)输入范围的电压信号，经解调单元(10)解调 后经A/D转换单元(11)转换为数字信号由中央处理单元(12)采集，其 特征是：中央处理单元(12)将采集到的不同频率下的阻抗测量数据按频 率顺序进行分段后，采用最小二乘法对上述分段的数据进行线性拟合，获 取每段阻抗特性曲线的斜率信息，作为组织区分的特征量，再用神经网络 方法对所述特征量进行分析处理，确定组织类型后，将检测结果显示于显 示单元(13)。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种实时检测装置，尤其是一种用于术中乳腺癌病灶边 缘界定的病理阻抗测量装置。
背景技术
乳腺是女性身体的重要器官，乳腺疾病是一种常见病，多发病，病种 多，分类复杂。其中乳腺癌是乳腺疾病的一种，是危害妇女健康的主要恶 性肿瘤之一。
手术是乳腺癌治疗的最重要的手段之一。随着现代医学的进步，对乳 腺癌认识的不断深入及药物、放疗、内分泌和生物学治疗的发展，乳腺癌 手术方法的选择有了较大的变迁，归纳为四大历程，即19世纪末的Halsted 根治术，20世纪50年代的扩大根治术，20世纪60年代的改良根治术和20世 纪80年代以来的保乳手术。保乳手术，就是在完整切除癌瘤前提下，保留 了大部分乳房，基本保持了外形，并配合术后放疗。这可大大减轻病人生 理和心理上的痛苦，提高生活质量，并获得与改良根治术的“传统”方法 相同的长期生存率。为便于施术医师在手术中合理选择组织切除范围，实 时评价手术切缘，确保在手术结束前清除残留病灶，研究一种在术中快速 检测并确定乳腺癌灶边缘的测量装置将会有重大的临床意义。
目前，一般采用的是离体的检测方式，将术中切除的乳腺肿瘤送到病 理科作切片检查，即切除活检，这是获得乳腺疾病组织学诊断最常用的方 法。术中快速冰冻切片检查是现今国内医院常用的方法，虽然是快速冰冻 切片，也需要较长的等待时间，且受取材部位、诊断经验等因素的影响， 与最终的诊断——石蜡切片相比较还存在一定的误差。生物电阻抗测量技 术利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数)及其变化，提 取与人体生理、病理相关的生物医学信息，是一种无损伤检测技术。它通 常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压) 信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信 号计算出相应的电阻抗及其变化，根据不同的应用目的，获取相关的生理 和病理信息。研究表明乳腺癌恶性病灶组织与周围正常组织的生物电特性 有明显不同，利用阻抗测量技术进行术中乳腺癌灶边缘界定具有坚实的理 论依据。
手术是乳腺癌治疗的最重要的手段之一。随着现代医学的进步，对乳 腺癌认识的不断深入及药物、放疗、内分泌和生物学治疗的发展，乳腺癌 手术方法的选择有了较大的变迁，归纳为四大历程，即19世纪末的Halsted 根治术，20世纪50年代的扩大根治术，20世纪60年代的改良根治术和20世 纪80年代以来的保乳手术。保乳手术，就是在完整切除癌瘤前提下，保留 了大部分乳房，基本保持了外形，并配合术后放疗。这可大大减轻病人生 理和心理上的痛苦，提高生活质量，并获得与改良根治术的“传统”方法 相同的长期生存率。为便于施术医师在手术中合理选择组织切除范围，实 时评价手术切缘，确保在手术结束前清除残留病灶，研究一种在术中快速 检测并确定乳腺癌灶边缘的测量装置将会有重大的临床意义。
目前，一般采用的是离体的检测方式，将术中切除的乳腺肿瘤送到病 理科作切片检查，即切除活检，这是获得乳腺疾病组织学诊断最常用的方 法。术中快速冰冻切片检查是现今国内医院常用的方法，虽然是快速冰冻 切片，也需要较长的等待时间，且受取材部位、诊断经验等因素的影响， 与最终的诊断——石蜡切片相比较还存在一定的误差。生物电阻抗测量技 术利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数)及其变化，提 取与人体生理、病理相关的生物医学信息，是一种无损伤检测技术。它通 常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压) 信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信 号计算出相应的电阻抗及其变化，根据不同的应用目的，获取相关的生理 和病理信息。研究表明乳腺癌恶性病灶组织与周围正常组织的生物电特性 有明显不同，利用阻抗测量技术进行术中乳腺癌灶边缘界定具有坚实的理 论依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于术中乳腺癌病灶边缘界定的病理阻 抗测量装置，以便施术医师在手术中合理选择组织切除范围，实时评价手 术切缘，确保在手术结束前清除残留病灶。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于术中乳 腺癌病灶边缘界定的病理阻抗测量装置，该装置包括手持式探头电极、 电压控制电流源，信号发生单元、差分放大单元、可编程增益放大单元、 解调单元、A/D转换单元、中央处理单元和显示单元；将手持式探头电极置 于待测组织表面，由中央处理单元配置信号发生单元产生交流激励电压信 号，再由电压控制电流源将该电压信号转换为电流信号，施加于手持式探 头电极中的一对激励电极，手持式探头电极中的测量电极上的信号首先经 差分放大单元初步放大后，再经由中央处理单元控制下的可编程增益放大 单元将信号调整为适合解调单元输入范围的电压信号，经解调单元解调后 经A/D转换单元转换为数字信号由中央处理单元采集，在中央处理单元控 制下，将结果显示于显示单元，其中：该装置通过所述中央处理单元，对 经A/D转换单元采集的数字信号的处理流程，将采集到的不同频率下的阻 抗测量数据的分段斜率特征量作为神经网络输入，实现组织的辨识。
本发明的有益效果是利用该装置可对术中切除的乳腺癌组织 进行快速检测，通过对组织电特性的分析处理，将结果反馈给施术 医师，以便快速确定下一步的手术方案，缩短手术时间，减轻病人 痛苦。由于采用手持式探头电极，其激励电极与测量电极的相对位 置固定，稳定性和可靠性较高，检测结果受外界干扰小，使用操作 简便灵活。该装置在临床应用中具有重要的现实意义。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于术中乳 腺癌病灶边缘界定的病理阻抗测量装置，该装置包括手持式探头电极、 电压控制电流源，信号发生单元、差分放大单元、可编程增益放大单元、 解调单元、A/D转换单元、中央处理单元和显示单元；将手持式探头电极置 于待测组织表面，由中央处理单元配置信号发生单元产生交流激励电压信 号，再由电压控制电流源将该电压信号转换为电流信号，施加于手持式探 头电极中的一对激励电极，手持式探头电极中的测量电极上的信号首先经 差分放大单元初步放大后，再经由中央处理单元控制下的可编程增益放大 单元将信号调整为适合解调单元输入范围的电压信号，经解调单元解调后 经A/D转换单元转换为数字信号由中央处理单元采集，在中央处理单元控 制下，将结果显示于显示单元，其中：该装置通过所述中央处理单元，对 经A/D转换单元采集的数字信号的处理流程，将采集到的不同频率下的阻 抗测量数据的分段斜率特征量作为神经网络输入，实现组织的辨识。
本发明的有益效果是利用该装置可对术中切除的乳腺癌组织 进行快速检测，通过对组织电特性的分析处理，将结果反馈给施术 医师，以便快速确定下一步的手术方案，缩短手术时间，减轻病人 痛苦。由于采用手持式探头电极，其激励电极与测量电极的相对位 置固定，稳定性和可靠性较高，检测结果受外界干扰小，使用操作 简便灵活。该装置在临床应用中具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明装置的测量信息处理流程图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明装置的神经网络结构图。
图中：
1、频率阻抗信息获取 2、特征提取
3、特征分析 4、检测结果
5、手持式探头电极 6、电压控制电流源
7、信号发生单元 8、差分放大单元
9、可编程增益放大单元 10、解调单元
11、A/D转换单元 12、中央处理单元
13、显示单元 14、输入层
15、隐含层 16、输出层
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明装置的神经网络结构图。
图中：
1、频率阻抗信息获取 2、特征提取
3、特征分析 4、检测结果
5、手持式探头电极 6、电压控制电流源
7、信号发生单元 8、差分放大单元
9、可编程增益放大单元 10、解调单元
11、A/D转换单元 12、中央处理单元
13、显示单元 14、输入层
15、隐含层 16、输出层
具体实施方式
结合附图及实施例说明用于术中乳腺癌病灶边缘界定的病理阻抗 测量装置加以说明。
如图2所示，本发明测量装置的结构及各部分的功能，手持式探头电 极5，采用四电极法，外侧为一对激励电极，内侧为一对测量电极。检测 时将手持式探头电极5置于切除组织表面，测量探头下方生物组织 的频率阻抗信息(包括实部和虚部两部分)。首先由中央处理单元 12配置信号发生单元7产生交流激励电压信号，再由电压控制电流源6将 该电压信号转换为电流信号，施加于手持式探头中的一对激励电极，测量 电极上的信号首先经差分放大单元8初步放大后，再经由中央处理单元12 控制下的可编程增益放大单元9将信号调整为适合解调单元10输入范围的 电压信号，经解调单元10解调后经A/D转换单元11转换为数字信号由中 央处理单元12采集，在中央处理单元12控制下，将结果显示于显示单元 13。
本发明测量装置的检测方法为：测量信息的处理流程如图1所示，共 包括4个步骤，分别为频率阻抗信息获取、特征提取、特征分析和检测结 果，其中前3个步骤都是在中央处理单元12中实现的。在步骤1中，将采 集到的不同频率下阻抗测量数据按频率顺序进行分段，如在0-1.5MHz的频 率范围内，测量800个频率点处的阻抗值，记录为c1、c2……c800，然后根 据各频率段的不同特征，将这些数据均匀或非均匀分配在3-20个频率段 内。然后在步骤2中，利用最小二乘法将选取频段内的数据线性拟合，获 取各频段阻抗特性曲线的斜率信息，为组织区分特征量，因此根据划分的 频率段个数，可获得3-20个区分特征量。采用最小二乘法线性拟合，即 使得该频率段内的所有点((x1，y1)…(xi，yi)…(xn，yn))到拟合直线 的距离的平方和最小，其中，横纵坐标可以根据需要设定为频率-电阻抗实 部、频率-电阻抗虚部、电阻抗实部-电阻抗虚部。设拟合直线的表达式为： y＝ax+b，则利用上述公式，可 以很容易地计算出各频率段内拟合直线的斜率a，作为组织区分界定的特征 量应用于后续工作中。为对各种组织进行区分界定，应用神经网络方法， 对上述选定的特征量进行辨识归类，以确定组织类型，给出检测结论，此 即步骤3的工作。本发明中的神经网络选取3层结构，分别为输入层14、 隐含层15和输出层16，如图3所示，输入层14的神经结点数和步骤3获 得的区分特征量个数一致，输出层16结点数为1，通过样本训练，确定神 经网络内部参数。最后，在步骤4中将检测结果显示于显示单元13。手持 式探头电极5在切除组织表面移动，对其进行检测，若某处判定为癌组 织，则说明此处对应的原位置处的癌组织尚未切除干净，需要进一步切除； 若没有任何位置判定为癌组织，则说明已切除干净，手术结束。
如图2所示，本发明测量装置的结构及各部分的功能，手持式探头电 极5，采用四电极法，外侧为一对激励电极，内侧为一对测量电极。检测 时将手持式探头电极5置于切除组织表面，测量探头下方生物组织 的频率阻抗信息(包括实部和虚部两部分)。首先由中央处理单元 12配置信号发生单元7产生交流激励电压信号，再由电压控制电流源6将 该电压信号转换为电流信号，施加于手持式探头中的一对激励电极，测量 电极上的信号首先经差分放大单元8初步放大后，再经由中央处理单元12 控制下的可编程增益放大单元9将信号调整为适合解调单元10输入范围的 电压信号，经解调单元10解调后经A/D转换单元11转换为数字信号由中 央处理单元12采集，在中央处理单元12控制下，将结果显示于显示单元 13。
本发明测量装置的检测方法为：测量信息的处理流程如图1所示，共 包括4个步骤，分别为频率阻抗信息获取、特征提取、特征分析和检测结 果，其中前3个步骤都是在中央处理单元12中实现的。在步骤1中，将采 集到的不同频率下阻抗测量数据按频率顺序进行分段，如在0-1.5MHz的频 率范围内，测量800个频率点处的阻抗值，记录为c1、c2……c800，然后根 据各频率段的不同特征，将这些数据均匀或非均匀分配在3-20个频率段 内。然后在步骤2中，利用最小二乘法将选取频段内的数据线性拟合，获 取各频段阻抗特性曲线的斜率信息，为组织区分特征量，因此根据划分的 频率段个数，可获得3-20个区分特征量。采用最小二乘法线性拟合，即 使得该频率段内的所有点((x1，y1)…(xi，yi)…(xn，yn))到拟合直线 的距离的平方和最小，其中，横纵坐标可以根据需要设定为频率-电阻抗实 部、频率-电阻抗虚部、电阻抗实部-电阻抗虚部。设拟合直线的表达式为： y＝ax+b，则利用上述公式，可 以很容易地计算出各频率段内拟合直线的斜率a，作为组织区分界定的特征 量应用于后续工作中。为对各种组织进行区分界定，应用神经网络方法， 对上述选定的特征量进行辨识归类，以确定组织类型，给出检测结论，此 即步骤3的工作。本发明中的神经网络选取3层结构，分别为输入层14、 隐含层15和输出层16，如图3所示，输入层14的神经结点数和步骤3获 得的区分特征量个数一致，输出层16结点数为1，通过样本训练，确定神 经网络内部参数。最后，在步骤4中将检测结果显示于显示单元13。手持 式探头电极5在切除组织表面移动，对其进行检测，若某处判定为癌组 织，则说明此处对应的原位置处的癌组织尚未切除干净，需要进一步切除； 若没有任何位置判定为癌组织，则说明已切除干净，手术结束。