乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，在我国被称为威害女性健康的“第一杀手”。早期筛查是对抗这一杀手的有效手段，这在欧美等发达国家已经得到证明。早发现、早治疗不仅可以挽救患者生命，还能够及时进行保乳治疗，提高患者生活质量。近年来，我国政府开始高度重视乳腺癌筛查。然而，目前临床常规的乳腺检查技术存在一些不足，如X线钼靶具有放射性、对中国妇女腺体致密型乳腺内的癌变不够敏感，超声对操作技术依赖性强，对早期小的癌变不易发现，核磁共振成像设备庞大、需要特殊场所等，这些不足限制了我国乳腺筛查的有效实施。电阻抗扫描（electricalimpedancescanning,EIS）成像技术是一种新型的无创、无辐射的乳腺癌检测技术，它对早期癌变敏感，且不受乳腺组织类型的限制。因此，将它用于早期乳腺癌的筛查非常具有吸引力。我们课题组在国内率先开展了EIS技术研究，并研制成功国内第一台静态EIS成像设备，获得医疗器械注册证后，进入临床应用。实践证明它能检测到早期的乳腺癌变，但是将它用作筛查还存在一些问题需要进一步研究。这些问题包括：静态成像；操作繁琐，双侧乳房要成18次像，所以检测速时间较长；皮肤阻抗的存在会不同程度地影响测量精度，且设备较大、不易在基层使用等。为此，我们课题组设计并实现了新型的便携式硬件系统。在此基础之上，本论文就是为了解决适合便携式设计的快速成像、实时显示以及克服皮肤阻抗干扰等关键问题而展开的研究，旨在推出适合我国妇女早期乳腺癌筛查的既快又准的EIS技术和设备。本文的主要研究内容如下：　　1.实时动态EIS成像的相关技术研究　　为了使EIS适于大批量的筛查人群，必须提高其检测速度、缩短检查时间。因而，必须变多次静态成像为实时动态成像。为此要实现：（1）变在乳房区的多次测量方式为连续滑动扫描方式。（2）实现数据采集、成像及实时动态图像的无闪烁显示。　　实时动态成像的关键是将静态图像序列按照固定的速率连续地平滑显示。实时动态EIS系统中帧速率必须达到25fps(framespersecond)，因此，每40毫秒必须进行一次数据传输与图像的计算显示。我们采用多媒体定时器每隔40毫秒产生一个时钟触发信号，触发数据采集和图像计算。　　在对EIS成像的主要环节的运行时间进行了评估后发现，如果使用单线程处理，每组图像的成像过程将至少需要41毫秒，EIS系统对实时动态成像所要求的时间（小于40ms）得不到保证。因此为了达到实时成像的帧速率，必须采用多线程技术将数据采集与图像计算并行执行，为实时成像提供时间上的保证。此外，多线程技术还可以令主程序能够响应用户操作，提高程序运行的效率与系统性能。　　基于多媒体定时器技术和多线程数据采集技术，实时动态EIS系统可以在40毫秒内完成原始数据传输与图像的计算，然而，动态图像的显示质量还未得到可靠的保证。因此，我们采用DirectDraw双缓冲绘图技术，可以令序列EIS图像间实现快速切换，避免图像出现闪烁、刷屏的现象，改善实时成像效果。同时也减少图像的显示时间，为实时EIS系统对帧速率的要求增加裕量。　　基于这三项关键技术，EIS原始数据可以按固定速率经USB(Universalserialbus)传送给上位机软件，同时在内存中依据上一帧数据计算好图像，再通过页面翻转的方式输出到屏幕，从而做到实时EIS图像的动态平滑显示。　　2.适于筛查的电极-皮肤接触界面研究　　电极-皮肤接触界面是影响EIS测量结果的一个重要因素。目前，EIS测量中使用的电极-皮肤接触界面主要有耦合剂界面，CFGTL（CottonFineGridThinLayer）界面和水凝胶界面。本研究主要通过实验研究分析比较了这三种电极-皮肤接触界面对乳腺EIS测量的影响，旨在为EIS筛查提供一个较为理想的电极-皮肤接触界面。　　本研究中采用这三种不同的界面对年轻健康女性分别进行了EIS多频测量，比较了三种情况下EIS多频数据的均值、标准差，评估了三种电极-皮肤接触界面下的电极-皮肤接触阻抗（electrode-skinimpedance，ESI）的大小以及其随频率变化的情况。还通过两电极法测量三种界面下的ESI随时间变化的情况，评估了三种界面随时间变化时的稳定性以及保湿性能。此外，本研究还基于Cole-Cole模型对三种界面下测得的EIS多频阻抗数据作了分析。　　实验结果表明，CFGTL和水凝胶界面在降低电极-皮肤接触阻抗方面有优势。水凝胶界面在对皮肤表面保水、保湿方面比其他两种界面有优势。当然，我们也可以通过研制保湿性能更好的耦合剂来提高耦合剂界面和CFGTL界面的保湿功能。在将EIS多频数据用Cole-Cole模型拟合后，发现CFGTL和水凝胶界面测得的数据与Cole-Cole模型吻合得更好，说明这两种界面有助于EIS测量乳腺组织的电阻抗特性。因此，CFGTL界面和水凝胶界面都比较适合静态EIS测量，但是CFGTL界面不易在皮肤表面滑动，这可能会限制它在实时动态EIS筛查系统中的应用。因此，相比较而言，水凝胶界面是个比较合适的选择。　　3.基于皮肤-组织阻抗模型的乳腺组织阻抗求解　　尽管我们已经从电极-皮肤接触界面方面做了分析研究，在一定程度上改善了EIS测量中电极-皮肤接触阻抗对EIS测量的影响。但在频率低于10kHz时，皮肤阻抗值比较大，占接触阻抗的主要部分。因此，皮肤阻抗会对EIS皮下组织阻抗的测量产生掩盖效应。目前，对于降低皮肤阻抗的影响，阻抗测量领域的主要方法有适当提高测量信号的频率，保湿、软化皮肤，打磨皮肤角质层，使用一些药物增强皮肤的导电能力等，但是这些方法的效果有限。在EIS研究领域，有研究者基于各类模型算法等进行研究，以期能消除或降低皮肤对EIS测量的影响，计算出乳腺组织内的病变信息。但是，这些模型要么误差较大，要么过于理想化，从而降低了它们的实用性。　　本研究基于EIS测量原理与方式展开，由于EIS所测得的传输阻抗为乳腺组织阻抗与皮肤阻抗串联之和，所以本研究依据组织阻抗的电路模型和皮肤阻抗的电路模型，首次提出了EIS测量的阻抗电路模型——皮肤-组织（skin-tissue,ST）阻抗模型。而后，采用多频轮扫的方式，获取EIS多频阻抗数据，建立方程组并求解电路模型参数，从而计算出皮下组织的阻抗。在实现了求解方法之后，我们还进行了数值仿真。结果表明算法可以求解ST阻抗模型的参数，且误差较小，求得的频率特性曲线能够与仿真数据很好地吻合。我们以512组人体乳腺EIS多频数据作为对象，将ST阻抗模型与经典的Cole-Cole模型作了对比。结果表明，与Cole-Cole模型相比，ST阻抗模型与人体乳腺EIS多频数据间的误差更小，显示了它在分析人体乳腺EIS多频阻抗数据上的优势。　　尽管EIS技术对早期较小的癌变比较敏感，但皮肤阻抗的存在有时会掩盖皮下乳腺组织中的癌变。因此，皮肤的掩盖效应也会带来一些假阴性结果，降低EIS测量的敏感性。为了避免筛查中出现漏检，需要筛查设备对病变具有较高的敏感性，降低假阴性结果的出现。而ST阻抗模型能够求解出皮下组织阻抗，避免皮肤阻抗的掩盖效应。因此，本章还对典型的EIS假阴性病例进行了分析，结果表明ST阻抗模型不受皮肤阻抗变化的影响，可以计算出原先被皮肤掩盖掉的病变，这有利于提高EIS检测的敏感性、减少假阴性结果的出现。最后，基于ST阻抗模型对皮肤阻抗不均匀导致的误检病例分析可知，ST阻抗模型可以求解出被乳晕区所掩盖掉的病变，皮肤阻抗的变化不会掩盖皮下组织阻抗的真实分布。　　因此，ST阻抗模型不受皮肤阻抗变化的影响，可以计算出原先被皮肤掩盖掉的癌变，这有助于提高EIS检测的敏感性、减少假阴性结果的出现，从而进一步提高EIS的准确性。　　4.实时动态EIS软件系统的设计与实现　　在实时EIS硬件电路和实时动态成像关键技术的基础上，本文首次设计并实现了实时动态EIS软件系统。同时摒弃了传统静态EIS测量中的扫描模式和目标模式，首次提出了全新的EIS筛查模式。软件系统采用面向对象、自顶向下的方法进行设计，编程工具为MicrosoftVisualC++.Net2003，完成后的软件运行的平台为WindowsXP操作系统。　　本软件系统主要负责与硬件设备间的USB数据通信，实时EIS成像算法，病变识别算法等，具有良好的人机交互功能，数据文档管理功能等。除了能按照正常流程运转外，软件系统还具有一定的健壮性，可以避免意外错误的发生。同时，还具有一定的纠错能力，即使在意外错误发生时，也能够配合硬件电路自动纠错，减少人为干预，维护了整个系统的安全与稳定。　　基于实时动态成像而设计的乳腺EIS筛查模式，摒除了原先静态EIS测量时的繁琐操作，同时操作者还可以依据实时动态图像判断手柄与皮肤的接触情况，避免了干扰等不稳定因素的影响，提高了测量数据的客观性与稳定性，避免了EIS测量对操作者经验的依赖。　　以上这些研究为实时动态EIS系统应用于乳腺癌筛查奠定了良好的基础。