基于高密度傳感器的舌癌組織邊界三維電阻抗成像方法

胡松佩 徐德洪 李彥 劉凱 韓偉 姚佳烽*

1（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

2（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，南京 210023）

3（南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院，南京 210008）

口腔舌癌是頭頸部常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，惡性程度高，大多表現(xiàn)為口舌鱗狀細(xì)胞癌（Oral tongue squamous cell carcinoma，OTSCC）。近年來(lái)，18～44 歲的年輕個(gè)體OTSCC 的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)，年輕女性O(shè)TSCC 的年度變化百分比顯著增加[1]。吸煙與酗酒是舌癌最常見(jiàn)的誘因，相較于吸煙與酗酒，大約60%～70%的舌癌都與人乳頭瘤病毒（Human papilloma virus，HPV）感染有關(guān)[2]。由于HPV 的流行，HPV感染近年也成為了舌癌發(fā)病的主要誘因之一，舌癌的發(fā)病率顯著增加[3]。

目前，舌癌最常見(jiàn)的治療方法有手術(shù)治療、化療[4]與光熱療[5]等方法，其中，手術(shù)治療是依靠組織病理學(xué)診斷及病變大小完整地切除癌組織，是舌癌的主要治療方法[6]。癌組織切除不完整會(huì)導(dǎo)致舌癌二次復(fù)發(fā)，降低患者的存活率，完整地檢測(cè)出舌癌組織的邊界是癌組織完整切除的前提。組織病理學(xué)診斷是舌癌手術(shù)中重要的輔助檢測(cè)方法，需要臨床醫(yī)生切取病變組織樣本，再對(duì)樣本切片進(jìn)行分析以觀測(cè)組織是否殘存癌組織，分析時(shí)間長(zhǎng)且極大地依靠醫(yī)生的診斷經(jīng)驗(yàn)。其它輔助檢測(cè)方法如核磁共振成像[7]、計(jì)算機(jī)斷層成像[8]和口腔超聲成像[9]等雖然能夠檢測(cè)出整個(gè)病變組織的全貌，但是對(duì)于腫瘤的具體邊界需要富有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行評(píng)估，實(shí)時(shí)性差、操作不便，并會(huì)對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生輻射傷害。因此，有必要建立一種實(shí)時(shí)、便捷和無(wú)輻射的舌癌邊界臨床輔助檢測(cè)方法。

電阻抗成像（Electrical impedance tomography，EIT）技術(shù)是通過(guò)被測(cè)物表面呈圓環(huán)狀或方形狀分布的電極以相鄰激勵(lì)相鄰采集等激勵(lì)模式向目標(biāo)物激勵(lì)電流，采集表面上的電壓測(cè)量值，計(jì)算其二維平面的電導(dǎo)率分布并成像。組織發(fā)生病變時(shí)，內(nèi)部細(xì)胞的生理結(jié)構(gòu)、細(xì)胞數(shù)量和功能等發(fā)生巨大變化，表現(xiàn)出的電學(xué)特性即電導(dǎo)率也會(huì)有顯著差異，因此，該技術(shù)可應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。Wu 等[10]提出了用于肺健康監(jiān)測(cè)的EIT 成像方法，通過(guò)帶有一圈16 個(gè)電極的電極繃帶實(shí)現(xiàn)對(duì)人體肺健康狀況的監(jiān)測(cè)[10]；Mansouri 等[11]提出了用于乳腺癌早期檢測(cè)的EIT 成像方法，基于40 個(gè)電極系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)模式獲得了最佳的成像效果；Murphy 等[12]提出了用于前列腺癌成像的EIT 檢測(cè)方法，有望改善前列腺癌的診斷。

單平面電極的EIT 有很多局限性，由于電流的擴(kuò)散，EIT 對(duì)電極上方和下方的區(qū)域敏感，對(duì)距離電極較遠(yuǎn)的區(qū)域不敏感，即單平面EIT 對(duì)于目標(biāo)物的垂直信息不敏感[13]。許多研究者采用三維（3D）EIT 解決此問(wèn)題。Wicaksono 等[14]通過(guò)將pH 轉(zhuǎn)換模型（pH-Conversion model，pH-CM）集成到3D EIT 中，對(duì)胃中的酸度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，仿真和實(shí)驗(yàn)評(píng)估的平均pH 誤差分別為15.8%和8.5%；Yang 等[15]提出了用于細(xì)胞培養(yǎng)的3D EIT 成像技術(shù)，基于16 個(gè)電極的微型平面EIT 傳感器完成了高質(zhì)量的3D 細(xì)胞培養(yǎng)成像，可實(shí)時(shí)、非侵入地監(jiān)測(cè)培養(yǎng)細(xì)胞，以便于細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中生物行為及細(xì)胞動(dòng)力學(xué)的研究；Javaherian 等[16]將稀疏重建梯度投影（Gradient projection for sparse reconstruction，GPSR）應(yīng)用于3D EIT 成像算法中，解決了因3D EIT 成像體素過(guò)多導(dǎo)致的存儲(chǔ)空間大以及重建時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了肺功能的3D EIT 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本研究建立了基于高密度傳感器的舌癌組織邊界3D EIT 方法，設(shè)計(jì)了底部中心1 個(gè)接地電極、頂部均勻布置16 個(gè)激勵(lì)電極的高密度傳感器。通過(guò)傳感器的兩層平面電極實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)組織的3D EIT 圖像重建，并可對(duì)組織任一高度的切面進(jìn)行2D EIT 圖像繪制，有望應(yīng)用于舌癌組織被切除手術(shù)中癌組織邊界的實(shí)時(shí)檢測(cè)，輔助醫(yī)生實(shí)時(shí)評(píng)估癌組織的邊界并規(guī)劃其切緣。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D EIT成像方法研究

1.1 高密度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究提出了平面3D EIT 成像方法，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的高密度傳感器，用于對(duì)嵌于正常組織內(nèi)部的癌組織進(jìn)行邊界識(shí)別。高密度傳感器由頂蓋、彈簧、支撐柱、壓板、底板和底座構(gòu)成，頂蓋、支撐柱、壓板與底座均由樹(shù)脂3D 打印加工而成。其中，支撐柱用于支撐底座和頂蓋，并套在彈簧中支撐彈簧。彈簧的兩端分別卡在頂蓋與壓板中，壓板借助于支撐柱和彈簧可以上下移動(dòng)。將被檢測(cè)的組織置于壓板與底板之間，以實(shí)現(xiàn)3D EIT 成像所需的兩層平面電極，壓板的高度取決于檢測(cè)物的厚度。在壓板上設(shè)置有4×4 的電極陣列即激勵(lì)電極，其中，電極直徑為2 mm，電極間距為6 mm，構(gòu)成了22 mm×22 mm方形檢測(cè)場(chǎng)域。選取彈簧探針作為激勵(lì)電極，該探針由針頭、彈簧和針管構(gòu)成。其中，針頭由黃銅制成，其表面經(jīng)過(guò)鍍金處理，將彈簧放置于針管內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)針頭的伸縮，使得激勵(lì)電極在檢測(cè)凹凸不平的組織時(shí)可與組織表面緊密貼合。底板由PCB 加工而成，其中心處有一個(gè)直徑為2 mm 的接地電極，對(duì)該電極進(jìn)行了沉金處理，電極厚度為0.05 μm。接地電極為電流激勵(lì)的負(fù)端，壓板上的電極陣列均與該電極進(jìn)行兩電極激勵(lì)。在進(jìn)行電流激勵(lì)時(shí)，電流可從組織表面流到底面，貫穿整個(gè)組織。層板與底板的其余區(qū)域均進(jìn)行鋪銅處理，以提高傳感器的屏蔽效果，減小噪音干擾。

圖1 高密度傳感器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of high-density sensor

1.2 3D EIT成像方法

圖2 為3D EIT 檢測(cè)流程圖，將待測(cè)組織置于高密度傳感器中的壓板與底板之間，進(jìn)行3D EIT 檢測(cè)。通過(guò)傳感器壓板上的16 個(gè)激勵(lì)電極分別與底板的接地電極激勵(lì)，每次激勵(lì)時(shí)依次采集其余15 個(gè)電極的電勢(shì)，共采集16 × 15=240 個(gè)電勢(shì)值，用于計(jì)算場(chǎng)域的電導(dǎo)率分布。其中，3D EIT 成像滿足公式（1）：

圖2 三維電阻抗成像（3D EIT）檢測(cè)流程圖Fig.2 Detection flow chart of three dimensional electrical impedance tomography (3D EIT)

其中，Ω是測(cè)量域，(x,y,z)是測(cè)量域的點(diǎn)坐標(biāo)，(x,y,z)是在點(diǎn)(x,y,z)處的電導(dǎo)率，(x,y,z)是在點(diǎn)(x,y,z)處的電勢(shì)。每個(gè)電極施加的總電流邊界條件如公式（2）所示：

其中，是第l個(gè)電極，L是電極個(gè)數(shù)，是電極間隙，n表示場(chǎng)域Ω的外單位法向量，s是電極表面，Il是第l個(gè)電極注入的電流。為了保證解(x,y,z)的存在且唯一性，應(yīng)該滿足邊界條件即公式（3）～（5）：

當(dāng)激勵(lì)電流為定值時(shí)，3D EIT 成像即為探索場(chǎng)域Ω的電導(dǎo)率分布σ與邊界電勢(shì)V的關(guān)系，可以表示為公式（6）：

其中，是邊界電勢(shì)變化的向量，是電導(dǎo)率變化的向量，J是雅可比矩陣。J由公式（7）計(jì)算得到[17]：

其中，Ji,j是J的元素，i表示場(chǎng)域第i個(gè)有限元網(wǎng)格，j表示第j次一對(duì)電極激勵(lì)時(shí)的獨(dú)立測(cè)量，u與v是第j次一對(duì)電極分別注入電流時(shí)的電勢(shì)分布。因此，可采用計(jì)算得到的J與測(cè)量得到的邊界電勢(shì)變化根據(jù)公式（8）逆向求解場(chǎng)域中的電導(dǎo)率變化：

其中，R() 是正則化項(xiàng)，λ是正則化因子。在成像方面，由改進(jìn)的Tikhonov 正則化算法以逆向求解整個(gè)三維場(chǎng)域的電導(dǎo)率變化矩陣，按公式（9）計(jì)算：

其中，kt和kn為正則化系數(shù)，I為單位矩陣，D為對(duì)角矩陣，為邊界電勢(shì)變化，即用高密度傳感器測(cè)得的240 個(gè)邊界電勢(shì)變化。通過(guò)有限元法對(duì)整個(gè)22 mm×22 mm×H方形場(chǎng)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由8416 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)將場(chǎng)域劃分成45337 個(gè)自由四面體網(wǎng)格，然后仿真計(jì)算整個(gè)場(chǎng)域的雅可比矩陣J，用于每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的電導(dǎo)率計(jì)算，最終根據(jù)電導(dǎo)率變化矩陣?yán)L制3D EIT 圖像，并且通過(guò)3D EIT 仿真成像確定了本成像方法的空間分辨率，即目標(biāo)物的最長(zhǎng)邊與場(chǎng)域的最長(zhǎng)邊之比不低于13.6%。

2 傳感器3D EIT成像性能研究

2.1 舌體組織厚度對(duì)傳感器3D EIT成像的影響

自然狀況下，人的舌體厚度H約為6 mm[18]。為探究舌體厚度H對(duì)高密度傳感器進(jìn)行3D EIT 成像的影響，通過(guò)有限元的方法進(jìn)行了3D EIT 成像仿真。仿真的背景域?yàn)樯囿w的正常組織，該域是高密度傳感器檢測(cè)的22 mm×22 mm×H的方體場(chǎng)域，其電導(dǎo)率為0.1 S/m。在場(chǎng)域中放入半徑為2.5 mm、高為2 mm 的圓柱幻影作為舌癌組織，其電導(dǎo)率為0.01 S/m。對(duì)舌體厚度H分別為4、5、6、7 和8 mm 中的舌癌組織進(jìn)行3D EIT 仿真實(shí)驗(yàn)，并選取傳感器角落處P1、中心處P2以及邊界處P33 個(gè)特殊位置研究了腫瘤組織在傳感器不同位置的成像能力。3D EIT 圖像重建結(jié)果如圖3 所示，每?jī)尚姓故玖苏＝M織中的癌組織分別位于高密度傳感器P1、P2和P3這3 處位置的3D EIT 圖像重建結(jié)果，其中包括3D EIT 成像結(jié)果的俯視圖與3D 視圖。圖3 中第一列為幻影的真實(shí)分布，后5 列為組織厚度H分別為4、5、6、7 和8 mm 時(shí)的3D EIT 圖像重建結(jié)果。3D EIT 圖像展示了場(chǎng)域中1/3 最大電導(dǎo)率變化值的等值面。成像結(jié)果表明，通過(guò)電導(dǎo)率的差異可捕捉癌組織的位置并呈現(xiàn)其輪廓，其中，P1、P2及P3位置的癌組織均可被正確評(píng)估，并能完整地展現(xiàn)出整個(gè)舌癌組織的邊界。

圖3 不同厚度舌體中的舌癌組織在高密度傳感器P1、P2 與P3 處的3D EIT 重建圖像Fig.3 3D EIT reconstruction images of tongue cancer in tongue tissue with different thickness at P1,P2 and P3 of high-density sensor

與圖3 中3D EIT 重建圖像相對(duì)應(yīng)的圖像相關(guān)系數(shù)（Image correlation coefficient，ICC）如表1 所示。ICC 按照公式（10）計(jì)算：

表1 3D EIT圖像重建結(jié)果的圖像相關(guān)系數(shù)（ICC）Table 1 Image correlation coefficient (ICC) of 3D EIT image reconstruction results

其中，是第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處真實(shí)的電導(dǎo)率變化量，是真實(shí)的平均電導(dǎo)率變化量，是3D EIT 重建的第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處的電導(dǎo)率變化量，是3D EIT 重建的平均電導(dǎo)率變化量，M是場(chǎng)域劃分的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量。ICC 值用于反映3D EIT 重建圖像與幻影真實(shí)圖像之間的相關(guān)程度，取值范圍為0～1，ICC 值越大，說(shuō)明3D EIT 重建圖像與真實(shí)圖像的吻合程度越高，圖像重建質(zhì)量越好。

為了更直觀地探究傳感器P1、P2及P33 個(gè)位置處的3D EIT 圖像重建能力以及舌體組織厚度對(duì)3D EIT 圖像重建的影響，繪制了不同厚度的舌體組織在P1、P2及P3處3D EIT 圖像重建的ICC 分布折線圖以及平均ICC 柱狀圖。如圖4 所示，隨著舌體厚度H增加，ICC 先增大后減小，舌體厚度對(duì)傳感器P2處的圖像重建質(zhì)量無(wú)明顯影響，P2處的圖像重建質(zhì)量明顯高于P1和P3處的圖像重建質(zhì)量。此外，通過(guò)P1、P2及P3處圖像重建的平均ICC 柱狀圖可以看出在H=6 mm 時(shí)平均ICC 值最高，表明舌體厚度為6 mm 時(shí)高密度傳感器整體的3D EIT 重建效果優(yōu)于其它厚度組織的重建效果，相對(duì)于6 mm 厚度的舌體，4 和8 mm 厚度舌體的3D EIT 成像誤差小于3.3%。

圖4 不同厚度舌體組織的3D EIT 圖像重建ICC 分布Fig.4 ICC distribution of 3D EIT image reconstruction of tongue tissue with different thickness

為探究高密度傳感器P2處的3D EIT 重建圖像相較于P1和P3更加接近真實(shí)圖像的原因，探究了傳感器進(jìn)行3D EIT 成像時(shí)整個(gè)檢測(cè)場(chǎng)域的敏感度（S）分布，其中，S矩陣中的元素Sij可由公式（11）計(jì)算得到：

其中，I為激勵(lì)電流，Ω為測(cè)量場(chǎng)域，i為有限元網(wǎng)格的個(gè)數(shù)，j為第j次獨(dú)立測(cè)量，σi為第i個(gè)網(wǎng)格處的電導(dǎo)率，Uj為第j次獨(dú)立測(cè)量的電勢(shì)，u與v是第j次一對(duì)電極分別注入電流時(shí)的電勢(shì)分布。

繪制了高密度傳感器檢測(cè)場(chǎng)域?yàn)?2 mm×22 mm×6 mm 時(shí)的敏感度分布。如圖5 所示，顏色條由藍(lán)色漸變到紅色，表明敏感度從低到高。以接地電極為中心呈圓弧狀的紅色區(qū)域是敏感度高的區(qū)域，從該區(qū)域往外敏感度逐漸降低。其中，P1、P2和P3處的敏感度分別為8.62×104、4.83×106和3.03×105。P2位置的敏感度大于P1與P3，與圖3 高密度傳感器3 個(gè)位置的3D EIT 重建能力相符，即傳感器P2位置處圖像重建能力最好。

圖5 高密度傳感器檢測(cè)場(chǎng)域的敏感度（S）分布Fig.5 Sensitivity (S) distribution of detection field of high-density sensor

2.2 不同浸潤(rùn)深度的舌癌組織的3D EIT成像性能

對(duì)高密度傳感器P2處的不同浸潤(rùn)深度Ht的舌癌組織進(jìn)行3D EIT 仿真，以探究高密度傳感器對(duì)不同浸潤(rùn)深度的舌癌組織的3D EIT 成像能力。不同浸潤(rùn)深度下舌癌組織的3D EIT 圖像重建結(jié)果如圖6 所示，分別以側(cè)視圖和3D 視圖兩個(gè)視角展示了舌癌組織浸潤(rùn)深度2.0、3.5 和5.0 mm 時(shí)的3D EIT 成像結(jié)果，相應(yīng)的圖像相關(guān)系數(shù)分別為0.9109、0.9260 和0.9063，表明高密度傳感器能夠很好地捕捉到場(chǎng)域中癌組織深度的電導(dǎo)率變化，根據(jù)電導(dǎo)率變化正確評(píng)估癌組織的浸潤(rùn)深度及其三維邊界。

圖6 不同浸潤(rùn)深度癌組織的3D EIT 重建圖像Fig.6 3D EIT reconstruction images of cancer tissues with different depths of invasion

3D EIT 圖像的切片圖展示了從高密度傳感器檢測(cè)場(chǎng)域的頂部到底部的水平切面圖，其中包括h為0、0.5、1、…、5、5.5 和6 mm 所在高度的2D EIT 截面。2D 的EIT 圖像清晰地展示了癌組織每一層所在的區(qū)域大小，并在相應(yīng)深度下的切片圖像能捕捉到癌組織，通過(guò)3D EIT 圖像的切片圖能夠更直觀地確定癌組織的浸潤(rùn)深度。上述結(jié)果表明，高密度傳感器以及3D EIT 成像方法可以評(píng)估舌體中癌變組織引起的電導(dǎo)率變化，進(jìn)而呈現(xiàn)出整個(gè)舌癌組織的3D 邊界。

3 高密度傳感器的3D EIT實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖7 所示，包括筆記本電腦（PC）、IM3570 阻抗分析儀（日本HIOKI 公司）、34980A 數(shù)據(jù)采集儀（Keysight）、17 通路選通開(kāi)關(guān)和高密度傳感器。阻抗分析儀持續(xù)發(fā)出幅值為0.1 A 的交流電信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，電腦向數(shù)據(jù)采集儀發(fā)出控制信號(hào)，控制數(shù)據(jù)采集儀選通17 通道選通開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的電流信號(hào)與高密度傳感器的傳輸，同時(shí)采集待測(cè)組織的響應(yīng)電壓信號(hào)。17 通路選通開(kāi)關(guān)控制高密度傳感器的16 個(gè)激勵(lì)電極與數(shù)據(jù)采集儀的選通，1 個(gè)電極激勵(lì)、同時(shí)依次采集其余15 個(gè)電極的電勢(shì)，再進(jìn)行1 個(gè)電極激勵(lì)、同時(shí)依次采集其余15 個(gè)電極的電勢(shì)，依次循環(huán)，直到最后1 個(gè)電極激勵(lì)時(shí)其余電極的電勢(shì)采集完成后，測(cè)量結(jié)束。數(shù)據(jù)采集儀共采集240 個(gè)響應(yīng)電勢(shì)值，最終將響應(yīng)電勢(shì)值傳輸給電腦，進(jìn)行3D 場(chǎng)域的電導(dǎo)率計(jì)算及成像。

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖Fig.7 Diagram of experimental equipment

3.2 舌體模型制備

在之前的研究中，浸潤(rùn)在正常舌體組織中的舌癌組織的阻抗值大于周邊正常組織[19]。因此，為了模擬發(fā)生癌變的舌體，選取電導(dǎo)率較大的牛肉組織制備舌體的正常組織，選取電導(dǎo)率較低的豬脂肪組織制備生長(zhǎng)在舌體中的舌癌組織。切取厚度為10 mm 的方形牛肉塊作為舌體中的正常組織，再用不同直徑的圓形刀具在每塊牛肉的中間位置切除厚度為5 mm 的牛肉組織，用不同直徑的圓形刀具切出相應(yīng)大小的豬脂肪組織作為舌癌組織，將豬脂肪組織填充進(jìn)牛肉塊中制備舌體模型。

選取5 塊厚度均為10 mm 的牛肉塊制備5 種舌體模型，再用直徑分別為3、4.5、6、7.5 和9 mm 的圓形道具制備大小不同的舌癌組織。在舌體模型制備過(guò)程中，由于牛肉與豬脂肪均為軟組織，將豬脂肪填充進(jìn)牛肉后并不能保證豬脂肪仍是一個(gè)完整的圓柱體，因此，最終制成了5 種最大直徑（dmax）分別為3、4.5、6、7.5 和9 mm 的舌體模型，如圖8 所示。

圖8 5 種不同尺寸的舌體模型Fig.8 Tongue cancer tissue models with five different dimensions

4 結(jié)果與討論

4.1 3D EIT成像結(jié)果

對(duì)制備的5 個(gè)舌體模型分別進(jìn)行了3D EIT 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，5 個(gè)舌體模型中的癌組織dmax分別為3、4.5、6、7.5 和9 mm。將這5 個(gè)舌體模型分別放進(jìn)高密度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，3D EIT 成像結(jié)果以及成像的切片圖如圖9 所示。3D EIT 圖像呈現(xiàn)了場(chǎng)域中最大電導(dǎo)率變化值2/5 的等值面，等值面構(gòu)成的區(qū)域則是舌癌組織，其中虛線圓柱輪廓是舌癌組織的理想邊界，通過(guò)3D EIT 重建圖像能夠檢測(cè)出嵌于舌體中的舌癌組織，并大致呈現(xiàn)其邊界。從3D EIT 成像的切片圖中可以清楚地判斷舌癌組織的浸潤(rùn)深度，切片圖展現(xiàn)了舌癌組織處于1、2、3、4、5 和6 mm 浸潤(rùn)深度下的2D 邊界。其中，圓形的虛線框?yàn)樯喟┙M織所在截面應(yīng)有的2D 邊界，不同截面下的2D EIT 圖像可以呈現(xiàn)出舌癌組織的2D 邊界。

4.2 成像結(jié)果差異分析

通過(guò)組織之間的電導(dǎo)率差異可以識(shí)別dmax分別為3、4.5、6、7.5 和9 mm 的舌癌組織及其邊界。對(duì)于尺寸較?。? 和4.5 mm）的舌癌組織，3D EIT 重建的邊界有偏差，并不能正確識(shí)別舌癌組織的浸潤(rùn)深度，在截面高度為4 和5 mm 處未重建出舌癌組織真實(shí)的2D 邊界，這是由于這兩個(gè)尺寸的舌癌組織相較于全部檢測(cè)的3D 場(chǎng)域而言體積過(guò)小，與3D 場(chǎng)域的最大面積比僅為1.86%和4.18%。

對(duì)于dmax分別為6、7.5 和9 mm 的舌癌組織，通過(guò)3D EIT 切片圖像能夠正確識(shí)別舌癌組織的浸潤(rùn)深度。在截面高度為1～4 mm 時(shí)的2D EIT 圖像能正確評(píng)估舌癌組織的2D 邊界；在截面高度為5 mm 時(shí)，EIT 成像呈現(xiàn)的邊界小于理想邊界。dmax為3 和4.5 mm 的舌癌組織在截面高度為1～3 mm 時(shí)的2D EIT圖像能夠正確評(píng)估舌癌組織的2D 邊界；在截面高度為4～5 mm 時(shí)，EIT 成像呈現(xiàn)的邊界小于理想邊界，甚至未重建出舌癌組織的真實(shí)邊界。與仿真成像結(jié)果相比，本研究的3D EIT 重建圖像未能正確評(píng)估出舌癌組織的真實(shí)浸潤(rùn)深度，并且在接近場(chǎng)域上表面的截面0～1 mm 處未能重建出組織的真實(shí)2D 邊界，可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間信號(hào)的傳輸不穩(wěn)定或者信號(hào)受到了噪聲干擾，使得測(cè)得的邊界電勢(shì)不均勻，因而造成圖像重建誤差偏高。

5 結(jié)論

提出了用于舌癌組織邊界檢測(cè)的3D EIT 成像方法，設(shè)計(jì)了高密度傳感器，并利用其對(duì)舌體模型進(jìn)行了3D EIT 成像。首先，有限元仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了個(gè)體間的舌體厚度差異不會(huì)對(duì)3D EIT 成像產(chǎn)生影響，當(dāng)人舌體厚度為6 mm 時(shí)，傳感器的整體成像性最好。其次，高密度傳感器能夠很好地捕捉到場(chǎng)域中癌組織深度的電導(dǎo)率變化，并且通過(guò)3D EIT 圖像的切片圖能夠展示癌組織每一層所在的區(qū)域大小，有助于臨床診斷時(shí)更直觀地確定癌組織的浸潤(rùn)深度。最后，通過(guò)對(duì)舌體模型進(jìn)行的3D EIT 成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3D EIT 重建方法的可行性，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間信號(hào)的穩(wěn)定傳輸以及噪聲的處理還需要進(jìn)一步改善，以更好地應(yīng)用于臨床中舌癌邊界的檢測(cè)。綜上，本方法有望應(yīng)用于舌癌組織臨床手術(shù)中，為臨床診斷和治療提供一種舌癌組織邊界的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，輔助醫(yī)生更精準(zhǔn)地劃定癌組織切緣，從而盡可能完整地切除舌癌組織，降低舌癌復(fù)發(fā)率。