CN102445574B - 环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，包括一基座，在基座上安装有多支针式电极、转换开关和激励端与测量端接口；多支针式电极等间距排列在基座上所形成的内环和外环两个同心圆上，并与基座垂直作为激励电极和测量电极，功能相同的电极通过基座上的铜质导线内部相连，并通过转换开关与激励端与测量端接口相连。还包括一个与探头配合使用的标校盒，并公开了使用这种探头进行生物组织介电特性测量的实施方法。有效的解决了传统测量装置对被测组织外形要求严格的问题，使得对外形不规则或不易切割的组织进行电阻抗测量成为可能。

Description

环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法

技术领域

本发明涉及生物组织介电特性测量领域，特别是涉及一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法，尤其适用于离体的外形不规则小体积软组织的测量，且具有较高的测量精度。

背景技术

生物组织的介电特性是生物物质的被动电特性，是生物物质对电磁场作用的电响应特性的一种物理表达，是组织对外加电磁场的响应特性的基础。生物组织介电特性通常用电导率σ和介电常数ε随频率变化的介电谱来表征。介电常数ε是生物物质在电磁场中贮存电磁能量的量度，而电导率σ则指示生物物质在电磁场中消耗或传导电磁能量的能力。

生物组织介电特性的研究具有非常重要的理论与应用价值。首先，作为一种重要的生物物理特性指标，生物组织的介电特性与组织的病理、生理状态密切相关，是重要的组织功能与病理状态检测指标，在癌症的早期检测、疾病的动态监测、组织与器官功能评价和人体成份测量与分析等方面有着重要的应用价值；其次，电磁场的生物效应，特别是其对人体器官与功能的影响问题已成为当前相关领域的研究热点问题，是新概念武器、电磁防护和疾病治疗等领域的研究基础，而准确掌握体内各相关组织的介电特性是分析各种外加电磁能量在体内重要靶器官内的传输与分布情况的前提。

生物组织介电特性研究需要准确而科学的测量方法与设备。介电特性测量的基本方法是在样本中建立电流场并测量响应电信号，再根据激励和响应信号关系计算其介电特性。由于生物组织的特殊性，在低频段(100kHz以内)当电极与样本接触时，会产生随测量频率和接触面积的降低而快速增大的接触阻抗，影响测量结果的准确性。为此，常规的做法是在这一频率区间采用参考图5所示的四电极法，通过将激励与测量电极分开的方法抑制接触阻抗的影响。

四电极法虽然能有效抑制低频段的电极/皮肤接触阻抗的影响，但随着测量频率的增加，特别是当测量频率达到1MHz以上时，四电极法会因电极及导线间的分布参数和空间介质的影响而无法满足测量要求。因而在高频段，往往又得采用激励与测量公用同一对电极的两电极法。

因此，当前相对可行的方法是将组织切削成规则的形状，放入固定的测量盒中。在测量盒两端各布置一个大面积的激励电极，而在盒的中间布置两个相对小一些的测量电极。在低频段采用四电极法，用两端的大电极进行激励，中间的2个电极进行测量；在高频段采用两电极法，用两端的大电极即做激励又做测量。

但在实际测量中，由于生物组织多为软组织，在保持其性状的前提下切成规则形状需要耗费较长时间。而生物组织的介电特性与组织的功能状态密切相关，在组织切削过程中，由于供血、供氧等的切断，会导致组织逐渐变性、坏死，导致实际测量时的介电特性偏离正常状态，从而引入测量误差。

为克服这一问题，有研究采用四根针状电极直线排布，用两端的两根作为激励电极，中间的两根做为测量电极的方法制成测量探头进行阻抗测量。这种方法的一个突出优点是不需要组织切削加工，可以快速测量。但其缺点在于：1)其电场过于发散，要求被测量组织体积相对较大；2)无法支持高频段的两电极法电阻抗测量，因而无法用于高频段的介电特性测量。

综上，研究一种新的、便于组织介电特性快速测量的技术与方法是当前相关领域的重点问题。

发明内容

根据离体或在体的小体积、外形不规则、质软的生物活性组织的宽频带介电特性高精度测量需求，本发明的目的在于，提供一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，适用于外形不规则的小体积待测生物活性组织或部分在体组织准确的宽频带测量。

探头的工作原理在于：根据电磁场理论，对于一个呈圆桶状规则物体，设其高度为h，外径为R_外，内径为R_内，其电导率为σ，相对介电系数为ε，则其内、外两面间的阻抗为：

式中，ε₀＝8.8542^-12为真空介电常数，ω为角频率，j为虚数符号j²＝-1。可

见两个面间的阻抗与物体的介电特性有着明确的对应关系。

根据这一原理，在内外两个面上分别布置上一系列针状电极后，就可以通过处在这两个面上的电极间的阻抗的测量而推算出其介电参数。

而在实际应用中，当被测样本不完全符合上述条件，特别时当其外径大于R_外，高度大于h时，由于电场的发散作用，其实测阻抗会随着样本的外径和高度的增加而降低，但其变化幅度随样本尺寸与这两个参数的比值的增大而迅速降低，在生物组织介电特性所处范围内，当样本外径大于R_外的1.5倍、厚度大于h的2倍时，两个圈电极间的电阻抗与样本无限大时的值的相对差小于5％。

基于以上原理，本发明采取如下的技术解决方案：

一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，包括一基座，在基座上安装有多支针式电极、转换开关和激励端与测量端接口；

所述的多支针式电极等间距排列在基座上所形成的内环和外环两个同心圆上，并与基座垂直作为激励电极和测量电极，功能相同的电极通过基座上的铜质导线内部相连，并通过转换开关与激励端与测量端接口相连。

所述的基座的材料是聚酯纤维或其它非导电体，且有一定的强度不易产生形变。

所述的针式电极由Ag/AgCl材料制成，但不限于Ag/AgCl材料。

所述的激励电极和测量电极在内环和外环上的排列方式不限，包括可能的多种排列方式，例如内外环上各有一个激励电极、一个测量电极，或各有多个激励电极、两个测量电极等。

所述的转换开关用于在介电特性测量的两电极法和四电极法之间进行快速切换：当转换开关处于导通状态时，所有的内环上的电极均用于激励电流导入，而外环上的电极均用于电流导出，此时，直接测量内环、外环电极间的响应电压差。而当转换开关处于关断状态时，内环上有一半数的电极用于激励电流导入，外环上一半电极用于电流导出，电压差测量在内外圆上剩余的另一半电极上进行。用于激励和测量的电极相互间隔排列。

上述环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行标校的标校盒，其特征在于，包括一个圆柱形盒体，该圆柱形盒体的内径不小于基座上所形成外环的1.5倍，高度不小于针状电极的长度的2倍，圆柱形盒体内侧有一支撑平台，用于标校时托起基座。

上述环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行生物组织介电特性测量的方法，该方法具有较高的测量精度，且操作方便，具体包括以下步骤：

1)利用对标校盒中所放置的标准溶液的阻抗测量数据对介电特性计算公式进行校正；

2)选择确认待测生物组织：其有效厚度不小于探头针长的2倍，最大有效半径不小于探头外圆半径的1.5倍；

3)将探头中的所有电极针同时插入待测组织，保证电极完全进入组织内部，并根据所测频率范围选择适当的测量方法：当测量频率小于100kHz时，选择四电极法，当测量频率高于100kHz时，选择两电极法；

4)将阻抗分析仪的各激励与测量端口分别与端104-107相连；

5)设置阻抗分析仪的相关参数，进行阻抗测量，获取待测组织的电阻抗频谱；

将所测得的电阻抗频谱数据代入修正后计算公式，得到待测组织的电导率和介电常数。

本发明的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法带来的技术效果在于：

1、创新性的采用了呈圆形排布的针式电极，通过侵入组织内部进行测量，有效的解决了传统测量装置对被测组织外形要求严格的问题，使得对外形不规则或不易切割的组织进行电阻抗测量成为可能。

2、降低了对被测组织体积的限制，方便了对小体积组织的测量，同时具有较高的测量精度。

3、既可用于四电极阻抗测量法，又可应用于两电极阻抗测量法，从而保证了探头即可满足低频段的介电特性测量，又可满足高频段的介电特性测量要求。

4、通过两组环形排布的多根针式电极进行激励和测量，增大了电极与样本间的接触面积，从而进一步降低了接触阻抗的影响，使得两电极法所测得的介电特性更为可靠。

附图说明

图1是本发明的探头结构示意图，其中，图(a)是主视图，图(b)是图(a)俯视图，图(c)是的图(b)的侧视图。

图2是本发明的标校盒的结构示意图，其中，图(a)是主视图，图(b)是图(a)俯视图，图(c)是的图(b)的侧视图。

图3是本发明实施生物组织介电特性测量时与仪器连接示意图。

图4是本发明实施生物组织介电特性测量时与被测样本连接示意图。

图5是四电极法电阻抗测量示意图。

图中的标号分别表示：101、针式电极，102、聚酯纤维基座，103、两/四电极测量转换器；104-107、激励端与测量端接口，200、圆柱形盒体，201、支撑平台，301、阻抗分析仪，302、连接线，303、阻抗分析仪的输入输出端子，401、待测生物组织。

以下结合附图以及发明人提供的原理和实施过程，对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

本发明的技术思路是，采用由多支Ag/AgCl的针式电极等间距排列在基座上所形成的内、外环的两个同心圆上，通过基座上的铜质导线内部相连后形成相互间隔的4组电极，内环和外环两个同心圆上各2组。其内环上的一组与端口104相连，用作激励电流导入，外环上的一组与端口107相连，用作激励电流导出。其余两组分别与端口105和端口106相连，用作响应电压测量。

采用两/四电极测量转换器(转换开关)在介电特性测量的两电极法和四电极法之间进行快速切换：当转换开关处于导通状态时，所有的内环上的电极均用于激励电流导入，而外环上的电极均用于电流导出。此时，直接测量内、外两环电极间的响应电压差。

激励端与测量端接口的作用是，一个激励与测量端接口用于与外部阻抗分析仪的激励信号流出端相连，一个用于与阻抗分析仪的激励信号流入端相连。一个用于与阻抗分析仪的电压测量同相输入端相连，一个用于与阻抗分析仪的电压测量反相输入端相连。

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，以下给出的实施例只是对本发明的具体实现过程做进一步解释，用于理解本发明，本发明不限于该实施例，本领域技术技术人员根据本发明的技术方案所做出的非本质的添加、均属于本发明的保护范围。

参考图1，本实施例给出一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头的具体结构，主要由针式电极101、基座102、两/四电极测量转换开关103及激励端与测量端接口(104、105、106、107)等构成。所有针式电极101等长，被等间距排列在基座102上形成的内环108和外环109两个同心圆上，并通过基座102上的铜质导线110内部相连后形成相互间隔的4组，即内环108、外环109的两个同心圆上各2组。其内环108上的一组与端口104相连，用作激励电流导入，外环109上的一组与端口107相连，用作激励电流导出。其余两组分别与端口105和端口106相连，用作响应电压测量。接口(104-107)用于与阻抗分析与测量仪器相连。当两/四电极测量转换开关103处于导通状态时，处于两电极法测量模式，适于高频段的生物组织介电特性测量。而当两/四电极测量转换开关103处于关断状态时，处于四电极法测量模式，适于低频段的生物组织介电特性测量。

参考图2，本实施例还给出一种用于环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行标校的标校盒，其为一圆柱状容器，包括一个圆柱形盒体200，圆柱形盒体200的内径为基座102上形成外环109的1.5倍(外环109上有针状电极101)，其圆柱形盒体200内的有效深度为针状电极101长度的2倍。圆柱形盒体200的内侧有一平台201，用于标校时托起基座102。

参考图3，在实施中，将本实施例制备的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头通过4根导线302与阻抗分析仪器301的连接方法是：接口104与仪器的激励信号流出端相连，接口107与仪器的激励信号流入端相连。接口105与仪器的电压测量同相输入端相连，接口106仪器的电压测量反相输入端相连。4根导线302需等长，且均需对地屏蔽。

图4为本实施例制备的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头与生物组织401所处位置的示意图。测量时，所有针式电极101均应垂直插入生物组织401内部，并保证生物组织401的厚度为针式电极101长度的2倍以上，生物组织401最大有效直径不小于针式电极101所在外环109直径的1.5倍。

图5给出了四电极法电阻抗测量原理：虽然激励源将激励电流通过激励电极注入被测目标时，会因接触阻抗的存在而产生额外的电压差，但因测量电极与激励电极分开，因而该电压差不会传递到测量端。测量电极虽然也会与被测目标之间产生接触阻抗，但由于电压放大器的输入阻抗可以做的足够大，因而该接触阻抗的影响可以忽略不计。

为使本实施例制备的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头的技术特征和优点更加显明易懂，下面结合原理进行具体的说明。

以四电极法为例：环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头的内环半径为r_内(cm)，外环半径为r_外(cm)，针式电极101长度l_针长(cm)。若待测组织为圆柱体，其底面半径为1.5*r_外，高为2*l_针长。将图1所示针式电极101刺入到待测生物组织内部，保证针式电极101完全进入生物组织组织中，然后通过激励、测量端口与阻抗分析仪连接，设定阻抗分析仪的相应测量参数，即可得到待测组织的电阻抗频谱。

对获取的电阻抗频谱，根据理论分析得出如下所示的电导率σ_测(S/cm)和相对介电常数ε_测计算公式：

式中，Z_Re和Z_Im分别为电阻抗测量值的实部和虚部，单位为Ω，ε₀＝8.8542^-12为真空介电常数，ω为角频率。系数k₁和k₂与针式电极的直径相关，可通过标校实验的方法确定。其具体的标校操作方式如下：

1)在圆柱形标校盒中分别注入介电特性已知的去离子水、标准浓度的KCl溶液，将探头置入标校盒中，并通过激励与测量接口将探头接入阻抗分析仪，进行电阻抗数据测量。

2)根据公式：

计算电导率与介电常数的估算修正系数k₁和k₂。式中，ε和σ分别为去离子水的介电常数和标准浓度的KCl溶液的电导率。

经过上面的过程修正后，只要保证样本中的最大圆柱半径不小于1.5*r_外，高度不小于2*l_针长，则其介电特性测量精度可达到5％以上。

Claims (5)

1.一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，包括一基座（102），在基座（102）上安装有多支针式电极（101）、转换开关（103）和激励端与测量端接口（104、105、106、107）；

所述的多支针式电极（101）等间距排列在基座（102）上所形成的内环（108）和外环（109）两个同心圆上，并与基座（102）垂直作为激励电极和测量电极，功能相同的电极通过基座（102）上的铜质导线（110）内部相连，并通过转换开关（103）与激励端与测量端接口（104、105、106、107）相连；

所述的转换开关（103）用于在介电特性测量的两电极法和四电极法之间进行快速切换：当切换开关（103）处于导通状态时，所有的内环（108）上的电极均用于激励电流导入，而外环（109）上的电极均用于电流导出，此时，直接测量内环（108）、外环（109）电极间的响应电压差。

2.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，所述的基座（102）的材料是聚酯纤维或其它非导电体，且具有一定强度不易发生形变。

3.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，所述的针式电极（101）由Ag/AgCl或其它非极化电极材料制成。

4.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，所述的激励电极和测量电极在内环（108）和外环（109）上的排列方式不限。

5.权利要求1~4其中之一所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行生物组织介电特性测量的方法，其特征在于，将针式电极（101）刺入待测生物组织，将激励与测量端口（104、105、106、107）与阻抗分析仪对应连接，通过该阻抗分析仪得到待测生物组织的电阻抗频谱，然后根据相应公式计算出待测生物组织的电导率和介电系数。

Images