CN102914696B - 基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，该系统与阻抗分析仪连接，该系统包括PID温度控制模块、固态继电器、加热器、水箱、泵、阻抗测量装置、温度传感器和橡胶管，所述的PID温度控制模块、固态继电器、加热器依次电连接，所述的加热器固定于水箱中，所述的泵设置在水箱内，所述的阻抗测量装置通过橡胶管分别连接水箱和泵，所述的温度传感器一端与水箱连接，另一端与PID温度控制模块电连接，所述的阻抗测量装置与阻抗分析仪连接，所述的阻抗测量装置内设置有生物组织。与现有技术相比，本发明具有结构简单、测量简便快速、可测试多种生物组织阻抗温度特性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗电子仪器领域的测试装置，尤其是涉及一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统。
背景技术
肿瘤热疗是一种利用各种致热源在组织中产生热效应，使肿瘤组织温度上升到有效治疗温度，并持续一定时间以杀死肿瘤细胞的方法。肿瘤组织内的毛细血管壁由单层内皮细胞和缺乏弹性基膜的外膜形成,血流缓慢，加热会使肿瘤组织血管发生淤滞,从而导致肿瘤组织血流减少,使肿瘤组织的温度高于临近的正常组织,其温差可达5℃-10℃，这个温差能使癌细胞死亡而不会损伤正常细胞。
肿瘤热疗最大的优点是无创或微创、安全性好，它能有效杀伤恶性肿瘤细胞，提高病人的生活质量，延长病人的生命，因此在临床上越来越引起人们的重视。关于热疗的研究特别是基础领域的研究取得了显著的进展。但其剂量及温度控制方面的研究较少，极大地制约了其发展。
热剂量是肿瘤热疗方法急待解决的重要课题。所谓热剂量，即是使用热疗的温度和时间，其中温度尤为重要。理想的加热治疗是使肿瘤内的温度达到均匀分布，而要想了解肿瘤组织内的温度分布，必须获得所加热区域的温度分布值。目前临床采用的测温方法多以有损测量为主，且只能在肿瘤位置及其周围正常组织的有限几个点进行测温，对人体损伤较大，且不易重复。
生物电阻抗技术是一种在人体内注入人体安全电流，测得相应电压来获得人体体内的电阻抗信息的技术。此技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便快速，检测过程安全，成像成本低。研究表明，生物组织的电阻抗与温度呈现一定的函数关系，因此可以通过生物电阻抗成像技术实现热疗过程中加热组织温度的无损检测。利用电阻抗技术测量加热组织的温度的原理为：在人体表面施加人体安全电流，测量体表电压，由于人体内各组织的导电参数不相同，可通过测得的电压重构体内电阻率及其变化的分布。由于组织的阻抗参数变化与温度的变化呈现一定关系，测得电阻率分布后，经过计算得到温度的大小，从而实现温度测量。
利用生物电阻抗成像技术实现热疗过程中组织温度的无损检测具有理论依据，且对人体无创无害，系统结构简单，但是有关生物组织的阻抗与温度特性方面的关系国内外的研究较少，其具体的函数关系也未曾可知，这极大地制约了其发展。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、测量简便快速、可测试多种生物组织阻抗温度特性的基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，该系统与阻抗分析仪连接，该系统包括PID温度控制模块、固态继电器、加热器、水箱、泵、阻抗测量装置、温度传感器和橡胶管，所述的PID温度控制模块、固态继电器、加热器依次电连接，所述的加热器固定于水箱中，所述的泵设置在水箱内，所述的阻抗测量装置通过橡胶管分别连接水箱和泵，所述的温度传感器一端与水箱连接，另一端与PID温度控制模块电连接，所述的阻抗测量装置与阻抗分析仪连接，所述的阻抗测量装置内设置有生物组织；
系统通电后，PID温度控制模块比较温度传感器采集的温度和温度设定值，根据比较结果控制固态继电器的通断，进而控制加热器的工作，使得水箱中的水保持恒温状态，水箱中的水通过橡胶管对阻抗测量装置内的生物组织进行加热，阻抗测量装置向阻抗分析仪输出测得的电压值，阻抗分析仪通过对电压值的分析，获得一组电阻率-频率特性，再调节温度设定值，生物组织被加热到当前温度设定值时再进行一组测量，获得另一组电阻率-频率特性，经过若干次递增的温度设置，获得各次相应的电阻率-频率特性，经过转换计算，得到特定频率下生物组织的电阻率-温度特性。
所述的PID温度控制模块包括温度控制单元、温度显示单元和键盘控制单元，所述的温度显示单元和键盘控制单元均与温度控制单元电连接，所述的温度控制单元与温度传感器连接。
所述的温度显示单元为LCD液晶屏，显示温度传感器输入的温度；所述的键盘控制单元为矩阵键盘，向温度控制单元输入温度设定值。
所述的固态继电器为单相交流固态继电器；所述的温度传感器为热电阻温度传感器；所述的泵为可长时间工作在100摄氏度水下的热水循环泵。
所述的阻抗测量装置包括电极、套筒和底座，所述的套筒设在底座上，所述的电极设在套筒两端，所述的电极与阻抗分析仪连接。
所述的套筒包括外套筒和内套筒，所述的生物组织设置在内套筒内部。
所述的电极包括第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极同心设置，所述的套筒上端的第一电极和第二电极通过有机玻璃板固定。
所述的第二电极的圆心位置设有直径与第一电极直径相同的孔，所述的第一电极设置在该孔内，所述的第二电极上以圆心为对称的两条半径的中心点位置焊接有螺栓，所述的第一电极上刻有螺纹。
所述的有机玻璃板开有与第一电极上的螺纹及第二电极上的螺栓相对应的固定孔，第一电极和螺栓穿过该固定孔并固定。
所述的底座为正方形，所述的底座中心处设有一圆柱形的保温垫片，所述的保温垫片上设有与第一电极上的螺纹及第二电极上的螺栓相对应的垫片孔，所述的套筒下端的第一电极和第二电极穿过该垫片孔并固定，所述的底座上还设有直径与橡胶管相同的孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明采用四电极法的原理设计阻抗测量装置，原理简单，操作方便，四电极可直接与阻抗分析仪进行连接以获得多个频率的阻抗温度特性曲线；
2)本发明可用于测试多种生物组织阻抗的温度特性，为采用电阻抗成像法监测在肿瘤热疗时的热疗区域的温度奠定基础。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明组织阻抗测量装置的爆炸视图；
图3为本发明组织阻抗测试装置的安装方式的视图；
图4为本发明组织阻抗测试装置的俯视图；
图5为图4中A-A剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，该系统与阻抗分析仪连接，其特征在于，该系统包括PID温度控制模块1、固态继电器2、加热器3、水箱4、泵11、阻抗测量装置6、温度传感器5和橡胶管7，所述的PID温度控制模块1、固态继电器2、加热器3依次电连接，所述的加热器3固定于水箱4中，所述的泵11设置在水箱4内，所述的阻抗测量装置6通过橡胶管7分别连接水箱4和泵11，所述的温度传感器5一端与水箱4连接，另一端与PID温度控制模块1电连接，所述的阻抗测量装置6与阻抗分析仪连接，所述的阻抗测量装置6内设置有生物组织。
所述的PID温度控制模块1包括温度控制单元10、温度显示单元8和键盘控制单元9，所述的温度显示单元8和键盘控制单元9均与温度控制单元10电连接，所述的温度控制单元10与温度传感器5连接。所述的温度显示单元8为LCD液晶屏，显示温度传感器5输入的温度；所述的键盘控制单元9为矩阵键盘，向温度控制单元10输入温度设定值。
本实施例的固态继电器2为单相交流固态继电器，双向可控硅输出，零电压开启，零电流关断，输入回路与输出回路之间有光隔离，实施时性能优秀。温度传感器5选用热电阻温度传感器Pt100，灵敏度约为0.38Ω/℃，Pt100采用三线制接法，以消除连接导线电阻引起的测量误差。本实施例的泵11为热水循环泵，该泵可长时间工作在100摄氏度水下，热水循环泵的出口处接一直径为10mm的橡胶管7，并通过水泵卡子与泵11出口可靠连接，该橡胶管7从阻抗测量装置的底座17上的孔穿入，在阻抗测量装置6内壁上缠绕8-10圈后，橡胶管7的另一端固定在水箱4内，实现水的循环。
图2-图5给出了阻抗测量装置6的一个实施例。本实施例的阻抗测量装置6包括电极、套筒16和底座17，所述的套筒16设在底座17上，所述的电极设在套筒16两端，所述的电极与阻抗分析仪连接，所述的阻抗分析仪可以通过电极测得的电压输出扫频的电阻率-频率特性曲线，设定扫频的频率范围为1KHz～1MHz。
所述的套筒16包括外套筒和内套筒，所述的生物组织设置在内套筒内部，所述的套筒16内外筒均由保温材料构成，内筒内径36mm，外径46mm，外筒内径为66mm，外径为86mm。所述的电极包括第一电极14和第二电极15，所述的第一电极14和第二电极15同心设置，本实施例中第一电极14直径5mm，第二电极15内径9mm，外径35mm，电极厚2mm。所述的第二电极15的圆心位置设有直径与第一电极14直径相同的孔，所述的第一电极14设置在该孔内，所述的第二电极15上以圆心为对称的两条半径的中心点位置焊接有螺栓，所述的第一电极14上刻有螺纹。所述的套筒上端的第一电极和第二电极依次通过有机玻璃板13和配重12固定，所述的有机玻璃板13上相应于第一电极14和螺栓的位置开相应的固定孔，第一电极14和螺栓穿过该固定孔对电极进行固定。所述的底座17为正方形，以底座17的中心为圆心一圆柱形的保温垫片，上面对应与第一电极14和第二电极15的螺栓位置开有三个垫片孔，所述的套筒下端的第一电极14和第二电极15穿过这三个垫片孔并固定；所述的底座17上对应于套筒的内外筒间的位置开有直径为10mm的孔，以穿过橡胶管7。所述的配重12为圆环状的不锈钢片，内径31mm，外径35mm，每个配重12质量为100g，放置在顶部的电极上使电极贴合于生物组织。
本实施例基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统的工作原理为：对各部分进行电连接及组装，并进行通电。从键盘控制单元9设输入一个预设的温度设定值，温度控制单元10根据温度传感器5采集的水箱4中水的实际温度与温度设定值之差输出一个控制信号来控制固态继电器2的通断，进而控制固定于水箱中的加热器3的通断。即是：若水箱4中水的实际温度高于PID温度控制模块1的温度设定值，则停止加热，通过散热降低温度；一旦水箱4中水的温度低于温度设定值，则马上打开加热器对水进行加热，由此往复，使得水箱4中的水保持恒温状态，其恒温的温度值即为所设定的温度设定值。恒温的水通过橡胶管7缠绕在阻抗测量装置6的内壁上对放置于其内部的生物组织进行恒温水循环加热，以将生物组织控制在一定温度下。一旦生物组织达到所需温度，即水箱4中水的温度等于温度设定值，则按下阻抗分析仪的控制按钮获得一次组织的电阻率-频率特性曲线。所述的温度设定值从常温(如20℃)开始，以2℃为步进直到80℃，重复上述的操作过程，可获得30组不同温度下的电阻率-频率特性曲线，通过数据转换处理，可获得某一频率如200KHz下的电阻率-温度特性曲线，以此类推，可获得多个频率下的电阻率-温度特性曲线，并且通过更换装置内放入的生物组织，可实现多种生物组织阻抗的温度特性测试，为采用电阻抗成像法监测在肿瘤热疗时的热疗区域的温度奠定基础。
Claims (8)
1.一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，该系统与阻抗分析仪连接，其特征在于，该系统包括PID温度控制模块、固态继电器、加热器、水箱、泵、阻抗测量装置、温度传感器和橡胶管，所述的PID温度控制模块、固态继电器、加热器依次电连接，所述的加热器固定于水箱中，所述的泵设置在水箱内，所述的阻抗测量装置通过橡胶管分别连接水箱和泵，所述的温度传感器一端与水箱连接，另一端与PID温度控制模块电连接，所述的阻抗测量装置与阻抗分析仪连接，所述的阻抗测量装置内设置有生物组织；
系统通电后，PID温度控制模块比较温度传感器采集的温度和温度设定值，根据比较结果控制固态继电器的通断，进而控制加热器的工作，使得水箱中的水保持恒温状态，水箱中的水通过橡胶管对阻抗测量装置内的生物组织进行加热，阻抗测量装置向阻抗分析仪输出测得的电压值，阻抗分析仪通过对电压值的分析，获得一组电阻率-频率特性，再调节温度设定值，生物组织被加热到当前温度设定值时再进行一组测量，获得另一组电阻率-频率特性，经过若干次递增的温度设置，获得各次相应的电阻率-频率特性，经过转换计算，得到特定频率下生物组织的电阻率-温度特性；
所述的阻抗测量装置包括电极、套筒和底座，所述的套筒设在底座上，所述的电极设在套筒两端，所述的电极与阻抗分析仪连接，所述的套筒包括外套筒和内套筒，所述的生物组织设置在内套筒内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的PID温度控制模块包括温度控制单元、温度显示单元和键盘控制单元，所述的温度显示单元和键盘控制单元均与温度控制单元电连接，所述的温度控制单元与温度传感器连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的温度显示单元为LCD液晶屏，显示温度传感器输入的温度；所述的键盘控制单元为矩阵键盘，向温度控制单元输入温度设定值。
4.根据权利要求1所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的固态继电器为单相交流固态继电器；所述的温度传感器为热电阻温度传感器；所述的泵为可长时间工作在100摄氏度水下的热水循环泵。
5.根据权利要求1所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的电极包括第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极同心设置，所述的套筒上端的第一电极和第二电极通过有机玻璃板固定。
6.根据权利要求5所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的第二电极的圆心位置设有直径与第一电极直径相同的孔，所述的第一电极设置在该孔内，所述的第二电极上以圆心为对称的两条半径的中心点位置焊接有螺栓，所述的第一电极上刻有螺纹。
7.根据权利要求6所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的有机玻璃板开有与第一电极上的螺纹及第二电极上的螺栓相对应的固定孔，第一电极和螺栓穿过该固定孔并固定。
8.根据权利要求6所述的一种基于水循环恒温装置的生物组织阻抗温度特性测试系统，其特征在于，所述的底座为正方形，所述的底座中心处设有一圆柱形的保温垫片，所述的保温垫片上设有与第一电极上的螺纹及第二电极上的螺栓相对应的垫片孔，所述的套筒下端的第一电极和第二电极穿过该垫片孔并固定，所述的底座上还设有直径与橡胶管相同的孔。
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