CN103353552B - 一种用于测量离体骨介电特性的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量离体骨介电特性的装置，包括由支撑底盘和连接体构成的底座，上端设有检测室的样品仓设置在底座上，待测的中空的骨样品放置在检测室中，骨样品的上下两端分别连接有上垫片和下垫片，骨样品内设有针电极，圆柱电极设置在骨样品外的检测室内，骨样品的内外还分别注有电解质溶液。本发明提供的用于测量离体骨介电特性的装置，实现了对离体骨这种硬组织的介电特性的有效、准确测量，而且采用了螺纹和垫圈结构，解决了测量硬组织时测量液的渗漏问题。

Description

一种用于测量离体骨介电特性的装置及测量方法

技术领域

本发明属于介电特性测量技术领域，涉及一种用于测量离体骨介电特性的装置及测量方法。

背景技术

生物组织在电磁场中吸收和耦合电磁能的特性称为其介电特性，是其对外界施加的电磁场的被动响应能力。不同生物组织具有不同的介电特性，而同一种组织在生理病理状态下的介电特性也是不同的。通常用电导率σ和相对介电系数ε来表征生物组织的介电特性。相对介电系数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。通过测量生物组织的介电特性，可以对其生理病理状态作出判断，从而为组织功能检测和疾病防治提供参考信息。

目前，对于软组织，如乳腺、肝脏、脾脏等，采用长方形或圆柱形测量装置，将被测组织剪裁为一定形状后放入测量装置，再用两电极法或四电极法进行测量。而对于骨这种硬组织来说，由于其不具有软组织那样的形状随意性，尚无能够有效、准确测量其介电特性的测量装置。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种用于测量离体骨介电特性的装置及测量方法，该测量装置具有规范的几何尺寸，能够实现对简单加工后的离体骨的有效、准确的测量。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于测量离体骨介电特性的装置，包括由支撑底盘和连接体构成的底座，上端设有检测室的样品仓设置在底座上，待测的中空的骨样品放置在检测室中，骨样品的上下两端分别连接有上垫片和下垫片，骨样品内设有针电极，圆柱电极设置在骨样品外的检测室内，骨样品的内外还分别注有电解质溶液。

所述的支撑底盘直径大于连接体的直径，支撑底盘的侧壁上设有凹槽，连接体外表面设有螺纹，其顶端还设有孔洞。

所述的样品仓的下端的内表面设有与连接体相适应的螺纹，样品仓套设在连接处上与底座连接。

所述的支撑底盘和连接体的连接处设有垫圈，样品仓套设在连接处上与底座连接后，垫圈与样品仓下表面紧密结合。

所述的上垫片、下垫片设有与插入连接体的孔洞相适应的穿孔，针电极穿过骨样品后插入连接体的孔洞中，孔洞内也注有电解质溶液。

所述的针电极、圆柱电极分别与阻抗分析仪相连接。

所述的底座、样品仓、上垫片和下垫片均由有机玻璃制成，所述的针电极、圆柱电极均由银制成；所述的电解质溶液为生理盐水。

所述用于测量离体骨介电特性的装置的测量方法，包括以下步骤：

1）将样品仓与底座设置好之后，放入针电极和圆柱电极，并向样品仓注入电解质溶液，将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上进行第一次检测；

2）将离体骨样品去除骨髓，加工为近似圆柱体，打磨骨样品的两端切面，将下垫片粘合于骨样品的一端后将其置于底座的连接体之上，向骨样品插入针电极；

将样品仓与底座设置好之后，向骨样品内注满电解质溶液，再将上垫片粘合于骨样品的另一端，将圆柱电极放入样品仓后，向样品仓注入电解质溶液至上垫片；

将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上进行第二次检测；

3）首先得到骨样品的等效并联电导G和电容C，计算式如下：

$G=\frac{\mathrm{Re}}{{\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2}$

$C=-\frac{\mathrm{Im}}{2\mathrm{\πf}({\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2)}$

其中，Re为加入骨样品后的电阻抗实部与未加入骨样品的电阻抗实部之差，Im为加入骨样品后的电阻抗虚部与未加入骨样品的电阻抗虚部之差，f为测量频率；

其次计算得到电导率σ和介电常数ε，具体式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{G}{2\mathrm{\πl}}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{C}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}$

其中，l为骨样品长度，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴的，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴的测量值，ε₀为真空介电常数。

所述的电解质溶液为生理盐水，将圆柱电极放入样品仓后，注入生理盐水至上垫片，以液面没过其底部而不超过其顶部为准。

所述以骨样品为一个共焦椭圆柱体，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴测量值的平均值，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴测量值的平均值；真空介电常数ε₀的值为8.8542E-12。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于测量离体骨介电特性的装置，实现了对离体骨这种硬组织的介电特性的有效、准确测量。

本发明提供的用于测量离体骨介电特性的装置，采用了螺纹和垫圈结构，解决了测量硬组织时测量液的渗漏问题。

本发明提供的用于测量离体骨介电特性的装置，采用了分立式设计，便于装置的定时清洁和保养，从而保证多次测量后的精度。

附图说明

图1是本发明的离体骨介电特性测量装置的示意图。

图2是针电极和圆柱电极示意图。

图3是垫片和骨样本示意图。

图4是垫圈和底座示意图。

图5是离体骨的电导率测量图。

图6是离体骨的介电常数测量图。

其中，101、底座，102、垫圈，103、样品仓，104、上垫片，105、下垫片，106、圆柱电极，107、针电极，108、骨样品。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种用于测量离体骨介电特性的装置，包括由支撑底盘和连接体构成的底座101，上端设有检测室的样品仓103设置在底座101上，待测的中空的骨样品108放置在检测室中，骨样品108的上下两端分别连接有上垫片104和下垫片105，骨样品108内设有针电极107，圆柱电极106设置在骨样品108外的检测室内，骨样品108的内外还分别注有电解质溶液。

具体的，底座101可分为支撑底盘和连接体两部分，支撑底盘直径大于连接体，其侧壁上有规则凹槽以增加摩擦力，从而便于拆分和组装，连接体表面有螺纹，以便于和样品仓拧合，其内部顶端有孔洞，其与支撑底盘连接处直径略小于连接体直径。

样品仓103是空心圆柱体，其内部上半部分内壁光滑，其直径小于下半部分，样品仓103的下端的内表面设有与连接体相适应的螺纹，样品仓套设在连接处上与底座101连接。

支撑底盘和连接体的连接处设有橡胶制成的垫圈102，连接体与支撑底盘连接处直径略小于连接体直径以便于套入垫圈102后该处与其紧密相连，从而保证测量液不会渗漏；样品仓套设在连接处上与底座连接后，垫圈102与样品仓下表面紧密结合。

所述的上垫片104、下垫片105中间有直径相同的孔，下垫片105可以和样品仓内部的下半部分的顶端紧密结合。

进一步，所述的底座、样品仓和垫片均由聚甲基丙烯酸甲酯，缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃制成，使用时通过强力胶水将上垫片104、下垫片105与骨样品108粘合。上垫片104、下垫片105为耗材，其作用是将骨样品108的骨髓腔内外的电解质溶液隔开，同时下垫片105能够避免底座101的连接体表面与强力胶水接触而导致多次测量后无法使用。

所述的垫圈由橡胶制成，针电极107和圆柱电极106由银制成，圆柱电极106的外径与样品仓103的上半部分的内径相同。针电极107和圆柱电极106分别与阻抗分析仪相连接，以便于进行测量。

下面给出具体是制作实施例：

底座101，其支撑底盘高10mm，直径38mm，连接体高18mm，直径18mm，顶部小孔深5mm，直径1mm；垫圈102外径22mm，内径17mm；样品仓103高35mm，外径28mm，上半部分内径13mm，长20mm，下半部分内径17mm，长15mm；上垫片104外径7mm，厚2mm，中间孔径1mm；下垫片105外径17mm，厚1mm，中间孔径1mm；圆柱电极106圆柱部分高12mm，外径13mm，厚0.6mm，电极引出部分高21mm，直径0.8mm；针电极107高40mm，直径0.8mm。

所述的用于测量离体骨介电特性的装置在进行测量时，包括以下步骤：

1）将样品仓与底座设置好之后，放入针电极和圆柱电极，并向样品仓注入电解质溶液，将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上进行第一次检测；

2）将离体骨样品去除骨髓，用电磨加工为近似圆柱体，长度约10mm，用砂纸轻微打磨骨样品的两端切面，用强力胶水将下垫片粘合于骨样品的一端后将其置于底座的连接体之上，向骨样品插入针电极；

将样品仓与底座设置（拧合）好之后，向骨样品内（骨髓腔内）注满电解质溶液（一般为生理盐水），再用强力胶水将上垫片粘合于骨样品的另一端，将圆柱电极放入样品仓后，向样品仓注入电解质溶液至上垫片，以液面没过其底部而不超过其顶部为准；

将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上，设定阻抗分析仪的相应参数，进行第二次检测，即可得到待测组织的电阻抗频谱；

3）对获取的电阻抗频谱进行进一步处理计算，首先得到骨样品的等效并联电导G和电容C，计算式如下：

$G=\frac{\mathrm{Re}}{{\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2}---\left(1\right)$

$C=-\frac{\mathrm{Im}}{2\mathrm{\πf}({\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2)}---\left(2\right)$

其中，Re为加入骨样品后的电阻抗实部与未加入骨样品的电阻抗实部之差，Im为加入骨样品后的电阻抗虚部与未加入骨样品的电阻抗虚部之差，f为测量频率；

其次计算得到电导率σ和介电常数ε，具体式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{G}{2\mathrm{\πl}}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{C}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}---\left(4\right)$

其中，l为骨样品长度，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴的，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴的测量值，ε₀为真空介电常数。

上述以骨样品为一个共焦椭圆柱体，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴测量值的平均值，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴测量值的平均值；真空介电常数ε₀的值为8.8542×10^-12。

这样就实现了对离体骨这种硬组织的介电特性的有效、准确测量。

测量范例：

骨样品长度l为0.00859m，两端截面的内短轴a₁为2.19mm，外短轴a₂为3.45mm，内长轴b₁为3.31mm，外长轴b₂为4.915mm，将数据代入式（3）和式（4），并对所计算的电导率和介电常数作图，分别如图5和图6所示。

图5中，横坐标为频率，单位为Hz，以对数坐标表示；纵坐标为电导率，单位为mS/m。从图5可以看出，随着频率的上升，电导率随之增大。

图6中，横坐标为频率，单位为Hz，以对数坐标表示；纵坐标为介电常数，是一个没有量纲的数值，以对数坐标表示。从图6可以看出，随着频率的上升，介电常数随之减小。

上述两幅图分别表征了该样品的介电性质，反映了该样品在宏观磁场中吸收和耦合电磁能的信息。

以上本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据发明的技术方案得出的等效替换和增加，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于测量离体骨介电特性的装置，其特征在于，包括由支撑底盘和连接体构成的底座，上端设有检测室的样品仓设置在底座上，待测的中空的骨样品放置在检测室中，骨样品的上下两端分别连接有上垫片和下垫片，骨样品内设有针电极，圆柱电极设置在骨样品外的检测室内，骨样品的内外还分别注有电解质溶液；所述的支撑底盘直径大于连接体的直径，支撑底盘的侧壁上设有凹槽，连接体外表面设有螺纹，其顶端还设有孔洞；

样品仓的下端的内表面设有与连接体相适应的螺纹，样品仓套设在连接体上与底座连接；支撑底盘和连接体的连接处设有垫圈，样品仓套设在连接体上与底座连接后，垫圈与样品仓下表面紧密结合；

上垫片、下垫片设有与插入连接体的孔洞相适应的穿孔，针电极穿过骨样品后插入连接体的孔洞中，孔洞内也注有电解质溶液。

2.如权利要求1所述的用于测量离体骨介电特性的装置，其特征在于，所述的针电极、圆柱电极分别与阻抗分析仪相连接。

3.如权利要求1所述的用于测量离体骨介电特性的装置，其特征在于，所述的底座、样品仓、上垫片和下垫片均由有机玻璃制成，所述的针电极、圆柱电极均由银制成；所述的电解质溶液为生理盐水。

4.利用权利要求1所述用于测量离体骨介电特性的装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将样品仓与底座设置好之后，放入针电极和圆柱电极，并向样品仓注入电解质溶液，将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上进行第一次检测；

2)将离体骨样品去除骨髓，加工为近似圆柱体，打磨骨样品的两端切面，将下垫片粘合于骨样品的一端后将其置于底座的连接体之上，向骨样品插入针电极；

将样品仓与底座设置好之后，向骨样品内注满电解质溶液，再将上垫片粘合于骨样品的另一端，将圆柱电极放入样品仓后，向样品仓注入电解质溶液至上垫片；

将阻抗分析仪的夹具分别夹在圆柱电极的引出部分和针电极上进行第二次检测；

3)首先得到骨样品的等效并联电导G和电容C，计算式如下：

$G=\frac{\mathrm{Re}}{{\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2}$

$C=-\frac{\mathrm{Im}}{2\mathrm{\πf}({\mathrm{Re}}^2+{\mathrm{Im}}^2)}$

其中，Re为加入骨样品后的电阻抗实部与未加入骨样品的电阻抗实部之差，Im为加入骨样品后的电阻抗虚部与未加入骨样品的电阻抗虚部之差，f为测量频率；

其次计算得到电导率σ和介电常数ε，具体式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{G}{2\mathrm{\πl}}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{C}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_{0}l}\ln \frac{a_2+b_2}{a_1+b_1}$

其中，l为骨样品长度，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴的测量值，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴的测量值，ε₀为真空介电常数。

5.如权利要求4所述的测量的方法，其特征在于，所述的电解质溶液为生理盐水，将圆柱电极放入样品仓后，注入生理盐水至上垫片，以液面没过其底部而不超过其顶部为准。

6.如权利要求4所述的测量的方法，其特征在于，以骨样品为一个共焦椭圆柱体，a₁和a₂分别是骨样品两端截面的内、外短轴测量值的平均值，b₁和b₂分别是样品两端截面的内、外长轴测量值的平均值；真空介电常数ε₀的值为8.8542E-12。