CN1034272A

CN1034272A - 测量生物介电特性的六环电极技术

Info

Publication number: CN1034272A
Application number: CN 88100107
Authority: CN
Inventors: 黄智礼; 郑尔信
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1988-01-11
Publication date: 1989-07-26
Also published as: CN1010252B

Abstract

本发明是在分析生物组织介电特性的研究现状和测量中存在问题的基础上，提出的一种生物组织介电特性测量的电极技术——六环电极技术。此电极技术将测量电极和保护电极揉为一体，较好地克服了以往其他电极技术存在的问题。通过电场数值分析对此电极在理论上作了论证。实验证明：本技术具有试样制作方便，对被测组织的大小要求不严，测量精度高和可用于在体测量等优于其他电极技术的特点。并且还可用于液体和胶状体介电特性的测量。

Description

本发明六环电极技术适用于低频频段组织的介电特性的测量。

目前用于低频频段生物组织介电特性测量的电极技术主要是四电极技术，其测量原理如图1所示。四电极测量技术由两对电极构成，一对将恒定的交变电流引入生物组织，另一对电极引出被测部位的电位。采用四电极技术，在测量之前必须将生物组织试样按一定的要求切割成一定的形状和大小。这就使得组织的离体时间延长，再加上反复地切割加工，必然破坏生物组织的正常生理状态，从而给测量带来较大的误差。另外四电极技术对激励电流在组织中的分布无法控制，而电流的分布与组织的大小、形状有关。所以，采用四电极技术对保证组织中或组织中某个范围内的电场分布均匀或有规则比较困难，致使组织不同部份对所测介电特性的贡献不同，产生测量误差。并且，该技术一般不能用于在生命体上直接对生物组织进行介电特性的测量。

由四个针状电极构成的四电极测量技术（如图3所示）能解决在生命体上测量生物组织的介电特性。但此种电极要求组织是均匀的，组织体积较大（近似无限大）。在组织较小时，产生电流的分布不均匀，因而产生较大的测量误差。

本发明的目的在于寻求一种新的生物组织介电特性测量技术。它使被测量的生物组织试样制作简单、方便，减少组织的离体时间，避免对被测组织的反复切割加工，从而减少由此带来的测量误差。它能控制被测组织中电流的流向，使电流密度在组织中的分布均匀或有规则，提高测量精度，并能直接在生命体上对组织进行测量。

本发明的目的是以下述方式实现的。

本发明的六环电极由测量电极和保护电极构成，如图4、5所示。测量电极由一绝缘圆片上的四个金属圆环构成，外环和内环为电流电极，内外环之间的两个环为电压电极，两电压电极在内外环距离之间的中点处。保护电极由一绝缘圆片上的两个金属圆环构成，该两个圆环为电流电极，与测量电极中的电流电极直径相同。

生物组织的介电特性包含介电常数ε和导电系数σ两个参数（这正是生物组织介电特性测量所求的两个参数）。假设生物组织满足，各向同性和均匀性，即ε和σ不随激励而改变且组织中各点相同，外加频率为ω的激励，则生物组织中的电场将由σ和ε两个参数所决定。如电场强度为E，电流密度为J，空间电荷密度为q，则下式成立

diν（εE）＝q （1）

diνJ＝diν（σE）＝- (σq)/(σt) （2）

从上述两式出发，如ε不随时间而改变，则有

diν（σE+ε (dE)/(dt) ）＝0 （3）

对于交变电场，如表示为E＝E₀Cos（ωt+φ），上式可用复数处理，则有

diν｛（σ+iωε）｝＝0 （4）

如把σ+iωε表示为复介电常数

＝ε-i (σ)/(ω) ＝ε′-ε″i （5）

则（4）式也可写为

diν

＝0 （6）

由于ε和σ与坐标无关，因此有

diν ＝0 （7）

或表示为

＝0 （8）

（7）为拉普拉斯方程式。因此生物组织中的电场满足拉普拉斯方程。这样在ε和σ不随坐标而变化的均匀生物组织中，无论怎样的ε和σ的组合，电场的分布总是相同的。因此可以将生物组织中的电场等效为一般的静电场问题加以分析。

采用表面电荷法计算二维或三维平面或轴对称静电场通用程序（SCMO2）对六环电极方案中的两电极之间的组织中的电场进行计算，分析计算的结果如图7所示。因是轴对称场，计算仅对横切面的一半进行。

由图7可以看出，在此横切面上两电流电极之间确实存一等位线相互平行（在一定的平行度范围内）的区域，也即电流密度分布平行等距。因此在此区域上设置电压电极，记录其电位，即可实现对生物组织介电特性准确地测量和数据计算。

设外加激励电流为

，两电极之间的距离也即组织的厚度为D，在半径为r处，如图7所示的等电位线相互平行的区域内有

（9）

在均匀的生物组织中，电流密度

与电场强度

的关系为

＝（σ+iωε）（10）

那么，两电压电极环之间的电压为

由上式可得两电压电极之间环状组织的导纳为

因此可得生物组织的导电系数σ和介电常数ε

其中D为组织的厚度，r₁、r₂为两电压电极环的半径，ω为激励的角频率。

只要测得生物组织的厚度和电压，电流的幅值及相位差，由上式即可方便地求出生物组织的导电系数和介电常数。

本发明测量生物介电特性的六环电极技术方案由电极系统和测量系统来实现。

电极系统除了六环电极外，还有温度传感器（9）、数字式温度显示器（13）、温度控制电路部分（14）、电极与组织的接触压力调节机构部分（12）和组织厚度尺寸刻度部分（11）、恒温器（8），如图7所示。温度传感器（9）为热敏电阻，与被测组织接触;数字式温度显示器（13）由三位半A/D转换器和三位半液晶显示器构成;温度控制电路部分（14）由预置电路、比较放大器、驱动器和可控硅、电阻加热装置构成，其中预置电路由电位器分压电路构成，比较放大器和驱动器由双极高输入阻抗集成放大器F347构成;电极与组织的接触压力调节机构部分（12）为一直角支架，支架上口朝水平方向镶嵌有两层隔板，两隔板中央有一直径为10mm的小孔，小孔中有一实心圆棒通过，实心圆棒一端顶着测量电极（位于保护电极上面），实心圆棒的中段刻有螺纹，上套一弹簧和螺母置于两隔板之间，实心圆棒上端刻有尺寸的刻度为组织厚度尺寸刻度部分（11），保护电极固定在支架底板上;恒温器（8）为WC/09-05型恒温器。

测量系统包括模拟电路和数字控制电路两大部分。

模拟电路部分包括程控正弦波信号发生器（15）、懔髟吹缏罚?）、宽带电压放大器（16）、鉴幅器（18）、鉴相器（19）、宽带电流放大器（17）、直流放大器、模/数转换器（20）、数/模转换器（22）。

程控正弦波信号发生器（15）主要由单片精密函数发生器5G8038构成;恒流源电路（1）由两个集成运放构成，实际上为一个电压-电流转换电路;宽带电压放大器（16）采用双极MOS高输入阻抗运算放大器F3140;宽带电流放大器（7）由两个运算放大器构成，前一级完成电流-电压转换，后级作为放大;鉴幅器由精密半波整流电路和二阶低通滤波器构成;鉴相器由两个限幅放大器，相位比较器和低通滤波器构成。

数字控制电路部分主要由Z-80单板微型计算机，其测量运算的系统软件（监控主程序、测量与数据处理子程序、结果输出子程序和浮点运算子程序）、打印机构成。

本发明的整个测量工作过程如下：

组织离体后，切出一片状组织，置于电极与组织的接触压力调节机构支架上的六环电极的测量电极和保护电极之间，调节实心圆棒上的螺母，使电极与被测组织接触良好。然后，把支架置于恒温器中，这时，温度传感器将被测的组织温度转换为电量。输入到温度显示器和温度控制电路部分。由温度显示器显示被测组织的温度，温度控制电路部分将被测组织的温度变化反馈控制恒温器的温度，以保证组织温度的恒定。查看实心圆棒上尺寸刻度，得知被测组织的厚度D，把其厚度D输入计算机，待到被测组织温度为设定的温度后，按一下计算机上的命令键。在计算机的控制下，程控正弦波信号发生器产生频率为从1赫兹到100千赫兹范围内的正弦电压，这一电压通过恒流源电路转换成正弦电流，作为生物组织介电特性测量的激励电流。激励电流通过四环电极中的电流电极作用于被测组织。宽带电压/电流放大器将电极检测的电位和电流信号放大，通过鉴幅器和鉴相器输出电压/电流信号的幅值和两者的相位差，由直流放大器把这些信号放大到A/D转换器所要求的直流电平，再通过A/D转换器转换成数字信号输入到计算机。计算机根据13和14式运算出被测组织的导电系数和介电常数，通过打印机输出其结果。

六环电极将测量电极和保护电极揉为一体，很好地控制了组织中电流的分布，使测量电流集中在测量电极和保护电极之间的组织中，使在两电流电极之间、电压电极下的组织中电流的分布有规则，在横切面电流密度线为等距平行线，在径向电流密度呈规则的幅射状，这样就提高了测量精度。由于测量电流不会向电极圆片范围外的组织中发散，这就使六环电极技术可直接在生命体上对片状组织进行介电特性的测量。并且六环电极在测量时仅需对生物组织切成一片状置于测量电极和保护电极之间。因此使对生物组织试样的制作简单、方便，减小了组织的离体时间，避免对被测组织的反复切割加工，从而减小了由此使生物组织的正常生理、生化状态发生变化带来的测量误差。

电极系统将测量电极与组织温度显示和控制、组织的尺寸刻度和接触压力调节结合在一起，使得对生物组织的介电特性测量更为简便、快速和准确。

测量过程完全在计算机的控制下进行，具有测量时间短，测量精度较高等特点。

以下结合附图对本发明作进一步说明：

图1为四电极测量技术示意图，其中（1）为恒流源电路，（2）为电压测量，（3）为被测组织，（4）为电流电极，（5）为电压电极。

图2为四电极测量技术实用结构示意图。

图3为针状四电极示意图。

图4为本发明六环电极构成示意图，其中（6）为测量电极，（7）为保护电极。

图5为本发明六环电极横切面电场分布示意图，其中一为电流密度线，一为等电位线。

图6为本发明六环电极径向电场分布示意图，其中一为电流密度线，一为等电位线。

图7为本发明的电极之间组织中的电场分布数值分析结果。

图8为本发明中电极系统构成原理示意图，其中（8）为恒温器，（9）为温度传感器，（11）为组织厚度尺寸刻度，（12）为电极与组织接触压力调节，（13）为数字式温度显示器，（14）为温度控制电路部分。

图9为本发明中测量系统原理示意框图，其中（15）为程控正弦波信号发生器，（16）为宽带电压放大器，（17）为宽带电流放大器，（18）为鉴幅器，（19）为鉴相器，（20）为模/数转换器，（22）为数/模转换器，（21）为Z-80单板计算机，（23）为打印机。

本发明除了用于生物组织介电特性的测量外，还可用于医药、食品行业液体、胶状体等物质的介电特性测量，有可能作为药品、食品的一种快速检验方法。

Claims

1、一种测量生物介电特性的六环电极技术，由电极系统和测量系统构成，其特征在于电极为六环电极，其构成为测量电极和保护电极，测量电极由一绝缘圆片上四个金属圆环构成，外环和内环为电流电极，内外环之间的两个环为电压电极，两电压电极在内外环距离之间的中点处，保护电极由一绝缘圆片上的两个金属圆环构成，该两个圆环为电流电极，与测量电极中的电流电极直径相同；六环电极与组织厚度的尺寸刻度和电极与组织的接触压力调节机构通过支架和上有刻度的实心圆棒结合在一起。