CN103479354A - 基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针，该探针与热电偶调理电路连接，所述的探针包括:空心圆柱绝缘针筒(102);金属针尖(101)，安装在空心圆柱绝缘针筒(102)头端部，用于刺入生物组织;电极环，包括两个激励电极环(103、106)和两个测量电极环(104、105)，第一激励电极环(103)、第一测量电极环(104)、第二测量电极环(105)、第二激励电极环(106)依次套设在空心圆柱绝缘针筒(102)上;尾部延长绝缘针筒(401)，安装在空心圆柱绝缘针筒(102)尾端部。与现有技术相比，本发明具有结构简单、测量简便快捷、可以实现对生物组织复电导率及实时温度的在体微创测量等优点。

Description

基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针

技术领域

本发明涉及一种生物组织电特性测量技术，尤其是涉及一种基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针。

背景技术

生物组织在不同的物理条件或生理条件下呈现不同的电特性，生物组织的电特性可以用复电导率来描述，它包含电导率σ和介电常数ε。而对生物组织电特性的测量是一种通过对被测对象注入安全电流来获得相应的电压，根据激励电流和测量电压的关系而获得复电导率的方法。通过隔离外电路并限定激励电流在安全范围内，可以保证测量过程安全无害，并且测量简单，可用于健康监测或治疗辅助手段。并且由激励电流和测量电压的关系获得的复电导率数学模型简单，物理意义直观，结果可靠。

研究生物组织的电特性具有重要的科学意义。由于不同的生物组织有不同的复电导率，而复电导率的值与组织的健康程度、病变情况相关，对健康组织和病变组织的电特性进行研究，对于组织病变的研究具有重要医学意义。

此外，组织的温度特性也是影响生物组织电特性的一个重要参数，在测量生物组织电特性的同时必须测定其温度值。通过研究生物组织的温度特性和复电导率的关系，可以辅助医学上基于电阻抗方法的热疗过程的温度监测。如高强度聚焦超声治疗技术(HIFU)是一种将超声能量集中到一个区域(焦域)，在焦域内通过空化、温升等使病变组织产生不可逆的凝固性坏死，从而去除病变组织的技术。该技术由于无创或微创、治疗效果好、相比较外科手术治疗降低了病人的身体负担，延长病人生命，在世界各国已经成为声场治疗的研究热点。

然而HIFU技术的一个难点是对治疗过程中的温度监测，实时掌握治疗靶区内温度分布情况，是保证HIFU治疗质量的重要依据。而一般的方法如超声法、CT法和MRI法由于温度监测的准确性或使用成本上考虑不适合推广使用。

生物组织的温度特性与电特性之间具有一定关系，通过测量电阻率的分布和变化，可以计算出当前温度值，从而实现实时温度测量。并且通过生物组织复电导率分析组织特性的方法成本低、易操作，在治疗辅助手段方面有广阔的发展前景。

但是，有关在体生物组织电特性的研究较少，目前已报道的研究主要针对离体组织的电特性的研究。但生物组织离开生物体之后由于缺乏血液、氧气等供应，生物活性会随时间变化而改变，细胞缺水、失活等等，都会显著改变生物组织的电特性。因此研究一种能够微创测量在体生物组织电特性的测量装置并同时检测其温度就非常必要。

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、测量方便的基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

探头的工作原理是：一个直径细小的四电极探针插入被测对象中，在任意横截面上被测对象的尺寸远大于探针尺寸，探针的几何尺寸及其对生物组织特性的扰动可忽略；探针上四个环形电极的间距微小、可以假定测量范围内生物组织的电特性是均匀的。

由于探针是直径微细的圆柱形，根据电磁场理论，在分析敏感场特性时可以将其理想化为一个平面二维场，满足Laplace方程：

$\left\{\begin{array}{c}\▿(\mathrm{\σ}\▿\mathrm{\φ})=0\\ {\∫}_{+I}\mathrm{\σ}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂n}=+I\\ {\∫}_{-I}\mathrm{\σ}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂n}=-I\end{array}\right.$

式中，σ代表被测敏感域内生物组织的复电导率，φ代表敏感域内的电势分布，n代表探针激励电极环表面的法向方向，±I代表激励电极环流入和流出的电流。

用分离变量法可以求解上式，得到测量电极环上的生物组织电位及电位差如下：

${\mathrm{\φ}}_{E+}=\frac{I}{\mathrm{\σ\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}{\left(\frac{D_v}{D_i}\right)}^n[1-{(-1)}^n]$

${\mathrm{\φ}}_{E-}=\frac{I}{\mathrm{\σ\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}{\left(\frac{D_v}{D_i}\right)}^n{(-1)}^n[1-{(-1)}^n]$

${\mathrm{\φ}}_{E+}-{\mathrm{\φ}}_{E-}=\frac{4I}{\mathrm{\σ\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n-1}{\left(\frac{D_v}{D_i}\right)}^{2n-1}=\frac{2I}{\mathrm{\σ\π}}\ln \frac{1+\frac{D_v}{D_i}}{1-\frac{D_v}{D_i}}$

式中，D_v和D_i分别表示两个测量电极环和两个激励电极环的间距，按照上式可以得到被测对象的复电导率：

$\mathrm{\σ}=\frac{2I}{\mathrm{\π}({\mathrm{\φ}}_{E+}-{\mathrm{\φ}}_{E-})}\ln \frac{1+\frac{D_v}{D_i}}{1-\frac{D_v}{D_i}}$

式中，σ表示复电导率，它包含电导率σ和介电常数ε两部分。其关系为：

$\mathrm{\σ}=\mathrm{\σ}+j\frac{\mathrm{f\ϵ}}{2k}$

其中，f为激励信号的频率，k为静电力常量。

探头激励电极环选取的原则是：在任意经过探针轴心的切面上，一对激励电流源产生的电场类似于电偶极子产生的电场，即：

$\stackrel{\→}{E}=\frac{q}{4\mathrm{\π\ϵ}}\·\frac{r-r^{\′}}{{|r-r^{\′}|}^3}-\frac{q}{4\mathrm{\π\ϵ}}\·\frac{r-r^{\′\′}}{{|r-r^{\′\′}|}^3}$

公式中的q表示激励电荷，ε表示空间的介电常数，r表示空间任意一点的方位矢量，r′和r″分别表示正激励电荷和负激励电荷的方位矢量。激励模式如图5所示。

通过对电偶极子电场的分析，可以得到在两电流源连线的中垂线上电场的最大值E_max出现在电流源连线的中点。而中垂线上的任意一点的电场强度E_i相对于E_max的变化可以用下式表示为：

$\frac{E_i}{E_{\max }}=\frac{{D_i}^3}{{8x}^3}$

式中，

L表示一对电流源连线的中垂线上的点相对电流源连线的中点的距离。

令a等于电场强度的相对变化量，y等于L与D_i的比值，可以得到关系：

${64y}^6+{48y}^4+{12y}^2+1-\frac{1}{a^2}=0$

则，a=0.99时，L=0.0410D_i

a：0.90时，L=0.1349D_i

a=0.50时，L=0.3832D_i

a：0.10时，L=0.9541D_i

a=0.01时，L=2.2663D_i

上式用来根据被测对象的测试点大小选取激励电极环的间距。

基于上述原理，本发明的探针具体结构如下：

一种基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针，该探针与热电偶调理电路连接，其特征在于，所述的探针包括：

空心圆柱绝缘针筒102：

金属针尖101，安装在空心圆柱绝缘针筒102头端部，用于刺入生物组织：

电极环，包括两个激励电极环103、106和两个测量电极环104、105，第一激励电极环103、第一测量电极环104、第二测量电极环105、第二激励电极环106依次套设在空心圆柱绝缘针筒102上；

尾部延长绝缘针筒401，安装在空心圆柱绝缘针筒102尾端部；

将金属针尖101刺入待测的生物组织，向两个激励电极环103、106通入不同频率的差分正弦交流电流信号，从测量电极环104、105上获得对应的测量电极环的电压差，并同时记录热电偶调理电路的输出信号，然后计算出待测生物组织的电导率、介电系数和测量时的温度。

所述的空心圆柱绝缘针筒102设有用于安装电极环103、104、105、106的对应安装槽302、303、304、305，每个安装槽内设有引线孔110、301、111、112，空心圆柱绝缘针筒102内部设有与每个引线孔110、301、111、112对应连通的引线槽107、108、109、402。

所述的金属针尖101设有热电偶探头装配槽113。

所述的金属针尖101采用导热系数高且非氧化金属材料制成。

所述的导热系数高且非氧化金属材料为白钢。

所述的金属针尖101圆锥角为20°～30°，使探针有较好的穿刺能力。

所述的测量电极环与激励电极环材料由镍铬合金制成，但不限于镍铬合金，但要求使用不与生物组织的蛋白质发生化学反应的材料。

所述的空心圆柱绝缘针筒102采用高强度和低延展性的非导电材料制成。

所述的高强度和低延展性的非导电材料为聚酰亚胺。

所述的金属针尖101、空心圆柱绝缘针筒102、电极环、尾部延长绝缘针筒401的轴心处于同一直线上。

所述的第一激励电极环103通入正向差分信号、第二激励电极环106通入负向差分信号时，第一测量电极环104测量信号的正向端，第二测量电极环105测量信号的负向端；输入差分信号可反向，但反向激励时，测量电极环的正负端同样要反向。两个测量电极环组成的探针节段排布在激励电极环组成的探针节段的中间，电极间的距离可根据需要的精度和被测对象的尺寸定制。

所述的在体生物组织复电导率的微创测量探针的生物组织介电特性测量的方法要求将探针刺入待测的生物组织，从激励电极环信号线向激励电极环通入不同频率的差分正弦交流电流信号，从测量电极环信号线上获得对应的测量电极环的电压差，通过观察测量信号的输出是否超过最大估计值，如果超过，则认为探针与组织没有良好接触，调整探针位置，直至输出信号回到小于估计值的范围内，同时记录热电偶调理电路的输出，然后通过分析测量信号获得复电导率与温度值。

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复电导率的测量探针，其原理简单，操作方便，并通过设计合理的探针尺寸，降低测量组织的损伤，实现在体组织的微创测量：由于探针直径微细、电极环高度很小，其敏感场可以近似为二维场、电极可以近似为点电极。

2)本发明在探头上连接了测温用热电偶，可以实现在体组织的多频率的复电导率特性和温度特性测量；由于生物组织内部的复杂性，热电偶不直接和生物组织相连，而是通过导热系数好的金属针尖与生物组织接触，形成一个保护用薄壁，避免热电偶测量端由于组织污损造成的测量误差和其它原因导致损坏；

3)探针尾部的延长绝缘针筒可根据需要定制长度，以适应不同深度生物组织的测量要求，保证操作者良好的握持或固定。

附图说明

图1为本发明微创测量探针的剖面图：

图2为本发明微创测量探针的装配图；

图3为本发明微创测量探针的爆炸图：

图4为本发明微创测量探针的尾部延长绝缘针筒结构示意图：

图5为本发明激励模式示意图。

图中的标号分别表示：101、金属针尖，102、空心圆柱绝缘针筒，103、第一激励电极环，104、第一测量电极环，105、第二测量电极环，106、第二激励电极环，107、第二测量电极环引线槽，108、第一激励电极环引线槽，109、第二激励电极环引线槽，110、第一激励电极环引线孔，111、第二测量电极环引线孔，112、第二激励电极环引线孔，113、热电偶探头装配槽，114a、延长绝缘针筒连接头a，114b、延长针筒连接头b，301、第一测量电极环引线孔，302、第一激励电极环安装槽，303、第一测量电极环安装槽，304、第二测量电极环安装槽，305、第二激励电极环安装槽，401、延长绝缘针筒，402、第一测量电极环引线槽。

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，一种基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针，采用4个镍铬合金的环形电极按照激励、测量、测量、激励的顺序安装在绝缘针筒的卡槽内，当第一激励电极环103通入正向差分信号，第二激励电极环106通入负向差分信号时，第一测量电极环104是测量信号的正向端，第二测量电极环105是测量信号的负向端。若激励电流反向输入，则测量信号的正负端同时反向。

激励电极环103、106分别通过引线连接恒流源发生电路两个输出端，测量电极环104、105分别通过引线连接测量电路两个输入端，引线末端的电路既可使用用户自己设计的分析电路相连，也可直接与阻抗分析仪相连。热电偶的输出端直接与信号调理电路相连，用于提取温度信息。

参考图1、3、4，本实施例给出本发明微创测量探针的具体结构，包括：

空心圆柱绝缘针筒102；

金属针尖101，安装在空心圆柱绝缘针筒102头端部，用于刺入生物组织；

电极环，包括两个激励电极环103、106和两个测量电极环104、105，第一激励电极环103、第一测量电极环104、第二测量电极环105、第二激励电极环106依次套设在空心圆柱绝缘针筒102上；

尾部延长绝缘针筒401，安装在空心圆柱绝缘针筒102尾端部。

4个电极环等长，形状为圆柱桶形，内径为1.6mm，外径为2mm，圆柱桶高1mm，电极环采用镍铬合金制成。四个电极环按顺序嵌入空心圆柱绝缘针筒102外壁的凹槽内。2个测量电极环与2个激励电极环之间的距离比例是6：10。信号线采用航空线从绝缘针筒的内壁沟槽108、402、107、109走线，通过电极引线孔110、301、111、112与电极环分别相连，为保证信号线电极引线孔穿过时不断裂，电极引线孔倒Φ0.2圆角。空心圆柱绝缘针筒102是一个带有四个卡槽302、303、304、305的圆柱桶，内径1mm，外径2mm，卡槽的外径为1.6mm，针筒内径每相隔90°开沟槽走信号线，并且激励信号线相隔180°，测量信号线相隔180°，以减小耦合干扰。热电偶引线通过空心圆柱绝缘针筒102中空腔体并通入金属针尖101内，并与针尖内壁相连，测量从金属针尖传导的温度信息。由于热电偶不直接和组织接触，为了保证温度信息可靠，金属针尖采用硬度大、导热系数高、生物兼容性好的白钢作为加工材料。热电偶的测温点与激励电极环103间距1mm，可以认为测温点温度就是被测组织的温度。

Claims (10)

1.一种基于四电极测量法的在体生物组织复电导率微创测量探针，该探针与热电偶调理电路连接，其特征在于，所述的探针包括：

空心圆柱绝缘针筒(102)；

金属针尖(101)，安装在空心圆柱绝缘针筒(102)头端部，用于刺入生物组织；

电极环，包括两个激励电极环(103、106)和两个测量电极环(104、105)，第一激励电极环(103)、第一测量电极环(104)、第二测量电极环(105)、第二激励电极环(106)依次套设在空心圆柱绝缘针筒(102)上；

尾部延长绝缘针筒(401)，安装在空心圆柱绝缘针筒(102)尾端部：

将金属针尖(101)刺入待测的生物组织，向两个激励电极环(103、106)通入不同频率的差分正弦交流电流信号，从测量电极环(104、105)上获得对应的测量电极环的电压差，并同时记录热电偶调理电路的输出信号，然后计算出待测生物组织的电导率、介电系数和测量时的温度。

2.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的空心圆柱绝缘针筒(102)设有用于安装电极环(103、104、105、106)的对应安装槽(302、303、304、305)，每个安装槽内设有引线孔(110、301、111、112)，空心圆柱绝缘针筒(102)内部设有与每个引线孔(110、301、111、112)对应连通的引线槽(107、108、109、402)。

3.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的金属针尖(101)设有热电偶探头装配槽(113)。

4.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的金属针尖(101)采用导热系数高且非氧化金属材料制成。

5.根据权利要求4所述的微创测量探针，其特征在于，所述的导热系数高且非氧化金属材料为白钢。

6.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的金属针尖(101)圆锥角为20°～30°。

7.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的空心圆柱绝缘针筒(102)采用高强度和低延展性的非导电材料制成。

8.根据权利要求7所述的微创测量探针，其特征在于，所述的高强度和低延展性的非导电材料为聚酰亚胺。

9.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的金属针尖(101)、空心圆柱绝缘针筒(102)、电极环、尾部延长绝缘针筒(401)的轴心处于同一直线上。

10.根据权利要求1所述的微创测量探针，其特征在于，所述的第一激励电极环(103)通入正向差分信号、第二激励电极环(106)通入负向差分信号时，第一测量电极环(104)测量信号的正向端，第二测量电极环(105)测量信号的负向端；输入差分信号可反向，但反向激励时，测量电极环的正负端同样要反向。

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