CN107361769A - 一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，包括：将微型电极连接在阻抗分析仪上并对阻抗分析仪进行校准调试，使阻抗分析仪与微型电极相匹配；使用电极标准液对微型电极进行校准；采用超声仪探测生物组织的内部结构并引导微型电极顺利刺入生物组织的被测部位；采用阻抗分析仪测量生物组织的电阻抗特性数据；采用微型电极的电导率及介电常数计算公式，计算出被测生物组织的电导率和介电常数。本发明的方法保证该电极刺入部位为目标测量部位。所需被测样本体积小并且对生物组织创伤小，测量的电导率及介电常数更加准确。

Description

一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法

技术领域

本发明涉及一种测量生物组织电特性的方法。特别是涉及一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法。

背景技术

生物组织的电特性(Electric properties,EPs)通常包含介电常数、介电强度、电导率、电阻抗、压电常数和热电特性等参数。其中，介电常数、电导率和电阻抗是三种被广泛研究的电特性参数。研究生物组织电特性的变化规律首先要研究生物组织电特性的测量方法，即利用各种生物组织测量技术，探讨生物组织在不同频率、温度、组织生理病理状态下电特性的变化规律。

四电极法测量生物组织的电特性是目前通常采用的方法，该测量方法包含两对电极，一对电极为驱动电极，对组织施加幅值恒定的交变电流(或电压)，另一对电极是测量电极，位于两个驱动电极之间，用于检测该电极间组织的电压(或电流)。对于体积较小的生物组织，该测量方法存在一定的误差，因此需要采用微型电极测量方法，应用于生物组织电特性的测量领域，特别是小尺寸动物组织电特性的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够用于小尺寸动物组织电特性测量的采用微型电极测量生物组织电特性的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，包括如下步骤：

1)将微型电极连接在阻抗分析仪上并对阻抗分析仪进行校准调试，使阻抗分析仪与微型电极相匹配；

2)使用电极标准液对微型电极进行校准；

3)采用超声仪探测生物组织的内部结构并引导微型电极顺利刺入生物组织的被测部位；

4)采用阻抗分析仪测量生物组织的电阻抗特性数据；

5)采用微型电极的电导率及介电常数计算公式，计算出被测生物组织的电导率σ和介电常数ε。

步骤2)所述的电极标准液是甲醇或乙醇或正丙醇。

步骤3)中采用超声仪探测生物组织内部结构并引导微型电极刺入时，超声仪的探头方向与微型电极刺入的方向保证垂直。

步骤3)中微型电极与生物组织的接触体积为0.25πmm³。

步骤4)中所述阻抗分析仪采用线性扫频模式。

步骤4)所述的电阻抗特性数据包括：电阻抗模值和电阻抗角。

步骤5)包括：

微型电极的电导率σ计算公式：

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；

微型电极的介电常数ε计算公式：

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；f为阻抗分析仪扫频所选频率；ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10¹²F/m。

本发明的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，由于选取的微型电极设置了保护电极，降低或消除组织内非平行电场的影响，因此测量的电导率及介电常数更加准确。本发明的采用微型电极测量生物组织电特性的方法，具有所需被测样本体积小并且对生物组织创伤小，测量数据更加准确的优点。本发明所述方法采用超声仪探测并引导电极刺入被测的生物组织，从而保证该电极刺入部位为目标测量部位。

附图说明

图1是本发明一种微创生物组织电导率/介电常数测量电极的整体结构示意图；

图2是本发明一种微创生物组织电导率/介电常数测量电极的整体结构透视图；

图3是本发明中保护电极、未保护电极和被保护电极的结构示意图；

图4是本发明中U型电极支架的结构示意图；

图5是本发明中U型电极支架的透视图；

图6是本发明测量生物组织电特性的方法示意图；

图7是本发明测量过程中电极与超声探头相对位置示意图。

图中

1：U型电极支架 11：上支撑板

12：下支撑板 13：电极基座

2：未保护电极 3：保护电极

4：被保护电极 5：未保护电极连线

6：保护电极连线 7：被保护电极连线

8：阻抗分析仪 9：待测生物组织

10：微型电极 11：超声探头

12：超声机 13：实验台

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法做出详细说明。

本发明的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法中，所使用的微型电极是如图1、图2、图3所示的微型电极，包括有：U型电极支架1，平行嵌入U型电极支架1内侧并形成有设定间隔的未保护电极2和保护电极3，所述保护电极3为环形结构，所述未保护电极2为圆片结构，所述保护电极3的环内设置有嵌入在U型电极支架1内的圆片结构的被保护电极4，所述被保护电极4的外周边与所述保护电极3的内周边相隔有设定的距离，未保护电极2与被保护电极4之间建立一个平行电场区，所述的保护电极3和被保护电极4分别对应通过嵌入在U型电极支架1内的保护电极连线6和被保护电极连线7连接外部的地，所述的未保护电极2通过嵌入在U型电极支架1内的未保护电极连线5连接外部的激励电源，激励电流从未保护电极2流出，通过被保护电极4测量流过平行电场区的电流，和未保护电极2的激励电压，从而可以较准确的测量得到生物组织的电导率和介电常数。

或者是，所述的保护电极3和被保护电极4分别对应通过嵌入在U型电极支架1内的保护电极连线6和被保护电极连线7连接外部的激励电源，所述的未保护电极2通过嵌入在U型电极支架1内的未保护电极连线5连接外部的地。激励电流从被保护电极4流出，通过未保护电极2测量流过平行电场区的电流，和被保护电极4的激励电压，从而可以较准确的测量得到生物组织的电导率和介电常数。

如图3、图4、图5所示，所述的U型电极支架1是由上支撑板11、下支撑板12和一体连接在所述上支撑板11和下支撑板12之间一侧的电极基座13构成，所述的U型电极支架1的上支撑板11和下支撑板12远离电极基座13的一端为便于插入生物组织的楔形结构，所述电极基座13的与生物组织接触的前侧面为圆弧面。所述被保护电极4和保护电极3嵌入在所述U型电极支架1的上支撑板11的内侧面上，所述未保护电极2嵌入在所述U型电极支架1的下支撑板12的内侧面上，所述未保护电极2、保护电极3和被保护电极4位于同一轴线上。

本发明的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，微型电极连接阻抗分析仪，在超声仪的探测及引导下测量生物组织的电特性。阻抗分析仪发出电压激励信号，施加在微型电极的未保护电极上，保护电极和被保护电极接地，并通过测量未保护电极与地之间的电压和流过被保护电极的电流，通过阻抗分析仪得到被测生物组织的复阻抗的模值和阻抗角，在通过电特性与复阻抗的关系求得待测生物组织的电特性。其中，所选取的微型电极与生物组织的接触体积仅为0.25πmm³，对被测组织创伤小；测量中采用超声仪探测及引导，以便电极准确到达被测部位，采集有用数据；测量的生物组织电特性的结果可通过电导率及介电常数公式求得。

本发明的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，如图6所示，包括如下步骤：

1)将微型电极连接在阻抗分析仪上并对阻抗分析仪进行校准调试，使阻抗分析仪与微型电极相匹配；

2)使用电极标准液对微型电极进行校准，所述的电极标准液是甲醇或乙醇或正丙醇；

3)采用超声仪探测生物组织的内部结构并引导微型电极顺利刺入生物组织的被测部位；

采用超声仪探测生物组织内部结构并引导微型电极刺入时，超声仪的探头方向与微型电极刺入的方向保证垂直(如图7所示)，以便监控电极刺入的深度，电极刺入的深度值由超声仪显示。图7中电极从被测组织的正上方刺入，超声探头在被测组织的侧面，由声耦合剂与被测组织相接触。若改变电极刺入被测组织的方向，超声探头的位置及方向也相应的改变。

微型电极与生物组织的接触体积为0.25πmm³，对生物组织的创伤小，便于实现小尺寸组织测量及在体测量。

4)采用阻抗分析仪测量生物组织的电阻抗特性数据，所述阻抗分析仪采用线性扫频模式，测量得到生物组织的电阻抗模值和电阻抗角是随频率变化的曲线，所述的电阻抗特性数据包括：电阻抗模值和电阻抗角；

5)采用微型电极的电导率及介电常数计算公式，计算出被测生物组织的电导率σ和介电常数ε。包括：

微型电极的电导率σ计算公式：

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；

微型电极的介电常数ε计算公式：

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；f为阻抗分析仪扫频所选频率；ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10¹²F/m。

Claims (7)

1.一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将微型电极连接在阻抗分析仪上并对阻抗分析仪进行校准调试，使阻抗分析仪与微型电极相匹配；

2)使用电极标准液对微型电极进行校准；

3)采用超声仪探测生物组织的内部结构并引导微型电极顺利刺入生物组织的被测部位；

4)采用阻抗分析仪测量生物组织的电阻抗特性数据；

5)采用微型电极的电导率及介电常数计算公式，计算出被测生物组织的电导率σ和介电常数ε。

2.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤2)所述的电极标准液是甲醇或乙醇或正丙醇。

3.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤3)中采用超声仪探测生物组织内部结构并引导微型电极刺入时，超声仪的探头方向与微型电极刺入的方向保证垂直。

4.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤3)中微型电极与生物组织的接触体积为0.25πmm³。

5.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤4)中所述阻抗分析仪采用线性扫频模式。

6.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤4)所述的电阻抗特性数据包括：电阻抗模值和电阻抗角。

7.根据权利要求1所述的一种采用微型电极测量生物组织电特性的方法，其特征在于，步骤5)包括：

微型电极的电导率σ计算公式：

<mrow> <mi>&amp;sigma;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>|</mo> <mi>Z</mi> <mo>|</mo> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；

微型电极的介电常数ε计算公式：

<mrow> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mn>2</mn> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>f&amp;epsiv;</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>|</mo> <mi>Z</mi> <mo>|</mo> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，r为微型电极极板有效测量半径，r＝5×10^-4m；d为微型电极两极板间距，d＝1×10^-3m；|Z|为测量得到的被测生物组织的电阻抗模值，θ为电阻抗角；f为阻抗分析仪扫频所选频率；ε₀为真空介电常数，ε₀＝8.85×10¹²F/m。