应用技术
生物组织中富有多种带电粒子，当外界施加电场时，这些带电粒子将趋向于相反电极性的方向移动，形成电流。这也是生物组织导电的原因，通常用电导率描述生物组织导电性能的高低。影响生物组织导电情况的因素大致有：生物组织类型、含水量、温度、结构以及生理状态，利用这些差异可以对生物组织器官的种类以及生理、病理状态加以区分[1]。 从宏观上说，生物组织为固体与液体的混合物，其中富含大量组织液，细胞内液等液体。因而生物组织电阻抗的测量与一般器件、固体材料的电阻抗测量是完全不同的。对于生物组织电阻抗的测量，国外最早用两端电桥法测量生物组织电阻抗。两电极法采用两端针状电极，其既是激励电极，又是测量电极。然而，由于生物组织中富含组织液，在两端电极上施加激励电流后，产生电场，组织液中的部分离子会吸附在极性相反的电极之上，形成电极的极化。在激励电流频率低于1MHz时，由于电极极化而产生的阻抗通常具有高电容，高电阻的特性，且与生物组织阻抗形成串联关系[2]。对于外部测量电路来说，电极极化产生的阻抗并不是被测组织自身的电阻抗，因此造成较大的测量误差，因此在实际应用中此方法已不多见。
由于上述两电极法的弊端，提出了四电极测量生物电阻抗的方法。四电极包括一对放置在生物组织外部
表面的电流激励电极和一对在生物组织内部插入的电压测量电极。四电极法将激励电极和测量电极分开有效的减小了两电极法中生物组织表面与电极之间产生的极化阻抗，同时也减小了其接触阻抗[3]。通过激励电流和测得电压的幅值与相位，计算得出各激励频率下的电阻抗。
2 生物组织温度电阻抗关系特性测量
实验系统由以阻抗分析仪为核心组成，将待测生物组织仿体放置于阻抗测试盒中，并放入水浴加热锅中，通过热电偶对阻抗测试盒中温度进行实时监测，通过阻抗分析仪的四电极采集数据阻抗数据，并通过LAN实时传输给PC。本实验中阻抗分析仪采用Agilent4294A。温度控制采用国产水浴加热锅，，测温热电偶精度为0.1℃。
本实验通过水浴锅加热的方式模拟HIFU聚焦换能器对生物组织仿体的加热。实验中采用仿生物组织琼脂凝胶模型，分别测量电阻抗实部和虚部随温度的变化。实验中采用自制备的琼脂固体，其原料为琼脂，同时为了增加其电导率与生物组织相似，减小测量误差，在琼脂中还增加少量NaCl。
锅炉除渣设备
实验过程中采取扫频电流激励模式，扫频频率范围为1kHz-1MHz。电流激励电极采用纯银板状电极，以使得凝胶中电流分布较为均匀，减小接触阻抗和极化阻抗。电压测量电极采用镀银针状电极，同时对探针进行了绝缘处理，只留有针尖部分探测电压值。实验中，两激励电极板间距为40mm，两探测电极探针相距20mm通过电极测量可以得到其电阻抗实部、虚部分别随温度的变化。
密封条生产线实验首先对凝胶模型进行了各温度点下频谱测试（1KHz—1MHz），在25℃-65℃测量范围内选取了9个温度点。同时通过实验数据分析发现，电阻抗虚部数值远小于实部数值，因此，在计算电阻抗时忽略虚部对电阻抗绝对值的影响，只取电阻抗实部进行计算。并且通过以下公式计算得出温度——电阻抗变化系数（Temperature-Impedance Variation Factor, TIVF）：
1
(Re Re)/Re100%(/)
n n n
TIVF
+
=−×℃(1)测量得到的频谱图和计算得出温度-电阻抗变化系数如
图1所示。
感应式垃圾桶图1
从频谱图中发现，生物组织仿体琼脂对频谱的响应较强，其频谱在20kHz之前有明显的下降趋势，在20kHz-1MHz内频谱也基本保持稳定。从温度—电阻抗变化系数图中可看出，在整个加热过程中电阻抗变化率在-1%至-2.2%之间。在刚开始加热时电阻抗变化率较大，加热一段时间温
生物组织电阻抗——温度特性与测量
虚拟演播室系统方案钱炜辰
（南通工贸技师学院，江苏南通，226010）
摘要：在高强度聚焦超声(HIFU)热疗技术中利用声热效应产生的局部高温使组织热凝固性坏死来肿瘤，而组织温度监测是其应用的关键。本文针对HIFU作用下焦域处生物组织内温度——电阻抗关系进行温度监测的前期探究，研究生物组织电导率随温度变化特性并运用四电极法测量温度——电阻抗关系。通过建立电阻抗分布模型，运用温度——电阻抗关系反演生物组织温度分布。
关键词：生物组织电阻抗测量；电阻抗——温度关系；四电极法
www�ele169�com | 71
度达到人体体温（37℃）后电阻抗变化率趋于平稳，大约为-1.2%。
同时，为了验证加入不同浓度NaCl对其电导率的影响，在此实验设计中还加入了对比实验。以下这两组的实验中的所含的NaCl浓度为0.5%和0.25%，结果如图2所示。对比以上两组实验得到的结果可以发现，当琼脂中加入的NaCl浓度降低时，从 1kHz-1MHz的频谱特性看，在<10kHz和>500kHz的频率段，电阻抗随频率的变化较大，下降较快。而电阻抗随温度的变化规律基本保持不变。
3 实验结果讨论与误差分析
实验结果表明，其与理论情况基本保持一致。但实验系统中仍然存在着一定的误差源。实验系统中的温度测量采用热电偶的接触式测量，热电偶必须插入被测物中，这会由于其为金属制品，会对待测物体中的电流分布产生一定的影响，经过实验验证，其影响约为1%。
琼脂测量得到的电阻抗值随激励频率的变化较大，且随着琼脂中加入的NaCl浓度的降低，频谱的下降越明显。其频谱的下降主要表现在低于20kHz的低频段和高于500kHz 的高频段。
在温度变化率方面，本实验所得结果与Griffiths等[4]曾对琼脂的电阻抗与温度变化测量得到的结果稍有出入。分析原因，首先Griffiths测量时琼脂的形状为液态，及测量的是琼脂热溶液的温度——电阻抗关
系，本实验中由于琼脂制作方法的不同，仅测量琼脂固体的温度——电阻抗关系。由于，物体状态的不一样，其分子的距离，物体中的带电粒子运动也会不同。并且，本实验在制作琼脂固体时在其中加入了少量的 NaCl改变其电导率。其次，由于琼脂固体的形状会造成在琼脂加热过程中其内部温度分布不均匀，本实验制作的琼脂固体为圆柱形，在加热时中心点温度会明显低于其外围温度。实验中采用的是中心点测温，而电阻抗测量的电极和探针有一定相隔距离，探针之间存在温度差异，这些都会在一定程度上影响到温度——电阻抗关系的测量。参考文献
＊ [1]徐桂芝, 李颖. 生物医学电阻抗成像技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.
＊ [2]胥飞, 王君. 一种四电极阻抗测量的方案设计[J]. 上海电机学院学报, 2007, 10(3) : 171-173.
＊ [3]陈轩泽 ，马青玉, 杨玲等. 离体猪肝组织电阻抗的温度特性研究[J]. 南京师大学报: 自然科学版, 2012, 35(2) : 32-38.
得到训练＊ [4]Griffiths H, Ahmed A. Applied potential tomography for non-invasive temperature mapping in hyperthermia[J]. Clinic al Physics and Physiological Measurement, 1987, 8(4A) : 147.
图2
72 | 电子制作 2019年11月
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议