生物組織介電特性測量及模擬材料研究.pdf

1、生物組織的電磁特性是生物組織作為一種物質(zhì)對電磁場的響應(yīng)特性。磁特性，即生物組織的磁導(dǎo)率，通常接近真空磁導(dǎo)率，可被看作是常數(shù);電特性，主要指生物組織的介電特性，包括電導(dǎo)率和介電常數(shù)兩個部分，分別用宏觀參數(shù)σ和ε表示。當(dāng)生物組織放入時諧電場Eejωt中，生物組織的介電特性同外加場的頻率相關(guān)，生物組織的復(fù)相對介電常數(shù)可以表示為εr=ε'—jε"，式中的實(shí)部ε'即通常意義下的相對介電常數(shù)，虛部ε"即損耗因子。由于損耗因子ε"描述的是組織的損耗特

2、性，因此通常將其歸入同角頻率ω相關(guān)的等效電導(dǎo)率κ(ω）=σ+ωε0ε"中，ε0是真空介電常數(shù)。大量研究實(shí)驗(yàn)表明，不同類型的正常組織之間介電特性差別很大，含水量少的組織（例如脂肪和骨骼）要比高含水組織（例如肌肉、皮膚和內(nèi)臟器官）的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率低一個數(shù)量級，例如測量頻率為100MHz時，健康生物組織的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率變化范圍分別是5.7-98.1和0.17-2.11 S m-1;同時相同類型組織的介電特性，腫瘤組織比正常組織大3

3、0％-50％，甚至腫瘤組織不同位置的介電特性也有所不同;另外，相對介電常數(shù)ε'隨溫度變化不大，電導(dǎo)率σ隨溫度的變化則相對較大。綜上所述，生物組織的介電特性不僅具有頻率依賴性，而且同組織類型、組織結(jié)構(gòu)以及組織溫度都息息相關(guān)。
　　由于腫瘤組織和正常組織介電特性的不同，通過對活體組織的介電特性進(jìn)行成像，這些圖像就可以反映組織、器官的生理和病理狀態(tài)，為醫(yī)學(xué)診斷提供有價值的信息，甚至可能用于癌癥的早期診斷，追蹤監(jiān)測正常組織向腫瘤組織演化的

4、整個變化過程，使得能夠在早期就對腫瘤進(jìn)行干預(yù)治療。另外在微波熱療領(lǐng)域中，溫度監(jiān)控在治療腫瘤過程中有著重要作用，利用介電特性隨溫度變化的特征就可以對人體組織進(jìn)行溫度成像。人體組織的介電特性與外加電磁場的功率、頻率和治療時長的關(guān)系也是影響治療效果的重要問題，如果對人體組織介電特性了解不準(zhǔn)確，在臨床應(yīng)用上就會帶來災(zāi)難性的后果。由此可見生物組織介電特性的研究不但對于癌癥的研究和治療具有非同凡響的意義，而且對于生物理論和醫(yī)學(xué)應(yīng)用的發(fā)展也都具有非常

5、重要的基礎(chǔ)意義。
　　生物組織介電特性的研究主要分為兩個方向:生物組織介電特性的變化規(guī)律和生物組織介電特性的測量方法。生物組織介電特性變化規(guī)律的研究主要是利用各種生物組織介電特性測量技術(shù)，探討生物組織在不同頻率、溫度、組織結(jié)構(gòu)等影響因素下介電特性的變化。C.Gabriel等人給出了10Hz-100GHz頻率范圍內(nèi)估算55種人體健康組織器官介電特性的參數(shù)模型，但該參數(shù)模型是建立在離體組織介電特性的基礎(chǔ)上，因此并不能真實(shí)反映活體內(nèi)組織

6、的介電特性。另外，目前人體組織介電特性的研究都是關(guān)于健康組織的，在腫瘤組織方面只有乳腺癌組織和肝癌組織的介電特性得到了深入的研究，因此生物組織介電特性的變化規(guī)律有待更進(jìn)一步研究。為了研究在體組織和癌癥組織的介電特性變化規(guī)律，首先條件是必須研究生物組織介電特性的測量方法。生物組織，尤其是活體組織，由于其含有生命的特點(diǎn)，它們的介電特性比非生物物質(zhì)要復(fù)雜得多，因此生物組織介電特性的測量方法必須具有以下條件:(1)寬帶性，為了研究生物組織介電特

7、性同頻率的關(guān)系，探頭的覆蓋頻寬為幾兆赫到幾吉赫;(2)便于控制、監(jiān)測生物組織待測樣本的溫度;(3)方便外加極化磁場和電場;(4)測量所需生物組織樣本不能太多;(5)最好能夠進(jìn)行能在體(in vivo)測量。
　　本課題研究40-500MHz頻率范圍內(nèi)生物組織的介電特性變化規(guī)律，由于開端同軸線法可以測量超寬頻率范圍內(nèi)的介電特性，具有結(jié)構(gòu)開放、測量系統(tǒng)組成簡單和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時該方法對待測樣品的尺寸、形狀和物理形態(tài)沒有過多要求，樣

8、品制備簡單，因此將本文從測量系統(tǒng)的組成、測量系統(tǒng)的等效電路和介電特性的計(jì)算等方面分析開端同軸線法，然后利用該方法測量標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行誤差分析，最后測量了豬組織在不同頻率下的介電特性。首先，測量系統(tǒng)主要由便攜式計(jì)算機(jī)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、S-參數(shù)組件、半剛性同軸線電纜和恒溫水浴鍋組成，恒溫水浴鍋的使用是為了在測量過程中保持組織溫度，防止溫度變化對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。結(jié)合生物組織的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并比較使用不同直徑和不同填充材料時同軸線的測量結(jié)果，最終選取聚

9、四氟乙烯填充，外直徑0.358cm的低損耗、半剛性同軸線作為測量探頭。其次，在40-500MHz頻率范圍內(nèi)，同軸線不能被簡單地看做理想傳輸線，因此將測量系統(tǒng)等效為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，利用散射矩陣將探頭頂端的實(shí)際反射系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)分析儀測得的反射系數(shù)聯(lián)系起來。然后測量開路、短路和標(biāo)準(zhǔn)液，利用獲得的反射系數(shù)代入到方程中簡化求解步驟，使得省去了求解同軸線等效電容的步驟。接著利用改進(jìn)后的方法測量甲醇、乙醇和正丙醇的介電特性，并同文獻(xiàn)值進(jìn)行比較，分析測量

10、方法中的誤差和提出解決方法。最后，測量了豬的肝臟、肌肉和脂肪組織的在37℃時，42.58MHz、64MHz、128MHz、170MHz、298MHz、400MHz和468MHz下的相對相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率。
　　目前生物組織介電特性的常規(guī)測量方法普遍是通過離體組織測量或者有創(chuàng)的在體組織測量，開端同軸線測量法雖然不會破壞待測組織本身的結(jié)構(gòu)，但是同軸探頭必須同待測組織緊密接觸，無法真正實(shí)現(xiàn)完全無創(chuàng)的在體測量。無創(chuàng)的活體組織介電特性測量

11、在臨床應(yīng)用上具有巨大的前景，但是至今仍然沒有十分完善的無創(chuàng)活體組織介電特性測量方法，現(xiàn)階段研究比較深入有電阻抗斷層成像(EIT)、磁感應(yīng)成像(MIT)、磁共振電阻抗斷層成像(MR EIT)和磁共振電特性斷層成像(MR EPT)。與其他非侵入式的介電特性成像技術(shù)不同，MR EPT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的測量電極，也不需要向人體注入能量，硬件方面只需要使用標(biāo)準(zhǔn)MRI系統(tǒng)和配套射頻線圈即可，介電特性成像質(zhì)量由MRI系統(tǒng)圖像質(zhì)量、B1-mapp

12、ing技術(shù)和MR EPT算法共同決定。但是目前MR EPT技術(shù)得到的介電特性圖像存在分辨率偏低的問題，不能達(dá)到臨床疾病研究和診斷的需要?，F(xiàn)階段的MR EPT技術(shù)，在介電特性算法上都做了一定的近似處理，而且還利用人體組織的解剖學(xué)特點(diǎn)做了一定的假設(shè)處理（比如假設(shè)人體腦部組織左右對稱），或者利用組織介電特性的變化特點(diǎn)做一定的假設(shè)處理（比如假設(shè)復(fù)介電特性的梯度為零），并且現(xiàn)有的核心算法均基于麥克斯韋電磁方程二階微分運(yùn)算，這就使得噪聲在計(jì)算過程中

13、被放大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果對噪聲非常敏感。為了討論現(xiàn)存MR EPT算法的誤差，就必須制作一個具有精確介電特性的體模作為參考，該體模必須與生物組織的介電特性完全相同，并且介電特性的分布相同。首先利用MR EPT技術(shù)得到體模的介電特性（測量值），然后將測量值和體模的介電特性（已知值）作比較，便可以計(jì)算出相應(yīng)算法的誤差大小，驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確度。以往文獻(xiàn)中者未研究42.58MHz(1T)、64MHz(1.5T)、128MHz(3T)、170MHz(4T

14、)、298MHz(7T)、400MHz(9.4T)和468MHz(11T)等磁共振頻率下模擬材料的介電特性，而介電特性又是同頻率相關(guān)的;同時以往文獻(xiàn)中只給出了極少數(shù)組織模擬材料的具體組成，使得無法制作完整的符合人體解剖結(jié)構(gòu)的擬人化體模，然而模擬材料的介電特性同其中各個成分含量都相互聯(lián)系，使得獲取所有組織（正常和癌癥組織有數(shù)百種類型）模擬材料的過程變得十分繁瑣。
　　本文利用油、明膠、去離子水和氯化鈉等成分制作生物組織模擬材料，模擬

15、磁共振頻率下具有不同介電特性的生物組織。首先根據(jù)本文提出的方法制作一組模擬材料，即樣本;然后利用開端同軸線法測量不同頻率下樣本的介電特性，建立一個描述樣本組成和介電特性關(guān)系的離散數(shù)據(jù)庫;最后根據(jù)獲得的離散數(shù)據(jù)庫，利用非線性擬合建立描述模擬材料中各成分含量和介電特性關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)描述介電特性和模擬材料各成分含量之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，將待模擬生物組織的介電特性代入公式中，然后解方程便可以得到對應(yīng)組織模擬材料中各成分的含量比例，就使得具有