肝臟組織的電阻率-溫度特性及電阻抗成像監(jiān)測的研究.pdf

1、腫瘤熱療技術(shù)已成為繼手術(shù)、化療、放療和免疫療法之后治療腫瘤的一種重要手段，包括溫?zé)岑煼ê透邷責(zé)崮谭▋煞N模式。溫?zé)岑煼ㄊ腔诔^癌細(xì)胞耐熱極限達(dá)到滅活腫瘤細(xì)胞，高溫?zé)崮谭ㄊ侵杆查g使組織溫度上升到65℃以上，致使靶區(qū)內(nèi)組織基于蛋白質(zhì)凝固壞死。要達(dá)到抑制或殺死腫瘤細(xì)胞而又不能損傷正常組織的目的，就必須要有準(zhǔn)確可靠的溫度實時監(jiān)控系統(tǒng)。
　　目前臨床上采用的有創(chuàng)測溫技術(shù)是將溫度傳感器插入待監(jiān)測部位進行單點或多點的直接測量，精度較高，但存

2、在測量方面的局限及探頭可能帶來的副作用。為克服有創(chuàng)測溫存在的問題，國內(nèi)外對無創(chuàng)測溫技術(shù)進行了大量的研究，采用的方法有超聲波測溫、核磁共振測溫、X線CT測溫、微波測溫、及電阻抗成像法測溫。
　　電阻抗成像測溫法是根據(jù)組織的電阻抗溫度特性，通過監(jiān)測電阻抗參數(shù)的變化計算得到溫度的變化，來實現(xiàn)溫度間接測量。電阻抗成像法（ElectricalImpedanceTomography,EIT）與其它方法相比具有成本便宜、便攜、易與熱療設(shè)備配合等

3、優(yōu)點。
　　國內(nèi)外關(guān)于生物肝組織阻抗溫度相關(guān)性的相關(guān)研究不多，而且由于方法、實驗條件不一樣，生物肝組織的阻抗溫度相關(guān)性沒有一個國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。長期以來人們都在EIT測溫研究中將阻抗溫度相關(guān)性簡化認(rèn)為是線性關(guān)系，制約了相關(guān)研究的進一步發(fā)展。
　　溫度估計不僅需要精確的成像系統(tǒng)也需要確定的溫度與電導(dǎo)率的關(guān)系。為了能采用電阻抗法對體內(nèi)溫度進行準(zhǔn)確估計，必須先獲得較為準(zhǔn)確的組織電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系。本文針對生理鹽水、瓊脂和新鮮離體兔肝

4、在模擬熱治療過程中的阻抗頻譜特性、電阻率與溫度間的相應(yīng)關(guān)系等問題進行了系統(tǒng)的研究，并基于腹部物理模型，對加熱和冷卻過程中的豬肝進行EIT監(jiān)測，研究分析了EIT圖像變化與溫度變化之間關(guān)系。主要研究工作概括如下：
　?、鸥谓M織阻抗頻譜測量平臺的建立：
　　課題組前期已經(jīng)完成的對動物多種組織、人體顱骨、乳腺組織等電阻抗頻譜測量。在此基礎(chǔ)上我們建立了肝組織的標(biāo)準(zhǔn)化阻抗頻譜測量系統(tǒng)，設(shè)計并制作了肝組織阻抗頻譜測量裝置，并對該測量系統(tǒng)的

5、測量精度進行了驗證。
　?、俳⒘烁谓M織阻抗頻譜測量系統(tǒng)。以安捷倫4294A精密阻抗分析儀為核心建立了肝組織阻抗頻譜測量系統(tǒng)。安捷倫4294A精密阻抗分析儀測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線（GBI轉(zhuǎn)USB）連接輸出到筆記本電腦，每個溫度點測量共201個頻率點（100Hz～10MHz），激勵電流幅度0.5mA，從測量開始到數(shù)據(jù)輸出時間為6S。
　　②分別設(shè)計并制作了肝組織、液體組織兩種阻抗頻譜測量裝置。結(jié)合肝組織、液體組織各自自身結(jié)構(gòu)特點和

6、測量的實際需要，采用標(biāo)準(zhǔn)四電極法分別制作了肝組織、液體組織阻抗頻譜測量裝置。測量裝置材料使用絕緣有機玻璃制作，驅(qū)動電極采用純銀片狀電極，測量電極使用0.8mm的銀絲。
　?、墼O(shè)計并制作了可控加熱箱。加熱箱通過智能PID溫控儀控制石英發(fā)熱管進行加熱，熱電偶測溫探頭（17B，F(xiàn)luke，USA）實時監(jiān)測組織溫度。
　　⑵生理鹽水阻抗頻譜特性與溫度之間關(guān)系的研究
　　本實驗在標(biāo)準(zhǔn)化測量平臺上，以生理鹽水（0.9％）為對象，測

7、量了生理鹽水在在加溫和冷卻兩個階段中（25℃～82℃）的電阻抗頻譜特性。測量結(jié)果表明，在頻率為1kHz時，升降過程中的TRVF（溫度-電阻率變化系數(shù)）均在-1％～-2％的范圍內(nèi)，TRVF變化趨勢基本相同。
　?、黔傊杩诡l譜特性與溫度之間關(guān)系的研究
　　本實驗以瓊脂為對象，采用本文中的測量平臺，測量了瓊脂在在加溫和冷卻兩個階段中（25℃～82℃）的電阻抗頻譜特性。測量結(jié)果表明，在頻率為1kHz時，升溫過程中瓊脂溶液在溫度小于

8、55℃時TRVF保持在-2％～-3％之間；但隨著溫度的進一步增加，至67℃時TRVF從-2％變化到-5％，此時的變化幅度遠(yuǎn)大于NaCl溶液的TRVF；當(dāng)溫度進一步增加時TRVF由-5％變化到82℃時的+1％。在降溫過程時，TRVF基本保持在-1％～-2％間。
　?、雀邷?zé)崮棠Ｊ较峦酶谓M織阻抗與溫度關(guān)系的研究
　　采用本文中的測量平臺，以新鮮離體兔肝為對象，在100Hz～10MHz頻率范圍內(nèi)，測量了12例兔肝組織在加溫和冷卻

9、兩個階段中（30℃～82℃）的電阻抗頻譜特性。本實驗結(jié)果表明，新鮮離體兔肝組織電阻率與溫度之間并非簡單的線性關(guān)系，溫度低于58℃時，新鮮離體兔肝組織的TRVF在-1.0％～-2.2％之間，此時兔肝組織的TRVF表現(xiàn)與NaCl（0.9％）的TRVF相近；之后隨著溫度的繼續(xù)上升至69℃，新鮮離體兔肝組織的TRVF從-2％快速變化至-14.7％，69℃至71℃時新鮮離體兔肝組織的TRVF保持在-14.7％附近；隨著溫度持續(xù)上升到77℃，新鮮離

10、體兔肝組織的TRVF從-14.7％快速變化到-1％。之后TRVF基本上在-1％位置。
　?、苫谖锢砟Ｐ蛻?yīng)用EIT監(jiān)測肝組織溫度的研究
　　將電阻率為480Ω·cm的NaCl鹽溶液注入到截面直徑為28.4cm的圓柱形容器內(nèi)并置入肝組織，NaCl鹽溶液模擬腹部電阻率（500Ω·cm）的分布。單頭熱管底端插入肝組織30mm處，其溫度由智能溫控儀控制。熱電偶測溫探頭T2、T3、T4插入肝組織的不同位置用于監(jiān)測加熱和冷卻過程中的溫度

11、分布。實驗所用EIT圖像監(jiān)護系統(tǒng)為本課題組研制，系統(tǒng)的驅(qū)動電流幅度設(shè)置為1250μA，頻率設(shè)置為50kHz，采用對向驅(qū)動模式。成像算法為加權(quán)阻尼最小二乘法，單元重建，云圖顯示。監(jiān)護成像速度為1幀/秒。
　　實驗結(jié)果顯示：隨著溫度的上升，EIT圖像目標(biāo)區(qū)域顏色明顯有變紅，并呈擴散趨勢。這表明溫度變化與圖像變化之間存在一定的關(guān)系。成像結(jié)果、數(shù)據(jù)分析后均證實，阻抗變化與溫度間存在確定性關(guān)系，但是并不是大多數(shù)文獻中報到的恒常數(shù)關(guān)系或線性關(guān)