一种生物组织热损伤参数的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物组织热损伤参数的测定方法，尤其是一种基于测量热损伤过 程中生物组织近红外约化散射系数y' s的变化，从而间接测定生物组织热损伤活化能Ea及 分子碰撞频率因子A的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来肿瘤热疗技术的不断发展，促使人们对生物组织热损伤问题进行了大量研 究。肿瘤热疗过程中组织的热损伤程度，直接反映了该部位组织的热疗效果，是肿瘤热疗过 程中需要监测的重要因素。生物组织的热损伤程度是由组织的温度和在不同温度下的暴露 时间共同决定的。归纳起来，生物组织的典型热损伤机理包括：蛋白质变性、代谢过程改变、 细胞物理或化学特性（如膜的超透性、胞内离子浓度）的改变、细胞核老化、肌肉及胶原物 质的双折射性质丧失、红细胞血色素缺失等。Henriques和Moritz将热损伤问题归为一种 一阶化学反应过程，并给出了描述热损伤程度的模型。该模型是建立在化学反应动力学的 基础上的，热激活反应物必须跨越一个能量屏障E a以生成产物。因此细胞损伤的发生取决 于细胞中所储存能量的大小是否高于反应的临界值（即活化能）。若将其看作一阶速率过 程，定义损伤函数Ω，其变化率d Ω /dt与温度有关，是在整个热变性时间内的积分：
[0004] 因此细胞的热损伤是一个依赖于温度的速率过程，该过程在t时刻的化学反应速 率K (t)(即损伤速率）由Arrhenius公式表达为：
[0006] 式中活化能，单位是J · mol = 8. 31J · mol 1 · K \为理想气体常数；T⑴ 为t时刻组织的绝对温度，单位是K ;A为分子碰撞频率因子，表示单位时间内分子碰撞的次 数，单位是s ^综合式（1)和式（2)可以得到定量描述生物组织热损伤程度的Henriques 积分方程，即
[0008] 由方程可知，根据实验测定活化能Ea和分子碰撞频率因子A之后，即可对生物组 织的热损伤问题进行充分研究。
[0009] 生物组织的热损伤是与温度和时间有关的动态变化过程，包含了细胞分子层面上 多种蛋白质等的变性失活。生物组织在近红外波段的光学参数（吸收系数μ a、各向异性因 子g、散射系数μs、约化散射系数μ'3等）在组织热损伤过程中也因组织形态、结构的改变 而动态变化。散射系数μ 3在热损伤前后的变化最为明显，其随时间和温度变化的规律能 够用来定量反映热损伤程度的进程。而因为热损伤前后各向异性因子g的变化较小，因此 约化散射系数y' s与散射系数y s具有近似相同的变化规律。具体来说，在t时刻，当温度 为T时，μ ' s的改变量为：
[0011] 其中，Δ μ's_ (T)为在温度T下的μ、最大改变量。由式（4)可知，通过测量生 物组织热损伤过程的μ'/变化，可以间接测得组织的热损伤活化能E a和分子碰撞频率因子 A0
[0012] 研究表明，多种生物组织的近红外漫反射光谱在700~850nm波段具有很好的线 性度，这段光谱的斜率与此波段的生物组织约化散射系数μ、存在比例关系。通过模型实 验，μ、可以利用光谱斜率计算得出。常用的模型实验样本由模拟胶（Phantom)制备，用来 模拟具有不同μ、的生物组织，而模拟胶的标准μ' Jlj以血氧分析仪OXImeter的测量结 果为准，通过系列实验可以得出计算μ、的公式。因此，利用μ' 3作为定量监测生物组织 热损伤程度的指标可以测定不同生物组织的热损伤参数。
【发明内容】
[0013] 本发明要解决的技术问题是如何方便、准确的测量生物组织的热损伤活化能Ea及 分子碰撞频率因子Α。为此本发明利用经由近红外漫反射光谱计算得出的约化散射系数 μ ' s定量监测不同温度加热条件下生物组织的热损伤进程，进而计算得到生物组织的热损 伤活化能Ea和分子碰撞频率因子A。
[0014] 本发明为解决上述问题提出如下技术方案：
[0015] -种生物组织热损伤参数的测定方法，利用经由近红外漫反射光谱计算得出的约 化散射系数μ ' s定量监测不同温度加热条件下生物组织的热损伤进程，进而计算得到生物 组织的热损伤活化能Ea和分子碰撞频率因子A ;其中：
[0016] 热损伤活化能Ea和分子碰撞频率因子A满足下式：
[0018] 上式中：K为生物组织的细胞热损伤速率，通过归一化约化散射系数μ ' s变化曲 线计算而得，
Ea为热损伤活化能；A为分子碰撞频率因子；R为常 数，取值8. 31J · mol 1 · K S Δ μ ' ^为在温度T下的μ ' s最大改变量；μ ' s为约化散射系 数；t为时间；
[0019] 根据t时间内计算的K值，采用最小二乘法拟合InK与1/T的直线方程，即可得到 热损伤活化能E a及分子碰撞频率因子A。
[0020] 本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：
[0021] 1.生物组织热损伤过程的监测方法简单、有效。采用由近红外漫反射光谱计算得 到的约化散射系数y ' s来定量监测生物组织热损伤过程，测量系统容易构建，且光纤可以 直接插入组织内部进行测量，测量结果为小块组织某一区域的平均值。相比于其他测量方 法需要搭建积分球测试系统，本发明的测量方法更容易实施，测量结果更加准确。
[0022] 2.样品制备方法简单。由于近红外漫反射光谱可以由光纤直接插入新鲜组织进行 采集，因此只需将小块样品置于无菌试管中，并用橡皮塞固定插入的光纤和热电偶即可进 行对样品进行水浴加热并采集数据，无需进行组织冰冻切片，大大减少了测量工作量。
[0023] 3.热损伤参数的计算方法更加合理。通过归一化的约化散射系数μ ' s计算得出不 同水浴温度下的热损伤速率常数K的变化曲线，然后选择处于一阶化学反应阶段的K最高 值与达到该最高值时的温度T进行线性回归分析，拟合方程得到热损伤活化能艮及分子碰 撞频率因子A的值。由于考虑了热损伤过程的不同反应阶段和多个温度下的速率常数值， 所以拟合结果更加准确。
【附图说明】：
[0024] 图1是在恒温水浴加热过程中监测生物组织约化散射系数μ ' 3和温度变化的系 统组成。
[0025] 图2是一组实验中在不同水浴温度加热条件下测得的猪肝约化散射系数μ ' 3和 温度的变化曲线。
[0026] 图3是一组实验中计算得出的不同水浴温度加热条件下猪肝速率常数K的变化曲 线。
[0027] 图4是两组实验中计算得到的InK与1/Τ的数据及两者拟合得到的直线。 具体实施方案：
[0028] 下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
[0029] -种生物组织热损伤参数的测定方法，包括以下步骤：
[0030] 步骤一，约化散射系数μ's的定标。为了通过生物组织的近红外漫反射光谱获取 其约化散射系数μ' s，需要先通过不同浓度的模拟胶（Phantom，Sigma)进行参数定标。近 红外漫反射光谱的获取是通过双光纤测量系统采集得到的。测量系统由芯径200 μπι的双 光纤、卤素宽带光源（HL-2000, Ocean Optics)、光纤光谱仪（USB2000, Ocean Optics)和上 位机构成，可以实时采集和显示待测样品的近红外漫反射光谱。同时采用生物组织血氧分 析仪OXImeter获取样品在690nm处的μ、作为定标标准参数。定标过程中，首先配制不 同浓度模拟胶的待测样本，然后用OXImeter测量各个样品在690nm处的μ ' s，同时用双光 纤测量模拟胶样本的近红外漫反射光谱。计算各个样本的光谱在69