专利名称：环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法
技术领域：
本发明涉及生物组织介电特性测量领域，特别是涉及一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法，尤其适用于离体的外形不规则小体积软组织的测量，且具有较高的测量精度。
背景技术：
生物组织的介电特性是生物物质的被动电特性，是生物物质对电磁场作用的电响应特性的一种物理表达，是组织对外加电磁场的响应特性的基础。生物组织介电特性通常用电导率σ和介电常数ε随频率变化的介电谱来表征。介电常数ε是生物物质在电磁场中贮存电磁能量的量度，而电导率ο则指示生物物质在电磁场中消耗或传导电磁能量的能力。生物组织介电特性的研究具有非常重要的理论与应用价值。首先，作为一种重要的生物物理特性指标，生物组织的介电特性与组织的病理、生理状态密切相关，是重要的组织功能与病理状态检测指标，在癌症的早期检测、疾病的动态监测、组织与器官功能评价和人体成份测量与分析等方面有着重要的应用价值；其次，电磁场的生物效应，特别是其对人体器官与功能的影响问题已成为当前相关领域的研究热点问题，是新概念武器、电磁防护和疾病治疗等领域的研究基础，而准确掌握体内各相关组织的介电特性是分析各种外加电磁能量在体内重要靶器官内的传输与分布情况的前提。生物组织介电特性研究需要准确而科学的测量方法与设备。介电特性测量的基本方法是在样本中建立电流场并测量响应电信号，再根据激励和响应信号关系计算其介电特性。由于生物组织的特殊性，在低频段(100kHz以内)当电极与样本接触时，会产生随测量频率和接触面积的降低而快速增大的接触阻抗，影响测量结果的准确性。为此，常规的做法是在这一频率区间采用参考图5所示的四电极法，通过将激励与测量电极分开的方法抑制接触阻抗的影响。四电极法虽然能有效抑制低频段的电极/皮肤接触阻抗的影响，但随着测量频率的增加，特别是当测量频率达到IMHz以上时，四电极法会因电极及导线间的分布参数和空间介质的影响而无法满足测量要求。因而在高频段，往往又得采用激励与测量公用同一对电极的两电极法。因此，当前相对可行的方法是将组织切削成规则的形状，放入固定的测量盒中。在测量盒两端各布置一个大面积的激励电极，而在盒的中间布置两个相对小一些的测量电极。在低频段采用四电极法，用两端的大电极进行激励，中间的2个电极进行测量；在高频段采用两电极法，用两端的大电极即做激励又做测量。但在实际测量中，由于生物组织多为软组织，在保持其性状的前提下切成规则形状需要耗费较长时间。而生物组织的介电特性与组织的功能状态密切相关，在组织切削过程中，由于供血、供氧等的切断，会导致组织逐渐变性、坏死，导致实际测量时的介电特性偏离正常状态，从而引入测量误差。
为克服这一问题，有研究采用四根针状电极直线排布，用两端的两根作为激励电极，中间的两根做为测量电极的方法制成测量探头进行阻抗测量。这种方法的一个突出优点是不需要组织切削加工，可以快速测量。但其缺点在于1)其电场过于发散，要求被测量组织体积相对较大；幻无法支持高频段的两电极法电阻抗测量，因而无法用于高频段的介电特性测量。综上，研究一种新的、便于组织介电特性快速测量的技术与方法是当前相关领域的重点问题。
发明内容
根据离体或在体的小体积、外形不规则、质软的生物活性组织的宽频带介电特性高精度测量需求，本发明的目的在于，提供一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，适用于外形不规则的小体积待测生物活性组织或部分在体组织准确的宽频带测量。
探头的工作原理在于根据电磁场理论，对于一个呈圆桶状规则物体，设其高度为 h，外径为内径为Rrt，其电导率为O，相对介电系数为ε，则其内、外两面间的阻抗为
权利要求
1.一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于，包括一基座 (102)，在基座(102)上安装有多支针式电极(101)、转换开关(103)和激励端与测量端接口 (104、105、106、107)；所述的多支针式电极(101)等间距排列在基座(10 上所形成的内环(108)和外环 (109)两个同心圆上，并与基座(102)垂直作为激励电极和测量电极，功能相同的电极通过基座(102)上的铜质导线(110)内部相连，并通过转换开关(103)与激励端与测量端接口 (104、105、106、107)相连。
2.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于， 所述的基座(10 的材料是聚酯纤维或其它非导电体。
3.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于， 所述的针式电极(101)由Ag/AgCl或其它非极化电极材料制成。
4.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于， 所述的激励电极和测量电极在内环(108)和外环(109)上的排列方式不限。
5.如权利要求1所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，其特征在于， 所述的切换开关(103)用于在介电特性测量的两电极法和四电极法之间进行快速切换当切换开关(103)处于导通状态时，所有的内环(108)上的电极均用于激励电流导入，而外环 (109)上的电极均用于电流导出，此时，直接测量内环(108)、外环(109)电极间的响应电压差。
6.权利要求1 5其中之一所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行标校的标校盒，其特征在于，包括一个圆柱形盒体，该圆柱形盒体O00)的内径不小于基座 (102)上所形成外环(109)的1.5倍，高度不小于针状电极(101)的长度的2倍，圆柱形盒体O00)内侧有一支撑平台001)，用于标校时托起基座(102)。
7.权利要求1 5其中之一所述的环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头进行生物组织介电特性测量的方法，其特征在于，将针式电极(101)刺入待测生物组织，将激励与测量端口(104、105、106、107)与阻抗分析仪对应连接，通过该阻抗分析仪得到待测生物组织的电阻抗频谱，然后根据相应公式计算出待测生物组织的电导率和介电系数。
全文摘要
本发明公开了一种环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头，包括一基座，在基座上安装有多支针式电极、转换开关和激励端与测量端接口；多支针式电极等间距排列在基座上所形成的内环和外环两个同心圆上，并与基座垂直作为激励电极和测量电极，功能相同的电极通过基座上的铜质导线内部相连，并通过转换开关与激励端与测量端接口相连。还包括一个与探头配合使用的标校盒，并公开了使用这种探头进行生物组织介电特性测量的实施方法。有效的解决了传统测量装置对被测组织外形要求严格的问题，使得对外形不规则或不易切割的组织进行电阻抗测量成为可能。
文档编号G01R27/02GK102445574SQ20111030740
公开日2012年5月9日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者付峰, 刘锐岗, 史学涛, 季振宇, 尤富生, 朱建波, 漆家学, 王航, 董秀珍, 霍旭阳 申请人:中国人民解放军第四军医大学