一种人体组织介电特性模拟材料的配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物物理技术领域，具体涉及一种人体组织介电特性模拟材料的配置 方法。
【背景技术】
[0002] 物质在电磁场中表现出来的电磁特性可以看作是物质的固有属性，人体组织也不 例外。人体组织在电磁场中会表现出一定的电特性和磁特性。电特性，有时也称为介电特 性（EPs)，主要是指组织的电导率和电容率（又叫介电常数），磁特性是指组织的磁导率。一 般而言，人体组织是非磁性物质，其磁导率接近真空中的磁导率，可被看作是常数。人体组 织各处的EPs与组织内非均匀分布的绝缘的细胞膜和导电的电解液等有关，因此组织各处 的EPs分布呈现非均匀性，并具有频率依赖性。
[0003] 研宄电磁场与生物组织的作用机制和作用效应，是非常重要的科学研宄领域之 一，相关研宄成果，已经为人类的健康事业做出了巨大贡献。比如，磁共振成像（MRI)系统， 其本质就是强的静磁场、梯度磁场、射频磁场与人体组织相互作用的系统，现在已经成为临 床疾病诊断必不可少的重要的大型影像设备之一；再比如，各种电磁理疗设备、电磁聚焦肿 瘤热消融治疗设备等，其本质都是不同形态的电磁场与人体组织的相互作用系统。另外，电 磁场与人体组织的相互作用的非热效应研宄，还有很多问题没有解决，目前也是生物物理 领域的研宄热点之一。在研宄上述的电磁场和人体组织相互作用关系时，获得电磁场在组 织内的分布是关键的研宄内容。其中之一的方法，就是研制能够模拟人体组织介电特性的 人工材料，采用这样的人工材料来模拟人体组织分布，再通过电场和磁场的测量获得材料 内电磁场的分布。
[0004] 在过去的几十年里，许多学者提出来多种组织介电特性模拟材料。一般而言， 这些模拟材料通常为液体、固体和凝胶（半固体）形式，由于胶状材料同人体组织具有物 理相似性，以及他们能够模拟大范围的组织介电特性，因此最受欢迎。根据基本成分， 这些胶状的模拟材料可分为几类，目前相关研宄的简要总结在表1中列出。由Chouet al(1984)和Surowiecetal(1992)提出的介质材料的保存时间非常有限，即使在密封 的容器内也只能保存两周；同时，由TX-150、聚乙烯粉、铝粉、水和氯化钠组成的介质材料 (Chouetal1984)，以及由TX-151、琼脂、聚乙稀粉、氯化钠和水组成的介质材料（Itoet al2001，OnishiandUebayashi2006)不能模拟低含水量的组织。Marchaletal(1989) 和Sunagaetal(2003)提出一种基于明胶-水的介质材料来模拟组织，然而不同明胶浓 度的两种材料直接接触放置时会发生溶剂扩散，所以这些材料不能制作具有长期稳定性的 非均质体模。一种由Lazebniketal(2005)，Laietal(2011)和Bakaretal(2011)提 出的油-明胶材料能够在很大的频率范围内模拟各种生物组织的介电特性，同时具有长期 稳定性。但由于此种材料只采用油的体积百分比作为可调节因子，导致相对介电常数和电 导率的改变是相互关联的，因此该方法不能同时精确模拟任意指定的相对介电常数和电导 率。Yuanetal(2012)在油-明胶材料的基础上增加了氯化钠，采用油的体积百分比和氯 化钠浓度两个可调节因子。这样就使得模拟不同的相对介电常数和电导率的组合变得可 能。然而，在调整油的体积百分比和氯化钠浓度这两个可调节因子中的任何一个因子时，都 会使相对介电常数和电导率同时改变。致使获取各种人体组织（数以百计的包括各种健康 和肿瘤不同生理病理状态下的组织类型）的模拟材料成为一个异常繁琐的工作。
[0005] 综上所述，现有模拟材料配置技术均无法直接获得任意指定的电导率和介电常数 搭配的介电特性模拟材料的各种配方的比例，亟需提供一种能够计算"具有任意指定的电 导率和介电常数搭配的介电特性的模拟材料的各种配方"的比例的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种人体组织介电特性模拟材料的 配置方法，采用数据拟合技术来快速计算获得人体组织介电特性模拟材料配方中各种材料 的混合比例的方法，采用该方法可以方便快捷地配置任意指定的电导率和介电常数搭配的 介电特性模拟材料。
[0007] 本发明通过以下技术方案实现该目的：
[0008] 一种人体组织介电特性模拟材料的配置方法，包括以下步骤：
[0009] 1)制备若干配方样本，所述配方样本包括油、氯化钠、明胶、对甲基苯甲酸、正丙 醇、表面活性剂、去离子水和甲醛，所述配方样本按照油和氯化钠的含量由低到高搭配；
[0010] 2)测量确认所述配方样本的介电特性，多次测量计算平均值和相对标准偏差，对 相对标准偏差不符合要求的样本进行重新制作并测量介电特性；
[0011] 3)建立介电特性和配方样本比例调节因子之间的函数关系，所述配方比例调节因 子分别为油的含量和氯化钠的含量；
[0012] 4)利用建立的含有多调节因子的介电特性和配方比例之间的函数关系式，求解任 意指定的电导率和介电常数搭配的介电特性的模拟材料的各种配方比例，制备所指定的模 拟材料。
[0013] 其中，所述配方样本的制备按照以下步骤进行：
[0014] a、在容器中加入0. 1~0. 5g对甲基苯甲酸和5~15mL的正丙醇，加热至30~ 50°C并搅拌使得对甲基苯甲酸充分溶解；
[0015] b、继续向容器中加入85~95mL的去离子水，去离子水的温度保持为室温；
[0016] c、继续向容器中加入15~20g明胶，使得明胶充分侵泡在溶液中并保持室温条 件；
[0017] d、利用薄膜型材料将容器封口并常温静置3~4h;
[0018] e、在薄膜型材料上扎出若干小洞，将容器放置于65~70°C的水浴中加热10~ 15min；
[0019] f、充分搅拌直至明胶完全溶解制得明胶溶液，去除表面气泡，冷却至50°C备用；
[0020] g、将油加热至50°C备用；
[0021] h、按照顺序分别将100~20mL的明胶溶液和0~80mL的油加入到另一个容器中， 并分别加入0~1. 40g的氯化钠，并保持溶液的温度为50°C;
[0022] i、剧烈搅拌直至所有油化为小液滴分散在溶液中，加入0. 5~10mL的表面活性 剂，并充分搅拌至溶液接近白色；
[0023] j、继续向容器中加入10~15mL的甲醛溶液，持续搅拌至均匀，按照不同的油和明 胶的比例搭配，完成配方样本的制备；
[0024] k、将制备的配方样本密封置于阴凉处，直至配方样本完全凝固。
[0025] 其中，所述配方样本包括若干组，每组配方样品的油与明胶的比例固定，氯化钠的 含量由低到高搭配，各组之间油的比例由低到高搭配，明胶的比例由高到低搭配。
[0026] 作为优选的，所述各配方样本中的油、明胶以及氯化钠的含量按照以下含量添 加：
[0029] 其中，所述步骤2)具体为：采用50欧母匹配阻抗的同轴线作为探头，将探头插入 待测配方样本中，利用网络分析仪测量网络系数，取多次测量的结果的平均值，利用开端同 轴探头法介电特性测量原理，计算得到被测配方样本的介电特性；采用测量样本不同部位 的介电特性的分布的方法来评估配方样本的均匀性，每个样本被分割成不同部分，在不同 部分的表面测量不同位置，在每个位置多次测量，并且测量完每个点后用纸巾清洁同轴线 探头，防止探头上的油污影响结果；
[0030] 最后计算平均值和相对标准偏差，对相对标准偏差不符合要求的样本进行重新 制作并再次重新测量电特性。
[0031] 作为优选的，所述评估配方样本均匀性的具体步骤为：将每个配方样本被分割成 两半，含有三个表面，对于每一个表面测量5个不同位置，每个位置记录5次测量数据，从 每个配方样本共收集75组测量数据；测量每个位置前同轴线探头固定在测量点10-15分 钟；
[0032] 最后计算平均值和相对标准偏差，对相对标准偏差超过5%的样本进行重新制作 并测量电特性。
[0033] 其中，所述步骤3)具体为：
[0034] 将油的含量和氯化钠的含量作为配方含量比例的调节因子，在相同的氯化钠浓度 下，相对介电常数表示为关于油的体积百分比的一阶多项式，表达式如下：
[0035] e' =m(N)+n(N)0， (1)
[0036] 其中