基于平行板电容法的组织电特性在体测量方法研究

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生物组织有其特定的电特性,它与组织的含水量、温度、血流丰富程度以及细胞的类型、密度以及细胞膜结构等多种因素有关。组织生理状态或病理状态的变化会导致这些因素的改变,即会引起组织电特性的变化。反之,如果组织的电特性发生了变化,则表明组织的生理或病理状态发生了改变。因此,生物组织电特性测量有助于早期癌症的筛查,为临床诊断早期癌症提供了一种具有前景的治疗手段。同时,了解生物组织的电特性信息还为临床手术如射频消融术等提供了手术指导。本文将基于平行板电容的阻抗分析法,设计制作一种新型的引线型平行板电容器并搭建一套仿体与组织电特性(电导率与介电常数)的测量系统,并在0.5 MHz-10 MHz范围内对仿体、离体组织以及小鼠在体肝脏肿瘤组织的电特性进行测量与分析。本论文的主要工作包括:(1)通过COMSOL Multiphysics仿真软件对所设计的电容器极板的间距、厚度以及半径进行仿真,通过产生的附加电容大小得到最优尺寸。(2)基于抑制电容器边缘效应理论设计了新型的引线型平行板电容器,对板间电场分布与电势分布进行仿真,并与已有的电容器进行比较,证明了引线型电容器的可行性及优异性.(3)根据仿真结果制作了引线型电容器,使用0.01-0.07 mol/L的Na Cl标准液对电容器进行校准并对标准值与测量值进行了误差分析。(4)使用引线型电容器测量了仿体、离体猪肉组织以及小鼠在体肝脏肿瘤组织在0.5 MHz-10 MHz频率下的电特性,分析了猪离体脂肪组织与肌肉组织、高含血量肌肉组织与低含血量肌肉组织电特性随频率变化的差异以及小鼠在体肝脏肿瘤组织在生长过程中的电特性随频率变化的趋势。研究结果显示,(1)在0.5MHz-10MHz范围内,无论是Na Cl溶液、仿体还是离体组织与在体组织,其电特性均遵循一个规律,即随测量频率的增加,电导率不断增加,介电常数不断减小;(2)猪离体肌肉组织的电特性值高于脂肪组织,高含血量肌肉组织电特性高于低含血量肌肉组织;(3)随着小鼠肝脏肿瘤的不断生长,其电特性值在相应的频率下更高。测得肝脏肿瘤在其频带内的电导率为0.2401-0.614 S/m,约为正常肝脏组织较低频带内的1.62倍,中频带内的1.15倍,较高频带内1.94倍;其频带内的介电常数为546.3-3545,约为正常肝脏组织较低频带内的1.28倍,中频带内的1.08倍,较高频带内的2.44倍。实验测得的电特性数值均落在文献中的数据之内,体现了引线型平行板电容器测量的准确性,也为组织良恶性判断提供了数据基础;(4)通过对小鼠肝脏肿瘤组织电特性曲线的拟合分析获得了两个参考系数y0和A,在进行肿瘤的良恶性分析时可将其作为参考依据辅助诊断,提高诊断效率。
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