生物組織阻抗溫度特性測試系統(tǒng)的研究

張琴艷，武文斌，馬藝馨

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

腫瘤熱療[1]以其無創(chuàng)或微創(chuàng)、安全性好、有效殺傷惡性腫瘤細(xì)胞、提高病人的生活質(zhì)量而越來越引起人們的重視，已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)治療腫瘤的五大療法之一。準(zhǔn)確可靠的溫度測量和控制是腫瘤熱療法的關(guān)鍵，目前臨床采用的無損測溫方法以磁共振技術(shù)和超聲技術(shù)為主，但磁共振技術(shù)價(jià)格昂貴、超聲技術(shù)會(huì)受到聚焦超聲的干擾，因此研究一種簡單安全方便的溫度無損檢測技術(shù)對(duì)于推動(dòng)腫瘤熱療技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

生物電阻抗技術(shù)是一種在人體表注入人體安全電流、測量響應(yīng)電壓來獲得人體內(nèi)電阻抗信息的技術(shù)。此技術(shù)對(duì)人體無創(chuàng)無害，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量簡便快速，檢測過程安全，成像成本低，并且生物組織的電阻抗與溫度呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系[2－3]，因此可以通過生物電阻抗測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱療過程中加熱組織溫度的無損檢測。

為了能采用電阻抗技術(shù)對(duì)體內(nèi)溫度進(jìn)行檢測，必須獲得較為準(zhǔn)確的生物組織電阻抗與溫度的關(guān)系。本研究基于生物電阻抗技術(shù)原理，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一套基于水循環(huán)加熱的生物組織電阻抗溫度特性測試系統(tǒng)，并以新鮮離體豬肉組織為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了一系列的測量實(shí)驗(yàn)，測量和記錄了升溫過程中組織的電阻抗變化，獲得了豬肉組織的電阻抗和溫度的特性曲線以及組織變性過程中電阻抗的變化特性，為基于電阻抗法的腫瘤熱療中的溫度監(jiān)測奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

生物電阻抗的測量方法主要有電橋法，雙電極法和四電極法。電橋法由于難以調(diào)節(jié)電橋平衡，因此精度較低，現(xiàn)在已不多用。雙電極法[4]是在兩個(gè)電極上加入激勵(lì)電流并在同樣兩個(gè)電極上測量響應(yīng)電壓，由于此種做法使被測組織的電流密度分布不均，并且有很大的接觸阻抗，因此雙電極法測量技術(shù)的精度很難提高，現(xiàn)在已逐步被四電極法替代。四電極測量法是在兩個(gè)電極上加入高頻（1kHz～1MHz）的恒定電流源，并在另外兩個(gè)電極上測得響應(yīng)電壓，由于四電極法激勵(lì)電極和測量電極分開，因此很好的避免了密度分布不均以及接觸阻抗等問題，本研究采用四電極測量技術(shù)，其原理圖如圖1所示，電流源IS通過兩個(gè)電極對(duì)組織進(jìn)行激勵(lì)，并在另兩個(gè)電極上差分得到響應(yīng)電壓。

圖1 四電極法測量示意圖Fig．1 The diagram of the four-electrode method

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作

阻抗測量裝置的剖視圖如圖2所示。阻抗測量裝置從上到下分別由配重、上電極塊、套筒、下電極塊和底座構(gòu)成，其中每個(gè)電極塊包括電壓電極和電流電極，電流電極輸入激勵(lì)電流，并從電壓電極測量響應(yīng)電壓，兩電極通過有機(jī)玻璃固定在一起。由于電流電極橫截面積較大，所以可以使組織激勵(lì)電流密度分布均勻，而電壓電極較小，能近似得到中心點(diǎn)的電壓。在底座位于套筒中心的位置設(shè)置一過孔，用于加熱組織的橡膠管可通過此孔纏繞在套筒的內(nèi)壁上對(duì)組織進(jìn)行加熱。

圖2 阻抗測量裝置剖視圖Fig．2 A cutaway view of the impedance measuring method

測試系統(tǒng)框圖如圖3，測試時(shí)，將生物組織放置在阻抗測量裝置的內(nèi)套筒中，通過上電極和配重固定。采用PID溫度控制器設(shè)置組織目標(biāo)溫度，并通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水箱內(nèi)的溫度，通過這兩者的比較給固態(tài)繼電器一個(gè)控制信號(hào)，控制加熱器的通斷狀態(tài)以使水箱中的水達(dá)到恒定溫度，水箱中的恒溫水被微型泵抽取并通過纏繞在阻抗測試裝置內(nèi)圓柱上的橡膠管加熱生物組織。整個(gè)系統(tǒng)具有溫度易于控制，組織受熱均勻，四電極法的設(shè)計(jì)原理使得組織所受激勵(lì)電流密度均勻，且避免極化效應(yīng)，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 阻抗測試系統(tǒng)框圖Fig．3 Structure diagram of the impedance testing system

2.2 恒流源信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

生物組織電阻抗的測量普遍使用恒定電流源激勵(lì)、測量響應(yīng)電壓，因此高品質(zhì)的恒流源是電阻抗測量的重要部分。雙運(yùn)放組成的電壓控制電流源（VCCS）方案構(gòu)成的恒流源不能消除直流信號(hào)，若在輸出串聯(lián)一隔直電容又容易引起飽和問題，并且其頻帶一般為10～200 kHz，而本系統(tǒng)要求激勵(lì)電流頻率為1 kHz～1 MHz，因此不滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；電流鏡方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，輸出阻抗高并且頻帶寬，但很難達(dá)到完全對(duì)稱。

針對(duì)以上方案的不足，本文選用電流反饋型運(yùn)放AD844產(chǎn)生恒定電流源，圖4為AD844的內(nèi)部原理圖，AD844內(nèi)部集成電流鏡電路，其電流大小由Rin以及負(fù)輸入端所接負(fù)載決定。AD844基于CC2電流傳輸器技術(shù)[5]，使其克服了電流鏡不對(duì)稱的問題，其具有寬頻帶、高速度和高精度的電流傳輸特性。

圖4 AD844等效原理圖Fig．4 Equivalent schematic of AD844

圖5 所示為電壓控制電流源的電路框圖，ADA4898是一個(gè)低噪聲、低失真、單位增益溫度的高速運(yùn)算放大器，其帶寬為65 MHz，壓擺率為55 V/μs，在此作為緩沖級(jí)滿足系統(tǒng)要求。電容C是一個(gè)交流負(fù)反饋，可有效隔除直流信號(hào)，AD844的5腳輸出電流由內(nèi)阻Rin和R1共同決定。5腳輸出電流通過電流電極加入組織中對(duì)組織進(jìn)行激勵(lì)。經(jīng)測試得其輸出阻抗在低頻下輸出阻抗可達(dá)到幾MΩ，頻率為1 MHz下可達(dá)到212 kΩ，具備很好的恒流性能。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖5 恒流源產(chǎn)生模塊電路Fig.5 Circuit of constant current source generator

本文介紹的阻抗測量系統(tǒng)基于恒溫水循環(huán)加熱，具有組織受熱均勻，溫度連續(xù)可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將組織放入阻抗測量裝置的內(nèi)套筒中，設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度值，待組織溫度到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)，從兩個(gè)電流電極輸入恒定電流源對(duì)生物組織進(jìn)行激勵(lì)激勵(lì)，并用示波器檢測電壓電極上的響應(yīng)電壓幅值V1，示波器的另一通道檢測AD844負(fù)向輸入端的電壓幅值V2，即激勵(lì)電流幅值為，則阻抗的幅值

在低頻時(shí)（≤1 MHz）生物組織[6]拋去其物理含義可等效為電阻電容并聯(lián)的電路模型，經(jīng)推導(dǎo)可得電阻抗的實(shí)部為所以由以下等式：

可以得到組織的電阻和電容計(jì)算公式如下：

其中為電阻抗的幅值，φ為相位，ω為角頻率。

生物組織阻抗測試時(shí)，首先以遞增的方式調(diào)整信號(hào)頻率，不斷采集、處理得到各頻率點(diǎn)的電阻抗值，獲得一定溫度下的生物組織阻抗的頻率特性。然后通過設(shè)置PID溫度控制器的目標(biāo)溫度逐步遞增，其間不斷采集、處理得到各整數(shù)溫度點(diǎn)下的電阻抗值，獲得某頻率下生物組織阻抗的溫度特性，通過式（4）和式（5）的計(jì)算，還可獲得生物組織電阻溫度特性和電容溫度特性，為腫瘤熱療的溫度檢測提供理論和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

生物電阻抗信息往往包含虛部，這是由于組織中細(xì)胞膜的容性特性引起的，通過本實(shí)驗(yàn)研究表明，新鮮瘦肉組織阻性特征較強(qiáng)，容性較弱或幾乎沒有，而新鮮肥肉組織容性信息較強(qiáng)，因此為了更好地測量到組織的虛部信息，本研究選用新鮮肥肉組織作為被測對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過以上介紹的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)新鮮肥肉組織的電阻抗-頻率特性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度為28℃時(shí)電阻抗—頻率特性Fig.6 The characteristic of impedance VS frequency（T=28℃）

圖7 頻率為100 kHz時(shí)電阻抗—溫度關(guān)系Fig.7 The relationship of impedance and temperature（Frequency=100 kHz）

由圖6、7可以看出，在一定溫度下，組織的電阻抗實(shí)部隨著頻率的升高而降低，而虛部則隨頻率的升高，先降低后升高，轉(zhuǎn)折頻率在80～120 kHz之間，這是由于低頻下電流信號(hào)不穿透細(xì)胞膜，而隨著頻率的升高，交流電流信號(hào)穿過細(xì)胞膜從內(nèi)液和外液流通造成的。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他學(xué)者的結(jié)果相一致。

隨后，將兩組新鮮肥肉組織進(jìn)行了28℃到66℃的加溫，對(duì)組織電阻抗－溫度特性進(jìn)行研究，如圖6所示。在28℃到66℃加溫的過程中，新鮮肥肉組織的電阻抗特性隨著溫度的升高呈現(xiàn)出非線性下降的趨勢，其中在53℃到59℃內(nèi)，電阻抗形成了一個(gè)突變，之后的電阻抗隨著溫度的升高變化不大。而電阻抗變化系數(shù)在28℃到53℃區(qū)間，幾乎變化較少，而在53℃至59℃區(qū)間有突變。這是由于當(dāng)頻率一定時(shí)，溫度升高到53～59℃，細(xì)胞開始死亡，細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)液外流，使得整體生物組織的阻抗值發(fā)生改變而形成的。在腫瘤熱療過程中，可以利用這一溫度特性，通過組織的電阻抗測量得到組織內(nèi)部溫度信息，從而對(duì)腫瘤熱療過程中的溫度實(shí)現(xiàn)無損檢測。

3 結(jié)束語

文中提出了一套基于恒溫水循環(huán)加熱的離體生物組織阻抗溫度特性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于四電極法，在電流電極上加入激勵(lì)恒流源，測量組織的響應(yīng)電壓以獲得組織的電阻抗信息。本系統(tǒng)具有溫度易于控制、生物組織受熱均勻，四電極法的設(shè)計(jì)原理使得組織所受激勵(lì)電流密度均勻，且避免極化效應(yīng)，測量精度高，頻帶寬、能獲得組織阻抗虛部信息等優(yōu)點(diǎn)。

本文還利用此系統(tǒng)對(duì)兩組新鮮肥肉組織進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了生物組織電阻抗頻率特性以及溫度特性，研究表明，在一定溫度下，電阻抗的頻率特性為：實(shí)部隨著頻率的升高而降低，而虛部先降低后升高，轉(zhuǎn)折頻率在80～120 kHz之間，這是由于頻率升高電流可穿透細(xì)胞膜而流過細(xì)胞內(nèi)液引起的。電阻抗的溫度特性為：溫度小于53℃時(shí)，組織電阻抗隨著溫度升高呈現(xiàn)較為緩慢下降的趨勢，在53～59℃之間，電阻抗以及電阻抗變化系數(shù)形成一個(gè)突變，可以認(rèn)為，組織在持續(xù)升溫過程中，超過53℃引起了組織的壞死和變性，細(xì)胞內(nèi)液外流，造成了電阻抗的突變。

在腫瘤熱療過程中，需要利用正常細(xì)胞和癌細(xì)胞不同的耐熱性對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行加熱，以達(dá)到既能殺死癌細(xì)胞，又不損傷正常細(xì)胞的治療目的，因此腫瘤熱療過程中的溫度監(jiān)測是治療的關(guān)鍵。文中提出了一套基于四電極法的生物組織阻抗溫度測試系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，獲得了準(zhǔn)確的生物電阻抗溫度特性，對(duì)腫瘤熱療技術(shù)的溫度的無損檢測具有重要意義。

[1]曾益心．腫瘤學(xué)[M]．北京：人民衛(wèi)生出版社，2001．

[2]Blad B，Persson B，Lindstrom K．Quantitative assessment of impedance tomography for temperature measurements in hyperthermia[J]．International Journal of Hyperthermia，1992，8（1）:33－43．

[3]Paulsen K D，Moskowitz M J，Ryan T Petal．Initial in vivo experience with EIT as a thermalestimator during hyperthermia[J]．Int J Hyperthermia，1996，12（5）:573－591．

[4]林世寅，李瑞英．現(xiàn)代腫瘤熱療學(xué)－原理、方法與臨床[M]．北京:學(xué)苑出版社，1997．

[5]童倜，張偉興．電阻抗成像系統(tǒng)中電壓控制電流源的設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（1）:116－119．TONG Ti，ZHANG Wei-xing．Designing VCCS in electrical impedance tomography system[J]．Electronic Design Engineering，2012，20（1）:116－119．

[6]陳軒澤，馬青玉，楊玲，等．離體豬肝組織電阻抗的溫度特性研究[J]．南京師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35（2）:32－38．CHEN Xuan-ze，MA Qing-yu，YANG Ling，et al．Temperature dependent electrical impedance characteristics for porcine liver in Vitro[J]．Journal of Nanjing Normal University：Natural Science Edition，2012，35（2）:32－38