[发明专利]环形排布式多针生物组织介电谱特性测量探头及方法

说明书

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σ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1MHz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；2)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R_外，内径为R_内，其电导率为σ，相对介电系数为ε，则其内、外两面间的阻抗为： 

式中，ε₀＝8.8542^-12为真空介电常数，ω为角频率，j为虚数符号j²＝-1。可见两个面间的 

阻抗与物体的介电特性有着明确的对应关系。 

根据这一原理，在内外两个面上分别布置上一系列针状电极后，就可以通过处在这两个面上的电极间的阻抗的测量而推算出其介电参数。