生物组织介电特性测量及模拟材料研究

发布时间：2017-06-28 14:21

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【摘要】：生物组织的电磁特性是生物组织作为一种物质对电磁场的响应特性。磁特性,即生物组织的磁导率,通常接近真空磁导率,可被看作是常数；电特性,主要指生物组织的介电特性,包括电导率和介电常数两个部分,分别用宏观参数σ和ε表示。当生物组织放入时谐电场Eejwt,生物组织的介电特性同外加场的频率相关,生物组织的复相对介电常数可以表示为εr=ε'-jε",式中的实部ε’即通常意义下的相对介电常数,虚部ε"即损耗因子。由于损耗因子ε"描述的是组织的损耗特性,因此通常将其归入同角频率w相关的等效电导率κ(ω)=σ+ωε0ε"中,ε。是真空介电常数。大量研究实验表明,不同类型的正常组织之间介电特性差别很大,含水量少的组织(例如脂肪和骨骼)要比高含水组织(例如肌肉、皮肤和内脏器官)的相对介电常数和电导率低一个数量级,例如测量频率为100MHz时,健康生物组织的相对介电常数和电导率变化范围分别是5.7-98.1和0.17-2.11 S m-1；同时相同类型组织的介电特性,肿瘤组织比正常组织大30%-50%,甚至肿瘤组织不同位置的介电特性也有所不同；另外,相对介电常数s’随温度变化不大,电导率σ随温度的变化则相对较大。综上所述,生物组织的介电特性不仅具有频率依赖性,而且同组织类型、组织结构以及组织温度都息息相关。由于肿瘤组织和正常组织介电特性的不同,通过对活体组织的介电特性进行成像,这些图像就可以反映组织、器官的生理和病理状态,为医学诊断提供有价值的信息,甚至可能用于癌症的早期诊断,追踪监测正常组织向肿瘤组织演化的整个变化过程,使得能够在早期就对肿瘤进行干预治疗。另外在微波热疗领域中,温度监控在治疗肿瘤过程中有着重要作用,利用介电特性随温度变化的特征就可以对人体组织进行温度成像。人体组织的介电特性与外加电磁场的功率、频率和治疗时长的关系也是影响治疗效果的重要问题,如果对人体组织介电特性了解不准确,在临床应用上就会带来灾难性的后果。由此可见生物组织介电特性的研究不但对于癌症的研究和治疗具有非同凡响的意义,而且对于生物理论和医学应用的发展也都具有非常重要的基础意义。生物组织介电特性的研究主要分为两个方向：生物组织介电特性的变化规律和生物组织介电特性的测量方法。生物组织介电特性变化规律的研究主要是利用各种生物组织介电特性测量技术,探讨生物组织在不同频率、温度、组织结构等影响因素下介电特性的变化。C.Gabriel等人给出了10Hz-100GHz频率范围内估算55种人体健康组织器官介电特性的参数模型,但该参数模型是建立在离体组织介电特性的基础上,因此并不能真实反映活体内组织的介电特性。另外,目前人体组织介电特性的研究都是关于健康组织的,在肿瘤组织方面只有乳腺癌组织和肝癌组织的介电特性得到了深入的研究,因此生物组织介电特性的变化规律有待更进一步研究。为了研究在体组织和癌症组织的介电特性变化规律,首先条件是必须研究生物组织介电特性的测量方法。生物组织,尤其是活体组织,由于其含有生命的特点,它们的介电特性比非生物物质要复杂得多,因此生物组织介电特性的测量方法必须具有以下条件：(1)宽带性,为了研究生物组织介电特性同频率的关系,探头的覆盖频宽为几兆赫到几吉赫；(2)便于控制、监测生物组织待测样本的温度；(3)方便外加极化磁场和电场；(4)测量所需生物组织样本不能太多；(5)最好能够进行能在体(in vivo)测量。本课题研究40-500MHz频率范围内生物组织的介电特性变化规律,由于开端同轴线法可以测量超宽频率范围内的介电特性,具有结构开放、测量系统组成简单和通用性强等特点,同时该方法对待测样品的尺寸、形状和物理形态没有过多要求,样品制备简单,因此将本文从测量系统的组成、测量系统的等效电路和介电特性的计算等方面分析开端同轴线法,然后利用该方法测量标准液进行误差分析,最后测量了猪组织在不同频率下的介电特性。首先,测量系统主要由便携式计算机、矢量网络分析仪、S-参数组件、半刚性同轴线电缆和恒温水浴锅组成,恒温水浴锅的使用是为了在测量过程中保持组织温度,防止温度变化对测量结果产生影响。结合生物组织的结构特点,并比较使用不同直径和不同填充材料时同轴线的测量结果,最终选取聚四氟乙烯填充,外直径0.358cm的低损耗、半刚性同轴线作为测量探头。其次,在40-500MHz频率范围内,同轴线不能被简单地看做理想传输线,因此将测量系统等效为一个二端口网络,利用散射矩阵将探头顶端的实际反射系数和网络分析仪测得的反射系数联系起来。然后测量开路、短路和标准液,利用获得的反射系数代入到方程中简化求解步骤,使得省去了求解同轴线等效电容的步骤。接着利用改进后的方法测量甲醇、乙醇和正丙醇的介电特性,并同文献值进行比较,分析测量方法中的误差和提出解决方法。最后,测量了猪的肝脏、肌肉和脂肪组织的在37℃时,42.58MHz、64MHz、128MHz、170MHz、298MHz、400MHz和468MHz下的相对相对介电常数和电导率。目前生物组织介电特性的常规测量方法普遍是通过离体组织测量或者有创的在体组织测量,开端同轴线测量法虽然不会破坏待测组织本身的结构,但是同轴探头必须同待测组织紧密接触,无法真正实现完全无创的在体测量。无创的活体组织介电特性测量在临床应用上具有巨大的前景,但是至今仍然没有十分完善的无创活体组织介电特性测量方法,现阶段研究比较深入有电阻抗断层成像(EIT)、磁感应成像(MIT)、磁共振电阻抗断层成像(MR EIT)和磁共振电特性断层成像(MR EPT)。与其他非侵入式的介电特性成像技术不同,MR EPT技术的优点是不需要额外的测量电极,也不需要向人体注入能量,硬件方面只需要使用标准MRI系统和配套射频线圈即可,介电特性成像质量由MRI系统图像质量、B1-mapping技术和MR EPT算法共同决定。但是目前MR EPT技术得到的介电特性图像存在分辨率偏低的问题,不能达到临床疾病研究和诊断的需要。现阶段的MR EPT技术,在介电特性算法上都做了一定的近似处理,而且还利用人体组织的解剖学特点做了一定的假设处理(比如假设人体脑部组织左右对称),或者利用组织介电特性的变化特点做一定的假设处理(比如假设复介电特性的梯度为零),并且现有的核心算法均基于麦克斯韦电磁方程二阶微分运算,这就使得噪声在计算过程中被放大,导致计算结果对噪声非常敏感。为了讨论现存MR EPT算法的误差,就必须制作一个具有精确介电特性的体模作为参考,该体模必须与生物组织的介电特性完全相同,并且介电特性的分布相同。首先利用MR EPT技术得到体模的介电特性(测量值),然后将测量值和体模的介电特性(已知值)作比较,便可以计算出相应算法的误差大小,验证算法的准确度。以往文献中都未研究42.58MHz(1T)、64MHz(1.5T)、128MHz(3T)、170MHz(4T)、 298MHz(7T)、400MHz(9.4T)和468MHz(11T)等磁共振频率下模拟材料的介电特性,而介电特性又是同频率相关的;同时以往文献中只给出了极少数组织模拟材料的具体组成,使得无法制作完整的符合人体解剖结构的拟人化体模,然而模拟材料的介电特性同其中各个成分含量都相互联系,使得获取所有组织(正常和癌症组织有数百种类型)模拟材料的过程变得十分繁琐。本文利用油、明胶、去离子水和氯化钠等成分制作生物组织模拟材料,模拟磁共振频率下具有不同介电特性的生物组织。首先根据本文提出的方法制作一组模拟材料,即样本；然后利用开端同轴线法测量不同频率下样本的介电特性,建立一个描述样本组成和介电特性关系的离散数据库;最后根据获得的离散数据库,利用非线性拟合建立描述模拟材料中各成分含量和介电特性关系的经验公式。根据描述介电特性和模拟材料各成分含量之间关系的经验公式,将待模拟生物组织的介电特性代入公式中,然后解方程便可以得到对应组织模拟材料中各成分的含量比例,就使得具有任意介电常数和电导率组合的组织模拟材料制作变得简单快捷。本文的模拟材料能够在很大的频率范围内模拟具有任意介电常数和电导率组合的生物组织,并且能够用来构成非均匀结构的拟人化体模,若将模拟材料放置在塑料容器中,并用保鲜膜密封防止水的蒸发,那么在很长时间内都可以保持介电特性的稳定。
【关键词】：磁共振成像 介电特性 开端同轴线法 组织模拟材料 非线性最小二乘法
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 生物组织的电磁特性15-17
• 1.2 生物组织电磁特性研究意义17-18
• 1.3 介电特性测量方法研究现状18-23
• 1.4 本文主要内容23-25
• 第二章 介电特性测量方法25-34
• 2.1 介电特性测量方法分类25-26
• 2.2 介电特性测量方法原理26-31
• 2.2.1 谐振腔法26-27
• 2.2.2 自由空间法27-29
• 2.2.3 时域法29
• 2.2.4 传输/反射法29-30
• 2.2.5 多状态法30-31
• 2.2.6 多厚度法31
• 2.3 介电特性测量方法比较31-34
• 第三章 开端同轴线法研究34-43
• 3.1 测量系统的组成34-35
• 3.2 开端同轴线测量原理35-40
• 3.3 生物组织介电特性测量40-43
• 第四章 生物组织模拟材料研究43-56
• 4.1 生物组织模拟材料分类43-45
• 4.2 生物组织模拟材料制作45-47
• 4.3 生物组织模拟材料样本47-49
• 4.3.1 模拟材料样本的准备47-48
• 4.3.2 模拟材料介电特性的测量48-49
• 4.4 样本介电特性的经验公式49-54
• 4.4.1 样本的介电特性49
• 4.4.2 样本介电常数和可调节因子间关系49-51
• 4.4.3 样本电导率和可调节因子间的关系51-53
• 4.4.4 介电特性和可调节因子间关系的经验公式53
• 4.4.5 不同频率下的经验公式53-54
• 4.5 小结54-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 参考文献58-64
• 攻读学位期间成果64-65
• 致谢65-66

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