适于介电温度相关特性研究的活性生物组织介电特性测量平台的构建

王伟策，梁国华，马 菁，徐灿华，刘本源，季振宇，王 蕾，史学涛

(1空军军医大学军事生物医学工程学系医学电子工程教研室，陕西 西安 710032；2西北工业大学医学研究院，陕西 西安 710072)

生物组织介电特性是指其在电磁场中吸收和耦合电磁能的特性表征，是组织重要的生物物理特性之一[1]，其介电特性受频率、温度等因素影响显著[2]。报道显示，在微波消融、射频消融等热疗手术[3-4]、冷冻消融术[5]以及基于介电特性的无创温度监测[6]等应用中，精确了解组织介电特性及其随温度变化规律至关重要，可以为疾病诊断、重要脏器损伤监护、身体比吸收率计算、治疗效果改善提供精准指导[7-10]。

目前，EDD等[11]针对低温手术治疗效果评估需求使用四电极法测量了大鼠肝脏等组织在1×102～1×104Hz内介电参数的温度相关性；为了在热消融术中对目标器官吸收热量准确建模以及优化术中操作，POP等[12]使用二电极法研究了4.6×105Hz下猪肾和脂肪介电特性的温度相关性。另外，郭文旭等[13]使用四电极法研究了兔肝在1×101～1×106Hz内介电参数的温度相关性。然而，由于既往研究所用频率以及测量方法不同，导致结果只能满足特定需求，且并未注意到离体时间的影响，测量结果不能真实反映在体情况，无法为其他研究提供参考。

为了使相关研究具有普适性，需要统一频率范围以及测量方法。研究指出，在1×101～1×108Hz内组织介电参数可以同时反映组织、细胞以及大分子物质的内部特征，组织生理和病理变化在此频段的介电参数中均有所反映[14]。因此研究该频段内组织介电特性的温度相关性可以帮助我们深入认识温度影响生物电磁特性的作用机制以及变化规律，且具有重要的理论意义和应用价值。

目前，介电特性测量方法有四电极法[15]、二电极法[16]、终端同轴测量法[17]、谐振腔法[18]、自由空间法[19-20]等，但没有一种方法可以实现1×101～1×108Hz下介电参数的精准测量；同时为了使离体组织在保持活性的条件下准确测量温度特性，需要实现快速精准控温。为此，本课题组建立了适于介电-温度相关特性研究的活性组织介电特性测量平台，来实现多种生物组织在快速、大范围温度变化下的宽频介电参数测量，以方便进一步进行组织介电参数温度相关性的研究。

1 材料与方法

1.1 材料

Solartron 1260电阻抗分析仪和Solartron 1294A生物阻抗测量接口(Schlumberger公司，英国)配合四电极夹具在1×101～1×106Hz下进行四电极法测量；Agilent 4294A(Agilent Technologies公司，美国)在1×102～1×108Hz下进行二电极法测量；商用Wayne Kerr 6500B精密阻抗分析仪和1J1022液体夹具(Wayne Kerr Electronics公司，英国)在1×102～1×107Hz下测量生理盐水介电参数；高性能DC-0506型控温水槽(上海贝仪检测仪器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 电极材质选择 课题组前期已经进行了介电测量仪器性能对比，并且提出使用四、二电极组合方法来扩宽频带范围[21]。但二电极法在低频时的电极极化效应[22]导致有效测量带宽较窄，导致四电极法和二电极法测量数据一致性较差，而电极材料是影响电极极化的主要因素。因此，本实验研究了纯铜、纯银、氯化银/银三种材质分别作为电极时，使用四电极法及二电极法测量室温下生理盐水的电导率随频率变化情况，以此来确定最小电极极化效应、最宽二电极有效频带、适合四电极和二电极进行数据整合的电极材料。

1.2.2 数据整合 王辉等[21]提出使用四、二电极法组合方式来实现宽频带介电测量，但是该方法能否满足1×101～1×108Hz的测量要求，以及为了良好的数据整合效果，具体在哪个频段进行数据整合最好，数据整合之后的效果如何，这些问题都有待进一步研究。因此，本实验使用四、二电极法测量生理盐水的介电数据，来比较两种方法测得数据在不同频段下的规律，以探讨出最佳数据拟合频段和方案。

1.2.3 数据分析和处理 使用阻抗分析仪采集到的数据为电阻抗实部(Re)和虚部(Im)，根据测量盒的几何参数可以推导出被测样本的电导率(σ)，其中A为被测样本的横截面积，d为被测样本的有效长度。

1.2.4 快速控温措施 生物组织在离体之后随着时间推移逐渐失活，为了真实反映组织在活性状态下其介电参数随温度变化情况，需要解决快速精准控温的难题。我们采取了以下几个措施：①在课题组初代阻抗测量盒[23]基础上重新设计，在保证盒体有一定抗挤压能力的前提下，减薄有机玻璃壁厚，改善热传导效率；②将前期使用的有机玻璃帽中嵌入厚银片的模式改为传热效率更好的电极帽(图1)；③使用控温水槽将阻抗测量盒用薄膜密封后放入水中进行控温。

图1 盛放组织的四、二电极复合式阻抗测量盒

1.2.5 介电-温度相关特性研究平台运行效果验证 为了验证所建立的适于介电-温度相关特性研究的活性生物组织介电特性测量平台(图2)的工作效果，本课题组测量了生理盐水降温过程中(39、37、32、27、22、17 ℃)的介电参数。首先将Solartron 1260和Solartron 1294A 阻抗分析仪连接的阻抗测量盒夹具用聚乙烯薄膜密封后浸泡在水槽中进行控温，达到目标温度后进行四电极法测量，之后迅速取出并将阻抗测量盒转移到使用保温袋覆盖保温的Agilent 4294A二电极夹具上进行测量。

图2 介电-温度相关特性研究活性生物组织介电特性测量平台

2 结果

2.1 不同电极材料的介电表现

电极材质为纯铜、纯银、银/氯化银时，使用四电极法以及二电极法测得室温(27 ℃)下生理盐水电导率值随频率变化情况(图3)。观察可得，四电极法所测得电导率在整个频段内并未因材质不同而展示出不同的介电行为，电导率在1×101～5×105Hz内均保持恒定，随后开始逐渐下降。本课题组以各材质电极使用二电极法在1×106～1×107Hz时测得电导率平均值为参考，定义与该平均值相对误差为3.5%时的频率为稳定时的起始频率。二电极法测得低频(1×102～1×104Hz)电导率差距较大，随着频率升高，氯化银/银作为电极所测得电导率最先趋于稳定，而纯铜、纯银电极虽在起始时电导率不同，但都在同一频率点趋于稳定，三种材质测得电导率稳定后在1.59～1.62 S·m-1之间变化，与PEYMAN等[24]在同等温度下所得理论值1.60 S·m-1基本一致。三种材质作为电极时二电极法测得电导率稳定时的起始频率，氯化银/银电极从1.26×103Hz时电导率趋于稳定，而纯铜、纯银电极从5×104Hz时电导率趋于稳定。作为对比，商用阻抗测量仪Wayne Kerr 6500B在1×102～1×107Hz内测量值并不稳定，且与理论值差异较大。

A：四电极法测量结果；B：二电极法及Wayne Kerr 6500B测量结果。

2.2 宽频测量效果

在确定改进后二电极法测量系统具有很好的性能之后，本课题组使用四电极法和二电极法测量了室温(27 ℃)下生理盐水的电导率。观察可得，频率在1.26×103Hz以下，四电极法测得电导率数据较好，不随频率发生变化，而二电极法测量结果偏小；在1.26×103～5×105Hz，两种测量方法测量结果的相对误差小于2.1%，保持较好的一致性；在高频段，四电极法测得电导率开始下降，而二电极法测得电导率数据基本保持不变(图4)。在四电极以及二电极测得电导率数据稳定频段，其数值在1.59～1.64 S·m-1内变化，与PEYMAN等[24]理论值1.60 S·m-1基本保持一致。

图4 不同方法测得生理盐水电导率

2.3 控温速度与精度

使用控温箱作为控温设备以及课题组初代测量盒[23]，当设定目标温度为15 ℃时，测量盒外部和内部温度达到一致需要1 440 s左右。改进之后，当控温水槽从37 ℃降温到35、30、25、20、15、10 ℃时，新型测量盒外部、内部温度达到目标温度所需最长时间为203 s，且保持稳定(图5)，本课题组记录了其达到目标温度所需时间及达到目标温度后180 s内温度均值及标准差(表1)。

图5 控温水槽控温下盒内外部温度随时间变化情况

表1 达到目标温度所需时间以及之后温度波动范围

2.4 生理盐水电导率随温度变化情况

观察6例生理盐水从39 ℃降温到17 ℃时，各温度下电导率平均值随频率变化情况，整个过程用了(35.3±3.1)min。生理盐水电导率在各温度下不随频率发生明显变化，并且受温度影响明显(图6)。将PEYMAN等[24]在32、27、22、17 ℃下电导率理论值与本实验整个频段内电导率平均值作比较(表2)，可以得出两者最大误差为1.73%。

图6 各温度下生理盐水电导率随频率变化情况

表2 各温度下生理盐水电导率

3 讨论

为了研究活性生物组织介电特性的温度相关性，需要建立适于多数活性组织介电参数温度相关性研究的统一标准平台，本研究从宽频介电参数测量平台的搭建以及快速精准控温两个方面作出努力，来实现多种生物组织在快速、大范围温度变化下的宽频介电测量。

3.1 宽频介电参数测量效果

电极极化是影响二电极法有效测量带宽的主要因素。我们对比了纯铜、纯银、氯化银/银作为电极时生理盐水电导率随频率变化情况。观察可得，当纯铜、纯银作电极时，二电极法测得电导率均是从5×104Hz时趋于稳定，而氯化银/银电极从1.26×103Hz开始稳定，这表明电极材料是影响电极极化的主要原因，且氯化银/银作为电极大大缓解了电极极化效应，其原因是氯化银/银的化学性质比较稳定，当低频电流通过时，在电极与待测物交界面不易发生离子聚集导致的极化现象。因此，氯化银/银作为电极，可以扩宽二电极法有效带宽，扩宽四电极法和二电极法的数据重合频段，有利于下一步对数据进行精准整合。

Wayne Kerr 6500B阻抗分析仪主要应用在电子器件测试、材料特性分析等研究领域[25-27]。本课题组使用Wayne Kerr 6500B与专用液体夹具配合对生理盐水进行测量，其在1×102～1×107Hz内测得电导率值与理论值差别较大。而本研究改进后测量方法在1.26×103Hz之后就保持稳定，因此改进后测量方法无论在测量精度还是在有效带宽上，均展示出极大优势。

本课题组前期虽提出四、二电极数据整合方法来扩宽频带，但是否能覆盖1×101～1×108Hz宽频段以及具体在哪个频段整合可以使数据更精准并没有进行深入研究，因此本课题组研究了两种方法测量生理盐水电导率的频率变化规律，可以得到本研究所建立的四电极法测量系统有效带宽为1×101～5×105Hz，二电极法测量系统有效带宽为1.26×103～1×108Hz，两种方法在1.26×103～5×105Hz范围内测得数据相对误差<2.1%，在此频段对数据进行整合可以保证整合后数据与原始数据较好的一致性。本课题组的数据整合方案是：在<1.26×103Hz时，使用四电极法的数据作为整合后数据，在1.26×103～5×105Hz频段使用两种测量方法的平均值作为整合后数据，在>5×105Hz时，使用校正后的二电极法测量数据作为整合后数据。

3.2 平台控温速度、精度评价

实验所需时间严重影响离体组织活性，在组织介电-温度相关性研究中，控温过程是否快速及时是保持离体组织活性的一大难题。前期课题组所使用阻抗测量盒热传导效率低，控温箱控温效果差，导致对阻抗测量盒控温时间过长(1 440 s)。而本研究通过减薄壁厚、使用金属帽来增强传热效率，并使用高性能控温水槽来实现快速精准控温，使达到目标温度用时在203 s之内，平均每变化1 ℃耗时<45 s，同时阻抗测量盒在目标温度下能够保持稳定，温度波动<0.15 ℃。快速、精准控温使得离体组织介电参数的测量在短时间内完成，可以更真实地反映在体状态下活性生物组织介电参数的温度相关性。

3.3 介电温度相关特性研究平台运行效果评价

为了初步估计我们所建立的介电-温度相关特性研究平台介电测量精度以及控温速度和精度，本研究测量了生理盐水在各温度下的电导率，结果与理论值最大相对误差为1.73%，证明了所搭建平台测量的准确性、所提出数据整合方案的有效性以及良好的控温效果，为该平台测量结果的可信性提供依据，并总结了实验方法和流程。

综上所述，生物组织宽频介电参数的温度相关性研究中面临两个难题：①如何实现活性生物组织在与组织生理病理信息密切相关的宽频(1×101～1×108Hz)介电参数测量？②为了防止时间过长导致组织失活，如何实现生物组织的快速、精准控温？为了解决上述问题，我们通过优选电极材料、确定数据整合方案来实现宽频介电参数的精准测量，所建立的二电极测量系统有效带宽以及测量精度满足研究需要；通过对阻抗测量盒重新设计以及采用高性能控温水槽来实现快速、精准控温，建立了适于介电-温度相关特性研究的活性生物组织介电特性测量平台，为下一步开展活性生物组织介电特性的温度相关性研究奠定了基础。