生物组织阻抗温度特性测试系统的研究

张琴艳，武文斌，马艺馨

（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

肿瘤热疗[1]以其无创或微创、安全性好、有效杀伤恶性肿瘤细胞、提高病人的生活质量而越来越引起人们的重视，已成为现代临床医学治疗肿瘤的五大疗法之一。准确可靠的温度测量和控制是肿瘤热疗法的关键，目前临床采用的无损测温方法以磁共振技术和超声技术为主，但磁共振技术价格昂贵、超声技术会受到聚焦超声的干扰，因此研究一种简单安全方便的温度无损检测技术对于推动肿瘤热疗技术的发展具有重要意义。

生物电阻抗技术是一种在人体表注入人体安全电流、测量响应电压来获得人体内电阻抗信息的技术。此技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便快速，检测过程安全，成像成本低，并且生物组织的电阻抗与温度呈现一定的函数关系[2－3]，因此可以通过生物电阻抗测量技术实现热疗过程中加热组织温度的无损检测。

为了能采用电阻抗技术对体内温度进行检测，必须获得较为准确的生物组织电阻抗与温度的关系。本研究基于生物电阻抗技术原理，设计、实现了一套基于水循环加热的生物组织电阻抗温度特性测试系统，并以新鲜离体猪肉组织为实验对象，进行了一系列的测量实验，测量和记录了升温过程中组织的电阻抗变化，获得了猪肉组织的电阻抗和温度的特性曲线以及组织变性过程中电阻抗的变化特性，为基于电阻抗法的肿瘤热疗中的温度监测奠定了实验基础。

1 系统的设计原理

生物电阻抗的测量方法主要有电桥法，双电极法和四电极法。电桥法由于难以调节电桥平衡，因此精度较低，现在已不多用。双电极法[4]是在两个电极上加入激励电流并在同样两个电极上测量响应电压，由于此种做法使被测组织的电流密度分布不均，并且有很大的接触阻抗，因此双电极法测量技术的精度很难提高，现在已逐步被四电极法替代。四电极测量法是在两个电极上加入高频（1kHz～1MHz）的恒定电流源，并在另外两个电极上测得响应电压，由于四电极法激励电极和测量电极分开，因此很好的避免了密度分布不均以及接触阻抗等问题，本研究采用四电极测量技术，其原理图如图1所示，电流源IS通过两个电极对组织进行激励，并在另两个电极上差分得到响应电压。

图1 四电极法测量示意图Fig．1 The diagram of the four-electrode method

2 测量系统设计和实验验证

2.1 测量系统的设计和制作

阻抗测量装置的剖视图如图2所示。阻抗测量装置从上到下分别由配重、上电极块、套筒、下电极块和底座构成，其中每个电极块包括电压电极和电流电极，电流电极输入激励电流，并从电压电极测量响应电压，两电极通过有机玻璃固定在一起。由于电流电极横截面积较大，所以可以使组织激励电流密度分布均匀，而电压电极较小，能近似得到中心点的电压。在底座位于套筒中心的位置设置一过孔，用于加热组织的橡胶管可通过此孔缠绕在套筒的内壁上对组织进行加热。

图2 阻抗测量装置剖视图Fig．2 A cutaway view of the impedance measuring method

测试系统框图如图3，测试时，将生物组织放置在阻抗测量装置的内套筒中，通过上电极和配重固定。采用PID温度控制器设置组织目标温度，并通过温度传感器实时监测水箱内的温度，通过这两者的比较给固态继电器一个控制信号，控制加热器的通断状态以使水箱中的水达到恒定温度，水箱中的恒温水被微型泵抽取并通过缠绕在阻抗测试装置内圆柱上的橡胶管加热生物组织。整个系统具有温度易于控制，组织受热均匀，四电极法的设计原理使得组织所受激励电流密度均匀，且避免极化效应，测量精度高等优点。

图3 阻抗测试系统框图Fig．3 Structure diagram of the impedance testing system

2.2 恒流源信号发生电路的设计

生物组织电阻抗的测量普遍使用恒定电流源激励、测量响应电压，因此高品质的恒流源是电阻抗测量的重要部分。双运放组成的电压控制电流源（VCCS）方案构成的恒流源不能消除直流信号，若在输出串联一隔直电容又容易引起饱和问题，并且其频带一般为10～200 kHz，而本系统要求激励电流频率为1 kHz～1 MHz，因此不满足本系统设计要求；电流镜方案的优点是稳定性好，输出阻抗高并且频带宽，但很难达到完全对称。

针对以上方案的不足，本文选用电流反馈型运放AD844产生恒定电流源，图4为AD844的内部原理图，AD844内部集成电流镜电路，其电流大小由Rin以及负输入端所接负载决定。AD844基于CC2电流传输器技术[5]，使其克服了电流镜不对称的问题，其具有宽频带、高速度和高精度的电流传输特性。

图4 AD844等效原理图Fig．4 Equivalent schematic of AD844

图5 所示为电压控制电流源的电路框图，ADA4898是一个低噪声、低失真、单位增益温度的高速运算放大器，其带宽为65 MHz，压摆率为55 V/μs，在此作为缓冲级满足系统要求。电容C是一个交流负反馈，可有效隔除直流信号，AD844的5脚输出电流由内阻Rin和R1共同决定。5脚输出电流通过电流电极加入组织中对组织进行激励。经测试得其输出阻抗在低频下输出阻抗可达到几MΩ，频率为1 MHz下可达到212 kΩ，具备很好的恒流性能。

2.3 实验方法

图5 恒流源产生模块电路Fig.5 Circuit of constant current source generator

本文介绍的阻抗测量系统基于恒温水循环加热，具有组织受热均匀，温度连续可调节等优点。实验时，将组织放入阻抗测量装置的内套筒中，设定一个目标温度值，待组织温度到达目标温度时，从两个电流电极输入恒定电流源对生物组织进行激励激励，并用示波器检测电压电极上的响应电压幅值V1，示波器的另一通道检测AD844负向输入端的电压幅值V2，即激励电流幅值为，则阻抗的幅值

在低频时（≤1 MHz）生物组织[6]抛去其物理含义可等效为电阻电容并联的电路模型，经推导可得电阻抗的实部为所以由以下等式：

可以得到组织的电阻和电容计算公式如下：

其中为电阻抗的幅值，φ为相位，ω为角频率。

生物组织阻抗测试时，首先以递增的方式调整信号频率，不断采集、处理得到各频率点的电阻抗值，获得一定温度下的生物组织阻抗的频率特性。然后通过设置PID温度控制器的目标温度逐步递增，其间不断采集、处理得到各整数温度点下的电阻抗值，获得某频率下生物组织阻抗的温度特性，通过式（4）和式（5）的计算，还可获得生物组织电阻温度特性和电容温度特性，为肿瘤热疗的温度检测提供理论和实验的依据。

2.4 实验结果与讨论

生物电阻抗信息往往包含虚部，这是由于组织中细胞膜的容性特性引起的，通过本实验研究表明，新鲜瘦肉组织阻性特征较强，容性较弱或几乎没有，而新鲜肥肉组织容性信息较强，因此为了更好地测量到组织的虚部信息，本研究选用新鲜肥肉组织作为被测对象。

实验时，首先通过以上介绍的实验方法对新鲜肥肉组织的电阻抗-频率特性进行了测试，结果如图6所示。

图6 温度为28℃时电阻抗—频率特性Fig.6 The characteristic of impedance VS frequency（T=28℃）

图7 频率为100 kHz时电阻抗—温度关系Fig.7 The relationship of impedance and temperature（Frequency=100 kHz）

由图6、7可以看出，在一定温度下，组织的电阻抗实部随着频率的升高而降低，而虚部则随频率的升高，先降低后升高，转折频率在80～120 kHz之间，这是由于低频下电流信号不穿透细胞膜，而随着频率的升高，交流电流信号穿过细胞膜从内液和外液流通造成的。此实验结果与其他学者的结果相一致。

随后，将两组新鲜肥肉组织进行了28℃到66℃的加温，对组织电阻抗－温度特性进行研究，如图6所示。在28℃到66℃加温的过程中，新鲜肥肉组织的电阻抗特性随着温度的升高呈现出非线性下降的趋势，其中在53℃到59℃内，电阻抗形成了一个突变，之后的电阻抗随着温度的升高变化不大。而电阻抗变化系数在28℃到53℃区间，几乎变化较少，而在53℃至59℃区间有突变。这是由于当频率一定时，温度升高到53～59℃，细胞开始死亡，细胞膜破裂，导致细胞内液外流，使得整体生物组织的阻抗值发生改变而形成的。在肿瘤热疗过程中，可以利用这一温度特性，通过组织的电阻抗测量得到组织内部温度信息，从而对肿瘤热疗过程中的温度实现无损检测。

3 结束语

文中提出了一套基于恒温水循环加热的离体生物组织阻抗温度特性测试系统，该系统基于四电极法，在电流电极上加入激励恒流源，测量组织的响应电压以获得组织的电阻抗信息。本系统具有温度易于控制、生物组织受热均匀，四电极法的设计原理使得组织所受激励电流密度均匀，且避免极化效应，测量精度高，频带宽、能获得组织阻抗虚部信息等优点。

本文还利用此系统对两组新鲜肥肉组织进行了实验研究，获得了生物组织电阻抗频率特性以及温度特性，研究表明，在一定温度下，电阻抗的频率特性为：实部随着频率的升高而降低，而虚部先降低后升高，转折频率在80～120 kHz之间，这是由于频率升高电流可穿透细胞膜而流过细胞内液引起的。电阻抗的温度特性为：温度小于53℃时，组织电阻抗随着温度升高呈现较为缓慢下降的趋势，在53～59℃之间，电阻抗以及电阻抗变化系数形成一个突变，可以认为，组织在持续升温过程中，超过53℃引起了组织的坏死和变性，细胞内液外流，造成了电阻抗的突变。

在肿瘤热疗过程中，需要利用正常细胞和癌细胞不同的耐热性对目标组织进行加热，以达到既能杀死癌细胞，又不损伤正常细胞的治疗目的，因此肿瘤热疗过程中的温度监测是治疗的关键。文中提出了一套基于四电极法的生物组织阻抗温度测试系统，并通过实验验证其可行性，获得了准确的生物电阻抗温度特性，对肿瘤热疗技术的温度的无损检测具有重要意义。

[1]曾益心．肿瘤学[M]．北京：人民卫生出版社，2001．

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