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一种生物组织介电特性特征参数快速拟合方法
目的：研究并建立一种适于生物组织介电特性数学模型快速拟合的新算法。方法：基于单一频散区间内生物组织电阻抗频谱特性在复阻抗平面中为一段圆弧的特性，采用小二乘算法原理，建立了一种非迭代的快速拟合算法。结果：针对含误差的仿真数据拟合结果表明该方法可将随机误差降低10倍左右，针对生物组织实测数据的拟合结果表明拟合误差小于1.24%，拟合精度高。结论：新方法符合大数据量的生物组织介电特性建模需求。
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基于体外阻抗测量的恶性胶质瘤介电特性
目的 研究脑胶质瘤生物电阻抗特性,探索出恶性胶质瘤组织与正常脑组织的特征性电参数,为区分恶性胶质瘤与正常脑组织提供依据.方法 基于四电极法阻抗测量设计了一种体外阻抗测量传感器,利用普林斯顿阻抗分析仪VersaSTAT3对10例裸鼠脑胶质瘤和脑组织进行阻抗测量,并对20Hz～ 250 kHz范围内阻抗频谱特性曲线进行定量分析;结合生物阻抗谱理论,建立体外脑胶质瘤等效电路模型,并利用ZSimpWin对等效阻抗电路进行拟合仿真,以探讨脑胶质瘤在阻抗电路中的特性.结果 胶质瘤的阻抗模值在20 Hz～ 250 kHz范围内随频率的增大而减小,幅值曲线在200 Hz和50 kHz附近各存在一个斜坡,这两个斜坡的斜度都小于对应的正常鼠脑组织的斜度.10组裸鼠体外实验中,胶质瘤和脑组织的虚部-实部图中有两个时间环节,可以用两个时间常数的等效电路代替,并且电路元件中的参数R1对于胶质瘤和脑组织差异明显.结论 体外鼠脑胶质瘤与正常脑组织可以用阻抗特性曲线的斜坡值进行定量区别.此外,等效电路电参数中的R1也可以作为一个区分胶质瘤和脑组织的指标,这为临床检测和区分胶质瘤组织开拓了新的研究思路.
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人体肺部组织介电特性实验研究
研究人体肺癌组织与正常组织介电特性差异,建立人体肺部组织介电参数频率谱图,为基础医学和临床诊断提供理论依据和数据参考.以肺癌手术中切下的患者癌变组织和癌周正常组织为样本,控制测试舱的温度和湿度,采用Agilent公司的4294A阻抗分析仪,在100 Hz～ 100 MHz频率范围内测量样本组织的介电特性.基于Cole-Cole模型利用小二乘曲线拟合方法,提取两种组织的特征参数.在所测频率范围内,肺癌组织的相对介电常数为正常组织的3～5倍,电导率为正常组织的1.6～3.3倍,肺癌组织的介电谱明显地向低阻抗方向移动.在提取的特征参数R0、R∞、α、Υ和fc中,低频电阻R0的差异具有统计学意义(P＜0.05).人体肺癌组织与正常组织的相对介电常数、电导率及低频电阻R0存在明显差异,可为人体肺组织介电特性研究和EIT测量提供基础数据.
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基于修正四阶Cole-Cole模型的太赫兹波段生物组织介电特性估算方法探索
为了获得生物组织在太赫兹波段的相对介电常数和电导率,在四阶Cole-Cole模型基础上进行修正,使修正后的模型不仅能描述生物组织在10 Hz ～100 GHz频段的介电特性,还能描述生物组织在太赫兹波段的介电特性.在四阶Cole-Cole模型上新增了一项ωk/i,对正常皮肤组织在10 Hz～20 GHz和0.15 ～1.95 THz频段的介电特性的实验数据按照文献方法进行处理,提取四阶Cole-Cole修正模型的参数.在10 Hz～100 GHz频段内,原有模型和修正模型计算值的相对误差在5％以内,并且在太赫兹波段正常皮肤组织修正模型的相对介电常数和电导率的计算值与实验数据的相对误差基本在10％以内,结果验证了四阶Cole-Cole修正模型的正确性.将该修正模型应用在脑白质和脑灰质太赫兹波段的介电特性的计算中,得到脑白质和脑灰质在0.15 ～ 1.95 THz频段的相对介电常数和电导率.所提出的四阶Cole-Cole修正模型还可以对其他生物组织在太赫兹波段的介电特性进行预测.
关键词： 太赫兹 介电特性 四阶Cole-Cole模型 皮肤组织 -
微波体模的制备及其介电特性
0 引言微波体模作为人体肌肉组织的替代品,在电磁场生物医学效应、微波热疗、理疗等的研究和应用中都具有重要意义.国外从70年代开始就有微波及短波体模的报道[1,2],80年代趋于定型并应用至今[3].微波体模作为人体组织的替代品,要求其具有较好的成型加工性、良好的回弹性、透明性和无毒性.丙烯酰胺是一种水溶性的有机化合物,易聚合成丙烯酰胺聚合物,且在微波段具有较低的介电常数,合成简便易行,成型方便,在其聚合体中加入适量氯化钠可使体模具有与人体肌肉组织一致的电导率.有关微波体模的配制,文献也有报道[4,5],但未见有合成条件及工艺过程的研究报道.本文以丙烯酰胺为主要原料,详细讨论了丙烯酰胺浓度、引发剂用量、反应温度、聚氯乙烯包覆等条件对作为微波体模应用的聚丙烯酰胺外观、体模弹性、单体残留率及水份挥发性等基本性能的影响,经引发充分进行聚合反应后,得到聚合体中丙烯酰胺残留率小于0.03%、含水量达70%-80%的透明、无毒聚合微波体模,并具有良好的弹性和电磁仿真性.
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尾部悬吊对大鼠腓肠肌细胞介电特性的影响
目的 在40 Hz～110 MHz频率范围观察模拟失重10 wk大鼠离体腓肠肌细胞介电特性的改变.方法 采用大鼠尾悬吊建立模拟失重模型,雄性SD大鼠随机分为模拟失重10 wk的肌萎缩组和正常对照组.利用Agilent 4294A阻抗分析仪测量离体大鼠腓肠肌的交流阻抗,通过频域介电谱、Cole-Cole图、介电损耗因子频谱、介电损耗角正切频谱和电导率虚部频谱的数据分析,观察模拟失重对大鼠离体腓肠肌细胞介电特性的影响.结果 模拟失重10 wk大鼠腓肠肌的低频介电常数εL降低,介电增量Δε减小,绝缘性降低;高频电导率κh降低,电导率增量Δκ降低,导电性降低;第一特征频率fC1减小,第二特征频率fC2增加;介电损失大值Δε″max、损耗角正切大值Δtgδmax和电导率虚部大值Δκ″max均降低.结论 利用频域阻抗技术可以有效地观察到模拟失重导致的腓肠肌细胞介电特性发生的改变.
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介电谱方法评价亚磁场和后肢去负荷对大鼠全血、脾脏和睾丸介电特性的影响
目的 采用介电谱方法评价亚磁场和后肢去负荷处理对大鼠全血、脾脏和睾丸介电特性的影响.方法 24只雄性SD大鼠随机分为4组:正常地磁环境(52 μT)饲养的对照组(Con),亚磁场环境(50-230 nT)饲养的亚磁场处理组(HMF),地磁场环境中采用后肢去负荷处理组(HLU),及亚磁场环境中采用后肢去负荷处理组(HMF+HLU).4周后取出大鼠的全血、脾脏和睾丸组织,用阻抗分析仪在0.1-120 MHz频率范围内检测组织的介电谱,并用单项Cole-Cole方程拟合介电参数.结果 1)与Con组相比,大鼠全血的介电常数和电导率受HMF处理升高,增幅高达19.6％和19.1％,HMF+HLU组处理与HMF组一致.2)脾脏组织电导率受HLU处理后略有增加.3)睾丸组织受HLU处理介电常数降低21.9％,电导率升高达49.3％.4)数据拟合的结果显示不同条件对介电参数的影响与介电特性的影响一致.结论 介电谱方法可用来评价亚磁场和后肢去负荷对大鼠全血、脾脏和睾丸介电特性的影响,与Con组相比,实验处理组介电特性发生改变,改变的程度因组织而不同.
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人体活性组织介电频谱测量系统中测量仪器的性能对比
目的:针对高精度生物组织介电特性测量需要,对比分析2种主要类型的电阻抗分析仪在生物组织介电特性测量中的性能差异,优选佳的测量设备与方法,为进一步的研究奠定基础.方法:采用阻值在100Ω～1 MΩ、容值在22 pF～10 nF的标准元件模拟待测生物组织样本,分别采用Solartron 1260和Agilent 4294A阻抗测量仪,使用四电极法和两电极法测量相应模型.对比测量结果的可信区间,并观察元件标准值与测量值5％误差限内所能达到的大带宽.结果:低频段采用Solartron 1260,用四电极法的测量效果较好；而采用Agilent 4294A,基于两电极法的测量方式在高频段效果较好.结论:在给定相同测量备件下,2种仪器测量范围各有优劣,对其测量数据进行拟合后可使测量结果保持在较宽频率范围.
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正常乳腺脂肪与腺体组织介电特性研究
目的:进一步深入研究乳腺主要组成成分脂肪和腺体的介电特性差异,为准确区分乳腺各组织成分奠定基础.方法:从手术刚刚切下的患者乳腺组织样本中分别分离出正常脂肪和腺体组织,于温控箱中控制温度在37℃先用Solartron 1294和Solartron1260阻抗分析仪相结合,在10 Hz～1 MHz频段内采用四电极法进行阻抗测量.再用Agilent4294阻抗分析仪在40 Hz～10.4755 MHz频段内,采用两电极法进行同样的测量,测量完成时间控制在组织离体后20 min之内.利用4～40 kHz内的拟合系数,将2台仪器的测量结果——阻抗值转换成电导率和介电常数后加权拟合,再对拟合的结果进行频谱分析.结果:在所测频率范围内,脂肪组织的电导率为0.05～0.07 S/m,腺体组织的电导率为0.6～0.8 S/m;在1～1.26 kHz范围内,两者的阻抗虚部值差异显著,脂肪组织的阻抗虚部值约为腺体组织虚部值的18倍.结论:所测频率范围内,2种主要乳腺组织在电导率、介电常教等方面均有显著差异,其电阻抗虚部在1 kHz附近的差异较为显著.因而,有望利用这一特性实现对2种组织进行区分.
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生物组织活性与介电特性关系的探索研究
目的:探索生物组织活性与介电特性间的内在关系.方法:以免肝为实验对象,在恒温恒湿条件(37℃、90％RH)下测量其在离体不同时间点的电阻抗(10 Hz～1 MHz),同时取样本做HE染色切片,分析微观形态.结果:兔肝组织的电阻率随离体时间的延长呈现先增大后减小的趋势,转折时间点约为30 min,5h后低频与高频电阻率值的差异减小,低频电导率和介电常数明显增大,散射宽度变窄;Cole-Cole模型参数显示,R∞、R0、α增大至30 min后减小,而fc先减小至30 min后增大.HE染色切片显示,随着离体时间的延长,细胞核逐渐消失,细胞膜溶解破裂,细胞间隙增大,拟合得到细胞间隙面积变化率与Cole-Cole模型参数间的函数关系.结论:该研究从微观角度揭示了组织的介电特性与其活性程度的密切关系,提示介电参数测量可能成为组织活性监测的新方法.
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温度对兔肝组织介电特性影响的基础研究
目的:研究兔肝组织的介电特性与温度之间的关系,消除因温度不同造成的测量结果的差异,增加各实验结果间的可比性,并且在后续实验中严格控制实验温度,确保实验条件的一致性和测量结果的准确性和可信性.方法:采用英国Schlumberger公司的Solartron 1260+1294阻抗分析仪,取新鲜的兔肝组织,快速切割好后放入测量盒,再放入恒温恒湿箱内,湿度保持为90％,温度从25℃升至42℃,每升高1℃扫频1次,频率从10 Hz到1 MHz,分析电导率与介电常数的变化情况.结果:在升温过程中,电导率与介电常数明显升高,大约呈线性关系,且不同驱动频率下变化程度不同.结论:兔肝组织的介电特性随温度升高发生显著变化,说明介电特性对温度很敏感,在科研中应予以充分重视.
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正常和骨质疏松大鼠股骨介电特性研究
目的:探索正常大鼠与糖尿病骨质疏松大鼠股骨介电特性之间的差异.方法:2月龄雄性SD大鼠随机分为2组(8只/组):对照组(正常大鼠)和实验组(糖尿病大鼠).经过8周后在恒温(37℃)条件下,测量股骨介电特性(10～106 Hz),并进行显微结构与形态学分析.结果:对照组的电导率均显著大于糖尿病组(P＜0.01);在低频段(10、100、1 000 Hz)对照组的介电常数显著高于糖尿病组(P＜0.01),而当频率进一步上升时,2组之间不存在显著性差异.结论:大鼠股骨电导率变化与骨质疏松显著相关.
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甲状腺正常组织介电特性的研究
目的:研究甲状腺正常组织的介电特性,为电阻抗扫描技术用于检测碘致甲状腺疾病提供理论依据.方法:从135例刚手术离体的甲状腺组织中分离正常组织95例,利用阻抗分析仪Solartron 1294、Solartron 1260和Agi-lent4294测量组织10 Hz～100 MHz的介电特性,通过建立数学模型等手段获得甲状腺正常组织的电导率、阻抗虚部、Cole曲线等参数.结果:在所测频率范围内,甲状腺正常组织的介电特性反应良好,电导率为0.28～0.8 S/m,第一特征频率主要分布在1044～105 Hz,该频率对应的虚部值为-38～-60 Ω·cm.结论:介电特性可以反映甲状腺功能信息,提示电阻抗扫描技术有望用于碘致甲状腺疾病检测领域.
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模拟高原低氧对小鼠红细胞介电特性的影响
目的:探讨模拟高原低氧对小鼠红细胞介电特性的影响.方法:实验动物分成平原对照组和模拟高原低氧组,采用Agilent 4294A阻抗分析仪测量小鼠红细胞交流阻抗,通过细胞介电谱、Cole-Cole图、介电损耗因子频谱、损耗角正切频谱以及Cole-Cole方程的曲线拟合分析,观察模拟高原低氧对红细胞介电特性影响.结果:小鼠模拟海拔5000 m低氧4周后,模拟高原组的低频介电常数ε1和介电增量△ε较平原对照组分别增加57%和59%;模拟高原组的低频电导率Jq和高频电导率κh较平原对照组分别降低49%和11%.结论:模拟高原低氧可以引起小鼠红细胞介电性增加和导电性降低.
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成骨细胞介电特性检测的方法研究
目的:以小鼠成骨细胞为材料,建立一套完整的用于成骨细胞的介电特性检测方法.方法:本研究首先是设计制作不同形状和尺寸的细胞介电谱检测装置(测量池),其次进行测量池的生物相容性评价,包括浸提液毒性实验,HE染色观察细胞形态.后将细胞培养在测量池中,连入阻抗分析仪在20Hz～10MHz检测并联电孚Gp和电容Cp并绘制介电谱图.结果:生物相容性检测表明测量池对细胞无毒性,可使用.此外,介电特性检测结果表明随着频率的增大,细胞的电容减小,电导略微增大后减小;随着培养时间的增长,电容值增大而电导值减小;经中强磁场处理后,细胞的电容和电导值都有下降.结论:该方法能够为其他贴壁细胞的介电特性检测提供研究基础,并对于在此基础上展开的贴壁细胞介电特性解析提供参考.
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无心跳供者心脏热缺血及冷保存过程中心肌活性的检测
目的:探索一种简单而且迅速地检测无心跳心肌活性的方法,对热缺血和冷保存过程中无心跳心肌介电特性和心肌硬度的变化进行探讨. 方法:杂种小猪随机分成对照组和实验组,呼吸机停止前15min,分别静注等渗盐水及前列腺素E1(PGE1).窒息诱导心脏停跳,供者心暴露在室温下25°C 20min,然后低温保存60min.用电生理分析仪和超声波硬度计分别测定介电特性指标tanδm和心肌硬度ΔF,并计算Δtanδm和ΔΔF(Δtanδm定义为某一时刻的tanδm减去测定开始时的tanδm,ΔΔF定义为某一时刻的ΔF减去测定开始时的ΔF). 结果:对照组的tanδm逐渐减少,而实验组的tanδm在热缺血7min后出现一过性峰值,然后逐渐下降.实验组Δtanδm值高于对照组(P＜0.001).实验组ΔΔF值低于对照组(P＜0.001). 结论:Δtanδm和ΔΔF之间有明显的相关关系.结果提示硬度指标可以用来评价无心跳心肌活性.同时也证明PGE1对心肌有保护作用.
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大鼠脑水肿神经细胞模型介电特性的实验研究
在宽频范围(100～ 10 MHz)内,测量正常和水肿神经细胞模型的电导率与介电系数的频谱图,比较水肿前后神经细胞的电导率与介电系数的区别.采用SD大鼠脑皮质的神经细胞建立正常神经细胞模型,对其缺氧处理后建立水肿神经细胞模型,应用Agilent4294A阻抗分析仪分别对10组对照组模型、正常神经细胞模型和水肿神经模型的电特性进行检测.三种模型的电导率存在显著差异.水肿神经细胞模型的电导率大于其他两种模型的电导率,而正常神经细胞模型的电导率大于对照组模型的电导率.本实验有效地检测出正常神经细胞模型与水肿神经细胞模型的电导率差别,为应用脑磁感应成像对脑水肿相位差的检测提供了依据.
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基于雷达原理的脉冲微波共焦成像检测乳腺癌
介绍了人体乳房组织的电磁特性以及恶性乳腺肿瘤与正常乳房组织在介电参数上的差异,在此基础上介绍了主动式微波成像的原理,并进一步介绍了用于检测乳腺癌的脉冲微波共焦成像系统的基本组成和成像算法、发展历程及其未来发展.
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心肌组织射频频段介电特性参数tanδm在保存猪心心肌活性评价中的应用
目的 探讨不同保存温度下猪心肌组织射频频段介电特性参数tanδm的变化，及其与心肌活性的关系。方法 葡萄糖-胰岛素-K+停跳液诱导杂种幼猪心脏停跳，获取心脏，分为3组，A组保存于4℃下12h，B组保存于15℃下6h，C组保存于25℃下4h。保存过程中，每5min测定各组心肌组织tanoδm，每30 min测定心肌组织ATP含量，并对tanδm与ATP变化的关系进行探讨。结果 3组保存开始阶段tanoδm均明显下降，A组下降相对缓慢，C组下降为明显。保存1h时，B、C组tanδm的含量与A组相比较，差异无统计学意义(P＞0.05)；但保存2、3和4h时，B、C组tanδm的含量低于A组(P＜0.05，P＜0.05，P＜0.01)。ATP与tanδm的皮尔逊相关系数为0.643(P=0.01)。结论 心肌组织射频频段介电特性检测方法简捷、准确、无创，其检测结果tanδm与心肌活性（ATP含量）呈正相关。
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硬度计检测法对无心跳杂种小猪心肌活性的评价
心脏停跳后,心肌受到缺血性损伤,心肌的硬度逐渐增加,有经验的心外科医生可凭手的触觉来判断.而采用硬度测定系统可以更准确测定组织的硬度.本实验在对猪心肌组织介电特性测定的基础上,测定心肌硬度,对无心跳供者心肌活性进行评价,并探讨使用前列地尔(PGE1)后对心肌硬度和介电特性的影响.
