具有温度控制功能的复合光物理治疗系统

介绍了具有温度控制功能的复合光物理治疗系统的结构设计.系统以计算机为平台,采用宽谱辐射的卤钨灯作为辐照光源,将模糊控制算法应用于系统的温度控制中,实现对辐照表面温度的自动控制.通过对活体组织进行不同温度的控制实验证明,系统的控温精度均可达到允许误差±0.5℃范围以内,控温效果比较理想.     

数字式生物电阻抗与电阻抗断层成像测量系统

构建了以ATmega16单片机为控制核心,8个AD5933为数字电极,nRF24L01为无线通信模块的数字式生物电阻抗与电阻抗断层成像(EIT)测量系统。详细阐述了系统结构、电路设计、系统测试、动物组织阻抗测量及EIT成像。经测试,系统相对测量误差可达0.42%,信噪比达76.3dB。该系统不仅可采用二电极法在1~100kHz范围内进行扫频式阻抗测量,而且能实现EIT成像。对SD幼鼠解剖后的组织进行阻抗测量,测量结果显示,数据有效,经最小二乘法拟合,符合Cole-Cole理论,验证了该系统阻抗测量的可行性与有效性;通过盐水槽实验,对场域中物体的分布图像进行重构,重建图像与实际分布吻合,成像效果良好。该系统很大程度上提高了前端测量信号的有效性以及系统的稳定性。     

肿瘤热疗无损测温方法的研究进展

肿瘤热疗(hyperthermia)是利用肿瘤组织对温度敏感性高于正常组织的性质,即人体正常细胞在42. 5～43℃下不会受到损伤,但大部分肿瘤细胞在该温度下会被诱导进入凋亡过程。临床上应用超声、微波或红外等作为加热源,加热并杀死肿瘤组织而使得正常组织基本不受损伤。但是对于如何精确测量肿瘤热疗的温度从而控制热疗剂量仍然是一个难题。本文综述了目前肿瘤热疗过程中电阻抗断层成像(ectrical impedance tomograph,EIT)测温、红外热图引导技术、微波辐射测温法、超声无损测温、磁共振成像测温(magnetic resonance imaging,MRI)等无损测温方法及其研究现状,展望了如何有效精确测量肿瘤热疗时的温度,为控制肿瘤热疗的热剂量提供参考,以期在不伤害正常组织的前提下,使肿瘤组织产生不可逆的损伤。     

人体肺部组织复阻抗特性研究

为研究人体正常肺组织和肺癌组织复阻抗及特征参数随离体时间的变化规律,并建立肺部复阻抗实虚部对照图,为基础医学和临床诊断提供理论依据和数据参考,并为电阻抗断层成像技术(EIT)研究提供先验信息。本实验将手术切下的人体正常肺组织和肺癌组织放入测试箱中,控制测试箱的温度和湿度,控制并保持离体时间分别为30、60、80min,采用Agilent 4294A阻抗分析仪在频率为1 000Hz~30MHz范围内对人体正常肺组织和肺癌组织复阻抗进行测量。实验结果显示,在所测量的范围及对应的离体时间内,随离体时间延长,正常肺组织和肺癌组织的复阻抗均发生显著变化,但正常肺组织的阻抗值大于肺癌组织。该变化与细胞外液、细胞内液、细胞膜的变化相关。     

离体猪胸主动脉的热传导率测试及分析

为进一步丰富血管组织热物性参数数据,以降低双极电外科血管闭合手术中高频电流产生的热量对手术装置加热点临近组织的热损伤,本研究基于准稳态平板法实验原理,采用电热膜和微型NTC热敏电阻分别作为加热元件和测温元件搭建实验装置;然后以家猪离体主动脉为研究对象,利用给电热膜通电加热组织、热敏电阻采集其温度数据,通过实验得到其热传导率数据;最后对比了血管组织热传导率和生物组织阻抗随温度变化特性。研究结果显示离体家猪胸主动脉在26.5℃时,热传导率为0.4150 W/m-K。在温度升高至63℃时之前,热传导率增加随温度升高变化不明显;当温度高于63℃之后,热传导率呈下降趋势;当温度高于79℃后,随温度的上升,因组织内含水量持续减少,血管组织热传导率随温度升高而快速下降,温度接近90℃时,热传导率下降到0.201 W/m-K。研究发现家猪主动脉热传导率的变化特性与生物组织阻抗随温度变化特性在温度区间非常吻合,表明组织热传导率和阻抗特性存在一定相关性,为深入揭示电外科手术过程中生物传热机理提供重要参考。     

人体乳腺组织电阻抗特性的研究

以人体乳腺组织电阻抗特性为依据的乳腺电阻抗扫描成像技术的出现,为乳腺癌的早期检查与辅助诊断开辟了一个新的方向。人体乳腺组织的电阻抗特性反映了乳腺组织的病理生理状态,而对它的测量成为乳腺电阻抗扫描成像技术的前提和基础。主要讨论了人体乳腺组织电阻抗特性的测量方法、测量结果以及存在的问题,对乳腺电阻抗成像技术的应用前景进行了展望。     

体液及生物组织交流频谱特性测量系统

生物组织的电学性质 ,是我们认识生命物质的一个重要方面 ,对了解生命具有重要意义。但是 ,不同于非生命物质的测量 ,对生命物质的测量必须设计专门的测试电路仪器。为了更全面的了解体液及生物组织的交流频率特性 ,设计制作了一套更加符合对生命物质电特性测试的系统。系统采用了先进的测量方法、最新的专业电路和器件、以单片机为核心的测量控制、数据采集处理系统 ,使系统具有较宽的频率测量范围、阻抗测量范围、较高的测量精度和可靠性、较宽的测量适用对象、以及更智能化。另外 ,系统设计中还充分考虑了电测经生命物质带来的测量影响、在体 (invivo)和离体 (invitro)测量的时间影响等。系统在实际测量中获得了很好的实验结果 ,为生物组织电学性质的研究提供了一种更合理、更准确、更全面的手段。     

乳腺癌电特性的离体测试研究

本文通过对94例乳房肿瘤的电特性测量,为电特性诊断乳腺癌提供了科学依据。乳房肿瘤的电阻抗用电极法在1KHz频率下测量,结果表明,肿瘤的良恶性可以用电阻与电容的比值来判别,这个比值称为G。用G值来判别组织性质为早期乳腺癌诊断提供了一个新的方法。     

低温下生物组织的介电常数与电导率研究

本研究应用波导传输发射法测量生物组织在-25℃～30℃时的介电常数与电导率。首先通过测量有机材料对测量系统进行验证，证明所提出的系统具有较好的测量精度与可重复性，然后测量了在生物组织中分布很广的脂肪的介电常数与电导率，给出了一个测量值分布范围，并讨论了单个样品的介电常数与电导率随温度变化的规律。工作目的是为研究微波降温和微波复温的非热效应提供物性参数，对其机理进行探索性工作。     

基于三维温度场股骨肿瘤热疗时三维温度分布规律

背景:体组织温度测量包括有损测温和无损测温,有损测温难以整体测出组织的三维温度场,而无损测温尚处于研究阶段,离临床应用还有一定距离,理想的做法是建立数学及物理模型并通过计算来预测和模拟肿瘤的热治疗。目的:获得股骨肿瘤热疗时肿瘤及周围组织的三维温度分布规律。方法:以热传递理论、Laplace方程和Pennes生物热传导方程为基础,在设定骨组织热物性参数,给定边界和初始条件的情况下,利用有限元分析方法计算股骨肿瘤热疗时的三维温度分布规律。结果与结论:股骨组织具有很好的阻碍热传导作用,股骨温度等值线在三维空间以热源为中心成椭球形分布,离热源越近温度梯度越大。3个方向上50℃等温线长径不同,横断面最大,冠状面次之,矢状面最小。由此可知,肿瘤热疗中,温度在股骨3个方向上温度的传递能力不同,对肿瘤的灭活半径也就不同。所以热疗时即使肿瘤形状规则也需要多区域加热,而不只是在肿瘤中心加热,否则会导致肿瘤组织有残留或者破坏正常组织。     

阻抗成象系统的分辨能力

阻抗成象系统通过把电流加到人体体表,测量出体表的感生电势,利用这些信息重建出体内组织的电导率的分布。对电导率不同的组织的分辨能力是阻抗成象系统的一个重要指标。由于阻抗成象的数据采集有单次和多次之分,为简明起见,本文仅对单次采集方法进行研究。理论上通过加     

肿瘤热疗的区域多点温控研究

目的：温度控制是肿瘤热疗过程中至关重要的环节，本文结合多点测温系统和射频肿瘤消融系统，以提高肿瘤热疗的疗效及安全性为出发点，探讨肿瘤热疗的单点温控以及区域多点温控的方法和策略。方法：分析并综合模糊控制和PID控制算法的优缺点，提出了性能更好的模糊-改进PID温控方法，用于对热疗进行单点温控，再利用区域多点温控策略实现区域多点温控。结果：离体猪肝实验表明，模糊控制的动态特性较好，而稳态特性较差；改进PID控制的稳态特性较好，而动态特性较差；模糊—改进PID控制方法综合了模糊控制和改进PID控制的优点，增强了温度控制的动态性能和稳态性能；区域多点温控策略能很好地实现区域实时温度控制。结论：本文提出的模糊—改进PID控制方法和区域多点温控策略能进一步改善热疗系统的性能。     

方波激励的生物电阻抗谱自动测试系统

目的为解决多频率方波自动测量生物电阻抗谱的问题,本文设计了一个方波激励的生物电阻抗谱自动测试系统。方法将任意波形函数发生器、仪表放大器和采集卡以及PC组成电阻抗谱自动测试系统,利用PC中的Labview程序分别控制函数发生器和采集卡自动完成激励的产生和数据采集,并将采集到的数据自动保存在PC中,最后利用Matlab程序对数据进行快速傅里叶变换得到阻抗谱。首先对阻抗网络模型进行阻抗谱的仿真,将仿真得到的阻抗谱和理论计算得到的阻抗谱对比;再分别使用此系统和阻抗分析仪对阻抗网络模型进行阻抗测量,将测试得到的阻抗谱进行曲线拟合得到元件值,根据元件值比较测试误差。最后,使用方波激励和稳态正弦激励对酵母细胞悬浮液进行阻抗测量,根据酵母细胞悬浮液的阻抗谱计算介电谱,将得到的介电谱和参考文献中的介电谱作比较,并比较两种激励的测量时间。结果仿真得到的阻抗谱和理论计算得到的阻抗谱一致,验证了方波激励的可行性。测试系统对阻抗网络模型的测试结果和阻抗分析仪的相比误差小于10%,验证了测试系统的正确性。使用方波激励和稳态正弦激励测试酵母细胞悬浮液的阻抗谱,转换成介电谱后,发现其变化规律和参考文献所得结果相符。在100Hz^2MHz的测试范围内,方波激励的测量时间为0.9s,稳态正弦激励的测试时间为1.7s,方波激励的测试速度快。结论本文设计的方波激励的生物电阻抗谱自动测试系统具有自动测试生物阻抗谱的能力,由于使用方波激励,可以兼顾速度和信噪比的要求,实现了计算机控制,可根据实际情况调整激励信号的参数,具有很强的灵活性和可扩展性。     

金属支架用于食管肿瘤局部热疗的温度场数值模拟

针对金属支架用于食管肿瘤的局部热疗进行生物传热分析,基于Pennes生物传热方程建立肿瘤组织三维传热模型,采用有限元法模拟计算肿瘤组织中的三维温度场,将数值模拟结果与实验数据比较,吻合较好,最大温度差值为0.7℃.讨论加热温度、血液灌注率和导热系数对温度分布的影响,以及金属支架各关键参数对组织温度的影响规律.结果表明,加热温度升高、血液灌注率降低及导热系数增加,都可提高肿瘤组织的温度,增大组织透热深度,如在加热温度分别为50及48°C时,加热中心组织温度将会相差1℃.支架的长度和直径对组织中的温度分布有较大影响,但支架网格大小对温度分布的影响不大.研究结果可为临床实验探究提供重要的理论依据.     

甲状腺良性病变组织介电特性研究

目的研究甲状腺良性病变组织的介电特性,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。方法人体甲状腺组织试验标本来自40例甲状腺肿瘤切除术患者,其中男性19例,年龄25~57岁;女性21例,年龄36~53岁。从刚手术离体的甲状腺组织分离良性病变组织,利用自制测量系统,用阻抗分析仪Solartron 1294+Solartron1260、Agilent 4294测量上述组织10 Hz~10 MHz的电阻值和电抗值。做组织病理学诊断,通过建立数学模型等手段获得组织的电导率、介电常数、阻抗虚部、Cole曲线等参数。结果以40例甲状腺良性病变组织为研究对象,在所测频率范围内,甲状腺良性病变组织的介电特性反应良好,其中电导率为0.25~0.80 S/m。特征频率主要分布在3.18×104 Hz附近,该频率对应的虚部值为-63Ω·cm。结论介电特性可以反映甲状腺良性病变组织的功能信息,提示电阻抗扫描技术有望用于碘致甲状腺疾病检测领域。     

绝热法无损检测活体组织动脉血温度

生物体内的血液流动换热在维持体温恒定和控制体温方面起着至关重要的作用.本文基于Pennes生物传热方程建立了活体组织表面绝热条件下的生物热物理模型,通过求解得出体表稳态温度与组织内动脉血温度及其他物性之间的理论关系式,并经合理简化得出表面绝热条件下皮表稳态温度即为生物传热方程中采用的动脉血温度的结论.在此基础上,建立动脉血温度无损测量实验系统,采用该系统对人体小臂、上臂、大腿与小腿等部位进行了测量.实验结果表明,这些部位靠近组织表面的动脉血温度低于体核温度1～1.5℃,并且随部位不同而变化.     

生物阻抗技术概述

简要叙述了人体组织阻抗特性、生物阻抗技术的基本原理和测量方法,全面介绍了生物阻抗技术在细胞测量、体积测量、人体组织结构分析、组织监测、人体成分分析、生物阻抗成像等各方面的应用.     

基于音圈电机振荡源的阻抗测量系统辨识精度评估的研究

基于强迫振荡技术(forced oscillation technology,FOT)的肺功能检查对早期发现气道疾病具有重要意义,但如何提高及评估阻抗测量系统的辨识精度仍是当前难点。针对此问题,本研究以音圈电机为振荡源构建阻抗测量系统,通过对3D打印的气道模型进行阻抗测量,分析了阻抗与支气管堵塞程度的敏感性和分布关系。结果表明,基于音圈电机的阻抗测量系统能够检测到气道模型两个以上小孔径(0.8 cm)截面积堵塞的阻抗变化,并且阻抗与堵塞端口数量近似呈指数分布关系。本研究采用气道模型来量化评估了阻抗测量系统的辨识精度,推进了FOT技术在气道阻塞程度和阻塞部位评估的研究。     

人体肺癌组织电导率与CT图像灰度相关性

研究肺癌患者癌变组织的介电特性以及肺部CT图像的图像特征,建立癌变组织电导率与相应患者肺部CT图像灰度特征的对应关系,为肺癌的临床诊断和治疗提供辅助手段和理论依据。肺癌组织和CT图像取自天津医科大学总医院,取手术中切下的癌变组织为样本,控制测试箱温度和湿度模拟人体环境,采用美国Agilent公司的4294A阻抗分析仪,测量肺癌组织的复阻抗特性,计算肺癌组织电导率。采用区域生长法对CT图像进行图像分割,获取癌变组织区域图像的灰度特征,基于统计学方法研究肺癌组织电导率与CT图像灰度间的相关性并建立数学模型。人体肺癌组织电导率与CT图像的灰度值呈正相关,相关性显著,癌变组织在CT图像中的灰度随电导率的不同而变化,可以为人体肺部组织电特性的研究提供基础数据,为电阻抗成像技术提供先验信息。     

基于三维SSFP的低场磁共振温度测量方法的研究

在肿瘤的热治疗中,可以利用磁共振成像技术监测治疗区域内的组织温度的变化。在低场磁共振设备中,三维稳态自由进动序列（3D-SSFP）可实现温度成像。但是,由于传统单翻转角成像方法易受主场磁不均匀的影响,因此在实际应用中对磁场均匀度要求较高。本研究提出一种大小双翻转角成像叠加的方法,可有效减小磁场不均匀对温度测量的影响。本论文首先用数值仿真方法分析了大小翻转角叠加方法的测量结果与温度的线性关系;然后讨论了如何选择最优翻转角以使该方法受磁场不均匀影响最小;接着讨论了由于组织驰豫时间T1和T2测量不准确而引入的系统误差;最后通过在一台0.45 T永磁低场磁共振成像系统上进行的实验,验证了该方法的可行性。仿真和实验结果均表明,与传统单翻转角方法相比,大小翻转角成像叠加方法保持了相同的温度线性度,而其测量精度则受磁场均匀性影响较小,系统偏差亦有所降低。新方法每次温度成像扫描时间约为6 s,可满足临床温度监控需要。