肝脏组织的电阻率－温度特性及电阻抗成像监测的研究

论文摘要

肿瘤热疗技术已成为继手术、化疗、放疗和免疫疗法之后治疗肿瘤的一种重要手段,包括温热疗法和高温热凝固法两种模式。温热疗法是基于超过癌细胞耐热极限达到灭活肿瘤细胞,高温热凝固法是指瞬间使组织温度上升到65℃以上,致使靶区内组织基于蛋白质凝固坏死。要达到抑制或杀死肿瘤细胞而又不能损伤正常组织的目的,就必须要有准确可靠的温度实时监控系统。目前临床上采用的有创测温技术是将温度传感器插入待监测部位进行单点或多点的直接测量,精度较高,但存在测量方面的局限及探头可能带来的副作用。为克服有创测温存在的问题,国内外对无创测温技术进行了大量的研究,采用的方法有超声波测温、核磁共振测温、X线CT测温、微波测温、及电阻抗成像法测温。电阻抗成像测温法是根据组织的电阻抗温度特性,通过监测电阻抗参数的变化计算得到温度的变化,来实现温度间接测量。电阻抗成像法（Electrical Impedance Tomography, EIT）与其它方法相比具有成本便宜、便携、易与热疗设备配合等优点。国内外关于生物肝组织阻抗温度相关性的相关研究不多,而且由于方法、实验条件不一样,生物肝组织的阻抗温度相关性没有一个国际公认的标准。长期以来人们都在EIT测温研究中将阻抗温度相关性简化认为是线性关系,制约了相关研究的进一步发展。温度估计不仅需要精确的成像系统也需要确定的温度与电导率的关系。为了能采用电阻抗法对体内温度进行准确估计,必须先获得较为准确的组织电导率与温度的关系。本文针对生理盐水、琼脂和新鲜离体兔肝在模拟热治疗过程中的阻抗频谱特性、电阻率与温度间的相应关系等问题进行了系统的研究,并基于腹部物理模型,对加热和冷却过程中的猪肝进行EIT监测,研究分析了EIT图像变化与温度变化之间关系。主要研究工作概括如下:⑴肝组织阻抗频谱测量平台的建立:课题组前期已经完成的对动物多种组织、人体颅骨、乳腺组织等电阻抗频谱测量。在此基础上我们建立了肝组织的标准化阻抗频谱测量系统,设计并制作了肝组织阻抗频谱测量装置,并对该测量系统的测量精度进行了验证。①建立了肝组织阻抗频谱测量系统。以安捷伦4294A精密阻抗分析仪为核心建立了肝组织阻抗频谱测量系统。安捷伦4294A精密阻抗分析仪测量数据通过数据线（GBI转USB）连接输出到笔记本电脑,每个温度点测量共201个频率点（100Hz～10MHz）,激励电流幅度0.5mA,从测量开始到数据输出时间为6S。②分别设计并制作了肝组织、液体组织两种阻抗频谱测量装置。结合肝组织、液体组织各自自身结构特点和测量的实际需要,采用标准四电极法分别制作了肝组织、液体组织阻抗频谱测量装置。测量装置材料使用绝缘有机玻璃制作,驱动电极采用纯银片状电极,测量电极使用0.8mm的银丝。③设计并制作了可控加热箱。加热箱通过智能PID温控仪控制石英发热管进行加热,热电偶测温探头（17B,Fluke,USA）实时监测组织温度。⑵生理盐水阻抗频谱特性与温度之间关系的研究本实验在标准化测量平台上,以生理盐水（0.9%）为对象,测量了生理盐水在在加温和冷却两个阶段中（25℃～82℃）的电阻抗频谱特性。测量结果表明,在频率为1kHz时,升降过程中的TRVF（温度-电阻率变化系数）均在-1%～-2%的范围内,TRVF变化趋势基本相同。⑶琼脂阻抗频谱特性与温度之间关系的研究本实验以琼脂为对象,采用本文中的测量平台,测量了琼脂在在加温和冷却两个阶段中（25℃～82℃）的电阻抗频谱特性。测量结果表明,在频率为1kHz时,升温过程中琼脂溶液在温度小于55℃时TRVF保持在-2%～-3%之间;但随着温度的进一步增加,至67℃时TRVF从-2%变化到-5%,此时的变化幅度远大于NaCl溶液的TRVF;当温度进一步增加时TRVF由-5%变化到82℃时的+1%。在降温过程时,TRVF基本保持在-1%～-2%间。⑷高温热凝固模式下兔肝组织阻抗与温度关系的研究采用本文中的测量平台,以新鲜离体兔肝为对象,在100Hz～10MHz频率范围内,测量了12例兔肝组织在加温和冷却两个阶段中（30℃～82℃）的电阻抗频谱特性。本实验结果表明,新鲜离体兔肝组织电阻率与温度之间并非简单的线性关系,温度低于58℃时,新鲜离体兔肝组织的TRVF在-1.0%～-2.2%之间,此时兔肝组织的TRVF表现与NaCl（0.9%）的TRVF相近;之后随着温度的继续上升至69℃,新鲜离体兔肝组织的TRVF从-2%快速变化至-14.7%,69℃至71℃时新鲜离体兔肝组织的TRVF保持在-14.7%附近;随着温度持续上升到77℃,新鲜离体兔肝组织的TRVF从-14.7%快速变化到-1%。之后TRVF基本上在-1%位置。⑸基于物理模型应用EIT监测肝组织温度的研究将电阻率为480Ω·cm的NaCl盐溶液注入到截面直径为28.4cm的圆柱形容器内并置入肝组织,NaCl盐溶液模拟腹部电阻率（500Ω·cm）的分布。单头热管底端插入肝组织30mm处,其温度由智能温控仪控制。热电偶测温探头T2、T3、T4插入肝组织的不同位置用于监测加热和冷却过程中的温度分布。实验所用EIT图像监护系统为本课题组研制,系统的驱动电流幅度设置为1250μA,频率设置为50kHz,采用对向驱动模式。成像算法为加权阻尼最小二乘法,单元重建,云图显示。监护成像速度为1帧/秒。实验结果显示:随着温度的上升,EIT图像目标区域颜色明显有变红,并呈扩散趋势。这表明温度变化与图像变化之间存在一定的关系。成像结果、数据分析后均证实,阻抗变化与温度间存在确定性关系,但是并不是大多数文献中报到的恒常数关系或线性关系,而是呈现了非线性关系,同前面组织阻抗温度特性的测量结果一致。曲线拟合后的结果显示,用边界电压、感兴区域重构值等表征温度时,可以获得较好的拟合效果,边界电压的最大拟合绝对误差在3.6℃左右,感兴区域重构值的最大拟合绝对误差在1℃左右,提示EIT在应用中有可能准确监测温度变化及其分布。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 文献回顾
• 1. 肿瘤热疗法
• 2. 生物组织的温度测量方法
• 3. 生物组织的电阻抗特性
• 4. 生物组织的电阻抗温度特性与EIT 测温法的研究现状
• 5. 国内外相关研究的不足之处
• 第一部分 肝组织阻抗温度特性测量平台的建立
• 1 肝组织阻抗频谱测量系统
• 2 阻抗频谱测量装置
• 3 可控温加热箱
• 第二部分 0.9% NACL 溶液电阻率温度特性的研究
• 1 材料
• 2 方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 第三部分 琼脂电阻率温度特性的研究
• 1 材料
• 2 方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 第四部分 新鲜兔肝组织电阻率温度特性的研究
• 1 材料
• 2 方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 第五部分 基于物理模型上应用EIT 监测肝组织温度的研究
• 1 材料
• 2 方法
• 3 结果
• 4 讨论
• 小结
• 参考文献
• 个人简历和研究成果
• 致谢