一種人體組織介電特性模擬材料的配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物物理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人體組織介電特性模擬材料的配置 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物質(zhì)在電磁場中表現(xiàn)出來的電磁特性可以看作是物質(zhì)的固有屬性，人體組織也不 例外。人體組織在電磁場中會表現(xiàn)出一定的電特性和磁特性。電特性，有時(shí)也稱為介電特 性（EPs)，主要是指組織的電導(dǎo)率和電容率（又叫介電常數(shù)），磁特性是指組織的磁導(dǎo)率。一 般而言，人體組織是非磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率接近真空中的磁導(dǎo)率，可被看作是常數(shù)。人體組 織各處的EPs與組織內(nèi)非均勻分布的絕緣的細(xì)胞膜和導(dǎo)電的電解液等有關(guān)，因此組織各處 的EPs分布呈現(xiàn)非均勻性，并具有頻率依賴性。
[0003] 研宄電磁場與生物組織的作用機(jī)制和作用效應(yīng)，是非常重要的科學(xué)研宄領(lǐng)域之 一，相關(guān)研宄成果，已經(jīng)為人類的健康事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。比如，磁共振成像（MRI)系統(tǒng)， 其本質(zhì)就是強(qiáng)的靜磁場、梯度磁場、射頻磁場與人體組織相互作用的系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成為臨 床疾病診斷必不可少的重要的大型影像設(shè)備之一；再比如，各種電磁理療設(shè)備、電磁聚焦腫 瘤熱消融治療設(shè)備等，其本質(zhì)都是不同形態(tài)的電磁場與人體組織的相互作用系統(tǒng)。另外，電 磁場與人體組織的相互作用的非熱效應(yīng)研宄，還有很多問題沒有解決，目前也是生物物理 領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)之一。在研宄上述的電磁場和人體組織相互作用關(guān)系時(shí)，獲得電磁場在組 織內(nèi)的分布是關(guān)鍵的研宄內(nèi)容。其中之一的方法，就是研制能夠模擬人體組織介電特性的 人工材料，采用這樣的人工材料來模擬人體組織分布，再通過電場和磁場的測量獲得材料 內(nèi)電磁場的分布。
[0004] 在過去的幾十年里，許多學(xué)者提出來多種組織介電特性模擬材料。一般而言， 這些模擬材料通常為液體、固體和凝膠（半固體）形式，由于膠狀材料同人體組織具有物 理相似性，以及他們能夠模擬大范圍的組織介電特性，因此最受歡迎。根據(jù)基本成分， 這些膠狀的模擬材料可分為幾類，目前相關(guān)研宄的簡要總結(jié)在表1中列出。由Chouet al(1984)和Surowiecetal(1992)提出的介質(zhì)材料的保存時(shí)間非常有限，即使在密封 的容器內(nèi)也只能保存兩周；同時(shí)，由TX-150、聚乙烯粉、鋁粉、水和氯化鈉組成的介質(zhì)材料 (Chouetal1984)，以及由TX-151、瓊脂、聚乙稀粉、氯化鈉和水組成的介質(zhì)材料（Itoet al2001，OnishiandUebayashi2006)不能模擬低含水量的組織。Marchaletal(1989) 和Sunagaetal(2003)提出一種基于明膠-水的介質(zhì)材料來模擬組織，然而不同明膠濃 度的兩種材料直接接觸放置時(shí)會發(fā)生溶劑擴(kuò)散，所以這些材料不能制作具有長期穩(wěn)定性的 非均質(zhì)體模。一種由Lazebniketal(2005)，Laietal(2011)和Bakaretal(2011)提 出的油-明膠材料能夠在很大的頻率范圍內(nèi)模擬各種生物組織的介電特性，同時(shí)具有長期 穩(wěn)定性。但由于此種材料只采用油的體積百分比作為可調(diào)節(jié)因子，導(dǎo)致相對介電常數(shù)和電 導(dǎo)率的改變是相互關(guān)聯(lián)的，因此該方法不能同時(shí)精確模擬任意指定的相對介電常數(shù)和電導(dǎo) 率。Yuanetal(2012)在油-明膠材料的基礎(chǔ)上增加了氯化鈉，采用油的體積百分比和氯 化鈉濃度兩個(gè)可調(diào)節(jié)因子。這樣就使得模擬不同的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率的組合變得可 能。然而，在調(diào)整油的體積百分比和氯化鈉濃度這兩個(gè)可調(diào)節(jié)因子中的任何一個(gè)因子時(shí)，都 會使相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率同時(shí)改變。致使獲取各種人體組織（數(shù)以百計(jì)的包括各種健康 和腫瘤不同生理病理狀態(tài)下的組織類型）的模擬材料成為一個(gè)異常繁瑣的工作。
[0005] 綜上所述，現(xiàn)有模擬材料配置技術(shù)均無法直接獲得任意指定的電導(dǎo)率和介電常數(shù) 搭配的介電特性模擬材料的各種配方的比例，亟需提供一種能夠計(jì)算"具有任意指定的電 導(dǎo)率和介電常數(shù)搭配的介電特性的模擬材料的各種配方"的比例的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種人體組織介電特性模擬材料的 配置方法，采用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)來快速計(jì)算獲得人體組織介電特性模擬材料配方中各種材料 的混合比例的方法，采用該方法可以方便快捷地配置任意指定的電導(dǎo)率和介電常數(shù)搭配的 介電特性模擬材料。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)該目的：
[0008] 一種人體組織介電特性模擬材料的配置方法，包括以下步驟：
[0009] 1)制備若干配方樣本，所述配方樣本包括油、氯化鈉、明膠、對甲基苯甲酸、正丙 醇、表面活性劑、去離子水和甲醛，所述配方樣本按照油和氯化鈉的含量由低到高搭配；
[0010] 2)測量確認(rèn)所述配方樣本的介電特性，多次測量計(jì)算平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，對 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不符合要求的樣本進(jìn)行重新制作并測量介電特性；
[0011] 3)建立介電特性和配方樣本比例調(diào)節(jié)因子之間的函數(shù)關(guān)系，所述配方比例調(diào)節(jié)因 子分別為油的含量和氯化鈉的含量；
[0012] 4)利用建立的含有多調(diào)節(jié)因子的介電特性和配方比例之間的函數(shù)關(guān)系式，求解任 意指定的電導(dǎo)率和介電常數(shù)搭配的介電特性的模擬材料的各種配方比例，制備所指定的模 擬材料。
[0013] 其中，所述配方樣本的制備按照以下步驟進(jìn)行：
[0014] a、在容器中加入0. 1~0. 5g對甲基苯甲酸和5~15mL的正丙醇，加熱至30~ 50°C并攪拌使得對甲基苯甲酸充分溶解；
[0015] b、繼續(xù)向容器中加入85~95mL的去離子水，去離子水的溫度保持為室溫；
[0016] c、繼續(xù)向容器中加入15~20g明膠，使得明膠充分侵泡在溶液中并保持室溫條 件；
[0017] d、利用薄膜型材料將容器封口并常溫靜置3~4h;
[0018] e、在薄膜型材料上扎出若干小洞，將容器放置于65~70°C的水浴中加熱10~ 15min；
[0019] f、充分?jǐn)嚢柚敝撩髂z完全溶解制得明膠溶液，去除表面氣泡，冷卻至50°C備用；
[0020] g、將油加熱至50°C備用；
[0021] h、按照順序分別將100~20mL的明膠溶液和0~80mL的油加入到另一個(gè)容器中， 并分別加入0~1. 40g的氯化鈉，并保持溶液的溫度為50°C;
[0022] i、劇烈攪拌直至所有油化為小液滴分散在溶液中，加入0. 5~10mL的表面活性 劑，并充分?jǐn)嚢柚寥芤航咏咨?br>[0023] j、繼續(xù)向容器中加入10~15mL的甲醛溶液，持續(xù)攪拌至均勻，按照不同的油和明 膠的比例搭配，完成配方樣本的制備；
[0024] k、將制備的配方樣本密封置于陰涼處，直至配方樣本完全凝固。
[0025] 其中，所述配方樣本包括若干組，每組配方樣品的油與明膠的比例固定，氯化鈉的 含量由低到高搭配，各組之間油的比例由低到高搭配，明膠的比例由高到低搭配。
[0026] 作為優(yōu)選的，所述各配方樣本中的油、明膠以及氯化鈉的含量按照以下含量添 加：
[0029] 其中，所述步驟2)具體為：采用50歐母匹配阻抗的同軸線作為探頭，將探頭插入 待測配方樣本中，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，取多次測量的結(jié)果的平均值，利用開端同 軸探頭法介電特性測量原理，計(jì)算得到被測配方樣本的介電特性；采用測量樣本不同部位 的介電特性的分布的方法來評估配方樣本的均勻性，每個(gè)樣本被分割成不同部分，在不同 部分的表面測量不同位置，在每個(gè)位置多次測量，并且測量完每個(gè)點(diǎn)后用紙巾清潔同軸線 探頭，防止探頭上的油污影響結(jié)果；
[0030] 最后計(jì)算平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，對相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不符合要求的樣本進(jìn)行重新 制作并再次重新測量電特性。
[0031] 作為優(yōu)選的，所述評估配方樣本均勻性的具體步驟為：將每個(gè)配方樣本被分割成 兩半，含有三個(gè)表面，對于每一個(gè)表面測量5個(gè)不同位置，每個(gè)位置記錄5次測量數(shù)據(jù)，從 每個(gè)配方樣本共收集75組測量數(shù)據(jù)；測量每個(gè)位置前同軸線探頭固定在測量點(diǎn)10-15分 鐘；
[0032] 最后計(jì)算平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，對相對標(biāo)準(zhǔn)偏差超過5%的樣本進(jìn)行重新制作 并測量電特性。
[0033] 其中，所述步驟3)具體為：
[0034] 將油的含量和氯化鈉的含量作為配方含量比例的調(diào)節(jié)因子，在相同的氯化鈉濃度 下，相對介電常數(shù)表示為關(guān)于油的體積百分比的一階多項(xiàng)式，表達(dá)式如下：
[0035] e' =m(N)+n(N)0， (1)
[0036] 其中