نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی، گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

2 استاد ، گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

10.22041/ijbme.2017.62797.1216

چکیده

در این مقاله، ایدة جدیدی برای طراحی سنسور بیوامپدانس الکتریکی مناسب و به شکل فورسپس نمونه­برداری برای اندازه­گیری خواص الکتریکی، یعنی رسانندگی و گذردهی  بافت­های داخلی بدن، پیشنهاد شده است. برای طراحی آن، ابتدا رابطة خواص الکتریکی بافت با جریان و ولتاژ در بافت گوه­شکل داخل دهانة فورسپس بیوامپدانس، با تعیین پاسخ معادلة لاپلاس به روش منابع جریان تصویر، به‌دست آمد. سپس برای ارزیابی فورسپس بیوامپدانس طراحی­شده، مدل‌سازی به روش المان­ محدود و با استفاده از داده­های تجربی به‌دست آمده برای بافت­های مختلف توسط محققین،  انجام شد. نتایج مدل­سازی نشان داد که ولتاژ به‌دست­آمده برای تمام نقاط بافت داخل دهانة فورسپس بیوامپدانس در فرکانس­های مختلف 50 هرتز تا 5 مگاهرتز، با مقادیر به‌دست­آمده به روش تحلیلی مطابقت دارد. در ادامه برای بررسی تأثیر زاویة دهانة فورسپس، اندازه­گیری­ها به‌ازای زوایای مختلف دهانة فورسپس انجام شد و مشخص شد که هر چقدر زاویة دهانه کوچک­تر باشد، اندازه­گیری دقیق­تر خواهد بود. اندازه‌گیری‌ها با تغییر حجم و شکل بافت نیز انجام شدند و مشخص شد که فورسپس بیوامپدانس طراحی­شده، حساسیتی به تغییر حجم و شکل بافت نداشته و مقاوم است. برای تأیید عملی، با ساخت آزمایشگاهی فورسپس بیوامپدانس و استفاده از امپدانس­آنالایزر، رسانندگی محلول سالین در پهنای باند فرکانسی 50 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز و در غلظت­های مختلف اندازه­گیری شد. برای بررسی صحت مقادیر اندازه­گیری شده، روش واندرپو پیاده­سازی شد و رسانندگی الکتریکی محلول سالین، دوباره با این روش اندازه­گیری شد. نتایج، نشان­دهندة صحت اندازه­گیری رسانندگی محلول سالین با فورسپس بیوامپدانس پیشنهادی بود. از ویژگی­های این فورسپس بیوامپدانس، می­توان به قابلیت اندازه­گیری غیرتهاجمی­ خواص الکتریکی بافت­های داخل بدن در مدت زمان کوتاه و ثابت نگه­داشتن بافت هنگام اندازه­گیری اشاره کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design an Electrical Bio-Impedance Forceps for Local Measuring Electrical Properties of Tissues Inside of the Human Body

نویسندگان [English]

  • Rasool Baghbani 1
  • Mohammad Hasan Moradi 2

1 Ph.D Student, Bioelectric Department, Biomedical Engineering Faculty, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Professor, Bioelectric Department, Biomedical Engineering Faculty, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this paper a new idea is suggested for designing an appropriate bio-impedance sensor in the form of a biopsy forceps to measure the electrical properties of the tissues inside the body. First, by analytically solving the Laplace equation for wedge-shaped tissue in the mouth of the forceps, the relationship between electric potential (results from excitation current) in different points on the tissue surface and the electrical properties of the tissue are obtained. Then, to evaluate the designed bio-impedance forceps using the finite element method and the experimental data obtained for different tissues by Gabriel et al., modeling and simulation were done and it was found that the voltages obtained for all of the tissues inside the mouth of the forceps at different frequencies from 50 Hz to 5 MHz, are consistent with that of the analytical method. To investigate the influence of the opening angle of the forceps, measurements were done at different angles and it was found that for small opening angles, measurements are more accurate. Also, electrical properties were measured by changing the size and shape of the tissue and it was found that the designed forceps is non-sensitive and robust to the changes of the volume and shape of the tissue. A prototype of the designed bio-impedance forceps was fabricated. The forceps was experimentally validated by measuring conductivity of the Phosphate Buffered Saline (PBS) solution with different concentrations at frequency range of 50KHz to 1MHz using an impedance analyzer system. To examine the accuracy of measured conductivity values, the Van Der Pauw method was implemented and electrical conductivity of the PBS was measured again. Results showed that measured conductivities by means of the bio-impedance forceps were accurate with an error less than 4%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • electrical bio-impedance forceps
  • Electrical conductivity
  • image current sources
  • wedge-shaped tissue
  • PBS solution

[1]     R. D. Das, A. Dey, S. Das, and C. RoyChaudhuri, "Interdigitated Electrode-Less High-Performance Macroporous Silicon Structure as Impedance Biosensor for Bacteria Detection," IEEE Sensors Journal, vol. 11, pp. 1242-1252, 2011.

[2]     L. Constantinou, I. F. Triantis, M. Hickey, and P. A. Kyriacou, "On the Merits of Tetrapolar Impedance Spectroscopy for Monitoring Lithium Concentration Variations in Human Blood Plasma," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 64, pp. 601-609, 2017.

[3]     D. Zink, A.H. Fischer, and J. A. Nickerson, "Nuclear structure in cancer cells," Nat Rev Cancer, vol. 4, pp. 677-687, 09//print 2004.

[4]     A. Han, L. Yang, and A. B. Frazier, "Quantification of the Heterogeneity in Breast Cancer Cell Lines Using Whole-Cell ImpedanceSpectroscopy," Clinical Cancer Research, vol. 13, pp. 139-143, 2007.

[5]     K. R. Foster and J. L. Schepps, "Dielectric Properties of Tumor and Normal Tissues at Radio through Microwave Frequencies," Journal of Microwave Power, vol. 16, pp. 107-119, 1981/01/01 1981.

[6]     M. N. Prakash, T. J. Bahney, and D. Odom, "Endoscopic instrument for tissue identification," ed: Google Patents, 2016.

[7]     S. Di Palma, N. Collins, C. Faulkes, B. Ping, G. Ferns, B. Haagsma, et al., "Chromogenic in situ hybridisation (CISH) should be an accepted method in the routine diagnostic evaluation of HER2 status in breast cancer," Journal of Clinical Pathology, vol. 60, pp. 1067-1068, 02/0501/11/accepted 2007.

[8]     R. Phillips, "Prostate cancer: Increasing the potential of prostate biopsies with bioimpedance spectroscopy," Nat Rev Urol, vol. 10, pp. 558-558, 10//print 2013.

[9]     N. Ida, Engineering Electromagnetics: Springer Publishing Company, Incorporated, 2015.

[10] K. K. Roy, "Electrical Images in Potential Theory," in Potential Theory in Applied Geophysics, ed: Springer Berlin Heidelberg, 2008, pp. 329-347.

[11] A. Ivorra, R. Gómez, N. Noguera, R. Villa, A. Sola, L. Palacios, et al., "Minimally invasive silicon probe for electrical impedance measurements in small animals," Biosensors and Bioelectronics, vol. 19, pp. 391-399, 12/15/ 2003.

[12] S. Gabriel, R. W. Lau, and C. Gabriel, "The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10 Hz to 20 GHz," Physics in Medicine and Biology, vol. 41, p. 2251,1996.

[13] L. J. van der Pauw, "A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape," Philips Res.Rep, vol. 13, // 1958.

[14] Z. Moron, Z. Rucki, and Z. Szczepanik, "The possibility of employing a calculable four-electrode conductance cell to substitute for the secondary standards of electrolytic conductivity," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 46, pp. 1268-1273, 1997.

[15] G. Rietveld, C. V. Koijmans, L. C. A. Henderson, M. J. Hall, S. Harmon, P. Warnecke, et al., "DC conductivity measurements in the Van der Pauw geometry," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 52, pp. 449-453, 2003.

[16] T. Grysiński and Z. Moroń, "Planar sensors for local conductivity measurements in biological objects—Design, modelling, sensitivity maps," Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 158, pp. 190-198, 11/15/ 2011.

[17] Z. Moroń, "Investigations of van der Pauw method applied for measuring electrical conductivity of electrolyte solutions: Measurement of electrolytic conductivity," Measurement, vol. 33, pp. 281-290, 4// 2003.

[18]           Z. Bing, L. Zhen, Z. Xiao, Y. Xiang, W. Jiali, and W. Xiaoping, "System for absolute measurement of electrolytic conductivity in aqueous solutions based on van der Pauw's theory," Measurement Science and Technology, vol. 25, p. 055005, 2014.