[发明专利]基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置及方法

说明书

一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置，包括：磁场成像模块，采用金刚石系综NV作为弱磁场探测器；微波辐射结构模块，采用Ω形状的辐射结构作为微波天线向金刚石NV色心辐射微波磁场；微电极模块，采用十字形的有两对电极臂的铱‑氧化铱金属电极给缓冲溶液注入交流电流。本发明拓展了已有的磁共振电阻抗成像的空间分辨率，将电阻抗成像的空间分辨率提升到微米至亚微米尺度，从而实现了一种微观尺度上的电阻抗成像方法，适用于细胞生物样品的电导率成像。

技术领域

本发明涉及生物细胞参数测量技术领域，尤其涉及一种基于钻石NV色心的微观电阻抗成像装置及方法。

背景技术

细胞膜不导电，细胞质和细胞所处液体环境含电解质溶液，是导电的。细胞的生理和病理状态会使细胞膜的通透性发生改变，引起细胞的电阻抗(在低频近似下退化为电导率)及其分布的改变。细胞或生物组织的电阻抗反映了细胞的生理状态，对生物组织的电阻抗成像在医学诊断和生物医药研究中有着重要的应用价值。特别是在对癌症的诊断中，对生物样本电导率的成像能够提供额外的诊断信息。研究表明，癌细胞组织由于代谢增快，含水量较正常细胞较高，其电导率为正常细胞组织的2～5倍。

传统的磁共振电阻抗成像(MREIT)的研究对象是器官和组织，文献报道的成像分辨率接近1.4mm。其基本方法是，在被检测的生物体上加电极，通入电流，产生磁场。电流与磁场分布取决于生物组织电导率的分布。利用磁共振扫描仪(MRI scanner)对生物组织某一切面或多个切面进行磁场成像得到该切面上的磁场分布图像。再结合基于麦克斯韦方程组发展的反问题求解算法，由生物组织中特定平面上的磁场分布反解电导率分布，从而实现对被测样品体内多个切面的电导率分布成像。

传统的MREIT适用于对器官和组织等宏观物体的成像，其成像的空间分辨率受到磁共振扫描仪空间分辨率和求解算法性能的限制，目前可达毫米量级。而传统的MRI受原理所限，空间分辨率有限，最高可达亚毫米量级。人体细胞的平均大小为10～20um，可见传统的MREIT的成像方法无法满足对单个细胞乃至亚细胞结构的电阻抗分布成像。

如图1所示的是一种磁共振电阻抗成像方法。给待测组织或器官接入外接电极，在待测组织中产生mA量级的电流。在电流频率＜1kHz时，利用低频近似，待测组织中的电流密度分布J与组织的电导率分布σ之间的关系为电流产生的磁场B满足因此磁场包含了组织的电导率分布信息。通过MRI扫描仪测量出被测组织在某一确定切面z＝z₀处的磁场分布，利用基于Maxwell方程组发展来的多种算法，例如Harmonic Bz算法，在二维近似的条件下，可以从被测平面的磁场分布反解出该平面内被测组织或器官的电导率分布。

该装置的优点是：可以用于活体原位生物组织或器官的电导率测量，对一般的生物组织几乎无损伤。由于被测磁场是由外加电极在组织中主动注入的电流产生的，因此这种电导率成像方法不需要额外的磁标记，对被测组织样品无选择性，适用于对大多数器官组织的电导率成像。采用磁共振扫描仪进行磁场测量，可以直接测量生物组织内部的磁场分布，从而可以得到生物组织内部的电导率分布信息，与需要外接多组电极，根据测得的电极电势反解体内电导率分布的EIT方法比较，这种方法所求得的电导率分布具有唯一解，而EIT方法中所须求解的反问题不具有适定性，这导致EIT对体内的电导率分布，尤其是远离体表电极处的成像结果不佳，重复性不好。其次，该方法的图像重建程序算法采用了有限元网格计算的技术，使得它适用于形状组成复杂的待测样品。配合求解软件程序，这种电导率成像方法可直接应用在具备磁共振扫描仪的医疗机构，普及应用方便。

缺点是：这种电导率成像方法的空间分辨率通常为几个毫米，适用于组织器官宏观尺度的电导率成像，对于细胞水平或亚细胞水平的微观电导率成像就不再适用。这限制了电导率成像在疾病诊断、生物医药研究方面的进一步应用。另外，目前从文献中实测的结果来看，该算法重建出的图像误差较大，在电导率分布跳变处容易出现模糊和伪影，求解算法的精确性和稳定性存在不足。由于该算法所用的有限元网格计算技术需要人工调整网格边界，在边界设定上有随机性，其结果的可重复性存在不足。

发明内容