طراحی یک فورسپس بیوامپدانس الکتریکی برای تعیین خواص الکتریکی بافت‌های درونی بدن

در این مقاله، ایده جدیدی برای طراحی سنسور بیوامپدانس الکتریکی مناسب و به شکل فورسپس نمونه برداری برای اندازه گیری خواص الکتریکی، یعنی رسانندگی و گذردهی  بافت های داخلی بدن، پیشنهاد شده است. برای طراحی آن، ابتدا رابطه خواص الکتریکی بافت با جریان و ولتاژ در بافت گوه شکل داخل دهانه فورسپس بیوامپدانس، با تعیین پاسخ معادله لاپلاس به روش منابع جریان تصویر، به‌دست آمد. سپس برای ارزیابی فورسپس بیوامپدانس طراحی شده، مدل‌سازی به روش المان محدود و با استفاده از داده های تجربی به‌دست آمده برای بافت های مختلف توسط محققین،  انجام شد. نتایج مدل سازی نشان داد که ولتاژ به‌دست آمده برای تمام نقاط بافت داخل دهانه فورسپس بیوامپدانس در فرکانس های مختلف 50 هرتز تا 5 مگاهرتز، با مقادیر به‌دست آمده به روش تحلیلی مطابقت دارد. در ادامه برای بررسی تاثیر زاویه دهانه فورسپس، اندازه گیری ها به‌ازای زوایای مختلف دهانه فورسپس انجام شد و مشخص شد که هر چقدر زاویه دهانه کوچک تر باشد، اندازه گیری دقیق تر خواهد بود. اندازه‌گیری‌ها با تغییر حجم و شکل بافت نیز انجام شدند و مشخص شد که فورسپس بیوامپدانس طراحی شده، حساسیتی به تغییر حجم و شکل بافت نداشته و مقاوم است. برای تایید عملی، با ساخت آزمایشگاهی فورسپس بیوامپدانس و استفاده از امپدانس آنالایزر، رسانندگی محلول سالین در پهنای باند فرکانسی 50 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز و در غلظت های مختلف اندازه گیری شد. برای بررسی صحت مقادیر اندازه گیری شده، روش واندرپو پیاده سازی شد و رسانندگی الکتریکی محلول سالین، دوباره با این روش اندازه گیری شد. نتایج، نشان دهنده صحت اندازه گیری رسانندگی محلول سالین با فورسپس بیوامپدانس پیشنهادی بود. از ویژگی های این فورسپس بیوامپدانس، می توان به قابلیت اندازه گیری غیرتهاجمی خواص الکتریکی بافت های داخل بدن در مدت زمان کوتاه و ثابت نگه داشتن بافت هنگام اندازه گیری اشاره کرد.

Design an Electrical BioImpedance Forceps for Local Measuring Electrical Properties of Tissues Inside of the Human Body

In this paper a new idea is suggested for designing an appropriate bioimpedance 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 wedgeshaped 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 bioimpedance 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 nonsensitive and robust to the changes of the volume and shape of the tissue. A prototype of the designed bioimpedance 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 bioimpedance forceps were accurate with an error less than 4%.