生物医学工程研究 ２０ｌ】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ …● ３０（３｝：１６４—１６６’１ 一 。大鼠脑水肿神经细胞模型介电特性的实验研究＊ 李克 ，罗娟娟 ，杨浩２，李文哲２，秦明新２△ （１．南昌大学第一附属医院肿瘤科，南昌３３０００６；２．第四军医大学生物医学工程系电子学教研室，西安７１００３２） 摘要：在宽频范围（１００～１０ ＭＨｚ）内，测量正常和水肿神经细胞模型的电导率与介电系数的频谱图，比较 水肿前后神经细胞的电导率与介电系数的区别。采用ＳＤ大鼠脑皮质的神经细胞建立正常神经细胞模型， 对其缺氧处理后建立水肿神经细胞模型，应用Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ阻抗分析仪分别对１Ｏ组对照组模型、正常神经细 胞模型和水肿神经模型的电特性进行检测。三种模型的电导率存在显著差异。水肿神经细胞模型的电导率 大于其他两种模型的电导率，而正常神经细胞模型的电导率大于对照组模型的电导率。本实验有效地检测 出正常神经细胞模型与水肿神经细胞模型的电导率差别，为应用脑磁感应成像对脑水肿相位差的检测提供 了依据。 关键词：脑水肿；神经细胞模型；介电特性；电导率；介电系数 中图分类号：ＴＭ ３４４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—６２７８（２０１１）０３．０１６４．０３ Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｒａｔｓ Ｃｅｒｅｂｒａｌ Ｅｄｅｍａ Ｎｅｕｒｏｎ Ｃｅｌｌ Ｍｏｄｅｌｓ ｕ Ｋｅ ，ＬＵＯ Ｊｕａｎｊｕａｎ ，ＹＡＮＧ ｒＩａｄ，ＬＩ Ｗｅｎｚｈｅ２，Ｑ Ｍｌｎｇ￣２ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＯｎｃｏｌｏｇｙ，Ｔｈｅ ＦｉｒｓｔＡｆｆａｉａｔｅｄＨｏｓｐｉｔａｌ ｆ№ ｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ⅳ（ 忆愕３３０００６，Ｃｈ／ｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｏｕｒｔｈ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉ￣ｔｙ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｅｄｅｍａ ｎｅｕｒｏｎ ｅｅ１］ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｍｅａ．ｓｕｒ￣ｄ ｉｎ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｒａｎｇｅ（１００—１０ ＭＨｚ），ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｎｏｒｍａｌ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｈｓｈｅｄ ｂｙ ｃｏｒｔｅｘ ｏｆ ＳＤ ｒａｔｓ，ａｎｄ ｈｔｅｎ ｉｎ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｏｆ ｈｙｐｏｘｉａ，ｅｄｅｍａ ｎｅＤＩｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌｓ Ｗ，ＯＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｉｔｃｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ａｐｐ】ｙｊｎｇ Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎａｌｙｚｅｒ ｉｎ １０ ｇｒｏｕｐｓ ａｍｏｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｒｏｕｐ ｍｏｄｅｌ，ｎｏｒｍａｌ ｎｅｌ￣ｅ ｃｅＵｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｅｄｅｍａ ｎｅｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｉｔｆｙ ｆｔｏｈｒｅｅ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｄｅｍｅａ ｎｅｕｒｏｎ ｅｅ１］ｍｏｄｅｌ Ｗａｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆｏｔｈｅｒ ｔｗｏ ｋｉｎｄ ｍｏｄｅｌｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ ｏｔｆ ｎｏｒｍａｌ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌ Ｗａｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｉｔｖｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｒｏｕｐ．Ｔｈｅｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ ｂｔｅｔｗｅｅｎ ｎｏｒｍａｌ ａｎｄ ｅｄｅｍａ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｅ ｍａｙ ｅ ｏｆｇｒｅａｔｂ ｈｅｌｐ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｃｅｒｅｂｒａｌ ｅｄｅｍａ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｄｅｔｅｃｔｉｇ ｗｏｒｎｋ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｅｒｅｂｒｌ ｅｄｅｍａ；Ｎｅｕｒａｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌｓ；Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｌｙ；Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙ；Ｄｉｅｌｅｔｃｔｒｉｃ ｐｅｎｎｉｔｉｔｖｉｔｙ １ 引 言 利用交流阻抗技术可以实现非损伤的细胞介电 谱测量，细胞介电谱是细胞的电导率和介电系数等 前由缺氧、缺血和肿瘤等不同病因引起的脑水肿比 较常见，临床上需要对该类患者进行实时、准确的成 像监护，以便于及时的诊断和救治 。同样，脑水肿 组织的电特性信息（如电导率、介电系数等）对磁感 应监测技术的实现具有重要意义，而且脑组织对不 介电参数随电场频率变化的介电响应频率谱ｎ］。当 ＊国家自然科学基金资助项目（６０７７１０２７） △通信作者Ｅｍａｉｌ：ｑｍｉｎｇｘｉｎ＠ｆｍｍｕ．ｅｄｕ．ａｎ 第３期 李克。等：大鼠脑水肿神经细胞模型介电特性的实验研究 １６５ 同病因的病理表现形式比较复杂，其相应的电特性 胞模型（ｎ＝１０）进行电导率与介电系数的频谱测量， 也会随着病变发生变化，这些变化中包含了结构信 测量结果取均值，测量过程均是在细胞模型建立好 息和功能信息 。如果能够解读、破译这些信息，并 之后两小时之内测量的。 利用其对脑水肿进行更深入的研究，对脑水肿的有 图２和图３分别描绘出在１００～１０ ＭＨｚ频率范 效治疗意义重大。 围内，大鼠正常神经细胞模型与水肿神经细胞模型 ２材料与方法 的电导率 和介电系数ｅ与频率－厂的关系曲线，横 坐标为外加交流电场的频率厂，纵坐标分别是电导 ２．１材料 率 （＊＊＊）和介电系数ｅ（ＯＯＯ）。大鼠神经细胞的 孕期为１５～１８ ｄ的ＳＤ大鼠的胚胎，不含 、 电导率 随电场频率的增加而上升，介电系数ｅ随 Ｍ 的Ｄ—Ｈａｎｋｓ溶液，１．２５ ｇ／Ｌ的胰酶，０．３ Ｌ的 电场频率的增加而降低。 胶原酶，０．２ ｇ／Ｌ的ＥＤＴＡ，２００ ｎ Ｌ的胎牛血清，含 ２０ ｍ【／Ｌ Ｂ一２７和１００ Ｌ胎牛血清的培养基，５０ ｕｇ／ｍＬ多聚赖氨酸，温度为３７￣Ｃ、含有５０ ｒＩｌＬ，Ｌ Ｃ０２ 的培养箱。 ２．２测量系统 测量系统主要由测试盒、铂电极、阻抗分析仪、 １６０４７Ｅ夹具和Ｐｃ机等几部分构成。其中阻抗分析 仪采用Ａｇｉｌｅｎｔ ４２９４Ａ，阻抗分析仪与ＰＣ机之间通过 ＧＰＩＢ接口进行连接。阻抗检测系统结构见图１。测 量电极采用自制镀铂电极，测试盒采用有机玻璃制 作，测量电极用圆形电极片，间距为２０ ｍｉｌｌ。 ２．３测量方法 图２正常神经细胞模型的电导率与介电系数的频谱 Ｆｉｇ ２ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｍｎ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ 测量采用两电极法。数据的统计处理及分析用 ｐｅｎＩｄ砌ｍ ｆｏｒ ｎｏｒｍａｌ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌＩｍｏｄｅｌｓ Ｍａｄａｂ７．０和Ｅｘｃｅｌ２００３完成。 Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ阻抗 但 ｊ＼ 分析仪 ＼厂—］／ 厂＿］ 机Ｉ ‘－－－－＿＿－－－－＿－－－－－＿一 试盒 图Ｉ Ａ＃ｍｔ ４２９４阻抗检测系统结构框图 Ｆｉｇ１ Ａｇｉｌｅａｔ４２９４．脚 伐Ｉａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｅｌｌｌｒｅｔｎａｇｒａｍ ３实验结果 图３水肿神经细胞模型的电导率与介电系数的频谱 ３ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ 检测频率范围为１００～１０ ＭＨｚ，在扫描频率范 ｐｅａ＇ｍｉｔａｖｉｔｙｆｏｒ ｅｄｅｍａ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌｌ ｍｏｄｅｌｓ 围内采集１８１个频率点。被测目标分别为对照组模 图４和图５分别描绘出在１００～１０ ＭＨｚ频率范 型、正常神经细胞模型和水肿神经细胞模型，体积均 围内，对照组模型、正常大鼠神经细胞模型和水肿神 为６．３ ｍＬ。其中，对照组是将琼脂糖与蒸馏水按 经细胞模型的电导率谱和介电系数谱。从图４可以 ０．３５ｇ：１００ ｍＬ的比例配制而成的，正常神经细胞模 看出，三种模型的电导率存在显著差异。水肿神经 型和水肿神经细胞模型是分别在对照组模型内加入 细胞模型的电导率大于其他两种模型的电导率，而 正常神经细胞和水肿神经细胞配制成的。 正常神经细胞模型的电导率大于对照组模型的电导 我们分别对大鼠的正常神经模型和水肿神经细 率。图５表明三种模型的介电系数基本一致，只有 １６６ 生物医学工程研究 第３Ｏ卷 微弱的差别，无显著差异。 细胞的电导率至今未见报道。因此，我们只有通过 检测神经细胞模型的电导率，才能建立水肿神经细 胞的电导率与产生的相位差之间的关系。经过实 验，我们检测出了１００～１０ ＭＨｚ频率范围内水肿神 经细胞的电导率，为相位差的理论计算与实际检测 提供了足够的依据。 研究水肿神经细胞的电特性不但能够分析神经 细胞水肿后电导率和介电系数的变化，而且能够对 脑磁感应成像中的相位差检测结果提供指导。因 此，建立水肿神经细胞与正常神经细胞的电导率 １０２ １０３ １０４ １ｏ５ １０６ １ｏ７ 和介电系数ｅ的频谱是至关重要的。我们在相位差 检测实验和电导率检测实验中所采用的神经细胞模 型均是相同的，所以结果具有可比性，电导率检测结 频率（ｆ／Ｈｚ） 图４三种模型的电导率谱 №４ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｓｐｅ￣ｒｕｎｌ ｏｆｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍｏｄｅｌｓ 果能够验证相位差检测结果。并且实验结果表明， 水肿神经细胞模型的电导率大于正常神经细胞模型 的电导率，与相位差检测结果一致。这为进一步实 现动物脑水肿的活体监护实验打下了良好的理论基 础。 参考文献： ［１］于冬雁，崔湘屏，马青．人血液细胞介电谱的实验研究［Ｊ］．生物医 学工程杂志，２００６，２３（６）：１１９８—１２０１． ［２］徐征，何为，何传红，等．生物组织电导率磁感应测量原理及系统 研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２００８，２９（９）：１８７８—１８８２． ［３］Ｂｎｍｎｅｒ Ｐ，Ｍｅｒｗａ Ｒ，Ｍｉｓｓｎｅｒ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｃｏｎｄｕｃｆｉ６ｔｙ ｓｅｃｔｐｒａ ｕｓｊｎｇ ｄｉｆｅｒｅｎｔｉｌ ｍｕｌｔａｉ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ 图５三种模型的介电系数谱 Ｆｉｇ ５ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｎｎｉｔｔｉｖｉｔｙ ｓｐｅｃｔｎｎｎ ｏｆｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ［ＪＪ．Ｐｈｙｓｉ０ｌ Ｍｅａｓ ２００６，２７：２３７ ２４８． ［４］Ｇｅｎｚ６１ｅｚ Ｃ Ａ，Ｒｏｉｌｓ Ｒ，ＶｉＨａｎｕｅｖａ Ｃ，Ｒｕｂｉｎｓｋｙ Ｂ．Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｍ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｂｒａｉｎ ｅｄｅｍａ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ：Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ４讨论 大鼠脑神经细胞的电导率和介电系数的频谱主 要反映脑神经细胞的电导率和介电系数与交流电场 频率的关系。从上面的实验可以看出，大鼠神经细 胞的电导率随电场频率的增加而上升，介电系数随 电场频率的增加而降低。 理论上，通过检测出细胞模型的电导率，我们可 以计算出其相位差，这样就可以验证磁感应检测系 统的实验结果＿４Ｊ。在前面的理论计算中，我们得出 了相位差与电导率的关系式Ｌ５。］，但大鼠水肿神经 ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［ｃ］．ＩＥＥＥ／ＥＭＢＳ ２９ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ． Ｌｙｏｎ，Ｆｒａｎｃｉａ，２ＯＯ７：２３４６—２３４９． ［５］ＬｉｎｇＷｅｎｗｅａｎ，ＱｉｎＭｉｎｇｘｉｎ，Ｊｉａｏ Ｍｉｎｇｋｅ，ｅｔ ａｔ．Ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎｔｈｅｌｏｃｋ—ｉｎ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ ＳＲ８４４ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆｂｒａｉｎ ｎｅｕｒｏｎ ｃｅｌｌｓｉｎ Ｍ１Ｔ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＩＣＢＥＩ，Ｈａｉｎａｎ，２００８．６３８—６４２． ［６］李克，秦明新，周伟，等．单通道ＢＭＩＴ系统中相位差的理论计算 与实际检测［Ｊ］．中国医学物理学杂志，２００９，２６（２）：１０９７一 ｌ１０１． ［７］秦明新，焦李成，李世俊，等．ＭＩＴ单通道测量的电磁关系及脑 组织电导率测量参数计算［Ｊ］．第四军医大学学报，２００４，２５ （２１）：２００７—２０１０． （收稿日期：２０１１—０６—２ｏ）