磁感應(yīng)相移譜技術(shù)檢測(cè)腦出血的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、背景和目的:
　　腦出血(intracranial hemorrhage，ICH)是顱腦內(nèi)血管破裂導(dǎo)致的顱腔內(nèi)出血性病變。世界衛(wèi)生組織心血管病人群監(jiān)測(cè)(WHO-MONICA)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，腦卒中發(fā)生率逐年增長(zhǎng)，中國(guó)以每年約9％的速率上升，約30％的發(fā)病者死亡，多數(shù)的生存者遺留有不同程度殘障。腦出血是卒中的第二大類型，具有高發(fā)生率、高致殘率、高致死率和高治療費(fèi)用的特點(diǎn)，對(duì)人類的生命和健康造成嚴(yán)重威脅，并對(duì)社會(huì)和家庭造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重

2、。
　　早期診斷和及時(shí)治療是降低腦出血危害的最有效方法。目前，常用的腦出血檢測(cè)方法主要有計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(computer tomography, CT)、正電子發(fā)射斷層掃描成像(positron emission tomography, PET)和核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等影像學(xué)方法。這些昂貴的設(shè)備無法在欠發(fā)達(dá)地區(qū)使用和普及，而且存在體型龐大，無法進(jìn)行床旁和急救現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)等問題

3、。磁感應(yīng)相移(magnetic inductive phase shift，MIPS)檢測(cè)技術(shù)是一種新興的技術(shù)，它具有非接觸、無創(chuàng)傷、小型化、低成本和可以進(jìn)行連續(xù)床旁監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)，是檢測(cè)腦出血的一種新方法。
　　為了研究更寬頻帶上的腦出血MIPS特性和獲取更多有用的MIPS測(cè)量信息，本研究提出了磁感應(yīng)相位移譜(magnetic inductive phase shift spectroscopy，MIPSS)檢測(cè)方法，以期為MIPS

4、技術(shù)檢測(cè)腦出血提供指導(dǎo)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本論文的工作分為以下兩個(gè)部分。
　　第一部分:
　　1.基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（vector network analyzer，VNA）建立MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)。以Agilent E5061A射頻VNA作為MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集單元、鑒相和顯示單元。按照家兔頭部尺寸，設(shè)計(jì)了同軸平行單激勵(lì)線圈-單接收線圈(singlecoil-coil)。MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)，具備四個(gè)獨(dú)立的測(cè)量

5、通道，不僅可以測(cè)量被測(cè)組織的傳輸特性，還可以測(cè)量被測(cè)組織的反射特性，具有幅度、相位、阻抗等多種數(shù)據(jù)格式，可測(cè)量的頻率范圍:300 kHz-1.5 GHz，掃描時(shí)間為25 ms（201點(diǎn)，中頻帶寬30 kHz），鑒相精度達(dá)到0.01°，能夠滿足測(cè)量物理模擬實(shí)驗(yàn)和家兔腦出血實(shí)驗(yàn)的要求。
　　2.線圈空間參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究線圈空間的MIPS檢測(cè)靈敏度，以確定在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中家兔頭部的放置位置和注血點(diǎn)位置。在該實(shí)驗(yàn)中，選取傳感器線圈內(nèi)15個(gè)具有代表

6、性的空間點(diǎn)，逐個(gè)測(cè)量注入4 mL0.9％生理鹽水引起的MIPS變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示距離激勵(lì)線圈越近，越靠近線圈邊緣，MIPS的檢測(cè)靈敏度越高。考慮到家兔頭部尺寸、幾何結(jié)構(gòu)和MIPS檢測(cè)靈敏度等因素，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，家兔頭部放置于接近激勵(lì)線圈，中軸線靠下的位置，最佳的注血點(diǎn)為(0，3，3)。
　　3.注射和抽取不同電導(dǎo)率、不同體積的鹽水模擬實(shí)驗(yàn)，初步研究MIPSS變化規(guī)律。在該實(shí)驗(yàn)中，配制了四種不同電導(dǎo)率的NaCl溶液，制作了含兩層結(jié)構(gòu)

7、的物理模型。向物理模型注入或抽取10 mL不同電導(dǎo)率的溶液，和注入或抽取不同體積的同種溶液，采用頻率從1 MHz到1 GHz進(jìn)行MIPSS測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于兩層結(jié)構(gòu)的物理模型，低頻帶的MIPSS值較小，高頻帶的MIPSS很大，注入和抽取的相位差趨勢(shì)相反。在注入或抽取相同體積的條件下，高頻帶的相位差大小與溶液的電導(dǎo)率成負(fù)相關(guān)，而在低頻帶相位差大小與溶液的電導(dǎo)率成正相關(guān)。在同種溶液的條件下，整個(gè)頻帶上相位差的大小與注入或抽取的溶液體積

8、成正相關(guān)。
　　第二部分:
　　1.以家兔為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用自體血注入法建立4個(gè)不同的腦出血狀態(tài)，分別為術(shù)前、術(shù)后、注血1 mL和注血2 mL。在MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)上分別測(cè)量了13只家兔4個(gè)不同狀態(tài)的腦出血，獲得了頻率從1 MHz到200 MHz家兔腦出血MIPSS數(shù)據(jù)。選取MIPSS數(shù)據(jù)效果最優(yōu)的特征頻帶進(jìn)行處理和分析，采用了非參數(shù)多重比較秩和檢驗(yàn)(Friedman M Test)對(duì)特征頻帶下的MIPSS作顯著性差異分析，并

9、根據(jù)特征頻帶下腦出血MIPSS的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了能夠判斷腦出血嚴(yán)重程度的方法，即B-F分布圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于組織成份和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的家兔，低頻帶的MIPSS值比高頻帶的MIPSS大。另外，S21功率幅值越大的頻帶，其對(duì)應(yīng)的MIPSS就越大，說明了MIPSS檢測(cè)靈敏度具有頻率依賴性。Friedman M Test結(jié)果顯示特征頻帶下4個(gè)不同狀態(tài)腦出血的MIPSS具有顯著性差異。特征頻率下，術(shù)前、術(shù)后、注血1 mL和注血2 mL分別產(chǎn)生的平均相位差

10、為-0.2373°±0.3126°、-0.5031°±0.9257。、-3.4449°±1.4208°和-5.6422°±1.5761°。B-F分布圖不僅能有效地判別出腦出血嚴(yán)重程度，還可以反映腦出血的總體變化趨勢(shì)。
　　2.為了驗(yàn)證MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)的可行性、腦出血模型的有效性以及解釋MIPSS測(cè)量結(jié)果，還對(duì)家兔腦出血模型進(jìn)行MRI掃描實(shí)驗(yàn)。在MRI掃描實(shí)驗(yàn)中，采用SPACE(Sampling Perfection with A

11、pplication optimized Contrast using different flip-angleEvolution)成像序列掃描5只家兔4個(gè)不同狀態(tài)的腦出血。MRI圖像直觀展示出腦出血過程中腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)的變化過程，隨著注血量的增加，CSF持續(xù)排出，第一個(gè)1 mL注血量的CSF排出量大于第二個(gè)1 mL注血量的CSF排出量。并通過Amira軟件對(duì)CSF圖像進(jìn)行分割，結(jié)果顯示從術(shù)前到

12、注血2mL，CSF量從1.757mL下降到了0.50 mL。進(jìn)一步計(jì)算出兔腦整體電導(dǎo)率的變化量，結(jié)果顯示腦出血過程中兔腦整體電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與特征頻帶下的MIPSS變化趨勢(shì)具有一致性。
　　結(jié)論:
　　1.以射頻VNA(Agilent E5061A)為核心建立的MIPSS檢測(cè)系統(tǒng)，能夠測(cè)量到非常寬的頻率范圍，具有快速的數(shù)據(jù)采集速度和高的鑒相精度，能夠滿足鹽水實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的要求。
　　2.MIPSS測(cè)量實(shí)驗(yàn)顯示，在高頻帶

13、和低頻帶上，不同的檢測(cè)對(duì)象表現(xiàn)出不同的MIPSS實(shí)驗(yàn)結(jié)果。說明了高頻帶的MIPSS結(jié)果反映了被測(cè)物的含水量，而低頻的MIPSS結(jié)果反映的是被測(cè)組織內(nèi)不同組織間、細(xì)胞間以及細(xì)胞內(nèi)液和外液之間的介電參數(shù)變化的特性。因此，采用高頻的激勵(lì)信號(hào)適合物理模型或水含量變化明顯的病變組織（如腦水腫或肺水腫）的測(cè)量，而采用低頻激勵(lì)信號(hào)適合用來檢測(cè)人或動(dòng)物腦出血、腦缺血等疾病。
　　3.由家兔腦出血MIPSS結(jié)果可知，MIPSS檢測(cè)靈敏度具有頻率依賴