磁感應相移譜技術檢測腦出血的實驗研究.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(WHO-MONICA)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，腦卒中發(fā)生率逐年增長，中國以每年約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用的特點，對人類的生命和健康造成嚴重威脅，并對社會和家庭造成嚴重經(jīng)濟負擔重

2、。
　　早期診斷和及時治療是降低腦出血危害的最有效方法。目前，常用的腦出血檢測方法主要有計算機斷層掃描成像(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)等影像學方法。這些昂貴的設備無法在欠發(fā)達地區(qū)使用和普及，而且存在體型龐大，無法進行床旁和急救現(xiàn)場監(jiān)護等問題

3、。磁感應相移(magnetic inductive phase shift，MIPS)檢測技術是一種新興的技術，它具有非接觸、無創(chuàng)傷、小型化、低成本和可以進行連續(xù)床旁監(jiān)護的特點，是檢測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測量信息，本研究提出了磁感應相位移譜(magnetic inductive phase shift spectroscopy，MIPSS)檢測方法，以期為MIPS

4、技術檢測腦出血提供指導。為實現(xiàn)該目標，本論文的工作分為以下兩個部分。
　　第一部分:
　　1.基于矢量網(wǎng)絡分析儀（vector network analyzer，VNA）建立MIPSS檢測系統(tǒng)。以Agilent E5061A射頻VNA作為MIPSS檢測系統(tǒng)的信號發(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，設計了同軸平行單激勵線圈-單接收線圈(singlecoil-coil)。MIPSS檢測系統(tǒng)，具備四個獨立的測量

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

6、性的空間點，逐個測量注入4 mL0.9％生理鹽水引起的MIPS變化。實驗結果顯示距離激勵線圈越近，越靠近線圈邊緣，MIPS的檢測靈敏度越高?？紤]到家兔頭部尺寸、幾何結構和MIPS檢測靈敏度等因素，在動物實驗中，家兔頭部放置于接近激勵線圈，中軸線靠下的位置，最佳的注血點為(0，3，3)。
　　3.注射和抽取不同電導率、不同體積的鹽水模擬實驗，初步研究MIPSS變化規(guī)律。在該實驗中，配制了四種不同電導率的NaCl溶液，制作了含兩層結構

7、的物理模型。向物理模型注入或抽取10 mL不同電導率的溶液，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進行MIPSS測量。實驗結果顯示，對于兩層結構的物理模型，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率成負相關，而在低頻帶相位差大小與溶液的電導率成正相關。在同種溶液的條件下，整個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。
　　第二部分:
　　1.以家兔為實驗對象，采用自體血注入法建立4個不同的腦出血狀態(tài)，分別為術前、術后、注血1 mL和注血2 mL。在MIPSS檢測系統(tǒng)上分別測量了13只家兔4個不同狀態(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)的特征頻帶進行處理和分析，采用了非參數(shù)多重比較秩和檢驗(Friedman M Test)對特征頻帶下的MIPSS作顯著性差異分析，并

9、根據(jù)特征頻帶下腦出血MIPSS的特點設計了能夠判斷腦出血嚴重程度的方法，即B-F分布圖。實驗結果顯示，對于組織成份和結構復雜的家兔，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，其對應的MIPSS就越大，說明了MIPSS檢測靈敏度具有頻率依賴性。Friedman M Test結果顯示特征頻帶下4個不同狀態(tài)腦出血的MIPSS具有顯著性差異。特征頻率下，術前、術后、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重程度，還可以反映腦出血的總體變化趨勢。
　　2.為了驗證MIPSS檢測系統(tǒng)的可行性、腦出血模型的有效性以及解釋MIPSS測量結果，還對家兔腦出血模型進行MRI掃描實驗。在MRI掃描實驗中，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1 mL注血量的CSF排出量大于第二個1 mL注血量的CSF排出量。并通過Amira軟件對CSF圖像進行分割，結果顯示從術前到

12、注血2mL，CSF量從1.757mL下降到了0.50 mL。進一步計算出兔腦整體電導率的變化量，結果顯示腦出血過程中兔腦整體電導率變化趨勢與特征頻帶下的MIPSS變化趨勢具有一致性。
　　結論:
　　1.以射頻VNA(Agilent E5061A)為核心建立的MIPSS檢測系統(tǒng)，能夠測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，能夠滿足鹽水實驗和動物實驗的要求。
　　2.MIPSS測量實驗顯示，在高頻帶

13、和低頻帶上，不同的檢測對象表現(xiàn)出不同的MIPSS實驗結果。說明了高頻帶的MIPSS結果反映了被測物的含水量，而低頻的MIPSS結果反映的是被測組織內(nèi)不同組織間、細胞間以及細胞內(nèi)液和外液之間的介電參數(shù)變化的特性。因此，采用高頻的激勵信號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）的測量，而采用低頻激勵信號適合用來檢測人或動物腦出血、腦缺血等疾病。
　　3.由家兔腦出血MIPSS結果可知，MIPSS檢測靈敏度具有頻率依賴