磁感應(yīng)相位移技術(shù)檢測腦出血的實驗研究.pdf

1、研究背景和目的:腦出血(Intracranial Hemorrhage，ICH)，是指腦實質(zhì)內(nèi)血管破裂導(dǎo)致的出血，是腦卒中的一種，起病急驟、病情兇險、致殘率和死亡率非常高。隨著當(dāng)今社會的老齡化以及社會壓力的增大，腦出血發(fā)病率不斷上升。在中國，近年來腦卒中已成為第一大死亡病因，標(biāo)準(zhǔn)化死亡率高居世界之首，正以每年9％的速度上升，每年新發(fā)腦卒中患者約200萬人，近一半死亡，生存者中約有3/4遺留不同程度的殘疾，給國家和眾多家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)

2、擔(dān)，防控形勢十分嚴(yán)峻。
　　早期診斷、早期治療是降低腦出血致死率和致殘率的最好方法。當(dāng)前腦出血的檢測主要依靠CT(Computer Tomography)、MRI(Magnetic Resonance Imaging)等大型昂貴的影像學(xué)設(shè)備，但這些設(shè)備不能滿足連續(xù)監(jiān)護(hù)、現(xiàn)場急救、早期診斷的需要。連續(xù)顱內(nèi)壓檢測雖然可以做到床旁監(jiān)護(hù)，但是屬于有創(chuàng)測量，容易引起感染。因此急需發(fā)展一種非接觸、無創(chuàng)傷、小型化、低成本、連續(xù)快速測量的顱內(nèi)出血

3、檢測設(shè)備，而磁感應(yīng)相位移技術(shù)(Magnetic Induction Phase Shift，MIPS)完全具備這些特點，無疑是檢測腦血管病最好的手段之一。由于生物組織的電導(dǎo)率很低，導(dǎo)致磁感應(yīng)測量靈敏度非常低，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者提出了多種提高靈敏度的方法，但是大部分不適合在體腦出血的檢測。本課題在此背景上，綜合考慮大腦結(jié)構(gòu)以及腦出血的病理生理特點，提出了四種新穎的專門適合于腦出血檢測的線圈結(jié)構(gòu)，旨在提高在體腦出血檢

4、測的靈敏度和穩(wěn)定性。
　　第一部分:根據(jù)課題組的實驗需要，建立了兩套MIPS測量系統(tǒng)。第一套是基于自制的多頻點大功率激勵源以及鑒相器。設(shè)計的激勵源可以工作在200KHz，1MHz，10.7MHz，21.4MHz，30.85MHz，40.05MHz，49.95MHz七個頻點，信號頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-8，激勵信號功率調(diào)節(jié)范圍為:10mW-2W。經(jīng)測試輸出信號二次和三次諧波失真最壞為-48dB和-56dB，4小時的相位漂移不超過50m°

5、。設(shè)計的鑒相器可以測量1MHz，10.7MHz，21.4MHz三頻點信號的相位差。經(jīng)測試，鑒相器相位噪聲不超過6m°，4小時的相位漂移不超過30m°，達(dá)到或超過了當(dāng)前國內(nèi)外MIPS系統(tǒng)的性能。使用自制的MIPS測量系統(tǒng)測量了腦出血物理模型鹽水注射和反抽過程中的MIPS變化，結(jié)果與國外文獻(xiàn)報道一致，表明該系統(tǒng)可以滿足實際檢測的需要。第二套系統(tǒng)基于購買的信號源和PXI測量平臺，信號源可以輸出帶寬內(nèi)任意頻點信號，結(jié)合PXI高速數(shù)據(jù)采集卡以及編

6、寫的LabVIEW相位差測量軟件，可以實現(xiàn)對50MHz以下任意頻點的相位差測量。經(jīng)測試，在1MHz和21.4MHz，自制系統(tǒng)的性能要好于PXI測量系統(tǒng)，但PXI系統(tǒng)可以工作在任意頻點，兩套系統(tǒng)適合不同實驗的需要。
　　第二部分:根據(jù)大腦結(jié)構(gòu)特點以及腦出血的病理生理特點，綜合考慮檢測方式等各種因素，設(shè)計了四種專門用于腦出血在體檢測的線圈結(jié)構(gòu)，分別是對側(cè)半球抵消線圈，同軸線圈，雙端激勵線圈以及亥姆霍茲線圈。使用CST電磁仿真軟件對第一

7、種進(jìn)行了詳細(xì)仿真，得到了不同的幾何參數(shù)、位置參數(shù)對靈敏度的影響，并與傳統(tǒng)的單個激勵線圈和檢測線圈結(jié)構(gòu)的靈敏度進(jìn)行了比較，結(jié)果表明對側(cè)半球抵消線圈的靈敏度比傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)高50倍。使用該線圈又進(jìn)行了實際的鹽水檢測實驗，結(jié)果與仿真一致，表明仿真方法是可信的。最后建立了一個模擬腦出血顱內(nèi)三種容物相互調(diào)節(jié)的四層球模型，分別使用四種線圈對該模型在血腫增大過程中的10個時間點進(jìn)行了仿真測量，得到了四種線圈隨血腫體積增大的MIPS曲線。仿真結(jié)果與腦出血

8、導(dǎo)致顱腦整體電導(dǎo)率變化的理論分析非常接近。
　　第三部分:建立了家兔自體血注射致內(nèi)囊出血模型。3ml自體血分快速和慢速兩種情況注入。分別使用四種線圈檢測注血過程中的MIPS變化。
　　結(jié)論:結(jié)果表明四種線圈的檢測結(jié)果與仿真及其相似，且與理論分析較吻合。對四種線圈的檢測結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析和比較，發(fā)現(xiàn)對側(cè)半球抵消線圈屬于表面測量線圈，雖然靈敏度高卻只能測量代償期表層腦脊液的變化，不能測量顱腦深部的出血。同軸線圈對腦深部的出血非常

9、敏感，但是對腦脊液的變化不太敏感，主要因為激勵螺線管的軸向勻強(qiáng)磁場區(qū)較短，導(dǎo)致兔腦一端腦脊液區(qū)磁場強(qiáng)度較弱，可以通過增長激勵螺線管的長度，減小其直徑來提高軸向勻強(qiáng)場區(qū)，使得勻強(qiáng)場區(qū)可以覆蓋整個兔腦，這樣可以對腦脊液和出血都敏感。雙端激勵線圈檢測腦出血的效果較好，對腦脊液和出血均敏感，但對表層腦脊液的變化更敏感，因為采用上下兩個激勵線圈，可以對顱腦上表面和下表面的腦脊液都較敏感，不像對側(cè)半球抵消線圈只能測量腦上表面腦脊液的變化。亥姆霍茲線

10、圈和同軸線圈一樣屬于均勻磁場測量，但其軸向磁場均勻度要好于同軸線圈。亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)又與雙端激勵線圈類似，因此對上下腦脊液的變化均敏感，適合于代償期腦脊液變化的檢測。但是在耗盡期結(jié)果不一致，原因主要是亥姆霍茲線圈的直徑較大，很難保證每只動物的注血點都位于中心軸上同一位置。對于實際腦出血的檢測，真正有意義的是能測量代償期腦脊液的變化，因此雙端激勵線圈以及亥姆霍茲線圈是較好的選擇。但是如果改善同軸線圈的結(jié)構(gòu)，提高軸向勻強(qiáng)場區(qū)，同軸線圈也是非

11、常好的腦出血檢測線圈。如果能把對側(cè)半球抵消的思想跟這三種線圈結(jié)構(gòu)綜合起來，靈敏度會更高。檢測方位對測量也有影響。水平方向檢測會使兔腦后部的延髓池和脊髓管都被激勵磁場檢測到，對MIPS產(chǎn)生影響，而在代償期，腦脊液被排出后大部分會回流到這些區(qū)域，因此這些區(qū)域靠近檢測區(qū)會導(dǎo)致腦脊液總量變化較小，使得測量靈敏度低。此外水平方向測量受心率、呼吸的影響更大。垂直方向檢測會將減小這些因素帶來的影響。實際腦出血檢測應(yīng)盡量采取垂直方位。此外彌散性出血需要