顱內(nèi)血腫水腫的生物電阻抗檢測(cè)技術(shù)及初步實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、顱內(nèi)疾病如腦出血、腦梗塞及各種原因引起的腦水腫，嚴(yán)重威脅患者的生命安全，具有較高的致殘率和致死率，早診斷、早治療是改善預(yù)后、降低致殘致死率的關(guān)鍵。但是，目前還缺乏一種無(wú)創(chuàng)的輔助診斷技術(shù)與設(shè)備，用于對(duì)顱內(nèi)血腫水腫進(jìn)行早期、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。 既往研究已表明，顱內(nèi)血腫水腫時(shí)顱內(nèi)組織的電阻抗將發(fā)生改變，顯示出應(yīng)用生物電阻抗測(cè)量技術(shù)檢測(cè)顱內(nèi)血腫水腫的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。但由于顱骨的電阻率較高，在顱外只能無(wú)創(chuàng)檢測(cè)到微弱的電阻抗變化，增加了檢測(cè)的

2、難度。 目前國(guó)外的研究大都在開(kāi)顱狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)；雖然國(guó)內(nèi)有研究者設(shè)計(jì)了一套測(cè)量系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)采用兩電極法測(cè)量電阻抗，電極皮膚接觸阻抗對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。因此，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，克服電極皮膚接觸阻抗的影響，提高測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)精度，并將其應(yīng)用于顱內(nèi)血腫水腫的監(jiān)測(cè)，成為進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題。 本論文以應(yīng)用無(wú)創(chuàng)生物電阻抗技術(shù)檢測(cè)顱內(nèi)血腫水腫為研究對(duì)象，在分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)頭部

3、無(wú)創(chuàng)生物電阻抗檢測(cè)技術(shù)中存在的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合本課題組的實(shí)際情況與工作需要，主要進(jìn)行了三方面的研究工作：通過(guò)仿真研究，提出了一種較為適用于頭部電阻抗測(cè)量的電極配置方案；基于四電極電阻抗測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一套電阻抗測(cè)量系統(tǒng)；并應(yīng)用該系統(tǒng)，進(jìn)行了初步的動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)。具體包括： 1．對(duì)電極配置方案進(jìn)行了軟件仿真研究。設(shè)計(jì)了兩種電極配置方案，方案一采用四電極法測(cè)量電阻抗，共有6個(gè)電極，將激勵(lì)電極配置在頭部正中線、兩個(gè)通道的測(cè)量電極分別對(duì)稱(chēng)

4、配置在激勵(lì)電極的左右兩側(cè)；方案二采用兩電極法測(cè)量電阻抗，共有4個(gè)電極，電極同時(shí)作為激勵(lì)和測(cè)量電極，將這些電極對(duì)稱(chēng)配置在頭部的左右兩側(cè)。軟件仿真結(jié)果表明，方案一對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的電阻抗變化更為敏感；而且方案二采用兩電極法測(cè)量電阻抗，受到電極-皮膚接觸阻抗的影響較大，而方案一則采用四電極電阻抗測(cè)量法，可以減少電極皮膚接觸阻抗的影響，所以本研究采用電極配置方案一，應(yīng)用四電極法測(cè)量頭部雙側(cè)的電阻抗。 在軟件仿真研究的基礎(chǔ)上，還提出了兩個(gè)數(shù)據(jù)

5、分析指標(biāo)，用于對(duì)顱內(nèi)的電阻率擾動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析和評(píng)估。 2．針對(duì)目前已有設(shè)備采用兩電極法測(cè)量電阻抗、受到接觸阻抗影響較大這一問(wèn)題，基于四電極電阻抗測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一套雙通道的、具有較高測(cè)量精度的多頻電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下的特性： 1) 設(shè)計(jì)有兩個(gè)測(cè)量通道，可以測(cè)量頭部?jī)蓚?cè)的生物電阻抗； 2) 采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)激勵(lì)信號(hào)源，采用正交數(shù)字解調(diào)技術(shù)解調(diào)生物電阻抗信息，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度； 3

6、) 激勵(lì)信號(hào)工作頻率可以在5~300kHz之間程控選擇，激勵(lì)電流強(qiáng)度可以在0~1mA之間程控選擇； 4) 在全部的工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的共模抑制比可以達(dá)到80dB以上； 5) 整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化、小型化，便于移動(dòng)和進(jìn)行床旁檢測(cè)，配合專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)的應(yīng)用軟件，具備很強(qiáng)的實(shí)用性。 3．使用設(shè)計(jì)的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物采用家兔，主要進(jìn)行了兩種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)： 1) 腦出血?jiǎng)?/p>

7、物模型實(shí)驗(yàn)。使測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)測(cè)量通道分別測(cè)量動(dòng)物頭部左右兩側(cè)的、體表電極提取的電阻抗變化。采用自體血注入法制作腦出血?jiǎng)游锬Ｐ停^察注入血液前后，頭部?jī)蓚?cè)的電阻抗變化。結(jié)果表明，注入血液后，注血側(cè)的電阻抗上升了大約0.91％，而對(duì)側(cè)的電阻抗上升了大約0.45％。 2) 腦水腫動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)。使測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)測(cè)量通道分別測(cè)量動(dòng)物頭部左右兩側(cè)的電阻抗變化，使用固定在顱骨上的顱釘，作為測(cè)量電極。采用光化學(xué)誘導(dǎo)法制作腦梗塞動(dòng)物模型，觀察腦梗

8、塞及隨后的腦水腫過(guò)程中的電阻抗變化?？梢杂^察到光照15分鐘后，電阻抗開(kāi)始升高，光照30分鐘后停止，光照側(cè)的電阻抗上升了大約1.5％，之后電阻抗持續(xù)上升，90分鐘后光照側(cè)的電阻抗上升了大約4％，對(duì)側(cè)的電阻抗也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，上升幅度大約是光照側(cè)的一半。 通過(guò)腦出血和腦水腫模型實(shí)驗(yàn)，表明顱內(nèi)血腫水腫時(shí)，電阻抗呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這就提示了應(yīng)用本測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)顱內(nèi)血腫水腫發(fā)展程度的可行性。 4．使用設(shè)計(jì)的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)

9、行了初步的健康人體頭部電阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以測(cè)量到健康人的頭部電阻抗的變化。由于健康人不存在顱內(nèi)血腫水腫等病變，所以沒(méi)有直接觀察到由顱內(nèi)血腫水腫引起的電阻抗變化；但是，該系統(tǒng)可以檢測(cè)到由人體的心臟跳動(dòng)、深呼吸引起的微弱的頭部電阻抗變化，為將該系統(tǒng)應(yīng)用于顱內(nèi)血腫水腫病人的臨床檢測(cè)打下了基礎(chǔ)。 本論文的主要特色與創(chuàng)新之處包括： 對(duì)電極配置方案進(jìn)行了仿真研究，提出了一種較為適合于頭部電阻抗測(cè)量的電極方案。

10、 基于四電極電阻抗測(cè)量方法，針對(duì)檢測(cè)顱內(nèi)血腫水腫的需要，研制了一套高性能、雙通道多頻電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。并在設(shè)計(jì)過(guò)程中，提出了一種自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整模擬放大倍數(shù)的方法，和校準(zhǔn)電阻抗測(cè)量結(jié)果的方法。 在軟件仿真的基礎(chǔ)上，提出了2個(gè)反映電阻率擾動(dòng)的數(shù)據(jù)分析指標(biāo)：總體變化指數(shù)和對(duì)稱(chēng)變化指數(shù)。經(jīng)過(guò)初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可以使用這兩個(gè)指標(biāo)，依據(jù)相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)顱內(nèi)血腫水腫的發(fā)展程度進(jìn)行評(píng)估。 本論文在軟件仿真研究的基礎(chǔ)上，提出了一種較為

11、適合于頭部電阻抗測(cè)量的電極配置方案和2個(gè)反映電阻率擾動(dòng)的數(shù)據(jù)分析指標(biāo)：總體變化指數(shù)和對(duì)稱(chēng)變化指數(shù)。基于四電極電阻抗測(cè)量方法，針對(duì)檢測(cè)顱內(nèi)血腫水腫的需要，研制了一套高性能、雙通道多頻電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。初步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，可以應(yīng)用本測(cè)量系統(tǒng)無(wú)創(chuàng)、靈敏的檢測(cè)到顱內(nèi)血腫水腫引起的電阻抗變化。在健康人體試驗(yàn)中，使用本系統(tǒng)可以觀察到由人體的心臟跳動(dòng)和深呼吸引起的電阻抗波動(dòng)，表明無(wú)創(chuàng)生物電阻抗測(cè)量技術(shù)也可以應(yīng)用于人體的頭部電阻抗測(cè)量。本論文的研究成果為