脑出血磁感应相位移与脑脊液容积关系的实验研究

发布时间：2018-03-04 17:48

本文选题：脑出血模型　切入点：磁感应相位移　出处：《第三军医大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：据中国脑卒中防治报告(2015年)统计,我国心脑血管疾病近年来发病呈现上升趋势,成为严重威胁中国居民健康的重大社会问题。在疾病死因构成中,脑血管病为第一位死亡原因,是脑卒中患者死亡和致残的主要原因。高血压脑出血急性期病死率可达50%-75%。脑出血对社会和家庭带来巨大的风险,需要加快临床病理生理基础研究,提高诊治方法,加快脑出血的实时检测与监护等新技术运用。目前,影像学检查是临床上常用的脑出血诊断技术,如X射线计算机断层成像(X-ray Computeried Tomography,X-CT)和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术可以准确地诊断脑出血。对迟发性的脑出血诊断,由于表现为功能性的改变,没有组织器官等器质性改变,需要采用功能磁共振成像(Functional MRI,f MRI)和正电子断层成像(Positron Emission Tomography,PET)等技术进行诊断。但先进的影像学技术不能对脑出血进行实时监测和评估,也不易短时间重复多次检查,有较低的时间分辨率。电磁特性是生物体的基本属性之一,生物体的电磁特性因生物体的病理生理状况以及器官和组织结构不同而不同,磁感应相位移技术(Magnetic Induction Phase Shift,MIPS)就是研究生物组织电磁特性的方法,其原理是采用一定频率的激励磁场作用于被测物体,在电磁感应的作用下,被测物体内产生感应电流,感应电流反过来又会产生感应磁场,不同电磁特性或电导率的被测物体产生的感应磁场不同,该感应磁场的强度与被测物体的电磁特性,即电导率相关,因此可以通过检测感应磁场来反映被测物体的电导率。MIPS技术具有无创、实时、高灵敏度和低成本等特点,目前已经成为电磁特性实时监护领域的研究热点。MIPS检测技术在应用于生物组织的电磁特性测量方面取得了很多进展,但同时也看到,MIPS检测技术的研究尚处于初期起步阶段,还存在诸多问题:1)针对大脑这类复杂对象,通过MIPS检测大脑的电磁特性(整体平均电导率)就可以反映脑组织的病理生理状况,但MIPS检测将大脑简化为平均导体模型,忽视了颅内容积物(脑实质、脑脊液和脑血液)的容积变化以及脑组织变形或压缩等对MIPS的影响,丢失了MIPS信号中包含的颅内容积物变化的高价值信息。平均电导率变化虽能说明颅内整体发生了变化,但颅内主要容积物中各个组织成分产生了多大程度的变化,不能依据平均电导率模型推断出来。2)通过课题组多年来利用MIPS检测动物脑出血实验的研究,我们了解到MIPS信号对生物组织电导率具有早期敏感特性,这种现象使得MIPS能较传统颅内压检测提前监测到脑出血的发生,起到早期预警作用。但早期敏感特性还没有一个基于实验研究上的科学解释,也未能通过提前预警信号反应颅内主要容积物变化情况。根据Morno-Kellie原理和脑脊液的循环和吸收代偿规律,我们提出一个推断:在脑出血早期,脑脊液的容积变化是MIPS信号变化的主要影响因素。本课题在此基础上,提出了脑出血磁感应相位移与脑脊液容积变化关系的实验研究,开展从小动物(家兔)到大动物(巴马香猪)脑出血的MIPS相关工作,分析脑脊液容积变化对MIPS的主要影响及其相关性,进一步研究了MIPS与出血量之间的数学关系模型。第一部分:首先,建立一套MIPS监测动物脑出血模型的测量系统,该系统基于信号源和NI PXI测量平台,信号源可以输出带宽内任意频率的信号,通过高速数据采集和编写Lab View相位差测量软件,可以实现50MHz以下任意频率点的相位差测量。其次,结合本课题实验研究目的,确保脑脊液容积变化、出血量与MIPS关系的研究更全面、更可靠,课题组设计了两组动物脑出血模型实验方案,分别用于小动物(家兔)和大动物(巴马香猪)脑出血模型的MIPS测量。小动物实验方案中,设计了MIPS测量家兔脑出血和MRI SPACE序列扫描家兔脑出血的平行实验,分析了脑脊液容积变化与MIPS的相关性;在大动物实验方案中,设计MIPS监测巴马香猪脑出血模型实验,证明脑脊液容积变化和MIPS关系实验研究的可靠性,同时初步研究了MIPS和出血量之间的数学关系模型。第二部分:根据课题组前期研究基础和脑出血的病理生理特点,MIPS能实现对脑出血的整体电导率的测量,而且对脑出血监测具有早期敏感性,但MIPS测量整体电导率的发生机制未知,而且MIPS提前于传统颅内压检测发现脑出血的早期敏感性没有得到合理解释。本课题提出了脑出血磁感应相位移与脑脊液容积变化关系的实验研究,采用了小动物(家兔)的MIPS检测脑出血和MRI SPACE序列扫描脑出血的实验方案,利用医学成像技术和信号处理方法,分析和量化脑出血时脑脊液容积的变化,以量化得到的脑脊液容积和出血量为对象,建立脑脊液容积变化与MIPS之间的统计关系,分析脑脊液容积变化对MIPS的影响。结果表明,MIPS与脑脊液、出血量具有整体相关性(复相关系数R=0.824,P=0.33);对MIPS、脑脊液容积变化和出血量之间的偏相关分析,可知MIPS与脑脊液容积变化的相关性R=0.792(P=0.019),MIPS与出血量的相关性R=0.748(P=0.033),MIPS与脑脊液容积变化的相关性要大于MIPS与出血量的相关性。同时,MIPS监测家兔脑出血存在一个反转点,在反转点之前,脑脊液是MIPS信号变化的主要影响因素,反转点之后出血量是影响MIPS信号变化的主要因素。根据Morno-Kellie原理和脑脊液循环和吸收的代偿规律,MIPS随着脑脊液容积的减少而降低,此时的脑脊液容积减少是由于脑脊液代偿以保持颅内压稳定而造成的,这就使得MIPS比传统颅内压测量能够提前检测到脑出血的发生。第三部分:在MIPS测量家兔脑出血实验基础上,采用了与人脑更接近的大动物(巴马香猪)作为MIPS测量脑出血实验对象,进一步研究MIPS和出血量的定量化关系。实验结果表明,MIPS随着出血量的增加而逐渐降低,这与家兔MIPS监测脑出血的实验结果一致,该结果说明了脑脊液容积变化是MIPS信号变化的主要因素。通过对巴马香猪MIPS信号特征分析,发现出血前后MIPS相位总变化量(M1)与MIPS信号相位波动幅度(M2)之间有显著的相关性(相关系数R=0.965)。对MIPS的曲线进行指数拟合,得到拟合方程,描述了MIPS和出血量之间的数学关系模型。
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【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R743.34;R445.2;TP274

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