磁感应相位移技术检测脑出血的实验研究

发布时间：2019-11-10 08:20

【摘要】：研究背景和目的：脑出血（Intracranial Hemorrhage，ICH），是指脑实质内血管破裂导致的出血，是脑卒中的一种，起病急骤、病情凶险、致残率和死亡率非常高。随着当今社会的老龄化以及社会压力的增大，脑出血发病率不断上升。在中国，近年来脑卒中已成为第一大死亡病因，标准化死亡率高居世界之首，正以每年9%的速度上升，每年新发脑卒中患者约200万人，近一半死亡，生存者中约有3/4遗留不同程度的残疾，给国家和众多家庭带来沉重的经济负担，防控形势十分严峻。早期诊断、早期治疗是降低脑出血致死率和致残率的最好方法。当前脑出血的检测主要依靠CT(Computer Tomography)、MRI(Magnetic Resonance Imaging)等大型昂贵的影像学设备，但这些设备不能满足连续监护、现场急救、早期诊断的需要。连续颅内压检测虽然可以做到床旁监护，但是属于有创测量，容易引起感染。因此急需发展一种非接触、无创伤、小型化、低成本、连续快速测量的颅内出血检测设备，而磁感应相位移技术(Magnetic Induction Phase Shift，MIPS)完全具备这些特点，无疑是检测脑血管病最好的手段之一。由于生物组织的电导率很低，导致磁感应测量灵敏度非常低，严重阻碍了该技术在医学上的应用。国内外学者提出了多种提高灵敏度的方法，但是大部分不适合在体脑出血的检测。本课题在此背景上，综合考虑大脑结构以及脑出血的病理生理特点，提出了四种新颖的专门适合于脑出血检测的线圈结构，，旨在提高在体脑出血检测的灵敏度和稳定性。第一部分：根据课题组的实验需要，建立了两套MIPS测量系统。第一套是基于自制的多频点大功率激励源以及鉴相器。设计的激励源可以工作在200KHz，1MHz，10.7MHz，21.4MHz，30.85MHz，40.05MHz，49.95MHz七个频点，信号频率稳定度达到10-8，激励信号功率调节范围为：10mW-2W。经测试输出信号二次和三次谐波失真最坏为-48dB和-56dB，4小时的相位漂移不超过50m°。设计的鉴相器可以测量1MHz，10.7MHz，21.4MHz三频点信号的相位差。经测试，鉴相器相位噪声不超过6m°，4小时的相位漂移不超过30m°，达到或超过了当前国内外MIPS系统的性能。使用自制的MIPS测量系统测量了脑出血物理模型盐水注射和反抽过程中的MIPS变化，结果与国外文献报道一致，表明该系统可以满足实际检测的需要。第二套系统基于购买的信号源和PXI测量平台，信号源可以输出带宽内任意频点信号，结合PXI高速数据采集卡以及编写的LabVIEW相位差测量软件，可以实现对50MHz以下任意频点的相位差测量。经测试，在1MHz和21.4MHz，自制系统的性能要好于PXI测量系统，但PXI系统可以工作在任意频点，两套系统适合不同实验的需要。第二部分：根据大脑结构特点以及脑出血的病理生理特点，综合考虑检测方式等各种因素，设计了四种专门用于脑出血在体检测的线圈结构，分别是对侧半球抵消线圈，同轴线圈，双端激励线圈以及亥姆霍兹线圈。使用CST电磁仿真软件对第一种进行了详细仿真，得到了不同的几何参数、位置参数对灵敏度的影响，并与传统的单个激励线圈和检测线圈结构的灵敏度进行了比较，结果表明对侧半球抵消线圈的灵敏度比传统线圈结构高50倍。使用该线圈又进行了实际的盐水检测实验，结果与仿真一致，表明仿真方法是可信的。最后建立了一个模拟脑出血颅内三种容物相互调节的四层球模型，分别使用四种线圈对该模型在血肿增大过程中的10个时间点进行了仿真测量，得到了四种线圈随血肿体积增大的MIPS曲线。仿真结果与脑出血导致颅脑整体电导率变化的理论分析非常接近。第三部分：建立了家兔自体血注射致内囊出血模型。3ml自体血分快速和慢速两种情况注入。分别使用四种线圈检测注血过程中的MIPS变化。结论：结果表明四种线圈的检测结果与仿真及其相似，且与理论分析较吻合。对四种线圈的检测结果进行了统计分析和比较，发现对侧半球抵消线圈属于表面测量线圈，虽然灵敏度高却只能测量代偿期表层脑脊液的变化，不能测量颅脑深部的出血。同轴线圈对脑深部的出血非常敏感，但是对脑脊液的变化不太敏感，主要因为激励螺线管的轴向匀强磁场区较短，导致兔脑一端脑脊液区磁场强度较弱，可以通过增长激励螺线管的长度，减小其直径来提高轴向匀强场区，使得匀强场区可以覆盖整个兔脑，这样可以对脑脊液和出血都敏感。双端激励线圈检测脑出血的效果较好，对脑脊液和出血均敏感，但对表层脑脊液的变化更敏感，因为采用上下两个激励线圈，可以对颅脑上表面和下表面的脑脊液都较敏感，不像对侧半球抵消线圈只能测量脑上表面脑脊液的变化。亥姆霍兹线圈和同轴线圈一样属于均匀磁场测量，但其轴向磁场均匀度要好于同轴线圈。亥姆霍兹线圈结构又与双端激励线圈类似，因此对上下脑脊液的变化均敏感，适合于代偿期脑脊液变化的检测。但是在耗尽期结果不一致，原因主要是亥姆霍兹线圈的直径较大，很难保证每只动物的注血点都位于中心轴上同一位置。对于实际脑出血的检测，真正有意义的是能测量代偿期脑脊液的变化，因此双端激励线圈以及亥姆霍兹线圈是较好的选择。但是如果改善同轴线圈的结构，提高轴向匀强场区，同轴线圈也是非常好的脑出血检测线圈。如果能把对侧半球抵消的思想跟这三种线圈结构综合起来，灵敏度会更高。检测方位对测量也有影响。水平方向检测会使兔脑后部的延髓池和脊髓管都被激励磁场检测到，对MIPS产生影响，而在代偿期，脑脊液被排出后大部分会回流到这些区域，因此这些区域靠近检测区会导致脑脊液总量变化较小，使得测量灵敏度低。此外水平方向测量受心率、呼吸的影响更大。垂直方向检测会将减小这些因素带来的影响。实际脑出血检测应尽量采取垂直方位。此外弥散性出血需要匀强磁场测量才能有较好的对应关系，因此可以使用同轴线圈和亥姆霍兹线圈测量。
【图文】：

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图 1.1 MIPS 测量原理示意图图 1.2 MIPS 磁场向量图MIPS 测量原理如图 1.1 所示，采用一定频率的交流电流通过一个激励线圈产生交变磁场，让交变磁场通过被测物体，由于电磁感应的作用，被测物体内会产生感应电流，感应电流又会产生感应磁场；该感应磁场的强度与被测物体的电导率相关，可以通过检测感应磁场来反映物体电导率的情况。由于感应磁场的强度比主磁场弱很多，直接检测感应磁场的幅度来检测电导率的变化比较困难。当前国内外研究组普遍采用检测感应磁场和主磁场之间的相位变化。由于感应磁场和主磁场叠加在一起形成一个叠加磁场，该叠加磁场的相位相对于主磁场的相位发生了偏移，该相位偏移即磁感应相位移（MIPS）与被测物体的电导率成正比，与信号频率成正比，因此只要检测出MIPS 就可以得到物体电导率的信息。因此只要用一个接收线圈接收叠加磁场信号，再测量出接收线圈信号与激励线圈信号的相位差即可，相对于幅度测量，相位差的测量更加方便准确。具体理论如下：根据 Griffiths 等人的研究理论[13]，如果电磁场在被2

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【参考文献】