低频电流激励下脑电阻抗的电磁特性及应用研究

发布时间：2020-03-20 01:42

【摘要】：生物电阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量。生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术，具有快速、简捷、成本低廉、安全等特点。 在临床医学上，脑卒中(脑梗塞和脑出血，Brain infarct and cerebral hemorrhage)是近年国内发病率和死亡率均进入前三位的常见致死性病变。抢救是否及时，是挽救生命和减少后遗症的关键。 脑水肿(Brain oedema)是脑组织对不同病因(如缺血、出血、损伤、中毒、炎症、肿瘤等)损伤所引起的病理反应，也是脑部疾病患者病情加重，乃至致死的最常见的并发症之一。脑出血后血肿及周围组织水肿是引起脑出血患者死亡的两个最重要的原因。临床上脑出血患者血肿周围组织水肿治疗的前提是对脑水肿程度进行准确的监测。目前常用的脑水肿检测手段有无创和有创两类，前者以CT(Computed Tomography)、MRI(Magnetic resonance imaging)为代表，但此类方法高额的费用和患者运送困难等使之不能成为常规检测手段，特别是不能进行床旁实时测定，对病情演变的及时判断及治疗方案帮助有限。后者通过如腰穿刺或硬膜外置探头测定颅内压来反映脑水肿程度，具有危险性及有创性更使之不能成为常规检测手段，从而失去了监护作用。因此，研究一种无创、床旁使用，能连续监护脑部功能性和结构性病变的方法及设备，是一个极富挑战性的课题。 首先，本文分析了脑水肿和脑出血与脑电阻抗的关系以及国内外生物电阻抗技术的研究现状，提出了本文所要做的主要工作。 其次，本文进行了一维脑电阻抗测量方法颅骨透电率的研究，通过动物试验证明低频电流(50kHz，1mA)可以透过导电性能不佳的颅骨。这样，为无创性的脑电阻抗测量奠定了基础，为研究脑水肿、脑出血与脑电阻抗的关系提供了可靠的实验数据。利用一维头颅电阻抗测量法在临床上进行了试验，试验证明利用一维头颅电阻抗测量法可以判断脑水肿、脑出血发生的左右区间。但缺陷是不能准确确定脑水肿、脑出血的位置和病灶的大小。 在针对一维脑电阻抗测量方法的缺陷以及现有的脑水肿、脑梗塞检测方法分析的基础上，我们提出了一种新的监测方法——脑电阻抗地形图法(Brain Electrical Impedance Mapping，BEIM)。文中定义了脑电阻抗地形图的概念，对脑电阻抗地形图与脑血流图(Resistance Electrical Graph，REG)、电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)在概念上进行了区分，与电阻抗断层成 重庆大学博士论文 像在电极安放方式上进行了比较，指出脑电阻抗地形图是一种将测量的脑电阻抗 分布信息直接进行显示的方式，，而不是重构成像。同时对脑电阻抗地形图的硬件 设计、软件设计和地形图的绘制算法进行了详细描述。通过脑电阻抗地形图法的 临床试验，我们提出的脑电阻抗地形图法创新之处在于:1、相对于CT、M租、 EIT来说简单实用;2、可以随时对瞬时脑水肿的范围和程度进行判断;3、可以 获知脑水肿或脑出血的大概位置;4、能够床旁监测水肿的演变状况，而且能够随 时对病人进行临床监护;5、了解实时的水肿演变信息，为医生在脑卒中发生和发 展的数周内的治疗与用药提供了参考。 另外，根据电磁场理论和电网络理论知识建立了脑电阻抗的三维模型，利用 建立的脑阻抗模型对脑电阻抗测量模式分别进行了分析计算。在四电极系统中设 定了五种情形进行了分析:l、扰动点位置与电流注入点之间关系的分析;2、均 匀背景与非均匀背景的比较分析;3、扰动点阻抗值增大的分析;4、扰动点阻抗 值减小的分析;5、扰动点面积增大的分析。通过分析为本文提出的脑电阻抗地形 图法提供了理论支持。在二电极系统中设定了三种情形进行了分析:1、扰动点阻 抗值增大及扰动点面积增大的分析;2、扰动点阻抗值减小及扰动点面积增大的分 析;3、接触电阻对测量结果影响分析。经过通过分析指出测量电阻抗的最佳方式 是四电极系统法。 最后，指出了脑电阻抗地形图法存在的缺陷和需要改进的问题及方法。
【图文】：

为了避免接触电阻的影响，测量电阻抗的最佳方式是四电极系统。这种电极系统中的一对电极专门用来向人体组织提供电流，另一对电极则专门用来进行电位测量如图2一1所示。由于流经电位差测量电极对的电流几乎为零，因此接触电阻对于人体组织电阻抗测量的影响可以忽略l’5]。图2Fig2.1测量示意图Metriealsketehmap从电磁场理论出发，脑电阻抗测量可表示为以下的边值问题:V.oV必=O。犷_口必O—二J。口n住S(2一l)式中是以S为边界的场域，a(x，y)和甲(x，y)分别是场域v中的电导率分布和电位分布，Js“流入场域边界的电流密度，器”边界电位的法线方向导数。当从A、B两个电极向场域提供电流I时

1969年Rush和Driscon在基于同心球模型上计算了在头颅中的电流密度分布;1993年Pui球onen和Malmivuo分别从注入电流的夹角为200、400、600、1200以及1800重新进行了计算，其结果如图2.2所示[47‘561。(b)
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：R35

【引证文献】

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1 程星星;基于生物电阻抗方法的颅内压无创检测仪器系统的原理与实现[D];重庆大学;2010年

本文编号：2591042