基于微波技術(shù)的大腦介電常數(shù)和導(dǎo)電性檢測方法的研究.pdf

1、在神經(jīng)內(nèi)、外科，腦血腫和腦水腫都是很常見的危重病情，如果治療不及時(shí)，都可能給病患造成嚴(yán)重的后果。目前，常規(guī)推薦用于大腦檢測的方法，有CT、核磁共振成像等，都具有成像分辨率高等特點(diǎn)。但是這些方法都無法獲取腦血腫和腦水腫的動(dòng)態(tài)變化信息，且需要昂貴的檢測設(shè)備、非常專業(yè)的操作人員、大量的時(shí)間，甚至還需要將病人移動(dòng)到放射室，這會(huì)造成病患的不適和潛在的風(fēng)險(xiǎn)。因此臨床需要一種新的無創(chuàng)、成本低廉、操作簡便、設(shè)備可攜帶化、以及可安置在救護(hù)車上進(jìn)行提前檢測

2、和臨床實(shí)時(shí)監(jiān)測的檢測方法。
　　目前，大腦無創(chuàng)檢測的研究領(lǐng)域中，主要方法有近紅外光譜技術(shù)、電阻抗斷層成像技術(shù)和微波成像技術(shù)。但是近紅外光譜技術(shù)的缺點(diǎn)是穿透深度不夠，很難到達(dá)大腦深處；電阻抗斷層成像的電流受到頭骨的影響，造成其成像的精確度不夠高；因?yàn)槲⒉ㄔ诖竽X內(nèi)部會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的散射和反射，所以在檢測穿透大腦的微波信號(hào)時(shí)，需要數(shù)量較大且靈敏度高的天線陣列，另外復(fù)雜的重構(gòu)算法，和較長的計(jì)算時(shí)間，都阻礙了微波斷層成像技術(shù)的發(fā)展。上述的缺

3、陷導(dǎo)致了這些技術(shù)研究多年始終未能應(yīng)用在臨床上。
　　雖然微波斷層成像受限于算法、計(jì)算能力等的缺點(diǎn)，但是微波具有高的頻率分辨率、高敏感度和高精確度等特點(diǎn)，且基于微波的檢測技術(shù)能夠評(píng)估大腦的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。大量研究表明，腦出血的血塊的介電常數(shù)比大腦正常組織的介電常數(shù)大很多，腦水腫的病變部位的導(dǎo)電率和大腦組織的導(dǎo)電率也具有明顯的差異，這對(duì)微波檢測技術(shù)檢測腦血腫和腦水腫提供了理論依據(jù)。另外，介電常數(shù)和導(dǎo)電率也能夠反應(yīng)重要的顱內(nèi)生理病理信

4、息，所以對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的檢測，也是為臨床提供了一個(gè)全新的視角來觀察大腦疾病。所以研究檢測大腦介電常數(shù)和導(dǎo)電率的檢測方法具有重大的研究意義。
　　鑒于微波檢測技術(shù)的缺點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，本文在國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：11532004）的支持下，研究一種新的基于微波技術(shù)的大腦檢測方法。該方法將大腦視為一個(gè)整體而進(jìn)行檢測，避免了復(fù)雜的重構(gòu)算法和需要消耗大量運(yùn)算時(shí)間，充分發(fā)揮微波技術(shù)的高敏感度和高精確度的特點(diǎn)。本研究的研究步驟如下：①設(shè)計(jì)同軸線

5、耦合圓柱型波導(dǎo)的傳感器，大尺寸的圓柱型波導(dǎo)能將大腦罩住，微波進(jìn)入大腦后的散射和反射信號(hào)都能夠被波導(dǎo)全部接收，提高了檢測結(jié)果的精確度。②利用軟件HFSS進(jìn)行電磁場有限元仿真，利用仿真結(jié)果定性的觀察該檢測方法是否具有檢測大腦介電常數(shù)的可行性；優(yōu)化檢測傳感器中同軸線內(nèi)徑的尺寸和形狀，使微波傳感器能夠達(dá)到最佳工作狀態(tài)；根據(jù)仿真結(jié)果的電磁場的分布，為后續(xù)的理論公式的推導(dǎo)指明方向。③為了能夠準(zhǔn)確、方便、有效的對(duì)檢測裝置進(jìn)行評(píng)估，通過3D打印技術(shù)，研

6、制出能夠模擬腦水腫和腦血腫的介電特性的物理模型。④基于本文提出的檢測裝置，對(duì)介電常數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，并通過本文提出的檢測裝置對(duì)3D腦血腫物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，通過對(duì)比檢測結(jié)果和理論值，評(píng)估本文提出的檢測裝置和方法對(duì)介電常數(shù)檢測的靈敏度和精確度。⑤對(duì)導(dǎo)電率的計(jì)算公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，并對(duì)3D腦水腫物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，對(duì)比檢測結(jié)果和理論值，進(jìn)而評(píng)估該檢測裝置和方法對(duì)導(dǎo)電率檢測的靈敏度和精確度。
　　本文主要成果如下：
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7、提出一種新型的微波傳感器，用于檢測大腦的介電特性。在當(dāng)前的科研和臨床中，利用微波檢測整體組織的介電常數(shù)的方法主要是透射法和反射法，但是透射法只能根據(jù)檢測得到的幅值和相位對(duì)被測樣本進(jìn)行定性分析，無法得到準(zhǔn)確的介電常數(shù)和導(dǎo)電率的值；而反射法的檢測范圍較小，只能檢測局部組織的介電參數(shù)，無法全面的評(píng)估大腦的情況。本檢測傳感器由同軸線和圓柱型波導(dǎo)組成，微波信號(hào)的發(fā)生、檢測和顯示部分采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。在圓柱型波導(dǎo)和大腦之間采用一種匹配介質(zhì)填充，用

8、以減少微波在大腦和空氣的交界面上的反射。微波從同軸線耦合進(jìn)入圓柱型波導(dǎo)，然后通過研究波導(dǎo)內(nèi)部的電磁場和人體大腦的相互影響以評(píng)估大腦的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。根據(jù)軟件HFSS的有限元仿真結(jié)果確定了同軸線內(nèi)導(dǎo)體的形態(tài)和尺寸，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。
　　②提出一種新的基于3D打印技術(shù)的模擬腦水腫、腦血腫的介電特性的物理模型。目前用于電磁波研究的物理模型都是單層單一材料模型，無法有效地模擬出大腦組織復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)。而采用相同大腦尺寸的動(dòng)物模型具

9、有成本高、制作難度大、難以精確控制模型介電參數(shù)等缺點(diǎn)。本文采用的基于3D打印技術(shù)的模擬大腦的介電性能的物理模型，能夠模擬大腦多層結(jié)構(gòu)、非均勻電介質(zhì)的特點(diǎn)，且能夠模擬出大腦灰質(zhì)、白質(zhì)和病變部位的結(jié)構(gòu)形態(tài)、介電常數(shù)和導(dǎo)電率等參數(shù)。該物理模型具有制作方便、成本低，能夠精確控制各項(xiàng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點(diǎn)，能應(yīng)用于各種研究大腦介電參數(shù)的領(lǐng)域。本研究采用這種物理模型進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，并對(duì)檢測裝置和方法進(jìn)行評(píng)估。
　?、厶岢雠c該檢測裝置相匹配的計(jì)算介

10、電常數(shù)的兩種方法。方法一，在頻域上，從幅值對(duì)應(yīng)頻率的S11波形圖上，可以觀察到隨著腦血腫血塊的增大，即大腦介電常數(shù)也變大，檢測得到的共振頻率則向左偏移。結(jié)合電磁學(xué)波導(dǎo)理論和邊界條件，推導(dǎo)出根據(jù)共振頻率計(jì)算相對(duì)介電常數(shù)的理論公式。方法二，在時(shí)域上，檢測得到的幅值對(duì)應(yīng)時(shí)間的S21波形圖上，兩個(gè)波峰之間相距的長短可以理解為波群在圓柱型波導(dǎo)內(nèi)傳播固定距離所需要的時(shí)間。當(dāng)大腦介電常數(shù)發(fā)生改變時(shí)，前兩個(gè)峰值相距的時(shí)間長短也隨著改變，即微波在波導(dǎo)內(nèi)傳

11、播的時(shí)間發(fā)生改變，進(jìn)而可以求得波群在波導(dǎo)內(nèi)的傳播速度。結(jié)合波群在圓柱型波導(dǎo)內(nèi)傳播速度的理論，推導(dǎo)出大腦相對(duì)介電常數(shù)與波群在波導(dǎo)內(nèi)速度的關(guān)系。
　　④提出與該檢測裝置相匹配的計(jì)算導(dǎo)電率的兩種方法。方法一，隨著腦水腫程度的加深，導(dǎo)電率增大，波導(dǎo)內(nèi)電阻抗所造成的損耗也會(huì)增大。從檢測得到幅值對(duì)應(yīng)頻率的S21波形圖上，可以觀察到隨著導(dǎo)電率的增大，共振波峰的幅值會(huì)變小，波峰從尖銳逐漸變得平滑。結(jié)合共振腔品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算方法，推導(dǎo)出根據(jù)有載品質(zhì)因

12、數(shù)計(jì)算被測大腦導(dǎo)電率的理論公式。方法二，在時(shí)域上的幅值對(duì)應(yīng)時(shí)間的S21波形圖上，也可以觀察到微波在波導(dǎo)內(nèi)傳播同樣的距離幅值損耗會(huì)增大，進(jìn)而可以推導(dǎo)出微波傳播固定距離的損耗與導(dǎo)電率的理論關(guān)系。
　　最后，利用本文提出的檢測裝置和方法對(duì)腦血腫、腦水腫物理模型進(jìn)行檢測，對(duì)比實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果與真實(shí)值，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的介電常數(shù)和導(dǎo)電率與對(duì)應(yīng)的真實(shí)值能夠吻合，驗(yàn)證了理論公式的正確性。對(duì)比結(jié)果還表明，本文提出的大腦介電常數(shù)和導(dǎo)電率的檢測方

13、法具有很高的準(zhǔn)確性，特別是在利用頻域下的理論計(jì)算公式檢測介電常數(shù)的誤差小于0.645％，利用時(shí)域下的理論計(jì)算方法監(jiān)測大腦導(dǎo)電率的變化量時(shí)，其最大誤差為1.821%。本文提出的微波傳感器對(duì)于大腦物理模型中介電常數(shù)和導(dǎo)電率的變化也非常敏感，本研究實(shí)驗(yàn)中該檢測裝置成功檢測到血腫體積1毫升變化。理論上，因?yàn)槲⒉ㄏ嚓P(guān)儀器對(duì)頻率具有非常高的分辨率，所以該檢測裝置還有潛力達(dá)到更高的檢測精度和靈敏度。綜上所述，本文提出一種具有高靈敏度和高精確度的，能夠