顱內(nèi)血腫水腫的生物電阻抗檢測技術(shù)及初步實驗研究.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，目前還缺乏一種無創(chuàng)的輔助診斷技術(shù)與設(shè)備，用于對顱內(nèi)血腫水腫進行早期、實時的監(jiān)測。 既往研究已表明，顱內(nèi)血腫水腫時顱內(nèi)組織的電阻抗將發(fā)生改變，顯示出應(yīng)用生物電阻抗測量技術(shù)檢測顱內(nèi)血腫水腫的研究價值和應(yīng)用潛力。但由于顱骨的電阻率較高，在顱外只能無創(chuàng)檢測到微弱的電阻抗變化，增加了檢測的

2、難度。 目前國外的研究大都在開顱狀態(tài)下進行動物實驗，沒有設(shè)計專門的電阻抗測量系統(tǒng)；雖然國內(nèi)有研究者設(shè)計了一套測量系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)采用兩電極法測量電阻抗，電極皮膚接觸阻抗對測量結(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，提高測量系統(tǒng)的檢測精度，并將其應(yīng)用于顱內(nèi)血腫水腫的監(jiān)測，成為進一步研究的關(guān)鍵問題。 本論文以應(yīng)用無創(chuàng)生物電阻抗技術(shù)檢測顱內(nèi)血腫水腫為研究對象，在分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對頭部

3、無創(chuàng)生物電阻抗檢測技術(shù)中存在的關(guān)鍵問題，結(jié)合本課題組的實際情況與工作需要，主要進行了三方面的研究工作：通過仿真研究，提出了一種較為適用于頭部電阻抗測量的電極配置方案；基于四電極電阻抗測量方法，設(shè)計了一套電阻抗測量系統(tǒng)；并應(yīng)用該系統(tǒng)，進行了初步的動物和人體實驗。具體包括： 1．對電極配置方案進行了軟件仿真研究。設(shè)計了兩種電極配置方案，方案一采用四電極法測量電阻抗，共有6個電極，將激勵電極配置在頭部正中線、兩個通道的測量電極分別對稱

4、配置在激勵電極的左右兩側(cè)；方案二采用兩電極法測量電阻抗，共有4個電極，電極同時作為激勵和測量電極，將這些電極對稱配置在頭部的左右兩側(cè)。軟件仿真結(jié)果表明，方案一對測量區(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，還提出了兩個數(shù)據(jù)

5、分析指標，用于對顱內(nèi)的電阻率擾動進行動態(tài)的分析和評估。 2．針對目前已有設(shè)備采用兩電極法測量電阻抗、受到接觸阻抗影響較大這一問題，基于四電極電阻抗測量方法，設(shè)計了一套雙通道的、具有較高測量精度的多頻電阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下的特性： 1) 設(shè)計有兩個測量通道，可以測量頭部兩側(cè)的生物電阻抗； 2) 采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計激勵信號源，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)的測量精度； 3

6、) 激勵信號工作頻率可以在5~300kHz之間程控選擇，激勵電流強度可以在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到80dB以上； 5) 整個系統(tǒng)集成在一個機箱內(nèi)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化、小型化，便于移動和進行床旁檢測，配合專門編寫的應(yīng)用軟件，具備很強的實用性。 3．使用設(shè)計的電阻抗測量系統(tǒng)，進行了初步的動物實驗。實驗動物采用家兔，主要進行了兩種動物實驗： 1) 腦出血動

7、物模型實驗。使測量系統(tǒng)的兩個測量通道分別測量動物頭部左右兩側(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動物模型，觀察注入血液前后，頭部兩側(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％，而對側(cè)的電阻抗上升了大約0.45％。 2) 腦水腫動物模型實驗。使測量系統(tǒng)的兩個測量通道分別測量動物頭部左右兩側(cè)的電阻抗變化，使用固定在顱骨上的顱釘，作為測量電極。采用光化學誘導(dǎo)法制作腦梗塞動物模型，觀察腦梗

8、塞及隨后的腦水腫過程中的電阻抗變化?？梢杂^察到光照15分鐘后，電阻抗開始升高，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％，對側(cè)的電阻抗也呈現(xiàn)出上升的趨勢，上升幅度大約是光照側(cè)的一半。 通過腦出血和腦水腫模型實驗，表明顱內(nèi)血腫水腫時，電阻抗呈現(xiàn)出上升的趨勢，這就提示了應(yīng)用本測量系統(tǒng)、無創(chuàng)檢測顱內(nèi)血腫水腫發(fā)展程度的可行性。 4．使用設(shè)計的電阻抗測量系統(tǒng)，進

9、行了初步的健康人體頭部電阻抗測量實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以測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)可以檢測到由人體的心臟跳動、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打下了基礎(chǔ)。 本論文的主要特色與創(chuàng)新之處包括： 對電極配置方案進行了仿真研究，提出了一種較為適合于頭部電阻抗測量的電極方案。

10、 基于四電極電阻抗測量方法，針對檢測顱內(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量系統(tǒng)。并在設(shè)計過程中，提出了一種自動動態(tài)調(diào)整模擬放大倍數(shù)的方法，和校準電阻抗測量結(jié)果的方法。 在軟件仿真的基礎(chǔ)上，提出了2個反映電阻率擾動的數(shù)據(jù)分析指標：總體變化指數(shù)和對稱變化指數(shù)。經(jīng)過初步的動物實驗證實，可以使用這兩個指標，依據(jù)相應(yīng)的評判標準，對顱內(nèi)血腫水腫的發(fā)展程度進行評估。 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量的電極配置方案和2個反映電阻率擾動的數(shù)據(jù)分析指標：總體變化指數(shù)和對稱變化指數(shù)。基于四電極電阻抗測量方法，針對檢測顱內(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量系統(tǒng)。初步的動物實驗表明，可以應(yīng)用本測量系統(tǒng)無創(chuàng)、靈敏的檢測到顱內(nèi)血腫水腫引起的電阻抗變化。在健康人體試驗中，使用本系統(tǒng)可以觀察到由人體的心臟跳動和深呼吸引起的電阻抗波動，表明無創(chuàng)生物電阻抗測量技術(shù)也可以應(yīng)用于人體的頭部電阻抗測量。本論文的研究成果為