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颅内血肿水肿的生物电阻抗检测技术及初步实验研究

霍旭阳

   颅内疾病如脑出血、脑梗塞及各种原因引起的脑水肿,严重威胁患者的生命安全,具有较高的致残率和致死率,早诊断、早治疗是改善预后、降低致残致死率的关键。但是,目前还缺乏一种无创的辅助诊断技术与设备,用于对颅内血肿水肿进行早期、实时的监测。 既往研究已表明,颅内血肿水肿时颅内组织的电阻抗将发生改变,显示出应用生物电阻抗测量技术检测颅内血肿水肿的研究价值和应用潜力。但由于颅骨的电阻率较高,在颅外只能无创检测到微弱的电阻抗变化,增加了检测的难度。 目前国外的研究大都在开颅状态下进行动物实验,没有设计专门的电阻抗测量系统;虽然国内有研究者设计了一套测量系统,但是该系统采用两电极法测量电阻抗,电极皮肤接触阻抗对测量结果有较大影响。因此,在现有的研究基础上,克服电极皮肤接触阻抗的影响,提高测量系统的检测精度,并将其应用于颅内血肿水肿的监测,成为进一步研究的关键问题。 本论文以应用无创生物电阻抗技术检测颅内血肿水肿为研究对象,在分析国内外研究现状的基础上,针对头部无创生物电阻抗检测技术中存在的关键问题,结合本课题组的实际情况与工作需要,主要进行了三方面的研究工作:通过仿真研究,提出了一种较为适用于头部电阻抗测量的电极配置方案;基于四电极电阻抗测量方法,设计了一套电阻抗测量系统;并应用该系统,进行了初步的动物和人体实验。具体包括: ○1 .对电极配置方案进行了软件仿真研究。设计了两种电极配置方案,方案一采用四电极法测量电阻抗,共有6个电极,将激励电极配置在头部正中线、两个通道的测量电极分别对称配置在激励电极的左右两侧;方案二采用两电极法测量电阻抗,共有4个电极,电极同时作为激励和测量电极,将这些电极对称配置在头部的左右两侧。软件仿真结果表明,方案一对测量区域内的电阻抗变化更为敏感;而且方案二采用两电极法测量电阻抗,受到电极-皮肤接触阻抗的影响较大,而方案一则采用四电极电阻抗测量法,可以减少电极皮肤接触阻抗的影响,所以本研究采用电极配置方案一,应用四电极法测量头部双侧的电阻抗。 在软件仿真研究的基础上,还提出了两个数据分析指标,用于对颅内的电阻率扰动进行动态的分析和评估。 ○2 .针对目前已有设备采用两电极法测量电阻抗、受到接触阻抗影响较大这一问题,基于四电极电阻抗测量方法,设计了一套双通道的、具有较高测量精度的多频电阻抗测量系统。该系统具有以下的特性: 1)设计有两个测量通道,可以测量头部两侧的生物电阻抗; 2)采用直接数字频率合成技术设计激励信号源,采用正交数字解调技术解调生物电阻抗信息,提高了系统的测量精度; 3)激励信号工作频率可以在5~300kHz之间程控选择,激励电流强度可以在0~1mA之间程控选择; 4)在全部的工作频率范围内,系统的共模抑制比可以达到80dB以上; 5)整个系统集成在一个机箱内,实现了系统的一体化、小型化,便于移动和进行床旁检测,配合专门编写的应用软件,具备很强的实用性。 ○3 .使用设计的电阻抗测量系统,进行了初步的动物实验。实验动物采用家兔,主要进行了两种动物实验: 1)脑出血动物模型实验。使测量系统的两个测量通道分别测量动物头部左右两侧的、体表电极提取的电阻抗变化。采用自体血注入法制作脑出血动物模型,观察注入血液前后,头部两侧的电阻抗变化。结果表明,注入血液后,注血侧的电阻抗上升了大约0.91%,而对侧的电阻抗上升了大约0.45%。 2)脑水肿动物模型实验。使测量系统的两个测量通道分别测量动物头部左右两侧的电阻抗变化,使用固定在颅骨上的颅钉,作为测量电极。采用光化学诱导法制作脑梗塞动物模型,观察脑梗塞及随后的脑水肿过程中的电阻抗变化。可以观察到光照15分钟后,电阻抗开始升高,光照30分钟后停止,光照侧的电阻抗上升了大约1.5%,之后电阻抗持续上升,90分钟后光照侧的电阻抗上升了大约4%,对侧的电阻抗也呈现出上升的趋势,上升幅度大约是光照侧的一半。 通过脑出血和脑水肿模型实验,表明颅内血肿水肿时,电阻抗呈现出上升的趋势,这就提示了应用本测量系统、无创检测颅内血肿水肿发展程度的可行性。 ○4 .使用设计的电阻抗测量系统,进行了初步的健康人体头部电阻抗测量实验。实验结果表明,该系统可以测量到健康人的头部电阻抗的变化。由于健康人不存在颅内血肿水肿等病变,所以没有直接观察到由颅内血肿水肿引起的电阻抗变化;但是,该系统可以检测到由人体的心脏跳动、深呼吸引起的微弱的头部电阻抗变化,为将该系统应用于颅内血肿水肿病人的临床检测打下了基础。 本论文的主要特色与创新之处包括: 对电极配置方案进行了仿真研究,提出了一种较为适合于头部电阻抗测量的电极方案。 基于四电极电阻抗测量方法,针对检测颅内血肿水肿的需要,研制了一套高性能、双通道多频电阻抗测量系统。并在设计过程中,提出了一种自动动态调整模拟放大倍数的方法,和校准电阻抗测量结果的方法。 在软件仿真的基础上,提出了2个反映电阻率扰动的数据分析指标:总体变化指数和对称变化指数。经过初步的动物实验证实,可以使用这两个指标,依据相应的评判标准,对颅内血肿水肿的发展程度进行评估。 本论文在软件仿真研究的基础上,提出了一种较为适合于头部电阻抗测量的电极配置方案和2个反映电阻率扰动的数据分析指标:总体变化指数和对称变化指数。基于四电极电阻抗测量方法,针对检测颅内血肿水肿的需要,研制了一套高性能、双通道多频电阻抗测量系统。初步的动物实验表明,可以应用本测量系统无创、灵敏的检测到颅内血肿水肿引起的电阻抗变化。在健康人体试验中,使用本系统可以观察到由人体的心脏跳动和深呼吸引起的电阻抗波动,表明无创生物电阻抗测量技术也可以应用于人体的头部电阻抗测量。本论文的研究成果为应用无创生物电阻抗技术监测颅内血肿水肿打下了坚实的基础。……   
[关键词]:生物电阻抗;无创监测;颅内血肿;脑梗塞;脑水肿
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:第四军医大学2007年
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