基于MIPSS方法检测家兔急性脑缺血的实验研究

摘要

研究背景和目的：脑缺血（cerebral ischemia）是指由一个或者多个原因导致大脑局部或多部位供血不足从而引起组织缺血缺氧以及相应神经系统症状的一种严重的临床疾病。其中，急性发病的脑缺血占比重最大，急性脑缺血具有发病迅速、发病机理复杂、死亡率和致残率高等特点，脑缺血能引起严重的中枢神经系统损害，并将最终导致中风瘫痪。在我国，脑卒中已经逐渐成为居民第一大死亡病因，发病率以每年9％的速度上升，给家庭与社会造成了沉重的负担。由脑缺血发展形成的缺血性脑卒中是脑卒中的第一大类型，约占脑卒中的80%。因此，实时地监测和评价脑缺血的严重程度及病程发展，是脑缺血重症监护及抢救治疗成败的关键。
　　降低脑缺血高死亡率和高致残率的最有效的方法是实现早期诊断和早期治疗。目前，脑缺血的检测诊断主要依靠 Computer Tomography(CT)、Magnetic Resonance Imaging(MRI)以及Positron Emission Tomography(PET)等大型昂贵的影像学设备，但是这类设备庞大笨重、价格高昂，在检查过程中存在检查滞后、无法连续监护等缺点，在某些方面无法满足临床需要。因此，亟需发展一种非接触、小型化、低成本并能实现连续快速检测的无创性脑缺血检查设备，而基于磁感应相位移（MIPS）技术建立的检测系统就完全具备了这些特点，此方法正逐渐发展成为一种新型的检测脑血管疾病的手段。由于生物组织的电导率非常低，MIPS检测的灵敏度相当低，且用于检测的激励信号的频率非常有限，于是在 MIPS检测方法的基础上提出了磁感应相位移谱（MIPSS）的方法。MIPSS检测方法就是将激励信号的频率扩展到一定的频带上，然后在该频带上寻找到 MIPS和频率之间的关系，从而对脑组织病理生理状态进行判断。本文基于MIPSS技术建立检测系统，期望获得频带上的MIPS信息，为急性脑缺血的MIPS检测提供判断基础。
　　本文主要工作：
　　第一部分根据课题组的研究需要，建立了一套基于射频网络分析仪（RFNA）的MIPSS检测系统。MIPSS检测系统主要包括RFNA、传感器线圈、颅内压监护仪、生理信号采集仪、传输线、固定装置等组成部分。该系统以型号为Agilent E5061B射频网络分析仪作为检测系统的信号源、数据采集单元、鉴相和显示单元，为检测系统提供激励信号以及内部软件鉴相的功能；按照实验动物的头颅尺寸设计并绕制了两种不同结构的传感器线圈，一种是平行同轴单激励-接收线圈（single coil-coil），另一种是环形单线圈。自主设计的两种结构传感器线圈均能够实现数据的测量，二者之间的电磁场分布和S参数曲线存在着差异，对于同轴single coil-coil型传感器而言，在测量过程中可以采用传输参数S21和反射参数S11分别进行分析，而环形单线圈主要采用反射参数 S11进行分析。设计两种线圈是为了比较不同结构线圈对于急性脑缺血MIPSS检测时的差异，优选出性能较好的传感器线圈，并为后续研究中传感器优化提供指导；颅内压监护仪用来检测家兔颅内压力，为后续结果分析讨论提供ICP数据；生理信号采集仪用来监测家兔的心电、心率以及脑电信号，以及验证动物急性脑缺血模型的有效性；传输线主要是用来传输激励信号、传输信号以及反射信号；固定装置将家兔头颅以及身体固定在同一位置，保证实验的一致性与稳定性。MIPSS检测系统拥有4个独立的测量通道，每个通道不仅能测量被测物体的传输特性，还能测量其反射特性，数据格式也可以分为幅度、相位、阻抗原图、实部、虚部等，检测的频率范围为100KHz-3GHz，扫描时间为25ms（1000点，中频带宽10KHz），鉴相精度能够达到0.01°，以上条件完全满足了课题研究家兔脑缺血MIPSS实验的需要。
　　第二部分以家兔为实验对象，分别用两种传感器线圈建立的系统进行家兔急性脑缺血MIPSS检测实验。用同轴single coil-coil线圈测量了25只家兔的MIPSS实验数据，用环形单线圈测量了15只家兔的MIPSS数据，两种线圈中的实验动物实验均分为实验组和对照组，实验组又分为单侧颈总动脉结扎组（单侧组）和双侧颈总动脉结扎组（双侧组），测量时间均为1小时，测量的频率范围均为100KHz-500MHz。选取MIPSS数据最理想的频率范围进行分析，将S参数中幅度（绝对值）最大的频率定义为特征频率（CF），而将相位移检测效果最好的频率范围定义为特征频带（FB），特征频带的选取参考了滤波器设计时的截止频率的概念，即频率响应的0.707倍，而特征频带的上下截止频率也是特征频率处幅度的0.707倍所对应的频率。本文中的磁感应相位移采用的是时差抵消法，即在相同背景条件下的被测物前后不同时间段的相位差。在实验过程中用ICP数据和脑电幅度变化等数据作为参考数据，从而实现对MIPSS测量结果在组织病理学上的解释以及对家兔急性脑缺血模型的有效性进行病理学的论证。
　　结论：
　　1、基于射频网络分析仪（RFNA）的 MIPSS检测系统，能够将测量频率扩展到GHz上去，并具有快速采集数据的能力以及较高的鉴相精度，能够满足课题的实验需要。
　　2、用MIPSS检测系统对家兔急性脑缺血模型进行检测，结果显示了MIPSS检测灵敏度具有高度的频率依赖性，在特征频率下测量到的 MIPS数据随缺血时间、缺血程度变化最大，区分最明显。在特征频率下，测量到的 MIPS数据随着缺血时间的增加而逐渐增大，呈近似线性关系；而不同缺血程度（未结扎、单侧结扎、双侧结扎）之间具有明显的统计学差异，MIPS数据随着缺血程度的增大而变大。
　　3、从ICP数据、脑电幅度等数据结果显示与MIPSS测量结果的一致性，说明了MIPSS实验结果的有效性以及该检测系统应用于动物急性脑缺血测量的可行性，同时也说明了MIPSS方法具有作为临床检测脑缺血的潜力。

目录

封面

声明

目录

缩略语表

英文摘要

中文摘要

第一章 前言

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 MIPSS检测急性脑缺血的可行性分析

1.4研究内容

第二章 脑缺血

2.1脑缺血及其病理生理特征[40-41]

2.2脑缺血时脑组织电特性变化

2.3脑缺血的诊断方法

2.4小结

第三章 磁感应相位移谱检测原理与系统

3.1 MI PSS的测量原理

3.2传输线理论

3.3射频网络分析仪的结构与原理

3.4 MIPSS测量系统的构成

3.5小结

第四章 基于MIP SS检测技术的动物实验

4.1家兔脑缺血模型制作

4.2动物实验检测系统

4.3家兔脑缺血MIPSS检测实验操作

4.4同轴传感器实验结果

4.5环形单线圈传感器实验结果

4.6实验结果分析与讨论

4.7小结

总结与展望

文章总结：

下一步工作与展望：

参考文献

文献综述: 脑缺血无创检测的研究进展

硕士研究生期间发表的论文

致谢