基于磁感应相位移技术测量脑血流的实验研究

摘要

脑血管疾病是指脑血流(cerebralbloodflow,CBF)异常而引发的各类脑部疾病，是一种严重危及人类健康和生命的多见病和常发病，具有很高的发病率、致残率、死亡率和复发率，是导致中老年人残疾和死亡的主要疾病之一。全球每年约有460万人死于脑血管病，是导致人类死亡的第二大原因。人脑的新陈代谢旺盛、生理功能复杂、无储备的能源物质，因此脑的耗氧量大，对血液供应的依赖性强。当脑血流异常阻断1～30s，脑细胞会受到一定程度的损害，多数能恢复正常；而当脑血流阻断3～5min时，脑细胞会受到严重损害，少数能恢复；要是脑血流连续阻断30min及以上，脑细胞会完全坏死、丧失功能。目前，临床上没有实时连续监测脑血流的方法和技术，因此，发展一种脑血流实时连续监测技术，对于脑血管疾病的早期预防和诊断有着非常重要的意义。
　　本课题首先研究了磁感应相位移(magneticinductionphaseshift,MIPS)技术的基本原理和脑血流的基本电磁特性，根据该基本理论，针对目前监测脑血流的设备和手段的不足，建立了一套基于磁感应相位移方法的无创非接触脑血流检测系统。系统采用自制的平面线圈传感器，通过高相位稳定度的信号发生器产生激励信号作用于该传感器，将被测头部置于传感器中心，由于电磁感应的作用，周期性变化的脑血流信号受激励磁场的影响，产生扰动的磁场，通过检测线圈接收到扰动的磁场，激励信号和检测信号同时被数据采集卡采集到，送入上位机中。利用LabVIEW软件编程鉴相、存储和显示，与此同时，同步采集心电信号，以便用来标定人体心脏状况的好坏。在脑血流信号处理的过程中，针对基线漂移的特点，分别采用小波变换法、高通滤波法和三次样条插值法去除基线漂移干扰，得到了较好的MIPS信号波形，为MIPS信号的特征提取与统计分析奠定了基础。
　　为验证系统的可行性，作者首先进行了物理模型实验，采用微型泵和橡胶管分别模拟心脏泵血和血管搏动，物理实验结果表明MIPS方法测得的信号代表橡胶管的舒张与收缩，反映了橡胶管搏动的物理机制。为了进一步验证该实验系统检测脑血流的可靠性，课题组选择了10名健康志愿者进行临床实验，由于测得的MIPS信号波形面积，可用来反映受试者脑血流量的变化，作者对测得的信号进行了信号处理及波形面积的计算，以便统计分析同一个体的重复性和不同个体之间的差异。实验结果表明测得的信号波形形状类似于脉搏波，反映了脑血流的周期性变化。通过统计分析同一位受试者的多次重复实验面积数值，如2号受试者的面积均值与方差为0.0254±0.0005266，表明系统对于同一受试者的测量重复性较好；而通过对10名受试者的实验结果进行多重比较，发现10名受试者的实验结果之间具有显著性差异。
　　实验结果表明该系统能够实时监测局部脑血流的变化，反映了局部脑血容量的变化，且系统具有非接触、精度高、灵敏度高、可连续监测等优点，作为一种监测脑血流的新手段,具有潜在的实用价值。

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中文摘要

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的

1.4 研究内容

2 MIPS法测量脑血流的基本原理

2.1 脑血流信号的特点

2.2 MIPS测量脑血流原理

3 脑血流测量系统的建立及参数设置

3.1 脑血流测量系统

3.2 硬件平台组成

3.3 软件平台设计

3.4 实验系统参数设置

4 物理模型模拟脑血流实验

4.1 实验设计

4.2 实验结果分析与讨论

4.3小结与讨论

5 健康志愿者脑血流监测实验

5.1 线圈传感器电磁场强度及其安全限值

5.2 实验方法与步骤

5.3 MIPS信号处理方法

5.4 MIPS与ECG同步采集实验结果

5.5 实验数据处理及分析

5.6 讨论

6 总结与展望

6.1 结论

6.2 后续研究与展望

致谢

参考文献