超声波颅内压无创监测仪的设计、仿真与实现

摘要

正常人的颅腔内存在着一定的压力，称为颅内压，颅内压必须保持在一定的范围内。脑外伤、脑水肿和脑肿瘤等颅脑疾病都会导致颅内压异常升高，颅内压升高是颅脑疾病的早期信号和造成患者死亡的重要因素，且颅脑手术危险性较大，因此实时掌握颅内压的变化，及时把握颅脑手术的最佳时机，对挽救患者的生命至关重要。
　　目前临床上常见的颅内压有创监测法会对患者造成一定的副损伤，且存在易交叉感染等缺陷。所以，非介入式的无创监测法受到重视，并已成为目前颅内压监测的研究热点和发展方向。已有的无创监测法都是间接地测量颅内压，即以一个较易监测又与颅内压紧密相关的对象作为监测目标，由此导致无创监测法最大的难点在于建立颅内压值的精确计算模型，而且其测量结果受诸多生理、环境参数的影响，难以保证精度。另外，随着交通事故、工伤救治、突发事故等野外事故现场救治的需求越来越多，很多情况下都要求在救治现场以及送医途中对颅内压进行实时在线无创监测，这就提出了颅内压的便携移动操作和实时在线监测等要求，而目前已有的颅内压监测法都难以实现在事故现场或送医途中的便携移动操作和实时在线监测等目标。因此，针对目前颅内压监测的现状及存在的问题，根据超声波技术的优点提出一种基于声弹性效应的颅内压无创监测新方法具有重要的研究价值和临床意义。
　　声弹性效应在固体残余应力检测中已有一些研究和初步应用，但脑组织属于软物质，要将超声波声弹性效应应用于颅内压，即脑组织的应力检测还需要进行一些探索性研究和解决一系列的问题。论文将围绕超声波在脑组织中的传播特性、脑组织的声弹性效应、仿真模型实验及临床实验等问题展开理论探索和实验研究。论文中的主要工作和结论如下：
　　①详细研究和总结了目前大多数颅内压主流监测法的优缺点，并针对国内外关于颅内压无创监测的现状及目前颅内压监测中所存在的问题，将超声波应力检测技术移植到医学监测领域，提出了基于超声波声弹性效应的颅内压无创监测法。
　　②根据人体颅脑的生理结构及颅内压产生的力学机制，提出了颅脑的简化物理模型，并采用了生物力学中的连续介质假设对脑组织的本构模型进行了相关的简化。
　　③根据颅脑组织的生物力学特性确定了仿真模型实验所需的仿真实验材料及超声波的各项参数，并设计了一个验证实验对仿真实验材料的声弹性效应进行了初步验证。结果证明了，软物质和固体一样具有较好的声弹性效应。
　　④根据超声波颅内压无创监测法的基本思想和整体方案，设计了一个与颅脑真实力学性能相仿的仿真模型实验，并对颅脑仿真模型进行了三维有限元建模和采用声弹性理论进行了仿真计算，把理论计算值与实验测得值进行了对比验证。由结果可知，仿真计算值与模型实验结果能够较好地吻合，其最大误差不超过5％，从而在理论方法上证明了声弹性效应用于颅内压无创监测的可行性。
　　⑤根据仿真模型实验中得到的结果和结论，设计了全数字化的颅内压无创监测仪样机，并对样机进行了初步临床实验，临床实验的结果证明了超声波颅内压无创监测法的有效性和实用性。

目录

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目录

1 绪 论

1.1课题研究的背景

1.2颅内压监测的研究现状及发展趋势

1.3超声波应力检测技术

1.4本文工作的主要内容及研究意义

1.5本章小结

2 脑组织的声弹性效应及其本构模型简化研究

2.1颅脑组织的生物力学特性

2.2超声波在脑组织中的传播规律和特性

2.3颅脑结构的简化物理模型

2.4脑组织中的声弹性效应

2.5脑组织本构模型的简化研究

2.6颅脑组织的力学性能仿真研究

2.7本章小结

3 基于声弹性颅内压无创监测仿真模型实验研究

3.1颅内压无创监测仿真模型实验设计

3.2仿真模型实验的有限元分析

3.3结论和讨论

3.4本章总结

4 超声波颅内压无创监测仪的设计与实现

4.1超声波颅内压无创监测仪的要求

4.2超声波颅内压无创监测法的整体方案设计

4.3超声波颅内压无创监测仪的硬件系统设计

4.4超声波颅内压无创监测仪的软件设计及架构

4.5颅内压监测仪样机反向验证实验

4.6本章小结及结论

5 临床实验及临床数据分析

5.1超声波颅内压无创监测仪样机操作规程

5.2与颅内压有创监测法的对比研究

5.3与正常人的监测数据对比研究

5.4服药前后监测结果对比

5.5临床实用监测病例

5.6结论和讨论

5.7本章小结

6 结论与展望

6.1本文研究工作总结

6.2本文创新点及关键问题

6.3结论及存在的问题

6.4下一步研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果目录：

C. 作者在攻读博士学位期间获得的奖项：

D. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目：