【摘要】：在神經(jīng)內(nèi)、外科,腦血腫和腦水腫都是很常見的危重病情,如果治療不及時,都可能給病患造成嚴重的后果。目前,常規(guī)推薦用于大腦檢測的方法,有CT、核磁共振成像等,都具有成像分辨率高等特點。但是這些方法都無法獲取腦血腫和腦水腫的動態(tài)變化信息,且需要昂貴的檢測設(shè)備、非常專業(yè)的操作人員、大量的時間,甚至還需要將病人移動到放射室,這會造成病患的不適和潛在的風險。因此臨床需要一種新的無創(chuàng)、成本低廉、操作簡便、設(shè)備可攜帶化、以及可安置在救護車上進行提前檢測和臨床實時監(jiān)測的檢測方法。目前,大腦無創(chuàng)檢測的研究領(lǐng)域中,主要方法有近紅外光譜技術(shù)、電阻抗斷層成像技術(shù)和微波成像技術(shù)。但是近紅外光譜技術(shù)的缺點是穿透深度不夠,很難到達大腦深處;電阻抗斷層成像的電流受到頭骨的影響,造成其成像的精確度不夠高;因為微波在大腦內(nèi)部會發(fā)生非常復雜的散射和反射,所以在檢測穿透大腦的微波信號時,需要數(shù)量較大且靈敏度高的天線陣列,另外復雜的重構(gòu)算法,和較長的計算時間,都阻礙了微波斷層成像技術(shù)的發(fā)展。上述的缺陷導致了這些技術(shù)研究多年始終未能應用在臨床上。雖然微波斷層成像受限于算法、計算能力等的缺點,但是微波具有高的頻率分辨率、高敏感度和高精確度等特點,且基于微波的檢測技術(shù)能夠評估大腦的介電常數(shù)和導電率。大量研究表明,腦出血的血塊的介電常數(shù)比大腦正常組織的介電常數(shù)大很多,腦水腫的病變部位的導電率和大腦組織的導電率也具有明顯的差異,這對微波檢測技術(shù)檢測腦血腫和腦水腫提供了理論依據(jù)。另外,介電常數(shù)和導電率也能夠反應重要的顱內(nèi)生理病理信息,所以對這兩個參數(shù)的檢測,也是為臨床提供了一個全新的視角來觀察大腦疾病。所以研究檢測大腦介電常數(shù)和導電率的檢測方法具有重大的研究意義。鑒于微波檢測技術(shù)的缺點和優(yōu)勢,本文在國家自然基金重點項目(批準號:11532004)的支持下,研究一種新的基于微波技術(shù)的大腦檢測方法。該方法將大腦視為一個整體而進行檢測,避免了復雜的重構(gòu)算法和需要消耗大量運算時間,充分發(fā)揮微波技術(shù)的高敏感度和高精確度的特點。本研究的研究步驟如下:(1)設(shè)計同軸線耦合圓柱型波導的傳感器,大尺寸的圓柱型波導能將大腦罩住,微波進入大腦后的散射和反射信號都能夠被波導全部接收,提高了檢測結(jié)果的精確度。(2)利用軟件HFSS進行電磁場有限元仿真,利用仿真結(jié)果定性的觀察該檢測方法是否具有檢測大腦介電常數(shù)的可行性;優(yōu)化檢測傳感器中同軸線內(nèi)徑的尺寸和形狀,使微波傳感器能夠達到最佳工作狀態(tài);根據(jù)仿真結(jié)果的電磁場的分布,為后續(xù)的理論公式的推導指明方向。(3)為了能夠準確、方便、有效的對檢測裝置進行評估,通過3d打印技術(shù),研制出能夠模擬腦水腫和腦血腫的介電特性的物理模型。(4)基于本文提出的檢測裝置,對介電常數(shù)計算公式進行理論推導,并通過本文提出的檢測裝置對3d腦血腫物理模型進行實驗檢測,通過對比檢測結(jié)果和理論值,評估本文提出的檢測裝置和方法對介電常數(shù)檢測的靈敏度和精確度。(5)對導電率的計算公式進行理論推導,并對3d腦水腫物理模型進行實驗檢測,對比檢測結(jié)果和理論值,進而評估該檢測裝置和方法對導電率檢測的靈敏度和精確度。本文主要成果如下:(1)提出一種新型的微波傳感器,用于檢測大腦的介電特性。在當前的科研和臨床中,利用微波檢測整體組織的介電常數(shù)的方法主要是透射法和反射法,但是透射法只能根據(jù)檢測得到的幅值和相位對被測樣本進行定性分析,無法得到準確的介電常數(shù)和導電率的值;而反射法的檢測范圍較小,只能檢測局部組織的介電參數(shù),無法全面的評估大腦的情況。本檢測傳感器由同軸線和圓柱型波導組成,微波信號的發(fā)生、檢測和顯示部分采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。在圓柱型波導和大腦之間采用一種匹配介質(zhì)填充,用以減少微波在大腦和空氣的交界面上的反射。微波從同軸線耦合進入圓柱型波導,然后通過研究波導內(nèi)部的電磁場和人體大腦的相互影響以評估大腦的介電常數(shù)和導電率。根據(jù)軟件hfss的有限元仿真結(jié)果確定了同軸線內(nèi)導體的形態(tài)和尺寸,使其達到最佳工作狀態(tài)。(2)提出一種新的基于3d打印技術(shù)的模擬腦水腫、腦血腫的介電特性的物理模型。目前用于電磁波研究的物理模型都是單層單一材料模型,無法有效地模擬出大腦組織復雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)。而采用相同大腦尺寸的動物模型具有成本高、制作難度大、難以精確控制模型介電參數(shù)等缺點。本文采用的基于3d打印技術(shù)的模擬大腦的介電性能的物理模型,能夠模擬大腦多層結(jié)構(gòu)、非均勻電介質(zhì)的特點,且能夠模擬出大腦灰質(zhì)、白質(zhì)和病變部位的結(jié)構(gòu)形態(tài)、介電常數(shù)和導電率等參數(shù)。該物理模型具有制作方便、成本低,能夠精確控制各項參數(shù)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的特點,能應用于各種研究大腦介電參數(shù)的領(lǐng)域。本研究采用這種物理模型進行檢測實驗,并對檢測裝置和方法進行評估。(3)提出與該檢測裝置相匹配的計算介電常數(shù)的兩種方法。方法一,在頻域上,從幅值對應頻率的s11波形圖上,可以觀察到隨著腦血腫血塊的增大,即大腦介電常數(shù)也變大,檢測得到的共振頻率則向左偏移。結(jié)合電磁學波導理論和邊界條件,推導出根據(jù)共振頻率計算相對介電常數(shù)的理論公式。方法二,在時域上,檢測得到的幅值對應時間的s21波形圖上,兩個波峰之間相距的長短可以理解為波群在圓柱型波導內(nèi)傳播固定距離所需要的時間。當大腦介電常數(shù)發(fā)生改變時,前兩個峰值相距的時間長短也隨著改變,即微波在波導內(nèi)傳播的時間發(fā)生改變,進而可以求得波群在波導內(nèi)的傳播速度。結(jié)合波群在圓柱型波導內(nèi)傳播速度的理論,推導出大腦相對介電常數(shù)與波群在波導內(nèi)速度的關(guān)系。(4)提出與該檢測裝置相匹配的計算導電率的兩種方法。方法一,隨著腦水腫程度的加深,導電率增大,波導內(nèi)電阻抗所造成的損耗也會增大。從檢測得到幅值對應頻率的S21波形圖上,可以觀察到隨著導電率的增大,共振波峰的幅值會變小,波峰從尖銳逐漸變得平滑。結(jié)合共振腔品質(zhì)因數(shù)的計算方法,推導出根據(jù)有載品質(zhì)因數(shù)計算被測大腦導電率的理論公式。方法二,在時域上的幅值對應時間的S21波形圖上,也可以觀察到微波在波導內(nèi)傳播同樣的距離幅值損耗會增大,進而可以推導出微波傳播固定距離的損耗與導電率的理論關(guān)系。最后,利用本文提出的檢測裝置和方法對腦血腫、腦水腫物理模型進行檢測,對比實驗檢測結(jié)果與真實值,可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)實驗結(jié)果計算的介電常數(shù)和導電率與對應的真實值能夠吻合,驗證了理論公式的正確性。對比結(jié)果還表明,本文提出的大腦介電常數(shù)和導電率的檢測方法具有很高的準確性,特別是在利用頻域下的理論計算公式檢測介電常數(shù)的誤差小于0.645%,利用時域下的理論計算方法監(jiān)測大腦導電率的變化量時,其最大誤差為1.821%。本文提出的微波傳感器對于大腦物理模型中介電常數(shù)和導電率的變化也非常敏感,本研究實驗中該檢測裝置成功檢測到血腫體積1毫升變化。理論上,因為微波相關(guān)儀器對頻率具有非常高的分辨率,所以該檢測裝置還有潛力達到更高的檢測精度和靈敏度。綜上所述,本文提出一種具有高靈敏度和高精確度的,能夠評估大腦介電常數(shù)和導電率的檢測裝置和方法,該檢測裝置和方法有潛力應用在臨床進行持續(xù)性監(jiān)測和在救護車上進行提前檢測,對加強臨床護理質(zhì)量和提高治療效果有著重要的意義。
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【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R741.044

【參考文獻】

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本文編號：2381209