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双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究(可编辑)

2017-11-10 32页 doc 63KB 40阅读

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双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究(可编辑)双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究(可编辑) 重庆大学 硕士学位论文 双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究 姓名:赵轶 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:何为 20060401重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 脑血管病是危害人类生命与健康的常见病和多发病,具有发病率高、致残率 高、死亡率高和复发率高的特点,是中老年人致死和致残的主要疾病。衡量大脑 血液供应的标准是脑血流量,脑血流量一旦减少,脑细胞的供氧供能也随即减少, 就会引起大脑的功能发生变化;如果大脑某一部...
双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究(可编辑)
双侧脑血流监护仪的与脑血流信号处理方法的研究(可编辑) 重庆大学 硕士学位论文 双侧脑血流监护仪的设计与脑血流信号处理方法的研究 姓名:赵轶 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:何为 20060401重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 脑血管病是危害人类生命与健康的常见病和多发病,具有发病率高、致残率 高、死亡率高和复发率高的特点,是中老年人致死和致残的主要疾病。衡量大脑 血液供应的标准是脑血流量,脑血流量一旦减少,脑细胞的供氧供能也随即减少, 就会引起大脑的功能发生变化;如果大脑某一部分血流在较短时间内完全阻断, 会发生局部脑组织坏死,这就是脑梗塞,长期的脑缺血或脑血流的异常阻断可以 对人体健康带来严重后果甚至导致死亡。另外,针对脑血管弹性状态的诊断也十 分重要,血压的升高伴随动脉血管的硬化将很容易导致脑出血。因此,研究脑血 流动态监测技术,对缺血性脑血管病早期的诊断与预防,对出血性脑损伤病人实 施脑供血状况的监测对于脑复苏中开展研究、指导治疗、评定疗效和判断预后都 有着重要的意义。 本课首先研究了脑血流无创电阻抗测量技术的原理和电阻抗容积描记理 论,根据该理论并结合脑血流信号的特点设计了基于正弦恒定电流激励模式的双 侧导纳式双侧脑血流监护系统。系统硬件部分采用氯化银贴片电极,由直接数字合 成正弦信号发生器、运算放大器构成恒流正弦激励源,通过前置放大、检波整流 以及低通放大电路完成对阻抗响应信号的解调,并将解调后的信号经过运算放大 器滤波放大后由 12位并行模数转换器(ADC)采集进入上位机。在对脑血流信号 处理过程中,提出了一种基于样条插值函数的去基线漂移处理方法,针对脑血流 信号中的各种干扰采取了相应的抗干扰措施并取得了良好的效 果,为脑血流信号 的分析和处理奠定了基础。系统软件协同硬件实现信号的采集与显示,通过计算 获得脑血流信号的频率、幅值、面积等参数。由脑血流导纳波及其微分波构建了 脑导纳微分环,并根据选取得脑导纳波计算了快流入时间、收缩波高度、阻力指 数、弹性指数、流入容积速度等反映脑血流量及脑动脉血管弹性等血液动力学指 标。 通过一定数量的临床实验表明,该系统能够实时、动态、稳定的监测双侧脑 血流图。并及时的显示出对应的心率、脑血流量、脑动脉血管弹性指数、等反映 脑血管功能状况参数,分析和对比正常人和脑血管病患者的脑血流图以及相关指 标数据之间的差异,可以对其供血状况和脑动脉血管弹性状况作出定性的评判, 这无疑会给相关研究和临床应用提供极大的参考价值。 关键词: 脑血管病,生物电阻抗技术,脑血流图,血液动力学指标,脑导纳环I重庆大学硕士学位论文英文摘要 Abstract Cerebrovascular disease was a kind of commonly and frequently encoutered disease which had endangered human life and health. And Cerebrovascular disease was the principal disease which caused wrinkly to be dead and disable, it was still of high sickness rate, disability rate, death rate and recurernce rate. Cerebrum was an important part of human organa, so there must be enough blood supply. Blood flux was the index of supplying blood to cerebrum, the supply of oxygen and energy would diminish in case shortage of supplying blood to cerebrum, then the function of cerebrum would vary, and Moreover, if a part of cerebrum blood flux was interrupted completely in a moment, partial brain tissue would necrotize, also namely brain infarct. Long-term cerebral anoxia or interruption of the blood supply of brain may cause serious consequences even lead to death. Therefore, it was necessary and significant to develop a technique to monitor the ischemic cerebrovascular disease and the blood flow of hemorrhagic cerebrovascular disease, which was favourable for developing research and guiding treatment, also assessing curative effect and giving an indication for preventing cerebrovascular disease Firstly, this project studied the principle of non-invasive monitoring to the cerebral blood flow by impedance measuring technique and impedance plethsmography. And a constant exciting source of sinusoidal current was introduced based on plethsmography and the feature of blood flow signal. As a result, a dual admittance blood flow monitoring system was designed and implemented. In the hardware, silver chloride electrodes was adopted. The constant current exciting source was composed of direct digital synthesis sinusoidal DDS wave generator and operational amplifier. The resulting impedance signals were demodulated by detection and low-pass filtering circuit with amplifying, and acquired by 12 bits parallel ADC to computer after amplified and filtered with operational amplifier. In the process of dealing with blood flow signal, a method of removal baseline wander of encephaloblood-fluidity signal based on the method of spline interpolation was introduced, and measures for all kinds of disturb in blood flow signal was implemented. The base of dealing with blood flow was built by barrage jamming, which also obtained well effect. In the software system, acquisition of signals was controlled, the wave of blood flow was displayed, and the periodicity, amplitude, dimension of blood flow parameters was acquired byII重庆大学硕士学位论文英文摘要 computation. Admittance encephaloloop AEL was composed of admittance encephalogram AEG and Admittance differential encephaloloop ADEG, and the parameters which reflected adjustment performance of cerebral arteries included drag index, elastic index, pouring index, fast inflow phase index, dicrotic wave phase index and so on, which were calculated by AELBased on a large number of clinical trials, this monitoring system could reflect dual admittance blood flow of patients with real-time and dynamic stabilization. By comparison the difference of corresponding index between normal person and patient, then corresponding parameters which reflected the performance of cerebral arteries included heart rate,cerebral blood flux, elastic index and dicrotic wave phase index of cerebral arteries and so on. That was of significant reference value to corresponding research and clinical application for cerebrovascular disease Keywords: Cerebrovascular disease, bioimpedance technology, impedance/admittance encephalogram I/AEG, haemodynamics index, admittance encephaloloop AELIII重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1.1 问题的提出及研究的意义 脑血管疾病是发生在脑部血管,因颅内血液循环障碍而造成脑组织损害的一 类疾病。脑血管病是危害人类生命与健康的常见病和多发病,具有发病率高、致 残率高、死亡率高和复发率高的特点,是中年人致死和致残的主要疾病。由于老 年人口的不断增加和生活水平的提高,脑血管病的发病率仍在不断上升。在人类 各种疾病死因的排序中,脑血管病一直列于前三位之内,成为人类死亡的主要原 因之一。 脑血管病按其进程,可分为急性脑血管病和慢性脑血管病两种。急性脑血管 病包括短暂性脑缺血发作、脑血栓形成、脑栓塞、高血压脑病、脑出血和蛛网膜 下腔出血等;慢性脑血管病包括脑动脉硬化、脑血管病性痴呆、脑动脉盗血综合 征、帕金森氏病等。我们通常所说的脑血管病,一般指的是急性脑血管病,发病 急,常危及人的生命,因此,也易引起人们的重视。而慢性脑血管 病病程长,易 被人忽视。脑血管病按其性质可分为两大类,一类是缺血性脑血管病,临床较多见,约 占全部脑血管病人的 70%~80%,是由于脑动脉硬化等原因,使脑动脉管腔狭窄, 血流减少或完全阻塞,脑部血液循环障碍,脑组织受损而发生的一系列症状。另 一类是出血性脑血管病,多由长期高血压、先天性脑血管畸形等因素所致。由于 血管破裂,血液溢出,压迫脑组织,血液循环受阻,病人常表现颅内压增高、神 志不清等症状。这类病人约占脑血管病的 20%~30%左右。 头部的血液动力学指标能够反映大脑的供氧状况,可以提示或预警大脑的缺 血性损伤,从而具有重要的临床意义。人体全身循环血流量的 20%左右需要流经 [13] 头部,以保证大脑的正常生理功能 。脑血流(cerebral blood flow,CBF)的异常 将对脑部神经系统的功能产生重要影响,甚至引发中风、脑卒中等疾病危及患者 生命。因此,脑血流作为一种脑部神经系统的重要生理指标,对其 测量方法进行 研究具有重要的价值。此外,为了提高对脑血管疾病的诊断,特别是早期诊断, 人们正不断的从各个方面进行探讨。 脑阻抗(或导纳)血流图就是描记颅内血流随着脉搏搏动所产生的阻抗(或 [16] 导纳)变化,进而估价脑血流供应情况和血管壁弹性状态的一种诊断方法 。脑 与其他器官一样,为了维持正常的功能,必须从血液供应中获得其代谢所需的氧 气和营养物质,运走二氧化碳和代谢产物。脑是高级神经中枢,是人体最重要器1重庆大学硕士学位论文 1 绪论 官之一,血液供应十分丰富,脑重量只占体重的 2%~3%,安静时心脏每搏输出量 的 1/5进入人脑。 人脑组织利用了全身氧耗量的 20%~25%,葡萄糖的 75%。正是由它们产生的 能量,开动维持神经元膜电位的离子泵,完成神经元突触间的信息传递,代谢物 质的逆浓度运输以及神经元的 RNA、蛋白质、脂类、神经递质和其他细胞成分的 合成。但是脑组织的氧、葡萄糖和糖原贮备甚微,一旦完全阻断血流,6秒钟内神 经元代谢受影响,10~15秒内意识丧失,2分钟脑电活动停止,几分钟内能量和离 子平衡紊乱,这样持续 5~10分钟以上,细胞就发生不可逆损害。所以脑血流供应 正常是脑功能正常和结构完整的首要条件,否则就会引起脑血管疾病。 正常情况每分钟约有 750ml血液通过脑,其中 220~225ml由基底动脉流入, 其余流经颈内动脉。成年人平均脑血流量为 55ml/100g?min。实际脑血流分布并不 均匀,白质脑血流量为 14~25ml/(100g?min);大脑皮层为 77~138ml/100g?min。 脑血流量还随体位、活动、年龄而变化。局部脑血流量、脑代谢率与脑的功能活 动密切相关。一般用脑平均耗氧量(CMRO2)表示脑的代谢率,正常人的 CMRO2 [11] 约为 3.3ml/(100g?min) 。正确测定脑组织各部分的局部脑血流量(RCBF),对 了解各部分的功能活动和病理变化有重要意义。 近年来由于脑血管疾病在我国中老年人所患疾病中所占的比例越来越高,患 者的年龄趋于年轻化,并且对患者以及患者的家庭带来很大的痛苦,因此脑血管 疾病早期的诊断和预防以及掌握治疗过程中病理的变化是非常重要的。另外,近 年来大量的临床研究认为,创伤性脑损伤病人实施脑氧供需平衡的监测,能够指 导治疗,使治疗效果得以及时反馈,从而及时改进治疗,加快患者恢复;提 供具体指标变化与预 后间的关系,可对患者预后进行估计等。本监护仪正是为了 满足临床应用的要求而设计的,具有设备成本低、无创、可连续监护等特点。 1.2 国内外研究的现状 目前针对脑血管疾病的方法有多种方法。在 1927年,Moniz首先创用了 脑血管造影, Linderger于 1943年在 Moniz的基础上介绍了经皮颈总动脉插管行全 脑血管造影,Seldinger在 1958年介绍了经皮股动脉插管行全脑血管造影,这基本 上满足了脑血管病的诊断与治疗的需要。由于这一技术的广泛使 用使脑血管疾病 的研究取得了革命性的进步。而后,由于计算机的介入,1977年成功地获得第一 张数字减影血管造影(digital substration angiography,DSA), 该方法保证脑血管的 显影率、减少复杂性,使脑血管病造影进入新的阶段。早在 1968年 EMI公司便已 发明了 CT,到 1974年正式命名为 Computed Tomography,他的问世给颅内疾病的 认识与诊断开创了新纪元,是人们对出血性脑血管疾病与缺血性脑血管疾病的鉴2重庆大学硕士学位论文 1 绪论 别显得轻而易举。 另一类检测方法就是核素成像方法,即正电子发射断层成像(positron emission [3] tomography, PET) 和单光子发射断层成像(single photon emission computed [2] tomography, SPECT) 能够对大脑各部分脑血流的分布进行准确测量。正电子发 射计算机断层扫描(postron emission computed tomography,PET)是当今最先进的 核医学影像技术,PET 不仅能提供解剖影响,还能提供正常脑活动时和疾病状态 下的脑功能代谢变化。此类方法仍然属于有创伤测量,虽被誉为评价脑血流动力 学的“金标淮”,但其缺点主要是价格昂贵,且所用同位素半衰期短,必需就近配 置生产正电子核素的加速器和标记热室,故难以推广使用。 另外,氙增强 X 射线断层成像(xenon-enhanced computed tomography, [5] [6] X-Ray,Xe-CT)及功能磁共振(functional magnetic resonance imaging, FMRI) 也 可以对脑流血进行准确测量,其优点主要是既可获得高分辨率的 CBF图象,也可 获得定量值,后者还具有无创性优点。80年代 MRI 开始广泛应用于临床,1986 年,Dumolin等首先发明磁共振脑血管成像(MRA),使脑血管造影有成为无创性 的可能,而且使人们能更客观、更清楚的认识和了解几乎所有的脑和脊髓血管疾 病。同一年代,SPECT检查也应用于临床测定急性脑血管病及脑病变患者的局部 血流量。但是前者耗时较长,步骤较为烦琐,后者的应用仍然受到高测量成本和 的限制。 [7] 此外,新发展的一些光学方法,如激光多普勒(laser-doppler) , 激光散斑 [8] [9] (laser speckle) ,近红外描记术(near-infrafred spectroscopy) 都可以迅速检测 局部脑血流的微弱变化,但是穿透颅骨困难,不适合检测大脑深部组织的血流变 化。 [10] 经颅超生多普勒(transcranial doppler,TCD) 是目前唯一能够测量血流速度 及方向的无创方法,由 Aaslid等在 1981年应用临床。1982年 Aslid 与 EME公司 共同发明研制了世界上第一台经颅多普勒超声(TCD)检测仪。1989年有 Kalender 和 Vock等人提出的螺旋 CT技术(SCT)被广泛使用,更大提高了对脑血管病的 诊断。现在,TCD已成为临床监测脑血流动力的常规仪器,广泛用 于脑血管疾病 的诊断、脑血管功能状况的评价和危重病人术中脑血流监测。经颅多谱勒测定有 其缺点:测量结果受颅骨密度,声窗大小,待测部位,探头方向,取样深度,操 作者熟练程度及血流信号强弱的影响。另外,由于部分老年女性的颢窗为盲窗或 因颅骨造成超声波的过度衰减,颅内血流信号微弱而不能被探测到。 以上方法都是血管成像的检测方法,检测结果准确并且精度高,但检测成本 较高,并且不能用于床旁监护。另外在临床上也有采用指示剂稀释法来检测脑血 流的指标。指示剂稀释法是脑血流测量的传统方法,它根据物质守恒原理,通过3重庆大学硕士学位论文 1 绪论 测量血管上游以及下游的指示剂浓度获取血流量。1940年 Kety和 Schmidt采用一 氧化二氮气体作为指示剂,经颈动脉采样首次定量计算出人的脑血流指标。此方 法经过不断改进,在医学研究和临床上得到长期应用,直到 2001年仍有采用吲哚 [1] 花青绿作为指示剂准确测量脑血流的相关报道 。指示剂稀释法可以较准确的检测 脑血流,但是对被测量对象有创伤。 综上所述,这些方法在脑血流监测方面均具有较大的局限性,更难应用于床 旁的连续实时监护。 生物电阻抗是一个边缘性的研究领域。由于生物电阻抗技术具有无创、操作 简便、信息丰富和可连续长时间进行测量等优点,医生和病人均易于接受。80年 代以来中外学者加强了基础理论和检测方法的研究,目前已在心、脑、肺、肢体 等循环功能检测领域得到广泛的应用,并不断取得进展。 对生物组织电特性的研究可以追溯到 18世纪,而把生物阻抗测量与生物功能 首先联系起来的是 Nyboer,他利用电阻抗体积描记和研究动脉脉冲波与流入人体 器官中的动脉血流,还将阻抗特性用于人体肢体测量并获得了较好的效果。后来 在此基础上 Henry等人开始了用生物电阻抗测量来评价人体成分的方法的研究, 研究结果初步显示了阻抗法分析人体成分的可行性与有效性。 阻抗体积描记法,是采用生物电阻抗技术提取与人体生理、病理状态相关的 [34] 血液动力学信息的一种无创的电测量方法 。与心电图、脑电图、肌电图不同的 是,它所记录的不是体内电势的变化,而是电阻抗的变化。它借助置于生物体体 表的电极系统,向生物体的特定部位通以过机体无损伤的微弱的、高频的交流电 流,描记出生物体的电阻抗随时间的变化,据此来反映体内波动性血管或呼吸所 造成的容积的变化。通过测量头部组织体积变化获得血流量,能够反映颅内大血 管内血液流速的变化以及动脉弹性状态,为长时间连续动态的监护脑血流提供了 一种可行的方案。 1950年 Polzer和 Schuhfried首次采用电阻抗方法测量脑血流。他们将两个电 极放置在单侧颈动脉阻塞患者的头部,并测量其对于 20KHz交流信号的电阻抗变 化值。测量结果表明在阻塞一侧的阻抗变化幅度明显减小,提示可以通过这种方 法对脑血流进行测量。由于当时脑血流测量十分困难,并且当时唯一的脑血流测 量技术??指示剂稀释法是有创伤测量方法,因此无创伤、易操作的脑血流图迅 速引起神经科学方面科研和临床的高度重视,并得到快速发展。1957 年 Jenkner 引入了脑血流图的概念,并对电阻抗脑血流测量方法进行了详细的阐述。早期的 典型脑血流测量系统采用两电极法,恒流激源频率为 70KHz,峰峰值为 1mA。 由于双电极法易受边缘效应的影响, Lechner和 Rodler发展了采用单一激励源, 头部左右两侧分别测量阻抗变化的脑血流图方法。此方法采用四电极,减小了边4重庆大学硕士学位论文 1 绪论 [12] 缘效应的影响 。医生通过比较头部两侧的脑血流,可以方便诊断大脑单侧发生 的脑供血异常,因此在临床上得到了广泛的应用。 电生物阻抗技术具有价格低、使用方便、可靠、安全,易于操作等特点,且 无需接受特殊培训,能够进行无创伤测量,因此愈来愈受到人们的重视。它目前 已广泛应用于人体组成成分的分析,阻抗成像,细胞内外液分布以及脂肪分布等 诸多方面,并取得了较好的效果。设备的低成本更使得电生物阻抗技术的大范围 推广成为可能。 1.3 课题主要的研究内容 本课题主要完成导纳式双侧脑血流监护系统硬件电路及其相应的软件部分的 工作,并结合脑血流波形在信号处理上做了一定研究: 1)设计并建立了一个高精度和高稳定度电流和频率连续可调的正弦波恒定电 流源模式下的脑血流监护系统,具体包括:电极、激励源、阻抗解调、高低通滤 波、低通放大、A/D转换、数据采集与波形显示软件。 2)研究了关于脑血流信号的一些处理方法,并结合实验验证了效果。 3)获得了人体头部实测的脑血流图波形,并计算出相关指标参数。 4)通过临床实验分析人体头部血管功能状况与脑血流图相关指标参数之间的 关系,并给出相关评判标准。 5)分析了系统的性能,对不足之处给出改进意见。5重庆大学硕 士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 2 脑血流信号检测基本原理及方法 本章从生物医学信号的特点、生物电阻抗方面详细介绍了医学信号检测的基 本原理及方法。对生物电阻抗原理在临床中的重要应用??阻抗图和导纳图进行 了阐述,进而将其进行比较,得到“用导纳图技术测量生物体的容积变化效果好” 的结论,并就生物电阻抗技术存在的问题和发展方向做了一定的分析。2.1 生物医学信号 2.1.1 生物医学信号的特点 一般地说,在处理信号时,首先需要了解处理对象的性质,以便于选择适当 的处理方法。因此,我们首先讨论生物医学信号的特点。 生物医学信号源于生物体,其种类繁多,如心电、脑电、肌电、皮肤电等等, [21] 而且产生机理相当复杂 。但仍存在以下普遍的性质: 1)随机性:生物体是一个庞大而复杂的系统,按生理功能可分为许多 基本系统,如循环系统、神经系统等。这些基本系统的生理活动相互影响、 相互渗透的交织在一起,而其中存在的联系、制约关系及活动规律还没有被我们 清楚地认识。因而生物医学信号的表现出明显的随机性,一般不能用数学函数来 准确表达,它们的规律主要从大量的统计结果中反映出来。 2)信噪比低:在维持正常生理活动的条件下,生物体的各个基本系统 之间存在着有机的联系,因而在生物医学信号中存在着严重的背景噪声,例 如心电生理信号中经常混杂着肌电干扰等,而且噪声常常超过信号。 噪声的性质多种多样,可能是加性的(既观测信号等于有用信号与噪声之和), 也可能是乘性的(即观测信号等于有用信号与噪声之积),还有可能是有用信号仅 与信号的一部分有关,而与有用信息非相关的部分被看成是噪声。 3)微弱:人体生理参数的强度都很微弱,如电压信号大都在微伏、毫 伏量级。 4)频率低:各种生理参数,如心电、脑电、肌电等生物电信号,体温、血压、 呼吸、心音等非电信号等,都是低频率的慢变信号,通常频率范围在音频段,如 心电信号主要频率范围为 0.05~100Hz,血压的主要频率范围为 0~20HZ。 2.1.2 无创检测 生物医学信号检测技术可以分为无创检测、微创检测和有创检测。对于创伤 性的检测方法,其结果来源直接、可靠准确,但也给患者带来了一些痛苦,并需 要特殊的设备和熟练的操作技术。不到万不得已,患者一般不愿接受。而无创以6重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 及微创检测技术所需的设备简单,并可以反复检测、连续观测,医生和病人都容 易接受。但其影响因素较多,判断时要综合分析,尽量排除干扰因素。因此,无 创检测(non-invasive examination)是医疗检测仪器发展的主导方向。 生物电阻抗技术作为一种无创检测技术来测量和监测生理功能和检测病理事 [18] 件,已成为近年来研究者非常关注的一个研究方向 。生物电阻抗 技术是利用生 物组织与器官的电特性及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息 的一种无损伤检测技术。具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简单和功能信 息丰富等特点,医生和病人易于接受,具有广阔的应用前景。生物阻抗是反映生 物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量,生物电阻抗分析法应用 [16] 于人体组成成分检测是近年来才发展起来的一种新方法 ,具有快速、简捷、成 本低廉、安全等特点。 2.1.3 生物医学信号的检测与处理 生物医学信号检测(biomedical signal detection)是对生物体中包含的生命现 象、状态、性质和成分等信息进行采集和量化技术。对生物电信号的检测已经成 为临床诊断不可缺少的重要设备。同一般的信号检测所不同的是,生物医学信号 [22] 检测在安全性上有极为严格的要求 。其主要表现在以下几个方 面: 1)在检测中施加于人体的各种能量,如通过人体的电流,施加于人体的放射 性射线、超声波等,人体的承受能力是有一定限度的,而且不仅取决于生物组织 体的物理、化学性质,还有受到这些作用而产生的生理学、心理学变化的限制。 因此应对能量的种类、施加部位、强度、作用时间以及诸如频率、波形等做认真 研究,并作出明确规定。 2)发生电击(主要是微电击)。人体是一种导电体,通过人体的低频电流(不 超过 1KHz)的作用有三个方面:产生焦耳热;刺激神经、肌肉等细胞;使离子、 大分子等粒子振动、运动、取向。在考虑人体的电安全性时,心脏的安全具有最 重要的意义。电流直接加到患者的心脏上产生的电流效应称为微电击,而加于体 表引起的电流效应称为宏电极。低频电流对人体作用的数值范围如下: 100uA电流通过植入体内的电极,能引起心室颤动; 1uA电流从体外流入,有电流刺激感觉; 10mA电流从体外流入,发生不随意运动; 100 mA电流从体外流入,造成心室颤动。 在人体检测中,作为安全措施,应取以上数值的 1/10作为安全阀值。检测的 精确度、可靠性直接关系到诊疗的正确与否,无疑是至关重要的。 生物医学信号处理(biomedical signal processing)是从被干扰和噪声淹没的信号中 提取有用的生物医学信息特征。生物体的生理参数受到很多因素的影响,生物体7重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 又有多重的反馈系统,所以对干扰噪声的影响加以预测和校正都比较困难,常需 要借助信号处理来改善信噪比。因此,在现代的生物医学领域中,信号处理的理 论与技术具有举足轻重的意义。 2.2 生物电阻抗原理 生物组织含有大量不同形状的细胞,这些细胞之间的液体可以视为电解质。 因此,当直流或者低频电流施加于生物组织时,电流将以任意一种可能的方式绕 过细胞,主要经过细胞外液;当施加于生物组织的频率增加时,细胞膜电容的容 抗减小,一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液。所以生物组织的低频阻抗较大 而高频阻抗较小,阻抗值由大到小的过渡恰好反映了生物组织细胞膜的电容性质, 生物组织的这种特性最早被 Philippson(1920)所认识,并导致了等效电路的概念, [28] 后来 Cloe RH再进一步将其发展为 Cole-Cole理论 ,并建立了生物组织的R、C 三元件电路等效模型,R、R、C 分别代表整个生物组织的等效内、外液电阻和 i e m 膜电容,如下图 2.1所示。 Cm Re Ri 图 2.1 生物组织等效电路模型 Fig 2.1 Equivalent circuit model of living tissue 80年代以来中外学者加强了基础理论和检测方法的研究,目前已经在心、脑、 肺、肢体等循环功能检测领域得到广泛的应用,并不断取得进展。随着计算机在 测量与控制方面的发展,生物机体和组织的电学特性的测量将更趋于精确和迅速, 阻抗法将成为有前景的无创检测手段之一。 生物电阻抗(electrical bio-impedance)是指生物体或生物组织、生物器官、生 物细胞在低于兴奋阀值的弱电流通过时,所表现出的导电和介电特性。1871年, Herman就发现了这一现象,随后许多学者对此进行了深入研究。其数学模型如下: 交流电路的阻抗是复数电压与复数电流的比值,即: & U Z 2-1 & I8重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 一般情况下,Z值为复数,记作:Z R + jX,式中Z为复数阻抗,R为电阻, X为电抗。电抗X又可分为由电容存在所表现出来的容抗X 和由电感存在所表 c 现出来的感抗X 两类。对于生物体内物质来说,感抗是可以忽略的,即X ? 0。 l l 由于生物体内含有电容不同的各种物质,处处存在着不可忽视的电容,所以容抗 是不能忽略的。 当频率不高时,生物电阻抗主要表现为阻容性;而当频率较高时,则主要表 现为电阻性。这是因为X 与通电频率有关,即: c 1 X 2-2 c 2 πfc 式中 f为通电频率,c代表电容。 当通电频率足够大(20~100KHz)时,X ? 0 即可以把体内物质的阻抗看成是只 c 由纯电阻构成,容抗可以忽略不计。根据这一原理,把机体作为电阻,将适当频 率和强度的恒定电流(20-100KHz,0.5-2mA)通过被测组织,拾取这段组织的电阻 变化信号,即可代表该组织的阻抗变化。即: L Z R ρ 2-3 A 测定人体电阻抗选用的电流频率一般是在 20~100KHz之间。频率如果太低, 容易产生刺激和激化作用;频率如果太高,又容易使体内产生较多的热量而造成 机体灼伤。而当频率在 50KHz以下时,皮肤和电极之间的接触阻抗增加,与电极 相关的伪迹信号就会增加,影响测量的准确性,所以通常我们选取 50~100KHz。 2.3 阻抗图和导纳图 2.3.1 阻抗图和导纳图的基本概念 电阻抗容积图(electrical impedance plethysmogram)简称阻抗图,是一种采用 生物电阻抗技术提取与人体生理、病理状态相关的血液动力学信息的进而评判血 液供应情况和血管壁弹性状态等血管病理和功能的无创伤的电测量方法。与心电 图、脑电图、肌电图不同的是,它所记录的不是体内电势的变化,而是电阻抗的 变化。它借助置于生物体体表的电极系统,向生物体的特定部位通以对机体无损 伤的微弱的、高频的交流电流,描记出生物体的电阻抗随时间的变化,据此来反 映体内波动性血管或呼吸所造成的容积变化。 根据测量的部位不同,可分为心、脑、肺、肝、肢体、盆腔等阻抗图。例如, 电极置于心脏或胸腔的称为心阻抗图,电极置于肺(右胸)或肝区的称为肺阻抗 图或肝阻抗图等。心阻抗图可诊断心脏疾病;肺阻抗图可诊断心、肺疾病;肝阻 抗图用来反映肝血流情况;脑阻抗图可对脑动脉硬化提供诊断参考;肢体阻抗图9重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 常用来测量四肢血流量,辅助诊断闭塞性脉管炎等。不同部位血流信号的波形变 化规律一致,所不同的是波形幅度不同。心脏是全身血液的源头,所以心血流信 号的幅度最大,信号变化的特征最明显,而由于颅骨的屏蔽影响,所以脑血流信 号的幅度相对较小,信号的特征没有心血流信号那么强。 电导纳容积图(electrical admittance plethysmogram)简称导纳图,它是在阻抗 图的基础上发展起来的,是通过测量生物体的电导纳随时间的变 化来反映体内物 [14] 质及功能的变化 。时域导纳图是以时间t为横坐标,导纳信号 ?Y为纵坐标所形 成的波形。临床上主要是以横轴和纵轴的参数以及波的形状来综合诊断的。 2.3.2 阻抗图和导纳图的基本原理 1932年 Atzler利用高频弱电流成功描记了循环系统的阻抗图。 1937年 Herman 利用惠斯登电桥原理测量了生物电阻抗的变化。如果把这两个人的实践作为阻抗 图检测技术和检测仪器的研究工作的开始,那么真正给阻抗图理论奠定基础的要 算是美国的 Nyboer。1940年 Nyboer推导出了阻抗变化与容积变化之间的关系, [27] 并且通过动物实验得到证实 。可以表述如下: 如图 2.2所示,假设有一个导电均匀的圆柱形导体,其长度为L、横切面积为 A、容积为V V AL 、电阻率为 ρ、电阻为R、阻抗为Z。图 2.2 血管的圆柱形导体模型 Fig 2.2 Cylindrical conductor model of vas 在交流情况下,当通电频率在 50~100KHz之间,并且测量时频率 保持固定时, 可以忽略容抗,则由电阻可得: 2 2 L L ρL Z R ρ ρ ,或V 2-4 A V Z 设圆柱体的长度不变,容积的变化就是横切面的变化。设V为变 化后的容积, 1 R为变化后的电阻,则: 1 2 2 2 L L 1 1 ρL ?V 2 ?R ρρ ρL V V V V VV 1 1 12-510重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原 理及方法 又因为: 2 ρL R V 2 且V与V近似相等,令VV V 则: 1 1 2 ρL ?V R ?VR 2-6 2 V V 整理得: 2 ρLV ?R 2-7 2 R 及R ?V 2-8 R V 由 Nyboer公式可以看出当体积增大时电阻减小。它反映了圆柱 导体体积改变 和阻抗改变之间的关系,表明采用描记电阻抗变化的方法来反映 生物机体内某一 部分的容积变化是可行的。 导纳图(admittance plethysmogram)是在阻抗测量的基础上发 展起来的方法, 导纳Y和阻抗Z之间的关系是Y 1/Z。设 Nyboer公式中导体导 纳为Y,容积变化 后导纳为Y,则导纳变化为: 1 ?A ?VY Y ?Y 2-9 1 2 ρL ρL 所以: 2 ?V ρL ?Y2-10 还可以得到: 1 1 Z ?Z ?Z 1Y Y ?Y 2-11 1 2 Z Z ZZ Z 1 1 可以看出导纳法中导纳的变化量和基础导纳无关。因此,理论上 基础阻抗测 量所引起的误差在导纳法中可以避免,使测量精度有所提高。 人体的阻抗Z和导纳Y也是随着血管的扩张与收缩在不断的发生变化,心脏 的收缩与舒张是血液循环的动力,当心脏收缩把血液从心室射出时,主动脉与其 他动脉中的血液压力将会增加,由于动脉血管壁是有弹性的,动脉血管中的压力 上升必然伴随血管的扩张充盈。同理,当心脏舒张时,动脉血管中的压力下降使 血管收缩。所以人体的阻抗Z和导纳Y也有变化量Z和Y,以时间 t为横轴,Z和Y为纵轴就构成了时域的阻抗血流图和导纳血流图。人的颅内主要包括脑 组织、脑脊液和血液三部分。一般情况下,脑组织、脑脊液相对是较恒定的,而 流入到脑内的血液则易发生变化。血液电阻抗能力最小,导电率最高,通过测脑 部导电率的变化,来反映两电极间电阻综合性变化,经过放大并记录成图,就构11重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 成了脑血流图。 正常脑血流图随每个心动周期,出现一个类似动脉脉搏描记波的波形。有一 个陡峭的上升支和一个倾斜的下降支,而支之间为第一波峰,所形成的角叫做主 峰角。从主峰角再下降不久,又有一个重搏波形成第二峰,然后逐渐下降。重搏 波与主峰之间有一个峰谷。正常脑血流图的上升支所占的时间短,中间无转折, 第一峰和第二峰都较明显,峰谷较深,表示血管弹性良好。反之,当脑动脉硬化 时,脑血管壁弹性减退,阻力增强,脑血流量减少,这时脑血流图显示流入时间 延长,主峰角增大,形成平顶或三峰波。短暂性脑供血不足及一侧脑梗塞时,病 侧波幅低,波形圆钝,上升支延长,重搏波抬高或模糊不清。由此可见,脑血流 图比较能够客观地反映脑血管的紧张度和血管的弹性变化,对判断脑血管病有一 定的参考价值。 综上所述,用阻抗图技术测量时,宜用恒流激励。因为 ?U I?R,当I恒定 时,电压变化与阻抗变化成正比;而用导纳图技术测量时,宜用恒压源。因为有 ?I U?Y,当U恒定时,电流变化与导纳变化成正比。从式(2-11) 可以看出 采用恒流源同时测出变化 ?Z和基础阻抗Z也可以得到 ?Y。 由上述可知,阻抗血流图 ?Z和导纳血流图 ?Y的变化规律相反。但是在临床 上为了与导纳血流图统一起来,阻抗血流图大多采用阻抗值沿纵轴Y轴从上到下 增加的方式来表示。因此,阻抗或导纳血流图的变化规律与动脉血管中血液循环 规律一致。当心脏舒张时,动脉血管中的血液增多导致血管体积膨胀,其容积阻 抗 ?Z减小而容积导纳 ?Y增大,阻抗或导纳血流图波形都呈上升趋势;同理,当 心脏收缩时,动脉血管中的血液减少,其容积阻抗 ?Z增大而容积导纳 ?Y减小, 阻抗或导纳血流图波形都呈下降趋势。它们的标准波形如下图 2.3所示。 图 2.3 脑血流波示意图 Fig 2.3 Diagrammatic sketch of cerebral blood flow wave 具体测量分为直接测量和间接测量,间接测量采用惠更斯电桥平衡原理提取 阻抗的变化量,而直接测量又分为两电极法和四电极法。两电极法就是把激励信 号注入点与测量点结合在一起进行测量,所以只需放置两个电极;而四电极法是 把激励信号注入点与测量点分开进行测量,则需要放置四个电极。在进行抗测量12重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方法 时,由于电极的存在将导致一个不可忽视的接触电阻。为了避免接触电阻的影响, [20] 测量电阻抗的最佳方式是四电极系统 。这种四电极测量系统中的一对电极专门 用来向人体组织提供电流,另一对电极则专门用来进行电位测量,由于流经电位 差测量电极对的电流几乎为零,因此接触电阻对于人体组织电阻抗测量的影响可 以忽略。由于要同步测量头部双侧的脑血流信号,因此左右两侧检测电极要分开, 但可以节省一个电极,即左右两侧共用一个公共测量电极。这种阻抗测量方式最 后得到并不是测量电极间的真实阻抗,而是转移阻抗。假设当从 A、B两个电极向 场域提供电流 I时,则在场域内形成一系列等位面,那些经过电压测量电极的等位 面将场域分割成若干个狭窄的区域如图 2.4所示。由于等位面在场域内不能相交, 因此这些区域不会重叠。令 CE和 DF两个等位面所确定的区域为 V`,设想将 V` 从场域 V中抽出,并保持 CE和 DF仍为等位面,且满足: J ?ds ?I2-12 ? CE J ?ds I2-13 ? DF 图 2.4 场域分割图 Fig 2.4 Field comminuting chart 式中J为场域 V`的电流密度, 和 分别表示在取面 CE和 DF上的面积 ? ? CE DF 分。据此,可以求得电极对 C、D对电极对 A、B的转移阻抗。 要求出阻抗 Z 的表达式,需要利用散度定理 cd ρ ρ ρ ?AdV A ?dS 2-14 ?? VS ρ ρ ρ 假设电流密度J x,y,用 ΦJ代替上式中的A,则有: ρ ρ ρ ΦJ dV [ Φ?J + J? Φ]dV 2-15 ?? VV ′′ ρ 由于?J 0,应用高斯散度定理可简化为 ρ ρ ρJ? ΦdV ΦJ ?dS S`为区域 V`的边界。 ?? ′′ VS 又由于J σφ,而且J在 CD和 EF这两个面上的法向分量为零, 因此 J? φdv ? φφ I C D ? V `13重庆大学硕士学位论文 2 脑血流信号检测基本原理及方 法 所以 2φ φφ C D Z σ dv2-16 CD ? 2 V ` I I 从上式可以看出,转移阻抗的大小与场域中的电流密度有极大的关系。从上 式可以看出,转移阻抗的大小与场域中的电流密度有极大的关系。由上述可知, 实际中转移阻抗的测量如图 2.5所示,在颅表的 A、B点注入电流 I ,测量 C、D ab 点的电压 V ,即可得
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