生物电阻抗成像在颅内压无创检测仪器中的原理研究

生物电阻抗成像在颅内压无创检测仪器中的原理研究 生物电阻抗成像在颅内压无创检测仪器中 的原理研究 2010年第5期总第37卷测量与检测技术?71? 生物电阻抗成像在颅内压无创检测仪器中 的原理研究 李彩霞,郭明青 (1.重庆工商职业学院,重庆400052;2.中兴力维,广东深圳5l8057) 摘要:颅内压是指颅腔内容物对颅腔壁产生的压力.其变化总是伴随着颅内部分区域电阻率的变化,从而引起颅内阻抗 的变化.通过检测颅内阻抗的变化可以间接反映颅内压的变化趋势,达到检测颅内压的目的.重点阐述生物阻抗的测量 原理和电阻抗法监护颅内压的原理.详细说明了颅内压增高与颅内阻抗变化的关系,并建立了相应变化对照曲线.利用 此可以进行颅内压的无创检测.该方法在临床仪器中的使用可以较大程度上改善病患的检查治疗环境. 关键词:生物电阻抗;颅内压;检测 中图分类号:R604文献标识码:A文章编号:1006—0316(2010)05—0071—03 Theorystudyofelectricalimpedancetomographyinnoninvasivemonitoringinstrumentof intracranialpressure LICai-xia,GUOMing—qing' (1.ChongqingTechnologyandBusinessInstitute,Chongqing400052,China;2.ZTENetVie w,Shenzhen518057.China) Abstract:Intracranialpressure(ICP)isthepressureformcerebralcontents.Itschangesalway sfollowtheresistivitychangeof intracranialpartzone,thenbringtheimpedancevarietyofintracrania1.Throughmeasuringt hechangeofintracranialimpedance canindirectlyreflectthechangeofICP,achievethepurposeofmeasuringICP.Thispapermain lypresentsthetheoryof measuringtobioimpedanceandICPmeasuringwiththebioimpedancemethod,detailedlyex plaintherelationbetweenthe incrementofICPandtheimpedancechangesofintracranial,andsetupthebothcorresponding curve.Thismethodcanrealize thenoninvasivemonitoringofICP.Usethismethod,medicalenvironmentwillbeimprovedg reatly. Keywords:bioimpedance;intracranialpressure;monitoring 颅内压(ICP,IntracranialPressure)是指颅腔 内容物对颅腔壁产生的压力,又称脑压.颅内压的 增高是颅脑疾病中经常出现的,并且是使病情严重 甚至引起死亡的并发症.在临床上,只要涉及到颅 脑,都把颅内压作为一项重要的参考指标.能否实 时动态地观测颅内压的变化,从而在继发性损害症 状明显之前采取有效的措施,已成为临床工作的迫 切需要. 目前,检测ICP的仪器多数是把传感器置于颅 内直接检测.这种检测虽然精确度高,但颅内植入 和受感染的危险性很大,根本无法长时间的连续监 护.若能实现颅内压的无创伤监测,不仅使颅内压 的临床监护变得方便,安全,也使颅脑病患者监测 中免遭痛苦和危险. 颅内的各种病变必然会引起病变区域的电阻率 发生变化,种种病变因素都将引起颅内区域阻抗改 变.由于对病情发展的不同阶段,脑阻抗表现出了 不同的特征,因此可以利用测量脑阻抗来发现病情 的变化. 生物电阻抗检测具有无创伤,安全,价格低廉 且操作简便等优点,正好符合颅内压检测的迫切要 求,因此利用生物电阻抗方法对颅内压实施检测和 对预告病情的发展情况有很大的研究价值. 1阻抗测量 为了避免输入和输出的干扰,在这里采用四电 收稿日期:2009—12—07 作者简介:李彩霞(1984一),女,陕西绥德人.硕士研究生,助教,主要研究方向为机电 一体化.. ? 72?测量与检测技术2010年第5期总第37卷 极法(如图I),一对电极输入电流,另一对电极 引出被测部位的电压. 测出在三个频率下的生物组织阻抗,就可以根 据Cole.cole阻抗值和Schwan提出的频散理论公式 解出其相应的电阻抗参数,R,Ro和,;等,也就 知道了脑电阻抗值【】】. 图1阻抗测量示意图 实际阻抗测量仪器的基本结构框图如图2所 示,计算机系统是整个测量仪器的控制和处理中心, 测量过程的自动控制,数据的处理和打印都在计算 机的控制下来完成. 在这里由计算机控制程控信号发生器产生不同 频率的正弦信号,这一信号经恒流源电路转换成电 流激励,再通过电极作用于待测对象,从被测对象 出来的信号,经放大器放大,AND转换,最后送到 计算机进行数据的分析和处理. L_'囤磊露哥—匝莉 图2测量系统图 2电阻抗法监护颅内压原理 目的是通过检测脑阻抗的变化来代替检测颅内 压的变化,通过测量脑的阻抗变化来监视颅内压的 变化,实现颅内压的无创监护. 颅内压是力学参数,而生物阻抗是电学参数, 它们之间没有直接关系.但颅内压的变化总是伴随 着颅内部分区域介质的电导率的变化,从而引起颅 内阻抗的变化,如图3所示. 下面分析颅内压增高过程对于颅内阻抗的变化 情况. 可以把脑阻抗2r分为两部分:基础阻抗Z0,交 流阻抗?z,如图3所示【'. 正常情况下,颅内各物质总量恒定,Zn保持不 变,?z在z附近上下波动,波动原因主要是由心跳, 呼吸,咳嗽等引起的.在正常情况下,人的颅内压 为5,15mmHg(1mmHg=0.133kPa). 颅腔内容物主要由脑组织,脑血流和脑脊液所 组成.由于颅腔容积相对稳定,所以颅腔内容物的 总体积不允许有大幅度的变化.如其中之一的体积 增大时,必须有其他的内容物同时或者至少其中之 一 的体积缩减来平衡. 在正常生理情况下,颅内脑组织的体积比较恒 定.因此,正常范围的颅内压调节在脑血流量和脑 脊液之间进行,其中一个体积增加,需要另一个体 积缩减来协调. 图3颅内压与脑阻抗关系示意图 在颅内压增高初期,主要是颅内脑脊液起代偿 作用来平衡颅内的压力平衡,病变的物质(如肿瘤 等)取代了被排除的脑脊液的空间.由于脑脊液的 电阻率在颅脑中最小,所以在颅内压增高初期脑阻 抗随病情发展有大的变化,曲线斜率较大.即图3 中的I部分. 当脑脊液的代偿功能消耗殆尽后.进入颅内压 增高中期,这时脑血容量的代偿起主导作用,随着 病变的扩展,血液被不断的排出脑外. 由于血液的电阻率高于脑脊液,因此随着血液 被排出脑外,随着颅内压力的增加,颅内部分区域 的电阻抗依然增加,但是增加的趋势有所缓和,即 图3中的II部分. 在从第1部分变化到第1I部分时,由于代偿物 质电阻率的不同,所以有个明显的变化点,这是 一 重要的特征点,仔细分析这一点所对应得颅内压 变化情况,可以病变的一个转化期. 随着颅内压的逐步增高,脑阻抗也逐步增加, 只是增加的趋势有所缓和,直到脑血容的代偿功能 也消耗完毕,也就是图3中的点,这也是病情变 化的一个重要特征点,对于分析颅内压变化有很大 的意义. 2010年第5期总第37卷测量与检测技术?73? 这时由于颅内压的增高,脑血流小的波动必然 导致颅内压大的起伏,即颅内压一会儿骤升一会儿 骤降.而颅内压的骤升必然使颈静脉回流受阻,颅 内血容量暂时增加,从而阻抗减少;当颅内压骤降 时,颈静脉回流畅通,颅内血容量又降低,阻抗增 加.这样,阻抗的变化就反映了颅内压的变化情况. 3总结与展望 用阻抗法来研究ICP的变化,是基于脑阻抗和 ICP都随着颅内物质变化而变化的.ICP变化必定会 引起脑阻抗作一定特征性变化,本文的分析揭示了 这一点. 运用生物电阻抗成像来监测颅内压的变化有着 较好的应用前景. 由于其方法简便,特别是其无创性,使它比有 创的颅内压监护有不可比拟的优点.因此开发出更 加简单,精确的监测仪器,为颅内病人提供一个舒 适,良好的治疗环境.目前,利用该理论开发出来 的仪器已取得部分成果. 参考文献: [1]ColeKS,ColeRH.Dispersionandabsorptionindielectrics;【J].The JournalofChemicalPhysics,1941,33(5):341—351. 【2]KanaiH,HaenoM,SakamotoK.Electricalmeasurementoffluid distributioninlegsandarms[J].MedicalProgressTechnology.1987, 12:l59. [3]唐敏.生物阻抗测量原理与测量技术【Jl_生物医学工程学杂志. 1997,14(2):152.155. [4]许泽鹏.电工技术[M】.北京:人民邮电出版社,2002. 【5]刘国庆,肖贵遐,朱代谟.生物电阻抗法在颅内压升高代偿期分 析中的运用IJJ.生物医学工程学杂志,2000,17(1):47-49. [6】刘国庆,等生物电阻抗法无创测量颅内压的理论探讨[J].生物医 学工程学杂志,1999,16(4):243.245 [7]蔡颖,刘玉峰,等.脑血流与颅内压的仿真模型研究[J].力学季 刊,2005,26(3):455.458. (上接第68页) (5)为了主要针对较陡曲面的余留残料精加工 进行规划6球刀曲面等高外形精加工刀具路径; (6)为了主要针对前一等高外形精加工刀具路 径在曲面下部余留的残料精加工,同时清角进行规 划6平铣刀曲面等高外形精加工刀具路径; (7)利用MasterCAM系统提供的实体加工模 拟功能,对工件进行实体加工模拟,可以及时发现 曲面加工中存在的问题,以便对不合理的加工参数 加以改进(如图3所示); (8)利用MasterCAM系统的Post后处理功能, 选取与实际加工机床相同数控系统的后处理文件, 生成加工数码相机面壳凸模所需要的NC代码.对 生成的NC代码进行简单的修改,修改完毕即可将 NC文件传输给数控机床. 5结语 对于广大中小企业的数控加工人员来说,根据 自己的实际加工技能水平来选择简单易学,价格低 特别是 廉的CAD/CAM系统是需解决的首要难题,不需要复杂的模型数据转换,复杂的软件操作过程, 就能完成日常产品和加工任务.通过对数码相 机面壳凸模进行试切加工,证实了只要能合理地利 用Solid3000和MasterCAM软件的各自优势,易学 易用,操作简洁就可以大大缩短零件设计及制造周 期,减少编程人员的工作量,提高生产效率,?保证 零件的加工质量,最终满足产品性能. 图3实体仿真加工 参考文献: [1】雷利平.Solidworks与Mastercam的结合在数控加工中的应用【J】. 西安工程科技学院,2004,(9):240—243. f2]I望龙,闰晓玲.基于Solidworks与MasterCAM一体的CAD/CAM 研究[J】_制造技术与机床,2009,(1):36—38. [3]门超,张宝树.基予Pro/Engineer与MasterCAM的模具CAD/CAM 『川.铸造技术,2007,(4):519-521. [4]何满才.Pro/Engineer模具设计与MasterCAM数控加工[M】.北京: 人民邮电出版社,2009.