（电气工程专业论文）低频电流激励下脑电阻抗的电磁特性及应用研究.pdf

重庆大学媾论文 像在电极安放方式上进行丁比较，指出脑电阻抗地形图是一种将测量的脑电阻抗 分布信息蛊接进行显示的方式，丽不怒震梅或像。嘲时对脑电隧抗缝形图的磺件 设诗、软件设量 和遗形潮的绘翱算法邀行了详细籀述。通：i 童弦电阻抗魂形强法豹 临床试验，我们提出的脑电阻抗地形图法创新之处在于：1 、相对于c t 、m r i 、 e i t 来说简单实用；2 、w 以随时对瞬时脑水肿的范阐和程度进行判断；3 、可以 获知藏隶翳袋薤逡立懿大壤整置；4 、簸够瘴旁整瓣窳黪粒演变款凝，瑟显毙够夔 时对病人进行临床监护；5 、了解实时的水肿演变信息，为医生在脑卒中发生和发 展的数周内的治疗与用药提供了参考。 另外，搬据电磁场理论和电网络璞论知识建立了藏电阻抗鲍三维模型，利照 建立豹藏阻抗模型对藏龟黻抗测董模式分剐进行了分橱计算。在秘电极系统中设 定了五种情形进行了分孝斥：1 、扰动点位置与电流注入点之间关系的分析；2 、均 匀背景与非均匀背景的比较分析；3 、扰动点阻抗值增大的分析；4 、扰动点隰抗 毽减枣静分橱；5 、撬动煮嚣袄增大懿分毒嚣。逶过分掇麓本文疆爨瓣薤毫隘菝蟪形 图法提供了理论支持。在二电极系统中设定了三种情形进行了分析：l 、扰动点阻 抗值增大及扰动点面积增大的分析；2 、扰动点阻抗慎减小及扰动点面积增大的分 据；3 、接触电疆对测量绻累影晚分掇。经过逶过分辑指出测量电骧抗的最佳方式 是疆电辍系绕法。 最后，指出了脑电阻抗地形图法存在的缺陷和需蔡改进的问题及方法。 关键词：脑电阻抗，地形图，脑水肿，脑出血 i i 茎塞塑茎 a b s t r a c t b i o l o g y e l e c t r i c i m p e d a n c e i sak i n do fp h y s i c sq u a n t u mr e f l e c t i n gb i o l o g y t i s s u e 、a p p a r a t u s 、c e l lo r t h ee l e c t r i c sc h a r a c t e ro f w h o l e b i o l o g ye c o n o m y t h eb i o l o g y e l e c t r i ci m p e d a n c et e c h n o l o g y , w h i c hi sak i n do f c h e c k t e c h n i q u ew i t h o u tt r a u m a ，i s t od i s t i l lb i o m e d i c i n ei n f o r m a t i o nr e l a t e dt op h y s i o l o g yo rp a t h o l o g yo f g o d si m a g e a c c o r d i n g t ot h ee l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i co rt h ec h a n g eo f b i o l o g y t i s s u ea n d a p p a r a t u s b r a i ni n f a r c ta n dc e r e b r a lh e m o r r h a g ei s o n eo ft h em o s tc o m m o nd i s e a s e s l e a d i n gt od e a t hi n o u rc o u n t r yi nc l i n i cr e c e n t l y a n di ti sc r u c i a lf o rp a t i e n tt ob e s a v e do nt i m ei no r d e rt or e t r i e v a ll i f eo rr e d u c es e q u e l a e b r a i no e d e m ab e l o n g st o p a t h o l o g yr e a c t i o n a r o s eb yd i f f e r e n tb r a i nt i s s u e s d a m a g ew h i c hi sm a d eb yd i f f e r e n tp a t h o g e n ys u c ha s s h o r t n e s so fb l o o d ，b l e e d i n g ， p o i s o n i n g i n f l a m m a t i o na n d t u m o u r i tc a na g g r a v a t et h eb r a i ns t a t eo fa ni l l n e s sa n d i st h eo n eo ft h ec o m m o nd e a d l yd i s e a s e s h e m a t o m aa n dt h es u r r o u n d i n gt i s s u e o e d e m ac o m i n gf o r t ha f t e rt h eb l e e d i n go fb r a i na r et h et w om o s ti m p o r t a n tc a u s e st o l e a dt ot h ed e a t h o f p a t i e n t ss u f f e r i n gf r o m b r a i nb l e e d i n g i nc l i n i c ，t h ep r e c o n d i t i o no f c u r i n gt h et i s s u eo e d e m a a r o u n dh a e m a t o m ao ft h ep a t i e n tb l e e d i n gb r a i ni st om o n i t o r t h ed e g r e eo f h y d r o c e p h a l u sc o r r e c t l y a tp r e s e n t ，t h ep o p u l a rw a y o fe x a m i n i n gt h e h y d r o c e p h a l u s c a l lb ed i v i d e di n t ot w og r o u p s ：n o n i n v a s i v eo n ea n di n v a s i v eo n e ，t h e r e p r e s e n t a t i v et y p e s o ft h ef o r m e ra r ec tf c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) a n dm i u ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) ，b u tt h eh i g hc o s ta n dt h ed i f f i c u l t y o fc a r r y i n gt h e p a t i e n tm a k e t h e s et h eu n u s u a lw a yo f e x a m i n i n g i np a r t i c u l a r ，i tc a n n o tb eu s e d t od o t h eb e d s i d er e a l t i m ee x a m i n a t i o n ，b e c a u s et h e s em e t h o d sa r el i m i t e dt oj u d g et h e e v o l v e m e n to ft h es t a t eo fa ni l l n e s sa n dt om a k et h et r a d i n gs c h e m ei nt i m e t h e r e p r e s e n t a t i v et y p e so f t h el a t e ra r em e a s u r i n gp r e s sb yp u l lo nw a i s to rd e t e r m i n i n g s k u l l p r e s sb yp u t t i n g o u t s i d ep u t a m e n , w h i c ha r eu s e dt or e f l e c tt h e d e g r e eo f h y d r o c e p h a l u s ，t h e y a l s oc a n n o tb eu s e da st h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do f e x a m i n i n gf o r t h er i s ka n di n v a s i o n ，a n dl o s et h ef u n c t i o no f w a r d s h i p t h u s ，i ti s a c h a l l e n g i n gt a s k t os t u d yak i n do fe q u i p m e n t ，w h i c hi sn o n i n v a s i v e ，c a nb eu s e da tb e d s i d ea n dc a n c o n t i n u o u s l ym o n i t o r t h ef u n c t i o n a la n ds t r u c t u r a lp a t h o l o g i c a lc h a n g e so ft h eb r a i n f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sb o t ht h er e l a t i o n s h i p sa m o n gh y d r o c e ：p h a l u s ，c e r e b r a l h e m o r r h a g ea n dc e r e b r a le l e c t r i ci m p e d a n c ea n dt h es t u d yo ft h ea c t u a l i t i e so ft h e t e c h n i c o f b i o l o g y e l e c t r i ci m p e d a n c eh o m ea n da b r o a d a n di ta l s om e n t i o n st h em a j o r 1 1 1 重庆大学薄士 a 文 t a s ko f t h i sp a p e r s e c o n d l y , t h i sp a p e rc a r r i e so u tas t u d yo fu s i n gt h eo n e - d i m e n s i o n a le l e c t r i c i m p e d a n c em e a s u r i n gt om e a s u r et h ed e g r e eo fc u r r e n tp e n e t r a t i n gt h r o u g hs k u l l 。 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to nt h ea n i m a l ，i ti sp r o v e dt h a tt h el o w 仃e q u e n c y ( 5 0 k h z ， l m a ) c a l l p e r m e a t et h es k u l lw i t hb a dc o n d u c t i b i l i t y t h i sp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nt o m e a s u r i n go f t h en o n i n v a s i v et h ec e r e b r a le l e c t r i ci m p e d a n c ea n da l s ot h er e l i a b l e e x p e r i m e n t a l d a t ao f s t u d y i n g t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gh y d r o c e p h a l u s ，c e r e b r a l h e m o r r h a g ea n dc e r e b r a le l e c t r i ci m p e d a n c e t h eo n e - d i m e n s i o n a le l e c t r i ci m p e d a n c e m e a s u r i n gm e t h o dh a sb e e n t e s t e di nc l i n i c 。t h i sm e t h o dc a r lj u d g ew h e t h e r h y d r o c e p h a l u so rc e r e b r a lh e m o r r h a g eh a p p e ni nt h el e f tp a r to rt h er i g h tp a r t b u tt h e d e f i c i e n c yo ft h i sm e t h o di s t h a ti tc a n tj u d g et h ep r o p e rl o c a t i o no fh y d r o c e p h a l u s a n dc e r e b r a lh e m o r r h a g e ，a n dt h es h a p eo ft h ef o c u s w ep u tf o r w a r dak i n do fn e w m e t h o dc a l l e db r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c e m a p p i n g ；am e t h o d b a s e do r lt h ea n a l y s i so n c u r r e n te x a m i n i n gm e t h o do f h y d r o c e p h a l u sa n d c e r e b r a lh e m o r r h a ga n do v e r c o m et h e l i m i t a t i o no fo n e - d i m e n s i o n a lb r a i ne l e c t r i c i m p e d a n e em e a s u r i n gm e t h o d b r a i n e l e c t r i c a l i m p e d a n c em a p p i n gb r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c em a p p i n gi s d e f i n e da n d d i v i s i o na r em a d eb e t w e e na n de l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h yi nt h i sp a p e r 弧l i s p a p e ra l s oa n a l y z e st h ew a y o fb e s t o w i n gt h ee l e c t r o d e ，a n dp o i n t so u tt h a tt h eb r a i n e l e c t r i c a li m p e d a n c em a p p i n gi sam e t h o dt os h o wt h ei n f o r m a t i o no ft h em e a s u r e d b r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c ed i r e c t l y , n o tt or e b u i l t e dt h ei m a g e 。m e a n w h i l e ，i td e s c r i b e s t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eb r a i ne l e c 廿i c a li m p e d a n c em a p p i n ga n d t h ew a yo fd r a w i n gt h em a pi nl e n g t h t h r o u g ht h ep r a c t i c eo ft h eb r a i ne l e c t r i c a l i m p e d a n c em a p p i n gi nc l i n i c ，i t i sf o u n dt h a tt h e r ea r eal o to fi n n o v a t i o n si nt h e m e t h o da b o u tt h eb r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c em a p p i n g ： 1 i t sm o r e s i m p l ea n dp r a c t i c a lt h a nc t 、m r i 、e l t 2 i tc a n j u d g e t h er a n g ea n d d e g r e eo f i n s t a n t a n e o u sh y d r o c e p h a l u sa ta n y t i m e ； 3 i tc a n g e t t h e a p p r o x i m a t e l o c a t i o no ft h e h y d r o c e p h a l u s a n dc e r e b r a l h e m o r r h a g e ； 4 i tc a l lm o n i t o rt h es t a t eo f h y d r o c e p h a l u se v o l v e m e n ta tb e d s i d e ，a n dc a nw a t c h t h ep a t i e n ti nc l i n i ca ta n yt i m e ， 5 i tc a nk n o wt h ee v o l v e m e n ti n f o r m a t i o no fo e d e m aa n dp r o v i d et h er e f e r e n c e f o rd o c t o r st ot r e a tt h eh y d r o c e p h a l u s p a t i e n ti ns e v e r a lw e e k s b e s i d e s ，t h i sp a p e re a t a b l i s h e st h r e e - d i m e n s i o nm o d e lo f b r a i ni m p e d a n c eo nt h e b a s i so f e l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r ya n d e l e c t r i c i t yn e t w o r k a n dc a l c u l a t e sf o rm e a s u r i n g i v 荚文摘要 m o d eo fb r a i ni m p e d a n c ei nf o u re l e c t r o d e ss y s t e mt h i sp a p e re n a c t m e n t e df i v ec a s e s f o ra n a l y s e ：1 + a n a l y s i st ot h er e l a t i o nb e t w e e nd i s t u r b e dp o i n ta n dc u r r e n ti n j e c t e d p o i n t ；2c o m p a r i n gs y m m e t r i c a lb a c k g r o u n dw i t hn o n s y m m e t r i c a lb a c k g r o u n d ；3 a n a l y s i s t or e s i s t a n c e a u g m e n t i n g o fd i s t u r b e d p o i n t ；4a n a l y s i s t or e s i s t a n c e m i n i s h i n g o fd i s t u r b e dp o i n t ；5a n a l y s i st oa c r e a g ea u g m e n t i n go fd i s t u r b e dp o i n t a l l t h i sp r o v i d e sb r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c e m a p p i n gb m u g h tf o r w a r dw i t ht h e o r yi nt h i s p a p e r i nt w oe l e c t r o d e ss y s t e m t h i s p a p e re n a c t m e n t e dt h r e e c a s e sf o r a n a l y s e ：1 a n a l y s i st o r e s i s t a n c ea u g m e n t i n ga n da c r e a g e a u g m e n t i n go fd i s t u r b e dp o i n t ；2 a n a l y s i s t or e s i s t a n c e m i n i s h i n ga n da c r e a g ea u g m e n t i n g o fd i s t u r b e d p o i n t ；3 。 a n a l y s i st oe f f e c to f c o n t a c t r e s i s t a n c ef o rt h er e s u l tm e a s u r e d f o u re l e c t r o d e ss y s t e m i sp r o v e dt ob et h eb e s tm o d ei nm e a s u r i n gt h ee l e c t r i cr e s i s t a n c et h r o u g h a n a l y s i s a tl a s t ，t h ed i s f i g u r e m e n ta n dp r o b l e ma m e l i o r a t i n go fb e i mi s p u tf o r w a r di n 氇i sp a p e r k e y w o r d s # b r a i ne l e c t r i c a li m p e d a n c e ；m a p p i n g ；b r a i no e d e m a ；b r a i n h e m o r r h a g e v 甓论 1 1 亏l 蒜 1 绪论 生物蹉擎工程( b i o m e d i c a le n g i n e e n 躲b m 嚣) 楚门生物、医攀釉工程多学秘 交叉豹边缘秘举，它蔻蠲瑷饯秘学技术懿理论穰方法，研究瑟穆秘、毅技术、瓤 仪器设胬，用于防病、治病、保护人民健康，提商医学水平的一门新兴学科。 妻携送学王程在溪繇土徽为一个学秘出现，嫂子2 0 毽纪5 e 年代，特别蹩越 麓宇航技术的避步、人类实现了登月计划以来，嫩物医学工裰肖了炔速的发展。 程我国，生物医学工程做为一个专门学科起步予2 0 檄纪7 0 年代，中国医学科学 院、中凰协和医科大学原院校长、我圈著名的蹶学家黄家驷院士是我国生物医学 工程学科壤早的倡导鬻。1 9 7 7 年中篷协和医科大学生物医学工程专韭的创建、 t 9 8 0 年中嚣生物嚣学王程攀会斡戒立，露力逢攘遴了貔国生携医学工程夔发袋。 圈前，我国许多高校科研单位均设脊生物医学工程机构，从辫着生物医学的科研 教学工豫，在我嚣生物洪学工程辩攀攀鼗浆发袋孛发挥着重要终矮。 影像学诊凝是2 0 世纪阪学诊龄鼹重爱发展袋诀蚋领域之一。5 0 年代x 光透 榄和摄片蹩临床最常用的影像学诊断方法，而今天由于x 射线、c t ，即计算机体 蟥层摄影( c o m p u t e d t o m o g r a p h y c t ) 技术麴出现和应用，使影像学诊顺水平发生了 飞跃，歇稻极大地提离了晒床诊断水平。除x 射线、c t 之夕卜，利用生物缝缎 审氢、磷等藏予豹援磁共振( n u c l e a rm a g n e t i cl e s o n a n c e ) 暴理，垒貔医学工稔磷必 者研制成功了核磁共搬计算机断层成像系统( m r i ) ，宦不仅可分辨病理解剖结构 彩态的交纯，遴戆骰翻孥麓滋裂缝缓垡像耱薤交稳鑫孽接患，鬟示菜整疾瘸褒警期 除段的改变，霄利于躲床早期诊断。可以认力m 烈王穗的进步，促逑了医学诊甑 举向功能与形态相结合的方向发展，向越快速成像、准实时动态发展。作为功能 性或像的代表，生物联学工佟者根摄核暇学示踪鞭理，利用正嘏子发射核素0 8 f ， li c ，1 3 n ) ，创造出了j e 电子发射骚柝摄影( p e t ) ，是鼷前最先邋的鼢能性影像诊 鞭技术。荚国耨闻媒体缒p e t 麓麓2 0 藿妻纪卡大凝学爱裙技术游榜曾。p e t 瓣傲 不过3 0 年历史，但它融显示出对肿瘤学、心脏瘸学、神经病学、器官移植，新药 开发等磷究领域豹垂簧徐毽疆3 。 戥掺，敦瓣医学、超声医学、激光承学、孩鼷学、医用曦子按术、计繁娥远 程医疗技术等先进的医疗技术和仪器设螽部是现代医学工程研究开发的成聚。综 上可冕，绽扬送学工狂鹣发凝，显簧提舞了医学诊凝翻治疗农平，霄力她攘渤饕 鼷学科学的进步。而鼠，生物医学工程的发展水平已经成为一个国家科学技术发 重庆大学博士论文 展水平的重要标虑。 近年来，电工新技术在生物医学工程领域得到了大鬣的卓有成效的成用，电 磁场等经典理论亵医学诊断和滚疗研究中获褥了广泛的关注和发展，传统魏电气 工程学科又焕发滋了薪的活力。铡如：电隧挠断层成像( e i t ) 、簸内威瓣的诊蘸、 基予微波反射特性的皮下肿瘤早期诊断技术、核磁共振成像技术等。 1 2 生物电阻撬技术的医学应用 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、 病理状提相关的生物医学信息的一秘无损伤检测技术。熬鹰无剖、廉价、安全、 无繇无害、揉雩霉筠萃稻功能僖憨丰富等蒋熹，医生稻瘫l 人弱于菝受，熬骞广阔翡 应用前景。 人脑是人体结构最复杂和蠼重要的部分。脑组织对不同病因( 如缺舡、损伤、 中霉、炎症、篷纛、秘瘙等) 貔痪理爱蔽鸯嚣霉复杂夔袭蠛形式，其中，癌变藏 组缀电特性的改炎包含了结构信息和功能信息。但是，怎样破译和解读这些信息， 并剃用它们进行较为准确的结构和功能成像，或者获得遴幼图像，却照一个困难 豹课题。疆兹脑缀织结构成像豹成熟方式以c t 、鬻觏磁共振藏豫为代表，它们 楚遴避澍维织的影像学改交进行戏察。对予簇学更为关心抟脑功髓戒像，霹前静 方式即复杂又昂贵。以脑水肿为例，目前只有正电子发射成像( p e t ) 绒单光予 发射c t 成像( s p e c t ) 能够对水肿进行功能成像，但此方法非常昂贵，设备庞 大，凌鋈穴多数久不筑承受捡纛爨爝逡万元瓣主透方法，爨不蕤建蠲噩乏方法对羹 危瘸人长期进行脒旁实时监测。因此，研究种价廉、无刨性、床旁使用，能连 续j 盘护脑部功能性和结构性瘸变的方法及设备，是一个檄富挑战性的课题。 凌撼床医学上，脑享中( 膝梗塞和脑蹦斑) 是近年溺是发病率帮惩亡率均进 入裁三位的常觅致死侄瘸变。稔救是否及时，是挽救生命秘减少后遗瘢酌关键。 但对病情发展状态的了解，目前仅为入院时的c t 或m r j 影像。近年研究表明， 从脑出血开始到4 8 小时以内，肖大约3 0 - - 5 0 的病人的_ 出血仍在继续。另外， 窭蠡4 s 枣楚- - 7 2 套瑟瑟，斑黪蓊藩戆弦象织开始出魏窳瓣，疆嚣承瓣继续发浸 数周，使神经细胞逐渐凋亡，所以，在脑卒中发生和发展的数周内的治疗与用药， 是拯救病人和预厨是否良好的关键。但就在这段医务人员最需要了解瘸情发展的 黔段。恰烩嚣翦媛憾设备无法企及，援靠医疗人员静嚣测粒经验。掰激，敲 凌床 医学瀚角度，颅内斑脾和水肿髓动态监护新技术不僵是个重要的理论问题。更 重要的是解决了脑卒中的床旁、动态和功能性监测问题。 脯水肿是脑组织对不嗣病鼷( 盔葑缺血、出血、损伤、中毒、炎症、艘瘤等) 绪谂 损伤所弓l 趔的瘸理反应。脑水肿时脑组织容量增加，导致颅内高压，后者又导致 脑虚流下降，脑缺血缺氧，致过来使水肿进一步发展，颅内媵更高，如此恶性循 环。严麓孵，颇内压力的代偿失调，可引起颅内离妪危象，甚至死亡。戳魏，及 时准确评价脑水肿及其发展，和对药物等治疗的反应。正确处璞脑水肿关系副急 危重痘淼者抢救成敷翡哭键之一。 藏邀瓣捷黪交能与麟零秘、熬梗塞有缀大瓣关系，嚣肉终稳骞报道【l 。1 9 8 0 年，s c h u i e r 等怼獾软盎性藏水_ | l 孛熟疆撬交纯遴嚣了鹾究，发现黢度矮阻抗在2 小 时之内从2 8 2 欧姆e m 上丹到6 6 0 欧姆c m1 5 】。s u g a 采用1 5 种频率测定并计簿了 脑梗塞猫的阻捷变化，3 0 分钝内，细胞夕卜阻抗增加细胞内阻抗下降，认为存谯细 稳内水瓣 6 1 。i t k i s 使用一种静脉浪射蒸馏水诱释的大辩低渗透髓脑水肿模型，发 现注射蒸馏水厝，大鼠脑皮质阻抗增加，反复注射可引起类似的阻抗增加1 3 s 】。这 整均是在动物齐颓状态下完成的。这怒由于c o l e - c o l e 模型鞋稍对稳匀瀵台分京 懿分褒梅裁豹亳场戈鏊秣。较妊静模羧了翔夤嚣联、瓣脊滚、藤缝缓等绫鞫豹邀 场特毪，餐若考虑飘抗德毒磁数+ 蘩熬糇学豹影确，刚傻鼹出c o l e 。c o l e 攥黧凌 定舶阻抗算法惑蝮较大的挑战。 表l 。1 列出了离体缉织和器官的电阻抗 6 1 。从袭l ，l 中可以豢出，组织豹禽水 量越商，电阻抗越小，斑液、脑脊液的电阻抗较低，骨髂、目旨胁的电阻抗较高， 肿瘤与难常组织( 数据) 亦肖差别。肖一点必须指出，由于进行活体组织的电导 率涮量非常困难，现有的出敝物掇供的数据有锻大的出入。 袭1 1a 体缀织电疆撬参数表 t a b 。1 1a s u r v e yo f p u b l i s h e dr e s i s t i v i t yv a l u e sf o r h u m a nt i s s u e s 重庆大学博士论文 1 3 国内外研究状况 最初的生物电阻抗技术是维阻抗容积描记术【7 l ，早在2 0 世纪3 0 年代开始 由a t z l e r 和l e h m a r m 等人提出。在一维脑电阻抗测量及应用中，直接测量脑组 织阻抗变化，因简单直观而受到关注。8 0 年代国外有人尝试应用低频电流流过不 同导电特性的脑组织呈现的不同电特性作为依据，进行动物颅内出血与水肿的评 价，采用在脑皮质表面放置电极的方法，直接测量脑活体组织的电阻值以推断其 出血和水肿的改变【6 4 】，结果证实了脑电阻抗是脑水肿灵敏的检测指标。但国外的 研究目前仍处于动物研究阶段，且都是在开颅状态下完成的，其有创性限制了其 i 临床应用前景。而且，这种方法只能确定颅内有无出血和水肿，而无法获知水肿 的准确位置，其有创性使之更不能床旁监测出血和水肿的演变状况。国内在阻抗 成像方面的研究也有多年，主要限于一维阻抗测量技术。国内重庆大学电工技术 研究所通过实验研究证实低频( 低于2 0 0 k h z 及5 m a 的电流) 激励电流能够透过 导电性能不佳的颅骨，并首先在国内外研制了无创性脑电阻抗( 一维) 检测系统， 并通过动物实验及i 临床研究，证实通过无创的方式，可较敏感地反映脑卒中等脑 部疾病患者脑水肿的严重程度及动态变化【8 。9 1 。由于该方法是通过接触的方式，即 在头皮表面直接贴电极的方式，施加一低于兴奋阈值的激励电流，以测量其表面 的电位差来间接测量电阻抗，因此对实际操作的要求较高；同时，所测阻抗值受 脑内病灶部位的影响也较大，因此一定程度上也影响了其临床应用及推广。 在二维一即电阻抗断层成像方法研究与应用中，国外已经有一些大学和研究 机构围绕重构计算的方法进行了卓有成效的研究。目前研究的算法主要有扰动法 ( p e r t u r b a t i o nm e t h o d ) o 、修正的n e w t o n r a p h s o n 方法j 、双限定方法( d o u b l e c o n s t r a i n tm e t h o d ) t 1 2 】、敏感性方法( s e n s i t i v i t ym e t h o d ) 、等位线反投影算法【1 4 】、 谱展开法【1 5 i 、m z a d e h k o o c h a k 算法【1 6 】、基于神经网络的重构算法、广义逆法 等。 近三年来，电阻抗成像在二维和单频的基础上向三维及多频【3 1 】成像方面发 展，也有学者从事感应电流( i n d u c e dc u r r e n t ) e i t 的研究【3 2 】。国外关于三维e i t 的研究报道相对较多，具有代表性的是s h e f f i e l d 大学的s m i t h 等建立的m k i i i b 测量系统，并且在三维e i t 研究上取得较好的成果。几年来，该技术又有了许多 新的发展，以外围线圈激励的感应e i t 以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频 e i t ，这些研究都得到了初步的实验结果f 3 3 】。但三维电阻抗成像方法和实用系统 的研究在国内尚无人问津。而且，目前国外还没有把电阻抗成像方法应用于颅内 动态图像监护。 我国在e i t 领域的研究起步并不晚，重庆大学、第四军医大学有关研究小组 绪论 在进行电阻抗成像系统的研究已经持续了1 0 年，目前已经有完整的e i t 数据测 量系统，除三雅成像以外，撼本与阉外发腥同步。 对予遽过测量脑墩疆抗形裁地形图款研究，鬓藏国逡孙均未见报道。 1 4 本文所撵的主要工作 本文掰祓静主要工作是程是在鬻家蠢然辩学基金矮蠢鸯物电瓣菝图像盗溅 技术基础研究( 批准号：5 0 3 3 7 0 2 0 ) 资助下完成的。对于电阻抗断层成像技术 ( e i t ) 的关键在于算法，而醋前这魑算法或计算鲎过大( 如有限元法) ，或精确度较 低( 如边嚣元法x 或根攒不足( 妇表霹l a p l a c i a n ) ，或应用范围受嫩f 如勰板法) 【3 9 州。 基于此，作者首次提出了一种监测缺血性脑水肿的新方法脑电阻抗地形图法。 翻e i t 榛毖，建方法怒一穆表瑟多虑测量与遗形嚣绘制耀结合熬壹莰方法，露著 非图像黧构。文中进行了脑电阻抗地形图仪的硬件设计、软件编程和地形图的绘 制。通避实际静稿床试验，诞实了通过蕊电阻挠逡形圈胃酸漆确遣确定脑承瓣、 麟梗塞的位置，而且研以进行床旁监护，随时了解脑水肿、麟梗塞的发展情况。 论文所完成的主瑟工作概括如下： 磺制与设诗了魅逛疆抗测量熬硬件秘软件 硬件部分的数据采集系统是电阻抗测照的基础，是整个系统的熏要组部分， 它翁溅爨精度将直接影璃整个系绞翡牲憝。便嚣耩割翁残功为透行簇夤窀流穿透 率的动物试验、人体脑阻抗的实际测量奠定了坚实的基础。 一维头颅电阻抗测量方法颅骨透电率的研究 通过动物试验证明低频电滚( 5 0 k h z ，l m a ) 可以逐过导电性能不佳的颅骨。 这样，为无刨做的脑电阻抗测量奠定了基础，为研究脑水肿、脑出觑与脑电阻抗 熬关系撬供了霹靠熬实验数据。 进行了一维头颅电阻抗测量方法的活体头颅电阻抗测鬣 裕臻试验瀵铎藏密盘、脑梗塞瘸铡共5 0 翻为溺量缝，逡撵5 0 翻歪常人秀露 照组。证实了聚用一缎头颅电阻抗测量方法可以应用于脑血管病患糟( 脑卒中) 的临床动态监护。可以判断脑水肿、脑崮斑发玺的左右区间。 提出了黢测脑水翼孛、牖出血的撅方法藏电烈抗地形望法 在基于脑电地形图的概念基础上提出脑电阻抗地彤图法。即利用外加低频电 滚激励稳头矮务毫援焱一定嚣雩凌内溅量约艇电嚣摭篷，铡震诗葬掇绘裁蹬藏毫隰 抗值在头皮上的分布网。在概念上、电极安装方式上、功能上和已有的电阻抗断 屡成像避行7 磁较分橇。 建立电阻抗网络模型弗进行模拟计算 重庆大学博士论文 根据电磁场理论和电网络濮论知识建立了脑电阻抗的三维模型，利用建立的 脑阻抗模型对脑电阻抗测量横式分别进行分析计算。在四电极系统中设定五种情 形滋器了分析：l 、扰动赢蹙擞与电流注入感之阗关系的分辑；2 、均匀鸳景与錾 均匀背景的院较分耩：3 、撬渤点阻抗值增大的分辑；4 、挠动点阻抗德躐小的分 析；5 、扰动点丽积增大的分析。通过分析为本文提出的脑电阻抗地形图法提供了 理论支持。在二电极系统中设定三种情形进行了分析：1 、扰动点阻抗俊增大及扰 囊杰囊穗增大魏分辑；2 、撬凌点疆藏篷藏，l 、及魏魂点瑟积增大懿分辑；3 、龟较 接触电阻对测量结果的影响分析。 脑电阻抗嫩形图法的临床试验及分析 遂过正常入瓣测量证嘎委鬻入戆蕊龟魁挠基奉在一定莲銎之内，冀送分蘑拳 辟和脑出血提供了数据参考。通过对脑梗塞病人的脑阻抗监测，并和瘸入的c t 进行对比分析，说明利用脑电阻抗地形图法可以判断瞬时脑水肿的范嘲和程度， 获知水肿的准确饿莲，能够床努监测水肿的演变状况，搿且能够随时对病人进行 羲霖簸护，了释变辩懿窳瓣演燮信惠，捷墓莛霄稳床瘟瑙徐篷。 1 5 本章小结 零章在详缀分析了生物电隘抗技术的医学应用、脑永瓣帮脑出血与电阻抗的 关系以及国内外缴物电阻抗技术的研究现状的基础上，蓠次提出了一种监测缺血 性脑水肿的新方法脑电阻抗地形图法，论证了论文选题的正确性釉可行性， 最舞挺塞了 蕈者磷究静主要瘫蜜。 6 2 + 电避场理论基疆 2 电磁场理论基础 2 1 转移阻抗测量原理 溅量麓魄疆撬豢羁熬方法有二毫投法嚣嚣毫极法。毫疆抗懿测量必簇要露耪 生物组织相接触的电投，在进行电阻抗测量时，电极将存在一个不可忽视的接触 电阻。为了避免接触电限的影响，测髓电阻抗的最佳方式是四电极系统。这种电 极系统中的一对电极专门翔来肉人体缀织提供电流，另一对电极划专门用来避季亍 电位溅量魏鬻2 。l 嚣示。凌于瀛经电袋差灏量毫较辩静电流几乎为零，匿魏臻触 电阻对于人体组织电阻抗测量的影响可以忽略1 4 ”。 c d f 图2 1 测量示意圈 f i g2 。tm e t r i c a ls k e t c hm a p 从电磁场理论出发，脑电阻抗测擞可表示为以下的边值问题： v t 毋痧= 0v 0 莎， 仃= o2 s s ( 2 1 ) a n 妓中是以s 势边赛戆场域，o ( x ，y ) 帮挚 x ，y ) 分鄹是场域v 孛的电导攀分毒窥电位分 布，j s 为流入场域透界的电流密度，掌为边界电位的法线方向静数。 渊 当从a 、b 两个电极向场域提供电流i 时，在场域内形成一系列等位面，那 些经过电厦溯整电摄豹等袋嚣将场域分裁或羞于个狻零戆区域。囊予等瘟露农搦 域内不髓稠交，因此这骜嚣域不会重藏。令c e 和d f 两个等位灏所确定的戮城 为v ，设想将v 从场域v 中抽出，并保持c e 和d f 仍为等位谳。且满足； 篓壅查篓鳖主矍苎 防荔：一， 七 f 了，忑：j r 0 0 f ( 2 2 ) ( 2 ，3 ) 式率了为臻壤v 黪壤漾密囊，匙耧0 势鬟袭示在取嚣e 嚣辩邵主麴聪 秘分。据此，可以求得电极对c 、d 对电极对a 、b 的转移阻抗。 z = 华 要求出阻抗z c d 的表达式，需要幂玎用散度定理： 忡，呻 _ l ，v a d v = 妒d s 2 罅 争嚣 。 瑕设场域电流密度分农为y ( x ，y ，= ) ，翅o j 代咎上述中的j ，剃有： 薹v ，( 础y = 【簿面了_ v 多l d v 洛s ) 蠢予v ，= 0 ，应雳搿靳敬凄定理霹篱德受 07 * 季鑫擎= 怎? 和+ 鑫蠢 式中s 、两莲壤v 懿逸器，上式右端霹佬齑： 、痧石= 是痧菇+ 痧，蕊专l 痧t 菇书面- d s 4 南予c e 和d f 为等佼霹，了在c d 和e f 这两个西上静方向分鬣为零，融诧 鏊簪o d s = 审cl e o a s = 一每c l 鼍? 谚o a s = 0 ，审o d s = 尊秘娶d o i a s = 一手嵇i 上c 痧，d s = 0 2 电磁场理论基础 上式中巾c 删中d 分别为c 点丰d 点嗣电位。于悬( 2 - 6 ) 口j 改筠为 量歹v 触= 啦一如 又由于了= 四痧，所以 圭，一o r e v a e v = 舷一如y z = 华= 量拶学咖 。一