研究背景和目的:脑出血(intracranial hemorrhage,ICH)是颅脑内血管破裂导致的颅腔内出血性病变。世界卫生组织心血管病人群监测(WHO-MONICA)调查数据显示,脑卒中发生率逐年增长,中国以每年约9%的速率上升,约30%的发病者死亡,多数的生存者遗留有不同程度残障。脑出血是卒中的第二大类型,具有高发生率、高致残率、高致死率和高治疗费用的特点,对人类的生命和健康造成严重威胁,并对社会和家庭造成严重经济负担重。早期诊断和及时治疗是降低脑出血危害的最有效方法。目前,常用的脑出血检测方法主要有计算机断层扫描成像(computer tomography,CT)、正电子发射断层扫描成像(positron emission tomography,PET)和核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等影像学方法。这些昂贵的设备无法在欠发达地区使用和普及,而且存在体型庞大,无法进行床旁和急救现场监护等问题。磁感应相移(magnetic inductive phase shift,MIPS)检测技术是一种新兴的技术,它具有非接触、无创伤、小型化、低成本和可以进行连续床旁监护的特点,是检测脑出血的一种新方法。为了研究更宽频带上的脑出血MIPS特性和获取更多有用的MIPS测量信息,本研究提出了磁感应相位移谱(magnetic inductive phase shift spectroscopy,MIPSS)检测方法,以期为MIPS技术检测脑出血提供指导。为实现该目标,本论文的工作分为以下两个部分。第一部分:1.基于矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)建立MIPSS检测系统。以Agilent E5061A射频VNA作为MIPSS检测系统的信号发生器、数据采集单元、鉴相和显示单元。按照家兔头部尺寸,设计了同轴平行单激励线圈-单接收线圈(single coil–coil)。MIPSS检测系统,具备四个独立的测量通道,不仅可以测量被测组织的传输特性,还可以测量被测组织的反射特性,具有幅度、相位、阻抗等多种数据格式,可测量的频率范围:300 k Hz-1.5 GHz,扫描时间为25 ms(201点,中频带宽30 k Hz),鉴相精度达到0.01°,能够满足测量物理模拟实验和家兔脑出血实验的要求。2.线圈空间参数实验研究线圈空间的mips检测灵敏度,以确定在动物实验中家兔头部的放置位置和注血点位置。在该实验中,选取传感器线圈内15个具有代表性的空间点,逐个测量注入4ml0.9%生理盐水引起的mips变化。实验结果显示距离激励线圈越近,越靠近线圈边缘,mips的检测灵敏度越高。考虑到家兔头部尺寸、几何结构和mips检测灵敏度等因素,在动物实验中,家兔头部放置于接近激励线圈,中轴线靠下的位置,最佳的注血点为(0,3,3)。3.注射和抽取不同电导率、不同体积的盐水模拟实验,初步研究mipss变化规律。在该实验中,配制了四种不同电导率的nacl溶液,制作了含两层结构的物理模型。向物理模型注入或抽取10ml不同电导率的溶液,和注入或抽取不同体积的同种溶液,采用频率从1mhz到1ghz进行mipss测量。实验结果显示,对于两层结构的物理模型,低频带的mipss值较小,高频带的mipss很大,注入和抽取的相位差趋势相反。在注入或抽取相同体积的条件下,高频带的相位差大小与溶液的电导率成负相关,而在低频带相位差大小与溶液的电导率成正相关。在同种溶液的条件下,整个频带上相位差的大小与注入或抽取的溶液体积成正相关。第二部分:1.以家兔为实验对象,采用自体血注入法建立4个不同的脑出血状态,分别为术前、术后、注血1ml和注血2ml。在mipss检测系统上分别测量了13只家兔4个不同状态的脑出血,获得了频率从1mhz到200mhz家兔脑出血mipss数据。选取mipss数据效果最优的特征频带进行处理和分析,采用了非参数多重比较秩和检验(friedmanmtest)对特征频带下的mipss作显著性差异分析,并根据特征频带下脑出血mipss的特点设计了能够判断脑出血严重程度的方法,即b-f分布图。实验结果显示,对于组织成份和结构复杂的家兔,低频带的mipss值比高频带的mipss大。另外,s21功率幅值越大的频带,其对应的mipss就越大,说明了mipss检测灵敏度具有频率依赖性。friedmanmtest结果显示特征频带下4个不同状态脑出血的mipss具有显著性差异。特征频率下,术前、术后、注血1ml和注血2ml分别产生的平均相位差为-0.2373°±0.3126°、-0.5031°±0.9257°、-3.4449°±1.4208°和-5.6422°±1.5761°。b-f分布图不仅能有效地判别出脑出血严重程度,还可以反映脑出血的总体变化趋势。2.为了验证mipss检测系统的可行性、脑出血模型的有效性以及解释mipss测量结果,还对家兔脑出血模型进行mri扫描实验。在mri扫描实验中,采用space(samplingperfectionwithapplicationoptimizedcontrastusingdifferentflip-angleevolution)成像序列扫描5只家兔4个不同状态的脑出血。mri图像直观展示出脑出血过程中脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)的变化过程,随着注血量的增加,CSF持续排出,第一个1 m L注血量的CSF排出量大于第二个1 mL注血量的CSF排出量。并通过Amira软件对CSF图像进行分割,结果显示从术前到注血2mL,CSF量从1.757mL下降到了0.50 mL。进一步计算出兔脑整体电导率的变化量,结果显示脑出血过程中兔脑整体电导率变化趋势与特征频带下的MIPSS变化趋势具有一致性。结论:1.以射频VNA(Agilent E5061A)为核心建立的MIPSS检测系统,能够测量到非常宽的频率范围,具有快速的数据采集速度和高的鉴相精度,能够满足盐水实验和动物实验的要求。2.MIPSS测量实验显示,在高频带和低频带上,不同的检测对象表现出不同的MIPSS实验结果。说明了高频带的MIPSS结果反映了被测物的含水量,而低频的MIPSS结果反映的是被测组织内不同组织间、细胞间以及细胞内液和外液之间的介电参数变化的特性。因此,采用高频的激励信号适合物理模型或水含量变化明显的病变组织(如脑水肿或肺水肿)的测量,而采用低频激励信号适合用来检测人或动物脑出血、脑缺血等疾病。3.由家兔脑出血MIPSS结果可知,MIPSS检测灵敏度具有频率依赖性。家兔脑出血在特征频率下的MIPS检测灵敏度最高、稳定性最好。该发现提示我们,在采用MIPS测量生物组织时,将激励信号的工作频率设为检测系统的特征频率,这是提高MIPS检测灵敏度非常有效的方法。4.家兔脑出血的MRI扫描结果与MIPSS测量结果具有一致性,说明了建立的MIPSS检测系统用于测量动物脑出血的可行性和验证了MIPSS实验结果的有效性。同时证明了MIPSS检测技术可以作为一种检测脑出血的新手段。