李同彬 方志敏 宋建華 康 新

1(莆田學(xué)院電子信息工程學(xué)院，福建莆田 351100)2(莆田學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)外科， 福建莆田 351100)3(莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 福建莆田 351100)

引言

腦脊液分流術(shù)是治療腦積水[1]效果明顯的一種腦神經(jīng)外科手術(shù)，如圖1中植入人體內(nèi)的管線所示。在腦室插入硅膠導(dǎo)管，用一組單向閥把流通梗阻于蛛網(wǎng)膜的多余腦脊液排入腹腔后被再吸收[2-3]。手術(shù)能迅速改善腦積水引起的神經(jīng)功能損害，但要發(fā)揮遠(yuǎn)期效果及作用，就要準(zhǔn)確控制及隨時(shí)調(diào)整腦脊液分流量[1]。調(diào)整正確和及時(shí)，病情好轉(zhuǎn)；調(diào)整錯(cuò)誤或延誤，則腦延髓受損嚴(yán)重直至危及生命。

圖1 腦積水分流術(shù)及分流量檢測(cè)[2,10]Fig.1 Hydrocephalus shunt & shunt flow detection[2,10]

控制和調(diào)整腦脊液分流量的前提是分流量檢測(cè)。目前的檢測(cè)過(guò)程是，先注入美蘭、示蹤劑到腦脊液循環(huán)系統(tǒng)，再核素腦池造影和CT術(shù)斷層掃描，患者既痛苦又傷身[4]。另一種檢測(cè)方法是增強(qiáng)型核磁共振腦部檢查，每次費(fèi)用高達(dá)千元以上且檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確[5]。如果不檢測(cè)、少檢測(cè)、憑經(jīng)驗(yàn)，就無(wú)法把控治療進(jìn)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，腦脊液分流術(shù)目前的平均有效率約50%[6]。分流管阻塞、引流不暢、分流過(guò)度，分流失敗、分流位置不佳等，其發(fā)生率為40%左右，是手術(shù)失敗的主要原因[7-9]。

完全不同于現(xiàn)有醫(yī)療器械的腦脊液流量檢測(cè)原理，首創(chuàng)把熱傳導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于腦脊液流量檢測(cè)，國(guó)際合作開(kāi)發(fā)[10]一種操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且具備某種智能功能的腦脊液分流量傳感器，有助于克服X-CT和MRI局限性，降低醫(yī)患雙方成本，提高腦脊液分流術(shù)的有效率和治愈率。成果經(jīng)過(guò)美國(guó)相關(guān)專(zhuān)家委員會(huì)測(cè)評(píng)，是非常有吸引力的[11]。目前公開(kāi)的基于熱傳導(dǎo)原理的腦脊液分流量定量方法，中文的未見(jiàn)報(bào)道，英文的僅美國(guó)有報(bào)道[12]。

1 非侵入式腦脊液流量傳感器方法

1.1 傳感器功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊設(shè)計(jì)如圖2所示，閉環(huán)控制的TEC(半導(dǎo)體制器)產(chǎn)生熱激發(fā)信號(hào)，信號(hào)采集模塊將多路模擬信號(hào)送入有調(diào)理放大、AD轉(zhuǎn)換功能的前端信號(hào)處理模塊，MCU(單片機(jī))實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制、通信、數(shù)據(jù)處理功能。

圖2 溫度傳感器功能模塊設(shè)計(jì)Fig.2 Function module design of temperature sensor

MCU現(xiàn)場(chǎng)控制功能包括PID調(diào)節(jié)和分段最優(yōu)化控制，能讓TEC快速達(dá)到設(shè)定溫度范圍，而且用PWM波控制導(dǎo)冷塊溫度，誤差只有±0.01℃[14]。模塊的通信功能包含MCU與AD轉(zhuǎn)換模塊、MCU與計(jì)算機(jī)之間的串行通信。MCU數(shù)據(jù)處理內(nèi)容有設(shè)備診斷，初始設(shè)定、數(shù)據(jù)采集的分段邏輯判斷、預(yù)存的溫度補(bǔ)償?shù)牟楸砣≈?、線性插值、數(shù)值類(lèi)型轉(zhuǎn)換等。

計(jì)算機(jī)從MCU單元獲取數(shù)據(jù)序列NET1(n)、NET2(n) 存入數(shù)據(jù)庫(kù)，利用多種數(shù)學(xué)模型計(jì)算腦脊液分流量，并且監(jiān)控和設(shè)定MCU的參數(shù)值。

傳感器核心電路如圖3所示，熱敏電阻NTC及其前端電路[15]是溫度信號(hào)采集器，芯片XPT2046[16]是AD轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)90C51[17]是控制器，P0.0輸出PWM波，經(jīng)N溝道MOSFET管驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器件TEC模塊12706[18]，控制熱激發(fā)，P1口采集溫度數(shù)字信號(hào)，P2口用于分流閥等，串口與計(jì)算機(jī)通信，其他可做冗余和擴(kuò)展處理。

圖3 腦脊液流量傳感器核心部分電路原理Fig.3 Circuit diagram of the sensor hardcore

根據(jù)圖中溫度檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信、TEC控制等電路連接，參照嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的指令及地址代碼，編寫(xiě)傳感器驅(qū)動(dòng)程序，與溫度設(shè)定、顯示、通信等通用子程序一起匯編成執(zhí)行程序[19]，實(shí)現(xiàn)傳感器功能。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本裝置在生物醫(yī)學(xué)上是一種非侵入式醫(yī)療器械，各部分搭建和說(shuō)明如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)材料是生物相容材料，如可植入人體的鈦合金、硅膠及高加索人種合成皮膚，其硅膠管和鈦合金管的電子顯微鏡檢測(cè)如圖5、6所示。

裝置經(jīng)理論計(jì)算，模擬仿真和實(shí)踐檢驗(yàn)，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)的熱激發(fā)由PWM波驅(qū)動(dòng)和MCU閉環(huán)控制，技術(shù)上保證安全與清潔、高效與穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程由紅外攝像機(jī)單獨(dú)實(shí)時(shí)監(jiān)視，法律上保障人身試驗(yàn)安全，如圖7的熱水注入硅膠管實(shí)驗(yàn)，高亮度部分是TEC散熱器的紅外成像，標(biāo)記符Li1-9是硅膠管內(nèi)的流體段溫度，檢測(cè)報(bào)告由FLIR SC305在線生成。所以，該測(cè)量驗(yàn)證符合人類(lèi)生理學(xué)環(huán)境條件，符合美國(guó)法律嚴(yán)格的人體試驗(yàn)規(guī)范。

圖4 腦脊液流量傳感器的系統(tǒng)搭建Fig.4 Experimental setup of CFS sensor

圖5 硅膠管管徑檢測(cè)Fig.5 Silicone Tube

圖6 鈦合金管管徑檢測(cè)Fig.6 Titanium tube

表1 實(shí)驗(yàn)裝置的主要參數(shù)

圖7 溫度分布紅外監(jiān)測(cè)Fig.7 Infrared image of temperature field

2 結(jié)果

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了腦神經(jīng)外科研究的各種環(huán)境和條件，在數(shù)萬(wàn)個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉，生成溫度時(shí)間曲線圖如圖8～10所示。圖中縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為時(shí)間，曲線NET1、NET2的采樣頻率為3。

圖8是常見(jiàn)的腦積水患者在顱壓為50 mm水柱時(shí)，傳感器熱激發(fā)1 min(見(jiàn)圖8(a))和2 min(見(jiàn)圖8(b))時(shí)間的對(duì)比。

圖9是室溫下不常見(jiàn)的腦積水患者在分流緩慢不暢、腦脊液流速為0.5和0.8 mm/s時(shí)的對(duì)比。因?yàn)槿嗽谏w征極度微弱時(shí)，身體機(jī)能為保持體心溫度，會(huì)限制末梢部血流量,導(dǎo)致體表熱阻增加，體表溫度接近環(huán)境溫度，軀干內(nèi)部與體表溫差變大。

圖10是腦脊液流速偏離正常速度的曲線形態(tài)，均接近圖1中理想的時(shí)間溫度曲線。

圖8 常見(jiàn)腦積水患者的溫度曲線。(a)采樣持續(xù)時(shí)間合理；(b)持續(xù)時(shí)間不合理Fig.8 Detected temperature curve for common hydrocephalus for patients. (a) Reasonable duration; (b) Unreasonable duration

圖9 少數(shù)腦積水患者分流緩慢不暢時(shí)傳感器檢測(cè)到的溫度曲線。 (a)0.5 mm/s;(b)0.8 mm/sFig.9 Detected curve of CSF shunt which shows very slowly for some patients. (a) 0.5 mm/s; (b) 0.8 mm/s

圖10 腦脊液流速偏離正常范圍時(shí)傳感器檢測(cè)到的時(shí)間溫度曲線。(a)腦脊液流速偏低且為室溫(1.5 mm/s)；(b)腦脊液流速偏高且為體溫(5 mm/s)Fig.10 Detected temperature-time curve for abnormal rate of CSF fluid. (a) Low rate (1.5 mm/s) at room temperature; (b) High rate (5 mm/s) at body temperature

3 討論和結(jié)論

傳感器實(shí)驗(yàn)方法如只用一個(gè)采樣點(diǎn)，理論上可行，有改進(jìn)空間，但工程技術(shù)難度大，值得進(jìn)一步研究。

腦脊液流量測(cè)量模型既要用基本理論公式，還要用曲線擬合、極值求解、邏輯判斷等算法模型來(lái)擴(kuò)展和完善功能。

曲線擬合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)擬合算法使曲線逐步逼近理想數(shù)據(jù)狀態(tài)。如圖1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)取值40的AVERGE函數(shù)曲線擬合，圖10(b)的2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)各取值2和4的AVERGE函數(shù)曲線擬合，其他圖中曲線均沒(méi)擬合。即適當(dāng)?shù)那€擬合利于患者癥狀分類(lèi)，不利于個(gè)體差異診斷。以此為基礎(chǔ)，有研討腦積水診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的前景。

熱激發(fā)時(shí)間t不宜過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)。圖8直接表明：t值影響腦脊液分流量檢測(cè)結(jié)果與精度，需要邏輯判斷模型決定t值范圍，即

(τa+τb)≤t≤τc

(1)

t值恰當(dāng)，可簡(jiǎn)化算法求解腦脊液流速，可以省略復(fù)雜且數(shù)據(jù)量巨大的互相關(guān)函數(shù)計(jì)算。在腦脊液流速極慢時(shí)，只有互相關(guān)函數(shù)計(jì)算方法能保證函數(shù)解的唯一性與收斂性。

降低熱激發(fā)溫度有利于腦脊液分流量檢測(cè)。因?yàn)閳D8、圖10(b)與其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)患者體表溫度與熱激發(fā)溫度的溫差越大，曲線形態(tài)越好，即患者體溫正?；蛘甙l(fā)熱時(shí)，本傳感器檢測(cè)腦脊液分流量靈敏度最佳。同時(shí)，檢測(cè)環(huán)境溫度不能過(guò)低。

本研究首創(chuàng)將熱傳導(dǎo)理論用于腦脊液分流流量檢測(cè)。幾年前專(zhuān)家們測(cè)評(píng)為，是一種獨(dú)特的敏感的腦脊液流量檢測(cè)技術(shù)，是非常有吸引力的方法。本方法經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和試驗(yàn)后，腦脊液分流量傳感器在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器可以模擬檢測(cè)患者在任何條件下的CSF分流流量，比現(xiàn)有X-CT和MRI設(shè)備效率高，省錢(qián)，且無(wú)輻射。