徐 林，陳明生，彭偉豪，張海生，莊 偉，許 佳，孫 建，寧 旭，秦明新

（陸軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與影像醫(yī)學(xué)系電子工程學(xué)教研室，重慶 400038）

0 引言

腦出血是指非外傷性腦實質(zhì)內(nèi)血管破裂引起的出血。世界衛(wèi)生組織心血管病人群監(jiān)測（MONICA）方案表明，我國腦卒中發(fā)生率正以每年8.7%的速率上升，其中腦出血占全部腦卒中的20%～30%，發(fā)病者約30%死亡，70%的幸存者中多數(shù)留有不同程度的運動障礙、認知障礙、言語吞咽障礙等后遺癥[1]。如果腦出血在早期得到治療，可以有效防止疾病的惡化，減少中風(fēng)的后遺癥，因此，實時非接觸監(jiān)測腦出血的嚴(yán)重程度是重癥監(jiān)護及搶救治療成敗的關(guān)鍵。

前期本課題組報道了利用磁感應(yīng)相移（magnetic induction phase shift，MIPS）測量法檢測腦出血的研究，在10 MHz頻率附近，磁感應(yīng)測量靈敏度和穩(wěn)定性較好，但極易受到外界磁場、環(huán)境溫度、外界容積、導(dǎo)體耦合等干擾[2-7]。該方法通常采用單一頻點作為檢測依據(jù)，易受到隨機信號的干擾，監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性欠佳，很難有效地區(qū)分出腦出血的嚴(yán)重程度。因此，本課題組開發(fā)了一套基于寬帶天線技術(shù)的非接觸腦出血監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”），用于區(qū)分腦出血的嚴(yán)重程度。

1 設(shè)計原理

寬帶天線技術(shù)監(jiān)測腦出血狀況的基礎(chǔ)是人體不同組織具備不同的電介質(zhì)特性，從而產(chǎn)生不同的微波散射模式。關(guān)于人體不同組織的電介質(zhì)特性目前已經(jīng)有許多研究報道，在已有的研究結(jié)果中可以確定的是顱內(nèi)血液與其他組織存在明顯的電介質(zhì)特性差別（見表1），血液在1.2 GHz下的介電常數(shù)為61，電導(dǎo)率為1.582 9 S/m，明顯區(qū)別于腦部其他組織，依據(jù)此點采用寬頻帶掃描能準(zhǔn)確監(jiān)測腦出血嚴(yán)重程度[8]。

表1 腦部組織在1.2 GHz下的介電常數(shù)及電導(dǎo)率

2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

監(jiān)測系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、寬帶天線和腦出血模擬材料組成（如圖1所示），圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要由激勵信號源、信號分離裝置、接收機和處理顯示單元組成。激勵信號源生成激勵信號和參考信號，左端貼片電極將激勵信號定向發(fā)射，信號穿透被測腦出血模擬材料，帶走腦出血模擬材料狀態(tài)信息，然后被右端貼片電極捕獲；信號分離裝置含功分器和定向耦合器件，分別提取被測試件輸入信號和反射信號，接收機對提取的被測試件輸入信號和反射信號進行測試；處理顯示單元對測試結(jié)果進行再處理，得到傳輸系數(shù)并顯示。本監(jiān)測裝置的檢測原理是基于被測物的相對介電常數(shù)變化會引起信號的傳輸系數(shù)發(fā)生變化，傳輸系數(shù)可以間接地反映出被測物的介電常數(shù)。本技術(shù)采用了寬帶技術(shù)，系統(tǒng)工作頻帶1.2～2.1GHz，可以實現(xiàn)實時、非接觸的監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本課題組分別進行了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量參數(shù)的篩選、寬帶天線的優(yōu)化設(shè)計以及腦出血模擬材料的制備，然后對監(jiān)測系統(tǒng)敏感性進行了測算與分析。

2.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，在特征頻率下監(jiān)測系統(tǒng)傳輸參數(shù)S21的功率幅值最大，該頻率所對應(yīng)的相位差也最大，說明兩貼片電極內(nèi)磁場能量對監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度最好，因此設(shè)定S21相位差作為評估系統(tǒng)靈敏度參數(shù)。

2.2 寬帶天線

寬帶天線用于發(fā)射/接收微波，電極的作用是增大接收面積，可以有效提高矢網(wǎng)端口匹配程度，降低測量中心頻率，從而加大組織的穿透深度，并使得反射系數(shù)S11在中心頻率點處零深值下降，傳輸系數(shù)S21達到理論最大值。

為確保天線輻射波束覆蓋整個頭顱，且避免外干擾，基于以下3點進行天線設(shè)計：（1）天線輻射方向為單向波束寬度60°為宜；（2）天線具有較寬的工作頻帶，為整個監(jiān)測系統(tǒng)采用寬帶技術(shù)提供支持；（3）天線的面積盡量小，易于監(jiān)測系統(tǒng)集成。綜合考慮上述因素，通過仿真與實驗，最終選擇天線形式為側(cè)邊接地的微帶天線，天線整體尺寸為49 mm×24 mm×14 mm（長×寬×高），輻射層與接地層采用光刻印刷板制作，厚度均為2 mm，輻射層與接地層之間采用高密度泡沫填充，厚度10 mm，輻射層尺寸為37 mm×16 mm（長×寬），輻射層的寬與天線整體的寬平行布置。接地面尺寸49 mm×24 mm，側(cè)邊接地墻采用自黏式銅箔，設(shè)置在輻射層寬與天線整體的寬齊平所在的側(cè)邊。饋電點設(shè)置在天線整體的中部，穿透接地層、高密度泡沫以及輻射層。采用短路壁接地技術(shù)減小天線的面積，使得天線能較好地集成于系統(tǒng)中，同時采用超厚介質(zhì)層加大天線的帶寬，以提高檢測的靈敏度和穩(wěn)定性[9-12]。

2.3 腦出血模擬材料

從模擬實驗入手，以微波體模作為被檢測對象來研究監(jiān)測系統(tǒng)的敏感性。體模用聚丙烯酰胺制成，為無毒、無害、透明膠體，使用0.9%的生理鹽水模擬血液[13-14]。

3 系統(tǒng)靈敏度實驗

3.1 實驗設(shè)計

考慮后期家兔動物實驗，實驗設(shè)置出血量變化范圍為0～4 ml，其中0 ml表示未出血，按照模擬腦出血嚴(yán)重程度依次選擇1、2、3和4 ml。首先對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原始數(shù)據(jù)進行MATLAB作圖分析，將不同出血量下的相位（0～4 ml共5條曲線）反映在同一幅圖上，得到不同出血量下相位數(shù)據(jù)圖，然后將出血后相位差值[（1-0）ml、（2-0）ml、（3-0）ml、（4-0）ml共4條曲線，以出血量0 ml得出的相位差為基準(zhǔn)作差]反映在同一幅圖上，得到出血后相位改變數(shù)據(jù)圖，直觀判斷相位之間的關(guān)系。

在MATLAB分析基礎(chǔ)上，為了分析系統(tǒng)對出血量變化敏感性，需量化出血后相位差值之間的差異，對其進行顯著性差異分析。在出血量為1 ml的情況下，以同一頻點下的10次實驗的10個對應(yīng)相位差值數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)樣本，同理，在出血量為2、3、4 ml下得到3個數(shù)據(jù)樣本，共4組樣本，分別分析1 ml與2 ml、2 ml與 3 ml、3 ml與 4 ml之間的顯著性差異。

為了量化分析系統(tǒng)對出血量變化敏感性，同一頻率下，分別對出血2 ml引起的相位差值與出血1 ml引起的相位差值、出血3 ml引起的相位差值與出血2 ml引起的相位差值、出血4 ml引起的相位差值與出血3 ml引起的相位差值進行做差，差值的大小即可衡量系統(tǒng)對出血量變化的敏感性，差值的變化規(guī)律反映敏感性的變化規(guī)律。選擇不同的頻點，改變頻率，重復(fù)實驗。

3.2 實驗步驟

（1）將制備好的體模放置于監(jiān)測平臺上，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置：發(fā)射功率0 dBm，掃描頻帶300 kHz～3 GHz，中頻帶寬 30 kHz，上下雙屏。測量S21相位差數(shù)據(jù)，計為0 ml時的實驗數(shù)據(jù)。

（2）注入模擬血液，設(shè)置時間間隔為1 min，每次注射1 ml，注射完成后再記錄此時的數(shù)據(jù)，計為1 ml時的實驗數(shù)據(jù)。

（3）重復(fù)步驟（2），完成 2、3、4 ml時的數(shù)據(jù)采集。

4 實驗結(jié)果

由圖3可知，0 ml時相位曲線相對于其他4條曲線差距較大，代表未出血與出血相位變化大，說明該監(jiān)測系統(tǒng)對檢測模型是否出血敏感性較高。

圖3 不同出血量相位曲線

圖4表示不同出血量所測相位分別減去未出血時相位，4條曲線趨勢相近，初步可得，該監(jiān)測系統(tǒng)對出血量變化的敏感性相對較低。

圖4 模擬出血后引起的相位差值曲線

由圖4可知，低頻部分相位波動幅度較大，中頻段及高頻段相對較為平穩(wěn)，性能最佳點在中心頻率點1.4～1.5 GHz。考慮敏感性，在分析過程中，選擇較為中心的頻段進行，以下的分析選取頻段1.5～2 GHz，對該頻段進行放大后所得曲線如圖5所示。

由圖5可得，在1.5～2 GHz頻段下，相位差變化明顯，通過計算求得相位差值平均值數(shù)據(jù)樣本，具體見表2（其中2組實驗數(shù)據(jù)與其他8組數(shù)據(jù)相差較大，已剔除）。

（1）統(tǒng)計分析。

利用SPSS 20.0軟件，選擇非參數(shù)檢驗下的舊對話框進行2個相關(guān)樣本的分析，同時運用Wilcoxon符號秩檢驗和Sign檢驗，結(jié)果見表3、4。

圖5 1.5~2 GHz頻段下出血后引起的相位差值曲線

表2 1.5～2 GHz頻段下相位差值平均值數(shù)據(jù)（°）

表3 Wilcoxon帶符號秩檢驗結(jié)果

表4 Sign檢驗顯著性結(jié)果

（2）結(jié)果分析。

由上述Wilcoxon帶符號秩檢驗和Sign檢驗結(jié)果可知，除1.9 GHz頻率下2 ml vs 1 ml顯著性值大于0.05，其他顯著性取值都小于0.05，建議否定原假設(shè)（兩配對樣本來自同一個分布總體），即認為兩兩之間數(shù)據(jù)不是來自同一個分布總體的，故它們之間存在顯著性差異。

5 敏感性分析

在本研究中，以相位差值的改變量來衡量系統(tǒng)敏感性。將一次實驗得到的數(shù)據(jù)作為一個樣本，可用數(shù)據(jù)共8組，計8個樣本。在同一頻率下，將8組數(shù)據(jù)整理在同一張表格中，原始數(shù)據(jù)見表5，通過出血量（2-1）ml、（3-2）ml、（4-3）ml的操作（以出血量 1 ml得出的相位差為基準(zhǔn)作差），得出每改變1 ml時出血量引起的相位差改變（在比較相位差大小時，只比較其絕對值大小，比較相位自身變化規(guī)律時，再比較符號）。

5.1 中頻段1.5～2 GHz下數(shù)據(jù)分析

由表5可知：（1）相位差的變化規(guī)律一致，每增加1 ml出血量，引起的相位差逐漸減??；（2）在該頻段下出血量增加至3 ml后，相位差開始減小，以3 ml為臨界點，出血量從0到3 ml改變時，相位差增加，從3 ml到4 ml改變時，相位差減小。

表5 頻段1.5～2 GHz下相位差關(guān)系 （°）

由圖 6、7 可知：在頻段 1.60～1.68 GHz下，隨著出血量的增加，相位差逐漸增加，大約在1.68 GHz后，出血4 ml時相位差反而小于3 ml時相位差，即存在一個頻點，致使出血3 ml后出血量繼續(xù)增加，相位差開始降低。

圖6 頻段1.6~1.7 GHz下相位差值曲線

圖7 頻段1.68～1.7 GHz下相位差值放大曲線

由圖 8、9 可知：在頻段 1.70～1.72 GHz下，出血3 ml時相位差大于2 ml時相位差，大約在1.72 GHz后，出血3 ml時相位差反而小于2 ml時相位差，即存在一個頻點，致使出血2 ml后出血量繼續(xù)增加，相位差開始降低。

圖8 頻段1.7～1.8 GHz下相位差值曲線

圖9 頻段1.73～1.75 GHz下相位差值放大曲線

5.2 高頻下數(shù)據(jù)分析

由表6、7可知，相比于低頻率，高頻率部分?jǐn)?shù)據(jù)較為規(guī)律，在所選頻率2.5、3 GHz下，相位差隨著出血量增加而降低，敏感性逐漸降低。在表6中仍存在2組數(shù)據(jù)（樣本5、樣本7）與其他幾組不一致，因此，在高頻段其敏感性變化規(guī)律相對低頻較好，但相對中頻段仍不夠穩(wěn)定。

表6 頻率2.5 GHz下相位差關(guān)系（°）

6 實驗結(jié)論

通過對模擬腦出血監(jiān)測系統(tǒng)在300 kHz～3 GHz頻段上的相位差數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論：

（1）該監(jiān)測系統(tǒng)能明顯區(qū)分腦出血嚴(yán)重程度，而出血后隨著出血量的增加測得的數(shù)據(jù)間差別較小，即系統(tǒng)對是否出血敏感性較強，對出血量變化敏感性較弱。

表7 頻率3 GHz下相位差關(guān)系

（2）中頻段數(shù)據(jù)敏感性比較有規(guī)律，因此在使用該系統(tǒng)監(jiān)測腦出血時，應(yīng)選擇較為中心的頻段進行。

（3）由中頻段數(shù)據(jù)可得，隨著出血量的增加，系統(tǒng)對出血量變化的敏感性逐漸減弱。

（4）由中頻段數(shù)據(jù)可知，出血量增加引起相位差變化趨勢存在臨界頻率點，在頻率1.6～1.7 GHz之間存在一個臨界頻點，致使在出血3 ml后相位差開始降低；在頻率1.7～1.8 GHz之間存在一個臨界頻點，致使在出血2 ml后相位差開始降低。

綜上所述，選擇合適的頻率進行實驗，得到的結(jié)果更有價值。

7 結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于寬帶天線技術(shù)的非接觸腦出血監(jiān)測系統(tǒng)，以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心，設(shè)計了一款高靈敏度和穩(wěn)定性的貼片電極寬帶天線。通過對腦出血模擬材料在300 kHz～3 GHz頻段傳輸參數(shù)S21的測量和分析，為課題組后期選擇合適的中心頻段進行動物和臨床實驗提供了實驗依據(jù)。本測試方法可以實現(xiàn)非接觸、實時監(jiān)測，具有一定的新意。

本研究還存在以下不足：只對系統(tǒng)敏感性程度進行了規(guī)律性分析，對衡量敏感性的具體指標(biāo)缺乏研究；實驗測得的數(shù)據(jù)量較少，且其中還有數(shù)據(jù)存在誤差，存在干擾的情況，樣本數(shù)量有待增加；系統(tǒng)抗干擾能力在模擬實驗中表現(xiàn)出比磁感應(yīng)相位移方法更強，抗擾性能評估參數(shù)測試還需下一步進行和完善，以突出該監(jiān)測手段的技術(shù)優(yōu)越性。