动态脑血流灌注电阻抗图像监护新方法与关键技术的探索研究

Blood perfusion is the fundamental activity of brain functions. Detection and monitoring of cerebral blood perfusion is thus of practical value in many scientific fields, such as early detection and warning of severe cerebral diseases, real-time monitoring and drug evaluation of patients in critical conditions, and mechanism study of brain functions and exploratory research in cognitive science. Given drawbacks of current medical imaging techniques in dynamic observing of perfusion variations of brain tissue in each heartbeat, this study proposes a novel concept and scheme of dynamic electrical impedance imaging monitoring of cerebral blood perfusion based on the previous basis of cerebral electrical impedance tomography (EIT) monitoring research. It aims at two important scientific problems: precise multi-channel measurement of dynamic cerebral blood perfusion information and accurate extraction of dynamic perfusion information and image reconstruction. Also, it may start with several aspects including enhancement of brain perfusion impedance, separation and condition of dynamic perfusion impedance, high-precision parallel perfusion impedance measurement, extraction of brain perfusion features and dynamic reconstruction of EIT perfusion imaging, etc. so as to establish a systematic method and several reliable key techniques, to preliminarily achieve the dynamic brain EIT perfusion imaging and to build a foundation for the further study. Moreover, this study, as an extension of EIT monitoring technique with great theoretical and applicable value, may hopefully develop a new realm of brain perfusion imaging and a new direction of EIT.

血流灌注是脑功能活动的基础。脑局部动态血流灌注情况的检测与监护在颅脑重大疾病的早期检测与筛查预警、危重伤病患者的实时监护与药效评估、脑功能活动机制研究与认知科学的探索等方面均有着重要的应用价值。针对现有成像技术难以满足脑血流灌注随心脏活动动态变化的不足，本项目在前期脑部电阻抗图像监护技术研究基础上，提出动态脑血流灌注电阻抗图像监护的新理念与研究思路。主要围绕电阻抗断层成像中的多通道动态血流灌注信息的精准采集、灌注参数的准确提取与图像重构两大关键问题，从脑灌注阻抗增强方法、灌注阻抗分离调理、并行化高精度灌注阻抗采集、脑灌注指标的提取与动态图像重构等关键环节入手，建立相应的方法体系与关键技术，实现初步的动态脑电阻抗灌注成像，为进一步的成像与监护研究奠定基础。本项目是电阻抗图像监护技术的延伸与发展，有望开辟动态脑灌注成像研究新领域和电阻抗成像研究新方向，具有极为重要的理论与应用价值。

通过有效的血流灌注以提供充足的氧和能量物质是大脑各项功能活动的基础。同时，脑血流灌注情况的改变也能客观反应脑部各功能模块的活动状况。因而，实时、无创监测脑部各功能区域的血流灌注情况在颅脑相关疾病的诊断与救治、脑功能活动的监测等众多领域都有着极为重要的应用价值，即是脑科学研究的需要，也已成为相关疾病临床救治水平进一步提高的迫切需求。基于此，本项目在前期脑部电阻抗图像监护技术研究基础上，提出动态脑血流灌注电阻抗图像监护技术研究的新理念与研究思路。并针对电阻抗脑血流灌注成像关键技术难点，特别是微弱、快速变化的阻抗血流信号采集关键技术进行了重点攻关，先后通过理论仿真及在体实验对脑阻抗血流信号的特征进行了系统性分析，确定了脑阻抗血流信号的最优测量频率及信号变化幅度特征。此外，我们还研究了影响脑EIT信号测量精度的主要影响因素及其对最终成像的影响程度，完成了不同类型的测量电极的性能评价并实现了脑成像电极优选。在此基础上，提出并实现了基于基础阻抗补偿采集关键技术与方法体系的灌注阻抗信号采集新思路与新方法，建立了快速、高精度的灌注阻抗数据采集系统。与此同时，我们还基于灌注成像时的快速、高精度的成像要求，在课题组已有的图像重构算法研究基础上，对图像重构中的关键环节——正则化参数的优选算法进行了改进，建立了一种快速最优的正则化方法，从而在确保图像高敏感性与高抗干扰性的前提下实现了快速成像。在此基础上，我们首次开展并获得了人脑、胸部的血流灌注成像，结果证实所设计的系统已能够满足灌注成像的基本要求。此外，课题组还首次开展了心脏外科体外循环手术过程中脑血流灌注图像监护探索，为进一步的应用研究奠定基础。