基于脑内出血检测应用的磁感应谱方法研究

This project is an investigation onto magnetic induction spectroscopy (MIS), a new non-contact bioimpedance measurement technique. The project focuses on the particular application of MIS to intracerebral hemorrhage (ICH) detection, where important progresses is made in the theoretical derivation, coil system design and the electromagnetic simulation of MIS method. The limitation of Griffiths’s classical theory is studied, and the theoretical derivation focused on the application of ICH detection is completed. A novel MIS coil system will is proposed, and its optimal design is achieved. The measurement sensitivities between the novel and conventional MIS coil system are compared. The electromagnetic simulation study for ICH detection based on the MIS method is conducted using the computer head models, which fills up an important gap in the international research literature in the MIS field. In conclusion, the project achieves the combination between basic principle of MIS method and application of ICH detection, and solves the problems of low sensitivity in the conventional MIS coil system. The project uses computer head models to conduct the MIS electromagnetic simulation for the first time, which provides a new study method for the ICH detection.

磁感应谱方法是一种新兴的非接触式生物阻抗测量技术。本项目针对脑内出血检测应用，在磁感应谱方法理论推导、磁感应谱线圈系统设计、磁感应谱方法电磁仿真等方面进行研究。研究Griffiths经典理论的局限性，完成针对脑内出血检测应用的理论推导；提出新型磁感应谱线圈系统结构，对其进行优化设计，比较新型磁感应谱线圈系统和传统磁感应谱线圈系统的测量敏感度；用基于人体头部解剖结构的头模型进行脑内出血的磁感应谱检测方法电磁仿真研究，填补国内外在这一研究内容上的空白。本项目研究将实现磁感应谱方法基本原理与脑内出血检测应用的结合；将解决传统磁感应谱线圈系统敏感度不高的问题；首次用头模型进行磁感应谱方法电磁仿真，为脑内出血检测提供了一种新的研究手段。

脑内出血为脑动脉、静脉或毛细血管破裂导致脑实质内的出血，会使颅内压持续增高，严重时加剧神经功能障碍。在临床上常用的有创颅内压监测方法存在感染率高、容易引发出血等缺陷；常规检测方法CT和MRI也存在检测设备庞大不便于运输携带、不适合对患者进行实时和长期监护、对早期疾病的检测敏感度比较低等问题。磁感应谱方法是一种新兴的非接触式生物阻抗测量技术，采用一对激励线圈和接收线圈，在多个频率下测量接收线圈上的相位信息，针对脑内出血部位电导率的不断变化，通过相位差谱线形状或幅度的变化来判断脑内出血的严重程度。应用磁感应谱方法检测脑内出血具有安全无害、小型化、廉价、实时监测等潜在优势。本项目首次采用活酵母细胞悬浮液研究磁感应谱方法检测弱电导率媒质的可行性，并推导了相位差谱和相对电导率变化谱通式。为了开展针对中国人脑内出血检测的磁感应谱仿真研究，项目基于第二例中国可视化人体数据集，首次构建了适用于时域有限差/积分法的13组织人体头部电磁模型和适用于有限元法的7组织人体头部电磁模型用于数值模拟。为了解决传统Griffiths线圈系统中敏感度受主磁场制约的难题，项目创新性地提出了以两个平面矩形螺旋线圈为激励线圈的新型磁感应谱线圈系统。该线圈系统能够利用两个反对称激励线圈产生对消式主磁场，从而实现敏感度的提高。为了保证数值模拟的精度和效率，项目搭建了高性能仿真计算平台上。结果表明新型磁感应谱线圈系统的敏感度比传统磁感应谱线圈系统高两个数量级，并且具有更高的电磁辐射安全性。新型磁感应谱线圈系统的相位差谱和相对电导率变化谱对于不同体积轻度脑内出血也呈现出清晰的可区分性，表明其在脑内出血检测领域具有很好的应用前景。