CN108670252A - 一种非接触式头颅平均介电常数测量方法 - Google Patents

一种非接触式头颅平均介电常数测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非接触式头颅平均介电常数测量方法，该方法基于电磁感应的原理，将被测头颅放置于两个线圈之间，并让交流磁场通过被测头颅，通过计算接收线圈输出信号相对于激励线圈信号的实部来反映被测物的介电常数信息；再引入一个与被测头颅体积形状一致的内装血液的头模型进行相同的测量来对真实头颅测量的数据进行归一化，从而可以准确计算出实际头颅的平均介电常数。临床上脑出血量与介电常数成正比，因此该方法可以用于临床脑出血量的检测。本发明优点在于非接触、无创伤、快速、方便地测量头颅的平均介电常数。

Description

一种非接触式头颅平均介电常数测量方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域的脑电特性测量方法，具体特指脑平均介电常数测量方法。
背景技术
脑出血作为脑卒中的一种具有高发病率、高致残率、高死亡率及经济负担重的特点。世界卫生组织研究表明，我国脑卒中发生率正以每年约9％的速率上升，已成为第一位的死因，发病者约30％死亡，70％的生存者多有偏瘫失语等残障，防控形势十分严峻。实时监护脑出血的严重程度以及及时评价脑出血的发展过程，是重症监护及抢救治疗成败的关键。
当前脑出血检查手段有ICP(颅内压)直接测量法以及CT或MRI影像学方法。有创ICP监测方法需要将传感器放入体内，具有损伤，易感染。CT和MRI影像学方法，存在检查价格较贵、无法实施床旁和急救现场监护等问题，在颅脑创伤病人中，迟发性和隐袭性颅脑损伤早期无法用CT和MRI检查一次发现和确定颅内出血情况，由于不可能反复进行CT和MRI检查，常常错过抢救治疗的最佳时间而导致脑损伤甚至死亡。而当前急需一种可以连续床旁监护，非接触，无创伤的脑出血检测方法。
当前介电常数测量方法主要有：平行板电容法，同轴探头法，传输线法，谐振腔法和自由空间法。平行板电容法只能测量直流及低频，同轴探头法和传输线法需要接触被测物，谐振腔法只能测量小体积单一成分物体。唯一非接触测量介电常数方法只有自由空间法，自由空间法采用天线测量，需要被测物有很好的耦合界面，且是单一成分物体，测量深度很浅，不能测量厚物体，总之对于像人脑这样复杂的多成分非均匀物体，目前没有准确的介电常数非接触测量方法。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明在大量实验研究的基础上，提出采用非接触的磁感应方法，并通过测量实部以及采用模型归一化的方法来测量颅脑的平均介电常数，目前国内外还没有此种方法问世。该方法对于脑出血的监护具有重要的意义。本发明的目的在于提供一种具有非接触、无创伤、简单、方便、快速的颅脑平均介电常数测量方法，该方法可以用于人头颅、各种动物头颅的测量。
为了实现上述目的，本发明需要采用如下的技术方法：
(1)将被测头颅放置于两个同轴平行线圈之间，一个为激励线圈，一个为接收线圈，线圈大小和之间的距离根据被测头颅可以调整，且被测头颅顶部靠近接收线圈，位于距离接收线圈表面1-10mm之内。将激励线圈通入交流电产生交流磁场通过被测头颅，被测头颅又会产生感应磁场，总磁场被接收线圈接收，
其中总磁场包括两部分，一部分是激励磁场通过头颅后的激励磁场，一部分是被测头颅由于电磁感应产生的感应磁场，这两种磁场都是叠加在一起的，接收线圈接收的磁场包括这两部分。
其中交流频率必须位于500KHz-1MHz之间，该频率区间，各种脑组织介电常数变化最剧烈，且血液介电常数相对于其他脑组织介电常数较大，该区域介电常数测量的灵敏度高。
(2)测量接收线圈输出电压信号Uo以及激励线圈激励电压信号Ui，使用傅里叶变换，求出其中V为复数值，R为复数实部，I为复数虚部。
(3)将被测头颅撤去，采用同样的方法测量空时接收线圈输出信号相对于激励线圈激励信号的复数值V0＝R0+iI0，其中V0为复数值，R0为实部，I0为虚部。
(4)根据公式
计算V相对于V0的实部R实，该实部与被测头颅的平均介电常数成正比。
(5)制作一个与被测头颅体积形状一致的头模型，中空，将内部注入新鲜血液。
(6)按照步骤(1)-步骤(4)测量计算内装血液头模型的实部R模。
(7)利用头模型的实部测量值对实际头颅的实部测量值进行归一化，查阅测量的血液的介电常数频谱，得到血液在该交流信号的频率下的介电常数为εblood，再根据公式 计算得到被测头颅的平均介电常数ε。
头颅的测量值R实与实际头颅的平均介电常数ε之间关系为R实＝Kε，K为常数。利用头模型的测量值R模和头模型中的血液的介电常数εblood(可以通过查表得到，近似认为头模型的平均介电常数就是血液的介电常数)，可以计算出K＝R模/R实。通过K和R实就可以计算出实际头颅的平均介电常数ε，该过程为归一化。
测量放头颅与空两种情况的实部和虚部，再计算放头颅相对于空的实部来得到被测头颅的真实平均介电常数，这种方法提高了灵敏度。
制作一个与被测头颅大小一致的头模型，并注入血液，再测量该模型的实部，然后将真实头颅的实部对该模型实部进行归一化，得到真实的被测头颅的平均介电常数，使用这种归一化方法得到更加精确的实际头颅的平均介电常数。
在各种脑组织中，血液的介电常数最高，脑出血伴随着出血量的增大，使得颅脑平均介电常数大大增加，因此颅脑平均介电常数与出血量成正比，因此可以通过监测颅脑平均介电常数来了解颅内的出血量。
本发明的发明内容是通过测量接收线圈信号相对于激励线圈信号的实部来反映介电常数参数。
本发明的优点及有益效果如下：
1、非接触，无创伤，无任何刺激性和不适感(不需要与被测目标皮肤接触)。
2、测量系统简单、成本低、可方便做成便携式、小型化集成的仪器，方便随时随地监测。
3、采用头颅模型内装实际血液测量值对被测头颅测量值进行归一化，大大提高了测量准确度。
附图说明
图1本发明的原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的测量装置如图1所示，由信号源、激励线圈、接收线圈和实部测量模块组成，下面对每部分进行详细说明：
参照图1，信号源用于产生频率位于500KHz-1MHz范围的两路同频同相信号，一路信号作为激励信号送入激励线圈，另外一路作为参考信号送入实部测量模块。信号源是双通道交流信号源，带宽大于1MHz即可。
参照图1，激励线圈通入激励信号产生交流磁场。如果磁场强度较低可以在信号源和激励线圈之间加一个功率放大器。将被测人平躺在床上，将激励线圈套入头内直至位于两眼连线位置。将接收线圈与激励线圈同轴平行放置，并位于被测人头顶位置，头顶与接收线圈之间的距离小于10mm。
参照图1，激励线圈和接收线圈直径稍大于头颅直径即可。
参照图1，实部测量模块可以采用双通道的数据采集卡，也可以利用现成的锁相放大器，也可以采用单片机和AD芯片采集。实部测量模块将采集到的接收线圈电压信号Uo和信号源输出的参考电压信号Ui转换成数字信号，并采用FFT算法计算Uo/Ui的复数值(实部加虚部)。
具体工作步骤如下：
(1)将需要的测量仪器按照上面所述的方法连接好，再将两线圈套入被测头颅，按照上面介绍的方法放置线圈，然后测量接收线圈电压信号Uo和信号源1输出的参考电压信号Ui，再采用FFT算法计算Uo/Ui的复数值V＝R+iI。
(2)撤去被测头颅，再按照上面的方法测量空时接收线圈相对于参考信号的复数值V0＝R0+iI0。
(3)根据公式
计算V相对于V0的实部R实。
(4)制作一个与被测头颅体积形状一致的头模型，中空，将内部注入新鲜血液。
(5)将头颅模型放置于两线圈之间，注意模型与两线圈之间的相对位置与上面被测头颅一致。
(6)再按照(1)-(3)方法计算模型的实部R模。
(7)查的参考文献[1-3]中的测量血液的介电常数频谱，得到该工作频率下血液的介电常数值εblood，则被测头颅的平均介电常数ε＝εblood*(R实/R模)。
[1]Gabriel C,Gabriel S,Corthout E.The dielectric properties ofbiological tissues:I.Literature survey.[J].Physics in Medicine&Biology,1996,41(11):2231.
[2]Gabriel S,Lau R W,Gabriel C.The dielectric properties ofbiological tissues:II.Measurements in the frequency range 10Hz to 20GHz[J].Physics in Medicine&Biology,1996,41(11):2251-69.
[3]Gabriel S,Lau R W,Gabriel C.The dielectric properties ofbiological tissues:III.Parametric models for the dielectric spectrum oftissues.[J].Physics in Medicine&Biology,1996,41(11):2271.
在各种脑组织中，血液的介电常数最高，脑出血伴随着出血量的增大，使得颅脑平均介电常数大大增加，因此颅脑平均介电常数与出血量成正比，因此可以通过监测颅脑平均介电常数来了解颅内的出血量。本发明在大量实验研究的基础上，提出采用非接触的磁感应方法，并通过测量实部以及采用模型归一化的方法来测量颅脑的平均介电常数，目前国内外还没有此种方法问世。该方法对于脑出血的监护具有重要的意义。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种非接触式头颅平均介电常数测量方法，其特征在于,包括下列步骤：
1)将被测头颅穿过激励线圈，并放置在激励线圈和接收线圈之间，激励线圈和接收线圈同轴并且平行放置，头颅顶部距离接收线圈形成的圈面在1-10mm之间；
2)激励线圈通入交流电产生激励磁场，激励磁场通过被测头颅，被测头颅产生感应磁场，接收线圈接收总磁场，再测量接收线圈输出电压信号Uo以及激励线圈激励电压信号Ui；使用傅里叶变换，求出其中V为计算的复数值，R为实部，I为虚部；
3)将头颅撤去，按照步骤1)和步骤2)的方法测量两线圈中间为空时接收线圈信号相对于激励线圈信号的实部和虚部V0＝R0+iI0，其中V0为计算的复数值，R0为实部，I0为虚部；
4)根据公式
计算V相对于V0的实部R实；
5)再制作一个与被测头颅大小形状一致的头模型，内部装满血液，然后按照步骤1)至步骤4)测量计算得到实部R模；
6)查血液在各个频率的介电常数频谱，得到血液在该交流信号的频率下的介电常数εblood，从而被测头颅的平均介电常数ε＝εblood*(R实/R模)。
2.如权利要求1所述的一种非接触式头颅平均介电常数测量方法，其特征在于，激励线圈使用的交流电频率位于500KHz-1MHz之间。
3.如权利要求1所述的一种非接触式头颅平均介电常数测量方法，其特征在于，所述激励线圈设置在人被测头颅两眼连线位置。
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