CN109659032A - 基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统 - Google Patents

基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，主要包括信号发生与处理系统、电磁波发射传感器和电磁波接收传感器。信号发生与处理系统主要包括电源、激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集、信号处理模块和显示模块。激励信号源产生正弦波激励信号。电磁波发射传感器产生电磁波发射信号。电磁波接收传感器将电磁波传输信号发送给幅相接收机。信号分离模块将电磁波反射信号发送给幅相接收机。幅相接收机计算电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21。信号处理模块分析得到被检测对象颅内损伤结果。本发明成本低，体积小，便于携带，应用场景广泛，可以缩短发病至病人紧急治疗期间时间消耗。

Description

基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统
技术领域
本发明涉及生物医学医疗设备领域，具体是基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统。
背景技术
创伤性颅脑损伤(Traumatic brain injury，TBI)被定义为脑功能改变或是由外力引起的脑部病理学变化。在2006年1月至2013年12月期间，对全国161个省农村TBI进行流行病学研究，共监测调查了7600万至8300万人，结果显示，TBI死亡率为12.99/10万人·年至17.06/10万人·年。在欧洲(2012年)和美国(2013年)，TBI死亡率分别为11.7/10万人·年和17/10万人·年，我国TBI死亡率逐年呈上升趋势并处在较高水平。全球死亡人数统计显示创伤是45岁以下中青年致死的首要原因，其中TBI占该人群50％以上，致死率37％，多数生存者遗留有不同程度的残疾。因此TBI的高致残率、高死亡率和高治疗费用，对人类的生命安全和健康造成严重威胁，并对社会和家庭造成严重经济负担。
战创伤、交通伤和跌落伤是导致TBI发生的最主要的原因，继而由TBI引起的颅内器质性损伤及颅内出血是造成患者死亡率居高不下的主要因素，当中因交通事故、爆炸、跌落而导致的损伤通常是在颅骨或硬脑膜完整的情况下出现的，所以这类脑损伤又可以称为闭合性颅脑损伤。由于是闭合性的，仅通过临床观察是难以诊断和评估伤情的。
对于闭合性颅脑损伤，通常会经过一段功能代偿期和潜伏期，临床症状才迅速恶化。待观察到显著恶化的临床症状时，因后期变化迅速往往来不及抢救，因此早期检测诊断并进行针对性抢救治疗是降低TBI患者致死率和致残率的关键。目前临床上诊断评估TBI的技术有计算机断层成像(Computed tomography，CT)、近红外光谱技术(Near infraredspectroscopy，NIRS)和颅内压(intracranial pressure,ICP)监测。CT作为检测TBI的金标准，虽然能清楚地显示出血位置、出血形态和出血量，但是由于设备过于庞大笨重且费用较高，难以用于在事故现场进行早期诊断。NIRS通过检测左右两个脑半球组织对近红外光值吸收不对称来判断是否出血，但NIRS仅对出血量大于3.5ml，出血位置距头皮小于2.5cm的血肿才有较高的敏感性和特异性。ICP监测通过将传感器探头植入颅内可以准确、长时间动态监测ICP的变化情况，但是存在损伤、感染等风险。因此便携非接触的脑损伤伤情评估方法对脑损伤的救治有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，主要包括信号发生与处理系统、电磁波发射传感器和电磁波接收传感器。
信号发生与处理系统具有两个外接端口，分别记为端口I和端口II。信号发生与处理系统的端口I通过同轴电缆连接电磁波发射传感器。信号发生与处理系统的端口II通过同轴电缆连接电磁波接收传感器。
所述信号发生与处理系统主要包括电源、激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集模块、信号处理模块和显示模块。
电源为激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集、信号处理模块和显示模块供电。
所述激励信号源产生正弦波激励信号。
所述正弦波激励信号以扫描模式运行且频率按线性变化。
所述正弦波激励信号发送给电磁波发射传感器，使电磁波发射传感器产生电磁波发射信号。
所述电磁波发射信号穿过待检测对象的头颅后，由电磁波接收传感器接收。电磁波接收传感器接收到的电磁波信号记为电磁波传输信号。
所述电磁波接收传感器将电磁波传输信号发送给幅相接收机。
所述电磁波发射信号到达待检测头颅后，反射回电磁波发射传感器。电磁波发射传感器接收到的电磁波信号记为电磁波反射信号。
所述电磁波发射传感器将电磁波反射信号和正弦波激励信号混合为一路信号，并发送给定向耦合器。
所述定向耦合器将电磁波反射信号和正弦波激励信号分离，并将电磁波反射信号发送给幅相接收机。
所述信号分离模块主要包括转换开关、功率分配器和衰减器。
所述转换开关连通电源和功率分配器。
所述功率分配器能将信号源的一路输出信号分成两路功率、幅度、相位相等的输出信号。
衰减器接收分离后的激励信号和电磁波反射信号，并补偿激励信号和电磁波反射信号的衰减。
衰减器将补偿衰减后电磁波反射信号发送给幅相接收机。
所述幅相接收机计算电磁波散射参数。所述电磁波散射参数主要包括电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21。
所述幅相接收机分别测量电磁波反射信号和电磁波传输信号的幅度和相位，并计算电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21。其中所述幅相接收机将电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给数据采集模块。
所述数据采集模块对电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21进行模数转换、预处理和存储。所述数据采集模块将预处理后的电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给信号处理模块。
所述信号处理模块对电磁波反射特性参数S11、电磁波传输特性参数S21和正常被检测对象数据进行处理分析，得到被检测对象颅内损伤结果。
所述显示模块显示被检测对象的损伤情况检测过程和检测结果。
所述被检测对象的损伤情况检测过程为磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21的变化情况。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明通过建立便携电磁检测系统来构建闭合性脑损伤的评估诊断系统。本发明是非接触式的闭合性脑损伤伤情评估系统。本发明成本低，体积小，便于携带，应用场景广泛，可以缩短发病至病人紧急治疗期间时间消耗。
附图说明
图1为评估系统组成示意图；
图2为特征频率下一只家兔正常情况和具有脑损伤30min内S11的相位差；
图3为特征频率下该只家兔致正常情况和具有脑损伤30min内S21的相位差；
图4为10只家兔具有脑损伤前30min和具有脑损伤后30min的S11和S21的平均相位移及标准差；
图5为10只家兔具有脑损伤后30min内在不同时间段S11的相位移平均变化率；
图6为10只家兔具有脑损伤后30min内在不同时间段S21的相位移平均变化率；
图7为信号发生与处理系统模块示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
如图1和图7所示，基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，主要包括信号发生与处理系统、电磁波发射传感器和电磁波接收传感器。
信号发生与处理系统具有两个外接端口，分别记为端口I和端口II。信号发生与处理系统的端口I通过同轴电缆连接电磁波发射传感器。信号发生与处理系统的端口II通过同轴电缆连接电磁波接收传感器。信号发生与处理系统的端口I接收到电磁波发射信号和电磁波反射信号。信号发生与处理系统的端口II接收到电磁波发射信号和电磁波传输信号。
电磁波发射传感器和接收传感器为同样尺寸的环形线圈。
所述信号发生与处理系统主要包括电源、激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集模块、信号处理模块和显示模块。
电源为激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集、信号处理模块和显示模块供电。
所述激励信号源产生正弦波激励信号。
所述正弦波激励信号以扫描模式运行且频率按线性变化。
所述正弦波激励信号发送给电磁波发射传感器，使电磁波发射传感器产生电磁波发射信号。
所述电磁波发射信号穿过待检测对象的头颅后，由电磁波接收传感器接收。电磁波接收传感器接收到的电磁波信号记为电磁波传输信号。
所述电磁波接收传感器将电磁波传输信号发送给幅相接收机。
所述电磁波发射信号到达待检测头颅后，反射回电磁波发射传感器。电磁波发射传感器接收到的电磁波信号记为电磁波反射信号。
所述电磁波发射传感器将电磁波反射信号和正弦波激励信号混合为一路信号，并发送给定向耦合器。
所述定向耦合器将电磁波反射信号和正弦波激励信号分离，并将电磁波反射信号发送给幅相接收机。
所述信号分离模块主要包括转换开关、功率分配器和衰减器。
所述转换开关连通电源和功率分配器。
转换开关是可供两路或两路以上电源或负载转换用的开关电器。转换开关由多节触头组合而成，在电气设备中，多用于非频繁地接通和分断电路，接通电源和负载，测量三相电压以及控制小容量异步电动机的正反转和星-三角起动等。这些部件通过螺栓紧固为一个整体。功率分配器(power divider)是将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可也称为合路器。
一个功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度。功率分配器也叫过流分配器，分有源，无源两种，可平均分配一路信号变为几路输出，一般每分一路都有几dB的衰减，信号频率不同，分配器不同衰减也不同，为了补偿衰减，在其中加了放大器后做出了无源功分器。所述功率分配器接收由激励信号和电磁波反射信号组成的混合信号，并分离激励信号和电磁波反射信号。
衰减器接收分离后的激励信号和电磁波反射信号，并补偿激励信号和电磁波反射信号的衰减。
衰减器将补偿衰减后电磁波反射信号发送给幅相接收机。
衰减器是在指定的频率范围内，用以引入一预定衰减的电路。一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。在有线电视系统里广泛使用衰减器以便满足多端口对电平的要求。如放大器的输入端、输出端电平的控制、分支衰减量的控制。
衰减器的主要作用包括：(1)调整电路中信号的大小。(2)在比较法测量电路中，可用来直读被测网络的衰减值。(3)改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。
定向耦合器是通用的微波/毫米波部件，可用于信号的隔离、分离和混合，如功率的监测、源输出功率稳幅、信号源隔离、传输和反射的扫频测试等。主要技术指标有方向性、驻波比、耦合度、插入损耗。定向耦合器是微波系统中应用广泛的微波器件，它的本质是将微波信号按一定的比例进行功率分配。
所述幅相接收机计算电磁波散射参数。所述电磁波散射参数主要包括电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21。
所述幅相接收机分别测量电磁波反射信号和电磁波传输信号的幅度和相位，并计算电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21。其中所述幅相接收机将电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给数据采集模块。
所述数据采集模块对电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21进行模数转换、预处理和存储。所述数据采集模块将预处理后的电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给信号处理模块。
所述信号处理模块对电磁波反射特性参数S11、电磁波传输特性参数S21和正常被检测对象数据进行处理分析，得到被检测对象颅内损伤结果。所述被检测对象的损伤情况检测过程为磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21的变化情况。
所述正常被检测对象数据可以来源于信号处理模块中预先存储的数据库。
信号处理模块建立正常被检测对象数据库的主要步骤如下：
1)利用基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统检测正常人的电磁波反射特性参数S'11和电磁波传输特性参数S'21。
2)重复检测多组电磁波反射特性参数S'11和电磁波传输特性参数S'21，并取平均值和
3)将平均值平均值多组电磁波反射特性参数S'11和电磁波传输特性参数S'21存储在数据库中。
4)在得到磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21后，利用分类器对磁波反射特性参数S11、电磁波传输特性参数S21和数据库中的数据进行判断。若磁波反射特性参数S11、电磁波传输特性参数S21和数据库中的对应数据之间差的绝对值小于阈值m，则无脑损伤，相反，则存在脑损伤。本实施例设定阈值m＝0.1。阈值m可以根据被检测对象的实际情况进行设置。
所述显示模块显示被检测对象的损伤情况检测过程和检测结果。
实施例2：
如图2至图6所示，利用基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统检测家兔闭合性脑损伤的实验，主要如下：
本实验选取新西兰大白兔(2.2kg～2.7kg，平均体质量2.4kg)10只。
本实验采用的电磁波发射传感器和电磁波接收传感器由直径为1mm的AWG32铜漆包线在有机玻璃管两端缠绕而成，匝数均为10匝(N1＝N2＝10)。为了能将被检测对象头颅放入电磁波发射传感器和电磁波接收传感器之间，根据被检测对象的头颅尺寸，设计让电磁波发射传感器和电磁波接收传感器的半径相等(R1＝R2)，同时确定合适的两线圈间距。
信号发生与处理系统分别连接电磁波发射传感器和电磁波接收传感器后，开机预热30min，直至检测的电磁波散射参数不再漂移，保持稳定状态。再将正常的家兔麻醉后将头部置于电磁波发射传感器和电磁波接收传感器之间，测量其麻醉状态下的头部散射参数1次，持续30min。
利用基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统测量脑部具有损伤的家兔的头部散射参数，持续30min，注意家兔头部两次放置要按标记位置保持相同。实验中，选取300kHz～3000MHz扫频范围，采集S11和S21测量数据作为评估家兔脑损伤的源数据。
对幅相接收机、信号处理模块进行测量和校正。所述主机上利用VBA编写用于测量和保存电磁波散射参数的程序。将所述程序启动。
启动脑损伤评估系统，让所述发射传感器发射电磁波穿过被检测对象。
所述主机对当前的电磁波反射与传输参数的幅度和相位进行测量。将测量得到的数据保存至所述本地磁盘。
将测量数据与已保存的正常被检测对象数据进行比较并判断该被检测对象是否有脑损伤。
实验中，以反射参数S11和传输参数S21信息作为采集的电磁波散射参数数据，并以该检测系统在空载下S21功率幅值最高的峰值点对应的频率为特征频率，为67MHz。在后续的数据处理中，重点关注50至70MHz频段上的数据。
根据图2和图3可知，其中一只家兔致伤后30min在特征频率(62.73±1.225153MHz)下S11的相位移与在特征频率(62.28±1.102724MHz)下S21的相位移都跟时间有关，且S11相位移随时间上升，S21相位移随时间下降；而致伤前的S11和S21相位移基本保持平稳状态，没有明显上升或者下降的趋势。图2和图3中，frequency表示频率，phase shift表示相移。
从图4可以发现10只家兔致伤前30min内的S11和S21的平均相位移保持在0°左右，S11最大平均相位移0.11038±0.625324°，S21最大平均相位移-0.44123±0.772553°；致伤后0min的S11、S21和30min的S11、S21相位移分别为8.4325±1.385416°、-9.2677±2.344488°和14.0058±2.463343°、-16.178±2.220424°。将家兔致伤前与致伤后等时间间隔的S11、S21的相位移均采用配对t检验显著性分析，结果显著性水平P≈0.00＜0.05(α＝0.05)，说明致伤前、后的S11、S21的相位移的差异具有统计学意义。
图4结合图5和图6可知，致伤后30min内S11和S21平均相位移并不完全随时间分别不断上升和下降，它们每个时间段的相位移平均变化率不仅仅是大小不同，而且在最末时间段方向也发生了改变。S11和S21两者的相位移平均变化率在0至20min内出现最高点，20至25min内迅速降到最低，25至30min内向相反方向发展且保持较低幅度的变化。
实验结果显示，本发明的方法能对脑损伤做出明显指示，能够实现对脑损伤进行非接触诊断和评估。

Claims (4)

1.基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，其特征在于：主要包括信号发生与处理系统、所述电磁波发射传感器和电磁波接收传感器。
所述信号发生与处理系统主要包括电源、激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集模块、信号处理模块和显示模块；
电源为激励信号源、信号分离模块、幅相接收机、定向耦合器、数据采集、信号处理模块和显示模块供电；
所述激励信号源产生正弦波激励信号，并发送给电磁波发射传感器，使电磁波发射传感器产生电磁波发射信号；
所述电磁波发射信号穿过被检测对象的头颅后，由电磁波接收传感器接收；电磁波接收传感器接收到的电磁波信号记为电磁波传输信号；
所述电磁波接收传感器将电磁波传输信号发送给幅相接收机；
所述电磁波发射信号到达被检测对象的头颅后，反射回电磁波发射传感器；电磁波发射传感器接收到的电磁波信号记为电磁波反射信号；
所述电磁波发射传感器接收电磁波反射信号，并通过定向耦合器传输给幅相接收机；
所述幅相接收机计算电磁波散射参数；所述电磁波散射参数主要包括电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21；
所述幅相接收机分别测量电磁波反射信号和电磁波传输信号的幅度和相位，并计算电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21，其中所述幅相接收机将电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给数据采集模块；
所述数据采集模块对电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21进行模数转换、预处理和存储；所述数据采集模块将预处理后的电磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21发送给信号处理模块；
所述信号处理模块对电磁波反射特性参数S11、电磁波传输特性参数S21和正常被检测对象数据进行处理分析，得到被检测对象颅内损伤结果；
所述显示模块显示被检测对象的损伤情况检测过程和检测结果；
所述被检测对象的损伤情况检测过程为磁波反射特性参数S11和电磁波传输特性参数S21的变化情况。
2.根据权利要求1所述的基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，其特征在于：信号发生与处理系统具有两个外接端口，分别记为端口I和端口II；信号发生与处理系统的端口I通过同轴电缆连接电磁波发射传感器；信号发生与处理系统的端口II通过同轴电缆连接电磁波接收传感器。
3.根据权利要求1或2所述的基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，其特征在于：所述正弦波激励信号以扫描模式运行且频率按线性变化。
4.根据权利要求1或2所述的基于连续波频谱扫描的便携非接触闭合性脑损伤评估系统，其特征在于：所述信号分离模块主要包括转换开关、功率分配器和衰减器；
所述转换开关连通电源和功率分配器；
所述功率分配器能将信号源的一路输出信号分成两路功率、幅度、相位相等的输出信号；
衰减器接收分离后的激励信号和电磁波反射信号，并补偿激励信号和电磁波反射信号的衰减；
衰减器将补偿衰减后电磁波反射信号发送给幅相接收机。
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