基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置及方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别是一种基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置及方法。


背景技术：

2.作为缺血性脑中风后极为常见的继发性病理生理反应，细胞毒性脑水肿会引起脑组织中水的异常增加和肿胀，极易引起不可逆的神经系统损伤，甚至诱发脑移位、脑疝和死亡。大量的临床研究证据显示，细胞毒性脑水肿是导致缺血性中风患者产生不良预后结果的独立影响因素。因此，细胞毒性脑水肿的早期诊断和实时监测对于改善缺血性中风的治疗条件和预后结果，降低其致死率和致残率，具有重要的临床意义。
3.国内外最新的急性缺血性中风治疗管理指南均显示，目前尚没有完全可靠的方法对细胞毒性脑水肿进行即时诊断或对其发展进行预测。ct、mri等影像学方法可通过无创方式获得高分辨率的颅内图像，从而确定水肿的大小和位置。但这类设备体积庞大，且通常为固定放置，难以实现细胞毒性脑水肿的实时床旁监护。对反映颅内容积变化的颅内压进行持续监测可间接反映水肿发展。但在缺血性中风的早期阶段，颅内压在颅内补偿作用的介入下，基本保持不变或变化较小，难以及时发现细胞毒性脑水肿的发生，存在延误治疗的风险。另外，颅内压监测普遍采用有创的方式，易导致出血、感染及其他并发症。
4.因此，迫切需要开发一种新的细胞毒性脑水肿实时监测方法，以降低缺血性中风的死亡率和致残率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置及方法，该装置解决了临床现有检查手段存在的有创与无创、连续与间歇等技术矛盾，为缺血性中风后细胞毒性脑水肿的有效防治，提供新的解决方案。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置，包括集成化硬件检测装置和耦合传感器；所述集成化硬件检测装置包括信号源，信号分离模块，幅相接收器和信号处理模块；
8.所述信号源用于输出入射信号；
9.所述信号分离模块用于接收入射信号并生成激励信号和参考信号；所述激励信号传输到耦合传感器并作用于检测目标后生成发射信号传输至幅相接收器；
10.所述幅相接收器用于采集参考信号和反射信号；
11.所述信号处理模块用于计算参考信号和反射信号的幅相信息。
12.进一步，所述信号分离模块包括功率分配器和定向耦合器，
13.所述功率分配器用于将入射信号分成功率大小相同，频率范围相同和初始相位相同的两路信号；
14.所述定向耦合器用于将激励信号传输到耦合传感器，并将参考信号传输至幅相接收器。
15.进一步，所述耦合传感器为线圈传感器，所述线圈传感器包括接收线圈和发射线圈；
16.所述接收线圈通过同轴射频传输线与信号分离模块输出激励信号的端口连接；
17.所述发射线圈用于将作用检测目标的发射信号传输至幅相接收机的接收信号端口。
18.进一步，所述发射线圈固定套设于发射支架上，所述接收线圈套设于接收支架上；所述发射支架与接收支架活动配合，以适于调节发射线圈和接收线圈的相对位置；所述发射线圈设置于内部；所述接收线圈设置于外部。
19.进一步，还包括实时监测系统，所述实时监测系统包括监测界面、实时滤波单元和设备访问单元；
20.所述监测界面设置有波形显示控件，所述波形显示控件用于将实时读取的近场耦合相移离散数据绘制成连续的动态波形，并根据数据变化范围自适应调整y轴的最大值和最小值；
21.所述实时滤波单元，用于滤除由被测目标运动和监控环境引入的干扰；
22.所述设备访问单元通过scpi协议实现与集成化硬件检测装置的通信，以完成近场耦合测量参数的自动设置、实时数据读取及保存功能。
23.进一步，所述设备访问单元包括参数设置单元、数据读取单元和数据保存单元；
24.所述参数设置单元用于设置扫描初始频率、扫描终止频率、扫描点数、扫描功率和扫描时间；
25.所述数据读取单元用于打开频标功能，将频标自动定在反射功率最低、接收功率最高的频率点上，随即连续读取该频率点的近场耦合相位移值；
26.所述数据保存单元用于将滤波前后的实时数据写入文本文件并保存至用户指定的路径中。
27.本发明提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测方法，包括以下步骤：
28.通过射频同轴传输线将耦合传感器与集成化硬件检测装置的端口相连；
29.设置集成化硬件检测装置工作起始参数；
30.将耦合传感器设置于被测目标的预设位置；
31.通过运行实时监测系统来控制集成化硬件检测装置生成激励信号和参考信号；
32.将所述激励信号传输到耦合传感器并作用于检测目标后生成发射信号；
33.将所述发射信号传输至集成化硬件检测装置中的幅相接收器；
34.通过幅相接收器接收参考信号和反射信号；
35.通过集成化硬件检测装置中的信号处理模块计算参考信号和反射信号的幅相信息。
36.进一步，所述耦合传感器为线圈传感器，所述线圈传感器包括接收线圈和发射线圈；
37.所述接收线圈通过同轴射频传输线与信号分离模块输出激励信号的端口连接；
38.所述发射线圈用于将作用检测目标的发射信号传输至幅相接收机的接收信号端
口。
39.进一步，还包括实时监测系统，所述实时监测系统包括监测界面、实时滤波单元和设备访问单元；
40.所述监测界面设置有波形显示控件，所述波形显示控件用于将实时读取的近场耦合相移离散数据绘制成连续的动态波形，并根据数据变化范围自适应调整y轴的最大值和最小值；
41.所述实时滤波单元，用于滤除由被测目标运动和监控环境引入的干扰；
42.所述设备访问单元通过scpi协议实现与集成化硬件检测装置的通信，以完成近场耦合测量参数的自动设置、实时数据读取及保存功能。
43.本发明的有益效果在于：
44.本发明提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置，
45.该装置基于近场耦合相移传感技术，实时无创、非接触地监测细胞毒性脑水肿，克服了影像学设备检测时间分辨率低、颅内压监测有创性等矛盾，
46.根据细胞毒性脑水肿病理过程——细胞内液体、钠离子的过度积累导致脑组织肿胀并缩小细胞间隙，会引起脑组织阻抗特性改变，生物组织较低的电磁特性使得反映其生理活动或结构变化的近场耦合相移信号非常微弱。
47.本装置基于宽频带扫描获取的基本阻抗特性，通过计算机软件自动寻找具有理想性能的检测频率，并加载实时性较好的滤波单元，很大程度上改善了上述问题，为近场耦合相移传感技术用于缺血性中风后细胞毒性脑水肿的持续监护提供了有力的技术支撑，受试者体动和外界环境引入的干扰令近场耦合相移监测结果一致性较差。
48.由于近场耦合相移传感技术具有非侵入性、非接触性、有效穿透颅骨不受阻碍等优点。在理论上，它可以通过近场耦合相移反映电磁波在正常组织与水肿组织中传输特性的差异。在大量实验研究基础上发现，此装置在缺血性脑中风后能够对细胞毒性脑水肿进行持续有效的监测。
49.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
50.为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
51.图1为一种细胞毒性脑水肿近场耦合实时监测装置的结构框图。
52.图2为线圈传感器结构示意图。
53.图3为脑水肿实时连续监测系统结构。
54.图4为近场耦合相移实时监测结果。
55.图5为实验组no.2号大鼠近场耦合信号实时滤波结果。
56.图6为实验组和对照组近场耦合相移监测结果的一阶导数。
57.图7为实验组和对照组大鼠差异性统计分析结果。
58.图8为基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测方法流程图。
具体实施方式
59.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
60.本实施例提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置，针对现有细胞毒性脑水肿检测技术存在的有创与无创、连续与间歇等矛盾，通过近场耦合检测原理与计算机编程技术的结合，使得该装置具有测量参数自动设定、数据采集、实时滤波、动态波形显示等功能。
61.本实施例提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测主要是用于细胞毒性脑水肿的实时监测过程；同时，也可以用于其他组织水肿实时监测。
62.如图1所示，本发明提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测装置，包括集成化硬件检测装置和耦合传感器；
63.所述集成化硬件检测装置包括信号源，信号分离模块，幅相接收器和信号处理模块；
64.所述信号源用于输出入射信号，并为整个监测装置提供激励信号；
65.所述信号分离模块用于接收入射信号并生成激励信号和参考信号；所述激励信号传输到耦合传感器并作用于检测目标后生成发射信号传输至幅相接收器；
66.所述信号分离模块包括功率分配器和定向耦合器，用于将入射信号分成功率大小相同，频率范围相同和初始相位相同的两路信号，一路用作激励信号，另一个用作参考信号，相互之间没有串扰；
67.所述幅相接收器用于采集参考信号和反射信号；
68.所述信号处理模块用于处理并计算参考信号和反射信号的幅相信息；所述参考信号和反射信号之间的相位差，即近场耦合相移，用于反映被测目标的阻抗特性。
69.本实施例提供的反映被测目标阻抗特性改变的近场耦合相移信号，该信号仅作为反映脑组织水肿或其他组织水肿的参考信息，进一步诊断脑组织水肿或其他组织水肿，必须要通过医生经验判断，并结合其他生理病理信息才能完成。
70.如图2所示，本实施例提供的耦合传感器为线圈传感器，其中，2a为耦合传感器的俯视图,2b为耦合传感器的主视图,2c为耦合传感器的侧视图,2d为耦合传感器的立体图,所述线圈传感器包括接收线圈和发射线圈；所述接收线圈通过同轴射频传输线与信号分离模块输出激励信号的端口连接；所述发射线圈用于将作用检测目标的发射信号传输至幅相接收机的接收信号端口。
71.本实施例的所述发射线圈固定套设于发射支架上，所述接收线圈套设于接收支架上；所述发射支架与接收支架活动配合，以适于调节发射线圈和接收线圈的相对位置；所述发射线圈设置于内部；所述接收线圈设置于外部。
72.所述发射线圈和接收线圈分别用直径为1mm的铜漆包线缠绕在两个外径不同的同心亚克力管上；所述发射线圈在内部，接收线圈在外部；两个线圈，一个作发射，另一个作接收，发射线圈和接收线圈是两组独立的线圈，可以分离，但相对位置必须固定；测量对象为接收的信号与发射信号比值的相位，这个比值与中间被测目标阻抗特性有关，中间被测目
标阻抗特性的改变会引起这个比值的相位发生偏移，即近场耦合相移。
73.所述发射线圈的直径为54mm，匝数为60；所述接收线圈的直径为66mm，匝数为20；所述线圈传感器制备完成后，将其固定在足够大的有机玻璃板上，以防止在监测过程中产生位移；发射线圈和接收线圈通过阻抗为50ω的射频同轴传输线与集成化硬件检测装置的端口相连。
74.本实施例提供的内圈作为发射线圈，能够集中辐射在中心处，电磁波几乎都穿过外圈的接收线圈，能保证接收线圈的辐射能量。
75.如图3所示，本实施例提供的装置还包括细胞毒性脑水肿实时监测系统，所述细胞毒性脑水肿实时监测系统用于控制细胞毒性脑水肿实时监测装置的工作状态，以及实时监测缺血性卒中后细胞毒性脑水肿状态，所述细胞毒性脑水肿实时监测系统包括监测界面、实时滤波单元和设备访问单元；
76.所述监测界面、实时滤波单元在上位机编译完成后，封装为动态链接库(dll)文件；随后，由集成化硬件检测装置的vba编译平台调用，并嵌入设备访问程序，最终实现测量参数自动设定、数据采集、实时滤波单元、动态波形显示等功能。
77.所述监测界面为操作者提供了实时观察近场耦合相移变化趋势的窗口，包括波形显示控件和窗口设计，所述波形显示控件的主要功能是将实时读取的近场耦合相移离散数据绘制成连续的动态波形，并根据其变化范围自适应调整y轴的最大值和最小值。另外，通过添加时间触发函数完成实时数据的存储。基于此波形显示控件，结合一些公共控件，对监测界面进行窗体设计，将监控界面分为显示区域和操作区域。显示区域用于显示近场耦合相移实时波形。操作区域中可输入检测频率并显示当前近场耦合相移的数值。此外，操作区域还拥有档位选择功能，类似于集成按钮。操作者可根据不同的需求，选择不同的监测时长。
78.所述实时滤波单元，旨在滤除由被测目标身体运动和监控环境引入的干扰。均值滤波器和中值滤波器存在一定的延迟，其延迟时间与窗口长度成正比，而窗口长度又与滤波器的平滑效果成正比。因此，若选择这两种滤波器将不可避免地引入更长的延迟时间以获得更好的平滑效果。卡尔曼滤波基于信号和噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新状态变量，最终计算出估计值。该方法除程序本身的运行时间外不会因滤波产生延迟，能确保获得出色的实时性，其迭代算法也适用于计算机操作。因此，选择卡尔曼滤波器来实时处理近场耦合相移信号。
79.所述设备访问单元是通过scpi协议实现与集成化硬件检测装置的通信，以完成近场耦合测量参数的自动设置、实时数据读取及保存功能。所述设备访问单元包括参数设置单元、数据读取单元、数据保存单元；
80.所述参数设置单元将扫描初始频率设为300khz、扫描终止频率设为200mhz、扫描点数设为1601、扫描功率设为10dbm、扫描时间设为auto、触发源设为内部源。在这种情况下，集成化硬件检测装置扫描一次并获得一个近场耦合相移测量结果所需的时间为627.84ms。当触发方式设为连续触发时，每触发一次就测量一次，近场耦合相位移便更新一次。数据读取单元负责打开频标功能，将频标自动定在反射功率最低、接收功率最高的频率点上，随即连续读取该频率点的近场耦合相位移值。结合加载的监测界面和实时滤波单元，将实时滤波前后的近场耦合相移数据显示成动态波形。同时，数据保存单元将滤波前后的
实时数据写入文本文件并保存至用户指定的路径中。
81.本实施例提供的装置的使用说明具体如下：
82.将被测头颅置于线圈传感器内，打开集成化硬件检测装置，运行脑水肿实时连续监测系统。此时，被测头颅、线圈传感器及集成化硬件检测装置一同可等效于一个包含负载的有源二端口测试网络，其输入、输出关系可通过使用入射信号，反射信号和传输信号来定义。
83.当第一端口添加了入射信号a1且第二端口没有输入(a2＝0)时，由于端口失配而产生反射，即反射信号，其余经被测头颅传输到第二端口，即传输信号。
84.传输信号与入射信号之比定义为传输系数，其相位是传输信号与入射信号的相位差，即近场耦合相移。该相移的大小与被测头颅内部组织的阻抗特性有关。
85.因此，基于水肿后近场耦合相移相对正常状态时的变化量，能够获取被测头颅内组织水分增加和体积扩张的信息。
86.所述集成化硬件检测装置内设置的信号源，可连续稳定地输出宽频带信号，经功率分配器和定向耦合器分成两路相等的信号，其中一路由第一端口经发射线圈向被测头部发射电磁波信号，经被测头部传递到接收线圈，再通过第二端口传输至幅相接收机，作为传输信号。另外一路信号则直接传递至幅相接收机，作为参考信号。之后，集成化硬件检测装置的信号处理模块负责计算传输信号与参考信号的相位差，即近场耦合相移，以便后续分析。
87.通过运行脑水肿实时连续监测系统，可完成测量参数自动化设定，令集成化硬件检测装置在设定条件下完成上述测量过程，并基于宽频带扫频结果，自动确定具有理想性能的检测频率。之后，脑水肿实时连续监测系统连续读取该频率下的实时近场耦合相移值，将其绘制成动态波形，并完成实时滤波、数据存储等功能。使用者可根据近场耦合相移的实时变化趋势、绝对变化量及变化速率等，进一步详细分析被测头颅内部组织水肿、肿胀的情况。
88.通过以下动物实验对本实施例提供的细胞毒性脑水肿近场耦合实时监测装置进行进一步的验证和效果说明：
89.选择13只健康大鼠(250
‑
300g)，分为实验组(n＝8)和对照组(n＝5)。实验组大鼠经腹腔内注射2％戊巴比妥钠(40mg/kg)麻醉后，采用改良缝合法制备大脑中动脉栓塞模型。除未插入软线外，对照组的手术操作与实验组完全相同。所有大鼠在术后，均放置在装配线圈传感器的有机玻璃板上，并将其头部置于线圈传感器中。待大鼠呼吸平稳后，运行脑水肿实时连续监测系统，开始24小时的近场耦合相移监测。监测过程中，利用2％异氟烷气体以0.6l/min的流量对大鼠进行持续麻醉。
90.图4为近场耦合相移实时监测结果，其中，4a为实验组no.2大鼠24小时近场耦合相移监测结果。在大脑中动脉栓塞后24小时内，近场耦合相移整体呈下降趋势，变化范围为19.7223
°
；4b为对照组no.9大鼠24小时近场耦合相移监测结果。其近场耦合相移在24小时内的变化范围不超过1.5
°
，与实验组相比几乎没有明显变化。与实验组no.2大鼠相比，对照组no.9大鼠仅仅没有进行大脑中动脉栓塞，表明他们24小时近场耦合相移监测结果的差异是由实验组中术后细胞毒性脑水肿逐渐形成所造成的。
91.图5为no.2号大鼠近场耦合信号实时滤波结果，图6为实验组和对照组近场耦合相
移监测结果的一阶导数，其中，原始信号(实线)中存在由大鼠体动和外部环境引起的一些干扰。滤波后的信号(虚线)不仅在很大程度上消除了这些干扰，而且保留了近场耦合相移信号的总体趋势。此外，在监视过程中，滤波后的信号与原始信号之间没有明显的延迟，实时性能优越。
92.图7为实验组和对照组大鼠差异性统计分析结果。其中，7a和7b为所有受试大鼠经滤波何重采样后的近场耦合相移结果。实验组8只大鼠的近场耦合相移显示出一致的趋势，即随着时间的推移呈下降趋势。相反，对照组5只大鼠24小时的近场耦合相移仅在初始值附近轻微波动。
93.由于缺血同样会引起近场耦合相移的改变，为进一步研究近场耦合相移检测缺血后细胞毒性脑水肿产生、发展的可行性，对24小时近场耦合相移的变化速率进行深入分析。图6为实验组和对照组近场耦合相移监测结果的一阶导数。实验组近场耦合相移变化速率在起初6小时内从2.0125
°
/h逐渐降低至0.2298
°
/h，仍保持相对较高的水平，但从第16小时后，逐渐下降至0.07735
°
/h，几乎与在初始值(0.0669
°
/h)附近波动的对照组处于同一水平。这说明从第16小时到第24小时，脑组织的持续扩张逐渐将细胞间空隙缩小至极限。此时，脑组织的阻抗特性没有变化或变化很小，可以将其视为严重细胞毒性脑水肿期(iii)。前6小时近场耦合相移变化率非常高，其绝对变化量占总体的73％，可视为急性缺血期(i)。如此，第6到第16小时之间的阶段即为细胞毒性脑水肿形成及发展期(ii)。此阶段的近耦合相移随着水肿的发生和发展呈逐渐下降趋势，其变化速率不如急性缺血期(i)快。
94.其中，7a为实验组与对照组对应时期的组间差异性统计分析结果。在急性缺血期(i)和细胞毒性脑水肿形成及发展期(ii)，实验组与对照组的近场耦合相移变化速率差异极为显著，在严重细胞毒性脑水肿期(iii)，两者无显着差异。该结果印证了上文对缺血后三个不同阶段划分的准确性。
95.其中，7b为实验组三个不同时期的组内差异性统计分析结果。这三个时期近场耦合相移的变化速率存在显着差异，表明该方法可有效地区分缺血性中风后颅内不同的病理生理状态。根据实验组和对照组近场耦合相移变化趋势、绝对变化量结果，结合组间、组内差异性统计分析结果以及缺血后细胞毒性脑水肿形成的病理生理特点，证明近场耦合相移可以有效地监测缺血性中风后细胞毒性脑水肿的发生及发展。
96.如图8所示，图8为基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测方法流程图，本实施例提供的基于近场耦合相移传感技术的水肿实时监测方法，包括以下步骤：
97.1)利用射频同轴传输线将线圈传感器与集成化硬件检测装置的端口相连，其中发射线圈连接端口，接收线圈连接端口。
98.2)打开集成化硬件检测装置的电源开关，令整个监测装置预热2小时，以保证监测的准确性。
99.3)参照物理实验、动物实验中被测头部与线圈传感器的相对位置，将缺血性中风患者头部置于线圈传感器几何中心，以获得更高的检测敏感性。
100.4)运行细胞毒性脑水肿实时监测软件，完成近场耦合测量参数自动化设定，并基于包含患者头部在内的监测装置的基本阻抗匹配特性，结合二端口网络测试原理，自动标定具有理想性能的检测频率。
101.5)待患者呼吸、心率、脉搏等生理参数稳定后，开始近场耦合相移实时监测，连续
实时采集近场耦合相移数据，并通过细胞毒性脑水肿实时监测软件显示成动态波形。监测过程中密切观察患者生命体征。
102.6)以缺血性中风入院后完成第一次影像学扫描的时间为基准，观察近场耦合相移的变化。若近场耦合相移变化幅度和变化速率仅在基准值附近波动，且没有明显的上升或下降趋势，表明没有细胞毒性脑水肿产生；若近场耦合相移较基准值有显著改变，近场耦合相移变化速率在较低水平保持恒定，近场耦合相移总体呈持续下降的趋势，则可以判断此时细胞毒性脑水肿已经产生。
103.7)根据近场耦合相移检测细胞毒性脑水肿是否产生的结果，提示医护人员及时、及早对患者采取相应的干预措施，以排除细胞毒性脑水肿产生对患者预后结果的影响。
104.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。