基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置及其检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置及其检测方法，检测装置包括信号发生单元、发射天线与接收天线、信号采集单元和信号处理显示单元。信号发生单元生成激励信号和参考信号，发射天线将激励信号定向发射，信号穿透脑组织，带走脑出血病变信息，然后被接收天线捕获；信号采集单元检测出参考信号和接收信号，由A/D转换器转换为数字信号；信号处理显示单元对两路信号进行比幅和鉴相。本发明装置的检测方法检测颅内组织的相对介电常数的变化，使得信号的传输系数发生变化，通过信号处理单元得出发射信号与接收信号之间的传输系数。本发明采用了宽带技术，系统工作频带1.2GHz～2.1GHz，提高了检测灵敏度和稳定性。
【专利说明】
基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置及其检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及生物医学医疗设备技术领域，具体涉及一种基于宽带天线技术的非接 触脑出血检测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 脑出血是指非外伤性脑实质内血管破裂引起的出血，发生的原因与高血脂、糖尿 病、高血压、血管的老化以及吸烟等密切相关。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，其中脑出血占全部脑卒中的20 %~30 %，发病者月30 %死亡， 70%的幸存者中多数留有不同程度的运动障碍、认知障碍、言语吞咽障碍等后遗症。脑出血 如果在早期得到治疗，可以有效防止疾病的发展、传变，并极大的减少中风的后遗症。治疗 越及时，对患者的身体和病情恢复越好。因此实时地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。
[0003] 目前使用较多的脑出血检查方法有ICP(颅内压）测量推定法以及CT或MRI影像学 方法。ICP检测方法需要将压力传感器放入颅内，产生损伤，易感染，且无法推定颅内压的升 高是脑出血、脑缺血还是脑水肿。CT和MRI影像学方法，存在检查滞后性，无法应对早期的急 性脑出血，因此病人常常错过治疗的最佳时间而导致严重的脑损伤甚至死亡，且存在检查 价格较贵、无法实施床旁和急救现场监护等问题，所以当前急需一种可以进行有效连续床 旁监护，非接触，无创伤的脑出血检测方法。
[0004] 正在发展中的磁感应相移(MIPS)测量法具有小型化、非接触和无创伤的特点，是 检测脑出血较好的方法。但是由于在10MHz频率附近，生物组织的电导率很小(O.ls/m~2s/ m)，因此由外界磁场产生的涡流非常弱，涡流产生的二次磁场也非常弱，导致磁感应测量灵 敏度低、稳定性差，且容易受到外界磁场、环境温度、外界容积导体耦合等干扰。且该方法通 常采用单一频点作为检测依据，已受到随机信号的干扰，误差较大，检测系统灵敏度和稳定 性打不到临床需求，很难有效的区分出脑出血的严重程度。
[0005] 本发明在理论分析与实验研究基础上，提出采用基于宽带天线技术的非接触电磁 感应方法检测脑出血严重程度，原理基于正常脑组织和血液具有不同介电性质，从而产生 的不同电磁波传输特性。该检测方法的灵敏度较高，稳定性和一致性较好，且具有高度的实 验可重复性。为脑出血的实时监测和准确、有效地评估脑出血的严重程度及脑出血的发展 过程提供了基础条件。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题在于克服磁感应相移(MIPS)法测量脑出血时灵敏度 低、稳定性差，且容易受到外界磁场影响的缺点，而提出一种基于宽带天线技术的非接触的 脑出血检测装置及其检测方法。
[0007] -种基于宽带天线技术的非接触的脑出血检测装置包括信号发生单元、发射天线 与接收天线、信号采集单元以及信号处理显示单元。
[0008] 所述信号发生单元为射频微波信号源，幅度、频率和相位均可调。信号发生单元产 生激励信号与检测信号，分别传输给发射天线与信号采集单元。实际工作时，所述信号发生 单元输出功率一定、频率范围为〇~3GHz、以扫频模式运行、频率连续性变化的正弦波激励 信号。
[0009] 所述发射天线与接收天线结构一致，发射天线与接收天线均是专为本发明装置设 计。设计该天线时基于以下思路考虑：天线辐射波束应该覆盖整个头颅，且为避免外界干 扰，天线辐射方向为单向，波束宽度60度为宜；天线应该具有较宽的工作频带，为整个检测 系统采用宽带技术提供支持;天线的面积应该尽量小，易于集成于整个检测系统中。综合考 虑上述因素，通过仿真与实验，最终选择天线形式为侧边接地的微带天线，天线整体长宽高 尺寸为49mm )( 24mm )( 14mm，福射层与接地层采用光刻印刷板制作，厚度分别为2mm，福射层 与接地层之间采用高密度泡沫填充，厚度l〇mm，福射层尺寸37mm X 16_，福射层其中一条宽 与天线整体的宽齐平布置。接地面尺寸49mm X 24mm，侧边接地墙采用自黏式铜箱，设置在所 述辐射层宽与天线整体的宽齐平所在的侧边。馈电点设置在天线整体的中部，穿透接地层、 高密度泡沫以及辐射层。采用了短路壁接地技术减小天线的面积，使得天线能较好的集成 于系统中，同时采用了超厚介质层加大天线的带宽，提高了检测的灵敏度和稳定性。
[0010] 所述信号采集单元包括混频接收机以及A/D转换器，混频接收机接收由信号发生 单元输出的参考信号和接收天线输出的检测信号，然后对信号进行下变频后通过A/D转换 器变为数字信号，发送给信号处理显示单元。
[0011]所述信号处理显示单元为一台内部带有专用软件的通用计算机，包括信号处理单 元与信号显示单元，信号处理单元为带有软件的计算机逐级，对信号采集单元传输过来的 参考信号和检测信号处理，采取VB编写的专用软件对两组信号进行鉴幅与鉴相，得到二者 的幅度差与相位差，从而得出所述发射天线与接收天线的传输系数，比较脑出血前后传输 系数的变化，可以监视脑出血的严重程度，最后传输至给信号显示单元进行显示。
[0012] 所述信号发生单元的两个通道分别通过传输线与发射天线和信号采集单元的通 道连接，接收天线通过传输线连接到信号采集单元另一个通道。所述信号采集单元通过传 输线与信号处理显示单元连接。所有的传输线均采用射频同轴电缆。
[0013] 进一步的，检测装置的工作频带这样确定，系统装置连接好之后，两组天线传输系 数大于_30dB的频率区间1.2~2.0GHz。在此宽频带内，用于检测脑出血的工作频点数较多， 频点间距合理，各频点检测结果之间的相关性较小，因此可以提高系统的检测稳定性。
[0014] 所述一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置的检测方法，具体实施步骤 如下：
[0015] 1)将被测头颅放置于发射天线和接收天线之间，调整天线位置与距离，使头颅位 于天线中心连线上。信号发生器产生激励信号与检测信号，分别传输给发射天线与信号采 集单元，接收天线连接到信号采集单元另一个通道，所有的传输线均采用射频同轴电缆。
[0016] 2)信号发生单元输出功率一定、频率范围为0~3GHz、以扫频模式运行、频率连续 线性变化的正弦波激励信号。并将宽带电磁信号定向发射，电磁波穿过整个脑部区域，然后 被接收天线捕获。电磁波的传播受到颅内组织介电常数与电导率的影响，而血液的介电常 数与电导率异于正常脑组织，因此在脑出血前后，电磁波的传播的幅度与相位将产生变化， 通过宽带天线技术，可以在较宽的工作频带内观察到幅度与相位的变化。
[0017] 3)信号采集单元的混频接收机接收由扫频信号源输出的参考信号和接收天线输 出的检测信号，经过A/D转换器转换后发送给信号处理单元进行处理。
[0018] 4)信号处理单元处理由所述信号采集单元传输过来的的参考信号和接收天线传 输过来的检测信号，在整个工作频带内，对参考信号与检测信号进行鉴幅与鉴相，得到二者 的幅度差与相位差，从而得出所述发射天线与接收天线的传输系数，通过比较脑出血前后 传输系数的变化，可以监视脑出血的严重程度。
[0019] 随着脑出血量的变化，传输系数的幅度与相位均会发生改变，且幅度与相位改变 值大小与个体相关，因此不单独比较幅度或相位的变化量，而是采用传输系数欧氏距离来 反映脑出血量的变化，充分利用了矢量信号的幅度信息与相位信息，具体公式如式1:
[0021] 式中，Af为出血前后传输系数欧氏距离，为出血后传输系数的矢量值，1为出 血前传输系数的矢量值，|尾|为出血后传输系数的幅度值，|瓦|为出血前传输系数的幅度值， Θa为出血后传输系数的相位值，Θb为出血前传输系数的相位值。
[0022] 5)显示单元将得到的结果进行实时显示，通过欧式距离的变化量来判断脑出血的 严重程度和发展变化。
[0023] 本发明提出的基于宽带天线技术的非接触式脑出血检测方法，主要依据血液的介 电常数与电导率与正常脑组织不同，通过电磁感应影响电磁波的传输，从而使得该系统天 线传输系数的发生变化，并根据传输系数的变化值来检测脑出血的变化。
[0024]本发明的优点在于两个方面：一是采用了宽带技术，系统工作频率1.2GHz~ 2.0GHz，取样间隔5MHz，在工作频率内有261个频点，最终脑出血严重程度的鉴别正是通过 261个频点的传输参数综合得出，宽带技术的使用，避免了磁感应相移(MIPS)测量法单个频 点随机误差大、最佳测量频率难以确定的缺点；二是采用了矢量鉴别技术，通过传输参数检 测脑出血过程中，综合采用了传输参数的幅度与相位，通过计算传输系数的欧氏距离，减小 了脑出血个体差异带来的影响，更好的从测试参数中挖掘了有用信息。因此本发明能够较 好提高非接触式脑出血检测装置灵敏度和稳定性。
【附图说明】
[0025]图1为本发明提供的基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置的结构示意图； [0026]图2为本发明采用的矢量值欧氏距离计算方法的示意图；
[0027] 图3为本发明提供的用于发射与接收脑出血探测信号的微带天线结构示意图；
[0028] 图4为脑出血检测装置的有效工作频带示意图；
[0029] 图5为本发明实施例提供的检测家兔脑出血实验获得的其中一只家兔的宽带范围 内传输系数欧氏具体与出血量关系曲线示意图，
[0030]图中：1为信号发生单元，2-1为发射天线，2-2为接收天线，3为信号采集单元，3-1 为混频接收机，3-2为A/D转换器，4为信号处理显示单元，4-1为信号处理单元，4-2为信号显 示单元。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和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。
[0032] 实施例1:
[0033] 本实施例公开一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置，包括信号发生单 元1、发射天线2-1与接收天线2-2、信号采集单元3与信号处理显示单元4组成。
[0034] 具体的装置结构及细节本实施例优选以下型号:所述信号发生单元1为矢量信号 发生器，采用市购的AV1441信号源，该信号源具有发射信号频率范围宽，频率分辨率与精度 高，以及相位噪声低等优点，能实现线性扫频输出，同时能等幅同相输出参考信号，能够满 足本装置系统的需求。
[0035] 所述发射天线2-1与接收天线2-2是专为该测试系统设计。设计该天线时基于以下 思路考虑:天线辐射波束应该覆盖整个头颅，且为避免外界干扰，天线辐射方向为单向，波 束宽度60度为宜;天线应该具有较宽的工作频带，为整个检测系统采用宽带技术提供支持； 天线的面积应该尽量小，易于集成于整个检测系统中。综合考虑上述因素，通过仿真与实 验，最终选择天线形式为侧边接地的微带天线，天线整体长宽高尺寸为49mm )( 24mm )( 14_， 辐射层与接地层采用光刻印刷板制作，厚度分别为2mm，辐射层与接地层之间采用高密度泡 沫填充，厚度l〇mm，福射层尺寸37mm )( 16mm，福射层其中一条宽与天线整体的宽齐平布置。 接地面尺寸49mm X 24mm，侧边接地墙采用自黏式铜箱，设置在所述辐射层宽与天线整体的 宽齐平所在的侧边。馈电点设置在天线整体的中部，穿透接地层、高密度泡沫以及辐射层。 微带天线结构示意图具体参见图3,采用了短路壁接地技术减小天线的面积，使得天线能较 好的集成于系统中，同时采用了超厚介质层加大天线的带宽，提高了检测的灵敏度和稳定 性。
[0036]所述信号采集单元3采用市购型号为Agilent 34970A的数据采集器，该采集器采 集速率快，采集精度高，可同时采集两个通道的矢量信号，且可扩展性强，适用于本发明装 置的使用。
[0037] 所述信号处理显示单元4包括信号处理单元4-1和信号显示单元4-2。信号处理单 元4-1主要构架是基于VB语言的矢量信号计算程序，参考信号与检测信号经过数据采集器 后变为两路数字序列，在软件中进行FFT运算，得到信号的幅度与相位，然后将两路矢量信 号进行差值运算就得到传输系数，然后以〇ml出血量的传输系数作为基准值，分别用lml、 2ml和3ml的传输系数与0ml的传输系数做矢量差值，得到不同出血量条件下传输系数的欧 式距离，最后信号显示单元4-1将其实时显示出来。
[0038]所述信号发生单元4-1的两个通道分别通过传输线与发射天线2-1和信号采集单 元3的通道连接，接收天线2-2通过传输线连接到信号采集单元3另一个通道。所述信号采集 单元3通过传输线与信号处理显示单元4连接。所有的传输线均采用射频同轴电缆。
[0039] 实施例2:
[0040] 本发明实施例的基于天线技术的非接触式脑出血检测装置的检测方法步骤如下：
[0041] 1)打开检测装置进行预热30分钟，将被测头颅放置在发射天线2-1与接收天线2-2 连线中心位置，矢量信号源连接到发射天线2-1与参考信号采集端，所有的连线均采用射频 同轴电缆。
[0042] 2)设置矢量信号源输出功率为OdBm、频率范围为0-3000MHZ，以线性扫频模式输出 正弦波激励信号。参考信号直接进入信号采集单元3,激励信号经过发射天线2-1、头颅、接 收天线2-2后进入信号采集单元3,激励信号在头颅内的幅度和相位的变化与颅内脑出血造 成的颅脑整体介电常数和电导率的变化密切相关，随着脑出血严重程度增加，组织含水量 增加，颅内整体介电常数与电导率增大，测到的检测信号的幅度与相位变化增大。
[0043] 3)信号采集单元3的混频接收机3-1通道1采集矢量信号源输出的参考信号，通道2 采集接收天线2-2输出的检测信号，采集到的信号经过A/D转换器3-2,转换为矢量数字信号 并传输至信号处理单元4-1，对数据进行下一步分析处理；
[0044] 4)信号处理单元4-1对两路矢量数字信号进行比幅与鉴相，得到两路信号的矢量 差，也就是传输系数。在不同出血量情况下，分别用该情况下传输系数与〇ml脑出血量的传 输系数做矢量差值，得到不同出血量情况下传输系数的欧式距离，并计算欧氏距离的模值， 输出至信号显示单元4-2进行实时显示。
[0045] 5)信号显示单元4-2实时显示随出血程度变化的欧氏距离的模值。实验中脑出血 检测装置的有效工作频带具体参见图4。
[0046] 实施例3:
[0047]通过以下动物实验对本发明的基于宽带天线技术的非接触电磁感应脑出血检测 方法进行了进一步的验证和效果说明：
[0048] 1、选取购买新西兰大白兔12只，体重2.1-2.5Kg。
[0049] 2、建立家兔自体血注射脑出血模型。兔子麻醉采用25 %氨基甲酸乙酯按5ml /kg的 剂量耳缘静脉注射。自体血取自兔子股静脉，并加入少许肝素钠抗凝剂。注射位置：以兔脑 "十字缝"交叉点为基点，沿冠状缝向右侧旁开6mm，再平行矢状缝往后1mm为穿刺进针点，深 度13mm。使用微量注射栗按照lml/每分钟的速度匀速注入lml，分三次注入，每次注完后采 用本系统测量出血量引起的矢量差信号模值。
[0050] 3、图4是检测12只家兔脑出血实验获得的其中一只兔子的传输系数的幅度值示意 图。可以看出，传输系数大于_30dB的频率范围1.2GHz~2.0GHz，此频段内通过兔脑并被接 收天线采集的激励信号能量相对较大，故采用此频段的数据进行判别与分析。
[0051] 4、图5是检测12只家兔脑出血实验获得的其中一只兔子的欧式距离矢量差值示意 图。欧式距尚矢量差值计算方法是分别用lml、2ml和3ml脑出血量的传输系数与0ml脑出血 量的传输系数做矢量差值。可以清楚的看出不同脑出血量欧式距离矢量差值的变化情况， 每lml脑出血量平均的矢量差值达到了约5dB，而采用MIPS方法测量lml脑出血量相位差一 般达不到5°，且通常为单一频点测量值，随机误差较大。
[0052]由此可见，采用基于宽带天线技术的电磁感应脑出血检测方法的灵敏度比采用 MIPS检测方法提高了一个数量级，并提高了系统的可靠性。由于实验操作复杂，每只兔子的 手术操作不可能做到完全一致，因此每只兔子的变化量有一些差别，但总体趋势不变。
【主权项】
1. 一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置，其特征在于:包括信号发生单元 (1)、发射天线(2-1)与接收天线(2-2)、信号采集单元(3) W及信号处理显示单元(4); 所述信号发生单元（1)为射频微波信号源，幅度、频率和相位均可调；信号发生单元（1) 产生激励信号与检测信号，分两路分别传输给发射天线(2-1)与信号采集单元(3); 所述发射天线（2-1)与接收天线（2-2)结构一致，天线形式均为侧边接地的微带天线， 福射层与接地层采用光刻印刷版制作，福射层与接地层之间采用高密度泡沫填充，侧边接 地墙为自黏式铜锥，在天线整体中部有穿透接地层、高密度泡沫W及福射层的馈电点;所述 发射天线（2-1)与接收天线(2-2)之间为头烦，从发射天线(2-1)发出电磁波信号穿过整个 脑部区域后成为检测信号被接收天线(2-2)捕获； 所述信号采集单元(3)由混频接收机(3-1)?及A/D转换器(3-2)构成，所述混频接收机 (3-1)接收由信号发生单元（1)输出的参考信号和接收天线(2-2)输出的检测信号，然后对 信号进行下变频后通过A/D转换器(3-2)变为数字信号，发送给信号处理显示单元(4); 所述信号处理显示单元(4)内部带有专用软件，包含信号处理单元(4-1)与信号显示单 元(4-2);所述信号处理单元(4-1)装载有专用信号处理软件，对信号采集单元传输过来的 参考信号W及检测信号进行鉴幅和鉴相;所述信号显示单元(4-2)为显示设备，接收经信号 处理单元(4-1)后的信号并显示； 所述信号发生单元（1)的两个通道分别通过传输线与发射天线（2-1)和信号采集单元 (3)的通道连接，接收天线(2-2)通过传输线连接到信号采集单元(3)另一个通道;所述信号 采集单元通过传输线与信号处理显示单元(4)连接;所有的传输线均采用射频同轴电缆。2. 根据权利要求1所述的一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置，其特征在 于:所述发射天线（2-1)与接收天线(2-2)均采用侧边接地的微带天线形式;天线整体长宽 高为49mm X 24mm X 14mm，福射层与接地层采用光刻印刷板制作，厚度分别为2mm;福射层与 接地层之间采用高密度泡沫填充，厚度10mm;福射层尺寸37mm X 16mm，福射层其中一条宽与 天线整体的宽齐平布置;接地面尺寸49mm X 24mm，侧边接地墙采用自黏式铜锥，设置在所述 福射层宽与天线整体的宽齐平所在的侧边;馈电点设置在天线整体的中部，穿透接地层、高 密度泡沫W及福射层。3. 根据权利要求1所述的一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置，其特征在 于:所述信号发生单元（1)W线性扫频模式运行，输出功率一定、频率范围为0~3000MHz且 等幅同相的正弦波激励信号与参考信号。4. 基于权利要求1所述的一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置的检测方 法，其特征在于:包括W下具体步骤内容； 1) 将被测头烦放置于发射天线（2-1)和接收天线（2-2)之间，调整天线位置与距离，使 头烦位于天线中屯、连线上，保证天线福射波束覆盖整个头烦且天线福射方向为单向；信号 发生单元(1)产生激励信号与检测信号，分别传输给发射天线(2-1)与信号采集单元(3); 2) 信号发生单元（1)W扫频模式运行，输出功率一定、频率范围为0~3G化并且频率连 续线性变化的正弦波激励信号，并将宽带电磁信号通过发射天线(2-1)定向发射，电磁波穿 过整个脑部区域，然后被接收天线(2-2)捕获； 3) 信号采集单元(3)的混频接收机(3-1)接收由信号发生单元（1)输出的参考信号和接 收天线(2-2)输出的检测信号，经过A/D转换器(3-2)转换后传输给信号处理单元(4-1)进行 处理； 4) 信号处理单元(4-1)处理由所述信号采集单元（1)输出的参考信号和接收天线(2-2) 输出的检测信号，在整个工作频带内，对参考信号与检测信号进行鉴幅与鉴相，得到二者的 幅度差与相位差，从而得出所述发射天线(2-1)与接收天线（2-2)的传输系数，通过比较脑 出血前后传输系数的变化，监视脑出血的严重程度;并通过矢量鉴别技术，得到脑出血量的 变化情况； 所述矢量鉴别技术采用传输系数欧氏距离来反映脑出血量的变化，具体公式如式1;(1) 式中，Af为出血前后传输系数欧氏距离，马为出血后传输系数的矢量值，&为出血前 传输系数的矢量值，I系I为出血后传输系数的幅度值，I&I为出血前传输系数的幅度值，03为 出血后传输系数的相位值，0b为出血前传输系数的相位值； 5) 信号显示单元(4-2)将得到的结果进行实时显示，通过欧式距离的变化量来判断脑 出血的严重程度和发展变化。5.基于权利要求4所述的一种基于宽带天线技术的非接触脑出血检测装置的检测方 法，其特征在于:本方法采用了宽带技术，系统工作频率1.2G化~2.0G化，取样间隔5MHz，在 工作频率内采用261个频点传输参数对脑出血严重程度进行鉴别。
【文档编号】A61B5/05GK105832331SQ201610156716
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】张海生, 秦明新, 陈明生
【申请人】中国人民解放军第三军医大学