生物电阻抗法颅内压无创检测仪的研制

　　目前,颅内压(ICP)的检测基本上都是有创性的,即把传感器置于颅内直接检测。这种检测虽然精确度高,但由于需要把传感器植入颅内,感染的危险性很大,且无法实现长时间的连续监护。因此,颅内压无创检测技术的研究越来越受到重视,如基于闪光视觉诱发电位(FVEP)的ICP无创检测原理,已经研制成功并临床使用的MICP型颅内压无创检测分析仪[1-2],不仅使颅内压的临床监护变得方便、安全,也大大减轻了广大颅脑病患者在有创性监测中经受的痛苦和危险。但是,不同的颅内压无创检测方法具有不同的优缺点,因而每一种无创检测方法都具有一定的受众面,因此,基于不同的颅内压无创监测方法研制无创的颅内压监护仪器并应用于临床,具有重要的理论意义和临床实用价值。

　　1　理论基础

　　生物阻抗法其测定原理是Cole-cole提出的三元件模型[3]和Schwan提出的频散理论[4]。通过将低于兴奋域的微弱直流或交流施加于生物组织,测量其表面电位差来间接测量阻抗变化。建立这种阻抗变化与颅内压增高之间的关系,实现间接测量颅内压的变化,达到检测病情的目的。

　　1.1　Cole-cole理论

　　生物组织由大量细胞组成,可视为许多细胞的集合,因此其电路模型可用如图1所示的电路等效,此时的Ri、Re、Cm分别代表整个生物组织的等效内、外液电阻和膜电容,这就是所谓的生物阻抗三元件模型[5-6]。

　　由图1可导出生物组织的阻抗,用Cole-cole阻抗方程来描述,即

　　式中为电流频率为无穷大时的阻抗;τ为时间常数。

　　由复变函数理论可知,Z(f)的轨迹是处于第4象限的一段圆弧,如图2所示。可理解为等效电路中Ri和Cm串联作用引起的结果,称之为结构松弛或β频散。结构松弛的时间常数为τ,相应的特征频率。这也与膜电容Cm的作用使生物组织在一定的频率下成容性,与生物阻抗是第4象限的一段圆弧的结果相吻合。

　　图中Rez为实部,Imz为虚部,是细胞膜的相位角,假如细胞膜是理想的绝缘体,则=90°。该圆弧的半径为圆心坐标为随着频率f的升高,点p沿半圆逆时针方向移动。

　　1.2　阻抗测量技术

　　对生物组织阻抗的测量,不同的频段有不同的测量方法。为避免注入和输出的干扰,系统采用四电极法,一对电极输入电流,另一对电极引出被测部位的电压。测出在4个不同频率下的生物组织阻抗,根据Cole-cole阻抗公式(1)解出其相应的电阻抗参数α、R∞、R0和τ等,也就知道了脑电阻抗值[7],这就是四点法测电阻。

　　1.3　阻抗法监护颅内压原理

　　颅内压是力学参数,而生物阻抗是电学参数,它们之间没有直接关系。但颅内压的变化总是伴随着颅内部分区域介质的电导率的变化,从而引起颅内阻抗的变化,所以用检测脑阻抗的变化来代替有创颅内压值的检测,通过测量脑的阻抗变化来监视颅内压的变化,实现颅内压的无创监护是完全可行的。