目的:在体全面测量健康脑、出血脑和缺血脑的阻抗频谱特性,为利用多频电阻抗检测脑卒中提供可靠的科学依据.方法:将40只家兔等分为颅内出血组与出血对照组、颅内缺血组和缺血对照组,在分别建立颅内出血模型和缺血模型后,利用阻抗分析仪、采用四电极法对健康脑和卒中脑进行全脑阻抗频谱测量,测量频率范围为10 Hz～1 MHz.采用t检验方法统计不同脑在同一频率处的脑阻抗差异.结果:在10 Hz～1 MHz内,健康脑与出血脑的全脑阻抗最小差异为4.5％(100 Hz处,P<0.01),最大变化可达13％(1 MHz处,P<0.05);健康脑与缺血脑的全脑阻抗差异大于4％(P<0.01).结论:健康脑与卒中脑的阻抗频谱存在显著差异,进一步证明了采用多频电阻抗技术检测脑卒中的可行性.

目的 研究缺血性脑损伤后脑组织电阻抗的频谱特性随时间的变化规律,为电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术在脑缺血性损伤监测方面的应用与优化提供生物物理与方法学支撑.方法 采用两电极法在体测量脑缺血后大鼠脑部的电阻抗频谱,观察分析卒中后脑电阻抗频谱特性随时间的变化规律.结果 大鼠脑组织电阻抗在缺血后前3 h快速上升,3 h时间节点的阻抗值达到阶段性的最高点,此后的变化相对平缓.频谱特性分析表明,缺血3 h时的最大阻抗相对变化率在79.4 kHz处,达48.7％.超微观形态学的观察结果显示,此时的星形胶质细胞终足水肿明显,与缺血后脑组织电阻抗升高变化相符.结论 缺血后,脑组织电阻抗特性随测量时间与频率的变化会表现出不同的特性,通过测量频率的优选有望进一步提高EIT技术对脑缺血性损伤检测的灵敏度,而脑组织电阻抗随时间变化特性也有望为脑缺血性损伤的程度评价提供支撑,从而为EIT技术在超早期缺血性脑卒中的诊断和监测应用奠定基础.

目的:设计一种人体生物阻抗谱多频同步激励信号,解决传统多频正弦信号波峰因数高、激励能量低、测量精度低等问题.方法:基于生物阻抗谱测量原理与激励信号设计原则,设计离散二值多频激励信号代替传统多频正弦信号.结合人体生物阻抗频响特性,研究信号幅频参数设计方法,并设计基于双边函数的频率点分布和高频段激励信号幅值补偿方案.利用MATLAB软件对信号频谱特性、激励能量、波峰因数、信噪比进行计算分析,并仿真测试在不同测量条件下信号的测量误差与信噪比.最后搭建测试平台,使用Cole模型进行实测分析,并与多频正弦信号测试结果进行对比.结果:该激励信号频谱特征符合预期设计,波峰因数为1.25,主谐波功率占比达到63.71％,激励能量约为多频正弦信号的2倍.仿真测试中,该激励信号在-55～-15 dB噪声环境下,平均测量误差最大不超过4.89％,在不同采样精度条件下信噪比均高于多频正弦信号约10 dB.Cole模型实测中,该激励信号测量阻抗模值误差最大不超过1.09％,相位误差最大不超过0.46°,拟合后Cole模型参数平均误差仅为6.12％,均低于多频正弦信号测量结果.结论:相较于传统多频正弦信号,该激励信号更加适用于人体生物阻抗谱多频同步测量.

由于Cole-Cole模型可以对生物组织和生化物质特性进行有效表征,使得如何从实测生物阻抗频谱(BIS)数据中准确提取模型参数具有重要研究意义.针对传统遗传算法具有收敛速度慢、易陷入局部最优解的问题,分析种群个体特别是精英个体的特征,使用最小一乘法重新定义适应度函数,并制定精英保留策略.对标准BIS数据集和实际测量情况进行分析,通过添加奇异点和随机噪声,建立符合实际情况的3类仿真数据集.基于仿真数据集进行3组实验,将精英保留策略遗传算法与其他3种算法的拟合结果进行比较,结果表明本算法具有拟合精度高、鲁棒性强的优点,为全面准确分析生物组织生理病理状态提供了有效工具.

目的:针对生物组织电特性研究可对照性差及其常用特征参数计算复杂等难题,提出一种基于组织系数的生物组织电特性分析方法.方法:以生物组织电容与电导之比得到生物组织的时间系数,时间系数的倒数再除以频率得到其组织系数.计算基于文献数据开发的关于身体组织介电特性的开放数据库中54种生物组织的组织系数,并分析不同生物组织电阻抗的组织系数频谱.获取国内近年生物电特性研究数据,并与开放数据库中同类组织数据进行对比.结果:组织系数可提示生物组织电导与电容之比随频率变化规律和生物组织频散规律,能区分出血与正常脑组织且在较宽频域内能区分活皮肤与全皮肤.国内研究数据与开放数据库中数据相比,相似生物组织的组织系数在低频区域(f<1 kHz)差别较大.结论:基于组织系数的生物组织电特性分析方法可区分不同的生物组织,有望用于生物组织电容与电导变化较大,如皮肤角质含量和脑出血等基础和临床应用中.