本文是一篇生物医学工程论文，本文基于NCC检测原理，通过仿真分析、测量装置构建及物理仿真分析、健康志愿者试验、临床预试验，结合特征分析和诊断模型建模，开展PCBF评估方法研究。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
脑血管疾病已成为威胁全球人民生命和健康的重大公共卫生问题。根据2024年美国心脏协会公布的心脏病和脑卒中统计数据显示，每天平均有446人死于脑卒中。在美国，平均每3分14秒就有1人死于脑卒中；每年有79.5万人新发或复发脑卒中[1]。根据《全国第三次死因回顾抽样调查报告》，脑血管病跃升为国民死亡原因之首，其中脑卒中是单病种致残率最高的疾病[2]。近些年由于早期诊断和对心脑血管的关注，脑血管疾病的死亡率慢慢下降。然而脑卒中仍然是全球死亡和长期残疾的主要威胁[3]。
在脑卒中的初级预防中，治疗血管危险因素是最有效的策略。急性缺血性脑卒中及时采用全身溶栓和机械取栓都可以改善功能预后[4]。这些治疗的直接目的是维持或恢复正常的脑动脉血流供应水平。正常情况下，随着心脏的收缩和舒张，脑血流会产生类似脉搏波的周期性变化，即脑血流搏动（Pulsatile cerebral blood flow，PCBF），它与颅内CBF供应水平直接相关。PCBF受心脏活动规律、血管变异性、动脉血压和血管管径等诸多因素影响，时刻保持动态调整。此外，不同个体、不同病理生理状态之间的PCBF差异较大。因此，PCBF的实时连续监测，对于脑卒中的精准预防和个性化治疗管理，降低脑卒中的发生率、致死率、致残率，具有重要临床意义。
常用的评估颅内血供的方法主要有影像学手段、近红外光谱仪技术（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）、经颅多普勒超声（Transcranial Doppler, TCD）和电阻抗断层成像法（Electrical Impedance Tomography, EIT）。影像学手段主要包括电子计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）、正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography，PET）和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）。但这类设备的检测时间分辨率低，加之设备体积庞大、需要专业操作，难以实现实时床边监测。NIRS检测深度有限，容易受到混杂因素的干扰。TCD无法检测到颅内分布广泛的小血管和毛细血管。EIT由于皮肤阻抗等原因影响了其精度。除此之外，颅内压监测这类有创方法存在感染风险。目前，临床缺少对PCBF的实时连续监测的有效手段。因此，为解决脑卒中的早期预警和实时床旁监护的问题，发展一种无创、安全、连续实时监测PCBF的新方法具有重要意义。近场相干耦合（Near-field coherent coupling，NCC）技术具有无创、非接触、连续监测等优点，为实现无创、连续的床旁PCBF监测提供了新的研究思路。
1.2 脑血流检测技术研究现状
临床常用的脑血流评估手段包括影像学方法、NIRS、TCD和EIT。其中，影像学方法主要有CT、PET和MRI。CT利用X射线对人体进行扫描，基于不同组织对X射线吸收系数的差异，分析由探测器接收到透过人体组织的X射线，并由计算机重建图像。CT是初步评估创伤性脑损伤和急性出血的首选影像学方法。它可以定位出血肿块，确定颅内高压的早期迹象[5]。随着技术的发展，目前针对脑部的CT技术主要有Xenon-CT和CT灌注成像技术（Computed tomography perfusion, CTP）。Xenon-CT是获得定量脑血流成像最准确的方法之一。氙（Xenon）是一种惰性的、不透射线的气体，它可以穿过血脑屏障到达脑组织深处。此外，由于Xenon的半衰期短，单次剂量低，所以允许测量期间多次扫描[6]。如图1.1所示，在CTP测量过程中，在碘造影剂灌注后获得未增强的CT。造影剂注射后的同步采集图像监测到了脑组织随时间衰减的变化，数据的后处理允许生成彩色编码图和得到各种灌注参数的量化结果[7]。因此，是CT灌注成像技术已用于脑梗死、脑缺血的诊断，蛛网膜下腔出血后血管痉挛、脑血管狭窄患者脑血管储备和脑外伤后脑灌注的评估[8]。CT成像技术虽可以快速、准确地诊断脑血管疾病，但CT不能提供连续的CBF信息[9]，而且由于其具有时间分辨率低、具有电离辐射、设备昂贵且需要专业操作等不足限制了在临床上的广泛使用。
2 基于近场相干耦合监测脑血流搏动的基础理论与仿真研究
2.2 生物组织电磁特性
生物组织的电磁特性能直接或间接的反映其结构和生理病理状态[55]。生物组织中包含丰富液体和细胞，细胞内外含多种导电离子，例如Na+，K+等。作为半透膜的细胞膜能控制离子和营养物质通过。适当的电场可使细胞膜充电和放电，最终表现出电容特性（低频阻抗大，高频阻抗小）。
机体对电流的响应主要包括电容阻抗和电阻两种类型。电容阻抗由细胞膜提供，而电阻则来自细胞内液和细胞外液。生物组织在体内的表现有多种等效电路，其中，生物组织的RC等效电路如图2.1所示，Cm表示为细胞膜电容，Rm为细胞膜电阻，Ri为细胞外液电阻，Re为细胞内液电阻。
2.4 基于近场相干耦合监测脑血流搏动的电磁仿真研究
2.4.1 射频天线的频率选择
工业、科学和医疗（Industrial, Scientific, and Medical，ISM）频段分类被广泛应用于全球范围内，常用于相关领域的无线通信、传感和设备互联。ISM中的915MHz频段提供较高的时间分辨率，也可以支持小型和紧凑的天线设计。高的时间分辨率可以获得微小的生理活动，小型的天线更适用于受试者佩戴。除此之外，与ISM中的大多数频段相比，915MHz为较低的频段，这有助于信号在组织中的穿透。因此，915MHz更适合被选作监测人体生理信号的频段。
2.4.2 射频天线的仿真建模
由于射频识别需要更大的信号覆盖范围，较好的抗干扰性，对于近场传输的电磁波往往需要圆极化的方向性能。陶瓷天线具有低剖面，体积小，高增益，抗干扰的特点，并具有较好的圆极化性能。这不仅有助于避免915MHz下所需的天线尺寸过大导致对灵敏度和精确性的影响，而且可以减小电磁波传输过程中的衰减性。因此，本研究拟研究一款中心馈入式贴片陶瓷天线，用于监测PCBF情况。
本研究的天线工作原理与普通微带贴片天线类似，通过在介质板上制作导电贴片，电磁波在贴片上产生谐振，进而实现天线的辐射。不同于以往的贴片天线设计，陶瓷天线采用的是陶瓷等高介电常数介质，具有低损耗和热稳定性，其结构从上至下依次为辐射层，介质层和接地层。为了实现更有效的信号传输并提高系统的集成性，陶瓷天线的接地层焊接了PCB板。本研究在辐射层的中心附近通过同轴探针进行馈电，并联合辐射层贴片切角化的方法实现天线圆极化。
3 基于近场相干耦合的心拍与脑血流搏动同步监测装置研究 .............. 21
3.1 引言 ..................... 21
3.2 基于近场相干耦合的心拍与脑血流搏动同步监测装置构建 ................ 21
4 近场相干耦合监测健康志愿者脑血流搏动的试验研究 ...................... 31
4.1 引言 ................................. 31
4.2 不同生理状态下监测脑血流搏动的试验方法 ....................... 31
5 近场相干耦合监测脑血流搏动的特征与诊断方法研究 ...................... 41
5.1 引言 ................................. 41
5.2 典型特征提取与统计学分析 .................. 41
6 近场相干耦合监测脑梗死患者术后脑血流搏动研究
6.2 不同入院NIHSS评分脑梗死患者的术后PCBF监测试验
6.2.1 试验设计
美国国立卫生研究院卒中量表(National Institute of Health Stroke Scale，NIHSS）是一种用于评估脑卒中患者中枢神经损伤程度的量表。NIHSS评分包括11个方面，分别是意识水平、眼球运动、视野、面瘫情况、上肢运动、下肢运动、共济失调、感觉、语言、构音障碍、忽视症等。每一项根据严重程度的不同而有相对应的分数，评分越高，代表神经功能缺失症状越严重。NIHSS评分也是疾病严重程度的量化指标，临床研究中常根据NIHSS评分对患者进行分层，指导临床决策。
有研究表明，脑梗死患者的术后情况与血氧[82]、颅内压[83]和脑血流的其他相关生理参数密切相关[84]。为了探究NCC检测技术监测脑梗死患者的PCBF、区分患侧与健侧PCBF、研究不同严重程度脑梗死患者术后状态与PCBF的关系，本研究开展了不同入院NIHSS评分的脑梗死患者术后监测试验。该试验在陆军军医大学第一附属医院神经内科重症监护室进行，共筛选了5名不同入院NIHSS评分的患者作为受试者。并利用HB与PCBF同步监测装置采集患者健侧和患侧翼点处的NCC信号。该试验遵循了《赫尔辛基宣言》的伦理要求，经过陆军军医大学第一附属医院（西南医院，中国重庆）伦理委员会的批准。
7 总结与展望
7.1 总结
维持正常的脑血流供应水平是治疗脑卒中的直接目的。随着心脏的每搏泵血，脑血管产生类似于脉搏波的PCBF，其强度与颅内供血水平直接相关。因此，PCBF的实时连续监测对改善脑卒中患者预后结局具有重要的临床意义。但是目前临床常用的PCBF检测方法存无创与有创、全局与局部、连续和间断的矛盾。生物体的电磁特性能反映其生理状态
