脑水肿作为脑卒中、创伤性颅脑损伤(traumatic brain injury,TBI)后极为常见的继发性疾病,会导致脑实质体积增大、颅内压(intracranial pressure,ICP)增高。若不及时采取适当的干预,ICP将持续升高,甚至引发脑移位、脑疝,危及患者生命。因此,脑水肿的实时连续监测对于提高脑卒中、TBI的治疗条件,降低其致死率、致残率具有重大意义。目前临床常用的脑水肿检测手段主要为有创ICP监测法和影像学方法。有创ICP监测有利于实时掌握脑水肿发展状态,但会对患者造成二次痛苦,并可能引发感染而导致病情加重。MRI、CT和PET等影像学方法可通过颅脑影像得到脑水肿病变的丰富信息,不会对患者造成伤害。但这类影像学设备造体积过于庞大且一般为固定放置,无法对患者进行床旁实时监护,检测时间分辨率低,存在诊断延误的风险。磁感应相位移(magnetic induction phase shift,MIPS)是检测生物组织介电特性的新方法,采用一定频率的激励信号通过激励线圈产生主磁场作用于生物组织,使其内部产生感应电流,从而形成扰动磁场。该扰动磁场的强度与生物组织组成结构、生理病理状态有关。MIPS技术具有无创、非接触、穿透性强、体积小等优势,有望成为脑水肿持续床旁监护的有效方法。但生物组织介电特性较微弱,导致MIPS检测灵敏度较低、稳定性较差。为了提高MIPS检测灵敏度,并探索其应用于无创、非接触、实时、连续监测脑水肿的可行性,本文基于MIPS相关理论提出磁感应相位移谱(magnetic induction phase shift spectrum,MIPSS)检测方法,建立一套灵敏度高、稳定性好的脑水肿实时连续监测系统,并在较长的时间范围内(24小时)开展动物(家兔)脑水肿持续监测的实验研究。主要工作包含以下几个方面:(1)开展MIPS检测脑水肿的理论与仿真研究。首先,建立电导率三层球脑模型,推导出脑实质体积增大与MIPS变化成正比的基本理论关系,为研究MIPS与脑水肿的关系提供理论依据。其次,由MIPS基本原理、生物组织电导率频谱特性及传输线相关理论,提出MIPSS检测方法并分析脑水肿与MIPSS的理论关系。该方法可获取丰富的脑水肿病变信息,并能为提高MIPS灵敏度提供理论指导。第三,通过MIPSS检测脑水肿的数学模型分析,发现各频率点激励信号与检测信号之间的相位差构成的MIPSS能反映脑水肿病变。最后,基于三层电导率脑模型和同轴单激励-单检测线圈,进行了MIPSS检测脑水肿的电磁仿真实验,结果显示组成MIPSS各频率点下的MIPS随模拟脑实质体积的增大而下降,与理论推导相符,并且在一定范围内,MIPS灵敏度随频率的增大而提高。(2)建立MIPSS脑水肿实时连续监测系统。首先,通过对本研究小组研制的磁感应脑监护仪基本结构、功能及主要技术指标的分析,认定其满足MIPSS测量的基本要求,并根据MIPSS与脑水肿的理论关系、MIPSS测量原理,提出脑水肿MIPSS测量方法。然后,设计了结构与MIPS理论最接近、尺寸与实验动物(家兔)头颅大小相符且布局合理的同轴单激励-单检测线圈。由空载下阻抗匹配特性测量实验得到了监测系统基本阻抗匹配特性较好的激励信号频率。通过线圈不同空间位置的灵敏度测量结果,确定了下一步动物(家兔)实验中家兔头部的摆放位置。最后,为了使监测系统满足长时间、实时连续监测脑水肿的实验要求和临床实际需求,设计了具备自动完成MIPSS测量参数设定、实时连续采集MIPSS数据、实时显示MIPS变化趋势等功能的脑水肿实时连续监测软件。脑水肿实时连续监测系统的建立,为提高MIPS检测灵敏度、实现脑水肿的无创、非接触、实时连续监测提供了重要的技术支撑。(3)开展MIPSS脑水肿连续监测实验研究。将模拟脑实质溶液(σ=0.292 S/m)缓慢注入模拟家兔头部的容器中,并连续测量MIPSS。实验结果显示,随着模拟脑实质溶液体积的增大,激励信号频带内存在3个MIPS有明显变化的频点。通过对这3个频点MIPS变化特点和阻抗匹配特性的分析,基本确定75.22578MHz是具有理想MIPS检测灵敏度的频率点。分析目前常用的脑水肿动物模型后,研究者选择制备能较好模拟创伤性脑水肿的冷冻诱发脑水肿模型作为研究对象。通过分析24小时家兔脑水肿MIPSS连续监测实验结果,确定适合脑水肿MIPSS检测的最佳频带为300kHz至75MHz,并发现4个MIPS有明显变化的频点。根据这4个频点MIPS变化规律和阻抗匹配特性,并结合相关理论分析,发现动物(家兔)实验条件下,64.14396MHz是MIPS检测脑水肿具有理想灵敏度的频率点。脑水肿实时连续监测系统可以实时采集并显示激励信号频带内任意频率下MIPS变化趋势,这一发现为实现高灵敏度的脑水肿MIPS实时连续监测奠定了基础。(4)开展脑水肿、MIPS与脑实质含水量(brain water content,BWC)关系的动物实验研究。由脑水肿与MIPS、BWC的理论关系,推导出了BWC增大量与MIPS变化量成正比的基本关系式,这为研究脑水肿、MIPS与BWC关系提供了依据。采用颅骨外冷冻法建立家兔脑水肿模型,以64.14396MHz为检测频率,对实验组家兔进行了2小时(n=10)、6小时(n=10)、12小时(n=10)和24小时(n=10)共4种不同时长的MIPS实时监测,并利用干湿称重法测得4组BWC值。对照组家兔(n=8)进行了24小时MIPS实时监测并测得1组BWC值,作为对照。通过分析家兔24小时MIPS实时监测信号,发现实验组家兔MIPS随时间产生了显著性变化,且整体呈不断下降的趋势;对照组家兔MIPS随时间未发生显著性改变,且没有明显的上升或下降趋势。家兔经冷冻处理后的24小时内,BWC不断上升,与此同时MIPS变化量也逐步增大,表明实验组家兔MIPS变化是由脑水肿导致脑实质体积扩大引起的。BWC、MIPS的统计分析结果表明,MIPS不仅能有效监测脑实质体积扩大的病理反应,还能根据脑实质体积扩大的程度,有效区分不同严重程度的脑水肿。相关性分析结果显示MIPS与BWC具有显著的线性相关关系,与理论推导相符。通过MIPS与BWC的线性回归分析,得到了二者的基本关系式,从而为MIPS成为一种无创、非接触、实时监测BWC的方法提供了参考。进一步研究发现,在脑水肿急性发病期,MIPS检测BWC具有较高的灵敏度,这对于脑水肿的早期诊断具有较大意义。(5)开展24小时家兔脑水肿MIPS、ICP实时同步监测实验研究。脑水肿与MIPS、ICP的基本理论关系表明,ICP、MIPS变化均与脑实质体积增大有关;ICP升高过程中存在的脑脊液(cerebrospinal fluid,CSF)、脑血流(Cerebral blood fluid,CBF)代偿机制会使MIPS、ICP在脑实质体积扩大的不同阶段表现出不同的特点。采用颅骨外液氮冷冻法建立家兔脑水肿模型,使用Camino颅内压监护仪和脑水肿实时连续监测系统对实验组家兔(n=20)和对照组家兔(n=12)进行了24小时的MIPS、ICP实时同步监测。通过分析24小时ICP、MIPS变化速率、变化幅度的特点,并结合脑水肿与MIPS、ICP的基本理论关系,确定了颅骨外冷冻诱发脑水肿导致ICP升高的CSF代偿期、CBF代偿期和失代偿期。MIPS、ICP的统计分析结果显示,MIPS较传统有创ICP监测法,能够提前3小时检测到脑水肿的产生,这对于临床及早发现脑水肿、提早干预治疗、提高救治水平、改善预后结果,都有着重大意义。相关性分析结果表明,ICP和MIPS具有显著的负相关关系,并且在CBF代偿期相关程度更高。但在CSF代偿期、失代偿期,ICP与MIPS的变化特点截然不同,表明二者的负相关关系是非线性的。通过MIPS和ICP的非线性回归分析,发现在脑水肿导致ICP升高的过程中,随着MIPS下降幅度的指数衰减,ICP上升幅度呈指数增加,在CBF代偿期,这种关系更加强烈。这一发现有望为临床提供一种安全、有效的ICP实时监护手段。