MIT系统中相位检测单元及神经细胞实验的研究

论文摘要

磁感应断层成像（Magnetic Induction Tomography,MIT）是一种新型的非接触式检测成像技术,具有无创、非接触、小型、连续等优点。适用于临床对脑水肿等病变进行实时监测,且设备轻便有利于军队野战时对伤员救治时使用。本研究需要建立MIT检测系统中的单通道高精度相位差检测单元,并对脑水肿进行初步实验研究。本课题采用的磁感应断层成像技术主要是依据涡流检测原理,通过高频磁场,检测由被测组织产生的相位差,即穿过被测组织的检测信号与参考信号之间的相位差值,然后根据相位差与被测组织电导率的线性关系,获得组织的电导率分布信息,进而对被测组织进行功能性成像。所以,检测信号与参考信号之间相位差的高精度检测是实现准确、清晰成像的关键。当前由缺血、出血、肿瘤等不同病因引起的脑水肿是比较常见的,临床上需要对该类病人进行实时、准确的成像监护,以便于及时的诊断和救治。同样,脑水肿组织的电特性信息（如电导率等）对磁感应监测技术的实现具有重要意义。本文设计和实现了能在三个频率点（200kHz、1MHz、10MHz）进行检测的单通道高精度相位差检测单元,并基于该检测单元实现了SD大鼠水肿神经细胞模型实验。具体工作内容如下:1.信号检测与处理电路的设计及建立。该电路由螺线管检测线圈、低噪声放大器、窄带带通滤波器组成,分别实现对信号的检测、放大、滤波处理;能够在三个频率点进行检测:200kHz、1MHz和10MHz;放大倍数最大为61.1dB;通频带宽最小约为1.5kHz。2.高精度鉴相的实现。使用锁定放大器（RF Lock-in Amplifier,Model SR844）对检测信号和参考信号之间的相位差进行检测。鉴相精度可达0.02°,较前期研究提高了约2个数量级。3.铁块及NaCl溶液实验。进行细胞实验前,采用设计的检测单元与激励单元组成的信号相位差检测通道,以大小铁块和不同电导率NaCl溶液为被测物进行了预实验。低频200kHz的检测通道能检测出大小铁块产生的相位差,而高频检测通道能检测出电导率相对较小的NaCl溶液产生的相位差。4.神经细胞模型的制备。对SD大鼠大脑皮质的神经细胞进行培养,获得正常神经细胞模型和水肿神经细胞模型,体积均为160mL,细胞密度均为5.5-6×105/cm2。5.细胞实验的设计及实现。使用不同激励线圈,以正常神经细胞模型为对照,对培养的水肿神经细胞模型产生的相位差进行了检测。实验结果为:（1） 1MHz与10MHz的检测通道均能检测出大鼠神经细胞模型产生的相位差;（2） SD大鼠脑水肿神经细胞模型产生的相位差小于其正常神经细胞模型产生的相位差;（3）检测通道测得的细胞模型产生的最大相位差值为0.86°;测得两种细胞模型产生的相位差之间的最大差值为0.206°。主要的研究特色是:1.使用高精度鉴相器锁定放大器SR844,鉴相精度提高到0.02°。2.设计新的数据测量方式,减小了整个检测通道的相位漂移对测量数据的影响。3.培养细胞获得神经细胞模型,并以正常神经细胞模型为对照,对水肿神经细胞模型进行了实验研究。本研究设计的相位差检测单元满足高精度相位差检测要求,使用较高频率的检测通道检测出了水肿神经细胞模型与正常神经细胞模型的相位差别。从细胞层面上对脑水肿进行了实验研究,并得到了有效的实验结果,为进一步的脑水肿检测打下了良好的基础,并有利于推动MIT技术向实际应用研究方向发展。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 1. 本课题研究背景及意义
• 2. 相位差检测意义
• 3. 脑水肿细胞实验研究的意义
• 文献回顾
• 正文
• 1 MIT 检测基本原理及系统概述
• 1.1 MIT 检测原理
• 1.2 MIT 成像系统分析
• 2 相位差检测单元设计
• 2.1 检测单元设计性能要求
• 2.2 相位差检测单元电路框图
• 2.3 检测线圈设计
• 2.4 信号处理电路设计
• 2.5 信号处理电路性能测试
• 2.6 相位差检测
• 2.7 整个相位差检测通道性能测试
• 3 铁块及NaCl 溶液实验
• 3.1 实验检测通道
• 3.2 数据测量方式及处理
• 3.3 实验内容
• 3.4 实验结论及分析
• 4 神经细胞模型检测实验
• 4.1 细胞培养
• 4.2 频率为1MHz 检测通道的细胞实验
• 4.3 频率为10MHz 检测通道的细胞实验
• 4.4 统计学处理
• 4.5 实验结论及分析
• 5 实验仪器的实现
• 6 总结展望
• 参考文献
• 个人简历和研究成果
• 致谢