微波用于大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測的新技術(shù)

姜祥奔，姜 興，彭 麟，李小明

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004）

微波用于大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測的新技術(shù)

姜祥奔，姜 興，彭 麟，李小明

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004）

針對神經(jīng)活動(dòng)檢測技術(shù)的局限性，通過對大腦檢測技術(shù)的對比分析，研究了基于微波的新興的大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測方法，并借助電磁仿真進(jìn)一步分析了該檢測技術(shù)的基本原理和腦內(nèi)的電場分布特征。研究結(jié)果表明，利用微波可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的非接觸無損檢測。

微波醫(yī)療；檢測技術(shù)；神經(jīng)活動(dòng)檢測

微波是指波長很短的電磁波，其頻率在0.3～3000GHz，相應(yīng)的波長為0.1～1000mm。在醫(yī)療探測領(lǐng)域，相對于超聲波、X射線等依據(jù)測試對象物理密度的傳統(tǒng)檢測技術(shù)，微波檢測依據(jù)的是檢測對象的電磁特性。在微波頻段，生物組織的電磁特性差異往往比其他物理性質(zhì)更為敏感，這是微波檢測的優(yōu)勢所在。例如白血病人病發(fā)時(shí)，會(huì)在骨髓集中的部位富集癌變細(xì)胞，癌變細(xì)胞與周圍組織在密度上并無顯著差異，用X射線檢測其分辨率和對比度難以滿足臨床要求，而其明顯的電磁特性差異使得微波檢測備受關(guān)注［1］。另外，微波具有的非電離輻射和非接觸特性，也使得微波成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測手段的重要補(bǔ)充。隨著低剖面、小型化微帶天線的發(fā)展，微波醫(yī)療檢測系統(tǒng)在設(shè)備小型化和便攜式方面將具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

雖然波長較微波更短的太赫茲（THz）技術(shù)在醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域日益受到人們的重視，但太赫茲在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用還局限于表皮附近的組織［2-3］。太赫茲能穿透多種非極性物質(zhì)，但對大多數(shù)極性分子，如水分子、氨分子等有強(qiáng)烈的吸收，由于人體內(nèi)水分大約占了人體體重的60%～70%，因此，太赫茲射線僅能穿透皮膚幾毫米。

利用微波進(jìn)行中風(fēng)檢測、乳腺腫瘤檢測一直是微波在醫(yī)療探測領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一，許多研究工作者取得了很多成果［4-6］。2014年，查爾姆斯理工大學(xué)和薩爾格林斯卡醫(yī)學(xué)院合作，利用微波診斷中風(fēng)病癥，使得院前的溶解血栓治療方法成為了可能。為了區(qū)分缺血性腦中風(fēng)和出血性腦中風(fēng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了2種微波中風(fēng)測試系統(tǒng)。2種系統(tǒng)分別采用10個(gè)和12個(gè)貼片天線，同時(shí)改變饋電方式，但維持天線單元的特性不變，天線單元置于人腦外部的不同位置，一個(gè)發(fā)射多個(gè)接收，采用開關(guān)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提取多組散射參量，用特定的算法處理獲取病癥信息［7］。英國布里斯托大學(xué)設(shè)計(jì)了一款超寬帶微波系統(tǒng)，用于乳腺腫瘤的檢測和腫塊定位。為了更好地與頭部共形，將天線陣列由最初的平面陣改為了半球面陣，采用覆蓋在半球形球殼表面的16個(gè)背腔孔徑多層貼片天線組成陣列（與乳房共形），作為主要的檢測部件，并得到了微波檢測乳腺癌的臨床結(jié)果。所得測試與乳腺X射線影像進(jìn)行比較，很好地驗(yàn)證了該超寬帶微波檢測系統(tǒng)的實(shí)用性［8-10］。

盡管微波在中風(fēng)、乳腺腫塊等人體異常檢測領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)和臨床上的研究已取得較大的進(jìn)展，但在神經(jīng)活動(dòng)檢測領(lǐng)域才初見報(bào)道［11］。因此，對大腦神經(jīng)活動(dòng)微波檢測的原理及相關(guān)問題做了進(jìn)一步的分析研究。

1 現(xiàn)有的大腦活動(dòng)檢測技術(shù)

大腦是支配和調(diào)節(jié)人的一切生理活動(dòng)，包括思維、意識(shí)等高級(jí)活動(dòng)的中樞調(diào)整著機(jī)體的活動(dòng)。對大腦神經(jīng)活動(dòng)的檢測，一方面將為許多重大腦部疾病（如阿爾茨海默病、帕金森綜合癥和癲癇等）的院前院后診斷、治療以及相關(guān)病理學(xué)、藥理學(xué)研究提供依據(jù)。另一方面，有助于推動(dòng)人工智能技術(shù)、腦機(jī)接口等學(xué)科的發(fā)展，并對信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來革命性的影響。

目前檢測大腦活動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)手段主要有：腦電圖分析（EEG）、血氧水平依賴功能磁共振成像技術(shù)（BOLD-FMRI）、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)（PET）以及電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）。對比現(xiàn)有的技術(shù)手段可以發(fā)現(xiàn)，雖然核磁共振（MRI）相對CT能夠獲得更加豐富的生理信息且更加安全，但與CT類似，都是利用成像的方式獲得病變組織的信息。然而許多疾病在發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變前早已出現(xiàn)功能性變化，此時(shí)CT、MRI尚不能發(fā)現(xiàn)任何病變［12］。PET檢查屬于放射性檢查，要服用具有放射性的示蹤藥物，這種檢查會(huì)給人體健康帶一定的威脅，不能長時(shí)間追蹤大腦活動(dòng)的狀態(tài)，且醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備昂貴。BOLD-FMRI在人體醫(yī)療探測領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步，但相對于腦的復(fù)雜性而言，應(yīng)用領(lǐng)域仍顯不足。頭皮EEG目前仍難以檢測到大腦深部的信號(hào)，植入EEG又會(huì)給腦部帶來損傷。各種醫(yī)學(xué)檢測方法都有其局限性，仍然有必要探索新的大腦活動(dòng)檢測方法服務(wù)于人類健康，同時(shí)從全新的角度來詮釋大腦的功能機(jī)理。

2 微波用于大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測

根據(jù)現(xiàn)有的研究可知，大腦神經(jīng)活動(dòng)的產(chǎn)生、傳遞是通過神經(jīng)元完成的。靜息狀態(tài)時(shí)，若取神經(jīng)元膜外側(cè)電勢為零，膜內(nèi)側(cè)電勢約為-90～-70mV；當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞受到一定的刺激處于興奮狀態(tài)時(shí)，鈉離子通道開放，更多的鈉離子從濃度高的膜外流向濃度低的膜內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)作電位。此時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的電勢從負(fù)電位變?yōu)檎娢唬s為20～30mV［13］。原理上，生物體的某個(gè)功能區(qū)神經(jīng)興奮時(shí)，由于鈉離子、鉀離子移動(dòng)等因素，興奮區(qū)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等電參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)電磁波經(jīng)過該腦功能區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不同于未興奮時(shí)的幅度和相位變化，導(dǎo)致透射波的幅度和相位受興奮區(qū)電參數(shù)變化的影響，如圖1所示。電參數(shù)變化范圍越大，興奮區(qū)體積越大，透射波改變量也越大，從而更顯著地反映大腦的神經(jīng)活動(dòng)，達(dá)到電磁波檢測的目的。在獲得了接收點(diǎn)處透射波變化的信息特征后，也有望反演興奮區(qū)離子濃度的變化。

圖1 微波通過興奮區(qū)示意圖Fig.1 The diagram of microwave traveling through activated area

乳腺腫瘤檢測和中風(fēng)檢測從原理上具有共同點(diǎn)，都是利用待測體與周邊生物組織在介電常數(shù)上的差異性，結(jié)合電磁逆散射進(jìn)行成像處理。而利用微波檢測大腦神經(jīng)活動(dòng)則是基于腦功能區(qū)自身電磁特性的變化，不同的腦活動(dòng)狀態(tài)，電磁特性的變化不同。

前期在對大鼠進(jìn)行腦電實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)利用頭皮EEG和微波對大鼠的大腦活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微波檢測數(shù)據(jù)與EEG檢測數(shù)據(jù)具有較好的一致性，驗(yàn)證了微波檢測大腦神經(jīng)活動(dòng)的可行性［11］。為了更直觀地說明這一原理，采用3層球模型模擬大腦結(jié)構(gòu)，即腦殼、腦組織和興奮區(qū)，如圖2所示。

圖2 大腦的3層球模型Fig.2 Three-layered spherical model of brain

相對于常規(guī)的電磁媒質(zhì)，生物組織具有一定的特殊性。作為宏觀媒質(zhì)的生物組織一般為非磁性媒質(zhì)，即μ＝μ0＝4π×10-7。但不同生物組織的電磁特性ε和σ也不同，同時(shí)生物組織是色散媒質(zhì)，即相同生物組織的電磁特性也會(huì)隨著電磁波頻率變化。設(shè)興奮區(qū)的介電常數(shù)隨一定頻率作正余弦變化，

其中，f1＝15，f2＝5。對時(shí)間t進(jìn)行參數(shù)掃描，仿真得到的傳輸系數(shù)的相位變化如圖3所示。

圖3 接收點(diǎn)處的相位變化Fig.3 Phase change at receiving point

同時(shí)利用傅里葉變換對相位變化進(jìn)行頻譜分析，得到的頻譜分布如圖4所示。

圖4 相位變化的頻譜分析Fig.4 Spectral analysis of phase change

由仿真結(jié)果可知，微波的相位變化能夠揭示興奮區(qū)介電常數(shù)的變化規(guī)律。神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生興奮沖動(dòng)時(shí)，若細(xì)胞膜內(nèi)外離子的運(yùn)動(dòng)能夠引起興奮區(qū)介電常數(shù)的周期性變化，則通過對接收點(diǎn)處微波的相位變化進(jìn)行分析，可得到介電常數(shù)變化的周期。而由大量的EEG研究成果可知，生物體的生命活動(dòng)往往與大腦內(nèi)生物電頻率有關(guān)，進(jìn)而可以從另一個(gè)角度分析大腦的活動(dòng)。

雖然透射波的幅度和相位都會(huì)隨著興奮區(qū)電參數(shù)的變化而改變，但出于檢測的安全性考慮，微波源的功率較小，導(dǎo)致透射波的幅度很小，對儀器的精度要求較高，且透射波幅度相比相位易受環(huán)境噪聲的干擾產(chǎn)生誤差，所以一般采用透射波的相位信息分析大腦神經(jīng)活動(dòng)。

3 大腦電場分布

人腦中含水量較高且各種生物組織介電常數(shù)差異較大，對入射的電磁波存在反射和衰減。當(dāng)利用微波檢測大腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)，微波必須穿過所探測的區(qū)域，且具有較大的強(qiáng)度能夠被接收天線接收和識(shí)別，因此，有必要探究大腦內(nèi)電場在不同區(qū)域的分布和相應(yīng)的強(qiáng)度。

大腦模型采用FEKO公司的可視化三維人頭模型。發(fā)射天線為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭，工作頻段為3.95～5.85GHz，增益為20dB。當(dāng)發(fā)射天線距人頭2cm，發(fā)射功率為10dBm時(shí)，矢狀面腦中部的電場分布如圖5所示。

圖5 大腦的電場分布Fig.5 Electric field distribution inside brain

大腦皮層是大腦的表層，由灰質(zhì)構(gòu)成，人體各種機(jī)能活動(dòng)的最高中樞在大腦皮層上具有定位關(guān)系。由圖5可知，盡管電磁波經(jīng)過大腦表面會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減，但對于大腦皮層（圖5黑線區(qū)域）仍然存在較強(qiáng)的電場（10dBV／m左右）。因此，可以利用微波檢測人腦的神經(jīng)活動(dòng)，進(jìn)而認(rèn)知大腦和人體的生命活動(dòng)狀態(tài)。

另外，電場在大腦表面會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減，此處衰減的存在為天線輻射功率和電磁波探測深度帶來了較大的局限性。輻射功率過高，對人體存在安全隱患；輻射功率過低，影響探測深度，信號(hào)處理過程中信號(hào)容易被噪聲淹沒，遺漏重要的生理信息。在相應(yīng)的工作頻率下，皮膚和其下的脂肪的等效復(fù)介電常數(shù)分別為36.59ε0（1＋0.29j）和5.13ε0（1＋0.16j），差異較大（ε0為真空中的介電常數(shù)），且空氣相對介電常數(shù)為1，因此，大腦表層電磁波的損耗主要是由空氣、皮膚和皮下脂肪三者介電常數(shù)不匹配所引起的反射及電磁衰減造成的。在后期的實(shí)驗(yàn)過程中，可考慮在天線和腦部皮膚間引入一層匹配液（液體介電常數(shù)與皮膚一致），消除空氣與皮膚的第一層界面的反射。

4 結(jié)束語

通過對腦興奮區(qū)電參數(shù)時(shí)變特性的模擬，分析了微波用于大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測新技術(shù)的檢測原理。采用精確的人頭模型，研究了大腦不同區(qū)域內(nèi)電場的分布特征。未來微波在大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測上的新突破有望給人類的智能生活帶來全新的變革，也有助于從另一個(gè)角度來認(rèn)識(shí)大腦的工作機(jī)理。

［1］ 張國基.微波在白血病無損探測中的應(yīng)用研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，1999：3-4.

［2］ 張明月，吳巖印，肖征.太赫茲在醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用和進(jìn)展［J］.醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（5）：84-86.

［3］ 馮華，李飛，陳圖南.太赫茲波生物醫(yī)學(xué)研究的現(xiàn)狀與未來［J］.太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2013，11（6）：827-835.

［4］ 周蓓蓓.基于半球狀乳房模型的超寬帶微波早期乳腺腫瘤檢測成像方案研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005：25-41.

［5］ MESRI H Y.Localization of hemorrhage site in stroke patients using multichannel microwave measurements［C］／／The 34th Annual International Conference of the IEEE EMBS，2012：5927-5930.

［6］ KLEMM M，CRADDOCK I J，LEENDERTZ J，et al.Breast cancer detection using symmetrical antenna array［C］／／The Second European Conference on Antenn-as and Propagation，2007：1-5.

［7］ PERSSON M，F(xiàn)HAGER A，TREFNA H D，et al.Microwave-based stroke diagnosis making global prehospital thrombolytic treatment possible［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2014，61（11）：2806-2817.

［8］ KLEMM M，CRADDOCK I J，LEENDERTZ J A，et al.Radar-based breast cancer detection using a hemispherical antenna array-experimental results［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（6）：1692-1704.

［9］ NILAVALAN R，LEENDERTZ J，CRADDOCK I J，et al.Breast tumour detection using a flat 16element array［C］／／Proceedings of 16th International Symposium on Electromagnetic Compatibility，2005：81-84.

［10］ CRADDOCK I J，KLEMM M，LEENDERTZ J，et al.An improved hemispeherical antenna array design for breast imaging［C］／／The Second European Conference on Antennas and Propagation，2007：1-5.

［11］ LI X P，XIA Q，QU D，et al.The dynamic dielectric at a brain functional site and an em wave approach to functional brain imaging［J］.Scientific reports，2014：1-8.

［12］ 王亞麗.PET核醫(yī)學(xué)成像原理分析［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17（18）：162-163.

［13］ 馬穎穎.腦電信號(hào)的特征提取與睡眠分期方法研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007：6-11.

編輯：梁王歡

New technology based on microwave for brain neural activity detection

JIANG Xiangben，JIANG Xing，PENG Lin，LI Xiaoming
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Aiming at the limitations of neural activity detection technology，contrastive analysis on current detection technologies is done to introduce and study an emerging neural activity detection method by microwave.And with the aid of the electromagnetic simulation，the basic principle of the detecting technology and characteristics of electric field distribution in the brain are analyzed.The analysis indicates that the technique can realize non-contact and nondestructive detection of neural activity.

microwave medical；detecting technique；neuronal activity detection

TN015；Q64

：A

：1673-808X（2016）05-0360-04

2016-01-15

國家自然科學(xué)基金（61371056）；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃（YJCXS201515）

姜興（1962-），女，河北邢臺(tái)人，教授，研究方向?yàn)樘炀€、電磁測量與微波技術(shù)。E-mail：1003439204＠qq.com

姜祥奔，姜興，彭麟，等.微波用于大腦神經(jīng)活動(dòng)檢測的新技術(shù)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：360-363.