顱腦外傷早期可植入式無線顱內壓監測儀的研制

趙 明，魏秋旭，陳 健，陳德勇，王軍波*

（1.解放軍總醫院第四醫學中心神經外科，北京 100048；2.中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

顱內壓是診斷和治療顱內疾病的重要觀測指標。顱內壓監測是早期確診顱內高壓最可靠的手段，也是評價顱腦外傷治療效果的可靠方法，已經列入《中國顱腦創傷顱內壓監測專家共識》[1]。世界上主要的顱腦外科治療中心目前都在使用顱內壓監測指導顱腦外傷治療，及時、準確地監測患者顱內壓，對于臨床診斷病情和指導治療具有非常重要的意義[2-4]。

目前使用的顱內壓監測儀是顱內壓力感應器經過導線與顱外的顯示儀相連，因此導線常常會造成顱內出血、感染等并發癥，且外出行頭顱MRI及CT檢查不方便[5-7]。雖然目前有少數無線顱內壓監測儀器的專利和文獻報道[8-11]，但各種設計均未有詳細設計圖或相應成品，表明這方面的研究還很不足。

本研究利用現有成熟的電磁感應技術設計顱腦外傷早期可植入式無線顱內壓監測儀，避免常規監測中因導線引起的各種常見并發癥，便于在早期顱腦創傷患者中使用，以期降低顱內壓監測并發癥引起的致殘和致死率。

1 可植入式無線顱內壓監測儀的組成和工作原理

可植入式無線顱內壓監測儀由植入顱腦內的體內傳感部分和體外儀表部分組成。體內傳感部分通過外科手術的方式以膠囊形式植入顱腦內，使尖端的壓力感受部分接觸腦組織，主要由敏感電容式壓力傳感器Cs和與體外便攜式儀表通信的感應耦合電感線圈Ls串聯而成。體外儀表部分為手持便攜式，可隨時讀取顱內壓力。整個監測儀的工作原理如下：

通過體外的便攜讀數設備中的電感線圈LR通電，產生一個交變的電磁場，交變電磁場再通過電感線圈Ls耦合至LC壓力傳感器膠囊中。當輸入的交變電磁場頻率和LC壓力傳感器膠囊本征頻率一致時，將在電感LR兩端產生共振峰。通過便攜式數據采集與處理單元，可以記錄共振峰頻率f。f和Ls與Cs有關，可以根據f計算出植入Cs的大小，從而推斷出顱內壓力的大小。植入式無線顱內壓監測儀結構示意如圖1所示。

圖1 植入式無線顱內壓監測儀結構示意圖

2 可植入式無線顱內壓監測儀的各組成部件設計

2.1 電容式壓力傳感器

正常顱內壓力為70～200mmH2O（0.69～1.96kPa），為滿足臨床應用對顱內壓力檢測器件的要求，將壓力檢測范圍設定為0～5 kPa，最大誤差小于200 Pa，靈敏度越大越好，最大尺寸限制在5～10 mm范圍內。針對上述設計要求，對MEMS（micro-electro-mechanical system）電容式壓力傳感器進行結構設計。

電容式壓力傳感器采用矩形平行板電容器結構，由上下2個極板構成，如圖2所示。上極板為壓力敏感極板，下極板為固定極板，上下極板間形成密閉的空腔。當顱內壓力改變時，極板間距隨之改變，進而引起電容值的變化。

對電容式壓力傳感器完成結構設計與優化后，需要進行傳感器的制作。電容式壓力傳感器采用MEMS工藝制作而成，如圖2所示，上極板采用低阻硅作為壓力敏感膜，并采用深反應離子刻蝕（deep reactive ion etching，DRIE）工藝在硅上刻蝕凹槽；下極板采用Pyrex 7740玻璃，與上極板硅片經硅-玻璃陽極鍵合，形成密閉空腔，從而得到MEMS電容結構。

圖2 電容式壓力傳感器工作示意圖

2.2 LC壓力傳感器膠囊

LC壓力傳感器膠囊采用兩段式結構，由大徑部分和小徑部分組成（如圖3所示）。其中，大徑部分用于放置LC壓力傳感器膠囊內的電感，置于顱部皮下，即頭皮和硬膜之間；小徑部分高度為30～50 mm，用于放置電容式壓力傳感器的壓力敏感電容，外部包裹生物相容性高、絕緣性強的硅膠，其直徑應小于大徑部分直徑，以防LC壓力傳感器膠囊在豎直方向發生位移，以便將壓力敏感電容置于感測壓力最佳的深度。在放置壓力敏感電容處開一矩形窗口，以便壓力敏感電容與顱內環境聯通感測顱內壓力。

圖3 LC壓力傳感器膠囊結構示意及實物圖

2.3 可貼式數據讀取單元

可貼式數據讀取單元由發射線圈與讀取線圈組成，采用柔性材料將讀取單元封裝起來，可貼在頭皮表面。發射線圈與脈沖發生器連接，讀取線圈與模數轉換器連接。脈沖發生器經發射線圈發射矩形脈沖激勵信號，通過感應耦合將信號無線傳輸到LC壓力傳感器膠囊后，在LC壓力傳感器膠囊所構成的回路中產生衰減的振蕩信號，該振蕩信號再次通過感應耦合將信號無線傳輸到接收線圈，接收線圈再將信號傳遞給模數轉換器。

2.4 便攜式數據采集與處理單元

便攜式數據采集與處理單元由基于現場可編程門陣列（field-programmable gate array，FPGA）的可編程片上系統（system-on-a-programmable-chip，SOPC）、脈沖發生器、模數轉換器和上位機組成。基于FPGA的SOPC與脈沖發生器、模數轉換器及上位機連接，執行上位機發出的控制命令，控制脈沖發生器發射脈沖激勵信號，處理模數轉換器得到的數字信號，運算得到LC壓力傳感器膠囊的諧振頻率，并將數據上傳至上位機，上位機在接收到數據后通過諧振頻率與被測量值間的函數關系推算出被測量值，并實時顯示。

3 可植入式無線顱內壓監測儀的使用方法

步驟一：在需要監測顱內壓的患者中，選擇安全并便于監測壓力的位置處切開頭皮和帽狀腱膜，對顱骨鉆孔，將LC壓力傳感器膠囊按照定位方向植入顱內，小徑部分置于腦室或腦組織內，大徑位于皮下可觸摸處，止血徹底后，將頭皮縫合，并在大徑位置處進行標記，便于以后測量。

步驟二：術后需要測量顱內壓時，在植入LC壓力傳感器膠囊位置的正上方頭皮處，粘貼可貼式數據讀取單元。

步驟三：將可貼式數據讀取單元連接便攜式數據采集與處理單元，即可實時顯示顱內壓值，并進行記錄。監測完成后，醫護人員將可貼式數據讀取單元和便攜式數據采集與處理單元斷開即可。

4 可植入式無線顱內壓監測儀體外仿真實驗

在體外壓力容器內放入顱內壓監測儀，向壓力容器中注壓，使用上述方法測量可植入式無線顱內壓監測儀讀數，并描繪曲線。如圖4所示，標定測試得到的傳感器靈敏度為45.174 Hz/kPa，中心諧振頻率為128 723 Hz，線性度為0.999 4，均與仿真結果十分接近。此外，體外檢測設備的頻率分辨力為18.75 Hz，與傳感器靈敏度相結合，顱內壓監測儀在-20～20 kPa的壓力范圍內可實現415 Pa的壓力分辨力，能夠滿足顱內壓力的檢測需求。

圖4 可植入式無線顱內壓監測儀體外仿真實驗結果

5 結語

雖然顱內壓監測已經成為臨床診斷和治療顱內疾病的重要指標，但有創性和并發癥是限制其臨床應用的主要因素。雖然近年來新型無創顱內壓監測設備的研制不斷取得進步[12-14]，但目前仍無適合廣泛應用于臨床的成品。本文的設計克服了傳統有線顱內壓監測的缺點，能降低并發癥的發生，便于臨床使用，有廣闊的應用前景。雖然本設計在以前的研究基礎上已初制成品，但仍需要進一步的動物實驗來進行應用前的驗證。