腦神經活動微波探測的模擬實驗及安全性分析

鄭超繼，姜 興，李小明，彭 麟，安虹瑾，耿 喆

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

近年來，腦神經活動探測取得了巨大的進步。目前檢測大腦活動的技術主要有：腦電圖分析、功能核磁共振成像、正電子發射斷層掃描等，各種腦神經活動的探測技術都有著各自的優勢與不足。與常規的探測方法不同，腦神經活動微波探測將大腦活動與穿過興奮區時變媒質的電磁波相位變化聯系起來，從新的角度來詮釋大腦活動。大腦組織作為特殊的電磁媒質，在大腦處于興奮活動狀態時，由于神經細胞內外液離子移動等因素，導致興奮區組織的電參數會隨之改變[1]，在微波經過該區域后，透射波的相位也會隨之改變，通過對透射波相位變化的檢測可以獲取大腦活動的信息。

為此，從腦神經活動微波探測的理論分析出發，通過仿真分析及模擬實驗2個方面說明傳輸系數的相位可作為腦神經活動微波探測的表征。

1 腦神經活動微波探測原理

在大腦興奮的腦功能區，由于神經細胞內外液離子移動等因素會導致其介電常數與電導率處于時變狀態。采用3層平面模型對大腦復雜結構進行近似的簡化處理，分析微波與興奮區電磁響應過程中的相位關系。層狀大腦模型如圖1所示。

圖1 層狀大腦模型

假設入射波為垂直入射，傳播方向沿著+z方向，頭部組織與灰質交界面處為零點，根據電磁場理論可知[2]，透射波電場Et可表示為

Et=EiT1T2e-jγ3(z-d)。

(1)

φS21=Arg(S21)=f(σi,εr,i,ω,d)。

(2)

由式(2)可知，透射波的相位變化可由傳輸系數的相位來衡量，其大小主要受微波源工作頻率、電磁波傳播路徑以及大腦組織的電參數3個因素的影響。當電磁波收發路徑及工作頻率固定時，透射波的相位僅與生物組織的介電常數相關[3]。

2 改變灰質介電常數對傳輸系數影響的仿真分析

由于大腦活動會導致興奮區介電常數變化，在三維人體組織醫學電磁仿真軟件Sim4life中，通過改變人頭模型大腦灰質的介電常數來模擬大腦神經活動，采用介質匹配天線作為收發天線進行傳輸系數的仿真分析。介質匹配天線在仿真設計時考慮了輻射環境，能夠與人體頭部組織良好匹配，比傳統天線具有更好的傳輸性能，其工作頻帶覆蓋了ISM頻段[4]。仿真示意圖如圖2所示。收發天線位于高精度人頭模型[5]的左、右顳部，天線中心與大腦中心對齊，工作頻率為2.45 GHz，匹配介質的電參數與頭部皮膚相同。

圖2 仿真示意圖

大腦灰質介電常數εr的變化量分別為Δεr=±3、±6、±9、±12(正號為增加，負號為減小)，改變灰質介電常數對傳輸系數的影響如表1所示。傳輸系數的變化量定義為：

Δ|S21|=|S21|(εr+Δεr)-|S21|(εr)；

(3)

ΔφS21=φS21(εr+Δεr)-φS21(εr)。

(4)

其中：Δ|S21|為傳輸系數幅值的變化量；ΔSφ21為傳輸系數相位的變化量。

表1 改變灰質介電常數對傳輸系數的影響

從表1可看出：當灰質介電常數增加(Δεr取正號)時，隨著Δεr由+3增加到+12，Δ|S21|先增加后減小；當灰質介電常數減小(Δεr取負號)時，隨著Δεr的增加，Δ|S21|由0.368 dB增加到1.365 dB。然而，在相同的介電常數增量下，ΔφS21由1.092°(0.185°)單調增加到10.300°(6.250°)，并未出現先減小后增加的現象。除此之外，在Δεr相同時，ΔφS21大于Δ|S21|，因此，與傳輸系數的幅值相比，傳輸系數的相位更適合作為腦神經活動微波探測的表征。

3 模擬實驗

由于大腦結構的復雜性和差異性，在模擬實驗中，對大腦模型進行簡化處理，使用模擬材料配制與大腦組織電參數相近的模擬組織。模擬組織包括2個部分：1)聚乙二醇(PEG 400)水溶液，用于模擬頭部組織；2)葡萄糖-水明膠型模擬組織，用于模擬大腦灰質。

PEG和水按照6∶4的比例配制頭部組織的模擬組織，使用Speag DAKs-3.5介電常數測量儀測得其介電常數為33.67，電導率為0.5 S/m，其介電常數接近2～8 GHz人頭部各組織電參數的均值[6]。不同樣本的葡萄糖-水明膠型模擬組織對應的材料成分如表2所示。

表2 各樣本對應的材料成分

同樣使用DAKs-3.5對模擬組織介電常數和電導率進行測量，其電參數曲線如圖3所示，其中樣本0為大腦灰質電參數的理論值。從圖3可看出，在1～5 GHz，35%葡萄糖、63%水和2%明膠(樣本2)組成的模擬組織的介電常數與灰質介電常數的理論值較接近，其誤差最大不超過10%；在1～2 GHz，模擬組織的電導率與理論值相差較大，但在較高的頻段(2～5 GHz)，模擬組織的電導率接近灰質電導率的理論值，其誤差不超過5%。另外，對于葡萄糖-水明膠型的模擬組織，不同樣本模擬組織的電導率的差異很小，且在2～5 GHz都接近理論值。因此，在改變成分時，其電導率的變化量很小，主要是介電常數變化，在進行大腦灰質介電常數變化的模擬實驗中，可以減小電導率變化對實驗結果造成的影響，因此，實驗選用葡萄糖-水明膠混合液作為大腦灰質的模擬組織。

圖3 葡萄糖-水明膠型模擬組織的電參數曲線

圖4 模擬實驗裝置

在PEG水溶液中植入不同樣本的模擬組織來模擬大腦灰質介電常數的變化，使用介質匹配天線作為收發天線搭建傳輸系統，并使用矢量網絡分析儀測量不同植入樣本情況下傳輸系數的相位。模擬實驗裝置如圖4所示。盛放PEG水溶液的容器尺寸為160 mm×160 mm×250 mm；試管規格為φ20 mm×180 mm，用于盛放葡萄糖-水明膠型模擬組織。使用雙面泡棉膠將天線緊貼于大容器壁，在容器中倒入PEG水溶液，直至將收發天線浸沒。矢量網絡分析儀為發射天線提供微波源，在試管中加入不同樣本的大腦灰質模擬組織(代表不同介電常數的腦功能區)，將試管放入收發天線之間。注意在放置試管時動作要輕緩，避免引起鐵架臺的移動。在PEG水溶液液面平靜時，記錄傳輸系數的相位及幅值。

實驗結果如表3所示。在f=2.45 GHz時，大腦灰質的介電常數為48.99，樣本3在2.45 GHz的介電常數與大腦灰質接近(相差0.48)，以樣本3為傳輸系數幅值與相位的基準，對其他樣本進行分析，結果如表4所示。從表4可看出：對于樣本4，其介電常數比樣本3減小了3.37，此時其傳輸系數幅值的變化量為0.26 dB，相位變化量為3.01°；對于樣本2，其介電常數比樣本3增加了2.65，其傳輸系數幅值的變化量為0.33 dB，相位變化量為0.68°；對于樣本1，其介電常數比樣本3增加了5.89，其傳輸系數幅值的變化量為1.39 dB，相位變化量為3.48°。由結果分析可知，在相同的收發頻率下，隨著大腦灰質模擬組織介電常數的變化量的增加，傳輸系數相位的變化量也隨之增加，其變化趨勢與仿真結果相同，且傳輸系數相位的變化量較幅值的變化量更大。綜上所述，傳輸系數的相位可作為微波腦神經活動探測的表征。

表3 模擬實驗結果

表4 各樣本傳輸系數幅值與相位的變化量(以樣本3為基準)

4 安全性分析

在進行腦神經活動微波探測實驗時，由于人體頭部會受到電磁波的持續照射，需要對檢測的安全性進行評估。利用Sim4life軟件和高精度人頭模型，對人腦內的比吸收率(specific absorption rate，簡稱SAR)分布進行仿真分析。微波源工作頻率為2.40～8.00 GHz，發射功率為10 dBm，仿真示意圖如圖2所示。不同頻點處，人腦內每1 g和每10 g組織的SAR峰值的結果及SAR的安全限值[7]如表5所示。

從表5可看出，每1 g的SAR峰值大于每10 g的SAR峰值。天線工作頻率由2.45 GHz變化到8 GHz時，大腦內1 g的SAR峰值由2.740 W/kg增加到7.190 W/kg，大腦內10 g的SAR峰值由0.653 W/kg增加到0.917 W/kg。雖然大腦內1 g的SAR峰值高于電磁暴露安全限值，但由于匹配介質的存在，使得SAR峰值不會出現在人頭部的表層組織處，即人體頭部表層組織的SAR值低于仿真得到的SAR峰值。另外，當存在接收天線時，其金屬材料對繞射和透射電磁波的反射，使得人腦內SAR峰值稍有增加(約1%)。為了保證后續探測實驗的安全性，將天線的發射功率降為5 dBm，仿真結果如表6所示。在工作頻率f>4 GHz時，1 g的SAR峰值均低于安全限值。因此，在天線工作頻率低于4 GHz時，5 dBm的發射功率符合安全標準；在探測選用的天線工作頻率較高時(f>4 GHz)，應減小天線的發射功率，以保證實驗的安全性。

表5 不同工作頻率下大腦的SAR峰值 W/kg

表6 發射功率為5 dBm的SAR峰值 W/kg

5 結束語

仿真分析了大腦灰質介電常數對傳輸系數的影響。仿真結果表明，隨著灰質介電常數的變化量由3增加到12，傳輸系數相位的變化量由1.092°(0.185°)單調增加到10.300°(6.250°)。搭建了應用于腦神經活動微波探測的模擬實驗平臺，通過在PEG水溶液中植入不同樣本的葡萄糖-水明膠型模擬組織來模擬大腦灰質介電常數的變化。實驗結果表明，隨著樣本介電常數變化量的增加，傳輸系數相位的變化量也隨之增加，實驗結果與仿真結果基本相符，因此，傳輸系數的相位可作為腦神經活動微波探測中的表征。根據安全性分析，限定了探測天線的發射功率，在工作頻率f>4 GHz時，天線的發射功率應低于5 dBm。