健康家兔腦與腦卒中家兔腦的生物阻抗頻譜特性研究

丁 帥，張 戈，王 航，代 萌，徐燦華，史學(xué)濤，付 峰，楊 琳*，董秀珍*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，西安710032；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安710032；3.空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系，西安710032）

0 引言

急性腦卒中是一種嚴(yán)重的腦血管疾病，分為出血性（顱內(nèi)血管破裂導(dǎo)致血液進(jìn)入腦內(nèi)或蛛網(wǎng)膜下腔）和缺血性（血管內(nèi)血栓引起腦內(nèi)血管梗塞）腦卒中，其中出血性腦卒中約占總數(shù)的13%，缺血性腦卒中約占總數(shù)的87%[1]。腦卒中具有發(fā)病急和致死率高的特點(diǎn)，已成為全球第二大死因[2]。但若能夠盡早發(fā)現(xiàn)病情，并針對(duì)其類型開(kāi)展及時(shí)救治，可明顯提高患者的預(yù)后生存質(zhì)量。目前，臨床檢查腦卒中設(shè)備為CT 和MRI，但是在緊急環(huán)境下（現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)或者基層醫(yī)療單位）進(jìn)行CT 或者M(jìn)RI 掃描以獲得患者的腦成像是不現(xiàn)實(shí)的，因此臨床上需要一種能夠用于現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)和基層醫(yī)療單位并可快速檢測(cè)腦卒中的設(shè)備。

多頻電阻抗成像（multi-frequency electrical impedance tomography，MFEIT）是電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography，EIT）的一種成像模式，其利用生物組織阻抗隨頻率變化這一特性，通過(guò)體表電極向人體施加多種頻率電流，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)電極上的邊界電壓，然后采用圖像重構(gòu)算法來(lái)重構(gòu)成像目標(biāo)內(nèi)阻抗分布，最后，基于組織特異性的阻抗頻譜區(qū)分不同組織。與時(shí)差EIT（時(shí)差EIT 主要目標(biāo)是重構(gòu)阻抗隨時(shí)間的變化情況，該方法需預(yù)先選擇好參考幀，但實(shí)際應(yīng)用中很難獲得患者發(fā)病前的數(shù)據(jù)，所以不適合一次性快速檢測(cè)腦卒中）相比，MFEIT 具有不需要其他時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考（或者基線）的優(yōu)勢(shì)。所以，MFEIT 有望成為一種快速檢測(cè)腦卒中并鑒別腦卒中類型的成像技術(shù)[3]。

關(guān)于MFEIT 檢測(cè)腦卒中的生物物理基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)報(bào)道，初步證明了缺血腦組織、出血腦組織和健康腦組織的阻抗頻譜特性存在差異性[4-7]。但是，由于試驗(yàn)條件（如實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、造模方法、測(cè)量方法等）控制存在明顯差異，無(wú)法有效對(duì)比分析既往研究的結(jié)果。因此，在同一種動(dòng)物上建立腦出血和腦缺血模型，全面測(cè)量和比較健康腦、出血腦和缺血腦在10 Hz～1 MHz 頻段內(nèi)的阻抗頻譜具有重要研究?jī)r(jià)值。基于以上分析，本文擬建立家兔腦出血模型和腦缺血模型，進(jìn)一步系統(tǒng)測(cè)量與分析健康腦組織、出血腦組織和缺血腦組織在10 Hz～1 MHz 頻段內(nèi)的生物阻抗頻譜特性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的準(zhǔn)備

將40 只家兔分為顱內(nèi)出血組、顱內(nèi)出血對(duì)照組、缺血組和缺血對(duì)照組4 組，每組10 只。動(dòng)物來(lái)自于空軍軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心，年齡2 個(gè)月，體質(zhì)量（2.2±0.3）kg。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前2 h 禁水，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前4 h禁食。動(dòng)物麻醉：先使用1.5%（2 ml·kg-1）的戊巴比妥鈉進(jìn)行腹腔麻醉；待動(dòng)物鎮(zhèn)靜后，通過(guò)耳緣注射3%（0.5 ml·kg-1）的戊巴比妥鈉進(jìn)行深度麻醉；在術(shù)中，將1.5%的戊巴比妥鈉以1 ml·kg-1·h-1的速率進(jìn)行腹腔注射，以維持兔子的麻醉狀態(tài)。通過(guò)直腸溫度探頭測(cè)量兔子身體溫度，并使用電熱毯將其體溫維持在（39.5±0.5）℃。利用眼睛和耳朵固定閂將兔子以俯臥體位固定在立體定位器上。

本研究通過(guò)空軍軍醫(yī)大學(xué)動(dòng)物研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 腦卒中動(dòng)物模型的建立

1.2.1 術(shù)前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在制作腦出血和腦缺血模型之前，將直徑為0.93 mm 的6 個(gè)銅制牙科釘（杭州西湖生物材料有限公司）電極分別安放在顱骨上，其中2 個(gè)電極位于矢狀縫上，分別距冠狀縫前、后2 cm 和1 cm；另外4 個(gè)電極對(duì)稱分布于矢狀縫兩側(cè)，距矢狀縫0.8 cm，每側(cè)的2 個(gè)電極分別與矢狀縫2 個(gè)電極在矢狀方向的距離為0.8 cm。所有牙科釘均未穿透顱骨（電極進(jìn)入顱骨深度約為1 mm）。當(dāng)所有電極安放完畢后，在電極與顱骨接觸位置涂抹膠水（DP100，3M Corporation，USA），以進(jìn)一步固定電極，如圖1 所示。

圖1 腦出血模型和腦缺血模型的建立

1.2.2 腦出血模型

本文采用自體血注入方式構(gòu)建兔子腦出血模型[8]。對(duì)于顱內(nèi)出血組，當(dāng)一次性注射器針頭進(jìn)入顱內(nèi)1 min 后，實(shí)施腦阻抗頻譜測(cè)量。當(dāng)注血完成后30 min（血液注射時(shí)間為2 min，距針頭進(jìn)入大腦33 min），測(cè)量出血性腦卒中發(fā)生后的腦阻抗頻譜。顱內(nèi)出血對(duì)照組的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)與顱內(nèi)出血組相同。

1.2.3 腦缺血模型

本文采用光化學(xué)方法構(gòu)建兔子腦缺血模型[9]。對(duì)于腦缺血組，在用綠光照射前（注射玫瑰紅染料15 min）開(kāi)展腦阻抗頻譜測(cè)量，當(dāng)照射結(jié)束后30 min（距注射玫瑰紅染料45 min）測(cè)量缺血性腦卒中發(fā)生后的腦阻抗頻譜。腦缺血對(duì)照組的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)與腦缺血組相同。

1.3 全腦阻抗頻譜的測(cè)量

本文采用四電極法測(cè)量全腦阻抗以減小電極接觸阻抗對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[10]。矢狀縫上的2 個(gè)電極為激勵(lì)電極，其中冠狀縫前側(cè)的電極為正激勵(lì)電極，后側(cè)的電極為負(fù)激勵(lì)電極；矢狀縫兩側(cè)的電極為測(cè)量電極（前側(cè)的為正測(cè)量電極，后側(cè)的為負(fù)測(cè)量電極），其中每側(cè)的2 個(gè)電極為一組測(cè)量電極對(duì)。當(dāng)利用一側(cè)測(cè)量電極完成測(cè)量后，將另外一側(cè)2 個(gè)電極作為測(cè)量電極開(kāi)展阻抗測(cè)量。

本文使用帶有接口1294A interface 的阻抗分析儀Solartron 1260 進(jìn)行阻抗測(cè)量，通過(guò)軟件Zplot 來(lái)控制Solartron 采集數(shù)據(jù)。應(yīng)用0.2 mA AC RMS 信號(hào)進(jìn)行電流激勵(lì)，測(cè)量頻率范圍為10 Hz～1 MHz，共51個(gè)頻點(diǎn)，用2 個(gè)測(cè)量電極來(lái)測(cè)量電壓并計(jì)算2 個(gè)測(cè)量電極之間的阻抗。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用本研究的阻抗測(cè)量方法，可分別獲得腦左右兩側(cè)的阻抗頻譜，分別表示為ZL和ZR。利用左右兩側(cè)的測(cè)量結(jié)果之和Z=ZL+ZR研究全腦的阻抗頻譜特性。對(duì)于4 組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，均在2 個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別測(cè)量了腦阻抗，分別表示為Zbefore（第一次測(cè)量的結(jié)果）和Zafter（第二次測(cè)量的結(jié)果）。

在MFEIT 檢測(cè)腦卒中時(shí)，通常采用不同頻率處的數(shù)據(jù)差分結(jié)果進(jìn)行成像，因此研究在頻帶內(nèi)腦阻抗的相對(duì)變化具有重要意義[11]。本文以最低頻率10 Hz為參考頻率，計(jì)算腦阻抗在10 Hz～1 MHz 的相對(duì)變化。利用IBM SPSS 20.0（IBM Software，Armonk，NY，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。在同一頻率處，健康腦和卒中腦組織阻抗變化的比較采用配對(duì)t 檢驗(yàn)，當(dāng)P＜0.05時(shí)，認(rèn)為具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

為了達(dá)到利用MFEIT 檢測(cè)腦卒中的目的，需要將健康腦和卒中腦（出血性腦和缺血性腦）區(qū)分開(kāi)，因此本文通過(guò)計(jì)算（Zafter-Zbefore）/Zbefore進(jìn)一步分析發(fā)生腦卒中前后的腦阻抗頻譜變化。

2 結(jié)果

在所有實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)物均保持正常的體溫和呼吸。本研究共獲得80 組全腦阻抗頻譜數(shù)據(jù)，顱內(nèi)出血組、顱內(nèi)出血對(duì)照組、缺血組和缺血對(duì)照組各20 組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中建立的腦出血模型（出血部位主要發(fā)生在腦白質(zhì)）和缺血模型（缺血部位主要位于腦皮層，即腦灰質(zhì)）如圖2 所示。

圖2 腦出血模型及腦缺血模型

2.1 家兔健康腦、出血腦和缺血腦的阻抗頻譜特性

圖3（a）為腦出血組和腦出血對(duì)照組的全腦阻抗頻譜。從圖中可以看出，在腦出血組中，注血后的腦阻抗較注血前明顯增大，而在腦出血對(duì)照組的2次測(cè)量結(jié)果中未觀察到明顯的差異。圖3（b）為全腦阻抗相對(duì)于10 Hz 處的阻抗變化頻譜。在10～200 Hz之間，全腦阻抗近似線性地減?。▽?duì)數(shù)頻率），變化范圍為35%。在200 Hz～1 MHz 之間，全腦阻抗變化范圍從35%緩慢減小到60%。

圖3 腦出血組和腦出血對(duì)照組的全腦阻抗測(cè)量結(jié)果

圖4（a）為腦缺血組和腦缺血對(duì)照組的全腦阻抗頻譜。從圖中可以看出，缺血后的全腦阻抗較缺血前明顯升高，特別在100 Hz～1 kHz 范圍內(nèi)，差異更加明顯。但是腦缺血對(duì)照組的2 次測(cè)量結(jié)果中未觀察到明顯差異。圖4（b）為全腦阻抗相對(duì)于10 Hz 處的阻抗變化頻譜。在整個(gè)頻段內(nèi)，腦缺血組和腦缺血對(duì)照組的全腦阻抗變化與腦出血組和腦出血對(duì)照組相似。

2.2 健康腦與卒中腦的阻抗頻譜差異

圖5（a）為腦出血組（在注血前后分別開(kāi)展測(cè)量）和腦出血對(duì)照組（針頭進(jìn)入腦1 min 和33 min 分別開(kāi)展測(cè)量）的動(dòng)物發(fā)生腦卒中前后的全腦阻抗變化頻譜。從圖中可以看出，發(fā)生腦出血前后，在整個(gè)頻帶內(nèi)，全腦阻抗發(fā)生了明顯的變化，最小變化為4.5%（100 Hz 處），最大變化可達(dá)13%（1 MHz 處）。從變化趨勢(shì)可以看出，全腦阻抗先降低（10～100 Hz），然后升高（100 Hz～1 MHz）。在500 kHz～1 MHz 之間，全腦阻抗變化明顯增大。相比而言，在腦出血對(duì)照組中，2 次測(cè)量結(jié)果的差異在整個(gè)頻帶內(nèi)均小于2%。在整個(gè)頻段范圍內(nèi)，腦出血組和腦出血對(duì)照組的全腦阻抗變化存在明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.01）。

圖5（b）為腦缺血組（在缺血前后分別開(kāi)展測(cè)量）和腦缺血對(duì)照組（注射玫瑰紅染料15 min 和45 min分別開(kāi)展測(cè)量）2 次測(cè)量的全腦阻抗變化頻譜。從圖中可以看出，腦缺血組的全腦阻抗變化先總體上升高（10 ～500 Hz），然后緩慢下降（500 Hz～1 MHz）。在整個(gè)頻段內(nèi)，全腦阻抗變化大于4%，明顯大于腦缺血對(duì)照組（P＜0.01）。

圖4 腦缺血組和腦缺血組對(duì)照組的全腦阻抗測(cè)量結(jié)果

圖5 腦卒中發(fā)生前后全腦阻抗變化和對(duì)照組全腦阻抗變化對(duì)比

3 結(jié)論和討論

本文利用家兔建立了腦出血模型和腦缺血模型，測(cè)量和比較了健康腦、出血性腦和缺血性腦在10 Hz～1 MHz 的阻抗頻譜特性。結(jié)果表明，健康腦與出血腦和缺血腦的阻抗頻譜存在顯著差異（在10 Hz～1 MHz 內(nèi)，健康腦與出血腦和缺血腦的全腦阻抗差異大于4%）。

因?yàn)樽顑?yōu)頻段的數(shù)據(jù)可能攜帶更多有助于MFEIT 檢測(cè)腦卒中的信息，所以如何選擇最優(yōu)頻段是MFEIT 檢測(cè)腦卒中的關(guān)鍵。本研究發(fā)現(xiàn)出血性腦卒中發(fā)生前后，全腦阻抗差異隨著頻率升高而增大，特別是在大于1 kHz 的頻段內(nèi)，差異可達(dá)10%以上[如圖5（a）所示]。因此，1 kHz～1 MHz 為區(qū)別健康腦和出血性腦的最優(yōu)頻段。此外，發(fā)生缺血性腦卒中前后，全腦阻抗的差異在整個(gè)頻段內(nèi)都發(fā)生較大變化，約6%[如圖5（b）所示]，所以整個(gè)頻段內(nèi)的阻抗信息都有利于區(qū)分缺血性腦和健康腦。

此外，在本研究中通過(guò)自體血注入法和光化學(xué)法分別建立了顱內(nèi)出血模型和缺血模型。但需要指出的是，顱內(nèi)出血模型是通過(guò)將血液注射到腦白質(zhì)部分形成，而顱內(nèi)缺血模型是通過(guò)將腦灰質(zhì)部分區(qū)域造成缺血形成。由于受到建模手段的限制，本研究并未在腦白質(zhì)區(qū)域建立缺血模型，也未在腦灰質(zhì)區(qū)域建立出血模型。未來(lái)工作中將改進(jìn)建模方法，建立更加全面的顱內(nèi)出血和缺血模型，并分別測(cè)量不同部位腦卒中組織的阻抗特性。

綜上所述，本研究進(jìn)一步從腦阻抗頻譜的角度證實(shí)了采用MFEIT 檢測(cè)腦卒中的可行性，為MFEIT檢測(cè)腦卒中研究提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。