基于超聲傳感器的腦脊液壓強(qiáng)快速檢測裝置設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵字】超聲傳感器；示波器；Matlab；壓強(qiáng)測量

引言

腦壓是與腦組織、腦脊液、血液保持恒定的顱內(nèi)壓力，是反映顱內(nèi)壓變化的重要參數(shù)，對于腦外傷、腦出血等疾病的臨床診斷和輔助治療具有重要意義[1]。目前臨床上采用測壓管或腦壓計(jì)測量腦脊液壓強(qiáng)來監(jiān)測腦壓，同時利用三通轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)了在抽取液體的同時能夠?qū)崟r測壓，且準(zhǔn)確度得到提高[2]，但腦壓計(jì)測量壓強(qiáng)需要一次性抽取較多腦脊液，且由于分流管的存在，其操作繁瑣性高，針頭移動容易引起脊神經(jīng)的損傷，感染風(fēng)險(xiǎn)較大。

目前，液體壓強(qiáng)常用的測量方法有：斜管壓力測量法[3]、超聲波測壓法[4]、壓力傳感器測量法[5]等。斜管壓力測量法對于壓強(qiáng)的微小變化感知不明顯[6]，且誤差較大；超聲波測壓法信號采集處理較為復(fù)雜，對壓強(qiáng)的變化不能進(jìn)行實(shí)時測量；壓力傳感器測量法響應(yīng)速度快，可靠性高，但價格昂貴，易受外界干擾。

由于超聲傳感器可以在較為惡劣的條件下工作，近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用尤為突出[7]。本文結(jié)合超聲波測壓法的優(yōu)勢提出一種新型腦脊液壓強(qiáng)測量方案，采用雙玻璃管構(gòu)成的恒壓裝置和穿刺針模擬腦脊液恒壓采樣環(huán)境，并利用該裝置在不同壓強(qiáng)下進(jìn)行液體滴落時間間隔的測量，完成壓強(qiáng)與時間間隔標(biāo)度關(guān)系模型的建立。同時，利用超聲傳感器探測液體滴落的時間間隔，通過示波器進(jìn)行信號采集，并將信號導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行處理和分析，在采樣極少量液體樣本的條件下實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)的快速檢測。該測量裝置的操作簡便、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，為實(shí)現(xiàn)腦壓實(shí)時動態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支撐。

一、測量裝置原理分析

（一）腰椎穿刺恒壓模擬裝置

恒壓裝置示意圖如圖1所示，基于伯努利方程的原理，將雙玻璃管嵌入密封玻璃瓶建立恒壓環(huán)境，雙玻璃管垂直嵌入橡膠塞形成一定高度差，同時滿足液面高于直玻璃管A端，通過調(diào)節(jié)高度差Δh 可以模擬腦脊液的壓力環(huán)境，將穿刺針刺入L型玻璃管D端，模擬腦脊液采樣環(huán)境。通過測量高度差實(shí)現(xiàn)對于液體壓強(qiáng)的準(zhǔn)確測量。

（二）超聲探測裝置

結(jié)合超聲波的物理性質(zhì)和示波器測量技術(shù)，在液體滴落的過程中，利用示波器實(shí)現(xiàn)超聲探測信號的采集。由于液滴滴落時間較慢，探頭距離針頭端較近，且探測面也適當(dāng)縮小，保證每次只有一滴液滴進(jìn)入探測區(qū)域。液滴經(jīng)過探測區(qū)域引起的微擾信號比較微弱，當(dāng)信號發(fā)射端以36.28kHz（5V量程）的正弦波對液滴進(jìn)行探測時，接收端（5mV量程）識別得到的微擾信號最清晰。

（三）建立液滴滴速與模擬腦壓的標(biāo)度換算關(guān)系

當(dāng)一段恒壓的腦脊液在規(guī)則的圓柱形針管中恒長流動時，可近似看作為牛頓流體在其中做層流運(yùn)動，且在不同的生理病理狀態(tài)下腦脊液的粘滯系數(shù)η 相對穩(wěn)定[8]，在實(shí)驗(yàn)中可以看作是常數(shù)。對于同一個臨床采樣穿刺針，可將管道半徑r 與管道長度L 看作常數(shù)，根據(jù)泊肅葉定律：

可知體積流量Q 與腦脊液壓強(qiáng)ΔP 成正比，同時Q 與液體的滴速 成正比，且 與連續(xù)滴落的兩滴液滴時間間隔T0成反比。通過超聲探測數(shù)據(jù)提取液體滴落的時間間隔數(shù)據(jù)，對于測得的壓強(qiáng)隨液體滴落時間間隔的變化關(guān)系進(jìn)行一元線性回歸擬合，建立壓強(qiáng)和液體滴落時間間隔的標(biāo)度模型，擬合公式為：

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

（一）數(shù)據(jù)提取與降維處理

根據(jù)示波器測得的超聲探測信號，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的手段，對數(shù)據(jù)段進(jìn)行分割，利用隨機(jī)算法發(fā)現(xiàn)在0.05 s的區(qū)塊取值時最容易鑒別干擾信號，最終以0.05 s為區(qū)間分割數(shù)據(jù)塊，將分割后的數(shù)據(jù)塊與時間序列建立Matlab的Cell子集。

異常值是位于數(shù)據(jù)系列中的極端值，當(dāng)液滴經(jīng)過時信號會受到干擾，產(chǎn)生一段異常的信號區(qū)間。利用方差計(jì)算，對響應(yīng)的區(qū)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)降維[9]，使得區(qū)塊的方差信息與時間序列建立關(guān)系。

通過利用箱式圖進(jìn)行正態(tài)區(qū)間的統(tǒng)計(jì)分析，在95%置信區(qū)間外清洗出異常的區(qū)間數(shù)據(jù)塊，并將降維后的數(shù)據(jù)塊與時間序列建立關(guān)系得到如圖2所示的結(jié)果，相鄰異常區(qū)塊間的時間間隔即液滴之間的時間間隔T0，測量精度為0.05 s。

（二）壓強(qiáng)和時間間隔標(biāo)度關(guān)系曲線建立求解與分析

通過調(diào)整雙玻璃管高度差改變液體壓強(qiáng)，并利用臨床常用的通用穿刺針和麻醉穿刺針在恒壓裝置中對液體進(jìn)行采樣。如圖3所示，對于液體壓強(qiáng)隨液體滴落時間間隔的變化關(guān)系進(jìn)行線性擬合，圖中的紅色實(shí)線為擬合曲線。

擬合結(jié)果如表1所示，兩種穿刺針條件下的標(biāo)度模型擬合相關(guān)系數(shù)R 2 均為0.98，表明標(biāo)度曲線的擬合度較好。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別采用本文的實(shí)驗(yàn)裝置和臨床腦壓計(jì)，對五組不同高度差下的液體壓強(qiáng)進(jìn)行測量，在實(shí)驗(yàn)過程中，本文的實(shí)驗(yàn)裝置需要測量5滴液體滴落的時間間隔，而臨床腦壓計(jì)需要抽取一整管約2ml的液體。最終，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與游標(biāo)卡尺測量高度差計(jì)算得出的壓強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)進(jìn)行比較，如圖4（A）所示。

比較本文實(shí)驗(yàn)裝置與臨床腦壓計(jì)的測量結(jié)果相對誤差，如圖4（B）所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置測量壓強(qiáng)的相對誤差均小于1%，穩(wěn)定性較高，優(yōu)于臨床腦壓計(jì)的測量結(jié)果。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文提出了一種基于超聲傳感器的腦脊液壓強(qiáng)快速檢測裝置。該裝置通過恒壓裝置和穿刺針模擬了腦脊液的恒壓采樣環(huán)境，利用超聲傳感器測量液體滴落的時間間隔，在采樣極少量液體樣本的條件下，通過建立壓強(qiáng)與時間間隔標(biāo)度模型實(shí)現(xiàn)對壓強(qiáng)的快速且精準(zhǔn)的測量。與臨床腦壓計(jì)的測量結(jié)果相比，本裝置準(zhǔn)確度高，相對誤差僅有傳統(tǒng)測壓方式的1/6左右，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，所需樣本少、操作簡便等優(yōu)勢，能有效改善臨床測壓操作時面臨的實(shí)際問題，具有良好的應(yīng)用前景。