人颅骨电阻抗频率特性及其与解剖结构关系研究

在电阻抗断层成像(EIT)技术应用于脑部成像的研究中，颅骨的电阻抗对驱动电流的屏蔽效应非常严重，严重影响了成像效果(特别是中心区域)。本研究采用离体人颅骨，二电极法，用频响分析仪(Solartron 1255B)经电阻抗接口(Solartron 1294)，在0．1Hz～1MHz频率范围内进行测量，描记出颅骨电阻抗频响特性曲线，初步观察了颅骨电阻抗随时间变化的趋势，研究了颅骨解剖结构同其电阻抗之间的关系。结果表明：颅骨电阻抗幅值随时间明显增大；其特征频率应在10KHz附近，颅骨组织的解剖结构对颅骨电阻抗有重要的影响，含有板障层的厚颅骨由于颅骨内、外板中富含毛细血管的原因，其电阻抗较不含板障层的薄颅骨电阻抗小。本研究结果为解决颅骨高阻抗的屏蔽效应问题提供了可能的参考和依据。     

体外人脑胶质瘤电阻抗特性及等效电路

目的 研究人脑胶质瘤的电阻抗特性并建立其等效电路,可为进一步区分人脑胶质瘤和正常脑组织的阻抗特性差异提供依据.方法 利用英国Solartron公司的阻抗分析仪（1260）,采用四端法,在10 Hz ～ 10 MHz范围内,对4例体外人胶质瘤组织进行电阻抗测量.通过分析其频率特性并结合已有的人脑组织的等效电路,建立了体外胶质瘤的等效电路,利用阻抗分析软件Z-VIEW对其进行仿真.结果 体外人脑胶质瘤的阻抗模值在10 Hz～10 MHz范围内随频率的增大而下降,相位角在该范围内随频率的增大而增大.体外人脑胶质瘤组织在10 kHz ～ 10 MHz范围内电阻抗实部比较稳定,其中在10Hz～ 10 kHz范围内,实部随频率的增大而减小.电阻抗虚部在20 kHz ～ 10 MHz范围内较稳定,而在10Hz ～ 20 kHz范围内,虚部随频率增大而增大.样本的等效电路仿真曲线与实际曲线相比较,等效电路模型能较好地反映体外人脑胶质瘤的电阻抗特性.结论 体外人脑胶质瘤与已知的正常脑组织的电阻抗特性及等效电路差别明显,这为探索生物电阻抗技术应用于区别胶质瘤与正常脑组织的临床应用提供了研究基础.     

乳腺癌及周围组织电阻抗频谱特性与其病理学特征的研究

目的研究人体乳腺癌及其周围组织的电阻抗频谱特性，探究我国妇女乳腺组织电阻抗频谱特性的分布规律及其与病理学之间的关系。方法采用英国Solartron公司1255B型频率响应分析仪，在1Hz—1MHz频率范围内用四电极法离体测量组织电阻抗频谱特性。将每个测量标本做成病理切片用于观察比较。结果从测量数据看，乳腺癌与其周同组织电阻抗频谱特性差异显著，脂肪组织的电阻率最高，乳腺癌次之，腺体组织最低，而脂肪组织的特征频率最低．腺体组织次之．乳腺癌最高。从病理学分析看，乳腺组织病理状态不同则其电阻抗特性也存在差别。结论人体乳腺癌及其周围组织的电阻抗特性存在显著性差异，同时发现测量样本的病理状态不同，其电阻抗特性不同。     

家兔脑组织复电阻抗频率特性及其等效电路模型

目的：研究大脑组织的复电阻抗频率特性,分析缺血对大脑组织复电阻抗频率特性的影响,构建大脑组织的复电阻抗等效电路模型。方法：利用频响分析仪(1255B,英国Solartron公司),二电极测量法,对12只家兔正常、缺血状态大脑组织复电阻抗频率特性进行离体测量,脑缺血方法采用的是颈总动脉结扎法,等效电路模型分析采用阻抗分析软件(Zplot 2．1,英国Solartron公司),还经过脑组织病理学常规染色(HE染色)对脑缺血进行了验证。结果：在缺血脑损伤发生后,脑组织复电阻抗实部、虚部均明显增大,电阻率变化率受频率影响较小,但脑组织复电阻抗虚部频率特性未呈现出单峰走势,经软件分析得到了脑组织的复电阻抗等效电路模型。讨论：脑组织复电阻抗实部、虚部和电阻率变化率均可以作为成像变量;其复电阻抗等效电路模型显示整体脑组织的等效电路模型构成比较复杂,并非传统的生物组织三元件等效电路模型,在进一步的研究中应设法对各组织分别进行测量。     

急性脑创伤脑组织介电特性

目的：研究家兔急性脑创伤脑组织介电特性（相对介电常数和电导率），为微波脑损伤检测技术提供依据。方法：实验组10只家兔以0.8 MPa压强撞击家兔颅顶部，建立急性脑创伤模型。在致伤部位开颅骨窗，采用开端同轴探针法在500 MHz～3 GHz频段范围内对致伤后30、45、60、75、90、105 min脑创伤部位脑组织进行介电特性测量。对照组10只家兔不撞击，其他步骤与实验组相同。结果：相同时间相同频率下，急性脑创伤脑组织的相对介电常数和电导率大于正常家兔脑组织（P<0.01）。在相同时间，急性脑创伤脑组织和正常家兔脑组织的相对介电常数随频率的增加而减小，电导率随频率的增加而增大。在相同频率，急性脑创伤脑组织相对介电常数和电导率随时间的增加而增大，而正常家兔脑组织的相对介电常数和电导率随时间的增加而保持相对稳定。结论：急性脑创伤后脑组织的介电特性发生明显改变，表明基于组织电特性的微波检测技术应用于脑创伤检测监测具有可行性。     

人血液细胞介电谱的实验研究

在0．01～100MHz范围内，测量人血液细胞的介电谱，确立人血液细胞对交流电场的介电响应的数据特征。利用频域阻抗技术测量了正常人血液细胞交流阻抗，绘制细胞的介电常数和电导率与电场频率的关系曲线。建立了人血液细胞的介电谱和Cole—Cole图，明确了人血细胞的介电频响的数据特征。在射频电场中，人血液细胞的介电常数和电导率具有频率依赖性，表现为具有两个特征频率的介电弛豫：第一介电弛豫发生在fc。为1．42MHz，第二介电弛豫产生在fcz为3．32MHz。     

甲状腺良性病变组织介电特性研究

目的研究甲状腺良性病变组织的介电特性,为电阻抗扫描技术用于检测碘致甲状腺疾病提供理论依据。方法人体甲状腺组织试验标本来自40例甲状腺肿瘤切除术患者,其中男性19例,年龄25~57岁;女性21例,年龄36~53岁。从刚手术离体的甲状腺组织分离良性病变组织,利用自制测量系统,用阻抗分析仪Solartron 1294+Solartron1260、Agilent 4294测量上述组织10 Hz~10 MHz的电阻值和电抗值。做组织病理学诊断,通过建立数学模型等手段获得组织的电导率、介电常数、阻抗虚部、Cole曲线等参数。结果以40例甲状腺良性病变组织为研究对象,在所测频率范围内,甲状腺良性病变组织的介电特性反应良好,其中电导率为0.25~0.80 S/m。特征频率主要分布在3.18×104 Hz附近,该频率对应的虚部值为-63Ω·cm。结论介电特性可以反映甲状腺良性病变组织的功能信息,提示电阻抗扫描技术有望用于碘致甲状腺疾病检测领域。     

正常人血小板介电谱的实验研究

在100KHz～110MHz范围内,测量人血小板的介电谱,分析了人血小板对交流电场的介电响应的数据特征。利用频域阻抗技术首次测量了正常人血小板交流阻抗,绘制血小板的介电常数和电导率与电场频率的关系曲线。建立了人血小板的介电谱和Cole-Cole图,明确了人血小板的介电频响的数据特征。在射频电场中,人血小板的介电常数和电导率具有频率依赖性,血小板介电谱具有两个特征频率:第一特征频率fC1为6.66MHz,第二特征频率fC2为9.81MHz。     

正常人血小板射频段介电响应测量

目的在射频段测量正常人血小板介电谱,建立血小板对交流电场介电响应的数据特征。方法利用频域阻抗技术测量人血小板交流阻抗,经过介电谱、Cole-Cole图、介电损耗因子Δε”、导电率虚部Δκ”、介电损耗角正切Δtgδ等频谱,明确人血小板介电频响的数据特征。结果在射频电场中,人血小板的介电常数和电导率具有频率依赖性;血小板介电响应具有两个中心特征频率:第一中心特征频率fC1=6.66MHz,第二中心特征频率fC2=9.81MHz。结论交流阻抗技术能够测量血小板射频段介电响应。     

正常人血小板射频段介电响应测量

目的 在射频段测量正常人血小板介电谱,建立血小板对交流电场介电响应的数据特征.方法 利用频域阻抗技术测量人血小板交流阻抗,经过介电谱、Cole-Cole图、介电损耗因子△ε"、导电率虚部△κ"、介电损耗角正切△tgδ等频谱,明确人血小板介电频响的数据特征.结果 在射频电场中,人血小板的介电常数和电导率具有频率依赖性;血小板介电响应具有两个中心特征频率:第一中心特征频率fC1=6.66 MHz,第二中心特征频率fC2=9.81 MHz.结论 交流阻抗技术能够测量血小板射频段介电响应.     

三维有限元头颅模型参数及边界条件研究

目的 确定三维有限元模型材料阻尼参数，实现寰枕关节模拟。方法 对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载，分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力一时间曲线形态，确定模型采用的材料阻尼参数值。应用弹簧单元模拟寰枕关节，比较模拟前后，模型在冲击载荷下颅骨应力，确定弹簧单元参数。结果 不同颅骨材料阻尼条件下，额部冲击区域颅骨节点的von Mises应力曲线均无第2峰值，应力峰值随阻尼增大而逐渐降低，峰值出现时间后移，枕部颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著，在0．001—0．004之间颅骨应力曲线形态最佳。模拟寰枕关节，弹簧单元采用颅骨材料参数，在X、Y轴方向弹簧弹性系数10N／mm，Z轴方向的为20N／mm，颅骨应力曲线后期可下降。结论 颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响。模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响。采用三维弹簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力，模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影响较颅骨材料阻尼系数的影响小。     

国人头颅三维有限元模型有效性检验

目的检验国人头颅三维有限元模型有效性。方法依据Nahum头颅冲击尸体实验参数，对有限元模型加载额部冲击载荷，载荷位于正中矢状面上，由前向后，呈正弦波形，峰值6．8kN，时程15ms。计算分析头颅结构的力学响应。分析不同部位结构的应力改变。由应力值计算颅内压，对模拟计算结果与尸体实验测定结果进行比较。结果头颅不同结构的应力改变不同，由额、顶及枕部硬膜节点主应力计算出的颅内压时间曲线与尸体实验测定的颅内压曲线吻合。结论由硬脑膜节点应力计算所得的颅内压与尸体实验测定值吻合。该头颅三维有限元模型可用于头颅冲击的模拟计算，模型有效。     

颅骨的测量方法及其比较研究

目的:颅骨的测量是人体其他器官测量的基础,对研究人体器官的特征、类型、变异,规律等有重要的理论意义和实用价。方法:本文介绍了我们在对颅骨进行测量时所采用的几种方法,详细阐述了每种方法的试验原理和测量技术手段,并对几种测量方法进行了比较,指出了MATLAB在颅骨以及其他骨骼和器官的测量中应用的意义和可行性。结果:作者采用建模的方法对颅骨进行了分析同时在医学影像科研活动中引入了MATLAB仿真器官3D成像方法。结论:在传统的颅骨测量方法的基础之上提供了一套快速、便捷、准确的人体器官空间参量的科学采集手段和MATLAB三维成像技术。     

颅骨和硬脑膜随颅内压变化的粘弹性有限元分析

目的 颅内压对神经外科危重患者的手术时机起决定性作用,其测量方法的简单性、准确性、对患者较小创伤性都是神经外科临床和科研的重要研究方向.方法 提出一种通过测量颅骨应变可获得颅内压变化量的新思路,利用有限元软件ANSYS的粘弹性模型,对人体颅骨和硬脑膜随颅内压变化的相应应变进行了分析计算;分别建立了模拟颅腔的三维空心薄壳有限元模型,颅骨和硬脑膜的粘弹性模型;同时通过有限元软件分考虑与不考虑粘弹特性两种情况,对颅骨和硬脑膜随颅内压变化的应变进行对比.结果 考虑与不考虑粘弹性的颅骨和硬脑膜应变误差在14%左右,而颅骨和硬脑膜的粘性应变占总应变的40%.结论 通过在颅骨外表面粘贴应变片可以获得颅内压的变化量,微创颅内压应变电测法理论上可行,为进一步的临床应用提供了理论基础.     

中国人侧颅底区可视化研究

目的建立中国人体侧颅底区局部可视化数字模型，为该区疾病的影像学诊断及外科手术治疗提供数字形态学依据。方法应用我室建立的数字化可视人体数据集，采用体绘制及面绘制重建方法，分别在P4微机和SGI工作站上对侧颅底区重要结构进行计算机三维重建及立体显示。结果侧颅底区局部可视化数字模型能够清晰显示侧颅底各重要结构。本研究着重显示了侧颅底神经血管区、颞骨内结构、颈内动脉及其毗邻结构与侧颅底骨性组织的三维解剖关系。三维重建结构可以单独或联合显示，重建结构的任意径线及角度均可进行适时三维测量。结论我室建立的数字化可视人体数据集能够较好地重建侧颅底区可视化解剖模型，反映该区域重要解剖结构及其空间毗邻关系，该结果可应用于侧颅底外科手术辅助教学以及手术入路的辅助设计等。     

Heritability of human cranial dimensions: comparing the evolvability of different cranial regions

Quantitative craniometrical traits have been successfully incorporated into population genetic methods to provide insight into human population structure. However, little is known about the degree of genetic and non-genetic influences on the phenotypic expression of functionally based traits. Many studies have assessed the heritability of craniofacial traits, but complex patterns of correlation among traits have been disregarded. This is a pitfall as the human skull is strongly integrated. Here we reconsider the evolutionary potential of craniometric traits by assessing their heritability values as well as their patterns of genetic and phenotypic correlation using a large pedigree-structured skull series from Hallstatt (Austria). The sample includes 355 complete adult skulls that have been analysed using 3D geometric morphometric techniques. Heritability estimates for 58 cranial linear distances were computed using maximum likelihood methods. These distances were assigned to the main functional and developmental regions of the skull. Results showed that the human skull has substantial amounts of genetic variation, and a t -test showed that there are no statistically significant differences among the heritabilities of facial, neurocranial and basal dimensions. However, skull evolvability is limited by complex patterns of genetic correlation. Phenotypic and genetic patterns of correlation are consistent but do not support traditional hypotheses of integration of the human shape, showing that the classification between brachy- and dolicephalic skulls is not grounded on the genetic level. Here we support previous findings in the mouse cranium and provide empirical evidence that covariation between the maximum widths of the main developmental regions of the skull is the dominant factor of integration in the human skull.     

Conductivities of three-layer live human skull

Electrical conductivities of compact, spongiosum, and bulk layers of the live human skull were determined at varying frequencies and electric fields at room temperature using the four-electrode method. Current, at higher densities that occur in human cranium, was applied and withdrawn over the top and bottom surfaces of each sample and potential drop across different layers was measured. We used a model that considers variations in skull thicknesses to determine the conductivity of the tri-layer skull and its individual anatomical structures. The results indicate that the conductivities of the spongiform (16.2-41.1 milliS/m), the top compact (5.4-7.2 milliS/m) and lower compact (2.8-10.2 milliS/m) layers of the skull have significantly different and inhomogeneous conductivities. The conductivities of the skull layers are frequency dependent in the 10-90 Hz region and are non-ohmic in the 0.45-2.07 A/m² region. These current densities are much higher than those occurring in human brain.     

A hemisphere array for non-invasive ultrasound brain therapy and surgery

Ultrasound phased arrays may offer a method for non-invasive deep brain surgery through the skull. In this study a hemispherical phased array system is developed to test the feasibility of trans-skull surgery. The hemispherical shape is incorporated to maximize the penetration area on the skull surface, thus minimizing unwanted heating. Simulations of a 15 cm radius hemisphere divided into 11, 64, 228 and 512 elements are presented. It is determined that 64 elements are sufficient for correcting scattering and reflection caused by trans-skull propagation. An optimal operating frequency near 0.7 MHz is chosen for the array from numerical and experimental thermal gain measurements comparing the power between the transducer focus and the skull surface. A 0.665 MHz air-backed PZT array is constructed and evaluated. The array is used to focus ultrasound through an ex vivo human skull and the resulting fields are measured before and after phase correction of the transducer elements. Finally, to demonstrate the feasibility of trans-skull therapy, thermally induced lesions are produced through a human skull in fresh tissue placed at the ultrasound focus inside the skull.     

头部钝器损伤实验与仿真分析

目的　为了研究头部在钝器作用下的生物力学响应及损伤机理。 方法　利用CT图像数据和MRI图像数据对头部骨骼与内部软组织进行几何重建,然后画分网格,构建颅脑有限元模型。另一方面,对连于躯干的头部标本进行10 m/s的低速冲击,测试冲击部位接触力、顶部应变及冲击的对侧（枕部）加速度。把构建的有限元模型导入MADYMO软件进行相同条件下模拟仿真,从输出模块里输出相应部位的结果。 结果　仿真结果表明模型的头部接触力、顶部应变、对撞侧加速度与头部标本冲击实验测得值能较好吻合。 结论　建立的头部有限元模型及采用的仿真方法可满足头部钝器损伤的仿真研究需要。     

A non-invasive method for focusing ultrasound through the human skull

A technique for focusing ultrasound through the human skull is described and verified. The approach is based on a layered wavevector-frequency domain model, which propagates ultrasound from a hemisphere-shaped transducer through the skull using input from CT scans of the head. The algorithm calculates the driving phase of each transducer element in order to maximize the signal at the intended focus. This approach is tested on ten ex vivo human skulls using a 0.74 MHz, 320-element array. A stereotaxic reference frame is affixed to the skulls in order to provide accurate registration between the CT images and the transducer. The focal quality is assessed with a hydrophone placed inside the skull. In each trial the phase correction algorithm successfully restored the focus inside the skull at a location within 1 mm from the intended focal point. The results demonstrate the feasibility of using the method for completely non-invasive ultrasound brain surgery and therapy.