在神经内、外科,脑血肿和脑水肿都是很常见的危重病情,如果治疗不及时,都可能给病患造成严重的后果。目前,常规推荐用于大脑检测的方法,有CT、核磁共振成像等,都具有成像分辨率高等特点。但是这些方法都无法获取脑血肿和脑水肿的动态变化信息,且需要昂贵的检测设备、非常专业的操作人员、大量的时间,甚至还需要将病人移动到放射室,这会造成病患的不适和潜在的风险。因此临床需要一种新的无创、成本低廉、操作简便、设备可携带化、以及可安置在救护车上进行提前检测和临床实时监测的检测方法。目前,大脑无创检测的研究领域中,主要方法有近红外光谱技术、电阻抗断层成像技术和微波成像技术。但是近红外光谱技术的缺点是穿透深度不够,很难到达大脑深处;电阻抗断层成像的电流受到头骨的影响,造成其成像的精确度不够高;因为微波在大脑内部会发生非常复杂的散射和反射,所以在检测穿透大脑的微波信号时,需要数量较大且灵敏度高的天线阵列,另外复杂的重构算法,和较长的计算时间,都阻碍了微波断层成像技术的发展。上述的缺陷导致了这些技术研究多年始终未能应用在临床上。虽然微波断层成像受限于算法、计算能力等的缺点,但是微波具有高的频率分辨率、高敏感度和高精确度等特点,且基于微波的检测技术能够评估大脑的介电常数和导电率。大量研究表明,脑出血的血块的介电常数比大脑正常组织的介电常数大很多,脑水肿的病变部位的导电率和大脑组织的导电率也具有明显的差异,这对微波检测技术检测脑血肿和脑水肿提供了理论依据。另外,介电常数和导电率也能够反应重要的颅内生理病理信息,所以对这两个参数的检测,也是为临床提供了一个全新的视角来观察大脑疾病。所以研究检测大脑介电常数和导电率的检测方法具有重大的研究意义。鉴于微波检测技术的缺点和优势,本文在国家自然基金重点项目(批准号:11532004)的支持下,研究一种新的基于微波技术的大脑检测方法。该方法将大脑视为一个整体而进行检测,避免了复杂的重构算法和需要消耗大量运算时间,充分发挥微波技术的高敏感度和高精确度的特点。本研究的研究步骤如下:(1)设计同轴线耦合圆柱型波导的传感器,大尺寸的圆柱型波导能将大脑罩住,微波进入大脑后的散射和反射信号都能够被波导全部接收,提高了检测结果的精确度。(2)利用软件HFSS进行电磁场有限元仿真,利用仿真结果定性的观察该检测方法是否具有检测大脑介电常数的可行性;优化检测传感器中同轴线内径的尺寸和形状,使微波传感器能够达到最佳工作状态;根据仿真结果的电磁场的分布,为后续的理论公式的推导指明方向。(3)为了能够准确、方便、有效的对检测装置进行评估,通过3d打印技术,研制出能够模拟脑水肿和脑血肿的介电特性的物理模型。(4)基于本文提出的检测装置,对介电常数计算公式进行理论推导,并通过本文提出的检测装置对3d脑血肿物理模型进行实验检测,通过对比检测结果和理论值,评估本文提出的检测装置和方法对介电常数检测的灵敏度和精确度。(5)对导电率的计算公式进行理论推导,并对3d脑水肿物理模型进行实验检测,对比检测结果和理论值,进而评估该检测装置和方法对导电率检测的灵敏度和精确度。本文主要成果如下:(1)提出一种新型的微波传感器,用于检测大脑的介电特性。在当前的科研和临床中,利用微波检测整体组织的介电常数的方法主要是透射法和反射法,但是透射法只能根据检测得到的幅值和相位对被测样本进行定性分析,无法得到准确的介电常数和导电率的值;而反射法的检测范围较小,只能检测局部组织的介电参数,无法全面的评估大脑的情况。本检测传感器由同轴线和圆柱型波导组成,微波信号的发生、检测和显示部分采用矢量网络分析仪。在圆柱型波导和大脑之间采用一种匹配介质填充,用以减少微波在大脑和空气的交界面上的反射。微波从同轴线耦合进入圆柱型波导,然后通过研究波导内部的电磁场和人体大脑的相互影响以评估大脑的介电常数和导电率。根据软件hfss的有限元仿真结果确定了同轴线内导体的形态和尺寸,使其达到最佳工作状态。(2)提出一种新的基于3d打印技术的模拟脑水肿、脑血肿的介电特性的物理模型。目前用于电磁波研究的物理模型都是单层单一材料模型,无法有效地模拟出大脑组织复杂的结构形态。而采用相同大脑尺寸的动物模型具有成本高、制作难度大、难以精确控制模型介电参数等缺点。本文采用的基于3d打印技术的模拟大脑的介电性能的物理模型,能够模拟大脑多层结构、非均匀电介质的特点,且能够模拟出大脑灰质、白质和病变部位的结构形态、介电常数和导电率等参数。该物理模型具有制作方便、成本低,能够精确控制各项参数和结构形态的特点,能应用于各种研究大脑介电参数的领域。本研究采用这种物理模型进行检测实验,并对检测装置和方法进行评估。(3)提出与该检测装置相匹配的计算介电常数的两种方法。方法一,在频域上,从幅值对应频率的s11波形图上,可以观察到随着脑血肿血块的增大,即大脑介电常数也变大,检测得到的共振频率则向左偏移。结合电磁学波导理论和边界条件,推导出根据共振频率计算相对介电常数的理论公式。方法二,在时域上,检测得到的幅值对应时间的s21波形图上,两个波峰之间相距的长短可以理解为波群在圆柱型波导内传播固定距离所需要的时间。当大脑介电常数发生改变时,前两个峰值相距的时间长短也随着改变,即微波在波导内传播的时间发生改变,进而可以求得波群在波导内的传播速度。结合波群在圆柱型波导内传播速度的理论,推导出大脑相对介电常数与波群在波导内速度的关系。(4)提出与该检测装置相匹配的计算导电率的两种方法。方法一,随着脑水肿程度的加深,导电率增大,波导内电阻抗所造成的损耗也会增大。从检测得到幅值对应频率的S21波形图上,可以观察到随着导电率的增大,共振波峰的幅值会变小,波峰从尖锐逐渐变得平滑。结合共振腔品质因数的计算方法,推导出根据有载品质因数计算被测大脑导电率的理论公式。方法二,在时域上的幅值对应时间的S21波形图上,也可以观察到微波在波导内传播同样的距离幅值损耗会增大,进而可以推导出微波传播固定距离的损耗与导电率的理论关系。最后,利用本文提出的检测装置和方法对脑血肿、脑水肿物理模型进行检测,对比实验检测结果与真实值,可以发现根据实验结果计算的介电常数和导电率与对应的真实值能够吻合,验证了理论公式的正确性。对比结果还表明,本文提出的大脑介电常数和导电率的检测方法具有很高的准确性,特别是在利用频域下的理论计算公式检测介电常数的误差小于0.645%,利用时域下的理论计算方法监测大脑导电率的变化量时,其最大误差为1.821%。本文提出的微波传感器对于大脑物理模型中介电常数和导电率的变化也非常敏感,本研究实验中该检测装置成功检测到血肿体积1毫升变化。理论上,因为微波相关仪器对频率具有非常高的分辨率,所以该检测装置还有潜力达到更高的检测精度和灵敏度。综上所述,本文提出一种具有高灵敏度和高精确度的,能够评估大脑介电常数和导电率的检测装置和方法,该检测装置和方法有潜力应用在临床进行持续性监测和在救护车上进行提前检测,对加强临床护理质量和提高治疗效果有着重要的意义。