基于超聲傳感器的腦脊液壓強快速檢測裝置設計

【關鍵字】超聲傳感器；示波器；Matlab；壓強測量

引言

腦壓是與腦組織、腦脊液、血液保持恒定的顱內壓力，是反映顱內壓變化的重要參數，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測量腦脊液壓強來監測腦壓，同時利用三通轉接頭，實現了在抽取液體的同時能夠實時測壓，且準確度得到提高[2]，但腦壓計測量壓強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的損傷，感染風險較大。

目前，液體壓強常用的測量方法有：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雜，對壓強的變化不能進行實時測量；壓力傳感器測量法響應速度快，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，近年來在醫學領域應用尤為突出[7]。本文結合超聲波測壓法的優勢提出一種新型腦脊液壓強測量方案，采用雙玻璃管構成的恒壓裝置和穿刺針模擬腦脊液恒壓采樣環境，并利用該裝置在不同壓強下進行液體滴落時間間隔的測量，完成壓強與時間間隔標度關系模型的建立。同時，利用超聲傳感器探測液體滴落的時間間隔，通過示波器進行信號采集，并將信號導入Matlab軟件進行處理和分析，在采樣極少量液體樣本的條件下實現壓強的快速檢測。該測量裝置的操作簡便、準確度高、穩定性強，為實現腦壓實時動態精準監測提供了有力的技術支撐。

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，通過調節高度差Δh 可以模擬腦脊液的壓力環境，將穿刺針刺入L型玻璃管D端，模擬腦脊液采樣環境。通過測量高度差實現對于液體壓強的準確測量。

（二）超聲探測裝置

結合超聲波的物理性質和示波器測量技術，在液體滴落的過程中，利用示波器實現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，且探測面也適當縮小，保證每次只有一滴液滴進入探測區域。液滴經過探測區域引起的微擾信號比較微弱，當信號發射端以36.28kHz（5V量程）的正弦波對液滴進行探測時，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度換算關系

當一段恒壓的腦脊液在規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動，且在不同的生理病理狀態下腦脊液的粘滯系數η 相對穩定[8]，在實驗中可以看作是常數。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，根據泊肅葉定律：

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

二、實驗數據與分析

（一）數據提取與降維處理

根據示波器測得的超聲探測信號，結合大數據處理計數與統計學的手段，對數據段進行分割，利用隨機算法發現在0.05 s的區塊取值時最容易鑒別干擾信號，最終以0.05 s為區間分割數據塊，將分割后的數據塊與時間序列建立Matlab的Cell子集。

異常值是位于數據系列中的極端值，當液滴經過時信號會受到干擾，產生一段異常的信號區間。利用方差計算，對響應的區塊進行數據降維[9]，使得區塊的方差信息與時間序列建立關系。

通過利用箱式圖進行正態區間的統計分析，在95%置信區間外清洗出異常的區間數據塊，并將降維后的數據塊與時間序列建立關系得到如圖2所示的結果，相鄰異常區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）壓強和時間間隔標度關系曲線建立求解與分析

通過調整雙玻璃管高度差改變液體壓強，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行采樣。如圖3所示，對于液體壓強隨液體滴落時間間隔的變化關系進行線性擬合，圖中的紅色實線為擬合曲線。

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

三、實驗結果

分別采用本文的實驗裝置和臨床腦壓計，對五組不同高度差下的液體壓強進行測量，在實驗過程中，本文的實驗裝置需要測量5滴液體滴落的時間間隔，而臨床腦壓計需要抽取一整管約2ml的液體。最終，將實驗結果與游標卡尺測量高度差計算得出的壓強作為標準壓強進行比較，如圖4（A）所示。

比較本文實驗裝置與臨床腦壓計的測量結果相對誤差，如圖4（B）所示，實驗結果表明，本裝置測量壓強的相對誤差均小于1%，穩定性較高，優于臨床腦壓計的測量結果。

四、實驗結論

本文提出了一種基于超聲傳感器的腦脊液壓強快速檢測裝置。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，通過建立壓強與時間間隔標度模型實現對壓強的快速且精準的測量。與臨床腦壓計的測量結果相比，本裝置準確度高，相對誤差僅有傳統測壓方式的1/6左右，具有穩定性強，所需樣本少、操作簡便等優勢，能有效改善臨床測壓操作時面臨的實際問題，具有良好的應用前景。