趙 明，魏秋旭，陳 健，陳德勇，王軍波*

（1.解放軍總醫(yī)院第四醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科，北京 100048；2.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

顱內(nèi)壓是診斷和治療顱內(nèi)疾病的重要觀測指標(biāo)。顱內(nèi)壓監(jiān)測是早期確診顱內(nèi)高壓最可靠的手段，也是評價顱腦外傷治療效果的可靠方法，已經(jīng)列入《中國顱腦創(chuàng)傷顱內(nèi)壓監(jiān)測專家共識》[1]。世界上主要的顱腦外科治療中心目前都在使用顱內(nèi)壓監(jiān)測指導(dǎo)顱腦外傷治療，及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測患者顱內(nèi)壓，對于臨床診斷病情和指導(dǎo)治療具有非常重要的意義[2-4]。

目前使用的顱內(nèi)壓監(jiān)測儀是顱內(nèi)壓力感應(yīng)器經(jīng)過導(dǎo)線與顱外的顯示儀相連，因此導(dǎo)線常常會造成顱內(nèi)出血、感染等并發(fā)癥，且外出行頭顱MRI及CT檢查不方便[5-7]。雖然目前有少數(shù)無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀器的專利和文獻報道[8-11]，但各種設(shè)計均未有詳細設(shè)計圖或相應(yīng)成品，表明這方面的研究還很不足。

本研究利用現(xiàn)有成熟的電磁感應(yīng)技術(shù)設(shè)計顱腦外傷早期可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀，避免常規(guī)監(jiān)測中因?qū)Ь€引起的各種常見并發(fā)癥，便于在早期顱腦創(chuàng)傷患者中使用，以期降低顱內(nèi)壓監(jiān)測并發(fā)癥引起的致殘和致死率。

1 可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀的組成和工作原理

可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀由植入顱腦內(nèi)的體內(nèi)傳感部分和體外儀表部分組成。體內(nèi)傳感部分通過外科手術(shù)的方式以膠囊形式植入顱腦內(nèi)，使尖端的壓力感受部分接觸腦組織，主要由敏感電容式壓力傳感器Cs和與體外便攜式儀表通信的感應(yīng)耦合電感線圈Ls串聯(lián)而成。體外儀表部分為手持便攜式，可隨時讀取顱內(nèi)壓力。整個監(jiān)測儀的工作原理如下：

通過體外的便攜讀數(shù)設(shè)備中的電感線圈LR通電，產(chǎn)生一個交變的電磁場，交變電磁場再通過電感線圈Ls耦合至LC壓力傳感器膠囊中。當(dāng)輸入的交變電磁場頻率和LC壓力傳感器膠囊本征頻率一致時，將在電感LR兩端產(chǎn)生共振峰。通過便攜式數(shù)據(jù)采集與處理單元，可以記錄共振峰頻率f。f和Ls與Cs有關(guān)，可以根據(jù)f計算出植入Cs的大小，從而推斷出顱內(nèi)壓力的大小。植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀的各組成部件設(shè)計

2.1 電容式壓力傳感器

正常顱內(nèi)壓力為70～200mmH2O（0.69～1.96kPa），為滿足臨床應(yīng)用對顱內(nèi)壓力檢測器件的要求，將壓力檢測范圍設(shè)定為0～5 kPa，最大誤差小于200 Pa，靈敏度越大越好，最大尺寸限制在5～10 mm范圍內(nèi)。針對上述設(shè)計要求，對MEMS（micro-electro-mechanical system）電容式壓力傳感器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電容式壓力傳感器采用矩形平行板電容器結(jié)構(gòu)，由上下2個極板構(gòu)成，如圖2所示。上極板為壓力敏感極板，下極板為固定極板，上下極板間形成密閉的空腔。當(dāng)顱內(nèi)壓力改變時，極板間距隨之改變，進而引起電容值的變化。

對電容式壓力傳感器完成結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化后，需要進行傳感器的制作。電容式壓力傳感器采用MEMS工藝制作而成，如圖2所示，上極板采用低阻硅作為壓力敏感膜，并采用深反應(yīng)離子刻蝕（deep reactive ion etching，DRIE）工藝在硅上刻蝕凹槽；下極板采用Pyrex 7740玻璃，與上極板硅片經(jīng)硅-玻璃陽極鍵合，形成密閉空腔，從而得到MEMS電容結(jié)構(gòu)。

圖2 電容式壓力傳感器工作示意圖

2.2 LC壓力傳感器膠囊

LC壓力傳感器膠囊采用兩段式結(jié)構(gòu)，由大徑部分和小徑部分組成（如圖3所示）。其中，大徑部分用于放置LC壓力傳感器膠囊內(nèi)的電感，置于顱部皮下，即頭皮和硬膜之間；小徑部分高度為30～50 mm，用于放置電容式壓力傳感器的壓力敏感電容，外部包裹生物相容性高、絕緣性強的硅膠，其直徑應(yīng)小于大徑部分直徑，以防LC壓力傳感器膠囊在豎直方向發(fā)生位移，以便將壓力敏感電容置于感測壓力最佳的深度。在放置壓力敏感電容處開一矩形窗口，以便壓力敏感電容與顱內(nèi)環(huán)境聯(lián)通感測顱內(nèi)壓力。

圖3 LC壓力傳感器膠囊結(jié)構(gòu)示意及實物圖

2.3 可貼式數(shù)據(jù)讀取單元

可貼式數(shù)據(jù)讀取單元由發(fā)射線圈與讀取線圈組成，采用柔性材料將讀取單元封裝起來，可貼在頭皮表面。發(fā)射線圈與脈沖發(fā)生器連接，讀取線圈與模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接。脈沖發(fā)生器經(jīng)發(fā)射線圈發(fā)射矩形脈沖激勵信號，通過感應(yīng)耦合將信號無線傳輸?shù)絃C壓力傳感器膠囊后，在LC壓力傳感器膠囊所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生衰減的振蕩信號，該振蕩信號再次通過感應(yīng)耦合將信號無線傳輸?shù)浇邮站€圈，接收線圈再將信號傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.4 便攜式數(shù)據(jù)采集與處理單元

便攜式數(shù)據(jù)采集與處理單元由基于現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）的可編程片上系統(tǒng)（system-on-a-programmable-chip，SOPC）、脈沖發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和上位機組成?；贔PGA的SOPC與脈沖發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及上位機連接，執(zhí)行上位機發(fā)出的控制命令，控制脈沖發(fā)生器發(fā)射脈沖激勵信號，處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字信號，運算得到LC壓力傳感器膠囊的諧振頻率，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機，上位機在接收到數(shù)據(jù)后通過諧振頻率與被測量值間的函數(shù)關(guān)系推算出被測量值，并實時顯示。

3 可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀的使用方法

步驟一：在需要監(jiān)測顱內(nèi)壓的患者中，選擇安全并便于監(jiān)測壓力的位置處切開頭皮和帽狀腱膜，對顱骨鉆孔，將LC壓力傳感器膠囊按照定位方向植入顱內(nèi)，小徑部分置于腦室或腦組織內(nèi)，大徑位于皮下可觸摸處，止血徹底后，將頭皮縫合，并在大徑位置處進行標(biāo)記，便于以后測量。

步驟二：術(shù)后需要測量顱內(nèi)壓時，在植入LC壓力傳感器膠囊位置的正上方頭皮處，粘貼可貼式數(shù)據(jù)讀取單元。

步驟三：將可貼式數(shù)據(jù)讀取單元連接便攜式數(shù)據(jù)采集與處理單元，即可實時顯示顱內(nèi)壓值，并進行記錄。監(jiān)測完成后，醫(yī)護人員將可貼式數(shù)據(jù)讀取單元和便攜式數(shù)據(jù)采集與處理單元斷開即可。

4 可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀體外仿真實驗

在體外壓力容器內(nèi)放入顱內(nèi)壓監(jiān)測儀，向壓力容器中注壓，使用上述方法測量可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀讀數(shù)，并描繪曲線。如圖4所示，標(biāo)定測試得到的傳感器靈敏度為45.174 Hz/kPa，中心諧振頻率為128 723 Hz，線性度為0.999 4，均與仿真結(jié)果十分接近。此外，體外檢測設(shè)備的頻率分辨力為18.75 Hz，與傳感器靈敏度相結(jié)合，顱內(nèi)壓監(jiān)測儀在-20～20 kPa的壓力范圍內(nèi)可實現(xiàn)415 Pa的壓力分辨力，能夠滿足顱內(nèi)壓力的檢測需求。

圖4 可植入式無線顱內(nèi)壓監(jiān)測儀體外仿真實驗結(jié)果

5 結(jié)語

雖然顱內(nèi)壓監(jiān)測已經(jīng)成為臨床診斷和治療顱內(nèi)疾病的重要指標(biāo)，但有創(chuàng)性和并發(fā)癥是限制其臨床應(yīng)用的主要因素。雖然近年來新型無創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測設(shè)備的研制不斷取得進步[12-14]，但目前仍無適合廣泛應(yīng)用于臨床的成品。本文的設(shè)計克服了傳統(tǒng)有線顱內(nèi)壓監(jiān)測的缺點，能降低并發(fā)癥的發(fā)生，便于臨床使用，有廣闊的應(yīng)用前景。雖然本設(shè)計在以前的研究基礎(chǔ)上已初制成品，但仍需要進一步的動物實驗來進行應(yīng)用前的驗證。