脑神经活动微波探测的模拟实验及安全性分析

郑超继， 姜 兴， 李小明， 彭 麟， 安虹瑾， 耿 喆

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

近年来，脑神经活动探测取得了巨大的进步。目前检测大脑活动的技术主要有：脑电图分析、功能核磁共振成像、正电子发射断层扫描等，各种脑神经活动的探测技术都有着各自的优势与不足。与常规的探测方法不同，脑神经活动微波探测将大脑活动与穿过兴奋区时变媒质的电磁波相位变化联系起来，从新的角度来诠释大脑活动。大脑组织作为特殊的电磁媒质，在大脑处于兴奋活动状态时，由于神经细胞内外液离子移动等因素，导致兴奋区组织的电参数会随之改变[1]，在微波经过该区域后，透射波的相位也会随之改变，通过对透射波相位变化的检测可以获取大脑活动的信息。

为此，从脑神经活动微波探测的理论分析出发，通过仿真分析及模拟实验2个方面说明传输系数的相位可作为脑神经活动微波探测的表征。

1 脑神经活动微波探测原理

在大脑兴奋的脑功能区，由于神经细胞内外液离子移动等因素会导致其介电常数与电导率处于时变状态。采用3层平面模型对大脑复杂结构进行近似的简化处理，分析微波与兴奋区电磁响应过程中的相位关系。层状大脑模型如图1所示。

图1 层状大脑模型

假设入射波为垂直入射，传播方向沿着+z方向，头部组织与灰质交界面处为零点，根据电磁场理论可知[2]，透射波电场Et可表示为

Et=EiT1T2e-jγ3(z-d)。

(1)

φS21=Arg(S21)=f(σi,εr,i,ω,d)。

(2)

由式(2)可知，透射波的相位变化可由传输系数的相位来衡量，其大小主要受微波源工作频率、电磁波传播路径以及大脑组织的电参数3个因素的影响。当电磁波收发路径及工作频率固定时，透射波的相位仅与生物组织的介电常数相关[3]。

2 改变灰质介电常数对传输系数影响的仿真分析

由于大脑活动会导致兴奋区介电常数变化，在三维人体组织医学电磁仿真软件Sim4life中，通过改变人头模型大脑灰质的介电常数来模拟大脑神经活动，采用介质匹配天线作为收发天线进行传输系数的仿真分析。介质匹配天线在仿真设计时考虑了辐射环境，能够与人体头部组织良好匹配，比传统天线具有更好的传输性能，其工作频带覆盖了ISM频段[4]。仿真示意图如图2所示。收发天线位于高精度人头模型[5]的左、右颞部，天线中心与大脑中心对齐，工作频率为2.45 GHz，匹配介质的电参数与头部皮肤相同。

图2 仿真示意图

大脑灰质介电常数εr的变化量分别为Δεr=±3、±6、±9、±12(正号为增加，负号为减小)，改变灰质介电常数对传输系数的影响如表1所示。传输系数的变化量定义为：

Δ|S21|=|S21|(εr+Δεr)-|S21|(εr)；

(3)

ΔφS21=φS21(εr+Δεr)-φS21(εr)。

(4)

其中：Δ|S21|为传输系数幅值的变化量；ΔSφ21为传输系数相位的变化量。

表1 改变灰质介电常数对传输系数的影响

从表1可看出：当灰质介电常数增加(Δεr取正号)时，随着Δεr由+3增加到+12，Δ|S21|先增加后减小；当灰质介电常数减小(Δεr取负号)时，随着Δεr的增加，Δ|S21|由0.368 dB增加到1.365 dB。然而，在相同的介电常数增量下，ΔφS21由1.092°(0.185°)单调增加到10.300°(6.250°)，并未出现先减小后增加的现象。除此之外，在Δεr相同时，ΔφS21大于Δ|S21|，因此，与传输系数的幅值相比，传输系数的相位更适合作为脑神经活动微波探测的表征。

3 模拟实验

由于大脑结构的复杂性和差异性，在模拟实验中，对大脑模型进行简化处理，使用模拟材料配制与大脑组织电参数相近的模拟组织。模拟组织包括2个部分：1)聚乙二醇(PEG 400)水溶液，用于模拟头部组织；2)葡萄糖-水明胶型模拟组织，用于模拟大脑灰质。

PEG和水按照6∶4的比例配制头部组织的模拟组织，使用Speag DAKs-3.5介电常数测量仪测得其介电常数为33.67，电导率为0.5 S/m，其介电常数接近2～8 GHz人头部各组织电参数的均值[6]。不同样本的葡萄糖-水明胶型模拟组织对应的材料成分如表2所示。

表2 各样本对应的材料成分

同样使用DAKs-3.5对模拟组织介电常数和电导率进行测量，其电参数曲线如图3所示，其中样本0为大脑灰质电参数的理论值。从图3可看出，在1～5 GHz，35%葡萄糖、63%水和2%明胶(样本2)组成的模拟组织的介电常数与灰质介电常数的理论值较接近，其误差最大不超过10%；在1～2 GHz，模拟组织的电导率与理论值相差较大，但在较高的频段(2～5 GHz)，模拟组织的电导率接近灰质电导率的理论值，其误差不超过5%。另外，对于葡萄糖-水明胶型的模拟组织，不同样本模拟组织的电导率的差异很小，且在2～5 GHz都接近理论值。因此，在改变成分时，其电导率的变化量很小，主要是介电常数变化，在进行大脑灰质介电常数变化的模拟实验中，可以减小电导率变化对实验结果造成的影响，因此，实验选用葡萄糖-水明胶混合液作为大脑灰质的模拟组织。

图3 葡萄糖-水明胶型模拟组织的电参数曲线

图4 模拟实验装置

在PEG水溶液中植入不同样本的模拟组织来模拟大脑灰质介电常数的变化，使用介质匹配天线作为收发天线搭建传输系统，并使用矢量网络分析仪测量不同植入样本情况下传输系数的相位。模拟实验装置如图4所示。盛放PEG水溶液的容器尺寸为160 mm×160 mm×250 mm；试管规格为φ20 mm×180 mm，用于盛放葡萄糖-水明胶型模拟组织。使用双面泡棉胶将天线紧贴于大容器壁，在容器中倒入PEG水溶液，直至将收发天线浸没。矢量网络分析仪为发射天线提供微波源，在试管中加入不同样本的大脑灰质模拟组织(代表不同介电常数的脑功能区)，将试管放入收发天线之间。注意在放置试管时动作要轻缓，避免引起铁架台的移动。在PEG水溶液液面平静时，记录传输系数的相位及幅值。

实验结果如表3所示。在f=2.45 GHz时，大脑灰质的介电常数为48.99，样本3在2.45 GHz的介电常数与大脑灰质接近(相差0.48)，以样本3为传输系数幅值与相位的基准，对其他样本进行分析，结果如表4所示。从表4可看出：对于样本4，其介电常数比样本3减小了3.37，此时其传输系数幅值的变化量为0.26 dB，相位变化量为3.01°；对于样本2，其介电常数比样本3增加了2.65，其传输系数幅值的变化量为0.33 dB，相位变化量为0.68°；对于样本1，其介电常数比样本3增加了5.89，其传输系数幅值的变化量为1.39 dB，相位变化量为3.48°。由结果分析可知，在相同的收发频率下，随着大脑灰质模拟组织介电常数的变化量的增加，传输系数相位的变化量也随之增加，其变化趋势与仿真结果相同，且传输系数相位的变化量较幅值的变化量更大。综上所述，传输系数的相位可作为微波脑神经活动探测的表征。

表3 模拟实验结果

表4 各样本传输系数幅值与相位的变化量(以样本3为基准)

4 安全性分析

在进行脑神经活动微波探测实验时，由于人体头部会受到电磁波的持续照射，需要对检测的安全性进行评估。利用Sim4life软件和高精度人头模型，对人脑内的比吸收率(specific absorption rate，简称SAR)分布进行仿真分析。微波源工作频率为2.40～8.00 GHz，发射功率为10 dBm，仿真示意图如图2所示。不同频点处，人脑内每1 g和每10 g组织的SAR峰值的结果及SAR的安全限值[7]如表5所示。

从表5可看出，每1 g的SAR峰值大于每10 g的SAR峰值。天线工作频率由2.45 GHz变化到8 GHz时，大脑内1 g的SAR峰值由2.740 W/kg增加到7.190 W/kg，大脑内10 g的SAR峰值由0.653 W/kg增加到0.917 W/kg。虽然大脑内1 g的SAR峰值高于电磁暴露安全限值，但由于匹配介质的存在，使得SAR峰值不会出现在人头部的表层组织处，即人体头部表层组织的SAR值低于仿真得到的SAR峰值。另外，当存在接收天线时，其金属材料对绕射和透射电磁波的反射，使得人脑内SAR峰值稍有增加(约1%)。为了保证后续探测实验的安全性，将天线的发射功率降为5 dBm，仿真结果如表6所示。在工作频率f>4 GHz时，1 g的SAR峰值均低于安全限值。因此，在天线工作频率低于4 GHz时，5 dBm的发射功率符合安全标准；在探测选用的天线工作频率较高时(f>4 GHz)，应减小天线的发射功率，以保证实验的安全性。

表5 不同工作频率下大脑的SAR峰值 W/kg

表6 发射功率为5 dBm的SAR峰值 W/kg

5 结束语

仿真分析了大脑灰质介电常数对传输系数的影响。仿真结果表明，随着灰质介电常数的变化量由3增加到12，传输系数相位的变化量由1.092°(0.185°)单调增加到10.300°(6.250°)。搭建了应用于脑神经活动微波探测的模拟实验平台，通过在PEG水溶液中植入不同样本的葡萄糖-水明胶型模拟组织来模拟大脑灰质介电常数的变化。实验结果表明，随着样本介电常数变化量的增加，传输系数相位的变化量也随之增加，实验结果与仿真结果基本相符，因此，传输系数的相位可作为脑神经活动微波探测中的表征。根据安全性分析，限定了探测天线的发射功率，在工作频率f>4 GHz时，天线的发射功率应低于5 dBm。