利用近紅外光譜技術實時監測與評估大鼠顱腦損傷脫水治療效果。采用Feeney's自由落體法建立大鼠顱腦損傷模型,然后使用不同劑量甘露醇進行脫水治療,并采集傷后及治療過程中優化散射系數(μ's)和顱內壓(ICP)的值。結果顯示,傷后1 h大鼠腦組織發生水腫,傷后72 h左右達到峰值,之后開始逐漸減小。注射甘露醇的治療組μ's與ICP值在給藥后均下降,大劑量甘露醇(2 g/kg)平均下降幅度大,平臺期持續時間長,總體下降情況更為明顯。由此我們得到結論:μ's和ICP的變化趨勢一致,可以代替ICP作為監測腦水腫的參數。
引用本文： 賈玉梅, 錢志余, 李韙韜, 謝捷如. 顱腦損傷脫水治療近紅外實時監測與評估研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 861-864,874. doi: 10.7507/1001-5515.20140162 復制
引言
創傷性腦水腫繼發于顱腦損傷，可引起顱內壓(intracranial pressure,ICP)增高，甚至形成腦疝危及生命，因此它的防治非常重要[1-3]。脫水劑(甘露醇)是目前常用的治療創傷性腦水腫的藥物[4]，給藥劑量和時間尚無統一標準[5]，需要進一步探索，其中治療效果的實時評估是其中的關鍵技術。目前監測腦水腫主要分為無創和有創監測。無創主要通過計算機斷層掃描技術(computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等實現，但價格昂貴且不能動態監測。微創主要采用監測ICP的方式[6-8]，是目前的金標準，但創傷感染繼而產生并發癥的概率高。因此，尋找一種更好的無創實時監測技術是腦損傷評估的關鍵。
近紅外光譜技術可以無損或微創監測生物組織參數[8-10]，為顱腦損傷的實時監測提供了可能。人體組織是一種近似光學渾濁的介質，近紅外波段(780～2 526 nm)的光可以穿透一定厚度的組織，不同組織成分在該波段光學性質不同。可以通過檢測組織近紅外光學參數來研究組織的生物學特性。近紅外光射入人體組織后，在組織表面和組織中發生散射和吸收，描述上述作用的光學參數分別為優化散射系數(μ′s)和吸收系數(μs)，它們表示光子被散射和吸收發生的頻率，或者單位路徑內，光子因散射和吸收而損失的光能量的比率。在高散射介質的腦組織中μ′s大于μs，更穩定且更敏感。μ′s與腦組織的物質組成與含量有關，當腦組織中水分含量變化時，腦組織對光的散射特性也會出現變化，μ′s會相應地發生變化。
本實驗通過采集μ′s與ICP的值來反映大鼠顱腦創傷后腦水腫的變化以及使用脫水劑(甘露醇)后對腦水腫的治療效果，為腦水腫的有效診斷和治療提供幫助。
1 材料與方法
1.1 實驗設備
生物組織光學參數的采集與分析使用本實驗室自主研發的微創生物組織光學參數采集與分析系統，系統組成如圖 1所示。該系統把入射光纖和接收光纖平行放入直徑為毫米級別的圓柱形探頭中，將這種光纖探頭放入被測活體組織來檢測μ′s。
圖1
微創生物組織光學參數采集與分析系統
1.鹵素光源(HL-2000,OceanOpticsInc)； 2.Y型光纖微創探頭；3.光纖光譜儀(USB2000,OceanOpticsInc)；4.計算機；5、6.步進電機控制系統(7604 stepper National Instruments)；7.光纖探頭截面
Figure1. Optical data acquisition and analysis system of minimally invasive tissue1. halogen light source(HL-2000,OceanOpticsInc); 2. Y-Optical fiber minimally invasive probe; 3. fiber optic spectrometer(USB2000,OceanOpticsInc); 4. computer; 5 & 6. stepper motor control system(7604 stepper National Instruments); 7. section of fiber optic probe
ICP檢測采用美國強生公司生產的Codman顱內壓監護儀。該監護儀采用光導纖維探頭，可以準確地監測大鼠的ICP。大鼠腦水腫實驗在小動物腦立體定位儀(江灣Ⅰ型)上進行，探頭進針通過步進電機控制系統實現。
1.2 腦損傷模型制作
用2%戊巴比妥(30 mg/kg)對大鼠腹腔注射麻醉，麻醉成功后將大鼠俯臥于小動物立體定位儀上，固定大鼠頭部，去毛、消毒，沿中線切開頭皮，暴露顱骨，用微型電鉆于中線旁右側3 mm，后眼角后10 mm，鉆直徑為4 mm的小孔，作為ICP檢測探頭(探頭直徑3 mm)入口；于該小孔中心后5 mm鉆直徑為1.5 mm的小孔，作為光纖探頭(探頭直徑1 mm，光纖直徑0.2 mm)入口，注意保護硬腦膜的完整。利用Feeney’s自由落體打擊裝置，產生600 g·cm的沖擊力打擊在腦中部顱骨上，造成大鼠顱腦中部挫裂傷，傷后用骨水泥封閉骨窗，縫合頭皮，待大鼠清醒后放回鼠籠喂養[11-12]。
1.3 實驗分組
為分析大鼠顱腦損傷后腦水腫的變化趨勢，選取SD大鼠60只，體重(250±20) g，雌雄不限，隨機分為對照組和創傷組，每組30只。創傷組按1.2節中介紹的方法致腦損傷；對照組僅切開頭皮、開骨窗，不致傷。創傷組和對照組分別于傷后1、6、24、72、120 h各取6只進行近紅外檢測和ICP檢測。
注：由于對照組不進行有創顱內壓檢測，而大鼠正常ICP為3～5 mm Hg[13-14]，取均值4 mm Hg為對照組ICP的參考值。
為分析不同劑量甘露醇對腦水腫的治療效果，另選取SD大鼠15只，體重(250±20) g，雌雄不限，隨機分為治療1組、治療2組和治療3組，每組5只。 對治療組按1.2節中介紹的方法致腦損傷1 h后，按分組依次給予尾靜脈注射0、0.25和2 g/kg甘露醇。自傷后每隔10 min進行連續6 h近紅外檢測和ICP檢測。
1.4 腦組織近紅外和ICP參數檢測方法
采用微創近紅外組織光學參數采集與分析系統進行近紅外參數檢測，利用步進電機使光纖探頭運動到顱骨下0.7 mm，即探頭緊貼在硬腦膜外，按照系統的軟件操作即可進行采集。
利用步進電機使ICP檢測探頭運動到硬腦膜下4 mm，即大鼠腦實質中，即可進行ICP檢測。
2 結果
2.1 120 h大鼠腦水腫監測結果
腦水腫大鼠腦組織μ′s值變化規律如表 1所示，表中每個時間點為6只大鼠測試均值。對照組的μ′s值穩定在8.64 cm-1附近。創傷組與對照組相比，μ′s值在傷后1 h升高了0.86 cm-1，但差異無統計學意義(P＞0.05)；傷后6 h，μ′s值升高了2.73 cm-1，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后72 h，μ′s值上升了7.42 cm-1，達到峰值16.06 cm-1，差異十分明顯(P＜0.01)；傷后120 h，創傷組腦水腫減輕，但仍明顯高于對照組(P＜0.01)。
表1
大鼠顱腦損傷1～120 h μ′s的變化情況(n=6，cm-1)
Table1.
μ′s of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,cm-1)
表2
大鼠顱腦損傷1～120 h ICP的變化情況(n=6,mm Hg)
Table2.
ICP of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,mm Hg)
腦水腫大鼠腦組織ICP值變化規律如表 2所示。創傷組與對照組相比，ICP值在傷后1 h升高了0.67 mm Hg，但差異無統計學意義(P＞0.05)；傷后6 h，ICP值升高了1.67 mm Hg，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后72 h，ICP值升高了5.33 mm Hg，達到峰值9.33 mm Hg，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后120 h，創傷組腦水腫減輕，但仍明顯高于對照組(P＜0.01)。
將各時間點測得的大鼠局部μ′s與ICP統計結果作線性回歸分析，結果如圖 2所示，數據擬合方程式(1)，R2=0.959 3，P＜0.01，兩參數間存在明顯的線性關系。
| $ICP=0.703\text{ }8~\mu {{\prime }_{s}}-1.972\text{ }5$ |
由此我們得到結論：μ′s和ICP的變化趨勢一致，可以代替ICP作為監測腦水腫的參數。
圖2
大鼠顱腦損傷1~120 h ICP與擬合曲線
Figure2.
ICP and fitting curve of 1~120 h traumatic brain injury in rats
2.2 脫水治療療效實時監測結果
圖 3是對大鼠傷后1 h使用不同劑量甘露醇脫水治療的實時變化曲線。治療1組(0 g/kg甘露醇)μ′s值呈線性增長。治療2組(0.25 g/kg甘露醇)μ′s值在給藥40 min后與治療1組差異有統計學意義(P＜0.05)，治療1.2 h后達到平臺期，平臺期持續時間約1 h，平均最大降幅為8.05%。治療3組(2 g/kg甘露醇)μ′s值在給藥20 min后與治療1組差異有統計學意義(P＜0.05)，治療1 h后達到平臺期，平臺期持續時間約2.5 h，平均最大降幅為12.27%。
圖3
注射不同劑量甘露醇情況下的μ′s值
Figure3.
μ′s of groups treated with different dosages of mannitol
圖 4是對大鼠傷后1 h使用不同劑量甘露醇脫水治療的ICP值變化曲線。治療1組(0 g/kg甘露醇)ICP值升高較快。注射甘露醇的大鼠在給藥后ICP值均下降，治療3組(2 g/kg甘露醇)比治療2組(0.25 g/kg甘露醇)ICP值平均下降幅度更大，平臺期的持續時間更長，總體下降情況更為明顯。
圖4
注射不同劑量甘露醇情況下的ICP值
Figure4.
ICP of groups treated with different dosages of mannitol
3 討論
通過監測120 h大鼠腦水腫和ICP值變化可以看出，兩者的變化趨勢一致，均在大鼠顱腦損傷后1 h有一定升高，表明大鼠在創傷后較短時間內產生腦水腫，均在傷后72 h左右達到峰值，之后開始逐漸減小。這一過程變化與以往的文獻[15]結果基本一致，說明μ′s與腦組織的組成有關[16]，并且經大鼠局部μ′s與ICP值擬合曲線看出，兩參數間存在明顯的線性關系，因此我們認為，μ′s可以作為監測腦水腫變化的指標。
大鼠進行脫水劑治療后，對μ′s和ICP的監測曲線進行分析。圖 3顯示在大鼠顱腦損傷1 h后，μ′s有一定的升高，這說明傷后1 h腦水腫已經開始產生。大劑量甘露醇(2 g/kg)治療20 min左右，μ′s開始降低，符合甘露醇的起效時間;μ′s在起效40 min后逐漸達到一個平臺期，該狀態維持了大約2.5 h，基本符合甘露醇的持續時間和失效時間;之后μ′s開始逐漸回升，表明甘露醇失效后，腦水腫情況又開始加重[17]。由圖 4可知，ICP變化基本可以反映甘露醇的治療效果，但是由于ICP檢測儀的靈敏度僅為1 mm Hg，不能精確反映腦水腫的變化情況。比較圖 3、4中μ′s和ICP隨時間的變化曲線可以得出，兩者的變化規律基本一致，但是μ′s的變化相對于ICP的變化更加精確，更有效地反映了脫水劑對腦水腫的治療效果。而且μ′s是硬腦膜外檢測，相對于ICP檢測，其創傷和感染等并發癥的概率很小，操作更加安全方便。
4 結論
本文利用近紅外光譜技術監測腦水腫大鼠皮質μ′s，獲得了大鼠顱腦創傷后腦水腫變化和兩種劑量的甘露醇對腦水腫的治療效果，與評價腦水腫程度的傳統指標ICP相比，μ′s可以更精確地反映腦水腫的變化，且創傷及感染等并發癥的概率很小，實驗操作簡單，是監測腦水腫和觀察甘露醇療效的良好指標。
引言
創傷性腦水腫繼發于顱腦損傷，可引起顱內壓(intracranial pressure,ICP)增高，甚至形成腦疝危及生命，因此它的防治非常重要[1-3]。脫水劑(甘露醇)是目前常用的治療創傷性腦水腫的藥物[4]，給藥劑量和時間尚無統一標準[5]，需要進一步探索，其中治療效果的實時評估是其中的關鍵技術。目前監測腦水腫主要分為無創和有創監測。無創主要通過計算機斷層掃描技術(computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等實現，但價格昂貴且不能動態監測。微創主要采用監測ICP的方式[6-8]，是目前的金標準，但創傷感染繼而產生并發癥的概率高。因此，尋找一種更好的無創實時監測技術是腦損傷評估的關鍵。
近紅外光譜技術可以無損或微創監測生物組織參數[8-10]，為顱腦損傷的實時監測提供了可能。人體組織是一種近似光學渾濁的介質，近紅外波段(780～2 526 nm)的光可以穿透一定厚度的組織，不同組織成分在該波段光學性質不同。可以通過檢測組織近紅外光學參數來研究組織的生物學特性。近紅外光射入人體組織后，在組織表面和組織中發生散射和吸收，描述上述作用的光學參數分別為優化散射系數(μ′s)和吸收系數(μs)，它們表示光子被散射和吸收發生的頻率，或者單位路徑內，光子因散射和吸收而損失的光能量的比率。在高散射介質的腦組織中μ′s大于μs，更穩定且更敏感。μ′s與腦組織的物質組成與含量有關，當腦組織中水分含量變化時，腦組織對光的散射特性也會出現變化，μ′s會相應地發生變化。
本實驗通過采集μ′s與ICP的值來反映大鼠顱腦創傷后腦水腫的變化以及使用脫水劑(甘露醇)后對腦水腫的治療效果，為腦水腫的有效診斷和治療提供幫助。
1 材料與方法
1.1 實驗設備
生物組織光學參數的采集與分析使用本實驗室自主研發的微創生物組織光學參數采集與分析系統，系統組成如圖 1所示。該系統把入射光纖和接收光纖平行放入直徑為毫米級別的圓柱形探頭中，將這種光纖探頭放入被測活體組織來檢測μ′s。
圖1
微創生物組織光學參數采集與分析系統
1.鹵素光源(HL-2000,OceanOpticsInc)； 2.Y型光纖微創探頭；3.光纖光譜儀(USB2000,OceanOpticsInc)；4.計算機；5、6.步進電機控制系統(7604 stepper National Instruments)；7.光纖探頭截面
Figure1. Optical data acquisition and analysis system of minimally invasive tissue1. halogen light source(HL-2000,OceanOpticsInc); 2. Y-Optical fiber minimally invasive probe; 3. fiber optic spectrometer(USB2000,OceanOpticsInc); 4. computer; 5 & 6. stepper motor control system(7604 stepper National Instruments); 7. section of fiber optic probe
ICP檢測采用美國強生公司生產的Codman顱內壓監護儀。該監護儀采用光導纖維探頭，可以準確地監測大鼠的ICP。大鼠腦水腫實驗在小動物腦立體定位儀(江灣Ⅰ型)上進行，探頭進針通過步進電機控制系統實現。
1.2 腦損傷模型制作
用2%戊巴比妥(30 mg/kg)對大鼠腹腔注射麻醉，麻醉成功后將大鼠俯臥于小動物立體定位儀上，固定大鼠頭部，去毛、消毒，沿中線切開頭皮，暴露顱骨，用微型電鉆于中線旁右側3 mm，后眼角后10 mm，鉆直徑為4 mm的小孔，作為ICP檢測探頭(探頭直徑3 mm)入口；于該小孔中心后5 mm鉆直徑為1.5 mm的小孔，作為光纖探頭(探頭直徑1 mm，光纖直徑0.2 mm)入口，注意保護硬腦膜的完整。利用Feeney’s自由落體打擊裝置，產生600 g·cm的沖擊力打擊在腦中部顱骨上，造成大鼠顱腦中部挫裂傷，傷后用骨水泥封閉骨窗，縫合頭皮，待大鼠清醒后放回鼠籠喂養[11-12]。
1.3 實驗分組
為分析大鼠顱腦損傷后腦水腫的變化趨勢，選取SD大鼠60只，體重(250±20) g，雌雄不限，隨機分為對照組和創傷組，每組30只。創傷組按1.2節中介紹的方法致腦損傷；對照組僅切開頭皮、開骨窗，不致傷。創傷組和對照組分別于傷后1、6、24、72、120 h各取6只進行近紅外檢測和ICP檢測。
注：由于對照組不進行有創顱內壓檢測，而大鼠正常ICP為3～5 mm Hg[13-14]，取均值4 mm Hg為對照組ICP的參考值。
為分析不同劑量甘露醇對腦水腫的治療效果，另選取SD大鼠15只，體重(250±20) g，雌雄不限，隨機分為治療1組、治療2組和治療3組，每組5只。 對治療組按1.2節中介紹的方法致腦損傷1 h后，按分組依次給予尾靜脈注射0、0.25和2 g/kg甘露醇。自傷后每隔10 min進行連續6 h近紅外檢測和ICP檢測。
1.4 腦組織近紅外和ICP參數檢測方法
采用微創近紅外組織光學參數采集與分析系統進行近紅外參數檢測，利用步進電機使光纖探頭運動到顱骨下0.7 mm，即探頭緊貼在硬腦膜外，按照系統的軟件操作即可進行采集。
利用步進電機使ICP檢測探頭運動到硬腦膜下4 mm，即大鼠腦實質中，即可進行ICP檢測。
2 結果
2.1 120 h大鼠腦水腫監測結果
腦水腫大鼠腦組織μ′s值變化規律如表 1所示，表中每個時間點為6只大鼠測試均值。對照組的μ′s值穩定在8.64 cm-1附近。創傷組與對照組相比，μ′s值在傷后1 h升高了0.86 cm-1，但差異無統計學意義(P＞0.05)；傷后6 h，μ′s值升高了2.73 cm-1，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后72 h，μ′s值上升了7.42 cm-1，達到峰值16.06 cm-1，差異十分明顯(P＜0.01)；傷后120 h，創傷組腦水腫減輕，但仍明顯高于對照組(P＜0.01)。
表1
大鼠顱腦損傷1～120 h μ′s的變化情況(n=6，cm-1)
Table1.
μ′s of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,cm-1)
表2
大鼠顱腦損傷1～120 h ICP的變化情況(n=6,mm Hg)
Table2.
ICP of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,mm Hg)
腦水腫大鼠腦組織ICP值變化規律如表 2所示。創傷組與對照組相比，ICP值在傷后1 h升高了0.67 mm Hg，但差異無統計學意義(P＞0.05)；傷后6 h，ICP值升高了1.67 mm Hg，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后72 h，ICP值升高了5.33 mm Hg，達到峰值9.33 mm Hg，差異有統計學意義(P＜0.01)；傷后120 h，創傷組腦水腫減輕，但仍明顯高于對照組(P＜0.01)。
將各時間點測得的大鼠局部μ′s與ICP統計結果作線性回歸分析，結果如圖 2所示，數據擬合方程式(1)，R2=0.959 3，P＜0.01，兩參數間存在明顯的線性關系。
| $ICP=0.703\text{ }8~\mu {{\prime }_{s}}-1.972\text{ }5$ |
由此我們得到結論：μ′s和ICP的變化趨勢一致，可以代替ICP作為監測腦水腫的參數。
圖2
大鼠顱腦損傷1~120 h ICP與擬合曲線
Figure2.
ICP and fitting curve of 1~120 h traumatic brain injury in rats
2.2 脫水治療療效實時監測結果
圖 3是對大鼠傷后1 h使用不同劑量甘露醇脫水治療的實時變化曲線。治療1組(0 g/kg甘露醇)μ′s值呈線性增長。治療2組(0.25 g/kg甘露醇)μ′s值在給藥40 min后與治療1組差異有統計學意義(P＜0.05)，治療1.2 h后達到平臺期，平臺期持續時間約1 h，平均最大降幅為8.05%。治療3組(2 g/kg甘露醇)μ′s值在給藥20 min后與治療1組差異有統計學意義(P＜0.05)，治療1 h后達到平臺期，平臺期持續時間約2.5 h，平均最大降幅為12.27%。
圖3
注射不同劑量甘露醇情況下的μ′s值
Figure3.
μ′s of groups treated with different dosages of mannitol
圖 4是對大鼠傷后1 h使用不同劑量甘露醇脫水治療的ICP值變化曲線。治療1組(0 g/kg甘露醇)ICP值升高較快。注射甘露醇的大鼠在給藥后ICP值均下降，治療3組(2 g/kg甘露醇)比治療2組(0.25 g/kg甘露醇)ICP值平均下降幅度更大，平臺期的持續時間更長，總體下降情況更為明顯。
圖4
注射不同劑量甘露醇情況下的ICP值
Figure4.
ICP of groups treated with different dosages of mannitol
3 討論
通過監測120 h大鼠腦水腫和ICP值變化可以看出，兩者的變化趨勢一致，均在大鼠顱腦損傷后1 h有一定升高，表明大鼠在創傷后較短時間內產生腦水腫，均在傷后72 h左右達到峰值，之后開始逐漸減小。這一過程變化與以往的文獻[15]結果基本一致，說明μ′s與腦組織的組成有關[16]，并且經大鼠局部μ′s與ICP值擬合曲線看出，兩參數間存在明顯的線性關系，因此我們認為，μ′s可以作為監測腦水腫變化的指標。
大鼠進行脫水劑治療后，對μ′s和ICP的監測曲線進行分析。圖 3顯示在大鼠顱腦損傷1 h后，μ′s有一定的升高，這說明傷后1 h腦水腫已經開始產生。大劑量甘露醇(2 g/kg)治療20 min左右，μ′s開始降低，符合甘露醇的起效時間;μ′s在起效40 min后逐漸達到一個平臺期，該狀態維持了大約2.5 h，基本符合甘露醇的持續時間和失效時間;之后μ′s開始逐漸回升，表明甘露醇失效后，腦水腫情況又開始加重[17]。由圖 4可知，ICP變化基本可以反映甘露醇的治療效果，但是由于ICP檢測儀的靈敏度僅為1 mm Hg，不能精確反映腦水腫的變化情況。比較圖 3、4中μ′s和ICP隨時間的變化曲線可以得出，兩者的變化規律基本一致，但是μ′s的變化相對于ICP的變化更加精確，更有效地反映了脫水劑對腦水腫的治療效果。而且μ′s是硬腦膜外檢測，相對于ICP檢測，其創傷和感染等并發癥的概率很小，操作更加安全方便。
4 結論
本文利用近紅外光譜技術監測腦水腫大鼠皮質μ′s，獲得了大鼠顱腦創傷后腦水腫變化和兩種劑量的甘露醇對腦水腫的治療效果，與評價腦水腫程度的傳統指標ICP相比，μ′s可以更精確地反映腦水腫的變化，且創傷及感染等并發癥的概率很小，實驗操作簡單，是監測腦水腫和觀察甘露醇療效的良好指標。
