利用近红外光谱技术实时监测与评估大鼠颅脑损伤脱水治疗效果。采用Feeney's自由落体法建立大鼠颅脑损伤模型,然后使用不同剂量甘露醇进行脱水治疗,并采集伤后及治疗过程中优化散射系数(μ's)和颅内压(ICP)的值。结果显示,伤后1 h大鼠脑组织发生水肿,伤后72 h左右达到峰值,之后开始逐渐减小。注射甘露醇的治疗组μ's与ICP值在给药后均下降,大剂量甘露醇(2 g/kg)平均下降幅度大,平台期持续时间长,总体下降情况更为明显。由此我们得到结论:μ's和ICP的变化趋势一致,可以代替ICP作为监测脑水肿的参数。
引用本文： 贾玉梅, 钱志余, 李韪韬, 谢捷如. 颅脑损伤脱水治疗近红外实时监测与评估研究. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(4): 861-864,874. doi: 10.7507/1001-5515.20140162 复制
引言
创伤性脑水肿继发于颅脑损伤，可引起颅内压(intracranial pressure,ICP)增高，甚至形成脑疝危及生命，因此它的防治非常重要[1-3]。脱水剂(甘露醇)是目前常用的治疗创伤性脑水肿的药物[4]，给药剂量和时间尚无统一标准[5]，需要进一步探索，其中治疗效果的实时评估是其中的关键技术。目前监测脑水肿主要分为无创和有创监测。无创主要通过计算机断层扫描技术(computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等实现，但价格昂贵且不能动态监测。微创主要采用监测ICP的方式[6-8]，是目前的金标准，但创伤感染继而产生并发症的概率高。因此，寻找一种更好的无创实时监测技术是脑损伤评估的关键。
近红外光谱技术可以无损或微创监测生物组织参数[8-10]，为颅脑损伤的实时监测提供了可能。人体组织是一种近似光学浑浊的介质，近红外波段(780～2 526 nm)的光可以穿透一定厚度的组织，不同组织成分在该波段光学性质不同。可以通过检测组织近红外光学参数来研究组织的生物学特性。近红外光射入人体组织后，在组织表面和组织中发生散射和吸收，描述上述作用的光学参数分别为优化散射系数(μ′s)和吸收系数(μs)，它们表示光子被散射和吸收发生的频率，或者单位路径内，光子因散射和吸收而损失的光能量的比率。在高散射介质的脑组织中μ′s大于μs，更稳定且更敏感。μ′s与脑组织的物质组成与含量有关，当脑组织中水分含量变化时，脑组织对光的散射特性也会出现变化，μ′s会相应地发生变化。
本实验通过采集μ′s与ICP的值来反映大鼠颅脑创伤后脑水肿的变化以及使用脱水剂(甘露醇)后对脑水肿的治疗效果，为脑水肿的有效诊断和治疗提供帮助。
1 材料与方法
1.1 实验设备
生物组织光学参数的采集与分析使用本实验室自主研发的微创生物组织光学参数采集与分析系统，系统组成如图 1所示。该系统把入射光纤和接收光纤平行放入直径为毫米级别的圆柱形探头中，将这种光纤探头放入被测活体组织来检测μ′s。
图1
微创生物组织光学参数采集与分析系统
1.卤素光源(HL-2000,OceanOpticsInc)； 2.Y型光纤微创探头；3.光纤光谱仪(USB2000,OceanOpticsInc)；4.计算机；5、6.步进电机控制系统(7604 stepper National Instruments)；7.光纤探头截面
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检测采用美国强生公司生产的Codman颅内压监护仪。该监护仪采用光导纤维探头，可以准确地监测大鼠的ICP。大鼠脑水肿实验在小动物脑立体定位仪(江湾Ⅰ型)上进行，探头进针通过步进电机控制系统实现。
1.2 脑损伤模型制作
用2%戊巴比妥(30 mg/kg)对大鼠腹腔注射麻醉，麻醉成功后将大鼠俯卧于小动物立体定位仪上，固定大鼠头部，去毛、消毒，沿中线切开头皮，暴露颅骨，用微型电钻于中线旁右侧3 mm，后眼角后10 mm，钻直径为4 mm的小孔，作为ICP检测探头(探头直径3 mm)入口；于该小孔中心后5 mm钻直径为1.5 mm的小孔，作为光纤探头(探头直径1 mm，光纤直径0.2 mm)入口，注意保护硬脑膜的完整。利用Feeney’s自由落体打击装置，产生600 g·cm的冲击力打击在脑中部颅骨上，造成大鼠颅脑中部挫裂伤，伤后用骨水泥封闭骨窗，缝合头皮，待大鼠清醒后放回鼠笼喂养[11-12]。
1.3 实验分组
为分析大鼠颅脑损伤后脑水肿的变化趋势，选取SD大鼠60只，体重(250±20) g，雌雄不限，随机分为对照组和创伤组，每组30只。创伤组按1.2节中介绍的方法致脑损伤；对照组仅切开头皮、开骨窗，不致伤。创伤组和对照组分别于伤后1、6、24、72、120 h各取6只进行近红外检测和ICP检测。
注：由于对照组不进行有创颅内压检测，而大鼠正常ICP为3～5 mm Hg[13-14]，取均值4 mm Hg为对照组ICP的参考值。
为分析不同剂量甘露醇对脑水肿的治疗效果，另选取SD大鼠15只，体重(250±20) g，雌雄不限，随机分为治疗1组、治疗2组和治疗3组，每组5只。 对治疗组按1.2节中介绍的方法致脑损伤1 h后，按分组依次给予尾静脉注射0、0.25和2 g/kg甘露醇。自伤后每隔10 min进行连续6 h近红外检测和ICP检测。
1.4 脑组织近红外和ICP参数检测方法
采用微创近红外组织光学参数采集与分析系统进行近红外参数检测，利用步进电机使光纤探头运动到颅骨下0.7 mm，即探头紧贴在硬脑膜外，按照系统的软件操作即可进行采集。
利用步进电机使ICP检测探头运动到硬脑膜下4 mm，即大鼠脑实质中，即可进行ICP检测。
2 结果
2.1 120 h大鼠脑水肿监测结果
脑水肿大鼠脑组织μ′s值变化规律如表 1所示，表中每个时间点为6只大鼠测试均值。对照组的μ′s值稳定在8.64 cm-1附近。创伤组与对照组相比，μ′s值在伤后1 h升高了0.86 cm-1，但差异无统计学意义(P＞0.05)；伤后6 h，μ′s值升高了2.73 cm-1，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后72 h，μ′s值上升了7.42 cm-1，达到峰值16.06 cm-1，差异十分明显(P＜0.01)；伤后120 h，创伤组脑水肿减轻，但仍明显高于对照组(P＜0.01)。
表1
大鼠颅脑损伤1～120 h μ′s的变化情况(n=6，cm-1)
Table1.
μ′s of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,cm-1)
表2
大鼠颅脑损伤1～120 h ICP的变化情况(n=6,mm Hg)
Table2.
ICP of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,mm Hg)
脑水肿大鼠脑组织ICP值变化规律如表 2所示。创伤组与对照组相比，ICP值在伤后1 h升高了0.67 mm Hg，但差异无统计学意义(P＞0.05)；伤后6 h，ICP值升高了1.67 mm Hg，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后72 h，ICP值升高了5.33 mm Hg，达到峰值9.33 mm Hg，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后120 h，创伤组脑水肿减轻，但仍明显高于对照组(P＜0.01)。
将各时间点测得的大鼠局部μ′s与ICP统计结果作线性回归分析，结果如图 2所示，数据拟合方程式(1)，R2=0.959 3，P＜0.01，两参数间存在明显的线性关系。
| $ICP=0.703\text{ }8~\mu {{\prime }_{s}}-1.972\text{ }5$ |
由此我们得到结论：μ′s和ICP的变化趋势一致，可以代替ICP作为监测脑水肿的参数。
图2
大鼠颅脑损伤1~120 h ICP与拟合曲线
Figure2.
ICP and fitting curve of 1~120 h traumatic brain injury in rats
2.2 脱水治疗疗效实时监测结果
图 3是对大鼠伤后1 h使用不同剂量甘露醇脱水治疗的实时变化曲线。治疗1组(0 g/kg甘露醇)μ′s值呈线性增长。治疗2组(0.25 g/kg甘露醇)μ′s值在给药40 min后与治疗1组差异有统计学意义(P＜0.05)，治疗1.2 h后达到平台期，平台期持续时间约1 h，平均最大降幅为8.05%。治疗3组(2 g/kg甘露醇)μ′s值在给药20 min后与治疗1组差异有统计学意义(P＜0.05)，治疗1 h后达到平台期，平台期持续时间约2.5 h，平均最大降幅为12.27%。
图3
注射不同剂量甘露醇情况下的μ′s值
Figure3.
μ′s of groups treated with different dosages of mannitol
图 4是对大鼠伤后1 h使用不同剂量甘露醇脱水治疗的ICP值变化曲线。治疗1组(0 g/kg甘露醇)ICP值升高较快。注射甘露醇的大鼠在给药后ICP值均下降，治疗3组(2 g/kg甘露醇)比治疗2组(0.25 g/kg甘露醇)ICP值平均下降幅度更大，平台期的持续时间更长，总体下降情况更为明显。
图4
注射不同剂量甘露醇情况下的ICP值
Figure4.
ICP of groups treated with different dosages of mannitol
3 讨论
通过监测120 h大鼠脑水肿和ICP值变化可以看出，两者的变化趋势一致，均在大鼠颅脑损伤后1 h有一定升高，表明大鼠在创伤后较短时间内产生脑水肿，均在伤后72 h左右达到峰值，之后开始逐渐减小。这一过程变化与以往的文献[15]结果基本一致，说明μ′s与脑组织的组成有关[16]，并且经大鼠局部μ′s与ICP值拟合曲线看出，两参数间存在明显的线性关系，因此我们认为，μ′s可以作为监测脑水肿变化的指标。
大鼠进行脱水剂治疗后，对μ′s和ICP的监测曲线进行分析。图 3显示在大鼠颅脑损伤1 h后，μ′s有一定的升高，这说明伤后1 h脑水肿已经开始产生。大剂量甘露醇(2 g/kg)治疗20 min左右，μ′s开始降低，符合甘露醇的起效时间;μ′s在起效40 min后逐渐达到一个平台期，该状态维持了大约2.5 h，基本符合甘露醇的持续时间和失效时间;之后μ′s开始逐渐回升，表明甘露醇失效后，脑水肿情况又开始加重[17]。由图 4可知，ICP变化基本可以反映甘露醇的治疗效果，但是由于ICP检测仪的灵敏度仅为1 mm Hg，不能精确反映脑水肿的变化情况。比较图 3、4中μ′s和ICP随时间的变化曲线可以得出，两者的变化规律基本一致，但是μ′s的变化相对于ICP的变化更加精确，更有效地反映了脱水剂对脑水肿的治疗效果。而且μ′s是硬脑膜外检测，相对于ICP检测，其创伤和感染等并发症的概率很小，操作更加安全方便。
4 结论
本文利用近红外光谱技术监测脑水肿大鼠皮质μ′s，获得了大鼠颅脑创伤后脑水肿变化和两种剂量的甘露醇对脑水肿的治疗效果，与评价脑水肿程度的传统指标ICP相比，μ′s可以更精确地反映脑水肿的变化，且创伤及感染等并发症的概率很小，实验操作简单，是监测脑水肿和观察甘露醇疗效的良好指标。
引言
创伤性脑水肿继发于颅脑损伤，可引起颅内压(intracranial pressure,ICP)增高，甚至形成脑疝危及生命，因此它的防治非常重要[1-3]。脱水剂(甘露醇)是目前常用的治疗创伤性脑水肿的药物[4]，给药剂量和时间尚无统一标准[5]，需要进一步探索，其中治疗效果的实时评估是其中的关键技术。目前监测脑水肿主要分为无创和有创监测。无创主要通过计算机断层扫描技术(computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等实现，但价格昂贵且不能动态监测。微创主要采用监测ICP的方式[6-8]，是目前的金标准，但创伤感染继而产生并发症的概率高。因此，寻找一种更好的无创实时监测技术是脑损伤评估的关键。
近红外光谱技术可以无损或微创监测生物组织参数[8-10]，为颅脑损伤的实时监测提供了可能。人体组织是一种近似光学浑浊的介质，近红外波段(780～2 526 nm)的光可以穿透一定厚度的组织，不同组织成分在该波段光学性质不同。可以通过检测组织近红外光学参数来研究组织的生物学特性。近红外光射入人体组织后，在组织表面和组织中发生散射和吸收，描述上述作用的光学参数分别为优化散射系数(μ′s)和吸收系数(μs)，它们表示光子被散射和吸收发生的频率，或者单位路径内，光子因散射和吸收而损失的光能量的比率。在高散射介质的脑组织中μ′s大于μs，更稳定且更敏感。μ′s与脑组织的物质组成与含量有关，当脑组织中水分含量变化时，脑组织对光的散射特性也会出现变化，μ′s会相应地发生变化。
本实验通过采集μ′s与ICP的值来反映大鼠颅脑创伤后脑水肿的变化以及使用脱水剂(甘露醇)后对脑水肿的治疗效果，为脑水肿的有效诊断和治疗提供帮助。
1 材料与方法
1.1 实验设备
生物组织光学参数的采集与分析使用本实验室自主研发的微创生物组织光学参数采集与分析系统，系统组成如图 1所示。该系统把入射光纤和接收光纤平行放入直径为毫米级别的圆柱形探头中，将这种光纤探头放入被测活体组织来检测μ′s。
图1
微创生物组织光学参数采集与分析系统
1.卤素光源(HL-2000,OceanOpticsInc)； 2.Y型光纤微创探头；3.光纤光谱仪(USB2000,OceanOpticsInc)；4.计算机；5、6.步进电机控制系统(7604 stepper National Instruments)；7.光纤探头截面
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检测采用美国强生公司生产的Codman颅内压监护仪。该监护仪采用光导纤维探头，可以准确地监测大鼠的ICP。大鼠脑水肿实验在小动物脑立体定位仪(江湾Ⅰ型)上进行，探头进针通过步进电机控制系统实现。
1.2 脑损伤模型制作
用2%戊巴比妥(30 mg/kg)对大鼠腹腔注射麻醉，麻醉成功后将大鼠俯卧于小动物立体定位仪上，固定大鼠头部，去毛、消毒，沿中线切开头皮，暴露颅骨，用微型电钻于中线旁右侧3 mm，后眼角后10 mm，钻直径为4 mm的小孔，作为ICP检测探头(探头直径3 mm)入口；于该小孔中心后5 mm钻直径为1.5 mm的小孔，作为光纤探头(探头直径1 mm，光纤直径0.2 mm)入口，注意保护硬脑膜的完整。利用Feeney’s自由落体打击装置，产生600 g·cm的冲击力打击在脑中部颅骨上，造成大鼠颅脑中部挫裂伤，伤后用骨水泥封闭骨窗，缝合头皮，待大鼠清醒后放回鼠笼喂养[11-12]。
1.3 实验分组
为分析大鼠颅脑损伤后脑水肿的变化趋势，选取SD大鼠60只，体重(250±20) g，雌雄不限，随机分为对照组和创伤组，每组30只。创伤组按1.2节中介绍的方法致脑损伤；对照组仅切开头皮、开骨窗，不致伤。创伤组和对照组分别于伤后1、6、24、72、120 h各取6只进行近红外检测和ICP检测。
注：由于对照组不进行有创颅内压检测，而大鼠正常ICP为3～5 mm Hg[13-14]，取均值4 mm Hg为对照组ICP的参考值。
为分析不同剂量甘露醇对脑水肿的治疗效果，另选取SD大鼠15只，体重(250±20) g，雌雄不限，随机分为治疗1组、治疗2组和治疗3组，每组5只。 对治疗组按1.2节中介绍的方法致脑损伤1 h后，按分组依次给予尾静脉注射0、0.25和2 g/kg甘露醇。自伤后每隔10 min进行连续6 h近红外检测和ICP检测。
1.4 脑组织近红外和ICP参数检测方法
采用微创近红外组织光学参数采集与分析系统进行近红外参数检测，利用步进电机使光纤探头运动到颅骨下0.7 mm，即探头紧贴在硬脑膜外，按照系统的软件操作即可进行采集。
利用步进电机使ICP检测探头运动到硬脑膜下4 mm，即大鼠脑实质中，即可进行ICP检测。
2 结果
2.1 120 h大鼠脑水肿监测结果
脑水肿大鼠脑组织μ′s值变化规律如表 1所示，表中每个时间点为6只大鼠测试均值。对照组的μ′s值稳定在8.64 cm-1附近。创伤组与对照组相比，μ′s值在伤后1 h升高了0.86 cm-1，但差异无统计学意义(P＞0.05)；伤后6 h，μ′s值升高了2.73 cm-1，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后72 h，μ′s值上升了7.42 cm-1，达到峰值16.06 cm-1，差异十分明显(P＜0.01)；伤后120 h，创伤组脑水肿减轻，但仍明显高于对照组(P＜0.01)。
表1
大鼠颅脑损伤1～120 h μ′s的变化情况(n=6，cm-1)
Table1.
μ′s of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,cm-1)
表2
大鼠颅脑损伤1～120 h ICP的变化情况(n=6,mm Hg)
Table2.
ICP of rats after traumatic brain injury at different time points (n=6,mm Hg)
脑水肿大鼠脑组织ICP值变化规律如表 2所示。创伤组与对照组相比，ICP值在伤后1 h升高了0.67 mm Hg，但差异无统计学意义(P＞0.05)；伤后6 h，ICP值升高了1.67 mm Hg，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后72 h，ICP值升高了5.33 mm Hg，达到峰值9.33 mm Hg，差异有统计学意义(P＜0.01)；伤后120 h，创伤组脑水肿减轻，但仍明显高于对照组(P＜0.01)。
将各时间点测得的大鼠局部μ′s与ICP统计结果作线性回归分析，结果如图 2所示，数据拟合方程式(1)，R2=0.959 3，P＜0.01，两参数间存在明显的线性关系。
| $ICP=0.703\text{ }8~\mu {{\prime }_{s}}-1.972\text{ }5$ |
由此我们得到结论：μ′s和ICP的变化趋势一致，可以代替ICP作为监测脑水肿的参数。
图2
大鼠颅脑损伤1~120 h ICP与拟合曲线
Figure2.
ICP and fitting curve of 1~120 h traumatic brain injury in rats
2.2 脱水治疗疗效实时监测结果
图 3是对大鼠伤后1 h使用不同剂量甘露醇脱水治疗的实时变化曲线。治疗1组(0 g/kg甘露醇)μ′s值呈线性增长。治疗2组(0.25 g/kg甘露醇)μ′s值在给药40 min后与治疗1组差异有统计学意义(P＜0.05)，治疗1.2 h后达到平台期，平台期持续时间约1 h，平均最大降幅为8.05%。治疗3组(2 g/kg甘露醇)μ′s值在给药20 min后与治疗1组差异有统计学意义(P＜0.05)，治疗1 h后达到平台期，平台期持续时间约2.5 h，平均最大降幅为12.27%。
图3
注射不同剂量甘露醇情况下的μ′s值
Figure3.
μ′s of groups treated with different dosages of mannitol
图 4是对大鼠伤后1 h使用不同剂量甘露醇脱水治疗的ICP值变化曲线。治疗1组(0 g/kg甘露醇)ICP值升高较快。注射甘露醇的大鼠在给药后ICP值均下降，治疗3组(2 g/kg甘露醇)比治疗2组(0.25 g/kg甘露醇)ICP值平均下降幅度更大，平台期的持续时间更长，总体下降情况更为明显。
图4
注射不同剂量甘露醇情况下的ICP值
Figure4.
ICP of groups treated with different dosages of mannitol
3 讨论
通过监测120 h大鼠脑水肿和ICP值变化可以看出，两者的变化趋势一致，均在大鼠颅脑损伤后1 h有一定升高，表明大鼠在创伤后较短时间内产生脑水肿，均在伤后72 h左右达到峰值，之后开始逐渐减小。这一过程变化与以往的文献[15]结果基本一致，说明μ′s与脑组织的组成有关[16]，并且经大鼠局部μ′s与ICP值拟合曲线看出，两参数间存在明显的线性关系，因此我们认为，μ′s可以作为监测脑水肿变化的指标。
大鼠进行脱水剂治疗后，对μ′s和ICP的监测曲线进行分析。图 3显示在大鼠颅脑损伤1 h后，μ′s有一定的升高，这说明伤后1 h脑水肿已经开始产生。大剂量甘露醇(2 g/kg)治疗20 min左右，μ′s开始降低，符合甘露醇的起效时间;μ′s在起效40 min后逐渐达到一个平台期，该状态维持了大约2.5 h，基本符合甘露醇的持续时间和失效时间;之后μ′s开始逐渐回升，表明甘露醇失效后，脑水肿情况又开始加重[17]。由图 4可知，ICP变化基本可以反映甘露醇的治疗效果，但是由于ICP检测仪的灵敏度仅为1 mm Hg，不能精确反映脑水肿的变化情况。比较图 3、4中μ′s和ICP随时间的变化曲线可以得出，两者的变化规律基本一致，但是μ′s的变化相对于ICP的变化更加精确，更有效地反映了脱水剂对脑水肿的治疗效果。而且μ′s是硬脑膜外检测，相对于ICP检测，其创伤和感染等并发症的概率很小，操作更加安全方便。
4 结论
本文利用近红外光谱技术监测脑水肿大鼠皮质μ′s，获得了大鼠颅脑创伤后脑水肿变化和两种剂量的甘露醇对脑水肿的治疗效果，与评价脑水肿程度的传统指标ICP相比，μ′s可以更精确地反映脑水肿的变化，且创伤及感染等并发症的概率很小，实验操作简单，是监测脑水肿和观察甘露醇疗效的良好指标。
