顱內(nèi)壓和顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀研制及實(shí)驗(yàn)研究

【作 者】張言1，劉玉冰1，薛彥柏1，張雅檬1，李韙韜1，楊天明2，錢(qián)志余1

1 南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，南京市，211106

2 南京明基醫(yī)院，南京市，210019

目的 開(kāi)發(fā)了一套顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在神經(jīng)外科顱內(nèi)參數(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的價(jià)值。方法 設(shè)計(jì)了一組水浴實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、強(qiáng)生Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀及水銀溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比分析顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的測(cè)量誤差值。并且，構(gòu)建了大鼠腦水腫模型，采用顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證此系統(tǒng)在在體監(jiān)測(cè)中的可行性。 結(jié)果 此系統(tǒng)與強(qiáng)生Codman監(jiān)護(hù)儀的顱內(nèi)壓測(cè)量誤差小于266.64 Pa，與水銀溫度計(jì)的溫度測(cè)量誤差小于0.3 ℃。并且，此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在體監(jiān)測(cè)腦水腫過(guò)程中的顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度變化。 結(jié)論 此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在體監(jiān)測(cè)顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度，其測(cè)量準(zhǔn)確度基本滿足臨床的實(shí)際需要，具有重要的臨床價(jià)值。

神經(jīng)外科；腦水腫；探頭；傳感器；數(shù)據(jù)采集

Development of the Intracranial Pressure and Intracranial Temperature Monitor and Experimental Research on Trauma

【 Writers 】ZHANG Yan1, LIU Yubing1, XUE Yanbai1, ZHANG Yameng1, LI Weitao1, YANG Tianming2, QIAN Zhiyu1

1 Department of Biomedical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 211106

2 BenQ Medical Center, Nanjing, 210019

【 Abstract 】Objective A set of intracranial pressure and intracranial temperature monitor was developed. Moreover, it was veri fi ed to be effective in the monitoring of intracranial parameters by designed experiments. Methods The intracranial pressure and intracranial temperature monitor was tested in the water bath comparing with the Codman intracranial pressure monitor and mercury thermometers. As well, the monitor was applied in the monitoring of rat brain edema in vivo. Results The maximum error is less than 266.64 Pa in the intracranial pressure measurement compared to the Codman intracranial pressure monitor, and the maximum error is less than 0.3oC in the temperature measurement according to mercury thermometers. Furthermore, the monitor could real-time obtain the intracranial pressure and intracranial temperature in the brain edema in vivo. Conclusion The intracranial pressure and intracranial temperature monitor realizes the real-time in vivo monitoring of intracranial pressure and intracranial temperature. The measurement accuracy meets the acquirement of doctors. The instrument has potential for clinical use.【Key words 】neurosurgery, brain edema, probe, sensor, data acquisition

0 引言

顱內(nèi)壓(Intracranial Pressure, ICP)監(jiān)測(cè)在顱腦損傷的早期診療中，起到了關(guān)鍵的指導(dǎo)作用[1]。在眾多的監(jiān)測(cè)方法中，由于有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)的結(jié)果穩(wěn)定可靠常被視為測(cè)量的黃金標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。目前，臨床常用的監(jiān)測(cè)設(shè)備有強(qiáng)生公司的Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀[4-5]、法國(guó)Sophysa公司的Pressio監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和美國(guó)Integra LifeSciences公司的Camino顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀[6]。其中大多數(shù)監(jiān)護(hù)儀僅能顯示實(shí)時(shí)顱內(nèi)壓，無(wú)法觀察顱內(nèi)壓長(zhǎng)期變化波形。而且，監(jiān)護(hù)儀的一次性探頭價(jià)格昂貴，給患者帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，很大程度上阻礙了其在神經(jīng)外科臨床監(jiān)護(hù)上的使用。

同時(shí)，對(duì)顱內(nèi)溫度(Intracranial Temperature, ICT)的監(jiān)測(cè)也具有重大的臨床價(jià)值。比如其對(duì)顱腦損傷亞低溫治療的治療效果有指導(dǎo)性。如果溫度過(guò)高，達(dá)不到理想的治療效果。而當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，將會(huì)對(duì)病人腦部造成永久性的損傷，引發(fā)一系列并發(fā)癥[7]。

為了克服市場(chǎng)上顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)單一并且價(jià)格昂貴等諸多缺點(diǎn)，本文研制了一套結(jié)合顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度測(cè)量的微創(chuàng)多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)了一套水浴實(shí)驗(yàn)，用于對(duì)比本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀、水銀溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，分析得到此系統(tǒng)的準(zhǔn)確度信息。另外，本文還構(gòu)建了大鼠腦水腫模型，驗(yàn)證了儀器在體監(jiān)測(cè)的可行性。

1 顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)組成及核心模塊

監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)由顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度綜合探頭、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。綜合探頭直徑為1 mm，其上的壓力傳感器及溫度傳感器輸出相應(yīng)的電壓，之后經(jīng)由信號(hào)調(diào)理模塊處理，在采集模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的顱內(nèi)壓力值與溫度值，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

信號(hào)調(diào)理模塊包括兩個(gè)部分，電橋匹配電路及差分放大電路。其中惠斯通電橋，特別選用低溫漂電阻。差分放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，以使信號(hào)達(dá)到最佳采樣強(qiáng)度。信號(hào)采集模塊采用32位STM32F373完成，其具有的高速16位ADC完全滿足信號(hào)采樣需求。而后將采集到的數(shù)字信號(hào)顯示在相應(yīng)的LCD屏幕之上，用于觀察兩項(xiàng)生理參數(shù)的波形趨勢(shì)圖。

1.2 綜合探頭設(shè)計(jì)

綜合探頭結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。壓力傳感器與溫度傳感器封裝在直徑1.1 mm，長(zhǎng)度4 mm的定制鈦合金顱內(nèi)壓探頭內(nèi)，材料標(biāo)準(zhǔn)符合生物相容性要求。壓力傳感器為美國(guó)GE公司生產(chǎn)的微型壓力傳感器P161，該型號(hào)探頭廣泛用于微型壓力傳感部分。該傳感器使用先進(jìn)制作工藝和溫度補(bǔ)償技術(shù)，線性度好。相比于一般壓力傳感器，該傳感器具有靈敏度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，滿足本系統(tǒng)要求。溫度傳感器使用型號(hào)為PSB-S7，具有很高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

圖2 顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度微探頭示意圖Fig.2 Schematic of the intracranial pressure and intracranial temperature miniature probe

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 體外測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在體外環(huán)境下，將一定溫度的水置于大燒杯中，通過(guò)水壓來(lái)模擬顱內(nèi)壓力。正常顱內(nèi)壓大約為(100～150) mmH2O(1.3 kPa～2 kPa)，因此足以模擬動(dòng)物或者人體較大的顱內(nèi)壓力。本文利用不同水深下的壓力模擬顱內(nèi)壓變化的情況，將強(qiáng)生Codman顱內(nèi)壓監(jiān)護(hù)儀（82-6635, Codman&Shurtleff, Inc, USA）、顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀和水銀溫度計(jì)同時(shí)置于水浴槽中，對(duì)比三種設(shè)備的測(cè)量結(jié)果，分析自制監(jiān)護(hù)儀的測(cè)量準(zhǔn)確度。

具體實(shí)驗(yàn)步驟為：首先，在容量為800 mL的燒杯中分別注入初始溫度為30oC、35oC、40oC的水，水溫由水銀溫度計(jì)測(cè)量。第二，將自制監(jiān)護(hù)儀探頭和Codman監(jiān)護(hù)儀探頭垂直插入到水中，保持兩探頭放置深度一致，距離為5 mm。將兩個(gè)探頭同步逐漸深入水中直到8 cm的深度，其中下降的速度為每步1 cm。記錄自制監(jiān)護(hù)儀獲得的壓力和溫度數(shù)據(jù)、水銀溫度計(jì)的示數(shù)以及Codman監(jiān)護(hù)儀的壓力值。實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 水浴實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic of the water bath experiment

2.2 大鼠腦水腫在體實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而本實(shí)驗(yàn)則通過(guò)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組小鼠的顱內(nèi)溫度和顱內(nèi)壓變化趨勢(shì)，來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)在體測(cè)量的可行性。其中腦水腫實(shí)驗(yàn)組是通過(guò)頸總動(dòng)脈注射脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）試劑來(lái)制作大鼠腦水腫模型[8]。

實(shí)驗(yàn)中使用S D健康雄性大鼠1 5只，體重（300±20）g。隨機(jī)分為空白組、對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組，每組各5只。首先將大鼠麻醉，之后按照不同組別注射同等劑量的不同藥物，其中實(shí)驗(yàn)組從左頸總動(dòng)脈注入脂多糖試劑(1 mg/mL)0.05 mL/100 g，對(duì)照組則注入等量的0.9%生理鹽水，空白組不注射藥物。而后，將大鼠以俯臥位固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，在顱骨人字線左側(cè)0.5 cm位置處鉆孔，鉆孔直徑約0.5 cm。放入自制顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)探頭，探頭放置深度為0.8 cm。每5 min記錄一組顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為2 h。

3 結(jié)果與分析

3.1 體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為不同溫度條件下，自制監(jiān)護(hù)儀測(cè)量的溫度值與溫度計(jì)測(cè)量值的變化情況，該圖表明二者的測(cè)量值相近，誤差范圍為±0.15oC。其中，溫度值逐漸下降是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程并未采取維持水溫的措施，屬于水溫的正常變化。

圖4 不同溫度條件下，自制監(jiān)護(hù)儀測(cè)量的溫度值與溫度計(jì)的測(cè)量結(jié)果Fig.4 Comparison of temperature changing by homemade monitor and mercury thermometers under different temperature

圖5 為該系統(tǒng)測(cè)量的壓力值與強(qiáng)生Codman監(jiān)護(hù)儀測(cè)量值的變化情況，在不同溫度下，Codeman監(jiān)護(hù)儀的監(jiān)測(cè)值在0～0.707 11 mmHg范圍內(nèi)波動(dòng)(1 mmHg=133.32 Pa)，自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)值在(0.332 34～0.904 09) mmHg范圍內(nèi)波動(dòng)。從圖5中可以看到其變化趨勢(shì)相似，兩者誤差范圍為±1 mmHg（臨床要求誤差小于±2 mmHg）。

圖5 自制監(jiān)護(hù)系統(tǒng)壓力測(cè)量值與強(qiáng)生Codman監(jiān)護(hù)儀測(cè)量值的結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of pressure changing by homemade monitor and the Codman monitor

水浴實(shí)驗(yàn)表明，本文研制的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)測(cè)壓力及溫度參數(shù)，壓力測(cè)量及溫度測(cè)量性能能夠滿足臨床使用需求。

3.2 大鼠腦水腫在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6為大鼠顱內(nèi)溫度變化曲線。其中空白組大鼠顱內(nèi)溫度緩慢降低，2 h內(nèi)的降幅為1.5oC。而實(shí)驗(yàn)組大鼠顱內(nèi)溫度迅速下降，下降的幅度和速度明顯大于空白組，2 h內(nèi)的降幅為3.5oC。對(duì)照組大鼠顱內(nèi)溫度緩慢降低，下降的幅度和速度與空白組一致，并且明顯小于實(shí)驗(yàn)組，2 h內(nèi)其降幅為2oC。

圖6 空白組、對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組大鼠顱內(nèi)溫度變化曲線Fig.6 The intracranial temperature changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group

圖7 為各組大鼠顱內(nèi)壓的變化情況，由圖7可見(jiàn)，在空白組大鼠顱骨鉆孔，頸部不注射藥物的條件下，5只大鼠的顱內(nèi)壓在2 h內(nèi)有0.5 mmHg左右的波動(dòng)，基本保持恒定。而實(shí)驗(yàn)組大鼠顱內(nèi)壓在前30 min內(nèi)基本保持不變，30 min后顱內(nèi)壓逐漸上升，顱內(nèi)壓增幅約3 mmHg。80 min后顱內(nèi)壓升高的速度減緩。對(duì)照組大鼠顱內(nèi)壓在(20～55) min 有一個(gè)上升然后下降的過(guò)程，這種情況有可能是由于顱骨鉆孔造成的，但在隨后的時(shí)間內(nèi)一直保持著正常水平。

大鼠腦水腫實(shí)驗(yàn)表明，本文研制的顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象的顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度參數(shù)。不僅如此，由于開(kāi)顱窗、注射生理鹽水以及注

圖7 空白組、對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組大鼠顱內(nèi)壓的變化曲線Fig.7 The intracranial pressure changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group

射LPS導(dǎo)致的顱內(nèi)生理環(huán)境變化，此系統(tǒng)均可靈敏地檢測(cè)到相應(yīng)的顱內(nèi)參數(shù)變化。

4 結(jié)論

本文研制了一套顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀，同時(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了監(jiān)護(hù)儀可同時(shí)測(cè)量顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度兩種腦組織生理參數(shù)。在水浴實(shí)驗(yàn)中，以水銀溫度計(jì)的溫度測(cè)量結(jié)果為參考值，證明監(jiān)護(hù)儀的溫度測(cè)量誤差小于0.3oC；以強(qiáng)生Codman監(jiān)護(hù)儀的壓力測(cè)量結(jié)果為參考值，證明此系統(tǒng)的壓力測(cè)量誤差為±2 mmHg，達(dá)到臨床顱內(nèi)壓檢測(cè)的準(zhǔn)確度要求。進(jìn)一步地，通過(guò)在大鼠實(shí)驗(yàn)研究證明，顱內(nèi)壓與顱內(nèi)溫度參數(shù)是腦水腫監(jiān)護(hù)中重要的生理指標(biāo)，顱內(nèi)壓和顱內(nèi)溫度監(jiān)護(hù)儀在神經(jīng)外科監(jiān)護(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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TH782

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.008

1671-7104(2017)02-0107-03

2016-09-18

國(guó)家自然學(xué)基金(61378092)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(SJLX16_0104)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(KYLX16_0339)

錢(qián)志余，E-mail: zhiyu@nuaa.edu.cn