近红外光谱技术对创伤性脑水肿的在体微创监测研究

　　作者：何亮　　作者单位：东南大学附属中大医院, 江苏 南京 210009;

　　【摘要】 目的 探讨利用近红外光谱技术对创伤性脑水肿的发生发展规律进行微创在体监测的新方法。方法 采用Feeney′s 自由落体撞击法建立大鼠急性局灶性脑挫裂伤模型，以近红外光谱技术和干湿相对密度法监测创伤后脑水肿的变化。结果 伤后1 h伤侧脑组织已发生水肿，伤后24～72 h伤侧脑水肿达高峰，随后逐渐减轻。对侧脑水肿的变化规律与伤侧相同，但水肿程度远轻于伤侧。近红外光谱监测的组织光学参数(μ′s)与脑水含量变化规律一致。结论 μ′s是监测创伤性脑水肿的良好指标，近红外光谱技术可以用于在体微创监测创伤性脑水肿的变化。

　　【关键词】 近红外光谱,创伤性脑水肿,微创监测,大鼠

　　Abstract: Objective To explore a new method of mininvasive monitoring the development of traumatic brain edema in vivo. Methods Acute regional brain trauma was applied according to Feeney′s apparatus. The changes of brain edema were monitored by nearinfrared spectroscopy (NIRS) technology and by measuring the brain water content. Results Distinct brain edema in injured areas was found at 1 hours after trauma, which reached a summit of severity at 2472 hours after trauma, then gradually declining. Changes in the contralateral cerebral were the same as injury areas, but far lighter. Both the organization optical parameters (μ′s), measured by NIRS, and the brain water content could monitor the development of brain edema. Conclusion μ′s is a good indicator for monitoring traumatic brain edema. NIRS could monitor the development of traumatic brain edema in vivo.

　　Key words: nearinfrared spectrometer ; traumatic brain edema; noninvasive monitoring;rats

　　创伤性脑水肿继发于颅脑损伤，其主要变化为脑实质内液体成分增加，引起脑体积增大，是创伤后继发性脑损害的重要症状，如不能给予及时诊治，会引发一系列并发症,甚至导致脑疝形成、中枢性呼吸循环衰竭而死亡。

　　动物实验中研究脑水肿的方法主要有干湿相对密度法、特殊相对密度法等[12]，但这些方法均不能用于临床实时监测脑水肿的变化。临床上目前监测脑水肿的手段有无创和有创两种，前者包括CT、MRI，但价格昂贵，且不能实时连续监测，无法了解脑水肿的动态变化;后者主要是有创性颅内压(ICP)监测，但为侵入性，有发生出血、颅内感染等严重并发症的可能，且不能直接判断脑水肿的发生发展情况，缺乏直观性。本研究利用近红外光谱技术(nearinfrared spectroscopy，NIRS)监测生物组织光学参数在颅脑创伤前后的变化，对创伤性脑水肿进行在体研究。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验仪器和材料

　　一根特制Y型双光纤微探头[34](两根半径0.1 mm单模光纤前端融合进一外径为0.6 mm的钢管，分别作为传输和接收光纤);一个卤素光源;一个光纤光谱仪;自动步进系统;江湾Ⅰ型立体定向仪;步进电机驱动器及控制器;计算机和相关软件。实验结构如图1。

　　1.2 实验动物及分组

　　SD大鼠60只(购自东南大学医学院实验动物中心)，体质量(250±20) g，雌雄各半。随机分为对照组和创伤组，按伤后不同时间观察又分为1、6、24、72、120 h组，每组6只。

　　1.3 动物模型的制作

　　大鼠以1%戊巴比妥钠30 mg•kg-1腹腔注射麻醉，麻醉成功后，将大鼠俯卧位固定于实验台,头部备皮、消毒，正中矢状切开头皮，暴露颅骨，用牙科磨钻于中线旁开2 mm、前囟后3 mm，左右侧各打一直径为2 mm的孔，注意保持硬脑膜完整。采用Feeney′s[5]自由落体打击装置，用质量为30 g的撞锤下落20 cm撞击预置在左顶部骨窗处硬膜外的撞杆，冲击力600 g•cm-1，造成左顶局部脑挫裂伤，致伤后大鼠出现四肢抽搐,呼吸暂停数秒,说明致伤成功。骨水泥封闭骨窗，缝合头皮，大鼠清醒后归笼喂养。对照组仅切开头皮开骨窗不致伤，检测方法同创伤组。各组大鼠在伤后1、6、24、72、120 h进行近红外光谱监测伤侧和对侧(对照组为同侧和对侧)各10 min后分批处死，取脑。

　　1.4 NIRS监测

　　大鼠麻醉后固定于江湾Ⅰ型立体定向仪上，切开头皮，将已用20%原始悬乳液定标过的NIRS内置双光纤微探头安装到立体定向仪上[6]，开启自动步进及采集系统，从颅骨表面开始进针0.7 mm，即探头刚刚抵于硬脑膜表面，进行在体组织光学参数的测量，频率为2 Hz，监测时间伤侧和对侧各10 min，在计算机上读出检测到的光学参数值。

　　1.5 脑水含量测量

　　各时间点监测结束后，立刻将鼠断头取脑，以损伤灶为中心及对侧相应部位各取1 mm3脑组织，用电子分析天平测得湿质量(WW)，再将标本放于100 ℃烘箱72 h，至恒重(两次质量相差≤0.2 mg)后测得干质量(DW)。脑水含量按Elliott公式[(WW-DW)/WW]×100% 计算。

　　1.6 统计学处理

　　每只大鼠每侧测定皮质优化散射系数(scattering coefficient，μ′s)共1 200次，取其均值为该时间段的测得值，组内数据以x-±s表示，用SPSS13.0软件进行t检验，μ′s与脑水含量的关系用回归分析法。

　　2 结果

　　2.1 颅脑创伤后脑水含量的变化

　　与对照组比较，创伤区脑水含量在伤后1 h 即开始升高，但差别无统计学意义(P>0.05);伤后6 h伤侧较对照组升高了1.76%，差异有统计学意义(P<0.01);伤后24～72 h水肿达高峰(82.10%～82.43%)，与对照组(77.56%～77.39%)比较差异有统计学意义 (P<0.01);伤后120 h，伤侧水肿有所减轻，但仍明显高于对照组(P<0.01)。而对侧脑水含量在创伤后也略有增加，但仅在伤后24～72 h水肿高峰期与对照组比较差异有统计学意义(P<0.01)，且升高的幅度远小于伤侧;伤后120 h基本恢复正常。

　　2.2 大鼠脑皮质局部优化散射系数的变化

　　由表2可见，与对照组相比，创伤区μ′s在伤后1 h已经升高，但差异无统计学意义(P>0.05);伤后6 h伤侧较对照组升高了3.95 cm-1，差异有统计学意义(P<0.01);伤后72 h μ′s达峰值(18.12 cm-1 )(P<0.01);伤后120 h，伤侧水肿有所减轻，但仍明显高于对照组(P<0.01)。而创伤组对侧皮质μ′s在伤后6 h升高 (P<0.05)，并于伤后72 h达峰值(11.82 cm-1) (P<0.01)，但升高的幅度远小于同期伤侧;伤后120 h基本恢复正常。

　　创伤组伤侧与对侧比较，创伤区μ′s在伤后6 h起升高，差异有统计学意义(P<0.01)，随后差值进一步增大，于伤后72 h达峰值(6.30 cm-1)。

　　2.3 μ′s与脑水含量相关性分析

　　将处死前大鼠脑皮质μ′s最后测量值与大鼠脑水含量进行直线回归：μ′s =1.614 5×(脑水含量×100) -115.75。R2=0.929，F=326.21，P<0.001，两参数间存在线性关系。

　　3 讨 论

　　本实验结果表明，颅脑创伤后创伤区脑水含量在伤后1 h已开始升高，伤后24～72 h水肿达高峰，随后逐渐下降。这一发展过程与以往文献报道[7]基本一致。对侧脑水含量在创伤后也有所增加，但仅在伤后24～72 h水肿高峰期增加明显，随后迅速下降，5 d后基本恢复正常。创伤组对侧与伤侧相比，脑水含量增高的幅度小、持续时间短，但变化规律与伤侧一致，原因可能是对侧水肿系伤侧水肿液渗漏所致，且对侧血脑屏障完整、脑脊液回流通畅，故水肿吸收较快，恢复正常较早。Chen等[8]研究表明颅脑创伤后对侧脑水含量也有明显增加，而王洪生等[9]未观察到伤区对侧脑水含量增加,考虑与损伤程度不同有关。本实验中致伤压力为600 g•cm-1，而Chen等 [8]和王洪生等[9]分别以1 000 g•cm-1和750 g•cm-1致伤。

　　NIRS是近年发展起来的一种检测组织结构性质和动态功能的新技术。人体组织可以看作是一种光学浑浊介质，对于近红外区域的光(780～2 526 nm)具有相对透明性，利用近红外波段光对组织的良好通透性及不同组织成分在该波段光学性质的差异，可以实现对组织的精确测量。近红外光射入组织后，在介质的表面(如神经元细胞膜表面) 和组织中发生散射和吸收，表征这一作用的光学参数分别为μ′s和吸收系数(absorbtion coefficient，μa)，它表示散射或吸收事件发生的频率，或者单位路径内光子因散射或吸收而损失的光能量的比率。在高散射介质的生物组织中(如脑组织)μ′s远大于μa，故μ′s更稳定，对变化更敏感，故本研究选取μ′s进行研究。μ′s与脑组织的物质组成和物种有关[10]，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可反映出这种变化。

　　NIRS已用于多种病理生理状况下脑组织的监测，但大多是监测脑组织血流动力学改变或脑氧代谢，用于监测脑水肿的研究较少。最近，李宽正等[11]利用NIRS对正常大鼠注射脱水剂后进行监测，发现注射甘露醇和7.5%氯化钠的大鼠μ′s分别下降了(2.67±0.35)%和(5.62±0.46)%，与脑水含量变化有较好的相关性(r=0.826)，提示鼠脑皮质局部μ′s可作为高渗药物脱水作用的评估指标之一。

　　本实验中，我们用特制的内置双光纤微针管样探头[34] 在位实时监测大鼠脑皮质μ′s。实验结果表明，创伤组伤侧μ′s在伤后1 h已升高，伤后72 h达峰值，随后逐渐下降，伤后5 d仍明显高于对照组。而对侧皮质μ′s 伤后开始增高，亦于72 h达峰值，但升高的幅度远小于同期伤侧;5 d 后基本回到正常水平。创伤组伤侧与对侧μ′s的差值在伤后6 h起有显著性差异，并在伤后72 h达峰值。

　　比较脑水含量和μ′s可以看出，两者随水肿发生发展的变化规律相同，均在伤后1 h升高，说明创伤后很短时间内水肿即已发生，伤后24～72 h达峰值，随后逐渐下降。两者的达峰时间、持续时间一致，且峰值之间存在显著的线性相关，但伤后6 h，对侧μ′s与对照组的差异已有统计学意义，而此时脑水含量尚未反映出对侧水肿;伤后72 h，伤侧脑水含量与对照组相比升高了6.51%，而同期μ′s升高了96.96%，说明μ′s比脑水含量能更敏感、更早地反映脑组织水肿。同时，由于μ′s可以在体实时监测，重复采样数量大，对大鼠生理状态影响小，故μ′s是监测脑水肿的理想指标。

　　【参考文献】

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　　[3]钱志余, 陈仁文, 顾月清，等. 生物组织光学参数：优化散射系数(μ′s)的实时在位测定[J]. 南京航空航天大学学报, 2004, 36(3): 369372.

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