颅脑创伤无创监测技术研究进展.docx

1、颅脑创伤无创监测技术研究进展颅脑创伤无创监测技术研究进展【关键词】 颅脑创伤； 无创监测； 综述 在颅脑创伤的初期处置中，颅内压（ICP）、脑灌注压(CPP)、脑血流量（CBF）和脑氧含量等脑功能及代谢状态指标的监测已成为重要的诊治手腕。最近几年来，随着现代影像及生物医学工程设备的进展，显现了许多新的监测仪器和方式，尤其是无创监测技术进展迅速，现就最近的一些研究进展作如下综述。 1 经颅多普勒(transcranial Doppler, TCD) TCD是上世纪八十年代后进展起来的一种持续监测脑血流技术，其原理是以低频脉冲超声波经颅骨透声窗对颅底血管进行扫描，部份超声波被红细胞反射，由于流体的

2、多普勒效应,发射波与接收波之间有必然的频移差,经运算机对频移差值大小及方向进行分析处置后能够取得受测血管血流状况的各项指标，如TCD参数和频谱。TCD的参数要紧有血流方向、收缩期血流速度(systolic velocity,Vs)、舒张期血流速度(diastolic velocity,Vd)、平均血流速度(mean flow velocity,Vm)、脉动指数(pulsatility index,PI)和阻力指数(resistance index,RI)等。TCD频谱包括锐利波(sharp wave)、收缩血流(systolic flow)、收缩针(systolic spike)和无血流(no

3、 flow)4种典型波形。 颅脑创伤患者普遍存在颅内高压和CPP转变。1982年，有人第一报导了TCD 技术并在理论上说明了TCD和CPP之间的关系。Schoser等1研究说明，ICP升高时Vs、Vm和Vd下降，以Vd下降最明显，同时PI和RI明显增大，高ICP与TCD参数之间存在相关性。Juul等2的研究以为，重型颅脑创伤患者CPP的下降主若是Vd下降，当CPP下降至一个临界值(70 mmHg，1 mmHg= kPa)，PI和RI急剧增高，患者病死率明显增高。 TCD监测具有无创、快速、平安、操作简便和可重复等优势3-6，能实时动态反映病理生理状态下脑血流转变，并能够监测脑血流自身调剂功能。

4、但TCD亦有以下缺点:（1）由于颅骨的屏蔽作用，TCD监测的部位相对固定，只能监测颅骨最薄的部位，如颞窗、眼窗和枕窗等；（2）测量结果受声窗大小、待测部位、探头方向和取样深度等阻碍，准确度不高；（3）TCD测量的是流速而非流率，脑血管活性受多种因素(如PaCO二、PaO二、pH值、血压)阻碍时，ICP和脑血流速度的关系会发生转变；（4）在颅脑创伤急性期，病人可能显现不明缘故的PI和ICP不同步的波动；（5）脑血管痉挛时的流速增加须与脑充血相辨别。 2 闪光视觉诱发电位(flash visual evoked potentials，f-VEP) f-VEP是指由弥散的非模式光源刺激诱发出的视觉诱

5、发电位，它能够反映ICP的改变，其原理是神经元及其纤维的兴奋与传导需要不断地从血液循环取得能量。颅脑创伤继发ICP升高时，神经元及其纤维发生缺血缺氧和能量代谢障碍，脑脊液pH值下降，乳酸浓度增高，神经传导发生阻滞，电信号在脑内的传导速度减慢。这一减慢的电信号可被f-VEP捕捉到，f-VEP波峰（主若是N2波）暗藏期延长，延长时刻与ICP值成正比7-8。 f-VEP反映的是从视网膜到枕叶皮质视通路的完整性，受视敏度阻碍较小，不论患者合作与否均能完成检查，因此适合重症，专门是昏迷患者的监测9。周翼英等10-11对f-VEP和有创ICP监测的测量值进行比较，发觉二者有良好的相关性（r=，平均相对误差

6、为%）。 f-VEP能够较准确、无创地监测ICP,指导临床医治，但目前尚存在许多不足：（1）f-VEP要紧通过N2波暗藏期的长短来计算ICP值，但脑水肿、血肿、局部缺氧缺血和乳酸堆积等多种因素都可引发N2波暗藏期延长，故f-VEP不能区分颅内高压的缘故；（2）f-VEP监测仪操作者选择N2波暗藏期的准确程度直接阻碍测量结果,而目前对N2波暗藏期的选择尚未统一的科学标准；（3）目前f-VEP的参数方程是基于脑积水患者成立起来的，但不同的疾病，如颅内感染、脑水肿、脑挫裂伤、脑积水和脑肿瘤等对神经传导速度的阻碍是不是一致尚不可知；（4）年龄对神经传导速度也有阻碍，60岁以上患者随着年龄的增高暗藏期会

7、延长；（5）f-VEP也不适用于监测儿童ICP增高患者。 3 前囟测压法(anterior fontanel pressure，AFP) 早在1959年，Davidoff第一次经前囟测得ICP，但与有创监测相较精度较差。随后Wealthall、Salmon等对其仪器进行了改良，必然程度上降低了前囟软组织弹力的阻碍。目前，鹿特丹遥测传感器(Rotterdam teletransducer，RTT)是较靠得住的测前囟压的仪器，它和有创ICP监测的相关性较好12-13。 AFP要紧用于新生儿和婴儿的ICP监测，但仍存在以下问题需要解决:（1）AFP 多以压平前囟为测压条件，仅适用于突出骨缘的前囟，对

8、前囟凹陷的新生儿无效；（2）测压时压平外凸的前囟缩小了颅腔容积，在必然程度上会增高ICP，对患儿不利，且测得的ICP值偏高。 4 鼓膜移位法(tympanic membrane displacement，TMD) 90%正常人群40岁前耳迷路导管是开放的,鼓膜周围的液体压力直接反映颅内脑脊液的压力。ICP转变时，外淋巴液的压力随之产生转变，使本来处于静止状态的镫骨肌和卵圆窗的位置发生改变，继而阻碍听骨链和鼓膜的运动，通过计算ICP改变前后的TMD值不同可估算ICP14。TMD值的正常范围是-200200 nl，超过200 nl为颅内高压。 Samuel等14比较了8例脑积水患儿TMD和有创IC

9、P监测的测量值，TMD诊断颅内高压的准确性为80%, 特异性为100%。Frank等15亦发觉耳声发射，尤其是有颅内畸变产物的耳声发射可作为一种无创监测ICP的方式。 TMD法的优势是能在必然范围内较精准地反映低颅压，区分高颅压和低颅压所引发头痛等病症；还能够辨别ICP增高与梅尼埃病或迷路病变致使的眩晕、耳鸣等病症。但TMD也有许多缺点:（1）不能用于持续监测；（2）周围环境过于喧闹时，由于患者临时性音阈改变而阻碍测量值；（3）因镫骨肌反射缺点，不能用于脑干和中耳病变者；（4）老年人由于耳迷路导管已闭合，不能进行TMD监测。 5 视网膜测压法（ophthalmodynamometry pres

10、sure，ODP） 生理状况下，视网膜静脉经视神经基底部回流到海绵窦，视网膜中央静脉压ICP。颅脑创伤患者ICP增高时，视神经基底鞘部受压，致使视乳头水肿和视网膜静脉搏动消失。Firsching等16和Motschmann等17别离对两组患者用负压式视网膜血管血压仪测量视网膜中央静脉压，并同时进行有创ICP监测，发觉两种监测方式有良好的线性相关(r=和r=。 ODP测定ICP方便、有效、适用范围广且可重复测定，但不适合长期监测。 6 生物电阻抗法（electrical impedance tomography，EIT） 生物电阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量， 其测

11、定原理要紧成立在Cole-Cole提出的三元件模型和Schwan提出的频散理论上18。若是在头颅表面向颅内注入电流，颅内会形成一个电流场，其散布取决于组成场域的各类物质的几何结构和导电性。场中导电物质的结构和几何形状的任何改变(如颅脑创伤后的血肿和水肿)均会使电流场发生改变，而电流场的改变会在场域表面（脑表面）以某种边界电位的改变表现出来19。基于此“异物扰动”理论，将低于兴奋阈值的微弱直流和交变电流施加于生物组织后，测量其表面的电位差即可取得EI的转变值，能够了解活体组织的生理和病理状态20。 脑组织的EIT监测始于上世纪八十年代。1980年，有研究人员发觉缺血性脑水肿猫的脑皮质阻抗在2 h

12、内从282 cm-1上升到660 cm-1。随后有人用EIT技术别离测定并计算了脑梗死猫和低渗性脑水肿大鼠的阻抗转变。1997年，Demirci等21以转变的频率对颅脑创伤大鼠进行阻抗测量，推算细胞外液电阻（Re）、细胞内液电阻（Ri）及二者比值（Re/Ri），从而判定液体在脑组织内细胞水平的散布状况，发觉伤后初期Ri及Re/Ri明显下降，提示发生了细胞外水肿；伤6 h后Ri明显下降，Re/Ri明显增加，提示细胞内水肿的发生；两种水肿的进展使脑水肿在伤后2472 h达顶峰。但由于颅骨的屏障作用，上述EIT监测均需开颅，属于有创监测范围。1998年，Xia等第一研制出动物无创EIT监测系统，并于

13、2003年将其用于人体22-23，发觉患者血肿侧脑电阻抗呈现先降低后升高的特点，24 h内血肿侧电阻抗转变率与血肿体积呈负相关(r= 3)，而与血肿周围组织水肿的体积呈正相关(r= 1) 。2004年，Zhang等24利用VC 地形图绘制算法形成了脑电阻抗地形图，使测量的阻抗值由二维数据变成三维地形图，加倍直观、灵敏，且能够显示血肿、水肿的具体位置及大小。 EIT是一种利用生物组织与器官的电特性及其转变提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息监测技术，具有无创、廉价、平安和信息丰硕等特点。但EIT仍存在一些不足:（1）电极和生物体表面之间的接触电阻严峻阻碍了测量精度；（2）EIT图像重构算法

14、的精度取决于对被测物表面轮廓的精准模拟和电极在被测物表面的准确信位，而人的头颅是不规那么的几何体，且因人而异，故取得精准的EIT重构图像十分困难。 7 磁感应断层成像(magnetic induction tomography，MIT) MIT是为克服EIT的上述缺点而提出的一种新的测量技术，其大体原理是:给鼓励线圈通入必然频率的正弦电流会感应出交变的磁场，假设将被测物放在鼓励线圈的下方，在被测物中就会感应出涡流，涡流的强弱散布与被测物中电导率的散布直接相关。这在被测物体的外部空间表现为涡流产生的磁场，只要测出该磁场的强弱就能够确信被测物中电导率的散布情形25。由于颅骨的电导率是 sm-1，而

15、脑组织的电导率是 sm-1，远大于颅骨电导率，因此涡流产生的磁场要紧反映的是脑组织的情形。 1993年， 有研究人员基于电导率成像的原理，第一次提出了MIT的概念。1999年，Griffiths等26开发出工作于10 MHz的单通道系统。2001年，Saint等27对一个各向不同相的模型进行了成像，并开发出他们自己的成像系统。随后，Scharfetter等28-29开发了变频磁感应成像系统。2003年，李世俊等30开发出与Griffiths等人相似的系统，并对玻璃杯装电导率为 sm-1的盐溶液进行成像。 MIT的优势有：（1）与颅骨不接触、无创，幸免了接触电阻的阻碍；（2）检测线圈灵活，不妨碍

16、患者头部的正常转动，能够持续监测；（3）MIT驱动模式为线圈感应涡流，对中心区域灵敏，可取得电导率绝对值且抗噪性能好。可是目前MIT尚处于动物实验时期，还未用于人体。 8 近红外光谱技术（near infrared spectroscopy，NIRS） NIRS是最近几年进展起来的一种检测组织结构性质和动态功能的新技术。人体组织能够看做是一种光学浑浊介质，关于近红外区域(7802 526 nm)的光具有相对的透明性，利用近红外波段光对组织的良好通透性及不同组织成份在该波段的光学性质不同，能够实现对组织的精准测量。 近红外光穿透人体组织的进程中不断地被组织中的脱氧血红蛋白（deoxygenate

17、d-hemoglobin，Hb）、氧合血红蛋白(oxygenated-hemoglobin，HbO2)、细胞色素(Cytaa3)所吸收而衰减31。光的吸收遵循Beer-Lambert定律，血液中Cytaa3含量很少，对近红外光的吸收要紧与Hb、HbO2有关，其吸收峰别离在760 nm和850 nm，二者的相对转变反映了血氧含量的大小，用两种不同波长的入射光照射脑组织，再依照接收到的两种波长的部份散射光的不同强度，可直接计算出组织中的Hb和HbO2浓度，并推导出THb、SaO二、CBF和CBV等血氧和血流动力学参数。目前以为脑组织局部血氧含量（rScO2）正常值为64%，<55%提示异样，

18、<35%将显现严峻脑组织缺氧性损害，阻碍rScO2的因素要紧有缺氧、ICP升高和CPP下降32。 1977年Jobsis第一利用无创NIRS技术测量了脑组织的血氧参数，但脑组织外的脑脊液、软脑膜、颅骨和头皮中的血供阻碍了参数的准确性，其空间分辨率较低。随后，Rostrup等33和Masako等34将NIRS光纤探头进展成点阵排列，并与MRI、PET等进行图像融合，提高了空间分辨率。Nikolaus等35通过手术暴露硬脑膜后，对雄性大鼠的脑组织Hb、HbO2和SaO2进行了测量，将空间分辨率提高到了毫米级，但该方式创伤过大，有效性差，不易在人体中开展类似的研究。Mcleod等36在对吸氧的

19、颅脑创伤患者不同吸氧分数(FiO2)下脑组织氧探头、NIRS和颈内静脉血氧饱和度3种监测手腕进行比较后，发觉3种监测手腕无明显不同。Brawanski等37对9名严峻颅脑创伤和3名蛛网膜下隙出血患者进行NIRS监测与脑组织氧分压(tipO2)监测，以为二者提供的脑氧信息一致。Keller等38用NIRS结合吲哚氰绿染色法，对外伤性SAH后脑血管痉挛病人进行研究超选择灌注罂粟碱前后监测TOI，证明局部TOI的明显提高与血管痉挛的解除、临床病症改善相一致。Vets等39对14例手术者同时进行NIRS、TCD和EEG监测，以为NIRS在评判该手术术中脑血流灌注方面还有待成熟。 NIRS技术具有无创、

20、持续、实时和无放射性等优势，可用于颅脑创伤后血肿定位及脑氧代谢情形的监测，及时发觉继发损伤，指导医治，评判预后。可是NIRS也存在必然的局限性：（1）探头与头皮的接触若是欠紧密，容易引发光子显著的额外丢失，即便将头发剃除，留在皮肤内的发根仍可能造成光子丢失及信噪比下降。监测进程中正常的脑外血流（尤其是头皮丰硕的血液循环）、外界光源均能使结果显现误差36。（2）头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液和软脑膜等脑组织外的多层解剖结构使本来“香蕉型”光的行径变得加倍复杂和随机，脑组织容量及代表NIRS信号的脑皮质静脉、毛细血管和动脉血的比例成份不能恒定也会造成结果误差。（3）对颅脑创伤患者，未能发觉的头皮下及颅

21、内小出血灶会阻碍脑氧监测结果，对开颅术后存在硬膜下积气的病人也是如此。（4）与其它一些影像学检查（如CT、MRI）相较，定位较差。（5）一些研究显示，不同型号近红外光谱仪的结果之间无明显相关性40 。 为了解决NIRS准确性及空间定位较差的问题，国内外学者基于光散射原理开发出微创近红外光谱仪。近红外光射入组织后，在介质的表面（如与神经活动相关的神经元细胞膜表面) 发生散射，表征这一作用的光学参数称为优化散射系数(scattering coefficient，s)，它表示散射事件发生的频率，或单位途径内光子因散射而损失的光能量的比率。s既是组织结构的固有光学特点，又能反映与神经元活动相关的转变，

22、且受组织内血流量、血红蛋白及水含量等阻碍小，与吸收系数（absorption coefficient，a）相较数值相对稳固41，更适宜作为组织定位时的特点参数。 1997年，Johns等41将入射光纤和接收光纤别离安放在针管中，进行了大鼠脑组织的实时微创在位研究，两种光纤头相隔距离能够按要求进行调剂,但实验进程中两种光纤头间实际间距和夹角无法精准操纵，对实验数据有必然阻碍。Qian等42-44把入射光纤和接收光纤之间的距离进一步缩小，制成“针管样探头”，测得活体组织的s，发觉s与组织间质的含水量、结构纤维的密度、细胞结构的外形和大小有关。这项技术的优势是将空间分辨率提高到了23 mm，微创，且

23、由于两光纤间夹角和间距恒定，系统误差小。Johns等45在此基础上对反射系数（optical reflectance，R）进行了修正。李宽正等46用微创近红外光谱仪对正常大鼠注射脱水剂后进行监测，发觉注射甘露醇和%氯化钠的大鼠s别离下降了%和%，与脑水含量的转变有较好的相关性（r=），提示鼠脑皮质局部s可作为高渗药物脱水作用评估指标之一。 与无创NIRS相较，微创NIRS提高了测量准确度和空间精准度，但目前仅在动物实验中应用，需进行大量的动物和人体实验研究才能最终用于临床监测。 9 影像学监测 最近几年来随着医学影像学的进展，CT已成为颅脑创伤患者首选的常规检查项目。CT不仅能准确显示颅内病变

24、（脑挫裂伤、脑水肿、血肿、SAH）的性质和部位，而且具有迅速、平安和无创的特点，有利于明确手术指征、手术入路和手术方式，极大地降低了颅脑创伤的死残率47。其他影像学方式，如PET、SPECT和fMRI，尽管能够对颅脑创伤后的神经代谢进行定量检测，反映神经的功能状态，可是由于它们价钱昂贵且不能实时监测，目前尚未用作颅脑创伤病人的常规检查。 其他监测方式还有电等效电路模型（electrical equivalent circuit model）48、颅内压动力学数学仿真模型49和微创颅内压应变电测法50等，但都尚处于实验时期，有关报导很少。 目前颅脑创伤后的监测中，有创监测技术（包括ICP、颈静脉

25、氧分压等）仍是目前公认的“金”指标，可是其一起缺点是有致使颅内感染、出血乃至死亡的危险，另外操作技术上的要求较高；而无创监测技术（包括TCD、f-VEP、EIT、MIT、NIRS等）以其风险小、操作相对简单等特点最近几年来受到人们的关注，是当前研究的热点，也是以后神经外科监测手腕的必然趋势，但无创监测的结果大多不是直接测得的，而是间接反映ICP、脑血氧及血流动力学转变，易受许多颅外因素的阻碍，其准确性有待进一步提高。【参考文献】 1SCHOSER B G, RIEMENSCHNEIDER N, HANSEN H C. The impact of raised intracranial pres

26、sure on cerebral venous hemodynamic: a prospective venous transcranial Doppler ultrasonography study J. J Neurosurg, 1999, 91: 744-749.2JUUL N, MORRIS G F, MARSHALL S B, et al. Intracranial hypertension and cerebral perfusion pressure: influence on neurological and outcome in severe head injury J. J

27、 Neurosurg, 2000, 92: 1-6.3ATHANASSIOU L, HANCOCK S M, MAHAJAN R P. In vitro estimation of cerebral critical closing pressure during simulation of intracranial hypertension J. British J Anaesthesia, 2002, 88: 317-321.4SHERMAN R W, BOWIE R A, HENFREY M M, et al. Cerebral haemodynamics in pregnancy an

28、d pre-eclampsia as assessed by transcranial Doppler ultrasonography J. British J Anaesthesia, 2002, 89: 687-692.5STEINER L A, CZOSNYKA M, SHERMAN R, et al. Estimation of critical closing pressure and cerebral perfusion pressure using transcranial Doppler J. British J Anaesthesia, 2003, 90: 396-397.6

29、EDOUARD A R, VANHILLE E, LEMOIGNO S, et al. Non-invasive assessment of cerebral perfusion pressure in brain injured patients with moderate intracranial hyper-tension J. British J Anaesthesia, 2005, 94: 216-221.7DESH L W. Longitudinal stability of visual evoked potentials in children and adolescents

30、with hydrocephalus J. Dev Med Child Neurol, 2001, 43: 113-171.8LIASIS A, THOMPSON D A, HAYWARD R, et al. Sustained raised intracranial pressure implicated only by pattern reversal visual evoked potentials after cranial vault expansion surgery J. Pediatr Neurosurg, 2003, 39: 75-80.9周冀英,贾建平,王磊,等. 闪光视觉

31、诱发电位对颅内压水平的监测及其与血压、心率的关系 J. 中华物理医学与康复杂志, 2005, 27(10): 614-616.10周冀英,彭国光,程远,等. 闪光视觉诱发电位无创监测颅内压的可行性研究 J. 中华医学杂志, 2003, 83: 1829-1830.11付红梅, 杨德本, 许可, 等. 闪光视觉诱发电位对颅内压转变的评估作用 J. 中国临床杂志，2003, 25（8）: 5272-5273.12WAYENBERG J L. Non-invasive measurement of intracranial pressure in neonates and infants: expe

32、rience with the Rotterdam teletransducer J. Acta Neurochir Suppl (Wien), 1998, 71(2): 70-73.13MASSAGER N, WAYENBERG J L, VERMEYLEN D, et al. Anterior fontanelle pressure recording with the Rotterdam transducer: variation of normal parameters with age J. Acta Neurchir Suppl (Wien), 1998, 71(2): 53-55.14SAMUEL M, BURGE D M, MARCHBANKS R J. Quantitative assessment of intracranial pressure by the tympanic membrane displancemen