CN117752317A - 基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法，监测装置包括：信号激发模块、光谱数据采集模块、数据处理模块，信号激发模块包括激光器和光参量振荡器，光谱数据采集模块包括光谱仪及其配套的数据采集软件；激光器输出端与和光参量振荡器输入端之间设置若干反射镜以调整光路；光参量振荡器输出端依次设置同轴透镜组和光纤束。本发明采用上述一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法，能够在无创的情况下监测颅内ICP，易于使用、准确、可靠、无感染、可连续动态监测，极大减轻了患者在ICP监测中的痛苦，又可为医生诊断疾病、判断病情、制订进一步的诊疗方案提供客观依据，具有较大的临床潜力。

Description

基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法

技术领域

本发明涉及神经重症监护技术领域，尤其是涉及一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法。

背景技术

ICP增高常见于颅脑外伤、颅内感染、脑血管病和脑肿瘤等脑疾病，会压迫脑组织甚至引起脑疝，造成不良后果。准确监测颅内压变化，合理确认颅内压干预界值，有效控制颅内压，成为降低病死率，改善神经功能预后的关键。

有创ICP监测因其高精确度、可连续监测等优点，被视为当前颅内压监测的金标准，主要监测方式有脑室内、脑实质、硬膜下、硬膜外等。然而，由于颅内出血、感染等与操作相关的并发症，以及费用昂贵、零点漂移等因素，相当大程度上限制了有创颅内压监测的临床应用。因此，寻找一种准确、可靠、廉价、可连续监测的无创ICP监测技术已成为当前临床工作，尤其是神经重症ICU(intensive care unit)需要迫切解决的问题。

国际学者在无创颅内压监测方面正在进行相关研究，如眼压计测量眼内压、眼部超声测量视神经鞘直径(optic nerve sheath diameter，ONSD)、经颅多普勒超声(transcranial Doppler，TCD)、体感诱发电位(somatosensory evoked potentials，SEP)、闪光视觉诱发电位(flash visual evoked potential，FVEP)和脑电图(electroencephalogram，EEG)技术分析ICP，但存在测量误差大、不可持续等缺点，尚需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法，能够在无创的情况下监测颅内ICP，易于使用、准确、可靠、无感染、可连续动态监测，极大减轻了患者在ICP监测中的痛苦，又可为医生诊断疾病、判断病情、制订进一步的诊疗方案提供客观依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测及方法，监测装置，包括信号激发模块、光谱数据采集模块、数据处理模块，信号激发模块包括激光器和光参量振荡器，光谱数据采集模块包括光谱仪及其配套的数据采集软件；激光器输出端与和光参量振荡器输入端之间设置若干反射镜以调整光路；光参量振荡器输出端依次设置同轴透镜组和光纤束，光纤束出光端连接至监测对象；光谱仪的探头与监测对象接触连接，探头与光纤束出光端位于同一平面内。

一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测方法，包括如下步骤：

S1、监测对象预处理及固定；

S2、检测背景光谱强度：打开光谱仪，并将光谱仪探头放置在监测对象颅骨的照射位点，光谱仪实时连续记录背景光谱强度7min，获得随波长、时间变化的背景光谱强度数据；

S3、检测入射激光的强度：打开激光器和光参量振荡器预热，光谱仪探头与光纤束出光端位于同一直线上，以1s为一个周期，一个周期内以一定波长的近红外脉冲激光照射光谱仪探头2次，记录10个周期的入射激光的强度；

S4、检测透射激光的强度：令光谱仪探头与光纤束出射端位于同一平面内，光纤束出光端以一定波长的近红外脉冲激光照射监测对象颅骨照射位点，打开光谱仪，将光谱仪探头放置在监测对象颅骨探测位点，每隔0.1s进行一次透射激光的强度数据的采集；

S5、数据处理和吸光度计算。

优选地，所述步骤S1中预处理及固定包括：麻醉，剔除监测对象头颅正中部位的毛发并消毒，监测对象仰卧、体位摆正，且头部与身体轴线水平。

优选地，所述照射位点为前囟门中点。

优选地，所述步骤S3中探测位点为：以所述照射位点为圆心的半径0～3cm范围内任一点。

优选地，所述一定波长的近红外脉冲激光为700nm、725nm、750nm、775nm、800nm中的一种。更优选的，所述一定波长的近红外脉冲激光为700nm、800nm。

优选地，所述步骤S5中数据处理和吸光度计算包括：

S5-1、计算噪声数值，根据步骤S2中获得的随波长、时间变化的背景光谱强度数据，舍去前2min的数据；根据光谱仪的分辨率及检测入射激光、透射激光的强度时的一定波长，在一定波长、一定波长±分辨率的三列背景光谱强度数据中分别查找最小值，并取三个最小值的平均值作为噪声数值；

S5-2、计算入射激光能量，将步骤S3中检测的入射激光强度分别减去噪声数值后，取平均值作为入射激光能量；

S5-3、计算透射激光能量，将步骤S4中检测的透射激光强度分别减去噪声数值后，取平均值作为透射激光能量；

S5-4、吸光度计算，吸光度的计算公式为：

其中A为吸光度，表示透射光的能量，/>表示入射激光的能量。

近红外光对于生物组织和体液具有非常好的穿透性，反射光和入射光的相对能量变化与入射界面的吸光度和反射率有关。大脑由颅骨、硬脑膜、蛛网膜、软膜和脑实质构成。由于颅内压变化时会导致脑膜厚度发生细微变化，同时脑膜厚度会影响光的吸收和衰减，故当近红外光透过颅骨后，从组织表面射出的光信号会携带有脑膜的结构及厚度等方面的信息，通过分析这些光信号携带的信息就可以实现对颅内压的监测。

因此，本发明采用上述一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法，具有如下技术效果：

(1)相比于传统侵入式颅内压监测技术，本发明采用非侵入式监测方式，能够在无创的情况下监测患者ICP，具有安全、感染风险低、可连续动态监测等优点，可极大程度减轻患者在监测ICP过程中的痛苦；

(2)相比于现有的、在研的其他非侵入式ICP监测技术，该方法具有成本低、灵敏度高、响应速度快、不受电磁干扰等优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例一的监测装置结构示意图；

图2为本发明实施例一的流程图；

图3为本发明实施例一不同注射剂量下ICP数值曲线；

图4为本发明实施例一不同激光波长下光吸收度曲线；

图5为本发明实施例一700nm和800nm波长下吸光度A和ICP的关系；其中(A)部分为700nm波长下吸光度A和ICP的关系，(B)部分为800nm波长下吸光度A和ICP的关系；

图6为本发明实施例一700nm和800nm波长时拟合方程ICP值与有创侧测量ICP值之间的一致性分析；其中(A)部分为700nm波长时拟合方程ICP值与有创侧脑室监测的ICP值之间的一致性分析；(B)部分为800nm波长时拟合方程ICP值与有创侧脑室监测的ICP值之间的一致性分析。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

使用本发明一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置和现有技术中有创颅内压监测装置，在大鼠体内进行颅内压监测。大鼠选择雄性SD大鼠，体重510g，来源：北京维通利华实验动物技术有限公司。

如图1所示，包括信号激发模块、光谱数据采集模块、颅内压数据采集模块和数据处理模块。

信号激发模块主要基于灯泵脉冲Nd:YAG激光器(型号：Q-Smart 450)和光参量振荡器(型号：BB-OPO)进行光学信号的激发。

Nd:YAG激光器作为泵浦源，能够发出1064nm的固定波长激光。加装二倍频模块之后可以发出532nm的固定波长激光，并通过专门控制软件或触控屏来控制激光能量大小。

将532nm激光(抽运光)通入光参量振荡器。光参量振荡器同样有专门的控制电脑、控制协议和控制软件。通过调节控制软件内设定值，能够产生680-990nm(信号光)和1200-2400nm范围内的激光，本实施例仅使用700nm、725nm、750nm、775nm、800nm特定波长的近红外脉冲激光。

如图1所示，在光路搭建部分，还装配了凹透镜、凸透镜和光纤束。光参量振荡器发射端固定一同轴透镜组，透镜组另一端对应固定一光纤束。光纤束用于转换激光照射方向，直径3mm。透镜组用于将光参量振荡器发出的激光先汇聚再发散，使光束直径与光纤束直径匹配。激光由激光器发出后通过设置的凹透镜、凸透镜折射调整光路，使之通入光参量振荡器，光参量振荡器再通过同轴透镜组调整光束直径使光束射入光纤束，光纤束出光端照射监测对象颅骨照射位点(以前囟为参考，沿着中骨缝向后1.0mm，向右1.5mm)。

光谱数据采集模块使用ASC-UVNIR2紧凑型光谱仪对原始光信号进行探测，配套使用JC spectrum软件进行数据显示与保存。

颅内压数据采集模块利用GE Dash 4000监护仪、医用压力传感器和ICM+多模态监测软件实时监测和记录颅内压数据。医用压力传感器用于测量颅内压，监护仪和ICM+用于实时监测、记录颅内压数据。

使用上述装置进行大鼠的在体无创颅内压监测，流程如图2所示，包括：

S1、麻醉：使用20％乌拉坦溶液将SD大鼠麻醉，注射剂量为0.7mL/100g。

S2、剔除大鼠头颅正中部位到颈椎部位的毛发，用酒精棉球搽拭消毒。将麻醉后的大鼠整个头颅水平固定在脑立体定位仪上，并将头部抬高，与身体成135°。

S3、有创侧脑室ICP监测：以大鼠两眼中间中点为起点，以枕骨嵴下10mm为终点，用刀片沿大鼠头颅中轴切开一切口，暴露颅骨。以前囟为参考，沿着中骨缝向后2.0mm，向左1.5mm，作为侧脑室监测ICP位点。

在标记位置用颅骨钻钻孔，注意仅钻透颅骨，不要伤及脑膜。将医用传感器的针头扎入左侧侧脑室，入针深度4.5mm。

S4、小脑延髓池注射：通过触摸找到枕骨嵴，在枕骨嵴下3mm处的肌肉间隙处为进针点，进针角度与身体平行，针尖坡面上缓慢向前进针到小脑延髓池，深度约为0.5mm。

S5、检测背景光谱强度：打开光谱仪，并将光谱仪探头放置在大鼠颅骨的照射位点(前囟门中点)。光谱仪实时连续记录背景光谱强度7min，获得随波长、时间变化的背景光谱强度数据。

S6、以0.1mL为注射单位，持续往小脑延髓池注射生理盐水，引起颅内压的持续升高，最高注射至1.8mL。每注射0.1mmL，利用ICM+软件，实时记录有创颅内压数据。并通过光谱仪检测光信号强度，光谱仪采集帧率选择50fps，选用连续采集10次结果的均值作为所探测光信号的大小。

检测光信号强度包括：

S7、检测入射激光的强度：打开激光器和光参量振荡器预热，光谱仪探头放置在大鼠颅骨的照射位点(前囟门中点)，光谱仪探头与光纤束出光端位于同一直线上，令激光器按实验时编码顺序，由700nm、725nm、750nm、775nm、800nm五个波长依次发光，1s内为一个周期，其中每个波长的激光出射2次。记录激光器发光10个周期的光谱数据，每个波长的激光共出射20次。

S8、检测透射激光的强度：令光谱仪探头与光纤束出射端位于同一平面内，光纤束出光端以700nm、725nm、750nm、775nm、800nm五个波长依次照射大鼠颅骨照射位点(以前囟门为参考，沿着中骨缝向后1.0mm，向右1.5mm)，打开光谱仪，将光谱仪探头放置在监测对象颅骨探测位点(以前囟为参考，沿着中骨缝向后1.8mm，向右1.5mm)，每隔0.1s进行一次透射激光的强度数据的采集。

数据分析

(一)有创颅内压监测数据处理

使用ICM+软件与Python语言完成原始数据的处理。包括数据格式转换、数据分段等操作，步骤如下：

S1、数据格式转换

利用ICM+软件，将原始的ICP监测数据转换为通用的“.csv”格式。

S2、数据分段

本系统将颅内压即将发生变化时刻(向小鼠的小脑延髓池注射生理盐水前)定义为0时刻，同时去除0时刻之前所记录的ICP数据。按照注射剂量标签，将ICP监测数值分为不同的数据段，用于对比不同注射剂量下颅内压响应上的差异。

S3、均值处理

对不同阶段的ICP数据进行均值处理，将结果作为当前注射剂量下的ICP数值。绘制不同注射剂量下ICP数值曲线如图3所示。

结果表明，从小脑延髓池注射生理盐水后会引大鼠颅内压的升高。这是因为当注射生理盐水时，会直接影响脑脊液的流动和体积。颅内的液体体积增多进而增加了对脑室系统的压力，表现为颅内压升高。同时由于颅脑存在代偿机制，通过脑脊液的循环、脑血流的流动等多种方式来减少颅内压的升高，所以在ICP监测曲线上会出现下降阶段。但颅脑的代偿能力有限，随着注射剂量的增加，仍然会导致ICP的升高。

(二)光谱强度数据处理

(1)背景光去噪

根据获得的7min的波长-背景光谱强度数据，为减少实验误差，采取以下措施：i.为防止光谱仪开机时电子元器件不稳定，导致所得数据不稳定，应舍去前2min的数据；ii.使用的光谱仪的分辨率为0.21nm，选用特定波长及特定波长±0.21nm的三列光谱值。从700nm、725nm、750nm、775nm、800nm每个波长的三列光谱数据中分别查找最小值，对三个最小值求平均值，得到该波长下的噪声数值。

将检测的每个波长下的入射激光强度分别减去该波长的噪声数值后，取平均值作为该波长下的入射激光能量。将检测的每个波长下的透射激光强度分别减去该波长的噪声数值后，取平均值作为该波长下的透射激光能量。

(2)吸光度计算

吸光度的计算公式为：

其中A为吸光度，表示透射光的能量，/>表示入射激光的能量。

结果如图4所示，不同波长的激光照射时，同一物质对激光的衰减程度不同。结果显示，波长700nm和800nm下的波形可以反映出吸光度与注射剂量呈正相关的变化趋势，而另外3个波形呈现无规律的变化。

通过分析700nm、725nm、750nm、775nm和800nm波长激光下的脑部吸光度和颅内压的数据，结果显示700nm和800nm波长时相关性较好。之后通过数据拟合，绘制700nm和800nm波长时吸光度A和ICP之间的关系图，同时得出关系式，结果如图5所示。

图5中(A)为700nm波长下吸光度A和ICP的关系，图5中(B)为800nm波长下吸光度A和ICP的关系。

再分别对2个拟合方程得到的ICP值与通过实施例一中有创侧脑室监测的ICP值进行一致性分析，结果如图6所示。图6中(A)为700nm波长时拟合方程ICP值与有创侧脑室监测的ICP值之间的一致性分析；图6中(B)部分为800nm波长时拟合方程ICP值与有创侧脑室监测的ICP值之间的一致性分析。结果显示，两个参数高度吻合，且800nm时比700nm一致性更好。

因此，本发明采用上述一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置及方法，相比于传统侵入式颅内压监测技术，非侵入式监测方式能够在无创的情况下监测患者ICP，具有安全、感染风险低、可连续动态监测等优点，可极大程度减轻患者在监测ICP过程中的痛苦；并且具有成本低、灵敏度高、响应速度快、不受电磁干扰等优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置，其特征在于：包括信号激发模块、光谱数据采集模块、数据处理模块，信号激发模块包括激光器和光参量振荡器，光谱数据采集模块包括光谱仪及其配套的数据采集软件；激光器输出端与和光参量振荡器输入端之间设置若干反射镜以调整光路；光参量振荡器输出端依次设置同轴透镜组和光纤束，光纤束出光端连接至监测对象；光谱仪的探头与监测对象接触连接，探头与光纤束出光端位于同一平面内。

2.一种如权利要求1所述的基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、监测对象预处理及固定；

S2、检测背景光谱强度：打开光谱仪，并将光谱仪探头放置在监测对象颅骨的照射位点，光谱仪实时连续记录背景光谱强度7min，获得随波长、时间变化的背景光谱强度数据；

S3、检测入射激光的强度：打开激光器和光参量振荡器预热，光谱仪探头放置在监测对象颅骨的照射位点，光谱仪探头与光纤束出光端位于同一直线上，以1s为一个周期，一个周期内以一定波长的近红外脉冲激光照射光谱仪探头2次，记录10个周期的入射激光的强度；

S4、检测透射激光的强度：令光谱仪探头与光纤束出射端位于同一平面内，光纤束出光端以一定波长的近红外脉冲激光照射监测对象颅骨照射位点，打开光谱仪，将光谱仪探头放置在监测对象颅骨探测位点，每隔0.1s进行一次透射激光的强度数据的采集；

S5、数据处理和吸光度计算。

3.根据权利要求2所述的一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S1中预处理及固定包括：麻醉，剔除监测对象头颅正中部位的毛发并消毒，监测对象仰卧、体位摆正，且头部与身体轴线水平。

4.根据权利要求2所述的一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置的监测方法，其特征在于：所述照射位点为前囟门中点。

5.根据权利要求4所述的一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置的监测方法，其特征在于，所述步骤S3中探测位点为：以所述照射位点为圆心的半径0～3cm范围内任一点。

6.根据权利要求2所述的一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测装置的监测方法，其特征在于：所述一定波长的近红外脉冲激光为700nm、725nm、750nm、775nm、800nm中的一种。

7.根据权利要求2所述的一种基于脑膜吸光度变化的在体无创颅内压监测方法，其特征在于，所述步骤S5中数据处理和吸光度计算包括如下步骤：

S5-1、计算噪声数值，根据步骤S2中获得的随波长、时间变化的背景光谱强度数据，舍去前2min的数据；根据光谱仪的分辨率及检测入射激光、透射激光的强度时的一定波长，在一定波长、一定波长±分辨率的三列背景光谱强度数据中分别查找最小值，并取三个最小值的平均值作为噪声数值；

S5-2、计算入射激光能量，将步骤S3中检测的入射激光强度分别减去噪声数值后，取平均值作为入射激光能量；

S5-3、计算透射激光能量，将步骤S4中检测的透射激光强度分别减去噪声数值后，取平均值作为透射激光能量；

S5-4、吸光度计算，吸光度的计算公式为：

其中A为吸光度，表示透射光的能量，/>表示入射激光的能量。