颅内压和颅内温度监护仪研制及实验研究

【作 者】张言1，刘玉冰1，薛彦柏1，张雅檬1，李韪韬1，杨天明2，钱志余1 1 南京航空航天大学生物医学工程系，南京市， 2 南京明基医院，南京市， 【 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, 2 BenQ Medical Center, Nanjing, 【 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 颅内压(Intracranial Pressure, ICP)监测在颅脑损伤的早期诊疗中，起到了关键的指导作用[1]。在众多的监测方法中，由于有创颅内压监测的结果稳定可靠常被视为测量的黄金标准[2-3]。目前，临床常用的监测设备有强生公司的Codman颅内压监护仪[4-5]、法国Sophysa公司的Pressio监护系统和美国Integra LifeSciences公司的Camino颅内压监护仪[6]。其中大多数监护仪仅能显示实时颅内压，无法观察颅内压长期变化波形。而且，监护仪的一次性探头价格昂贵，给患者带来了沉重的经济负担，很大程度上阻碍了其在神经外科临床监护上的使用。 同时，对颅内温度(Intracranial Temperature, ICT)的监测也具有重大的临床价值。比如其对颅脑损伤亚低温治疗的治疗效果有指导性。如果温度过高，达不到理想的治疗效果。而当温度过低时，将会对病人脑部造成永久性的损伤，引发一系列并发症[7]。 为了克服市场上颅内压监护设备监测参数单一并且价格昂贵等诸多缺点，本文研制了一套结合颅内压与颅内温度测量的微创多参数监护系统。并设计了一套水浴实验，用于对比本监测系统和Codman颅内压监护仪、水银温度计的测量结果，分析得到此系统的准确度信息。另外，本文还构建了大鼠脑水肿模型，验证了仪器在体监测的可行性。 1 颅内压与颅内温度监护系统整体设计 1.1 监护仪系统组成及核心模块 监护仪系统由颅内压与颅内温度综合探头、信号调理模块、信号采集模块、数据显示模块构成，系统整体框图如图1所示。综合探头直径为1 mm，其上的压力传感器及温度传感器输出相应的电压，之后经由信号调理模块处理，在采集模块将模拟信号转换为数字信号，并将其转换为对应的颅内压力值与温度值，进行实时显示。 图1 颅内压与颅内温度监护系统整体框图Fig.1 Diagram of the intracranial pressure and intracranialtemperature monitor system 信号调理模块包括两个部分，电桥匹配电路及差分放大电路。其中惠斯通电桥，特别选用低温漂电阻。差分放大电路对信号进行差分放大，以使信号达到最佳采样强度。信号采集模块采用32位STM32F373完成，其具有的高速16位ADC完全满足信号采样需求。而后将采集到的数字信号显示在相应的LCD屏幕之上，用于观察两项生理参数的波形趋势图。 1.2 综合探头设计 综合探头结构图如图2所示。压力传感器与温度传感器封装在直径1.1 mm，长度4 mm的定制钛合金颅内压探头内，材料标准符合生物相容性要求。压力传感器为美国GE公司生产的微型压力传感器P161，该型号探头广泛用于微型压力传感部分。该传感器使用先进制作工艺和温度补偿技术，线性度好。相比于一般压力传感器，该传感器具有灵敏度高，稳定性好的特点，满足本系统要求。温度传感器使用型号为PSB-S7，具有很高的稳定性和测量精度。 图2 颅内压与颅内温度微探头示意图Fig.2 Schematic of the intracranial pressure and intracranial temperature miniature probe 2 实验方法 2.1 体外测量实验 在体外环境下，将一定温度的水置于大烧杯中，通过水压来模拟颅内压力。正常颅内压大约为(100～150) mmH2O(1.3 kPa～2 kPa)，因此足以模拟动物或者人体较大的颅内压力。本文利用不同水深下的压力模拟颅内压变化的情况，将强生Codman颅内压监护仪（82-6635, Codman&Shurtleff, Inc, USA）、颅内压与颅内温度监护仪和水银温度计同时置于水浴槽中，对比三种设备的测量结果，分析自制监护仪的测量准确度。 具体实验步骤为：首先，在容量为800 mL的烧杯中分别注入初始温度为30oC、35oC、40oC的水，水温由水银温度计测量。第二，将自制监护仪探头和Codman监护仪探头垂直插入到水中，保持两探头放置深度一致，距离为5 mm。将两个探头同步逐渐深入水中直到8 cm的深度，其中下降的速度为每步1 cm。记录自制监护仪获得的压力和温度数据、水银温度计的示数以及Codman监护仪的压力值。实验示意图如图3所示。 图3 水浴实验原理图Fig.3 Schematic of the water bath experiment 2.2 大鼠脑水肿在体实验 上述实验说明了本系统测量结果的准确性，而本实验则通过对照组和实验组小鼠的颅内温度和颅内压变化趋势，来验证该系统在体测量的可行性。其中脑水肿实验组是通过颈总动脉注射脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）试剂来制作大鼠脑水肿模型[8]。 实验中使用S D健康雄性大鼠1 5只，体重（300±20）g。随机分为空白组、对照组、实验组，每组各5只。首先将大鼠麻醉，之后按照不同组别注射同等剂量的不同药物，其中实验组从左颈总动脉注入脂多糖试剂(1 mg/mL)0.05 mL/100 g，对照组则注入等量的0.9%生理盐水，空白组不注射药物。而后，将大鼠以俯卧位固定于实验台上，在颅骨人字线左侧0.5 cm位置处钻孔，钻孔直径约0.5 cm。放入自制颅内压与颅内温度监护探头，探头放置深度为0.8 cm。每5 min记录一组颅内压与颅内温度数据，实验持续时长为2 h。 3 结果与分析 3.1 体外实验结果 图4为不同温度条件下，自制监护仪测量的温度值与温度计测量值的变化情况，该图表明二者的测量值相近，误差范围巍Ｆ渲校露戎抵鸾ハ陆凳且蛭笛楣滩⑽床扇∥炙碌拇胧粲谒碌恼１浠?图4 不同温度条件下，自制监护仪测量的温度值与温度计的测量结果Fig.4 Comparison of temperature changing by homemade monitor and mercury thermometers under different temperature 图5 为该系统测量的压力值与强生Codman监护仪测量值的变化情况，在不同温度下，Codeman监护仪的监测值在0～0.707 11 mmHg范围内波动(1 mmHg=133.32 Pa)，自制监护系统的监测值在(0.332 34～0.904 09) mmHg范围内波动。从图5中可以看到其变化趋势相似，两者误差范围为±1 mmHg（临床要求误差小于±2 mmHg）。 图5 自制监护系统压力测量值与强生Codman监护仪测量值的结果对比Fig.5 Comparison of pressure changing by homemade monitor and the Codman monitor 水浴实验表明，本文研制的监护系统可同时监测压力及温度参数，压力测量及温度测量性能能够满足临床使用需求。 3.2 大鼠脑水肿在体实验结果 图6为大鼠颅内温度变化曲线。其中空白组大鼠颅内温度缓慢降低，2 h内的降幅为1.5oC。而实验组大鼠颅内温度迅速下降，下降的幅度和速度明显大于空白组，2 h内的降幅为3.5oC。对照组大鼠颅内温度缓慢降低，下降的幅度和速度与空白组一致，并且明显小于实验组，2 h内其降幅为2oC。 图6 空白组、对照组、实验组大鼠颅内温度变化曲线Fig.6 The intracranial temperature changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group 图7 为各组大鼠颅内压的变化情况，由图7可见，在空白组大鼠颅骨钻孔，颈部不注射药物的条件下，5只大鼠的颅内压在2 h内有0.5 mmHg左右的波动，基本保持恒定。而实验组大鼠颅内压在前30 min内基本保持不变，30 min后颅内压逐渐上升，颅内压增幅约3 mmHg。80 min后颅内压升高的速度减缓。对照组大鼠颅内压在(20～55) min 有一个上升然后下降的过程，这种情况有可能是由于颅骨钻孔造成的，但在随后的时间内一直保持着正常水平。 大鼠脑水肿实验表明，本文研制的颅内压与颅内温度监护仪可实时监测被测对象的颅内压与颅内温度参数。不仅如此，由于开颅窗、注射生理盐水以及注 图7 空白组、对照组、实验组大鼠颅内压的变化曲线Fig.7 The intracranial pressure changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group 射LPS导致的颅内生理环境变化，此系统均可灵敏地检测到相应的颅内参数变化。 4 结论 本文研制了一套颅内压与颅内温度监护仪，同时设计了实验，验证了监护仪可同时测量颅内压与颅内温度两种脑组织生理参数。在水浴实验中，以水银温度计的温度测量结果为参考值，证明监护仪的温度测量误差小于0.3oC；以强生Codman监护仪的压力测量结果为参考值，证明此系统的压力测量误差为±2 mmHg，达到临床颅内压检测的准确度要求。进一步地，通过在大鼠实验研究证明，颅内压与颅内温度参数是脑水肿监护中重要的生理指标，颅内压和颅内温度监护仪在神经外科监护中具有广阔的应用前景。 【作 者】张言1，刘玉冰1，薛彦柏1，张雅檬1，李韪韬1，杨天明2，钱志余1 1 南京航空航天大学生物医学工程系，南京市， 2 南京明基医院，南京市， 【 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, 2 BenQ Medical Center, Nanjing, 【 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 颅内压(Intracranial Pressure, ICP)监测在颅脑损伤的早期诊疗中，起到了关键的指导作用[1]。在众多的监测方法中，由于有创颅内压监测的结果稳定可靠常被视为测量的黄金标准[2-3]。目前，临床常用的监测设备有强生公司的Codman颅内压监护仪[4-5]、法国Sophysa公司的Pressio监护系统和美国Integra LifeSciences公司的Camino颅内压监护仪[6]。其中大多数监护仪仅能显示实时颅内压，无法观察颅内压长期变化波形。而且，监护仪的一次性探头价格昂贵，给患者带来了沉重的经济负担，很大程度上阻碍了其在神经外科临床监护上的使用。 同时，对颅内温度(Intracranial Temperature, ICT)的监测也具有重大的临床价值。比如其对颅脑损伤亚低温治疗的治疗效果有指导性。如果温度过高，达不到理想的治疗效果。而当温度过低时，将会对病人脑部造成永久性的损伤，引发一系列并发症[7]。 为了克服市场上颅内压监护设备监测参数单一并且价格昂贵等诸多缺点，本文研制了一套结合颅内压与颅内温度测量的微创多参数监护系统。并设计了一套水浴实验，用于对比本监测系统和Codman颅内压监护仪、水银温度计的测量结果，分析得到此系统的准确度信息。另外，本文还构建了大鼠脑水肿模型，验证了仪器在体监测的可行性。 1 颅内压与颅内温度监护系统整体设计 1.1 监护仪系统组成及核心模块 监护仪系统由颅内压与颅内温度综合探头、信号调理模块、信号采集模块、数据显示模块构成，系统整体框图如图1所示。综合探头直径为1 mm，其上的压力传感器及温度传感器输出相应的电压，之后经由信号调理模块处理，在采集模块将模拟信号转换为数字信号，并将其转换为对应的颅内压力值与温度值，进行实时显示。 图1 颅内压与颅内温度监护系统整体框图Fig.1 Diagram of the intracranial pressure and intracranialtemperature monitor system 信号调理模块包括两个部分，电桥匹配电路及差分放大电路。其中惠斯通电桥，特别选用低温漂电阻。差分放大电路对信号进行差分放大，以使信号达到最佳采样强度。信号采集模块采用32位STM32F373完成，其具有的高速16位ADC完全满足信号采样需求。而后将采集到的数字信号显示在相应的LCD屏幕之上，用于观察两项生理参数的波形趋势图。 1.2 综合探头设计 综合探头结构图如图2所示。压力传感器与温度传感器封装在直径1.1 mm，长度4 mm的定制钛合金颅内压探头内，材料标准符合生物相容性要求。压力传感器为美国GE公司生产的微型压力传感器P161，该型号探头广泛用于微型压力传感部分。该传感器使用先进制作工艺和温度补偿技术，线性度好。相比于一般压力传感器，该传感器具有灵敏度高，稳定性好的特点，满足本系统要求。温度传感器使用型号为PSB-S7，具有很高的稳定性和测量精度。 图2 颅内压与颅内温度微探头示意图Fig.2 Schematic of the intracranial pressure and intracranial temperature miniature probe 2 实验方法 2.1 体外测量实验 在体外环境下，将一定温度的水置于大烧杯中，通过水压来模拟颅内压力。正常颅内压大约为(100～150) mmH2O(1.3 kPa～2 kPa)，因此足以模拟动物或者人体较大的颅内压力。本文利用不同水深下的压力模拟颅内压变化的情况，将强生Codman颅内压监护仪（82-6635, Codman&Shurtleff, Inc, USA）、颅内压与颅内温度监护仪和水银温度计同时置于水浴槽中，对比三种设备的测量结果，分析自制监护仪的测量准确度。 具体实验步骤为：首先，在容量为800 mL的烧杯中分别注入初始温度为30oC、35oC、40oC的水，水温由水银温度计测量。第二，将自制监护仪探头和Codman监护仪探头垂直插入到水中，保持两探头放置深度一致，距离为5 mm。将两个探头同步逐渐深入水中直到8 cm的深度，其中下降的速度为每步1 cm。记录自制监护仪获得的压力和温度数据、水银温度计的示数以及Codman监护仪的压力值。实验示意图如图3所示。 图3 水浴实验原理图Fig.3 Schematic of the water bath experiment 2.2 大鼠脑水肿在体实验 上述实验说明了本系统测量结果的准确性，而本实验则通过对照组和实验组小鼠的颅内温度和颅内压变化趋势，来验证该系统在体测量的可行性。其中脑水肿实验组是通过颈总动脉注射脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）试剂来制作大鼠脑水肿模型[8]。 实验中使用S D健康雄性大鼠1 5只，体重（300±20）g。随机分为空白组、对照组、实验组，每组各5只。首先将大鼠麻醉，之后按照不同组别注射同等剂量的不同药物，其中实验组从左颈总动脉注入脂多糖试剂(1 mg/mL)0.05 mL/100 g，对照组则注入等量的0.9%生理盐水，空白组不注射药物。而后，将大鼠以俯卧位固定于实验台上，在颅骨人字线左侧0.5 cm位置处钻孔，钻孔直径约0.5 cm。放入自制颅内压与颅内温度监护探头，探头放置深度为0.8 cm。每5 min记录一组颅内压与颅内温度数据，实验持续时长为2 h。 3 结果与分析 3.1 体外实验结果 图4为不同温度条件下，自制监护仪测量的温度值与温度计测量值的变化情况，该图表明二者的测量值相近，误差范围巍Ｆ渲校露戎抵鸾ハ陆凳且蛭笛楣滩⑽床扇∥炙碌拇胧粲谒碌恼１浠?图4 不同温度条件下，自制监护仪测量的温度值与温度计的测量结果Fig.4 Comparison of temperature changing by homemade monitor and mercury thermometers under different temperature 图5 为该系统测量的压力值与强生Codman监护仪测量值的变化情况，在不同温度下，Codeman监护仪的监测值在0～0.707 11 mmHg范围内波动(1 mmHg=133.32 Pa)，自制监护系统的监测值在(0.332 34～0.904 09) mmHg范围内波动。从图5中可以看到其变化趋势相似，两者误差范围为±1 mmHg（临床要求误差小于±2 mmHg）。 图5 自制监护系统压力测量值与强生Codman监护仪测量值的结果对比Fig.5 Comparison of pressure changing by homemade monitor and the Codman monitor 水浴实验表明，本文研制的监护系统可同时监测压力及温度参数，压力测量及温度测量性能能够满足临床使用需求。 3.2 大鼠脑水肿在体实验结果 图6为大鼠颅内温度变化曲线。其中空白组大鼠颅内温度缓慢降低，2 h内的降幅为1.5oC。而实验组大鼠颅内温度迅速下降，下降的幅度和速度明显大于空白组，2 h内的降幅为3.5oC。对照组大鼠颅内温度缓慢降低，下降的幅度和速度与空白组一致，并且明显小于实验组，2 h内其降幅为2oC。 图6 空白组、对照组、实验组大鼠颅内温度变化曲线Fig.6 The intracranial temperature changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group 图7 为各组大鼠颅内压的变化情况，由图7可见，在空白组大鼠颅骨钻孔，颈部不注射药物的条件下，5只大鼠的颅内压在2 h内有0.5 mmHg左右的波动，基本保持恒定。而实验组大鼠颅内压在前30 min内基本保持不变，30 min后颅内压逐渐上升，颅内压增幅约3 mmHg。80 min后颅内压升高的速度减缓。对照组大鼠颅内压在(20～55) min 有一个上升然后下降的过程，这种情况有可能是由于颅骨钻孔造成的，但在随后的时间内一直保持着正常水平。 大鼠脑水肿实验表明，本文研制的颅内压与颅内温度监护仪可实时监测被测对象的颅内压与颅内温度参数。不仅如此，由于开颅窗、注射生理盐水以及注 图7 空白组、对照组、实验组大鼠颅内压的变化曲线Fig.7 The intracranial pressure changing curve in the rat brain of blank group, experimental group, control group 射LPS导致的颅内生理环境变化，此系统均可灵敏地检测到相应的颅内参数变化。 4 结论 本文研制了一套颅内压与颅内温度监护仪，同时设计了实验，验证了监护仪可同时测量颅内压与颅内温度两种脑组织生理参数。在水浴实验中，以水银温度计的温度测量结果为参考值，证明监护仪的温度测量误差小于0.3oC；以强生Codman监护仪的压力测量结果为参考值，证明此系统的压力测量误差为±2 mmHg，达到临床颅内压检测的准确度要求。进一步地，通过在大鼠实验研究证明，颅内压与颅内温度参数是脑水肿监护中重要的生理指标，颅内压和颅内温度监护仪在神经外科监护中具有广阔的应用前景。

文章来源：《临床神经外科杂志》 网址: http://www.lcsjwkzzzz.cn/qikandaodu/2021/0318/432.html