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方法文章

使用光纤压力传感器在大鼠中进行硬膜外颅内压测量

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DOI：

10.3791/3689

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2012年4月25日

 ,  , 
1Biomedical Sciences and Pharmacy, The University of Newcastle

本文内容

摘要

介绍了一种记录颅内压力的新技术。该微创方法采用光纤压力传感系统，在未造成显著脑组织损伤的情况下，准确测量麻醉大鼠的颅内压（ICP）。该技术可应用于多种实验模型。

摘要

颅内压（ICP）升高是多种缺血性脑损伤（包括卒中、创伤性脑损伤和心脏骤停）中的一个重要问题。这种升高可能导致进一步的神经损伤，表现为小脑幕切迹疝1,2,3,4、中脑受压、神经功能缺损或脑梗死范围扩大2,4。目前的治疗方法在临床实践中常常难以有效控制颅内压升高5,6,7。因此，迫切需要建立准确的动物模型颅内压测量方法，以加深对基本发病机制的理解，并开发针对颅内压升高的新疗法。

在临床和实验环境中，颅内压（ICP）无法通过间接方法进行估算，必须通过直接测量获得。目前存在多种ICP导管置入方法，其中脑室内导管已成为人类颅内压测量的临床“金标准”8。该方法需要部分切除颅骨，并将导管穿过脑组织进行置入。因此，脑室内导管的感染发生率为6-11%9。由于这一原因，在缺血性损伤的动物模型中，硬膜下和硬膜外插管已成为首选方法。

已针对动物模型开发了多种颅内压（ICP）测量技术，其中最常用的是充满液体的遥测导管10和固态导管11,12,13,14,15。液体填充系统容易在管路中产生气泡，导致ICP读数不准确。固态探针可避免这一问题（图1）。另一个问题是将导管置入颅骨下或脑室内时，可能造成脑组织损伤，从而影响实验结果。因此，我们建立了一种方法，将ICP导管放置于硬膜外腔并与之紧密接触，同时避免了将导管插入颅骨与脑组织之间的操作。

采用光学纤维压力导管（420LP，SAMBA Sensors，瑞典）测量硬膜外位置的颅内压（ICP），因为该导管的压力传感器位于导管尖端，可在本模型中产生高保真度的ICP信号。其他制造商也生产类似的光学纤维技术13，可与我们的方法配合使用。而其他类型的固态导管，其压力传感器位于导管尖端侧面，不适合本模型，因为监测螺钉的存在会使信号衰减。

本文介绍了一种相对简单且准确的颅内压（ICP）测量方法。该方法可广泛应用于多种与颅内压相关的动物模型研究中。

方案

1. 颅骨穿透

  1. 使用异氟烷（5%诱导，1.5-2%维持）在70% N2和30% O2混合气体中对大鼠进行麻醉。麻醉诱导后，将大鼠俯卧于加热板上，并将其鼻部置于麻醉鼻罩中。
  2. 在维持麻醉状态下，将头部固定于立体定位仪中，插入耳杆直至头部稳定。确保呼吸未受阻碍。（图2-A）。
  3. 在做1.5 cm头皮正中切口前，皮下注射长效局部麻醉药布比卡因0.3 ml 0.5%（Pfizer，澳大利亚）。（应使用无菌器械和手套。）
  4. 钝性分离软组织及周围肌肉，清晰暴露Lambda和Bregma位点，牵开皮肤及结缔组织。
  5. 通过压迫暴露的颅骨止住出血；若颅骨出血过多，可进行电灼止血。
  6. 使用带1 mm尖端磨头的牙科钻，在右侧顶骨上磨出一个直径2 mm的孔。钻孔位置应位于Bregma外侧2 mm、后方2 mm处，以避开上矢状窦，并确保颅内压传感器置于缺血区域，适用于卒中研究。其他应用可选择其他合适位置。钻孔深度应达到颅骨硬脑膜侧变得半透明为止。（图2-B）。
  7. 更换为0.5 mm尖端磨头，去除孔底部的颅骨组织。
  8. 当颅骨开始出现裂纹时，使用45°角度镊子彻底清除残留颅骨，确保孔底无碎屑残留。（图3）。

2. 螺钉改造与植入

  1. 使用车床和0.7 mm钻头在六角头螺钉上钻一个0.7 mm的孔。
  2. 将监测螺钉旋入孔中，旋转约1.5圈（使用固定螺钉于颅骨所需的最小圈数，以避免损伤下方组织）。（图2-C 和 图4）。
  3. 在左侧顶骨上，从前囟向左2 mm、向后2 mm处钻第二个孔，用于固定锚定螺钉。该孔无需完全穿透颅骨，因此使用1 mm尖端磨头将颅骨局部磨薄，以便插入螺钉。
  4. 将一个2 × 4 mm的六角头螺钉插入第二个孔中。该螺钉有助于将牙科水泥以及监测螺钉牢固地锚定在颅骨上。
  5. 使用移液管混合并涂抹牙科水泥的单体和聚合物至螺钉头部基底。
  6. 让牙科水泥至少干燥10分钟。

3. 颅内压传感器置入

  1. 使用白色修正液，在光纤传感器尖端上方4 mm处做标记。
  2. 用无菌生理盐水（0.9%）填充监测螺钉的孔洞，并确保螺钉内部无气泡存在。
  3. 将颅内压（ICP）探头插入螺钉4 mm，使探头尖端与螺钉末端齐平。确保探头尖端不刺破硬脑膜。
  4. 在螺钉内调整探头尖端位置，直至观察到反映呼吸和血压脉搏波形的ICP波形。（图5）。

4. 形成密闭密封

  1. 准确的颅内压（ICP）读数必须依赖严密的密封。按1:1的比例混合黏稠的生物相容性密封材料的单体与聚合物。由于压力传感器位于探头尖端，且该位置处于中空的监测螺钉内部，因此将密封材料涂抹于光纤探头的杆部不会影响传感器的压力敏感性。
  2. 在探头及监测螺钉头部周围均匀涂抹一层薄薄的密封材料，注意避免移动ICP探头。
  3. 静置固化5分钟。
  4. 在监测螺钉和探头整体周围再涂抹第二层密封材料。确保密封材料无任何缝隙，防止液体渗漏。（图2-D）。
  5. 移除耳杆。
  6. 大鼠可保持俯卧位，或在颅内压监测期间小心地翻转为仰卧位。
  7. 完整操作流程的示意图见（图6）。

5. 颅内压传感器的移除与重新置入

  1. 完成颅内压监测后，可轻轻将导管从螺钉和密封材料中抽出，以移除颅内压传感器。
  2. SAMBA 传感器应立即放入 1% Terg-A-Zyme 溶液中，以防止探头腐蚀。
  3. 密封材料上残留的孔洞应使用额外一层密封材料覆盖。（此时可让大鼠苏醒）。
  4. 若需重新插入 SAMBA 导管进行进一步监测，可在螺钉头部水平位置切开密封材料。
  5. 重复步骤 3.2 - 5.3。

6. 典型结果

图5 展示了持续十秒的颅内压（ICP）读数。在基线状态下，Wistar 大鼠的平均 ICP 为 6 mmHg。图5 中周期较短的波动反映了血压脉搏波，周期较长的波动则显示了通气事件。请注意，SAMBA 传感器显示的通气波幅为 3–4 mmHg，脉搏波幅为 1–2 mmHg。

为了验证每次实验中SAMBA传感器的位置，应通过检测ICP波形对腹部压迫和呼吸事件（如呼吸暂停期）的反应性来进行评估。腹部压迫的示意图见图7。

在涉及自主呼吸动物的大多数实验中，可观察到呼吸暂停期（如图8所示）。这些事件在生理记录中表现为呼吸信号（膈肌换能器）和动脉压曲线上的呼吸波动消失。颅内压（ICP）曲线出现相应变化，可验证ICP探针位置的准确性。

图9展示了在移除耳杆后（步骤4.6）典型的颅内压（ICP）波形。步骤1.2中插入耳杆会导致颅骨轻微受压，进而引起颅内体积改变，从而导致ICP升高。如果传感器位置正确，移除耳杆后ICP至少会下降4 - 5 mmHg。

组织学分析可用于检查压力传感器和螺钉下方皮质区域是否存在任何损伤。图4展示了创伤性与非创伤性螺钉植入的示例。

颅内压随时间变化的曲线图，比较SAMBA ICP与液体填充导管ICP，单位为mmHg。
图1. 液体填充导管与SAMBA ICP波形对比。 颅内压通过SAMBA光纤导管（上方）和液体填充导管（下方）同时记录。两条波形的平均ICP值相似，但与光纤导管所显示清晰的呼吸和动脉压力波形相比，液体填充导管的信号明显受到抑制。

啮齿类神经科学研究中的立体定位手术装置，显示电极植入和手术步骤。
图 2. 颅内压导管插入操作步骤。 将大鼠头部用耳杆和麻醉鼻罩固定于立体定位仪上 [A]。在右侧顶骨钻一个直径约 2 mm 的孔 [B]。插入一根带有 0.7 mm 孔道的 2 × 4 mm 螺钉 [C]。在左侧顶骨植入固定螺钉，并用牙科水泥覆盖颅骨及手术区域。随后将颅内压导管（黑色箭头）插入螺钉孔中，并使用密封材料（白色箭头）形成密闭封口 [D]。图中订书钉（作为比例尺）= 12 mm × 5 mm。

颅骨手术特写，突出显示骨折修复部位，附带放大细节的示意图。
图3. 监测螺钉钻孔方向。清除颅骨上的结缔组织以定位人字缝（黑色星号）和前囟（白色星号），钻孔位置位于前囟外侧2 mm、后方2 mm处。清除孔内碎屑，保留硬脑膜和软脑膜血管（黑色箭头）完整。订书钉（作为比例尺）= 12 mm × 5 mm。

脑组织病理学分析、显微镜图像、结构比较、细胞差异
图4. 大鼠颅内压监测螺钉植入后24小时脑组织的组织学分析。 苏木精-伊红染色，6 μm 冠状切片。左侧：非创伤性螺钉植入；右侧：创伤性螺钉植入，苍白区域显示受损组织，其细胞形态与脑卒中损伤区域相似（箭头）。插图为4倍物镜下的图像。

颅内压（ICP）随时间变化图；生理数据分析，脑部监测。
图5. 典型的颅内压波形图。 脉搏压力波由较小振幅的事件表示（*）。通气过程由周期较长的事件反映（#）。

使用牙科水泥和封固材料将颅内压探头置入颅骨的示意图。
图6. 颅内压探头插入示意图。该示意图展示了支撑螺钉（右侧）以及涂有封固材料的颅内压探头插入螺钉（左侧）的放置方式。

一项临床研究中显示血压和颅内压随时间生理波动的图表。
图 7. 腹部加压。 对腹部进行短暂加压（约 1 秒），以验证颅内压（ICP）信号的有效性。加压导致脑静脉回流减少，从而增加颅内体积，进而升高颅内压。动脉压（Pa）仅在颅内压初始升高之后才下降。

心血管数据：膈肌传感器、血压、ICP 随时间变化的曲线图、生理分析。
图 8. 呼吸暂停期。 呼吸的暂时停止反映在膈肌传感器记录曲线、动脉压（Pa）记录曲线以及颅内压（ICP）记录曲线上。

颅内压（ICP）曲线图；移除耳杆对ICP随时间变化的影响；实验数据图表。
图9. 耳杆移除。 移除立体定位仪的耳杆后，颅内压应有所下降。

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讨论

本文介绍的方法能够实现对颅内压的高灵敏度和高准确性记录。该微创技术通过将压力传感器置于硬膜外间隙而非脑组织或脑室中，避免了对大脑造成显著损伤。

关键步骤包括：1）钻穿颅骨——必须小心操作，避免刺破硬脑膜或损伤下方的脑组织；2）确保使用密封材料形成严密的封闭——若存在任何泄漏，颅内压（ICP）波形将不可靠。当ICP传感器位置适当时，读数不仅能够准确反映颅内压，还能同时显示呼吸和心率变化。吸气时，胸腔内负压增大，导致下游血管压力降低，从而形成更大的压力梯度，促进脑静脉回流。随后脑血容量减少，引起颅内压下降。相反，呼气时下游静脉压力升高，导致颅内压上升。可在每只实验动物中实施短暂的、持续一秒的腹部压迫，以模拟类似于瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva manoeuvre）的刺激。该生理刺激已知会减少脑静脉回流，并引起颅内压短暂升高。若对腹部压迫无反应（颅内压未升高），则提示气密性封闭存在泄漏或中空螺钉发生堵塞。若发现泄漏，可在传感器周围再加涂一层密封材料以实现气密性封闭。需注意，密封材料不会压迫光纤，因此额外添加的层数仅用于确保充分密封。若螺钉堵塞，应移除密封材料和传感器，用无菌生理盐水...

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披露

我们没有需要披露的内容。

致谢

本项目由澳大利亚国家卒中基金会、亨特医学研究所（HMRI）和国家健康与医学研究委员会（NH&MRC）资助。特别感谢纽卡斯尔大学健康学院车间工作人员提供的专业技术支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
牙科水泥单体Henry ScheinVX- SC500MLL
牙科水泥聚合物Henry ScheinVX- SC1000GCL4
牙科钻头- 12号Gunz DentalEL104S001012/10
牙科钻头- 6号Gunz DentalEL104S001006/10
金属螺钉五金商店2 × 4 mm，六角头（实验室通过在轴上钻一个0.7 mm的孔进行改装）
SAMBA控制单元Harvard Apparatus50433102
SAMBA传感器Harvard Apparatus50461122420 LP，15 cm裸光纤，带射线不透涂层
Silagum AV Mono 嵌缝材料Gunz DentalRG 9152乙烯基聚硅氧烷、氢化聚硅氧烷、填料、颜料、添加剂、铂催化剂
Terg-A-ZymeAlconox, Inc.1304酶活性粉状洗涤剂

参考文献

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