Summary
En ny teknik för att registrera tryck inuti skallen beskrivs. Den minimalt invasiv metod använder en fiberoptisk tryckavkännande system för att noggrant mäta intrakraniellt tryck (ICP) i nedsövda råttor utan att orsaka signifikant hjärntrauma. Tekniken kan användas i en mängd olika experimentella modeller.
Abstract
Förhöjt intrakraniellt tryck (ICP) är ett stort problem i många former av ischemisk hjärnskada inklusive stroke, traumatisk hjärnskada och hjärtstillestånd. Denna höjd kan resultera i ytterligare neurologisk skada, i form av transtentorial diskbråck 1,2,3,4, mitthjärnan komprimering neurologiskt bortfall eller ökad cerebral infarkt 2,4. Nuvarande behandlingar är ofta otillräckliga för att kontrollera förhöjd ICP i den kliniska miljö 5,6,7. Det finns alltså ett behov av noggranna metoder för ICP mätning i djurmodeller för att främja vår förståelse av de grundläggande mekanismer och att utveckla nya behandlingar för förhöjd ICP.
I både den kliniska och experimentella inställning ICP kan inte beräknas utan direkt mätning. Flera metoder för ICP katetrar finns för närvarande. Av dessa intraventrikulär kateter har blivit den kliniska "gyllene standard" av ICP mätning i människa 8. Denna metod involves det partiella avlägsnandet av skallen och instrumentering av katetern genom hjärnvävnad. Därför intraventrikulära katetrar har en infektion andelen 6-11% 9. Av detta skäl har subdural och epidural kanyleringar bli de föredragna metoderna i djurmodeller av ischemisk skada.
Olika ICP mättekniker har anpassats för djurmodeller, och av dessa vätskefyllda telemetri katetrar 10 och fasta katetrar tillstånd är den vanligaste 11,12,13,14,15. De vätskefyllda system är benägna att utveckla luftbubblor i ledningen, vilket resulterar i falska avläsningar ICP. Fasta tillståndets sonder undvika detta problem (figur 1). Ett ytterligare problem är passande katetrar under skallen eller i ventriklarna utan att orsaka någon hjärnskada som kan ändra de experimentella resultaten. Därför har vi utvecklat en metod som placerar en ICP kateter gränsar till epiduralrummet, men undviker need för att infoga den mellan skalle och hjärna.
En optisk fiber tryck kateter (420LP, SAMBA Sensorer, Sverige) användes för att mäta ICP vid det epidurala läge på grund av att placeringen av trycksensorn (vid den yttersta spetsen av katetern) visade sig ge en hög fidelitet ICP signalen i denna modell . Det finns andra tillverkare av liknande optiska fiber tekniker 13 som kan användas med vår metodik. Alternativa fasta tillståndets katetrar, som har trycksensorn placerad vid sidan av kateterspetsen, skulle inte vara lämpligt för denna modell eftersom signalen skulle dämpas genom förekomsten av övervakningen skruven.
Här presenterar vi en relativt enkel och noggrann metod för att mäta ICP. Denna metod kan användas över ett brett spektrum av ICP relaterade djurmodeller.
Protocol
1. Skull Penetration
- Söva råtta med isofluran (5% för inducering, 1,5-2% för underhåll) i 70% N2 och 30% O2. Efter induktion av anestesi, placera råttan liggande på en värmeplatta, placera råttans näsan i en narkos noskon.
- Samtidigt som anestesi, fast huvudet i en stereotaktisk ram, sätter örat-bar fram huvudet stabiliserats. Se till att andas inte försämras. (Figur 2-A).
- Injicera hårbotten subkutant med långvarig lokalbedövning, bupivakain 0,3 ml 0,5% (Pfizer, Australien) innan en 1,5 cm snitt i huden mittlinje huvud. (Sterila instrument och handskar bör användas.)
- Trubba dissekera den mjuka vävnaden och omgivande muskler tydligt lokalisera Lambda och Bregma. Dra tillbaka hud och bindväv.
- Stem blödning genom att tryck på den exponerade skallen. Överdriven skallen blödning kan flamberats.
- Med hjälp av en tand drill med en 1 mm spets gradskärande, Burr ett hål 2 mm bred i den högra parietala benet. Burr hålet 2 mm lateralt och 2 mm posteriort från bregma för att undvika sinus sagittalis superior och säkerställa placeringen av ICP sensorn är under den ischemiska territorier, stroke studier. Alternativa placeringar skulle vara lika lämplig för andra applikationer. Burr hålet till ett djup där skallen ovanför den dura blir genomskinlig. (Figur 2-B).
- Ersätta det gradskärande med en 0,5 mm spets gradskärande att avlägsna skallen vid basen av hålet.
- När skallen börjar spricka, använda 45 °-pincett för att avlägsna all återstående skalle, vilket säkerställer basen av hålet rensas från skräp. (Figur 3).
2. Skruv Ändring och insättning
- Borra ett 0,7 mm hål genom en sexkantig-headed skruven med en svarv och 0,7 mm borr.
- Sätt övervakningen skruven i hålet genom att vrida den ca 1,5 varv (använd den minstavänder sig behövs för att säkra skruv i skallen för att inte skada underliggande vävnad). (Figur 2-C och fig 4).
- Burr ett andra hål för en skruv förankring i den vänstra parietala benet, 2 mm lateralt och 2 mm posteriort från bregma. Detta hål kräver inte fullständigt införande av skallen, så 1 mm spets grader används för att förtunna skallen för skruv insättning.
- Sätt i en 2 x 4 mm sexkantiga-headed skruv i det andra hålet. Denna skruv hjälper till att förankra dentalcement och följaktligen att övervaka skruven till skallen.
- Använd en överföringspipett att blanda och applicera dentala cement monomer och polymer till basen av huvudet av skruvarna.
- Låt dental cement torka i minst 10 minuter.
3. Intrakraniellt tryck givare Insertion
- Användning av vitt korrigeringsvätska markera den fiberoptiska sensorn 4 mm från spetsen.
- Fylla hål för övervakning skruv med steril saltlösning (0,9%) och säkerställa att ingenluftbubblor är närvarande i skruven.
- Sätt ICP sonden 4 mm i skruven, så att sondens spets är i nivå med änden av skruven. Se till att spetsen inte tränga igenom dura.
- Justera sondens spets i skruven tills ett ICP spår återspeglar ventilation och blodtryck vågor puls kan observeras. (Figur 5).
4. Bildar en lufttät tätning
- En lufttät tätning är absolut nödvändigt att en noggrann ICP behandlingen. Blanda en viskös biokompatibelt fogtätning monomer och polymeren i ett förhållande av 1:1. Eftersom trycksensorn är vid spetsen av sonden, och detta är i den ihåliga skruven, har applicering av tätningsmaterial på axeln hos den fiberoptiska proben ingen effekt på trycket känsligheten hos sensorn.
- Applicera ett tunt lager runt sonden och huvudet av övervakningen skruven. Undvika förskjutning av ICP-sonden.
- Låt det i 5 minuter.
- Applicera ett andra layer av fogtätning runt hela övervaknings-skruv och sond. Se till att ingen vätska läcker från några sprickor i det fogtätning. (Figur 2-D).
- Ta bort öron-barer.
- Råttan kan finnas kvar i liggande position, eller försiktigt roteras till liggande position under ICP övervakning.
- En schematisk bild av den kompletta förfarande avbildas i (figur 6).
5. Intrakraniellt tryck Givare Borttagning och återanpassningsåtgärder
- Vid slutförandet ICP övervakningen kan ICP sensorn tas bort genom att försiktigt dra katetern från skruven och fogtätning.
- SAMBA Sensorn bör vara omedelbart placera i 1% Terg-A-zyme lösning för att förhindra spets korrosion.
- Hålet som återstår i fogtätning bör täckas med ett ytterligare skikt av tätningsmaterial. (Råtta kan väckas i detta skede).
- För att sätta in SAMBA katetern för ytterligare övervakning, skivadet fogtätning i nivå med huvudet på skruven.
- Upprepa steg 3.2 - 5.3.
6. Representativa resultat
Figur 5 är en representation av ICP avläsningar under tio sekunder. Vid baslinjen, är den genomsnittliga ICP i en Wistar råtta 6 mmHg. Händelserna kortare periodicitet visas i figur 5 spegla blod tryckvågor puls. Händelserna med längre periodicitet visar ventilation händelser. Observera att SAMBA sensorn återspeglar en ventilation amplitud på 3-4 mmHg och puls amplitud 1-2 mmHg.
För att validera position SAMBA sensorn i varje experiment, bör ICP spår testas för känslighet för buken kompressioner och respiratoriska händelser, såsom perioder av apné. En abdominal kompression visas i figur 7.
Perioder av apné (illustrerad i fig 8) har observerats i de flesta experiment invo lving spontant andas djuren. Dessa händelser är identifierade på fysiologiska poster genom en avsaknad av respiratoriska nedböjningar på andningsorganen (membran givare) och arteriella spår tryck. En motsvarande förändring i ICP spår validerar ICP sonden positionering.
Figur 9 visar en typisk ICP spår efter avlägsnande av örat-bar (steg 4,6). Införandet av örat-bar i steg 1,2 resulterar i en liten kompression av skallen och därmed störningar i intrakraniell volym och därmed en ökad ICP. Om sensorn är placerad korrekt, kommer ICP släppa minst 4 till 5 mmHg med borttagandet av öron-barer.
Histologisk analys kan användas för att kontrollera eventuell skada på den kortikala ytan omedelbart under trycksensor och skruv. Ett exempel på en traumatisk och icke-traumatiska skruv införing visas i figur 4.
_upload/3689/3689fig1.jpg "/>
Figur 1. Vätskefyllda Vs SAMBA ICP Traces. ICP registrerades samtidigt via SAMBA fiberoptiska kateter (överst) och en vätskefylld kateter (botten). De genomsnittliga ICP-värdena var likartade i båda spåren, men den vätskefyllda katetern signalen särskilt dämpades jämfört med den klara andnings-och arteriella trycket vågformer som ses med den fiberoptiska katetern.
Figur 2. Intrakraniellt tryck kateterinföringsanordning Förfarande. Råttan huvud säkrades i en stereotaxisk ram med öron-stängerna och en anestetisk noskonen [A]. Ett hål, ungefär 2 mm i diameter, borrades i det högra parietala benet [B]. En 2 x 4 mm skruv med en 0,7 mm hål i axeln insattes [C]. En förankrande skruv sattes in i vänstra parietala benet och skallen och operationsstället täckt dentalcement. ICP cathetER (svart pil) infördes sedan i den skruv-hålet och en lufttät försegling tillverkad med tätningsmaterial (vit pil) [D]. Häftning (för skalan) = 12 mm x 5 mm.
Figur 3. Övervakning Skruv borrhålet Orientering. Skallen rensades från bindväv att lokalisera Lambda (svart asterisk) och bregma (vit asterisk) och hålet 2 mm lateralt och 2 mm posteriort från bregma. Hålet rensas från skräp som lämnar den dura och pial kärl (svart pil) intakta. Häftning (för skalan) = 12 mm x 5 mm.
Figur 4. Histologi av råtthjärna 24 timmar efter Instrumentation av ICP Övervakning Skruv. Hemotoxylin och eosinfärgning, 6 nm koronala sektioner. Vänster: Icke-traumatisk skruv insättning. Höger: Traumatisk skruv insättning,området blekhet skildrar skadad vävnad med liknande cellulär morfologi till stroke skadade området (pil). Insatser på 4x mål.
Figur 5. Typiska ICP spåra. Pulse tryckvågor avbildas av händelser av mindre amplitud (*). Ventilation återspeglas i händelser längre periodicitet (#).
Figur 6. ICP Probe Insertion Schematisk. Diagrammet illustrerar placering av stödskruv (höger) och fogtätning belagd ICP sond i skruven (vänster).
Figur 7. Abdominal Compression. Buken tillfälligt komprimeras (~ 1 sek) för att validera livskraft ICP signalen. Komprimering resulterar i minskad cerebral venös avkastning,ökar intrakraniell volym och därmed öka ICP. Arteriellt tryck (Pa) sjönk inte förrän den första ICP upphov.
Figur 8. Period av Apné. Tillfälligt upphörande av andningen återspeglas i membranet givaren spår, det arteriella trycket (Pa) spår och ICP spår.
Figur 9. Öron-Bar Removal. ICP bör sjunka med borttagandet av stereotaktisk ram-ear barer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Förfarandet presenteras här möjliggör en mycket känslig och noggrann registrering av intrakraniellt tryck. Denna minimalt invasiv teknik undviker betydande hjärnskada genom att placera trycksensor i epiduralrummet och inte hjärnvävnad eller ventriklarna.
De kritiska stegen är: 1) borrning genom skallen - måste man vara försiktig att inte tränga igenom dura eller skada underliggande hjärnvävnad, 2) säkerställa en tät förslutning med fogtätning - om det finns någon läcka, kommer ICP spår inte tillförlitlig. När ICP sensorn lämpligt placerad, kommer behandlingen att ge en noggrann spår av inte bara ICP, utan även respiratoriska och hjärtfrekvens. Med inspiration minskar ju mer intratorakala trycket nedströms intravaskulär tryck, vilket skapar ett större tryckgradient och ökad cerebral venös avkastning. Den efterföljande minskningen cerebrala resulterar blodvolymen i en minskning av ICP. Omvänt utandningarranson ökar nedströms ventrycket och ökar ICP. Kort kan en sekund buken kompressioner skall utföras i varje försöksdjur för att simulera en stimulans som liknar en Valsalva manöver. När den appliceras, är denna fysiologiska stimuli kända för att reducera cerebralt venöst återflöde och resultera i en övergående ökning av ICP. En brist på respons på buken kompression (ingen ökning i ICP) antyder en läcka i den lufttäta förseglingen eller blockering av den ihåliga skruven. Om en läcka uppträder, kan ett tredje skikt av tätningsmaterial appliceras runt sensorn för att erhålla en lufttät tätning. Notera att fogtätning inte kommer att komprimera den optiska fibern, så en ytterligare skikt endast kommer att säkerställa en tillräcklig tätning. Om skruven är blockerad, avlägsna fogtätning och sensorn, spola skruven försiktigt med steril saltlösning och upprepa steg från 3,2 till 4,5. Om ICP spår fortfarande är svag, måste den fiberoptiska kabeln kontrolleras. SAMBA optisk fiberkabel kan tolerera en böj radie på 10 cm, om det är exceeded ICP spår kommer att äventyras.
Dura är i mycket nära anslutning till skallen, och därför största försiktighet måste vidtas när du tar bort skallen i steg 1,8. När du lär denna teknik kan dura vara misstag hål och cerebrospinalvätska (CSF) kommer att läcka in i epiduralrummet och in övervakningen skruven. En Knick i dura, kommer emellertid inte att påverka ICP mätning eftersom skalle är förseglad.
Denna metod är lämplig för användning i djur under narkos, men det är lätt modifieras för att utföra inspelningar med ett tjuder system vakna djur. Den beskrivna tekniken har potential att användas i många modeller av ICP mätning. Den optiska fiber som används i denna metod är okänslig för någon form av elektromagnetiska fält och är därför förenlig med imaging tekniker som MR, CT, PET och SPECT. Kvaliteten av registreringarna och tillförlitlighet av mätningar över tiden är överlägsen thosig erhållas med användning av kommersiellt tillgängliga vätskefylld kateter-system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Vi har inget att lämna ut.
Acknowledgments
Detta projekt har finansierats av National Stroke Foundation, Hunter Medical Research Institute (HMRI) och nationella hälso-och Medical Research Council (NH & MRC), Australien. Speciellt tack till fakulteten för hälsa workshop personal vid University of Newcastle för sin tekniska kompetens.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dental Cement Monomer | Henry Schein | VX- SC500MLL | |
| Dental Cement Polymer | Henry Schein | VX- SC1000GCL4 | |
| Dental drill burr- size 12 | Gunz Dental | EL104S001012/10 | |
| Dental drill burr- size 6 | Gunz Dental | EL104S001006/10 | |
| Metal Screw | Hardware Store | 2 x 4 mm, hexagonal head. (laboratory-modified by 0.7 mm hole drilled through shaft) | |
| SAMBA Control Unit | Harvard Apparatus | 50433102 | |
| SAMBA Sensor | Harvard Apparatus | 50461122 | 420 LP, 15cm bare fibre, radio-opaque coating |
| Silagum AV Mono caulking material | Gunz Dental | RG 9152 | Vinylpolysiloxanes, hydrogen polysiloxanes, filler, pigments, additives, plantinum catalyst |
| Terg-A-Zyme | Alconox, Inc. | 1304 | Enzyme-active powdered detergent |
References
- Ng, L. K., Nimmannitya, J. Massive cerebral infarction with severe brain swelling: a clinicopathological study. Stroke. 1, 158-163 (1970).
- Plum, F. Brain swelling and edema in cerebral vascular disease. Res. Publ. Assoc. Res. Nerv. Ment. Dis. 41, 318-348 (1966).
- Ropper, A. H., Shafran, B. Brain edema after stroke. Clinical syndrome and intracranial pressure. Arch. Neurol. 41, 26-29 (1984).
- Silver, F. L., Norris, J. W., Lewis, A. J., Hachinski, V. C. Early mortality following stroke: a prospective review. Stroke. 15, 492-496 (1984).
- Geraci, E. B., Geraci, T. A. Hyperventilation and head injury: controversies and concerns. J. Neurosci. Nurs. 28, 381-387 (1996).
- Schwab, S., Aschoff, A., Spranger, M., Albert, F., Hacke, W. The value of intracranial pressure monitoring in acute hemispheric stroke. Neurology. 47, 393-398 (1996).
- Adams, H. P. Guidelines for the early management of patients with ischemic stroke: A scientific statement from the Stroke Council of the American Stroke Association. Stroke. 34, 1056-1083 (2003).
- Zhong, J. Advances in ICP monitoring techniques. Neurol. Res. 25, 339-350 (2003).
- Aucoin, P. J. Intracranial pressure monitors. Epidemiologic study of risk factors and infections. Am. J. Med. 80, 369-376 (1986).
- Silasi, G., MacLellan, C. L., Colbourne, F. Use of telemetry blood pressure transmitters to measure intracranial pressure (ICP) in freely moving rats. Curr. Neurovasc. Res. 6, 62-69 (2009).
- Crutchfield, J. S., Narayan, R. K., Robertson, C. S., Michael, L. H. Evaluation of a fiberoptic intracranial pressure monitor. J. Neurosurg. 72, 482-487 (1990).
- Bolander, R., Mathie, B., Bir, C., Ritzel, D., Vandevord, P. Skull Flexure as a Contributing Factor in the Mechanism of Injury in the Rat when Exposed to a Shock Wave. Ann. Biomed. Eng. , (2011).
- Chavko, M., Koller, W. A., Prusaczyk, W. K., McCarron, R. M. Measurement of blast wave by a miniature fiber optic pressure transducer in the rat brain. J. Neurosci. Methods. 159, 277-281 (2007).
- Chavko, M. Relationship between orientation to a blast and pressure wave propagation inside the rat brain. J. Neurosci. Methods. 195, 61-66 (2011).
- Leonardi, A. D., Bir, C. A., Ritzel, D. V., VandeVord, P. J. Intracranial pressure increases during exposure to a shock wave. J. Neurotrauma. 28, 85-94 (2011).
