瞳孔光反射動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)搭建及瞳孔變化與顱內(nèi)壓相關(guān)性研究.pdf

1、瞳孔對(duì)光反射(Pupillary Light Reflex，PLR)指在光照條件改變時(shí)，由交感和副交感神經(jīng)協(xié)同作用，瞳孔直徑發(fā)生舒縮的現(xiàn)象。PLR因?yàn)槠渖窠?jīng)反射通路的特殊性，成為神經(jīng)系統(tǒng)查體的一項(xiàng)重要內(nèi)容。臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn):不同傷情間、同一傷情不同時(shí)間，顱腦創(chuàng)傷（Traumatic Brain Injury，TBI）患者PLR存在較大區(qū)別。若排除藥物、第Ⅱ和Ⅲ對(duì)顱神經(jīng)損害等因素影響，TBI患者PLR差異可能與其中樞神經(jīng)系統(tǒng)電生理活動(dòng)異常有關(guān)

2、，這與顱內(nèi)壓(Intracranial Pressure，ICP)密切關(guān)聯(lián)，但PLR與ICP相關(guān)性尚無深入研究報(bào)道。基于此，本課題圍繞PLR動(dòng)態(tài)精確數(shù)字測(cè)量，從瞳孔反應(yīng)數(shù)據(jù)信息中探討PLR與ICP相關(guān)關(guān)系，并提出一種基于PLR的無創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)(non-invasiveIntracranial Pressure，nICP)的設(shè)想。
　　目的：
　　1.搭建瞳孔動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)瞳孔變化的動(dòng)態(tài)精確數(shù)字測(cè)量，為臨床PLR檢查提供全

3、新的方式;2.尋找PLR變化與ICP之間的數(shù)字規(guī)律，探索基于瞳孔變化的nICP監(jiān)測(cè)的設(shè)想。
　　方法：
　　將課題目的按照兩部分實(shí)施:具體工作如下:
　　1.搭建瞳孔對(duì)光反射的動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)。進(jìn)行瞳孔光反射動(dòng)態(tài)測(cè)量的設(shè)計(jì)，完成測(cè)量平臺(tái)的設(shè)計(jì)組建，并對(duì)健康成人進(jìn)行PLR測(cè)量。
　　(1)研究瞳孔的生理解剖特點(diǎn)及現(xiàn)有檢測(cè)手段，確立測(cè)量平臺(tái)瞳孔檢測(cè)的方法。將PLR的動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)按照功能模塊拆分:圖像采集系統(tǒng)、光源調(diào)控系統(tǒng)

4、、圖形計(jì)算分析系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)平臺(tái)。各模塊分別進(jìn)行硬件元素的篩選、組裝和軟件開發(fā)。軟件制作在Windows操作系統(tǒng)Visual Studio開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，分別完成攝像設(shè)備的控制、圖像采集、讀取、圖形計(jì)算及光源自動(dòng)調(diào)控。
　　(2)應(yīng)用此平臺(tái)對(duì)健康成人進(jìn)行瞳孔動(dòng)態(tài)測(cè)量，檢驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)的運(yùn)行情況:選取日常三個(gè)場(chǎng)景暗環(huán)境、室內(nèi)下午自然光環(huán)境和室外走廊下午自然光環(huán)境，分別進(jìn)行測(cè)試;測(cè)試按照刺激光源強(qiáng)度不同分為6組，刺激光強(qiáng)度通過PSoC（Pr

5、ogrammableSystem-On-Chip，片上可編程系統(tǒng)）進(jìn)行控制。
　　2.瞳孔變化與顱內(nèi)壓的相關(guān)性研究。制作高顱壓動(dòng)物模型，對(duì)高顱壓模型動(dòng)物進(jìn)行動(dòng)態(tài)PLR檢測(cè)，分析數(shù)據(jù)總PLR與ICP之間的關(guān)聯(lián)，初步完成基于PLR的nICP設(shè)計(jì)。
　　(1)可調(diào)節(jié)高顱壓動(dòng)物模型:選取Beagle犬作為實(shí)驗(yàn)犬共14只，分為兩組。實(shí)驗(yàn)組10只進(jìn)行右側(cè)額部硬膜外球囊植入和左側(cè)額葉ICP傳感器植入，對(duì)照組4只僅進(jìn)行左側(cè)額葉ICP傳感器植

6、入;實(shí)驗(yàn)組球囊擴(kuò)張應(yīng)用微量泵，按照10ml/h勻速緩慢擴(kuò)張，實(shí)時(shí)記錄顱內(nèi)壓力變化、描繪實(shí)驗(yàn)犬顱內(nèi)容積-壓力曲線。比較兩組間人工喂養(yǎng)、動(dòng)物異常、感染、預(yù)后情況及初始顱內(nèi)壓與埋囊后顱內(nèi)壓情況。
　　(2)應(yīng)用瞳孔動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量可調(diào)節(jié)高顱壓實(shí)驗(yàn)犬模型各顱內(nèi)壓梯度下瞳孔PLR變化。實(shí)驗(yàn)在模型犬清醒、配合下進(jìn)行，環(huán)境光強(qiáng)為80～120Lux，刺激光源強(qiáng)度選擇600Lux左右白色LED光源。參照犬顱內(nèi)容積-壓力曲線，擴(kuò)張球囊，將模型犬以5

7、mmHg梯度依次升高顱內(nèi)壓，獲得5組顱內(nèi)壓梯度:正常顱內(nèi)壓、15mmHg、20mmHg、25mmHg及30mmHg，在不同顱內(nèi)壓梯度下分別記錄各組瞳孔變化數(shù)據(jù)。
　　(3)基于瞳孔反射變化與顱內(nèi)壓相關(guān)性的思想，進(jìn)行基于PLR的nICP裝置初步設(shè)計(jì)。
　　3.采用SPSS16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)數(shù)變量采用頻數(shù)和百分比，計(jì)量變量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述。因高顱壓模型制作部分，樣本量較低，計(jì)數(shù)變量組間比較采用Fisher's

8、精確概率檢驗(yàn);計(jì)量變量?jī)山M間比較采用成組t檢驗(yàn);不同顱內(nèi)壓條件下，瞳孔直徑各參數(shù)比較采用重復(fù)測(cè)量資料方差分析。P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　結(jié)果：
　　1.搭建瞳孔對(duì)光反射的動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)。
　　(1)選定基于紅外成像的瞳孔圖像采集、圖形處理計(jì)算的方法為本平臺(tái)應(yīng)用的瞳孔檢測(cè)方法。平臺(tái)硬件配置:圖像采集系統(tǒng)搭配WP-U500工業(yè)相機(jī)和拆除紅外光截止濾波片的M3520-MPW2光學(xué)鏡頭，加載FU-LGP025可見

9、光截止片，制作成紅外攝像設(shè)備;應(yīng)用托恩斯安防的型號(hào)為TS-6030的LED紅外燈作為輔助紅外光源;選用10W白光LED燈作為刺激光源，可在20cm工作距離提供1000Lux的光照強(qiáng)度;應(yīng)用UT381光強(qiáng)照度計(jì)進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)和反饋控制。計(jì)算機(jī)平臺(tái)搭載USB3.0接口，擁有4G以上的內(nèi)存、1T以上的硬盤。軟件開發(fā)在Windows系統(tǒng)下，運(yùn)用Visual Studio2010環(huán)境創(chuàng)建MFC窗體，使用C++語言，在MFC框架下構(gòu)建軟件界面，圖像采

10、集選用DirectShow開發(fā)包，編程完成相機(jī)的參數(shù)設(shè)置。圖像分析處理選用閾值分割算法、Hough變換、Otsu算法和填充法等多種算法結(jié)合，解析瞳孔圖像。平臺(tái)運(yùn)行后可獲得每秒30幀1920×1080圖像。
　　(2)健康成人PLR動(dòng)態(tài)測(cè)量檢驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行:環(huán)境光強(qiáng)分別為暗環(huán)境0.1Lux、室內(nèi)下午自然光環(huán)境120Lux和室外走廊下午自然光350Lux。刺激光強(qiáng)度分別為40Lux、155Lux、270Lux、375Lux、490Lux和

11、600Lux，LED紅外光源能穩(wěn)定輸出背景近紅外線，連續(xù)獲取每秒30幀1920×1080瞳孔動(dòng)態(tài)變化圖像，時(shí)間分辨率33毫秒。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:光刺激前瞳孔初始均值為暗環(huán)境5.61±0.15mm，室內(nèi)環(huán)境4.89±0.13mm，室外走廊4.25±0.16mm，光源刺激去除后瞳孔大小分別為5.2±0.38mm、4.62±0.32mm和3.96±0.25mm，顯示環(huán)境光對(duì)初始和復(fù)張后瞳孔大小有影響。瞳孔收縮后均值最大為4.11±0.27mm，最

12、小為3.33±0.25mm，按照刺激光源強(qiáng)度上升而遞減，顯示瞳孔收縮后大小與刺激光照強(qiáng)度相關(guān);在光照強(qiáng)度490Lux與600Lux組收縮后大小接近。各組數(shù)據(jù)在收縮和復(fù)張速度為差異不明顯。結(jié)果顯示，理論狀態(tài)下瞳孔數(shù)據(jù)分辨率為千分之一毫米。
　　2.瞳孔變化與顱內(nèi)壓的相關(guān)性研究。
　　(1)可調(diào)節(jié)高顱壓犬模型制作，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組間比較，經(jīng)Fisher's精確概率檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組人工喂養(yǎng)、動(dòng)物異常、感染，以及預(yù)后情況，組間

13、差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。經(jīng)成組t檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組初始顱內(nèi)壓（10.9±1.2）與對(duì)照組顱內(nèi)壓（10.5±0.9）比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.597，P=0.562）;經(jīng)配對(duì)t檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組初始顱內(nèi)壓與埋囊后顱內(nèi)壓（11.5±1.4）比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.029，P=0.317)。按照10ml/h勻速緩慢球囊擴(kuò)張得到犬顱內(nèi)容積-壓力曲線:球囊擴(kuò)張前顱內(nèi)壓力平均為10.8mmHg，在擴(kuò)張到1ml時(shí)顱內(nèi)壓力均值升至13.2m

14、mHg，在擴(kuò)張到1.5ml時(shí)顱內(nèi)壓力均值為17.8mmHg，此后隨著球囊的擴(kuò)張，顱內(nèi)壓力迅速上升，2ml時(shí)壓力均值為36.5mmHg。而上升到80mmHg時(shí)。球囊擴(kuò)張的體積最小值為2.5ml，最大為4ml，平均為2.8ml。一只實(shí)驗(yàn)犬在球囊擴(kuò)張至4ml時(shí)，出現(xiàn)進(jìn)行性意識(shí)障礙及呼吸異常，于24小時(shí)內(nèi)死亡;余實(shí)驗(yàn)犬均健康存活。
　　(2)對(duì)可調(diào)節(jié)高顱壓模型犬進(jìn)行瞳孔光反射動(dòng)態(tài)測(cè)量，經(jīng)重復(fù)測(cè)量資料方差分析，比較不同ICP條件下瞳孔直徑各

15、參數(shù)差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同ICP條件下，收縮前瞳孔直徑差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（右眼P=0.059，左眼P=0.994）;收縮后瞳孔直徑差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（右眼P＜0.001，左眼P＜0.001），但隨ICP的增高，收縮后瞳孔直徑數(shù)值變化無規(guī)律;瞳孔直徑收縮速度差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（右眼P=0.002，左眼P=0.023），且隨ICP的增高，瞳孔直徑收縮速度逐漸變小;復(fù)張后瞳孔直徑差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(右眼P=0.069，左眼P=0.057)。

16、　　3.實(shí)現(xiàn)了一種基于瞳孔反射的便攜式顱內(nèi)壓無創(chuàng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì):內(nèi)容包括用于控制攝像機(jī)和光源的控制裝置、用于安裝攝像機(jī)和光源的外套;攝像機(jī)用于拍攝顯示瞳孔大小的圖像;控制裝置將采集瞳孔圖像存儲(chǔ)到存儲(chǔ)卡上;外套通過轉(zhuǎn)軸與控制裝置連接。
　　結(jié)論：
　　1.成功搭建了瞳孔光反射動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)，為瞳孔直徑和變化速度檢測(cè)提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法。
　　2.制作了可調(diào)節(jié)高顱壓犬模型，在充分保護(hù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)功能條件下，該模型操作簡(jiǎn)便、

17、ICP數(shù)值可靠，可滿足高顱壓病理生理等多種實(shí)驗(yàn)需求。經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，顯示顱內(nèi)壓到達(dá)一定梯度以后，隨著顱內(nèi)壓升高，PLR瞳孔直徑收縮速度逐漸降低。結(jié)果驗(yàn)證了(1)PLR瞳孔收縮速度可作為一個(gè)良好的指標(biāo)評(píng)估顱內(nèi)壓的變化趨勢(shì);(2)應(yīng)用個(gè)體樣本隨時(shí)間變化采集多組瞳孔數(shù)據(jù)，采用自身前后對(duì)照分析，在進(jìn)行PLR與ICP相關(guān)性的研究中將發(fā)揮特殊作用。
　　3.基于新建瞳孔光反射動(dòng)態(tài)測(cè)量平臺(tái)，以及瞳孔對(duì)光反射與ICP相關(guān)變化規(guī)律，提出了一種便攜式nI