1、研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期29Abstract:In this paper,a multi-parameter optical imaging system is constructed,which consists of two parts,endogenous light multi-parameter imaging and laser speckle imaging,which can realize multi-parameter acquisition with the same field of view,and measure the regional ce
2、rebral blood flow(rCBF),oxygen-hemoglobin concentration changes(HbO),and deoxygen-hemoglobin concentration changes(HbR).In the experiment,phenylephrine was used to create a mouse vasogenic cerebral edema model,and antidiuretic hormone to create a cytotoxic cerebral edema model,6 in each group.The mi
3、ce with cerebral edema model were first acquired with endogenous light multi-parameter images,and then passed through 450nm,470nm,500nm,550nm,570nm,and 600nm filters,a total of 6 sets of data were collected,and collected again every 20 minutes within 2 hours after drug injection.The correlation anal
4、ysis of different types of cerebral edema of the same parameter was carried out,and the change of concentration was observed,and it was found that the changes of CHbO and CHbR in the vasculogenic cerebral edema group were more obvious than those in the cytotoxic cerebral edema group,and the blood fl
5、ow rate in the vasogenic cerebral edema group increased significantly compared with the cytotoxic cerebral edema group.Key words：Cerebral edema;cerebral blood flow;blood oxygen;Multi-parameter monitoring;Optical imagingStudy on the type characteristics of cerebral edema based onmultiparameter optica
6、l imaging systemQI Xinping1,ZHANG Yameng2,NING Xue1,LI Weitao1*(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Jiangsu,Nanjing,211106;2.Nanjing Institute of Technology,Jiangsu,Nanjing,211167)摘要：本文搭建了一套多参数光学成像系统，系统由两部分组成，内源光多参数成像和激光散斑成像，可实现同视野的多参数采集，测量相对血流(regional cerebral blood flow，rCBF)、氧合血
7、红蛋白(Oxygen-hemoglobin，HbO)浓度变化、脱氧血红蛋白(Deoxygen-hemoglobin，HbR)浓度变化。实验中利用苯肾上腺素创建小鼠血管源性脑水肿模型、抗利尿素创建细胞毒性脑水肿模型，每组 6 只。对建立脑水肿模型的小鼠先进行内源光多参数图像采集，依次经过 450nm、470nm、500nm、550nm、570nm、600nm 滤波片，一共采集 6 组数据，在药物注射后 2h 内每隔 20 分钟再次采集。将同一参数不同类型的脑水肿进行相关性分析，观察浓度的变化，发现血管源性脑水肿组 CHbO 与 CHbR 变化较细胞毒性脑水肿组明显，血管源性脑水肿组血流流速较细胞
8、毒性脑水肿组增加明显，因此，利用不同类型脑水肿参数之间的差异间接实现脑水肿分类，有利于临床上脑水肿的监测与精准治疗。关键词：脑水肿；脑血流；血氧；多参数监测；光学成像中图分类号：O43 文献标识码：A DOI:10.11967/2022200203 基于多参数光学成像系统的脑水肿类型特征研究齐鑫平1，张雅檬2，宁雪1，李韪韬1*（1.南京航空航天大学，江苏，南京，211106；2.南京工程学院，江苏，南京，211167）基金项目：国家自然科学基金(61875085，11902154)，国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(81827803，81727804)，江苏省重点研发计划(社会发展)项目
9、(BE2020705)，南京航空航天大学科研与实践创新计划项目(xcxjh20220327)通讯作者：李韪韬，男，博士，南京航空航天大学，教授，E-mail:作者简介：齐鑫平，女，硕士，E-mail:研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期300 引言创 伤 性 脑 损 伤(T r a u m a t i c b r a i n injury,TBI)是一种高度复杂的疾病，常见的脑损伤 如脑水肿(Cerebral edema)也是因为颅内压(Intracranial pressure，ICP)的增高，颅内 压升高和降低过程中涉及大量的生化和代谢变化，导致炎症、坏死、兴奋性、毒性等 一系列
10、病理生理变化，最终导致组织损伤和 神经元细胞死亡1。这些变化反映在血流 动力学和代谢参数，以及脑组织光学特性的改变2。因此，在脑损伤的发展和治疗过程 中，脑组织的动态变化可以通过光学装置跟踪这些属性的变化来监测。脑水肿产生的原因和类型不同，可能是 单一型脑水肿或者是混合型的脑水肿3。在临床病理生物学中，不同类型脑水肿的恢 复时间以及治疗方案是不同的4。脑水肿模 型主要可以分为血管源性脑水肿(Vasogenic cerebral edema，VE)和细胞毒性脑水肿(Cytotoxic cerebral edema，CE)5。VE 最主要的病理特征是血脑屏障破坏引起的体 液外溢和细胞外聚集进入脑实
11、质6。当该屏 障受到破坏时，大分子物质就会透过屏障进 入到细胞外的空隙，同时毛细血管增加其通 透性，大量的水分子发生外渗，细胞外的间 隙出现肿胀情况，从而导致细胞外的脑水肿。CE 的病理特征是液体异常集聚到脑细胞以 及细胞内液和钠的积累导致细胞肿胀7，CE形成后，细胞外钠减少导致渗透压梯度的破坏引起体液外渗，而血脑屏障是完好的。大脑有很高的代谢需求，脑氧代谢率是 重要的监测指标8，如今在各种脑部疾病中，脑血流及脑血氧等生理参数是反映脑部活 动状态重要表现，也是监测脑部疾病状态的 重要指标。在不同的状态下脑组织的血流速 度各不相同的，血流也受神经调节等多种调 节机制控制使血流维持正常状态9。同时
12、血 氧是机体重要的代谢指标，当机体脑部出现 缺氧问题时，会对脑部等其他器官会导致疾 病加重，产生巨大危害，可以通过检测脑部 血流和血氧对疾病进行诊断10。脑水肿的监测指标与监测方法有多种，它的严重程度也与 ICP之间有关联11，在临 床上治疗脑水肿和颅内高压的方案非常相 似。ICP 不仅是脑水肿的表征也可以进行临 床监测，是现有的最常用的脑水肿的监测指 标12，除此之外研究新的脑水肿监测指标，可以从反应大脑功能的参数，如脑血流、脑 血氧、脑组织的吸光色团13等。目前有关脑 水肿治疗的相关文献，很多是针对于脑水肿 治疗的研究，很少有关脑水肿的分类，而不 同类型的脑水肿的治疗方案不同，所以确定 脑
13、水肿的类型后，给予针对性的治疗才能更 好地控制脑水肿疾病。本文利用多参数光学 成像系统对脑水肿的多参数进行监测，实现 对脑水肿的分类，对脑水肿疾病进行及早的 发现和诊断具有重要意义。1 多参数光学成像系统1.1 系统组成多参数监测成像系统如图 1 所示，整个 系统由激光器、衰减器、扩束镜、反光镜、双支硬管冷光源、CCD 相机、双层滤光片轮、镜筒、计算机组成，可通过两条光路切换实 现多参数的监测。当待测物体固定好后，首 先双支硬管冷光源产生发射光，出射光在依 次经过镜筒、双层滤光片轮、CCD 相机，调 节双层滤光片轮的滤光片，依次拍摄 450nm、470nm、500nm、550nm、570nm、
14、600nm，6个波长下的图片，计算机完成图像采集。其 中双支硬管冷光源的光源大小、光强的强弱 和照射方向都是可根据需求任意调节。调节 后的光线照射到待测物体，待测物体吸收部 分光线后，出射光通过镜筒、滤光片传到 CCD 相机。再将光源切换到激光器，激光器 产生发射光，关闭冷光源，滤光片轮切换到 无滤光片通道，通过测量散斑图案的波动强 度变化来衡量图像中散斑的模糊，可以监测 到血流的变化情况。光路的切换是通过对光 源以及双层滤光片轮的切换来实现的，避免 对系统进行多次改动，可以在同视野内简便、高效地完成多参数的实时监测。研究报告生命科学仪器 2023 第21卷/1期31图1 多参数监测成像系统图
15、Fig.1 Diagram of a multiparameter monitoringimaging system1.2 成像算法1.2.1 网络结构内源光多参数成像算法是根据朗伯比 尔定律进行的数据分析。通过此定律可求出 生理参数的变化。表示的是入射光和出射光 的强度变化与生色团的浓度及光程的关系，公式14如下：(1)式中Ii 为入射光强，I0 为照射样品后的 出射光强，c为待测样品的物质浓度，L为光程，表示摩尔消光系数，A 为吸光度。在进行内源光多参数分析时脑组织中各种发 色团的浓度，如 HbO、HbR、细胞色素等，可以通过公式15(2)来进行计算。A()=_(HbO_2)()C_(Hb
16、O_2)D_a()+_HbR()C_HbR D_a()+_(Cytaa3-D)()C_(Cytaa3-D)D_a()+_(Cytc-D)()C_(Cytc-D)D_a()+_FAD()C_FAD D_a()+_s()sD_s()_代表字母下标式中_(HbO_2)、_HbR、_(Cytaa3-D)、_(Cytc-D)、_FAD分别是 HbO、HbR、Cytc、Cytaa3、FAD 的 摩尔消光系数，C_(HbO_2)、C_HbR、C_(Cytaa3-D)、C_(Cytc-D)、C_FAD分别是是相应的浓度变化，D_a()是差分路径因子，它取决于每个发色团的波长。_s()表示约化散射系数，D_a(
17、)是差异路径因子，s是散射的相对变化。激光散斑成像是通过记录散斑图案的模糊，利用这种模糊可以计算散斑对比度 K16。（3）上式中o是时间或空间上一个窗口计算出的光强的标准差，表示光强平均值，散斑衬比值 K依赖于曝光时间T和散斑相关时间TC，K、T、TC 是通过相关函数和时间 积分散斑理论联系起来，已知K可以求解TC。衬比值K与血流流速呈负相关。所以K越大血流流速越慢，K越小血流流速越快。2 实验设计2.1 实验动物及分组实验采用18只购买于南京青龙山动物实验中心ICR雌性小鼠(20-25 g)，在实验过程中将其饲养在饲养环境的标准为恒温25左右和恒湿 55%左右下，定时给小鼠食物与饮用水，尽量
18、维持小鼠的正常作息规律，避免对后续实验造成影响。实验的所有操作与实施均按照南京航空航天大学动物保护与伦理委员会批准的程序进行的。准备好实验所需的试剂及仪器，准备用于麻醉小鼠的水合氯醛试剂，建立脑水肿模型的药品试剂，用于固定小鼠头部的脑立体定位仪，牙科钻、显微镜、镊子、剪刀、碘酒、1 ml注射器等用于小鼠开颅和尾静脉注射。表1 实验动物分组Tab.1 Group of experimental animals在实验将18只小鼠每组6只，随机分成3 组，一组用于血管源性脑水肿模型实验，一组用于细胞毒性脑水肿模型实验，还有一 组作为实验对照组。将实验小鼠麻醉后，将小鼠的头部和四肢固研究报告生命科学仪
19、器 2023 第21卷/1期32定在立体定位仪上，处于卧位后进行开颅手术。用牙钻在小鼠颅骨一侧钻一个矩形区域(距前卤素点约12.5mm，距中线 14 mm)，打开上颅骨，并使 用镊子打开脑膜作为成像区域。分别对 VE 组注射苯肾上腺素(5 mg/kg)，CE 组注射 抗利尿素(0.4 mg/kg)，对照组注射生理盐 水(0.9%)，上述注射方式均为尾静脉注射，建模时间为 2h，实验分组如表 1 所示。2.2 数据采集流程图2 实验数据采集流程Fig.2 Experimental data collection flow先通过多参数光学成像系统获得建模前小鼠原始的血流、Hbo、Hbr，再经过药物
20、注射建模，依次可以获得 20min、40min、60min、80min、100min、120min6个时间段内的血流、Hbo、Hbr 三个参数的变化结果，具体数据采集流程如图2 所示。3 实验结果3.1 血管源性脑水肿组实验结果VE在20 min、40min、60min、80min、100min和120min内表面皮层的rCBF，CHbO和CHbR的代表性图像如图3所示，一共采集6个时间段。通过比较图3(a)中用黑色矩形框标记的感兴趣区域(ROI)，对选中区域的图像计算相对血流流速rCBF，发现ROI的rCBF值在20分钟至120分钟内逐渐增加，图3(c)中的CHbR值也在逐渐增加。此外，RO
21、I的CHbO 值显示出相反的趋势，并且在20min至120min内逐渐下降，如图3(b)所示。图3 血管源性脑水肿组 rCBF(a)、CHbO(b)、CHbR(c)的伪彩变化图Fig.3 Pseudocolor variation plots of rCBF(a),CHbO(b),and CHbR(c)in the group of vasogenic cerebral edema3.2 细胞毒性脑水肿组实验结果CE 组在建模2h内，系统采集了20min、40 min、60min、80min、100min和120 min内表面皮层的rCBF，CHbO和CHbR的代表性图像如图4所示。图4(a)
22、中ROI的rCBF值与图3(a)中在0min至120min内持续升高的rCBF值相比，几乎没有明显的差异。此外，在实验的120min内，细胞毒性组中ROI的CHbO和CHbR的差异几乎无法区分。因此，对rCBF、CHbO和CHbR进行定量分析是有价值的。图4 细胞毒性脑水肿组 rCBF(a)、CHbO(b)、CHbR(c)的伪彩变化图Fig.4 Pseudocolor variation plots of rCBF(a),CHbO(b),and CHbR(c)in the cytotoxic cerebral edema group4 讨论通过建立VE模型和CE模型，用多参数监测系统监测两类脑
23、水肿建模后的20 min、40min、60min、80min、100min、120min 共6个时间段的参数，将监测的参数与建模前的参数进行比较，对采集图片进行数 据分析，得到两类脑水肿模型的4个生色团 的浓度变化以及血流流速的变化。图5、图6和图7显示了通过计算图3和图4中 ROI的平均值来计算血流动力学参数的定量值。具体而言，VE中的血流动力学参数值在120min内存在显著变化，CHbO的值在120min内显著下降，CHbR的值显著增加。同时，与对照组的数值相比，CE 组中的rCBF，CHbO和CHbR 的值在 120 min内变化较小。此外，VE组和CE组的rCBF、CHbO 研究报告生
24、命科学仪器 2023 第21卷/1期33和CHbR的原始参数存在统计学差异(P0.05)，表明原始参数可以作为脑水肿的分类指标。图5 对照组、VE 组、CE 组的 rCBF 对比图Fig.5 rCBF comparison chart of control,VE and CEgroups图6 对照组、VE 组、CE 组的 CHbO 对比图Fig.6 CHbO comparison chart of control,VE and CEgroups图7 对照组、VE 组、CE 组的 CHbR 对比图Fig.7 CHbR comparison chart of control,VE and CEgr
25、oups通过比较120min内rCBF、CHbO和CHbR的值，我们可以得出结论，早期VE和CE模型的病理进展存在差异。VE组中的 rCBF、CHbO 和CHbR 的变化趋势超过了 CE 组的变化趋势。5 结论通过建立血管源性和细胞毒性脑水肿模型，采用多参数监测系统对两类脑水肿建 模后20 min、40min、60min、80min、100min和120min的 6个时间段的血流、HbO、HbR参数进行监测，并将监测参数与建模前的参数进行比较，对采集到的图片进行分析，得到4 种发色团的浓度变化和两种脑水肿模 型的血流速度变化。比较两种脑水肿模型中rCBF、CHbO 和 CHbR 的值，可以得出
26、结论，早期血管源性和细胞毒性脑水肿模型在病理进展上存在差异，血管源性组的 rCBF、CHbO和CHbR变化趋势超过细胞毒性组的趋势。综上所述，多参数监测系统可以有效 地获取不同脑水肿的血流动力学参数，并提出新的脑水肿监测指标。结合多个参数的变 化来区分脑水肿的类型，提高分类的准确性，对于脑水肿的治疗具有重要意义。参考文献1T.Schizodimos et al,An overview of management of intracranial hypertension in the intensive care unit,Journal of Anesthesia.34(5),741-757(
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