瞳孔光反射動態(tài)測量平臺搭建及瞳孔變化與顱內壓相關性研究.pdf

1、瞳孔對光反射(Pupillary Light Reflex，PLR)指在光照條件改變時，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因為其神經(jīng)反射通路的特殊性，成為神經(jīng)系統(tǒng)查體的一項重要內容。臨床實踐發(fā)現(xiàn):不同傷情間、同一傷情不同時間，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)電生理活動異常有關

2、，這與顱內壓(Intracranial Pressure，ICP)密切關聯(lián)，但PLR與ICP相關性尚無深入研究報道。基于此，本課題圍繞PLR動態(tài)精確數(shù)字測量，從瞳孔反應數(shù)據(jù)信息中探討PLR與ICP相關關系，并提出一種基于PLR的無創(chuàng)顱內壓監(jiān)測(non-invasiveIntracranial Pressure，nICP)的設想。
　　目的：
　　1.搭建瞳孔動態(tài)測量平臺，實現(xiàn)瞳孔變化的動態(tài)精確數(shù)字測量，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)測的設想。
　　方法：
　　將課題目的按照兩部分實施:具體工作如下:
　　1.搭建瞳孔對光反射的動態(tài)測量平臺。進行瞳孔光反射動態(tài)測量的設計，完成測量平臺的設計組建，并對健康成人進行PLR測量。
　　(1)研究瞳孔的生理解剖特點及現(xiàn)有檢測手段，確立測量平臺瞳孔檢測的方法。將PLR的動態(tài)測量平臺按照功能模塊拆分:圖像采集系統(tǒng)、光源調控系統(tǒng)

4、、圖形計算分析系統(tǒng)和計算機平臺。各模塊分別進行硬件元素的篩選、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)境下進行，分別完成攝像設備的控制、圖像采集、讀取、圖形計算及光源自動調控。
　　(2)應用此平臺對健康成人進行瞳孔動態(tài)測量，檢驗測量平臺的運行情況:選取日常三個場景暗環(huán)境、室內下午自然光環(huán)境和室外走廊下午自然光環(huán)境，分別進行測試;測試按照刺激光源強度不同分為6組，刺激光強度通過PSoC（Pr

5、ogrammableSystem-On-Chip，片上可編程系統(tǒng)）進行控制。
　　2.瞳孔變化與顱內壓的相關性研究。制作高顱壓動物模型，對高顱壓模型動物進行動態(tài)PLR檢測，分析數(shù)據(jù)總PLR與ICP之間的關聯(lián)，初步完成基于PLR的nICP設計。
　　(1)可調節(jié)高顱壓動物模型:選取Beagle犬作為實驗犬共14只，分為兩組。實驗組10只進行右側額部硬膜外球囊植入和左側額葉ICP傳感器植入，對照組4只僅進行左側額葉ICP傳感器植

6、入;實驗組球囊擴張應用微量泵，按照10ml/h勻速緩慢擴張，實時記錄顱內壓力變化、描繪實驗犬顱內容積-壓力曲線。比較兩組間人工喂養(yǎng)、動物異常、感染、預后情況及初始顱內壓與埋囊后顱內壓情況。
　　(2)應用瞳孔動態(tài)測量平臺，測量可調節(jié)高顱壓實驗犬模型各顱內壓梯度下瞳孔PLR變化。實驗在模型犬清醒、配合下進行，環(huán)境光強為80～120Lux，刺激光源強度選擇600Lux左右白色LED光源。參照犬顱內容積-壓力曲線，擴張球囊，將模型犬以5

7、mmHg梯度依次升高顱內壓，獲得5組顱內壓梯度:正常顱內壓、15mmHg、20mmHg、25mmHg及30mmHg，在不同顱內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壓相關性的思想，進行基于PLR的nICP裝置初步設計。
　　3.采用SPSS16.0進行統(tǒng)計學分析。計數(shù)變量采用頻數(shù)和百分比，計量變量采用均數(shù)±標準差進行統(tǒng)計描述。因高顱壓模型制作部分，樣本量較低，計數(shù)變量組間比較采用Fisher's

8、精確概率檢驗;計量變量兩組間比較采用成組t檢驗;不同顱內壓條件下，瞳孔直徑各參數(shù)比較采用重復測量資料方差分析。P＜0.05認為差異具有統(tǒng)計學意義。
　　結果：
　　1.搭建瞳孔對光反射的動態(tài)測量平臺。
　　(1)選定基于紅外成像的瞳孔圖像采集、圖形處理計算的方法為本平臺應用的瞳孔檢測方法。平臺硬件配置:圖像采集系統(tǒng)搭配WP-U500工業(yè)相機和拆除紅外光截止濾波片的M3520-MPW2光學鏡頭，加載FU-LGP025可見

9、光截止片，制作成紅外攝像設備;應用托恩斯安防的型號為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的光照強度;應用UT381光強照度計進行光強檢測和反饋控制。計算機平臺搭載USB3.0接口，擁有4G以上的內存、1T以上的硬盤。軟件開發(fā)在Windows系統(tǒng)下，運用Visual Studio2010環(huán)境創(chuàng)建MFC窗體，使用C++語言，在MFC框架下構建軟件界面，圖像采

10、集選用DirectShow開發(fā)包，編程完成相機的參數(shù)設置。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合，解析瞳孔圖像。平臺運行后可獲得每秒30幀1920×1080圖像。
　　(2)健康成人PLR動態(tài)測量檢驗平臺運行:環(huán)境光強分別為暗環(huán)境0.1Lux、室內下午自然光環(huán)境120Lux和室外走廊下午自然光350Lux。刺激光強度分別為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瞳孔動態(tài)變化圖像，時間分辨率33毫秒。實驗數(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)境光對初始和復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，按照刺激光源強度上升而遞減，顯示瞳孔收縮后大小與刺激光照強度相關;在光照強度490Lux與600Lux組收縮后大小接近。各組數(shù)據(jù)在收縮和復張速度為差異不明顯。結果顯示，理論狀態(tài)下瞳孔數(shù)據(jù)分辨率為千分之一毫米。
　　2.瞳孔變化與顱內壓的相關性研究。
　　(1)可調節(jié)高顱壓犬模型制作，實驗組和對照組間比較，經(jīng)Fisher's精確概率檢驗發(fā)現(xiàn)，實驗組與對照組人工喂養(yǎng)、動物異常、感染，以及預后情況，組間

13、差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。經(jīng)成組t檢驗，實驗組初始顱內壓（10.9±1.2）與對照組顱內壓（10.5±0.9）比較，差異無統(tǒng)計學意義（t=0.597，P=0.562）;經(jīng)配對t檢驗，實驗組初始顱內壓與埋囊后顱內壓（11.5±1.4）比較，差異無統(tǒng)計學意義(t=1.029，P=0.317)。按照10ml/h勻速緩慢球囊擴張得到犬顱內容積-壓力曲線:球囊擴張前顱內壓力平均為10.8mmHg，在擴張到1ml時顱內壓力均值升至13.2m

14、mHg，在擴張到1.5ml時顱內壓力均值為17.8mmHg，此后隨著球囊的擴張，顱內壓力迅速上升，2ml時壓力均值為36.5mmHg。而上升到80mmHg時。球囊擴張的體積最小值為2.5ml，最大為4ml，平均為2.8ml。一只實驗犬在球囊擴張至4ml時，出現(xiàn)進行性意識障礙及呼吸異常，于24小時內死亡;余實驗犬均健康存活。
　　(2)對可調節(jié)高顱壓模型犬進行瞳孔光反射動態(tài)測量，經(jīng)重復測量資料方差分析，比較不同ICP條件下瞳孔直徑各

15、參數(shù)差異。結果發(fā)現(xiàn):不同ICP條件下，收縮前瞳孔直徑差異無統(tǒng)計學意義（右眼P=0.059，左眼P=0.994）;收縮后瞳孔直徑差異具有統(tǒng)計學意義（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)計學意義（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;復張后瞳孔直徑差異無統(tǒng)計學意義(右眼P=0.069，左眼P=0.057)。

16、　　3.實現(xiàn)了一種基于瞳孔反射的便攜式顱內壓無創(chuàng)檢測裝置設計:內容包括用于控制攝像機和光源的控制裝置、用于安裝攝像機和光源的外套;攝像機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到存儲卡上;外套通過轉軸與控制裝置連接。
　　結論：
　　1.成功搭建了瞳孔光反射動態(tài)測量平臺，為瞳孔直徑和變化速度檢測提供了實驗設備和方法。
　　2.制作了可調節(jié)高顱壓犬模型，在充分保護實驗動物神經(jīng)系統(tǒng)功能條件下，該模型操作簡便、

17、ICP數(shù)值可靠，可滿足高顱壓病理生理等多種實驗需求。經(jīng)動物實驗，顯示顱內壓到達一定梯度以后，隨著顱內壓升高，PLR瞳孔直徑收縮速度逐漸降低。結果驗證了(1)PLR瞳孔收縮速度可作為一個良好的指標評估顱內壓的變化趨勢;(2)應用個體樣本隨時間變化采集多組瞳孔數(shù)據(jù)，采用自身前后對照分析，在進行PLR與ICP相關性的研究中將發(fā)揮特殊作用。
　　3.基于新建瞳孔光反射動態(tài)測量平臺，以及瞳孔對光反射與ICP相關變化規(guī)律，提出了一種便攜式nI