中华急诊医学杂志  2019, Vol. 28 Issue (5): 584-590   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2019.05.011
PC cine MRI对急性颅内高压致脑疝动物模型的脑脊液动力学监测研究
周建国1,2 , 朱晓玲1 , 韦武鹏3 , 黄丽轩4 , 冯永彪1 , 张灵5 , 马相飞6 , 李伟雄3 , 张剑锋1 , 欧和生7 , 唐华民1,8     
1 广西医科大学第二附属医院急诊科,南宁 530007;
2 广西医科大学研究生院,南宁 530021;
3 广西医科大学第二附属医院放射科,南宁 530007;
4 广西南宁市第一人民医院放射科,南宁 530022;
5 广西医科大学第一附属医院放射科,南宁 530021;
6 广西医科大学第二附属医院麻醉科,南宁 530007;
7 广西国际壮医医院科研部,南宁 530201;
8 广西国际壮医医院急诊急救联动中心,南宁 530201
摘要: 目的 探索磁共振相位对比电影成像法(PC cine MRI)对广西巴马小型猪急性颅内高压致脑疝模型的脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)动力学监测。方法 抽取10只猪股动脉血,向额颞顶叶内注血制成急性颅内高压致脑疝模型;监测平均动脉血压(mean arterial blood pressure, MAP)、颅内压(intracranial pressure, ICP)、脑灌注压(cerebral perfusion pressure, CPP)。用3.0T磁共振对所有实验动物注血前、注血后行常规颅脑磁共振T1WI轴位,T2WI轴位、冠、矢状位扫描以及以颈3(C3)椎体为中心,垂直于椎管的脑脊液流动序列(fast PC cine slice)扫描。比较注血前后ICP、MAP、CPP、CSF峰值流速绝对值和颈动脉峰值流速绝对值的变化情况。结果 注射自体动脉血前ICP为(6.80±2.044)mmHg,MAP为(76.80±7.068)mmHg,CPP为(70.00±6.074)mmHg,CSF峰值流速绝对值为(243.20±77.671)mm/s,与注血后ICP为(52.20±1.619)mmHg,MAP为(142.80±12.399)mmHg,CPP为(90.50±12.250)mmHg,CSF峰值流速绝对值为(201.40±55.482)mm/s相比较,差异均有统计学意义(P < 0.01);注血前颈动脉峰值流速绝对值为(876.80±239.908)mm/s,与注血后颈动脉峰值流速绝对值为(799.40±241.829)mm/s相比较,差异无统计学意义(P > 0.05)。结论 急性颅内高压致脑疝形成后,C3水平椎管内CSF流动呈现出低动力学改变,CSF流速波形图紊乱、畸形。PC cine MRI对CSF动力学的无创性测量可为急性颅内高压致脑疝动物模型的CSF动力学的改变提供重要依据,并为将来进一步研究损伤控制神经外科提供理论基础。
关键词: 磁共振相位对比电影成像法     脑脊液动力学     颅内高压     脑疝         
Monitoring of cerebrospinal fluid dynamics in a model of brain herniation induced by acute intracranial hypertension by PC cine MRI
Zhou Jianguo1,2 , Zhu Xiaoling1 , Wei Wupeng3 , Huang Lixuan4 , Feng Yongbiao1 , Zhang Ling5 , Ma Xiangfei6 , Li Weixiong3 , Zhang Jianfeng1 , Ou Hesheng7 , Tang Huamin1,8     
1 Department of Emergency Medicine, the Second Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530007, China;
2 Graduate School of Guangxi Medical University, Nanning 530021, China;
3 Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530007, China;
4 Department of Radiology, the First People's Hospital of Nanning, Nanning 530022, China;
5 Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530021, China;
6 Department of Anesthesiology, the Second Affiliated Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530007, China;
7 Research Section, Guangxi International Zhuang Hospital, Nanning 530201, China;
8 Department of Emergency and First Aid Linkage Center, Guangxi International Zhuang Hospital, Nanning 530201, China
Abstract: Objective To explore the monitoring of cerebrospinal fluid (CSF) dynamics in a model of brain herniation induced by acute intracranial hypertension in Guangxi Bama-Mini pigs by phase-contrast cine magnetic resonance imaging (PC cine MRI). Methods Femoral artery blood were extracted from 10 pigs, and injected into the frontal and temporal parietal lobe to make a model of brain herniation induced by acute intracranial hypertension. The mean arterial blood pressure (MAP), intracranial pressure (ICP), and cerebral perfusion pressure (CPP) were monitored. Routine T1WI, T2WI, coronal, sagittal and cerebrospinal fluid flow sequence (fast PC cine slice) which positioned on the cervical 3 (C3) vertebral body as the center and perpendicular to the spinal scans were performed on all experimental animals before and after blood injection with 3.0T Magnetic Resonance Imaging. The ICP, MAP, CPP, the absolute values of CSF peak flow velocity and the absolute value of carotid peak flow velocity before and after blood injection were compared. Results The ICP, MAP, CPP, and the absolute value of CSF peak flow velocity before injection of autologous arterial blood were statistically significant as compared with those after blood injection [(6.80±2.044) mmHg vs (52.20±1.619) mmHg, (76.80±7.068) mmHg vs (142.80±12.399) mmHg, (70.00±6.074) mmHg vs (90.50±12.250) mmHg, and the absolute value of CSF peak flow velocity was (243.20±77.671) mm/s vs (201.40±55.482) mm/s, respectively, P < 0.01]. The absolute value of the peak velocity of the carotid artery before blood injection was not statistically significant compared with that after blood injection [(876.80±239.908) mm/s vs (799.40±241.829) mm/s, P > 0.05]. Conclusion After the formation of brain herniation induced by acute intracranial hypertension, the CSF flow in the C3 level spinal canal showed a low dynamic change, and the CSF flow velocity waveform was disordered and malformed. The non-invasive measurement of CSF dynamics by PC cine MRI can provide an important basis for the change of CSF dynamics in the model of brain herniation induced by acute intracranial hypertension, and provide a theoretical basis for further research on damage control neurosurgery in the future.
Key words: Phase-contrast cine magnetic resonance imaging     Cerebrospinal fluid dynamics     Intracranial hypertension     Brain herniation     Pig    

急性颅内压(intracranial pressure, ICP)增高在临床中非常常见,通常是由占位性病变引起,例如脑出血[1]、脑肿瘤[2]或颅脑损伤等,严重情况下可发生脑疝(brain herniation)以致呼吸、心搏停止或死亡。对急性颅内高压(intracranial hypertension)模型的研究多采用大鼠、兔、狗、猪为实验动物,研究方法主要包括脑实质内注射胶原酶、注射自体动脉血和硬膜下橡胶球囊注水等来模拟[3-7]

过去监测脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)循环需要使用外源性示踪剂(如菊粉[8]、葡聚糖[9]、印度墨水颗粒[10-12]或氚化水[12]),但这些方法不能直观地显示CSF循环的特点。磁共振相位对比电影成像法(phase-contrast cine MRI,PC cine MRI)可以无创监测CSF动力学[13-15]。然而,有关颅内高压致脑疝的CSF动力学研究未见相关文献发表。本研究应用广西巴马小型猪建立稳定的颅内高压致脑疝模型,采用PC cine MRI从流体动力学方面进行研究,报道如下。

1 材料与方法 1.1 实验动物

选取普通级健康的广西巴马小型猪10只,6~12个月龄,雌雄不拘。体质量为24~47 kg,(34.60±7.351)kg。术前,所有猪均可以随意饮用食物和水。因为若禁食后,当实验操作时间超过5 h,实验动物很可能会出现明显的低血糖症[16]。实验环境:常温25.0 ℃。所有实验程序均严格按照中华人民共和国科学技术部制定的《关于善待实验动物的指导性意见》执行。实验动物使用许可证:SCYK(桂)2013-0003。实验动物由广西大学动物科学技术学院(广西巴马小型猪繁育中心)提供。实验设计符合伦理要求,并得到了广西医科大学第二附属医院伦理委员会的批准。广西巴马小型猪称重后,先予以地西泮注射液10 mg(剂量为0.25 mg/kg)肌内注射镇静,再通过动物麻醉面罩给予2.5%~3.0%v / v异氟烷和氧气混合气体(Matrx动物麻醉机,MIDMARIK,美国)进行麻醉诱导,保持气道通畅,待动物麻醉后,使用静脉留置针行耳缘静脉穿刺建立静脉输液通道,用10%水合氯醛(成都市科龙化工试剂厂,中国成都)缓慢推注维持麻醉,剂量约为3 mL/kg;盐酸曲马多注射液0.1 g(剂量为1~2 mg/kg)用于手术镇痛。全程监测动物呼吸、心率、指脉氧等生命体征。

1.2 气管切开术+心电监护

术前给予猪颅、胸部、腹股沟、足部常规进行备皮。将动物固定于手术台,取仰卧位。贴心电电极,行心电监护。常规碘伏、酒精消毒,铺无菌巾单。使用1%盐酸利多卡因注射液局部浸润麻醉,沿颈前正中线切开皮肤和皮下组织。分离颈前肌群,在环状软骨下方1~2环进行气管切开,置入直径6.5 mm带气囊的气管套管(史密斯医疗器械有限公司,英国),用简易呼吸气囊膨肺以及听诊后确认气管套管置于气管内;逐层缝合颈前肌肉、皮肤,固定气管套管。

1.3 平均动脉压(mean arterial pressure, MAP)、颅内压(intracranial pressure, ICP)、脑灌注压(cerebral perfusion pressure, CPP)监测

将动物猪取仰卧位,固定四肢。双侧腹股沟区域常规进行消毒、铺巾,沿右侧腹股沟韧带、腹股沟中点作平行切口,切口长约5 cm,逐层分离皮下组织、浅筋膜、深筋膜、肌肉等,见股动脉、股静脉、股神经位于两块肌肉交叉的下方;钝性分离肌肉,充分暴露股动脉、股静脉、股神经,见股静脉(V)位于内侧,股动脉(A)位于中间,股神经(N)位于外侧(V-A-N顺序);钝性分离股动脉,用动脉穿刺针行动脉穿刺并妥善固定。同法解剖对侧股动脉、股静脉、股神经。将右侧股动脉穿刺针连接传感器,外接多模态心电监护仪,持续监测心率、呼吸、MAP、指脉氧等生命体征。左侧股动脉穿刺针连接延长管,留作注射颅内血肿备用;常规进行血气分析检查。

再置动物于俯卧位,固定于手术台,常规消毒、铺巾,在猪颅顶部进行定位标记:选择距双耳前缘连线前1.0 cm,距矢状缝旁1.5 cm,在两侧各作一“+”形切口,直径约2.0 cm;切开头皮、钝性分离骨膜、仔细止血,用开颅钻在左侧颅骨顶部进行钻孔,直径为0.8 cm,左侧颅骨孔用于注射自体动脉血以制备颅内高压致脑疝模型。同法在右侧颅顶钻孔,将ICP光纤探头在生理盐水下调零后,置入猪脑实质内,外接ICP监测仪(SOPHYSA公司,法国)持续监测ICP。

CPP是影响脑血流量(cerebral blood flow, CBF)的主要因素,CPP被定义为MAP与ICP之差[17],即CPP(mmHg) = MAP(mmHg)-ICP(mmHg)(1 mmHg = 0.133 kPa),通过监测的MAP以及ICP,通过计算可以得出相应的CPP。

1.4 制作急性颅内高压致脑疝动物模型

于左侧颅骨孔部位,硬膜不切开,用穿刺套管针垂直穿刺硬脑膜约0.5 cm,拔除金属内芯,迅速用骨蜡封闭骨孔。用20 mL注射器将管壁肝素化后抽取左侧股动脉血,用微量注射泵经导管连接穿刺针向额颞顶叶内注射自体动脉血后制作颅内出血(intracranial hemorrhage,ICH),出现急性颅内高压致脑疝症状;注射自体动脉血的速度1 mL/min,注射自体动脉血前及注射自体动脉血后持续监测ICP、MAP、心率、呼吸频率、瞳孔大小、指脉氧等变化,推注自体动脉血(autologous arterial blood)完毕后,迅速用骨蜡封闭骨孔,以防止血液外漏减少实验误差。

1.5 MRI技术路线 1.5.1 MRI扫描方法

应用GE DISCOVERY MR750 3.0T磁共振扫描仪,8通道头颈线圈。受检动物取左侧卧位,采用外周心电门控,将指脉放置到右下肢内侧皮肤,用胶布固定。所有受检动物注射自体动脉血前、注血后均行常规颅脑磁共振T1WI轴位,T2WI轴位、冠、矢状位扫描以及以颈3(C3)椎体为中心,垂直于椎管的脑脊液流动序列(fast PC cine slice)扫描。扫描参数如下:

T1 FLAIR  视野(field of view, FOV)240 mm×192 mm,层厚4.0 mm,层间距1.5 mm,重复时间(time of repetition, TR)1 750 ms,回波时间(time to echo, TE)24.0 ms,自动重焦翻转角度111°,回波链长度10,翻转时间760 ms,矩阵320×224,采集次数1次,带宽35.71 Hz,加速因子1.25。

T2 FRFSE  FOV 240 mm×216 mm,层厚4.0 mm,层间距1.5 mm,TR 3 706 ms,TE 102 ms,自动重焦翻转角度111度,回波链长度19,矩阵:320×224,采集次数1次,带宽31.25 Hz,加速因子2.00。

Fast PC Cine Slice  FOV 240 mm×100 mm,层厚5.0 mm,层数1,TE 4.2,翻转角20°,矩阵288×256,采集次数1次,带宽31.25 Hz,流动重建类型phase Diff,测量C5F的速度编码值(velocity encoding value, Venc)设定为30或40 cm/s;测量颈动脉的Venc设定为130或150 cm/s。

1.5.2 PC cine MRI图像后处理

PC cine MRI图像处理与分析将得到的相位图与幅度图传送至后处理工作站,运用流动分析软件(Flow Analysis 4.0, Software version: RC4.4.4)进行流动分析。通过调整相位图与幅度图的窗宽、窗位,椎管脑脊液显示清晰。连续播放相位图与幅度图,通过显示椎管内脑脊液的黑白灰阶反映其速度和方向;在C3平面椎管内脊髓腹侧勾画感兴趣区(regions of interest,ROI),软件自动获得平面内脑脊液循环动力学参数(峰值流速)及流动曲线图,为减少误差,取同一侧椎管内脊髓腹侧勾画两个不同ROI,求平均值,同法测量另一侧,峰值流速绝对值为两者最高的那个值,以这个作为标准,进行统计学分析。同法测量C3平面两侧的颈动脉峰值流速绝对值,进行统计学分析。最终实现对C3平面椎管脑脊液动力学、颈动脉流速的定量测定和定性观察。

1.6 统计学方法

所有实验数据均采用SPSS 20.0统计软件包进行统计分析。正态分布计量资料采用均数±标准差(Mean±SD)统计学表达。分别对注射自体动脉血前与注射自体动脉血后ICP、MAP、CPP的之间的比较采用配对t检验。对注射自体动脉血前、注射自体动脉血后的CSF的峰值流速绝对值以及颈动脉流速的峰值流速绝对值的比较采用配对t检验。以双侧P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 注射自体动脉血前后ICP、MAP、CPP的变化情况

10只广西巴马小型猪在注射自体动脉血前正常ICP值波动在5~12 mmHg范围区间内,(6.80±2.044)mmHg,在注血过程中ICP逐渐上升,最高升到(52.20±1.619)mmHg;注血前与注血后的ICP比较,差异有统计学意义(P < 0.01)(表 1)。

表 1 注射自体动脉血前后ICP、MAP、CPP的比较 Table 1 Comparison of ICP, MAP, CPP before and after injection of autologous arterial blood
序号 ICP(mmHg) MAP(mmHg) CPP(mmHg)
注血前 注血后 注血前 注血后 注血前 注血后
1 6 53 72 168 66 115
2 7 52 72 142 65 90
3 6 51 73 140 67 89
4 5 50 75 141 70 91
5 5 53 70 129 65 76
6 6 50 78 149 72 99
7 12 52 90 131 78 79
8 8 52 76 127 68 74
9 7 55 73 151 66 96
10 6 54 89 150 83 96
平均值 6.80±2.044 52.20±1.619 76.80±7.068 142.80±12.399 70.00±6.074 90.50±12.250
注:注射自体动脉血前vs注血后ICP:t=57.351, P < 0.01;注血前vs注血后MAP:t=13.966, P < 0.01;注血前vs注血后CPP:t=4.711, P < 0.01

10只广西巴马小型猪在注射自体动脉血前MAP为(76.80±7.068)mmHg,在注血过程中MAP逐渐上升,最高升至到(142.80±12.399)mmHg;注血前与注血后的MAP之间的比较,差异有统计学意义(P < 0.01)(表 1)。

10只广西巴马小型猪在注射自体动脉血前CPP为(70.00±6.074)mmHg,在注血过程中CPP逐渐上升,最高升至(90.50±12.250)mmHg;注血前与注血后的CPP之间的比较,差异有统计学意义(P < 0.01)(表 1)。

2.2 注射自体动脉血前后CSF峰值流速绝对值的变化情况

10只广西巴马小型猪在注射自体动脉血前CSF绝对峰值流速为(243.20±77.671)mm/s,在注血后CSF峰值流速绝对值为(201.40±55.482)mm/s;注血前与注血后的CSF峰值流速绝对值平均值之间比较,差异有统计学意义(P < 0.01)(表 2)。

表 2 注射自体动脉血前后CSF峰值流速绝对值的比较 Table 2 Comparison of absolute peak velocity of CSF before and after injection of autologous arterial blood
序号 CSF峰值流速绝对值(mm/s)
注血前 注血后
1 378 300
2 176 160
3 271 221
4 212 155
5 204 172
6 148 130
7 376 288
8 236 190
9 220 207
10 211 191
平均值 243.20±77.671 201.40±55.482
注:注射自体动脉血前vs注血后CSF峰值流速绝对值:t=4.959,P=0.001
2.3 注射自体动脉血前后颈动脉峰值流速绝对值的变化情况

10只广西巴马小型猪在注射自体动脉血前颈动脉峰值绝对值流速为(876.80±239.908)mm/s,在注血后颈动脉峰值流速绝对值为(799.40±241.829)mm/s;注血前与注血后的颈动脉峰值流速绝对值平均值之间的比较,差异无统计学意义(P = 0.132)(表 3)。

表 3 注射自体动脉血前后颈动脉峰值流速绝对值的比较 Table 3 Comparison of absolute peak carotid velocity before and after injection of autologous arterial blood
序号 颈动脉峰值流速绝对值(mm/s)
注血前 注血后
1 1 108 1 093
2 407 401
3 622 598
4 611 643
5 1 274 1 092
6 988 968
7 951 603
8 894 697
9 855 886
10 968 1 093
平均值 876.80±239.908 799.40±241.829
注:注射自体动脉血前vs注血后颈动脉峰值流速绝对值:t=1.656,P=0.132
2.4 头颅MRI扫描检查

头颅MRI(T2WI)扫描后显示:血肿位于左侧脑实质内,左侧侧脑室受压变窄,中线向右侧偏移。造模前桥脑前池存在,为线条状高信号影;造模后桥脑前池消失,为线条状高信号影消失,提示脑组织移位,脑干受压(图 1)。

C3水平(A):造模前脑池存在,为线条状高信号影;(B)造模后桥脑脑池消失,为线条状高信号影消失,提示脑组织移位,脑干受压(白色箭头示) 图 1 头颅MRI T2WI Fig 1 Head MRI T2WI
3 讨论

脑疝的诊断证据往往依赖于临床症状和尸检[18]。与脑疝相关的临床典型的症状包括瞳孔大小和对光反射的改变,意识以及呼吸的改变等[18-19]。然而,支持脑疝的临床症状可能并不总是存在或难以与原发性脑干疾病相区分[20-21]。在硬膜下血肿患者和创伤性脑损伤的狗中,脑疝与较低的格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale, GCS)评分和较高的死亡率相关[22-23]。笔者应用广西巴马小型猪作为实验动物,建立了稳定的颅内高压致脑疝模型,并在既往的研究[6-7]基础上,提出急性颅内高压致脑疝标准(符合以下3条或以上即可诊断):(1)ICP≥50 mmHg;(2)呼吸频率明显减慢(RR≤6次/min)或出现潮式呼吸或暂停呼吸或呼吸停止;(3)心率≤50次/min,或≥200次/min和(或)伴心律失常;(4)单侧或双侧瞳孔散大至边缘;(5)头颅CT或MRI显示颅内血肿形成、中线偏移或桥脑前池消失。

目前的理论认为CSF的脉动压力是由脉络丛扩张力所驱动的。自二十世纪80年代以来,国外开始运用各种MRI技术对CSF进行生理病理研究,Feinberg等[14]和Bergstrand等[24]率先将研究血管系统的MRl速度成像用于CSF动力学研究,发现中脑导水管的CSF流动信号强度的变化与心动周期有关。在二十世纪90年代,Enzmann等[25]将PC cine MRI用于测量脑血管中的平均血流量。PC cine MRI是由相位相反的两极组成的流动梯度磁场,通过对流动的液体进行两次不同的流动编码,经机器自带的工作站产生两组图像即相位幅度图像和相位对比流动图像[26]。由于磁共振扫描技术不断地发展,PC cine MRI已经成为目前观察CSF流动的非侵袭性技术[27],能够无创、准确以及定性、定量测量CSF的流速,无需加入对比剂,且对缓慢的流动敏感等特点。大多数国内外学者将PC cine MRI用于人体CSF动力学研究[28-29],却很少见将该序列用于研究动物的CSF动力学,尤其在颅内高压致脑疝之后再进行CSF动力学的研究鲜有报道。在本研究中,注血前广西巴马小型猪的CSF峰值流速绝对值居于正常水平,在注血完成后,由于颅内压持续增高造成脑组织移位形成脑疝,导致桥脑前池消失,造成CSF循环通道梗阻,CSF峰值流速绝对值降低,CSF流动呈现出低动力学改变。根据Monro-Kellie学说[30],由于脑、脑脊液和颅内血液的总量是不变的,当其中一个增加会导致其余两个中的一个或两个减少。该学说可以用来解释当达到颅内高压形成脑疝以后,CSF峰值流速绝对值降低,颅内CSF容量减少。本研究还发现,在注血前CSF的流速波形近似于正弦、余弦波形,波形较为平滑,在形成脑疝以后CSF的流速波形出现紊乱、畸形(图 2)。形成脑疝后,MAP较前升高,但是颈动脉峰值流速绝对值的前后改变差异无统计学意义,可能与脑部供血的自动调节功能有关,在代偿期防止脑缺血的发生。

注射自体动脉血前脑脊液流速的波形近似于正弦、余弦波形,注射自体动脉血后脑脊液流速波形出现紊乱、畸形; A:注射自体动脉血前正常CSF峰值流速绝对值是380 mm/s;B:注射自体动脉血后形成脑疝后CSF峰值流速绝对值是289 mm/s 图 2 CSF流速图 Fig 2 CSF flow chart

综上所述,颅内血肿发生急性颅内高压致脑疝以后,因脑组织发生移位,导致桥脑前池消失,CSF流出通道梗阻,引起CSF循环障碍,进一步升高颅内压,造成恶性循环。PC cine MRI法可直观且无创性地显示CSF动力学的改变,能早期发现CSF动力学异常,为急性颅内高压致脑疝动物模型的CSF动力学的改变提供重要依据,并可为将来进一步研究损伤控制神经外科提供理论基础。

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