瞳孔光反射动态测量平台搭建及瞳孔变化与颅内压相关性研究

发布时间：2018-04-13 09:59

本文选题：瞳孔 + 对光反射　；参考：《第三军医大学》2016年博士论文

【摘要】：背景:瞳孔对光反射(Pupillary Light Reflex,PLR)指在光照条件改变时,由交感和副交感神经协同作用,瞳孔直径发生舒缩的现象。PLR因为其神经反射通路的特殊性,成为神经系统查体的一项重要内容。临床实践发现:不同伤情间、同一伤情不同时间,颅脑创伤(Traumatic Brain Injury,TBI)患者PLR存在较大区别。若排除药物、第Ⅱ和Ⅲ对颅神经损害等因素影响,TBI患者PLR差异可能与其中枢神经系统电生理活动异常有关,这与颅内压(Intracranial Pressure,ICP)密切关联,但PLR与ICP相关性尚无深入研究报道。基于此,本课题围绕PLR动态精确数字测量,从瞳孔反应数据信息中探讨PLR与ICP相关关系,并提出一种基于PLR的无创颅内压监测(non-invasive Intracranial Pressure,nICP)的设想。目的:1.搭建瞳孔动态测量平台,实现瞳孔变化的动态精确数字测量,为临床PLR检查提供全新的方式;2.寻找PLR变化与ICP之间的数字规律,探索基于瞳孔变化的nICP监测的设想。方法:将课题目的按照两部分实施:具体工作如下:1.搭建瞳孔对光反射的动态测量平台。进行瞳孔光反射动态测量的设计,完成测量平台的设计组建,并对健康成人进行PLR测量。(1)研究瞳孔的生理解剖特点及现有检测手段,确立测量平台瞳孔检测的方法。将PLR的动态测量平台按照功能模块拆分:图像采集系统、光源调控系统、图形计算分析系统和计算机平台。各模块分别进行硬件元素的筛选、组装和软件开发。软件制作在Windows操作系统Visual Studio开发环境下进行,分别完成摄像设备的控制、图像采集、读取、图形计算及光源自动调控。(2)应用此平台对健康成人进行瞳孔动态测量,检验测量平台的运行情况:选取日常三个场景暗环境、室内下午自然光环境和室外走廊下午自然光环境,分别进行测试;测试按照刺激光源强度不同分为6组,刺激光强度通过PSoC(Programmable System-On-Chip,片上可编程系统)进行控制。2.瞳孔变化与颅内压的相关性研究。制作高颅压动物模型,对高颅压模型动物进行动态plr检测,分析数据总plr与icp之间的关联,初步完成基于plr的nicp设计。(1)可调节高颅压动物模型:选取beagle犬作为实验犬共14只,分为两组。实验组10只进行右侧额部硬膜外球囊植入和左侧额叶icp传感器植入,对照组4只仅进行左侧额叶icp传感器植入;实验组球囊扩张应用微量泵,按照10ml/h匀速缓慢扩张,实时记录颅内压力变化、描绘实验犬颅内容积-压力曲线。比较两组间人工喂养、动物异常、感染、预后情况及初始颅内压与埋囊后颅内压情况。(2)应用瞳孔动态测量平台,测量可调节高颅压实验犬模型各颅内压梯度下瞳孔plr变化。实验在模型犬清醒、配合下进行,环境光强为80~120lux,刺激光源强度选择600lux左右白色led光源。参照犬颅内容积-压力曲线,扩张球囊,将模型犬以5mmhg梯度依次升高颅内压,获得5组颅内压梯度:正常颅内压、15mmhg、20mmhg、25mmhg及30mmhg,在不同颅内压梯度下分别记录各组瞳孔变化数据。(3)基于瞳孔反射变化与颅内压相关性的思想,进行基于plr的nicp装置初步设计。3.采用spss16.0进行统计学分析。计数变量采用频数和百分比,计量变量采用均数±标准差进行统计描述。因高颅压模型制作部分,样本量较低,计数变量组间比较采用fisher’s精确概率检验;计量变量两组间比较采用成组t检验;不同颅内压条件下,瞳孔直径各参数比较采用重复测量资料方差分析。p0.05认为差异具有统计学意义。结果:1.搭建瞳孔对光反射的动态测量平台。(1)选定基于红外成像的瞳孔图像采集、图形处理计算的方法为本平台应用的瞳孔检测方法。平台硬件配置:图像采集系统搭配wp-u500工业相机和拆除红外光截止滤波片的m3520-mpw2光学镜头,加载fu-lgp025可见光截止片,制作成红外摄像设备;应用托恩斯安防的型号为ts-6030的led红外灯作为辅助红外光源;选用10w白光led灯作为刺激光源,可在20cm工作距离提供1000lux的光照强度;应用ut381光强照度计进行光强检测和反馈控制。计算机平台搭载usb3.0接口,拥有4g以上的内存、1t以上的硬盘。软件开发在windows系统下,运用visualstudio2010环境创建mfc窗体,使用c++语言,在mfc框架下构建软件界面,图像采集选用directshow开发包,编程完成相机的参数设置。图像分析处理选用阈值分割算法、hough变换、otsu算法和填充法等多种算法结合,解析瞳孔图像。平台运行后可获得每秒30帧1920×1080图像。(2)健康成人plr动态测量检验平台运行:环境光强分别为暗环境0.1lux、室内下午自然光环境120lux和室外走廊下午自然光350lux。刺激光强度分别为40lux、155lux、270lux、375lux、490lux和600lux,led红外光源能稳定输出背景近红外线,连续获取每秒30帧1920×1080瞳孔动态变化图像,时间分辨率33毫秒。实验数据显示:光刺激前瞳孔初始均值为暗环境5.61±0.15mm,室内环境4.89±0.13mm,室外走廊4.25±0.16mm,光源刺激去除后瞳孔大小分别为5.2±0.38mm、4.62±0.32mm和3.96±0.25mm,显示环境光对初始和复张后瞳孔大小有影响。瞳孔收缩后均值最大为4.11±0.27mm,最小为3.33±0.25mm,按照刺激光源强度上升而递减,显示瞳孔收缩后大小与刺激光照强度相关;在光照强度490lux与600lux组收缩后大小接近。各组数据在收缩和复张速度为差异不明显。结果显示,理论状态下瞳孔数据分辨率为千分之一毫米。2.瞳孔变化与颅内压的相关性研究。(1)可调节高颅压犬模型制作,实验组和对照组间比较,经fisher’s精确概率检验发现,实验组与对照组人工喂养、动物异常、感染,以及预后情况,组间差异无统计学意义(p0.05)。经成组t检验,实验组初始颅内压(10.9±1.2)与对照组颅内压(10.5±0.9)比较,差异无统计学意义(t=0.597,p=0.562);经配对t检验,实验组初始颅内压与埋囊后颅内压(11.5±1.4)比较,差异无统计学意义(t=1.029,p=0.317)。按照10ml/h匀速缓慢球囊扩张得到犬颅内容积-压力曲线:球囊扩张前颅内压力平均为10.8mmhg,在扩张到1ml时颅内压力均值升至13.2mmhg,在扩张到1.5ml时颅内压力均值为17.8mmhg,此后随着球囊的扩张,颅内压力迅速上升,2ml时压力均值为36.5mmhg。而上升到80mmhg时。球囊扩张的体积最小值为2.5ml,最大为4ml,平均为2.8ml。一只实验犬在球囊扩张至4ml时,出现进行性意识障碍及呼吸异常,于24小时内死亡;余实验犬均健康存活。(2)对可调节高颅压模型犬进行瞳孔光反射动态测量,经重复测量资料方差分析,比较不同icp条件下瞳孔直径各参数差异。结果发现:不同icp条件下,收缩前瞳孔直径差异无统计学意义(右眼p=0.059,左眼p=0.994);收缩后瞳孔直径差异具有统计学意义(右眼p0.001,左眼p0.001),但随icp的增高,收缩后瞳孔直径数值变化无规律;瞳孔直径收缩速度差异具有统计学意义(右眼p=0.002,左眼p=0.023),且随icp的增高,瞳孔直径收缩速度逐渐变小;复张后瞳孔直径差异无统计学意义(右眼p=0.069,左眼p=0.057)。3.实现了一种基于瞳孔反射的便携式颅内压无创检测装置设计:内容包括用于控制摄像机和光源的控制装置、用于安装摄像机和光源的外套;摄像机用于拍摄显示瞳孔大小的图像;控制装置将采集瞳孔图像存储到存储卡上;外套通过转轴与控制装置连接。结论:1.成功搭建了瞳孔光反射动态测量平台,为瞳孔直径和变化速度检测提供了实验设备和方法。2.制作了可调节高颅压犬模型,在充分保护实验动物神经系统功能条件下,该模型操作简便、ICP数值可靠,可满足高颅压病理生理等多种实验需求。经动物实验,显示颅内压到达一定梯度以后,随着颅内压升高,PLR瞳孔直径收缩速度逐渐降低。结果验证了(1)PLR瞳孔收缩速度可作为一个良好的指标评估颅内压的变化趋势;(2)应用个体样本随时间变化采集多组瞳孔数据,采用自身前后对照分析,在进行PLR与ICP相关性的研究中将发挥特殊作用。3.基于新建瞳孔光反射动态测量平台,以及瞳孔对光反射与ICP相关变化规律,提出了一种便携式nICP检测装置设计思路。未来研制成功后,可实现集神经系统体检和nICP监测于一身,具有较大的临床应用前景。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R651.15

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