颅内压动力学仿真

《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第2期业业业业裝2研究论著颅内压动力学仿真蔡颖!刘玉峰!蒋雨平2吴国强许世雄11.复旦大学力学与工程科学系(上海200433)2.复旦大学附属华山医院神经内科(上海200040)【摘要】颅内压( Intracranial Pressure,lCP掰究在临床上有十分重要的意义。生理上由于内外多种原因会引起颅內压变化而同时心搏、呼吸、以及神经调节等的影响也会使颅内压岀现波动。本研究在动物犬)实验结果的基础上建立了反映颅内压变化的集中参数数学模型。模型中包括了脑血管床、脑脊液的生成和吸收、颅脑顺应性等模块以及这些模埉之间的相互作用。脑血管顺应性是表征脑血管弹性程度的重要参量,仿真采用指数拟合的脑血管容积压力实验关系来表示脑血管顺应性。模型较好地模拟了颅内压动力学以及颅內压的波动模型参数的变化和动物实验状况的变化相吻合可以为临床颅內压监护及诊疗提供一定的参考。【关键词】颅內压动力学数学仿真脑血管顺应性The Simulation of Intracranial Pressure dynamicsCai Ying' Liu Yufeng Jiang Yuping. Wu guoqiang Xu Shixiongl1. Department of Mechanics and Engineering Science Fudan University Shanghai 200433)2 Department of neurology, Huashan hospital, Fudan University Shanghai 200040)(Abstract] Intracranial pressure( ICP )research has significant importance in clinic. There are many intermal orexternal factors which cause the vibration of ICP, including heart beat, breath, neural regulation and so on. A lumpedparameter mathematical model of iCP dynamics is established based on animal( dogs ) experiments. The model includeserebrovascular bed cerebrospinal fluid CSF formation and absorption brain compliance lumber cerebrospinal fluidand interaction between these factors. Cerebrovascular compliance is an important parameter representing cerebrovascularelasticity thus an exponential volume- pressure relationship is employed in this simulation to describe cerebrovascularcompliance. The model well simulates intracranial pressure dynamics and the vibration of ICP when compared to animalexperiments the changes of parameters in simulation are consistent with animal experiments. Thus it can offer certainvalues for clinical ICP ward and diagnosis for referenceKey words] intracranial pressure dynamics mathematicalTVL中国煤化工引言液体CNMH的压力等因素所组成,颅內压( Intracranial pressure,CP)由颅内容物,通过生理调节维持着相对稳定。正常颅内压是保证中枢神经系统内环境稳定和完成各种生理功能的本课題为高等学校博土学科点专项科研基金2000.26534复旦大学脑狒扌瘩助必要条件。由于颅腔容积固定(各成分之间的体积《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第2期关系血液)+κ脑脊液)+κ脑组织)≈ constant,根据 Starling流阻假定吲,脑静脉在接近硬脑膜窦其中脑组织约80%脑脊液约10%血液约10%),附近出现塌陷和狭窄,此处的血压与血管外的颅内所以颅腔内脑组织、供应脑的血管和脑脊液的体积压大小接近。脑脊液在毛细血管处生成在静脉窦都不会有大幅度的增减。如果其中之一的体积增处被吸收生成和吸收的阻力分别为R和Ro颅大必有其它内容物同时或至少其中之一的体积缩内压升高时Ro明显降低从而增加脑脊液吸收速减来平衡1。本实验正是通过改变脑脊液的容积率缓解颅内压力的上升,而R则基本保持不变。注入抽岀定量液体俫改变颅内压建立模型进行图1中的P、Pα、P、Ps、Pic分别为动脉血压、毛细分析。血管血压、塌瘪静脉血压、静脉窦处血压、颅内压通过计算机模拟各种生理病理条件下颅内压的cc为颅内顺应性。变化利用数学模型对颅内压动力学变化进行分析成为近年来研究的热点。国际上对颅内压动力学变化的数学模型进行了大量研究,建立了一系列模型201模拟颅内动力学的各种现象如高原波的产生21脑动脉血CO2分压对颅内动力学性质的影呵39以及颅内压和脑血管的相互作用2349等等。 Ursine23491等对人脑血流及其自调节的数学模型做岀了许多贡献他们稳态模型研究了颅内压、系统动脉压、颅內自调节和颅内顺应性等的变化情况取得了较好的结果。但现有的模型,包括 Ursino等人的工作主要考察的都是颅内压平衡值的变化图1颅内动力学模型对其脉动成分的研究很少。本文在实验的基础上正常成人的颅腔是不能伸缩的容器其总容积建立了模拟颅内压动力学变化的数学仿真模型模不变即其三种内容物脑组织、脑血流和脑脊液的型中整合了颅内压和脑血流以及自调节机制之间的总体积是常数考虑到实验中向水囊中注入的生理非线性相互作用。盐水也会造成一定的占位其体积记为Vi则有2材料与实验方法动物实验具体方法简述Vb+V+Vs+Vi=常数如下其中Vb,Vie,Vesf分别为脑血流脑组织和脑脊液健康杂种犬14条安置硬膜外球囊通过改变球所占体积囊內液体量来改变颅压程度用压力传感器持续记脑血流包括脑动脉血和脑静脉血脑血流主要录脑室内压力、心电以及血压。以快速推注的方式关注脑动脉血Va脑静脉血v认为不变即V将1ml生理盐水注入硬膜外球囊记录10分钟。每Va+Vy(2)注水2~3次快速抽水1ml,记录10分钟。当颅内脑灌注压(CPP)脑动脉压与颅内压之差Pa压达到或超过100ml时即排空球囊内液体静Pc实验证明Va与脑灌注压的关系可用指数拟息1小时左衣本过程为第次颅内压升高阶段):合H再重复以上操作(本过程为第二次颅内压升高阶H Pa-Pic)(3)段ab为参数3颅內动力学数学模型颅内动力学数学模型如图1所示脑动脉血管rv凵中国煤化工dve床采用弹性腔模型表示动脉流阻Ra和动脉顺应性dCNMHGCa受到脑血管调节机制的调节。静脉血管床分为脑组织的体积变化率为近端静脉和远端静脉两端对应的流阻分别为Rp和Rdv。Auer12l等人发现脑自调节机制对静脉血管ldvic--Cicdt(5)床几乎没有影因而R和R可认为是常数。等式右边负号说明随着颅内压升高脑组织受到压《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第2期迫而体积减小。P1为常数Kε为弹性模量。颅腔内脑脊液的体积则与脑脊液的生成吸收颅内顺应性为有关dvic 1d pic Ke Pic(9)Pc- PicVese= Vd tRfPic-Pus dt (6)对图2中毛细血管处的接点根据质量守恒并式中RfRo分别为脑脊液生成阻力和吸收阻力,为注意到P=Pc有脑脊液初值。Pa-Pe Pc- Pic Pc- Pic将2)(6武代入1武微分并注意到4)(5)Rf(10)两式得Rp为近端静脉流阻,R为脑脊液生成阻力Ra为dPic dva Pc- Pi的、Pic_w+h(7)动脉血管流阻根据HagPoiseuille定律Ra与管径r的四次方成反比即式中五为进行V实验室注入生理盐水的速率实验证明5颅内压力体积关系可写为hr hr Ca(11)Pic= Ple-kevic(8)k,ka,Cn为常数。从以上方程推导出系统方程组为dpicd tI+ke pic abe Pa- Pie l abe" Pa-Pie )dPaPc-PicPic-PusKe Pic+i]Rf(12)PeRfRPa(1 l9 PicRa+ rf Ra + Rpu R Ra Rf Rp4仿真及结果KE从0.12变大为0.14这说明脑脊液的吸收阻力以实验测得的动脉血压Pa作为输入,用四阶增大颅内血管硬度也增大这与实验结果一致。Runge-Kutta法对方程组12进行求解。计算过程中5讨论使用不同的模型参数模拟在注水实验操作下颅内脑组织正常功能活动的维持依赖于恒定的脑血压的变化情况并与实验测得的数据进行比较。其流供应颅内自调节功能维持着正常的颅内压及脑它固定参数取值为Sf:2380 mmHg s ml-1Rpv:1.血流供应。关于颅内自调节功能的动力学性质国24 mmhg s ml-1;KR4910 mmhg3sml-l;Ps6.0际上已经进行了很多研究。Mat6l等人用弹性腔mmHg Can 1. 15 mmHg mlb: -0.012模型研究了大脑中动脉血流速度与指端测得的动脉图2、图3所示分别为对编号020710的实验犬血压之间关系。模型表明脑血管的流动阻力先增第一轮和第二轮注水时颅內压波形进行仿真的结大大约10秒后开始减小这与脑血管先收缩然后果。图4所示为对编号为020708的试验犬的高原由于自调节功能而扩张的现象相一致。利用数学模波进行仿真的结果。高原波是由于经过反复几次注型对颅内压动力学变化进行分析有其自身的优点水操作后颅内代偿功能接近耗尽时产生的。图2在设定好一些必要的生理参数后改变相应的参数,中参量Ro取为49.37 mmHg s ml-1,KE取为0.12可观察对象在不同生理病理条件下或者接受不同操ml-la取为-10.31;图3中参量Ro取为144.31作后的变化情况如模拟高原波实验从而减少了进mmhg s ml-1KE取为0.14ml1a取为-6.87图行实际实验所需的大量时间和人力物力而且可以4中参量Ro取为100 mmHg s ml-,Kε取为0.11不受实验对象本身状态和外在环境的影响。ml-1a取为-3.17。三条仿真曲线与实验曲线基本在实验的基础上本文建立模拟颅内压动力学吻合表明通过改变模型参数可以模拟出不同生理变化中国煤化工分析结果与实验结果病理情况下的颅内压波形。图2是第一轮注水实验十分CNMHG内压波形以及经过反情况下的仿真结果图3是第二轮注水实验情况下复几次注水操作后颅内代偿功能接近耗尽时产生的仿真结果经过第一轮注水实验后第二轮注水实的高原波。考虑到颅内动力学系统是全身系统的验时犬颅内情况已经发生恶化颅内代偿功能降低。部分颅内压动力学变化也受到全身生理病理状态模拟结果豆亲参数R从4.37变大为14.31,的影响因此对现有模型还可以进一步完善到全身70《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第2期6结论本文建立模拟颅内压动力学变化的数学仿真模型模型的分析结果与实验结果十分接近可以模拟注水时颅内压波形以及经过反复几次注水操作后颅内代偿功能接近耗尽时产生的高原波。模型参数的变化和动物犬羰验状况的变化相吻合,可以为临床颅内压监护及诊疗提供一定的参考M小 AAANPNNNhAN参考文献1高昊、吴国强、刘玉峰、袁晖、蒋雨平、许世雄.颅图2颅内压Pic的仿真曲线实线卢实验曲线虚线此较内压低频分析.上海生物医学工程,2003;24第一轮注水实验)实验测得的血压波形(3):10-14b颅内压Pc的仿真曲线与实验曲线2 Mauro Ursino and Carlo Alberto Lodi. 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J Neurol Neurosurg Psychiatry 1997:63:721图4颅内压Pic的仿真曲线实线)实验曲线虚线此较7中国煤化工.Alen,D) namic cere-(高原波)CNMH Gt using an ARX modela为实验测得的血压波形omparative study using step response and phase shiftb为颅內压Pic的仿真曲线与实验曲线analysis. Medical Engineering Physics Volume 25模型即在模型中整合全身血液循环以及神经Issue 8 October 2003: 647-653调节的作用方蕨得到更好的仿真结果(下转第85页)《上海生物医学工程》杂志2005年第26卷第2期85the optical properties of muscle with time-resolved reflectancemotherapy SPIE Press 1995: 10-44using a layered model"Phys. Med. Biol. 44(1999 )2689- 11 Hanli Liu, David A Boast, Yutao Zhang, Arjun G Yodh andBritton Chance. Determination of optical properties and blood8陈荣谢树森陈艳娇等中国人血液的组织光学参数光oxygenation in tissue using continuous NIR light, Phys. Med电子激光第13卷第1期2002年1月Biol.401995):1983-1993朱丹.生物组织热响应与热损伤的光子学研究.博士学12叶嘉雄常大定陈汝钧光电系统与信号处理科学出版位论文华中科技大学200社10A. Roggan K. Dorschel o. Minet et al. 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Am J Physiol Regul Integ学杂志已录用待发表2002;282:R611-R622收稿日期2005-03-21)CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCccCCCCccCCCcccCCcccCccccCcCCcCccCCcccccCccCCcccCcCccccccCccccccc未来医疗器械发展的热点展望在当前经济环境下无论从哪个方面来看医疗器械行业都比其他行业发展态势要好。例如美国毎年销售到国外市场的医疗设备一直维持在40亿~50亿美元的贸易顺差。今年二月著名的 Frost& Sullivan市场调查公司进行了一次调查展望了一下2013年医疗器械行业将是怎样”预测未来这个行业发展的热点据 Frost& Sullivan公司行业经理( harlie whelan说心血管产品、整形外科产鼠如重建性的植入物、脊椎关节等將仍然是医疗器械行业內主要的领域竞争激烈、变化迅速继续得到显著的增长。随着微创手术成为治疗的标准方法微创手术使用的设备也将得到更大的增长Fost& Sullivan公司的分析家认为未来的医疗研究和的慢性病而不是关注传染病和急性病。制造商们将以更好活”将看到康复/植入设备的更大进步慢性病人重获更多的H中国煤化工用昂贵使人日渐虚弱CNMH本改善慢性病人的生八小以巴腺和 abie的人工心脏就是这个发展趋势的最佳说明。信息技术医学影像学、医药学和医疗设备之间的不断融合优势互补也将使临床治疗达到一个新水平。含药支架和远程医学的发展代表了这个增长趋势。而且越来越多的病人把提高生活质量作为优先考虑在美国仅整容手术的数量已经从1997年的两百万例左右增长到2002年的九百多万例级痞意把钱花在这些治疗上无疑相关设备的制造商将得到显著的发展。