УСТРОЙСТВО ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРИЧЕРЕПНОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к экспериментальной медицине и медицинской технике, а именно к устройствам измерения внутричерепного давления лабораторных животных инвазивным способом.
Известно устройство для инвазивного измерения внутричерепного давления (ВЧД) (см. патент US 4846191, МПК A61B 5/00; A61B 5/02), содержащее катетер, который включает в себя полую гибкую трубку, заполненную жидкостью с низкой вязкостью и имеющую пробку из гелеобразного материала на дистальном конце, который передает сигнал давления на твердотельный преобразователь, который обычно подключается к усилительной электронике и имплантируемому радиопередатчику, способному передавать информацию о давлении изнутри тела на радиоприемник, расположенный вне тела. Принцип действия устройства основан на передаче измеряемого давления спинномозговой жидкости к датчику давления при помощи гибкого катетера, заполненного несжимаемой жидкостью с низкой вязкостью. Чтобы исключить смешивание жидкости внутри катетера и спинномозговой жидкости, дистальный конец катетера запечатан биосовместимым гелем.
Недостатком устройства является ограниченная чувствительность и значительные погрешности, связанные с деформацией катетера и изменением положения содержащегося в нем столба жидкости при перемещениях исследуемого животного. Кроме того, при продолжительных измерениях существенное снижение точности в результате реакции окружающих тканей на введенный катетер и, в частности, в изменении свойств геля, запечатывающего катетер.
Известна система чрескожного мониторинга внутричерепного давления (см. патент US 10045697, МПК A61B 5/00; A61B 5/03), которая включает в себя имплантированный пациенту сенсорный модуль и внешний модуль обработки, оптически связанный с сенсорным модулем через внешний соединительный модуль. Датчик в модуле датчика преобразует измеренное давление, а излучатель ближнего инфракрасного диапазона передает телеметрию при запросе внешнего модуля связи. Компьютер в модуле обработки вычисляет физиологический параметр на основе сигнала телеметрии и представляет эти данные в числовом, графическом или аналоговом формате.
Недостатком системы является значительный объем имплантируемого сенсорного модуля, что делает невозможным его имплантацию под кожу головы лабораторного животного. Имплантация сенсорного модуля исключает возможность ревизии катетера, так как для этого требуется его извлечение из головного мозга. Измерение внутричерепного давления внутри желудочка значительно более травматично для головного мозга животного по сравнению с доступом к субарахноидальному пространству через твердую мозговую оболочку.
Известно устройство для измерения внутричерепного давления у мышей (Nusbaum, Derek M., Samuel M. Wu, and Benjamin J. Frankfort. "Elevated intracranial pressure causes optic nerve and retinal ganglion cell degeneration in mice". Experimental eye research 136 (2015): 38-44), содержащее модуль для размещения датчика давления в виде радиоволнового зонда. Модуль представляет собой канюлю в виде нейлонового винта с отверстием по центру для размещения датчика. Канюля вворачивается и фиксируется стоматологическим цементом к кости черепа. Канюля предназначена для введения в субарахноидальное пространство головного мозга животного. Радиоволновый зонд соединен с приемником. Наконечник зонда для контроля давления вводится через отверстие в центре канюли. Устройство основано на неглубоком введении катетера датчика давления в субарахноидальное пространство головного мозга животного.
Недостатком устройства является невозможность точного измерения физиологически нормального ВЧД животного. Система обеспечивает воспроизводимые измерения только в случае значительного (до 30 мм рт.ст.) повышения внутричерепного давления, так как систематическая погрешность измерений составляет около 3 мм рт.ст., в то время как физиологически нормальное ВЧД животного составляет 6-7 мм рт.ст.
Наиболее близким решением является устройство измерения внутричерепного давления лабораторного животного, содержащее платформу, предназначенную для установки на череп животного, с расположенным на ней съемным измерительным датчиком давления, снабженным выходом для подключения к блоку обработки данных, платформа имеет отверстие для соединения датчика с субарохноидальным пространством (см. Мамедова А.Т., Блохина И.А., Агеев В.Б. «Перспективная технология изучения дренажной функции мозга». // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Современные достижения молодых ученых в биологи и медицине». - Астраханский университет: Астрахань, 15-16 июня 2021 г. С.56-58).
Недостатком является необходимость проведения частых профилактических работ для устранения последствий зарастания отверстия для соединения датчика с субарахноидальным пространством.
Технической проблемой является создание устройства для измерения физиологически нормального внутричерепного давления лабораторных животных (крыс, мышей) в течение продолжительного времени.
Техническим результатом полезной модели является увеличение длительности измерений без проведения профилактических работ за счет устранения зарастания отверстия для соединения датчика с субарахноидальным пространством при сохранении точности измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве измерения внутричерепного давления лабораторного животного, содержащем платформу, предназначенную для установки на череп животного, с расположенным на ней съемным измерительным датчиком давления, снабженным выходом для подключения к блоку обработки данных, платформа имеет отверстие для соединения датчика с субарохноидальным пространством, согласно решению, платформа снабжена патрубком, размещенным в ее нижней части соосно с отверстием, измерительный датчик установлен на платформе с возможностью многократного герметичного соединения.
В качестве измерительного датчика выбран интегральный цифровой датчик давления.
Устройство содержит отвод для подключения катетера.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства; на фиг.2 - устройство в поперечном и продольном разрезах; на фиг.3 - расположение датчика на голове бодрствующей крысы; на фиг.4 - график зависимости измеренного ВЧД от времени (а) и увеличенный фрагмент графика (б); на фиг.5 - график зависимости среднего значения ВЧД от времени.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Платформа;
2. Измерительный датчик давления;
3. Винт;
4. Отверстие в платформе;
5. Патрубок;
6. Проводники питания и передачи сигнала датчика давления;
7. Печатная плата;
8. Прокладка;
9. Кость черепа;
10. Твердая мозговая оболочка;
11. Субарахноидальное пространство;
12. Головной мозг;
13. Отвод для размещения катетера.
Устройство содержит платформу 1 для расположения на поверхности черепа животного. Платформа 1 крепится к поверхности черепа с помощью клея, например стоматологического акрилового компаунда. На платформе 1 установлен съемный датчик давления 2. Для измерения давления используются интегральные цифровые датчики давления.
Датчик давления закреплен на платформе при помощи винта 3. Датчик давления гидравлически сообщается с субарахноидальным пространством головного мозга животного посредством отверстия 4 и короткого патрубка 5, встроенного в платформу 1 соосно с отверстием 4.
Проводники 6, посредством которых осуществляется электропитание датчика и передача результатов измерения давления, подводятся к печатной плате 7, закрепленной посредством винтов 3 на платформе 1. Датчик давления 2 через прокладку 8 прижимается к платформе 1. Габаритные размеры платформы 1 в плане не превышают 4×10 мм, что позволяет закреплять его на голове лабораторного животного.
Для осуществления измерений внутричерепного давления выполняют хирургическое вмешательство на анестезированном животном, заключающееся в том, что на оскальпированном участке выполняют отверстие в кости черепа 9 и твердой мозговой оболочке 10. Патрубок 5 вводят в отверстие таким образом, чтобы обеспечить гидравлическое сообщение между каналом в патрубке 5 и субарахноидальным пространством 11 головного мозга 12. Выполнение процедуры контролируют по появлению ликвора в канале патрубка 5. При помощи компаунда достигается герметичность соединения платформы и кости черепа. После полимеризации компаунда плата с датчиком 2 закрепляется на корпусе винтами 3. Проводные линии датчика подключаются к внешнему устройству сбора данных, обеспечивающему хронические измерения внутричерепного давления животного. Животное помещают в манеж. На фиг.2 показано бодрствующее животное с установленным датчиком внутричерепного давления. Устройство снабжено отводом 13 для подключения катетера к каналу патрубка 5, посредством которого возможна модуляция внутричерепного давления животного. Катетер заполняется жидкостью (изотоническим раствором) и сообщается с емкостью, уровень свободной поверхности жидкости находится на заданной высоте. Изменение внутричерепного давления в данном случае определяется разностью высоты свободной поверхности жидкости во внешнем сосуде и высоты установки датчика давления 2 на платформе 1. Модуляция внутричерепного давления описанным способом позволяет проверять состояние отверстия и тестировать датчик давления без отсоединения его от платформы. Кроме того, катетер может использоваться для обработки трепанационного отверстия антисептическими средствами при выполнении продолжительных измерений, а также для осуществления физиологических экспериментов, связанных в искусственным повышением внутричерепного давления.
Устройство сбора данных содержит микроконтроллер, который осуществляет управление датчиками давления, сбор и передачу результатов измерений в реальном масштабе времени в персональный компьютер по интерфейсу USB. В устройстве сбора данных размещен опорный датчик давления, аналогичный измерительному датчику, установленному на голове животного. Опорный датчик сообщается с атмосферой и служит для измерения атмосферного давления в помещении, где содержится животное.
Разборное крепление датчика допускает ревизию канала патрубка и его периодическую очистку при хронических измерениях ВЧД в течение продолжительных периодов времени. Схема монтажа датчика давления обеспечивает минимальное вмешательство в ткани головного мозга.
Перед проведением измерений датчики калибруются для того, чтобы обеспечить измерение превышения давления в субарахноидальном пространстве с требуемой точностью. При выполнении измерений и калибровке датчики устанавливают в одинаковом положении (входным отверстием вниз). Внутричерепное давление определяется как разность показаний двух датчиков.
Применение двух датчиков давления позволят компенсировать влияние изменений атмосферного давления в помещении на результат измерений. При выполнении высокоточных измерений ВЧД следует учитывать, что изменение атмосферного давления, связанное с атмосферными процессами, может достигать нескольких мм рт.ст. в час. Кроме того, на результаты оказывает влияние изменения атмосферного давления в помещении, обусловленное режимом работы вентиляции, сквозняками, открыванием и закрыванием дверей, действием ветра и т.д. Применение второго датчика позволяет полностью исключить влияние этих факторов на результаты измерений.
Программное обеспечение, установленное в персональном компьютере, обеспечивает калибровку и установку нуля датчиков давления, а также вычисление разности показаний датчиков, соответствующей превышению внутричерепного давления над атмосферным. Результаты измерений отображаются в реальном масштабе времени в виде графика и записываются на жесткий диск компьютера.
Измерения внутричерепного давления производились четыре раза в секунду. Результаты измерения представлены на фиг.3. На фиг.3(а) показана запись измерения давления в течение 3,5 часов после момента установки. На фиг.3(б) показан увеличенный фрагмент записи продолжительностью 30 с, начиная с 20 минуты записи. На фиг.3(б) различимы флуктуации внутричерепного давления, связанные с дыханием животного (44 вдоха в минуту). Амплитуда этих флуктуаций менее 1 мм рт.ст., однако они надежно регистрируются и разрешающая способность предложенного способа не хуже чем 0,1 мм рт.ст. Устройство обеспечивает высокую точность измерения внутричерепного давления лабораторного животного по сравнению с известными аналогами.
На фиг.4 показано изменение среднего внутричерепного давления животного с течением времени. Скользящее среднее значение вычислялось по 80 отсчетам, зарегистрированным в течение 20 с. Регистрация давления началась до момента прикрепления датчика к голове. Оба датчика сообщаются с атмосферой, разность давлений между ними установлена как 0 мм рт.ст. Скачок давления до 5 минуты соответствует креплению платы 2 с датчиком давления на корпусе 4 и затягиванию крепежных винтов.
При переворачивании крысы на спину на 11 минуте давление поднималось до 9 мм рт.ст. Также хорошо отмечалось повышение давления при подъеме задней части тела и понижение при подъеме головы (скачок вверх и вниз сразу после всплеска на 11-й минуте). В покое давление восстанавливалось. Чувствительность датчика 0,05 мм рт.ст.
Под наркозом ВЧД составляло около 3,5 мм рт.ст. (датчик сверху черепа) и оставалось неизменным на протяжении примерно часа. На 75 минуте резкий скачок - животное взяли на руки и поместили в манеж для ЭЭГ.
Перед пробуждением, от 140 до 160 минуты, зарегистрированы скачки давления у покоящегося животного, и давление поднялось до 6 мм рт.ст. Крыса находилась в прозрачном манеже для ЭЭГ. Интервал от 160 до 190 минуты соответствует активным движениям бодрствующего животного. На 190 минуте крыса легла неподвижно с открытыми глазами. Давление опустилось до 4 мм рт.ст. и оставалось постоянным в течение 4 минут. Затем со 195 по 200 минуты животное трижды поднимало голову. Механическое воздействие на провод и корпус не приводит к заметным изменениям показаний датчика, зарегистрированные всплески связаны именно с изменением ВЧД, а не с колебаниями проводов и датчика.
На 212 минуте крысу достали из манежа. Она сразу пришла в себя и стала активно двигаться по столу (этот момент показан на фиг.2). На 216 минуте крысу взяли на руки, чтобы снять датчик. В процессе съема датчика начались всплески, связанные с колебанием давления при отвинчивании винтов. После снятия датчиков запись была остановлена.