CC BY
33
DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2020.2.02 УДК 531/534: [57+61]
Российский
Журнал
Биомеханики
www.biomech.ru
БИОМЕХАНИКА МОЗГА: МОНИТОРИНГ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРАНИОСПИНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
Ю.А. Атисков1, С.К. Акшулаков2, А.А. Белкин3, Э.Т. Назаралиева4, В.П. Ризнич1, Ш.М. Сафин5, И.Ш. Сафин5, Б.В. Гайдар6, В.А. Хачатрян7
1 ООО «Нейрофизприбор», Российская Федерация, 199397, Санкт-Петербург, ул. Наличная, 48, кор. 3, лит. Б, пом. 5-н, e-mail: [email protected], [email protected]
2 АО «Национальный центр нейрохирургии», Республика Казахстан, 010000, Нур-Султан (Астана), пр. Туран 34/1, e-mail: [email protected]
3 ООО «Клиника института мозга», Российская Федерация, 623702, Свердловская область, Березовский, ул. Шиловская, 28/6, e-mail: [email protected]
4 Кыргызская государственная медицинская академия имени И.К. Ахунбаева, Республика Киргизия, 720020, Бишкек, ул. Ахунбаева, 92, e-mail: [email protected]
5 Республиканский нейрохирургический центр имени Г.Г. Куватова Республики Башкортостан, Российская Федерация, 450005, Уфа, Достоевского улица, 132, e-mail: [email protected]
6 Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова, Российская Федерация, 194044, Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6, e-mail: [email protected]
7 Отделение нейрохирургии детского возраста Российского научно-исследовательского нейрохирургического института имени профессора А.Л. Поленова - филиал Национального медицинского исследовательского центра имени В.А. Алмазова, Российская Федерация, 191014, Санкт-Петербург, ул. Маяковского, 12, e-mail: [email protected]
Аннотация. Существующие способы оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы человека сводятся к исследованию динамики изменения внутричерепного давления при дозированном увеличении внутричерепного объема посредством введения внутрь черепного пространства определенного объема жидкости. Эти исследования дискретные, травматичные. Посредством ретроспективного анализа 1732 исследований биомеханических свойств краниоспинальной системы (комплайнс, давление-объем-соотношение, упругость мозга) в период 1988-2014 годы в разных нейрохирургических клиниках с целью установления диагноза или уточнения тактики хирургического лечения установлена взаимосвязь между амплитудой колебания внутричерепного давления на частоте пульса, внутричерепного давления и комплайнсом краниоспинальной системы. При однократном проведении классического теста с введением болюса небольшого объема жидкости определяется изменение внутричерепного объема во время пульсовой волны по известной формуле А. Магтагои (1976), численно оцениваются показатели биомеханических свойств краниоспинальной системы. Допускается, что между двумя пульсовыми волнами (в секундном диапазоне) эти показатели существенно не меняются, т.е. фактически речь идет о мониторинге
© Атисков Ю.А., Акшулаков С.К., Белкин А.А., Назаралиева Э.Т., Ризнич В.П., Сафин Ш.М.,
Сафин И.Ш., Гайдар Б.В., Хачатрян В.А., 2020
Атисков Юрий Алексеевич, главный конструктор, Санкт-Петербург
Акшулаков Серик Куандыкович, академик Национальной академии наук Республики Казахстан, д.м.н.,
профессор, председатель правления, Нур-Султан
Белкин Андрей Августович, д.м.н., директор, Березовский
Назаралиева Элеонора Тууганбаевна, к.м.н., врач-нейрохирург, Бишкек
Ризнич Валентина Павловна, инженер-аналитик, Санкт-Петербург
Сафин Шамиль Махмутович, д.м.н., профессор, заведующий кафедрой медицинской реабилитации с курсами нейрохирургии и рефлексотерапии, заведующий отделением нейрохирургии, Уфа Сафин Искандер Шамильевич, врач-нейрохирург, Уфа
Гайдар Борис Всеволодович, академик Российской академии наук, д.м.н., профессор, профессор кафедры нейрохирургии, Санкт-Петербург
Хачатрян Вильям Арамович, д.м.н., профессор, Санкт-Петербург
биомеханических свойств краниоспинальной системы. Предложена математическая модель, формализирующая взаимосвязь между биомеханическими свойствами краниоспинальной системы и динамикой колебания внутричерепного давления на частоте пульса. Сопоставление результатов оценки основных биомеханических показателей по классической методике и предложенным способом позволило установить их высокую корреляцию. На основании этого предложен алгоритм, который может быть использован для создания оригинального монитора биомеханических свойств краниоспинальной системы и внутричерепного давления.
Ключевые слова: внутричерепное давление, нейромониторинг, биомеханические свойства краниоспинальной системы, пульсовые колебания внутричерепного давления.
Введение
Ввиду герметичности черепной коробки, упругости наружной (дуральной) оболочки мозга и несжимаемости жидкостной фазы интракраниального содержимого биомеханические свойства краниоспинальной системы играют существенную роль в регуляции важных физиологических и патогенетических механизмов, таких как регуляция взаимосвязи внутричерепного давления и внутричерепного объема, при этом сохраняя физиологические процессы изменения внутричерепного давления, что является важным для нейрогенной регуляции гомеостаза. Прижизненная оценка биомеханических свойств краниоспинальной системы имеет важное практическое и теоретическое значение. Показатели биомеханических свойств краниоспинальной системы позволяют оценить степень дисрегуляции краниоцеребрального соотношения и цереброваскулярного сопряжения, прогнозировать течение гипертензионного и гипертензионно-дислокационного синдромов, корригировать лечебные и диагностические мероприятия, таким образом, делая лечебно-диагностический процесс персонализированным [12, 22]. Эти показатели были сформулированы еще более 40 лет назад А. Магтагои [16, 17, 18]. Среди них основными являются зависимость внутричерепного давления Р от объема V содержимого черепа, так называемая Р(У)-зависимость; значение первой производной Р(Р), которое определяет упругость мозга (Е = оР/ОР); величина обратная упругости - краниоспинальный комплайнс (С = 1/Е), отражающий текущее состояние компенсаторных возможностей внутричерепного содержимого по поддержанию постоянного уровня внутричерепного давления на фоне роста одного или нескольких компонентов интракраниального объема [5]; а также произведение краниоспинального комплайнса на текущее значение внутричерепного давления (индекс объем-давление РР1 = СР/0,4343).
В настоящее время оценка биомеханических свойств краниоспинальной системы сводится к изменению внутричерепного объема посредством введения в внутричерепное пространство определенного количества (5-20 мл) жидкости и регистрации динамики изменения внутричерепного давления [1, 3, 5, 9, 13, 16]. Эти исследования требуют увеличения содержимого внутричерепного объема на большом (1,5-5 раз) диапазоне, они длительные, дискретные во времени и травматичные, поэтому не получили широкого распространения, несмотря на их востребованность [2, 5, 6, 8, 10, 13].
Известно также, что при систоле в интракраниальное пространство поступает определенный объем крови, что сопровождается повышением внутричерепного давления (пульсовые колебания внутричерепного давления) [1, 14, 21]. Гипотеза о том, что исследование динамики внутричерепного давления и амплитуды колебаний внутричерепного давления на частоте пульса, возможно, решит проблемы
малоинвазивной оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы и мониторинга этих показателей, заманчива и требует проверки.
Материал и методы
Осуществлен ретроспективный анализ результатов, 1732 инфузионных тестов, проведенных больным гидроцефалией неопухолевого происхождения. Исследования были проведены в клиниках Российского научно-исследовательского нейрохирургического института, г. Алматы, г. Астаны, г. Уфы, г. Екатеринбурга в период 1988-2014 годы. Инфузионные тесты во всех случаях имели диагностическое и лечебное предназначение и были призваны установить диагноз и определить тактику лечения больных гидроцефалией.
Дизайн исследования
С использованием распространенных мониторинговых систем осуществлялся прямой мониторинг ликворного давления, и результаты в цифровом виде регистрировались для последующей обработки и анализа. При анализе дискретно оценивались такие параметры ликворообращения, как сопротивление резорбции ликвора, скорость ликворопродукции, среднее ликворное давление, а также биомеханические свойства краниоспинальной системы (краниоспинальный комплайнс и упругость мозга, индекс РРТ). Эти показатели были сопоставлены с данными нейровизуализации и клиническими проявлениями гипертензионного синдрома (головные боли, тошнота, рвота, застойные диски зрительных нервов, эпилептические припадки [13]). Дополнительно производился спектральный анализ записей изменения ликворного давления при проведении дискретных ликвородинамических исследований, корреляционный анализ изменения амплитуды ликворного давления на частоте пульса и изменения оценки краниоспинального комплайнса и упругости мозга по дискретному тесту. Создавалась база данных. Результаты спектрально-корреляционного анализа сопоставлены с результатами классического дискретного ликвородинамического теста, и предложен алгоритм малоинвазивного исследования ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы с использованием физиологических методов изменения (при пульсовой волне) интракраниального содержимого.
Методика исследования
Методика исследования включала комплексное клиническое обследование, нейровизуализацию, электрофизиологические, ликворологические и
ликвородинамические исследования. Выделялись клинические проявления гипертензионного синдрома, нейровизуализационные проявления нарушения ликворообращения (вентрикуломегалия, перивентрикулярный отек, локальное скопление интракраниальной жидкости). Производился мониторинг ликворного давления посредством катетеризации люмбального саака или желудочка, регистрация графика изменения ликворного давления («регистрация кривой инфузионного теста»), расчет сопротивления резорбции ликвора и скорости ликворопродукции, определение краниоспинального комплайнса, упругости и индекса РР1 по дискретным формулам инфузионного теста А. Магтагои.
Для дискретной оценки биомеханических свойств и ликворообращения использовались формулы [ 17]
PVI =-dV6--(1)
V д (meanICp)' ( )
lg
(meanICp)
где РУ1д - дискретное значение индекса РУ1; теап1СРо - среднее ликворное давление до введения болюса; meanICPp - среднее ликворное давление после введения болюса; ёУб - вводимый (со знаком плюс)/выводимый объем (со знаком минус) болюса, мл.
с = 0,4343 • РУ1д (2)
д шеаи1СР0
где Сд - дискретная оценка краниоспинальнго комплайнса.
(шеап1Ср)
PVI, lg I =-
(meanICp)
д
dT
(3)
где 1д - дискретная оценка скорости резорбции/продукции ликвора; ёТ - интервал времени в минутах от момента введения/выведения болюса до текущего среднего давления теап1СР1.
R =
dT ■ meanICPn
д
PVIд lg
(4)
шеап1Ср (шеап1Ср - шеап1Ср ) (шеап1Ср - шеап1Ср ) шеап1СР,р
где Ря - дискретная оценка сопротивления резорбции ликвора.
Внутричерепное (ликворное) давление регистрировалось прямым методом в виде массивов цифровых данных с частотой более 128 раз в секунду. Для этого использовали стандартные мониторы внутричерепного давления, имеющие цифровые или аналого-цифровые выходы. На ранних этапах ретроспективная обработка осуществлялась загрузкой получаемых массивов значения внутричерепного давления в персональный компьютер и их обработкой в соответствии с формулами (1)-(4). На более позднем этапе работы был разработан и изготовлен оригинальный прибор, который помимо регистрации внутричерепного давления, артериального и венозного давлений имел вычислительные мощности, достаточные для спектральной обработки данных в реальном времени по измеренным значениям ликворного давления и амплитуде физиологического колебания ликворного давления на частоте пульса [ 1, 11]. При этом одной из функций прибора являлась возможность ретроспективного анализа уже имеющихся архивных записей исследования внутричерепного давления. С использованием именно этой функции проводилась обработка материалов, изложенных в статье.
Результаты исследования
Ретроспективно проанализированы в цифровом виде данные 1732 инфузионных тестов у больных гидроцефалией неопухолевого происхождения в период 1988-2014 годы в Российском научно-исследовательском нейрохирургическом институте имени профессора А.Л. Поленова, медицинских учреждениях г. Алматы, г. Астаны, г. Уфы, г. Екатеринбурга.
Исследования проводились для диагностики нарушения ликворообращения, уточнения тактики и прогноза лечения гидроцефалии и имели только диагностическое и лечебное назначения. По классической методике дискретного инфузионного теста
А. Магтагои (1973, 1978) определены параметры ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы. Ликвородинамические исследования проводились с использованием распространенных измерительных систем с последующей обработкой данных оригинальной компьютерной мониторной системой. Исследование осуществлялось в 1988-2014 годы, для этого ретроспективно использовался уже имеющийся архивный материал.
Формализированная карта обследования больных, лежащая в основе базы данных, включила результаты клинико-нейровизуализационных и электрофизиологических исследований больных. Кроме этого, в карте обследования регистрировались следующие основные параметры, характеризующие биомеханические свойства краниоспинальной системы и ликворообращения.
Фоновые параметры (параметры в начале исследования):
• среднее ликворное давление теап1СРф;
• значение амплитуды дыхательной волны ликворного давления Адф;
• значение амплитуды пульсовой волны ликворного давления Апф.
При каждом дискретном введении или выведении болюса:
• значение индекса РР1д;
• значение краниоспинального комплайнса Сд;
• значение упругости мозга Ея;
• среднее ликворное давление теап1СР о до начала теста,
• среднее ликворное давление meanICPp сразу после окончания теста;
• среднее ликворное давление теап1СРг через время г после окончания теста;
• значение амплитуды пульсовой волны ликворного давления Апо до начала
теста;
• значение амплитуды пульсовой волны ликворного давления Апр сразу после окончания теста;
• значение амплитуды пульсовой волны ликворного давления Апг через время г после окончания теста;
• теап1СРср как среднее между теап1СРо и теап1СРр;
• значение амплитуды пульсовой волны ликворного давления Апср при давлении теап1СРср;
• объем вводимого или выводимого болюса ОРб.
Кроме этого, в каждой карте пациента в электронном виде сохранялись массивы измерений ликворного давления в течение всего исследования, среднего ликворного давления (теап1СР) и текущих значений амплитуды пульсовой волны ликворного давления (Ап), измеренные с высокой частотой (более 128 раз в секунду). Пример таких массивов представлен на рис. 1 и 2 (М., 22 г. , клинический диагноз: субкомпенсированная внутренняя гидроцефалия - избыточное накопление цереброспинальной жидкости в желудочках и подоболочечных пространствах головного мозга, сопровождающееся их расширением [13]).
Так как обработке подвергался большой массив данных, это позволило уже на завершающих этапах внести в карту исследований эмпирически установленные и другие, ранее не известные параметры оценки изучаемых феноменов. В частности, информативными оказались результаты взаимного анализа амплитуды пульсовой волны ликворного давления (Ап) от изменения среднего ликворного давления в процессе исследования и упругости, рассчитанной по классической дискретной методике А. Магтагои. Оказалось, что между ними существует высокая (более 90 %) корреляция мультипликативного характера (рис. 3).
ICP, мм H2O 700
600
500
400
300
200
100
Время, мин
10
15
Рис. 1. Временная зависимость ликворного давления 1СР в процессе исследования
теап1СР, мм Н20 600
500
400
300
200
100
0 Время, мин
0
5
10
15
Рис. 2. Временная зависимость давления в процессе исследования: верхний график - среднее ликворное давление теап1СР; нижний график - амплитуда ликворного давления на частоте пульса (Ап)
Е, мм Н20/мл 35
30
25
20
15
10
5
0 теап1СР, мм Н20
0 200 400 600
Рис. 3. Зависимости упругости Е от давления теап1СР: квадратные маркеры -оценка упругости Ед дискретным способом; круглые маркеры - оценка упругости
Ен непрерывным способом
В результате предварительного ретроспективного анализа данных измерения биомеханических свойств краниоспинальной системы и ликворообращения эмпирически установлено, что параметр РУ1д («давление-объём-соотношение» краниоспинальной системы), рассчитанный по формуле А. Магтогои (1) [17], может быть достаточно точно рассчитан по следующей формуле:
0
0
5
meanICP • dVl
PVI =s-^-6-T, (5)
дн meanICP - meanICP) v w
2
0,4343
J
где РУТдн - значение индекса РУТд по эмпирически установленной формуле; теап1СРо - значение среднего ликворного давления до введения (выведения) болюса; теап1СРр - значение среднего ликворного давления сразу после введения (выведения) болюса; теап1СРср - значение среднего ликворного давления между давлениями до и сразу после введения (выведения) болюса; ёУб - вводимый (со знаком плюс) или выводимый (со знаком минус) объем болюса, мл.
Во всех исследованиях расхождения результатов не превысили 5%.
Более подробный анализ установил, что эмпирически установленная эквивалентность формул (1) и (5) подтверждается известным в математике [ 7] результатом разложения функции 1п(1 + х) в ряд Маклорена при х < 1:
1 1 1 (6)
^(1 + х) 0,4343(1 + х) 0,4343х
Установленная высокая корреляционная взаимосвязь между амплитудой пульсовых колебаний внутричерепного давления и упругостью мозга, определенной по дискретному тесту, и эмпирически установленная эквивалентность формул (1) и (5) позволили рассмотреть поступление систолического объема крови в мозг как модель естественного (физиологического) инфузионного теста. При этом для «естественного» изменения ликворного давления под действием кровотока на частоте пульса оценка, например, РУТд (1) будет выглядеть следующим образом:
РУ1пд = , (7)
lg
Pcp + A
Pcp - A
где РVIпд - индекс РУ1 рассчитанный по дискретной формуле (1); йУп - эквивалентный пульсовой объем, приводящий к естественному изменению ликворного давления под действием кровотока на частоте пульса; Рср - среднее значение ликворного давления на периоде пульсовой волны; Рср - Ап - значение ликворного давления в фазе диастолы пульсовой волны; Рср + Ап - значение ликворного давления в фазе систолы пульсовой волны.
С учетом (5) выражение (7) может записано как
ё¥ • Р
РУ1 =-п ср . (8)
пдн 2А • 0,4343 ()
При этом очевидно, что в этом случае любой параметр, например РУ1, вычисленный с использованием динамики амплитуды колебания ликворного давления (8), должен быть эквивалентен параметру, определенному по классической формуле А. Магтогои (1) на одинаковых уровнях ликворного давления, т.е.
РУ1 = ИУб1 = РУ1 = теаП1СР • иУп (9)
44 (теап1СР Л пдн 2А • 0,4343 '
lg
meanICP j
Далее, после несложных преобразований можно вычислить изменение внутричерепного объема, вызванного пульсовой волной ёУп, - «эквивалентный пульсовой объем»:
0 4343 ¿V йУп = 2А 0,434^п , л. (10)
meanICP
lg
meanICp У meanICp j
Измеряя эквивалентный пульсовый объем с использованием единичного теста с болюсом небольшого объема и в последующем с определенной долей точности допуская, что эквивалентный пульсовый объем относительно стабилен [1, 10, 12, 15] в физиологически значимом диапазоне ликворного давления (до 350-400 мм Н2О и выше), можно в динамике определять показатели биомеханических свойств (краниоспинального комплайнса Сн(0, упругости Ен(р) = 1/Сн(0 и индекса Р¥1н(0) на протяжении каждой пульсовой волны:
ш = теапЮРЦ) • ¿Уп, 2А (0 0,4343
где шеап1СР({) - текущее значение среднего ликворного давления; Ап(0 - значение амплитуды пульсовых колебаний при ликворном давлении шеап1СР({)\ ёУп -эквивалентный пульсовой объем (10).
Таким образом, с учетом (2) и (11) количественная непрерывная оценка краниоспинального комплайнса выглядит как
йV
Сн (Г) = —. (12)
н () 2 а (0 ( )
Наличие возможности непрерывного определения среднего ликворного давления (теап1СР(Р)) и Сн(0 с использованием амплитуды пульсовой волны, в свою очередь, позволило вывести выражение для непрерывной оценки скорости изменения объема IV ликвора, основываясь на том положении, что изменение объема во времени приводит к тому, что зависимость давления от объема Р(У) также становится функцией времени Р = Р(У(^)). Тогда в соответствии с [7, 12]
йр_йр й¥_ йг ~ йV ' йг '
Отсюда
dp nv j.
(14)
йг йр' йV
Левая часть выражения (14) представляет собой скорость изменения объема во времени. С учетом того, что ёР/ёУ по определению есть величина упругости, которая обратно пропорциональна краниоспинальному комплайнсу [12], выражение для непрерывной оценки IV может быть записано как
йР
М г) = -Сн (г) (15)
йг
или
йтеап1СР(Х) ^
2 Ап (X) ( )
Таким образом, для непрерывной оценки IV достаточно оценки среднего значения ликворного давления теапЮР и Ап как функций времени.
Отметим, что для определения биомеханических свойств краниоспинальной системы и параметров ликворообращения в предложенном методе используются только текущие значения среднего давления теап1СР и значение амплитуды пульсовых колебаний Ап (табл. 1). На этом основании нами сформулирован способ, реализующий предложенный метод непрерывной оценки мозгового комплайнса, заключающийся в следующем:
- проведение однократного введения (выведения) болюса объемом ёУб и расчета эквивалентного пульсового объема по формуле (10);
- непрерывное измерение ликворного давления Р(Х) с частотой не менее 128 раз в секунду;
- непрерывная оценка среднего значения Рср ликворного давления и амплитуды пульсовых колебаний ликворного давления как функций времени Рср(0 и Ап(0 с использованием алгоритма спектрального преобразования;
- непрерывная оценка биомеханических свойств краниоспинальной системы и параметров ликворообращения как функций времени (11), (12) и (16).
Сравнение результатов оценки показателей ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы по классическому дискретному тесту и по предложенному непрерывному методу отражено в табл. 2.
Статистический анализ показал, что результаты сопоставимы и данный способ и метод пригодны для количественной оценки параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы.
Таблица 1
Основные формулы для оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы
дискретным и непрерывным методами
Параметр Дискретный болюсный метод (А. Marmarou et al. [17]) Предложенный непрерывный метод
Комплайнс мозга С РУ1д Сд = 0,4343 д д Р Р о йУ Сн (х) = п 2 Ап (X)
Индекс объем-давление РК[ РУ1 = ауб д щ) йУр, РУ1 = б д ( р \ 18 (Р) V Ро йУп Рср (X) РУ1н (X) = п ср 2 Ап (X) 0,4343
Скорость изменения объема ликвора IV РУ1д ^ IVд = Р д йТ ср йУп Ivн а )= й 2 Ап (X)
Таблица 2
Различия между дискретным и непрерывным способами оценки краниоспинального
комплайнса, %
Различия между дискретным и непрерывным способами, % Параметры Объем болюса Итого
1 мл 2 мл 4 мл и более
0-5 N N« 534 376 198 262 27 122 759 759
P Pож 0,3 0,2 0,1 0,2 0,0 0,1 0,4 0,4
Хи2 % стб 66,8 70,4 15,5 26,1 73,8 3.6 156,1 100
% стр % 62,3 30,8 33,2 11,4 9,7 1,6 43,8 43,8
5-10 N N» 210 234 233 163 29 76 472 472
P Pож 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,3 0,3
Хи2 % стб 2,4 44,5 30,4 49,4 28,9 6,1 61,6 100
% стр % 24,5 12,1 39,0 13,5 10,4 1,7 27,3 27,3
10-15 N N» 111 206 160 144 146 67 417 417
P Pож 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,2 0,2
Хи2 % стб 44,0 26,6 1,8 38,4 93,4 35,0 139,3 100
% стр % 13,0 6,4 26,8 9,2 52,5 8,4 24,1 24,1
Более 15 N N» 2 42 6 29 76 13 84 84
P Pож 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Хи2 % стб 37,7 2,4 18,2 7,1 289,9 90,5 345,7 100
% стр % 0,2 0,1 1,0 0,3 27,3 4,4 4,8 4,8
Всего N N» 857 857 597 597 278 278 1732 1732
P Pож 0,5 0,5 0,3 0,3 0,2 0,2 1 1
Хи2 % стб 150,9 49,5 65,9 34,5 486,0 16,1 702,8 100
% стр % 100 49,5 100 34,5 100 16,1 100 100
Примечание: N - количество в общем числе наблюдений; Жож - ожидаемое количество; Р - вероятность события; Рож - ожидаемая вероятность; % стб -процент относительно столбца; % стр - процент относительно строки; % - процент относительно общего количества наблюдений; Хи2 - значение Хи2.
Пример измерения и анализа данных при ликвородинамическом исследовании
Пациент М., 15 лет, диагноз: гипертензионная сообщающаяся поствоспалительная гидроцефалия (накопление спинномозговой жидкости в желудочках и ликворных пространствах мозга вследствие нарушения ее резорбции в результате воспалительного поражения структур, участвующих в ее всасывании в венозное русло [13]). Через вентрикулярный катетер регистрировалась динамика ликворного давления. Фоновое среднее давление спинномозговой жидкости равнялось 195 мм вод. ст. (мм Н2О).
Для определения сопротивления резорбции ликвора и степени компенсации ликворообращения, что необходимо для уточнения показания к операции и выбора хирургической тактики [13, 19], произведено 3 теста с введением болюса объемом по 4 мл 0,9 % физиологического раствора и три теста с выведением 4 мл (рис. 4). Вычислены упругость мозга Ед =1/Сд по дискретной методике (2) в каждом тесте и значения амплитуды пульсовой волны ликворного давления 2Ап на протяжении всего теста. По первому тесту с введением 2 мл определены meanlCP = 227 мм H2O, Ап = 32,5 мм H2O, meanlCPc, = 195 мм H2O, meanlCPp = 260 мм H2O, рассчитан по формуле (1) PVIR =16 мл и рассчитан по формуле (5) PVIm =16,1 мл. Расхождение составило менее 1%.
Далее в соответствии с (10) произведена оценка эквивалентного пульсового объема V =1,9 мл. Рассчитана упругость мозга на различных уровнях ликворного давления.
Установлено, что дискретная и непрерывная оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы на уровнях ликворного давления, соответствующего среднему значению давления тестов, совпадают с точностью не менее 10% (рис. 5).
Установлено, что зависимость упругости мозга от meanlCP имеет кусочно-линейный характер с точкой излома, соответствующей значению meanlCP = 141,59 мм H2O (см. рис. 5). Это давление определено как давление декомпенсации, т.е. давление устанавливаемого шунта. Поскольку фоновое давление было выше давления декомпенсации, констатирован декомпенсированный характер Р(Р)-зависимости.
ICP. 600
500
400
300
200
100
0
мм
HO
Время, мин
0 1 2 3 4 5
Рис. 4. Временная зависимость ликворного давления ICP в процессе исследования
Е, мм Н20/мл
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
100 200 300 400
meanICP, мм Н20
Рис. 5. Зависимости упругости Е от среднего ликворного давления теап1СР: квадратные маркеры - оценка упругости Ед дискретным способом; круглые маркеры - оценка упругости Ен непрерывным способом
IV, мл/мин 5 4 3 2 1 0
-1 0 -2 -3 -4 -5
Рис. 6. Зависимость скорости продукции/резорбции IV от среднего ликворного давления теап1СР: квадратные маркеры - оценка IV дискретным способом; круглые маркеры - оценка IV непрерывным способом
Существенно, что значимые достоверные результаты по непрерывному методу, в том числе и давление декомпенсации, были получены с использованием всего 2 тестов, результаты же по дискретному методу - с использованием 6 тестов, но при этом полной достоверной картины для установления значимой оценки параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы получено не было.
Сравнение оценок скорости изменения объема ликвора IV при исследовании показало сравнимые результаты (рис. 6).
Отмечено, что и при дискретном, и при непрерывном расчетах зависимость скорости продукции (резорбции) ликвора от среднего уровня ликворного давления имеет линейный характер с одинаковым (в 90% случаях расхождение менее 6%) углом наклона относительно оси среднего ликворного давления.
Заключение
Таким образом, несмотря на то, что способы определения биомеханических свойств краниоспинальной системы и ликворообращения путем введения в ликворное пространство известного объема жидкости с последующей регистрацией динамики ликворного давления известны уже более 40 лет и считаются общепринятыми [1, 13, 17, 18, 19], присущие им недостатки, а именно дискретность во времени единичных измерений и большая длительность всего исследования, исключают возможность модификации этого способа до непрерывного или квазинепрерывного измерения параметров биомеханических свойств краниоспинальной системы, т. е. мониторинга. Это обстоятельство, на наш взгляд, и в будущем не позволит дискретным ликвородинамическим тестам найти широкое клиническое применение.
О наличии взаимосвязи между динамикой внутричерепного давления и его амплитудой на частоте пульса также было известно и раньше [3, 4, 6, 13, 20, 21]. Однако эта взаимосвязь не была формализована и, соответственно, учитывались только ее качественные (общий вид кривой взаимосвязи), а не количественные аспекты. Наши эмпирические исследования, основанные на ретроспективном анализе результатов классических дискретных ликворных тестов, позволили формализовать феномен взаимосвязи между динамикой ликворного давления и его амплитудой на частоте пульса и в результате модифицировать классическую математическую модель оценки краниоспинального комплайнса и параметров ликворообращения, предложенную А. Магтогои с соавторами [16, 17, 18, 19] до довольно простых формул, использующих
•.у j
• тпп
meanICP, мм H2O
100 200 300 400
только результаты мониторинга динамики ликворного давления и динамики амплитуды ликворного давления на частоте пульса. Результаты исследований с использованием классического и предложенного подходов к оценке ликворообращения и параметров биомеханических свойств краниоспинальной системы неоднократно обсуждались на тематических конференциях [2, 3, 12].
Гипотеза об эквивалентности использования поступления крови в краниоспинальную систему во время пульсовой волны в качестве «физиологического болюсного теста» обычному классическому дискретному ликвородинамическому тесту при вычислении параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы доказана эмпирически на большой выборке исследований. Использование такого подхода приближает дискретный метод к непрерывному. Действительно, интервал между пульсовыми волнами (т.е. «болюсами пульса») составляет единицы секунд даже с учетом необходимого статистического осреднения. На наш взгляд, имеются основания считать, что в практическом отношении параметры ликвоорообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы в этом интервале времени не претерпевают необратимых и неконтролируемых изменений. Тогда с определенной долей точности можно признать предлагаемый метод оценки параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы непрерывным, то есть методом мониторинга этих параметров.
Реализация предложенного метода требует однократного, как правило, введения и выведения болюса небольшого объема (3 мл) для оценки эквивалентного пульсового объема [1, 2, 11] и регистрации зависимости параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы от величины ликворного давления. При этом, как свидетельствуют наши предварительные исследования, значение эквивалентного пульсового объема изменения количества внутричерепного содержимого является достаточно стабильной величиной (индивидуальной для каждого пациента) вплоть до достаточно высоких (до 400 мм вод. ст и выше) значений ликворного давления. Значение эквивалентного пульсового объема может измениться, по нашему мнению, только при очень высоких значениях ликворного давления, когда начинается развитие деформации мозга и ишемия мозга [13, 14]. На наш взгляд, формализация учета ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы посредством оценки физиологического (пульсового) болюсного теста в этих условиях является предметом дальнейших исследований. Предварительно нами установлено, что при достижении условий появления гипертензионно-дислокационного синдрома линейный характер динамики амплитуды пульсовой волны изменяется. И этот факт, с учетом открывшейся возможности мониторинга краниоспинального комплайнса, может быть использован для раннего обнаружения гипертензионно-дислокационного синдрома, который проявляется повышением внутричерепного давления и нарушением жизненно важных функций мозга вследствие смещения его срединных структур [13], а также для прогнозирования декомпенсации реанимационных больных.
Предложенная концепция использована при разработке оригинального монитора краниоспинального комплайнса для получения возможности производить аппаратную количественную оценку параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы, что является существенным фактором в концепции доказательной медицины.
Медикотехническая реализация представленных алгоритмов позволит сделать процесс диагностики параметров ликворообращения и биомеханических свойств краниоспинальной системы непрерывным, малоинвазивным, более информативным и востребованным.
Список литературы
1. Атисков Ю.А., Самочерных К.А., Хачатрян В.А. Оценка краниоспинального комплайнса // Нейрохирургия. - 2017. - № 4. - С. 42-49.
2. Атисков Ю.А., Хачатрян В.А. Малоинвазивные технологии оценки биомеханических свойств краниоспинальной системы (КСС) и ликворообращения (ЛО) // Рос. нейрохирург. журн. им. проф. А.Л. Поленова. - Т. IV. «Поленовские чтения»: материалы XI науч.-практ. конф. - СПб., 2012. -319 с.
3. Атчабаров Б.А. Очерки физиологии и патофизиологии ликвородинамики и внутричерепного давления. - Алматы; Караганда, 1996. - 270 с.
4. Башкиров М.В., Шахнович А.Р., Лубнин А.Ю. Внутричерепное давление и внутричерепная гипертензия // Рос. журн. анестезиологии и интенсивной терапии. - 1999. - № 1. - C. 4-11.
5. Белкин А.А., Зислин Б.Д., Доманский Д.С. Мониторинг краниоспинального комплайнса при церебральной недостаточности // Анестезиология и реаниматология. - 2010. - № 2. - С. 34-36.
6. Горбачев В.И., Лихолетова, Н.В., Горбачев С.В. Мониторинг внутричерепного давления: настоящее и перспективы // Политравма. - 2004. - № 2. - С. 77-86.
7. Данко П.Е., Попов А.Г. Высшая математика в упражнениях и задачах. - М.: Высш. шк., 1967. -Ч. 2. - 205 с.
8. Доманский Д.С., Белкин А.А, Зислин Б.Д. Сравнительная оценка доступных методик измерения внутричерепного давления // Урал. мед. журн. - 2007. - № 1. - С. 23-28.
9. Нурпеисов А.З., Нурдинов, М.А., Абаков Д.К., Маев Е.Ж. Мониторинг внутричерепного давления // Нейрохирургия и неврология Казахстана. - 2011. - № 2 (23). - С. 38-47.
10. Пастор Э. Внутричерепное кровообращение и внутричерепное давление // Вопросы нейрохирургии. - 1977. - № 3. - С. 57-61.
11. Способ количественной оценки мозгового комплайнса: пат. Рос. Федерации МПК A61B 5/03 / Атисков Ю.А., Яковенко И.В., Хачатрян В.А., Самочерных К.А., Ким А.В., Боровикова В.Н. -№ 2474380 (заявл. 11.10.2011, опубл. 10.02.2013) // БИМП. - Бюл. № 4.
12. Хачатрян, В.А. Сафин Ш.М., Стамболцян Г.Г. Биомеханические свойства краниоспинальной системы при деформации черепа // Актуальные вопросы неврологии, нейрохирургии и медицинской генетики: материалы конф. - Уфа, 1998. - 256 с.
13. Хачатрян В.А. Берснев В.П., Сафин Ш.М., Орлов Ю.А., Трофимов Т.Н. Гидроцефалия. Патогенез, диагностика и хирургическое лечение. - СПб., 1998. - 234 с.
14. Czosnyka M. Monitoring and interpretation of intracranial pressure // Journal of Neurology, Neurosyrgery and Psychiatry. - 2004. - Vol. 75, no. 6. - P. 813-821. DOI: 10.1136/jnnp.2003.033126
15. Magnas B. Clinical studies of cranial and spinal compliance and the craniospinal flow of cerebrospinal fluid // British Journal of Neurosurgery.- 1989. - Vol. 3. - P. 659-668.
16. Marmarou A., Shulman K., La Morgese J. Compartmental analysis of compliance and outflow resistance of the cerebrospinal fluid system // J. Neurosurg. - 1976. - Vol. 43. - P. 523-534.
17. Marmarou А., Shulman K., Rosende R.M. A none-linear analysis of cerebrospinal fluid system and intracranial pressure dynamics // J. Neurosurg. - 1978. - Vol. 8. - P. 332-336.
18. Marmarou A., Maset A.L., Ward J.D., Choi S., Brooks D., Lutz H.A., Moulton R.J., Muizelaar J.P., DeSalles A., Young H.F. Contribution of CSF and vascular factors of the elevation of ICP in severely head-injured patients // J. Neurosurg. - 1987. - Vol. 66, no. 6. - P. 883-890.
19. Marmarou A., Anderson R.L., Ward J.D. Impact ICP instability and hypotension on outcome in patient with severe head trauma // J. Neurosurg. - 1991. - Vol. 75. - P. 59-66.
20. Marmarou A., Bergsneider M., Klinge P., Relkin N., Black P.M. The value of supplemental prognostic tests for the perioperative assessment of idiopathic normal pressure hydrocephalus // Neurosurgery. - 2005. -Vol. 57, suppl. 3. - P. 17-28. DOI: 10.1227/01.neu.0000168184.01002.60
21. Szewczykowski J., Sliwka S., Kunicki A., Dytko P., Korsak-Sliwka J. A fast method of estimating the elastence of the intracranial system // J. Neurosurg. - 1977. - Vol. 47. - P. 19-26.
22. Tain R.W., Bagci A.M., Lam B.L., Sklar E.M., Ertl-Wagner B., Alperin N. Determination of cranio-spinal canal compliance distribution by MRI: methodology and early application in idiopathic intracranial hypertension // Journal of Magnetic Resonance Imaging. - 2011. - Vol. 34. - P. 1397-1404.
BRAIN BIOMECHANICS: MONITORING THE BIOMECHANICAL PROPERTIES OF THE HUMAN CRANIOSPINAL SYSTEM
Yu.A. Atiskov (St. Petersburg, Russian Federation), S.K. Akshulakov (Nur-Sultan, Kazakhstan), A.A. Belkin (Berezovsky, Russian Federation), E.T. Nazaralieva (Bishkek, Kyrgyzstan), V.P. Riznich (St. Petersburg, Russian Federation), Sh.M. Safin, I.Sh. Safin (Ufa, Russian Federation), B.V. Gaydar, W.A. Khachatryan (St. Petersburg, Russian
Federation)
The existing methods of assessing the biomechanical properties of the human craniospinal system are reduced to the study of the dynamics of changes in intracranial pressure with a dosed increase in intracranial volume by introducing a certain volume of fluid into the cranial space. These studies are discrete, traumatic. In different neurosurgical clinics, retrospective analysis of 1732 studies of biomechanical properties of the human craniospinal system (compliance, pressure-volume ratio, elasticity) in the period 1988-2014 were conducted. In order to establish a diagnosis or clarify the tactics of surgical treatment, a relationship between the amplitude of the intracranial pressure oscillation at the pulse rate, intracranial pressure and the compliance of the craniospinal system was established. In a single classical test with the introduction of a bolus of a small volume of fluid, and the indicators of biomechanical properties of the human craniospinal system are numerically evaluated. It is assumed that between two pulse waves (in the second range), these indicators do not change significantly, that is, in fact, we are talking about monitoring biomechanical properties of the human craniospinal system. A mathematical model is proposed that formalizes the relationship between biomechanical properties of the human craniospinal system and the dynamics of intracranial pressure oscillations at the pulse rate. Comparison of the results of the assessment of the main biomechanical indicators by the classical method and the proposed method established their high correlation. On the basis of this, an algorithm is proposed that can be used to create the original biomechanical properties of the human craniospinal system and intracranial pressure monitor.
Key words: intracranial pressure, monitoring, biomechanical properties of craniospinal system, pulse oscillations of intracranial pressure.
Получено 23 марта 2020
