近红外光谱技术在帕金森病大鼠脑组织射频毁损术中的应用

［摘要］ 目的 探索近红外光谱（NIRS）技术用于立体定向靶点毁损术中实时监测的可行性，并观察此过程中NIRS参数的变化规律。方法 在大鼠脑纹状体采用两点注入法注入6-OHDA建立帕金森病（PD）大鼠模型；对正常及PD大鼠进行射频毁损，观察并记录脑组织靶点毁损时的NIRS尤其是优化散射系数的变化情况。结果 （1）50只大鼠中有40只经阿扑吗啡(APO) 诱导后表现为恒定左侧旋转，旋转圈数超过7 r•min-1。（2）射频毁损丘脑腹外侧核（Vim）时，在各温度点下NIRS出现特征性变化曲线。结论 利用NIRS实时活体在位监测帕金森大鼠射频神经核团毁损术是科学、可行的，优化散射系数是监测的良好指标。

［中图分类号］ R742；R-33［文献标识码］ A［文章编号］1671-7562（2008）04-0225-05

［关键词］ 近红外光谱技术；优化散射系数；立体定位技术；帕金森病；神经核团毁损术；大鼠

Application of near-infrared spectroscopy technology in studying the damage 

of rats with Parkinson disease by radiofrequency 

WU Qi1，YANG Tian-ming1，QIAN Zhi-yu2，MAO Wen-lan2, GUO Li-na2, HE Liang1

（1. Department of Neurosurgery, Zhongda Hospital, Southeast University,Nanjing210009, China ；

2. Department of Biomedical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing210016, China）

Abstract: Objective To explore the feasibility of using near-infrared spectroscopy (NIRS) technology to monitor real-time target in the stereotactic destruction technology and to observe the process of changes in the parameters. Methods The establishment of animal models： inject 6-hydroxydopamine(6-OHDA) intothe striatum at two points to establish the rat model of Parkinson disease(PD). Target destruction in near infrared spectroscopy monitoring：reversible radiofrequency ablation was implemented on normal and PD rats. Changes in brain tissue, the changes of reduced scattering coefficient in particular, were observed and recorded by brain tissue spectroscopy. Results (1)Fourty out of 50 rats induced by APO performed constant left rotationwith rotary laps larger than 7 r•min-1.(2) When ventrolateral thalamus nuclear (Vim) was destroyed by radiofrequency ablation, near infrared spectral display acharacteristic curve under difference temperatures. Conclusion Real-time use of near infrared technology in vivo to monitor RF power in damaged nucleus of rats with PD is scientific and feasible. In addition, the reduced scattering coefficient is a good indicator for monitoring.

Key words:near-infrared spectroscopy；reduced scattering coefficient；stereotactic technology；Parkinson disease；ablative procedure; rats

(Modern Medical Journal,2008,36:225-229)

帕金森病（Parkinson disease，PD）是一种常见的神经系统退行性疾病，在老年人中多发，表现为震颤、肌强直、运动减少、姿势障碍、自主神经功能障碍、脑皮质高级功能障碍等。最常见的外科治疗包括脑深部神经核（团）刺激术（DBS）和神经核（团）毁损术［1-3］。目前国内应用最为广泛的方式仍然是神经核(团) 毁损术［4］。在神经核(团) 毁损术中42.5~44 ℃可逆性毁损试验是非常关键的，而70～75 ℃则是经常使用的治疗温度。本次实验采用近红外光谱（NIRS）技术［5-7］，对神经核(团) 毁损术进行动物活体术中实时监测，总结毁损过程中NIRS的变化规律。

1 材料与方法

1.1 主要材料、试剂及仪器

6-OHDA多巴胺(DA)标准品（美国sigma公司）；阿朴吗啡（APO,美国sigma公司）；小鼠抗大鼠酪氨酸羟化酶；羊抗小鼠IgG、DAB(日本Takara 公司)；4％戊巴比妥钠；江湾Ⅰ型立体定向仪；微量进样针；leksell神经射频仪及射频针，步进电机驱动器及控制器；计算机和相关软件。

1.2 动物分组

选取健康大鼠80只，分为正常组(30只)和PD模型组（50只）；再将正常组及建模成功的PD大鼠中随机抽取30只分别分为假手术、42.5～44 ℃ 60 s及70~75 ℃60 s 3个采样温度组，每个采样点10只。

1.3 建立PD动物模型

将50只健康大鼠腹腔注射4％戊巴比妥钠(40 mg•kg-1)，大鼠麻醉后按照立体定向仪说明书固定大鼠。常规消毒后切开头皮约1.0 cm，参照Paxinos 等所著大鼠脑立体定向图谱，采用纹状体两点注入法建立早期PD大鼠模型。坐标：前囟前1.0 mm， 中线旁开右侧3.0 mm， 颅骨下5.5 mm， 前囟后0.1 mm， 中线向右侧旁开3.7 mm，颅骨下5.5 mm，注射6-OHDA 12 μg，注射速度为1 μl•min-1，留针10 min，缓慢退针，牙科胶覆盖钻孔，常规缝合伤口，预防感染。术后1 周开始用APO腹腔注射(0.5 mg•kg-1)，人工计数记录注射后10~40 min时段内大鼠旋转的圈数，每周检测1次，连续4周。每30 min旋转圈数超过210 r（7 r•min-1）者视为成功PD 大鼠模型。 

1.4靶点射频毁损试验

取正常SD大鼠30只和PD大鼠30只，随机分为42.5～44℃组、70~75 ℃组和假手术组各10只。腹腔注射4％戊巴比妥钠(40 mg•kg-1)将大鼠麻醉后，固定于立体定向仪框架，将三维坐标调零。常规消毒后切开头皮约1.0 cm，剥离骨膜，参照Paxinos 等所著大鼠脑立体定向图谱，Vim坐标为：前囟后2.5 mm，矢状缝旁开1.4 mm,硬脑膜下6.4 mm。牙科钻小心钻透颅骨，按确定坐标将毁损电极与近红外探头一同缓慢步进至预定深度。开启近红外光源，持续毁损60 s，记录毁损前靶点与射频毁损过程中近红外光谱的变化，毁损结束后缓慢退出电极与探头，牙科胶覆盖钻孔，常规缝合伤口，连续每天腹腔注射青霉素5 万U 1周以防治感染。

1.5 病理学检查

取全脑置于4 %多聚甲醛磷酸盐缓冲液中固定24 h，再浸入30 %蔗糖溶液至沉底。切片范围：沿针道行冰冻连续冠状切片，片厚20 μm。

1.6 统计学处理

计量数据以x-±s表示。实验所得数据呈正态分布, 采用SPSS 10.0 软件包进行数据分析，行单因素或两因素多样本均数比较的方差分析。

2 结果

2.1 行为学检测

APO 诱发后(4±0.8) min大鼠开始出现恒定左侧旋转，头尾相接。1 周时，有30只大鼠旋转圈数超过7 r • min-1，视为成功模型；随后达到此标准的大鼠量逐渐增加，4 周后趋于稳定。见表1。

2.2病理检查结果

正常组与PD组在相同温度时，两组病理学检查无明显差别。在毁损温度42.5～44 ℃时，42.5～44 ℃组及假手术组均未观察到有细胞坏死,但42.5～44 ℃组可见到射频针周围有水肿,水肿区可见少量的炎细胞浸润。如图1A。毁损温度达70~75 ℃时形成确切的毁损灶,其中心为坏死区,表现为神经细胞完全变性坏死,其边缘有细胞退变及狭窄的细胞核固缩带,邻近为周围脑组织水肿带,有较明显的血管扩张、充血、炎细胞浸润,最外围为正常神经细胞。如图1B。

2.3靶点射频毁损优化散射系数（μ′s）试验结果

2.3.1 42.5～44 ℃组的μ′s曲线 射频毁损温度为42.5～44 ℃时，10只正常大鼠与10只PD大鼠的NIRS中的μ′s在射频毁损时出现相同的特征性变化曲线。当毁损电极与近红外探头一同到达术前预定位置（Vim核团），μ′s保持平稳，射频毁损开始后出现平缓的上升变化，毁损结束后μ′s出现一段平稳期，然后缓慢下降并稳定在加热前水平或是比原先水平略低（图2）。

2.3.2 假手术组的μ′s曲线 手术操作同上组，10只正常大鼠与10只PD大鼠的NIRS中的μ′s在射频毁损时出现相同的特征性变化曲线。但不予加热，直接记录近红外数据。μ′s一直保持平稳，无上升或下降变化（图2）。

2.3.3 70～75 ℃组的μ′s曲线 10只正常大鼠与10只PD大鼠NIRS中的μ′s在射频毁损中出现相同的特征性变化曲线。加热开始后，μ′s出现上升，加热结束后μ′s并无明显下降继续保持在最高点水平（图2）。

2.4 正常组与PD组大鼠毁损前后μ′s的差值比较

记录每只大鼠加热前平稳的μ′s值和加热后最高端μ′s的均值，再取两者之间的差值进行比较，结果见表2。

3 讨论

PD的外科治疗目前主要的手术方式包括神经核(团) 毁损术和脑深部电极刺激术(DBS)，其治疗机制基于PD患者脑内苍白球(GPi) 、丘脑腹中间核(Vim) 和丘脑底核(STN) 过度兴奋这样一个假设,手术所要达到的目的就是精确定位上述核(团)，将其毁损，以达到减少其过度兴奋，消除和减轻病人的症状。其中丘脑Vim是治疗震颤较理想的靶点 ［8］。在射频毁损术中42.5~44 ℃的等温预毁损是非常关键的一个步骤，在此温度下靶点的组织、细胞将会暂时丧失功能。在人体射频毁损术时都必须先进行这个温度点的可逆性毁损试验，同时观察患者肢体及面部的运动、感觉。避免在进行不可逆的毁损后，造成无法挽救的后果［9］。在确认靶点后通常会选用70～75 ℃ 60 s进行治疗性毁损。

NIRS技术广义上是指研究近红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。此次实验中的近红外的优化散射系数μ′s是表示散射事件发生的频率,或者单位路径内光子因散射而损失光能量的比率。由于吸收和散射的作用，光在通过组织后其强度会减小，削减的程度与所通过组织的吸收系数和μ′s的大小有关，因此可以说漫反射（diffuse reflection）

或透射光(transmitted light)中携带着大量生物组织结构和成分的信息［10］，从漫反射或透射光的光谱信息中了解光在组织中被吸收和散射的情况，从而计算出组织的吸收系数和μ′s等光学参数，这正是NIRS技术的理论基础［11-12］。

基于以上两个理论，我们利用NIRS技术观察在42.5～44 ℃和70～75 ℃下近红外光谱中μ′s的变化规律。42.5～44 ℃组之所以会出现先上升后下降的现象，是因为（1）脑组织加热使局部血流灌注量增加，此时μ′s会出现短暂且幅度较小的上升趋势；（2）加热结束后μ′s会保持一段平稳，此时在射频针周围的温度仍高于正常体温，血流量仍较大，出现血管渗透性增高；（3）之后μ′s的缓慢下降是因为在射频针周围脑组织的水含量逐渐加大，形成一个水含量较大的区域（水肿带），组织密度降低，因此会出现μ′s较先前稍低的情况［15］。从病理学检查看神经元未见变性或坏死，证实了此种变化。而70～75 ℃组则在加热后μ′s没有出现下降，一直保持平稳，病理学检查结果显示在近红外探头前方的探测区内有很均一的细胞坏死区，射频针周围有非常明显的蛋白质凝固变性，所以μ′s走势非常平稳。而正常组大鼠与PD大鼠之间相应温度的比较无统计学意义，分析原因为射频毁损的靶点是正常的传导通路而非PD的病变部位，靶点是正常脑组织，所以正常大鼠与PD大鼠在靶点处并无差别。

影响毁损灶的因素是多方面的,包括作用的组织和环境特性、射频电极的形状、电极裸露端的粗细和长短、热凝温度和时间等［13-16］，在毁损组织和环境以及电极的形状不变时,电极的粗细和长短、热凝温度和时间是决定毁损灶大小的主要因素, 但是仍有一些不可预测的变量，如临近电极的脑脊液池或室的电阻可以使射频电流发生短路，这样就带走了产生破坏的热量而不能毁损周围组织；临近的大血管从周围组织吸收并带走热量产生非对称性的破坏［9］。这些变量都会影响到手术的效果。以往这些射频毁损术中射频针尖端的信息全凭外科医生的经验和手感技巧。

此实验首次实现了利用NIRS对射频毁损术中射频针尖端的脑组织在射频毁损过程中的信息（毁损前、毁损中及毁损后）进行实时在位监测。通过对可逆性及治疗性这两个关键温度点的实时监测，我们认为将NIRS应用于神经核团射频毁损术的实时在位监测是科学、可行的。对此我们还将进一步深入研究，以逐步开发出能够直接应用于人体神经核团毁损术中实时监测的近红外设备。让术者能随时了解电极尖端的信息，尽可能排除影响手术安全的因素，保证手术质量，减少手术并发症。

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［收稿日期］2008-03-10

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