劉光達(dá)，黃敬濤，盧蒙蒙，張曉楓，辛桂杰，金晟來

（1.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130061；2.吉林大學(xué) 白求恩第一醫(yī)院，長春 130021）

作為威脅人類健康的重大疾病，肝病的診斷及其治療方法一直是臨床醫(yī)學(xué)的研究重點(diǎn)［1］。其中，反映肝臟細(xì)胞功能潛力大小的肝臟儲備功能，是衡量肝臟細(xì)胞活性和健康度的重要指標(biāo)。準(zhǔn)確評估肝儲備功能參數(shù)，確定肝切除的手術(shù)范圍，可以有效降低手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性，減小術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生概率［2］。當(dāng)前，基于吲哚氰綠（Indocyanine green，ICG）指示劑進(jìn)行濃度稀釋和排泄試驗(yàn)的色素濃度法是國內(nèi)外進(jìn)行臨床肝儲備功能檢查的主要技術(shù)手段［3-5］。常規(guī)ICG色素濃度測量是通過定時(shí)采集動脈血進(jìn)行分光光度分析來實(shí)現(xiàn)的。在ICG注射前及注射后的5、10和15min，共需進(jìn)行4次采血，利用血凝機(jī)對血漿進(jìn)行分離，再進(jìn)行光譜比色測量，最后得到相應(yīng)時(shí)刻的ICG濃度。由于操作過程復(fù)雜，需手工繪制色素濃度衰減曲線所導(dǎo)致的測量時(shí)間長和測量精度低以及醫(yī)務(wù)人員易被感染等問題，目前很難在臨床的常規(guī)檢查中得到普及應(yīng)用［6］。

針對以上問題，為實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)和連續(xù)的肝儲備功能檢測，本文研究了一種針對ICG色素密度譜的脈搏分光光度測量理論與方法，并研制出實(shí)用化的肝臟儲備功能分析系統(tǒng)。通過與采血的分光光度法對比，其檢測肝儲備功能參數(shù)的平均相對誤差小于5%，可以滿足醫(yī)學(xué)臨床的使用要求。

1 脈搏色素密度法的測量原理與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

ICG經(jīng)靜脈注入血液后能迅速與血漿蛋白結(jié)合，隨動脈血分布全身。由于只被肝細(xì)胞吸收并排泄至膽汁中，通過測量動脈血中的ICG濃度變化，可以進(jìn)行ICG血漿消失率K和15min滯留率R15等肝臟儲備功能參數(shù)的檢查［7-8］。在醫(yī)學(xué)臨床上，對這兩項(xiàng)肝儲備功能參數(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：肝功能正常者，其ICG血漿消失率的測定范圍應(yīng)在0.158～0.232min之間，而15min滯留率應(yīng)小于10%［9］。

在實(shí)際操作中，首先將ICG色素經(jīng)靜脈注入，然后連續(xù)測量動脈血中的色素濃度值，得到ICG色素濃度的時(shí)間變化曲線。為方便進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，將15min時(shí)間里測得的ICG色素濃度值取對數(shù)，形成半對數(shù)坐標(biāo)的變化曲線，如圖1（b）所示。該曲線直接反映了肝臟對ICG色素的排泄速度。

ICG血漿消失率K定義為動脈血中每分鐘時(shí)間里色素濃度的衰減量，而15min滯留率R15則表示經(jīng)靜脈注入ICG后的15min時(shí)間里，動脈血中尚余留的色素含量。在此意義下，這兩個(gè)參數(shù)反映的是肝臟的功能性排泄能力。它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為

式中：C15為注入色素后在15min時(shí)的血漿ICG濃度值；C0為初始的血漿ICG濃度值。

為了補(bǔ)償色素注入時(shí)刻至檢測點(diǎn)之間的時(shí)間延遲，將色素注入時(shí)刻到第一循環(huán)曲線的重心時(shí)間定義為平均循環(huán)時(shí)間（Mean transit time，MTT），作為色素被肝吸收的開始時(shí)刻，如圖1（a）所示。選取ICG排泄曲線外插回歸直線在MTT時(shí)刻的數(shù)值作為初始濃度值C0。

圖2是動脈血中ICG色素、氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb這三種吸光物質(zhì)的光譜特性曲線。從中看到，ICG在805nm波長具有峰值吸光系數(shù)，在940nm波長的吸光系數(shù)近似為0。其他兩種物質(zhì)在805nm波長時(shí)還原血紅蛋白RHb和氧合血紅蛋白O2Hb具有相同的吸光系數(shù)，而在940nm波長時(shí)O2Hb的吸光系數(shù)略大于RHb。綜合考慮，本文選擇940nm和805nm波長作為兩路脈搏波信號的測量光源。

圖1 ICG色素的稀釋和排泄循環(huán)曲線Fig.1 Dilution and clearance curves of ICG

圖2 ICG色素、O2Hb和RHb的光譜特性曲線Fig.2 Absorption spectra of ICG，oxygenated hemoglobin O2Hb and reduced hemoglobin RHb

根據(jù)朗伯－比爾定律（Lambert－Beer’Law），當(dāng)入射光束穿過手指時(shí)，受吸光物質(zhì)的作用，透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為

式中：I0為入射光強(qiáng)；I為透射光強(qiáng)；C是吸光物質(zhì)的濃度；L為入射光穿過手指的光程長度；K為吸光系數(shù)。

由于動脈血液中含有多種吸光物質(zhì)，在940 nm和805nm兩個(gè)波長點(diǎn)，式（3）可以進(jìn)一步表示為

式中：CRHb為還原血紅蛋白濃度；CO2Hb為氧合血紅蛋白濃度；COrg為人體其他成分，包括血液中的水分、骨骼、肌肉和脂肪等的總濃度；CICG為ICG色素濃度。此外，為清楚起見，吸光系數(shù)K的上角標(biāo)和下角標(biāo)分別對應(yīng)測量波長和吸光物質(zhì)。

對式（4）和式（5）兩邊分別取對數(shù)，得到

將式（6）乘以一個(gè)系數(shù)ρ與式（7）相減，得到：

在測量過程中，血紅蛋白成分和人體組織成分均不發(fā)生改變，所以m1和m2可視為常數(shù)。

進(jìn)一步，構(gòu)建時(shí)間序列y＝ln（I940）×ρln（I805），定義其每項(xiàng)的平方和為序列y的能量。

當(dāng)m1≠0時(shí)，存在一個(gè)常數(shù)ρ，滿足m1×ρm2＝0，使序列y的能量取得最小值。此時(shí)式（8）中與CRHb、CO2Hb以及COrg有關(guān)的分量被抵消掉，只保留了與CICG有關(guān)的分量。將ρ記為ρ1，則式（8）可以表示為

式中：I805和I940作為系統(tǒng)采集的雙波長脈搏波數(shù)據(jù)，是可測定的時(shí)間序列。

在任意時(shí)刻，ICG濃度值可以表示為

式中：t為測量周期內(nèi)的采樣時(shí)刻。

以CICG（15）和CICG（0）分別表示15min和初始時(shí)刻的ICG濃度值，那么ICG的15min滯留率R15為

將式（11）代入式（2）就可以計(jì)算得到血漿消失率K的數(shù)值。在具體計(jì)算過程中，ρ以0.9作為初值，1.1為計(jì)算終值，按0.005為步進(jìn)單位，對所構(gòu)建的時(shí)間序列y進(jìn)行迭代計(jì)算，求得其最小值。在圖3給出的典型能量曲線中，序列y能量最小值所對應(yīng)的ρ1值為1.02。

需要說明的是，在實(shí)際計(jì)算中，對于ρ的取值范圍和步進(jìn)單位，可以根據(jù)不同人的血流灌注情況進(jìn)行調(diào)整。

圖4是依據(jù)上述原理實(shí)際測得的一組脈搏波信號，以及計(jì)算得到的ICG相對濃度曲線。圖4（a）（b）的波形幅度與物質(zhì)吸光度成反比關(guān)系，即透射光強(qiáng)與吸光物質(zhì)濃度成反比。圖4（c）所示波形幅度只與ICG濃度有關(guān)。

圖3 與ρ值對應(yīng)的y序列能量曲線Fig.3 Relation curve of energy of ysequence withρ

圖4 實(shí)測信號和計(jì)算得到的ICG相對濃度曲線Fig.4 Measured signal ＆computed ICG relative concentration curves

2 試驗(yàn)測試

2.1 試驗(yàn)儀器

圖5是自主研制的基于脈搏色素密度法的肝臟儲備功能分析系統(tǒng)，圖6是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，包括以下單元模塊：①光電傳感器。中心波長為805nm和940nm的雙波長光電指夾式傳感器。②光源驅(qū)動電路。以相位差為180°的兩路倒相方波信號分時(shí)驅(qū)動發(fā)光管，產(chǎn)生測量光源。③信號分離電路。將940nm和805nm波長的混合信號進(jìn)行分離，得到獨(dú)立的透射光強(qiáng)信號。④信號調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換電路。對脈搏波信號進(jìn)行濾波、放大，以及模－數(shù)轉(zhuǎn)換后，提供給微處理器進(jìn)行參數(shù)分析和計(jì)算。⑤微處理器。作為整個(gè)測量系統(tǒng)的核心，控制各功能模塊，使之有序工作。

圖5 自主研制的肝臟儲備功能分析系統(tǒng)Fig.5 Developed hepatic functional reserves analysis system

圖6 肝臟儲備功能分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of hepatic functional reserves analysis system

該系統(tǒng)以200Hz的采樣率從患者手指端提取脈搏波信號后，既可以存儲在測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊中，也可以通過串口發(fā)送至上位機(jī)中。

2.2 試驗(yàn)流程

選擇吉林大學(xué)第一臨床醫(yī)院的7位患者作為測試對象，分別患有肝功能不全和肝硬化等急慢性肝病，年齡為43～69歲。試驗(yàn)用色素采用遼寧丹東醫(yī)創(chuàng)藥業(yè)有限公司生產(chǎn)的注射用吲哚氰綠試劑（25mg／支）。

（1）患者至少空腹4h以上，排空。

（2）將ICG色素稀釋成5mg／mL的溶液，反復(fù)抽吸、推注。

（3）開啟肝臟儲備功能分析系統(tǒng)，右手食指接入光電指夾傳感器，同時(shí)在右橈動脈采集血樣3 mL。

（4）檢測開始，按50mg／kg的ICG注入量自左側(cè)肘靜脈處5s內(nèi)注入ICG溶液，由肝儲備功能分析系統(tǒng)在20min時(shí)間里同步記錄雙波長脈搏波信號，并自動計(jì)算R15和K值。

（5）在注藥后的5、10和15min對右橈動脈分別進(jìn)行3次采血，每次采集血樣3mL。

（6）對4次采集到的動脈血樣利用血凝機(jī)進(jìn)行血漿分離后，再進(jìn)行光譜比色測量，得到相應(yīng)時(shí)刻的ICG濃度。

（7）利用SPSS v19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，將肝儲備功能參數(shù)R15和K值的測量結(jié)果與采血法對比，進(jìn)行相關(guān)性分析和相對誤差計(jì)算。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1是對于該組患者的肝儲備功能參數(shù)K值和R15值，同時(shí)采用脈搏分光光度法和采血光譜比色法進(jìn)行測量的結(jié)果對比。

表1 兩種方法的K值和R15值的測量結(jié)果對比Table 1 Kand R15values with the two methods

作為傳統(tǒng)測量技術(shù)手段的采血光譜比色法，目前被臨床醫(yī)生普遍認(rèn)可為肝儲備功能檢測的“金標(biāo)準(zhǔn)”［8］。本文利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對脈搏法和采血法的測量結(jié)果進(jìn)行了對比分析。由圖7所示的相關(guān)性曲線看到，將用脈搏法測得的K值和R15值與采血法的相應(yīng)值相比，平均相對誤差分別為3.63%和4.94%，其測量精度完全能夠滿足臨床的使用要求［10］。

圖7 兩種方法的測量結(jié)果對比Fig.7 Contrast of the results measured by this method and blood sampling method

3 結(jié)束語

研究了無創(chuàng)和連續(xù)檢測肝儲備功能的脈搏色素密度法及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。利用940nm和805nm的雙波長光源同步采集脈搏波信號，通過分析動脈血中色素濃度的時(shí)間變化率，計(jì)算得到血漿消失率K和15min滯留率R15等肝儲備功能參數(shù)。本文研究的脈搏色素密度法以及開發(fā)的肝儲備功能分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對于肝儲備功能參數(shù)的連續(xù)和無創(chuàng)測量，可以為臨床的肝切除手術(shù)提供準(zhǔn)確的肝儲備功能評價(jià)結(jié)果。

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