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        血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的指示劑光密度檢測(cè)方法研究

        2016-06-15 16:39:51劉光達(dá)周潤(rùn)東查雨彤??∑?/span>高普均劉麗莉
        光譜學(xué)與光譜分析 2016年3期
        關(guān)鍵詞:光密度指示劑吸光

        劉光達(dá), 周潤(rùn)東, 查雨彤, 蔡 靖, ??∑?, 高普均, 劉麗莉

        1. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130061

        2. 吉林大學(xué)第一醫(yī)院, 吉林 長(zhǎng)春 130021

        血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的指示劑光密度檢測(cè)方法研究

        劉光達(dá)1, 周潤(rùn)東1, 查雨彤1, 蔡 靖1, ??∑?*, 高普均2, 劉麗莉2

        1. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130061

        2. 吉林大學(xué)第一醫(yī)院, 吉林 長(zhǎng)春 130021

        血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)檢測(cè)一直是臨床醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。 針對(duì)臨床上測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法存在有創(chuàng)、 操作復(fù)雜、 不適合重復(fù)測(cè)量的問(wèn)題, 研究了一種結(jié)合指示劑稀釋理論與近紅外光譜技術(shù)的指示劑光密度測(cè)量法, 實(shí)現(xiàn)了血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。 通過(guò)體外注射吲哚氰綠(ICG)色素指示劑, 建立其在血液循環(huán)系統(tǒng)中稀釋代謝的動(dòng)力學(xué)模型, 利用近紅外發(fā)光探頭在指端分時(shí)發(fā)送735, 805和940 nm三個(gè)波長(zhǎng)的近紅外光, 同時(shí)在手指對(duì)側(cè)實(shí)時(shí)接收攜帶脈搏波信息的透射光信號(hào), 將測(cè)得的信號(hào)上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理得到隨時(shí)間變化的ICG濃度并將其繪制成連續(xù)的色素濃度曲線, 根據(jù)該曲線確定色素平均傳輸時(shí)間MTT及初始色素含量Ct0等中間變量, 進(jìn)一步推算出心排出量CO及循環(huán)血容量CBV兩項(xiàng)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 將該方法與臨床上測(cè)量上述兩種參數(shù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”—熱稀釋法、 碘-131同位素標(biāo)記法進(jìn)行臨床試驗(yàn)對(duì)比, 測(cè)得10組CO及CBV的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù), 經(jīng)誤差分析得到兩項(xiàng)參數(shù)的相對(duì)誤差最大值分別為8.88%和4.28%, 平均相對(duì)誤差值均低于5%, 滿足臨床檢測(cè)的精度要求, 為臨床上血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量提供了一種安全性強(qiáng)、 連續(xù)性好、 適應(yīng)范圍更為廣泛的方法。

        血流動(dòng)力學(xué); 近紅外光譜; 吲哚氰綠; 心排出量; 循環(huán)血容量

        引 言

        血流動(dòng)力學(xué)是血液在心腦血管系統(tǒng)中流動(dòng)的力學(xué), 通過(guò)對(duì)不同動(dòng)脈血管所處的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行分析, 確定血液壓力與流量之間的關(guān)系, 解釋心腦血管疾病的成因, 評(píng)估血管系統(tǒng)的功能。 血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定可為心腦血管疾病的預(yù)防、 診斷、 介入治療及術(shù)后監(jiān)護(hù)提供可靠的理論依據(jù)[1-2]。

        血流動(dòng)力學(xué)信息最準(zhǔn)確的獲取方式就是從人體中直接測(cè)量。 熱稀釋法就是這樣一種通過(guò)插管直接監(jiān)測(cè)心排出量CO(cardiac output)的方法。 這種方法首先將Swan-Ganz漂浮導(dǎo)管經(jīng)右心房插入到肺動(dòng)脈, 沿導(dǎo)管向右心房輸入冷的葡萄糖溶液或氯化鈉溶液, 通過(guò)導(dǎo)管前端的溫度傳感器記錄注射前后血液的溫度變化, 就可以根據(jù)熱量守恒關(guān)系計(jì)算出CO等血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)[3]。 熱稀釋法可以得到比較全面與準(zhǔn)確的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù), 但是作為一種創(chuàng)傷性監(jiān)測(cè)技術(shù), 插管和置管的過(guò)程會(huì)對(duì)機(jī)體造成一定的傷害, 操作不當(dāng)更容易引起并發(fā)癥[4], 因此熱稀釋法并不是一種理想的檢測(cè)手段。

        指示劑稀釋法也是一種應(yīng)用較為廣泛的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法。 將一定劑量的染料或放射性同位素注入人體動(dòng)脈血中, 通過(guò)定時(shí)采血的方法分析血液中該物質(zhì)的濃度變化情況, 并以此作為血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)。 臨床上測(cè)量循環(huán)血容量CBV(circulating blood volume)的“金標(biāo)準(zhǔn)”碘-131同位素標(biāo)記法就依照這一原理, 通過(guò)注射碘-131標(biāo)記的人體血漿蛋白并在10, 20, 30和45 min時(shí)刻, 分別采血樣; 用γ閃爍計(jì)數(shù)儀繪制放射性衰減曲線, 從而計(jì)算得到CBV的數(shù)值。 但由于碘-131是一種放射性同位素, 半衰期為2~3 d, 需經(jīng)數(shù)天時(shí)間才能從患者體內(nèi)完全排除[5], 測(cè)量過(guò)程中還需要多次采血, 操作復(fù)雜, 因此“同位素法”不適合用于重復(fù)性的測(cè)量。

        吲哚氰綠(indocyanine green, ICG)也是一種臨床上常見的染料指示劑, 無(wú)毒, 對(duì)心血管系統(tǒng)無(wú)副作用, 可快速與血漿蛋白結(jié)合, 迅速分布到各循環(huán)器官, 再經(jīng)肝細(xì)胞自循環(huán)排出。 注射20 min后僅留有3%于血液中, 故可重復(fù)使用[6]。 但傳統(tǒng)的ICG稀釋法仍然存在需要多次采血, 不能連續(xù)監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。 本文將近紅外光譜技術(shù)與ICG稀釋法相結(jié)合, 根據(jù)ICG和血紅蛋白Hb的吸光特點(diǎn), 選擇合適波長(zhǎng)的近紅外光, 對(duì)指尖進(jìn)行照射并采集對(duì)側(cè)的透射光信號(hào)。 受脈搏搏動(dòng)的影響, 接收到的透射光信號(hào)將是攜帶色素含量變化信息的脈搏波信號(hào), 以此為依據(jù)建立ICG濃度變化曲線, 通過(guò)曲線確定心排出量CO及循環(huán)血容量CBV, 實(shí)現(xiàn)了血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的無(wú)創(chuàng)和實(shí)時(shí)測(cè)量。

        1 指示劑光密度測(cè)量法原理

        指示劑光密度法的理論基礎(chǔ)是朗伯-比爾定律, 根據(jù)該定律的描述, 光線在均勻介質(zhì)中傳播時(shí), 會(huì)有一部分光強(qiáng)被均勻介質(zhì)吸收, 以至于穿過(guò)該介質(zhì)的光強(qiáng)變小, 并給出如下等式

        (1)

        其中A定義為光密度,I0和I分別表示入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng),E為光線傳播介質(zhì)的吸光系數(shù),c和D表示均勻介質(zhì)的濃度及厚度。

        按照指示劑稀釋法原理, ICG注入體內(nèi)后, 將迅速與血漿蛋白結(jié)合, 如果把血液作為光線的傳播介質(zhì), 那么其中的吸光物質(zhì)除了血紅蛋白Hb以外, 還包括色素ICG, 用Eh,EI分別表示Hb與ICG的吸光系數(shù), 用ch和cI表示二者對(duì)應(yīng)的濃度, 根據(jù)式(1)可以得到血液中光密度的表達(dá)式

        (2)

        在光線傳播的過(guò)程中, 血管會(huì)隨著脈搏的搏動(dòng)不斷收縮與擴(kuò)張[7], 當(dāng)這種變化引起光線在血液中的傳播距離增加ΔD時(shí), 出射光強(qiáng)就會(huì)減小ΔI, 此時(shí)光密度也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生ΔA的變化量, 但由于脈搏引起的光強(qiáng)變化ΔI遠(yuǎn)小于透射光強(qiáng)I, 因此ΔA就可以近似寫成式(3)的形式

        (3)

        這種情況下, 如果選用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源λ1和λ2進(jìn)行測(cè)量, 并將測(cè)得的兩組光密度的變化量ΔA1和ΔA2做比較, 就可以消除脈搏搏動(dòng)引起的ΔD的影響, 得到

        (4)

        Φ12稱為脈動(dòng)量比, 可通過(guò)測(cè)量透射光光強(qiáng)及其變化量計(jì)算得到, Hb及ICG在不同波長(zhǎng)下的吸光系數(shù)均為常數(shù), 這樣, 只要在色素注射前檢測(cè)出血紅蛋白Hb的濃度ch就可根據(jù)式(4)計(jì)算出cI的值。

        然而, 上述理論的前提是光線在均勻介質(zhì)中沒(méi)有色散的情況發(fā)生, 而對(duì)于指端皮膚, 血液引起的色散[8]和外圍組織的影響都是不可忽略的, 如果將這兩項(xiàng)因素考慮在內(nèi), ΔA的計(jì)算公式將變?yōu)?/p>

        (5)

        式(5)中,F(xiàn)為血液的散射系數(shù)(可視為常數(shù)), ΔDb表示動(dòng)脈血博動(dòng)引起光線在血液中傳播距離的變化,Zt為光線在組織中的衰減系數(shù), ΔDt表示脈搏搏動(dòng)引起光線在組織中傳播距離的變化。

        此時(shí)如果仍選用λ1和λ2兩個(gè)光源對(duì)手指進(jìn)行照射, 脈動(dòng)量比值Φ12的表達(dá)式就應(yīng)該寫成

        (6)

        (7)

        就可以通過(guò)聯(lián)立方程組計(jì)算得到Ex1和Ex2。 色素注入后, 將事先測(cè)得的ch以及Ex1,Ex2帶入到式(6)中, 通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)透射光的脈動(dòng)量Φ12得出各時(shí)刻的色素濃度cI, 并以此建立連續(xù)的色素濃度曲線。

        圖1為ICG和Hb在近紅外波段的吸收光譜特性曲線[10], 其中, 血紅蛋白Hb包括氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白R(shí)Hb。 從圖中可以看出, 在805 nm處, ICG吸光作用最強(qiáng), 且HbO2和RHb的吸光系數(shù)相同, 此時(shí)可以用HbO2的吸光系數(shù)E0來(lái)表示Eh; 在940 nm處ICG的吸光系數(shù)為0, 且HbO2和RHb的吸光系數(shù)也相差不大, 同時(shí), Hb本身的去氧合作用就相當(dāng)小, 因此Eh也可由E0近似代替。 取λ1=940 nm,λ2=805 nm, 式(6)就可化簡(jiǎn)為式(8)

        (8)

        Fig.1 The absorption spectrum characteristic curve of ICG, oxygenated hemoglobin and reduced hemoglobin

        選取λ3=735 nm, 同樣在該波長(zhǎng)下HbO2和RHb具有比較相近的吸光系數(shù)。 將三個(gè)波長(zhǎng)的吸光系數(shù)Eh1,Eh2,Eh3帶入式(7)求出Ex1和Ex2, 從而根據(jù)測(cè)量的Φ12求得ICG濃度值。

        2 血流動(dòng)力學(xué)循環(huán)模型的構(gòu)建與分析

        如圖2所示, 為指示劑稀釋原理的血流動(dòng)力學(xué)循環(huán)模型。 由上文所述, 選擇ICG為指示劑, 通過(guò)體外注射使其進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng); 血液循環(huán)攜帶ICG流經(jīng)心臟并在此混合與稀釋; 將探測(cè)器放置在循環(huán)系統(tǒng)的底層(指端)部位檢測(cè)并記錄指示劑的濃度變化[4]。

        Fig.2 Vascular model of indicator dilution in the blood circulation

        用c0和V0分別表示注射的ICG的濃度和體積, 并假設(shè)經(jīng)血液循環(huán)稀釋后的色素與血液混合達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的濃度c1, 其對(duì)應(yīng)的血流體積為V1, 則V1=V0(c0/c1)。 如果心臟排出稀釋指示劑的時(shí)間為t, 不考慮主動(dòng)脈的血管阻力,t也可以描述為探測(cè)器接收到全部指示劑所需的時(shí)間, 而心排出量CO作為表征單位時(shí)間內(nèi)心臟泵血的總流量[3], 就可以表達(dá)為

        (9)

        根據(jù)式(9)的描述, 圖3(a)模擬了理想狀態(tài)下探測(cè)點(diǎn)的色素濃度變化。 當(dāng)血液循環(huán)攜帶ICG到達(dá)探測(cè)點(diǎn)后, 該處的色素濃度值將以c1保持不變, 經(jīng)過(guò)時(shí)間t全部色素微粒通過(guò)探測(cè)點(diǎn), 此時(shí)ICG濃度降為0, 隨著血液循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行, 上述過(guò)程將不斷重復(fù)直至肝臟將全部的ICG粒子分解并排出體外。

        然而, 血液在血管中真實(shí)的流動(dòng)狀態(tài)是分層的, 內(nèi)層血漿微粒的流速高于外圍的血漿微粒, 同時(shí)血液循環(huán)的路徑也長(zhǎng)短不一, 因此全部的色素微粒無(wú)法同時(shí)到達(dá)心臟并進(jìn)行混合與稀釋[4], 探測(cè)點(diǎn)在t時(shí)間內(nèi)測(cè)得的色素濃度c1也是不斷變化的, 如果假設(shè)c1是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù), 那么探測(cè)器最終接收到的全部濃度值就可以以該函數(shù)對(duì)時(shí)間的積分表示, 式(9)就可以改寫為式(10)

        (10)

        圖3(b)為實(shí)測(cè)的ICG濃度變化曲線, 從圖中可以看到, 隨著ICG注入體內(nèi), 色素含量迅速上升并達(dá)到峰值, 在40~50 s之間曲線分成了兩部分, 其中上升的一支代表色素真實(shí)的變化, 體現(xiàn)了血液循環(huán)連續(xù)性引起的再循環(huán)現(xiàn)象; 下降支是沿著原曲線下降的規(guī)律順勢(shì)繪制出的一條擬合曲線, 用來(lái)模擬ICG完整的第一循環(huán)過(guò)程。 根據(jù)式(10), ∫tc1(t)dt的圖形化表達(dá)就是圖3(b)中第一循環(huán)曲線圍成的閉合圖形的面積S, 從而心排出量CO就可以按照式(11)計(jì)算得到

        (11)

        圖4描述的是ICG注射后8分鐘內(nèi)的代謝曲線, 由圖4可以看出, 曲線在經(jīng)過(guò)兩次比較明顯的波動(dòng)后逐漸趨于平穩(wěn), 并在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中按線性規(guī)律衰減。 圖中, 將第一曲線的重心位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為平均傳輸時(shí)間MTT, 表示色素在血管中均勻分布的時(shí)間, 取MTT后的2.5~5.5 min作為反向插值區(qū)間, 依照曲線下降斜率逆推到MTT處, 得到初始ICG濃度ct0。 假設(shè)在MTT時(shí)刻, ICG以ct0的濃度均勻分布在人體血液中, 根據(jù)循環(huán)血容量CBV的定義, 在維持正常血壓的條件下, 為滿足全身各組織器官的有效灌注所需要的血液量就可以式(12)表示

        (12)

        式中,I表示ICG注入的初始劑量。

        Fig.3 The first circulation curve of ICG in simulation and in actual measurement

        Fig.4 Semi-logarithmic form of ICG concentration decay curve

        3 結(jié)果與討論

        選取20名心血管外科患者, 將其等分為2組, 分別進(jìn)行心排出量與循環(huán)血容量測(cè)量實(shí)驗(yàn), 用本工作所提出的方法與臨床上測(cè)量上述兩種參數(shù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”—熱稀釋法、 碘-131同位素標(biāo)記法進(jìn)行參數(shù)測(cè)試與比對(duì)。

        實(shí)驗(yàn)時(shí), 測(cè)試者靜臥, 將接收光電脈搏波信號(hào)的指夾傳感器夾在右手食指處。 第一組測(cè)試者首先植入漂浮導(dǎo)管, 待患者狀態(tài)穩(wěn)定后將5 mg·mL-1的ICG注射液經(jīng)肘靜脈注入并開始采集脈搏波信號(hào), 將測(cè)得的信號(hào)上傳至計(jì)算機(jī), 分析ICG濃度變化, 根據(jù)式(11)計(jì)算出測(cè)試者的心排出量COICG, 同時(shí)根據(jù)熱稀釋法計(jì)算得到COTD; 第二組測(cè)試者將5 μCi(微居里)的碘-131試劑用1 mL生理鹽水稀釋, 與5 mg·mL-1的ICG注射液, 同由靜脈注入, 根據(jù)式(12)計(jì)算測(cè)試者的循環(huán)血容量CBVICG, 通過(guò)定時(shí)采血測(cè)量同位素衰減曲線并計(jì)算出CBV131。

        Fig.5 Pulse wave signals of transmission light

        實(shí)驗(yàn)采集的透射光信號(hào)如圖5(a)所示, 0時(shí)刻ICG注入, 并隨血液循環(huán)迅速到達(dá)指端探測(cè)部位, 由于ICG對(duì)于805 nm波長(zhǎng)光線的吸收作用較強(qiáng), 故該波長(zhǎng)透射光信號(hào)明顯減小, 隨著ICG的進(jìn)一步稀釋與代謝, 信號(hào)強(qiáng)度逐漸回升; 而對(duì)于940 nm波長(zhǎng)的近紅外光, ICG的吸光作用為0, 因此ICG的注入對(duì)該波長(zhǎng)透射光信號(hào)影響不大, 圖5(b)是圖5(a)的局部放大圖, 可見透射光是一組脈搏波信號(hào)。

        表1為測(cè)得的心排出量和循環(huán)血容量的對(duì)比樣本數(shù)據(jù)及相對(duì)誤差。 可以看出, 通過(guò)指示劑光密度法測(cè)得的CO和CBV相對(duì)于熱稀釋法和碘-131同位素標(biāo)記法測(cè)得的數(shù)據(jù), 相對(duì)誤差最大值分別為8.88%和4.28%, 平均相對(duì)誤差值均低于5%, 滿足臨床檢測(cè)的精度要求[13]。

        Table 1 Measurement results contrast of Cardiac

        4 結(jié) 論

        將近紅外光譜技術(shù)與指示劑稀釋理論相結(jié)合, 研究了一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法。 該方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)心血流參數(shù)的無(wú)創(chuàng)測(cè)量, 且實(shí)測(cè)精度滿足臨床要求, 為臨床上血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)提供了一種更為安全、 簡(jiǎn)便的方法。

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        [11] Marije Reekers, Mischa J, Fred Boer, et al. Anesthesia & Analgesia, 2009, 209(2): 441.

        *Corresponding author

        Study on Indicator Densitometry Determination Method of Hemodynamic Parameters

        LIU Guang-da1, ZHOU Run-dong1, ZHA Yu-tong1, CAI Jing1, NIU Jun-qi2*, GAO Pu-jun2, LIU Li-li2

        1. College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China

        2. First Hospital, Jilin University, Changchun 130021, China

        Measurement for hemodynamic parameters has always been a hot spot of clinical research. Methods for measuring hemodynamic parameters clinically have the problems of invasiveness, complex operation and being unfit for repeated measurement. To solve the problems, an indicator densitometry analysis method is presented based on near-infrared spectroscopy (NIRS) and indicator dilution theory, which realizes the hemodynamic parameters measured noninvasively. While the indocyanine green (ICG) was injected into human body, circulation carried the indicator mixing and diluting with the bloodstream. Then the near-infrared probe was used to emit near-infrared light at 735, 805 and 940 nm wavelengths through the sufferer’s fingertip and synchronously capture the transmission light containing the information of arterial pulse wave. By uploading the measured data, the computer would calculate the ICG concentration, establish continuous concentration curve and compute some intermediate variables such as the mean transmission time (MTT) and the initial blood ICG concentration (ct0). Accordingly Cardiac Output (CO) and Circulating Blood Volume (CBV) could be calculated. Compared with the clinical “gold standard” methods of thermodilution and I-131 isotope-labelling method to measure the two parameters by clinical controlled trials, ten sets of data were obtained. The maximum relative errors of this method were 8.88% and 4.28% respectively, and both of the average relative errors were below 5%. The result indicates that this method can meet the clinical accuracy requirement and can be used as a noninvasive, repeatable and applied solution for clinical hemodynamic parameters measurement.

        Hemodynamic; NIRS; Indocyanine green; Cardiac output; Circulating blood volume

        Nov. 19, 2014; accepted Feb. 25, 2015)

        2014-11-19,

        2015-02-25

        國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)的子題(120111222867002), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21207047), 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120061110092), 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(20120328), 吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015147, 2015001)資助

        劉光達(dá), 1964年生, 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院教授 e-mail: gdliu@jlu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: junqiniu@aliyun.com

        O657.33

        A

        10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0662-05

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