無創(chuàng)檢測肝儲備功能的脈搏色素密度法

劉光達，黃敬濤，盧蒙蒙，張曉楓，辛桂杰，金晟來

（1.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130061；2.吉林大學 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)學的研究重點［1］。其中，反映肝臟細胞功能潛力大小的肝臟儲備功能，是衡量肝臟細胞活性和健康度的重要指標。準確評估肝儲備功能參數(shù)，確定肝切除的手術范圍，可以有效降低手術的風險性，減小術后并發(fā)癥的發(fā)生概率［2］。當前，基于吲哚氰綠（Indocyanine green，ICG）指示劑進行濃度稀釋和排泄試驗的色素濃度法是國內外進行臨床肝儲備功能檢查的主要技術手段［3-5］。常規(guī)ICG色素濃度測量是通過定時采集動脈血進行分光光度分析來實現(xiàn)的。在ICG注射前及注射后的5、10和15min，共需進行4次采血，利用血凝機對血漿進行分離，再進行光譜比色測量，最后得到相應時刻的ICG濃度。由于操作過程復雜，需手工繪制色素濃度衰減曲線所導致的測量時間長和測量精度低以及醫(yī)務人員易被感染等問題，目前很難在臨床的常規(guī)檢查中得到普及應用［6］。

針對以上問題，為實現(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)實現(xiàn)

ICG經靜脈注入血液后能迅速與血漿蛋白結合，隨動脈血分布全身。由于只被肝細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)學臨床上，對這兩項肝儲備功能參數(shù)的檢測標準規(guī)定為：肝功能正常者，其ICG血漿消失率的測定范圍應在0.158～0.232min之間，而15min滯留率應小于10%［9］。

在實際操作中，首先將ICG色素經靜脈注入，然后連續(xù)測量動脈血中的色素濃度值，得到ICG色素濃度的時間變化曲線。為方便進行參數(shù)計算，將15min時間里測得的ICG色素濃度值取對數(shù)，形成半對數(shù)坐標的變化曲線，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間里色素濃度的衰減量，而15min滯留率R15則表示經靜脈注入ICG后的15min時間里，動脈血中尚余留的色素含量。在此意義下，這兩個參數(shù)反映的是肝臟的功能性排泄能力。它們的數(shù)學表達式分別為

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

為了補償色素注入時刻至檢測點之間的時間延遲，將色素注入時刻到第一循環(huán)曲線的重心時間定義為平均循環(huán)時間（Mean transit time，MTT），作為色素被肝吸收的開始時刻，如圖1（a）所示。選取ICG排泄曲線外插回歸直線在MTT時刻的數(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。其他兩種物質在805nm波長時還原血紅蛋白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），當入射光束穿過手指時，受吸光物質的作用，透射光強和入射光強的數(shù)學關系可以表示為

式中：I0為入射光強；I為透射光強；C是吸光物質的濃度；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，在940 nm和805nm兩個波長點，式（3）可以進一步表示為

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的上角標和下角標分別對應測量波長和吸光物質。

對式（4）和式（5）兩邊分別取對數(shù)，得到

將式（6）乘以一個系數(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)。

進一步，構建時間序列y＝ln（I940）×ρln（I805），定義其每項的平方和為序列y的能量。

當m1≠0時，存在一個常數(shù)ρ，滿足m1×ρm2＝0，使序列y的能量取得最小值。此時式（8）中與CRHb、CO2Hb以及COrg有關的分量被抵消掉，只保留了與CICG有關的分量。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)，是可測定的時間序列。

在任意時刻，ICG濃度值可以表示為

式中：t為測量周期內的采樣時刻。

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

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

需要說明的是，在實際計算中，對于ρ的取值范圍和步進單位，可以根據(jù)不同人的血流灌注情況進行調整。

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

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

圖4 實測信號和計算得到的ICG相對濃度曲線Fig.4 Measured signal ＆computed ICG relative concentration curves

2 試驗測試

2.1 試驗儀器

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)的結構框圖，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光源驅動電路。以相位差為180°的兩路倒相方波信號分時驅動發(fā)光管，產生測量光源。③信號分離電路。將940nm和805nm波長的混合信號進行分離，得到獨立的透射光強信號。④信號調理和A／D轉換電路。對脈搏波信號進行濾波、放大，以及模－數(shù)轉換后，提供給微處理器進行參數(shù)分析和計算。⑤微處理器。作為整個測量系統(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)結構框圖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)送至上位機中。

2.2 試驗流程

選擇吉林大學第一臨床醫(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。試驗用色素采用遼寧丹東醫(yī)創(chuàng)藥業(yè)有限公司生產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注入量自左側肘靜脈處5s內注入ICG溶液，由肝儲備功能分析系統(tǒng)在20min時間里同步記錄雙波長脈搏波信號，并自動計算R15和K值。

（5）在注藥后的5、10和15min對右橈動脈分別進行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進行血漿分離后，再進行光譜比色測量，得到相應時刻的ICG濃度。

（7）利用SPSS v19.0統(tǒng)計分析軟件，將肝儲備功能參數(shù)R15和K值的測量結果與采血法對比，進行相關性分析和相對誤差計算。

2.3 試驗結果分析

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

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

作為傳統(tǒng)測量技術手段的采血光譜比色法，目前被臨床醫(yī)生普遍認可為肝儲備功能檢測的“金標準”［8］。本文利用SPSS統(tǒng)計分析軟件對脈搏法和采血法的測量結果進行了對比分析。由圖7所示的相關性曲線看到，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 兩種方法的測量結果對比Fig.7 Contrast of the results measured by this method and blood sampling method

3 結束語

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間變化率，計算得到血漿消失率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提供準確的肝儲備功能評價結果。

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