基于氣流與激光技術(shù)的食道曲張靜脈無(wú)創(chuàng)測(cè)壓新系統(tǒng)

胡成歡，黃飛舟，張 瑞，朱曬紅，聶晚頻，劉潯陽(yáng)，劉應(yīng)龍，李 鵬

1 中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院普外科，長(zhǎng)沙市，410013

2 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410083

3 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410083

基于氣流與激光技術(shù)的食道曲張靜脈無(wú)創(chuàng)測(cè)壓新系統(tǒng)

【作 者】胡成歡1，黃飛舟1，張 瑞1，朱曬紅1，聶晚頻1，劉潯陽(yáng)1，劉應(yīng)龍2，李 鵬3

1 中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院普外科，長(zhǎng)沙市，410013

2 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410083

3 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙市，410083

目的 利用光學(xué)原理并結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種更安全、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的非接觸式食道曲張靜脈無(wú)創(chuàng)測(cè)壓新系統(tǒng)。方法 該系統(tǒng)采用自主研發(fā)的可調(diào)節(jié)氣泵、激光發(fā)射裝置和圖像采集分析系統(tǒng)程序，通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性。結(jié)果 該系統(tǒng)在仿生血管上測(cè)得的壓力值與實(shí)際壓力值有良好的相關(guān)性和可重復(fù)性。結(jié)論 這種無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度較高，具有可行性和良好的應(yīng)用前景。

氣流；激光；無(wú)創(chuàng)性；壓力測(cè)量

【 Abstract 】Objective Combined the optical principle with automatic control technology and computer real-time image detection technology to develop a non-contact system for noninvasive esophageal varices pressure measurement. Methods The system included the adjustable air pump, laser device, image collection and analysis program. The feasibility and accuracy of the system were veri fi ed by in vitro experiments. Results The bionic vascular pressure measured by this system had good correlation and repeatability with the actual pressure. Conclusions This system is accurate, feasible and has good application prospects.

食管靜脈曲張（Esophageal Varices，EV）是肝硬化病人一種常見(jiàn)的并發(fā)癥，主要由于門靜脈壓力升高導(dǎo)致食道下端靜脈側(cè)枝循環(huán)開(kāi)放，形成向食道內(nèi)壁凸起的曲張靜脈[1]。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，關(guān)于EV壓力的眾多研究表明過(guò)高的EV壓力是引起EV破裂出血的直接因素[2-3]。靜脈外的無(wú)創(chuàng)（微創(chuàng)）測(cè)壓技術(shù)是目前EV測(cè)壓研究的主流方法[4]，主要有貼壁測(cè)壓和氣囊測(cè)壓兩種方法。然而，這兩種方法均需要直接接觸靜脈血管，在測(cè)壓過(guò)程中存在醫(yī)源性EV破裂出血的風(fēng)險(xiǎn)。其次，二者均忽視了曲張靜脈壁在測(cè)壓過(guò)程中張力的變化，而且無(wú)法克服吞咽、食道蠕動(dòng)波和賁門運(yùn)動(dòng)等生理過(guò)程對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，導(dǎo)致準(zhǔn)確性不高[5]。尤其氣囊測(cè)壓法無(wú)法精確定位測(cè)量EV某一特征點(diǎn)的壓力，具有更大的局限性。我們?cè)谠葻o(wú)創(chuàng)性靜脈測(cè)壓儀的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)原理并結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)展了氣流結(jié)合激光非接觸測(cè)壓方法的研究，開(kāi)發(fā)了一種更安全、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的無(wú)創(chuàng)靜脈測(cè)壓新系統(tǒng)[6]。

1 系統(tǒng)原理

首先使用氣泵產(chǎn)生氣流并將其以一定的壓力和流速輸送至輸氣管道中，輸氣管道經(jīng)胃鏡的活檢通道到達(dá)EV附近。在相隔一定距離的位置，使輸氣管道的氣流垂直沖擊曲張的靜脈表面，并逐漸增大氣流沖擊壓力。在EV的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，重力影響微小可以忽略不計(jì)。在垂直血管壁方向上，存在氣流沖擊力、血管內(nèi)壓力和血管自身的張力。當(dāng)沖擊在血管壁表面的氣流壓力接近血管內(nèi)部壓力時(shí)，受沖擊的血管壁表面將會(huì)發(fā)生形變。在血管壁剛好被壓平的瞬間，血管壁的張力矢量平行于血管壁，此時(shí)無(wú)論何種類型的血管在垂直方向均無(wú)作用力。根據(jù)力學(xué)平衡原理，此時(shí)氣流沖擊力就等于靜脈內(nèi)壓力。整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)軟件將圖形處理軟件和氣流系統(tǒng)的信息整合同步，動(dòng)態(tài)

捕捉血管壁的變化，并記錄輸氣管道起始部位氣流壓強(qiáng)，就可計(jì)算出氣流沖擊血管的壓強(qiáng)值。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由既有胃鏡系統(tǒng)、指壓氣流探針系統(tǒng)、激光光纖測(cè)距傳感器、圖像采集分析系統(tǒng)和中央數(shù)據(jù)同步處理系統(tǒng)五部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示。

圖1 無(wú)創(chuàng)測(cè)壓新系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of noninvasive esophageal varices pressure measurement system

胃鏡可直接診斷EV并提供氣流和光纖束的進(jìn)入通道，實(shí)現(xiàn)體外調(diào)節(jié)操作。指壓氣流探針系統(tǒng)由充氣泵、儲(chǔ)氣瓶、氣流氣壓控制閥和輸出氣管組成。其作用是提供壓力連續(xù)變化的氣流束并沖擊血管壁，同時(shí)根據(jù)不同位置氣流壓力之間的函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算出靜脈表面的氣流壓力值。激光光纖傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光纖激光測(cè)距傳感器示意圖Fig.2 Schematic diagram of fi ber laser distance sensor

測(cè)距光源采用不可見(jiàn)激光，在不干擾原胃鏡系統(tǒng)照明的同時(shí)可提高檢測(cè)精度。光纖束(含顯微物鏡直徑＜1 mm)固定于輸出氣管內(nèi)部，采用偏振分光系統(tǒng)和激光濾波片消除膜系鏡面反射光和胃鏡原照明光源的影響。TMS320DM642平臺(tái)能對(duì)兩路視頻圖像流進(jìn)行實(shí)時(shí)復(fù)雜的視頻信號(hào)數(shù)學(xué)處理，完成視頻檢測(cè)功能。圖像采集分析系統(tǒng)采用Microsoft Foundation Classes(MFC)框架進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)和多線程編程，完成了系統(tǒng)控制流，同時(shí)選擇Open Source Computer Vision Library(OpenCV)提供的方法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。操作者可通過(guò)觀察CCD視頻中激光斑的大小和形狀的改變，明確氣流是否垂直作用于靜脈表面并捕捉靜脈被壓平的瞬間。本系統(tǒng)利用OMAP-4430-1 GHz雙核Cortex-A9處理器、Android操作系統(tǒng)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)與控制模塊，并與現(xiàn)有胃鏡視頻采集和圖像分析系統(tǒng)組合，構(gòu)建中央數(shù)據(jù)同步處理系統(tǒng)主機(jī)。該主機(jī)可在測(cè)量時(shí)同時(shí)調(diào)取圖像采集分析系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)和指壓氣流探針系統(tǒng)中的壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)，并將兩者信號(hào)的時(shí)間軸對(duì)應(yīng)在一起。

圖3 指壓氣流探針系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of airf l ow probe system

3 體外實(shí)驗(yàn)

3.1 指壓氣流探針系統(tǒng)

按圖3將自制的可調(diào)節(jié)氣泵和氣流輸出管道(內(nèi)徑2 mm，長(zhǎng)度1.5 m)連接，保證氣流輸出管道的氣密性并連接壓力傳感器(深圳市感力通科技有限公司)和接收系統(tǒng)(中南大學(xué)高鐵研發(fā)中心)，利用標(biāo)定儀(南京飛勒克工業(yè)設(shè)備有限公司)標(biāo)定壓力傳感器的參數(shù)。將兩個(gè)壓力傳感器分別放置在a點(diǎn)和c點(diǎn)。開(kāi)啟氣泵，將氣泵的工作電流頻率逐漸加大，從2 kHz至 20 kHz，每次增加2 kHz，記錄a、c兩點(diǎn)氣壓的變化情況。重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，壓力值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)表示。整理數(shù)據(jù)，繪制散點(diǎn)圖，計(jì)算a點(diǎn)與c點(diǎn)壓力值之間的直線回歸方程，進(jìn)行直線相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，c點(diǎn)壓力值與a點(diǎn)壓力值呈直線相關(guān)，直線回歸方程為Y=0.068 5×X-273.231 (P〈0.000 5)，Y為c點(diǎn)壓力值，

X為a點(diǎn)壓力值，詳見(jiàn)圖4。

圖4 c點(diǎn)壓力值與a點(diǎn)氣壓值相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis of point c pressure and point a pressure

3.2 仿生血管測(cè)壓實(shí)驗(yàn)

將一根標(biāo)有刻度的玻璃管固定在一固定架上，玻璃管下段連接一條水平放置的塑膠管，塑膠管另一端連接一根三通管，截?cái)嗨苣z管中間的一段，斷端部分用以連接需測(cè)壓的管道，組成一個(gè)模擬血管儀。將其放置于水平位置，然后將塑膠材質(zhì)的仿生血管連接在預(yù)留的管道斷端處，確認(rèn)連接部分緊密無(wú)滲漏。打開(kāi)三通閥，從玻璃管上端注入生理鹽水，將模擬血管儀內(nèi)的空氣排盡后關(guān)閉三通閥，此時(shí)仿生血管內(nèi)充滿液體而膨脹，其內(nèi)部的壓強(qiáng)可通過(guò)改變玻璃管內(nèi)液面高度調(diào)節(jié)。將無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)的探頭置于仿生血管的正上方，探頭出氣口距離仿生血管壁10 mm位置。將玻璃管液面高度調(diào)節(jié)至5 cm后，開(kāi)啟無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)，記錄儀器測(cè)出的仿生血管內(nèi)壓力值。調(diào)節(jié)玻璃管液面高度，每次增加5 cm，直到45 cm，同時(shí)記錄每次無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)所測(cè)得的仿生血管內(nèi)壓力值。重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，壓力值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（X±SD）表示。兩種方法所測(cè)壓力值之間計(jì)算直線回歸方程，進(jìn)行直線相關(guān)分析。結(jié)果顯示，無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際壓力值呈直線相關(guān)（見(jiàn)圖5），直線回歸方程為Y=1.001×X+6.036 （P〈0.000 5）。

圖5 無(wú)創(chuàng)測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)量值與實(shí)際壓力值相關(guān)性分析Fig.5 Noninvasive pressure measurement system measured value and actual pressure value correlation analysis

4 討論

本系統(tǒng)通過(guò)控制壓強(qiáng)連續(xù)變化的氣流沖擊EV，同時(shí)借助圖形分析軟件同步檢測(cè)EV的形變過(guò)程，根據(jù)氣流沖擊力和血管形變等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算血管內(nèi)部的壓力。與現(xiàn)在臨床上主要采用的EV氣囊測(cè)壓方法相比，本系統(tǒng)有幾大優(yōu)點(diǎn)。

(1) 本系統(tǒng)利用氣流的沖擊力對(duì)血管壁進(jìn)行壓迫，測(cè)壓管道與測(cè)量的血管之間存在一定的距離，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的非接觸式測(cè)量。

(2) 氣囊測(cè)壓方法中通過(guò)視頻圖像看到的是氣囊內(nèi)壁，即便氣囊透明也存在反光、吸收光譜不一致等問(wèn)題，不便于醫(yī)生直觀診斷。本系統(tǒng)在保證胃鏡圖像的同時(shí)采用不可見(jiàn)激光在血管壁上產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)，在體內(nèi)環(huán)境下也可正常識(shí)別，抗干擾性強(qiáng)。

(3) 氣囊測(cè)壓時(shí)氣囊需要壓迫整個(gè)食管內(nèi)腔，無(wú)法克服食管蠕動(dòng)波、賁門收縮和舒張等不可控生理活動(dòng)引起的測(cè)量誤差。本系統(tǒng)中操作者可快速發(fā)現(xiàn)甚至提前預(yù)判到各種影響EV探測(cè)區(qū)域食道位移的變化，通過(guò)隨停隨啟氣流進(jìn)行有效地規(guī)避。

(4) 氣囊測(cè)壓過(guò)程包括彈出氣囊、充氣貼壁、觀察測(cè)壓、放氣收囊等過(guò)程，測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。本系統(tǒng)可以根據(jù)胃鏡下EV的形態(tài)學(xué)特征提前預(yù)估壓力值，并控制初始?xì)饬鲏毫妮^接近的壓力值起測(cè)，從而大大縮短測(cè)壓時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)鏡多點(diǎn)測(cè)量。

準(zhǔn)確測(cè)量血管壁表面的氣流壓強(qiáng)和及時(shí)捕捉受測(cè)血管變平這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的兩大核心問(wèn)題。由于輸出氣管內(nèi)徑很細(xì)且與沖擊部位距離很近，指壓探針作用于血管壁的壓強(qiáng)小，因而不會(huì)引起被測(cè)血管的氣流干擾。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度和內(nèi)徑固定的管道后，距離出氣口1 cm處氣流壓強(qiáng)與入口處壓強(qiáng)呈線性關(guān)系，利用回歸方程可以根據(jù)氣泵的輸出壓強(qiáng)快速得出作用于受測(cè)部位的氣流壓強(qiáng)。在仿生血管測(cè)壓實(shí)驗(yàn)中，在指壓氣流探針開(kāi)始作用前，我們朝向血管壁往復(fù)移動(dòng)探頭，移動(dòng)探頭至CCD視頻中心點(diǎn)光斑最小位置時(shí)，利用鏡面聚焦原理可知探

頭到血管壁距離為確定值，該值亦可通過(guò)胃鏡圖像予以再次確認(rèn)。當(dāng)CCD視頻多個(gè)光斑最小時(shí)，證明光纖與氣流探頭方向與靜脈壁垂直。固定探頭，開(kāi)啟探針氣流，當(dāng)曲張靜脈血管壁在氣流作用下開(kāi)始形變時(shí)，CCD視頻可觀測(cè)到反射光斑的尺寸逐漸增大。當(dāng)EV被壓平時(shí)，各反射光斑大小相等。體外測(cè)壓結(jié)果顯示本系統(tǒng)所測(cè)仿生血管內(nèi)壓力值與實(shí)際壓力值相差不大，并具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明本系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量出仿生血管內(nèi)液體的壓強(qiáng)，而且誤差很低。即使生物組織管壁的形變時(shí)刻會(huì)比仿生血管有稍微的延遲，也可通過(guò)進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。我們相信，這種基于氣流與激光檢測(cè)技術(shù)的無(wú)創(chuàng)靜脈測(cè)壓新系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度較高，具有可行性和良好的應(yīng)用前景。

[1] 劉潯陽(yáng). 食管胃靜脈曲張內(nèi)鏡治療(第2版)[M]. 北京: 人民衛(wèi)生出版社, 2011.

[2] Poca M, Puente A, Graupera I, et al. Prognostic markers in patients with cirrhosis and portal hypertension who have not bled[J].Dis Markers, 2011, 31(3): 147-154.

[3] Berzigotti A, Gilabert R, Abraldes JG, et al. Noninvasive prediction of clinically signif i cant portal hypertension and esophageal varices in patients with compensated liver cirrhosis[J]. Am J Gastroenterol, 2008,1 03(5): 1159-1167.

[4] Mehta G, Abraldes JG, Bosch J. Developments and controversies in the management of oesophageal and gastric varices[J]. Gut, 2010, 59(6): 701-705.

[5] 孔德潤(rùn), 張磊, 張超, 等. 計(jì)算機(jī)視覺(jué)食管曲張靜脈壓力檢測(cè)技術(shù)的初步研究[J]. 中華消化內(nèi)鏡雜志, 2011, 28(4): 204-209.

[6] 朱曬紅, 劉潯陽(yáng), 黃飛舟, 等. 無(wú)創(chuàng)性靜脈測(cè)壓儀的研制[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2002, 19(1): 178-180.

圖4 數(shù)據(jù)擬合圖Fig.4 The diagram of data fi tting

將檢測(cè)阻抗值和期望阻抗值擬合成曲線如圖所示，可以看出我們檢測(cè)結(jié)果在50 k?以下跟期望曲線基本重合，而在(50～100) k?間測(cè)試誤差也在2 k?以內(nèi)，因此本阻抗檢測(cè)方法具有很高的的準(zhǔn)確性。檢測(cè)阻抗帶來(lái)的誤差是由于校準(zhǔn)電阻本身的精度和恒流源精度、系統(tǒng)噪聲造成的。本系統(tǒng)應(yīng)用在腦電采集系統(tǒng)的電極接觸阻抗檢測(cè)阻抗值一般在15 k?以下則認(rèn)為電極接觸性正常，因此本方法應(yīng)用在對(duì)于腦電采集系統(tǒng)電極阻抗檢測(cè)的準(zhǔn)確性是可靠的。

4 小結(jié)

本文介紹了電極接觸阻抗檢測(cè)對(duì)于生物電測(cè)量的意義，特別是對(duì)于腦電信號(hào)等微弱電生理信號(hào)的測(cè)量時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分重要，在此基礎(chǔ)上提出了一種精確測(cè)量電極阻抗的方法。利用恒流源激勵(lì)信號(hào)通過(guò)測(cè)量電極載入人體，并在保證安全性的前提下通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)進(jìn)行基于電極、接觸電阻和人體阻抗的綜合電壓監(jiān)測(cè)，經(jīng)放大、濾波后，再借助于高精度AD轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化以及相關(guān)的計(jì)算，同時(shí)在計(jì)算方法上利用參考電阻進(jìn)行分段的校準(zhǔn)，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少激勵(lì)信號(hào)源精度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，上述阻抗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)一路，后續(xù)將在多路，以及實(shí)際應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)上開(kāi)展研究，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉繼倫, 張進(jìn). 盆腔阻抗血流圖計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)的研制[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械雜志, 1997, 21(6): 329-332.

[2] 賈增強(qiáng), 龍翔. Windows 環(huán)境下生物電信號(hào)實(shí)時(shí)處理的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2002, 38(5): 228-230.

[3] 王斯亮. 精密生物阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)及其在經(jīng)絡(luò)研究中的應(yīng)用[D]. 天津大學(xué), 2008.

[4] Huigen E, Peter A, Grimbergen C. Investigation into the origin of the noise of surface electrodes[J]. Med Biol Eng Comput, 2002, 40(3): 332-338.

[5] Spinelli EM, Mayosky MA. Two-electrode biopotential measurements: power line interference analysis[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2005, 52(8): 1436-1442.

[6] Degen T, Loeliger T. An improved method to continuously monitor the electrode-skin impedance during bioelectric measurements[C]. IEEE EMBS, 2007: 6295-6298.

A New System for Noninvasive Esophageal Varices Pressure Measurement Based on Airf l ow and Laser Technology

【 Writers 】Hu Chenghuan1, Huang Feizhou1, Zhang Rui1, Zhu Shaihong1, Nie Wanpin1, Liu Xunyang1, Liu Yinglong2, Li Peng3
1 Department of General Surgery, The Third Xiangya Hospital of Central South University, Changsha, 410013
2 School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083
3 School of Traf fi c and Transportation Engineering, Central South University, Changsha, 410083

air fl ow, laser, noninvasive, pressure measurement

R318.6；R443.8

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.004

2014-02-07

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12JJ4080)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2011QNZT190)；中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2012zzts034)

張瑞，E-mail: rui.zhang@csu.edu.cn

1671-7104(2014)04-0247-04