基于脈搏色素光密度法的心輸出量測量系統(tǒng)*

趙銀銀，王鋼，張大可，蔡靖

（1.北華大學 工程訓練中心，吉林 吉林132021；2.北華大學 電氣信息工程學院，吉林 吉林132021；3.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130061）

1 引 言

心輸出量（cardiac output，CO）、血氧飽和度（oxygen saturation，SaO2）、平均傳輸時間（mean transit time，MTT）等心血管血流動力學參數能夠評估心臟功能狀態(tài)，準確及時的血流動力學參數測定對指導危急重癥患者的治療有著重要的臨床意義［1-2］。

當前，臨床測定血流動力學參數最準確的是Fick法、熱稀釋法等有創(chuàng)檢測檢測方法，其中熱稀釋法被認為是測量CO的金標準［3-4］，但其操作繁雜、費用高昂且術后易引發(fā)肺栓塞等并發(fā)癥的缺點導致其未被廣泛應用［5］，因此，研究一種無創(chuàng)實時的CO檢測儀器有著重要意義。

吲哚氰綠色素（indocyanine green，ICG）是臨床上常用的一種藥代動力學指示劑，其在近紅外光譜區(qū)的吸光性質比較活躍，因此常與光學方法結合應用在肝臟功能和心血參數檢測等醫(yī)療診斷領域［6］。

脈搏色素光密度法是一種通過測量動脈指示劑濃度來間接測定CO等血流動力學參數的無創(chuàng)檢測方法［7］。本研究以脈搏色素光密度法為基礎，與前人采用ICG測量心輸出量的理論驗證方法相比，著重研究了一種無創(chuàng)檢測心輸出量的裝置，選擇合適的805 nm和940 nm波長作為探測光源，光電接收器將接收到的人體指端透射光信號進行濾波放大等處理后，得到兩波長的交直流分量，計算得到ICG色素的濃度時間曲線，從中推導出CO的值。將本研究設計的裝置與熱稀釋法同時應用到CO的檢測中，驗證方案的可行性。

2 基本原理

2.1 脈搏色素濃度測量原理

脈搏色素濃度測量的理論基礎是朗伯-比爾定律（Beer-Lambert’Law）。當特定波長的光從人體指端一側照射時，其透射光信號可由放置在另一側的光電傳感器接收獲得，且強度會隨著脈搏的周期性跳動而發(fā)生周期性的變化。見圖1，交流成分AC反映脈搏的周期性波動，直流成分DC反映組織、骨骼和皮膚等對入射光的吸收作用［8-9］。

圖1 光電脈搏波示意圖Fig 1 Schematic diagram of photoelectric pulse wave

當ICG色素經靜脈推注到人體后，指端的吸光物質主要為ICG色素、氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（HHb）。選擇特定波長的光源照射指端，根據朗伯-比爾定律，其透射光的吸光度變化量可表示為［10］：

血紅蛋白的吸光系數可表示為：

式中、ελO、ελR分別表示 HbO2和 HHb的吸光系數，SaO2表示動脈血氧飽和度。

ICG、HbO2和RHb三種物質的吸光特性見圖2［11］，可知在805 nm波長處，ICG的吸光系數達到最大值，且在該波長下HbO2和RHb的吸光系數相等，在940 nm波長下ICG吸光系數為零，因此選擇805 nm和940 nm的雙波長近紅外光作為探測光源。

圖2 ICG色素、氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白RHb的光譜曲線Fig 2 Absorption spectra of HbO2 and RHb as well as ICG

由式1可得到ICG色素濃度的計算公式：

2.2 心輸出量計算原理

ICG色素經肘靜脈推注到人體后，隨著血液循環(huán)系統(tǒng)流經全身，此過程中只被肝臟吸收，經膽汁排泄出去，其濃度時間曲線見圖3，由于色素不可能一次性排泄到體外，為消除再循環(huán)的影響，需要在色素稀釋曲線峰值后的90 s內擬合出一條與時間軸閉合的曲線來表示ICG色素的準確消散［12-13］。

圖3 ICG濃度稀釋循環(huán)曲線Fig 3 Dilution and circulation curve of ICG concentration

根據前人的研究結果，CO的計算公式可表示為：

I表示色素的注入量，S表示第一循環(huán)曲線的面積。

3 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)測量框圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)測量框圖Fig 4 Block diagram of system measurement

由于采用的是光源分時照射，因此光電接收器收到的是805 nm和940 nm的混合信號，為了得到兩個波長的交直流信號，需要進行信號的分離處理。圖5是信號的分離電路圖。

圖5 分離電路Fig 5 Separation circuit

經分離單元得到的兩路信號在時間上是疊加在光源驅動信號上的非連續(xù)調制信號，光源信號的驅動頻率為200 Hz，遠大于人的脈搏頻率（1 Hz左右），因此可設計一個截止頻率為25 Hz的四階低通濾波器，將兩路非連續(xù)信號解調出來，見圖6（a）。由于交流成分與直流成分的比值遠小于1，可將解調后的信號看作兩路波長的直流成分［14］。將兩路直流信號分別經過截止頻率為0.05 Hz的二階高通濾波器可得到各自的交流成分，見圖6（b）。

4 實驗與結果分析

本研究中所涉及的操作均通過北華大學倫理委員會倫理審查。在獲得倫理委員會批準，且測試者知情的情況下，選取10名心血管疾病患者，男女各5例，年齡范圍56.3±7.4歲。ICG色素按照0.5 mg/kg比例由右肘靜脈快速推注到體內，測量裝置通過放置在左手中指的光電傳感器開始采集兩路波長的交直流脈搏波信號，并傳輸到計算機進行計算處理，且通過熱稀釋法測量該過程中的CO。

圖7和圖8分別為實測得到的脈搏波交直流成分。

圖6 交直流分離電路（a）低通濾波電路；（b）高通濾波電路Fig 6 Separation circuit of AC and DC（a）Low-pass filter circult；（b）High-pass filter circuit

圖7 直流信號Fig 7 DC signal

圖8 交流信號Fig 8 AC signal

圖9為計算得到的ICG色素濃度時間曲線。根據式（4）可計算出CO的值。

表1為本研究設計的測量裝置和熱稀釋法對同一患者的CO測量結果的對比分析。從中可以看出平均相對誤差為4.79%，對兩組結果采用醫(yī)學專用軟件SPSSv19.0進行線性相關分析，見圖10，相關系數為0.99。

圖9 ICG濃度曲線Fig 9 Curve of ICG concentration

表1 兩種方法的結果對比Table 1 Results contrast of the two methods

圖10 兩種方法的相關分析Fig 10 Correlation analysis of the two methods

與熱稀釋法測量心輸出量相比，本研究所設計的系統(tǒng)操作簡單、費用較低且不會引起術后并發(fā)癥，但脈搏色素光密度法是一種在體表的光學測量，易受環(huán)境變化、患者抖動等的影響，因此需要提供一個穩(wěn)定的測量環(huán)境并讓患者保持穩(wěn)定的測量狀態(tài)。為了進一步提高測量的穩(wěn)定性和測試精度，下一步工作可以通過采取多次測量與臨床金標準進行對比，引入小波消噪方法，增加系統(tǒng)抗擾動、抗干擾能力，結合擬合的方法減小測量誤差。

5 結論

以脈搏色素光密度法為基礎，研究了一種無創(chuàng)檢測心輸出量的裝置。實驗結果表明，該裝置能夠準確測定心輸出量的數值，為臨床應用提供一種新的選擇。