基于近紅外光的消化道組織水腫狀態(tài)識(shí)別方法的研究*

王勇，周宇，倉學(xué)習(xí)，符騰，張寬，謝延媛，宋成利

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

消化道重建是胃腸道手術(shù)最重要的步驟之一，消化道重建的方法包括手工吻合和機(jī)械吻合；手工吻合即手工縫合，相比于傳統(tǒng)的手工縫合，基于各類吻合器的機(jī)械吻合，可以有效地縮短手術(shù)時(shí)間和患者的術(shù)后恢復(fù)時(shí)間，降低手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率，但依然無法避免吻合口瘺的發(fā)生[1-4]。

吻合口瘺是胃腸外科手術(shù)最嚴(yán)重的并發(fā)癥，會(huì)導(dǎo)致腹膜炎、形成膿瘡；如果處理不善，會(huì)進(jìn)一步引起膿毒病、多器官衰竭甚至死亡；即使得到了妥善處理，患者的住院時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)[5-6]。研究表明，器械對(duì)組織的作用不當(dāng)是引起吻合口瘺的主要原因。因此，正確地選擇吻合釘和使用吻合器，對(duì)于獲得理想的吻合效果至關(guān)重要[3-8]。其中比較關(guān)鍵的一點(diǎn)是：醫(yī)生會(huì)選擇避開水腫組織進(jìn)行吻合，其原因是：在水腫部位進(jìn)行吻合時(shí)，吻合釘?shù)男吞?hào)選擇要較正常情況偏小，如果選用了型號(hào)偏大的吻合釘，會(huì)導(dǎo)致吻合口處水腫消散之后吻合不緊密，引發(fā)吻合口漏等問題。現(xiàn)階段醫(yī)生都是通過肉眼觀察對(duì)水腫組織進(jìn)行判斷，缺乏客觀的數(shù)據(jù)支持，用肉眼難以準(zhǔn)確地分辨組織的水腫程度，這會(huì)使得醫(yī)生難以準(zhǔn)確地選取合適的吻合釘[9]?？傮w來說，不適合使用吻合器對(duì)水腫組織進(jìn)行吻合，吻合并發(fā)癥發(fā)生率較高。

目前，基于水對(duì)近紅外光的吸收原理，已有一些應(yīng)用近紅外光對(duì)水腫組織進(jìn)行檢測(cè)的研究：Tsai使用近紅外光譜作為一種無創(chuàng)的檢測(cè)方法，用于檢測(cè)水腫皮膚近紅外反射率的變化，相對(duì)于可見光的反射率，皮膚組織成分的變化對(duì)近紅外光的反射率更敏感，得出了可以用該特性來檢測(cè)皮膚組織水腫狀態(tài)的微小變化的結(jié)論[10]；Johnson進(jìn)行了兩種模型的腦水腫實(shí)驗(yàn)，以確定微分近紅外光譜作為一種實(shí)時(shí)，低成本和無創(chuàng)性監(jiān)測(cè)腦水腫的方法的有效性，展示了特定波長(zhǎng)的光和水含量之間有密切關(guān)系，表明了微分近紅外光譜可以作為臨床和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上監(jiān)測(cè)表面腦水腫的一個(gè)準(zhǔn)確有用的技術(shù)[11]；劉興提出了基于近紅外光電技術(shù)的腦水腫無創(chuàng)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)大鼠腦水腫的程度進(jìn)行無創(chuàng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)大鼠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析，分析了光強(qiáng)、血氧參量的變化與腦水腫變化的關(guān)系，表明了近紅外光電技術(shù)可應(yīng)用于對(duì)大鼠腦水腫程度進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)[12]；劉玉冰采用Monte-Carlo方法對(duì)腦組織光學(xué)模型進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)了組織表面的光通量與腦組織吸收系數(shù)呈負(fù)相關(guān),與腦組織約化散射系數(shù)呈正相關(guān)，表明了組織表面的光通量值與腦脊液含量和腦實(shí)質(zhì)光學(xué)特性具有顯著相關(guān)[13]。

迄今為止的研究表明，近紅外光技術(shù)可應(yīng)用于某些水腫組織的檢測(cè)，但尚無應(yīng)用近紅外光技術(shù)進(jìn)行消化道水腫組織的檢測(cè)研究，也未涉及到如何使用近紅外光技術(shù)來對(duì)不同水腫程度的組織進(jìn)行識(shí)別。近紅外光的透光量與組織的水腫程度和組織的厚度這兩個(gè)因素有關(guān)，兩個(gè)組織的水腫程度相同時(shí)，厚度差異會(huì)導(dǎo)致近紅外光的透光量不同；而兩個(gè)組織的厚度一致時(shí)，不同的水腫程度將導(dǎo)致近紅外光的透光量不同。水腫程度越嚴(yán)重，組織單位體積的含水量會(huì)越高，因此，本研究擬使用單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量作為檢測(cè)指標(biāo)，以對(duì)處在不同水腫程度中的消化道組織進(jìn)行識(shí)別。

2 材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選用新鮮的豬小腸作為實(shí)驗(yàn)材料。在屠宰場(chǎng)從剛被處死的豬體內(nèi)獲取，保存于溫度在0～4℃之間的保溫箱內(nèi)，在2 h以內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。首先配置三種不同濃度的鹽水；然后將豬小腸剪成若干段，每段長(zhǎng)度為2～3 cm，隨機(jī)放入配制好的0.3%、0.6%、0.9%濃度的鹽水中，浸泡5 min后得到三組不同水腫程度的小腸樣本，每組小腸樣本數(shù)量為10。A組代表0.3%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度最高；B組代表0.6%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度適中；C組代表0.9%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本，水腫程度最低。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究中所用到的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：電動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng)，見圖1(a)。

2.2.1電動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 電動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由人機(jī)界面、移動(dòng)臂、壓力傳感器、伺服電機(jī)系統(tǒng)、電源和調(diào)理電路模塊組成。人機(jī)界面可以設(shè)置對(duì)組織施加的壓力；壓力傳感器可以檢測(cè)組織所受壓力；伺服電機(jī)系統(tǒng)能夠非常精確地控制移動(dòng)臂的行進(jìn)距離，精度可達(dá)0.01 mm，而且可以準(zhǔn)確的測(cè)量組織的厚度，并在人機(jī)界面顯示。

2.2.2近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng) 液態(tài)水的吸收光譜圖見圖2[14]。水在近紅外線波段有兩個(gè)吸收峰，分別在1 600 nm處和2 000 nm處；由于1 600 nm處和2 000 nm處水對(duì)近紅外光的吸收量較多，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度，因此，選用1 300 nm作為近紅外光檢測(cè)波長(zhǎng)。

近紅外光發(fā)射與接收系統(tǒng)由近紅外發(fā)光二極管LED1300E(Thorlabs，New Jersey，USA)和光敏二極管IGA-020(搏盛科技有限公司，武漢，中國(guó))(見圖1(b))、AFE4490評(píng)估板(Texas Instruments，Texas，USA)(見圖1(c))、PC機(jī)組成。在PC機(jī)上通過AFE4490所配套的GUI(graphical user interface，GUI)界面可以調(diào)節(jié)近紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，AFE4490評(píng)估板能夠?qū)⒐饷舳O管接收到的近紅外光與環(huán)境光進(jìn)行區(qū)分，并在GUI中進(jìn)行顯示。

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

(a).實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，(b).近紅外LED和光敏二極管，(c).AFE4490評(píng)估板

Fig1Experimentsystem

圖2液態(tài)水的吸收光譜圖

Fig2Absorptionspectrumofwater

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

分別在1、2、4 g/mm2三種壓強(qiáng)下使用近紅外發(fā)光二極管發(fā)出的近紅外光在底層照射小腸組織，部分近紅外光被組織中的水分吸收，另一部分近紅外光發(fā)生透射，在頂層用光敏二極管接收穿透過組織的近紅外光；由于底層近紅外光發(fā)光二極管所發(fā)出的光強(qiáng)是恒定的，因此，頂層光敏二極管所接收到的近紅外光可表征組織對(duì)近紅外光的透光程度：所接收到的近紅外光越強(qiáng)，透光程度越大。光敏二極管所接收到的近紅外光轉(zhuǎn)換為電壓V，電動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)測(cè)量組織的厚度為H，L=V/H代表單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量。L越大說明組織水腫程度越小。圖3為近紅外光照射原理圖。

2.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在近紅外發(fā)光二極管上平鋪一層透光板，將小腸組織平鋪在透光板上，覆蓋整個(gè)近紅外發(fā)光二極管，通過人機(jī)界面設(shè)置好壓強(qiáng)后，控制伺服電機(jī)系統(tǒng)對(duì)小腸組織進(jìn)行施壓，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值后電機(jī)會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并蜂鳴一聲來提醒已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)值，此時(shí)記錄人機(jī)界面上所顯示的組織厚度值，并通過PC端的GUI界面來讀取光敏二極管接收到的總光強(qiáng)減去環(huán)境光強(qiáng)之后的近紅外光強(qiáng)值V，通過L=V/H便可計(jì)算出單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量。

圖3近紅外光照射原理圖

Fig3Schematicoftransmissionwithnearinfraredlight

2.5 數(shù)據(jù)分析

顯著性分析：本研究采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方式進(jìn)行顯著性分析，使用IBM公司的SPSS分析軟件，在不同壓強(qiáng)下對(duì)A、B、C三組樣本的單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)，得到其差異的顯著性，P<0.05被認(rèn)為具有顯著性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 近紅外光透光量分析

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，繪制A、B、C三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在三種壓強(qiáng)下的誤差柱形圖，見圖4，其中A代表0.3%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；B代表0.6%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；C代表0.9%濃度的鹽水浸泡過的小腸樣本；L代表近紅外光的透光量(轉(zhuǎn)換為電壓)與組織厚度的比值；P代表組織所受壓強(qiáng)?？梢钥闯鰪腁組到C組的L值依次升高，說明水腫程度嚴(yán)重的單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量少。

圖4透光量分析結(jié)果圖

(a). 1 g/mm2壓強(qiáng)下單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

(b). 2 g/mm2壓強(qiáng)下單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

(c). 4 g/mm2壓強(qiáng)下單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量分析結(jié)果圖；

Fig4AnalysisresultfortransmissionofNIRlightthroughtissue

3.2 顯著性分析

通過IBM公司的SPSS軟件，在不同壓強(qiáng)下對(duì)A、B、C三組樣本的單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分析結(jié)果見表1。

表1單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量顯著性分析結(jié)果圖

Table1ResultsofsignificantanalysisfortransmissionofNIRlightthroughtissuewithunitthickness

A組和B組B組和C組A組和C組1 g/mm2 P=0.013 P=0.013 P=0.0002 g/mm2 P=0.009 P=0.113 P=0.0004 g/mm2 P=0.010 P=0.379 P=0.001

*P<0.05說明兩組之間存在顯著性差異

4 討論

圖4展示了組織水腫程度與單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量之間的關(guān)系，可以看出同一壓強(qiáng)下隨著組織水腫程度的降低，單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L變大，說明組織水腫程度越嚴(yán)重，光敏二極管接收到的近紅外光量減少；而相同水腫狀態(tài)的組織在不同壓強(qiáng)下，單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L隨著壓強(qiáng)的增加而增加，說明隨著壓強(qiáng)的逐漸升高，組織內(nèi)被排出的水分也逐漸變多，組織厚度變薄，導(dǎo)致單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L變大。表1列出了不同水腫狀態(tài)的單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量L在三種不同壓強(qiáng)下的顯著性差異分析結(jié)果，可以看出在1 g/mm2壓強(qiáng)下，三組數(shù)據(jù)兩兩之間都存在顯著性差異，但當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到2 g/mm2和4 g/mm2時(shí)，只有水腫程度最嚴(yán)重的A組和其他兩組之間存在顯著性差異，而B組和C組不存在顯著性差異，可能隨著組織所受壓強(qiáng)的升高，組織內(nèi)過多的水分被排出，使得不同水腫狀態(tài)下的組織單位體積內(nèi)的含水量差別縮小，穿透過組織的近紅外光量差別縮小，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間不存在顯著性差異，這種現(xiàn)象在低水腫程度的組織中表現(xiàn)的更為明顯。可以推測(cè)，如果增加壓強(qiáng)，或者延長(zhǎng)壓榨時(shí)間，水腫程度嚴(yán)重的組織受到壓榨而排出水分的趨勢(shì)可能將更加明顯，有可能也會(huì)出現(xiàn)差異不顯著的情況。因此，對(duì)于水腫程度越嚴(yán)重的組織進(jìn)行吻合時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加壓榨強(qiáng)度、延長(zhǎng)壓榨時(shí)間。

5 結(jié)論

本研究初步探索了不同水腫狀態(tài)的消化道組織對(duì)于近紅外光的吸收情況，水腫程度越嚴(yán)重的組織，其單位體積內(nèi)的含水量越多，對(duì)于近紅外光的吸收量也越多，使得單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量越少，在適當(dāng)?shù)膲簭?qiáng)下，通過對(duì)單位厚度組織對(duì)近紅外光的透光量進(jìn)行測(cè)量和分析，可以識(shí)別出不同水腫狀態(tài)的組織。未來的研究將對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，細(xì)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，同時(shí)開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，活體實(shí)驗(yàn)時(shí)近紅外檢測(cè)技術(shù)依然適用，但需要對(duì)器械進(jìn)行改進(jìn)，首先需要將設(shè)備體積改小，將近紅外發(fā)光二級(jí)股和光敏二極管固定到吻合器鉗口的兩端，通過導(dǎo)線將測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)紾UI，最大限度的減小設(shè)備體積，方便測(cè)量；其次是添加防水功能，防止組織液或血液等液體進(jìn)入到設(shè)備當(dāng)中，影響測(cè)量精度；最終目標(biāo)是能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別組織水腫狀態(tài)，從而可以為醫(yī)生提供客觀的數(shù)據(jù)支持，為相關(guān)的器械研制提供研究基礎(chǔ)。