基于近紅外光譜在皮瓣移植術(shù)后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張錦龍，辛 明，樊琳琳，張 峰，員 琳，韓笑笑，楊濠琨

(1.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院 物理與電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 開(kāi)封 475004；2.北京郵電大學(xué) 電子與工程學(xué)院，北京 100876)

引 言

皮瓣移植手術(shù)是外科中常見(jiàn)的手術(shù)，皮瓣移植手術(shù)失敗的主要因素是血管吻合處發(fā)生栓塞，栓塞會(huì)阻礙皮瓣內(nèi)的血液循環(huán)引起皮瓣壞死[1]。術(shù)后若能盡早發(fā)現(xiàn)血管栓塞，對(duì)提高移植手術(shù)的成功率非常重要。目前術(shù)后護(hù)理主要通過(guò)醫(yī)師的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷移植皮瓣存活狀況，如測(cè)量皮溫、觀察皮瓣水腫程度、傷口滲出物的形狀及顏色等，缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)。因此，為皮瓣移植手術(shù)提供一種連續(xù)、無(wú)創(chuàng)而且簡(jiǎn)便實(shí)用的術(shù)后監(jiān)測(cè)手段在臨床上具有重要意義。

術(shù)后皮瓣存活的關(guān)鍵在于能否自我供血[2-5]，利用近紅外光譜可以無(wú)創(chuàng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)人體血運(yùn)狀況[6-7]，它依據(jù)人體血液不同成分對(duì)近紅外光吸收能力的差異，通過(guò)檢測(cè)組織對(duì)近紅外光的吸收程度，解算出人體局部組織的氧合參量。本文中通過(guò)檢測(cè)術(shù)后創(chuàng)面部位的氧合參量，判斷皮瓣血液循環(huán)情況，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)皮瓣存活狀態(tài)的目的。為此本文中設(shè)計(jì)了組織氧飽和度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在組內(nèi)進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和前臂阻斷模擬皮瓣血管栓塞實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了該系統(tǒng)用于術(shù)后皮瓣血運(yùn)狀況監(jiān)測(cè)的有效性。

1 測(cè)量原理與算法

人體組織中密布著大量的微血管, 包括微動(dòng)脈、微靜脈和毛細(xì)血管，人體組織的血氧參量即為上述各種微血管中血液血氧參量的加權(quán)平均[8]。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)創(chuàng)面周?chē)慕M織氧飽和度可以達(dá)到反映術(shù)后皮瓣血運(yùn)狀況的目的。

局部組織氧飽和度(regional tissue oxygen saturation,rSO2)的定義為局部組織中氧合血紅蛋白濃度CHBO2與局部組織中氧合血紅蛋白濃度、還原血紅蛋白濃度CHB和的比，有：

(1)

式中,RrSO2為局部組織氧飽和度的值。在近紅外波段(700nm～900nm)，組織中還原血紅蛋白(HB)和氧合血紅蛋白(HBO2)是主要的吸光物質(zhì)[9]，本文中使用兩種特定波長(zhǎng)的光交替照射組織，在光源同一平面一定距離處接收組織的漫散射光。當(dāng)波長(zhǎng)為λ1，λ2的光穿過(guò)組織時(shí)，由吸收定律得：

(2)

式中，μa,λ1是波長(zhǎng)為λ1時(shí)組織的吸收系數(shù)，μa,λ2是波長(zhǎng)為λ2時(shí)組織的吸收系數(shù);ε是摩爾消光系數(shù)，只與吸收物質(zhì)和波長(zhǎng)有關(guān)。

由(1)式、(2)式得出局部組織氧飽和度為：

(3)

從(3)式可以看出，求解RrSO2的實(shí)質(zhì)是解出兩個(gè)光源下被測(cè)組織的吸收系數(shù)之比。

人體組織對(duì)近紅外光的吸收遠(yuǎn)小于散射，盡管單個(gè)光子在組織中的傳播路徑是隨機(jī)的，但大量光子在組織中依然遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律，光子在人體組織中的傳輸路徑大致呈月牙狀[10-12]。由組織中近紅外光譜的漫散射方程[13-14]得：

(4)

式中,ΤOD為光密度(optical density,OD)，定義ΤOD=lg(I0/I),I0為入射光強(qiáng),I為出射光強(qiáng)；d為光源到探測(cè)器中心的距離；μs為組織對(duì)近紅外光的散射系數(shù)，與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)[15]。

當(dāng)使用兩束不同波長(zhǎng)的光照射組織時(shí)，組織對(duì)兩路光的吸收系數(shù)比為：

(5)

為求出?ΤOD/?d，在系統(tǒng)中引入第2個(gè)光電探測(cè)器，探測(cè)器于光源同側(cè)一遠(yuǎn)一近分布，空間分布概念圖見(jiàn)圖1。此時(shí)兩波長(zhǎng)的吸收系數(shù)比可簡(jiǎn)化為：

(6)

式中，ΔΤOD為同一波長(zhǎng)下不同探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)差的絕對(duì)值；Δd為兩探測(cè)器中心點(diǎn)的距離。結(jié)合(3)式，組織氧飽和度計(jì)算公式可化簡(jiǎn)為：

(7)

式中，D1,λ1，D2,λ1，D1,λ2，D2,λ2為遠(yuǎn)近探測(cè)器采集到λ1，λ2的光通過(guò)組織后的漫散射光強(qiáng)；摩爾消光系數(shù)ε通過(guò)查表可得。由此，通過(guò)光電探測(cè)器采集被測(cè)部位的漫散射光，便可進(jìn)行被測(cè)部位RrSO2的估算。

Fig.1 Spatial distribution of the light source and detectors

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

本文中提出的近紅外光譜監(jiān)測(cè)皮瓣移植術(shù)后狀況系統(tǒng)如圖2所示。以C8051f120單片機(jī)為核心搭建測(cè)量系統(tǒng)。采用反射式傳感結(jié)構(gòu)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)兩路發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)分時(shí)發(fā)出恒定強(qiáng)度的光，位于同側(cè)的光電探測(cè)器采集通過(guò)人體組織的漫散射光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)后通過(guò)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)I-V(電流-電壓)轉(zhuǎn)換、放大。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)轉(zhuǎn)換后將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成攜帶血氧信息的數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)通用串行總線(universal serial bus,USB)接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信。

Fig.2 Block diagram of the device

波長(zhǎng)700nm～900nm的光對(duì)組織具有良好的穿透性，此波段下組織中的主要吸光物質(zhì)為HB和HBO2，背景吸收干擾最小。如圖3所示，在750nm 處和850nm處HB與HBO2的消光系數(shù)相差最大，因此選取750nm和850nm的光作為系統(tǒng)光源。為減小誤差，使用集成雙波長(zhǎng)(750nm，850nm)發(fā)光二極管作為光源，共陽(yáng)極設(shè)計(jì)。以ULN2003APG芯片為核心建立LED驅(qū)動(dòng)電路，LED陰極連接可調(diào)變阻器調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)。光電探測(cè)器放置在距離光源同側(cè)10mm和20mm處[16]。

Fig.3 The extinction coefficients of HB and HBO2in the near infrared band(700nm～900nm)

選用ADI公司的AD626芯片作為運(yùn)算放大模塊，將光電探測(cè)器接收到的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成與漫散射光強(qiáng)呈正比的電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，使電路穩(wěn)定的同時(shí)具有較高的信噪比。為保證兩路探測(cè)器的信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行、提高測(cè)量精度和轉(zhuǎn)換速度，選用ADI公司的AD7060芯片搭載外圍電路作為本系統(tǒng)的ADC轉(zhuǎn)換模塊，該芯片擁有16位ADC轉(zhuǎn)換，8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)，具有精度高、同步性好、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。

目前國(guó)內(nèi)外I-V轉(zhuǎn)換大都通過(guò)運(yùn)算放大器的外接電阻進(jìn)行，本文中提出一種I-V轉(zhuǎn)換思路：由于光電探測(cè)器可以理想化成一個(gè)恒流源與定值電阻的并聯(lián)，為簡(jiǎn)化電路，在芯片外圍電路中不跨阻，利用光電探測(cè)器內(nèi)阻完成I-V轉(zhuǎn)換。為驗(yàn)證兩種方案測(cè)得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別將兩種運(yùn)算放大模塊接入系統(tǒng)，記錄遠(yuǎn)近探測(cè)器探測(cè)到的值，比較兩種設(shè)計(jì)方案下遠(yuǎn)近探測(cè)器采集到的信號(hào)大小的比值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

Fig.4 Ratio of light intensity received by near and far detectors with and without 1kΩ resistance

a—cross 1kΩ resistance b—non span resistance

圖4中的數(shù)據(jù)表明，基于兩種不同的電路設(shè)計(jì)方案，不同位置的光電探測(cè)器采集到數(shù)值的比值基本相同。實(shí)驗(yàn)表明，跨1kΩ電阻電路和利用光電探測(cè)器的內(nèi)阻電路雖然輸入電壓不同，但放大倍數(shù)相同，輸出的電壓值均有良好的線性度，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有影響。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)接收選用NI公司LabVIEW編寫(xiě)軟件接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字濾波、運(yùn)算并把結(jié)果以波形圖的形式顯示在界面中，程序如圖5所示。將光電探測(cè)器接收到的4路光強(qiáng)獨(dú)立顯示，以便監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)變化。計(jì)算得到的RrSO2也以單獨(dú)界面顯示，做到連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者血氧參量變化情況。

Fig.5 Diagram of LabVIEW

3 結(jié)果與分析

對(duì)受試者進(jìn)行了前臂rSO2測(cè)量驗(yàn)證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于該領(lǐng)域還沒(méi)有公認(rèn)的組織氧飽和度黃金標(biāo)準(zhǔn)[17]，確定受試者身體健康狀態(tài)良好的前提下進(jìn)行測(cè)試，比對(duì)不同受試者之間的數(shù)據(jù)確定健康標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)3名受試者進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，判斷不同個(gè)體之間差異。皮瓣內(nèi)血管栓塞的發(fā)生情況可以通過(guò)前臂靜脈阻斷模擬。為了能夠無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)人體皮膚內(nèi)的血氧輸運(yùn)情況，利用袖帶血壓計(jì)在上臂施加一定的壓力實(shí)現(xiàn)靜脈阻斷，從而測(cè)量前臂皮膚內(nèi)的血氧變化情況。

為保證受試者測(cè)試時(shí)身體狀態(tài)平穩(wěn)，讓受試對(duì)象在測(cè)試前放松10min，呼吸均勻、情緒穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試?？紤]到探測(cè)器與人體皮膚接觸和光源自身發(fā)熱導(dǎo)致受測(cè)組織局部溫度上升，使得微血管內(nèi)血液流速和血細(xì)胞的聚集狀態(tài)發(fā)生改變影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性[18]。因此，受試者的測(cè)量時(shí)間大于3min，等數(shù)值穩(wěn)定后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)受試者們集中測(cè)試，測(cè)試部位選擇受試者的左前臂內(nèi)側(cè)、左前臂外側(cè)、右前臂內(nèi)側(cè)、右前臂外側(cè)。部分結(jié)果如表1和圖6所示。數(shù)據(jù)表明不同個(gè)體、不同部位之間組織氧飽和度存在微小差異，幅度在0.05左右,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性,這是因?yàn)椴煌軠y(cè)者之間血管分布、脂肪厚度不同造成結(jié)果差異，符合客觀事實(shí)。

Table 1 Measurement value of tissue oxygen saturation

Fig.6 Long-term monitoring of three subjects

a—long-term monitoring map of the first subject b—long-term monitoring map of the second subject c—long-term monitoring map of the third subject

Fig.7 Changes of tissue oxygen in venous occlusion experiment(female)

對(duì)受試者進(jìn)行靜脈阻斷實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬皮瓣血管栓塞[19]，阻斷壓力相同，阻斷時(shí)間3min，測(cè)量結(jié)果如圖7、圖8所示。靜脈阻斷時(shí)，由于靜脈回流受阻，CHBO2,CHB和血容積都迅速增加，此時(shí)手臂呈紫紅色。一段時(shí)間后血液充盈減緩直至消失，此時(shí)rSO2才會(huì)隨著皮膚耗氧開(kāi)始緩慢減少。解除阻斷后，由于血液循環(huán)恢復(fù)，rSO2快速回升并有過(guò)沖現(xiàn)象[20]，之后逐步穩(wěn)定到測(cè)量前的值。

Fig.8 Changes of tissue oxygen in venous occlusion experiment(male)

4 結(jié) 論

由于臨床術(shù)后護(hù)理大多依據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)判斷皮瓣恢復(fù)情況，缺乏客觀依據(jù)，基于近紅外光譜技術(shù)，推導(dǎo)出雙光源雙探測(cè)器的測(cè)量算法并搭建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和靜脈阻斷模擬皮瓣栓塞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，在靜脈阻斷下近紅外光譜檢測(cè)結(jié)果發(fā)生了顯著改變，具有較高靈敏度，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)組織氧飽和度變化趨勢(shì)，反映創(chuàng)面血液運(yùn)輸狀況，為病人術(shù)后皮瓣血管的愈合程度提供客觀依據(jù)。對(duì)輔助醫(yī)生判斷病人術(shù)后皮瓣存活狀況有重要參考意義。