《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于色素譜吸收原理的肝儲備功能無創(chuàng)測量系統(tǒng)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
戰(zhàn)蔭澤1，秦 穎1，張 晶1,，蔡 靖2，戴 強(qiáng)2,，劉莉莉3
1.長春理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，吉林 長春130012,； 2.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,，吉林 長春130012； 3.吉林大學(xué)第一醫(yī)院，吉林 長春130026
摘要： 肝病一直是我國高發(fā)疾病,，肝儲備功能是肝病診治中重要的生理參數(shù),，醫(yī)院傳統(tǒng)方法采用采血比色法進(jìn)行肝儲備功能測量。利用吲哚氰綠ICG色素指示劑對805 nm波長光的吸光效應(yīng),患者注射ICG色素,，分別采集0 min,、5 min、10 min,、15 min的血液樣本,，通過比色測量，繪制ICG濃度代謝曲線,，測量肝儲備功能,。為了避免采血法對測量結(jié)果和病人的不良影響，提出基于色素譜吸收原理的無創(chuàng)肝儲備功能測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。實(shí)驗(yàn)證明,，利用805 nm和940 nm敏感波長以及吲哚氰綠ICG色素吸光特性，能較好地實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)肝儲備功能測量,。
中圖分類號： TP371.76
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)06-0059-03
A method of non-invasive liver reserve function measurement based on pigment spectra absorption principle
Zhan Yinze1,，Qin Ying1，Zhang Jing1,，Cai Jing2,，Dai Qiang2，Liu Lili3
1.College of Optical and Electronical Information,，Changchun University of Science and Technology,，Changchun 130012，China,； 2.College of Instrumentation & Electrical Engineering,，Jilin University，Changchun 130012,，China,； 3.The First Bethune Hospital of Jilin University，Changchun 130026,，China
Abstract： Liver disease has been the high incidence of disease in China,，liver reserve function is an important physiological parameters in diagnosis and treatment of liver disease. Using blood colorimetric method to measure liver reserve function traditionally in hospital，by indocyanine green ICG absorbing effect of 805 nm light. Patient is injected with ICG and drawed blood to measure ICG concentration in 0 minute,、5 minutes、10 minutes and 15 minutes,，achieve liver reserve function by plotting the ICG metabolism curve . In order to avoid the adverse effects of traditional liver reserve function measurement to the measurement results precision and patients health,，put forward the design scheme of non-invasive liver reserve function measurement system based on pigment spectra absorption light principle. Experiment result：by 805 nm、940 nm spectrum properties and indocyanine green ICG dye absorption light property to achieve non-invasive measurement of liver reserve function.
Key words : liver reserve function；pigment spectra absorption light principle,；non-invasive measurement,；indocyanine green

   

0 引言

    肝臟是人體消化系統(tǒng)中最大的消化腺，是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞去氧化,、儲存肝糖,、蛋白質(zhì)合成、微循環(huán)解毒以及新陳代謝的重要器官,。肝儲備功能是肝臟全體細(xì)胞儲備功能的總和,，是肝儲備的人體生理活動能力的概括。在臨床治療上,，肝儲備功能的評價(jià)具有重要意義,，是肝臟內(nèi)、外科術(shù)前臨床診斷,、術(shù)后恢復(fù)治療的重要參考指標(biāo),。當(dāng)前肝儲備功能的測量主要是通過結(jié)合吲哚氰綠ICG(Indocyanine Green)染色劑的采血分光光度比色法有創(chuàng)檢測實(shí)現(xiàn)的[1]。

    為了避免采血法對病人身體健康的影響,，本文提出基于色素譜吸收光譜測量原理的無創(chuàng)肝儲備功能測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，以解決該問題。

1 比色法肝儲備功能檢測方法

    臨床上主要應(yīng)用吲哚氰綠ICG實(shí)現(xiàn)肝臟滯留試驗(yàn)和清除試驗(yàn),?；颊哽o脈注射后，吲哚氰綠ICG色素迅速與血漿白蛋白,、球蛋白等蛋白質(zhì)結(jié)合,，在血液循環(huán)中快速由肝臟攝取后排泄到膽汁，吲哚氰ICG綠色素在體內(nèi)無代謝產(chǎn)物,，無殘留,。臨床上通過采血比色法，動脈采血檢測固定時(shí)間點(diǎn)ICG色素濃度,，獲得代謝曲線,，實(shí)現(xiàn)檢測肝儲備功能[2]。

    采血比色法要求患者在空腹的情況下,，按照5 mg/ml濃度,，每公斤體重相當(dāng)于0.5 mg的ICG溶液的標(biāo)準(zhǔn)，靜脈注射[3],。在ICG注射后的0 min,、5 min、10 min和15 min分別進(jìn)行4次動脈采血,，利用血凝機(jī)對4次血樣分離,，再通過805 nm波長的光譜比色分析，得到對應(yīng)4個(gè)時(shí)刻的ICG染色劑濃度值，將該濃度值以橫坐標(biāo)時(shí)間軸,、縱坐標(biāo)半對數(shù)的形式記錄下來,，算出半程衰減時(shí)間T1/2，即可以測量血漿清除率K和15 min滯留率R15的參數(shù)[4],，實(shí)現(xiàn)測量肝儲備功能,。血漿清除率和15 min滯留率計(jì)算公式如下：

    ck2-gs1.gif

    C0為ICG色素注射初始濃度，C15為ICG色素注射后15 min時(shí)刻的濃度,。

    采血比色法有創(chuàng)測量肝儲備功能,，測量時(shí)間長、過程復(fù)雜,，影響測量結(jié)果精度,。此外，有創(chuàng)測量也給患者身體帶來較大的不適[5-6],。

2 無創(chuàng)肝儲備功能檢測方法

    由朗伯—比爾定律物質(zhì)的吸光特性理論可知,，對動脈血液，通過特定波長λ1和λ2進(jìn)行光譜吸收測量,，可獲得動脈血液中兩種吸光物質(zhì)的濃度比值,，在知道其中一種物質(zhì)濃度的前提下，可以測得另外一種物質(zhì)的濃度,。

    人體血紅蛋白成分主要由氧合血紅蛋白O2Hb和還原血紅蛋白RHb組成,。動脈血液中氧合血紅蛋白比例占血紅蛋白總量的90%以上。實(shí)際測試中通常忽略還原血紅蛋白影響,，選取血液中血紅蛋白Hb和吲哚氰綠ICG色素作為關(guān)聯(lián)檢測物質(zhì),，用氧合血紅蛋白濃度代替血紅蛋白濃度，測量吲哚氰綠色素ICG代謝濃度[5],。氧合血紅蛋白,、還原血紅蛋白和吲哚氰綠色素吸收光譜如圖1所示。

ck2-t1.gif

    由圖1可知,，805 nm處吲哚氰綠ICG色素吸光能力最強(qiáng),，940 nm處氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白吸收差異性較小，在忽略還原血紅蛋白影響的前提下,，選擇805 nm和940 nm波長作為測量入射光,。朗伯—比爾定律ck2-gs2.gifε0為吸光系數(shù)，C0待測物質(zhì)濃度,，L0光程,。由其可知，當(dāng)一束平行光照射到手指末端,，透射光分為動脈血吸收后的脈動的交流成分AC和被脂肪,、骨骼等成分吸收后的不變的直流成分DC,，交流成分AC中含有動脈血中物質(zhì)的吸光信息,，有：

ck2-gs3.gif

    只需臨床上測量出血紅蛋白濃度CHb,，即可求出吲哚氰綠ICG色素濃度，由吲哚氰綠濃度代謝曲線,，即可得出血漿清除率K和15 min滯留率R15,，從而獲得肝儲備功能[7]。

3 肝儲備功能測量系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)組成

    肝儲備功能測量系統(tǒng)主要由光電指夾,、光源驅(qū)動單元,、微處理器單元、光電轉(zhuǎn)換單元,、信號調(diào)理單元,、SD卡本地儲存單元和藍(lán)牙通信模塊組成。

    微處理器分時(shí)操作805 nm,、940 nm兩路光源亮滅,，光電轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)信號調(diào)理電路交直流分離,、濾波,、放大、整形后送給AD模數(shù)轉(zhuǎn)換,，微控制器將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)本地存儲并與外部設(shè)備藍(lán)牙通信,。

3.2 光電脈搏波信號處理

    患者注射ICG色素后，光電指夾檢測到兩路光電容積脈搏波信號PPG(Photo Plethysmo Graphy),，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換,、信號調(diào)理后，光電指夾輸出的805 nm和940 nm的光電容積脈搏波信號如圖2所示,。

ck2-t2.gif

    系統(tǒng)接收到的光電容積脈搏波信號含有大量的基線漂移干擾,，主要源于人體運(yùn)動擾動、人體神經(jīng)運(yùn)動反射反應(yīng)和心臟泵血的脈動影響,，系統(tǒng)采用中值濾波算法消除基線漂移干擾,。

    在N長度數(shù)字序列中，選擇長度為n的序列Xn為一維模板窗口W(Nn),，模板窗口數(shù)據(jù)M由大到小排序,，取序列中值ck2-gs4.gif作為一點(diǎn)x數(shù)值，順次滑動模板窗口W(Nn),，重復(fù)排序取中值,，最終實(shí)現(xiàn)濾除基線漂移。

    805 nm,、940 nm光電容積脈搏波中值濾波后的波形如圖3所示,。

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4 實(shí)驗(yàn)分析

    利用醫(yī)院采血比色法與本系統(tǒng)進(jìn)行肝儲備功能測量對比,，測量者在清晨空腹靜臥的情況下，靜脈注射標(biāo)準(zhǔn)濃度ICG溶液,，注射后第0 min,、5 min、10 min,、15 min抽取血液,，進(jìn)行比色法ICG代謝濃度測量，獲得肝儲備功能參數(shù),，同時(shí),，利用本系統(tǒng)進(jìn)行肝儲備功能測量實(shí)驗(yàn)。

    系統(tǒng)測量獲得吲哚氰綠ICG色素代謝第一循環(huán)曲線和第二循環(huán)曲線如圖4,、圖5所示,。

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    隨機(jī)選取8名肝病內(nèi)科患者進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，年齡范圍45~67周歲,，由ICG代謝循環(huán)曲線得如表1所示血漿清除率K和15 min滯留率R15測量數(shù)據(jù),。

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    血漿清除率K平均誤差為0.049/min，15 min滯留率平均誤差為8.71%,，均符合臨床測試要求,。

5 結(jié)語

    采用色素譜分光光度法測量肝儲備功能，克服了傳統(tǒng)采血法測量的多次采血,、測量不精確以及易造成感染等缺點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)肝儲備功能測量。經(jīng)臨床對比知其平均誤差滿足臨床測量要求,。

參考文獻(xiàn)

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