无创检测肝储备功能的脉搏色素密度法

刘光达，黄敬涛，卢蒙蒙，张晓枫，辛桂杰，金晟来

（1.吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130061；2.吉林大学 白求恩第一医院，长春 130021）

作为威胁人类健康的重大疾病，肝病的诊断及其治疗方法一直是临床医学的研究重点［1］。其中，反映肝脏细胞功能潜力大小的肝脏储备功能，是衡量肝脏细胞活性和健康度的重要指标。准确评估肝储备功能参数，确定肝切除的手术范围，可以有效降低手术的风险性，减小术后并发症的发生概率［2］。当前，基于吲哚氰绿（Indocyanine green，ICG）指示剂进行浓度稀释和排泄试验的色素浓度法是国内外进行临床肝储备功能检查的主要技术手段［3-5］。常规ICG色素浓度测量是通过定时采集动脉血进行分光光度分析来实现的。在ICG注射前及注射后的5、10和15min，共需进行4次采血，利用血凝机对血浆进行分离，再进行光谱比色测量，最后得到相应时刻的ICG浓度。由于操作过程复杂，需手工绘制色素浓度衰减曲线所导致的测量时间长和测量精度低以及医务人员易被感染等问题，目前很难在临床的常规检查中得到普及应用［6］。

针对以上问题，为实现无创和连续的肝储备功能检测，本文研究了一种针对ICG色素密度谱的脉搏分光光度测量理论与方法，并研制出实用化的肝脏储备功能分析系统。通过与采血的分光光度法对比，其检测肝储备功能参数的平均相对误差小于5%，可以满足医学临床的使用要求。

1 脉搏色素密度法的测量原理与系统实现

ICG经静脉注入血液后能迅速与血浆蛋白结合，随动脉血分布全身。由于只被肝细胞吸收并排泄至胆汁中，通过测量动脉血中的ICG浓度变化，可以进行ICG血浆消失率K和15min滞留率R15等肝脏储备功能参数的检查［7-8］。在医学临床上，对这两项肝储备功能参数的检测标准规定为：肝功能正常者，其ICG血浆消失率的测定范围应在0.158～0.232min之间，而15min滞留率应小于10%［9］。

在实际操作中，首先将ICG色素经静脉注入，然后连续测量动脉血中的色素浓度值，得到ICG色素浓度的时间变化曲线。为方便进行参数计算，将15min时间里测得的ICG色素浓度值取对数，形成半对数坐标的变化曲线，如图1（b）所示。该曲线直接反映了肝脏对ICG色素的排泄速度。

ICG血浆消失率K定义为动脉血中每分钟时间里色素浓度的衰减量，而15min滞留率R15则表示经静脉注入ICG后的15min时间里，动脉血中尚余留的色素含量。在此意义下，这两个参数反映的是肝脏的功能性排泄能力。它们的数学表达式分别为

式中：C15为注入色素后在15min时的血浆ICG浓度值；C0为初始的血浆ICG浓度值。

为了补偿色素注入时刻至检测点之间的时间延迟，将色素注入时刻到第一循环曲线的重心时间定义为平均循环时间（Mean transit time，MTT），作为色素被肝吸收的开始时刻，如图1（a）所示。选取ICG排泄曲线外插回归直线在MTT时刻的数值作为初始浓度值C0。

图2是动脉血中ICG色素、氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb这三种吸光物质的光谱特性曲线。从中看到，ICG在805nm波长具有峰值吸光系数，在940nm波长的吸光系数近似为0。其他两种物质在805nm波长时还原血红蛋白RHb和氧合血红蛋白O2Hb具有相同的吸光系数，而在940nm波长时O2Hb的吸光系数略大于RHb。综合考虑，本文选择940nm和805nm波长作为两路脉搏波信号的测量光源。

图1 ICG色素的稀释和排泄循环曲线Fig.1 Dilution and clearance curves of ICG

图2 ICG色素、O2Hb和RHb的光谱特性曲线Fig.2 Absorption spectra of ICG，oxygenated hemoglobin O2Hb and reduced hemoglobin RHb

根据朗伯－比尔定律（Lambert－Beer’Law），当入射光束穿过手指时，受吸光物质的作用，透射光强和入射光强的数学关系可以表示为

式中：I0为入射光强；I为透射光强；C是吸光物质的浓度；L为入射光穿过手指的光程长度；K为吸光系数。

由于动脉血液中含有多种吸光物质，在940 nm和805nm两个波长点，式（3）可以进一步表示为

式中：CRHb为还原血红蛋白浓度；CO2Hb为氧合血红蛋白浓度；COrg为人体其他成分，包括血液中的水分、骨骼、肌肉和脂肪等的总浓度；CICG为ICG色素浓度。此外，为清楚起见，吸光系数K的上角标和下角标分别对应测量波长和吸光物质。

对式（4）和式（5）两边分别取对数，得到

将式（6）乘以一个系数ρ与式（7）相减，得到：

在测量过程中，血红蛋白成分和人体组织成分均不发生改变，所以m1和m2可视为常数。

进一步，构建时间序列y＝ln（I940）×ρln（I805），定义其每项的平方和为序列y的能量。

当m1≠0时，存在一个常数ρ，满足m1×ρm2＝0，使序列y的能量取得最小值。此时式（8）中与CRHb、CO2Hb以及COrg有关的分量被抵消掉，只保留了与CICG有关的分量。将ρ记为ρ1，则式（8）可以表示为

式中：I805和I940作为系统采集的双波长脉搏波数据，是可测定的时间序列。

在任意时刻，ICG浓度值可以表示为

式中：t为测量周期内的采样时刻。

以CICG（15）和CICG（0）分别表示15min和初始时刻的ICG浓度值，那么ICG的15min滞留率R15为

将式（11）代入式（2）就可以计算得到血浆消失率K的数值。在具体计算过程中，ρ以0.9作为初值，1.1为计算终值，按0.005为步进单位，对所构建的时间序列y进行迭代计算，求得其最小值。在图3给出的典型能量曲线中，序列y能量最小值所对应的ρ1值为1.02。

需要说明的是，在实际计算中，对于ρ的取值范围和步进单位，可以根据不同人的血流灌注情况进行调整。

图4是依据上述原理实际测得的一组脉搏波信号，以及计算得到的ICG相对浓度曲线。图4（a）（b）的波形幅度与物质吸光度成反比关系，即透射光强与吸光物质浓度成反比。图4（c）所示波形幅度只与ICG浓度有关。

图3 与ρ值对应的y序列能量曲线Fig.3 Relation curve of energy of ysequence withρ

图4 实测信号和计算得到的ICG相对浓度曲线Fig.4 Measured signal ＆computed ICG relative concentration curves

2 试验测试

2.1 试验仪器

图5是自主研制的基于脉搏色素密度法的肝脏储备功能分析系统，图6是该系统的结构框图，包括以下单元模块：①光电传感器。中心波长为805nm和940nm的双波长光电指夹式传感器。②光源驱动电路。以相位差为180°的两路倒相方波信号分时驱动发光管，产生测量光源。③信号分离电路。将940nm和805nm波长的混合信号进行分离，得到独立的透射光强信号。④信号调理和A／D转换电路。对脉搏波信号进行滤波、放大，以及模－数转换后，提供给微处理器进行参数分析和计算。⑤微处理器。作为整个测量系统的核心，控制各功能模块，使之有序工作。

图5 自主研制的肝脏储备功能分析系统Fig.5 Developed hepatic functional reserves analysis system

图6 肝脏储备功能分析系统结构框图Fig.6 Block diagram of hepatic functional reserves analysis system

该系统以200Hz的采样率从患者手指端提取脉搏波信号后，既可以存储在测量系统的数据存储模块中，也可以通过串口发送至上位机中。

2.2 试验流程

选择吉林大学第一临床医院的7位患者作为测试对象，分别患有肝功能不全和肝硬化等急慢性肝病，年龄为43～69岁。试验用色素采用辽宁丹东医创药业有限公司生产的注射用吲哚氰绿试剂（25mg／支）。

（1）患者至少空腹4h以上，排空。

（2）将ICG色素稀释成5mg／mL的溶液，反复抽吸、推注。

（3）开启肝脏储备功能分析系统，右手食指接入光电指夹传感器，同时在右桡动脉采集血样3 mL。

（4）检测开始，按50mg／kg的ICG注入量自左侧肘静脉处5s内注入ICG溶液，由肝储备功能分析系统在20min时间里同步记录双波长脉搏波信号，并自动计算R15和K值。

（5）在注药后的5、10和15min对右桡动脉分别进行3次采血，每次采集血样3mL。

（6）对4次采集到的动脉血样利用血凝机进行血浆分离后，再进行光谱比色测量，得到相应时刻的ICG浓度。

（7）利用SPSS v19.0统计分析软件，将肝储备功能参数R15和K值的测量结果与采血法对比，进行相关性分析和相对误差计算。

2.3 试验结果分析

表1是对于该组患者的肝储备功能参数K值和R15值，同时采用脉搏分光光度法和采血光谱比色法进行测量的结果对比。

表1 两种方法的K值和R15值的测量结果对比Table 1 Kand R15values with the two methods

作为传统测量技术手段的采血光谱比色法，目前被临床医生普遍认可为肝储备功能检测的“金标准”［8］。本文利用SPSS统计分析软件对脉搏法和采血法的测量结果进行了对比分析。由图7所示的相关性曲线看到，将用脉搏法测得的K值和R15值与采血法的相应值相比，平均相对误差分别为3.63%和4.94%，其测量精度完全能够满足临床的使用要求［10］。

图7 两种方法的测量结果对比Fig.7 Contrast of the results measured by this method and blood sampling method

3 结束语

研究了无创和连续检测肝储备功能的脉搏色素密度法及其实现系统。利用940nm和805nm的双波长光源同步采集脉搏波信号，通过分析动脉血中色素浓度的时间变化率，计算得到血浆消失率K和15min滞留率R15等肝储备功能参数。本文研究的脉搏色素密度法以及开发的肝储备功能分析系统，实现了对于肝储备功能参数的连续和无创测量，可以为临床的肝切除手术提供准确的肝储备功能评价结果。

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