基于近红外光的消化道组织水肿状态识别方法的研究*

王勇，周宇，仓学习，符腾，张宽，谢延媛，宋成利

(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)

1 引 言

消化道重建是胃肠道手术最重要的步骤之一，消化道重建的方法包括手工吻合和机械吻合；手工吻合即手工缝合，相比于传统的手工缝合，基于各类吻合器的机械吻合，可以有效地缩短手术时间和患者的术后恢复时间，降低手术并发症的发生率，但依然无法避免吻合口瘘的发生[1-4]。

吻合口瘘是胃肠外科手术最严重的并发症，会导致腹膜炎、形成脓疮；如果处理不善，会进一步引起脓毒病、多器官衰竭甚至死亡；即使得到了妥善处理，患者的住院时间也会延长[5-6]。研究表明，器械对组织的作用不当是引起吻合口瘘的主要原因。因此，正确地选择吻合钉和使用吻合器，对于获得理想的吻合效果至关重要[3-8]。其中比较关键的一点是：医生会选择避开水肿组织进行吻合，其原因是：在水肿部位进行吻合时，吻合钉的型号选择要较正常情况偏小，如果选用了型号偏大的吻合钉，会导致吻合口处水肿消散之后吻合不紧密，引发吻合口漏等问题。现阶段医生都是通过肉眼观察对水肿组织进行判断，缺乏客观的数据支持，用肉眼难以准确地分辨组织的水肿程度，这会使得医生难以准确地选取合适的吻合钉[9]。总体来说，不适合使用吻合器对水肿组织进行吻合，吻合并发症发生率较高。

目前，基于水对近红外光的吸收原理，已有一些应用近红外光对水肿组织进行检测的研究：Tsai使用近红外光谱作为一种无创的检测方法，用于检测水肿皮肤近红外反射率的变化，相对于可见光的反射率，皮肤组织成分的变化对近红外光的反射率更敏感，得出了可以用该特性来检测皮肤组织水肿状态的微小变化的结论[10]；Johnson进行了两种模型的脑水肿实验，以确定微分近红外光谱作为一种实时，低成本和无创性监测脑水肿的方法的有效性，展示了特定波长的光和水含量之间有密切关系，表明了微分近红外光谱可以作为临床和实验设备上监测表面脑水肿的一个准确有用的技术[11]；刘兴提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法，对大鼠脑水肿的程度进行无创监测，并对大鼠实验数据结果进行了分析，分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系，表明了近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测[12]；刘玉冰采用Monte-Carlo方法对脑组织光学模型进行仿真，发现了组织表面的光通量与脑组织吸收系数呈负相关,与脑组织约化散射系数呈正相关，表明了组织表面的光通量值与脑脊液含量和脑实质光学特性具有显著相关[13]。

迄今为止的研究表明，近红外光技术可应用于某些水肿组织的检测，但尚无应用近红外光技术进行消化道水肿组织的检测研究，也未涉及到如何使用近红外光技术来对不同水肿程度的组织进行识别。近红外光的透光量与组织的水肿程度和组织的厚度这两个因素有关，两个组织的水肿程度相同时，厚度差异会导致近红外光的透光量不同；而两个组织的厚度一致时，不同的水肿程度将导致近红外光的透光量不同。水肿程度越严重，组织单位体积的含水量会越高，因此，本研究拟使用单位厚度组织对近红外光的透光量作为检测指标，以对处在不同水肿程度中的消化道组织进行识别。

2 材料和方法

2.1 实验材料

本研究选用新鲜的猪小肠作为实验材料。在屠宰场从刚被处死的猪体内获取，保存于温度在0～4℃之间的保温箱内，在2 h以内带回实验室。首先配置三种不同浓度的盐水；然后将猪小肠剪成若干段，每段长度为2～3 cm，随机放入配制好的0.3%、0.6%、0.9%浓度的盐水中，浸泡5 min后得到三组不同水肿程度的小肠样本，每组小肠样本数量为10。A组代表0.3%浓度的盐水浸泡过的小肠样本，水肿程度最高；B组代表0.6%浓度的盐水浸泡过的小肠样本，水肿程度适中；C组代表0.9%浓度的盐水浸泡过的小肠样本，水肿程度最低。

2.2 实验系统

本研究中所用到的实验系统包括：电动实验平台、近红外光发射与接收系统，见图1(a)。

2.2.1电动实验平台 电动实验平台主要由人机界面、移动臂、压力传感器、伺服电机系统、电源和调理电路模块组成。人机界面可以设置对组织施加的压力；压力传感器可以检测组织所受压力；伺服电机系统能够非常精确地控制移动臂的行进距离，精度可达0.01 mm，而且可以准确的测量组织的厚度，并在人机界面显示。

2.2.2近红外光发射与接收系统 液态水的吸收光谱图见图2[14]。水在近红外线波段有两个吸收峰，分别在1 600 nm处和2 000 nm处；由于1 600 nm处和2 000 nm处水对近红外光的吸收量较多，会影响实验测量精度，因此，选用1 300 nm作为近红外光检测波长。

近红外光发射与接收系统由近红外发光二极管LED1300E(Thorlabs，New Jersey，USA)和光敏二极管IGA-020(搏盛科技有限公司，武汉，中国)(见图1(b))、AFE4490评估板(Texas Instruments，Texas，USA)(见图1(c))、PC机组成。在PC机上通过AFE4490所配套的GUI(graphical user interface，GUI)界面可以调节近红外发光二极管的驱动电流，AFE4490评估板能够将光敏二极管接收到的近红外光与环境光进行区分，并在GUI中进行显示。

图1实验系统图

(a).实验系统，(b).近红外LED和光敏二极管，(c).AFE4490评估板

Fig1Experimentsystem

图2液态水的吸收光谱图

Fig2Absorptionspectrumofwater

2.3 实验方法

分别在1、2、4 g/mm2三种压强下使用近红外发光二极管发出的近红外光在底层照射小肠组织，部分近红外光被组织中的水分吸收，另一部分近红外光发生透射，在顶层用光敏二极管接收穿透过组织的近红外光；由于底层近红外光发光二极管所发出的光强是恒定的，因此，顶层光敏二极管所接收到的近红外光可表征组织对近红外光的透光程度：所接收到的近红外光越强，透光程度越大。光敏二极管所接收到的近红外光转换为电压V，电动实验平台自动测量组织的厚度为H，L=V/H代表单位厚度组织对近红外光的透光量。L越大说明组织水肿程度越小。图3为近红外光照射原理图。

2.4 实验流程

实验时，在近红外发光二极管上平铺一层透光板，将小肠组织平铺在透光板上，覆盖整个近红外发光二极管，通过人机界面设置好压强后，控制伺服电机系统对小肠组织进行施压，当达到预设值后电机会停止转动，并蜂鸣一声来提醒已经达到预设值，此时记录人机界面上所显示的组织厚度值，并通过PC端的GUI界面来读取光敏二极管接收到的总光强减去环境光强之后的近红外光强值V，通过L=V/H便可计算出单位厚度组织对近红外光的透光量。

图3近红外光照射原理图

Fig3Schematicoftransmissionwithnearinfraredlight

2.5 数据分析

显著性分析：本研究采用独立样本T检验方式进行显著性分析，使用IBM公司的SPSS分析软件，在不同压强下对A、B、C三组样本的单位厚度组织对近红外光的透光量L进行独立样本T 检验，得到其差异的显著性，P<0.05被认为具有显著性差异。

3 结果与讨论

3.1 近红外光透光量分析

对测量数据进行整理与分析，绘制A、B、C三组实验数据在三种压强下的误差柱形图，见图4，其中A代表0.3%浓度的盐水浸泡过的小肠样本；B代表0.6%浓度的盐水浸泡过的小肠样本；C代表0.9%浓度的盐水浸泡过的小肠样本；L代表近红外光的透光量(转换为电压)与组织厚度的比值；P代表组织所受压强。可以看出从A组到C组的L值依次升高，说明水肿程度严重的单位厚度组织对近红外光的透光量少。

图4透光量分析结果图

(a). 1 g/mm2压强下单位厚度组织对近红外光的透光量分析结果图；

(b). 2 g/mm2压强下单位厚度组织对近红外光的透光量分析结果图；

(c). 4 g/mm2压强下单位厚度组织对近红外光的透光量分析结果图；

Fig4AnalysisresultfortransmissionofNIRlightthroughtissue

3.2 显著性分析

通过IBM公司的SPSS软件，在不同压强下对A、B、C三组样本的单位厚度组织对近红外光的透光量L进行独立样本T检验，分析结果见表1。

表1单位厚度组织对近红外光的透光量显著性分析结果图

Table1ResultsofsignificantanalysisfortransmissionofNIRlightthroughtissuewithunitthickness

A组和B组B组和C组A组和C组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说明两组之间存在显著性差异

4 讨论

图4展示了组织水肿程度与单位厚度组织对近红外光的透光量之间的关系，可以看出同一压强下随着组织水肿程度的降低，单位厚度组织对近红外光的透光量L变大，说明组织水肿程度越严重，光敏二极管接收到的近红外光量减少；而相同水肿状态的组织在不同压强下，单位厚度组织对近红外光的透光量L随着压强的增加而增加，说明随着压强的逐渐升高，组织内被排出的水分也逐渐变多，组织厚度变薄，导致单位厚度组织对近红外光的透光量L变大。表1列出了不同水肿状态的单位厚度组织对近红外光的透光量L在三种不同压强下的显著性差异分析结果，可以看出在1 g/mm2压强下，三组数据两两之间都存在显著性差异，但当压强达到2 g/mm2和4 g/mm2时，只有水肿程度最严重的A组和其他两组之间存在显著性差异，而B组和C组不存在显著性差异，可能随着组织所受压强的升高，组织内过多的水分被排出，使得不同水肿状态下的组织单位体积内的含水量差别缩小，穿透过组织的近红外光量差别缩小，从而导致数据之间不存在显著性差异，这种现象在低水肿程度的组织中表现的更为明显。可以推测，如果增加压强，或者延长压榨时间，水肿程度严重的组织受到压榨而排出水分的趋势可能将更加明显，有可能也会出现差异不显著的情况。因此，对于水肿程度越严重的组织进行吻合时，应当适当增加压榨强度、延长压榨时间。

5 结论

本研究初步探索了不同水肿状态的消化道组织对于近红外光的吸收情况，水肿程度越严重的组织，其单位体积内的含水量越多，对于近红外光的吸收量也越多，使得单位厚度组织对近红外光的透光量越少，在适当的压强下，通过对单位厚度组织对近红外光的透光量进行测量和分析，可以识别出不同水肿状态的组织。未来的研究将对实验系统进行改进，细化实验参数，同时开展动物实验，活体实验时近红外检测技术依然适用，但需要对器械进行改进，首先需要将设备体积改小，将近红外发光二级股和光敏二极管固定到吻合器钳口的两端，通过导线将测量信号传输到GUI，最大限度的减小设备体积，方便测量；其次是添加防水功能，防止组织液或血液等液体进入到设备当中，影响测量精度；最终目标是能够快速准确地识别组织水肿状态，从而可以为医生提供客观的数据支持，为相关的器械研制提供研究基础。