基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法

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刘光达, 尚小虎, 魏星, 刘旸, 刘颂阳, 查雨彤. 基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(3): 727-731.
LIU Guang-da, SHANG Xiao-hu, WEI Xing, LIU Yang, LIU Song-yang, ZHA Yu-tong. Determination of Circulation Blood Volume by Modified Pulse Dye Densitometry[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(3): 727-731.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)03-0727-05 复制到剪切板

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《光谱学与光谱分析》期刊社所有

基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法

刘光达¹, 尚小虎¹, 魏星¹, 刘旸², 刘颂阳¹, 查雨彤^1,^*

1. 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 吉林长春 130061

2. 吉林大学临床医学院, 吉林长春 130021

*通讯联系人 e-mail: grace0918@126.com

作者简介: 刘光达, 1964年生, 吉林大学仪器科学与电气工程学院教授 e-mail: gdliu@jlu.edu.cn

收稿日期: 2017-03-27

基金: 国家“十二五”科技支撑计划(2015BAI02B04), 教育部博士学科点专项科研基金项目(20120061110092), 吉林省发改委省级产业创新专项资金项目(2016C052-2), 长春市科技创新重大专项(17YJ009)资助

摘要

循环血量(CBV)作为主要的血流动力学参数, 在心血管疾病的病情评估和手术监护中具有重要的临床应用价值。将吲哚菁绿色素(ICG)作为示踪剂的脉搏色素谱法, 通过建立ICG稀释排泄的色素谱曲线, 实现CBV的在体无创测量。在实际临床应用中, 由于受到血氧波动和环境背景光等干扰因素的影响, 脉搏色素谱法测量CBV的准确度低于预期值。为解决这一问题, 研究了一种基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法。具体操作是, 在患者的肘静脉处注入吲哚菁绿试剂, 利用光电传感器分别采集特征波长点的透射光谱信号和背景光电信号, 采用差分算法消除血氧波动和环境背景光的干扰影响, 建立准确的ICG色素谱曲线, 从而计算CBV等血流动力学参数。与¹³¹I同位素“金标准法”相比较的试验结果表明, 该研究提出的基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法, 将CBV测量的平均相对误差从6.85%降低为4.53%, 显著提高了其测量准确度。

关键词: 循环血量; 脉搏色素谱法; 吲哚菁绿; 血氧波动; 差分算法

中图分类号:TP274 文献标志码:A

Determination of Circulation Blood Volume by Modified Pulse Dye Densitometry

LIU Guang-da¹, SHANG Xiao-hu¹, WEI Xing¹, LIU Yang², LIU Song-yang¹, ZHA Yu-tong^1,^*

1. College of Instrument Science and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China

2. Clinical Hospital, Jilin University, Changchun 130021, China

Abstract

Circulating blood volume (CBV) is important for disease evaluation and operation monitoring of patients with cardiovascular and cerebrovascular diseases in clinical application as the main hemodynamic parameters. Indocyanine green (ICG) was used as a tracer in the pulse dye densitometry, and we detected CBV noninvasively in vivo by establishing the spectral curve of the diluted excreted ICG. In clinical application, the accuracy of CBV detected with pulse dye densitometry is lower than the expected value owing to the influences of blood oxygen fluctuation and background light. To solve the problem, this paper researched circulation blood volume detection by modified pulse dye densitometry. The specific process was as follows. We injected the ICG reagent into the vein in the elbow of patient, and collected the transmission spectrum signal and the background photoelectric signal respectively using the photoelectric sensor. Then we conducted differential operation on the collected data to eliminate the influences of blood oxygen fluctuation and background light and established an accurate ICG spectral curve. So CBV and other hemodynamic parameters could be calculated finally. The result of the comparative test among¹³¹I isotope method, the “gold standard”, and the proposed method indicated that the modified pulse dye densitometry reduced the average relative error of CBV detection from 6.85% to 4.53%, which improved the detection accuracy.

Keyword: Circulating blood volume (CBV); Pulse dye densitometry; Indocyanine green (ICG); Blood oxygen fluctuation; Difference algorithm

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引言

循环血量(circulating blood volume, CBV)是临床上评估血量状况的重要指标, 在心脑血管疾病患者病情评估与手术监护中具有重要的参考价值。循环血量的过度损耗可能导致组织缺血、酸中毒和全身炎症反应综合症^[1]。因此, 及时准确的CBV测量有着重要的实际意义。

当前测量CBV的金标准是¹³¹I同位素法。测量时, 向被测者注射5 μ Ci(微居里)¹³¹I与1 mL蒸馏水的混合液, 并在注射后的第10, 20, 30和45 min分别采血10 mL, 样本经γ 闪烁计数器检验3 min, 得到¹³¹I的衰减曲线, 从曲线中得到¹³¹I 完全与血液混合后的浓度值^{[2, 3]}。 CBV的值可表示为注射的¹³¹I浓度与血液完全混合后浓度的比值。由于¹³¹I在血流中的半衰期为8.1 d^[4], 且测量中需要多次采血, 因此该方法并不适用于重复性的测量。

1956年Fox等^[5]将吲哚菁绿(indocyanine green, ICG)色素成功地应用在心输出量和肝血流的检测中。 ICG色素因其对人体无毒害的特性而被广泛应用于临床药代动力学检测中, 经静脉注射20 min后可进行第二次测量^[6], 临床上常用来进行色素稀释与排泄试验。

1997年Iijima等^{[7, 8]}通过将近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIRS)和ICG色素结合提出了一种使用双波长测量ICG色素浓度的方法, 实现了CBV检测的无创、可重复测量; 2005年Nagano和2008年Aladangady等^{[9, 10]}先后结合脉搏色素光密度法和ICG色素, 进行了新生儿CBV检测的验证性实验; 2013年有研究以血氧值为100%的条件下进行了脉搏色素法测量心输出量的相关研究。 2016年张晓枫等^[11]将ICG色素作为药代动力学指示剂, 研究了血流动力学参数与ICG色素代谢的关系。上述研究方法没有考虑血氧波动和背景噪声等干扰, 导致CBV的测量准确度低于预期值。

本研究以近红外光谱技术和色素稀释理论为基础, 提出了一种基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法, 建立了计算动脉ICG色素谱的修正数学模型, 从修正后的ICG色素浓度曲线中计算CBV的值, 将本方法的测量结果与¹²I同位素“ 金标准法” 进行比较, 验证其准确性和可行性。

1 测量原理

1.1 NIRS测量动脉ICG浓度的原理

当特定波长的光从人体指端一侧照射时, 其透射光信号可由放置在另一侧的光电传感器接收获得, 且强度会随着脉搏的周期性跳动而发生周期性的变化。如图1所示, 光电脉搏的交流成分AC反映心脏有规律跳动引起的血管舒张与收缩导致透射光周期性的变化, 直流成分DC反映组织、骨骼和皮肤等厚度不变模型对入射光的吸收作用, 因脉搏跳动导致的吸光度变化量Δ A^λ可以表示为

$Δ A^{λ} = \frac{A c^{λ}}{D c^{λ}} = (ε_{I}^{λ} c_{I} + ε_{H}^{λ} c_{H}) Δ D (1)$

式(1)中 ${ε^{λ}}_{I}$ , ${ε^{λ}}_{H}$ , c_I和c_H分别表示ICG色素和血红蛋白Hb在波长λ 下的吸光系数及在血液中的浓度, Δ D表示入射光透过手指时的光程变化量。

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	图1 光电脉搏波示意图Fig.1 Photoelectric pulse wave diagram

动脉血氧饱和度(SaO₂)定义为人体动脉血管中血氧的含量, 反映血液的携氧能力, 见式(2)。即

$Sa O_{2} = \frac{c_{O_{2} Hb}}{c_{O_{2} Hb} + c_{RHb}} \times 100 % (2)$

血红蛋白Hb在波长为λ 下的吸光系数可以表示为

$ε_{Hb}^{λ} = Sa O_{2} ε_{O_{2} Hb}^{λ} + (1 - Sa O_{2}) ε_{RHb}^{λ} (3)$

式(3)中 ${ε^{λ}}_{O_{2} Hb}$ , ${ε^{λ}}_{RHb}$ , $c_{O_{2} Hb}$ , c_RHb分别表示在波长λ 下氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin, O₂Hb)和还原血红蛋白(reduced hemoglobin, RHb)的吸光系数以及在血液中的浓度。

如图2所示^[12], ICG在805 nm处对光的吸收性质最强, 在940 nm处的吸光系数为零, 因此选择波长为805和940 nm的双波长LED光源分时照射指端, 当分时间隔足够小时可认为是同时照射指端。可得到式(4)

$\begin{array}{l} (ε_{I}^{805} c_{I} + ε_{Hb}^{805} c_{Hb}) Δ L = A c^{805} / D c^{805} \\ (ε_{I}^{940} c_{I} + ε_{Hb}^{940} c_{Hb}) Δ L = A c^{940} / D c^{940} (4) \end{array}$

已知 $ε_{I}^{940}$ =0, 结合式(4)可以得到

式(5)中ϕ ₈₀₅_/₉₄₀= $\frac{A c^{805} / D c^{805}}{A c^{940} / D c^{940}}$ 。

在注入ICG前测得被测对象的血氧饱和度SaO₂和血红蛋白含量c_Hb, 结合式(5)可得到ICG的浓度— — 时间曲线。

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	图2 O₂Hb, RHb, ICG和H₂O吸收光谱Fig.2 The absorbtion spectrums of O₂Hb, RHb, ICG and H₂O

1.2 修正模型建立

从前文的推导过程可以看出, 该测量原理忽略了三个干扰因素: 测量过程中受到环境光的影响; 脉搏跳动引起皮肤、肌肉等固体组织厚度的变化; 血氧饱和度随着呼吸和时间的变化产生一定的波动。因此, 通过上面的测量原理得到血液中ICG色素的浓度必然存在一定的误差, 导致CBV计算值的准确度低于预期值。为解决这一问题, 本研究了一种修正脉搏色素谱的方法来消除测量误差。

近红外光谱测量动脉ICG浓度时, 光源点亮状态下测得的光强包括经指端透射后的光强和环境背景光, 可通过测得光源熄灭状态下的光强来消除环境背景光干扰。

考虑光在组织中的色散和组织厚度的变化, 吸光度的变化量可以表示为

$\begin{array}{l} Δ A^{λ} = E^{λ} c Δ D - Z t^{λ} Δ Dt \\ E^{λ} = \sqrt[]{ε^{λ} (ε^{λ} + F)} (6) \end{array}$

式(6)中F表示色散系数^[13], Zt^λ表示组织的吸光系数, Δ Dt表示组织的变化厚度, E^λ表示考虑色散后的吸光系数。

假定不同波长下因组织厚度发生微小变化导致的吸光度变化量相同, 采用对不同波长下吸光度的变化量进行差分运算来消除组织厚度变化对吸光度变化量的影响。波长λ ₁和λ ₂的吸光度变化量的差可表示为式(7)

$Δ A_{λ 1 / λ 2} = (E^{λ 1} - E^{λ 2}) c Δ D (7)$

由于660 nm波长常用来测量血氧饱和度, 因此选择波长为660, 805和940 nm的三波长LED发光管作为光源, 结合任意两个波长吸光度变化量的差, 引入记号

$\begin{array}{l} L_{1} = Δ A_{805 / 660} (E_{I}^{940} - E_{I}^{660}) - Δ A_{940 / 660} (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) \\ L_{2} = Δ A_{805 / 660} (E_{I}^{940} - E_{I}^{805}) - Δ A_{940 / 805} (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) \\ M_{1} = (E_{I}^{940} - E_{I}^{660}) (E_{O_{2} Hb}^{805} - E_{O_{2} Hb}^{660}) - \\ (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) (E_{O_{2} Hb}^{940} - E_{O_{2} Hb}^{660}) \\ M_{2} = (E_{I}^{940} - E_{I}^{805}) (E_{O_{2} Hb}^{805} - E_{O_{2} Hb}^{660}) - \\ (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) (E_{O_{2} Hb}^{940} - E_{O_{2} Hb}^{805}) \\ N_{1} = (E_{I}^{940} - E_{I}^{660}) (E_{RHb}^{805} - E_{RHb}^{660}) - \\ (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) (E_{RHb}^{940} - E_{RHb}^{660}) \\ N_{2} = (E_{I}^{940} - E_{I}^{805}) (E_{RHb}^{805} - E_{RHb}^{660}) - \\ (E_{I}^{805} - E_{I}^{660}) (E_{RHb}^{940} - E_{RHb}^{805}) \end{array}$

可得到

$\begin{array}{l} c_{O_{2} Hb} = \frac{L_{1} N_{2} - L_{2} N_{1}}{M_{1} N_{2} - M_{2} N_{1}} \frac{1}{Δ D} \\ c_{RHb} = \frac{L_{1} M_{2} - L_{2} M_{1}}{M_{2} N_{1} - M_{1} N_{2}} \frac{1}{Δ D} (8) \end{array}$

结合式(2)可计算出血氧饱和度SaO₂, 用其计算ICG浓度可消除血氧波动带来的影响。设

$\begin{array}{l} E_{Hb}^{805 / 660} = Sa O_{2} (E_{O_{2} Hb}^{805} - E_{O_{2} Hb}^{660}) + (1 - Sa O_{2}) (E_{RHb}^{805} - E_{RHb}^{660}) \\ E_{Hb}^{940 / 660} = Sa O_{2} (E_{O_{2} Hb}^{940} - E_{O_{2} Hb}^{660}) + (1 - Sa O_{2}) (E_{RHb}^{940} - E_{RHb}^{660}) \\ E_{I}^{805 / 660} = E_{I}^{805} - E_{I}^{660} E_{I}^{940 / 660} = E_{I}^{940} - E_{I}^{660} \end{array}$

则有

$\begin{array}{l} Δ A_{805 / 660} = (E_{Hb}^{805 / 660} c_{Hb} + E_{I}^{805 / 660} c_{I}) Δ D \\ Δ A_{940 / 660} = (E_{Hb}^{940 / 660} c_{Hb} + E_{I}^{940 / 660} c_{I}) Δ D (9) \end{array}$

在注入ICG前测得被测对象的血红蛋白含量c_Hb, 结合式(9)可得到修正后的ICG浓度— — 时间曲线。

1.3 循环血量的计算

循环血量是指在维持正常血压的条件下, 为满足全身各组织器官的有效灌注所需要的血液量, 即

$CBV = \frac{I}{D_{0}} (10)$

式(10)中I表示ICG的注入量, 单位mg, D₀表示ICG色素与血液完全混合后的初始浓度值, 单位为mg· L^-1。

2 实验部分

2.1 装置

系统框图如图3所示, 发光管分为660, 805和940 nm三波长依次点亮和全部熄灭四个状态, ARM处理器通过光源驱动电路控制三波长指夹式光电传感器工作, 信号分离电路将发光管四种状态下的信号分离出来, 单波长信号经放大电路处理后开始A/D采集, 采集到的数据经蓝牙模块传输给计算机进行后续处理。

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	图3 系统框图Fig.3 The system block diagram

2.2 试验对象及方法

选10名心血管病患者作为测量对象, 男女各5人, 年龄在(55.3± 7.4)岁。在注射ICG色素前通过血常规测量出患者的血红蛋白的浓度。试验时, 将装有三路波长的透射式光电传感器探头夹到患者右手食指, 将按照5 mg· mL^-1的比例配置的ICG溶液以0.5 mg· kg^-1的剂量快速通过左臂肘静脉注射到测试者体内, 然后通过三波长测量装置采集6分钟的人体指端透射光谱信号。同时, 采用¹³¹I同位素法同步测量CBV。如图4所示为ICG色素注入后实测的三波长光电脉搏波信号, 图5为其局部信号的放大。从所测信号中提取出直流量DC和交流量AC, 代入式(9)计算出ICG色素的浓度值。

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	图4 光电脉搏波信号Fig.4 Photoelectric pulse wave signals

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	图5 局部放大信号Fig.5 Part of the signal amplification

如图6所示, 对计算机得到ICG色素的浓度数据进行对数运算, 并描绘出与时间轴形成半对数的关系曲线。色素谱包含ICG色素浓度稀释的第一循环曲线和ICG色素浓度按指数衰减的第二循环曲线。

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	图6 ICG色素的稀释和排泄循环曲线Fig.6 The dilute and excretive circulation curve of ICG

为消除色素再循环的影响, 对ICG最大值后90s时间内的数据进行最小二乘法拟合处理, 可得到ICG色素的第一循环曲线。平均循环时间MTT是从色素注入时刻到第一循环曲线重心点的时间, 表示ICG色素与血液完全混合。其数值可由式(11)求得。将MTT后2.5~5.5 min的数据^{[14, 15]}, 进行线性回归处理, 得到色素与血液完全混合后的浓度值D₀, 其单位为mg· L^-1。

$MTT = \frac{\sum (c_{n} D_{n} t_{n})}{\sum (c_{n} D_{n})} (11)$

式(11)中, c_n表示第n个时刻点t_n的色素浓度, D_n表示两个时刻间的时间差。

3 结果与讨论

将¹³¹I同位素“ 金标准法” 和脉搏色素谱法修正前后的测量结果列于表1。由表1中可以得到, 与¹³¹I同位素法的测量结果相比, 本研究提出的基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法有效降低了血氧波动和环境背景光对测量结果的影响, 将CBV测量的平均相对误差从6.85%降低为4.53%, 准确度提高了2.32%。

表1 循环血量检测结果对比 Table 1 CBV measurement results contrast

图7是本方法和¹³¹I同位素“ 金标准法” 测量值的Bland& Atlman分析图。从图中可以看出本方法与¹³¹I同位素“ 金标准法” 的测量结果有着很强的一致性, 可为临床提供一种更加准确的循环血量检测方法。

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	图7 Bland & Atlman分析图Fig.7 The Bland & Atlman analysis diagram

4 结论

针对传统脉搏色素谱法测量循环血量存在的问题, 以近红外光谱和色素稀释理论为基础, 提出了一种基于修正脉搏色素谱的循环血量检测方法。采用差分算法消除了血氧波动和环境背景光对ICG色素浓度测量的影响。试验结果表明, 本方法提高了循环血量计算值的准确度, 能够为临床提供一种更加准确的循环血量检测方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 2005年Nagano和2008年Aladangady等^[9,10]先后结合脉搏色素光密度法和ICG色素, 进行了新生儿CBV检测的验证性实验 ...

2005

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... 2005年Nagano和2008年Aladangady等^[9,10]先后结合脉搏色素光密度法和ICG色素, 进行了新生儿CBV检测的验证性实验 ...

2016

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... 2016年张晓枫等^[11]将ICG色素作为药代动力学指示剂, 研究了血流动力学参数与ICG色素代谢的关系 ...

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... 如图2所示^[12], ICG在805 nm处对光的吸收性质最强, 在940 nm处的吸光系数为零, 因此选择波长为805和940 nm的双波长LED光源分时照射指端, 当分时间隔足够小时可认为是同时照射指端 ...

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... 式(6)中F表示色散系数^[13], Zt^{#cod#x003bb ...}

1967

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... 5 min的数据^[14,15], 进行线性回归处理, 得到色素与血液完全混合后的浓度值D₀, 其单位为mg#cod#x000b7 ...

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... 5 min的数据^[14,15], 进行线性回归处理, 得到色素与血液完全混合后的浓度值D₀, 其单位为mg#cod#x000b7 ...