基于色素谱吸收原理的肝储备功能无创测量系统

    摘  要： 肝病一直是我国高发疾病，肝储备功能是肝病诊治中重要的生理参数，医院传统方法采用采血比色法进行肝储备功能测量。利用吲哚氰绿ICG色素指示剂对805 nm波长光的吸光效应,患者注射ICG色素，分别采集0 min、5 min、10 min、15 min的血液样本，通过比色测量，绘制ICG浓度代谢曲线，测量肝储备功能。为了避免采血法对测量结果和病人的不良影响，提出基于色素谱吸收原理的无创肝储备功能测量系统的设计方案。实验证明，利用805 nm和940 nm敏感波长以及吲哚氰绿ICG色素吸光特性，能较好地实现无创肝储备功能测量。

    关键词： 肝储备功能；色素谱吸光原理；无创检测；吲哚氰绿

0 引言

    肝脏是人体消化系统中最大的消化腺，是实现细胞去氧化、储存肝糖、蛋白质合成、微循环解毒以及新陈代谢的重要器官。肝储备功能是肝脏全体细胞储备功能的总和，是肝储备的人体生理活动能力的概括。在临床治疗上，肝储备功能的评价具有重要意义，是肝脏内、外科术前临床诊断、术后恢复治疗的重要参考指标。当前肝储备功能的测量主要是通过结合吲哚氰绿ICG(Indocyanine Green)染色剂的采血分光光度比色法有创检测实现的^[1]。

    为了避免采血法对病人身体健康的影响，本文提出基于色素谱吸收光谱测量原理的无创肝储备功能测量系统设计方案，以解决该问题。

1 比色法肝储备功能检测方法

    临床上主要应用吲哚氰绿ICG实现肝脏滞留试验和清除试验。患者静脉注射后，吲哚氰绿ICG色素迅速与血浆白蛋白、球蛋白等蛋白质结合，在血液循环中快速由肝脏摄取后排泄到胆汁，吲哚氰ICG绿色素在体内无代谢产物，无残留。临床上通过采血比色法，动脉采血检测固定时间点ICG色素浓度，获得代谢曲线，实现检测肝储备功能^[2]。

    采血比色法要求患者在空腹的情况下，按照5 mg/ml浓度，每公斤体重相当于0.5 mg的ICG溶液的标准，静脉注射^[3]。在ICG注射后的0 min、5 min、10 min和15 min分别进行4次动脉采血，利用血凝机对4次血样分离，再通过805 nm波长的光谱比色分析，得到对应4个时刻的ICG染色剂浓度值，将该浓度值以横坐标时间轴、纵坐标半对数的形式记录下来，算出半程衰减时间T_1/2，即可以测量血浆清除率K和15 min滞留率R₁₅的参数^[4]，实现测量肝储备功能。血浆清除率和15 min滞留率计算公式如下：

    C₀为ICG色素注射初始浓度，C₁₅为ICG色素注射后15 min时刻的浓度。

    采血比色法有创测量肝储备功能，测量时间长、过程复杂，影响测量结果精度。此外，有创测量也给患者身体带来较大的不适^[5-6]。

2 无创肝储备功能检测方法

    由朗伯—比尔定律物质的吸光特性理论可知，对动脉血液，通过特定波长λ₁和λ₂进行光谱吸收测量，可获得动脉血液中两种吸光物质的浓度比值，在知道其中一种物质浓度的前提下，可以测得另外一种物质的浓度。

    人体血红蛋白成分主要由氧合血红蛋白O2Hb和还原血红蛋白RHb组成。动脉血液中氧合血红蛋白比例占血红蛋白总量的90%以上。实际测试中通常忽略还原血红蛋白影响，选取血液中血红蛋白Hb和吲哚氰绿ICG色素作为关联检测物质，用氧合血红蛋白浓度代替血红蛋白浓度，测量吲哚氰绿色素ICG代谢浓度^[5]。氧合血红蛋白、还原血红蛋白和吲哚氰绿色素吸收光谱如图1所示。

    由图1可知，805 nm处吲哚氰绿ICG色素吸光能力最强，940 nm处氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收差异性较小，在忽略还原血红蛋白影响的前提下，选择805 nm和940 nm波长作为测量入射光。朗伯—比尔定律ε₀为吸光系数，C₀待测物质浓度，L₀光程。由其可知，当一束平行光照射到手指末端，透射光分为动脉血吸收后的脉动的交流成分AC和被脂肪、骨骼等成分吸收后的不变的直流成分DC，交流成分AC中含有动脉血中物质的吸光信息，有：

    只需临床上测量出血红蛋白浓度C_Hb，即可求出吲哚氰绿ICG色素浓度，由吲哚氰绿浓度代谢曲线，即可得出血浆清除率K和15 min滞留率R₁₅，从而获得肝储备功能^[7]。

3 肝储备功能测量系统

3.1 硬件系统组成

    肝储备功能测量系统主要由光电指夹、光源驱动单元、微处理器单元、光电转换单元、信号调理单元、SD卡本地储存单元和蓝牙通信模块组成。

    微处理器分时操作805 nm、940 nm两路光源亮灭，光电转换单元实现光信号到电信号的转换，转换后的电信号经信号调理电路交直流分离、滤波、放大、整形后送给AD模数转换，微控制器将AD转换后的数据本地存储并与外部设备蓝牙通信。

3.2 光电脉搏波信号处理

    患者注射ICG色素后，光电指夹检测到两路光电容积脉搏波信号PPG(Photo Plethysmo Graphy)，经光电转换、信号调理后，光电指夹输出的805 nm和940 nm的光电容积脉搏波信号如图2所示。

    系统接收到的光电容积脉搏波信号含有大量的基线漂移干扰，主要源于人体运动扰动、人体神经运动反射反应和心脏泵血的脉动影响，系统采用中值滤波算法消除基线漂移干扰。

    在N长度数字序列中，选择长度为n的序列Xⁿ为一维模板窗口W(Nⁿ)，模板窗口数据M由大到小排序，取序列中值作为一点x数值，顺次滑动模板窗口W(Nⁿ)，重复排序取中值，最终实现滤除基线漂移。

    805 nm、940 nm光电容积脉搏波中值滤波后的波形如图3所示。

4 实验分析

    利用医院采血比色法与本系统进行肝储备功能测量对比，测量者在清晨空腹静卧的情况下，静脉注射标准浓度ICG溶液，注射后第0 min、5 min、10 min、15 min抽取血液，进行比色法ICG代谢浓度测量，获得肝储备功能参数，同时，利用本系统进行肝储备功能测量实验。

    系统测量获得吲哚氰绿ICG色素代谢第一循环曲线和第二循环曲线如图4、图5所示。

    随机选取8名肝病内科患者进行对比实验，年龄范围45~67周岁，由ICG代谢循环曲线得如表1所示血浆清除率K和15 min滞留率R₁₅测量数据。

    血浆清除率K平均误差为0.049/min，15 min滞留率平均误差为8.71%，均符合临床测试要求。

5 结语

    采用色素谱分光光度法测量肝储备功能，克服了传统采血法测量的多次采血、测量不精确以及易造成感染等缺点，实现了无创肝储备功能测量。经临床对比知其平均误差满足临床测量要求。

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