基于近紅外光譜在皮瓣移植術后的監測系統

張錦龍，辛 明，樊琳琳，張 峰，員 琳，韓笑笑，楊濠琨

(1.河南大學 物理與電子學院 物理與電子國家級實驗教學示范中心， 開封 475004；2.北京郵電大學 電子與工程學院，北京 100876)

引 言

皮瓣移植手術是外科中常見的手術，皮瓣移植手術失敗的主要因素是血管吻合處發生栓塞，栓塞會阻礙皮瓣內的血液循環引起皮瓣壞死[1]。術后若能盡早發現血管栓塞，對提高移植手術的成功率非常重要。目前術后護理主要通過醫師的主觀經驗判斷移植皮瓣存活狀況，如測量皮溫、觀察皮瓣水腫程度、傷口滲出物的形狀及顏色等，缺乏客觀標準。因此，為皮瓣移植手術提供一種連續、無創而且簡便實用的術后監測手段在臨床上具有重要意義。

術后皮瓣存活的關鍵在于能否自我供血[2-5]，利用近紅外光譜可以無創、連續監測人體血運狀況[6-7]，它依據人體血液不同成分對近紅外光吸收能力的差異，通過檢測組織對近紅外光的吸收程度，解算出人體局部組織的氧合參量。本文中通過檢測術后創面部位的氧合參量，判斷皮瓣血液循環情況，實現監測皮瓣存活狀態的目的。為此本文中設計了組織氧飽和度實時監測系統，在組內進行了穩定性驗證實驗和前臂阻斷模擬皮瓣血管栓塞實驗，檢驗了該系統用于術后皮瓣血運狀況監測的有效性。

1 測量原理與算法

人體組織中密布著大量的微血管, 包括微動脈、微靜脈和毛細血管，人體組織的血氧參量即為上述各種微血管中血液血氧參量的加權平均[8]。因此，通過監測創面周圍的組織氧飽和度可以達到反映術后皮瓣血運狀況的目的。

局部組織氧飽和度(regional tissue oxygen saturation,rSO2)的定義為局部組織中氧合血紅蛋白濃度CHBO2與局部組織中氧合血紅蛋白濃度、還原血紅蛋白濃度CHB和的比，有：

(1)

式中,RrSO2為局部組織氧飽和度的值。在近紅外波段(700nm～900nm)，組織中還原血紅蛋白(HB)和氧合血紅蛋白(HBO2)是主要的吸光物質[9]，本文中使用兩種特定波長的光交替照射組織，在光源同一平面一定距離處接收組織的漫散射光。當波長為λ1，λ2的光穿過組織時，由吸收定律得：

(2)

式中，μa,λ1是波長為λ1時組織的吸收系數，μa,λ2是波長為λ2時組織的吸收系數;ε是摩爾消光系數，只與吸收物質和波長有關。

由(1)式、(2)式得出局部組織氧飽和度為：

(3)

從(3)式可以看出，求解RrSO2的實質是解出兩個光源下被測組織的吸收系數之比。

人體組織對近紅外光的吸收遠小于散射，盡管單個光子在組織中的傳播路徑是隨機的，但大量光子在組織中依然遵循統計規律，光子在人體組織中的傳輸路徑大致呈月牙狀[10-12]。由組織中近紅外光譜的漫散射方程[13-14]得：

(4)

式中,ΤOD為光密度(optical density,OD)，定義ΤOD=lg(I0/I),I0為入射光強,I為出射光強；d為光源到探測器中心的距離；μs為組織對近紅外光的散射系數，與波長無關[15]。

當使用兩束不同波長的光照射組織時，組織對兩路光的吸收系數比為：

(5)

為求出?ΤOD/?d，在系統中引入第2個光電探測器，探測器于光源同側一遠一近分布，空間分布概念圖見圖1。此時兩波長的吸收系數比可簡化為：

(6)

式中，ΔΤOD為同一波長下不同探測器探測到的光強差的絕對值；Δd為兩探測器中心點的距離。結合(3)式，組織氧飽和度計算公式可化簡為：

(7)

式中，D1,λ1，D2,λ1，D1,λ2，D2,λ2為遠近探測器采集到λ1，λ2的光通過組織后的漫散射光強；摩爾消光系數ε通過查表可得。由此，通過光電探測器采集被測部位的漫散射光，便可進行被測部位RrSO2的估算。

Fig.1 Spatial distribution of the light source and detectors

2 系統設計

2.1 硬件系統

本文中提出的近紅外光譜監測皮瓣移植術后狀況系統如圖2所示。以C8051f120單片機為核心搭建測量系統。采用反射式傳感結構，單片機驅動兩路發光二極管(light emitting diode,LED)分時發出恒定強度的光，位于同側的光電探測器采集通過人體組織的漫散射光，將光信號轉變成電信號后通過運算放大器實現I-V(電流-電壓)轉換、放大。經模數轉換器(analog-to-digital converter,ADC)轉換后將放大后的模擬信號轉變成攜帶血氧信息的數字信號，最后通過通用串行總線(universal serial bus,USB)接口實現上位機通信。

Fig.2 Block diagram of the device

波長700nm～900nm的光對組織具有良好的穿透性，此波段下組織中的主要吸光物質為HB和HBO2，背景吸收干擾最小。如圖3所示，在750nm 處和850nm處HB與HBO2的消光系數相差最大，因此選取750nm和850nm的光作為系統光源。為減小誤差，使用集成雙波長(750nm，850nm)發光二極管作為光源，共陽極設計。以ULN2003APG芯片為核心建立LED驅動電路，LED陰極連接可調變阻器調節入射光強。光電探測器放置在距離光源同側10mm和20mm處[16]。

Fig.3 The extinction coefficients of HB and HBO2in the near infrared band(700nm～900nm)

選用ADI公司的AD626芯片作為運算放大模塊，將光電探測器接收到的光電流信號轉變成與漫散射光強呈正比的電壓信號并進行放大，使電路穩定的同時具有較高的信噪比。為保證兩路探測器的信號模數轉換同時進行、提高測量精度和轉換速度，選用ADI公司的AD7060芯片搭載外圍電路作為本系統的ADC轉換模塊，該芯片擁有16位ADC轉換，8通道同步采樣模數數據，具有精度高、同步性好、轉換速度快的優點，滿足實驗需求。

目前國內外I-V轉換大都通過運算放大器的外接電阻進行，本文中提出一種I-V轉換思路：由于光電探測器可以理想化成一個恒流源與定值電阻的并聯，為簡化電路，在芯片外圍電路中不跨阻，利用光電探測器內阻完成I-V轉換。為驗證兩種方案測得的數據的準確性，分別將兩種運算放大模塊接入系統，記錄遠近探測器探測到的值，比較兩種設計方案下遠近探測器采集到的信號大小的比值，實驗數據如圖4所示。

Fig.4 Ratio of light intensity received by near and far detectors with and without 1kΩ resistance

a—cross 1kΩ resistance b—non span resistance

圖4中的數據表明，基于兩種不同的電路設計方案，不同位置的光電探測器采集到數值的比值基本相同。實驗表明，跨1kΩ電阻電路和利用光電探測器的內阻電路雖然輸入電壓不同，但放大倍數相同，輸出的電壓值均有良好的線性度，對實驗數據沒有影響。

2.2 軟件設計

上位機接收選用NI公司LabVIEW編寫軟件接收單片機發送的數據，進行數字濾波、運算并把結果以波形圖的形式顯示在界面中，程序如圖5所示。將光電探測器接收到的4路光強獨立顯示，以便監測實驗中的數據變化。計算得到的RrSO2也以單獨界面顯示，做到連續、實時監測受試者血氧參量變化情況。

Fig.5 Diagram of LabVIEW

3 結果與分析

對受試者進行了前臂rSO2測量驗證本系統的穩定性。由于該領域還沒有公認的組織氧飽和度黃金標準[17]，確定受試者身體健康狀態良好的前提下進行測試，比對不同受試者之間的數據確定健康標準；對3名受試者進行長期測量，判斷不同個體之間差異。皮瓣內血管栓塞的發生情況可以通過前臂靜脈阻斷模擬。為了能夠無創監測人體皮膚內的血氧輸運情況，利用袖帶血壓計在上臂施加一定的壓力實現靜脈阻斷，從而測量前臂皮膚內的血氧變化情況。

為保證受試者測試時身體狀態平穩，讓受試對象在測試前放松10min，呼吸均勻、情緒穩定后進行測試。考慮到探測器與人體皮膚接觸和光源自身發熱導致受測組織局部溫度上升，使得微血管內血液流速和血細胞的聚集狀態發生改變影響實驗的準確性[18]。因此，受試者的測量時間大于3min，等數值穩定后記錄實驗數據。

在一段時間內對受試者們集中測試，測試部位選擇受試者的左前臂內側、左前臂外側、右前臂內側、右前臂外側。部分結果如表1和圖6所示。數據表明不同個體、不同部位之間組織氧飽和度存在微小差異，幅度在0.05左右,實驗驗證了本系統具有較高的穩定性,這是因為不同受測者之間血管分布、脂肪厚度不同造成結果差異，符合客觀事實。

Table 1 Measurement value of tissue oxygen saturation

Fig.6 Long-term monitoring of three subjects

a—long-term monitoring map of the first subject b—long-term monitoring map of the second subject c—long-term monitoring map of the third subject

Fig.7 Changes of tissue oxygen in venous occlusion experiment(female)

對受試者進行靜脈阻斷實驗來模擬皮瓣血管栓塞[19]，阻斷壓力相同，阻斷時間3min，測量結果如圖7、圖8所示。靜脈阻斷時，由于靜脈回流受阻，CHBO2,CHB和血容積都迅速增加，此時手臂呈紫紅色。一段時間后血液充盈減緩直至消失，此時rSO2才會隨著皮膚耗氧開始緩慢減少。解除阻斷后，由于血液循環恢復，rSO2快速回升并有過沖現象[20]，之后逐步穩定到測量前的值。

Fig.8 Changes of tissue oxygen in venous occlusion experiment(male)

4 結 論

由于臨床術后護理大多依據主觀經驗判斷皮瓣恢復情況，缺乏客觀依據，基于近紅外光譜技術，推導出雙光源雙探測器的測量算法并搭建了監測系統，進行了系統穩定性實驗和靜脈阻斷模擬皮瓣栓塞實驗，結果表明,該系統穩定性良好，在靜脈阻斷下近紅外光譜檢測結果發生了顯著改變，具有較高靈敏度，能夠連續監測組織氧飽和度變化趨勢，反映創面血液運輸狀況，為病人術后皮瓣血管的愈合程度提供客觀依據。對輔助醫生判斷病人術后皮瓣存活狀況有重要參考意義。