基于气流与激光技术的食道曲张静脉无创测压新系统

胡成欢，黄飞舟，张 瑞，朱晒红，聂晚频，刘浔阳，刘应龙，李 鹏

1 中南大学湘雅三医院普外科，长沙市，410013

2 中南大学信息科学与工程学院，长沙市，410083

3 中南大学交通运输工程学院，长沙市，410083

基于气流与激光技术的食道曲张静脉无创测压新系统

【作 者】胡成欢1，黄飞舟1，张 瑞1，朱晒红1，聂晚频1，刘浔阳1，刘应龙2，李 鹏3

1 中南大学湘雅三医院普外科，长沙市，410013

2 中南大学信息科学与工程学院，长沙市，410083

3 中南大学交通运输工程学院，长沙市，410083

目的 利用光学原理并结合自动控制技术、计算机实时图像检测技术，开发一种更安全、准确、重复性好的非接触式食道曲张静脉无创测压新系统。方法 该系统采用自主研发的可调节气泵、激光发射装置和图像采集分析系统程序，通过体外实验验证该系统的可行性和准确性。结果 该系统在仿生血管上测得的压力值与实际压力值有良好的相关性和可重复性。结论 这种无创测压系统测量准确度较高，具有可行性和良好的应用前景。

气流；激光；无创性；压力测量

【 Abstract 】Objective Combined the optical principle with automatic control technology and computer real-time image detection technology to develop a non-contact system for noninvasive esophageal varices pressure measurement. Methods The system included the adjustable air pump, laser device, image collection and analysis program. The feasibility and accuracy of the system were veri fi ed by in vitro experiments. Results The bionic vascular pressure measured by this system had good correlation and repeatability with the actual pressure. Conclusions This system is accurate, feasible and has good application prospects.

食管静脉曲张（Esophageal Varices，EV）是肝硬化病人一种常见的并发症，主要由于门静脉压力升高导致食道下端静脉侧枝循环开放，形成向食道内壁凸起的曲张静脉[1]。自20世纪50年代以来，关于EV压力的众多研究表明过高的EV压力是引起EV破裂出血的直接因素[2-3]。静脉外的无创（微创）测压技术是目前EV测压研究的主流方法[4]，主要有贴壁测压和气囊测压两种方法。然而，这两种方法均需要直接接触静脉血管，在测压过程中存在医源性EV破裂出血的风险。其次，二者均忽视了曲张静脉壁在测压过程中张力的变化，而且无法克服吞咽、食道蠕动波和贲门运动等生理过程对测量结果的影响，导致准确性不高[5]。尤其气囊测压法无法精确定位测量EV某一特征点的压力，具有更大的局限性。我们在原先无创性静脉测压仪的基础上，利用光学原理并结合自动控制技术、计算机实时图像检测技术，开展了气流结合激光非接触测压方法的研究，开发了一种更安全、准确、重复性好的无创静脉测压新系统[6]。

1 系统原理

首先使用气泵产生气流并将其以一定的压力和流速输送至输气管道中，输气管道经胃镜的活检通道到达EV附近。在相隔一定距离的位置，使输气管道的气流垂直冲击曲张的静脉表面，并逐渐增大气流冲击压力。在EV的检测区域内，重力影响微小可以忽略不计。在垂直血管壁方向上，存在气流冲击力、血管内压力和血管自身的张力。当冲击在血管壁表面的气流压力接近血管内部压力时，受冲击的血管壁表面将会发生形变。在血管壁刚好被压平的瞬间，血管壁的张力矢量平行于血管壁，此时无论何种类型的血管在垂直方向均无作用力。根据力学平衡原理，此时气流冲击力就等于静脉内压力。整个测量过程中，系统软件将图形处理软件和气流系统的信息整合同步，动态

捕捉血管壁的变化，并记录输气管道起始部位气流压强，就可计算出气流冲击血管的压强值。

2 系统构成

本系统由既有胃镜系统、指压气流探针系统、激光光纤测距传感器、图像采集分析系统和中央数据同步处理系统五部分构成，实现框架如图1所示。

图1 无创测压新系统示意图Fig.1 Schematic diagram of noninvasive esophageal varices pressure measurement system

胃镜可直接诊断EV并提供气流和光纤束的进入通道，实现体外调节操作。指压气流探针系统由充气泵、储气瓶、气流气压控制阀和输出气管组成。其作用是提供压力连续变化的气流束并冲击血管壁，同时根据不同位置气流压力之间的函数关系式，计算出静脉表面的气流压力值。激光光纤传感器的结构如图2所示。

图2 光纤激光测距传感器示意图Fig.2 Schematic diagram of fi ber laser distance sensor

测距光源采用不可见激光，在不干扰原胃镜系统照明的同时可提高检测精度。光纤束(含显微物镜直径＜1 mm)固定于输出气管内部，采用偏振分光系统和激光滤波片消除膜系镜面反射光和胃镜原照明光源的影响。TMS320DM642平台能对两路视频图像流进行实时复杂的视频信号数学处理，完成视频检测功能。图像采集分析系统采用Microsoft Foundation Classes(MFC)框架进行界面的设计和多线程编程，完成了系统控制流，同时选择Open Source Computer Vision Library(OpenCV)提供的方法对图像数据进行分析。操作者可通过观察CCD视频中激光斑的大小和形状的改变，明确气流是否垂直作用于静脉表面并捕捉静脉被压平的瞬间。本系统利用OMAP-4430-1 GHz双核Cortex-A9处理器、Android操作系统及相关驱动与控制模块，并与现有胃镜视频采集和图像分析系统组合，构建中央数据同步处理系统主机。该主机可在测量时同时调取图像采集分析系统中的动态图像信号和指压气流探针系统中的压力传感器测量数据信号，并将两者信号的时间轴对应在一起。

图3 指压气流探针系统示意图Fig.3 Schematic diagram of airf l ow probe system

3 体外实验

3.1 指压气流探针系统

按图3将自制的可调节气泵和气流输出管道(内径2 mm，长度1.5 m)连接，保证气流输出管道的气密性并连接压力传感器(深圳市感力通科技有限公司)和接收系统(中南大学高铁研发中心)，利用标定仪(南京飞勒克工业设备有限公司)标定压力传感器的参数。将两个压力传感器分别放置在a点和c点。开启气泵，将气泵的工作电流频率逐渐加大，从2 kHz至 20 kHz，每次增加2 kHz，记录a、c两点气压的变化情况。重复实验5次，压力值以均数±标准差(X±SD)表示。整理数据，绘制散点图，计算a点与c点压力值之间的直线回归方程，进行直线相关性分析。结果显示，c点压力值与a点压力值呈直线相关，直线回归方程为Y=0.068 5×X-273.231 (P〈0.000 5)，Y为c点压力值，

X为a点压力值，详见图4。

图4 c点压力值与a点气压值相关性分析Fig.4 Correlation analysis of point c pressure and point a pressure

3.2 仿生血管测压实验

将一根标有刻度的玻璃管固定在一固定架上，玻璃管下段连接一条水平放置的塑胶管，塑胶管另一端连接一根三通管，截断塑胶管中间的一段，断端部分用以连接需测压的管道，组成一个模拟血管仪。将其放置于水平位置，然后将塑胶材质的仿生血管连接在预留的管道断端处，确认连接部分紧密无渗漏。打开三通阀，从玻璃管上端注入生理盐水，将模拟血管仪内的空气排尽后关闭三通阀，此时仿生血管内充满液体而膨胀，其内部的压强可通过改变玻璃管内液面高度调节。将无创测压系统的探头置于仿生血管的正上方，探头出气口距离仿生血管壁10 mm位置。将玻璃管液面高度调节至5 cm后，开启无创测压系统，记录仪器测出的仿生血管内压力值。调节玻璃管液面高度，每次增加5 cm，直到45 cm，同时记录每次无创测压系统所测得的仿生血管内压力值。重复实验5次，压力值以均数±标准差（X±SD）表示。两种方法所测压力值之间计算直线回归方程，进行直线相关分析。结果显示，无创测压系统测量值与实际压力值呈直线相关（见图5），直线回归方程为Y=1.001×X+6.036 （P〈0.000 5）。

图5 无创测压系统测量值与实际压力值相关性分析Fig.5 Noninvasive pressure measurement system measured value and actual pressure value correlation analysis

4 讨论

本系统通过控制压强连续变化的气流冲击EV，同时借助图形分析软件同步检测EV的形变过程，根据气流冲击力和血管形变等数据来计算血管内部的压力。与现在临床上主要采用的EV气囊测压方法相比，本系统有几大优点。

(1) 本系统利用气流的冲击力对血管壁进行压迫，测压管道与测量的血管之间存在一定的距离，实现了真正意义上的非接触式测量。

(2) 气囊测压方法中通过视频图像看到的是气囊内壁，即便气囊透明也存在反光、吸收光谱不一致等问题，不便于医生直观诊断。本系统在保证胃镜图像的同时采用不可见激光在血管壁上产生光学信号，在体内环境下也可正常识别，抗干扰性强。

(3) 气囊测压时气囊需要压迫整个食管内腔，无法克服食管蠕动波、贲门收缩和舒张等不可控生理活动引起的测量误差。本系统中操作者可快速发现甚至提前预判到各种影响EV探测区域食道位移的变化，通过随停随启气流进行有效地规避。

(4) 气囊测压过程包括弹出气囊、充气贴壁、观察测压、放气收囊等过程，测试时间过长。本系统可以根据胃镜下EV的形态学特征提前预估压力值，并控制初始气流压力从较接近的压力值起测，从而大大缩短测压时间，进而实现一次进镜多点测量。

准确测量血管壁表面的气流压强和及时捕捉受测血管变平这个关键的时间点是实现本系统的两大核心问题。由于输出气管内径很细且与冲击部位距离很近，指压探针作用于血管壁的压强小，因而不会引起被测血管的气流干扰。体外实验结果证明在经过长度和内径固定的管道后，距离出气口1 cm处气流压强与入口处压强呈线性关系，利用回归方程可以根据气泵的输出压强快速得出作用于受测部位的气流压强。在仿生血管测压实验中，在指压气流探针开始作用前，我们朝向血管壁往复移动探头，移动探头至CCD视频中心点光斑最小位置时，利用镜面聚焦原理可知探

头到血管壁距离为确定值，该值亦可通过胃镜图像予以再次确认。当CCD视频多个光斑最小时，证明光纤与气流探头方向与静脉壁垂直。固定探头，开启探针气流，当曲张静脉血管壁在气流作用下开始形变时，CCD视频可观测到反射光斑的尺寸逐渐增大。当EV被压平时，各反射光斑大小相等。体外测压结果显示本系统所测仿生血管内压力值与实际压力值相差不大，并具有良好的相关性，说明本系统能准确测量出仿生血管内液体的压强，而且误差很低。即使生物组织管壁的形变时刻会比仿生血管有稍微的延迟，也可通过进一步的动物实验和体内试验进行相应调整。我们相信，这种基于气流与激光检测技术的无创静脉测压新系统测量准确度较高，具有可行性和良好的应用前景。

[1] 刘浔阳. 食管胃静脉曲张内镜治疗(第2版)[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2011.

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[5] 孔德润, 张磊, 张超, 等. 计算机视觉食管曲张静脉压力检测技术的初步研究[J]. 中华消化内镜杂志, 2011, 28(4): 204-209.

[6] 朱晒红, 刘浔阳, 黄飞舟, 等. 无创性静脉测压仪的研制[J]. 生物医学工程学杂志, 2002, 19(1): 178-180.

图4 数据拟合图Fig.4 The diagram of data fi tting

将检测阻抗值和期望阻抗值拟合成曲线如图所示，可以看出我们检测结果在50 kΩ以下跟期望曲线基本重合，而在(50～100) kΩ间测试误差也在2 kΩ以内，因此本阻抗检测方法具有很高的的准确性。检测阻抗带来的误差是由于校准电阻本身的精度和恒流源精度、系统噪声造成的。本系统应用在脑电采集系统的电极接触阻抗检测阻抗值一般在15 kΩ以下则认为电极接触性正常，因此本方法应用在对于脑电采集系统电极阻抗检测的准确性是可靠的。

4 小结

本文介绍了电极接触阻抗检测对于生物电测量的意义，特别是对于脑电信号等微弱电生理信号的测量时状态监测十分重要，在此基础上提出了一种精确测量电极阻抗的方法。利用恒流源激励信号通过测量电极载入人体，并在保证安全性的前提下通过整个系统来实时进行基于电极、接触电阻和人体阻抗的综合电压监测，经放大、滤波后，再借助于高精度AD转换来实现数字化以及相关的计算，同时在计算方法上利用参考电阻进行分段的校准，提高了测量的准确性，减少激励信号源精度对测量结果的影响，达到预期的目标，具有一定的应用价值，上述阻抗监测系统只实现一路，后续将在多路，以及实际应用效果的评价上开展研究，以实现应用。

参考文献

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A New System for Noninvasive Esophageal Varices Pressure Measurement Based on Airf l ow and Laser Technology

【 Writers 】Hu Chenghuan1, Huang Feizhou1, Zhang Rui1, Zhu Shaihong1, Nie Wanpin1, Liu Xunyang1, Liu Yinglong2, Li Peng3
1 Department of General Surgery, The Third Xiangya Hospital of Central South University, Changsha, 410013
2 School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083
3 School of Traf fi c and Transportation Engineering, Central South University, Changsha, 410083

air fl ow, laser, noninvasive, pressure measurement

R318.6；R443.8

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.04.004

2014-02-07

湖南省自然科学基金项目(12JJ4080)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011QNZT190)；中南大学研究生自主探索创新基金项目(2012zzts034)

张瑞，E-mail: rui.zhang@csu.edu.cn

1671-7104(2014)04-0247-04