无创式肝脏储备功能ICG检测仪新近进展及三波长肝功能储备仪的分光光度检测模型分析

徐耀 王继焕 翁玲 顾文燕 沈嘉辉 顾军民 宁波市医疗中心李惠利医院 （浙江 宁波 315000）

内容提要： 肝切除术后最严重的并发症是进行性的术后肝衰竭，准确评估术前肝功能储备就显得尤为重要。目前评价肝功能的检查很多，吲哚菁绿排泄试验（ICG-PDR），尤其是其独特的无创ICG检测正成为肝脏储备功能的重要方法。本文针对无创法ICG排泄试验国内外研究进展予以综述，展望了无创式肝储备功能检测仪的发展方向，同时讨论了三波长肝功能储备仪的分光光度模型的原理。

慢性肝炎、肝硬化及肝衰竭是发生率较高的肝脏疾病，特别肝衰竭预后差，病死率高[1]。大量的患者因为治疗的延误等各种原因转化成为肝功能衰竭。肝切除术是目前治疗肝脏外科疾病重要治疗方式，同时精准外科治疗在清除肿瘤目标病灶的基础上，最大化的保证肝脏的解剖完整性及功能的完整性。肝切除术后肝功能不全甚至肝衰竭成为患者围手术期死亡及影响患者术后长期生存的重要原因[2]。术前精确评估肝脏储备功能，对于选择合理的治疗方法，把握安全的肝切除范围，从而降低患者术后肝脏功能衰竭的发生率具有重要意义[3]。

肝脏储备功能，是指肝脏耐受手术、创伤和损害的能力，是衡量人体肝脏细胞活性、健康度的重要指标。肝脏具有巨大的储备功能及再生能力，正常肝脏可耐受切除70%，而不出现明显的生理功能紊乱。全面评估肝脏储备功能，能帮助临床医生全面判读患者病情的严重程度，也有助于准确有效地制定治疗方案并评估患者的预后情况[4]。

1.现有评估肝脏储备功能的主要方法

现有常见的用于评估肝脏储备功能的方法主要分综合评分型及定量试验型等，包括综合多种指标的综合评分系统、肝脏功能定量试验等。

1.1 Child-Pugh评分等综合评分系统

Child-Pugh分级是目前被广泛应用的评估方法，常用作肝储备功能分析以及外科中肝切除术的风险预测。Child-Pugh分级根据患者相关临床症状体征及生化检查指标、血浆白蛋白、凝血酶原时间、血浆胆红素、腹腔积液和肝性脑病等因素，进行分级分类，但是存在腹水、肝性脑病等没有量化指标，需要临床的主观判断；生化指标易受肝外因素影响；未将肝硬化常见的并发症如肝肾综合征、消化道出血、严重感染等纳入其中[5]；重复性、鲁棒性不强。

MELD模型：Malinchoc等提出基于胆红素、INR、肌酐、胆汁性或酒精性病因的终末期肝病模型（简称：MELD）。该模型通过回顾性研究获得，在终末期肝病患者术后生存率评定方面优于Child-Pugh分级。目前MELD评分是一种判断终末期肝病患者病情的严重程度的重要方式，同时也用作终末期肝病患者肝移植的先后顺序的评定方式。但是由于该模型仅考虑胆红素、肌酐、凝血时间等几个参数而未考虑门静脉高压及其并发症情况具有一定的缺陷，同时肝病患者的非肝病因素也会影响上述参数的情况。

1.2 肝脏功能定量试验

向体内输入能被肝脏选择性代谢的物质并测定其在体内的代谢速率，称为药物定量肝功能试验。主要包括吲哚菁绿排泄试验（Plasma disappearance rate of indocyanine green：ICG-PDR）。

吲哚菁绿（Indocyanine Green：ICG）是一种由美国FDA批准的，可用于临床与实验研究的医用染色色素。吲哚菁绿排泄试验在静脉输注吲哚菁绿后，该色素迅速地与血浆血红蛋白结合并随血液循环遍布全身，ICG的清除只决定于：（1）肝血流量；（2）干细胞的功能；（3）胆汁排泄。他只选择性地被肝细胞摄取，再逐步排入胆汁中，不参与肠肝循环，不经肾脏排泄，也不能回流到肝淋巴系统，正常人几分钟便可衰减一半。测血中ICG浓度不受黄疸及溶血标本影响，是一种用于肝脏功能检测和肝有效血流量及个别良恶性肿瘤鉴别的染料药。

ICG色素通过肝细胞吸收及排泄的过程，具有较高的时间依赖性，主要有以15min血液中ICG滞留率（ICG-R15）、血浆ICG清除率（ICG-K）两个主要量化指标。ICG排泄试验能反映肝脏摄取、处理和排泄ICG的全过程，可有效评价肝储备功能。ICG排泄的速度与正常生理功能肝脏细胞数量及流经的肝脏血流量的两大数据正向相关。当肝细胞受损或纤维化后，部分肝细胞受损，无法参与到ICG的清除工作，从而导致整体排泄速率的降低，而测量ICG的变化曲线即可无创获取肝功能数据，并作为术前肝储备功能的定量指标。若术前ICG-R15 ＜10%，可进行广泛的肝切除术；ICG-R15为10%～20%，仅能做肝段切除，要依据剩余肝脏体积和肝硬化程度小心谨慎制定手术方案；ICG-R15＞20%，即使切除1个肝段，手术风险亦较大。

ICG排泄试验主要有采血法及无创法两种。其中采血法是经外周静脉注射ICG后开始计时，每间隔3min（共计15min），从另一侧外周血管（肘正中静脉）置管采集血样去检测吸光度。该操作具有一定的创伤，操作较繁琐3min定时法且具有人为误差，同时还难以做到实时检测。无创法将在下一章节具体介绍。

2.无创法ICG排泄试验国内外研究进展

鉴于有创采血法需多次采样、操作繁琐且难以做到实时检测数据，一种更简便、有效、快速的ICG浓度检测方法在电子技术就更迫切的被人们所希望发明出来替换有创采血法。

上个世纪二三十年代以来，基于Beer-Lambert定律的检测血氧饱和度的方法作为基础来研究。1935年，Karl Matthes（德国物理学家，1905～1962）做出了第一台双波长夹耳式检测血氧饱和度的仪器[6]。随着光电技术的发展，具备无损伤、无感染、便利性的近红外光谱技术成为临床诊断和治疗中的一个重要领域。直到现在，市场上，脉搏血氧仪已在临床广泛运用在手术室、ICU、急诊室及普通病房。

血液中因为氧合血红蛋白（O2Hb）、还原血红蛋白（Hb）的吸光性差异，对不同波长的光的吸收系数不同，在805nm附近是吸收点，在波长为600～700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大。血氧饱和度探头通常用660nm的红光和805nm的近红外光两种光分时序照射被测组织，并用光电二极管在另一侧接收透射光线，如图1血氧检测仪原理图，仪器根据检测到的脉动信号及非脉动信号，推算出血氧含量。

图1. 血氧检测仪原理图

受“耳垂血氧计”的启发，1975年，Yamaguchi提出耳部色素浓度测量法；现在市场上在用的肝储备功能分析仪包括：日本光电公司Takuo Aoyagi在98年全球麻醉学年会上推出了他们最新款的血流动力学床旁检测设备DDG-2001脉搏染料浓度仪。该设备从静脉注射染料并通过一个手指探头可检测心输出指数，同时可以计算出血量及ICG血浆排泄率；日本光电成功于2003年推出的肝功能分析仪DDG-3300K。Maquet集团旗下PULSION品牌推出的LiMON模块，可连续测量动脉血红蛋白功能性氧饱和度和脉搏密度，测量吲哚菁绿的浓度。

N. de Liguori Carino[7]等在2009年提出一个由37人的试验，验证通过Pulsion公司生产的Limon设备，以脉冲分光光度法测量ICG-PDR是一种快速、无创且可靠的患者进行肝切除术前的肝功能测试，有助于预测和早期发现肝切除术后肝功能障碍。

国内各研究团队也对无创法ICG浓度检测进行了充分的研究。

王京京[8]、黄敬涛[9]等在分析了脉搏分光光度模型的基础上，考虑动脉血的主要吸光物资为血红蛋白及色素ICG，建立805nm和940nm的双波长检测系统，但是在低血氧时存在较大的差异。

包泽民[10]、李飞[11]、战荫泽[12]等在日本光电DDG-3300K的基础上，研发了基于660nm、805nm和940nm的三波长的检测电路，并使用中值滤波和差分阈值法，找到脉搏波信号的极值点。而该系统跨阻电路方面选用的是芯片是ad620。

黄迪等[13]提出基于三波长检测系统并通过阈值法计算并拟合定标曲线，计算血氧数值。

李凯扬[14]考虑到动脉、静脉、组织变化及散射信号等因素，加上血氧浓度及icg浓度，共计6个参数，发明基于6个波长分别为λ1=650～680nm、λ2=700～730nm、λ3=750～780nm、λ4=790～810nm、λ5=900～920nm、λ6=930～9500nm的六led检测电路的设计。

除了电路结构上的改变，也有在信号提取上的改进。

张晶等[15]提出结合Sym 8小波变换和中值滤波的方法实现肝储备功能分析的信号消噪。张晓枫[15]在脉搏血氧计的基础上基于660nm、805nm和940nm的三波长测量平台，同时运用稀疏重构的经验模态分解算法，首先对光密度信号进行分解，然后进行分量筛选，并将选定的分类进行重构以得到处理后的信号，并与有创检测进行比较，达到了≤5%的测量精度。

3.三波长肝功能储备仪的分光光度模型

基于上文的分析，基于脉搏血氧式的ICG-PDR无创检测仪具有独特的优势，下文将针对三波长的分光光度模型进行介绍。

3.1 生物组织光谱吸收特性及测量原理

人类通过呼吸将大气中所含的氧气吸入肺部。肺由约3亿个小肺泡构成，而肺泡被毛细血管所包围。在构造上，肺泡壁和毛细血管壁非常薄，因此进入肺泡的氧气会瞬时从肺泡移动到毛细血管内（成人安静状态下0.25s）。扩散到血管内的氧气大多数与红血球内的血红蛋白结合，一部分溶解在血浆中。富含氧气的血液（动脉血）从肺静脉经心脏的左心房和左心室，输送到全身的各脏器，供给各脏器的细胞。所输送的氧气量主要取决于以下3个因素：血红蛋白与氧气的结合程度（肺因子）、血红蛋白浓度（贫血因子）和心输出量（心脏因子）[16]。

氧饱和度是输送到体内的氧气量指标之一，尤其与心肺密切相关，它是能否向体内供给充分氧气的指标。

另一方面，脉搏速率也能测量，心输出量取决于每一次输出的量和每小时输出的次数（等于脉搏速率)，因此心脏因子的部分指标也能用脉搏血氧仪来检测。

在脉搏血氧仪工作时，人体组织主要发生了以下步骤：

某一个特定波长的光照射到手指时，入射光强恒定，我们可以将人体的手指头看做一个吸光的混合物体，大部分入射光将会穿过手指并由另一端传感器接收。而手指头将包括皮肤、肌肉、骨骼、脂肪、血液等不同的生物组织，可以根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律介质的吸光程度只与物质的厚度及浓度有关，我们将手指分成两种，一种是由皮肤、肌肉、骨骼、脂肪、静脉血等静态物质，他们光程不变，浓度不变，我们认为其对光线的吸收量是固定不变的，用Idc标识；另一种是由血液动脉血随着心脏的每一次跳动，手指中也随之变化，从而导致对光吸收率的变化的动态物质，他们光程变化，对光线的吸收量也随着动脉的波动而变化，用Iac标识。

如图2人手指光吸收等效模型所示，本文将引起光程变化的动脉血当做朗伯比尔定律的对象，探讨末梢组织动脉血的变化及对应透射光强的关系。

图2. 人手指光吸收等效模型

当波长是λ，强度是Io的光线通过介质后，透射出的光强是It，根据朗伯比尔定律可知：

同时由于心脏泵血使得脉搏搏动，引起光程的变化记做Δl，而透射光强也随之变化的变化光强记做ΔI，对应光密度变化值记作ΔIλ可得：

又因为ΔI≪ΔIt则

而整个脉动过程中，光密度的交直流变化情况如下：在心脏泵出的血液全部到达手指末梢时，手指充血量最大，手指头中血液体积最大，对光线的吸收最强，出射光最弱；随着静脉血匀速流出，后一次动脉泵血还未到达之时，手指中血液体积最小，对光线的吸收最弱，出射光最强。在整个过程中，出射光的强度随着心脏搏动变化，组成脉动光密度的交直流变化如图3脉搏交流、直流信号示意图所示。脉动的光密度交、直流成分示意图。即ΔI相当于透射光的交流变化部分，记做Iac，It相当于透射光的直流部分，记做Idc。

图3. 脉搏交流、直流信号示意图

实际应用中，通过硬件系统的指甲式光电脉搏传感器获得透射光的交流强度及直流强度，相应光密度变化量可推导为：

同时，通过两路波长透射光信号的比值，用ф标识：

又根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律的可加性，可知

3.2 肝脏功能储备仪分光光电测量模型

根据前人的经验，对于人体手指组织而言，在生物组织光学常用的探测波长范围600～1300nm光谱区，有吸光能力的组织主要成分包括ICG、O2Hb、RHb及黑色素[17]，而根据朗伯比尔定律要求，处于动态变化量的是ICG、O2Hb、RHb三种物质。图4三种物质吸收光谱特性曲线三种主要吸光物质的吸收光谱特性曲线，在波长660nm处，O2Hb和RHb的吸光能力相差最大，是SpO2检测的典型波长；在波长805nm处，指示剂ICG达到光谱曲线峰值，同时O2Hb和RHb的吸光能力基本相同，是检测ICG浓度的典型波长；在940nm处，ICG的吸光系数为零，没有吸光作用，可作为特征光谱检测使用。

图4. 三种物质吸收光谱特性曲线

我们将选择波长为660nm、805nm、940nm的三波长光源作为入射光，根据推导公式6，在ICG注入之前，选用660nm及805nm先求出主要吸光物质的吸收光谱及相应的公式为：

由于检测之前已通过有创常规检查，得知血红蛋白浓度（CO2Hb+CRHB）并且通过硬件电路检测Φ660/805、Φ940/805的数据，因此公式7中仅剩O2Hb和RHb浓度，可以通过公式验证得出两者的比值。其中RSPO2代表O2Hb占血红蛋白浓度的比值，即CO2Hb=RSPO2×(CO2Hb+CRHB)，CRHB=(1-RSPO2)×(CO2Hb+CRHB)。

接下来，注射ICG并计时，同时检测各个波长脉搏波信号数据，并

综上，根据公式9所知，ICG的浓度公式的浓度变化随Φ660/805、Φ940/805、RSPO2及各成分吸光系数决定。根据公式即可得到ICG浓度。

3.3 肝储备参数的算法

在上一节的基础上的理论基础上，本部分讨论血浆消失率ICG-PDR（ICG Plasma Disapperance Rate，即K值）和15min滞留率ICG-R15（ICG 15min Retention Rate）的参数算法。

血浆消失率K是指指示剂在体内消除的一个速率常数，由于ICG在体内以一级反应动力的过程，即浓度值呈现指数规律的衰减变化。因此将ICG浓度的数据取对数作为纵轴，与时间作为横轴组成半对数坐标图，以求得血浆消失率k的数值。

15min滞留率ICG-R15（ICG 15min Retention Rate）是通过ICG在0min及15min的比值，记作

根据公式9，可将第15min的ICG浓度代入，即可获得数据。

4.总结

综上，肝储备功能检测仪，在脉搏血氧仪的基础上，增加注射ICG作为指示剂，检测近红外光谱的吸光差异。但是由于氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）的吸光系数的差异、放大电路选型等各种原因，现阶段检测系统还存在相关的问题。为了解决以上问题，使高效地获得光密度信号，实现有效的信号处理，在检测电路上，应该分析组织脉动成分的吸光系数，制定合理的波长发光及检测系统；在信号提取方面，应该在做好信号处理的前提上合理设置算法。

总体而言，基于脉搏血氧式的ICG-PDR无创检测仪具有无创、实时的优势，能有效评估患者术前肝脏储备功能，同时具有准确性高、特异性好等特点，对术后肝脏功能代偿及损伤情况有一定的预测价值[18,19]。