医学课件近红外光检测肝组织血氧含量的临床研究

近红外光检测 肝组织血氧含量的临床研究 邓云特 谢则平 艾黎明 樊枫 文航 蒋芳才 湖北省天门市第一人民医院 华中科技大学生命科学与技术学院 研究背景 1.近年来近红外光谱法已用于临床检测脑血氧 和乳腺肿瘤。国外有文献报道采用近红外光 检测肝组织血氧含量的实验研究，但未见作 为肝病辅助诊断参数的临床应用报道。 2.华中科技大学谢则平教授等完成了近红外光 无创伤检测四氯化碳肝损伤动物模型的实验 研究。在此基础上我们进行人体肝脏疾病的 临床检测。 3.肝脏是一个均质实性富含血器 官，肝小叶分布均匀，肝组织供 血与供氧充足，且靠近体表易于 检测。 血管及胆管供应模式图 肝小叶结构模式图 肝小叶 4. 本课题采用美国宾夕法尼亚大 学研制的Runman仪检测一 组正常人和肝病患者，以探讨 近红外光无创检测人体肝组织 血、氧含量的临床应用价值。 技术路线 近红外光检测肝血氧 动物实验研究 临床研究 技术路线 实验研究 CCL4急性肝损伤 肝组织血氧含量 CCL4早期肝硬化 肝组织血、氧波形 小白鼠肝氧下降； 肝血、氧波形改变； 自功率谱主、副频峰比值 改变， 基底部频峰杂乱增多。 小白鼠肝血、氧含量均有变化； 自功率谱主、副频峰比值 改变， 主频峰后移，基底部增宽 且、副频峰增多且峰高。 技术路线 正常人 肝病 肝组织氧含量血、氧 波形自功率谱、互相 关函数图 肝组织氧含量；血 、氧波形自功率 谱、互相关函数图 统计分析 结果 结论 临床研究 技术原理 人体肝脏解剖位置靠近体表，且为均质实 性富含血器官。 探头固定于右锁骨中线第6、7肋间。 技术原理 图 电磁波谱(单位:m) 光谱中波长700nm-1200nm的近红外光具 有较强的人体穿透力且无创伤。 技术原理 肝组织血液中血红蛋白对近红外光的吸收能 力与血红蛋白的状态有密切关系。 根据血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在 近红外光区域内的不同吸收特性，通过检测 肝组织对光线的吸收情况，经数学建模，可 推算出此时血液中的含氧量。 Runman仪通过肝组织对760nm和850nm两 个特定波长的光吸收特征并经计算机分析血 、氧波形的相关函数及自功率谱特征性改变 来检测病人肝组织的氧含量变化， 。 在760nm处脱氧 血红蛋白的光吸 收率大于氧合血 红蛋白的光吸收 率，而在850nm 处则恰好相反。 吸 收 率 波长(nm) Hb HbO2 技术原理 氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的吸收曲线 材料与方法 材料 正常人组48例，其中男31例 ，女17例，年龄范围2258 岁； 肝病组：门诊及住院病人随机检测95例。其中急性肝炎9 例，慢性肝炎64 例，脂肪肝13例，肝硬化9例。 病人诊断分型按2000年第10次全国肝病防治方案制定的 标准，并排除其他全身性疾病。 材料与方法 仪器 Runman仪及光检测探头：美国宾夕法尼亚大学研制； 输出装置：A/D接口板和计算机系统。 Runman仪的接口板，由华中科技大学机械工程学院制作，支持 软件由C语言编写，其采样频率为10Hz，平均精确度为12位。由 于实验中血氧波形频率不超过2Hz，它完全能满足数据分析的需 要。 波形分析程序由华中科技大学生命科学与技术学院编写，采用 Matlab语言编写。可以选择任意点数据做血氧波形互相关函数分 析和两者自功率谱分析，并显示分析结果波形，直接给出延迟为 零时的互相关系数。 材料与方法 方法 探头固定：被测对象安静平卧体位， Runman仪光检测探头置于右锁骨中线第 67肋间处，用胶布固定并用黑布覆盖； 仪器定标与记录波形；调节Runman仪检测 的入射光强，定标B、G均为550，电压为 4V，记录各测试对象接收光强并通过A/D模 /数转换信号输入计算机进行波形分析。 计算被测对象肝组织血、氧含量。 材料与方法 计算公式及血氧评价标准 1）血氧含量计算公式: 以上均为接收光强 2）肝组织低含氧 OXY -0.90 I 850 760 I OXY= 结 果 1.正常人肝组织氧含量、 血、氧波形自功率谱及血 、氧波形自相关函数、互相 关函数图 48例正常人肝组织氧含量平均值为 1.0450.121； 血、氧波形互相关函数系数平均值为 -0.9800.08。 表:正常人肝组织氧含量及互相关系数检测结果 序号姓名编号性别年龄I760I850OxyRxy 1552男22254-2680.95-0.988 2554男23347-3331.04-0.95 3534女25629-5611.26-0.966 4533男261889-17941.06-0.972 5532男23349-3940.87-0.993 6530女56836-9400.89-0.972 7546男231108-11780.94-0.996 8560男241421-12441.14-0.997 9561男23495-5340.93-0.999 10555男22600-5041.19-0.979 11553男22368-3591.01-0.993 12544男24672-7200.93-0.998 13538男423231-3940.84-0.993 14537男25465-4241.10-0.986 15686女561216-9391.30-0.994 16548男522310-3391.03-0.989 17549男21400-3891.03-0.963 18536女281587-12701.25-0.965 19954女25180-2500.72-0.989 20551男34434-4001.09-0.986 续表: 正常人肝组织氧含量及互相关系数检测结果 序号姓名编号性别年龄I760I850OxyRxy 21547男22289-3210.90-0.977 22564男36396-3581.11-0.986 23951男38260-2800.93-0.992 24952男22220-2061.07-0.977 25953男23169-1890.89-0.982 26831男591852-19990.93-0.976 27685男26935-7821.18-0.987 28946女23312-3051.02-0.983 29948女24475-4641.00-0.986 30542男32562-5231.08-0.992 31702男23978-8021.22-0.991 32703男24210-1821.15-0.978 33308男42437-4101.07-0.967 34309女32286-2821.01-0.996 35310女381965-18891.04-0.983 36311男45634-6780.94-0.931 37312女50658-6141.07-0.974 38313男26166-1351.23-0.967 39317男38658-6141.07-0.974 40320女43765-7531.02-0.968 续表:正常人肝组织氧含量及互相关系数检测结果 序号姓名编号性别年龄I760I850OxyRxy 411141男581319-12971.02-0.963 421142女281707-16061.06-0.972 431143男451150-10821.06-0.971 441283女39576-5461.05-0.967 451284女29886-7071.25-0.989 461286女12383-3831.00-0.985 471287女40481-3961.21-0.979 481288女40789-7891.00-0.987 48例正常人肝组织氧含量平均值为1.0450.121； 血氧波形互相关函数系数平均值为-0.9800.08。 图图: 正常人肝血氧波形图图 正常人肝血氧波形表现为自功率谱基底部清晰在 0-2HZ频域内主频峰清晰，主频峰位于0.1- 0.5Hz频 域之间，主频峰与副频峰的比值大于2。 图图: 正常人肝血氧波形自功率谱图谱图 副频峰 主频峰 慢性肝炎病人2.5HZ频域 内自功率谱图 急性肝炎病人2.5HZ频域 内自功率谱图 肝硬化病人2.5HZ频域 内自功率谱图 脂肪肝病人2.5HZ频 域内自功率谱图 正常人2.5HZ频域内自功率谱 图 正常人及肝病病人 2.5HZ频域内自功 率谱图比较 图图: 正常人肝氧波形自相关函数图 正常人肝氧波形自相关函数图A、C字之间的连线与各 波峰、波谷之间的连线连线几乎完全重合，各波波幅递减 A C A 图图: 正常人肝血、氧波形互相关函数图图 正常人肝血、氧波形互相关函数图A、C之间的连线与各波 峰、波谷之间的连线几乎完全重合，各波波幅递减，互相 关系数多在-0.90以下 C A A 结 果 2. 急性肝炎肝组织氧含量、 血氧波形及自功率谱 9例急性肝炎肝组织氧含量平均值为 0.6730.143。 血、氧波形互相关函数系数平均值为 -0.8350.144。 表: 急性肝炎肝组织组织 氧含量及互相关系数检测结检测结 果 序号 编号姓名性别年龄诊 断I760I850OxyRxy 1833潘晓军男21急性肝炎174-2020.861-0.609 2834金 勇男27急性肝炎528-6600.800-0.981 3839汪云发男50慢性肝炎，急性发作217-3350.648-0.842 4884阳 君女31急性肝炎190-2950.644-0.879 5886胡一曼女17急性肝炎188-2590.726-0.824 6889刘国柱男34急性肝炎148-2460.602-0.807 7896鲁江红女24亚急性肝炎 重症156-2460.741-0.884 8897陈贤义男32急黄肝 大三阳81-2460.329-0.824 91114李万红男28急性肝炎551-7760.710-0.923 9例急性肝炎肝组织氧含量平均值为0.6730.143； 血、氧波形互相关函数系数平均值为-0.8350.144。 图:急性肝炎血、氧波形图 急性肝炎病人血、氧波形自功率谱主频峰 基底增宽；副频峰活跃 图图:急性肝炎血、氧波形自功率谱图谱图 s 正常人肝氧波形自相关函数图 急性肝炎病人氧波形自相关函数图与正常人 比较可见一极大S面积 急性肝炎病人血、氧波形自相关函数图 s s 急性肝炎病人血、氧波形互相关函数图与正常 人比较可见一较大S面积 ， 互相关系数大于-0.9 急性肝炎病人血、氧波形互相关函数图 3.慢性肝炎肝组织氧含量、 血、氧波形及自功率谱及 互相关函数图 结 果 64例慢性肝炎肝组织氧含量平均 值为0.7490.140； 血氧波形互相关函数系数平均 为-0.8670.106。 表: 慢性肝炎肝组织氧含量检测结果 序号姓名编号姓名性别年龄病程 程度I760I850OxyRxy 1851代卫琴女302年 轻度273-2900.940-0.991 2852杨爱 君女303年 轻度253-3080.820-0.979 3857刘岳英女354年 轻度117-1710.670-0.968 4860张明月男353年 轻度202-2860.700-0.978 5868汪伏娥女4010年 轻度107-12870.780-0.913 6909金 燕女303年 轻度246-3280.750-0.937 7910江艳兵男242年 轻度377-4730.797-0.978 8908周 萍女322年 轻度111-1620.685-0.849 9TM1278鄢亚平男122年 轻度102-2230.457-0.554 10TM1293肖 峰男231年 轻度273-4220.647-0.987 11841谢楚明男453年 轻度611-8570.713-0.965 12859裴华利男182年 轻度157-2010.781-0.970 13846沈方丹男432年 轻度584-7940.740-0.905 14874邹丹平女565年 轻度156-2160.720-0.928 15875李兆丽女413年 轻度675-7300.780-0.807 16877杨玲丽女295年 轻度195-2240.871-0.985 17894张红艳女2810年 轻度254-3200.793-0.886 18879杨新华男445年 轻度115-1520.816-0.996 19900李 宏男222年 轻度304-4140.734-0.973 20880肖春明男355年 轻度170-2540.669-0.957 续表: 慢性肝炎肝组织氧含量及互相关函数检测结果 序号姓名编号姓名性别年龄病程 程度I760I850OxyRxy 21887胡昌汉男425年 轻度177-2490.711-0.884 22890刘义长男4210年中度3.04-4390.692-0.974 23892杨勇军男306年 中度135-1560.865-0.986 24871王平柱男387年 中度337-4300.780-0.893 25881蒋 清女5710年 中度241-2790.864-0.960 26TM1270李腊安男373年 中度497-6000.830-0.849 27TM1276龚守成男291年 中度140-2360.593-0.826 28TM1277高进军男382年 中度1329-14430.920-0.502 29TM1290陈云华男415年 中度201-2580.780-0.973 30TM1291鄢毛毛那414年 中度471-6300.750-0.988 31TM1294李福新男522年 中度269-3170.849-0.983 32TM1295李汉强男391年 中度884-10920.805-0.978 331117魏开兵男403年 中度52-1210.430-0.628 34832周汉兵男49肝炎 3年 中度1204-16800.716-0.910 35836张运海男45肝炎 3年 中度171-1701.005-0.908 36837李兆年男352年 中度142-1470.966-0.990 37840刘凤娥女485年 中度156-2060.757-0.992 38843杨新华男445年 中度176-5480.868-0.913 39845杨 康女435年 中度141-1980.712-0.973 40847金晓祥男376年 中度146-1880.777-0.994 续表: 慢性肝炎肝组织氧含量及互相关函数检测结果 序号姓名编号姓名性别年龄病程 程度I760I850OxyRxy 41856肖常宏男385年 中度362-5370.674-0.939 42858杨早蓉女313年 中度208-2550.816-0.932 43867黄法荣男4710年 中度759-10070.754-0.938 44870徐荣桂男301年 中度133-1790.743-0.985 45882朱利虎男2810年 中度162-1820.890-0.987 46883董君德男317年 中度550-7100.770-0.882 47888闵爱 林男4010年 中度497-5400.920-0.879 48891陈少华男263年 中度506-6360.796-0.955 49899魏建国男323年 中度223-2550.875-0.962 50907郑 卫男373年 中度165-2100.786-0.891 51905李富荣男462年 中度871-12300.708-0.888 52972李明强男4010年 中度455-4640.981-0.840 531115曾爱喜女322年中度791-8170.968-0.972 541116严正光男456年 重度370-4830.766-0.894 551119曾彩平女477月 重度151-2890.522-0.883 561118陆成荣男384月 重度142-4060.350-0.274 57TM1271王想成男375年 重度81-2080.389-0.140 58TM1272王柱安男373年 重度183-3540.517-0.639 59TM1273李组落男202年 重度190-4230.449-0.770 60TM1279毛志敏男331年 重度259-3590.720-0.409 续表: 慢性肝炎肝组织氧含量及互相关函数检测结果 64例慢性肝炎肝组织氧含量平均值为0.7490.140； 血氧波形互相关函数系数平均值为-0.8670.106。 序号姓名编号姓名性别年龄病程 程度I760I850OxyRxy 61TM1289吴德英女552年 重度440-5110.800-0.842 62TM1292王燕成女523年 重度202-3010.671-0.977 63898彭传祥男383年 重度270-3710.728-0.981 64904李贤成男521年 重度94-1500.627-0.968 慢性肝炎患者肝组织血、氧波形 自功率谱主频峰基底部增宽； 主频峰尖不清晰，呈双 峰或多峰，0-2HZ频域内频峰 活跃，主频峰与副频峰比 值小于2,血、氧波形自功率谱图 频峰对应性降低。 图图: 慢性肝炎血氧波形图图 慢性肝炎患者肝组织血、氧波形自功率谱主频峰基底部增宽 ；主频峰尖不清晰，呈峰或多峰，0-2HZ频域内频峰活跃， 频峰与副频峰比值小于2,血、氧波形频峰对应性降低主。 图图: 慢性肝炎血氧波形自功率谱图 图图: 慢性肝炎氧波形自相关函数图 慢性肝炎氧波形自相关函数图与正常人比较可见一 较 大S面积 ， 互相关系数大于-0.9 S S 慢性肝炎血、氧波形互相关函数图与正常人比较 可见一较大S面积 ， 互相关系数大于-0.9 图图: 慢性肝炎氧波形互相关函数图 S S 4.脂肪肝肝组织氧含量、 血氧波形及自功率谱 及互相关函数图 结 果 13例脂肪肝肝组织氧含量平均值 为0.8840.082； 血氧波形互相关函数系数平均值 为-0.9520.118。 表: 脂肪肝肝组织氧含量与互相关函数检测结 果 序号姓名编号姓名性别年龄诊断I760I850OxyRxy 1842刘三强男36脂肪肝2年轻度563-6860.821-0.953 2844刘淑兵男35脂肪肝2年中度716-8920.863-0.962 3848石玉红男35脂肪肝2年874-10640.821-0.987 4849周 兵男27脂肪肝1年219-2031.079-0.981 5850李泽英女54脂肪肝3年 慢性肝炎1390-17400.787-0.961 6861王华兵男36脂肪肝3年716-9160.782-0.948 7895范兆华男43脂肪肝3年394-4680.841-0.937 8897张爱 兵男34脂肪肝4年中度473-6380.741-0.884 9903鄢毛毛女61脂肪肝5年中度1455-16630.87-0.907 101138严新洲男61脂肪肝 冠心病890-11210.794-0.964 111139黄天平男42脂肪肝 高血压899-10930.822-0.981 12TM304易明启男42脂肪肝482-6100.79-0.987 13TM305石小庚男38脂肪肝813-9410.864-0.967 13例脂肪肝肝组织氧含量平均值为0.8840.082； 血氧波形互相关函数系数平均值为-0.9520.118。 脂肪肝肝组织血、氧波形自功率谱主频峰不清 晰，0-2Hz频域内频峰活跃, 呈明显多峰。 图: 脂肪肝肝血氧波形自功率谱图 脂肪肝肝组织氧波形自相关函数图 图: 脂肪肝肝氧波形自相关函数图（氧） S S 图: 脂肪肝肝组织血、氧波形互相关函数图 脂肪肝肝组织血、氧波形脂肪肝肝组织血、氧波形互相关函数图图与正常人 比较可见一较大S面积 s s 5. 肝硬化肝组织氧含量、 血氧波形及自功率谱 结 果 9例肝硬化肝组织氧含量平均值为 0.6360.151； 互相关系函数系数平均值为- 0.8950.124。 表: 肝硬化肝组织氧含量与互相关函数检测结 果 序号姓名编号姓名 性 别 年龄诊 断I760I850OxyRxy 1838倪明仿男35慢重肝 肝硬化7年194-2900.669-0.973 2863鄢树清男52肝硬化 腹水12年464-8620.532-0.927 3893鄢传香女65肝硬化 晚期558-7870.907-0.961 4901夏杏娥女51肝硬化 3年 重度 腹水372-7110.523-0.837 51112黎汝安男 45重症肝炎4月恢复270-4370.618-0.874 61113甘望发男48肝硬化，肝癌2年381-4810.792-0.893 71114陈成德男56肝硬化 2年71-1900.374-0.931 81148贺会新男37肝硬化腹水366-5060.723-0.879 9TM1274夏杏娥女52乙肝 重症 肝硬化800-13950.573-0.947 9例肝硬化肝组织氧含量平均值为0.6360.151； 互相关函数系数平均值为-0.8950.124。 肝硬化肝血氧波形自功率谱图主频 峰较慢性肝炎更活跃且紊乱，基底 部增宽，出现多峰，频峰在2Hz频 域内多达8-13个。肝组织血、氧波 形互相关函数系数大于-0.86 图: 肝硬化肝组织血氧波形 图: 肝硬化肝血、氧波形自功率谱图（血） 图: 肝硬化肝氧波形自相关函数图 S S 图: 肝硬化肝组织血、氧波形互相关函数图: S S 慢性肝炎病人2.5HZ频域 内自功率谱图 急性肝炎病人2.5HZ频域 内自功率谱图 肝硬化病人2.5HZ频域 内自功率谱图 脂肪肝病人2.5HZ频 域内自功率谱图 正常人2.5HZ频域内自功率谱 图 正常人及肝病病人 2.5HZ频域内自功 率谱图比较 急性肝炎 慢性肝炎 肝硬化 脂肪肝 正常肝 肝血氧自相关 函数图 肝硬化 急性肝炎 慢性肝炎 脂肪肝 肝血、氧互相关 函数图 正常肝 6 . 各组肝组织氧含量检测 结果统计分析 结 果 t检验:提示各类肝病肝组织氧含量比正常人普遍降 低（P0.05无显著性意义 急性肝炎组与肝硬化组160.513p0.05无显著性意义 脂肪肝组与慢性肝炎组752.3280.05p0.01有显著性意义 肝硬化组与慢性肝炎组712.2180.05p0.01有显著性意义 脂肪肝组与急性肝炎组203.391p0.05无显著性意义 重度组与轻度组30 2.5 89 0.05p0.01有显著性意义 重度组与中度组41 3.9 07 p0.01有极显著性意义 结 果 7. 活血化淤药物的影响 P0.01 未用药组 520.6480.194 组别例数(n)氧含量平均值(XS) 用药组260.8650.118 8.实验结果特异性、 敏感性、准确性分析 结 果 讨 论 1.探头检测原理及固定方法 探头光源A与接收光电二极管B间相距4cm，光在生物 组织内的传输为散射传输。 图: 探头检测 原理 讨 论 Runman仪检测探头置于右锁骨中线第6、7 肋间处（临床肝穿刺部位），一般人此处胸 壁的厚度约为1.5cm，探头以最佳检测深度为 3.3cm，同时光线的散射和照射可达深度为 6cm8cm。因此从解剖位置和肝脏厚度而论 ，接收探头接收到的主要是被肝组织吸收后 的光强。 根据Millkam的研究结果，近红外光主要由血 红蛋白吸收，皮肤、骨骼、脂肪吸收很少。 故近红外光检测能准确地反映肝脏血氧含量 的变化。 2.正常人肝组织氧含量及功率谱特征 正常人48例肝组织氧含量平均值为 1.0450.121，按照统计学正态分布的原理,我 们设定以肝组织氧含量低于0.86为异常标准。 正常人肝血氧波形表现为血、氧曲线对应良 好，血、氧功率谱频峰严格对应,互相关函数 系数为-0.9800.008。表明正常生理状态下， 肝组织供血与供氧充足，肝内血液循环与氧 气分布有其特殊规律性，血容量与血氧浓度 呈严格相关性。 讨 论 2.正常人肝组织氧含量及功率谱特征 90%以上的正常人具有清晰的主频峰，频峰以外 2Hz频域内能量分布极小。主频峰位于0.1-0.5HZ 之间，75%的人尚有一副频峰，主频峰与副频峰 的峰值比值大于2。此特征与正常小白鼠功率谱谱 图一致。这种清晰主频峰说明了肝组织血氧波形 频率成分较单一。 从光学角度讲，肝脏是一个均质实性器官，光在 肝小叶这种均匀介质内散射传播形成有一定波动 频率的曲线，故Runman仪能敏感地检测到这种 特征性的波形。 讨 论 3.肝病患者氧含量分析 肝病患者氧含量较正常人明显降低(P0.01)，这 与各类肝病致肝损害的病理变化相符合。肝细胞 肿胀、炎症坏死、肝血窦受压阻塞、汇管区纤维 组织增生等改变均可致肝微循环障碍。且随病情 加重氧含量降低越显著。 以肝组织氧含量低于0.86为判断标准，各类肝病 低氧发生率分别为：急性肝炎8/9（88.9%）、 慢性肝炎51/64（79.7%）、脂肪肝9/13（69.2% ）、肝硬化8/9（88.9%），表明急性肝炎、慢 性肝炎、肝硬化患者肝组织低氧发生率高。 讨 论 3.肝病患者氧含量分析 不同病种的肝组织缺氧程度各异。急性肝炎患者肝组织氧 含量平均值为0.6730.143，慢性肝炎为0.7490.140，脂 肪肝为0.8440.082，肝硬化为0.6360.151。与正常人比 较差异有极显著性意义（P0.01）。且与病情程度有关, 病情越重，氧含量越低。如一例肝硬化腹水患者，门