1、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
2、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
3、 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
4、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，
5、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/
6、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,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,续表: 正常人肝组织氧含量及互相关系数检测结果,续表:正常人肝组织氧含量及互相关系数检测结果,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
7、数系数平均值为-0.9800.08。,图: 正常人肝血氧波形图,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: 正常人肝血氧波形自功率谱图,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: 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
8、几乎完全重合，各波波幅递减,A,C,A,图: 正常人肝血、氧波形互相关函数图,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: 急性肝炎肝组织氧含量及互相关系数检测结果,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
9、率谱主频峰 基底增宽；副频峰活跃,图:急性肝炎血、氧波形自功率谱图,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,续表: 慢性肝炎肝组织氧含量及互相关函数检
10、测结果,续表: 慢性肝炎肝组织氧含量及互相关函数检测结果,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。,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: 慢性肝炎血氧波形图,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:
11、慢性肝炎血氧波形自功率谱图,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: 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。,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
12、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、氧波形互相关函数图与正常人 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,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。,
13、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,
14、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（P0.01）。,表: 各组肝组织氧含量检测结果,表:各肝病组间肝组织氧含量检测结果的t检验,表: 慢性肝炎各组间肝组织氧含量检测结果的t检验,结 果,7. 活血化淤药物的影响 P0.01,8.实验结果特异性、 敏感性、准确性分析,结 果,讨 论,.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
15、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
16、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
17、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
18、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，门诊随诊检查氧含量仅为0.532。以肝组织低含氧（0.86）作为肝病判断标准之一，其准确性为85.3%，特异性为95.8%，敏感性为80%。可见，肝组织低含氧对肝脏疾病的辅助诊断有重要的意义。由于脂肪为均匀的高散射介质，其脂肪肝脂肪的含量对肝组织氧含量影响不大；,讨 论,4.肝病患者自功率谱分析,肝病患者自功率谱检查主频峰不清晰，位置后移，频峰极度活跃。与谢则平等小白鼠CCL4中毒致肝损害动物实验模型一致。 肝脏病人由于肝细胞变性
19、坏死、肝实质炎症、肝小叶结构破坏，尤其是间质纤维组织增生及肝纤维化、假小叶形成等因素的影响，肝组织由均匀介质变为不均匀性介质。光在这种不均匀性介质内传递与光在均匀性介质传递存在明显差异性，表现为自功率谱主频峰不清晰,位置后移，频峰极度活跃，此为肝损害的特征性表现之一。Runman仪能敏感地检测到这一变化。,讨 论,急性肝炎为全小叶性病变，主要以肝细胞肿胀变性为主，坏死较轻，炎症反应发生在汇管区，因而自功率谱变化不显著。但肝组织氧含量降低提示病变的存在。,慢性肝炎时，小叶内除有不同程度肝细胞变性和坏死外，汇管区及汇管区周围炎症常较明显，常伴不同程度的纤维化，主要病变为炎症、坏死及纤维化。,慢性乙
20、型肝炎,汇管区炎症 界面炎（PN） 小叶内：肝细胞变性：气球样变坏死：点灶、融合、桥接、多小叶,随着炎症的加重出现特征性的碎屑坏死和桥接坏死，坏死区和汇管区纤维结缔组织增生，可见不同程度的肝纤维化和纤维间隔形成。,肝纤维化,若病变进一步发展，大量纤维间隔，小叶结构紊乱，或形成早期肝硬化。正常肝组织的均匀性被破坏，肝组织对近红外光的吸收和反射发生变化，表现在肝脏自功率谱主频峰位置后移，出现多峰，基底部增宽。,肝硬化,慢性丙型肝炎肝硬化,慢性乙型肝炎肝硬化,讨 论,5.临床意义 目前常用于肝脏疾病检查的手段主要有：血生化检查和影像学检查，其缺点是有创伤易导致交叉感染采用Runman仪近红外光检测肝
21、组织血氧含量及血氧波形自动率谱变化，主要优点是无创伤安全、方便，而且依靠血氧含量参数值来判断疾病，其结果客观可靠。,优点：操作简便，快速准确，价格低廉及无痛苦无创伤，直接观察血氧含量和血氧波形的变化；避免了穿刺抽血带来的血源性疾病传播和人体放射线损害，减少了影像诊断因图像识别水平差异带来的误诊。适合于各类人群普查和各级医院使用。,应用范围：肝脏疾病普查；肝损害程度判断；评价药物疗效，等；,研究结论,1.Runman仪可较灵敏的反映肝病患者肝组织低血氧及自功率谱变化。2.肝组织低含氧量和自功率谱异常可作为肝病的辅助诊断参考指标。3.该检测操作简单，快速准确，无创伤，价格低，具有一定的临床实用价值。,谢谢,谢谢,
