徐耀 王繼煥 翁玲 顧文燕 沈嘉輝 顧軍民 寧波市醫(yī)療中心李惠利醫(yī)院 （浙江 寧波 315000）

內(nèi)容提要： 肝切除術(shù)后最嚴重的并發(fā)癥是進行性的術(shù)后肝衰竭，準確評估術(shù)前肝功能儲備就顯得尤為重要。目前評價肝功能的檢查很多，吲哚菁綠排泄試驗（ICG-PDR），尤其是其獨特的無創(chuàng)ICG檢測正成為肝臟儲備功能的重要方法。本文針對無創(chuàng)法ICG排泄試驗國內(nèi)外研究進展予以綜述，展望了無創(chuàng)式肝儲備功能檢測儀的發(fā)展方向，同時討論了三波長肝功能儲備儀的分光光度模型的原理。

慢性肝炎、肝硬化及肝衰竭是發(fā)生率較高的肝臟疾病，特別肝衰竭預后差，病死率高[1]。大量的患者因為治療的延誤等各種原因轉(zhuǎn)化成為肝功能衰竭。肝切除術(shù)是目前治療肝臟外科疾病重要治療方式，同時精準外科治療在清除腫瘤目標病灶的基礎(chǔ)上，最大化的保證肝臟的解剖完整性及功能的完整性。肝切除術(shù)后肝功能不全甚至肝衰竭成為患者圍手術(shù)期死亡及影響患者術(shù)后長期生存的重要原因[2]。術(shù)前精確評估肝臟儲備功能，對于選擇合理的治療方法，把握安全的肝切除范圍，從而降低患者術(shù)后肝臟功能衰竭的發(fā)生率具有重要意義[3]。

肝臟儲備功能，是指肝臟耐受手術(shù)、創(chuàng)傷和損害的能力，是衡量人體肝臟細胞活性、健康度的重要指標。肝臟具有巨大的儲備功能及再生能力，正常肝臟可耐受切除70%，而不出現(xiàn)明顯的生理功能紊亂。全面評估肝臟儲備功能，能幫助臨床醫(yī)生全面判讀患者病情的嚴重程度，也有助于準確有效地制定治療方案并評估患者的預后情況[4]。

1.現(xiàn)有評估肝臟儲備功能的主要方法

現(xiàn)有常見的用于評估肝臟儲備功能的方法主要分綜合評分型及定量試驗型等，包括綜合多種指標的綜合評分系統(tǒng)、肝臟功能定量試驗等。

1.1 Child-Pugh評分等綜合評分系統(tǒng)

Child-Pugh分級是目前被廣泛應用的評估方法，常用作肝儲備功能分析以及外科中肝切除術(shù)的風險預測。Child-Pugh分級根據(jù)患者相關(guān)臨床癥狀體征及生化檢查指標、血漿白蛋白、凝血酶原時間、血漿膽紅素、腹腔積液和肝性腦病等因素，進行分級分類，但是存在腹水、肝性腦病等沒有量化指標，需要臨床的主觀判斷；生化指標易受肝外因素影響；未將肝硬化常見的并發(fā)癥如肝腎綜合征、消化道出血、嚴重感染等納入其中[5]；重復性、魯棒性不強。

MELD模型：Malinchoc等提出基于膽紅素、INR、肌酐、膽汁性或酒精性病因的終末期肝病模型（簡稱：MELD）。該模型通過回顧性研究獲得，在終末期肝病患者術(shù)后生存率評定方面優(yōu)于Child-Pugh分級。目前MELD評分是一種判斷終末期肝病患者病情的嚴重程度的重要方式，同時也用作終末期肝病患者肝移植的先后順序的評定方式。但是由于該模型僅考慮膽紅素、肌酐、凝血時間等幾個參數(shù)而未考慮門靜脈高壓及其并發(fā)癥情況具有一定的缺陷，同時肝病患者的非肝病因素也會影響上述參數(shù)的情況。

1.2 肝臟功能定量試驗

向體內(nèi)輸入能被肝臟選擇性代謝的物質(zhì)并測定其在體內(nèi)的代謝速率，稱為藥物定量肝功能試驗。主要包括吲哚菁綠排泄試驗（Plasma disappearance rate of indocyanine green：ICG-PDR）。

吲哚菁綠（Indocyanine Green：ICG）是一種由美國FDA批準的，可用于臨床與實驗研究的醫(yī)用染色色素。吲哚菁綠排泄試驗在靜脈輸注吲哚菁綠后，該色素迅速地與血漿血紅蛋白結(jié)合并隨血液循環(huán)遍布全身，ICG的清除只決定于：（1）肝血流量；（2）干細胞的功能；（3）膽汁排泄。他只選擇性地被肝細胞攝取，再逐步排入膽汁中，不參與腸肝循環(huán)，不經(jīng)腎臟排泄，也不能回流到肝淋巴系統(tǒng)，正常人幾分鐘便可衰減一半。測血中ICG濃度不受黃疸及溶血標本影響，是一種用于肝臟功能檢測和肝有效血流量及個別良惡性腫瘤鑒別的染料藥。

ICG色素通過肝細胞吸收及排泄的過程，具有較高的時間依賴性，主要有以15min血液中ICG滯留率（ICG-R15）、血漿ICG清除率（ICG-K）兩個主要量化指標。ICG排泄試驗能反映肝臟攝取、處理和排泄ICG的全過程，可有效評價肝儲備功能。ICG排泄的速度與正常生理功能肝臟細胞數(shù)量及流經(jīng)的肝臟血流量的兩大數(shù)據(jù)正向相關(guān)。當肝細胞受損或纖維化后，部分肝細胞受損，無法參與到ICG的清除工作，從而導致整體排泄速率的降低，而測量ICG的變化曲線即可無創(chuàng)獲取肝功能數(shù)據(jù)，并作為術(shù)前肝儲備功能的定量指標。若術(shù)前ICG-R15 ＜10%，可進行廣泛的肝切除術(shù)；ICG-R15為10%～20%，僅能做肝段切除，要依據(jù)剩余肝臟體積和肝硬化程度小心謹慎制定手術(shù)方案；ICG-R15＞20%，即使切除1個肝段，手術(shù)風險亦較大。

ICG排泄試驗主要有采血法及無創(chuàng)法兩種。其中采血法是經(jīng)外周靜脈注射ICG后開始計時，每間隔3min（共計15min），從另一側(cè)外周血管（肘正中靜脈）置管采集血樣去檢測吸光度。該操作具有一定的創(chuàng)傷，操作較繁瑣3min定時法且具有人為誤差，同時還難以做到實時檢測。無創(chuàng)法將在下一章節(jié)具體介紹。

2.無創(chuàng)法ICG排泄試驗國內(nèi)外研究進展

鑒于有創(chuàng)采血法需多次采樣、操作繁瑣且難以做到實時檢測數(shù)據(jù)，一種更簡便、有效、快速的ICG濃度檢測方法在電子技術(shù)就更迫切的被人們所希望發(fā)明出來替換有創(chuàng)采血法。

上個世紀二三十年代以來，基于Beer-Lambert定律的檢測血氧飽和度的方法作為基礎(chǔ)來研究。1935年，Karl Matthes（德國物理學家，1905～1962）做出了第一臺雙波長夾耳式檢測血氧飽和度的儀器[6]。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，具備無損傷、無感染、便利性的近紅外光譜技術(shù)成為臨床診斷和治療中的一個重要領(lǐng)域。直到現(xiàn)在，市場上，脈搏血氧儀已在臨床廣泛運用在手術(shù)室、ICU、急診室及普通病房。

血液中因為氧合血紅蛋白（O2Hb）、還原血紅蛋白（Hb）的吸光性差異，對不同波長的光的吸收系數(shù)不同，在805nm附近是吸收點，在波長為600～700nm的紅光區(qū)，Hb的吸收系數(shù)比HbO2的大。血氧飽和度探頭通常用660nm的紅光和805nm的近紅外光兩種光分時序照射被測組織，并用光電二極管在另一側(cè)接收透射光線，如圖1血氧檢測儀原理圖，儀器根據(jù)檢測到的脈動信號及非脈動信號，推算出血氧含量。

圖1. 血氧檢測儀原理圖

受“耳垂血氧計”的啟發(fā)，1975年，Yamaguchi提出耳部色素濃度測量法；現(xiàn)在市場上在用的肝儲備功能分析儀包括：日本光電公司Takuo Aoyagi在98年全球麻醉學年會上推出了他們最新款的血流動力學床旁檢測設(shè)備DDG-2001脈搏染料濃度儀。該設(shè)備從靜脈注射染料并通過一個手指探頭可檢測心輸出指數(shù)，同時可以計算出血量及ICG血漿排泄率；日本光電成功于2003年推出的肝功能分析儀DDG-3300K。Maquet集團旗下PULSION品牌推出的LiMON模塊，可連續(xù)測量動脈血紅蛋白功能性氧飽和度和脈搏密度，測量吲哚菁綠的濃度。

N. de Liguori Carino[7]等在2009年提出一個由37人的試驗，驗證通過Pulsion公司生產(chǎn)的Limon設(shè)備，以脈沖分光光度法測量ICG-PDR是一種快速、無創(chuàng)且可靠的患者進行肝切除術(shù)前的肝功能測試，有助于預測和早期發(fā)現(xiàn)肝切除術(shù)后肝功能障礙。

國內(nèi)各研究團隊也對無創(chuàng)法ICG濃度檢測進行了充分的研究。

王京京[8]、黃敬濤[9]等在分析了脈搏分光光度模型的基礎(chǔ)上，考慮動脈血的主要吸光物資為血紅蛋白及色素ICG，建立805nm和940nm的雙波長檢測系統(tǒng)，但是在低血氧時存在較大的差異。

包澤民[10]、李飛[11]、戰(zhàn)蔭澤[12]等在日本光電DDG-3300K的基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于660nm、805nm和940nm的三波長的檢測電路，并使用中值濾波和差分閾值法，找到脈搏波信號的極值點。而該系統(tǒng)跨阻電路方面選用的是芯片是ad620。

黃迪等[13]提出基于三波長檢測系統(tǒng)并通過閾值法計算并擬合定標曲線，計算血氧數(shù)值。

李凱揚[14]考慮到動脈、靜脈、組織變化及散射信號等因素，加上血氧濃度及icg濃度，共計6個參數(shù)，發(fā)明基于6個波長分別為λ1=650～680nm、λ2=700～730nm、λ3=750～780nm、λ4=790～810nm、λ5=900～920nm、λ6=930～9500nm的六led檢測電路的設(shè)計。

除了電路結(jié)構(gòu)上的改變，也有在信號提取上的改進。

張晶等[15]提出結(jié)合Sym 8小波變換和中值濾波的方法實現(xiàn)肝儲備功能分析的信號消噪。張曉楓[15]在脈搏血氧計的基礎(chǔ)上基于660nm、805nm和940nm的三波長測量平臺，同時運用稀疏重構(gòu)的經(jīng)驗模態(tài)分解算法，首先對光密度信號進行分解，然后進行分量篩選，并將選定的分類進行重構(gòu)以得到處理后的信號，并與有創(chuàng)檢測進行比較，達到了≤5%的測量精度。

3.三波長肝功能儲備儀的分光光度模型

基于上文的分析，基于脈搏血氧式的ICG-PDR無創(chuàng)檢測儀具有獨特的優(yōu)勢，下文將針對三波長的分光光度模型進行介紹。

3.1 生物組織光譜吸收特性及測量原理

人類通過呼吸將大氣中所含的氧氣吸入肺部。肺由約3億個小肺泡構(gòu)成，而肺泡被毛細血管所包圍。在構(gòu)造上，肺泡壁和毛細血管壁非常薄，因此進入肺泡的氧氣會瞬時從肺泡移動到毛細血管內(nèi)（成人安靜狀態(tài)下0.25s）。擴散到血管內(nèi)的氧氣大多數(shù)與紅血球內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，一部分溶解在血漿中。富含氧氣的血液（動脈血）從肺靜脈經(jīng)心臟的左心房和左心室，輸送到全身的各臟器，供給各臟器的細胞。所輸送的氧氣量主要取決于以下3個因素：血紅蛋白與氧氣的結(jié)合程度（肺因子）、血紅蛋白濃度（貧血因子）和心輸出量（心臟因子）[16]。

氧飽和度是輸送到體內(nèi)的氧氣量指標之一，尤其與心肺密切相關(guān)，它是能否向體內(nèi)供給充分氧氣的指標。

另一方面，脈搏速率也能測量，心輸出量取決于每一次輸出的量和每小時輸出的次數(shù)（等于脈搏速率)，因此心臟因子的部分指標也能用脈搏血氧儀來檢測。

在脈搏血氧儀工作時，人體組織主要發(fā)生了以下步驟：

某一個特定波長的光照射到手指時，入射光強恒定，我們可以將人體的手指頭看做一個吸光的混合物體，大部分入射光將會穿過手指并由另一端傳感器接收。而手指頭將包括皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、血液等不同的生物組織，可以根據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律介質(zhì)的吸光程度只與物質(zhì)的厚度及濃度有關(guān)，我們將手指分成兩種，一種是由皮膚、肌肉、骨骼、脂肪、靜脈血等靜態(tài)物質(zhì)，他們光程不變，濃度不變，我們認為其對光線的吸收量是固定不變的，用Idc標識；另一種是由血液動脈血隨著心臟的每一次跳動，手指中也隨之變化，從而導致對光吸收率的變化的動態(tài)物質(zhì)，他們光程變化，對光線的吸收量也隨著動脈的波動而變化，用Iac標識。

如圖2人手指光吸收等效模型所示，本文將引起光程變化的動脈血當做朗伯比爾定律的對象，探討末梢組織動脈血的變化及對應透射光強的關(guān)系。

圖2. 人手指光吸收等效模型

當波長是λ，強度是Io的光線通過介質(zhì)后，透射出的光強是It，根據(jù)朗伯比爾定律可知：

同時由于心臟泵血使得脈搏搏動，引起光程的變化記做Δl，而透射光強也隨之變化的變化光強記做ΔI，對應光密度變化值記作ΔIλ可得：

又因為ΔI?ΔIt則

而整個脈動過程中，光密度的交直流變化情況如下：在心臟泵出的血液全部到達手指末梢時，手指充血量最大，手指頭中血液體積最大，對光線的吸收最強，出射光最弱；隨著靜脈血勻速流出，后一次動脈泵血還未到達之時，手指中血液體積最小，對光線的吸收最弱，出射光最強。在整個過程中，出射光的強度隨著心臟搏動變化，組成脈動光密度的交直流變化如圖3脈搏交流、直流信號示意圖所示。脈動的光密度交、直流成分示意圖。即ΔI相當于透射光的交流變化部分，記做Iac，It相當于透射光的直流部分，記做Idc。

圖3. 脈搏交流、直流信號示意圖

實際應用中，通過硬件系統(tǒng)的指甲式光電脈搏傳感器獲得透射光的交流強度及直流強度，相應光密度變化量可推導為：

同時，通過兩路波長透射光信號的比值，用ф標識：

又根據(jù)朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律的可加性，可知

3.2 肝臟功能儲備儀分光光電測量模型

根據(jù)前人的經(jīng)驗，對于人體手指組織而言，在生物組織光學常用的探測波長范圍600～1300nm光譜區(qū)，有吸光能力的組織主要成分包括ICG、O2Hb、RHb及黑色素[17]，而根據(jù)朗伯比爾定律要求，處于動態(tài)變化量的是ICG、O2Hb、RHb三種物質(zhì)。圖4三種物質(zhì)吸收光譜特性曲線三種主要吸光物質(zhì)的吸收光譜特性曲線，在波長660nm處，O2Hb和RHb的吸光能力相差最大，是SpO2檢測的典型波長；在波長805nm處，指示劑ICG達到光譜曲線峰值，同時O2Hb和RHb的吸光能力基本相同，是檢測ICG濃度的典型波長；在940nm處，ICG的吸光系數(shù)為零，沒有吸光作用，可作為特征光譜檢測使用。

圖4. 三種物質(zhì)吸收光譜特性曲線

我們將選擇波長為660nm、805nm、940nm的三波長光源作為入射光，根據(jù)推導公式6，在ICG注入之前，選用660nm及805nm先求出主要吸光物質(zhì)的吸收光譜及相應的公式為：

由于檢測之前已通過有創(chuàng)常規(guī)檢查，得知血紅蛋白濃度（CO2Hb+CRHB）并且通過硬件電路檢測Φ660/805、Φ940/805的數(shù)據(jù)，因此公式7中僅剩O2Hb和RHb濃度，可以通過公式驗證得出兩者的比值。其中RSPO2代表O2Hb占血紅蛋白濃度的比值，即CO2Hb=RSPO2×(CO2Hb+CRHB)，CRHB=(1-RSPO2)×(CO2Hb+CRHB)。

接下來，注射ICG并計時，同時檢測各個波長脈搏波信號數(shù)據(jù)，并

綜上，根據(jù)公式9所知，ICG的濃度公式的濃度變化隨Φ660/805、Φ940/805、RSPO2及各成分吸光系數(shù)決定。根據(jù)公式即可得到ICG濃度。

3.3 肝儲備參數(shù)的算法

在上一節(jié)的基礎(chǔ)上的理論基礎(chǔ)上，本部分討論血漿消失率ICG-PDR（ICG Plasma Disapperance Rate，即K值）和15min滯留率ICG-R15（ICG 15min Retention Rate）的參數(shù)算法。

血漿消失率K是指指示劑在體內(nèi)消除的一個速率常數(shù)，由于ICG在體內(nèi)以一級反應動力的過程，即濃度值呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律的衰減變化。因此將ICG濃度的數(shù)據(jù)取對數(shù)作為縱軸，與時間作為橫軸組成半對數(shù)坐標圖，以求得血漿消失率k的數(shù)值。

15min滯留率ICG-R15（ICG 15min Retention Rate）是通過ICG在0min及15min的比值，記作

根據(jù)公式9，可將第15min的ICG濃度代入，即可獲得數(shù)據(jù)。

4.總結(jié)

綜上，肝儲備功能檢測儀，在脈搏血氧儀的基礎(chǔ)上，增加注射ICG作為指示劑，檢測近紅外光譜的吸光差異。但是由于氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）的吸光系數(shù)的差異、放大電路選型等各種原因，現(xiàn)階段檢測系統(tǒng)還存在相關(guān)的問題。為了解決以上問題，使高效地獲得光密度信號，實現(xiàn)有效的信號處理，在檢測電路上，應該分析組織脈動成分的吸光系數(shù)，制定合理的波長發(fā)光及檢測系統(tǒng)；在信號提取方面，應該在做好信號處理的前提上合理設(shè)置算法。

總體而言，基于脈搏血氧式的ICG-PDR無創(chuàng)檢測儀具有無創(chuàng)、實時的優(yōu)勢，能有效評估患者術(shù)前肝臟儲備功能，同時具有準確性高、特異性好等特點，對術(shù)后肝臟功能代償及損傷情況有一定的預測價值[18,19]。