基于近红外光谱与光电容积脉搏波技术的毛细血管再充盈时间测量仪的设计与开发
引言
毛细血管再充盈时间（Capillary Refill Time，CRT）是远端毛细血管床在受压后恢复其原有颜色所需要的时间，为临床医生通过毛细血管再充盈试验获取的定量数据，是血液向远端毛细血管流动情况最直接的观察指标。CRT的延长可见于各种原因导致的休克、肢体动脉梗阻性病变、应用缩血管药物、冻伤、脉管炎等疾病。但近20年来，CRT因其敏感性与特异性存在争议[1]，在临床上的应用越来越少。
近年来，越来越多的研究发现中心循环参数的正常化并不能带来病死率的下降[2-4]，而微循环受到越来越多的关注。由于人体代偿机制的存在，外周皮肤与肌肉的血流往往牺牲最早，而恢复最晚[5]，可敏感和准确地反映机体最差的微循环状态。CRT作为无创、快捷的指标再次受到急重症医学领域研究者的关注，近期国外研究显示，CRT的延长与危重症患者组织低灌注和器官衰竭风险存在显著的相关性[6]。
追溯CRT逐渐被临床弃用的原因不难发现，其敏感性与特异性差可能与其影响因素多、重复性差、观察误差明显[7-8]等因素有关，且目前临床并无标准的测量方法。为进一步减少按压毛细血管床的位置与压力、观察者偏倚等因素的影响，本课题组基于近红外光谱技术与光电容积脉搏波技术，设计了毛细血管再充盈时间测量仪，对CRT进行标准化、机械化测量，并结合人工智能技术，获取其他多项可反映人体循环状态的监测指标。
1 毛细血管充盈时间测量仪的设计原理与架构
本设备设计的基本原理为Lambert-Beer定律[9]和光电容积脉搏波理论[10]。Lambert-Beer定律的数学表达式为A=lg(1/T)=Kbc，其中A代表吸光度，T代表透光度，K代表摩尔吸收系数，b代表吸收层厚度，c代表吸光物质浓度。其物理意义为，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，而透光度T与c、b成反比。氧合血红蛋白对波长660 nm红光吸收量较少，对波长900 nm的红外光吸收量较多；而相反，脱氧血红蛋白对660 nm的红外光吸收量较多，而对900 nm的红外光吸收量较多[11]。由此，可采用近红外光谱对人体组织的氧合血红蛋白浓度进行检测。同时，静脉血、骨骼、肌肉、皮肤等对近红外光的吸收信号是恒定的，而外周动脉血的容积和吸光度则随着心脏搏动产生周期性变化。因而，当光电传感器发出的光照射在人体手指末端时，在接收端接收到的电信号就包含搏动和非搏动两个部分，搏动部分所呈现出的形态即为人体的光电容积脉搏波[12]。
毛细血管再充盈时间测量仪由清华大学附属北京清华长庚医院与清华大学精密仪器系共同开发，基于上述原理采用近红外光谱技术对远端毛细血管床中的动脉血流中的血红蛋白含量进行连续监测，并设置电磁加压装置对远端毛细血管床进行加压。当人体组织被挤压到一定程度时，搏动波信号消失，但非搏动波信号则由于静脉血减少、血红蛋白含量下降、组织厚度减少而增强。为方便观察分析，最后用软件采集计算系统进行数据的二次转换、数据存储与分析计算。其总体设计架构如图1所示。
图1 毛细血管再充盈时间测量仪系统架构图
毛细血管再充盈时间测量仪初步设备主要由加压测量器、主机、显示屏、电源开关等部分组成。设备主控模块使用树莓派，分别连接血红蛋白含量测量模块、电磁加压模块、控制显示模块。血红蛋白测量模块使用MAX30100芯片发射和接收红外光以测量血红蛋白含量的变化，树莓派通过I2C接口和MAX30100通信，配置寄存器控制其测量并读取数据。控制部分使用两个外接按钮，使用树莓派的GPIO输入。
2 初步测试图与特征参数的提取分析
基于本课题组已发表的文献综述，目前使用的毛细血管再充盈时间的人为测量方法，具体过程为：保持环境温度为20℃～25℃，最佳按压部位为手指末端，手指末端与心脏位置持平，最佳按压时间为5 s，撤除压力后尽可能采用秒表测量。使用这种方法需尽可能减少环境温度、按压部位、按压时间等因素对数据结果的影响。因此，本课题组在环境温度20℃～25℃下，保持手指末端与心尖位置持平，设置机器按压时间为5 s，对十名健康成人进行初步的数据测量采集，均获取到有效数据与图形。实际测试图，见图2。
图 2 毛细血管再充盈时间测量仪实际测试图
我们抽取其中一组测量数据导入Matlab 7.0作图，见图3。标记需要提取的数据S、a、B、θ、C，分述如下：S为单次心脏搏动产生的脉搏波曲线下面积，代表指尖搏动血流量中的氧合血红蛋白总量，在氧合血红蛋白浓度一定的条件下，S值大小与单次心脏搏动带来的指尖动脉血流量正相关；a为基线状态脉搏波在坐标轴上的最高点与最低点的差值，代表指尖搏动血流中氧合血红蛋白含量的最大值，在周围血管弹性一定的条件下，该参数与周围血管的灌注压力正相关，同样可能与平均动脉压存在正相关关系；B为基线时脉搏波在坐标轴上的最低点与按压后脉搏波的最低点的差值，代表按压前后指尖血流中氧合血红蛋白的差值，在氧合血红蛋白浓度一定的条件下，B值与按压时远端毛细血管中减少的血流量正相关，后者等于远端毛细血管再充盈过程中增加的血流量；C为松开按压后指尖的氧合血红蛋白含量恢复至基线水平所需的时间，可等同于人为测量的CRT值；θ为毛细血管再充盈直线（将松开按压时脉搏波的坐标点与松开按压后脉搏波回到基线时的坐标点相连接获得的直线）与横坐标轴的夹角，tanθ=B/C，为直线斜率，代表松开按压后氧合血红蛋白再充盈至毛细血管的速率。
S值、a值为基线时脉搏波上获取的参数，两者均采用光电容积脉搏波描记术获得。近年来，很多研究团队都发现运用光电容积脉搏波描记术所描记出的脉搏波包含了心搏功能、血液流动等重要的生理信息，尝试建立数学模型，利用脉搏波参数估计心输出量，并已取得一定成果[13-15]。据此我们推测，在循环系统管路封闭、环境温度相对恒定、人为振动小等特定情况下，S值、a值的变化可能可以反映心输出量、平均动脉压力等中心循环指标的变化。
图 3 毛细血管再充盈时间测量仪测量示意图
B值、C值、tanθ为机器按压后从脉搏波上获取的参数，分别代表了手指指尖按压前后整个毛细血管床的变化血流量、毛细血管床再充盈至基线水平所需要的时间、毛细血管床的再充盈速率。三者均受毛细血管灌注压力、毛细血管床张力、毛细血管内皮功能以及血液黏稠度等因素的影响，可准确反映远端毛细血管床的循环状态。其中tanθ指标与血管阻断试验时所获得的近红外光谱监测数据中的血红蛋白复氧斜率相似，而近期诸多研究显示血红蛋白复氧斜率与心脏术后患者的液体反应性、疾病预后等具有明显相关性[16-17]。据此，我们提取出B、C、θ三个特征参数做下一步分析验证。
3 结论
CRT可很好地反映机体微循环状态，但其临床应用一直受限于参数测量的人为因素干扰与测量方法的不统一。本课题组基于近红外光谱技术与光电容积脉搏波技术，设计并制作了一套完整的毛细血管再充盈时间测量仪的硬件检测系统，在此基础上又进行了软件设计，使得CRT的测量标准化、机械化的同时，又获取其它多项可反映人体循环状态的监测指标。设备制作与测量成本低，操作简易，携带便捷，为急危重症、外周血管疾病等疾病的诊断与治疗打开新的诊断思路和监测手段。本课题组将继续努力，完成数据提取的软件设计工作，并积极开展设备的可靠性与准确性验证试验。
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Design and Development of Capillary Refilling Time Measuring Instrument Based on Near-Infrared Spectrum and Photoelectric Plethysmography