CN111134622A - 一种无创检测体内吲哚菁绿含量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测体内吲哚菁绿含量的装置，它包括：能发射包括波长为805nm的单波长或多波长激光发射装置，光声信号检测及转化装置。本发明优选地还包括超声定位装置，能够精确检测某一特定位置血管内吲哚菁绿的含量，不受其他组织的干扰。本发明可以实现无创检测血液中吲哚菁绿的含量，实现肝脏储备功能的快速评估，具有很好的商业化前景。

Description

一种无创检测体内吲哚菁绿含量的装置

技术领域

本发明涉及一种无创检测体内吲哚菁绿含量的装置。

背景技术

肝脏储备功能是指肝脏受损后健存的肝实质细胞所能发挥的正常功能的总和。在肝脏外科领域，通过注射吲哚菁绿(ICG)，并检测血液中ICG含量随时间的变化，可评估肝储备功能；后者对于确定安全肝切除范围，降低术后肝功能不全发生率具有重要指导意义。另一方面对于非外科的肝病患者，肝炎、肝纤维化、肝硬化患者肝脏储备功能会受到不同程度的损害。中国是世界上为乙肝、肝硬化和肝癌付出最多社会成本的国家，结合ICG对上述患者进行肝脏储备功能评估有助于早期识别潜在的肝损伤，判断预后。

肝脏储备功能的评估方法较多，其中公认、有效的方法是ICG清除试验，其本质是准确获得血液中ICG浓度随时间的变化情况。ICG清除试验现有的操作方法有(1)分光光度法，为直接测量方法，通过采集外周血，经分光光度计测量准确获得ICG的血药浓度，是ICG清除实验的“金标准”，但需定时多次采血，操作较复杂，也难以实时监测；(2)脉动色素浓度测定法(PDD，pulse dye densitometry)为间接测量方法，以脉搏血氧仪的检测原理为基础，根据ICG在波长805nm(ICG摩尔消光系数最大)和900nm(ICG消光系数几乎为零，血红蛋白摩尔消光系数不为零)处的消光系数差异，在鼻翼或手指末端处获得测量区域(包括探头所在位置的所有血管、皮肤及皮下周围组织等)的光密度变化，再通过与已测得的血红蛋白浓度比计算ICG浓度，该方法实时、无创，但在原理上其准确性受到鼻翼或手指探头覆盖区域血管周围组织、动静脉分流、低体温、低脉搏幅度、皮肤色素、血红蛋白浓度测量准确性等多种因素的影响。有研究证实使用PDD所获得的检测结果与被视为“金标准”的分光光度法测量结果相比一致性有明显差异，并且经不同测量部位(鼻翼/手指)所测得的结果在同一次ICG清除试验中也有显著差异。其他肝储备功能评估方法如Child-Pugh等评分系统，操作简便，但特异性和敏感性均较低。影像学方法如CT体积测量法，主要反映肝脏数量而非质量上的储备功能。钆塞酸二钠(普美显)增强MRI，^99mTc-GSASPECT能在一定程度上可反映肝储备功能，但价格昂贵，检查耗时，后者还存在放射性，也缺乏定量的评估标准。弹性超声所测的肝脏硬度值与肝储备功能具有一定的相关性，但肝脏硬度值的测量受到取样误差、炎症、肝病病因等多种因素的影响，其用于间接反映肝脏储备功能的准确性和有效性还有待进一步验证。超声造影定量分析肝脏血流灌注并间接反映肝储备功能的研究较少，影响因素较多，准确性偏低。因此，目前还缺乏一种准确、便捷、无创、可视的技术手段来满足大量的肝储备功能评估需求。

光声成像(Photoacoustic Imaging，PAI)是一种新型的混合成像方式，基于光声效应实现。所谓光声效应是当脉冲光通过组织时，组织的吸收使其内沉积了与组织光学参数相关的能量分布，从而短时间使组织体发热，周期性热流使组织热胀冷缩，激发超声波，即光声信号(Photoacoustic Signal，PAS)。PAS被捕捉后用于重建组织内吸收光强度分布，即光声成像，兼具光学高对比度和超声高分辨率优势。PAS强度与物质的光学特性(主要是光吸收特性)紧密相关，而不同的物质具有不同的光吸收特性，在特定波长下具有特定的光吸收峰，因此利用光声光谱技术，可以定量分析各种组织成分的变化，如血氧饱和度，血红蛋白浓度等，该技术具有实时性、低成本、小型化等众多优势。目前尚未见针对检测体内ICG含量的光声成像装置或方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无创检测体内吲哚菁绿含量的装置。

本发明的技术方案包括：

一种检测体内吲哚菁绿含量的装置，它包括：能发射波长为805nm的单波长或多波长激光发射装置，光声信号检测装置，光声信号转化装置；

所述光声信号转化装置指的是：将光声信号转化为吲哚菁绿含量的装置；

所述体内指人或动物的体内。

如前述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，所述光声信号转化装置内置了数据处理系统，该数据处理系统中包括如下运算规则：

(1)μ_a-ICG＝e*c*ln 10；

(2)p_a-I_CG＝Γμ_a-ICGΦ₀；

其中，e为分子团摩尔消光系数(具体为ICG(结合了血浆蛋白)的消光系数)，c为结合了血浆蛋白的吲哚菁绿的摩尔浓度，p_a-ICG为结合了血浆蛋白的吲哚菁绿产生的光声压，Γ为生物组织的格林尼森参数，Φ₀为光子能量密度，μ_a-ICG为结合了血浆蛋白后吲哚菁绿的光吸收系数；更直观的，运算规则还可以写成：c＝p_a-ICG÷(ln10×ΓeΦ₀)。

如前述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，所述装置还包括超声定位装置。

如前述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，所述装置还包括光声断层扫描成像系统，所述光声断层扫描成像系统用于将光声信号转为图像信号。

一种检测血液中吲哚菁绿含量的方法，它是使用前述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，检测体内或体外血液中的吲哚菁绿。

优选地，所述方法是检测体内血液中的吲哚菁绿的方法。

前述检测体内吲哚菁绿含量的装置在制造检测肝脏储备功能装置中的用途。

本发明的装置具有如下有益效果：

1)能够有效检测血液中ICG的含量，与“金标准”分光光度法检测结果一致性高。

2)能够实现无创检测，且免去了血液样品保存管理。

3)能够实时检测，节约时间。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过具体实施方式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1：体外检测血液中的ICG：A，成像图；B，光声信号强度柱形图，其中编号2～4柱形的下部为基础光声信号强度值，上部为ICG产生的光声信号值；C，由ICG产生的光声信号强度曲线(PA-ICG)与ICG浓度曲线(ICG)的对比。

图2：本发明装置与分光光度法在动物检测中的比较。A：本发明装置检测时兔子的状态，以及检测的位置；B：正常新西兰兔右耳中央动脉光声成像区域横断面图；C：应用光声成像无创检测血液中的ICG含量变化趋势(光声信号强度-时间曲线，PA signal amplitude(a.u.)，简写为PA)与使用“金标准”分光光度法检测结果(吸光度-时间曲线，Spectrophotometer，简写为Spectr)一致。

具体实施方式

实施例1本发明ICG检测装置

本发明包括：

1)能发射波长为805nm的单波长或多波长激光发射装置；

2)光声信号检测装置，负责在激光发射装置发射波长为805nm光时，检测血管/血液中的光声信号强度值；

3)光声信号转化装置，负责将光声信号强度转化为ICG浓度。

ICG检测装置检测ICG浓度的工作原理如下：

理论上光吸收系数表达为：

μ_a＝e*c*ln 10＝2.303 e*c (1)

式中，e为分子团摩尔消光系数，c为摩尔浓度，则根据公式(1)可知：吸光体的光吸收系数μ_a与吸光体浓度c呈线性关系。

而光声信号PAS的强度可表达为：

p＝Γμ_aΦ₀ (2)

其中p为光声压，即是光声信号值。Γ为生物组织的格林尼森参数，Φ₀光子能量密度，μ_a为光吸收系数。在激光器能量稳定且没有明显温度变化的情况下格林尼森参数和光子能量密度保持不变，则根据公式(2)可知：光声信号强度与光吸收系数μ_a呈线性关系。

结合公式(1)和(2)可知，吸光体的光声信号强度与吸光体浓度呈线性关系。

当ICG注射到血液中后，ICG会迅速与血浆蛋白结合，在805nm波长，摩尔消光系数e_ICG达到最大值e_ICG-maximum(约为血红蛋白摩尔消光系数的100倍以上)，e_ICG-maximum在低浓度范围内保持稳定。

为了计算外源的ICG(结合了血浆蛋白)的光声信号强度，需要排除内源性吸光体的光声信号强度，实际使用时，只需将注射ICG后的光声信号强度减去注射ICG前的光声信号强度，即可得到ICG(结合了血浆蛋白)的光声信号强度：

Δp₀＝p_a-ICG＝Γμ_a-ICGΦ₀＝ln10×Γe_ICG cΦ₀

(3)

式中μ_a-ICG表示ICG(结合了血浆蛋白)的光吸收系数，e_ICG表示ICG(结合了血浆蛋白)的消光系数。

那么ICG浓度：

c＝Δp₀÷(ln10×Γe_ICGΦ₀) (4)

简而言之，光声信号检测装置负责直接检测p值，计算Δp₀值；光声信号转化装置负责根据本实施例中的式(4)计算ICG浓度。

另外，光声信号转化装置还可以根据回归曲线来计算ICG浓度，具体如下：

1)使用分光光度法取样检测动物或人体内的血液，得到ICG浓度c，同时使用光声信号检测装置检测p值，计算Δp₀值；收集7个以上Δp₀与c的数据对；

2)使用光声信号转化装置将Δp₀与c的数据对得到线性回归曲线，即通常意义的“标准曲线”；

3)当光声信号再次检测未知ICG浓度样本的光声信号，得到对应Δp₀值，即代入到回归曲线，得到样本的ICG浓度。

实施例2本发明ICG检测装置

在实施例1的基础上，本发明的检测装置还搭载了光声断层扫描成像系统，用于将光声信号转为图像信号。

实施例3本发明ICG检测装置

在实施例1或2的基础上，为了确保光声信号只来源于血管内而不受到周围皮肤及皮下软组织影响，本发明的装置还包括超声定位装置，用于精确位置的血管内ICG的光声信号分析和成像。

实施例4本发明ICG检测装置的一种使用方法

使用方法如下：

1)使用激光发射装置发射805nm波长激光照射被检对象(以新西兰兔为例)右耳中央动脉，使用光声信号检测装置检测的血管内光声信号p₁(基线)；

2)向被检对象注射ICG 0.5mg/kg，并记录注射时间；

3)使用激光发射装置发射805nm波长激光照射被检对象(以新西兰兔为例)右耳中央动脉，使用光声信号检测装置检测的血管内光声信号p₂(观察值，可以多次检测)，并记录采集P₂距离注射ICG的时间T；

4)计算Δp₀，Δp₀＝p₂-p₁。

由于Δp₀与ICG浓度成线性关系(成正比)，直接使用Δp₀来代表ICG含量，与时间T作图，即可间接反映肝功能。

以下将以实验例的形式对本发明做进一步说明。

实验例1检测离体血液中ICG(结合了血浆蛋白)的光声信号强度

1.方法

同一份血液，抗凝，均分为4份，编号1～4，其中1号为空白对照，2～4号分别加入终浓度为0.3×10^-3、0.3×10^-2、0.3×10^-1mg/ml的ICG。使用实施例2的装置对1～4号血液样品进行光声信号检测。

2.结果

如图1所示，随着ICG浓度增加，光声信号强度也增加，两者变化趋势基本一致。

实验例2本发明肝功能检测装置活体无创检测评估肝功能的能力

1.方法

实验组：

将本发明肝功能检测装置(实施例3)固定到新西兰兔身上，选定右耳中央动脉处做好检测准备；再向正常活体新西兰兔注射0.5mg/kgICG(5mg/ml)，实时进行光声成像，计算得到光声压p₀，减去基准线(注射ICG前的)，得到注射ICG前后光声信号强度的变化Δp₀。

对照组(肝功能检测“金标准”法，即分光光度法)：

先从正常活体新西兰兔采血，再注射0.5mg/kg ICG(5mg/ml)连续采血，每份血液离心取血浆，检测805nm处光吸收值；得到注射后采血对应光吸收值减去注射前采血对应光吸收值的差值ΔA。

2.结果

如图2所示，本发明的装置能够检测体内注射ICG前后光声信号强度的变化Δp₀变化，且变化趋势与“金标准”法检测的光吸收值差值ΔA吻合度高。

由于本发明检测的ICG的光声信号变化Δp₀与“金标准”法光吸收差值ΔA均与ICG浓度线性相关，且两者在趋势上十分吻合，因此，直接使用Δp₀来代表ICG含量，与时间T作图，即可间接反映肝功能。

本发明的装置可以用于评估肝功能，且准确度与“金标准”法接近。

综上，本发明的装置能够无创、实时检测体内ICG浓度变化，克服了“金标准”法需要采血进而对检测对象的伤害，也免去了血液样品保存带来的管理上的成本，更节约了检测血液样本所需操作时间。本发明的装置准确度高，与“金标准”法吻合度高，可望代替后者成为检测体内ICG浓度的新工具，极具应用前景。

Claims (7)

1.一种检测体内吲哚菁绿含量的装置，其特征在于：它包括：能发射波长为805nm的单波长或多波长激光发射装置，光声信号检测装置，光声信号转化装置；

所述光声信号转化装置指的是：将光声信号转化为吲哚菁绿含量的装置；

所述体内指人或动物的体内。

2.如权利要求1所述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，其特征在于，所述光声信号转化装置内置了数据处理系统，该数据处理系统中包括如下运算规则：

(1)μ_a-ICG＝e*c*ln 10；

(2)p_a-ICG＝Γμ_a-CGΦ₀；

其中，e为分子团摩尔消光系数，c为结合了血浆蛋白的吲哚菁绿的摩尔浓度，p_a-ICG为结合了血浆蛋白的吲哚菁绿产生的光声压，Γ为生物组织的格林尼森参数，Φ₀为光子能量密度，μ_a-ICG为结合了血浆蛋白后吲哚菁绿的光吸收系数。

3.如权利要求1所述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，其特征在于，所述装置还包括超声定位装置。

4.如权利要求1所述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，其特征在于：所述装置还包括光声断层扫描成像系统，所述光声断层扫描成像系统用于将光声信号转为图像信号。

5.一种检测血液中吲哚菁绿含量的方法，其特征在于，它是使用如权利要求1～4任一所述的检测体内吲哚菁绿含量的装置，检测体内或体外血液中的吲哚菁绿。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法是检测体内血液中的吲哚菁绿的方法。

7.权利要求1～4任一所述检测体内吲哚菁绿含量的装置在制造检测肝脏储备功能装置中的用途。

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