近紅外技術在整形手術后無創組織氧飽和度監測中的應用

無創組織氧含量檢測瓣膜移植是整形外科中常見的手術。移植可以恢復缺陷，重建功能，改善形狀。本文涉及的是一種取自人體自身腓骨、用于頜面外科的瓣,臨床上稱之為腓骨瓣,它是一種比較典型的埋藏在皮下較深的游離組織瓣。患者由于外傷、局部組織癌變切除等原因,需要對缺損的頜面部進行整形。其移植組織取自自身小腿部位,瓣由一段腓骨連同其附屬的骨膜、肌肉和血管束組成(通常將附屬的骨膜和肌肉合稱為肌袖)。將腓血管與人體頸部的血管相吻合,可以為植入的腓骨提供血氧供應。在用于上下頜骨的重建時,植入的腓骨瓣被體表正常的皮膚和脂肪層所覆蓋。由于目前臨床上還缺乏對埋藏瓣移植后的成活情況進行有效無創監測的手段,因此在有的手術中會在腓骨瓣上附帶移植一塊皮島(包括皮膚、脂肪和一層肌肉組織),醫生在術后可以通過觀察皮島的顏色、溫度、水腫程度等來推測其下方腓骨瓣的成活情況。但是附帶皮島會加大供瓣部位的手術創面,而且皮島也不總是能夠真實地反映其下方腓骨瓣的情況,所以臨床上需要一種無創且使用方便的腓骨瓣監測儀器。近紅外光譜法(NIRS)作為一種無創組織氧含量檢測技術,近20年來發展很快。近幾年來,利用近紅外光譜監測術后皮瓣血氧輸運狀況的研究得到了越來越多的重視。在應用NIRS方法的幾種儀器中,穩態光譜(CW)系統由于其簡單廉價的特點最先得到應用。但是采用一個接收器的CW系統只能測量氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)在一段時間內的濃度變化,不能給出組織氧飽和度(TOI)的絕對數值,這就限制了其在腓骨瓣移植術后監測中的應用。為了彌補這一缺陷,我們使用了一套具有兩個接收器并采用空間分辨(SRS)算法的近紅外腓骨瓣血氧監測裝置,并將其用于臨床,對患者術后移植腓骨瓣和對照側正常組織進行了對比監測,并取得了有價值的結果。1組織氧飽和度t光子在強散射介質中的傳播可以用漫射方程來近似描述。對于半無限大介質,以脈沖方式入射的光子進入生物組織后,其中總會有一部分光子被組織反射后逸出組織表面。根據光在生物組織中傳輸的漫射方程可以得到下面的公式:R(ρ?t)=(4πDc)?32?1μ′s?t?52?exp(?μa?c?t)?exp(?ρ2+μ′?2s4Dct)(1)R(ρ?t)=(4πDc)-32?1μ′s?t-52?exp(-μa?c?t)?exp(-ρ2+μ′s-24Dct)(1)上式中R為反射光強與入射光強之比,ρ為光源與檢測器之間的距離,t為光子在介質中傳播的時間,μa和μ′s分別為介質的吸收系數和約化散射系數,D=13(μa+μ′s)D=13(μa+μ′s)為介質的擴散系數,c為介質中的光速。若以光密度A(ρ)表示從光源發出的光到達檢測器處的衰減,對連續光來說,可以寫出以下的表達式:A(ρ)=?lg∫0∞R(ρ?t)?dt(2)A(ρ)=-lg∫0∞R(ρ?t)?dt(2)由(1)、(2)式聯立并將A(ρ)對檢測距離ρ求偏導數可得下式:?A?ρ=1ln10?(3μaμ′s?????√+2ρ)(3)?A?ρ=1ln10?(3μaμ′s+2ρ)(3)一般我們認為μ′s相對于λ不變,可認為是常數k,A的值可以測得,因此通過(3)式可以求得k·μa(λ)。根據吸收譜的Lambert-Beer定律,將其分別應用于紅光和近紅外光的兩種波長λ1和λ2,可得到[k?HbO2k?Hb]=[εi?j]?1?[k?μa(λ1)k?μa(λ2)]i=HbO2,Hb;j=λ1?λ2(4)[k?ΗbΟ2k?Ηb]=[εi?j]-1?[k?μa(λ1)k?μa(λ2)]i=ΗbΟ2,Ηb;j=λ1?λ2(4)最后我們由TOI=k?HbO2k?HbO2+k?Hb(5)ΤΟΙ=k?ΗbΟ2k?ΗbΟ2+k?Ηb(5)即可求得組織氧飽和度的絕對數值TOI。為了測得?A?ρ?A?ρ,所以至少要在探頭上使用兩個檢測器。2儀器接頭的選擇人體下頜部組織結構比較復雜,若僅是粗略的給出厚度,從體表算起共分為四層,依次為:皮膚、脂肪、肌肉和骨骼(如圖1所示)。其中皮膚厚度大約為1～2mm,脂肪層厚度為3～10mm,肌肉厚度為2～5mm,各層組織厚度視患者肥胖程度有所差異。腓骨瓣內的血流主要集中在肌袖(骨膜和肌肉)中,這也是我們主要監測的部位,當然在骨骼和皮膚中也有少量血流分布,脂肪層中則基本沒有血液。由于在皮瓣監測中,紅光和紅外光基本上都無法穿透位于最深層的骨骼,在考慮光子在組織中的傳輸時,我們認為沒有光子能到達骨骼深處,因此可以將骨骼層視為半無限大介質。為了合理地選擇光源與接收器的距離,以達到接收器與人體的最佳耦合,我們采用MonteCarlo仿真的方法對大量光子在生物組織中傳輸的統計分布規律進行了估算。我們建立的人體腓骨瓣模型各層組織厚度設定見表1,當光源到接收器的距離確定之后,得到仿真結果如表2所示。對于脂肪層厚度為5mm的腓骨瓣模型來說,當兩個檢測距離分別為20和30mm時,在皮膚層中的光子部分路徑長度基本相等(兩種檢測距離PPL1分別為12.1和11.9mm),在脂肪層中的光子部分路徑長度雖然相差較大(PPL2分別為86.2和119.7mm),但是由于脂肪對于光子的低吸收性使得在兩種檢測距離下光子在脂肪層中的吸收相差并不多。以上的皮膚層和脂肪層,以及肌肉層接近脂肪層的一小部分,是移植的腓骨瓣上方的正常覆蓋組織,因此我們對其內部的血氧飽和度并不關心。當檢測距離分別為20和30mm時,可以認為兩種情況下光子在正常覆蓋組織中的吸收量基本相同。而在移植的腓骨瓣區域內(肌肉層的大部分和骨骼層),光子在其中的部分路徑長度相差較大(肌肉層中兩種檢測距離PPL3分別為15.9和29.6mm,骨骼層中兩種檢測距離的PPL4分別為8.2和13.5mm),因此可以認為在分別為20和30mm的兩種檢測距離下,光子吸收量的差異基本由光子在腓骨瓣組織內的路徑長度不同引起(圖2為檢測距離為20和30mm時的光子在組織中傳播示意圖),我們檢測到的TOI值反映的主要是腓骨瓣組織中的氧飽和度水平。基于以上分析,我們設計探頭如圖3所示。儀器探頭采用雙光源——雙接收器的布局。光源為730和850nm雙波長發光二極管,到兩個PIN接收器的距離分別為20和30mm。3術后監測的過失我們與北京大學口腔醫院合作,對6例腓骨瓣移植患者用NIRS方法進行了長時間監測。鑒于分析皮瓣成活率需要進行長時間監測,而將探頭長期固定在檢測部位會給患者帶來不便,因此我們采用了間斷式測量方法。即每隔一段時間測量一次移植側和對照側的TOI值,每次測量時都測多次后將多次結果取平均,測量完畢后將探頭取下。我們對每位患者都進行了6d以上的術后監測,特別是在術后的前24h內,我們大致每2h測量一次移植側和對照側的TOI數值。此外我們還對一例手術失敗的病例進行了下頜部多位置測量。3.1例患者,2圖4為一例腓骨瓣移植患者術后65h內移植側和對照側TOI數值的變化曲線。“○”和“*”連線分別為術后腓骨瓣和對照側的TOI變化曲線。從圖中可以看到,該患者雙側TOI值都有一定幅度的波動,但移植側TOI水平始終低于對照側。我們對6例數據分別統計了術后24h內其腓骨瓣和對照側的TOI均值和方差,并分析了兩者之間的差異,結果如表3所示。圖5為6例患者腓骨瓣/對照側24h內TOI均值的比較圖,從圖中可以直觀地看到腓骨瓣/對照側的TOI差異。從以上數據統計中我們可以發現,在腓骨瓣移植手術后24h內,移植側與對照側的TOI之間存在比較確定性的差異,即移植側的TOI均值略低于對照側,差值幅度在6%以內。這說明即使在手術中成功吻合了皮瓣中的血管,移植皮瓣中的組織氧飽和度也難以在術后短期內恢復到正常組織的水平。3.2病例對照檢測部位對于一例腓骨瓣吻合失敗的病例,我們對其進行了下頜部的多位置測量。該患者由于組織感染,移植腓骨瓣已經壞死。圖6為對該腓骨瓣壞死病例進行監測時的監測部位示意圖。圖中為患者的下頜骨,為了便于分析,我們將整塊下頜骨劃分為6個區域,對每個區域分別進行TOI檢測。圖中1處為腓骨瓣壞死部位,其余第2～6處為正常組織。該病例監測結果如表4,腓骨瓣壞死部位的TOI值為48%,周圍正常組織TOI值約55%。同時我們注意到其他手術成功病例中TOI值多在60%以上,從未低于50%。這提示我們,如果腓骨瓣TOI值在50%以下,則此時瓣內氧的供應嚴重不足,需要引起醫生特別關注。4關于組織氧飽和度測量的應用本文的監測方式是基于SRS方法的定量檢測。先前的CW方法由于只能提供HbO2和Hb濃度在一段時期內的變化量,所以在臨床監測中只能針對單個患者進行長時間的連續監測。在此期間,患者的肢體運動和對檢測部位的擠壓都會導致測量結果比較明顯的波動,其幅度有時甚至超過測量參數真實的變化量。而且儀器長時間被單個患者占用,也降低了儀器的使用效率。相對于以往基于CW方法的半定量檢測,SRS方法最大的優點在于它能夠提供組織氧飽和度的絕對數值。這使得我們可以采用間斷測量的方式,同時為多個患者提供術后監護,提高了儀器效率,也避免了由于患者肢體運動給檢測結果帶來的不利影響。此外,我們通過進行移植側和對照側皮瓣的對比測量,首次觀察到在術后24h內,移植皮瓣內的氧飽和度始終低于正常皮瓣。我們初步認為這是由于術后一段時期內皮瓣內的血液循環尚未完全恢復,而且移植皮瓣處于水腫狀態,組織內壓力較高,阻礙了含氧量高的新鮮動脈血的流入。在實驗中我們還發現,現在儀器探頭所采用的20/30mm檢測距離過于單一,未必對所有患者都是最佳的選擇。患者脂肪層厚度的不同、以及腓骨瓣上是否附帶皮島,對檢測距離提出了不同的要求。為了提高檢測的靈敏度和精度,需根據待測對象的組織結構適當選擇光源到檢測器的距離,使檢測到的光子主要在待測組織內傳輸。在一臺儀器上可以應用幾種不同檢測距離的