一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置及方法与流程

1.本发明涉及医疗器械领域，特别是一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置及方法。


背景技术：

2.断肢(指、趾)再植，是指将完全或不完全离断的肢体在光学放大镜的助视下，重新接回原位，恢复血液循环，使之成活并恢复一定功能的高、精、细手术。皮瓣移植是修复重建外科最基本、最常用的术式之一，是指将本身带有血供的皮肤和皮下组织转移到其他部位，以达到对皮瓣受区部位的修复、再造目的。断指(肢)再植及游离皮瓣术后24-72小时是吻合血管出现血管危象的高发期，发生危象应第一时间进行干预，会提高再植指及游离皮瓣的术后成活率。
3.临床上医生常常通过观察再植肢体或皮瓣的皮肤颜色、皮肤温度、指腹张力、毛细血管回流时间测定等指标判断再植指及游离皮瓣的血运情况。从颜色上讲，指体色泽红润为正常，指体由红润变为苍白或苍白变为浅灰色，说明断指(肢)缺血，系有动脉危象发生。指体鲜红变为暗红，继而变为暗紫色，说明静脉回流受阻，系有静脉危象发生；从温度上讲，移植组织与健侧组织的皮肤温差在0.5-2.0℃以内呈平行变化，说明动静脉吻合口通畅，移植组织血循环良好。皮肤温差突然相差3℃以上时大多是动脉栓塞，应立即手术探查。皮肤温差逐渐增大，一般24-48小时后达到3℃以上时大多是静脉栓塞；从指腹张力上讲，正常手指指腹饱满而富有弹性，如再植指供血不足，指腹张力立即降低，如静脉回流不畅，则指腹张力增高，指腹张力增高到一定程度时，皮肤会出现张力性水泡；从毛细血管回流时间测定上讲，轻轻按压患指的指腹或指甲，此时被压的皮肤或指甲呈苍白色，一旦移开压迫后，受压区在1-2秒内由苍白转为红润，则说明毛细血管回流正常，而指体苍白且测不出毛细血管回流充盈现象，则指体供血障碍，说明发生动脉危象。
4.在临床工作中，目前常用的术前评估组织血运(包括血管定位)的医学影像学方法包括各种多普勒仪器，ct血管造影检查(computed tomographic angiography，cta)，核磁血管造影检查(magnetic resonance angiography，mra)，组织血氧探测仪，荧光素造影等。便携式超声多普勒(hand-held doppler，hhd)：是一种安全、便携的仪器，是临床上最常用的术前穿支血管位置探查设备。然而，hhd对检查者具有较强的依赖性，检查结果的准确性与检查者的临床经验等具有较大相关性。彩色超声多普勒(color duplex sonography，cds)：与hhd相同，也是利用血管回声原理进行血管成像。与hhd相比，cds可以提供更为详细的与穿支血管的起源、口径、肌内行程和血流动力学有关的信息，同样具有无创、无辐射、经济快捷等优点。cds的缺点包括探查所需时间较长，对检查者技术的依赖性较大，无法提供穿支血管在深层组织内的走行情况信息。激光多普勒血流监测仪(laser-doppler flowmetry，ldf)：是一种能够实时监测组织内微循环血流灌注的仪器，在手术过程中可用于评估皮瓣内的血流情况；然而ldf机身较重，且对检查对象的细微运动较敏感，探测穿支血管的能力较差。cta及mra：是较常用的术前穿支血管定位评估的两种方法，在血管可视化
方面具有明显优势。然而，两种方法所使用的设备价格昂贵，cta具有辐射性，为有创检查，对放射科医生技术具有一定依赖性，图像制作及解读需要花费较长时间等；mra禁用于肾功能不全、过敏体质及体内有金属植入物的患者。经皮血氧饱和度监测仪(transcutaneous oxygen monitoring)：术后应用血氧饱和度监测仪可以帮助外科医生发现皮瓣灌注不良的部位，并及时地对灌注差的皮瓣采取干预措施，从而提高皮瓣的成活率。该设备探头需要与被测部位进行接触探测，操作耗时，且空间分辨率较低。荧光素造影技术(fluorescein angiography)：可用于术中对组织灌注情况进行评估，该技术的主要缺点为所用荧光素的半衰期较长，清除时间需要12-18小时，因此，术中不能重复多次使用。
5.吲哚菁绿(indocyanine green，icg)是一种经fda批准的可用于临床的水溶性染料。icg通过外周静脉或中心静脉团注给药进入人体后，98％的吲哚菁绿可以和血液中的血浆蛋白结合，极少渗透至组织间隙，从而可以保留在血管腔内，有较高的特异性，是评估组织灌注的理想染料。icg主要被肝脏摄取，经胆汁代谢，无肝肠循环，无肾毒性。icg在体内的代谢分为两个过程：90％的吲哚菁绿在第一阶段成指数规律清除，其余10％在第二阶段排除，总时间约为66min，在同一手术过程中，可以重复使用。血液中吲哚菁绿吸收光谱范围为650～850nm，最大吸收峰为805nm，经760nm的近红外光激发后产生荧光，荧光发射光谱在820～830nm左右，荧光产量随着吲哚菁绿药物浓度的增加而线性增加，直到浓度超过80mg/l时，荧光产量就会下降。小于700nm的光可被血红蛋白、肌红蛋白等组织吸收，而大于900nm的红外光可被水等液体吸收，都不易透过组织，在吲哚菁绿的吸收发射光谱范围内的光，不易被组织吸收，穿透力强，更适合体内应用。
6.吲哚菁绿血管造影技术(indocyanine green angiography，icga)是一种血管成像方法，在术中或术后可以用于评估浅表组织的血流情况，提供定量的、实时动态的、可视化的组织血运评估结果。icga利用吲哚菁绿近红外光吸收和荧光发射特性，通过近红外光激发血液中的吲哚菁绿，使其产生荧光，用成像器件捕捉并呈现荧光图像，以荧光强度的静态指标或者荧光强度随时间变化(time-density curve，tdc)的动态指标提供组织血流的可视化及定量评估参数，该技术作为一种辅助手段，可以用于评估断指(肢)再植指或皮瓣移植过程中吻合血管的通畅情况及组织瓣的血液灌注状态。icga是目前唯一可在术中定量评估组织灌注的新技术，与传统方式相比具有无创、无辐射、无肾毒性、可多次重复注射、可定量等优势，具有巨大的临床应用前景，但就目前研究进展而言仍存在局限性。
7.从光电容积脉搏波(photoplethysmography，ppg)信号中提取icg色素浓度谱计算icg色素在人体内的代谢规律已成功应用到肝脏外科以无创评估肝脏储备功能。该方法利用光电指夹、鼻夹或耳夹从人体健侧(指端、鼻翼、耳垂)检测动脉脉搏波信号，根据朗伯-比尔定律由血红蛋白浓度计算icg色素代谢曲线。再植指或游离皮瓣因吻合血管通畅程度不同而导致患处icg代谢规律与健侧icg代谢规律有所差异，利用这种差异可以提高icga评估断指(肢)再植和游离皮瓣术后血运的准确度。
8.依据外科医生的临床经验来评估断指(肢)再植及游离皮瓣术后血运情况，这种做法具有很强的主观性，外科医生会根据皮瓣的颜色、温度、指压反应和毛细血管回流情况等评估皮瓣的血运，如果单独通过上述观测指标，要想准确评估组织的灌注、预测皮瓣的转归，通常非常困难。依靠现代医学影像学技术评估组织血液灌注对检查者的临床经验要求较高，部分设备比较昂贵、笨重，且具有放射性，只能在术前使用，不能在术中及时对组织血
运情况进行评估。目前影响icga准确性的因素较多，如温度、光线、icg浓度、术中血流动力学改变、设备稳定性等，使icga结果的假阳性和假阴性仍广泛存在。


技术实现要素：

9.本发明的目的是要解决现有断肢再植及游离皮瓣术后血运评估依靠医生临床经验判断具有不准确、主观性强、不能实时观察的缺点，提供一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置及方法，可实时、定量、准确地评估断指(肢)再植及游离皮瓣术后血运情况。
10.为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
11.一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置，包括光电容积脉搏波信号采集装置、荧光图像采集装置和工作站；所述光电容积脉搏波信号采集装置采集健侧携带有吲哚菁绿药物浓度信息的光电容积脉搏波，并将数字量化后的光电容积脉搏波信号发送给工作站；荧光图像采集装置采集患处血液中的吲哚菁绿产生的荧光图像，并将荧光图像发送到工作站；工作站对接收的数字量化后的光电容积脉搏波信号和荧光图像进行处理，计算人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线，并结合人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数。
12.进一步地，所述光电容积脉搏波信号采集装置包括光电指夹和与光电指夹连接的光电容积脉搏波信号数字量化模块；所述光电指夹夹持在再植肢解剖对称指上，光电指夹将透过手指携带有吲哚菁绿药物浓度信息的光信号转化为电信号以便光电容积脉搏波信号数字量化模块处理。
13.进一步地，所述荧光图像采集装置为为带有近红外光源的荧光成像相机，近红外激发光源激发患处血液中的吲哚菁绿药物产生荧光，荧光成像相机对产生的荧光信号进行成像，所述近红外光源中心波长为740-805nm。
14.进一步地，所述工作站为移动电脑或台式电脑。
15.进一步地，所述近红外光源中心波长为760nm。
16.另外，利用上述断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置可以进行断肢再植及游离皮瓣术后血运评估，包括以下步骤：
17.将光电指夹夹持在再植肢解剖对称指上，将患处置于带有近红外光源的荧光成像相机的成像视野中，并开启近红外光源，按照医生指示将一定浓度和剂量的吲哚菁绿药物通过外周静脉或中心静脉团注给药进入人体，同时带有近红外光源的荧光成像相机和光电指夹开始采集荧光图像和光电容积脉搏波信号，并将数据发送到工作站，连续采集3-15min后，停止采集，工作站对接收的数据进行处理，计算人体内吲哚菁绿药物正常代谢参数，并结合人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数，断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数由根据荧光强度随时间变化曲线计算的参数和吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算的参数相比计算得到，即：
18.相对转运时间ritt＝(itt
(x，y)-itt)/itt，if itt
(x，y)
《itt itt
(x，y)
＝itt；
19.相对达峰时间rttp＝(ttp
(x，y)-ttp)/ttp，if ttp
(x，y)
《ttp ttp
(x，y)
＝ttp；
20.相对平均循环时间rmtt＝(mtt
(x，y)-mtt)/mtt，if mtt
(x，y)
《mtt mtt
(x，y)
＝mtt；
21.相对再转运时间rirtt＝(irtt
(x，y)-irtt)/irtt，if irtt
(x，y)
《irtt irtt
(x，y)
＝irtt；
22.相对灌注速率rpr＝|(pr
(x，y)-pr)|/pr，if pr
(x，y)
》pr pr
(x，y)
＝pr；
23.相对血浆消失率rk＝|(k
(x，y)-k)|/k，if k
(x，y)
》k k
(x，y)
＝k；
24.其中：将吲哚菁绿药物开始注入时刻到icg色素到达光电指夹之间的时间t0记为转运时间itt；
25.将吲哚菁绿药物开始出现到第一循环曲线浓度最大值之间的时间t
0-t1记为达峰时间ttp；
26.将第一循环曲线浓度最大值之后第5-10s的数据进行指数拟合与横轴形成封闭区间，区间面积重心对应的时刻t2记为平均循环时间mtt；
27.将吲哚菁绿药物开始注入时刻到吲哚菁绿药物第二循环曲线开始时刻之间的时间t3记为再转运时间irtt；
28.将吲哚菁绿药物浓度从10％上升到90％的速率记为灌注速率pr；
29.将3-6min内的吲哚菁绿药物浓度数据进行线性拟合，直线斜率的绝对值记为血浆消失率k；
30.(x，y)为当前坐标，每个参数均为二维矩阵，矩阵大小和图像大小相同；
31.将相对转运时间、相对达峰时间、相对平均循环时间、相对再转运时间、相对灌注速率和相对血浆消失率参数进行归一化处理，即将矩阵元素值映射到0-1之间，进行伪彩色处理，即矩阵元素值越大，颜色越深，矩阵元素值越小，颜色越浅；并将结果显示在工作站的显示器上。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33.1.本发明以ppg信号中提取的icg色素浓度谱作为icg色素在人体内的正常代谢曲线，通过比较icga采集的每一像素点处的icg代谢曲线与人体内正常icg代谢曲线的差异性，评估断指(肢)再植及游离皮瓣术后血运情况，避免或减小了不利因素对icga评估皮瓣血运结果准确性的影响，然后直接生成断指(肢)再植及游离皮瓣术后血运评估参数，并以图像化显示，具有直观性和客观性，避免外科医生依靠临床经验评估断指(肢)再植及游离皮瓣术后血运情况的主观性；
34.2.本发明公开的一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置及方法，使用吲哚菁绿作为血管指示剂，具有无肾毒性，无辐射性，半衰期短，可以在术前、术中、术后多次使用。
附图说明
35.图1为本发明的断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置的布置示意图。
36.图2为人体内icg色素代谢曲线。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
38.实施例1
39.如图1所示，本实施例提供了首先提供了一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置，包括光电容积脉搏波信号采集装置、荧光图像采集装置和工作站5；光电容积脉搏波信号采集装置包括光电指夹2(可以使用市购的ddg-3300k探头)和与光电指夹连接的光电
容积脉搏波采集盒1(可以直接在市面上购买)；所述光电指夹2夹持在再植肢解剖对称指上(如图1所示，左手中指为再植指，光电指夹则夹持在右手中指)，光电指夹2将透过手指携带有吲哚菁绿药物浓度信息的光信号转化为电信号传输至光电容积脉搏波采集盒1，光电容积脉搏波采集盒1将数字量化后的光电容积脉搏波信号发送给工作站；荧光图像采集装置为带有近红外光源的荧光成像相机4，近红外激发光源激发患处3血液中的吲哚菁绿药物产生荧光，荧光成像相机4对产生的荧光信号进行成像，所述近红外光源中心波长为740-805nm(本实施例中优选760nm)，荧光成像相机4的分辨率和成像视野相关，要求在合适的工作距离下可以分辨0.4mm直径以上的毛细血管，本实施例中荧光成像相机4分辨率为500万像素(2448x2048)。荧光成像相机4成像帧率要求不低于5帧/秒，本实施例中优选为5帧/秒，评估时将患处域置于荧光成像相机的成像视野中，调整荧光成像相机4以获得合适的成像视野和良好的成像效果，荧光成像相机4采集患处3血液中的吲哚菁绿产生的荧光图像，并将荧光图像发送到工作站5；工作站5为移动电脑或台式电脑，工作站5对接收的数字量化后的光电容积脉搏波信号和荧光图像进行处理，基于朗伯-比尔定律从光电容积脉搏波信号中计算吲哚菁绿药物正常代谢曲线，并结合人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数。
40.需要说明的是：朗伯-比尔定律描述的是当用波长为λ的光照射某一溶液时，入射光强i0与出射光强i之比定义为该溶液中的溶质对该波长的光的吸光度。公式为：
[0041][0042]aλ
为吸光度，ε
λ
为介质的吸光系数，只与溶质种类和入射光波长有关，与溶液浓度、厚度无关，c为溶质浓度，d为光程。
[0043]
当溶液中含有多种溶质时，朗伯-比尔定律符合叠加原理：
[0044][0045]
脉搏色素浓度谱基本思路是：血液可视为一种血红蛋白与血浆混合的溶液，血浆充当溶剂，血红蛋白充当溶质。当吲哚菁绿作为另一种溶质注入血液时，血浆中就含有了两种溶剂。因为血红蛋白和icg色素对不同波长的近红外光有不同的吸光系数，就会引起透射光强的变化。根据血红蛋白和icg色素吸光系数的差异，用不同波长的近红外光照射血液，检测透射光强就可以推出物质的浓度比。以人体指端建立朗伯-比尔定律模型：
[0046]
用单波长的光照射人体指端时，出射光强同时受搏动的动脉血和固定厚度的组织的影响。前者随动脉脉搏的变化而改变，记为交流成分ac；后者的透射光强保持恒定，记为直流成分dc。由于交流成分占直流成分的比例远小于1，若动脉搏动前透射光强为i，搏动时透射光强为i-δi，那么该波长下吸光度为：
[0047][0048]
在805nm和940nm两种波长光照射下，吸光度之比为：
[0049][0050]
则icg色素浓度谱计算公式为：
[0051][0052]
其中c
hb
为血红蛋白浓度，由血常规得到。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例利用上述断肢再植及游离皮瓣术后血运评估装置，进而提供了一种断肢再植及游离皮瓣术后血运评估方法，包括以下步骤：
[0055]
将光电指夹夹持在再植肢解剖对称指上，将患处置于带有近红外光源的荧光成像相机的成像视野中，并开启近红外光源，按照医生指示将一定浓度和剂量的吲哚菁绿药物通过外周静脉或中心静脉团注给药进入人体，同时带有近红外光源的荧光成像相机和光电指夹开始采集荧光图像和光电容积脉搏波信号，并将数据发送到工作站，连续采集3-15min后，停止采集，工作站对接收的数据进行处理，计算人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线，如图2所示。
[0056]
血液流动在人体内是一个不断循环的过程，因此注入血液中的icg色素在未完全均匀地分布在血液之前，从肢端检测的icg色素浓度会有数个随血液循环变化的峰值过程，只不过峰值逐渐减小。通常icg色素代谢曲线包括色素稀释的第一循环曲线和浓度按指数规律衰减的第二循环曲线。
[0057]
根据图2，将吲哚菁绿药物开始注入时刻到icg色素到达光电指夹之间的时间t0记为转运时间itt；
[0058]
将吲哚菁绿药物开始出现到第一循环曲线浓度最大值之间的时间t
0-t1记为达峰时间ttp；
[0059]
将第一循环曲线浓度最大值之后第5-10s的数据进行指数拟合与横轴形成封闭区间，区间面积重心对应的时刻t2记为平均循环时间mtt；
[0060]
将吲哚菁绿药物开始注入时刻到吲哚菁绿药物第二循环曲线开始时刻之间的时间t3记为再转运时间irtt；
[0061]
将吲哚菁绿药物浓度从10％上升到90％的速率记为灌注速率pr；
[0062]
将3-6min内的吲哚菁绿药物浓度数据进行线性拟合，直线斜率的绝对值记为血浆消失率k。
[0063]
然后，结合人体内吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数，断肢再植及游离皮瓣术后血运评估参数由根据荧光强度随时间变化曲线计算的参数和吲哚菁绿药物正常代谢曲线计算的参数相比计算得到，即：
[0064]
相对转运时间ritt＝(itt
(x，y)-itt)/itt，if itt
(x，y)
《itt itt
(x，y)
＝itt；
[0065]
相对达峰时间rttp＝(ttp
(x，y)-ttp)/ttp，if ttp
(x，y)
《ttp ttp
(x，y)
＝ttp；
[0066]
相对平均循环时间rmtt＝(mtt
(x，y)-mtt)/mtt，if mtt
(x，y)
《mtt mtt
(x，y)
＝mtt；
[0067]
相对再转运时间rirtt＝(irtt
(x，y)-irtt)/irtt，if irtt
(x，y)
《irtt irtt
(x，y)
＝irtt；
[0068]
相对灌注速率rpr＝|(pr
(x，y)-pr)|/pr，if pr
(x，y)
》pr pr
(x，y)
＝pr；
[0069]
相对血浆消失率rk＝|(k
(x，y)-k)|/k，if k
(x，y)
》k k
(x，y)
＝k；
[0070]
其中：(x，y)为当前坐标，每个参数均为二维矩阵，矩阵大小和图像大小相同；
[0071]
相对转运时间、相对达峰时间、相对平均循环时间、相对再转运时间、相对灌注速率和相对血浆消失率均为二维矩阵，且矩阵中某元素值越大，表示该元素坐标所记录的患处一定大小区域的血液灌注状态越差。
[0072]
将相对转运时间、相对达峰时间、相对平均循环时间、相对再转运时间、相对灌注速率和相对血浆消失率参数进行归一化处理，即将矩阵元素值映射到0-1之间，进行伪彩色处理，即矩阵元素值越大，颜色越深，矩阵元素值越小，颜色越浅；并将结果显示在工作站的显示器上。
[0073]
通过本实施例的方法，可以为临床医生提供了客观的、实时动态的、可视化的组织血运评估结果，提高了icga结果的准确性。
[0074]
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。