胃粘膜血供分析仪
作者：徐顺潮 李月南 王均培 方申健
单位：徐顺潮(上海市激光技术研究所 上海 200233)；李月南(上海市激光技术研究所 上海 200233)；王均培(上海市激光技术研究所 上海 200233)；方申健(上海市激光技术研究所 上海 200233)
关键词：光学多道分析技术；胃溃疡；血供参数
中国医疗器械杂志000104
提 要：一种采用光学多道分析技术配合胃镜快速、无创伤地测定胃粘膜血供参数(血氧饱和度、血红蛋白和氧合血红蛋白)的新型装置。介绍了测量原理、仪器结构以及在临床上的一些测量结果，表明仪器在胃体不同部位和胃溃疡部位进行测量，能为临床诊断提供依据。
中图分类号：TH773 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1000-6974(2000)01-0012-04
Gastric Mucosa Blood-Supply Analyzer
XU Shun-chao
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
LI Yue-nan
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
WANG Jun-pei
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
, 百拇医药
FANG Shen-jian
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
Abstract：A new medical device, using a gastroscope and the OMA technology, is intoduced in this paper, It is used to determine the blood-supply parameters (oxygen saturation, hemoglobin and onygenated hemoglobin)of gastric mucosa quickly and noninvasiuely.Besides,its testing principles and stucture are described here.The clinical testing resuets obtained from various parts of the stomach and gastric ulcer show that they are very important and very useful informations for clinicd diagnosis.
, 百拇医药
Key words：OMA technology;Gastri mucosa;Blood-Supply parameters▲
胃部疾病的发生和发展，同胃粘膜的血液供应状况直接相关。近年来已先后发展了“排氧法”、“激光多普勒法”等技术用于测定胃粘膜的血液供应信息。由于这些方法存在着一定的局限性，至今还难以满足临床的要求。近年来，人们又采用了光学方法检测生物组织的某些光谱特性来了解组织的血供情况。
早期的工作是在耳廓两旁分别放一小灯泡和一个带有狭带滤光片探测器的方法测定耳廓部位的血氧饱和度。最近几年，市场上出现了不少采用二个或三个发射不同波长的发光二极管代替灯泡，按接收器接收的光强计算出这几个波长上的组织光谱特性，进而获得组织的血氧饱和度参数，但这种方法无法在人体胃部内使用。
本仪器采用了新发展的光学多道分析技术，传感头采用反射型光纤配合内窥镜进入胃部，快速地获得被测组织的反射光谱特性。根据与氧结合的血红蛋白和与氧分离的血红蛋白分别具有的特征吸收谱，进而计算出被测组织的血红蛋白和氧饱和度(血液中与氧结合的血红蛋白和全部血红蛋白的比例)等参数。这是一种光学无损检测技术在生物医学中的新应用，是一种很有发展前途的新技术。
, http://www.100md.com
1 装置结构
1.1 仪器框图
本仪器框图如图1所示，它实际上是一台简易的光学多道分析仪。光纤把照明光源发出的白光引到被测组织，其部分光进入生物组织，经血细胞吸收、散射，返回的光经光纤收集后传输到多色仪，经光栅分光，在探测器敏感面上形成一幅光谱图。探测器采用面列阵CCD探测器，这样就可以得到一幅540～660nm信噪比很高的光谱图。
图1 仪器结构框图
1光源.2光纤.3被测组织.4多色仪.5探测器.
6数据采集电路.7计算机.8显示、打印
1.2 光纤、分光系统和探测器
, 百拇医药
本仪器的光纤采用Y型结构，光入射端是圆形的，为了提高入射端的光通量，把卤素灯、集光镜、滤光片排成直线，调整集光镜的位置，使集光效率达到最佳配置。光纤出射端的出射光纤是随机排列的，经我们多次实验，这种结构是集光效率较好的一种。收集光纤的出射端是排成0.1×9mm长条窄带，它和多色仪的入射狭缝相匹配。
多色仪的结构框图如图2所示。
图2 多色仪示意图
1 CCD探测器.2 反射镜.3 光珊.4 入射狭缝
光栅采用600条/mm的衍射光栅，分辨率优于2nm，探测器采用价格低的具有高分辨率的黑白CCD摄像头改制，作为面列阵CCD探测器用，每一行扫描对应一条光谱线，采用多次叠加的方式，显著地抑制了系统的噪声，获得了信噪比较高的血细胞吸收光谱线，在本仪器中，一幅光谱图是叠加25次后再进行计算的，所以信噪比较高。为防止搬运原因引起镜子角度变化，而导致光谱图位置移动，本仪器特设有以He-Ne激光波长为标准的波长校正软件。系统的谱线分布不均匀是采用汞灯的几条谱线来修正的。
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1.3 数据采集和信号处理
由光纤收集的反射光经光栅分光后，投射到CCD探测器上，产生幅度为0～1V，带宽为1.2MHz的视频信号，经积分后变成直流电平，再送A/D转换器，输入到微机。由于探测器是采用摄像机改制的，扫描方式为TV制式的隔行扫描方式。在电路中设有一个奇偶场鉴别器，奇数场所获的一幅光谱图和偶数场所获的一幅光谱图要相互套叠起来，才获得一幅完整的光谱图。其电路框图如图3所示。
图3 数据采集电路框图
2 测量方法
2.1 生物组织光谱特性的测定
如图4所示，入射光为L(λ)，被测物的反射光为Q(λ)，首先对一标准白板进行测量(540nm～660nm范围内，白板的反射率是已知的，为Rs(λ))。那么，此白板的反射特性Qs(λ)为：
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Qs(λ)=T(λ).Rs(λ).L(λ)
图4 测量方法示意图
式中的T(λ)是系统的光学传输特性，Rs(λ)是标准白板的反射光谱特性，而探测器输出的光电流谱为：
Is(λ)=T(λ).Rs(λ).L(λ).D(λ)
式中的D(λ)为探测器的光谱响应率。
仪器先存储此白板的反射光谱信号Is(λ)，然后再对生物组织进行测量Ix(λ)：
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Ix(λ)=T(λ).Rx(λ).L(λ).D(λ)
式中Rx(λ)为生物组织的光谱特性。
定义生物组织的吸收光谱特性为A(λ)：
A(λ)=log[Ix(λ)/Is(λ)]
=log[T(λ).Rx(λ).L(λ).D(λ)]-
log[T(λ).Rs(λ).L(λ).D(λ)]
, 百拇医药
=logRx(λ)-logRs(λ)
所得到的A(λ)就是与光源、光纤、光学系统、探测器等光谱特性无关的一个量。因为白色标准板的反射光谱特性是已知的，故所获得的A(λ)仅取决于生物组织的光谱特性。
2.2 血红蛋白的吸收光谱
血红蛋白的吸收光谱如图5所示。
图5 血红蛋白的吸收光谱图
其中实线是100%氧化的血红蛋白的吸收光谱特性，虚线为0%的血红蛋白的吸收光谱特性，所谓的血氧饱和度就是全部血红蛋白中氧化的血红蛋白的比例数。由于氧化的血红蛋白和未氧化的血红蛋白在569mm和650mm二个波段上吸收率是一致的，但大小是不同的。当血红蛋白总量增加时，二个波段上的吸收率之差也增大，故二个波段上吸收率之差的大小反映了血红蛋白总量的多少。根据日本住友株式会社提供的方法(见图6)，被测组织的血红蛋白IHb为：
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IHb=K2.C
图6 血红蛋白和氧饱和度的计算示意图
而氧饱和度的大小由A/B来决定：
即ISO2=K1.A/B
本仪器中K1，K2均暂取为1。
在临床上由于生物体的代偿作用，医生往往更喜欢用氧合血红蛋白这个量来描述组织血供状态，即当氧饱和度降低时，而通过血红蛋白的总量来补偿：
IHbO2=IHb.ISO2
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3 仪器的主要技术指标
(1) 分光方式：采用600线/mm衍射光栅分光；
(2) 波长测量范围：540nm-660nm；
(3) 探头：光纤(1.2m长)，外径为
2.2mm；
(4) 打印参数：被测组织的光谱特性曲线，被测组织的血红蛋白IHb，被测组织的血氧饱和度ISO2,被测组织的氧合血红蛋白IHbO2；
(5) 测量方式：单次，(采样时间为1秒)；连续(间隔10秒给出一组数据)；
(6) 打印方式：液晶屏，打印机；
, 百拇医药
(7) 光源：150W卤钨灯；
(8) 电源功率：200W，50Hz，220V。
4 临床应用与讨论
采用OMA系统可快速无创伤地测定胃粘膜组织光谱特性，进而获得血红蛋白和血氧饱和度等参数。在临床上对于病情的判断和治疗效果的分析有重要意义[1][2]。本仪器经上海仁济医院和第六人民医院临床使用，配合内窥镜对35例粘膜基本正常的病人和25例胃溃疡患者进行了检查，其基本结果如下：
(1) 对胃粘膜基本正常的病人，分别测定其胃体、胃底、球部、胃角和胃窦5个部分，结果如表1所示：
表1 35病例胃粘膜不同部位血供参数平均值 部位
ISO2
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IHb
IHbO2
胃体
0.492
104.9
51.69
胃底
0.487
99.72
48.51
球部
0.475
, 百拇医药
76.72
36.32
胃角
0.479
74.36
35.47
胃窦
0.479
67.5
32.37
从表1可见，正常胃粘膜的血供状况随胃内的部位变化有着较大差异，胃体优于胃底，胃底优于球部，胃角和胃窦(即胃体>胃底>球部>胃角>胃窦)，这个结论和日常临床表现出的溃疡部位大多发生在胃窦、胃角和球部的现实情况相一致。
, 百拇医药
(2) 对25例胃溃疡患者进行了测量，分别对溃疡中心部位，溃疡边缘部位及溃疡周围正常粘膜进行了检测，表2给出了其中5例溃疡患者的测试数据。表2 5例溃疡患者的测试数据 序
号
溃疡中心部位
溃疡边缘部位
溃疡周围正常粘膜部位
ISO2
IHb
IHbO2
ISO2
, 百拇医药 IHb
IHbO2
ISO2
IHb
IHbO2
1
0.53
39.5
20.9
0.54
82
, http://www.100md.com
44.3
0.55
71
39.1
2
0.52
39.0
20.3
0.53
79
41.9
0.52
68
, http://www.100md.com
35.4
3
0.50
42.0
21.0
0.57
72
41.1
0.48
67
32.2
4
0.54
, 百拇医药
44.0
23.8
0.56
70
39.2
0.50
74
37.0
5
0.55
41.0
22.6
0.58
, 百拇医药
74
42.9
0.51
76
38.8
由表2可见，溃疡中心部位血供状况最差。其中IHb明显低于周围正常粘膜，而溃疡边缘组织血供最好，这同溃疡边缘组织血管扩张，发生红肿相一致，对于溃疡部位组织及其周围的血供状况，根据表2，可以通过示意图表示，如图7所示。
图7 溃疡部位血供情况示意
1 溃疡中心部位.2 溃疡边缘部位.
, 百拇医药 3 溃疡周围正常粘膜部位
从临床检查情况来看，当溃疡部位接近症愈时，溃疡部位血供变好，溃疡边缘部位血供趋近正常组织的血供。即图7中(1)、(2)二部位血供状况差异变小，逐渐逼近周围正常粘膜的血供状况。
采用OMA技术对生物组织光谱特性的分析，对胃溃疡的病情分析和治疗效果判断，具有临床意义。近几年得到迅速发展。利用这种方法还可以测定组织的胆红素、葡萄糖、颜色等参数，是一种很有发展前途的新技术。据国外资料报道，这种新技术还可以为心血管、肝硬化等疾病的诊断和治疗提供重要参数；为新生儿呼吸窘迫的实时监视和脑外科手术进行报警，为皮肤科、骨科、口腔科的治疗效果判断提供依据。在国内这是一种完全新型的仪器，值得进一步深入进行临床试验。■
本仪器在研制过程中，得到上海仁济医院消化所和上海第六人民医院光电医学室众多专家的支持和协助，谨致谢意!
参考文献：
[1]川野 淳，ほか.胃粘膜血行动态の三次元およひカラ一表示の检讨.Gastroent Endoscopy.1982；24:1374.
[2]Kamada, T.,et al.Gastric Mucosal hemodynamics after thermal or head injury.A Clinical application of reflectance spectrophotometry.Gastroenterology.1982；83:535.
收稿日期：1998-11-2, 百拇医药
单位：徐顺潮(上海市激光技术研究所 上海 200233)；李月南(上海市激光技术研究所 上海 200233)；王均培(上海市激光技术研究所 上海 200233)；方申健(上海市激光技术研究所 上海 200233)
关键词：光学多道分析技术；胃溃疡；血供参数
中国医疗器械杂志000104
提 要：一种采用光学多道分析技术配合胃镜快速、无创伤地测定胃粘膜血供参数(血氧饱和度、血红蛋白和氧合血红蛋白)的新型装置。介绍了测量原理、仪器结构以及在临床上的一些测量结果，表明仪器在胃体不同部位和胃溃疡部位进行测量，能为临床诊断提供依据。
中图分类号：TH773 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1000-6974(2000)01-0012-04
Gastric Mucosa Blood-Supply Analyzer
XU Shun-chao
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
LI Yue-nan
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
WANG Jun-pei
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
, 百拇医药
FANG Shen-jian
(Shanghai Lnstitute of Laser Technology)
Abstract：A new medical device, using a gastroscope and the OMA technology, is intoduced in this paper, It is used to determine the blood-supply parameters (oxygen saturation, hemoglobin and onygenated hemoglobin)of gastric mucosa quickly and noninvasiuely.Besides,its testing principles and stucture are described here.The clinical testing resuets obtained from various parts of the stomach and gastric ulcer show that they are very important and very useful informations for clinicd diagnosis.
, 百拇医药
Key words：OMA technology;Gastri mucosa;Blood-Supply parameters▲
胃部疾病的发生和发展，同胃粘膜的血液供应状况直接相关。近年来已先后发展了“排氧法”、“激光多普勒法”等技术用于测定胃粘膜的血液供应信息。由于这些方法存在着一定的局限性，至今还难以满足临床的要求。近年来，人们又采用了光学方法检测生物组织的某些光谱特性来了解组织的血供情况。
早期的工作是在耳廓两旁分别放一小灯泡和一个带有狭带滤光片探测器的方法测定耳廓部位的血氧饱和度。最近几年，市场上出现了不少采用二个或三个发射不同波长的发光二极管代替灯泡，按接收器接收的光强计算出这几个波长上的组织光谱特性，进而获得组织的血氧饱和度参数，但这种方法无法在人体胃部内使用。
本仪器采用了新发展的光学多道分析技术，传感头采用反射型光纤配合内窥镜进入胃部，快速地获得被测组织的反射光谱特性。根据与氧结合的血红蛋白和与氧分离的血红蛋白分别具有的特征吸收谱，进而计算出被测组织的血红蛋白和氧饱和度(血液中与氧结合的血红蛋白和全部血红蛋白的比例)等参数。这是一种光学无损检测技术在生物医学中的新应用，是一种很有发展前途的新技术。
, http://www.100md.com
1 装置结构
1.1 仪器框图
本仪器框图如图1所示，它实际上是一台简易的光学多道分析仪。光纤把照明光源发出的白光引到被测组织，其部分光进入生物组织，经血细胞吸收、散射，返回的光经光纤收集后传输到多色仪，经光栅分光，在探测器敏感面上形成一幅光谱图。探测器采用面列阵CCD探测器，这样就可以得到一幅540～660nm信噪比很高的光谱图。
图1 仪器结构框图
1光源.2光纤.3被测组织.4多色仪.5探测器.
6数据采集电路.7计算机.8显示、打印
1.2 光纤、分光系统和探测器
, 百拇医药
本仪器的光纤采用Y型结构，光入射端是圆形的，为了提高入射端的光通量，把卤素灯、集光镜、滤光片排成直线，调整集光镜的位置，使集光效率达到最佳配置。光纤出射端的出射光纤是随机排列的，经我们多次实验，这种结构是集光效率较好的一种。收集光纤的出射端是排成0.1×9mm长条窄带，它和多色仪的入射狭缝相匹配。
多色仪的结构框图如图2所示。
图2 多色仪示意图
1 CCD探测器.2 反射镜.3 光珊.4 入射狭缝
光栅采用600条/mm的衍射光栅，分辨率优于2nm，探测器采用价格低的具有高分辨率的黑白CCD摄像头改制，作为面列阵CCD探测器用，每一行扫描对应一条光谱线，采用多次叠加的方式，显著地抑制了系统的噪声，获得了信噪比较高的血细胞吸收光谱线，在本仪器中，一幅光谱图是叠加25次后再进行计算的，所以信噪比较高。为防止搬运原因引起镜子角度变化，而导致光谱图位置移动，本仪器特设有以He-Ne激光波长为标准的波长校正软件。系统的谱线分布不均匀是采用汞灯的几条谱线来修正的。
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1.3 数据采集和信号处理
由光纤收集的反射光经光栅分光后，投射到CCD探测器上，产生幅度为0～1V，带宽为1.2MHz的视频信号，经积分后变成直流电平，再送A/D转换器，输入到微机。由于探测器是采用摄像机改制的，扫描方式为TV制式的隔行扫描方式。在电路中设有一个奇偶场鉴别器，奇数场所获的一幅光谱图和偶数场所获的一幅光谱图要相互套叠起来，才获得一幅完整的光谱图。其电路框图如图3所示。
图3 数据采集电路框图
2 测量方法
2.1 生物组织光谱特性的测定
如图4所示，入射光为L(λ)，被测物的反射光为Q(λ)，首先对一标准白板进行测量(540nm～660nm范围内，白板的反射率是已知的，为Rs(λ))。那么，此白板的反射特性Qs(λ)为：
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Qs(λ)=T(λ).Rs(λ).L(λ)
图4 测量方法示意图
式中的T(λ)是系统的光学传输特性，Rs(λ)是标准白板的反射光谱特性，而探测器输出的光电流谱为：
Is(λ)=T(λ).Rs(λ).L(λ).D(λ)
式中的D(λ)为探测器的光谱响应率。
仪器先存储此白板的反射光谱信号Is(λ)，然后再对生物组织进行测量Ix(λ)：
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Ix(λ)=T(λ).Rx(λ).L(λ).D(λ)
式中Rx(λ)为生物组织的光谱特性。
定义生物组织的吸收光谱特性为A(λ)：
A(λ)=log[Ix(λ)/Is(λ)]
=log[T(λ).Rx(λ).L(λ).D(λ)]-
log[T(λ).Rs(λ).L(λ).D(λ)]
, 百拇医药
=logRx(λ)-logRs(λ)
所得到的A(λ)就是与光源、光纤、光学系统、探测器等光谱特性无关的一个量。因为白色标准板的反射光谱特性是已知的，故所获得的A(λ)仅取决于生物组织的光谱特性。
2.2 血红蛋白的吸收光谱
血红蛋白的吸收光谱如图5所示。
图5 血红蛋白的吸收光谱图
其中实线是100%氧化的血红蛋白的吸收光谱特性，虚线为0%的血红蛋白的吸收光谱特性，所谓的血氧饱和度就是全部血红蛋白中氧化的血红蛋白的比例数。由于氧化的血红蛋白和未氧化的血红蛋白在569mm和650mm二个波段上吸收率是一致的，但大小是不同的。当血红蛋白总量增加时，二个波段上的吸收率之差也增大，故二个波段上吸收率之差的大小反映了血红蛋白总量的多少。根据日本住友株式会社提供的方法(见图6)，被测组织的血红蛋白IHb为：
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IHb=K2.C
图6 血红蛋白和氧饱和度的计算示意图
而氧饱和度的大小由A/B来决定：
即ISO2=K1.A/B
本仪器中K1，K2均暂取为1。
在临床上由于生物体的代偿作用，医生往往更喜欢用氧合血红蛋白这个量来描述组织血供状态，即当氧饱和度降低时，而通过血红蛋白的总量来补偿：
IHbO2=IHb.ISO2
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3 仪器的主要技术指标
(1) 分光方式：采用600线/mm衍射光栅分光；
(2) 波长测量范围：540nm-660nm；
(3) 探头：光纤(1.2m长)，外径为
2.2mm；
(4) 打印参数：被测组织的光谱特性曲线，被测组织的血红蛋白IHb，被测组织的血氧饱和度ISO2,被测组织的氧合血红蛋白IHbO2；
(5) 测量方式：单次，(采样时间为1秒)；连续(间隔10秒给出一组数据)；
(6) 打印方式：液晶屏，打印机；
, 百拇医药
(7) 光源：150W卤钨灯；
(8) 电源功率：200W，50Hz，220V。
4 临床应用与讨论
采用OMA系统可快速无创伤地测定胃粘膜组织光谱特性，进而获得血红蛋白和血氧饱和度等参数。在临床上对于病情的判断和治疗效果的分析有重要意义[1][2]。本仪器经上海仁济医院和第六人民医院临床使用，配合内窥镜对35例粘膜基本正常的病人和25例胃溃疡患者进行了检查，其基本结果如下：
(1) 对胃粘膜基本正常的病人，分别测定其胃体、胃底、球部、胃角和胃窦5个部分，结果如表1所示：
表1 35病例胃粘膜不同部位血供参数平均值 部位
ISO2
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IHb
IHbO2
胃体
0.492
104.9
51.69
胃底
0.487
99.72
48.51
球部
0.475
, 百拇医药
76.72
36.32
胃角
0.479
74.36
35.47
胃窦
0.479
67.5
32.37
从表1可见，正常胃粘膜的血供状况随胃内的部位变化有着较大差异，胃体优于胃底，胃底优于球部，胃角和胃窦(即胃体>胃底>球部>胃角>胃窦)，这个结论和日常临床表现出的溃疡部位大多发生在胃窦、胃角和球部的现实情况相一致。
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(2) 对25例胃溃疡患者进行了测量，分别对溃疡中心部位，溃疡边缘部位及溃疡周围正常粘膜进行了检测，表2给出了其中5例溃疡患者的测试数据。表2 5例溃疡患者的测试数据 序
号
溃疡中心部位
溃疡边缘部位
溃疡周围正常粘膜部位
ISO2
IHb
IHbO2
ISO2
, 百拇医药 IHb
IHbO2
ISO2
IHb
IHbO2
1
0.53
39.5
20.9
0.54
82
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44.3
0.55
71
39.1
2
0.52
39.0
20.3
0.53
79
41.9
0.52
68
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35.4
3
0.50
42.0
21.0
0.57
72
41.1
0.48
67
32.2
4
0.54
, 百拇医药
44.0
23.8
0.56
70
39.2
0.50
74
37.0
5
0.55
41.0
22.6
0.58
, 百拇医药
74
42.9
0.51
76
38.8
由表2可见，溃疡中心部位血供状况最差。其中IHb明显低于周围正常粘膜，而溃疡边缘组织血供最好，这同溃疡边缘组织血管扩张，发生红肿相一致，对于溃疡部位组织及其周围的血供状况，根据表2，可以通过示意图表示，如图7所示。
图7 溃疡部位血供情况示意
1 溃疡中心部位.2 溃疡边缘部位.
, 百拇医药 3 溃疡周围正常粘膜部位
从临床检查情况来看，当溃疡部位接近症愈时，溃疡部位血供变好，溃疡边缘部位血供趋近正常组织的血供。即图7中(1)、(2)二部位血供状况差异变小，逐渐逼近周围正常粘膜的血供状况。
采用OMA技术对生物组织光谱特性的分析，对胃溃疡的病情分析和治疗效果判断，具有临床意义。近几年得到迅速发展。利用这种方法还可以测定组织的胆红素、葡萄糖、颜色等参数，是一种很有发展前途的新技术。据国外资料报道，这种新技术还可以为心血管、肝硬化等疾病的诊断和治疗提供重要参数；为新生儿呼吸窘迫的实时监视和脑外科手术进行报警，为皮肤科、骨科、口腔科的治疗效果判断提供依据。在国内这是一种完全新型的仪器，值得进一步深入进行临床试验。■
本仪器在研制过程中，得到上海仁济医院消化所和上海第六人民医院光电医学室众多专家的支持和协助，谨致谢意!
参考文献：
[1]川野 淳，ほか.胃粘膜血行动态の三次元およひカラ一表示の检讨.Gastroent Endoscopy.1982；24:1374.
[2]Kamada, T.,et al.Gastric Mucosal hemodynamics after thermal or head injury.A Clinical application of reflectance spectrophotometry.Gastroenterology.1982；83:535.
收稿日期：1998-11-2, 百拇医药