基于氢廓清骨血流自动测试仪的研制
作者：李海云 李玉军 杨尚春 刘尚礼
单位：李海云 首都医科大学医学工程系(北京 100054)；李玉军 杨尚春 刘尚礼 中山医科大学(广州 510089)
关键词：氢廓清技术；测试；骨血流
北京生物医学工程990111 摘 要 采用氢廓清技术，研制了一种以80C51单片机为控制核心的骨血液自动测试仪，该仪器能自动监控氢廓清过程，完成采样数据除噪，并根据FICKS原理对数据进行回归分析处理，计算并显示打印出局部血流量，操作过程简便，测试精度高。
The Development of an Automatic Device for Measurement of the Bone Blood Flow Based on Hydrogen Washout Technique
, 百拇医药
Li Haiyun
(Dept.BME,Capital University of Medical Science,Beijing 100054)
Li Yujun, Yang Shangchun, Liu Shangli
(Sun Yat-sen University of Medical Sciences,Guangzhou 510089)
Abstract An automatic experimental apparatus, which is based on MCS80C51 microprocessor, has been developed, The aparatus is used to measure the bone blood flow based on Hydrogen washout technique. It can monitor the Hydrogen washout procedure autom atically and remove noise from sampled data. Based on FICKS theory, the apparatu s can also conduct recurrsive data analysis and processing and calculation autom atically. Local bone blood flows can be displayed and printed out. It is easy to operate the apparatus, and the precision is high.
, 百拇医药
Key words:Hydrogen washout technique; Determination; bone blood flow
0 前 言
近代医学研究证明：骨微循环障碍、组织灌注不足是很多骨疾患发生的病理生理基础，研究骨血流在不同生理或病理状态下的改变，对客观准确地认识骨血流动力学无疑起重要作用。目前对骨循环研究多集中在定性和半定量方面，在骨血流的定量测量方面，自1922年以来，先后出现了直接测定法、亲骨及非骨性放射性核素廓清法、Cr红细胞标记法、放射性微球法、氢廓清等。除氢廓清外，其它方法不是对实验对象创伤损害太大，就是准确性欠佳。公认最为准确的定量测量法—放射性微球法需游离出骨组织进行放射性记数，无法推广应用于人体。比较完善的方法是氢廓清技术，可长时间重复测定不同组织和部位的局部血流量，氢气无毒且对组织器官的生理因素影响小，可推广应用于人体。但使用时影响因素较多，测试仪器尚不统一，手工计算复杂且易产生误差，我们应用80C51单片机研制了一种基于氢廓清骨血流自动测试仪，自动检测氢廓清过程，操作简便，测试精度高，实现了骨血流的自动测试，对临床骨血流的定量测定具有重要价值。
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1 系统测试原理
氢廓清技术建立在Ficks原理[1～3]基础上，系统检测到测试对象吸氢后组织中氢浓度随时间的变化，根据Ficks原理有：
F/W=(lnCV00-lnCV)λ/t (1)
(其中CV：组织在T时刻的氢气浓度
CV00：开始去饱和时的组织中的氢气浓度
F：组织内总的血流量
W：被测组织重量
λ：组织血液中的分配系数
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根据式(1)得出
F/W=ln(CV00/CV)λ/t (2)
(3)
由(3)式知道：从去饱和开始组织中的廓氢浓度的对数随时间成线性变化。在测量过程中由于被测对象的随机运动会带来尖脉冲干扰，干扰通常会影响个别采样点的数据，此数据与相邻采样点的数据相差比较大，实施连续4次数据采样，去除其中的最大值和最小值，计算中间两个数据的平均值作为采样计算数据。存入相应的数据存储单元。既滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。对采样计算数据取对数，这些对数值理论上应当满足Ficks原理—随时间成线性变化。但实际上由于生理系统及测量系统引入的干扰，实际数据存在偏差。对测量数据作一元线性回归分析。
取200个采样计算数据(lnCVi,,ti)i=0,1,…199,用直线y=at+b作回归分析，其中a,b为回归系数，yi=lnCVi。采用最小二乘法原理有：
, 百拇医药
其中
所以：
λ：组织血液中的分配系数，λ=0.78
2 系统结构
我们采用80C51单片机为控制核心研制了一个完善的骨血流测试系统，该系统能自动完成数据采集、数据处理和分析，监视氢廓清过程，并能显示和打印廓氢曲线和血流量测定结果。信号预处理电路完成信号放大、滤波、偏移整定，使信号满足处理要求。A/D转换采用ADC0809，转换时间为100μs，由于信号属于低频信号，变化缓慢，故不需加采样保持。采用了TMA12864液晶显示器显示动态波形。其结构原理如图1。
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图1 骨血流测试系统原理结构图
3 测试结果
采用由AC19/1直流复射式检流计和X-W/Q-C-100A/200A型长图自动平衡记录仪组成的测试系统I[4，5]和我们研制的测试系统Ⅱ分别测量了新西兰兔股骨头血流量。测试结果如下：
表中Fa及Fb血流值呈正态分布，方差齐，行配对t检验，两者无显著性差异；(t=-1.04,p=0.196)；有直线相关关系，相关系数r=0.991(p=0.000)。但测试系统Ⅰ存在手工计算复杂且易产生误差等缺点。不能进行完善的数据处理。
表1 新西兰兔股骨头血流量及相应血压与心率
N
X
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S
L1
R1
L2
R2
L3
R3
L4
R4
L5
R5
Fa
7.95
8.19
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12.29
12.07
16.44
15.03
17.11
17.30
9.01
9.65
12.50
3.74
Fb
8.85
8.60
, 百拇医药
12.25
12.55
15.78
15.21
17.05
16.58
10.46
11.02
12.84
3.15
Bp
15.0
13.5
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13.0
14.0
14.0
13.0
13.3
13.5
14.7
14.5
13.9
0.7
HR
320
310
, 百拇医药
290
280
290
300
260
260
280
270
286
20
N：兔序号，L1：1号兔左股骨头，R1：1号兔右股骨头，余类推；Fa：测试系统I所测血流量(ml/min/100g),Fb：测试系统Ⅱ所测血流量(ml/min/100g)；Bp：血压(kPa)，HR：心率(beats/min)，x:均数；s:标准差。
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4 分析与讨论
研制的骨血流自动测试仪适应于骨血流的定量测定，实时检测廓氢过程，自动滤除干扰，进行数据回归分析，可完成结果测定的显示和打印，计算精度高，客观可靠。可长时间重复测定不同组织和部位的局部血流量，氢气无毒且对组织器官的生理因素影响小，可推广应用于人体。是目前最经济的血流检测方法。在临床骨科中可用于：①生理状态下各骨组织局部血流的测定，确定其正常范围。②早期诊断骨缺血性疾病及跟踪其供血变化过程③监测各类骨病的骨供血情况。④骨折愈后评估。⑤创伤后截肢平面的选择。有着广泛的应用前景。也存在一些缺点：①有创性检查②结果仅能反映电极周围的局部血流量，不能反映整个组织的血流量。改进的办法：①研制出灵敏度高的刚性好的微电极。②研制电极阵列完成整个组织的血流量的测定。
作者简介:李海云 31岁，男，讲师，生物医学工程博士。
5 参考文献
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[1]何鸣谦.测量局部血流量的氢气清除法.中华物理医学杂志，1989，11：176
[2]Indreasano AT,Lundell ML. Measurement of regional bone blood flow in the rab bit mandible using the hydrogen washout technique. J Den Res, 1981, 60:1365
[3]Thomson JG, Kerrigon CL. Hydrogen clearance assessment of technique for measurement of skinflap blood flow in pigs. Plast Reconstr Surg, 1991, 88:657
[4]李玉军.氢廓清技术定量测定股骨头血流量.中山医科大学学报增刊，1997，18：51
[5]吾柏铭，刘励军，洪小苏.测定健康家兔局部心肌血流量.中国应用生理学杂志，1993 ，9：179
(1998-04-06收稿，1998-05-18修回), 百拇医药
单位：李海云 首都医科大学医学工程系(北京 100054)；李玉军 杨尚春 刘尚礼 中山医科大学(广州 510089)
关键词：氢廓清技术；测试；骨血流
北京生物医学工程990111 摘 要 采用氢廓清技术，研制了一种以80C51单片机为控制核心的骨血液自动测试仪，该仪器能自动监控氢廓清过程，完成采样数据除噪，并根据FICKS原理对数据进行回归分析处理，计算并显示打印出局部血流量，操作过程简便，测试精度高。
The Development of an Automatic Device for Measurement of the Bone Blood Flow Based on Hydrogen Washout Technique
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Li Haiyun
(Dept.BME,Capital University of Medical Science,Beijing 100054)
Li Yujun, Yang Shangchun, Liu Shangli
(Sun Yat-sen University of Medical Sciences,Guangzhou 510089)
Abstract An automatic experimental apparatus, which is based on MCS80C51 microprocessor, has been developed, The aparatus is used to measure the bone blood flow based on Hydrogen washout technique. It can monitor the Hydrogen washout procedure autom atically and remove noise from sampled data. Based on FICKS theory, the apparatu s can also conduct recurrsive data analysis and processing and calculation autom atically. Local bone blood flows can be displayed and printed out. It is easy to operate the apparatus, and the precision is high.
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Key words:Hydrogen washout technique; Determination; bone blood flow
0 前 言
近代医学研究证明：骨微循环障碍、组织灌注不足是很多骨疾患发生的病理生理基础，研究骨血流在不同生理或病理状态下的改变，对客观准确地认识骨血流动力学无疑起重要作用。目前对骨循环研究多集中在定性和半定量方面，在骨血流的定量测量方面，自1922年以来，先后出现了直接测定法、亲骨及非骨性放射性核素廓清法、Cr红细胞标记法、放射性微球法、氢廓清等。除氢廓清外，其它方法不是对实验对象创伤损害太大，就是准确性欠佳。公认最为准确的定量测量法—放射性微球法需游离出骨组织进行放射性记数，无法推广应用于人体。比较完善的方法是氢廓清技术，可长时间重复测定不同组织和部位的局部血流量，氢气无毒且对组织器官的生理因素影响小，可推广应用于人体。但使用时影响因素较多，测试仪器尚不统一，手工计算复杂且易产生误差，我们应用80C51单片机研制了一种基于氢廓清骨血流自动测试仪，自动检测氢廓清过程，操作简便，测试精度高，实现了骨血流的自动测试，对临床骨血流的定量测定具有重要价值。
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1 系统测试原理
氢廓清技术建立在Ficks原理[1～3]基础上，系统检测到测试对象吸氢后组织中氢浓度随时间的变化，根据Ficks原理有：
F/W=(lnCV00-lnCV)λ/t (1)
(其中CV：组织在T时刻的氢气浓度
CV00：开始去饱和时的组织中的氢气浓度
F：组织内总的血流量
W：被测组织重量
λ：组织血液中的分配系数
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根据式(1)得出
F/W=ln(CV00/CV)λ/t (2)
(3)由(3)式知道：从去饱和开始组织中的廓氢浓度的对数随时间成线性变化。在测量过程中由于被测对象的随机运动会带来尖脉冲干扰，干扰通常会影响个别采样点的数据，此数据与相邻采样点的数据相差比较大，实施连续4次数据采样，去除其中的最大值和最小值，计算中间两个数据的平均值作为采样计算数据。存入相应的数据存储单元。既滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。对采样计算数据取对数，这些对数值理论上应当满足Ficks原理—随时间成线性变化。但实际上由于生理系统及测量系统引入的干扰，实际数据存在偏差。对测量数据作一元线性回归分析。
取200个采样计算数据(lnCVi,,ti)i=0,1,…199,用直线y=at+b作回归分析，其中a,b为回归系数，yi=lnCVi。采用最小二乘法原理有：
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其中
所以：
λ：组织血液中的分配系数，λ=0.78
2 系统结构
我们采用80C51单片机为控制核心研制了一个完善的骨血流测试系统，该系统能自动完成数据采集、数据处理和分析，监视氢廓清过程，并能显示和打印廓氢曲线和血流量测定结果。信号预处理电路完成信号放大、滤波、偏移整定，使信号满足处理要求。A/D转换采用ADC0809，转换时间为100μs，由于信号属于低频信号，变化缓慢，故不需加采样保持。采用了TMA12864液晶显示器显示动态波形。其结构原理如图1。
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图1 骨血流测试系统原理结构图
3 测试结果
采用由AC19/1直流复射式检流计和X-W/Q-C-100A/200A型长图自动平衡记录仪组成的测试系统I[4，5]和我们研制的测试系统Ⅱ分别测量了新西兰兔股骨头血流量。测试结果如下：
表中Fa及Fb血流值呈正态分布，方差齐，行配对t检验，两者无显著性差异；(t=-1.04,p=0.196)；有直线相关关系，相关系数r=0.991(p=0.000)。但测试系统Ⅰ存在手工计算复杂且易产生误差等缺点。不能进行完善的数据处理。
表1 新西兰兔股骨头血流量及相应血压与心率
N
X
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S
L1
R1
L2
R2
L3
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L4
R4
L5
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8.19
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12.07
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9.65
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N：兔序号，L1：1号兔左股骨头，R1：1号兔右股骨头，余类推；Fa：测试系统I所测血流量(ml/min/100g),Fb：测试系统Ⅱ所测血流量(ml/min/100g)；Bp：血压(kPa)，HR：心率(beats/min)，x:均数；s:标准差。
, 百拇医药
4 分析与讨论
研制的骨血流自动测试仪适应于骨血流的定量测定，实时检测廓氢过程，自动滤除干扰，进行数据回归分析，可完成结果测定的显示和打印，计算精度高，客观可靠。可长时间重复测定不同组织和部位的局部血流量，氢气无毒且对组织器官的生理因素影响小，可推广应用于人体。是目前最经济的血流检测方法。在临床骨科中可用于：①生理状态下各骨组织局部血流的测定，确定其正常范围。②早期诊断骨缺血性疾病及跟踪其供血变化过程③监测各类骨病的骨供血情况。④骨折愈后评估。⑤创伤后截肢平面的选择。有着广泛的应用前景。也存在一些缺点：①有创性检查②结果仅能反映电极周围的局部血流量，不能反映整个组织的血流量。改进的办法：①研制出灵敏度高的刚性好的微电极。②研制电极阵列完成整个组织的血流量的测定。
作者简介:李海云 31岁，男，讲师，生物医学工程博士。
5 参考文献
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[1]何鸣谦.测量局部血流量的氢气清除法.中华物理医学杂志，1989，11：176
[2]Indreasano AT,Lundell ML. Measurement of regional bone blood flow in the rab bit mandible using the hydrogen washout technique. J Den Res, 1981, 60:1365
[3]Thomson JG, Kerrigon CL. Hydrogen clearance assessment of technique for measurement of skinflap blood flow in pigs. Plast Reconstr Surg, 1991, 88:657
[4]李玉军.氢廓清技术定量测定股骨头血流量.中山医科大学学报增刊，1997，18：51
[5]吾柏铭，刘励军，洪小苏.测定健康家兔局部心肌血流量.中国应用生理学杂志，1993 ，9：179
(1998-04-06收稿，1998-05-18修回), 百拇医药