一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法与流程

1.本发明是关于酸碱失衡检测的技术领域，特别是关于一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法。


背景技术：

2.手术应激源与全身并发症的重大风险有关，因为它可能包括广泛的内分泌、血液学和免疫学影响。在麻醉中仔细进行围手术期管理和监测至关重要。众所周知，血液乳酸升高是预后不良的预测因素之一。高乳酸血症通常与组织灌注不足有关。然而，其他研究显示，在脓毒症和脓毒性休克患者中，增加全身或局部供氧并不能阻止线粒体功能障碍引起的血液乳酸浓度升高。慢性疾病患者(例如糖尿病和慢性肾功能衰竭)在外科手术过程中出现酸碱异常的风险增加。
3.在重症监护病房中，乳酸性酸中毒是酸血症的常见病因，常伴有血流动力学或呼吸功能受损。动脉穿刺常规用于血气分析。然而，经常报告技术困难，这大大增加了医疗工作量。长期重复穿刺可能影响桡动脉通畅性。在对于穿刺困难的急危重症患者，因为技术问题的滞后性，常常会延误最佳治疗时间，这对于病人来说是非常危险的因素。
4.综上所述，现有的监测体内ph的动态变化的方法具有以下缺点：
5.1.目前血气动脉穿刺技术困难，长期重复穿刺可能影响桡动脉通畅性。在对于穿刺困难的急危重症患者，因为技术问题的滞后性，常常会延误最佳治疗时间。
6.2.动脉血气分析的难度大，成本高，时间长。
7.因此急需开发一种实时非侵入性的方法来监测体内ph的动态变化，以定量评估在围手术期急危重症病人的酸碱平衡稳态。
8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法，提出基于分子影像学方法，实现酸中毒、碱中毒以及大脑功能代谢的非侵入式活体、实时监测，提升现有检测灵敏度，降低检测成本和时间。
10.为实现上述目的，本发明提供了一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法，包括：
11.s1：建立实验动物的乳酸中毒模型；所述乳酸中毒模型包括：对围手术期中的实验动物输注入不同浓度的乳酸溶液；
12.s2：对乳酸中毒模型中的实验动物进行血气分析；其中，在静脉泵送乳酸溶液后对实验动物进行动脉穿刺，进行血气分析以测量实验动物的酸碱异常；
13.s3：使用光声显微镜监测实验动物的颅内血管；其中，在围手术期护理期间对小鼠血管进行全面和定量表征，得到脑脉管系统的光声图像；
14.s4：对光声图像进行过滤和二值化，并且对血管直径、血管长度和血管密度进行自动定量分析，监测ph的动态变化，得到颅内血管直径变化与ph变化的关系。
15.在本发明的一实施方式中，所述步骤s1包括：
16.s101：将l-( )-乳酸用生理盐水溶解，分别得到乳酸浓度为1％、3％、4％和5％的溶液；
17.s102：将留置针植入实验动物的尾静脉，将实验动物的腹膜内用20％氨基甲酸酯溶液处理，用来模拟手术期间的麻醉状态，并进行围手术期护理；在围手术期护理期间进行乳酸输注，建立不同ph值的围手术期代谢性酸中毒模型，并且监测心电图和氧饱和度。
18.在本发明的一实施方式中，所述步骤s2包括：抽取新鲜动脉血进行动脉血气分析；抽取新鲜动脉血的时间选择为：注射乳酸前、注射乳酸后30分钟、60分钟和90分钟这四个时间点。
19.在本发明的一实施方式中，所述步骤s3中，需要对实验动物进行手术来使用光声显微镜监测实验动物的颅内血管，所述手术为：将麻醉的实验动物放置在头枕平台上，用剪刀打开其头皮以暴露头骨。
20.在本发明的一实施方式中，所述步骤s3中，所述对实验动物血管进行全面和定量表征的具体过程如下：将扫描区域放置在pam系统下方的实验动物的头部，并通过波长为532nm和559nm的激光对实验动物的脑脉管系统进行成像。
21.在本发明的一实施方式中，所述步骤s4中，采用高斯滤波增强具有线性结构的二维血管，并利用阈值方法将信号与背景分离。
22.在本发明的一实施方式中，所述步骤s4中，所述血管长度的计算方法如下：通过血管边缘获得骨架，计算骨架长度；在血管骨架的每个点上使用8个相邻的像素场作为目标来计算长度，该长度除以2为血管长度。
23.在本发明的一实施方式中，所述步骤s4中，所述血管密度的计算方法如下：将信号像素除以二进制图像中的总像素，计算得到血管长度。
24.与现有技术相比，根据本发明的一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法，具有以下优点：
25.1.通过实时非侵入的方法，预测体内ph，提升检测特异度和灵敏性。
26.2.持续监测围手术期中枢神经系统代谢微环境，同时辅助利用功能成像和算法分析技术，为临床治疗全身性酸碱失调，围术期脑保护，以及进一步开发临床手术中实时检测酸碱平衡方法提供理论依据。
附图说明
27.图1是根据本发明一实施方式的一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法的流程图。
28.图2是根据本发明一实施方式的光声显微镜实时监测乳酸中毒前后颅内血管结构功能动态变化的示意图。
29.图3是根据本发明一实施方式的定量光声成像结果显示血管长度的示意图。
30.图4是根据本发明一实施方式的定量光声成像结果显示直径动态变化的示意图。
31.图5是根据本发明一实施方式的ph变化率与直径变化率之间关系的示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
33.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
34.如图1至图3所示，根据本发明优选实施方式的一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法，包括以下步骤：
35.s1：建立实验动物的乳酸中毒模型。其具体包括：对围手术期中的实验动物输注入不同浓度的乳酸溶液。其中，实验动物优选为小鼠。
36.本步骤s1具体包括以下步骤：
37.s101：将l-( )-乳酸用生理盐水溶解，稀释为质量分数1％、3％、4％和5％的溶液。
38.s102：将留置针植入实验动物的尾静脉，将实验动物的腹膜内用20％氨基甲酸酯溶液(0.5mg/g)处理，用来模拟手术期间的麻醉状态，并进行围手术期护理。在围手术期护理期间进行乳酸输注，建立不同ph值的围手术期代谢性酸中毒模型，并且通过心电监护仪监测心电图(ecg)和氧饱和度。
39.具体地，将20只实验动物随机分为四个数量相等的组(每组中实验动物的数量n＝4)。将1％、3％、4％和5％浓度的乳酸溶液静脉泵入实验动物体内，以产生不同程度的酸中毒模型，对照组使用生理盐水。其中，在注射时，将留置针连接到制备的乳酸溶液上，并以恒定的速率(5μl/s)将溶液注射到实验动物中，每只实验动物的注射剂量为12ml/kg。
40.其中，围手术期护理包括：将加热垫放置在动物下方以保持体温接近37℃。
41.s2：对乳酸中毒模型中的实验动物进行血气分析。其中，在静脉泵送乳酸溶液一定时间(优选为5分钟)后对实验动物进行动脉穿刺，进行血气分析以测量实验动物的酸碱异常。
42.具体地，通过腹腔注射20％氨基甲酸酯溶液麻醉实验动物后，沿着颈部中线对皮肤上的注射部位进行消毒后，打开皮肤并得到一个2厘米的自上而下的切口，分离血管以暴露颈总动脉，用丝线连接远心端，并使用血管钳来阻塞动脉。之后，插入带有固定丝结的微型pe10导管，并立即松开动脉夹，用连接到1ml注射器的肝素化真空采血装置抽取0.3ml新鲜动脉血，抽取新鲜动脉血的时间选择为：注射乳酸前、注射乳酸后30分钟、60分钟和90分钟这四个时间点。
43.使用abl800血气分析仪对抽取的新鲜动脉血进行动脉血气分析，以评估ph值、氧气分压(pao2)、二氧化碳分压(paco2)、碳酸氢盐浓度、碱剩余(be)、hco3-、lac和so2。
44.s3：使用光声显微镜监测实验动物的颅内血管，具体地，使用空间分辨率为5μm的光声显微镜系统对围手术期实验动物的血管进行显微镜水平的全面和定量表征，得到光声图像。光声显微镜系统选用商用g2 or-pam(生产厂家为inno laser)。
45.图2中示出了光声显微镜实时监测乳酸中毒前后颅内血管结构功能动态变化。
46.该步骤s3中需要对实验动物进行手术来使用光声显微镜监测实验动物的颅内血管，该手术过程为：将麻醉的实验动物放置在头枕平台上，用剪刀打开其头皮以暴露头骨。
47.对实验动物血管进行全面和定量表征的具体过程如下：将扫描区域放置在光声显
微镜下方的实验动物的头部，并通过波长为532nm和559nm的激光对实验动物的脑脉管系统进行成像。激光照射在成像组织上产生的声信号由50db放大器放大，并由50mhz超声波传感器接收。
48.通过步骤s1中注射不同浓度的乳酸来模拟动物的酸中毒状态，在注射之前2分钟和注射之后2分钟拍摄光声图像。
49.s4：血管结构、功能信息提取。对光声图像进行过滤和二值化后，对血管直径、血管长度和血管密度进行自动定量分析，监测ph的动态变化，得到颅内血管直径变化与ph变化的关系。
50.具体地，使用matlab r2021b(mathworks，natick，usa)处理光声图像。经过图像滤波和二值化操作后，对血管直径、血管长度和血管密度进行自动定量分析。采用高斯滤波增强了具有线性结构的二维(2d)血管，并通过设定初始阈值，将大于阈值的信号认定为血管信号，小于阈值的信号认定为背景信号，并分别将两信号设定为1和0，不断调整阈值大小，使得观察到的分离结果能尽量能将血管区域完整划分出来，其目的是从肉眼观察的角度尽量把血管分离出来。图3和4中示出了定量光声成像结果显示血管长度，直径动态变化，其中，定量结果显示实验动物的皮层血管总长度下降，总直径上升。
51.其中，通过matlab中提供的血管骨架提取函数，提取血管区域的骨架，再对骨架进行长度求和，得到了最终的血管总长度。在血管骨架的每个点上使用8个相邻的像素场作为目标来计算长度，该长度除以2被认为是实际的血管长度。血管密度是通过将信号像素除以二进制图像中的总像素来计算的。
52.此外，本步骤s4中还包括：手动测量感兴趣区域的血管直径。具体地，将大脑皮层分为四个象限(左上，左下，右上和右下)，在每个象限中通过肉眼观察随机选择三条成像清晰且直径小于40μm的血管。
53.在光声图像中的选定血管的上提取数据，并使用origin pro软件进行处理。具体地，使用高斯函数来拟合并计算其半高宽(fwhm)，并将之定义为血管的直径。
54.图5中示出了根据直径定量信息显示：直径改变实时响应ph变化，图中，1％、3％、4％和5％浓度的乳酸分别对应ph变化率10％、20％、30％和40％，颅内血管直径变化与ph呈正相关。
55.此外，血红蛋白的氧饱和度与hbr和hbo2的浓度相关。而hbr和hbo2的浓度可以根据光谱分解原理进行定量，通过对两种蛋白进行成像，从图像分析的角度得到氧饱和度。具体而言，某一波长下的光声信号强度是两血红蛋白与对应的摩尔吸光系数进行线性叠加的结果，分析两个波长扫描得到光声图像，就可分离出两物质的浓度比例。进而，能够通过hbr和hbo2的浓度得到血红蛋白的氧饱和度，进而得到大脑功能代谢水平。
56.由r统计软件4.2.0版(r统计计算项目)评估血管直径在监测围手术期ph方面的效用。使用kruskal-wallis检验来检测不同组之间数值变量的差异(p《0.01)。根据二分类方式，以真阳性率为纵坐标，假阳性率为横坐标绘制auc曲线，来确定诊断性能。
57.用来诊断临床上显著的轻度、中度和重度代谢性酸中毒的血管直径的变化率的最佳阈值由youden指数综合敏感性和特异性信息确定。双尾p值小于0.05被认为是显著差异。通过结构和功能信息预测和反映ph的动态变化。
58.本发明中，通过在实验动物的尾静脉持续泵注乳酸来模拟在围手术期常见的因乳
酸升高而导致的酸中毒。之后将实验动物麻醉剪开头皮，暴露头骨，将扫描区域放置在pam系统下方的头部，并通过波长为532nm和559nm的激光对实验动物的脑脉管系统进行成像，来对实验动物的颅内血管进行动态监测。
59.因为颅内血管对内环境酸碱度极为敏感，所以通过算法对其血管特征提取，对血管直径、血管长度和血管密度进行自动定量分析。之后将实验动物的血气分析的结果与密度、长度、直径进行关联性分析，通过结构和功能信息预测和反映ph的动态变化。
60.通过本发明的一种光声成像监测酸碱失衡模型的建立方法，能够为临床治疗全身性酸碱失调，围术期脑保护，以及进一步开发临床手术中实时检测酸碱平衡方法提供理论依据，持续监测围手术期中枢神经系统代谢微环境。
61.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。