[发明专利]一种用于烧伤皮肤坏死深度和面积诊断的近红外光谱成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及组织损伤以及光谱成像技术领域。 

背景技术

烧伤在平时和战时均为常见病，战时尤其高发。烧伤后死亡率、容貌毁损率及致残率高，救治周期长，直接威胁生命安全和机体健康，给社会及家庭带来沉重负担。 

目前，烧伤所致皮肤组织损伤程度的准确判断仍是烧伤外科的重大难题，但临床上用于烧伤深度诊断的最常见方法仍主要依赖于临床经验，包括观察烧伤创面的外观、毛细血管再充盈状况以及创面对触摸和针刺疼痛的感觉等。资料显示，世界最好的烧伤医生对创面经验性诊断的准确率只有70%左右，即烧伤手术至少有30%的健康组织可能被错误切除或30%的坏死组织被贻误保留；前者可将创面残留的极其宝贵的皮肤附件及其相关干细胞和其它正常组织连同坏死组织一并被清除，对创面愈合的速度和质量产生重要影响；后者可加重烧伤的深度，即由较浅转变为较深的创面。此外，深度烧伤皮肤组织病变可深达肌肉甚至骨质，远超皮肤组织解剖深度，此类伤情治疗及预后更为复杂，故单纯以肉眼识别为依据进行烧伤深度的经验性诊断，对临床治疗的指导作用有限。研究资料表明，及时准确的判断和治疗可以阻止烧伤创面由浅度向深度转变的速度和程度，能有效挽救患者生命、减少并发症、促进创面愈合、加快患者康复。 

目前烧伤诊断的“金标准”仍为组织病理活检，导致其无法实际应用于临床的原因有以下几点：1、取活检操作对机体有创，部分患者无法接受；2、由于烧伤的组织病理改变在一定时间内是动态持续发生的，因而在烧伤早期进行单一的切片检查来初步评估损伤程度，可能无法准确地预测结果；3、需要一个经验丰富的病理学专家，并长期致力于此项工作。同样的原因，随后出现的皮肤胶原蛋白、波形蛋白免疫组织化学染色技术也未能在临床检测中普及。 

自20世纪60年代以来，在烧伤创面诊断领域应运而生出现了多种烧伤深度诊断技术，如荧光检测技术、近红外热成像技术、超声检测技术、激光多普勒技术、光谱生物技术等。 

荧光检测技术是通过静脉注射荧光物质，根据创面在不同的激发光照射下激发产生的荧光强度、峰值大小和时相特点来对创面深度进行评价，但创面药膏、防腐剂、敷料、生物制剂等物质对烧伤创面的ICG 检测结果都有较大影响；另外，深度烧伤血管损坏或闭塞时荧光较弱，造成检测误差增大。 

红外热成像技术是通过探测不同烧伤皮肤的热辐射来对创面的烧伤深度进行评价。Lawson 等人首先将该技术用于检测创面深度，但该方法对检测条件要求较高，需要恒定的环境温度及平衡时间，创面的蒸发冷却都会很大的影响检测结果，仪器成本高、个体差异性大、假阳性高等诸多因素导致其不能很好地区分深Ⅱ度和Ⅲ度创面，限制了其在临床的广泛应用。 

Kalus首先使用B超扫描来评价烧伤深度，主要原理是观察活组织和坏死组织的边界，根据正常皮肤和不同烧伤组织的回声图谱进行诊断。操作时需接触创面是限制其临床应用的主要因素，另外实践证明其诊断准确率较低，并不优于主观经验诊断。 

激光多普勒技术产品是目前唯一被美国FDA批准可用于诊断烧伤创面深度的设备。其原理是利用多普勒频移来探测创面组织微血管中的血细胞流动情况，浅度烧伤创面的血液流动相对较快，而深度烧伤创面流动较慢，据此可以区分浅度和深度烧伤。 

     早期的光谱技术是利用不同光谱被创面中的血液吸收后的不同衰减来对烧伤深度进行评价，Anselmo 等人最早提出该技术并用于临床诊断，他们采用绿、红和蓝三种光谱对创面进行诊断的准确率可达79%。基于该技术，Heimbach等人设计了仪器并在临床进行应用，发现采用该技术对创面在三周内不愈合的诊断准确率为80%。近年来，基于光谱技术诊断烧伤深度的方法得到了进一步发展，并逐渐扩展到近红外光谱领域。2001年，Sowa 等人在700-1000纳米的波长范围内利用皮肤烧伤后血液中含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和组织水分在近红外光的吸收光谱上的差异，通过测量血液中血红蛋白总量（tHb）、组织含氧饱和度（StO₂）和水（H₂O）的含量来判断烧伤深度的新方法，并对伤后3 h 的动物模型进行了试验研究。2005 年,Milner 等人首次用波长548 nm（血红蛋白吸收波长）的正交偏振光谱（orthogonal polarization spectral，OPS）评价烧伤程度。2009年，Cross等人在500-1000纳米的波长范围内研究了烧伤后皮肤组织水肿程度与烧伤深度之间的关系。但以上研究的核心原理都是基于皮肤烧伤前后血液中红细胞携氧状况改变和组织水分的变化来间接判断烧伤深度（见图9），并不能直接提供烧伤皮肤组织坏死深度及面积的精确信息。