椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法及装置
阅读说明：本技术 椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法及装置 (Method and device for portable and efficient identification of cerebrospinal fluid in intravertebral anesthesia operation ) 是由 张小青 曾鸿 宋春风 宗亚楠 袁洪福 郭向阳 江伟 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及医疗卫生技术领域,提供了一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法及装置,包括以下步骤：步骤一、了解脑脊液、局麻药物和生理盐水的光谱学特征；步骤二、探索脑脊液、局麻药物和生理盐水的ATR-FTIR光谱特征性判别指标并建立诊断标准；步骤三、进一步扩充并构建特征性图谱数据库；步骤四、采用手持便携式红外光谱仪对椎管内麻醉操作中获得的液体样本进行傅里叶变换红外光谱分析,根据液体样本的分子内部原子间的相对振动和分子转动信息获得相应的液体样本图谱,将液体样本图谱与特征性图谱数据库中的图谱进行比较,得到比较结果,通过ATR-FTIR光谱判别标准根据所述的比较结果判断液体样本是脑脊液、局麻药物还是生理盐水。(The invention relates to the technical field of medical health, and provides a method and a device for portable and efficient identification of cerebrospinal fluid in intraspinal anesthesia operation, which comprises the following steps: step one, knowing the spectroscopic characteristics of cerebrospinal fluid, local anesthetic drugs and normal saline; exploring ATR-FTIR spectral characteristic discrimination indexes of cerebrospinal fluid, local anesthetic drugs and physiological saline and establishing a diagnostic standard; step three, further expanding and constructing a characteristic map database; and step four, carrying out Fourier transform infrared spectroscopy analysis on the liquid sample obtained in the intraspinal anesthesia operation by using a handheld portable infrared spectrometer, obtaining a corresponding liquid sample map according to the relative vibration between the atoms in the molecules of the liquid sample and the molecular rotation information, comparing the liquid sample map with the map in the characteristic map database to obtain a comparison result, and judging whether the liquid sample is cerebrospinal fluid, local anesthesia medicine or normal saline according to the comparison result through an ATR-FTIR (attenuated total reflectance-infrared spectroscopy) discrimination standard.)
技术领域
本发明涉及医疗卫生
技术领域
，更具体地说，是涉及一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法及装置。背景技术
椎管内麻醉主要用于适宜腹部、盆腔和下肢手术的患者。在椎管内的操作过程中，首先使用局麻药物(利多卡因)进行逐层浸润麻醉，避免后续操作给患者带来的痛感。局麻妥当后，采用较粗的硬膜外穿刺针(17G)依次通过皮肤、皮下组织、棘上韧带、棘间韧带和黄韧带，到达硬膜外腔，拔出针芯。通过无阻力针向硬膜外腔注入生理盐水气泡，当无阻力时，确定针尖已经到达硬膜外腔。若仅需要进行硬膜外麻醉，则此时注入硬膜外局麻药物。若需要进行蛛网膜下腔阻滞，则在明确定位硬膜外腔后，继而换用更细的穿刺针，套入硬膜外穿刺针内，向前进针突破蛛网膜，到达蛛网膜下腔。此时拔出细针针芯，观察有无脑脊液流出。若脑脊液流出通畅，可通过向蛛网膜下腔注入不同配比的局麻药物(如罗哌卡因、布比卡因等)达到椎管内麻醉效果。随后拔出蛛网膜穿刺针，将硬膜外导管送入硬膜外针管芯中，可进行持续硬膜外阻滞。根据临床实际需求，对患者实施不同麻醉方式，如单纯硬膜外、单纯蛛网膜下腔或腰硬联合麻醉。
由于生理盐水、局麻药物和脑脊液均为清亮液体，肉眼很难分辨。若穿刺过程不顺利，很容易出现无法判断流出的液体是哪一种。例如：在穿刺过程中，由于解剖不清，当出现意外穿破蛛网膜而未察觉的情况(如穿刺针尖刺破或留置的硬膜外导管在置管过程中刺穿蛛网膜)，此时盲目予以硬膜外药物，由于硬膜外给药量大而导致药物全部或部分进入蛛网膜下腔发生危及生命的全脊麻。此外，在局麻过程中注入的大剂量局麻药，或在硬膜外注入的盐水，会干扰对流出脑脊液的判断，甚至误认为穿刺针已在蛛网膜下腔，盲目给药，导致没有麻醉阻滞平面，无麻醉效果，影响手术实施。更常见的情况是不能确定是否为脑脊液，反复穿刺致损伤，穿破硬脊膜风险增高，产妇易发生常见的产后严重低颅压性头痛，给孕产妇及其家庭带来极大痛苦与心理压力。
当前并没有很好的鉴别方法，仅通过操作者肢体感知判断流出液体的温度协助鉴别，而这非常不准确，且有违无菌操作原则。如何能通过客观准确的方法，快速鉴别穿刺针是否到达蛛网膜下腔，流出的液体是局麻药、生理盐水还是脑脊液是当前需要解决的临床问题。
此外，脊柱手术后有部分患者发生脑脊液漏并发症，影响伤口愈合。如何判别流出的液体是否为脑脊液或单纯为组织渗液，达到早期鉴别、及时处理的目的也是临床需要解决的问题。
综上所述，现有技术的缺陷为：
当前没有能够有效、客观、准确判断流出液体为何种成分(局麻药物、脑脊液或生理盐水)的技术。多数情况下仅凭临床医师经验，缺乏客观依据。由于判别不清而导致反复穿刺损伤，穿刺失败，甚至穿破硬膜出现大量脑脊液漏，导致患者术后出现相关并发症。
发明内容
本发明的目的在于提供一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法及装置，以解决背景技术中提出的技术问题中的至少一项。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法，包括以下步骤：
步骤一、了解脑脊液、局麻药物和生理盐水的光谱学特征：对所述的脑脊液、局麻药物和生理盐水的样本进行稀释，应用光谱仪获得所述脑脊液、局麻药物和生理盐水的样本的光谱图像，并对获得的光谱图像进行质量控制；分析所述的脑脊液、局麻药物和生理盐水样本各自的特征光谱条带中包含的物质成分与结构的信息；
步骤二、探索脑脊液、局麻药物和生理盐水的ATR-FTIR光谱特征，提出判别标准，并建立诊断依据：选择适宜的多模式统计学方法分析所述的脑脊液、局麻药物和生理盐水样本，并交叉验证；初步构建椎管内麻醉操作时判别生物样本分类的ATR-FTIR光谱判别标准；
步骤三、进一步扩充并构建特征性图谱数据库：在已有的判别模型基础上，不断扩充ATR-FTIR图谱分析，达到完善诊断数据库的目的；
步骤四、采用手持便携式红外光谱仪对椎管内麻醉操作中获得的液体样本进行傅里叶变换红外光谱分析，根据所述液体样本的分子内部原子间的相对振动和分子转动信息获得相应的液体样本图谱，将所述的液体样本图谱与所述的特征性图谱数据库中的图谱进行比较，得到比较结果，通过所述的ATR-FTIR光谱判别标准，判断所述的液体样本是脑脊液、局麻药物还是生理盐水。
步骤一中所述的对获得的光谱图像进行质量控制具体包括：
应用光谱仪，采用衰减全反射模式，设置采样条件和加样方法，并精确调控采样参数，保证液态ATR-FTIR图谱质量；通过光谱质量分析排除不合格光谱后，选取890-4000cm-1范围内光谱，继而进行基线校正，通过Savitsky-Golay二阶求导得到二阶倒数，以及通过平滑处理消除背景干扰，增大光谱信噪比和表观分辨率，从而突出不同光谱特征之间的差异；随后，应用OPUS软件对得到的二阶倒数进行向量归一化处理；将处理后的光谱储存并应用Euclidean距离计算法和Ward’s算法进行分层聚类分析；对不符合质量控制要求的样本图谱进行剔除。
步骤一中所述的脑脊液、局麻药物和生理盐水样本各自的特征光谱条带中包含的物质成分与结构的信息具体包括：
对获得的光谱进行初步数据处理，利用OMINIC E.S.P.ver.5.0软件对特征性峰位、峰强、半峰宽及相关比值进行统计分析，所有参数进行方差齐性检验和正态分布检验；对于方差齐且为正态分布的数据，采用t检验来检验两组之间的差异，而对于非正态分布数据，则采用Mann-Whitney U检验；定性资料采用百分位数法，并使用卡方检验；通过分析具有差异的ATR-FTIR光谱特征性峰位、峰强、峰宽、半峰高及相关峰的比值，分析差异谱带所对应的物质含量及结构信息，初步获得ATR-FTIR光谱谱带所代表的光谱学特征。
优选地，步骤一中所述的光谱质量分析包括吸收强度阈值测试、信噪比测试和含水量测试。
优选地，步骤一中利用OMINIC E.S.P.ver.5.0软件进行统计分析的内容还包括9个峰位和12个相对峰强比。
步骤二中所述的选择适宜的多模式统计学方法分析所述的脑脊液、局麻药物和生理盐水的样本具体包括：
应用MATLAB软件对有差异的所有特征光谱数据纳入统计分析；在排除极端值后，应用扩展的多元散射矫正对所有原始光谱数据进行质量检查、基线校正和归一化处理；使每个获得的光谱表示为目标光谱的加权和，将所有光谱的平均光谱作为目标光谱，选择多项式函数对光散射效应作四阶求导并计算误差；校正后的光谱是从原始光谱中扣除预估的通过多项式函数所获得的结果；通过将校正的光谱除以目标光谱的预估权重来实现归一化；继而进行主成分分析以恢复剩余的光谱信息；采用多变量方法将数据分解为不相关主成分的加权和；对每个成分的所占份额进行统计分析，选择最具辨别力的主成分；继而使用Mann-Whitney U非参数统计检验；随后，使用有监督的分类方法，支持向量机，进行判别分析；该有监督的分类方法基于来源的LIBSVM库和执行支持向量机实现；采用线性分类方法中的有监督学习模式对数据进行二元分类，求解其最大边距超平面，通过计算经验风险并通过添加正则化项以优化结构风险，对学习样本进行非线性分析；采用弃一法进一步提高识别效能。
步骤二中所述的交叉验证，初步构建椎管内麻醉操作时判别生物样本分类的ATR-FTIR光谱判别标准具体包括：
通过对训练集样本进行分类判别，继而对测试集样本进行验证，对已经建立的判别模型进行验证，通过将验证样本代入到判别体系中，进一步检验并修正诊断系统的判别效力，检验ATR-FTIR光谱判别方法的准确性；最后，将预测集样本图谱特征代入已建立的判别方程中，检验其判别的准确性和敏感性。
优选地，所述的便携式红外光谱仪每次检测的液体样本的样本量等同于快速血糖分析时的样本量。
在本发明的一个实施例中，还提供一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的装置，该便携装置采用前述方法，在椎管内麻醉操作中，能够高效鉴别脑脊液。
所述的椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的装置包括手持便携式红外光谱仪，该手持便携式红外光谱仪的壳体上设置有检测口、显示屏和分析键，壳体内还设置有判别分析芯片；所述的检测口用于接受滴注有体液样本的一次性试纸；所述的分析键用于在按下时启动所述的判别分析芯片开始对所述一次性试纸上的液体样本进行分析检测；所述的判别分析芯片用于按照前述的方法对所述一次性试纸上的体液样本进行分析检测；所述的显示屏用于显示所述判别分析芯片的分析检测结果。
本发明的有益效果包括：
本发明所述的椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法采用傅里叶变换红外光谱技术，该技术根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息获得相应图谱，通过分析吸收峰的强度、位置和形状，确定物质分子结构，在波长＞10μm的指纹区(7.69-25μm)，通过识别单独或联合的分子振动和转动模式，鉴别未知化合物成分并进行定性和定量分析。FTIR(傅立叶变换红外吸收光谱仪)技术被广泛应用于蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸等生物分子的结构、构象的研究，不仅具有高光通量、低噪声和测量速度快等一系列优点,而且红外线波长较长，能量小，检测时不会损伤活体组织结构。FTIR技术灵敏度高、波数准确、重复性好，可以分析微克级甚至纳克级的样品，不仅可以应用于定性分析，也可以用于定量测定，还可以对未知物成分进行剖析，因而能够协助判断穿刺过程中流出的液体是否为脑脊液，或仅为局麻药物或生理盐水(局部麻醉或硬膜外腔注入的生理盐水或局麻药物)。脑脊液中含有多种电解质、蛋白、少量细胞等，不同于生理盐水或局麻药物，均为无机化合物，因而两者的光谱学具有较大差异。通过红外光谱技术，可以实现区分体液样本中的成分，是否为混合有脑脊液。当前红外光谱仪器多为大型仪器，本发明在临床应用中，根据应用场景，将其设计为手持便携式光谱仪，采用一次性试纸，吸入液体样本后测定，避免污染仪器以及反复清洗擦拭带来的不便与测定结果的不准确。通过学习不同类型样本的光谱特征后，建立判别模型与数据库，通过预装软件，手持便携式光谱仪还可即刻获得测定样本的判别结果，协助临床鉴别诊断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明所述的椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明所述的椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的方法包括以下步骤：
步骤一、了解脑脊液、局麻药物(利多卡因、罗哌卡因和布比卡因)、生理盐水的光谱学特征：
(1)根据前期研究基础，对样本进行1：10稀释；(需要客户提供具体什么比例算适宜)
(2)对获得的光谱图像进行质量控制：
应用FTIR Spectrometer(Thermo ScientificTM NicoletTM 6700)光谱仪，采用衰减全反射模式，设置采样条件、加样方法，并精确调控采样参数，保证液态ATR-FTIR图谱质量。通过光谱质量分析(包括吸收强度阈值、信噪比和含水量测试)排除不合格光谱后，选取890-4000cm-1范围内光谱，继而进行基线校正，Savitsky-Golay二阶求导，以及平滑处理消除背景干扰，增大光谱信噪比和表观分辨率，从而突出不同光谱特征之间的差异。随后，应用OPUS软件(v6.5,Bruker Optics GmbH)对二阶倒数进行向量归一化处理。将处理后的光谱储存并应用Euclidean距离计算法和Ward’s算法进行分层聚类分析。对不符合质量控制要求的样本图谱进行剔除。
(3)分析三种样本各自的特征光谱条带中包含的物质成分与结构的信息：
对获得的光谱进行初步数据处理，利用OMINIC E.S.P.ver.5.0(NicoletInstrument Co.,Madison,WI,USA)软件对特征性峰位、峰强、半峰宽及相关比值(包括9个峰位置和12个相对波强度比)进行统计分析，所有参数进行正态分布和均匀性方差的测试。对于正态分布数据，采用t检验来检验两组之间的差异，而对于非正态分布数据，则采用Mann-Whitney U检验。定性资料采用百分位数法，并使用卡方检验。P值＜0.05为具有统计学意义。
通过分析探讨具有差异的ATR-FTIR光谱特征性峰位、峰强、峰宽、半峰高及相关峰的比值；分析这些差异谱带所对应的物质含量及结构信息，初步获得其ATR-FTIR光谱谱带所代表的光谱学特征。
步骤二、探索脑脊液、局麻药物和生理盐水的ATR-FTIR光谱特征性判别指标并建立诊断标准：
(1)获取样本，选择适宜的多变量统计学方法分析样本：
应用MATLAB软件(Matlab,MathWorks,Inc.,Natick,Mass.,USA)对有差异的所有特征光谱数据纳入统计分析。在排除极端值后，应用扩展的多元散射矫正(extendedmultiplicative signal correction,EMSC)对所有原始光谱数据进行质量检查、基线校正和归一化处理。使每个获得的光谱表示为目标光谱的加权和，将所有光谱的平均光谱作为目标光谱，选择多项式函数对光散射效应作四阶求导并计算误差。校正后的光谱是从原始光谱中扣除预估的通过多项式函数所获得的结果。通过将校正的光谱除以目标光谱的预估权重来实现归一化。
继而进行主成分分析(principal component analysis,PCA)以恢复剩余的光谱信息。这种多变量方法将数据分解为不相关主成分的加权和。对每个成分的所占份额进行统计分析，选择最具辨别力的主成分。继而使用Mann-Whitney非参数统计检验，其允许以P值的升序重新组织主成分，第一项为两组之间最具区别的参数。随后，使用一种有监督的分类方法，支持向量机，进行判别分析。该方法基于来源的LIBSVM库(library for supportvectormachines,LIBSVM)和执行支持向量机(Support VectorMachine,SVM)实现。
采用线性分类方法中的有监督学习模式对数据进行二元分类，求解其最大边距超平面(maximum-margin hyperplane)，通过计算经验风险并通过添加正则化项以优化结构风险，能够良好地对学习样本进行非线性分析；对于ATR-FTIR图谱具有强大的识别作用。采用弃一法(leave-one-out cross-validation，LOOCV)进一步提高识别效能。
(2)交叉验证，初步构建椎管内麻醉操作时判别生物样本分类的ATR-FTIR光谱判别标准：
通过对训练集样本进行分类判别，继而对测试集(testing set)样本进行验证，对已经建立的判别模型进行验证，通过将验证样本代入到判别体系中，进一步检验并修正诊断系统的判别效力，检验ATR-FTIR光谱判别方法的准确性。最后，将预测集样本(validation set)图谱特征代入已建立的判别方程中，检验其判别的准确性和敏感性。
步骤三、进一步扩充并构建特征性图谱数据库：
在已有的判别模型基础上，不断扩充ATR-FTIR图谱分析，达到完善诊断数据库的目的。
步骤四、采用手持便携式红外光谱仪对椎管内麻醉操作中获得的液体样本进行傅里叶变换红外光谱分析，根据所述液体样本的分子内部原子间的相对振动和分子转动信息获得相应的液体样本图谱，将所述的液体样本图谱与所述的特征性图谱数据库中的图谱进行比较，得到比较结果，通过所述的ATR-FTIR光谱判别标准根据所述的比较结果判断所述的液体样本是脑脊液、局麻药物还是生理盐水。
本发明对当前的红外光谱仪进行外观改进，针对目前临床需求，达到对椎管内麻醉过程中获得的液体样本快速准确进行判别分析，确定是否为脑脊液、局麻药物或生理盐水。对光谱仪结构改造和参数设置，优化光谱仪内部光学元件配置，使之成为体积、重量较小，能够方便携带的光谱检测手提式设备(图1)。仅需要一滴样本(等同于快速血糖分析时的样本量)，即可达到实时、客观、准确地判别液态样本来源的分类目的。
在本发明的一个实施例中，还提供一种椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的装置，该装置采用前述方法在椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液。
如图1所示，所述的椎管内麻醉操作中便携高效鉴别脑脊液的装置包括手持便携式红外光谱仪，该手持便携式红外光谱仪的壳体上设置有检测口1、显示屏2和分析键3，壳体内还设置有判别分析芯片；所述的检测口1用于接受滴注有体液样本的一次性试纸；所述的分析键3用于在按下时启动所述的判别分析芯片开始对所述一次性试纸上的体液样本进行分析检测；所述的判别分析芯片用于按照前述的方法对所述一次性试纸上的体液样本进行分析检测；所述的显示屏2用于显示所述判别分析芯片的分析检测结果。
所述的分析键3可以是实体按键，也可以是设置在所述显示屏2上的虚拟按键。
具体操作时，取一滴体液样本，将其滴注于手持便携式红外光谱仪上用来吸取样本的一次性试纸上，仪器内部载有判别分析芯片，可根据测试得到的图谱实时测试并即刻显示分类结果。
本发明的创新点及优势包括：
1、创新性地解决了目前困扰临床的重要问题，能够有效协助临床医师鉴别诊断椎管内麻醉穿刺过程中所到达的穿刺层次，避免全脊麻的风险和反复穿刺、穿刺失败和对患者造成损伤的风险。
2、创新性地将红外光谱技术对不同物质成分结构进行分析判别的特征应用于判别临床鉴别生物体液样本类型，达到快速、准确、客观、判断生物体液成分的目的。
3、创新性地设计了小巧便携式红外光谱仪，并将其应用于判断椎管内麻醉穿刺过程中，协助对生物体液进行分类研究，具有极大应用前景。
本发明的关键技术点包括：
1、脑脊液、生理盐水和局部麻醉药物的光谱特征提取。
2、脑脊液、生理盐水和局部麻醉药物的数据库的建立，以及统计分类的算法。
3、红外光谱仪器的小型便携迷你化的改进。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，包括任何对光谱仪设备及参数的改进、对脑脊液、生理盐水和局麻药物光谱特征数据库的完善和改进。
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