凝血功能物理检测方法的研究进展_汤赟.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第3期健康医疗微电子Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆凝血功能物理检测方法的研究进展*汤赟，朱疆，张玉仙，张帆（北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192）摘 要：凝血功能的评估有助于诊断血液疾病，指导心脑血管疾病的治疗，评估手术中出血的风险。基于物理方法的凝血检测因其检测时间快、灵敏度高、操作简便等优点备受临床医学的关注。近年来，随着光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）技术的进步，OCT 技术开始应用于凝血检测中。对近年来物理方法在凝血检测中的应用进行了综述，重点分析了 OCT 技术在凝血检测中的应用，并对未来凝血检测方法的发展做出展望。关键词：凝血检测；光学相干层析成像；血液粘弹性中图分类号：TH776；O59 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223553中文引用格式：汤赟，朱疆，张玉仙，等.凝血功能物理检测方法的研究进展J.电子技术应用，2023，49(3)：21-29.英文引用格式：Tang Yun，Zhu Jiang，Zhang Yuxian，et al.Progress on physical methods for blood coagulation detectionJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：21-29.Progress on physical methods for blood coagulation detectionTang Yun，Zhu Jiang，Zhang Yuxian，Zhang Fan(Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology and Instrument，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China)Abstract：The assessment of coagulation can help diagnose blood diseases,guide treatment of cardiovascular diseases,and assess risk of bleeding during surgery.Physical coagulation testing is of great interest to clinical medicine because of its short detection time,high sensitivity,and simple operation.With the rapid development of optical coherence tomography(OCT)technology,it has been used in the blood coagulation detection.In this paper,we summarize the physical methods for the blood coagulation detection in recent years and specially review the applications of the OCT methods in the coagulation testing.The future development of blood coagulation detection is also prospected.Key words：blood coagulation detection；optical coherence tomography；blood viscoelasticity0 引言内稳态是所有脊椎动物的一种基本防御机制，涉及两个互补过程：一个是形成血块，改变受损血管的失血状态；另一个是在内皮修复后发生血块纤溶，从而防止血管堵塞和血栓出现。两个复杂的过程涉及血小板、内皮细胞、白细胞和血浆蛋白等多种物质的相互作用1。凝血障碍是一种血液凝固异常的状况，严重的凝血障碍会引发出血或血栓性疾病。因此，凝血的定量评估对于诊断潜在的出血原因、指导止血治疗以及预测手术过程中出血的风险非常重要。目前，凝血功能分析主要分为生化检测和物理检测。标准生化检测主要测量血液中凝血因子的数量或活性。然而，样品的预处理相对复杂，不同凝血因子的检测耗时较长。因此，生化测试对于急性病的应用具有一定的局限性。物理检测主要通过测量凝血过程中物理参数的改变，评估血液凝固属性。相较于生化检测，物理检测节省了较多的预处理环节，检测时间大大缩短。然而，在一些物理检测技术中，装置复杂性较高，物理参数难以定量，临床上也还未形成一套精确的标准。光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography，OCT）是一种非侵入性、高分辨率的三维医学成像技术，分辨率可以达到大约 10 m，在组织中的成像深度可以达到 23 mm。研究人员初步尝试了利用光学相干层析成像技术监测血液凝固，证明了该技术具有原位凝血检测、流动凝血检测和床旁检测的潜力，为血液疾病的诊断和凝血障碍的评估提供了新的方法。*基金项目：国家自然科学基金（61975019，61875237）;北京市教育委员会科技计划重点项目（KZ202011232050）21健康医疗微电子www.ChinaAET.comMicroelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆1 血液凝固原理及凝血疾病血液凝固是血液从液体变为凝胶，从而形成血块的过程。血液凝固涉及多个级联酶促反应，整个过程由 13种以上凝血因子共同作用。当人体血管遭受损伤后，受伤部位的小血管收缩，局部血流减少或暂停。然后，血小板粘附在受伤血管的内皮下，激活血小板内信号途径，引起伤口处血小板的聚集并凝集成块，形成血小板止血栓，起到初步止血作用2。最后，血液的局部凝血系统被激活，血浆中可溶的纤维蛋白原转变成不溶的纤维蛋白，并聚合成网状结构，形成由纤维蛋白和血小板共同构成的牢固止血栓。同时，血浆中也出现抗凝血和纤维蛋白溶解作用，防止血凝块不断扩大蔓延3。血液的成分及其性质在血液流变学中起着关键作用4。首先，红细胞是血液中最主要的细胞类型，占血细胞体积的 99%以上5。红细胞呈双凹盘状，它由一层弹性膜包覆血红蛋白溶液构成，这使得红细胞在凝血过程中可能发生变形6。红细胞的可变形性和可聚集性在血凝过程中起着重要作用。红细胞的聚集在低剪切应力下会导致血液粘度的大幅增加7。当剪切应力趋于零时，红细胞聚集成团，成为一个大的聚合体，血液从宏观上表现出凝块状态。其次，高凝血性是炎症的重要标志，当身体出现炎症状态时，血小板在凝血过程中会促进细胞粘附分子的表达，并协助白细胞聚集到目标区域，血小板的激活程度以及白细胞的粘弹性都是影响血液凝固的重要因素8。最后，凝血酶是将可溶的纤维蛋白原转化为不溶的纤维蛋白所必需的蛋白质水解酶，因此凝血酶生成速率和凝血酶的浓度对凝块的密度和粘弹性有着重要影响9。交织成网的纤维蛋白多聚体具有超强的弹性，导致凝血形成较硬且有韧性的凝块10。凝血功能检测对于血栓形成性疾病以及出血性疾病的诊断非常重要。出现便血或者是咯血的患者做凝血功能检查，可以确定患者是否因凝血因子减少而患病。而对于高血压、糖尿病和高脂血症的患者，做凝血功能检查，可以分析患者血液是否存在高凝状态，易于形成血栓。正常的血小板功能和凝血功能是稳定血液循环的关键因素。如果其中一个因素没有发挥作用，将导致止血功能受损，临床上表现为出血并发症11。人体的止血功能十分重要，当人意外受伤流血时，止血功能迅速发挥作用，使血液凝固堵住伤口，避免血液大量流失。当患者需要手术时，医师必须事先对患者进行凝血功能检查，如果止血功能不健全，患者术中可能发生大出血。常见的凝血障碍疾病有血友病 A、血友病 B 和血管性血友病。血友病 A 和血友病 B 分别是由于体内缺乏因子VIII 和因子 IX 所造成的。血管性血友病是由于因子VIII 复合物中的血管性血友病因子（von Willebrand Factor，vWF）基因合成与表达缺陷所引起的。血小板在凝血中具有重要作用12，影响凝血最明显的血小板缺陷是 维 斯 科 特-奥 尔 德 里 奇 综 合 征13-14（Wiskott-Aldrich Syndrome，WAS）。动脉粥样硬化斑块破裂会触发血小板聚集和凝血激活，进而使富含血小板的血栓阻碍血液流动，即形成动脉血栓。动脉血栓会导致一系列严重后果，例如心肌梗塞或缺血性中风。静脉血栓发生在剪切力较低的地方，静脉血栓比动脉血栓含有更少的血小板和更多的纤维蛋白。一般来说，止血蛋白的浓度和功能被认为是静脉血栓风险的主要决定因素。凝血功能检查对监测服用影响凝血功能药物的患者很重要。例如，华法林可用于血栓类疾病的预防和治疗，它的治疗目的是降低血液的凝血能力，而不是完全阻止凝结。因此，在服用华法林期间必须仔细监测患者血液的凝血能力，并根据定期血液检查的结果调整华法林的剂量，将凝血时间维持在目标范围内。2 凝血检测的国内外研究现状目前，国内外凝血功能检测主要分为生化检测和物理检测15。标准生化检测中，通常测量血液中凝血因子的数量或活性。生化测试能准确评价凝血因子，然而样品的预处理相对复杂，不同凝血因子的检测耗时较长。物理检测包括光吸收/散射检测或血液粘弹性检测，能够以较少的预处理来完成凝血功能检测。2.1 生化检测法标准生化检测主要测量血液中凝血因子的数量或活性16。在过去的 100 年里，人们对血液凝固机制的理解取得了显著的进展，新技术不断被用于凝血功能研究，血液中存在的与凝血相关的分子也逐渐被发现。20世纪 60 年代，对患者的临床观察和简单的实验室检查是常用的凝血功能检测方法。1970 年代，研究人员利用蛋白质化学，从血浆中分离和表征了许多凝血因子和抑制剂，可以通过对这些蛋白分子的结构分析，评估凝血功能，但蛋白分子的结构分析十分耗时。此外，重组DNA 技术也被用于合成因子 VII、因子 IX 等重组凝血因子，从而为凝血检测提供了新的工具。20 世纪 90 年代，基因靶向技术的应用促进了凝血因子和凝血抑制剂的研究。目前，常规实验室凝血试验利用凝血酶原时间（Prothrombin Time，PT）、活化部分凝血活酶时间（Activated Partial Thromboplastin Time，APTT）、凝血酶时间（Thrombin Time，TT）、纤维蛋白原浓度等指标评估患者的凝血状态。这些试验在围手术期和急性病患者中的价值有限，因为从样本运输、处理到获得结果，通常需要4560 min。在危重病患者或受伤患者的凝血功能急速变化的情况下，样品预处理和检测的时间过长，将无法可靠地为输血或抗凝治疗提供及时的信息。此外，凝血22健康医疗微电子电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronics in Medical and Healthcare技术专栏技术专栏丨特约主编 黄成军 刘欢 朱疆试验以血浆为样本，没有关于血小板功能和红细胞功能的信息，不能用于预测血栓形成和出血的风险。因此，生化检测虽然能较为准确地评价血浆信息，但是样品的预处理相对复杂，不同凝血因子的检测耗时较长，生化测试对急性病患者的应用具有明显的局限性17。2.2 血栓弹性成像/旋转血栓弹性测定法近 年 来，基 于 粘 弹 性 测 量 的 血 栓 弹 力 图 检 查（Thrombelastograghy，TEG）和 旋 转 血 栓 弹 力