武姝君，李英，周哲，賈克，付威威

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

新生兒黃疸是由于體內(nèi)膽紅素代謝異常引起血液中膽紅素濃度升高，導(dǎo)致皮膚、黏膜和鞏膜黃染的現(xiàn)象。約80%的足月兒和絕大多數(shù)早產(chǎn)兒均會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)性膽紅素濃度增高的現(xiàn)象，其中大部分為生理性黃疸，少部分為病理性黃疸。嚴(yán)重的病理性黃疸會(huì)引發(fā)高膽紅素腦病（核黃疸），對(duì)新生兒腦部神經(jīng)造成損傷（如手足多動(dòng)癥、聽力消失、目光呆滯等），甚至危及新生兒生命[1-5]。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)新生兒體內(nèi)膽紅素濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在預(yù)防和治療核黃疸方面有著重要的意義。

判斷新生兒黃疸常用的方法主要有實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)血清膽紅素濃度和經(jīng)皮黃疸檢測(cè)儀檢測(cè)，這兩種方法屬于間斷性檢測(cè)，且經(jīng)皮黃疸檢測(cè)儀測(cè)量結(jié)果會(huì)受到新生兒膚色和發(fā)育程度的影響[6，7]。本文基于雙探測(cè)器的檢測(cè)方法對(duì)新生兒膽紅素濃度進(jìn)行檢測(cè)。主要原理是膽紅素對(duì)光吸收特性，光源發(fā)出的光經(jīng)過皮膚反射，反射光攜帶膽紅素濃度信息，根據(jù)朗伯比爾定律（Beer-Lambert Low）推導(dǎo)出雙探測(cè)器接收到的光信號(hào)與膽紅素濃度之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)膽紅素濃度的檢測(cè)。

1 檢測(cè)原理

皮膚組織主要有表皮層、真皮層和皮下組織三部分組成，根據(jù)皮膚組織不同物質(zhì)的光吸收特性，膽紅素對(duì)波長為460nm的光具有比較明顯的吸收峰值，血紅蛋白在460nm和550nm處具有相同的光吸收系數(shù)，且在550nm處膽紅素的吸光度近似為零，選擇波長為550nm和460nm的光作為光源來消除血紅蛋白的影響[8]。

根據(jù)朗伯比爾定律（Beer-Lambert Low），光被吸收的量與光程中產(chǎn)生光吸收分子數(shù)目之間的關(guān)系如式（1）。

其中，I為出射光強(qiáng)，I0為入射光強(qiáng)，k為摩爾吸收系數(shù)，L為吸收層厚度（皮膚組織的厚度不超過2cm），C為溶液濃度。根據(jù)式（1），膽紅素濃度與光程L、吸光系數(shù)和光強(qiáng)有關(guān)，由于新生兒與早產(chǎn)兒的皮膚發(fā)育厚度不同如圖1，引起光程的改變，從而導(dǎo)致濃度發(fā)生變化，為了克服光程變化對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響采用雙探測(cè)器測(cè)量，探測(cè)器前端光路示意圖如圖2。D1為探測(cè)器1，D2為探測(cè)器2，對(duì)于雙探測(cè)器檢測(cè)則有：

式（2）膽紅素的濃度只與光程差有關(guān)，光程差為定值（即為兩個(gè)探測(cè)器之間的距離），從理論上上證明了雙探測(cè)具有克服個(gè)體差異的作用。k值為已知量，式（3）看出膽紅素濃度與檢測(cè)的光信號(hào)具有線性關(guān)系。設(shè)線性關(guān)系為：電壓信號(hào)為V

電壓信號(hào)為V，單位：伏；C為測(cè)量膽紅素濃度，單位：μmol/L。通過實(shí)驗(yàn)，確定方程系數(shù)，得到膽紅素濃度與電壓信號(hào)的關(guān)系。

圖1 新生兒皮膚組織發(fā)育程度對(duì)比圖

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如圖3。探頭部分主要由探測(cè)器和LED光源組成，如圖4。探測(cè)器選擇PIN型光電二極管，型號(hào)為NJR640，其封裝尺寸小，且對(duì)于波長460nm的光靈敏度可達(dá)到80%。光源需要選擇封裝尺寸較小，光強(qiáng)度大的貼片式LED光源。

通過程序設(shè)置藍(lán)光LED和綠光LED交替點(diǎn)亮并設(shè)置探測(cè)器每間隔1min進(jìn)行自動(dòng)切換。皮膚的反射光被光電探測(cè)器采集并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過放大電路和濾波電路處理后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，CPU接收指令并發(fā)送數(shù)據(jù)，通過USB接口將收據(jù)發(fā)送至PC實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采集。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 探頭實(shí)物圖

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇兩名黃疸新生兒，進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)開始前，記錄新生兒體重、胎齡等信息。由于探頭尺寸較大選擇新生兒的胸口作為測(cè)量部位，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的為了確定電壓與膽紅素沒濃度之間的線性關(guān)系，并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明最終得到的線性關(guān)系合理，具有可行性。

實(shí)驗(yàn)具體過程：將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探頭部分貼于黃疸新生兒胸口，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)另一端用過USB連接PC，待新生兒狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)整初始參數(shù)（LED電流，電壓，放大倍數(shù)），盡可能的增大信噪比，波形穩(wěn)定時(shí)開始正式采集數(shù)據(jù)，圖6為信號(hào)波形顯示界面（當(dāng)綠光LED1（550nm）點(diǎn)亮?xí)r，通過皮膚組織后兩個(gè)探測(cè)器采集到的光信號(hào)記LED1和LED1 AMBIENT背景光信號(hào)；當(dāng)藍(lán)光LED1（460nm）點(diǎn)亮?xí)r，通過皮膚組織后雙探測(cè)器采集到的光信號(hào)記LED2和LED2 AMBIENT 背景光信號(hào)）。在相同檢測(cè)部位，使用手持式經(jīng)皮黃疸檢測(cè)儀測(cè)量三次求均值得到膽紅素濃度，記為標(biāo)準(zhǔn)膽紅素濃度值。

圖6 信號(hào)顯示界面

4 數(shù)據(jù)分析

由于檢測(cè)到的電壓信號(hào)中包含50Hz的工頻干擾，影響直流分量的提取。通過MATLAB設(shè)計(jì)二階巴特沃斯濾波器[9，10]，截止頻率為20Hz，進(jìn)行濾波處理，消除工頻干擾信號(hào)，濾波模型如圖7，濾波后波形如圖8。

通過FFT（快速傅里葉變換）對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行直流分量提取，通過差分處理得到電壓信號(hào)V值。理論分析，膽紅素的濃度增加，電壓值呈下降趨勢(shì)。用MATLAB2014a對(duì)V值和手持式經(jīng)皮黃疸檢測(cè)儀測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)濃度進(jìn)行擬合，得到擬合方程（4），式（4）中電壓值V與膽紅素濃度C成反比，符合理論分析。

圖7 二階巴特沃斯濾波模型

圖8 巴特沃斯濾波后的波形

為驗(yàn)證擬合方程的準(zhǔn)確性，繪制另外一名新生兒的檢測(cè)值在擬合曲線附近的波動(dòng)圖，如圖9新生兒數(shù)據(jù)分布在擬合曲線周圍，波動(dòng)幅度較小，選擇部分電壓值帶入式（4），得到的膽紅素濃度與標(biāo)準(zhǔn)膽紅素濃度進(jìn)行對(duì)比如表1，可以看出誤差在0～10μmol/L之間，其均值為6μmol/L，證明擬合方程（4）具有高準(zhǔn)確性。

表1 測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比表

圖9 數(shù)據(jù)波動(dòng)圖

5 結(jié)論

本文提出了基于雙探測(cè)器的黃疸實(shí)時(shí)檢測(cè)算法，根據(jù)朗伯比爾定律，皮膚組織中不同物質(zhì)的光吸收特性，理論上驗(yàn)證了膽紅素濃度與電壓之間存在線性關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析得到了擬合方程。將另外一名黃疸新生兒的電壓值帶入擬合方程中進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到膽紅素濃度值與標(biāo)準(zhǔn)膽紅素濃度值之間的誤差均值為6μmol/L，證明擬合方程成立，驗(yàn)證了電壓與膽紅素濃度之間的線性關(guān)系。下一步的工作：檢測(cè)早產(chǎn)兒數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)方面證明雙探測(cè)器具有克服個(gè)體差異的作用。