基于雙探測器的實時黃疸檢測系統設計

武姝君，李英，周哲，賈克，付威威

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163）

新生兒黃疸是由于體內膽紅素代謝異常引起血液中膽紅素濃度升高，導致皮膚、黏膜和鞏膜黃染的現象。約80%的足月兒和絕大多數早產兒均會出現暫時性膽紅素濃度增高的現象，其中大部分為生理性黃疸，少部分為病理性黃疸。嚴重的病理性黃疸會引發高膽紅素腦病（核黃疸），對新生兒腦部神經造成損傷（如手足多動癥、聽力消失、目光呆滯等），甚至危及新生兒生命[1-5]。因此，實現對新生兒體內膽紅素濃度的實時檢測，在預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驗室化驗血清膽紅素濃度和經皮黃疸檢測儀檢測，這兩種方法屬于間斷性檢測，且經皮黃疸檢測儀測量結果會受到新生兒膚色和發育程度的影響[6，7]。本文基于雙探測器的檢測方法對新生兒膽紅素濃度進行檢測。主要原理是膽紅素對光吸收特性，光源發出的光經過皮膚反射，反射光攜帶膽紅素濃度信息，根據朗伯比爾定律（Beer-Lambert Low）推導出雙探測器接收到的光信號與膽紅素濃度之間的關系，從而實現膽紅素濃度的檢測。

1 檢測原理

皮膚組織主要有表皮層、真皮層和皮下組織三部分組成，根據皮膚組織不同物質的光吸收特性，膽紅素對波長為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，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]。

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

其中，I為出射光強，I0為入射光強，k為摩爾吸收系數，L為吸收層厚度（皮膚組織的厚度不超過2cm），C為溶液濃度。根據式（1），膽紅素濃度與光程L、吸光系數和光強有關，由于新生兒與早產兒的皮膚發育厚度不同如圖1，引起光程的改變，從而導致濃度發生變化，為了克服光程變化對測量結果產生的影響采用雙探測器測量，探測器前端光路示意圖如圖2。D1為探測器1，D2為探測器2，對于雙探測器檢測則有：

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

電壓信號為V，單位：伏；C為測量膽紅素濃度，單位：μmol/L。通過實驗，確定方程系數，得到膽紅素濃度與電壓信號的關系。

圖1 新生兒皮膚組織發育程度對比圖

2 系統的整體設計

系統整體框圖如圖3。探頭部分主要由探測器和LED光源組成，如圖4。探測器選擇PIN型光電二極管，型號為NJR640，其封裝尺寸小，且對于波長460nm的光靈敏度可達到80%。光源需要選擇封裝尺寸較小，光強度大的貼片式LED光源。

通過程序設置藍光LED和綠光LED交替點亮并設置探測器每間隔1min進行自動切換。皮膚的反射光被光電探測器采集并轉化成電信號，經過放大電路和濾波電路處理后，轉化成數字信號，CPU接收指令并發送數據，通過USB接口將收據發送至PC實現對電壓信號的采集。系統實物圖如圖5所示。

圖4 探頭實物圖

圖5 系統實物圖

3 實驗

實驗選擇兩名黃疸新生兒，進行跟蹤監測。實驗開始前，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量部位，整個實驗的目的為了確定電壓與膽紅素沒濃度之間的線性關系，并進行驗證實驗，證明最終得到的線性關系合理，具有可行性。

實驗具體過程：將監測系統的探頭部分貼于黃疸新生兒胸口，監測系統另一端用過USB連接PC，待新生兒狀態穩定時，調整初始參數（LED電流，電壓，放大倍數），盡可能的增大信噪比，波形穩定時開始正式采集數據，圖6為信號波形顯示界面（當綠光LED1（550nm）點亮時，通過皮膚組織后兩個探測器采集到的光信號記LED1和LED1 AMBIENT背景光信號；當藍光LED1（460nm）點亮時，通過皮膚組織后雙探測器采集到的光信號記LED2和LED2 AMBIENT 背景光信號）。在相同檢測部位，使用手持式經皮黃疸檢測儀測量三次求均值得到膽紅素濃度，記為標準膽紅素濃度值。

圖6 信號顯示界面

4 數據分析

由于檢測到的電壓信號中包含50Hz的工頻干擾，影響直流分量的提取。通過MATLAB設計二階巴特沃斯濾波器[9，10]，截止頻率為20Hz，進行濾波處理，消除工頻干擾信號，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）對濾波后的信號進行直流分量提取，通過差分處理得到電壓信號V值。理論分析，膽紅素的濃度增加，電壓值呈下降趨勢。用MATLAB2014a對V值和手持式經皮黃疸檢測儀測得的標準濃度進行擬合，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

為驗證擬合方程的準確性，繪制另外一名新生兒的檢測值在擬合曲線附近的波動圖，如圖9新生兒數據分布在擬合曲線周圍，波動幅度較小，選擇部分電壓值帶入式（4），得到的膽紅素濃度與標準膽紅素濃度進行對比如表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）具有高準確性。

表1 測量值與標準值對比表

圖9 數據波動圖

5 結論

本文提出了基于雙探測器的黃疸實時檢測算法，根據朗伯比爾定律，皮膚組織中不同物質的光吸收特性，理論上驗證了膽紅素濃度與電壓之間存在線性關系。通過實驗及數據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行驗證實驗，得到膽紅素濃度值與標準膽紅素濃度值之間的誤差均值為6μmol/L，證明擬合方程成立，驗證了電壓與膽紅素濃度之間的線性關系。下一步的工作：檢測早產兒數據，從實驗方面證明雙探測器具有克服個體差異的作用。