基于中紅外吸收的低成本幽門螺旋桿菌檢測的光學傳感系統

王瑤 牟濤濤 陳少華

北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192

0 引言

1983年，澳大利亞學者Marshall B和Warren J R[1]報道從人胃內成功分離出“未鑒定的彎曲狀桿菌”（Campylobacter pylori），引起醫學界的廣泛興趣，并開始展開深入的研究。在研究這種細菌的生物特征時，曾幾次改名，直到1989年建立了螺桿菌屬[2]，才將其正式命名為Helicobacter pylori，簡稱H pylori，國內譯為“幽門螺旋桿菌”。幽門螺旋桿菌產生的毒素和有毒作用的酶能破壞胃黏膜屏障，他還能使機體產生炎癥和免疫反應，影響胃酸的分泌，最終會導致胃炎、消化性潰瘍、胃食管反流病、胃MALT淋巴瘤等一系列胃病的形成。

國外一項關于幽門螺旋桿菌感染率調查的分析顯示，幽門螺旋桿菌感染率為67%左右，并且隨著年齡的增大而增加，女性發病率高于男性[3]。中國及其他發展中國家屬于幽門螺旋桿菌的高發區。2001～2004年，由中華醫學會進行的一項涉及全國20個省市的自然人群幽門螺旋桿菌流行病學調查顯示，中國幽門螺旋桿菌感染率為40～90%，平均為59%[4]。人是目前確定的幽門螺旋桿菌感染源，關于幽門螺旋桿菌的診斷技術，按照檢測創傷性的不同可分為入侵侵檢和非入侵檢查兩類。從胃部取材進行幽門螺旋桿菌檢測，包括微生物學方法、形態學檢查、尿素酶依賴性試驗，此外，也嘗試通過其他途徑取樣本進行幽門螺旋桿菌感染的鑒定，如血清免疫學、基因分子生物學檢測、糞便H pylori抗原檢測以及尿液、唾液H pylori抗體檢測等[5-6]。

現階段，國內外對于幽門螺旋桿菌感染情況檢測方法均存在一定的弊端。侵入式檢測：首先對人體檢測時需使用胃鏡等輔助手段，操作復雜，對工作人員專業知識、技能的要求極高，同時給被測者帶來痛感，整個過程繁瑣復雜，檢測效率低下；非侵入式檢測：首先，血清免疫學檢測方法需要抽血，并對血清進行分析，同樣對于操作者專業知識、技能要求高，檢測效率低，其次，14C呼氣試驗檢測方式，其同位素為放射性元素，對于人體、環境都有污染性，孕婦、嬰兒更是無法使用，而13C、15N同位素標記檢測雖無放射性危害，但均需要配備價格高昂、體積笨重的質譜儀進行呼出氣體檢測，因此很大程度限制了在基層醫院的推廣發展。

幽門螺旋桿菌對人體危害較大，同時其感染率極高，經費不足的基層醫院對于其檢測設備和技術的需求十分迫切。在這種情況下，本文提出設計一款基于紅外光吸收的低成本幽門螺旋桿菌檢測的光學傳感系統，取代昂貴的質譜儀對呼出氣體中標記同位素進行濃度檢測，可以對幽門螺旋桿菌感染情況進行初步檢測，完成幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。

1 氣體紅外檢測原理

氣體對紅外輻射的吸收遵循朗伯-比爾定律[7]：

式中，I——紅外輻射被氣體吸收后的能量；

I0——紅外輻射的初始能量；

k——氣體吸收系數；

c——被測氣體的濃度；

L——輻射通過氣體層的厚度。

通過測量紅外輻射的初始能量I0和紅外輻射被氣體吸收后的能量I就能檢測出氣體濃度c。實際應用中，往往是在混合氣體中檢測某一種氣體的濃度，該氣體稱為目標氣體（本文中的目標氣體即為呼出氣體中12C同位素標記的二氧化碳氣體濃度）?；旌蠚怏w中的其他組成成分稱為背景氣體，通過量化紅外輻射在目標氣體吸收譜段的衰減，同時排除背景氣體對紅外輻射吸收的影響，可以計算目標氣體的濃度。單光源雙通道檢測技術[8]是實現此測量過程的常用技術。

2 系統設計原理

本設計采用單光源雙通道檢測技術，一個完備的系統由兩個小型檢測系統構成。其中一個檢測系統需要完成呼出氣體中二氧化碳氣體濃度的精準檢測；另一個檢測系統則需要完成呼出氣體中12C二氧化碳氣體濃度的檢測，整體結構框圖如圖1所示。

被檢測者在檢測過程中需口服13C標記的藥物。分別記錄吃藥前呼出氣體中二氧化碳濃度（記作C前）和吃藥前呼出氣體中12C二氧化碳氣體的濃度（記作C前12），以及吃藥并消化一段時間后呼出其中二氧化碳濃度（記作C后）和吃藥后呼出氣體中12C二氧化碳氣體的濃度（記作C后12）。又因為空氣中二氧化碳氣體由13C和12C兩種同位素標記的二氧化碳氣體構成，則：

其中，C前13、C后13——吃藥前后呼出氣體中13C標記二氧化碳氣體濃度。

其中，ΔE即高于本底的DOB值，判斷ΔE是否大于數值4，即可定性分析是否感染幽門螺旋桿菌[9]，若大于4則判定檢測結果為陽性，反之則為陰性。

2.1 硬件系統設計

整個檢測系統由兩組單光源雙通路檢測系統構成。兩個檢測系統分別用于呼出氣體中二氧化碳氣體總濃度和12C標記二氧化碳氣體濃度的檢測，最終將檢測到的數據傳遞到PC端呈現出來。

對于呼出氣體中二氧化碳總濃度的檢測模塊現在市場上已十分常見，這里不做介紹，主要對于12C標記二氧化碳濃度檢測模塊進行詳細介紹。該檢測模塊中，儀器內部光學氣室采用黃銅材料制成，兩端用氟化鈣玻璃窗口片（氟化鈣材質的玻璃在紫外和紅外光譜范圍具有很高的透過率，并且具有極高的損傷閾值，且其具有較低的折射率，工作范圍在180 nm～8.0 μm間，能夠滿足中紅外光檢測的需求）封裝，充分保證其密閉性。在其頂部分別設置進氣孔和出氣孔。系統3D結構如圖2所示。

選擇常規黑體光源作為光源，紅外接受器件選擇PYS 3828 TC G2/G20，該紅外接收器件的過濾傳輸圖如圖3所示，二氧化碳中13C、12C同位素標記的二氧化碳的中紅外吸收譜圖如圖4所示。

結合圖3、圖4可知，12C標記二氧化碳氣體檢測系統設置的濾光片必須要能夠濾掉13C標記二氧化碳所吸收紅外光的波段，以此來保證氣室末端紅外接收裝置所接收到的信號僅為能夠反映12C標記二氧化碳紅外光吸收情況的信號，也就能夠保證檢測所得結果為12C標記二氧化碳的濃度。結合吸收光譜和過濾譜設定濾光片的通帶范圍為3.75～4.30 μm。呼出氣體中二氧化碳總濃度檢測的系統則應用常規高精度二氧化碳檢測器件檢測即可，儀器內部無需添加濾光片及其他光學器件。

2.2 算法設計

2.2.1 建立數學模型

在單光源雙通道檢測技術推導氣體濃度測量的數學模型如下[10]：

式中，c——目標氣體濃度；

ums——目標探測器實時檢測時的測量電壓值；

urs——參考探測器實時檢測時的測量電壓值；

ur0——目標氣體濃度為0時參考探測器的測量電壓值；

um0——目標氣體濃度為0時目標探測器的測量電壓值；

A——與氣室長度和氣體吸收系數有關的且與探測器的電壓探測率有關的常數。

2.2.2 零點標定與量程標定由式（5）可知，當c=0時，測量計算得到的值就代表了檢測氣體的零點，記為a0：

當c為某一已知濃度的氣樣，一般取儀器測量氣體濃度的上限，也就是滿量程值，如c=cs時，測量計算得到的值，此時：

由式（7）就可計算得到A值，記為As，這樣，式（5）則為：

完成定標后，公式中的常數就能夠通過計算得到準確數值，也就完成了系統的標定過程，最終根據式（9）就可以得到目標氣體的濃度值。

3 同位素12C標記二氧化碳濃度檢測系統仿真對比

應用TracePro軟件完成光學器件設計和系統仿真。在基于雙平凸透鏡結構的單光源雙通路仿真系統中（如圖5所示），將光源設置為半徑為0.5 mm、發散角為30 °的格點光源，根據所選光源的型號（發射光的波段范圍1～7 μm）設定光源的發射光波段。設定濾光片的材質為氟化鈣，通帶范圍為3.75～4.30 μm，厚度為1 mm，直徑為20.5 mm；左右兩端的兩個平凸透鏡分別有準直和聚焦的作用，兩個平凸透鏡完全相同，材質均為氟化鈣，中心厚度為7.5 mm，邊緣厚度為2 mm，曲率半徑為17.5 mm，入瞳直徑為22.86 mm，焦距為30.273 mm；兩個窗口也完全相同，材質均為氟化鈣，直徑為22.86 mm，厚度為1 mm；傳感器設置為邊長為5 mm的正方體，其感光面的輻照度分析圖如圖7所示；兩個氟化鈣窗口中間部分即為氣室，仿真系統中擬定氣室長度為115 mm。圖6和圖8分別展示了普通（除缺少雙平凸透鏡結構外，其他元器件參數、光學環境等條件均相同）的單光源雙通道光學檢測系統的光線追跡情況和其對應的傳感器感光面的輻照度分析圖。

根據光線追跡仿真圖（圖5、圖6）以及光學系統的輻射照度分析圖（圖7、圖8）可以發現，基于雙平凸透鏡結構的設計系統中其光線追跡明確顯示，光源發出的光經平凸透鏡準直后穿過光學氣室，又經后端平凸透鏡聚焦，將光線聚焦到傳感器表面，同時其輻照度分析圖顯示光線經平凸透鏡聚焦后落到傳感器中的位置正好位于感光面中，且其光學效率能達到64%以上；普通結構的單光源雙通道檢測結構光線追跡圖顯示，光源發出的光線只有很少部分穿過窗口鏡片照射到傳感器感光表面，且其光學效率低至0.3%。

4 結果

對比兩種光學系統，本文所提出的雙平凸透鏡結構的光學傳感系統的光學效率比普通結構高200倍以上，可以獲得更強的信號，在同樣的測試環境下，配備本文所提出的雙平凸透鏡結構的光學傳感系統具有更好的檢測效果。在本設計中采用基于雙平凸透鏡結構的檢測系統完成12C標記二氧化碳氣體濃度的檢測，具有更精確的檢測效果。

電路系統將接收到的信號結合預留算法進行處理，在PC端可以分別顯示出總的二氧化碳濃度、12C標記二氧化碳濃度以及兩濃度求差所得的13C標記二氧化碳的濃度，并進一步根據預留算法求出DOB值，與醫學標準數值進行對比，最終完成被檢測者幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。

5 總結

本文提出了一種基于中紅外光吸收的幽門螺旋桿菌感染情況定性分析的低成本光學系統設計，重點討論了對于呼出氣體中12C標記的二氧化碳氣體濃度的檢測方法。整個光學系統由兩個單獨光學結構組成，一個采用傳統高精度基于中紅外光吸收的二氧化碳濃度檢測裝置對呼出氣體中二氧化碳總濃度完成精準檢測；另一部分采用本文所提出的高效率光學檢測裝置，對呼出氣體中同位素12C所標記的二氧化碳濃度進行精準檢測，結合科學的算法設計計算出呼出氣體中同位素13C所標記二氧化碳氣體的濃度，最終通過呼出氣體中13C標記二氧化碳氣體濃度值和醫學標準值的對比，完成被檢測者幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。本文所提出的檢測系統成本低、操作簡便、可行性高、檢測效率高，具有很好的市場應用前景。