新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配

2014-02-02甘汝婷郭震宁

中国光学 2014年5期

关键词：治疗仪蓝光黄疸

甘汝婷，郭震宁

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021）

新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配

甘汝婷，郭震宁*

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021）

为了有效降低胆红素脑病的风险和减少换血的需要,以实验测试的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为光疗的目标光谱,根据光谱构造理论,采用不同峰值波长和半高宽的单色LED作为匹配光源,首次提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,得到最优LED组合比例,进而推得所需各种峰值波长的LED的数量。仿真实验结果表明：拟合的光谱曲线与目标光谱曲线十分近似,光谱匹配度达到了98.39％,获得了一种新型的LED黄疸治疗仪光源光谱功率分布。该算法简单,效率高、拟合误差小,可应用基于LED光源的光谱功率分布匹配技术的研究。

LED；黄疸治疗仪；简单遗传算法；光谱功率分布；光谱匹配

1 引言

自从1958年Cremer RJ等人［1］提出光照疗法用于治疗新生儿高胆红素血症（黄疸病）以来,应用于特殊部位或特殊病症的特殊波长、强度的光疗设备广泛应用于医疗诊断。新生儿黄疸光疗的机理是高未结合的胆红素经光氧化及异构化作用后产生胆绿色和无毒的水溶性双吡咯,经胆汁排入肠道或从尿中排泄出,从而降低血清胆红素的浓度。光照疗法是治疗新生儿病理性黄疸的一种有效方法,已被医学界公认。黄疸光疗仪也是医疗单位必不可少的医疗器械。目前,常用的新生儿黄疸光疗仪有荧光灯（如白光、蓝光、蓝绿光、绿光等）、卤素聚光灯、蓝光光纤毯及高强度LED灯［2-5］。

随着光电技术的发展,发光二极管发光效率不断提高,其具有单色性好、体积小、寿命长、能量消耗低、使用直流电、发热量低和控制灵活等特点［6］,使LED光源在医疗、美容、植物栽培等领域的研究受到越来越广泛的关注［7-11］,LED光动力治疗仪在生物医学上的研究和应用越来越广泛。

传统观点认为,游离胆红素对440 nm波长的光或紫外线敏感［12］。在中国药典［13］上有记载：在400～500 nm波段处,测定胆红素吸收曲线,其最大吸收波长为453 nm。美国儿科医学会（AAP）定义的蓝光波长为430～490 nm［14］。也有研究表明,在蓝光到绿光波长范围内的光波段与胆红素吸收光谱的波段范围（460～490 nm）重叠［15］；Ebbesen等人［16］分别采用蓝绿光和蓝光做临床对比实验,证明蓝绿光比蓝光在降解胆红素方面更有效。

并且,目前现有的LED黄疸治疗仪的光波长也很不一致,如BabyBlue（450～470 nm）、NeoBlue（450～470 nm）、Billitron（400～550 nm）、BiliLED（453～487 nm）等［17］。因此,确定能促进胆红素高效吸收的光谱功率分布范围,对于有效使用以LED为光源的新生儿黄疸治疗仪,具有重要的现实意义。

近年来,应用LED作为模拟光源,产生所需的目标光谱已成为研究的热点。利用LED的窄波段特性,根据人们的需要,采用不同波段的LED来模拟产生各种光谱功率分布的光谱匹配技术的研究及应用也尤为显得重要。

目前,光谱匹配的方法主要是利用光谱匹配算法和通过改变电流进行动态可调的光谱匹配技术［18-21］,主要应用在太阳模拟技术、视觉检测和光谱图像处理等方面,在生物医学领域的应用研究还比较少,尤其是医学治疗领域,如LED新生儿黄疸治疗仪光谱匹配方面的应用。虽然LED具有很多优点,但是确定最佳波长来组合特殊的目标光谱仍是新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布研究的难点。

本文基于光谱构造理论,提出采用LED光源光谱匹配技术用于黄疸治疗仪上的方法,用新型的新生儿黄疸治疗仪对LED光源光谱功率分布进行了研究。将简单遗传算法（Simple Genetic Algorithm,SGA）［22］首次应用在基于LED光源的特种光谱匹配技术,得到了匹配目标光谱所需的最优LED组合比例及相应的LED组合数量,获得了一种新型的新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱功率分布。并且引入模拟退火算法（Simulated Annealing Algorithm,SAA）［18-19,23］进行对比分析,验证了所提出算法的可行性和高效性。

2 光谱构造理论与方法

2.1 光谱构造理论

光源的光谱功率分布可分为绝对光谱功率分布和相对光谱功率分布。绝对光谱功率分布是光源辐射功率的实际值,即每个波长上光源实际辐射的功率。相对光谱功率分布,是各个波长辐射功率的绝对值,并不是光源实际辐射的功率,只是各个波长功率之间的相对大小。相对光谱功率分布测量比较简单。在色度学中,一般均用相对光谱功率分布。根据光谱的叠加原理可得到LED光谱合成的模型［24］：

式中,Si（λ）∝STarget（λ）,Si（λ）是单个LED的相对光谱功率分布,ki为未知的LED的系数。

构造LED的相对光谱功率分布矩阵SLED=（S1,S2,…,Sn）,目标光谱矩阵STarget=（ST1,ST2,…,STm）T,系数矩阵K=（k1,k2,…,kn）T。当m＞n时,用矩阵形式可表示为：

在求解上述线性方程组时,一般是无解的。通常求其最小二乘解,使得总体相对误差达较小。即：

采用计算残差平方和（RSS）和相关指数（R2）来评价光谱匹配拟合的效果。用SˆTarget表示近似解,残差平方和的定义为：

3 实验

对于作为传统光疗仪的某品牌蓝光荧光灯,利用杭州远方光电信息股份有限公司生产的积分球光谱测试系统对使用前和使用后的光谱进行测试,结果如图2、图3所示。

由图2、图3可知,蓝光荧光灯光衰明显,使用之后蓝光几乎衰减掉了。在使用不到一年的时间后,光通量由545 lm下降为8 lm,且后期大多是红外光,而红外线的生物效应主要是热效应,红外光对皮肤损伤表现为热红斑,严重时可导致皮肤烧伤,而婴儿的皮肤比较嫩,更容易受损伤。但蓝光LED发热小、寿命长、发光效率高、光衰低,且紫外光和红外光的辐射量极少,对新生儿可全方位治疗,无副作用。所以,采用蓝光LED作为组合光源对胆红素的有效降解光波段的光谱功率分布进行匹配研究将具有很重要的意义。

取纯度为99.28％的胆红素（Bilirubin）标准品（大连美仑生物技术有限公司）约20 mg,精密称定。加入少量三氯甲烷,将胆红素研磨后转移至100 mL棕色量瓶中,经过超声处理并使其溶解；取出,迅速放冷,再加入三氯甲烷稀释至刻度,摇匀；精密量取2.5 mL,置100 mL棕色瓶中,再次加入三氯甲烷稀释至刻度,摇匀。利用紫外-可见分光光度计（U-3010,HITACHI）,在常温18℃、避光条件下测定350～800 nm波段范围内胆红素溶液的吸收曲线,测试显示其吸收度的峰值波长为454 nm,如图4所示。将胆红素吸收光谱与蓝光荧光灯光谱进行对比,效果如图5所示。

由图5可知,蓝光荧光灯的光波段并没有完全与胆红素的有效吸收波长重合,部分蓝光荧光灯光波段的能量损失掉了。由于LED的光谱为窄谱,可以匹配出光疗作用最有效的窄带宽的光谱,避免蓝光荧光灯包含的其它一些波段能量的损失。所以,采用蓝光LED作为组合光源对胆红素有效降解波段的光谱功率分布进行匹配是很有必要的。

4 光谱匹配与分析

基于前述的光谱构造原理,将实验测试的胆红素溶液的吸收光谱作为目标光谱,利用不同峰值波长和半高宽的单色LED进行光谱匹配。通过MATLAB软件对波长范围为350～800 nm的LED进行光谱拟合,拟合函数［25］为：

根据目前市场上实际存在的LED具有的峰值波长和半高宽,选取的峰值波长分别为400、 425、450、470、490 nm,半高宽全部为25 nm。采用SGA和SAA分别对目标光谱进行匹配,所得的结果如表1所示,效果图如图6所示。其中两种算法运行的环境均为：Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU E8400@3.0GHz,4.0GB内存。

从表1和图6可知,简单遗传算法的运行时间较短,速度较快,效率高、误差小,光谱匹配度较高；拟合的光谱和目标光谱十分近似。将所求得的LED最优组合比例取整数,SGA所需的不同峰值波长的LED数量分别约为：21、38、43、33、6,总数约为141；而SAA所需的不同峰值波长的LED数量分别约为：25、44、40、38、5,总数约为152,数量较多,且SAA的运行速度较慢,效率较低。

5 结论

本文提出了将标准胆红素溶液的吸收光谱作为新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布的目标光谱,以简单遗传算法作为光谱匹配算法,采用不同峰值波长和半高宽的单色LED进行目标光谱的匹配,计算出最优的LED组合比例,并推算出所需LED的数量。

仿真实验结果表明：单色LED能够定量地匹配出新生儿黄疸治疗仪用LED光源的目标光谱,所提出的光谱匹配算法简单易操作,匹配度较高,达到了98.39％；运行速度较快,约为7.27 s；简化了通过恒流驱动来实现光源可调谐的步骤,也避免了供电电压波动或不稳对LED发光特性的影响及对采集光谱数据带来的偏差,拟合效率高、误差小,适用于其它特种照明用LED光源光谱功率分布的匹配优化技术,也为后续新型LED黄疸治疗仪的研制奠定了坚实的基础。

［1］CREMER R J，PENYMAN PW，RICHARDSD H.Influence of light on the hyperbilirubinaemia of infants［J］.The Lancet，1958，271（7030）：1094-1097.

［2］ENNEVER J F，SOBEL M，MCDONAGH A F，et al..Phototherapy for neonatal jaundice：in vitro comparison of light sources［J］.Pediatric Research，1984，18（7）：667-670.

［3］CHANG Y S，HWANG JH，KWON H N，etal..In vitro and in vivo efficacy of new blue light emitting diode phototherapy compared to conventionalhalogen quartz phototherapy for neonatal jaundice［J］.J.Korean Medical Science，2005，20（1）：61-64.

［4］VREMAN H J，WONG R J，STEVENSON D K.Phototherapy：currentmethods and future directions［J］.Seminars in Perinatology，2004，28（5）：326-333.

［5］SURMELI-ONAY O，KORKMAZ A，YIGITS，etal..Phototherapy rash in newborn infants：does it differ between conventional and light emitting diode phototherapy［J］.Pediatric Dermatology，2013，30（5）：529-533.

［6］SCHUBERT E F.Light-Emitting Diodes［M］.UK：Cambridge University Press，2006.

［7］YEH N G，WU C H，CHENG T C.Light-emitting diodes-Their potential in biomedical applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reυiews，2010，14（8）：2161-2166.

［8］HATAKEYAMA T，MURAYAMA Y，KOMATSU S，etal..Efficacy of5-aminolevulinic acid-mediated photodynamic therapy using light-emitting diodes in human colon cancer cells［J］.Oncology Reports，2013，29（3）：911-916.

［9］KWON H H，LEE JB，YOON JY，etal..The clinical and histologicaleffectofhome-use，combination blue-red LED phototherapy formild-to-moderate acne vulgaris in Korean patients：a double-blind，randomized controlled trial［J］.British J. Dermatology，2013，168（5）：1088-1094.

［10］LIN M H，HUANGM Y，HUANGW D，et al..The effects of red，blue，and white light-emitting diodes on the growth，development，and edible quality of hydroponically grown lettuce［J］.Scientia Horticulturae，2013，150：86-91.

［11］臧景峰，朴燕，宋正勋，等.基于白光LED照明光源的室内VLC系统［J］.发光学报,2009,30（6）：877-881. ZANG JF,PIAO Y,SONG ZH X,et al..Synthesis of spectral distribution for LED-based source with tunable spectra［J］.Chinese J.Luminescence,2009,30（6）：877-881.（in Chinese）

［12］安徽医学院生化教研组编.临床生化20例［M］.合肥：安徽科学技术出版社,1984. AnhuiMedical College Biochemistry Teaching and Research Group.20 cases of Clinical and Biochemistry［M］.Hefei：Anhui Science and Technology Press,1984.（in Chinese）

［13］中国药典委员会编.中国药典一部［M］.北京：人民卫生出版社、化学工业出版社,1990. Chinese Pharmacopoeia Commission.The First Part of Chinese Pharmacopoeia［M］.Beijing：People′s Health Publishing Press,Chemical Industry Press,1990.（in Chinese）

［14］American Academy of Pediatrics Clinical Practice Guideline Subcommittee on Hyperbilirubinemia.Management of hyperbilirubin in the newborn infant35 ormore weeks of gestation［J］.Pediatrics,2004,114（1）：297-316.

［15］BHUTANIV K.Phototherapy to prevent severe neonatal hyperbilirubinemia in the newborn infant 35 ormore weeks of gestation［J］.Pediatrics,2011,128（4）：e1046-e1052.

［16］EBBESEN F,MADSEN P,STΦVRING S,etal..Therapeutic effectof turquoise versus blue lightwith equal irradiance in preterm infantswith jaundice［J］.Acta Paediatr,2007,96（6）：837-841.

［17］GEIDO D,FAIACHE H,SIMINIF.BiliLED low cost neonatal phototherapy,from prototype to industry［J］.J.Physics：Conference Series,2007,90（1）：012024-1-9.

［18］刘洪兴，任建伟，李葆勇，等.基于溴钨灯和LED积分球光源的可调谐光谱分布及光谱匹配［J］.发光学报,2011, 32（10）：1074-1080. LIU H X,REN JW,LI B Y,et al..Spectrum-tunable distribution and spectral matching for integrating sphere light source based on bromine tungsten lamps and LEDs［J］.Chin.J.Lumin.,2011,32（10）：1074-1080.（in Chinese）

［19］刘洪兴，孙景旭，刘则洵，等.氙灯和发光二极管作光源的积分球太阳光谱模拟器［J］.光学精密工程,2012,20（7）：1447-1454. LIU H X,SUN JX,LIU Z X,et al..Design of integrating sphere solar spectrum simulator based on xenon lamp and LEDs［J］.Opt.Precision Eng.,2012,20（7）：1447-1454.（in Chinese）

［20］FRYC I,BROWN SW,EPPELDUER G P.LED-based spectrally tunable source for radiometric,photometric and colorimetric application［J］.Opt.Eng.,2005,44（11）：111309-111316.

［21］FRYC I,BROWN SW,OHNO Y.Spectralmatching with an LED-based spectrally tunable light source［J］.SPIE,2005, 5941：59411I-1-59411I-9.

［22］卓金武，魏永生，秦建，等.MATLAB在数学建模中的应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社,2011,37-59.ZHUO JW,WEIY SH,QIN J,etal..The Application ofMATLAB in MathematicalModeling［M］.Beijing：Beihang University Press,2011,37-59.（in Chinese）

［23］孙娟娟，黄宗潘，杨大成.基于模拟退火的移动业务分布预测算法［J］.电子与信息学报,2008,30（9）：2225-2228. SUN J J,HUANG Z P,YANG D CH.Algorithms ofmobile traffic distribution forecasting based on simulated annealing［J］.J.Electronics Information Technology,2008,30（9）：2225-2228.（in Chinese）

［24］朱继亦，任建伟，李葆勇，等.基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成［J］.发光学报,2010,31（6）：882-887. ZHU JY,REN JW,LIB Y,et al..Synthesis of spectral distribution for LED-based source with tunable spectra［J］. Chin.J.Lumin.,2010,31（6）：882-887.（in Chinese）

［25］SHEN H P,FENGH J,PAN JG,etal..Mathematicalmodel for LED spectra and application［C］.AboutCIE 26th China Illuminating Engineering Society Annual Meeting Proceedings,Beijing,China：Illuminating Engineering Society,September 25～27,2005：83-85.

甘汝婷（1988-）,女,河南商丘人,硕士研究生,主要从事LED照明与光学设计方面的研究。E-mail：ganrutingmm@163. com

郭震宁（1958-）,男,福建莆田人,博士,教授,硕士生导师,1982年于福州大学获得学士学位,1991年于华北光电技术研究所获得硕士学位,2001年于天津大学获得博士学位,主要从事光电子材料与器件、半导体照明技术方面的研究。E-mail：znguo@hqu.edu.cn

Spectral power distribution matching for light-em itting diode-based neonatal jaundice therapeutic device

GAN Ru-ting,GUO Zhen-ning*
（College of Information Science and Engineering, Huaqiao Uniυersity,Xiamen 361021,China）
*Corresponding author,E-mail：znguo@hqu.edu.cn

To decrease the risk of bilirubin encephalopathy andminimize the need for exchange transfusion effectively,themost efficient absorption spectrum of standard bilirubin tested by the experimentwas regarded as the target spectrum.On the basis of spectral constructing theory,monochromatic light-emitting diodes（LEDs）with different peak wavelength and fullwidth at halfmaximum（FWHM）were used asmatching sources.The simple genetic algorithm（SGA）was first proposed as the spectralmatchingmethod in this study.The optimal combination ratios of LEDswere obtained by calculating the non-negative least square of the overdetermined equations.The required LED number ateach peak wavelength was then calculated.Simulation experimental results show that the fitting spectrum is very comparable to the target spectrum with 98.39％matching degree, and a new spectral power distribution of LED-based jaundice therapeutic device was obtained finally.With simplicity,high efficiency,and small fitting error,this algorithm is very suitable for the study of LED-basedspectral power distribution matching technology.

light-emitting diode；jaundice therapeutic device；simple genetic algorithm；spectral power distribution；spectralmatching

TN383；R318.51

10.3788/CO.20140705.0794

2095-1531（2014）05-0794-07

2014-04-11；

2014-06-16

福建省科技计划重点资助项目（No.2013I0004）