基于双探测器的实时黄疸检测系统设计

武姝君，李英，周哲，贾克，付威威

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州 215163）

新生儿黄疸是由于体内胆红素代谢异常引起血液中胆红素浓度升高，导致皮肤、黏膜和巩膜黄染的现象。约80%的足月儿和绝大多数早产儿均会出现暂时性胆红素浓度增高的现象，其中大部分为生理性黄疸，少部分为病理性黄疸。严重的病理性黄疸会引发高胆红素脑病（核黄疸），对新生儿脑部神经造成损伤（如手足多动症、听力消失、目光呆滞等），甚至危及新生儿生命[1-5]。因此，实现对新生儿体内胆红素浓度的实时检测，在预防和治疗核黄疸方面有着重要的意义。

判断新生儿黄疸常用的方法主要有实验室化验血清胆红素浓度和经皮黄疸检测仪检测，这两种方法属于间断性检测，且经皮黄疸检测仪测量结果会受到新生儿肤色和发育程度的影响[6，7]。本文基于双探测器的检测方法对新生儿胆红素浓度进行检测。主要原理是胆红素对光吸收特性，光源发出的光经过皮肤反射，反射光携带胆红素浓度信息，根据朗伯比尔定律（Beer-Lambert Low）推导出双探测器接收到的光信号与胆红素浓度之间的关系，从而实现胆红素浓度的检测。

1 检测原理

皮肤组织主要有表皮层、真皮层和皮下组织三部分组成，根据皮肤组织不同物质的光吸收特性，胆红素对波长为460nm的光具有比较明显的吸收峰值，血红蛋白在460nm和550nm处具有相同的光吸收系数，且在550nm处胆红素的吸光度近似为零，选择波长为550nm和460nm的光作为光源来消除血红蛋白的影响[8]。

根据朗伯比尔定律（Beer-Lambert Low），光被吸收的量与光程中产生光吸收分子数目之间的关系如式（1）。

其中，I为出射光强，I0为入射光强，k为摩尔吸收系数，L为吸收层厚度（皮肤组织的厚度不超过2cm），C为溶液浓度。根据式（1），胆红素浓度与光程L、吸光系数和光强有关，由于新生儿与早产儿的皮肤发育厚度不同如图1，引起光程的改变，从而导致浓度发生变化，为了克服光程变化对测量结果产生的影响采用双探测器测量，探测器前端光路示意图如图2。D1为探测器1，D2为探测器2，对于双探测器检测则有：

式（2）胆红素的浓度只与光程差有关，光程差为定值（即为两个探测器之间的距离），从理论上上证明了双探测具有克服个体差异的作用。k值为已知量，式（3）看出胆红素浓度与检测的光信号具有线性关系。设线性关系为：电压信号为V

电压信号为V，单位：伏；C为测量胆红素浓度，单位：μmol/L。通过实验，确定方程系数，得到胆红素浓度与电压信号的关系。

图1 新生儿皮肤组织发育程度对比图

2 系统的整体设计

系统整体框图如图3。探头部分主要由探测器和LED光源组成，如图4。探测器选择PIN型光电二极管，型号为NJR640，其封装尺寸小，且对于波长460nm的光灵敏度可达到80%。光源需要选择封装尺寸较小，光强度大的贴片式LED光源。

通过程序设置蓝光LED和绿光LED交替点亮并设置探测器每间隔1min进行自动切换。皮肤的反射光被光电探测器采集并转化成电信号，经过放大电路和滤波电路处理后，转化成数字信号，CPU接收指令并发送数据，通过USB接口将收据发送至PC实现对电压信号的采集。系统实物图如图5所示。

图4 探头实物图

图5 系统实物图

3 实验

实验选择两名黄疸新生儿，进行跟踪监测。实验开始前，记录新生儿体重、胎龄等信息。由于探头尺寸较大选择新生儿的胸口作为测量部位，整个实验的目的为了确定电压与胆红素没浓度之间的线性关系，并进行验证实验，证明最终得到的线性关系合理，具有可行性。

实验具体过程：将监测系统的探头部分贴于黄疸新生儿胸口，监测系统另一端用过USB连接PC，待新生儿状态稳定时，调整初始参数（LED电流，电压，放大倍数），尽可能的增大信噪比，波形稳定时开始正式采集数据，图6为信号波形显示界面（当绿光LED1（550nm）点亮时，通过皮肤组织后两个探测器采集到的光信号记LED1和LED1 AMBIENT背景光信号；当蓝光LED1（460nm）点亮时，通过皮肤组织后双探测器采集到的光信号记LED2和LED2 AMBIENT 背景光信号）。在相同检测部位，使用手持式经皮黄疸检测仪测量三次求均值得到胆红素浓度，记为标准胆红素浓度值。

图6 信号显示界面

4 数据分析

由于检测到的电压信号中包含50Hz的工频干扰，影响直流分量的提取。通过MATLAB设计二阶巴特沃斯滤波器[9，10]，截止频率为20Hz，进行滤波处理，消除工频干扰信号，滤波模型如图7，滤波后波形如图8。

通过FFT（快速傅里叶变换）对滤波后的信号进行直流分量提取，通过差分处理得到电压信号V值。理论分析，胆红素的浓度增加，电压值呈下降趋势。用MATLAB2014a对V值和手持式经皮黄疸检测仪测得的标准浓度进行拟合，得到拟合方程（4），式（4）中电压值V与胆红素浓度C成反比，符合理论分析。

图7 二阶巴特沃斯滤波模型

图8 巴特沃斯滤波后的波形

为验证拟合方程的准确性，绘制另外一名新生儿的检测值在拟合曲线附近的波动图，如图9新生儿数据分布在拟合曲线周围，波动幅度较小，选择部分电压值带入式（4），得到的胆红素浓度与标准胆红素浓度进行对比如表1，可以看出误差在0～10μmol/L之间，其均值为6μmol/L，证明拟合方程（4）具有高准确性。

表1 测量值与标准值对比表

图9 数据波动图

5 结论

本文提出了基于双探测器的黄疸实时检测算法，根据朗伯比尔定律，皮肤组织中不同物质的光吸收特性，理论上验证了胆红素浓度与电压之间存在线性关系。通过实验及数据分析得到了拟合方程。将另外一名黄疸新生儿的电压值带入拟合方程中进行验证实验，得到胆红素浓度值与标准胆红素浓度值之间的误差均值为6μmol/L，证明拟合方程成立，验证了电压与胆红素浓度之间的线性关系。下一步的工作：检测早产儿数据，从实验方面证明双探测器具有克服个体差异的作用。