经皮黄疸分析仪的校准方法及不确定度评定研究

张佳文，杨广达，林建阳*

（1.中国医科大学附属第一医院资产管理部，沈阳 110001；2.沈阳计量测试院医化所，沈阳 110001）

0 引言

胆红素浓度是临床判定新生儿是否患有黄疸的常用指标，可分为有创和无创2种测量方式。有创方式需要采集微量血或静脉血来测定血清总胆红素（total serum bilirubin，TSB）浓度，无创方式通常使用经皮黄疸分析仪（以下简称“黄疸仪”）测量经皮胆红素（transcutaneous bilirubin，TCB）浓度。由于TCB和TSB的浓度检测结果存在正相关性[1]，且无创方式易操作、测试无损伤、能连续测量，所以临床多采用黄疸仪对黄疸进行筛查和监测。

黄疸仪被广泛应用于各级医院、妇幼保健所及月子会所的新生儿科，大多采用光反射法进行TCB测量，且双波长法最为常见，即根据朗伯比尔定律，利用皮下红细胞对450 nm（或460 nm）蓝色波长和550 nm绿色波长两光波间的光波密度差和胆红素值的对应关系，来标定沉淀于皮肤组织下的胆红素浓度[2]。只要将仪器探头轻按在新生儿、婴幼儿前额或前胸壁的皮肤上，即可直接测量出与TSB浓度相关的TCB值，经过换算，可直接显示TSB值。

目前，我国黄疸仪的生产厂家众多，产品性能也参差不齐，国家层面暂时没有相应的计量技术法规。计量行业内已有少数省份完成了针对黄疸仪的规范性检测方法研究，湖南省市场监督管理局于2021年3月实施了JJF（湘）51—2020《经皮黄疸测试仪校准规范》，辽宁省市场监督管理局于2021年6月实施了JJF（辽）469—2021《经皮黄疸检测仪校准规范》，但均在省内施行，检测参数和检测方法还有待形成全国行业内的统一共识。国内多数医院仅能依靠厂家维护或者报废更换，黄疸仪的测量结果也得不到有效确认。因而，黄疸仪的量值溯源和准确度评价亟须研究确认。为保障医院黄疸仪检测结果的准确性，为黄疸仪的质控提供方法，本文研究黄疸仪的校准方法及不确定度评定，通过实验论证黄疸仪量值溯源的有效性，为其计量性能提供量化评价。

1 校准条件与计量特性

1.1 校准环境条件

环境温度为15～30℃，相对湿度为40%～85%。周围无强光直射，无震动及电磁干扰。

1.2 校准用设备

校准用设备至少包含零值色板和有标准值模拟黄疸色板的标准色板，其胆红素浓度由一台运行稳定并经临床验证的黄疸仪进行定值溯源[3]，零值色板为0～0.2 mg/dL，模拟黄疸色板为（20.0±0.3）mg/dL。标准色板的色度可计量，且色度的年变化量均不大于0.005。标准色板的色度和透射比特性可参照JJG 453—2002《标准色板检定规程》[4]和JJF 1526—2015《石油产品颜色分析仪及比色板校准规范》[5]检定。本文所用色板为自主研发的色板。

1.3 被测设备

被测设备选择医院常用的3台黄疸仪，分别为日本柯尼卡美能达公司的JM-103型、山东博科公司的BY-D-Ⅰ型和南京理工大学的JH20-1C型。3台黄疸仪的测量范围均为0～25 mg/dL，准确度为±1.5 mg/dL，光源均为氙光灯，测量原理为双波长反射法。黄疸仪屏幕显示胆红素浓度的测量单位通常为mg/dL或μmol/L，考虑到临床使用习惯，本文选用mg/dL作为实验结果的测量单位。

1.4 计量性能要求

黄疸仪应有名称、型号、仪器编号、制造厂名、出厂日期等内容[6]；外观良好，探头清洁、无裂纹，开机应能正常工作。

选用零值稳定性、模拟黄疸示值误差和模拟黄疸测量重复性3项计量指标[7]。零值稳定性可以衡量黄疸仪测量时的背景值波动程度，评价标准取量程的1%以内。模拟黄疸示值误差可以衡量黄疸仪在黄疸测量时的测量仪器误差，反映了黄疸仪的标定准确度，评价标准取±1.5 mg/dL以内。模拟黄疸测量重复性可以反映黄疸仪在相同测量方法、相同场所、相同工作条件和短时期内，连续测量所得结果之间的一致程度，评价标准取2%以内。以上性能要求的取值范围，参考多家市售黄疸仪的生产厂家出厂技术指标。

2 校准方法

2.1 零值稳定性

将零值色板正面与黄疸仪探头垂直、紧密、遮光连接，每隔3 min对黄疸仪零值点测量1次，连续测量6次，读取黄疸仪显示示值。取黄疸仪的量程为A，Xmax和Xmin分别为6次测量值的最大值和最小值，由公式（1）可得到零值稳定性Z：

2.2 模拟黄疸示值误差

将模拟黄疸色板正面与黄疸仪探头垂直、紧密、遮光连接，记录3次黄疸仪的测量值。被校准黄疸仪3次测量值的算术平均值Xm与模拟黄疸色板的标称值X0之差，即模拟黄疸示值误差Δ。

2.3 模拟黄疸测量重复性

将模拟黄疸色板正面与黄疸仪探头垂直、紧密、遮光连接，重复测量7次，记录黄疸仪的测量值。去除可疑值后，按照以下公式计算测量结果的相对标准偏差[8-9]，即模拟黄疸测量重复性R：

式中，Xi为第i次测量值（mg/dL）；为n次测量值的平均值（mg/dL）；n为测量次数，此处为7。

3 校准结果

使用标准色板对本院3台不同厂家的黄疸仪进行校准，检测结果见表1。

表1 3台黄疸仪的检测结果

由表1可知，3台不同型号黄疸仪的零值稳定性数值均较小，且总体小于1%；模拟黄疸示值误差测量结果既有正偏差又有负偏差，差异较大，但均在生产厂家推荐的±1.5 mg/dL以内；模拟黄疸测量重复性均不大于2%。以上3项实验结果均在计量性能要求范围内。3台黄疸仪总体测量量值准确、计量性能稳定，满足计量技术指标检测要求。

4 不确定度评定

4.1 不确定度评定方法

由于不确定度评定的合理性在很大程度上会影响黄疸仪质量控制的可靠性和科学性，所以不仅要对黄疸仪测量示值误差的结果进行考量，还应考虑其测量结果的不确定度。

4.1.1 数学模型及不确定度分量分析

取示值误差的数学模型为

式中，ΔX为模拟黄疸示值误差；Xm为3次测量值的算术平均值；X0为标称值。单位均为mg/dL。

Xm和X0的灵敏系数计算公式如下：

Xm和X0的标准不确定度分量（来自测量值的不确定度分量u1和来自标称值的不确定度分量u2）计算公式如下：

式中，u（Xm）为来自测量值的不确定度，u（X0）为来自标称值的不确定度。由于u（Xm）和u（X0）是分别测量而相互独立的，所以两分量不相关。结合公式（4）～（7），可得合成标准不确定度uc计算公式如下：

综上所述，该数学模型的不确定度主要来自测量值的不确定度u（Xm）和由模拟黄疸色板标称值引入的不确定度u（X0）。

4.1.2 测量值引入的不确定度u（Xm）

测量重复性引入的标准不确定度可通过10次独立重复测量，并由贝塞尔公式计算得到，此处为0.13 mg/dL。当黄疸仪分辨力δ为0.1 mg/dL时，则由仪器自身分辨力引入的标准不确定度为0.03 mg/dL，远小于测量重复性引入的标准不确定度。因而在计算合成标准不确定度时，只需考虑测量重复性引入的标准不确定度（0.13 mg/dL）。

而在仪器的正常使用环境条件下，由于黄疸仪的遮挡适度，参数受温度、湿度影响很小，故环境光照、温度、湿度变化引入的标准不确定度可以忽略不计，因而取u（Xm）=0.13 mg/dL。

4.1.3 模拟黄疸色板标称值引入的不确定度u（X0）

由于该模拟黄疸色板最大允许误差为±0.3 mg/dL，考虑均匀分布，由模拟黄疸色板标称值引入的标准不确定度

4.1.4 合成标准不确定度uc

由于u（X0）和u（Xm）两输入量不相关，故由公式（8）可得，黄疸仪模拟黄疸胆红素浓度示值误差的合成标准不确定度0.2 mg/dL。

4.1.5 扩展不确定度U的评定

取包含因子k=2，则黄疸仪在模拟黄疸测量点处的扩展不确定度U=kuc=2×0.2=0.4 mg/dL。

4.2 不确定度评定结果

上述不确定度评定方法以黄疸仪最大测量重复性计算，其测量结果的扩展不确定度评定结果为U=0.4 mg/dL（k=2），与黄疸仪生产厂家设备说明中的最大允许误差绝对值（1.5 mg/dL）之比小于1/3，故评定结果满意，可以满足测量要求[10]。

5 讨论

做好黄疸仪的校准工作，能够有效提升临床医疗质量，保证患儿的医疗安全。本文提出的黄疸仪不确定度评定方法，测量结果不确定度小于被测黄疸仪最大允许误差绝对值的1/3，并且校准所得零值稳定性、模拟黄疸示值误差和模拟黄疸测量重复性结果符合生产厂家的设备性能要求，满足对黄疸仪的临床校准需求。

本文黄疸仪测量结果的不确定度分析与评定，可以为该类仪器的量值溯源体系建立提供借鉴。但鉴于本院在用的黄疸仪数量和品牌有限，选取的被测黄疸仪光源均为氙光灯，且采用双波长反射法测量原理，暂无其他类型的黄疸仪测量结果数据，日后将继续开展非氙光源和采用非双波长反射法测量原理黄疸仪的实验，以验证本文方法的科学性和实用性。由于在标准测量条件下，标准色板的色度坐标不确定度均较小[11]，因而本文的不确定度评定方法并未过多讨论标准色板色度差异引入的不确定度，下一步将进一步完善不确定度评定方法。受限于标准色板制作水平等实验条件，本文并未将不同TCB浓度的阶段线性关系纳入计量性能进行讨论，而该项计量性能可以反映不同TCB浓度的差异性和线性关系，因而这是下一步实验研究的重点方向之一。还有文献证实极重度黄疸患儿的TCB和STB存在较大差异[12]，而当前黄疸仪又仅适用于中度和重度黄疸患儿的筛查，以后将综合考虑黄疸仪测量范围，结合研究文献，研发符合极重度黄疸患儿的量值溯源标准装置，以达到全量程范围的精准溯源，为黄疸仪在重度黄疸患儿的诊断领域提供量值溯源和质控手段。此外，除了本文所述的标准色板量值溯源方法，还存在其他值得借鉴的方法[3，13]，比如溯源标物固化方法的改进、基于朗伯比尔定律的光学滤光片分析法等，尤其是已有黄疸仪新产品附带校准盘或校准板以完成自校准功能，其原理和校准效果暂无文献资料论述，均需要进一步研究和实验论证。未来将进一步研究验证TCB量值溯源的其他方法和标准物质的制备，为黄疸仪无创检测结果的准确溯源提供可靠保障。

总之，使用标准色板对黄疸仪进行校准及不确定度评定符合常规计量要求，可以用于医院黄疸仪的计量溯源和日常质控，为黄疸仪计量规范的建立和实际应用打下了基础。