光强可自动调节的新生儿黄疸蓝光治疗箱设计*

江浩楠 ，庄建军 ，李雨轩 ，陈春鸣 ，曹鸣鸣 ，岳 欣

(1.南京大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210023；2.南京信息工程大学工程训练中心，江苏 南京 210044；3.南京市第二医院产科，江苏 南京 210003)

黄疸是新生儿最常见的临床问题，由新生儿体内血清胆红素浓度升高所致，分生理性、病理性两种类型。生理性黄疸是新生儿在成长过程中的一种正常现象，无需专门治疗，等待自然消退即可。而病理性黄疸是由于婴儿患有某些疾病导致血清胆红素含量不正常升高，从而引发黄疸。患有病理性黄疸的婴儿很难靠自身代谢来降低体内的胆红素水平，一旦未结合胆红素通过血脑屏障入侵神经系统，便会引发严重的脑损，病死率达到65%，即使治愈也有很大可能伴随严重的神经系统后遗症[1]。

针对新生儿病理性黄疸主要有药物治疗、光疗、换血治疗、基因治疗等方式[2]。相较于有较大副作用的药物治疗和侵入感较强的其他治疗方式，光疗通常是一种安全、有效、经济且常见的治疗方法[3－5]。但是长时间的光照也会产生一定的副作用，目前市面上的蓝光治疗仪光强固定，无法做到精细的针对性治疗，需要医护人员近距离操控以及存在无法自动记录治疗数据等问题，存在患儿的过度治疗以及医护人员的蓝光损伤风险[6－9]。如果能在治疗时充分考虑黄疸分布特性和蓝光照射对婴儿的影响，并结合物联网的理念，对“症”治疗，不仅可以使蓝光治疗过程更贴近新生儿黄疸的治疗规律，也能极大程度地保护和方便医护人员。

针对上述问题，本研究设计了一种光强可自动调节且具有远程操控功能的蓝光治疗箱，该治疗箱通过ZXLD1350 芯片驱动非均匀排列的蓝光LED阵列，利用衰减算法和PWM 信号实现光强的自动调节，并通过ESP8266－12F 芯片实现Wi-Fi 无线通信，利用移动端APP 和数据库服务器实现远程操控和数据的记录、分析功能，可解决目前临床用光疗仪存在的问题。

1 整体架构

本系统由黄疸蓝光治疗箱、移动端APP 和数据库服务器组成，如图1 所示。黄疸蓝光治疗箱可以自动调节光强、改变光照模式以及采集培养箱内环境参数和新生儿的体温、啼哭声等参数，并实时反馈给移动端APP 进行显示；移动端APP 实时显示治疗过程中的剩余时间、光照模式、婴儿体温和箱内温湿度等参数，发送针对性的治疗指令远程控制治疗箱；数据库服务器存储并处理治疗结束产生的数据记录，医护人员可以通过移动端APP 查看治疗情况。

图1 系统组成

黄疸蓝光治疗箱采用四面透明并贴有防蓝光膜的箱体设计，方便观察患儿状态的同时保护医护人员，箱体侧面设有可供医护人员对患儿进行检查的窗口，顶部和底部均安装有蓝光LED 阵列，治疗范围可以覆盖全身。为了在治疗过程中能及时掌握治疗箱内环境情况和新生儿状态，在箱体中设有温湿度传感器、体温传感器、声音检测模块和声光报警器。

2 硬件设计

硬件系统组成如图 2 所示。本系统以STM32F103C8T6 单片机为主控；LED 驱动模块采用ZXLD1350 作为恒流驱动芯片，STM32 单片机通过I/O 口产生的PWM 信号控制芯片的输出电流；LED阵列采用功率1 W、电流350 mA 的蓝光LED 灯珠；温湿度监测模块采用DHT11 传感器，体温传感器模块采用MAX30205MTA 传感器，传感器均通过I/O口与单片机相连；Wi-Fi 模块采用ESP8266－12F 芯片，STM32 单片机将治疗参数和采集到的温湿度值等数据通过串口打包发送给ESP8266，ESP8266 再将打包数据通过UDP 协议传送给移动端APP，从而远程监控治疗箱。

图2 硬件系统框图

2.1 LED 驱动模块

为了使光源强度可调，同时保证高效和稳定，LED 驱动模块采用ZETEX 半导体有限公司生产的ZXLD1350 恒流驱动芯片[10]。该芯片可以向外部提供最高可达350 mA 的可调输出电流，借助电源和外部组件可以提供高达8 W 的输出功率，专门驱动单个或多个串联的LED。ZXLD1350 内部设置有30 V NDMOS 开关、PWM 滤波器和固有的开路LED保护电路，其中内置的PWM 滤波器使得芯片具有单针开关的功能并且可以直接通过单片机产生的PWM 信号调节输出电流。

根据ZXLD1350 的特点，本设计利用单片机产生PWM 信号通过改变占空比控制输出电流，达到调节光强的目的，单片机I/O 口与芯片ADJ 引脚连接，VIN引脚接20 V 电压，ISENSE和LX 引脚分别接串联LED 阵列的正负极，并且在ISENSE和VIN之间连接0.33 Ω 电阻使得标称平均输出电流达到350 mA，LED 驱动模块的电路如图3 所示。

图3 蓝光LED 驱动模块电路

2.2 蓝光LED 阵列

市面上的蓝光治疗仪会将LED 灯珠等间距地排列于灯箱内，达到在有效表面内均匀照射的目的。但是实际上，黄疸症状并不是均匀分布在全身，不同程度的黄疸采用相同强度的治疗，症状严重的部位治疗效果会大打折扣，症状轻的部位则会因过度的局部治疗受到损伤。因此，为了实现局部的针对性治疗，完成空间维度上的光强控制，LED 阵列采取了整体非均匀分布的分组多光照模式设计，如图4 所示。

图4 LED 阵列布局示意图

阵列将所有LED 灯珠分为六大组，分别照射头部、躯干、左右手臂和左右腿，各组中LED 均匀分布，同时将照射的有效表面按对应部位划分。每组均由多个ZXLD1350 芯片单独驱动，通过单片机的PWM信号分别控制光照强度，根据患儿身体各部位的黄疸严重程度自由搭配，不同部位选择不同强度的治疗，光照模式可选，实现有针对性的个性化治疗。

2.3 通信模块

通信模块采用安信可科技公司开发的ESP8266－12F Wi-Fi 模块。该模块通过SPI/SDIO 或I2C/UART 串口与单片机连接通信，内置完整的TCP/IP协议栈为单片机添加联网功能，通过Wi-Fi 与上位机通信[11－12]。ESP8266 是一个完整的体系化的能够独立运行的Wi-Fi 网络解决方案，最常见的工作方式有两种:第一种是作为设备唯一的应用处理器，可以直接从闪存中启动而不经过内存，在提高系统性能的同时减少了内存的占用。第二种是作为Wi-Fi适配器负责无线上网，通过SPI/SDIO 接口或I2C/UART 口连接即可。本系统主要使用STA 通信功能，通过ESP8266 利用无线局域网将治疗箱的数据上传至移动端，以及将移动端的控制信号返回至治疗箱。医护人员可以在移动APP 端查看治疗情况，并在APP 中对治疗箱进行远程操控。

2.4 数据采集模块

2.4.1 温湿度传感器

采用DHT11 数字温湿度传感器。该传感器具有快速响应、抗干扰能力强、信号传输距离长、成本低等优点。DHT11 传感器可以输出精确校准的相对温湿度数字信号，STM32 单片机对传感器的I/O口进行数据采集，并将采集到的已校准的数字信号通过Wi-Fi 模块打包发送至移动端APP。如图5 是DHT11 温湿度传感器电路原理图。

图5 DHT11 温湿度传感器电路原理图

2.4.2 体温传感器

监测体温目前常用的方法有接触式和非接触式两种。非接触式一般为红外测温，考虑到治疗时治疗箱内的环境为蓝光环境，并且由于治疗时婴儿所佩戴的眼罩会遮蔽到红外测温的最佳探测区域(额头)，所以接触式体温监测更适合蓝光治疗箱系统。

本系统采用MAX30205MTA 人体温度传感器模块[13]。该传感器精度为0.1 ℃，温度分辨率为16位，输出数字信号。同样由STM32 单片机进行采集，通过ESP8266 模块发送至移动端APP。如图6是MAX30205MTA 人体温度传感器电路原理图。

图6 MAX30205 人体温度传感器电路原理图

2.4.3 声音检测模块

声音检测采用麦克风噪音分贝测量模块。通过设定分贝阈值监听婴儿的啼哭声，若声音超过阈值则认为婴儿因出现不适感啼哭，触发声光报警器的同时发送报警信号至移动端APP 提醒医护人员采取及时医疗措施。

3 软件设计

3.1 自动调节算法设计

蓝光治疗通常有间断治疗和持续治疗两种方案。据研究表明，间断治疗可以大幅度削减蓝光对患儿体温、生理节奏的干扰和影响，并且在相同的治疗条件下，两种方案的治疗效果并无明显差异[14－15]。光疗导致的副作用一般会在2 h～4 h 开始出现，而一次光疗一般在8 h～12 h 左右[15]。因此为了尽量减少光疗产生的副作用，实现在时间维度上的光强控制，算法采取间断治疗的设计，在单片机端执行。

以n＋2 h 为一次治疗中的一个阶段(n为患儿的体质因子，可以根据患儿开始出现光疗副作用的时间长短进行预设，范围在2 至4 之间，默认为2)，该阶段在一次治疗中重复执行，直至治疗结束。开始治疗前需要预设当次治疗的最大强度m(m代表PWM 信号的占空比)、治疗时长t和患儿体质因子n，每个阶段的前n个小时光源保持所设的最大强度不变，之后1 h 单片机控制PWM 信号的占空比按线性衰减至0%，衰减至0%后再用1 h 控制PWM 信号的占空比按线性增强至m。此外，光源中的不同组LED 阵列可以根据患儿身体各部位黄疸程度的不同分别设置治疗最大强度m和治疗时长t，达到有针对性的治疗，减少副作用的目的。

3.2 单片机软件设计

单片机软件流程如图7 所示。首先根据患儿病情设置治疗模式，开始治疗后，计时器开始计时，在此期间若有按键按动，先根据按键调整控制的LED阵列组及对应组的光照模式，之后修改表示该组光照模式的3 位二进制位，并与其余数据拼接成7 byte的数据帧，通过Wi-Fi 模块发送至APP 端。同理，若温湿度发生变化、时间每过1 min 或者声音检测超过阈值，则修改数据帧并重新发送。数据帧的7 byte中前18 位分别表示六组LED 阵列的光照模式，中间16 位表示温度和湿度，往后16 位表示时间，最后6 位为异常报警位和预留位。在每次发送前，判断温湿度及声音检测是否异常，若存在异常则启动声光报警。

图7 软件程序流程

3.3 移动端APP 设计

移动端APP 采用Android 开发，开发工具为Android Studio，开发语言为Java。在手机上安装此APP 并与治疗箱连入同一局域网即可使用。

主界面包括“当前治疗”、“记录分析”、“我的信息”三个按键，按“记录分析”按键是从数据库服务器读取数据并显示，按“我的信息”按键是查看所登录医护人员的相关信息，按“当前治疗”按键后，APP 会进入当前所有治疗信息页面，点击需要查看或操作的治疗箱便会跳转进入对应治疗箱详细页面，在该页面可以查看或远程操作对应的治疗箱。进入操作页面的程序流程如图8 所示。首先刚进入页面时开启监听线程，监听治疗箱的状态，同时发送请求获取一组最新状态并修改UI 实时显示。之后开始判断各按钮是否被按下，若被按下根据对应按钮的功能发送一组3 byte 的数据帧，其中前18 位分别表示对六组LED 的控制，包括增加、减弱、不变、关闭和最大五种控制信号，剩余6 位为预留位，用来携带其他信息，发送后监听获取最新状态。若监听接收到的数据帧异常位为1，则发送弹窗并振动报警。

图8 治疗箱操作页面流程

4 实验及结果分析

本实验主要验证系统的整体功能性以及光源系统的可靠性。

4.1 功能性验证

首先采用亚克力作为材料制作箱体，并将灯板、控制模块、数据采集模块安置于箱体顶部，灯板上存在LED 阵列和LED 驱动电路，控制模块上存在STM32 最小系统板、ESP8266 芯片和按键，数据采集模块上存在 DHT11 数字温湿度传感器、MAX30205MTA 人体温度传感器和麦克风噪音分贝测量模块。整个实物采用开关电源进行供电，并且在单片机产生PWM 信号的I/O 口设置分压电路，将输入的3.3 V 信号转换为1.25 V 信号输出，送给ZXLD1350 的ADJ 引脚作为LED 驱动电路的控制信号使用。

在realme 智能手机上下载移动端APP。首先完成APP 端账号的注册和登录，进入主页面，接着点击“当前治疗”按钮进入“当前所有治疗信息”页面，同时为治疗箱接通电源，通过按键设置治疗模式(采用默认模式)开始治疗；在APP 端选择当前正在运行的治疗箱，进入“当前治疗箱”页面，分别完成当前治疗信息和各传感器数据的读取、各部位治疗模式和治疗强度的调节以及治疗结束后整体治疗信息的记录和读取三项测试。系统点亮实物如图9所示。

图9 光源点亮效果图

4.2 可靠性验证

依据婴儿光治疗设备安全专业要求的测试标准在箱体底部划分治疗有效区域并设置栅格，栅格中测量点的间距设置为2 cm，在治疗有效区域内分别用辐照度计和光谱仪测量光源的可靠性。光谱测量结果如图10 所示，各部位及全身光源辐照度测量结果分别如表1、2 所示。

图10 光源光谱

表1 LED 阵列各组分别点亮时辐照度结果

由图10 可知，该光源为窄波段单色光源，峰值波长为456 nm，主波长为461 nm，与胆红素有效吸收光谱(400 nm～550 nm)接近。并且满足婴儿光治疗设备安全专业要求(YY0669－2008)对红外辐射波段和紫外辐射波段的辐照度限制。由表1 和表2可知，LED 阵列各组分别点亮和全部点亮时，各部位有效表面的胆红素总辐照度均匀性(G2)均大于0.4。满足婴儿光治疗设备安全专业要求(YY0669－2008)对于胆红素总辐照度的要求。

表2 LED 阵列全部点亮时辐照度结果

根据表中不同部位数据的对比发现，在分别点亮时手臂和腿部的胆红素总辐照度均匀性以及全部点亮时腿部的胆红素总辐照度均匀性均小于0.7，虽然满足要求但均匀性偏低，经分析是因为手臂和腿部两个部位相较于其他部位较细长，LED 分布长度长且列数少，这样便会造成两侧的辐照度与中间的最高辐照度的比值偏小，即辐照度均匀性偏低。因此对LED 阵列进行优化，增加照射手臂和腿部两个部位的LED 阵列的列数，并采取从外向内由密到疏的密度分布。优化后胆红素总辐照度均匀性均大于0.8，优化后辐照度结果如表3 所示。

表3 LED 阵列各组分别点亮时辐照度结果

4.3 结果分析

经实验测试，该系统可以自由调节治疗模式和治疗强度，在移动APP 端可以同步实时监控，完成治疗数据的读取和记录，功能完整；光源部分符合国家婴儿光治疗设备安全标准，并且开启预热20 min后光源基本趋于稳定，可靠性和稳定性得到验证。该系统实现了预期设计目标，能够满足测试和实际应用需求。

5 总结展望

本文通过更加符合人体工学设计的非均匀蓝光LED 排列，更加符合治疗规律的光照模式选择和光强衰减算法的创新性设计，实现了一种光强可自动调节的新生儿黄疸蓝光治疗箱，医护人员利用Wi-Fi 无线通信和移动端APP，能够实现对该设备的远程操控，可以克服现有治疗设备的不足。经过初步测试，该蓝光治疗箱的主要功能达到预期要求。考虑到新生儿ICU 临床的实际需求，后期将进行新生儿培养箱和蓝光治疗箱的一体化设计，在蓝光治疗箱的基础上，增加空气循环、温湿度控制等培养箱功能。