【《新生儿黄疸无创检测的原理分析综述》4800字】

新生儿黄疸无创检测的原理分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u153461.1黄疸检测方法 130911.1.1通过智能终端进行识别的比色卡测量原理 1118881.1.2基于双波长经皮胆红素测量原理 2112121.1.3有创生化分析测量原理 3287551.1.4检测原理对比分析 4284451.1.1黄疸检测的理论基础LB(Lambert-Beer’sLaw)定律 5181911.4.3对于双波长经皮胆红素测量原理的定标 10黄疸检测的实质是检测体内胆红素的浓度，所以只需考虑皮肤组织对光子的吸收作用。检测的原理是从光源发出的光进入皮肤组织，并被组织中的各种物质吸收。导致光强衰减，根据朗伯比尔定律(Lambert-BeerLow)及不同物质对光的吸收特性,，计算得到胆红素浓度值。1.1黄疸检测方法1.1.1通过智能终端进行识别的比色卡测量原理比色卡测量原理与LB定理有关。自然光或日常使用照明灯光可近似地看作是平行光，光线入射后，它穿过角质层和真皮几乎变为无色，然后照射出新生儿皮肤下的组织层，该层中的毛细血管很丰富。可以近似地将光照射到表皮毛细血管中的血液上。由于在人体皮下组织中的透光率非常短，因此如果它不穿透皮下组织层，则会被反射回去。婴儿的经皮胆红素浓度与婴儿肤色（特定波长反射光的集合）有了相关联系，从而为比色卡测胆红素浓度的原理提供了理论依据。色卡对比的原始方法是将新生儿的皮肤颜色与黄疸的比色卡进行比较，并用肉眼观察。由于孩子的身体缺乏胡萝卜素和其他物质，因此经皮胆红素浓度的增加会清楚的反映在新生儿肤色上，而新生儿黄疸的严重程度则取决于婴儿的肤色。尽管有一些科学依据，但是肉眼的色彩准确性有限，分辨率不高，结果不能代表实际情况。当前使用的方法是使用诸如手机之类的智能终端摄像头来测量黄疸以进行色卡比较。它使用摄像头检测代替原始的裸眼观察，通过计算机比较并分析相机拍摄的样本，以分析胆红素成分浓度的近似值。图2-1为用于摄像头识别的比色卡样式[11]。图1.1黄疸比色卡1.1.2基于双波长经皮胆红素测量原理双波长经皮胆红素测量原理的也基于LB定理，但与比色卡原理不同的是，双波长原理是差分处理双波长的反射值后，消除皮肤中的大部分干扰因素，最终获到较为准确的胆红素反射值。根据对胆红素的光谱分析，胆红素于波长为460nm的光有明显的吸收峰，又因为新生儿因其特殊体质导致皮下组织中胡萝卜素等其他干扰物质较为缺少，故本课题中检测误差只需考虑血红蛋白。但由于在波长460nm处血红蛋白也有较强的吸收值[5]，故皮下组织中血红蛋白对皮肤的反射光谱也有重要影响,干扰胆红素的无创经皮测量，所以需要采取“差动”的方法消除血红蛋白的影响[6]。经查阅资料，血红蛋白对波长460nm与波长550nm的两种光有相近的吸收值，且胆红素对550nm波长光的透过率接近饱和值，因此可以通过直接将这两个波长光的反射光强做差来消除血红蛋白的干扰。通过差分求得的结果称为经皮胆红素值，它与血清总胆红素浓度呈线性关系，通过建立数学模型，得到双波长的出射光强差与血清胆红素浓度之间的线性关系表达式，就可以得到血清总胆红素浓度。图1.2为胆红素和血红蛋白的吸收光谱，如图所示，血红蛋白在460nm和550nm波长处的光吸收程度相对较近，故双波长测量法就是使用这两种波长的光分别进行检测，得到的数据再求差分，图1.2左图为胆红素吸收光谱，右图为血红蛋白吸收光谱就可以除去血液中血红蛋白对胆红素检测结果的干扰。1.1.3有创生化分析测量原理生化分析仪的测量原理类似于在一定波长下测量经皮胆红素的测量原理。溶质对不同波长的吸收用于确定溶质的量。在这些不同的溶质中，还对其进行了处理，以进行多种波长的差异处理。被测溶液直接来自黄疸患者的血液，因此比无创方法更精确。图1.3为生化分析仪检测窗口。图1.3生化分析仪窗口使用该生化分析仪测量新生儿的胆红素浓度，需要血液样本。由于新生儿皮肤敏感，血管狭窄，因此选择抽血部位很重要。通常，选择血管较粗的静脉抽取，但是对医护人员的水平仍然有一定要求，并且会损害婴儿的皮肤。恶劣的条件可能导致出血和感染。因此，必须首先对伤口进行消毒。脚跟或手指穿刺后，取2ml血液，并通过离心送至实验室进行分析，并分离出上清液。使用自动静脉血液生化分析仪测量分离的上清液。图1.4为静脉学检验单。图1.4静脉血检验单一直以来生化仪分析测量法一直以来都是测量新生儿胆红素浓度的金标准，这种方法具有其他方式难以企及的准确度，且相比无创的测量方式，其干扰因素较少，误差极小，可以测得血直接胆红素浓度。1.1.4检测原理对比分析上述几种胆红素测量原理，都能起到检测胆红素浓度。比色卡检测黄疸是一种经济实惠的方法，可以大致确定婴儿黄疸的严重程度并减轻亲属的情绪。尽管当前的智能摄像头分析可以减少误差，但是误差仍然相对较大。通过生化静脉抽血测量胆红素浓度的结果精确，误差小，是判断的重要标准。但是，如果从头到尾以这种方式记录新生儿中胆红素的浓度，则有必要更频繁地抽血并比较对婴儿的伤害。基于双波长测量胆红素的原理制造经皮胆红素测定仪方便、快捷，测量结果更准确。相同的方法对新生儿进行测试是安全且无创的。放置胸部进行测量时，将检测结果与血液中的胆红素进行比较，水平非常接近，可以很容易地监测新生儿胆红素水平的动态变化，这是一种广泛使用的方便方法。但是，比色卡原理和双波长胆红素检测原理与静脉抽血生化分析不同。它测量与血液胆红素相关的皮肤胆红素水平，但皮肤胆红素与血液胆红素具有相关联系但不完全相同，结果受条件影响更大。如果测量值在50到249μmol/L的范围内，则两者之间存在较高的线性相关性。如果血液中的胆红素水平大于250μL/L或小于50μL/L，则经皮胆红素检测器测得的胆红素浓度与使用生化分析仪测得的胆红素浓度显着不同[14]。如果胆红素浓度高于50mol/L，则应通过采集血液样本再次检查胆红素血液。在对婴儿进行黄疸治疗时，医疗保健专业人员应密切监测胆红素水平，并进行有效治疗，以避免早期治疗或过度治疗。使用有创生物化学分析仪测量新生儿血液中的胆红素水平。这是新生儿黄疸的临床诊断的当前常用方法。但是，婴幼儿静脉血收集困难，这不仅伤害了婴儿，而且流血并且增加了感染的风险。另外，在黄疸的治疗中，必须多次记录婴儿血液中胆红素浓度的变化，这导致多次抽血，并对婴幼儿造成极大伤害。检测设备非常复杂，无法穿戴或实时监控。因此，无创方法通常用于对症状不明的新生儿进行预测和筛查。无创检测主要基于双波长胆红素的原理，使用经皮黄疸仪测定新生儿血液中胆红素的浓度。此方法快速简便。黄疸检测探头只能小心地放在婴儿的头上。胆红素的浓度可以通过皮肤确定。这种方法易于使用，所需设备较少，并且不会对儿童造成伤害。因此，大多数医生和父母都欢迎在当前的临床测试和程序中广泛使用的无创检测方法。因此，本课题提出了一种基于新生儿黄疸无创检测的光电模块设计方案。比色卡原理受许多因素的影响，例如相机分辨率和记录期间的光强度，错误很大。因此，新生儿无创性黄疸的检测设计采用了双波长下检测黄疸，因为与比色卡相比，它对环境的要求较低，并且目前使用率更高、科学实用测试方法[15]。1.2基于双波长无创黄疸检测数学建模1.1.1黄疸检测的理论基础LB(Lambert-Beer’sLaw)定律新生儿黄疸发病的主要原因是血液中未结合的胆红素浓度过高，故目前检测新生儿黄疸是通过检测血液中胆红素浓度从而确定是否患病。不论是有创方式还是无创的方式，原理都是依据光谱分析技术来对于抽取血液中或是皮下血液中化学物质——胆红素做一个浓度上的分析鉴定。而这种普遍适用的光谱分析方法依据的就是LB(Lambert-Beer’sLaw)定律，这种原理揭示了光线透过溶液所产生的变化与溶液中各溶质浓度的关系。LB(Lambert-Beer’sLaw)定律,也被叫做光的吸收定律[16]，是朗伯定律和比尔定律的结合。该定律的推导过程如下：假设一束平行光以入射光强为QUOTEI0I0垂直射入介质，经过介质后被反射的光强为QUOTEIrIr，被介质吸收的光k强为QUOTEIaIa，穿透介质射出的光强为QUOTEItIt，则他们之间的关系为： （1.1）因为入射光是垂直于介质表面射入，QUOTEIrIr很小并且可通过校正抵消除去反射引起的误差。故上式可简化为：（1.2）根据积分的思想，可以把厚度为b的溶液分为许多薄层，厚度为db，假设入射光每通过一个层，强度减小了-dI，很容易可得出-dI与入射光强度I和薄层厚度db成正比，-dI∝Idb。(1.3)积分(1.4)得到：(1.5)(1.6)将常用对数代入公式（2-6）中，并且用I替代QUOTEItIt，那上式变为：(1.7)（1.7）式就是朗伯定理的数学表达式。同理，在溶液厚度一定时，设每薄层中吸光质点的数目为dn，则入射光强的减少量-dI正比于入射光强度和dn：(1.8)积分得：(1.9)(1.10)(1.11)将自然对数改为常用对数且用I替换QUOTEItIt，则上式可写为：(1.12)这是比尔定理的数学表达式，结合（1.7）（1.12）两式可得：(1.13)式中c为吸光物质的浓度(当溶液体积一定时c∝n)，k为比例常数，QUOTEI0II0I表示透光度T，QUOTElogI0IlogI0I表示吸光度A，表示溶液吸收单色光的程度。(1.14)写成指数关系是：(1.15)式（1.14）与（1.15）就是Lambert-Beer定律的数学表达式，该式表示了当一束平行单色光垂直通过某溶液时，吸光物质的浓度c及液层厚度b正比于溶液的吸光度A。1.4.2双波长经皮胆红素理论数学模型根据上述朗伯比尔定律原理可建立QUOTE的关系式，其中QUOTE为胆红素之外的干扰因素总称，λ为入射光波长，c为胆红素浓度。假设QUOTE为待测量胆红素的摩尔吸光系数和浓度，QUOTE为干扰因素QUOTE的摩尔吸光系数和浓度。根据LB(Lambert-Beer)定律，波长为QUOTE的光照射可得：（1.16）（1.17）由泰勒展开式定理可得：（1.18）当波长为QUOTEλ2λ2的光照射后，同理可得：（1.19）上式的泰勒展开式：（1.20）当QUOTE时，由（1.17）、（1.19）式可得：（1.21）当QUOTE时，因血红蛋白其在蓝、绿光这两处波长的摩尔吸光系数一样，即QUOTE，则（1.21）式可改写为：（1.22）上文中提到，尽管双波长测量法已经减小血红蛋白对检测结果的影响，但血液中仍有许多其他物质会产生干扰，故在公式（1.22）中加入修正系数ξ。(1.23)由（1.23）式可得：(1.24)若令QUOTEQUOTE1𝜀'1−𝜀1𝑙𝐼0∙𝑙𝑛10=𝑎、𝜉𝜀'1−𝜀1𝑙𝐼0∙𝑙𝑛10=𝑏1ε'(1.25)1.4.3对于双波长经皮胆红素测量原理的定标由公式（1.25）可知，胆红素浓度与双波长光线的差分结果呈线性关系，但是如何从公式中直接推断出两个不确定的参数a和b。为了确定系数a和b的特定值，必须通过实验方法获得它们。这种对实验结果的比较分析是测量结果的定标过程。通常，我们从基于双波长原理的胆红素测量传感器原件中，得到的是一个与双波长胆红素差分值成正比例的电平信号，用这个电平信号与实验得到的对应数据建立函数关系就是我们定标的内容。首先，我们将此电平信号设置为E，既有：(1.26)其中m为比例系数，n为修正系数。将式（1.25）与式（1.24）联立，可得：(1.27)其中QUOTE,可见两者均为系数。两种定标方式具体如下色板定标：使用标准调色板比较和校准透皮胆红素测试仪。该调色板通常包含15个用于触摸新生婴儿皮肤的标准样品。在定标过程中，经皮胆红素检测器通过测量色板读数和对色板的标准值来进行算法分析，并最终获得校准结果。这是一种相对简单且省力的校准方法，但是其准确性相对较低，导致最终校准工具的准确性较差。有创抽血定标：通过实际经验进行定标。滴定期间需要足够的新生儿收集样品。通常，每个新生儿需要多次抽血以收集血液，并使用生化试剂测量胆红素浓度，最后获得平均值，读数为每个新生儿抽血时使用的μmol/L。胆红素检测器（传感器部分）对新生儿的同一部分（通常是前额）进行3次测试，并取介质。度量单位是v。最后，将嵌入的信息绘制在线性调整方格纸上。研究表明，当胆红素浓度为46-150.6μmol/L和151-370.7μmol/L时，透皮测量结果具有明