新生兒黃疸治療儀用LED光源光譜功率分布匹配

甘汝婷，郭震寧

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021）

新生兒黃疸治療儀用LED光源光譜功率分布匹配

甘汝婷，郭震寧*

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021）

為了有效降低膽紅素腦病的風(fēng)險(xiǎn)和減少換血的需要,以實(shí)驗(yàn)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)膽紅素溶液最有效的吸收光譜作為光療的目標(biāo)光譜,根據(jù)光譜構(gòu)造理論,采用不同峰值波長(zhǎng)和半高寬的單色LED作為匹配光源,首次提出簡(jiǎn)單遺傳算法作為光譜匹配算法,通過求解超定方程組的非負(fù)最小二乘解,得到最優(yōu)LED組合比例,進(jìn)而推得所需各種峰值波長(zhǎng)的LED的數(shù)量。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：擬合的光譜曲線與目標(biāo)光譜曲線十分近似,光譜匹配度達(dá)到了98.39％,獲得了一種新型的LED黃疸治療儀光源光譜功率分布。該算法簡(jiǎn)單,效率高、擬合誤差小,可應(yīng)用基于LED光源的光譜功率分布匹配技術(shù)的研究。

LED；黃疸治療儀；簡(jiǎn)單遺傳算法；光譜功率分布；光譜匹配

1 引言

自從1958年Cremer RJ等人［1］提出光照療法用于治療新生兒高膽紅素血癥（黃疸?。┮詠?應(yīng)用于特殊部位或特殊病癥的特殊波長(zhǎng)、強(qiáng)度的光療設(shè)備廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷。新生兒黃疸光療的機(jī)理是高未結(jié)合的膽紅素經(jīng)光氧化及異構(gòu)化作用后產(chǎn)生膽綠色和無毒的水溶性雙吡咯,經(jīng)膽汁排入腸道或從尿中排泄出,從而降低血清膽紅素的濃度。光照療法是治療新生兒病理性黃疸的一種有效方法,已被醫(yī)學(xué)界公認(rèn)。黃疸光療儀也是醫(yī)療單位必不可少的醫(yī)療器械。目前,常用的新生兒黃疸光療儀有熒光燈（如白光、藍(lán)光、藍(lán)綠光、綠光等）、鹵素聚光燈、藍(lán)光光纖毯及高強(qiáng)度LED燈［2-5］。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展,發(fā)光二極管發(fā)光效率不斷提高,其具有單色性好、體積小、壽命長(zhǎng)、能量消耗低、使用直流電、發(fā)熱量低和控制靈活等特點(diǎn)［6］,使LED光源在醫(yī)療、美容、植物栽培等領(lǐng)域的研究受到越來越廣泛的關(guān)注［7-11］,LED光動(dòng)力治療儀在生物醫(yī)學(xué)上的研究和應(yīng)用越來越廣泛。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,游離膽紅素對(duì)440 nm波長(zhǎng)的光或紫外線敏感［12］。在中國(guó)藥典［13］上有記載：在400～500 nm波段處,測(cè)定膽紅素吸收曲線,其最大吸收波長(zhǎng)為453 nm。美國(guó)兒科醫(yī)學(xué)會(huì)（AAP）定義的藍(lán)光波長(zhǎng)為430～490 nm［14］。也有研究表明,在藍(lán)光到綠光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光波段與膽紅素吸收光譜的波段范圍（460～490 nm）重疊［15］；Ebbesen等人［16］分別采用藍(lán)綠光和藍(lán)光做臨床對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明藍(lán)綠光比藍(lán)光在降解膽紅素方面更有效。

并且,目前現(xiàn)有的LED黃疸治療儀的光波長(zhǎng)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,確定能促進(jìn)膽紅素高效吸收的光譜功率分布范圍,對(duì)于有效使用以LED為光源的新生兒黃疸治療儀,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來,應(yīng)用LED作為模擬光源,產(chǎn)生所需的目標(biāo)光譜已成為研究的熱點(diǎn)。利用LED的窄波段特性,根據(jù)人們的需要,采用不同波段的LED來模擬產(chǎn)生各種光譜功率分布的光譜匹配技術(shù)的研究及應(yīng)用也尤為顯得重要。

目前,光譜匹配的方法主要是利用光譜匹配算法和通過改變電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)可調(diào)的光譜匹配技術(shù)［18-21］,主要應(yīng)用在太陽模擬技術(shù)、視覺檢測(cè)和光譜圖像處理等方面,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還比較少,尤其是醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域,如LED新生兒黃疸治療儀光譜匹配方面的應(yīng)用。雖然LED具有很多優(yōu)點(diǎn),但是確定最佳波長(zhǎng)來組合特殊的目標(biāo)光譜仍是新生兒黃疸治療儀用LED光源光譜功率分布研究的難點(diǎn)。

本文基于光譜構(gòu)造理論,提出采用LED光源光譜匹配技術(shù)用于黃疸治療儀上的方法,用新型的新生兒黃疸治療儀對(duì)LED光源光譜功率分布進(jìn)行了研究。將簡(jiǎn)單遺傳算法（Simple Genetic Algorithm,SGA）［22］首次應(yīng)用在基于LED光源的特種光譜匹配技術(shù),得到了匹配目標(biāo)光譜所需的最優(yōu)LED組合比例及相應(yīng)的LED組合數(shù)量,獲得了一種新型的新生兒黃疸治療儀用LED光源的光譜功率分布。并且引入模擬退火算法（Simulated Annealing Algorithm,SAA）［18-19,23］進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所提出算法的可行性和高效性。

2 光譜構(gòu)造理論與方法

2.1 光譜構(gòu)造理論

光源的光譜功率分布可分為絕對(duì)光譜功率分布和相對(duì)光譜功率分布。絕對(duì)光譜功率分布是光源輻射功率的實(shí)際值,即每個(gè)波長(zhǎng)上光源實(shí)際輻射的功率。相對(duì)光譜功率分布,是各個(gè)波長(zhǎng)輻射功率的絕對(duì)值,并不是光源實(shí)際輻射的功率,只是各個(gè)波長(zhǎng)功率之間的相對(duì)大小。相對(duì)光譜功率分布測(cè)量比較簡(jiǎn)單。在色度學(xué)中,一般均用相對(duì)光譜功率分布。根據(jù)光譜的疊加原理可得到LED光譜合成的模型［24］：

式中,Si（λ）∝STarget（λ）,Si（λ）是單個(gè)LED的相對(duì)光譜功率分布,ki為未知的LED的系數(shù)。

構(gòu)造LED的相對(duì)光譜功率分布矩陣SLED=（S1,S2,…,Sn）,目標(biāo)光譜矩陣STarget=（ST1,ST2,…,STm）T,系數(shù)矩陣K=（k1,k2,…,kn）T。當(dāng)m＞n時(shí),用矩陣形式可表示為：

在求解上述線性方程組時(shí),一般是無解的。通常求其最小二乘解,使得總體相對(duì)誤差達(dá)較小。即：

采用計(jì)算殘差平方和（RSS）和相關(guān)指數(shù)（R2）來評(píng)價(jià)光譜匹配擬合的效果。用S?Target表示近似解,殘差平方和的定義為：

相關(guān)指數(shù)的定義為：

2.2 光譜匹配算法

光譜匹配技術(shù)可看作優(yōu)化組合問題,即在眾多LED組合中尋找目標(biāo)光譜分布的最佳匹配組合。遺傳算法是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法,非常適用于處理組合優(yōu)化問題。遺傳算法的基本思想：在求解問題時(shí)從多個(gè)解開始,然后通過一定的法則進(jìn)行逐步迭代以產(chǎn)生新的解。Michigan大學(xué)的J.Holland［22］教授提出的SGA由編解碼、個(gè)體適應(yīng)度評(píng)估和遺傳運(yùn)算三大模塊構(gòu)成。其算法求解流程圖如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)

對(duì)于作為傳統(tǒng)光療儀的某品牌藍(lán)光熒光燈,利用杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司生產(chǎn)的積分球光譜測(cè)試系統(tǒng)對(duì)使用前和使用后的光譜進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知,藍(lán)光熒光燈光衰明顯,使用之后藍(lán)光幾乎衰減掉了。在使用不到一年的時(shí)間后,光通量由545 lm下降為8 lm,且后期大多是紅外光,而紅外線的生物效應(yīng)主要是熱效應(yīng),紅外光對(duì)皮膚損傷表現(xiàn)為熱紅斑,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致皮膚燒傷,而嬰兒的皮膚比較嫩,更容易受損傷。但藍(lán)光LED發(fā)熱小、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、光衰低,且紫外光和紅外光的輻射量極少,對(duì)新生兒可全方位治療,無副作用。所以,采用藍(lán)光LED作為組合光源對(duì)膽紅素的有效降解光波段的光譜功率分布進(jìn)行匹配研究將具有很重要的意義。

取純度為99.28％的膽紅素（Bilirubin）標(biāo)準(zhǔn)品（大連美侖生物技術(shù)有限公司）約20 mg,精密稱定。加入少量三氯甲烷,將膽紅素研磨后轉(zhuǎn)移至100 mL棕色量瓶中,經(jīng)過超聲處理并使其溶解；取出,迅速放冷,再加入三氯甲烷稀釋至刻度,搖勻；精密量取2.5 mL,置100 mL棕色瓶中,再次加入三氯甲烷稀釋至刻度,搖勻。利用紫外-可見分光光度計(jì)（U-3010,HITACHI）,在常溫18℃、避光條件下測(cè)定350～800 nm波段范圍內(nèi)膽紅素溶液的吸收曲線,測(cè)試顯示其吸收度的峰值波長(zhǎng)為454 nm,如圖4所示。將膽紅素吸收光譜與藍(lán)光熒光燈光譜進(jìn)行對(duì)比,效果如圖5所示。

由圖5可知,藍(lán)光熒光燈的光波段并沒有完全與膽紅素的有效吸收波長(zhǎng)重合,部分藍(lán)光熒光燈光波段的能量損失掉了。由于LED的光譜為窄譜,可以匹配出光療作用最有效的窄帶寬的光譜,避免藍(lán)光熒光燈包含的其它一些波段能量的損失。所以,采用藍(lán)光LED作為組合光源對(duì)膽紅素有效降解波段的光譜功率分布進(jìn)行匹配是很有必要的。

4 光譜匹配與分析

基于前述的光譜構(gòu)造原理,將實(shí)驗(yàn)測(cè)試的膽紅素溶液的吸收光譜作為目標(biāo)光譜,利用不同峰值波長(zhǎng)和半高寬的單色LED進(jìn)行光譜匹配。通過MATLAB軟件對(duì)波長(zhǎng)范圍為350～800 nm的LED進(jìn)行光譜擬合,擬合函數(shù)［25］為：

根據(jù)目前市場(chǎng)上實(shí)際存在的LED具有的峰值波長(zhǎng)和半高寬,選取的峰值波長(zhǎng)分別為400、 425、450、470、490 nm,半高寬全部為25 nm。采用SGA和SAA分別對(duì)目標(biāo)光譜進(jìn)行匹配,所得的結(jié)果如表1所示,效果圖如圖6所示。其中兩種算法運(yùn)行的環(huán)境均為：Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU E8400@3.0GHz,4.0GB內(nèi)存。

從表1和圖6可知,簡(jiǎn)單遺傳算法的運(yùn)行時(shí)間較短,速度較快,效率高、誤差小,光譜匹配度較高；擬合的光譜和目標(biāo)光譜十分近似。將所求得的LED最優(yōu)組合比例取整數(shù),SGA所需的不同峰值波長(zhǎng)的LED數(shù)量分別約為：21、38、43、33、6,總數(shù)約為141；而SAA所需的不同峰值波長(zhǎng)的LED數(shù)量分別約為：25、44、40、38、5,總數(shù)約為152,數(shù)量較多,且SAA的運(yùn)行速度較慢,效率較低。

5 結(jié)論

本文提出了將標(biāo)準(zhǔn)膽紅素溶液的吸收光譜作為新生兒黃疸治療儀用LED光源光譜功率分布的目標(biāo)光譜,以簡(jiǎn)單遺傳算法作為光譜匹配算法,采用不同峰值波長(zhǎng)和半高寬的單色LED進(jìn)行目標(biāo)光譜的匹配,計(jì)算出最優(yōu)的LED組合比例,并推算出所需LED的數(shù)量。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)紊獿ED能夠定量地匹配出新生兒黃疸治療儀用LED光源的目標(biāo)光譜,所提出的光譜匹配算法簡(jiǎn)單易操作,匹配度較高,達(dá)到了98.39％；運(yùn)行速度較快,約為7.27 s；簡(jiǎn)化了通過恒流驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)光源可調(diào)諧的步驟,也避免了供電電壓波動(dòng)或不穩(wěn)對(duì)LED發(fā)光特性的影響及對(duì)采集光譜數(shù)據(jù)帶來的偏差,擬合效率高、誤差小,適用于其它特種照明用LED光源光譜功率分布的匹配優(yōu)化技術(shù),也為后續(xù)新型LED黃疸治療儀的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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甘汝婷（1988-）,女,河南商丘人,碩士研究生,主要從事LED照明與光學(xué)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：ganrutingmm@163. com

郭震寧（1958-）,男,福建莆田人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,1982年于福州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,1991年于華北光電技術(shù)研究所獲得碩士學(xué)位,2001年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事光電子材料與器件、半導(dǎo)體照明技術(shù)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

A

10.3788/CO.20140705.0794

2095-1531（2014）05-0794-07

2014-04-11；

2014-06-16

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目（No.2013I0004）