新生兒經(jīng)皮黃疸檢測儀的校準

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

新生兒黃疸是新生兒最常見的疾病之一，其原因是紅細胞代謝的膽紅素產(chǎn)量大于排泄量，導致總膽紅素增高。對新生兒黃疸患者膽紅素濃度及時有效的檢測，是對病理性黃疸早期發(fā)現(xiàn)、篩查、及時處理以及防治高膽紅素對組織器官進行損害的關鍵。

目前，新生兒膽紅素濃度檢測分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩大類。有創(chuàng)法是指測定血清膽紅素，具體分為靜脈血膽紅素測定法與微量血膽紅素測定法，通過靜脈穿刺抽取患者血液，使用相關生化分析儀進行檢測[1]。測定血清膽紅素準確度雖高，但新生兒血管細小，取血操作難，且不利于重復和動態(tài)觀察膽紅素值。無創(chuàng)法是指測定經(jīng)皮膽紅素，采用經(jīng)皮黃疸檢測儀（經(jīng)皮膽紅素檢測儀）測量新生兒前額、前胸壁、左右頰部等部位的經(jīng)皮膽紅素值。測定經(jīng)皮膽紅素操作簡單且過程無創(chuàng)、病患家屬更易接受，此外能重復測量、可進行動態(tài)監(jiān)測，已廣泛應用于各級醫(yī)療機構。

許多醫(yī)療機構將經(jīng)皮黃疸檢測儀的測量結果作為治療和監(jiān)測的依據(jù)，其量值的準確與否也引起了醫(yī)護人員和病患家屬的重視?，F(xiàn)階段，尚無相關國際、國家、行業(yè)標準和技術規(guī)范可對使用中的經(jīng)皮膽紅素測量設備的準確性做出判斷，醫(yī)院僅依靠廠家提供的日常維護來確定儀器的使用狀態(tài)。為保障醫(yī)療檢測的準確性，為醫(yī)療器械的質(zhì)量控制提供方法，特在此探討研究經(jīng)皮黃疸檢測儀的校準方法。

1 經(jīng)皮黃疸檢測儀檢測膽紅素方法

經(jīng)皮膽紅素的測定是一種通過研究皮膚的光學性質(zhì)來獲取其生物化學和生理信息的分析方法，采用光學檢測法中的反射光譜法測定皮膚組織中的膽紅素濃度。其準確度一般在±1.5 mg/dl，按照原理可分為雙波長法和多波長法。

根據(jù)朗伯比爾定律，光通過物質(zhì)后會被不同程度的吸收，物質(zhì)的吸光度由溶液濃度、液層厚度（光程長）及入射光波長所決定。雙波長法即采用藍色光波（460 nm）和綠色光波（550 nm）的光密度差來測量膽紅素濃度。皮膚組織中的物質(zhì)對不同波長光吸收情況不同[2]，如圖1所示。膽紅素對藍光具有很好的吸收特性，血紅蛋白對藍光和綠光的吸收值相近。新生兒表皮黑色素生成很少影響小，因此通過測量藍綠光通過皮膚組織后的光吸收度的差值，去除血紅蛋白和黑色素對檢測結果的影響，即可測量出經(jīng)皮的膽紅素濃度。

圖1 皮膚組織內(nèi)物質(zhì)對不同波長吸收情況

多波長法利用膽紅素濃度與多波長檢測光譜數(shù)據(jù)的線性相關性來建立相關模型，并利用此模型預測待檢測人體膽紅素濃度。因為分析的波長范圍為380～780 nm，多波長法相對雙波長法準確度有所提高，可有效減小血紅蛋白和黑色素等其他因素的影響。但是使用多個入射波長，增加了儀器成本和數(shù)據(jù)處理算法的復雜性。

由上述經(jīng)皮膽紅素檢測原理可知，皮膚組織中的黑色素、血紅蛋白等對光波的吸收是影響經(jīng)皮膽紅素檢測結果準確性的最大因素。理論上，經(jīng)皮黃疸檢測儀在研制過程中，若要保證檢測數(shù)據(jù)的準確性需要進行臨床驗證，即采用生化分析儀采集一批新生兒的血清膽紅素數(shù)據(jù)，然后對檢測儀進行標定。在做臨床驗證時，會面臨倫理方面的問題。在驗證過程中，嬰兒樣本的數(shù)量、體重、月齡以及是否接受了光療對標定結果均有一定的影響。因此，在生產(chǎn)過程中，制定一個臨床驗證的標準對于不同公司在檢測結果的一致性和準確性方面的保障十分重要。

2 經(jīng)皮膽紅素測定與血清膽紅素測定之間的相關性

美國兒科學會和加拿大兒科學會均發(fā)布了關于足月嬰兒高膽紅素血癥的管理指南。美國兒科學會推薦在新生兒出院前，通過測量血清或經(jīng)皮膽紅素濃度來評估高膽紅素的風險程度[3]，并提出，血清膽紅素測定雖是檢測和判斷新生兒高膽紅素血癥的金標準，但為減少采血引起的風險，經(jīng)驗證兩種方法相關性，可選擇性地通過測定經(jīng)皮膽紅素代替測定血清膽紅素。加拿大兒科學會推薦在新生兒出生72 h內(nèi)，使用血清或經(jīng)皮膽紅素個性化測量方案進行高膽紅素風險評估，并需定期測量所有新生兒的膽紅素濃度。

作為診斷新生兒黃疸指標的重要儀器，經(jīng)皮黃疸檢測儀的可靠性和準確性是眾多學者研究的重點，較多學者使用統(tǒng)計學方法，通過測量相同條件下大量樣本的經(jīng)皮膽紅素值與血清膽紅素值，計算兩者之間的相關性，從而研究經(jīng)皮膽紅素測量方法的準確性。Shabuj M H等人[4]總結了 2000年至 2017年28項相關的研究，研究結果顯示，經(jīng)皮膽紅素值與血清膽紅素值呈正相關關系，胸部和前額部位的經(jīng)皮膽紅素與血清膽紅素測量合并相關系數(shù)估計值為0.82，兩種常用的經(jīng)皮黃疸檢測儀JM103（德爾格，德國）和Bilicheck（飛利浦偉康，美國）測定的經(jīng)皮膽紅素與血清膽紅素的合并相關系數(shù)為0.83，其中JM103采用雙波長法，Bilicheck采用多波長法。

用于測量經(jīng)皮膽紅素的部位一般有前額、胸部、背部、腰部、腹部和腿部等，不同部位經(jīng)皮膽紅素測量準確性略有差異。經(jīng)過臨床試驗驗證[5-6]，胸部皮膚的經(jīng)皮膽紅素測量值與血清膽紅素值的相關系數(shù)最高，前額的測量結果與胸部差異不大，從操作便利性來說，前額是臨床檢測時測量較多的部位。表1是近年來不同學者使用不同經(jīng)皮膽紅素設備在不同部位測量的經(jīng)皮膽紅素與血清膽紅素的相關性的研究結果，其中n是參與相關性實驗的樣本數(shù)。

3 經(jīng)皮膽紅素測定設備校準方法

臨床上使用的經(jīng)皮黃疸檢測儀種類多，卻無統(tǒng)一的校準方法保障測量結果的準確性。根據(jù)上述分析，現(xiàn)提出三種校準方法，并探討其可行性。

1）標準膽紅素溶液法

從為儀器提供標準值的角度出發(fā)，可研制一套具有模擬嬰兒皮膚組織的標準裝置。理想狀態(tài)下，標準裝置可提供模擬皮膚的表皮、真皮和皮下組織各部件，并且在皮下組織和真皮層含有已知濃度的膽紅素溶液部件，濃度值可改變。在校準儀器時，按照實際操作過程測量標準裝置的經(jīng)皮膽紅素值，與已知的設定值進行比較。標準裝置中的膽紅素標準物質(zhì)濃度可經(jīng)溯源，裝置模擬的皮膚和血液的干擾項可通過多次實驗準確測量和重設，因此其標稱值的準確性可以得到保證。

國內(nèi)學者馮馳[1]使用NaOH溶液稀釋調(diào)配不同濃度的膽紅素溶液，用于標定自己研制的經(jīng)皮黃疸檢測儀。由于溫度、光照以及NaOH的化學反應使膽紅素溶液發(fā)生了某些變化，標定結果不理想。但在標定過程中，隨著配制的膽紅素溶液濃度的變化，采集的信號也在變化，從另一角度驗證了朗伯比爾定律和膽紅素吸收峰的存在。使用標準溶液制作模擬皮膚組織的標準裝置，其難點在于如何配制標準的具有與人體血液中膽紅素相同吸收度的膽紅素溶液，以及如何保證模擬的皮膚層對測量的影響與真實皮膚具有相似性。

表1 不同儀器不同部位測量的經(jīng)皮膽紅素與血清膽紅素相關性研究結果

2）標準板法

從經(jīng)皮黃疸檢測儀的測量過程和測量原理的角度出發(fā)，依據(jù)光路在皮膚組織中的反射和散射，可考慮制作類似人體皮膚結構的標準板來對膽紅素濃度進行校準。以雙波長經(jīng)皮黃疸檢測儀JM103（德爾格，德國）為例，膽紅素濃度CB[13]可表示為

式中：E1n(λg) —— 入射綠光光通量；

E1n(λb) —— 入射藍光光通量；

E2n(λg) —— 出射綠光光通量；

E2n(λb) —— 出射藍光光通量；

εB(λb) —— 膽紅素的吸光系數(shù)；

L1nB-L2nB—— 光程差

從式（1）可以看出，在已知膽紅素吸光系數(shù)和光程差的情況下，經(jīng)皮膽紅素值僅與藍綠光入射和出射的光通量相關，而且光密度差與材料的吸收度相關，因此，合理選擇標準板的材料，合理設計標準板的層數(shù)，可以較為真實地模擬皮膚組織對光的吸收和反射作用，同時可以計算標稱的經(jīng)皮膽紅素值。

上海儀器儀表所[14]設計了一套包括0～40號15種標準色塊的標準色板，在制作時按照CMYK配色方法進行配色，設計由淺到深的純黃色色塊，使用激光打印機在專用的透明膠片上制作標準色板，采用一臺經(jīng)臨床驗證的合格的JM-102對標準色板標稱值進行定值。

日本柯尼卡美能達公司設計了用于校驗經(jīng)皮黃疸檢測儀的校驗板，用于檢查數(shù)據(jù)是否超出預期范圍[13]。檢查板分為低值和高值兩個部分，低值檢查板使用對藍色和綠色波長吸收系數(shù)大致相同的材料制作，如毛玻璃、丙烯酸不透明板等。高值檢查板采用兩層結構，第一層是與低值板相同的材料，第二層采用對藍色波長吸收系數(shù)大于綠色波長吸收系數(shù)的材料構成，如黃色丙烯酸板。

另有一些經(jīng)皮黃疸檢測儀廠家配備檢查板，其功能更傾向于測試系統(tǒng)發(fā)射和接收光路能否正常工作，給出的標稱膽紅素濃度值的準確性有待驗證。采用標準板法對經(jīng)皮黃疸檢測儀進行校準，最需要解決的是標準板自身的有效溯源問題。

3）膽紅素濃度模擬法

根據(jù)經(jīng)皮黃疸檢測儀的檢測原理，設計光電式膽紅素濃度模擬儀。具體思路為：模擬儀接收經(jīng)皮黃疸檢測儀發(fā)出的藍綠光，通過內(nèi)部電路對接收到的藍綠光進行調(diào)制，調(diào)制過程即為設置標準膽紅素濃度，再將調(diào)制后的藍綠光反饋給經(jīng)皮黃疸檢測儀。此時經(jīng)皮黃疸檢測儀會顯示膽紅素濃度，將其與模擬儀設置的膽紅素濃度進行比較，以此來校準經(jīng)皮黃疸檢測儀的測量準確性。此方法針對經(jīng)皮黃疸檢測儀的原理進行標準器的設計，因此雙波長和多波長的標準器需分開設計，難點在于研究調(diào)制電路與膽紅素濃度的對應關系，若可通過實驗和理論研究來探明兩者的對應關系，可研制對應多種膽紅素濃度的調(diào)制電路，對經(jīng)皮黃疸檢測儀進行較為全面的校準。

4 結語

經(jīng)皮黃疸檢測儀是新生兒科應用非常廣泛的醫(yī)療儀器，雖然血清膽紅素檢測一直作為膽紅素檢測的“金標準”，經(jīng)過分析驗證，經(jīng)皮膽紅素檢測結果與血清膽紅素檢測結果有較好的一致性，并且其無創(chuàng)、快速、連續(xù)監(jiān)測等特點為人們所青睞，已成為臨床實時監(jiān)測膽紅素濃度的重要醫(yī)療器械。黃疸患者的膽紅素水平升高時，鞏膜、皮膚、黏膜也會出現(xiàn)黃染特征，使用圖像處理分析技術監(jiān)測黃疸程度的研究也越來越多，隨著光學分析和數(shù)據(jù)處理技術的更新，經(jīng)皮膽紅素濃度的檢測也越來越準確，這為臨床無創(chuàng)檢測和實時監(jiān)測膽紅素濃度提供了便利?，F(xiàn)階段，臨床在用經(jīng)皮黃疸檢測儀的使用維護僅依靠生產(chǎn)廠家，如若可建立相關校準方法，對于此類器具量值準確性的保證意義重大。