基于中紅外吸收的低成本幽門螺旋桿菌檢測(cè)的光學(xué)傳感系統(tǒng)

王瑤 牟濤濤 陳少華

北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192

0 引言

1983年，澳大利亞學(xué)者M(jìn)arshall B和Warren J R[1]報(bào)道從人胃內(nèi)成功分離出“未鑒定的彎曲狀桿菌”（Campylobacter pylori），引起醫(yī)學(xué)界的廣泛興趣，并開(kāi)始展開(kāi)深入的研究。在研究這種細(xì)菌的生物特征時(shí)，曾幾次改名，直到1989年建立了螺桿菌屬[2]，才將其正式命名為Helicobacter pylori，簡(jiǎn)稱H pylori，國(guó)內(nèi)譯為“幽門螺旋桿菌”。幽門螺旋桿菌產(chǎn)生的毒素和有毒作用的酶能破壞胃黏膜屏障，他還能使機(jī)體產(chǎn)生炎癥和免疫反應(yīng)，影響胃酸的分泌，最終會(huì)導(dǎo)致胃炎、消化性潰瘍、胃食管反流病、胃MALT淋巴瘤等一系列胃病的形成。

國(guó)外一項(xiàng)關(guān)于幽門螺旋桿菌感染率調(diào)查的分析顯示，幽門螺旋桿菌感染率為67%左右，并且隨著年齡的增大而增加，女性發(fā)病率高于男性[3]。中國(guó)及其他發(fā)展中國(guó)家屬于幽門螺旋桿菌的高發(fā)區(qū)。2001～2004年，由中華醫(yī)學(xué)會(huì)進(jìn)行的一項(xiàng)涉及全國(guó)20個(gè)省市的自然人群幽門螺旋桿菌流行病學(xué)調(diào)查顯示，中國(guó)幽門螺旋桿菌感染率為40～90%，平均為59%[4]。人是目前確定的幽門螺旋桿菌感染源，關(guān)于幽門螺旋桿菌的診斷技術(shù)，按照檢測(cè)創(chuàng)傷性的不同可分為入侵侵檢和非入侵檢查兩類。從胃部取材進(jìn)行幽門螺旋桿菌檢測(cè)，包括微生物學(xué)方法、形態(tài)學(xué)檢查、尿素酶依賴性試驗(yàn)，此外，也嘗試通過(guò)其他途徑取樣本進(jìn)行幽門螺旋桿菌感染的鑒定，如血清免疫學(xué)、基因分子生物學(xué)檢測(cè)、糞便H pylori抗原檢測(cè)以及尿液、唾液H pylori抗體檢測(cè)等[5-6]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)于幽門螺旋桿菌感染情況檢測(cè)方法均存在一定的弊端。侵入式檢測(cè)：首先對(duì)人體檢測(cè)時(shí)需使用胃鏡等輔助手段，操作復(fù)雜，對(duì)工作人員專業(yè)知識(shí)、技能的要求極高，同時(shí)給被測(cè)者帶來(lái)痛感，整個(gè)過(guò)程繁瑣復(fù)雜，檢測(cè)效率低下；非侵入式檢測(cè)：首先，血清免疫學(xué)檢測(cè)方法需要抽血，并對(duì)血清進(jìn)行分析，同樣對(duì)于操作者專業(yè)知識(shí)、技能要求高，檢測(cè)效率低，其次，14C呼氣試驗(yàn)檢測(cè)方式，其同位素為放射性元素，對(duì)于人體、環(huán)境都有污染性，孕婦、嬰兒更是無(wú)法使用，而13C、15N同位素標(biāo)記檢測(cè)雖無(wú)放射性危害，但均需要配備價(jià)格高昂、體積笨重的質(zhì)譜儀進(jìn)行呼出氣體檢測(cè)，因此很大程度限制了在基層醫(yī)院的推廣發(fā)展。

幽門螺旋桿菌對(duì)人體危害較大，同時(shí)其感染率極高，經(jīng)費(fèi)不足的基層醫(yī)院對(duì)于其檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)的需求十分迫切。在這種情況下，本文提出設(shè)計(jì)一款基于紅外光吸收的低成本幽門螺旋桿菌檢測(cè)的光學(xué)傳感系統(tǒng)，取代昂貴的質(zhì)譜儀對(duì)呼出氣體中標(biāo)記同位素進(jìn)行濃度檢測(cè)，可以對(duì)幽門螺旋桿菌感染情況進(jìn)行初步檢測(cè)，完成幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。

1 氣體紅外檢測(cè)原理

氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循朗伯-比爾定律[7]：

式中，I——紅外輻射被氣體吸收后的能量；

I0——紅外輻射的初始能量；

k——?dú)怏w吸收系數(shù)；

c——被測(cè)氣體的濃度；

L——輻射通過(guò)氣體層的厚度。

通過(guò)測(cè)量紅外輻射的初始能量I0和紅外輻射被氣體吸收后的能量I就能檢測(cè)出氣體濃度c。實(shí)際應(yīng)用中，往往是在混合氣體中檢測(cè)某一種氣體的濃度，該氣體稱為目標(biāo)氣體（本文中的目標(biāo)氣體即為呼出氣體中12C同位素標(biāo)記的二氧化碳?xì)怏w濃度）?；旌蠚怏w中的其他組成成分稱為背景氣體，通過(guò)量化紅外輻射在目標(biāo)氣體吸收譜段的衰減，同時(shí)排除背景氣體對(duì)紅外輻射吸收的影響，可以計(jì)算目標(biāo)氣體的濃度。單光源雙通道檢測(cè)技術(shù)[8]是實(shí)現(xiàn)此測(cè)量過(guò)程的常用技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用單光源雙通道檢測(cè)技術(shù)，一個(gè)完備的系統(tǒng)由兩個(gè)小型檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。其中一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)需要完成呼出氣體中二氧化碳?xì)怏w濃度的精準(zhǔn)檢測(cè)；另一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)則需要完成呼出氣體中12C二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

被檢測(cè)者在檢測(cè)過(guò)程中需口服13C標(biāo)記的藥物。分別記錄吃藥前呼出氣體中二氧化碳濃度（記作C前）和吃藥前呼出氣體中12C二氧化碳?xì)怏w的濃度（記作C前12），以及吃藥并消化一段時(shí)間后呼出其中二氧化碳濃度（記作C后）和吃藥后呼出氣體中12C二氧化碳?xì)怏w的濃度（記作C后12）。又因?yàn)榭諝庵卸趸細(xì)怏w由13C和12C兩種同位素標(biāo)記的二氧化碳?xì)怏w構(gòu)成，則：

其中，C前13、C后13——吃藥前后呼出氣體中13C標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w濃度。

其中，ΔE即高于本底的DOB值，判斷ΔE是否大于數(shù)值4，即可定性分析是否感染幽門螺旋桿菌[9]，若大于4則判定檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性，反之則為陰性。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由兩組單光源雙通路檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。兩個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)分別用于呼出氣體中二氧化碳?xì)怏w總濃度和12C標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)，最終將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳遞到PC端呈現(xiàn)出來(lái)。

對(duì)于呼出氣體中二氧化碳總濃度的檢測(cè)模塊現(xiàn)在市場(chǎng)上已十分常見(jiàn)，這里不做介紹，主要對(duì)于12C標(biāo)記二氧化碳濃度檢測(cè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。該檢測(cè)模塊中，儀器內(nèi)部光學(xué)氣室采用黃銅材料制成，兩端用氟化鈣玻璃窗口片（氟化鈣材質(zhì)的玻璃在紫外和紅外光譜范圍具有很高的透過(guò)率，并且具有極高的損傷閾值，且其具有較低的折射率，工作范圍在180 nm～8.0 μm間，能夠滿足中紅外光檢測(cè)的需求）封裝，充分保證其密閉性。在其頂部分別設(shè)置進(jìn)氣孔和出氣孔。系統(tǒng)3D結(jié)構(gòu)如圖2所示。

選擇常規(guī)黑體光源作為光源，紅外接受器件選擇PYS 3828 TC G2/G20，該紅外接收器件的過(guò)濾傳輸圖如圖3所示，二氧化碳中13C、12C同位素標(biāo)記的二氧化碳的中紅外吸收譜圖如圖4所示。

結(jié)合圖3、圖4可知，12C標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置的濾光片必須要能夠?yàn)V掉13C標(biāo)記二氧化碳所吸收紅外光的波段，以此來(lái)保證氣室末端紅外接收裝置所接收到的信號(hào)僅為能夠反映12C標(biāo)記二氧化碳紅外光吸收情況的信號(hào)，也就能夠保證檢測(cè)所得結(jié)果為12C標(biāo)記二氧化碳的濃度。結(jié)合吸收光譜和過(guò)濾譜設(shè)定濾光片的通帶范圍為3.75～4.30 μm。呼出氣體中二氧化碳總濃度檢測(cè)的系統(tǒng)則應(yīng)用常規(guī)高精度二氧化碳檢測(cè)器件檢測(cè)即可，儀器內(nèi)部無(wú)需添加濾光片及其他光學(xué)器件。

2.2 算法設(shè)計(jì)

2.2.1 建立數(shù)學(xué)模型

在單光源雙通道檢測(cè)技術(shù)推導(dǎo)氣體濃度測(cè)量的數(shù)學(xué)模型如下[10]：

式中，c——目標(biāo)氣體濃度；

ums——目標(biāo)探測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)的測(cè)量電壓值；

urs——參考探測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)的測(cè)量電壓值；

ur0——目標(biāo)氣體濃度為0時(shí)參考探測(cè)器的測(cè)量電壓值；

um0——目標(biāo)氣體濃度為0時(shí)目標(biāo)探測(cè)器的測(cè)量電壓值；

A——與氣室長(zhǎng)度和氣體吸收系數(shù)有關(guān)的且與探測(cè)器的電壓探測(cè)率有關(guān)的常數(shù)。

2.2.2 零點(diǎn)標(biāo)定與量程標(biāo)定由式（5）可知，當(dāng)c=0時(shí)，測(cè)量計(jì)算得到的值就代表了檢測(cè)氣體的零點(diǎn)，記為a0：

當(dāng)c為某一已知濃度的氣樣，一般取儀器測(cè)量氣體濃度的上限，也就是滿量程值，如c=cs時(shí)，測(cè)量計(jì)算得到的值，此時(shí)：

由式（7）就可計(jì)算得到A值，記為As，這樣，式（5）則為：

完成定標(biāo)后，公式中的常數(shù)就能夠通過(guò)計(jì)算得到準(zhǔn)確數(shù)值，也就完成了系統(tǒng)的標(biāo)定過(guò)程，最終根據(jù)式（9）就可以得到目標(biāo)氣體的濃度值。

3 同位素12C標(biāo)記二氧化碳濃度檢測(cè)系統(tǒng)仿真對(duì)比

應(yīng)用TracePro軟件完成光學(xué)器件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真。在基于雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)的單光源雙通路仿真系統(tǒng)中（如圖5所示），將光源設(shè)置為半徑為0.5 mm、發(fā)散角為30 °的格點(diǎn)光源，根據(jù)所選光源的型號(hào)（發(fā)射光的波段范圍1～7 μm）設(shè)定光源的發(fā)射光波段。設(shè)定濾光片的材質(zhì)為氟化鈣，通帶范圍為3.75～4.30 μm，厚度為1 mm，直徑為20.5 mm；左右兩端的兩個(gè)平凸透鏡分別有準(zhǔn)直和聚焦的作用，兩個(gè)平凸透鏡完全相同，材質(zhì)均為氟化鈣，中心厚度為7.5 mm，邊緣厚度為2 mm，曲率半徑為17.5 mm，入瞳直徑為22.86 mm，焦距為30.273 mm；兩個(gè)窗口也完全相同，材質(zhì)均為氟化鈣，直徑為22.86 mm，厚度為1 mm；傳感器設(shè)置為邊長(zhǎng)為5 mm的正方體，其感光面的輻照度分析圖如圖7所示；兩個(gè)氟化鈣窗口中間部分即為氣室，仿真系統(tǒng)中擬定氣室長(zhǎng)度為115 mm。圖6和圖8分別展示了普通（除缺少雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)外，其他元器件參數(shù)、光學(xué)環(huán)境等條件均相同）的單光源雙通道光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的光線追跡情況和其對(duì)應(yīng)的傳感器感光面的輻照度分析圖。

根據(jù)光線追跡仿真圖（圖5、圖6）以及光學(xué)系統(tǒng)的輻射照度分析圖（圖7、圖8）可以發(fā)現(xiàn)，基于雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中其光線追跡明確顯示，光源發(fā)出的光經(jīng)平凸透鏡準(zhǔn)直后穿過(guò)光學(xué)氣室，又經(jīng)后端平凸透鏡聚焦，將光線聚焦到傳感器表面，同時(shí)其輻照度分析圖顯示光線經(jīng)平凸透鏡聚焦后落到傳感器中的位置正好位于感光面中，且其光學(xué)效率能達(dá)到64%以上；普通結(jié)構(gòu)的單光源雙通道檢測(cè)結(jié)構(gòu)光線追跡圖顯示，光源發(fā)出的光線只有很少部分穿過(guò)窗口鏡片照射到傳感器感光表面，且其光學(xué)效率低至0.3%。

4 結(jié)果

對(duì)比兩種光學(xué)系統(tǒng)，本文所提出的雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感系統(tǒng)的光學(xué)效率比普通結(jié)構(gòu)高200倍以上，可以獲得更強(qiáng)的信號(hào)，在同樣的測(cè)試環(huán)境下，配備本文所提出的雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感系統(tǒng)具有更好的檢測(cè)效果。在本設(shè)計(jì)中采用基于雙平凸透鏡結(jié)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng)完成12C標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)，具有更精確的檢測(cè)效果。

電路系統(tǒng)將接收到的信號(hào)結(jié)合預(yù)留算法進(jìn)行處理，在PC端可以分別顯示出總的二氧化碳濃度、12C標(biāo)記二氧化碳濃度以及兩濃度求差所得的13C標(biāo)記二氧化碳的濃度，并進(jìn)一步根據(jù)預(yù)留算法求出DOB值，與醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，最終完成被檢測(cè)者幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。

5 總結(jié)

本文提出了一種基于中紅外光吸收的幽門螺旋桿菌感染情況定性分析的低成本光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了對(duì)于呼出氣體中12C標(biāo)記的二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)方法。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)單獨(dú)光學(xué)結(jié)構(gòu)組成，一個(gè)采用傳統(tǒng)高精度基于中紅外光吸收的二氧化碳濃度檢測(cè)裝置對(duì)呼出氣體中二氧化碳總濃度完成精準(zhǔn)檢測(cè)；另一部分采用本文所提出的高效率光學(xué)檢測(cè)裝置，對(duì)呼出氣體中同位素12C所標(biāo)記的二氧化碳濃度進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，結(jié)合科學(xué)的算法設(shè)計(jì)計(jì)算出呼出氣體中同位素13C所標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w的濃度，最終通過(guò)呼出氣體中13C標(biāo)記二氧化碳?xì)怏w濃度值和醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比，完成被檢測(cè)者幽門螺旋桿菌感染情況的定性分析。本文所提出的檢測(cè)系統(tǒng)成本低、操作簡(jiǎn)便、可行性高、檢測(cè)效率高，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。