經(jīng)皮黃疸分析儀的校準(zhǔn)方法及不確定度評定研究

張佳文，楊廣達，林建陽*

（1.中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院資產(chǎn)管理部，沈陽 110001；2.沈陽計量測試院醫(yī)化所，沈陽 110001）

0 引言

膽紅素濃度是臨床判定新生兒是否患有黃疸的常用指標(biāo)，可分為有創(chuàng)和無創(chuàng)2種測量方式。有創(chuàng)方式需要采集微量血或靜脈血來測定血清總膽紅素（total serum bilirubin，TSB）濃度，無創(chuàng)方式通常使用經(jīng)皮黃疸分析儀（以下簡稱“黃疸儀”）測量經(jīng)皮膽紅素（transcutaneous bilirubin，TCB）濃度。由于TCB和TSB的濃度檢測結(jié)果存在正相關(guān)性[1]，且無創(chuàng)方式易操作、測試無損傷、能連續(xù)測量，所以臨床多采用黃疸儀對黃疸進行篩查和監(jiān)測。

黃疸儀被廣泛應(yīng)用于各級醫(yī)院、婦幼保健所及月子會所的新生兒科，大多采用光反射法進行TCB測量，且雙波長法最為常見，即根據(jù)朗伯比爾定律，利用皮下紅細胞對450 nm（或460 nm）藍色波長和550 nm綠色波長兩光波間的光波密度差和膽紅素值的對應(yīng)關(guān)系，來標(biāo)定沉淀于皮膚組織下的膽紅素濃度[2]。只要將儀器探頭輕按在新生兒、嬰幼兒前額或前胸壁的皮膚上，即可直接測量出與TSB濃度相關(guān)的TCB值，經(jīng)過換算，可直接顯示TSB值。

目前，我國黃疸儀的生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品性能也參差不齊，國家層面暫時沒有相應(yīng)的計量技術(shù)法規(guī)。計量行業(yè)內(nèi)已有少數(shù)省份完成了針對黃疸儀的規(guī)范性檢測方法研究，湖南省市場監(jiān)督管理局于2021年3月實施了JJF（湘）51—2020《經(jīng)皮黃疸測試儀校準(zhǔn)規(guī)范》，遼寧省市場監(jiān)督管理局于2021年6月實施了JJF（遼）469—2021《經(jīng)皮黃疸檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范》，但均在省內(nèi)施行，檢測參數(shù)和檢測方法還有待形成全國行業(yè)內(nèi)的統(tǒng)一共識。國內(nèi)多數(shù)醫(yī)院僅能依靠廠家維護或者報廢更換，黃疸儀的測量結(jié)果也得不到有效確認(rèn)。因而，黃疸儀的量值溯源和準(zhǔn)確度評價亟須研究確認(rèn)。為保障醫(yī)院黃疸儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，為黃疸儀的質(zhì)控提供方法，本文研究黃疸儀的校準(zhǔn)方法及不確定度評定，通過實驗論證黃疸儀量值溯源的有效性，為其計量性能提供量化評價。

1 校準(zhǔn)條件與計量特性

1.1 校準(zhǔn)環(huán)境條件

環(huán)境溫度為15～30℃，相對濕度為40%～85%。周圍無強光直射，無震動及電磁干擾。

1.2 校準(zhǔn)用設(shè)備

校準(zhǔn)用設(shè)備至少包含零值色板和有標(biāo)準(zhǔn)值模擬黃疸色板的標(biāo)準(zhǔn)色板，其膽紅素濃度由一臺運行穩(wěn)定并經(jīng)臨床驗證的黃疸儀進行定值溯源[3]，零值色板為0～0.2 mg/dL，模擬黃疸色板為（20.0±0.3）mg/dL。標(biāo)準(zhǔn)色板的色度可計量，且色度的年變化量均不大于0.005。標(biāo)準(zhǔn)色板的色度和透射比特性可參照J(rèn)JG 453—2002《標(biāo)準(zhǔn)色板檢定規(guī)程》[4]和JJF 1526—2015《石油產(chǎn)品顏色分析儀及比色板校準(zhǔn)規(guī)范》[5]檢定。本文所用色板為自主研發(fā)的色板。

1.3 被測設(shè)備

被測設(shè)備選擇醫(yī)院常用的3臺黃疸儀，分別為日本柯尼卡美能達公司的JM-103型、山東博科公司的BY-D-Ⅰ型和南京理工大學(xué)的JH20-1C型。3臺黃疸儀的測量范圍均為0～25 mg/dL，準(zhǔn)確度為±1.5 mg/dL，光源均為氙光燈，測量原理為雙波長反射法。黃疸儀屏幕顯示膽紅素濃度的測量單位通常為mg/dL或μmol/L，考慮到臨床使用習(xí)慣，本文選用mg/dL作為實驗結(jié)果的測量單位。

1.4 計量性能要求

黃疸儀應(yīng)有名稱、型號、儀器編號、制造廠名、出廠日期等內(nèi)容[6]；外觀良好，探頭清潔、無裂紋，開機應(yīng)能正常工作。

選用零值穩(wěn)定性、模擬黃疸示值誤差和模擬黃疸測量重復(fù)性3項計量指標(biāo)[7]。零值穩(wěn)定性可以衡量黃疸儀測量時的背景值波動程度，評價標(biāo)準(zhǔn)取量程的1%以內(nèi)。模擬黃疸示值誤差可以衡量黃疸儀在黃疸測量時的測量儀器誤差，反映了黃疸儀的標(biāo)定準(zhǔn)確度，評價標(biāo)準(zhǔn)取±1.5 mg/dL以內(nèi)。模擬黃疸測量重復(fù)性可以反映黃疸儀在相同測量方法、相同場所、相同工作條件和短時期內(nèi)，連續(xù)測量所得結(jié)果之間的一致程度，評價標(biāo)準(zhǔn)取2%以內(nèi)。以上性能要求的取值范圍，參考多家市售黃疸儀的生產(chǎn)廠家出廠技術(shù)指標(biāo)。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 零值穩(wěn)定性

將零值色板正面與黃疸儀探頭垂直、緊密、遮光連接，每隔3 min對黃疸儀零值點測量1次，連續(xù)測量6次，讀取黃疸儀顯示示值。取黃疸儀的量程為A，Xmax和Xmin分別為6次測量值的最大值和最小值，由公式（1）可得到零值穩(wěn)定性Z：

2.2 模擬黃疸示值誤差

將模擬黃疸色板正面與黃疸儀探頭垂直、緊密、遮光連接，記錄3次黃疸儀的測量值。被校準(zhǔn)黃疸儀3次測量值的算術(shù)平均值Xm與模擬黃疸色板的標(biāo)稱值X0之差，即模擬黃疸示值誤差Δ。

2.3 模擬黃疸測量重復(fù)性

將模擬黃疸色板正面與黃疸儀探頭垂直、緊密、遮光連接，重復(fù)測量7次，記錄黃疸儀的測量值。去除可疑值后，按照以下公式計算測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差[8-9]，即模擬黃疸測量重復(fù)性R：

式中，Xi為第i次測量值（mg/dL）；為n次測量值的平均值（mg/dL）；n為測量次數(shù)，此處為7。

3 校準(zhǔn)結(jié)果

使用標(biāo)準(zhǔn)色板對本院3臺不同廠家的黃疸儀進行校準(zhǔn)，檢測結(jié)果見表1。

表1 3臺黃疸儀的檢測結(jié)果

由表1可知，3臺不同型號黃疸儀的零值穩(wěn)定性數(shù)值均較小，且總體小于1%；模擬黃疸示值誤差測量結(jié)果既有正偏差又有負(fù)偏差，差異較大，但均在生產(chǎn)廠家推薦的±1.5 mg/dL以內(nèi)；模擬黃疸測量重復(fù)性均不大于2%。以上3項實驗結(jié)果均在計量性能要求范圍內(nèi)。3臺黃疸儀總體測量量值準(zhǔn)確、計量性能穩(wěn)定，滿足計量技術(shù)指標(biāo)檢測要求。

4 不確定度評定

4.1 不確定度評定方法

由于不確定度評定的合理性在很大程度上會影響黃疸儀質(zhì)量控制的可靠性和科學(xué)性，所以不僅要對黃疸儀測量示值誤差的結(jié)果進行考量，還應(yīng)考慮其測量結(jié)果的不確定度。

4.1.1 數(shù)學(xué)模型及不確定度分量分析

取示值誤差的數(shù)學(xué)模型為

式中，ΔX為模擬黃疸示值誤差；Xm為3次測量值的算術(shù)平均值；X0為標(biāo)稱值。單位均為mg/dL。

Xm和X0的靈敏系數(shù)計算公式如下：

Xm和X0的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量（來自測量值的不確定度分量u1和來自標(biāo)稱值的不確定度分量u2）計算公式如下：

式中，u（Xm）為來自測量值的不確定度，u（X0）為來自標(biāo)稱值的不確定度。由于u（Xm）和u（X0）是分別測量而相互獨立的，所以兩分量不相關(guān)。結(jié)合公式（4）～（7），可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc計算公式如下：

綜上所述，該數(shù)學(xué)模型的不確定度主要來自測量值的不確定度u（Xm）和由模擬黃疸色板標(biāo)稱值引入的不確定度u（X0）。

4.1.2 測量值引入的不確定度u（Xm）

測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可通過10次獨立重復(fù)測量，并由貝塞爾公式計算得到，此處為0.13 mg/dL。當(dāng)黃疸儀分辨力δ為0.1 mg/dL時，則由儀器自身分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.03 mg/dL，遠小于測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。因而在計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時，只需考慮測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（0.13 mg/dL）。

而在儀器的正常使用環(huán)境條件下，由于黃疸儀的遮擋適度，參數(shù)受溫度、濕度影響很小，故環(huán)境光照、溫度、濕度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以忽略不計，因而取u（Xm）=0.13 mg/dL。

4.1.3 模擬黃疸色板標(biāo)稱值引入的不確定度u（X0）

由于該模擬黃疸色板最大允許誤差為±0.3 mg/dL，考慮均勻分布，由模擬黃疸色板標(biāo)稱值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

4.1.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

由于u（X0）和u（Xm）兩輸入量不相關(guān)，故由公式（8）可得，黃疸儀模擬黃疸膽紅素濃度示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.2 mg/dL。

4.1.5 擴展不確定度U的評定

取包含因子k=2，則黃疸儀在模擬黃疸測量點處的擴展不確定度U=kuc=2×0.2=0.4 mg/dL。

4.2 不確定度評定結(jié)果

上述不確定度評定方法以黃疸儀最大測量重復(fù)性計算，其測量結(jié)果的擴展不確定度評定結(jié)果為U=0.4 mg/dL（k=2），與黃疸儀生產(chǎn)廠家設(shè)備說明中的最大允許誤差絕對值（1.5 mg/dL）之比小于1/3，故評定結(jié)果滿意，可以滿足測量要求[10]。

5 討論

做好黃疸儀的校準(zhǔn)工作，能夠有效提升臨床醫(yī)療質(zhì)量，保證患兒的醫(yī)療安全。本文提出的黃疸儀不確定度評定方法，測量結(jié)果不確定度小于被測黃疸儀最大允許誤差絕對值的1/3，并且校準(zhǔn)所得零值穩(wěn)定性、模擬黃疸示值誤差和模擬黃疸測量重復(fù)性結(jié)果符合生產(chǎn)廠家的設(shè)備性能要求，滿足對黃疸儀的臨床校準(zhǔn)需求。

本文黃疸儀測量結(jié)果的不確定度分析與評定，可以為該類儀器的量值溯源體系建立提供借鑒。但鑒于本院在用的黃疸儀數(shù)量和品牌有限，選取的被測黃疸儀光源均為氙光燈，且采用雙波長反射法測量原理，暫無其他類型的黃疸儀測量結(jié)果數(shù)據(jù)，日后將繼續(xù)開展非氙光源和采用非雙波長反射法測量原理黃疸儀的實驗，以驗證本文方法的科學(xué)性和實用性。由于在標(biāo)準(zhǔn)測量條件下，標(biāo)準(zhǔn)色板的色度坐標(biāo)不確定度均較小[11]，因而本文的不確定度評定方法并未過多討論標(biāo)準(zhǔn)色板色度差異引入的不確定度，下一步將進一步完善不確定度評定方法。受限于標(biāo)準(zhǔn)色板制作水平等實驗條件，本文并未將不同TCB濃度的階段線性關(guān)系納入計量性能進行討論，而該項計量性能可以反映不同TCB濃度的差異性和線性關(guān)系，因而這是下一步實驗研究的重點方向之一。還有文獻證實極重度黃疸患兒的TCB和STB存在較大差異[12]，而當(dāng)前黃疸儀又僅適用于中度和重度黃疸患兒的篩查，以后將綜合考慮黃疸儀測量范圍，結(jié)合研究文獻，研發(fā)符合極重度黃疸患兒的量值溯源標(biāo)準(zhǔn)裝置，以達到全量程范圍的精準(zhǔn)溯源，為黃疸儀在重度黃疸患兒的診斷領(lǐng)域提供量值溯源和質(zhì)控手段。此外，除了本文所述的標(biāo)準(zhǔn)色板量值溯源方法，還存在其他值得借鑒的方法[3，13]，比如溯源標(biāo)物固化方法的改進、基于朗伯比爾定律的光學(xué)濾光片分析法等，尤其是已有黃疸儀新產(chǎn)品附帶校準(zhǔn)盤或校準(zhǔn)板以完成自校準(zhǔn)功能，其原理和校準(zhǔn)效果暫無文獻資料論述，均需要進一步研究和實驗論證。未來將進一步研究驗證TCB量值溯源的其他方法和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備，為黃疸儀無創(chuàng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確溯源提供可靠保障。

總之，使用標(biāo)準(zhǔn)色板對黃疸儀進行校準(zhǔn)及不確定度評定符合常規(guī)計量要求，可以用于醫(yī)院黃疸儀的計量溯源和日常質(zhì)控，為黃疸儀計量規(guī)范的建立和實際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。