一种基于可编程数字LED微阵列的黄疸仪及其测量方法

一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪及其测量方法
技术领域
1.本发明涉及黄疸仪技术领域，尤其是一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪及其测量方法。


背景技术：

2.传统的测量黄疸的方法是测量患者血液样本中的胆红素含量，这种方法需要抽血、实验室操作等过程，比较麻烦和耗时。而黄疸仪则可以通过非侵入性的方式，利用光学原理快速、准确地测量患者的黄疸程度，减轻了患者的痛苦和不适感。黄疸仪的主要应用于新生儿黄疸筛查。新生儿黄疸是一种常见的疾病，但如果不及时诊断和治疗，会导致严重的神经系统损伤。黄疸仪可以快速、准确地测量新生儿黄疸程度，帮助医生及时采取治疗措施，保护婴儿的健康。此外经皮黄疸仪还能够辅助肝功能检查与胆管疾病诊断，也是研究药物肝脏代谢的快速检测设备。
3.尽管黄疸仪具有许多优点，但也存在一些问题和瓶颈，其中最主要的是准确性问题。黄疸仪的准确性受到许多因素的影响，包括光线干扰、肤色、外伤、药物等。例如，环境光的强度、颜色和方向等可能影响测量结果；碰撞导致局部皮肤瘀伤或水肿，以及胆红素及干扰物分子在不同肤色人群皮肤组织结构中的差异化分布都可能会影响黄疸仪的测量结果。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪及其测量方法，基于其时空可控的激发模式，以解决现有技术中由于环境光干扰、干扰分子分布不均以及采样皮肤个体差异化等系统误差带来的测量准确性问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，主要包括：数字led微阵列、光电转换模块和主控芯片三部分；其中，主控芯片控制并驱动数字led微阵列中的若干led发光单元在所需时段按预设组合发光，每次发出的光束经皮肤组织吸收后，由捕集窗后的光纤传输至光电转换模块变为数值化的电信号，传输至主控芯片中存储。
6.优选的，数字led微阵列包括led激发光阵列和光捕集窗；led激发光阵列作为信号源，阵列中每个led单元在发光波长和相对于光捕集窗的空间位置两个参数方面，至少有一个参数不同。
7.优选的，阵列中每个led单元为中心发光波长约为460nm的单色led、550nm的单色led，或者是宽光谱led配合460nm、550nm滤光膜的组合。
8.优选的，led单元间用深色吸光材料隔开。
9.优选的，对于led微阵列中的每个led单元，都可以通过编程控制任意一个或多个单元在需要的时间发光。
10.优选的，通过控制垂直于光捕集窗方向上的不同位置单色激发光，进行光程校准和皮下深部与浅部黄疸光浓度差的计算，可以进行光程校准和皮下深部与浅部黄疸光浓度
差的计算；通过控制平行于光捕集窗方向上的不同位置单色激发光，判断表皮、皮肤浅部和深部对光吸收的均一性，确定有效检测选区。
11.优选的，led单元围绕圆形光捕集窗呈同心(平行)与轴向(垂直)二向分布。
12.相应的，一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪的测量方法，包括如下步骤：
13.步骤1、数字led微阵列中的若干个led单元受到主控芯片的控制分别发出单次或多次由460nm和550nm两种不同波长单色光组成的激发光组合，其中每束激发光经皮肤组织中的各种散射及折射，部分光回到了圆形的光捕集窗区域，并经由光捕集窗后的光纤传输至光电转换模块转变为数值化的电信号；
14.步骤2、依次激发距离中心光捕集窗较近和较远处的同色led单元，将得到一组差异化的光吸收值或吸收光谱；
15.步骤3、切换激发led单元的波长类型，又将得到另一组信息集合；
16.步骤4、每次得到的电信号中将包含来自多个维度的信息，综合这些差异化的测量值，计算得出精确的黄疸测量值。
17.优选的，步骤3中，选择同时激发波长相同的led单元，增强激发光信号。
18.优选的，步骤4中，预设有胆红素分布参数集合、近光程吸收模型数值矩阵、远光程吸收模型数值矩阵等先验参数，结合多次、多区域长短光程吸收值测量，分析来源于不同皮肤层中的局部胆红素吸光贡献值，计算回溯精准的经皮黄疸测量值。
19.本发明的有益效果为：(1)通过使用可编程数字led微阵列，黄疸仪能够判断检测区域的皮肤是否具有色差、水肿等组织差异，确保有效、准确的检测，为后续得到量化可横向比较的经皮黄疸值提供可靠的依据；(2)通过使用可编程数字led微阵列并顺次激发位于不同位置的led发光单元，黄疸仪能够在物理距离和波长两个维度调节光程差，用来排除干扰物因子例如：黑色素、血红蛋白、胶原蛋白以及浅层皮肤结构等因素带来的误差，得到精准纯粹的、与血液中胆红素分子浓度具有更高特异相关性的经皮黄疸测量值；(3)通过上述两种增益效果的组合使用，黄疸仪能够利用一系列吸收光强的数值集合快速构建被测皮肤区域的三维简易模型，并进一步对接经验曲线或人工智能算法完善检测模型，得到真实可靠的经皮黄疸值计算方式；(4)通过使用可编程数字led微阵列，黄疸仪能够根据不同的应用模式定制时间分辨的激发光方案，在位置和时间两个维度控制任意若干led发光单元，用以最优匹配真实检测所需的激发条件；(5)通过阵列式激发，同色led单元可以同时被点亮，大幅增强激发光信号，针对深肤色或强环境光干扰等特殊应用场景，黄疸仪能够提供具有更高信噪比的输入及输出信号强度。
附图说明
20.图1为本发明的黄疸仪外部结构示意图。
21.图2为本发明的黄疸仪内部电子模块示意图。
22.图3为本发明的黄疸仪的测量原理流程示意图。
23.图4为本发明的黄疸仪前视示意图。
24.图5为本发明图4中a处的结构明细图。
25.图6为本发明判断皮肤选区是否合适的原理示意图。
26.图7为本发明通过光程差异校正干扰物误差的原理示意图。
具体实施方式
27.如图1所示，为本发明的黄疸仪外部结构示意图。包括设备外壳1、检测探头2、模式切换按键3、显示屏4和开关5等硬件元件。
28.仪器内部构造示意图如图2所示，主要包括检测探头驱动及光传导模块6，主控芯片7，光电转换模块8，显示及驱动模9和外部通讯接口10。
29.如图3、图4和图5所示，一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，包括：数字led微阵列、光电转换模块和主控芯片三部分；其中，主控芯片控制并驱动数字led微阵列中的若干led发光单元在所需时段按预设组合发光，每次发出的光束经处理后传输至光电转换模块变位数值化的电信号，传输至主控芯片中存储。
30.光捕集窗102位于黄疸仪检测探头接触面圆心位置，led阵列101中包含能够产生中心激发光波长约460nm和550nm的两种单色led单元，这些led单元围绕圆形光捕集窗呈同心(平行，401)与轴向(垂直，301)二向分布，并在其中一个方向上交替排布；通过主控芯片内的预设程序对数字led微阵列中的特定发光单元进行时空可控的开启和关闭，获得一系列的经皮双波长吸收值或吸收光谱，以此判断测量可靠性并计算校正多种误差后的经皮黄疸测量值。
31.相应的，一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪的测量方法，包括如下步骤：
32.步骤1、数字led微阵列中的led单元受到主控芯片的控制发出460nm和550nm两种不同波长的单色光，经各种散射及折射，部分光回到了圆形的光捕集窗区域，并经由光捕集窗后的光纤传输至光电转换模块转变为数值化的电信号；
33.步骤2、依次激发距离中心光捕集窗较近和较远处的同色led单元，将得到差异化的光吸收值或吸收光谱；
34.步骤3、切换激发led单元的波长类型，又将得到另一组信息集合；
35.步骤4、每次得到的电信号中将包含来自多个维度的信息，综合这些差异化的测量值，计算得出精确的黄疸测量值。
36.在使用黄疸仪进行之前，需要进行以下准备工作确保测量结果的准确性和患者的安全。首先，检查黄疸仪是否完整无损、电源充足，并进行必要的清洁和消毒处理。还需确认患者是否符合使用黄疸仪的条件，例如患者是否有严重的皮肤损伤或伤口、是否有严重的贫血或血液疾病等。然后目测选择适当的测量部位，通常是在患者的额头或手掌上进行测量。
37.为确保仪器的正常使用，每次进行检测前，应先使用校验盘对仪器进行校验。操作步骤如下：首先，打开仪器的电源开关。接着，将探头垂直接触校验色屏，使探头整个端面紧贴校验色屏，确保没有任何间隙，否则将会影响检测结果的准确性。然后，对校验盘的白色色屏和黄色色屏进行检测。在检测时，显示值应为00.0
±
00.1和20.0
±
1，表明仪器工作正常。如果检测值超出上述范围，需要清洁校验盘和探头后重新进行检测。如果仍然发现检测值超出范围，需要联系黄疸仪的供应商进行维修。最后，校验结束后即可进行临床检测。
38.由于使用了可控led阵列进行激发，本发明中黄疸仪在正式测量黄疸值之前，可以实现自动判定皮肤选区是否符合测量要求的特殊功能。首先按下模式切换键数次至选区校验模式，此时屏幕上会出现校验选区的图案，随后将黄疸仪探头的尖端轻轻贴在被检测者的皮肤上，确保整个探头端面与皮肤紧贴，按压并等待仪器自动完成皮肤选区校验所需的
多组测量。在此过程中，黄疸仪的led阵列中位于环形同心区域中的同色led单元会在内部主控芯片的预设程序下开始逐个激发，通过测量并分析被检测者皮肤上胆红素的吸收值间的差异对测量选区的可靠性进行判定，并将判定结果显示在屏幕上，指导继续测量或是更换皮肤选区。该过程主要针对被检测者的皮肤类型和厚度的不同，在目测选区无法精确判断测量区域是否符合采样标准的情况下，利用仪器测量判断皮肤类型、厚度、损伤、毛细血管分布等实际因素是否到达影响测量有效性的程度，以提高后续测量的准确性、可比较性和稳定性。此外，测量的灵敏度和精度还受到其他多种因素的影响，如光源的强度和稳定性、探头的质量和使用寿命、电路和单片机的稳定性等等，均可在此过程中获得它们是否会影响到后续检测的直接信息。例如图6所示，当前选区在表皮或者浅层皮下有一处肉眼不明显的色素分布组织，通过依次激发位于同一最外层圆环中的4个460nm led单元，在相同的激发强度下，会发现位于图示中最右侧led单元激发后，其对应的吸收值相对于其他三个吸收测量值有明显的差异。后续选区判定时，会根据预设阈值标准，分别触发后续更换选区、标定部分有效选区(此例中选择左半圈作为有效测量选区)等差异化的检测方案。例如：在一次常规的选区判定结果中，一组吸收值为a460＝[0.5,0.6,0.7,0.8]，其相对于标准数值的偏差为delta_a460＝[-0.02,0.01,0.03,0.06]，通过首先计算平均吸收值mean_delta_a460＝sum(delta_a460)/len(delta_a460)，再对第四个偏差值进行校正，得到delta_a460[3]＝mean_delta_a460-sum(delta_a460[:3])/3，并最终计算校正后的吸收值a460_corrected＝[a460[i]-delta_a460[i]for i in range(len(a460))]。根据上述校正操作，四个吸收值将校正为[0.52,0.59,0.67,0.74]。如果某次测量的吸收值偏离标准化平均数值较远，则依据预设阈值将此数值删除再进行数据校正。
[0039]
本发明的另一特殊功能在于能够通过时空可控的led单元激发，对光程及光程中的干扰物分布等误差情况进行校正。如图7所示，通过依次激发距离中心光捕集窗较近和较远处的同色led单元，将得到差异化的光吸收值或吸收光谱。通过分析差异化的光吸收值或光谱，不仅能够消除由于光线通过样品时的散射、吸收等因素造成的单纯光程偏差；在多次、多位置测量后，还能够获得所测量皮肤区域的浅表与深部对激发光吸收情况的信息集合，从而更加精确地建立采样皮肤的结构框架和干扰物/待测物分布三维模型，进而依据此三维数据模型校正个体化皮肤结构(例如：角质层厚度、表皮破损、血管深度等)和色素分布(肤色、组织内黄疸、血管分布、局部色素微沉积等)带来的误差。这些误差在常规黄疸仪中被认定为无法被分析得到的系统性误差，但这些误差往往会影响到实际经皮黄疸测量值的准确性和稳定性。而进一步切换激发led单元的波长类型，又将得到另一组信息集合，对比不同激发波长下的检测信息集合，不仅能够更加准确地分析出单纯的光学光程差，还能够得到对此种波长更加敏感的信号或干扰分子在皮肤浅层与深层的分布情况。例如：当光程差相差较小，或者激发led单元位于同一圆环不同位置的情况下，长光程和短光程分别通过不同长度的光路，使得测量中的血红蛋白吸收量差异化，从而得到去除血红蛋白影响的吸收值。后续校正系数的计算基于比值法，即长光程与短光程的比值，乘以一个常数系数。这个常数系数可以根据标准样品进行校准，也可以使用已知的血红蛋白浓度进行计算。计算得到校正系数后，可以用它对黄疸吸收值进行校正，消除血红蛋白对测量结果的影响，从而得到更准确的黄疸值。又例如图5中，光程差较大时，主要受激发的皮肤精细结构区域将会差异化，从而测得的吸收值还会隐含胆红素在表皮、真皮和皮下组织等区域不同分布情况
的深层信息，假设预设的胆红素分布参数数组为[0.12,1.36,4.27,6.31]，近光程吸收模型数值矩阵为[0.35,1.21,0.35；0.12,0.46,0.12]，远光程吸收模型数值矩阵为[0.12,0.27,0.83,0.27,0.12；0.26,0.35,0.73,0.35,0.26；0.08,0.15,0.40,0.15,0.08]，结合多次、多区域长短光程吸收值测量，可以得出经皮黄疸来源于不同皮肤层胆红素浓度的局部贡献值和准确度打分值，从而计算得到精准的测量值。
[0040]
在正式测量时，还可以通过同时点亮同色led单元，大幅增强激发光信号的强度。该模式在一些特殊应用场景中非常有用，例如针对深肤色或强环境光干扰等情况。通过增强激发光信号的强度，黄疸仪能够提供具有更高信噪比的输入和输出信号强度，从而提高测量精度和准确性。该技术的使用可以帮助医生更准确地诊断黄疸病情，并指导治疗方案的制定，为患者提供更好的医疗服务。

技术特征：
1.一种基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，包括：数字led微阵列、光电转换模块和主控芯片三部分；其中，主控芯片控制并驱动数字led微阵列中的若干led发光单元在所需时段按预设组合发光，每次发出的光束经皮肤组织吸收后，由捕集窗后的光纤传输至光电转换模块变为数值化的电信号，传输至主控芯片中存储。2.如权利要求1所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，数字led微阵列包括led激发光阵列(101)和光捕集窗(102)；led激发光阵列(101)作为信号源，阵列中每个led单元在发光波长和相对于光捕集窗(102)的空间位置两个参数方面，至少有一个参数不同。3.如权利要求2所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，阵列中每个led单元为中心发光波长约为460nm的单色led(201)、550nm的单色led(202)，或者是宽光谱led配合460nm、550nm滤光膜的组合。4.如权利要求2所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，led单元间用深色吸光材料隔开。5.如权利要求2所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，对于led微阵列中的每个led单元，都可以通过编程控制任意一个或多个单元在需要的时间段发光。6.如权利要求2所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，led单元围绕圆形光捕集窗(102)呈同心与轴向二向分布。7.如权利要求1所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪，其特征在于，通过控制轴向垂直于光捕集窗方向(301)上的不同位置单色激发光，进行光程校准和皮下深部与浅部黄疸光浓度差的计算；通过控制同心平行于光捕集窗方向(401)上的不同位置单色激发光，判断皮肤深、浅部组织光吸收的均一性，确定有效检测选区。8.一种如权利要求1所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、数字led微阵列中的若干个led单元受到主控芯片的控制分别发出单次或多次由460nm和550nm两种不同波长单色光组成的激发光组合，其中每束激发光经皮肤组织的各种散射及折射，部分光回到了圆形的光捕集窗区域，并经由光捕集窗后的光纤传输至光电转换模块转变为数值化的电信号；步骤2、依次激发距离中心光捕集窗较近和较远处的同色led单元，将得到一组差异化的光吸收值或吸收光谱；步骤3、切换激发led单元的波长类型，又将得到另一组信息集合；步骤4、每次得到的电信号中将包含来自多个维度的信息，综合这些差异化的测量值，计算得出精确的黄疸测量值。9.如权利要求8所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪的测量方法，其特征在于，步骤3中，选择同时激发波长相同的led单元，增强激发光信号。10.如权利要求8所述的基于可编程数字led微阵列的黄疸仪的测量方法，其特征在于，步骤4中，预设有胆红素分布参数集合、近光程吸收模型数值矩阵、远光程吸收模型数值矩阵先验参数，结合多次、多区域长短光程吸收值测量，分析来源于不同皮肤层中的局部胆红素吸光贡献值，计算回溯精准的经皮黄疸测量值。

技术总结
本发明公开了一种基于可编程数字LED微阵列的黄疸仪及其测量方法，黄疸仪包括：数字LED微阵列、光电转换模块和主控芯片三部分。测量包括如下步骤：数字LED微阵列中的发光单元受控于预设程序以组合形式依次发光，这些光束经皮肤组织的反射和吸收后由光捕集窗收集，并通过光纤传输至光电转换模块转变为数值化的电信号；每次得到的测量信号中包含表皮厚度、色素分布、血管深浅等多维度的信息，综合这些差异化的测量结果，分析计算得出精确的经皮黄疸值。本发明基于时空可控的激发模式，可解决现有技术中由环境光亮度、干扰分子分布以及个体皮肤差异化等系统误差带来的测量不准确问题。皮肤差异化等系统误差带来的测量不准确问题。皮肤差异化等系统误差带来的测量不准确问题。


技术研发人员：李俊吉 刘晓东 李运华 吴一凡
受保护的技术使用者：南京理工大学科技咨询开发有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/14