光強(qiáng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的新生兒黃疸藍(lán)光治療箱設(shè)計(jì)*

江浩楠 ，莊建軍 ，李雨軒 ，陳春鳴 ，曹鳴鳴 ，岳 欣

(1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京信息工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210044；3.南京市第二醫(yī)院產(chǎn)科，江蘇 南京 210003)

黃疸是新生兒最常見的臨床問題，由新生兒體內(nèi)血清膽紅素濃度升高所致，分生理性、病理性兩種類型。生理性黃疸是新生兒在成長(zhǎng)過程中的一種正常現(xiàn)象，無需專門治療，等待自然消退即可。而病理性黃疸是由于嬰兒患有某些疾病導(dǎo)致血清膽紅素含量不正常升高，從而引發(fā)黃疸。患有病理性黃疸的嬰兒很難靠自身代謝來降低體內(nèi)的膽紅素水平，一旦未結(jié)合膽紅素通過血腦屏障入侵神經(jīng)系統(tǒng)，便會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的腦損，病死率達(dá)到65%，即使治愈也有很大可能伴隨嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥[1]。

針對(duì)新生兒病理性黃疸主要有藥物治療、光療、換血治療、基因治療等方式[2]。相較于有較大副作用的藥物治療和侵入感較強(qiáng)的其他治療方式，光療通常是一種安全、有效、經(jīng)濟(jì)且常見的治療方法[3－5]。但是長(zhǎng)時(shí)間的光照也會(huì)產(chǎn)生一定的副作用，目前市面上的藍(lán)光治療儀光強(qiáng)固定，無法做到精細(xì)的針對(duì)性治療，需要醫(yī)護(hù)人員近距離操控以及存在無法自動(dòng)記錄治療數(shù)據(jù)等問題，存在患兒的過度治療以及醫(yī)護(hù)人員的藍(lán)光損傷風(fēng)險(xiǎn)[6－9]。如果能在治療時(shí)充分考慮黃疸分布特性和藍(lán)光照射對(duì)嬰兒的影響，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的理念，對(duì)“癥”治療，不僅可以使藍(lán)光治療過程更貼近新生兒黃疸的治療規(guī)律，也能極大程度地保護(hù)和方便醫(yī)護(hù)人員。

針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)了一種光強(qiáng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)且具有遠(yuǎn)程操控功能的藍(lán)光治療箱，該治療箱通過ZXLD1350 芯片驅(qū)動(dòng)非均勻排列的藍(lán)光LED陣列，利用衰減算法和PWM 信號(hào)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并通過ESP8266－12F 芯片實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 無線通信，利用移動(dòng)端APP 和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和數(shù)據(jù)的記錄、分析功能，可解決目前臨床用光療儀存在的問題。

1 整體架構(gòu)

本系統(tǒng)由黃疸藍(lán)光治療箱、移動(dòng)端APP 和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，如圖1 所示。黃疸藍(lán)光治療箱可以自動(dòng)調(diào)節(jié)光強(qiáng)、改變光照模式以及采集培養(yǎng)箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)和新生兒的體溫、啼哭聲等參數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋給移動(dòng)端APP 進(jìn)行顯示；移動(dòng)端APP 實(shí)時(shí)顯示治療過程中的剩余時(shí)間、光照模式、嬰兒體溫和箱內(nèi)溫濕度等參數(shù)，發(fā)送針對(duì)性的治療指令遠(yuǎn)程控制治療箱；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)并處理治療結(jié)束產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄，醫(yī)護(hù)人員可以通過移動(dòng)端APP 查看治療情況。

圖1 系統(tǒng)組成

黃疸藍(lán)光治療箱采用四面透明并貼有防藍(lán)光膜的箱體設(shè)計(jì)，方便觀察患兒狀態(tài)的同時(shí)保護(hù)醫(yī)護(hù)人員，箱體側(cè)面設(shè)有可供醫(yī)護(hù)人員對(duì)患兒進(jìn)行檢查的窗口，頂部和底部均安裝有藍(lán)光LED 陣列，治療范圍可以覆蓋全身。為了在治療過程中能及時(shí)掌握治療箱內(nèi)環(huán)境情況和新生兒狀態(tài)，在箱體中設(shè)有溫濕度傳感器、體溫傳感器、聲音檢測(cè)模塊和聲光報(bào)警器。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)組成如圖 2 所示。本系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為主控；LED 驅(qū)動(dòng)模塊采用ZXLD1350 作為恒流驅(qū)動(dòng)芯片，STM32 單片機(jī)通過I/O 口產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制芯片的輸出電流；LED陣列采用功率1 W、電流350 mA 的藍(lán)光LED 燈珠；溫濕度監(jiān)測(cè)模塊采用DHT11 傳感器，體溫傳感器模塊采用MAX30205MTA 傳感器，傳感器均通過I/O口與單片機(jī)相連；Wi-Fi 模塊采用ESP8266－12F 芯片，STM32 單片機(jī)將治療參數(shù)和采集到的溫濕度值等數(shù)據(jù)通過串口打包發(fā)送給ESP8266，ESP8266 再將打包數(shù)據(jù)通過UDP 協(xié)議傳送給移動(dòng)端APP，從而遠(yuǎn)程監(jiān)控治療箱。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 LED 驅(qū)動(dòng)模塊

為了使光源強(qiáng)度可調(diào)，同時(shí)保證高效和穩(wěn)定，LED 驅(qū)動(dòng)模塊采用ZETEX 半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的ZXLD1350 恒流驅(qū)動(dòng)芯片[10]。該芯片可以向外部提供最高可達(dá)350 mA 的可調(diào)輸出電流，借助電源和外部組件可以提供高達(dá)8 W 的輸出功率，專門驅(qū)動(dòng)單個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的LED。ZXLD1350 內(nèi)部設(shè)置有30 V NDMOS 開關(guān)、PWM 濾波器和固有的開路LED保護(hù)電路，其中內(nèi)置的PWM 濾波器使得芯片具有單針開關(guān)的功能并且可以直接通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流。

根據(jù)ZXLD1350 的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM 信號(hào)通過改變占空比控制輸出電流，達(dá)到調(diào)節(jié)光強(qiáng)的目的，單片機(jī)I/O 口與芯片ADJ 引腳連接，VIN引腳接20 V 電壓，ISENSE和LX 引腳分別接串聯(lián)LED 陣列的正負(fù)極，并且在ISENSE和VIN之間連接0.33 Ω 電阻使得標(biāo)稱平均輸出電流達(dá)到350 mA，LED 驅(qū)動(dòng)模塊的電路如圖3 所示。

圖3 藍(lán)光LED 驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.2 藍(lán)光LED 陣列

市面上的藍(lán)光治療儀會(huì)將LED 燈珠等間距地排列于燈箱內(nèi)，達(dá)到在有效表面內(nèi)均勻照射的目的。但是實(shí)際上，黃疸癥狀并不是均勻分布在全身，不同程度的黃疸采用相同強(qiáng)度的治療，癥狀嚴(yán)重的部位治療效果會(huì)大打折扣，癥狀輕的部位則會(huì)因過度的局部治療受到損傷。因此，為了實(shí)現(xiàn)局部的針對(duì)性治療，完成空間維度上的光強(qiáng)控制，LED 陣列采取了整體非均勻分布的分組多光照模式設(shè)計(jì)，如圖4 所示。

圖4 LED 陣列布局示意圖

陣列將所有LED 燈珠分為六大組，分別照射頭部、軀干、左右手臂和左右腿，各組中LED 均勻分布，同時(shí)將照射的有效表面按對(duì)應(yīng)部位劃分。每組均由多個(gè)ZXLD1350 芯片單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，通過單片機(jī)的PWM信號(hào)分別控制光照強(qiáng)度，根據(jù)患兒身體各部位的黃疸嚴(yán)重程度自由搭配，不同部位選擇不同強(qiáng)度的治療，光照模式可選，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的個(gè)性化治療。

2.3 通信模塊

通信模塊采用安信可科技公司開發(fā)的ESP8266－12F Wi-Fi 模塊。該模塊通過SPI/SDIO 或I2C/UART 串口與單片機(jī)連接通信，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧為單片機(jī)添加聯(lián)網(wǎng)功能，通過Wi-Fi 與上位機(jī)通信[11－12]。ESP8266 是一個(gè)完整的體系化的能夠獨(dú)立運(yùn)行的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，最常見的工作方式有兩種:第一種是作為設(shè)備唯一的應(yīng)用處理器，可以直接從閃存中啟動(dòng)而不經(jīng)過內(nèi)存，在提高系統(tǒng)性能的同時(shí)減少了內(nèi)存的占用。第二種是作為Wi-Fi適配器負(fù)責(zé)無線上網(wǎng)，通過SPI/SDIO 接口或I2C/UART 口連接即可。本系統(tǒng)主要使用STA 通信功能，通過ESP8266 利用無線局域網(wǎng)將治療箱的數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)端，以及將移動(dòng)端的控制信號(hào)返回至治療箱。醫(yī)護(hù)人員可以在移動(dòng)APP 端查看治療情況，并在APP 中對(duì)治療箱進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

2.4.1 溫濕度傳感器

采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器具有快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。DHT11 傳感器可以輸出精確校準(zhǔn)的相對(duì)溫濕度數(shù)字信號(hào)，STM32 單片機(jī)對(duì)傳感器的I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)通過Wi-Fi 模塊打包發(fā)送至移動(dòng)端APP。如圖5 是DHT11 溫濕度傳感器電路原理圖。

圖5 DHT11 溫濕度傳感器電路原理圖

2.4.2 體溫傳感器

監(jiān)測(cè)體溫目前常用的方法有接觸式和非接觸式兩種。非接觸式一般為紅外測(cè)溫，考慮到治療時(shí)治療箱內(nèi)的環(huán)境為藍(lán)光環(huán)境，并且由于治療時(shí)嬰兒所佩戴的眼罩會(huì)遮蔽到紅外測(cè)溫的最佳探測(cè)區(qū)域(額頭)，所以接觸式體溫監(jiān)測(cè)更適合藍(lán)光治療箱系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用MAX30205MTA 人體溫度傳感器模塊[13]。該傳感器精度為0.1 ℃，溫度分辨率為16位，輸出數(shù)字信號(hào)。同樣由STM32 單片機(jī)進(jìn)行采集，通過ESP8266 模塊發(fā)送至移動(dòng)端APP。如圖6是MAX30205MTA 人體溫度傳感器電路原理圖。

圖6 MAX30205 人體溫度傳感器電路原理圖

2.4.3 聲音檢測(cè)模塊

聲音檢測(cè)采用麥克風(fēng)噪音分貝測(cè)量模塊。通過設(shè)定分貝閾值監(jiān)聽嬰兒的啼哭聲，若聲音超過閾值則認(rèn)為嬰兒因出現(xiàn)不適感啼哭，觸發(fā)聲光報(bào)警器的同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)至移動(dòng)端APP 提醒醫(yī)護(hù)人員采取及時(shí)醫(yī)療措施。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)

藍(lán)光治療通常有間斷治療和持續(xù)治療兩種方案。據(jù)研究表明，間斷治療可以大幅度削減藍(lán)光對(duì)患兒體溫、生理節(jié)奏的干擾和影響，并且在相同的治療條件下，兩種方案的治療效果并無明顯差異[14－15]。光療導(dǎo)致的副作用一般會(huì)在2 h～4 h 開始出現(xiàn)，而一次光療一般在8 h～12 h 左右[15]。因此為了盡量減少光療產(chǎn)生的副作用，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間維度上的光強(qiáng)控制，算法采取間斷治療的設(shè)計(jì)，在單片機(jī)端執(zhí)行。

以n＋2 h 為一次治療中的一個(gè)階段(n為患兒的體質(zhì)因子，可以根據(jù)患兒開始出現(xiàn)光療副作用的時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行預(yù)設(shè)，范圍在2 至4 之間，默認(rèn)為2)，該階段在一次治療中重復(fù)執(zhí)行，直至治療結(jié)束。開始治療前需要預(yù)設(shè)當(dāng)次治療的最大強(qiáng)度m(m代表PWM 信號(hào)的占空比)、治療時(shí)長(zhǎng)t和患兒體質(zhì)因子n，每個(gè)階段的前n個(gè)小時(shí)光源保持所設(shè)的最大強(qiáng)度不變，之后1 h 單片機(jī)控制PWM 信號(hào)的占空比按線性衰減至0%，衰減至0%后再用1 h 控制PWM 信號(hào)的占空比按線性增強(qiáng)至m。此外，光源中的不同組LED 陣列可以根據(jù)患兒身體各部位黃疸程度的不同分別設(shè)置治療最大強(qiáng)度m和治療時(shí)長(zhǎng)t，達(dá)到有針對(duì)性的治療，減少副作用的目的。

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件流程如圖7 所示。首先根據(jù)患兒病情設(shè)置治療模式，開始治療后，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，在此期間若有按鍵按動(dòng)，先根據(jù)按鍵調(diào)整控制的LED陣列組及對(duì)應(yīng)組的光照模式，之后修改表示該組光照模式的3 位二進(jìn)制位，并與其余數(shù)據(jù)拼接成7 byte的數(shù)據(jù)幀，通過Wi-Fi 模塊發(fā)送至APP 端。同理，若溫濕度發(fā)生變化、時(shí)間每過1 min 或者聲音檢測(cè)超過閾值，則修改數(shù)據(jù)幀并重新發(fā)送。數(shù)據(jù)幀的7 byte中前18 位分別表示六組LED 陣列的光照模式，中間16 位表示溫度和濕度，往后16 位表示時(shí)間，最后6 位為異常報(bào)警位和預(yù)留位。在每次發(fā)送前，判斷溫濕度及聲音檢測(cè)是否異常，若存在異常則啟動(dòng)聲光報(bào)警。

圖7 軟件程序流程

3.3 移動(dòng)端APP 設(shè)計(jì)

移動(dòng)端APP 采用Android 開發(fā)，開發(fā)工具為Android Studio，開發(fā)語言為Java。在手機(jī)上安裝此APP 并與治療箱連入同一局域網(wǎng)即可使用。

主界面包括“當(dāng)前治療”、“記錄分析”、“我的信息”三個(gè)按鍵，按“記錄分析”按鍵是從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)并顯示，按“我的信息”按鍵是查看所登錄醫(yī)護(hù)人員的相關(guān)信息，按“當(dāng)前治療”按鍵后，APP 會(huì)進(jìn)入當(dāng)前所有治療信息頁面，點(diǎn)擊需要查看或操作的治療箱便會(huì)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入對(duì)應(yīng)治療箱詳細(xì)頁面，在該頁面可以查看或遠(yuǎn)程操作對(duì)應(yīng)的治療箱。進(jìn)入操作頁面的程序流程如圖8 所示。首先剛進(jìn)入頁面時(shí)開啟監(jiān)聽線程，監(jiān)聽治療箱的狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求獲取一組最新狀態(tài)并修改UI 實(shí)時(shí)顯示。之后開始判斷各按鈕是否被按下，若被按下根據(jù)對(duì)應(yīng)按鈕的功能發(fā)送一組3 byte 的數(shù)據(jù)幀，其中前18 位分別表示對(duì)六組LED 的控制，包括增加、減弱、不變、關(guān)閉和最大五種控制信號(hào)，剩余6 位為預(yù)留位，用來攜帶其他信息，發(fā)送后監(jiān)聽獲取最新狀態(tài)。若監(jiān)聽接收到的數(shù)據(jù)幀異常位為1，則發(fā)送彈窗并振動(dòng)報(bào)警。

圖8 治療箱操作頁面流程

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證系統(tǒng)的整體功能性以及光源系統(tǒng)的可靠性。

4.1 功能性驗(yàn)證

首先采用亞克力作為材料制作箱體，并將燈板、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊安置于箱體頂部，燈板上存在LED 陣列和LED 驅(qū)動(dòng)電路，控制模塊上存在STM32 最小系統(tǒng)板、ESP8266 芯片和按鍵，數(shù)據(jù)采集模塊上存在 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器、MAX30205MTA 人體溫度傳感器和麥克風(fēng)噪音分貝測(cè)量模塊。整個(gè)實(shí)物采用開關(guān)電源進(jìn)行供電，并且在單片機(jī)產(chǎn)生PWM 信號(hào)的I/O 口設(shè)置分壓電路，將輸入的3.3 V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為1.25 V 信號(hào)輸出，送給ZXLD1350 的ADJ 引腳作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)使用。

在realme 智能手機(jī)上下載移動(dòng)端APP。首先完成APP 端賬號(hào)的注冊(cè)和登錄，進(jìn)入主頁面，接著點(diǎn)擊“當(dāng)前治療”按鈕進(jìn)入“當(dāng)前所有治療信息”頁面，同時(shí)為治療箱接通電源，通過按鍵設(shè)置治療模式(采用默認(rèn)模式)開始治療；在APP 端選擇當(dāng)前正在運(yùn)行的治療箱，進(jìn)入“當(dāng)前治療箱”頁面，分別完成當(dāng)前治療信息和各傳感器數(shù)據(jù)的讀取、各部位治療模式和治療強(qiáng)度的調(diào)節(jié)以及治療結(jié)束后整體治療信息的記錄和讀取三項(xiàng)測(cè)試。系統(tǒng)點(diǎn)亮實(shí)物如圖9所示。

圖9 光源點(diǎn)亮效果圖

4.2 可靠性驗(yàn)證

依據(jù)嬰兒光治療設(shè)備安全專業(yè)要求的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在箱體底部劃分治療有效區(qū)域并設(shè)置柵格，柵格中測(cè)量點(diǎn)的間距設(shè)置為2 cm，在治療有效區(qū)域內(nèi)分別用輻照度計(jì)和光譜儀測(cè)量光源的可靠性。光譜測(cè)量結(jié)果如圖10 所示，各部位及全身光源輻照度測(cè)量結(jié)果分別如表1、2 所示。

圖10 光源光譜

表1 LED 陣列各組分別點(diǎn)亮?xí)r輻照度結(jié)果

由圖10 可知，該光源為窄波段單色光源，峰值波長(zhǎng)為456 nm，主波長(zhǎng)為461 nm，與膽紅素有效吸收光譜(400 nm～550 nm)接近。并且滿足嬰兒光治療設(shè)備安全專業(yè)要求(YY0669－2008)對(duì)紅外輻射波段和紫外輻射波段的輻照度限制。由表1 和表2可知，LED 陣列各組分別點(diǎn)亮和全部點(diǎn)亮?xí)r，各部位有效表面的膽紅素總輻照度均勻性(G2)均大于0.4。滿足嬰兒光治療設(shè)備安全專業(yè)要求(YY0669－2008)對(duì)于膽紅素總輻照度的要求。

表2 LED 陣列全部點(diǎn)亮?xí)r輻照度結(jié)果

根據(jù)表中不同部位數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在分別點(diǎn)亮?xí)r手臂和腿部的膽紅素總輻照度均勻性以及全部點(diǎn)亮?xí)r腿部的膽紅素總輻照度均勻性均小于0.7，雖然滿足要求但均勻性偏低，經(jīng)分析是因?yàn)槭直酆屯炔績(jī)蓚€(gè)部位相較于其他部位較細(xì)長(zhǎng)，LED 分布長(zhǎng)度長(zhǎng)且列數(shù)少，這樣便會(huì)造成兩側(cè)的輻照度與中間的最高輻照度的比值偏小，即輻照度均勻性偏低。因此對(duì)LED 陣列進(jìn)行優(yōu)化，增加照射手臂和腿部?jī)蓚€(gè)部位的LED 陣列的列數(shù)，并采取從外向內(nèi)由密到疏的密度分布。優(yōu)化后膽紅素總輻照度均勻性均大于0.8，優(yōu)化后輻照度結(jié)果如表3 所示。

表3 LED 陣列各組分別點(diǎn)亮?xí)r輻照度結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以自由調(diào)節(jié)治療模式和治療強(qiáng)度，在移動(dòng)APP 端可以同步實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成治療數(shù)據(jù)的讀取和記錄，功能完整；光源部分符合國家嬰兒光治療設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)，并且開啟預(yù)熱20 min后光源基本趨于穩(wěn)定，可靠性和穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠滿足測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用需求。

5 總結(jié)展望

本文通過更加符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)的非均勻藍(lán)光LED 排列，更加符合治療規(guī)律的光照模式選擇和光強(qiáng)衰減算法的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種光強(qiáng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的新生兒黃疸藍(lán)光治療箱，醫(yī)護(hù)人員利用Wi-Fi 無線通信和移動(dòng)端APP，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，可以克服現(xiàn)有治療設(shè)備的不足。經(jīng)過初步測(cè)試，該藍(lán)光治療箱的主要功能達(dá)到預(yù)期要求?？紤]到新生兒ICU 臨床的實(shí)際需求，后期將進(jìn)行新生兒培養(yǎng)箱和藍(lán)光治療箱的一體化設(shè)計(jì)，在藍(lán)光治療箱的基礎(chǔ)上，增加空氣循環(huán)、溫濕度控制等培養(yǎng)箱功能。