CN103877677A - 一种新生儿黄疸治疗仪用led光源的光谱构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，包括：通过实验测得标准胆红素溶液的吸收光谱，并构造该吸收光谱的数据组；选用若干种单色LED，并构造所述若干种单色LED的光谱数据矩阵；以所述若干种单色LED按一定的比例组合后能够模拟产生所述吸收光谱为目标，设定所述若干种单色LED的未知比例系数矩阵，并根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵、未知比例系数矩阵及所述吸收光谱的数据组构造超定方程组；采用简单遗传算法求解所述超定方程组的非负最小二乘解，得到若干种单色LED的最优比例组合及其在最优比例组合下的拟合光谱。本发明的算法具有简单易操作、效率高、匹配度高等优点。

Description

一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法

技术领域

本发明涉及光谱构造方法，特别涉及一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法。

背景技术

随着光电技术的发展，发光二极管(Lighting-emitting diode，LED)发光效率不断提高，其单色性好、体积小、寿命长、能量消耗低、使用直流电、发热量低和控制灵活等特点，使LED光源在医疗、美容、植物栽培等领域的研究受到广泛关注，LED光源技术在生物医学上的研究和应用越来越广。自从1958年光照疗法用于治疗新生儿高胆红素血症(黄疸病)以后，应用于特殊部位或特殊病症治疗的特种波长、强度的光疗设备开始广泛被研制，其应用大幅降低了换血的需要。

而传统研究认为，游离胆红素对440nm波长的光或紫外线敏感；中国药典上描述：在400～500nm波长处，测定胆红素吸收曲线，其最大吸收为453nm；美国儿科医学会(AAP)定义的蓝光波长为430～490nm；也有研究表明，胆红素的吸收光谱在蓝色到绿色区域(460～490nm)。目前现有的LED黄疸治疗仪波长也很不一致，如BabyBlue(450～470nm)、NeoBlue(450～470nm)、Billitron(400～550nm)、BiliLED(453～487nm)等，因此，提出一种新型的新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱的形状具有重要的现实意义。

近年来，利用LED来模拟所需光源的目标光谱已成为研究的热点。应用LED的窄波段特性，根据人们的需要采用不同波段的LED模拟产生各种形状光谱分布的光谱匹配技术的研究及应用也显得尤为重要。目前进行光谱匹配的方法主要是利用光谱匹配算法和通过改变电流进行动态可调的光谱匹配技术，主要应用在太阳模拟技术、视觉检测和光谱图像处理等方面，在生物医学领域的应用研究还比较少，尤其是医学治疗领域，如新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱匹配方面的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，以实验测试的标准胆红素溶液的吸收光谱为目标光谱，基于智能算法中的简单遗传算法对LED光源光谱匹配进行优化组合，获得一种新型新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱的形状，大大简化了通过改变电流来调节光源光谱匹配问题的流程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，包括如下步骤：

A1)通过实验测得标准胆红素溶液的吸收光谱，并构造该吸收光谱的数据组；

A2)根据所述吸收光谱的波长范围，选用不同峰值波长、峰值波长间隔、半高宽的若干种单色LED，并构造所述若干种单色LED的光谱数据矩阵；

A3)以所述若干种单色LED按一定的比例组合后能够模拟产生所述吸收光谱为目标，设定所述若干种单色LED的未知比例系数矩阵，并根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵、未知比例系数矩阵及所述吸收光谱的数据组构造超定方程组；

A4)采用简单遗传算法求解所述超定方程组的非负最小二乘解，得到所述若干种单色LED的最优比例组合；

A5)根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵及所述若干种单色LED的最优比例组合，构造所述若干种单色LED在该最优比例组合下所产生的拟合光谱。

进一步的，步骤A2)中，所述若干种单色LED的波长范围在350nm到800nm之间。

进一步的，步骤A4)中，所述简单遗传算法的求解步骤包括：

B1)随机产生十进制编码规模为100的初始群体；

B2)以最小二乘误差平方和为目标，建立用于评价群体优劣的适应度函数；

B3)根据所述适应度函数，反复对所述初始群体进行遗传运算，最后得到满意解或最优解。

进一步的，步骤A4)中，采用Matlab软件实现所述简单遗传算法。

进一步的，还包括：步骤A6)通过计算残差平方和与相关指数来评价所述若干种单色LED采用最优比例组合所产生的拟合光谱与所述吸收光谱之间的匹配结果。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，以实验测试的标准胆红素溶液的吸收光谱为目标光谱，基于智能算法中的简单遗传算法对LED光源光谱匹配进行优化组合，获得一种新型新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱的形状，大大简化了通过改变电流来调节光源光谱匹配问题的流程。该算法应用于光源光谱匹配技术简单易操作、效率高、误差小，拟合光谱和目标光谱十分近似，具有很高的光谱匹配度。

附图说明

图1为采用本发明的方法模拟标准胆红素溶液吸收光谱的匹配图。

具体实施方式

实施例：

本发明提供了一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，包括如下步骤：

A1)通过实验测得标准胆红素溶液的吸收光谱，并构造该吸收光谱的数据组，记为b=(y₁，y₂，…，y_m)^T；其中，测量标准胆红素溶液的吸收光谱的具体操作为：取纯度为99.28％的标准胆红素(Bilibubin)试剂(本实施例采用大连美仑生物技术有限公司的试剂)约20mg，精密称定；用少量三氯甲烷研磨后转移至100ml棕色量瓶中，超声处理使溶解；取出，迅速放冷，再加三氯甲烷稀释至刻度，摇匀；精密量取2.5ml，置100ml棕色瓶中，加三氯甲烷稀释至刻度，摇匀；用紫外可见分光光度计(U-3010，HITACHI)在常温18℃、避光条件下测定350-800nm波长吸收曲线，也就是所述标准胆红素溶液的吸收光谱；

A2)根据所述吸收光谱的波长范围，选用不同峰值波长、峰值波长间隔、半高宽的若干种单色LED，并构造所述若干种单色LED的光谱数据矩阵；假设S_i(λ)是其中一种单色LED的光谱分布，记S_i=(S_i(λ₁)，S_i(λ₂)，…，S_i(λ_m))^T，则所述若干种单色LED的光谱数据矩阵为A=(S₁，S₂，…，S_n)；其中，单色LED的光谱分布模型为

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{Mexp}[-3.2213\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}\right)\exp (-0.3|\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i}\left|\right)]---\left(1\right)$

A3)以所述若干种单色LED按一定的比例组合后能够模拟产生所述吸收光谱为目标，设定所述若干种单色LED的未知比例系数矩阵，记为X=(k₁，k₂，…，k_n)^T，k_i为其中一种LED的未知比例系数，并根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵、未知比例系数矩阵及所述吸收光谱的数据组构造超定方程组；由于所述若干种单色LED的光谱数据矩阵为A=(S₁，S₂，…，S_n)，其未知比例系数矩阵为X=(k₁，k₂，…，k_n)^T，所述吸收光谱的数据组为b=(y₁，y₂，…，y_m)^T，且根据光谱的叠加原理可知，所述若干种单色LED的光谱合成的基本数学模型为

因此，当m>n时，可构造超定方程组为

AX=b     (2)

其矩阵形式表示为

$\left(\begin{array}{ccccc}{S}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& S_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& ...& S_{n-1}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& S_n\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ S_1\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& S_2\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& ...& S_{n-1}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& S_n\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ S_1\left({\mathrm{\λ}}_{m-1}\right)& S_2\left({\mathrm{\λ}}_{m-1}\right)& ...& S_{n-1}\left({\mathrm{\λ}}_{m-1}\right)& S_n\left({\mathrm{\λ}}_{m-1}\right)\\ S_1\left({\mathrm{\λ}}_m\right)& S_2\left({\mathrm{\λ}}_m\right)& ...& S_{n-1}\left({\mathrm{\λ}}_m\right)& S_n\left({\mathrm{\λ}}_m\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{k}_1\\ k_2\\ .\\ .\\ .\\ k_{n-1}\\ k_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ .\\ .\\ .\\ y_{m-1}\\ y_m\end{array}\right)---\left(3\right);$

A4)采用简单遗传算法求解所述超定方程组的非负最小二乘解，得到所述若干种单色LED的最优比例组合；在实际应用中，因为LED的比例系数k_i只能取非负值，因此只能取所述超定线性方程组的非负最小二乘解；

A5)根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵及所述若干种单色LED的最优比例组合，构造所述若干种单色LED在该最优比例组合下所产生的拟合光谱。

通常情况下，超定方程组是无解的，但它的近似解是可以求得的。超定方程组的最小二乘解是一种广义解，是指使残差r=b-AX的2-范数达到极小值时的解，因此它可以使得总体误差达较小。即：

${\left|\right|b-{\mathrm{AX}}^{*}\left|\right|}_2=\underset{X\∈R^m}{\min }{\left|\right|b-\mathrm{AX}\left|\right|}_2---\left(4\right)$

取非负最小二乘解X^*，则所述若干种单色LED在最优比例组合的情况下所产生的拟合光谱为

$\hat{S}={\mathrm{AX}}^{*}---\left(5\right)$

本实施例还包括：步骤A6)通过计算残差平方和与相关指数来评价所述若干种单色LED采用最优比例组合所产生的拟合光谱与所述吸收光谱之间的匹配结果。

残差平方和的定义为

$\mathrm{RSS}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-y_i)}^2---\left(6\right)$

其中y_i表示目标数据，

表示拟合的数据。在回归分析中，RSS表示的意义是拟合的数据与目标数据的整体偏差的大小。

相关指数的定义为

$R^2=1-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\hat{y}}_i-y_i)}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}---\left(7\right)$

其中

是目标数据组的数学期望。

将

和b代入公式(6)和(7)，即可获取所述若干种单色LED采用最优比例组合所产生的拟合光谱(即拟合光谱)与所述标准胆红素溶液的吸收光谱(即目标光谱)的光谱匹配的残差平方和与相关指数。对于光谱匹配而言，相关指数越大，目标光谱和拟合光谱相似度就越高。

进一步的，步骤A2)中，所述若干种单色LED的波长范围在350nm到800nm之间。

进一步的，步骤A4)中，所述简单遗传算法的求解步骤包括：

B1)随机产生十进制编码规模为100的初始群体；

B2)以最小二乘误差平方和为目标，建立用于评价群体优劣的适应度函数；

B3)根据所述适应度函数，反复对所述初始群体进行遗传运算，最后得到满意解或最优解。

进一步的，步骤A4)中，采用Matlab软件实现所述简单遗传算法。

本实施例中所选取的若干种单色LED的峰值波长分别为400nm、425nm、450nm、470nm、490nm，它们的半高宽均为25nm。则根据本发明的方法对目标光谱(所述标准胆红素溶液的吸收光谱)进行匹配模拟，可计算得到所述若干种单色LED的最优比例组合为

0.2071：0.3763：0.4336：0.3299：0.0587，

取整数，可得所需五种波长的LED的数量分别约为

21、38、43、33、6；

所述五种波长的LED采用该最优比例组合即可模拟产生一种拟合光谱，用于新生儿黄疸治疗仪，该拟合光谱与目标光谱的匹配图如图1所示。该拟合光谱与目标光谱的残差平方和为RSS=0.0365、相关指数为R²=0.9839，可见，目标光谱和拟合光谱匹配度较高。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

A1)通过实验测得标准胆红素溶液的吸收光谱，并构造该吸收光谱的数据组；

A2)根据所述吸收光谱的波长范围，选用不同峰值波长、峰值波长间隔、半高宽的若干种单色LED，并构造所述若干种单色LED的光谱数据矩阵；

A3)以所述若干种单色LED按一定的比例组合后能够模拟产生所述吸收光谱为目标，设定所述若干种单色LED的未知比例系数矩阵，并根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵、未知比例系数矩阵及所述吸收光谱的数据组构造超定方程组；

A4)采用简单遗传算法求解所述超定方程组的非负最小二乘解，得到所述若干种单色LED的最优比例组合；

A5)根据所述若干种单色LED的光谱数据矩阵及所述若干种单色LED的最优比例组合，构造所述若干种单色LED在该最优比例组合下所产生的拟合光谱。

2.如权利要求1所述的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，其特征在于，步骤A2)中，所述若干种单色LED的波长范围在350nm到800nm之间。

3.如权利要求1所述的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，其特征在于，步骤A4)中，所述简单遗传算法的求解步骤包括：

B1)随机产生十进制编码规模为100的初始群体；

B2)以最小二乘误差平方和为目标，建立用于评价群体优劣的适应度函数；

B3)根据所述适应度函数，反复对所述初始群体进行遗传运算，最后得到满意解或最优解。

4.如权利要求1所述的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，其特征在于，步骤A4)中，采用Matlab软件实现所述简单遗传算法。

5.如权利要求1所述的一种新生儿黄疸治疗仪用LED光源的光谱构造方法，其特征在于，还包括：步骤A6)通过计算残差平方和与相关指数来评价所述若干种单色LED采用最优比例组合所产生的拟合光谱与所述吸收光谱之间的匹配结果。

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