温故知新|不同条件对智能手机软件拍照估算新生儿胆红素值准确性的影响(全文)

黄迪  杨波   高翔羽  王惠颖  苏敏  任漪　李敏　雷红林　赵丹丹　张静

 基金项目：江苏省青年医学人才（QNRC2016384）；东南大学附属徐州  医院博 / 硕士创新项目（XZS201610）

 作者单位：东南大学附属徐州医院新生儿科　221009

 通信作者：高翔羽，Email：g.xy@163.com，电话：18952172025

【摘要】目的 研究不同条件对智能手机软件自动拍照估算胆红素（automated image-based bilirubin, AIB）准确性的影响。方法本研究为前瞻性研究。选择2017年8月至12月东南大学附属徐州医院新生儿科收治的黄疸新生儿179例。当新生儿因病情需要采血检测血清总胆红素（total serum bilirubin, TSB）时，同时测定前胸（36例患儿同时对照测定眉心及目测最黄部位）经皮胆红素（transcutaneous bilirubin, TcB）和AIB。采用OPPO R11智能手机（55例患儿同时对照采用华为Mate 8及iPhone 6），安装新生儿黄疸移动监护软件进行AIB检测。分析AIB与TcB相比的准确性及非劣性、AIB与TSB的相关性及一致性，以及AIB预测TSB的价值。采用非劣效性检验、 t检验、方差分析、相关性分析、Bland-Altman图一致性分析及受试者工作特性曲线进行统计学分析。结果179例患儿的胎龄平均为（36.2±2.1）周，出生体重平均为（2 871±735）g。全部数据的AIB与TSB的差的绝对值（即|AIB－TSB|）与TcB与TSB的差的绝对值（即|TcB－TSB|）之差的均值为0.77 mg/dl（1 mg/dl=17.1 μmol/L），95% CI为0.60~0.95 mg/dl，AIB的准确性不劣于TcB。不同检测时龄、胎龄及检测时段为白天等亚组AIB的准确性也不劣于TcB；检测时段为晚间的亚组|AIB－TSB|与|TcB－TSB|之差的均值为1.47 mg/dl，95% CI为1.08~1.87 mg/dl，AIB的准确性劣于TcB。全部数据AIB与TSB有较好的相关性（ r=0.788）和较强的一致性[96.4%（238/247）的样本落在95%的一致性区间（－4.75~5.71 mg/dl）内]；不同手机、检测部位、检测时龄、胎龄等亚组AIB与TSB也有较好的相关性及较强的一致性；检测时段为白天时AIB与TSB的相关性（ r=0.924）、一致性（98.4%）均明显好于晚间（ r=0.727、一致性为87.5%）。目测值与TSB的差的绝对值（即|目测值－TSB|）与|AIB－TSB|之差的均值为2.13 mg/dl，95% CI为1.68~2.58 mg/dl，即AIB的准确性显著好于目测值。AIB预测TSB>10、>15、>20 mg/dl的受试者工作特性曲线下面积分别是0.94、0.89和0.84，敏感性分别为93%、75%和50%，特异性分别为85%、87%和88%。 结论AIB的准确性不劣于TcB，显著好于目测。AIB与TSB相关性较好、一致性很强。不同检测时龄、胎龄、手机、部位等条件对AIB准确性、AIB与TSB相关性及一致性影响不大。但晚间检测对AIB影响较大，建议最好在"白天明亮的自然光线环境中"检测AIB。

【关键词】　黄疸，新生儿；胆红素；参考值；智能手机；软件；图像处理，计算机辅助

      最近一项全球性调查显示，来自184个国家出生胎龄≥32周的活产儿中18%（2 400万/13 400万）面临着新生儿高胆红素血症相关不良结局的风险，0.16%（21.44万/13 400万）发展为极重度高胆红素血症；在48.07万Rh溶血病或极重度高胆红素血症病例中，死亡率为24%，核黄疸发生率为16%，83%的核黄疸存活患儿至少有1种后遗症；在中低收入国家，上述各项比例更高 ^{[ 1 ]}。一项研究对我国33家医院2009年一年的病例进行回顾性调查，共报告新生儿急性胆红素脑病或核黄疸348例 ^{[ 2 ]}。导致中低收入国家新生儿高胆红素血症和胆红素脑病发病率居高不下的主要原因之一，是对新生儿出院后的黄疸情况缺乏系统随访，无法及时便捷地监测胆红素水平。目测评估并不准确，而准确的方法常常繁琐和/或昂贵，不适合在家中使用 ^{[ 3 , 4 , 5 ]}。因此，中低收入国家急需一种简单、易得、廉价、能在家中监测黄疸的适宜技术或方法 ^{[ 6 ]}。目前有一款通过分析智能手机应用软件（application, APP）自动拍照获取的数字图像估算胆红素值的无创监测黄疸技术，能够满足上述要求 ^{[ 7 ]}。为了解这款APP的准确性及其影响因素，现对其自动拍照估算胆红素（automated image-based bilirubin, AIB）的准确性进行前瞻性对照研究，结果报道如下。

资料与方法

      一、研究对象

     选择2017年8月至12月入住东南大学附属徐州医院新生儿科的新生儿。入选标准：（1）前胸部位连续测量3次经皮胆红素（transcutaneous bilirubin, TcB），且平均值>5 mg/dl（1 mg/dl = 17.1 μmol/L）；（2）因病情需要采血检测血清总胆红素（total serum bilirubin, TSB）；（3）完成一次或多次同时检测TSB、TcB、AIB（同时测定的TSB、TcB和AIB定义为一套数据）。排除标准：（1）检测前48 h内接受过光疗或换血；（2）经皮血氧饱和度<85%或毛细血管再充盈时间>3 s；（3）测定部位皮肤有瘀斑、水肿、破溃、感染等异常；（4）患儿监护人拒绝签署知情同意书。

      本研究符合伦理学要求，试验方案和知情同意书均获得本院医学伦理委员会审核批准（XZXY-LQ-20170517-008）。患儿家长均知晓测量方式并签署知情同意书。

      二、研究方法

      1．检测项目：本研究系前瞻性研究。当新生儿因病情需要采血检测TSB时，同时测定前胸（36例患儿同时对照测定眉心及目测最黄部位）的TcB、AIB。最黄部位：新生儿科工作经验10年以上的医护人员目测头面及前胸评估的最黄部位。记录患儿的一般资料（性别、胎龄、出生体重、检测时龄）及检测时段（7:00~19:00记录为"白天"，19:00~次日7:00记录为"晚间"）。

     2．检测方式：TSB测定采用HITACHI 7600型全自动生化分析仪，试剂为上海复星长征医学科学有限公司产品。TcB测量仪为南京理工大学科技咨询开发公司生产的JH20-1C型经皮黄疸仪。AIB检测采用OPPO R11智能手机（55例患儿同时采用华为Mate 8及iPhone 6）。下载安装新生儿黄疸移动监护APP（哪吒保贝 ^TM，申请医疗器械注册中），白天在明亮的自然光线环境中，晚间则在光照充足的荧光灯光线下，将专用比色卡的中心区域置于与经皮黄疸仪相同的检测部位，打开APP，取景框套住比色卡，APP会根据比色卡上的颜色色块和黑白网格色块判断当前拍照环境是否光线充足，是否存在抖动。当拍照环境满足黄疸检测需要时，则自动完成拍照。上传后APP利用医学图像处理技术和人工智能运算技术生成的胆红素计算模型，即刻算出胆红素值 ^{[ 7 ]}。从析出图像资料、实施运算法则，到将数值发回智能手机，整个过程仅需数秒。每个部位TcB、AIB均连续测量3次，用3次平均值计算与TSB的差值。所有检测均由经过培训的新生儿科医护人员进行。

     三、统计学分析

    临床试验类型：诊断试验。临床试验设计方案：非劣效性检验 ^{[ 8 ]}。主要指标：AIB与TSB的差的绝对值（即∣AIB－TSB∣），以及TcB与TSB的差的绝对值（即∣TcB－TSB∣）。样本量估算：结合临床专业及本团队前期研究 ^{[ 9 ]}，事先确定非劣效性界值为1 mg/dl，即如果∣AIB－TSB∣减∣TcB－TSB∣所得差值<1 mg/dl，则可认为"AIB的准确性不劣于TcB"。∣AIB－TSB∣和∣TcB－TSB∣均呈正态分布，合并标准差为2.0 mg/dl。设定功效为90%，α=0.05（单侧），则所需样本量至少为69套数据（不包括退出/排除病例）。

     应用SPSS 20.0统计软件处理。正态分布计量资料用 x±s表示，两组独立样本间比较采用独立样本 t检验，两组配对样本间比较采用配对 t检验，多组独立样本间比较采用独立样本单因素方差分析（两两比较采用LSD法）。双变量正态分布资料相关分析采用积矩相关性分析（Pearson相关分析）。评价任意两种测量方法的一致性采用Bland-Altman图一致性分析。预测价值采用受试者工作特性（receiver operating characteristic, ROC）曲线分析。 P<0.05为差异有统计学意义。

结  果

      一、一般资料

     最终共纳入179例新生儿的247套数据。男94例，女85例；胎龄平均为（36.2±2.1）周，出生体重平均为（2 871±735）g。

     二、AIB与TcB相比的准确性及非劣效性分析

     前胸部位，（AIB－TSB）与（TcB－TSB）的差异有统计学意义（ t=－3.328， P<0.01），但∣AIB－TSB∣减∣TcB－TSB∣所得差值的均值为0.77 mg/dl，95% CI为0.60~0.95 mg/dl，上限<1.0 mg/dl，即AIB的准确性不劣于TcB。不同检测条件亚组比较结果显示，在不同检测时龄、胎龄及检测时段为白天等亚组的分析结果与总体结果相似，AIB的准确性也不劣于TcB；检测时段为晚间的亚组，其分析结果显示，∣AIB－TSB∣减∣TcB－TSB∣所得差值的均值为1.47 mg/dl，95% CI为1.08~1.87mg/dl，所以在此亚组可以认为AIB的准确性劣于TcB。见表1 。

      三、AIB与TSB的相关性检验及一致性分析

  分析247套数据结果显示，AIB与TSB有较好的相关性（ r=0.788， P<0.001），直线回归方程为TSB=0.755AIB+3.591（ R²=0.615），见 表2 和 图1 。AIB与TSB差值呈正态分布，两者差值与均值无相关性，差值对均值的Bland-Altman图一致性分析提示二者有较强的一致性，96.4%（238/247）的样本落在95%的一致性区间内，且该一致性区间（－4.75~5.71 mg/dl）未超出临床上可接受的范围，见表2和图2 。

      不同手机、不同部位、不同检测时龄、不同胎龄等亚组的分析结果与总体结果相似，也均有较好的相关性及较强的一致性。iPhone 6手机AIB与TSB的一致性略好于OPPO R11及华为Mate 8；目测最黄部位AIB与TSB的一致性略好于眉心及前胸；检测时龄>48 h AIB与TSB的一致性略好于检测时龄≤48 h；患儿胎龄>35周AIB与TSB的一致性略好于≤35周者。检测时段为白天的AIB与TSB的相关性、一致性均明显好于检测时段为晚间的AIB。各亚组内AIB－TSB的差异均无统计学意义。见表2 。

     四、同一新生儿不同日龄重复检测（AIB－TSB）比较

     有68例新生儿在不同日龄重复检测AIB和TSB。第一次（AIB－TSB）为（－0.05±2.69） mg/dl，第二次（AIB－TSB）为（－0.67±2.49） mg/dl，差异无统计学意义（ t=1.636， P=0.100）。第一次∣AIB－TSB∣减第二次∣AIB－TSB∣所得差值的均值为0.73 mg/dl，95% CI为－0.02~1.49 mg/dl。

      五、目测值与AIB的准确性比较

      新生儿科工作经验10年以上的三位医护人员同时目测估计黄疸值，取其均值与AIB比较。共实施43例。（目测值－TSB）为（－2.99±4.11） mg/dl，（AIB－TSB）为（－0.46±2.60） mg/dl，差异有统计学意义（ t=2.470， P=0.018）。目测值与TSB的差的绝对值（即∣目测值－TSB∣）减∣AIB－TSB∣所得差值的均值为2.13 mg/dl，95% CI为1.68~2.58 mg/dl。

      六、AIB预测TSB的价值

     AIB预测TSB>10、>15、>20 mg/dl的ROC曲线下面积分别是0.94、0.89和0.84。最佳预测界值及其敏感性和特异性见图3和表3 。

讨  论

      TSB为目前新生儿高胆红素血症测定的金标准，可准确反应新生儿胆红素值，但需要有创采血且结果无法即刻得到；TcB无创监测且可以即刻得到结果，与TSB的相关性、准确性及一致性也尚可 ^{[ 10 , 11 ]}，但需要使用经皮测黄疸仪，价格比较昂贵 ^{[ 4 , 12 ]}。近年来，无创、便捷、廉价（一部日常使用的智能手机和一张极低成本的比色卡）的AIB逐渐在国内开始应用。容志惠等 ^{[ 13 ]}研究表明，iPhone 4S智能手机测得的AIB与末梢血总胆红素值差异无统计学意义，Bland-Altman图提示二者有很强的一致性[96%（207/215）的样本落在95%的一致性区间内]。本课题组的前期研究表明，当患儿TSB>10 mg/dl但≤20 mg/dl时，AIB的准确性不劣于TcB，与TSB的相关性及一致性相对较好 ^{[ 9 ]}。但在各种不同的内部和外部条件下，AIB的准确性是否会受到影响，目前尚未检索到相关研究。

      一、不同检测条件对AIB准确性的影响较小

     本研究结果显示，总体来说，AIB的准确性不劣于TcB。不同检测时龄、胎龄对AIB的准确性影响不大，白天检测AIB的准确性也不劣于TcB。同时，AIB与TSB有较好的相关性及很强的一致性。不同条件（使用手机品牌或型号、检测部位、检测时龄、胎龄等）下检测的AIB与TSB也有较好的相关性及较强的一致性，且上述不同条件对AIB与TSB的相关性及一致性影响较小。

      2014年，美国华盛顿大学的de Greef等 ^{[ 14 ]}在国际上率先报道，该团队研发了一款名为"BiliCam"的拍照估算新生儿黄疸的智能手机（iPhone 4S）APP，应用于100例胎龄>35周的新生儿，结果显示AIB与TSB的相关系数为0.85，2者平均误差为2.0 mg/dl，与TcB的准确性相似。该研究显示的数据相关性略好于本研究，平均误差明显大于本研究。"BiliCam"与本研究使用的APP工作原理相似，但运算模型并不一样（前者包括了10 s的录像，不如后者采用的图片更清晰、色彩更有层次、更易得 ^{[ 14 ]}，且后者能自动判断目前光线、角度、抖动等条件是否合格并自动拍摄），比色卡也有较大不同（色块不同，且后者卡片中间镂空，无需单独拍摄比色卡，也有利于迅速聚焦检测部位，拍摄角度及光线明亮也会相对统一 ^{[ 14 ]}）。Taylor等 ^{[ 5 ]}纳入美国多中心的胎龄≥35周、出生<7 d的530例健康新生儿，将AIB（iPhone 5S手机、"BiliCam"APP、改进后的比色卡）与TSB配对比较，结果显示AIB准确性、相关性与TcB相似；差值平均为（0.01±1.8） mg/dl（－0.51~6.4 mg/dl），73.0%、91.9%的AIB与TSB差值<2 mg/dl、<3 mg/dl。二者一致性区间为－3.6~3.6 mg/dl，总的相关系数是0.91，其中亚裔美国人最低（相关系数为0.88）。该研究中的差值的均值、一致性区间及相关系数均略好于本研究，主要考虑与以下原因有关：一般研究均刻意筛选了基本属性相对一致的新生儿，在相对一致的外部条件下进行检测，目的是研究理想状态下AIB的准确性；而本研究尽量纳入了绝大多数临床实际状态下的新生儿，在各种并不一致的外部条件下进行检测，目的是研究不同内部和外部条件对AIB准确性的影响。这种"真实世界"的研究结果，更有利于应用于临床。

      二、晚间检测对AIB的准确性影响相对较大

      本研究检测时段为晚间的亚组，AIB的准确性劣于TcB；AIB与TSB的相关性也相对偏低，一致性相对最差；AIB与TSB的差值及离散度均相对较大。尽管晚间是在光照充足的荧光灯光线下，APP也判断为"当前拍照环境光线充足"而自动完成拍照，但外界环境光线对于AIB准确性、相关性及一致性的影响还是明显大于对TcB的影响。AIB的估算，需要依赖于"比色卡上的颜色色块和黑白网格色块"及"在环境光线下皮肤黄色的程度"，而"白天明亮的自然光线环境中"与"晚间光照充足的荧光灯光线下"，对上述颜色的影响还是有着较大的不同，故本研究认为最好还是在"白天明亮的自然光线环境中"使用新生儿黄疸移动监护APP。

      三、参考第一次（AIB－TSB），用复查AIB值更准确估算TSB

     临床上常遇到这种情况：检测了第一次AIB及TSB，当第二次检测AIB后，能否参考第一次（AIB－TSB）的值来估算TSB？结合本研究结果，提示可以根据第一次（AIB－TSB）的值（假定为－1.0 mg/dl）作为基准，结合本研究95% CI（－0.02~1.49 mg/dl），用第二次AIB（假定为10.0 mg/dl）可准确地估算TSB范围（95%的可能在10.98~12.49 mg/dl）。de Greef等 ^{[ 14 ]}也研究了"基准"问题，发现当肤色差异不大时，AIB能直接估算任何一个时间点的新生儿胆红素水平；当用于肤色差异较大的多种族人口时，在出生24 h内、没有明显黄疸时，拍一张"基准图片"，以此为对照，能更准确地监测黄疸水平。

      四、AIB的准确性显著好于目测

      不少研究比较了目测评估黄疸与TSB的关系，相关系数从0.36到0.75，观察者之间的一致性也很差 ^{[ 15 , 16 , 17 ]}。故本研究同时对照研究了AIB的准确性是否好于目测值。结果证实，即使是非常有经验的医护人员，其目测估计的黄疸值与TSB的差值及离散度较大，其准确性显著差于AIB。而患儿家长毫无经验，其目测估计的黄疸值会更不准确且大多低估，也可能导致不必要的采血检测TSB ^{[ 5 , 6 ]}。AIB的准确性显著好于目测估计的黄疸值，所以能更准确地指导家长在家中监测黄疸动态变化，必要时及时就诊随访，减轻家长焦虑，减少频繁就医。

      五、不同检测部位对AIB的准确性有一定影响

     无论是目测，AIB还是TcB，均无法十分准确，除了方法本身的系统误差外，还与TSB的水平与皮肤黄色的程度并不平行有较大关系 ^{[ 4 , 14 , 18 , 19 ]}。仅在目测时，本研究即发现有一半以上的新生儿前胸及头面部皮肤黄色的深浅有较明显的不一致。用TcB也证实，目测黄色较深的部位，TcB明显高于目测黄色较浅的部位，差距可达3~5 mg/dl以上。这个误差，是目前所有无创经皮测黄疸技术难以解决的。本研究也显示，目测最黄部位AIB与TSB的一致性略好于眉心及前胸，建议尽量无创监测目测最黄部位。因为巩膜没有皮肤里的黑色素及血红蛋白，胆红素升高导致的巩膜黄染受到其他因素的影响较小，故有学者探索检测巩膜黄染程度来推测TSB ^{[ 20 , 21 ]}。结果显示，估算值与检测TSB的相关系数为0.75；差值平均为（0.00±2.4） mg/dl；预测TSB>12 mg/dl的最佳预测界值是11.3 mg/dl，敏感性为80%，特异性为86%；最佳预测界值定为9.5 mg/dl时，敏感性为100%，特异性为50% ^{[ 20 ]}。但检测巩膜黄染程度也不能完全解决上述误差，且可操作性显然远低于上述无创经皮测黄疸技术。

      六、AIB预测TSB>10、>15、>20 mg/dl的能力

     容志惠等 ^{[ 13 ]}报道，AIB的ROC曲线下面积为0.743，敏感性为82%，特异性为60%，但没有给出预测何种水平的TSB，以及AIB最佳预测界值。Taylor等 ^{[ 5 ]}研究显示，当AIB在Bhutani列线图上≥75th百分位数，预测TSB≥95th百分位数的ROC曲线下面积是0.95，敏感性为84.6%，特异性为75.1%；当AIB≥13 mg/dl，预测TSB≥17 mg/dl的ROC曲线下面积是0.99，敏感性为100%，特异性为76.4%。如果将13 mg/dl作为AIB筛查的阳性界值，将能有效避免大多数新生儿进行不必要的TSB测定 ^{[ 22 ]}。Aydın等 ^{[ 23 ]}研究显示，预测TSB>12 mg/dl的AIB的最佳预测界值是11.4 mg/dl，敏感性为83%，但特异性仅为19.5%；AIB的最佳预测界值为9.4 mg/dl时，敏感性为100%，特异性为50%。本研究结果显示，AIB预测TSB>10 mg/dl和>15 mg/dl的能力，好于预测TSB>20 mg/dl的能力，曲线下面积分别为0.94、0.89和0.84。略好于容志惠等 ^{[ 13 ]}的报道，稍低于Taylor等 ^{[ 5 ]}的研究。作为一款筛查工具，更应关注其敏感性：AIB的最佳预测界值8.9 mg/dl和14.8 mg/dl预测TSB>10 mg/dl和>15 mg/dl的敏感性分别为93%和75%，明显高于最佳预测界值17.0 mg/dl预测TSB>20 mg/dl的敏感性（50%）。有多项研究表明，新生儿TSB水平越高，TcB低估TSB越多，尤其是TSB≥15.0 mg/dl时 ^{[ 10 , 19 , 24 , 25 ]}。本研究也表明，TSB水平越高，AIB低估TSB越多、准确预测能力越差。不过，作为一款在家中使用的监测黄疸动态变化的工具，主要监测范围就是胆红素是否大于10~15 mg/dl。一旦胆红素大于15~20 mg/dl，绝大多数患儿已经在医院就诊了。所以，本研究结果进一步说明这款智能手机APP适合在家中相对准确地监测新生儿轻至中度黄疸的动态变化。Taylor等 ^{[ 5 ]}认为，TcB和AIB还不能完美地鉴别新生儿TSB水平是否达到了Bhutani列线图高危区，然而在鉴别新生儿TSB水平是否≥17 mg/dl时，AIB和TcB均有较高的敏感性。AIB的准确性尚不足以成为独立的、标准的评估新生儿黄疸的方法，但就像TcB一样，AIB最适合作为筛查工具协助决策哪些新生儿需要采血查TSB，而超过这个TSB将需要治疗。父母、社区保健工作者、甚至门诊医生，均可用这项技术有效地识别需要采血查TSB的新生儿。

     七、本研究及AIB的不足之处及研究展望

      1．本研究有足够的样本量研究主要指标，但个别次要指标/亚组没有足够的样本量，故部分结果应谨慎解读。应进一步开展多中心研究，使每个次要指标/亚组都有足够的样本量，以减少抽样误差。

      2．AIB测量值除受环境光线、智能设备摄像质量、光疗等的影响，亦与操作者熟练程度、比色卡是否反光、比色卡是否贴紧皮肤、患儿抖动等有关。使用时应该注意规范操作、适当重复、不限3次、熟练步骤、注意周围环境光线情况，减少偶然/人为误差 ^{[ 14 ]}。

     3．建议研发公司进一步拓展病例来源，增加样本的多样性，如早产儿、不同肤色、TSB>20 mg/dl、不同手机、不同部位、晚间光照充足的荧光灯光线下拍照等，进一步完善运算法则，减少技术本身的系统误差。设计的运算法则应尽量选择一个偏高的胆红素值，理由是作为一款筛查工具，倾向于采用以下策略：宁可假阳性率偏高一点，也要尽量减少漏诊高胆红素血症 ^{[ 14 ]}。

      综上所述，AIB的准确性不劣于TcB，显著好于目测。AIB与TSB的相关性较好、一致性很强。不同检测时龄、胎龄、手机、部位等条件对AIB准确性、AIB与TSB相关性及一致性影响不大。但晚间检测对AIB影响较大，建议最好在"白天明亮的自然光线环境中"检测AIB。未来，AIB结合越来越成熟并廉价的光疗设备，可望成为资源有限的中低收入国家显著降低极重度高胆红素血症的发生率和病死率等管理措施的重要部分 ^{[ 5 ]}。

参考文献

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