CN105372239B - 基于光纤的尿液干化分析装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的尿液干化分析装置及分析方法，分析装置包括试纸条和光源，在试纸条上设有试纸块；光源为由亮度分别可调的红光、绿光和蓝光三基色光构成的复合光源，复合光源通过照射光纤垂直照射到试纸块上；试纸块的反射光通过反射光纤照射到反射光颜色传感器；复合光源通过直射光纤直接照射到直射光颜色传感器上；颜色传感器的输出接微处理器，微处理器与光强控制单元连接，光强控制单元控制三种颜色光强度保持在设定范围内。本发明不仅有利于缩小尿液干化分析装置的体积，减少试纸条离光源的距离对测试结果的影响，还有利于提高测量精度和一致性，更易于小型化、产品化。

Description

基于光纤的尿液干化分析装置及分析方法

技术领域

本发明涉及尿液检测，具体涉及一种尿液干化分析装置及分析方法，本发明以光纤、颜色传感器、微处理器为核心实现尿液干化分析及数据处理，属于光电技术领域。

背景技术

尿液分析是一项重要的临床化验指标，除用于泌尿系统疾病的诊断、疗效观察以及能引起尿液生化成分改变的其它系统疾病的诊疗之外，还可用于安全用药检测和健康状态初评。随着计算机及自动化技术的发展，基于干化学的尿液分析仪也得以飞速发展。如今，该类尿液分析仪可同时进行多项尿液指标的检测，其检测的基本原理为：利用光照射试纸反应区表面产生反射光，反射光中不同颜色强度与各试纸块反应后的颜色相关，而各试纸块反应后的颜色又与尿液中被检测物含量呈现确定的规律，所以根据反射光中不同颜色强度便可检测出尿液中被检测物质的半定量值。因此，该类尿液分析仪的关键是颜色值的获取和半定量分析算法两部分，获取颜色值的准确性取决于光学系统和颜色传感器的精度；测试结果的准确性还取决于半定量分析算法的好坏。虽然有文献报道采用半反半透镜及T型光筒灯的方法能在一定程度上能提高测试结果的一致性和一定程度地提高测量的准确性，但在实际中由于照射光强的变化，会对测量结果产生明显的变化；还需时常利用白块来实现校准，否则对测量结果会产生较大的影响。另外，在测量过程中若照射光强发生了较大的变化，设备也无法检测到，不能发出报警或错误。同时该方法对实际中的装配要求比较高，即装配不是很方便。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种基于光纤的尿液干化分析装置及分析方法。本发明不仅有利于缩小尿液干化分析装置的体积，减少试纸条离光源的距离对测试结果的影响，还有利于提高测量精度和一致性，更易于小型化、产品化。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于光纤的尿液干化分析装置，包括试纸条和光源，试纸条安装在传动机构上可由传动机构带动移动，在试纸条上设有用于添加尿液以对尿液某检测项进行检测的试纸块；其特征在于：所述光源为由亮度分别可调的红光、绿光和蓝光三基色光构成的复合光源，复合光源通过照射光纤垂直照射到试纸块上；试纸块对光源的反射光通过反射光纤照射到反射光颜色传感器；复合光源同时通过与照射光纤相同的直射光纤直接照射到直射光颜色传感器上；所述反射光颜色传感器和直射光颜色传感器的输出接微处理器，微处理器同时与温度测量单元和光强控制单元连接，温度测量单元用于检测环境温度并传输给微处理器，直射光颜色传感器用于检测复合光源中三种颜色光的强度并通过光强控制单元控制三种颜色光强度保持在设定范围内。

所述微处理器同时接限位检测单元、步进电机、数据打印单元、存储单元、无线收发单元、触摸式LCD液晶输入显示单元和供电单元；所述步进电机作为传动机构的动力源，在微处理器的控制下通过传动机构驱动试纸条移动；

触摸式LCD液晶输入显示单元既作为输入设备向微处理器输入相应参数，也用于作为显示设备显示结果；数据打印单元用于在微处理器的控制下打印需要数据，存储单元用于保存结果；无线收发单元用于在微处理器的控制下与其它设备实现无线通信。

基于光纤的尿液干化分析方法，用于检测尿液中某检测项浓度，本方法采用前述的基于光纤的尿液干化分析装置；其分析步骤如下，

1)将该检测项浓度已知的质控液添加到该检测项对应的试纸块上，然后开启光源，在直射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色照射光光强；同时在反射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色反射光光强；记下环境温度T；得到该环境温度T和质控液该检测项对应浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值；

2)用其他高可靠性的尿液分析仪测量出该环境温度T和质控液该检测项浓度下对应的反射率；

3)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-2)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值及对应的反射率；

4)根据反射率和该检测项已知浓度，得到反射率区间和浓度区间半定量表示对应表；

5)利用偏最小二乘法对三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值、环境温度和反射率进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

6)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)，得到某温度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值，将该比值和温度值带入步骤5)反射率拟合公式，得到待测尿液反射率；

7)根据待测尿液反射率并结合步骤4)的对应表，即可得到相应项的半定量值，即该检测项浓度。

其中，步骤5)所述的反射率拟合公式表示为：

y*＝c₀+c₁R_R+c₂(R_R)²+c₃R_G+c₄(R_G)²+c₅R_B+c₆(R_B)²+c₇T+c₈T² (1)

其中，y*表示该检测项拟合的反射率，c₀表示拟合计算系数，c₁表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₂表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_R表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值；c₃表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₄表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_G表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值，c₅表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₆表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_B表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值，c₇表示该检测项温度拟合的一次方计算系数，c₈表示该检测项温度拟合的二次方计算系数，T表示测量时的环境温度；

令x₀＝1，x₁＝R_R，x₂＝(R_R)²，x₃＝R_G，x₄＝(R_G)²，x₅＝R_B，x₆＝(R_B)²，x₇＝T，x₈＝(T)²，

则式(1)可成下面的表达式：

实际测得的反射率用y表示，其测试数量为N个，N>20；用y_m表示实际第m次测试的反射率，y_m*表示第m次测试的拟合反射率，则其差δ_m＝|y_m-y_m*|，其中y_m*可表示为：

对该检测项测得的N个数据带入上述对应的8个方程，解出c₀,c₁,…,c₈，即可得到该检测项对应的反射率拟合公式。

相比现有技术，本发明具体优点如下：

1、本发明可以减小尿液分析仪的体积(因为光纤可以弯曲,能构成一个非常紧凑的结构)，提高尿液分析仪的测量精度和结果的一致性及稳定性。

2、本发明检测光的入射光和反射光都通过光纤传输，处于同一条光纤线上，可有效减少环境光的影响，并很好地避免试纸条与检测装置之间距离的影响。

3、本发明能自动调节设置光强，使得检测光强能保持在设定的高精度恒定光强，同时能发出光源错误信息，如光源光强无法调节、某一波长光缺损等报警信息，进而提示测试结果有问题等。

附图说明

图1-本发明基于光纤的尿液干化分析装置的光学部分框图。

图2-截面1的光纤束的横截面图。

图3-截面2的光纤束的横截面图。

图4-本发明控制及检测电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明基于光纤的尿液干化分析装置，包括试纸条和光源，试纸条安装在传动机构上可由传动机构带动移动，在试纸条上设有用于添加尿液以对尿液某检测项进行检测的试纸块。所述光源为由亮度分别可调的红光、绿光和蓝光三基色光构成的复合光源，复合光源通过照射光纤垂直照射到试纸块上；试纸块对光源的反射光通过反射光纤照射到反射光颜色传感器；复合光源同时通过与照射光纤相同的直射光纤直接照射到直射光颜色传感器上；所述反射光颜色传感器和直射光颜色传感器的输出接微处理器，微处理器同时与温度测量单元和光强控制单元连接，温度测量单元用于检测环境温度并传输给微处理器，直射光颜色传感器用于检测复合光源中三种颜色光的强度并通过光强控制单元控制三种颜色光强度保持在设定范围内。

由此可以看出，本发明主要包括机械部分、光学部分和控制及检测电路三部分。

机械部分主要目的是将光学部分和控制及检测电路固定于其中，形成一个有形的整体，它主要包括微型步进电机、前后限位片、齿轮和试纸槽(用于放试纸条)等，微型步进电机通过齿轮使试纸槽、试纸条移动，以达到传送试纸条和为测试提供机械载体的目的。前后限位片用于检测试纸槽的移动是否到位。

光学部分其主要由复合光源、光纤束、颜色传感器构成。如图1所示。

其中复合光源提供红色R、绿色G和蓝色B三基色光，其主要由红色、绿色和蓝色三种颜色的单色LED发光二极管及对应的光强控制单元构成，光强控制单元用于控制对应颜色光的亮度(光强)。光纤束主要有两方面作用：一方面是将LED发射的光通过照射光纤照射到试纸块，并将经试纸块反射的光通过反射光纤照射到反射光颜色传感器，反射光颜色传感器采集每种颜色的光强值并转换为相应的数字值，并通过微处理器读取，以便进一步处理；另一方面是将复合光源的一部分光直接通过直射光纤照射到直射光颜色传感器，以检测三种颜色的单色LED光强是否变化，若某种颜色的LED发出的光强发生了变化，通过微处理器读取直射光颜色传感器获取具体的变化情况，微处理器在程序的控制下通过光强控制单元自动调节对应发光二极管的亮度，从而保持照射光强为预先设定的值，进而保证测量结果的精度、测量的稳定性和一致性。图2和图3是图1中截面1和截面2的光纤束对应的横截面图。如LED发出的光强不能调节、或光强调节不到预设的值或损坏，通过直射光颜色传感器可很容易检测出来，通过微处理器可发出报警等提示信息。故本发明颜色传感器有两个：一个用于直接接收复合光源的照射以检测照射光强的大小，即直射光颜色传感器，一个用于检测经被测试试纸块反射的光强大小，即反射光颜色传感器。本发明可选用TCS3103、TCS3104、TCS3472等颜色传感器。利用光纤束可很好地控制光的传播，使之垂直照射试纸块，同时减小外界环境光对传感器的影响，可提高最后检测结果的精度。

控制及检测电路主要由微处理器、限位检测单元、步进电机、数据打印单元、温度测量单元、光强控制单元、存储单元、无线收发单元、高精度颜色采集单元(即颜色传感器)、触摸式LCD液晶输入显示单元、供电单元共11个单元构成，如图4所示。限位检测单元用于检测试纸槽的移动是否到位的，用于判断测试是否结束。

控制及检测电路主要是利用32位微处理器控制高精度颜色采集单元、步进电机控制单元获取试纸条中试纸块的颜色信息，并通过温度测量单元测量的温度值进行修正，因为温度信息会影响检测情况，使测试结果更准确、可靠；然后根据用户经触摸式LCD输入显示单元输入情况，将结果通过触摸式LCD显示单元显示出来，同时也可通过数据打印单元打印结果等数据，并通过存储单元保存结果，通过无线收发单元实现与其它设备的无线通信。

本发明利用光纤改变现有尿液分析仪的光路和信号采集方法，一方面减少照射光、试纸条离检测模块(光源和颜色传感器)的距离等对测试结果的影响，提高尿液分析仪的测量精度、一致性和稳定性，简化装配；另外一方面自动检测照射光强，并实现光强的自动调节，可进一步提高尿液分析仪的测量准确性，同时能对光源的错误信息，如光源光强无法调节、某一波长光缺损等报警，进而提示测试结果有问题等。

本发明检测项浓度分析方法，主要分两大步：

第一步、利用不同梯度的质控液获取在不同温度下的每检测项试纸块反射光的R、G、B值和照射光(直射光)的R、G、B值的比值，并对对应比值及环境温度T采用二次项拟合获得每一检测项的经验公式；

第二步、在实际应用中，通过反射光颜色传感器获得每个颜色的反射光强度，从而得到对应颜色的比值，进而根据获得的各检测项的经验公式计算出相应试纸块的反射率，然后根据设置的半定量区间得到相应项的半定量值，即最后结果。

上述分析方法具体步骤如下：

1)将该检测项浓度已知的质控液添加到该检测项对应的试纸块上，然后开启光源，在直射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色照射光光强；同时在反射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色反射光光强；记下环境温度T；得到该环境温度T和质控液该检测项对应浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值；

2)用其他高可靠性的尿液分析仪测量出该环境温度T和质控液该检测项浓度下对应的反射率；

3)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-2)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值及对应的反射率；

4)根据反射率和该检测项已知浓度，得到反射率区间和浓度区间半定量表示对应表；

5)利用偏最小二乘法对三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值、环境温度和反射率进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

6)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)，得到某温度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值，将该比值和温度值带入步骤5)反射率拟合公式，得到待测尿液反射率；

7)根据待测尿液反射率并结合步骤4)的对应表，即可得到相应项的半定量值，即该检测项浓度。

其中，最关键的是确定步骤5)中该检测项反射率拟合公式，以下详细阐述。

采集该检测项浓度已知的质控液I、II、III和实际尿液分别在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃下，经过1分钟后，其对应的试纸块反射光的R、G、B值和照射光的R、G、B值的比值及用高可靠性的其它尿液分析仪测量出其对应的反射率，其中质控液、实际尿液和温度之间每一种组合测量次数不少于5次(即在每一种组合下测量的次数不少于5次,质控液有3种+实际尿液1种,共4种,温度有7种,也就是实际组合数应有4*7＝28种,每一种不少于5次,至少需测试140次)利用偏最小二乘法对R、G、B比值及测量温度采用二次项拟合，假设每一项的反射率的拟合y*，则可以表示为：

y*＝c₀+c₁R_R+c₂(R_R)²+c₃R_G+c₄(R_G)²+c₅R_B+c₆(R_B)²+c₇T+c₈T² (1)

其中，y*表示该检测项拟合的反射率，c₀表示拟合计算系数，c₁表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₂表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_R表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值；c₃表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₄表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_G表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值，c₅表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₆表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_B表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值，c₇表示该检测项温度拟合的一次方计算系数，c₈表示该检测项温度拟合的二次方计算系数，T表示测量时的环境温度。

为了书写方便，令x₀＝1，x₁＝R_R，x₂＝(R_R)²，x₃＝R_G，x₄＝(R_G)²，x₅＝R_B，x₆＝(R_B)²，x₇＝T，x₈＝(T)²，

则式(1)可成下面的表达式：

实际测得的反射率用y表示(就是步骤4)用其他尿液分析仪测量出的反射率)，共有N(N>20)个,用y_m表示实际测得的第m个数据的反射率，y_m*表示第m个数据的拟合的反射率，则其差δ_m＝|y_m-y_m*|，其中y*可表示为：

对每一项测得的N个数据带入上述对应的8个方程，解出c₀,c₁,…,c₈，则可得多变量拟合函数：

y*＝c₀x₀+c₁x₁+c₂x₂+c₃x₃+c₄x₄+c₅x₅+c₆x₆+c₇x₇+c₈x₈

由上述令的x₀＝1，x₁＝R_R，x₂＝(R_R)²，x₃＝R_G，x₄＝(R_G)²，x₅＝R_B，x₆＝(R_B)²，x₇＝T，x₈＝(T)²带入便可得到：

y*＝c₀+c₁R_R+c₂(R_R)²+c₃R_G+c₄(R_G)²+c₅R_B+c₆(R_B)²+c₇T+c₈T² (4)

进而根据测得的各色块的颜色分量比值R_R、R_G、R_B及环境温度T，即可计算反射率y*。

在实际应用中，通过颜色传感器获得每个颜色的反射光强度，从而得到对应颜色的比值，进而根据获得的各测试项的经验公式计算出相应试纸块的反射率，然后根据设置的半定量区间得到相应项的半定量值，即最后结果。

利用装置测得的各色块颜色分量值R_R、R_G、R_B及环境温度T可计算出相应的反射率，然后根据对应项半定量设置值，得出最后的半定量结果。

例如，肌酐(CRE)的半定量值区间，如表1所示。在实际中若根据经验公式计算出该项的反射率为62％，则根据表1可以得出其半定量结果为：1.0g/L或1+。

表1肌酐(CRE)的半定量值区间及半定量值

若需输出反射率，则输出通过式(4)算出的反射率，若为RGB值则为当前测定的RGB值。若半定量值则输出比较后的半定量值。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.基于光纤的尿液干化分析方法，用于检测尿液中某检测项浓度，其特征在于：本方法采用基于光纤的尿液干化分析装置进行；所述基于光纤的尿液干化分析装置包括试纸条和光源，试纸条安装在传动机构上可由传动机构带动移动，在试纸条上设有用于添加尿液以对尿液某检测项进行检测的试纸块；其特征在于：所述光源为由亮度分别可调的红光、绿光和蓝光三基色光构成的复合光源，复合光源通过照射光纤垂直照射到试纸块上；试纸块对光源的反射光通过反射光纤照射到反射光颜色传感器；复合光源同时通过与照射光纤相同的直射光纤直接照射到直射光颜色传感器上；所述反射光颜色传感器和直射光颜色传感器的输出接微处理器，微处理器同时与温度测量单元和光强控制单元连接，温度测量单元用于检测环境温度并传输给微处理器，直射光颜色传感器用于检测复合光源中三种颜色光的强度并通过光强控制单元控制三种颜色光强度保持在设定范围内；

其分析步骤如下，

1)将该检测项浓度已知的质控液添加到该检测项对应的试纸块上，然后开启光源，在直射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色照射光光强；同时在反射光颜色传感器上分别得到红色、绿色和蓝色三种颜色反射光光强；记下环境温度T；得到该环境温度T和质控液该检测项对应浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值；

2)用其他高可靠性的尿液分析仪测量出该环境温度T和质控液该检测项浓度下对应的反射率；

3)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-2)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值及对应的反射率；

4)根据反射率和该检测项已知浓度，得到反射率区间和浓度区间半定量表示对应表；

5)利用偏最小二乘法对三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值、环境温度和反射率进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

6)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)，得到某温度下三种颜色反射光光强和对应照射光光强的比值，将该比值和温度值带入步骤5)反射率拟合公式，得到待测尿液反射率；

7)根据待测尿液反射率并结合步骤4)的对应表，即可得到相应项的半定量值，即该检测项浓度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤的尿液干化分析方法，其特征在于：步骤5)所述的反射率拟合公式表示为：

y*＝c₀+c₁R_R+c₂(R_R)²+c₃R_G+c₄(R_G)²+c₅R_B+c₆(R_B)²+c₇T+c₈T² (1)

其中，y*表示该检测项拟合的反射率，c₀表示拟合计算系数，c₁表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₂表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_R表示该检测项红光反射光光强和红光照射光光强比值；c₃表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₄表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_G表示该检测项绿光反射光光强和绿光照射光光强比值，c₅表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的一次方计算系数，c₆表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值拟合的二次方计算系数，R_B表示该检测项蓝光反射光光强和蓝光照射光光强比值，c₇表示该检测项温度拟合的一次方计算系数，c₈表示该检测项温度拟合的二次方计算系数，T表示测量时的环境温度；

令x₀＝1，x₁＝R_R，x₂＝(R_R)²，x₃＝R_G，x₄＝(R_G)²，x₅＝R_B，x₆＝(R_B)²，x₇＝T，x₈＝(T)²，

则式(1)可成下面的表达式：

实际测得的反射率用y表示，其测试数量为N个，N>20；用y_m表示实际第m次测试的反射率，y_m*表示第m次测试的拟合反射率，则其差δ_m＝|y_m-y_m*|，其中y_m*可表示为：

根据最小二乘法的原理要使得最小，

即最小；

则有：

即：整理后有：

其中(k＝0,…,8) (3)

因为所以式(3)可整理为：

其中(k＝0,…,8)也可写成：

对该检测项测得的N个数据带入上述对应的8个方程，解出c₀,c₁,…,c₈，即可得到该检测项对应的反射率拟合公式。

3.根据权利要求1所述的基于光纤的尿液干化分析方法，其特征在于：所述微处理器同时接限位检测单元、步进电机、数据打印单元、存储单元、无线收发单元、触摸式LCD液晶输入显示单元和供电单元；所述步进电机作为传动机构的动力源，在微处理器的控制下通过传动机构驱动试纸条移动；

触摸式LCD液晶输入显示单元既作为输入设备向微处理器输入相应参数，也用于作为显示设备显示结果；数据打印单元用于在微处理器的控制下打印需要数据，存储单元用于保存结果；无线收发单元用于在微处理器的控制下与其它设备实现无线通信。