CN105424692B - 基于多单色光和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多单色光和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2‑6种单色LED光源构成的单色光源组，单色光源组中每种单色光分别通过照射光纤束垂直照射到试纸块上。试纸块对每种单色光的反射光通过共同的反射光纤照射到光电传感器上，由光电传感器检测经试纸块反射的反射光光强大小；光电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。本发明利用光纤改变现有尿液分析仪的光路系统和信号采集方法，减少试纸条离检测模块的距离、传感器等对测试结果的影响，有效地提高尿液分析仪的测量精度、一致性和稳定性，降低成本，简化装配。

Description

基于多单色光和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，具体涉及一种基于多单色光和光纤的尿液干化分析装置及分析方法，本发明以多单色光和光纤、高精光电传感器、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

尿液分析是临床化验中一项常规的检测指标，主要是利用试纸条干化分析的方法检测尿液中白细胞、酮体、亚硝酸盐、尿胆原、胆红素、蛋白质、葡萄糖、尿比重、隐血、PH、维C、肌酐、微量白蛋白的等，其结果可用于泌尿系统疾病的诊断、疗效观察以及能起尿液生化成分改变的其它系统疾病的诊疗，还可用于安全用药检测和健康状态的初评。其检测的基本原理是：各试纸块与尿液中相应成分发生反应后，其颜色会发生变化，且其颜色的变化情况与尿液中被检测物含量呈现确定的规律。这样，只要能获取各试纸块反应后的颜色，就能检测出尿液中被检测物质的半定量结果。因此，尿液干化分析类的装置或仪器的关键是颜色值的获取和半定量结果分析算法两部分,而获取颜色值的精度主要由光学系统的优劣和光电传感器的精度决定。

目前已有不少文献从上述两个方面进行了讨论，但各有优缺点。

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多单色光和光纤的尿液干化分析装置及分析方法。本发明利用光纤改变现有尿液分析仪的光路系统和信号采集方法，减少试纸条离检测模块的距离、传感器等对测试结果的影响，有效地提高尿液分析仪的测量精度、一致性和稳定性，降低成本，简化装配。

本发明的技术方案是这样实现的：

基于多单色光和光纤的尿液干化分析装置，包括试纸条和光源，试纸条放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对尿液某检测项进行检测的试纸块；所述光源为由2-6种单色LED光源构成的单色光源组，单色光源组中每种单色光分别通过各自对应的照射光纤束垂直照射到试纸块上；试纸块对每种单色光的反射光通过共同的反射光纤照射到光电传感器上，由光电传感器检测经试纸块反射的反射光光强大小；所述光电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，光强控制单元用于控制单色光源组中每种单色光的强度保持在设定范围内，并在微处理器控制下依次轮流点亮。

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；限位检测单元用于检测试纸条是否移动到位，微处理器根据限位检测单元的检测情况决定步进电机的运行和停止；

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所需打印的数据，存储单元用于保存结果等；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。

基于多单色光和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多单色光和光纤的尿液干化分析装置；其分析步骤如下，

1)将试纸块的背面即白色面向着照射光纤组，调节单色光源组各单色LED的发光亮度，使各单色LED发光经试纸块反射后的光强经相关电路后的A/D转换值约为A/D转换满度值的十分之八，其值记为DW_q；下标q为单色光的次序，其值为1-L，L为2-6，即表示测试用的单色光的个数；

2)将该检测项浓度已知的质控液加到该检测项对应的试纸块上，然后在保持步骤1)的单色光源组各单色LED发光亮度情况下照射试纸块，得到各单色LED反射光对应的A/D转换值，记为D_q，下标q为单色光的次序；同时,利用温度测量单元测量出环境温度T，从而得到该环境温度T和质控液该检测项对应浓度下D_q与DW_q的比值，记为R_q，即R_q＝D_q/DW_q；

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

4)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-3)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下各种单色光比值R_q及对应的反射率；

5)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；

6)利用偏最小二乘法对各种单色光比值R_q和环境温度T对反射率的影响进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

7)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)-2)，得到某温度下各种单色光比值R_q，将该比值和温度值作为已知条件带入步骤6)反射率拟合公式，得到待测尿液该检测项反射率；

8)根据待测尿液该检测项反射率并结合步骤5)的对应表，即可得到该检测项的半定量值，即该检测项的检测结果。

其中，步骤6)所述的反射率拟合公式表示为：

式中y*表示对应项拟合的反射率；c₀表示拟合计算系数；c_2i-1表示对应项第i种单色光的R_i拟合的一次方的计算系数，c_2i表示对应项第i种单色光的R_i拟合的二次方的计算系数，c_2L+1表示对应项的环境温度拟合的一次方的计算系数，c_2L+2表示对应项的环境温度拟合的二次方的计算系数，T表示测量时的环境温度值；

令x₀＝1，x₁＝R₁，x₂＝(R₁)²，x₃＝R₂，x₄＝(R₂)²，……，x_2L+1＝T，x_2L+2＝(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，共有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，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,…,2L+2) (3)

因所以式(3)可整理为：

其中(k＝0,…,2L+2)；

对每一项测得的N个数据带入上述对应的2L+3个方程，解出c₀,c₁,…,c_2L+2，则可得反射率拟合公式(1)。

相比现有技术，本发明具体优点如下：

1)本发明通过光纤技术，使得检测光的入射光和反射光在一条线上，可有效减少环境光的影响，并很好地减小试纸条与检测装置之间距离，提高检测精度。

2)本发明利用单色LED光源，可以很好地减小光谱的重叠对检测结果的影响，提高测量精度。

3)本发明因为光纤可以弯曲，能构成一个非常紧凑的结构，故可以缩小尿液分析仪体积，降低成本，简化装配，提高尿液分析仪测量精度、一致性和稳定性。

附图说明

图1-本发明光学部分框图。

图2-本发明光纤束组的横截面图。

图3-本发明控制及检测电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提出一种基于多单色光和光纤、高精光电传感器、微处理器的尿液干化分析装置及分析方法。本发明除了能有效地缩小尿液干化分析检测仪或装置的体积、减少试纸条离光源的距离等对测试结果的影响外，还能有效地提高仪器或设备的测量精度和一致性，降低成本，更易于小型化、产品化，具有广阔的市场潜力。

本发明基于多单色光和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2-6种单色LED光源构成的单色光源组，单色光源组每种单色光分别通过各自对应的照射光纤束(所有单色光的照射光纤束构成光纤束组)垂直照射到试纸块上；试纸块对每种单色光的反射光通过共同的反射光纤照射到光电传感器上，由光电传感器检测经试纸块反射的反射光光强大小。所述光电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，光强控制单元用于控制单色光源组中每种单色光的强度保持在设定范围内，并在微处理器控制下依次轮流点亮。

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。

机械部分主要是将光学部分和控制及检测电路固定于其中，形成一个整体。主要包括微型步进电机、前后限位结构、传送齿轮、传送带和试纸台等，试纸台上设有试纸槽，试纸槽内放置试纸条，试纸块设置在试纸条上。微型步进电机通过传送齿轮、传送带使试纸台移动，以达到传送试纸条、试纸块和为测试提供机械载体的目的。前后限位结构用于检测试纸槽的移动是否到位。

光学部分(如图1)主要由单色光源组、光纤束组、光电传感器构成，光纤束组中光纤的排列方式见图2。

其中单色光源组主要由2-6种单色LED光源提供，其亮度可通过微处理器控制，并在微处理器控制下依次轮流点亮。光纤束组主要是实现将各单色LED发出的光通过光纤导光后照射到试纸块上，并通过反射光纤将经试纸块反射的光导入到光电传感器。经光电传感器集成放大后，将光强转换为适当的电压值，并经微处理器内带的A/D转换单元转换为数字值，经过相关的运算后可得到对应测试试纸块项的反射率及半定量结果。同时，利用光纤束可很好地控制光的传播，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。光电传感器主要用于检测经试纸块反射的光强的大小，本发明可选用光电二极管、三极管等光电传感器。

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、高精度光电信号处理单元(即光电传感器)、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3所示。触摸式LCD液晶输入显示单元既是输入设备，又是显示设备。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位微处理器控制步进电机、光强控制单元和高精度光电信号处理单元获取试纸条中试纸块的光强信息，并通过温度测量单元测量的温度值进行修正，使测试结果更准确、可靠，然后根据用户经触摸式LCD液晶输入显示单元的输入情况，将结果通过触摸式LCD液晶输入显示单元显示出来，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(光源和光电传感器)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；另外一方面通过光强控制单元实现光强的自动调节，保持各单色光亮度的稳定性，可进一步提高尿液分析仪的测量准确性。

本发明检测项浓度分析方法，主要分三大步：

第一步，将试纸块的背面即白色面向着光纤组，通过LCD触摸屏输入调节各单色LED的发光亮度，使各单色光经试纸块反射后的光强经相关电路后的A/D转换值约为A/D转换满度值的十分之八即可，其值记为DW_q(q为单色光的次序，其值为1-L，L的值为2-6，即表示测试用的单色光的个数)。

第二步，利用不同浓度梯度的质控液获取在不同温度下的不同项试纸块反射光的A/D值，记为D_q(q为单色光的次序，其值为1-L，L的值为2-6，即表示测试用的单色光的个数)，D_q与DW_q的比值记为R_q，即R_q＝D_q/DW_q，根据对应试纸块R_q及环境温度T，采用二次项拟合获得每一测试项的反射率经验公式。

第三步，在实际应用中，根据获得的各测试项的反射率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。

上述分析方法详细步骤如下：

1)将试纸块的背面即白色面向着照射光纤组，调节单色光源组各单色LED的发光亮度，使各单色LED发光经试纸块反射后的光强经相关电路后的A/D转换值约为A/D转换满度值的十分之八，其值记为DW_q；下标q为单色光的次序，其值为1-L，L为2-6，即表示测试用的单色光的个数；

2)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，然后在保持步骤1)的单色光源组各单色LED发光亮度情况下照射试纸块，得到各单色LED反射光对应的A/D转换值，记为D_q，下标q为单色光的次序；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D_q与DW_q的比值，记为R_q，即R_q＝D_q/DW_q；

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

4)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-3)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下各种单色光比值R_q及对应的反射率；

5)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；

6)利用偏最小二乘法对各种单色光比值R_q和环境温度T对反射率的影响进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

7)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)-2)，得到某温度下各种单色光比值R_q，将该比值和温度值作为已知条件带入步骤6)反射率拟合公式，得到待测尿液该检测项的反射率；

8)根据待测尿液反射率并结合步骤5)的对应表，即可得到该检测项的半定量值，即该检测项浓度。

其中，最关键的是确定步骤6)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(即三种浓度已知的标准尿液)和实际尿液(该检测项浓度已知)分别在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃下，经过1分钟后，该检测项试纸块R_pq及用高可靠性的其它尿液分析仪测量出其对应的反射率，质控液和实际尿液与不同温度之间每一种组合测量次数不少于5次，即质控液和实际尿液要分别在七个温度下测试，每个温度要测试5次，四种液体七个温度共要测试140次。利用偏最小二乘法对R_pq及测量温度采用二次项拟合，假设相应项的反射率的拟合y_p*，则可以表示为：

式中y*表示对应项拟合的反射率；c₀表示拟合计算系数；c_2i-1表示对应项第i种单色光的R_i拟合的一次方的计算系数，c_2i表示对应第项第i种单色光的R_i拟合的二次方的计算系数，c_2L+1表示对应项的环境温度拟合的一次方的计算系数，c_2L+2表示对应项的环境温度拟合的二次方的计算系数，T表示测量时的环境温度值；

令x₀＝1，x₁＝R₁，x₂＝(R₁)²，x₃＝R₂，x₄＝(R₂)²，……，x_2L+1＝T，x_2L+2＝(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，共有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，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,…,2L+2) (3)

因所以式(3)可整理为：

其中(k＝0,…,2L+2)；

对每一项测得的N个数据带入上述对应的2L+3个方程，解出c₀,c₁,…,c_2L+2，则可得反射率拟合公式(1)。

对于需测试的其它项采用同样的方法，即可得到类似的计算公式。

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68％，则软件根据表可以得出其半定量结果为：1+或1.0g/L。

表1 肌酐(CRE)的半定量值区间及半定量值

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.基于多单色光和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：本方法采用一种基于多单色光和光纤的尿液干化分析装置而进行；所述基于多单色光和光纤的尿液干化分析装置包括试纸条和光源，试纸条放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2-6种单色LED光源构成的单色光源组，单色光源组中每种单色光分别通过各自对应的照射光纤束垂直照射到试纸块上；试纸块对每种单色光的反射光通过共同的反射光纤照射到光电传感器上，由光电传感器检测经试纸块反射的反射光光强大小；所述光电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，光强控制单元用于控制单色光源组中每种单色光的强度保持在设定范围内，并在微处理器控制下依次轮流点亮；

其分析步骤如下，

1)将试纸块的背面即白色面向着照射光纤组，调节单色光源组各单色LED的发光亮度，使各单色LED发光经试纸块反射后的光强经相关电路后的A/D转换值约为A/D转换满度值的十分之八，其值记为DW_q；下标q为单色光的次序，其值为1-L，L为2-6，即表示测试用的单色光的个数；

2)将该检测项浓度已知的质控液加到该检测项对应的试纸块上，然后在保持步骤1)的单色光源组各单色LED发光亮度情况下照射试纸块，得到各单色LED反射光对应的A/D转换值，记为D_q，下标q为单色光的次序；同时,利用温度测量单元测量出环境温度T，从而得到该环境温度T和质控液该检测项对应浓度下D_q与DW_q的比值，记为R_q，即R_q＝D_q/DW_q；

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

4)改变环境温度和质控液该检测项浓度，重复步骤1)-3)，得到不同温度和质控液该检测项不同浓度下各种单色光比值R_q及对应的反射率；

5)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；

6)利用偏最小二乘法对各种单色光比值R_q和环境温度T对反射率的影响进行二次项拟合，得到该检测项反射率拟合公式；

7)用实际待测尿液替换质控液，重复步骤1)-2)，得到某温度下各种单色光比值R_q，将该比值和温度值作为已知条件带入步骤6)反射率拟合公式，得到待测尿液该检测项反射率；

8)根据待测尿液该检测项反射率并结合步骤5)的对应表，即可得到该检测项的半定量值，即该检测项的检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于多单色光和光纤的尿液干化分析方法，其特征在于：步骤6)所述的反射率拟合公式表示为：

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式中y*表示对应项拟合的反射率；c₀表示拟合计算系数；c_2i-1表示对应项第i种单色光的R_i拟合的一次方的计算系数，c_2i表示对应项第i种单色光的R_i拟合的二次方的计算系数，c_2L+1表示对应项的环境温度拟合的一次方的计算系数，c_2L+2表示对应项的环境温度拟合的二次方的计算系数，T表示测量时的环境温度值；

令x₀＝1，x₁＝R₁，x₂＝(R₁)²，x₃＝R₂，x₄＝(R₂)²，……，x_2L+1＝T，x_2L+2＝(T)²，则式(1)可成下面的表达式：

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实际测得的反射率用y表示，共有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，其差δ_m＝|y_m-y_m*|，其中y_m*可表示为：

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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,…,2L+2) (3)

因所以式(3)可整理为：

其中(k＝0,…,2L+2)；

对每一项测得的N个数据带入上述对应的2L+3个方程，解出c₀,c₁,…,c_2L+2，则可得反射率拟合公式(1)。

3.根据权利要求1所述的基于多单色光和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；限位检测单元用于检测试纸条是否移动到位，微处理器根据限位检测单元的检测情况决定步进电机的运行和停止；

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所需打印的数据，存储单元用于保存结果等；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。