CN111537409A - 一种高精度血沉温度补偿测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种高精度血沉温度补偿测量方法与装置，获取待修正血沉值与环境温度值。对测量过程中的环境温度值进行等效预处理，获取等效环境温度值；基于lagurre多项式构建血沉值的温度补偿模型；获取拟合样本数据，通过血沉值温度补偿模型对样本数据进行拟合并确定模型参数；测试模型的血沉值温度补偿效果，输入未修正血沉值测量数据，检查补偿后的血沉值是否在期望精度内；若预测值与期望值误差小于或等于预先设定的目标误差，则保存此时模型参数数据，生成最优血沉值温度补偿模型，得到血沉值温度修正公式。本发明可以进行血沉值检测，并通过血沉值温度补偿模型所得到的修正公式对血沉测量值进行校正，能够快速、准确实现血沉测量值的温度补偿，提高血沉值检测精度。
Description
技术领域
本发明属于血沉值测量技术领域，具体涉及一种高精度血沉温度补偿测量方法与装置。
背景技术
血红细胞沉降速率，简称血沉(ESR)，单位为mm/h，是临床医疗与医学研究领域中一项重要的检测指标，对一系列病情诊断具有参考作用，血沉的快慢可以揭示某些病情的进程，同时也是某些疾病的重要诊断指标之一。
在现代医疗领域，传统的手工魏氏法，库氏法，温氏法等以及血沉仪器所测得的血沉值，易受环境温度影响，从医学原理角度来说，在一定范围内，温度升高，可加速血液凝固，反之可延缓血液凝固，因为凝血过程为一系列酶促反应。气温升高时，或者是用热气吹干试管后，试管余热未散完，再做另一血样时，由于温度较高，酶活性增强，使凝血反应速度加快，会给血沉测量带来一定影响。而在实际的临床检测与医学实验中，很难保证测量环境达到魏氏法标准测量温度18摄氏度，因此，需对血沉检测值进行温度修正。
在传统的血沉值检测方法中，多使用查表法进行修正，该方法使用起来较为繁琐，此外还有一类方法通过线性拟合算法来进行温度补偿，该方法较查表法来说精度提升有限，且往往仅把血沉测量结束时的环境温度值作为测量温度来进行修正，实际上测量过程中测量温度的变化无法考虑进去，使得对血沉值的修正值精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高精度血沉温度补偿测量方法与装置，能够进行血沉值检测并通过血沉值温度修正公式对血沉测量值进行校正，能够快速、准确实现血沉值检测的温度补偿，并进一步提高温度补偿精度。
本发明提供一种高精度血沉温度补偿测量方法，包括如下步骤，
步骤S1、通过血沉测量装置获取待修正血沉值与环境温度值。
步骤S2、对测量过程中的环境温度值进行等效预处理，获取等效环境温度值；
步骤S3、基于lagurre多项式构建血沉值的温度补偿模型；
步骤S4、获取拟合样本数据，通过血沉值温度补偿模型对样本数据进行拟合并确定模型参数；
步骤S5、测试模型的血沉值温度补偿效果，输入未修正血沉值测量数据，检查补偿后的血沉值是否在期望精度内；
步骤S6、若预测值与期望值误差小于或等于预先设定的目标误差，则保存此时模型参数数据，生成最优血沉值温度补偿模型，获取血沉值温度补偿公式。
作为本发明的进一步技术方案，步骤S2中等效预处理具体为：实时采集测量过程中的温度变化值，对采集到的温度值进行加权平均等效求取，预处理公式为：
t＝0.1t1+0.1t2+0.2t3+0.3t4+0.2t5+0.1t6；
其中，t为经加权平均求取后所得到的等效温度值，t1～t6为检测装置在测量过程中所获取的六次温度值，t1～t6所对应的权重系数分别为0.1，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1。
进一步的，步骤S3的具体构建过程为：
首先建立Laguerre多项式曲线拟合模型，当x∈[0，+∞)时，Laguerre多项式定义为：Ln(x)＝(2n-1-x)Ln-1(x)-(n-1)2Ln-2(x)(n＝2,3...)；
其中，L0(x)＝1、L1(x)＝1-x；
以第r组样本数据的等效环境温度值tr和血沉测量值xr作为温度补偿模型的输入，以血沉标准值yer作为第r个拟合样本数据，以y(xr,tr)作为温度补偿模型的输出，则基于Laguerre多项式曲线拟合的温度补偿模型为
其中，aj与bj为拟合曲线的模型参数，设E＝[a0,a1,...,an,b0,b1,...bm]T，F(r,:)＝[1,L1(xr),...,Ln(xr),1,L1(tr),...,Lm(tr)]，则转化为y(xr,tr)＝F(r,:)E；
再建立误差表达式，设标准血沉值与模型所得修正血沉值的误差为e(r)＝yer-F(r,:)E；
其中，yer为第r个标准血沉值，
则有定义性能指标为
为使得性能指标J最小，采用递推最小二乘法来确定模型参数向量E,具体为：
其中，初始协方差阵为P0＝αI∈R(n+m+2)×(n+m+2)，α＝106～1016；λ是遗忘因子，取值范围是0.96≤λ≤1；当参数变化较快时，λ取值较小；变化较慢时，取值较大；当λ＝1时，该公式成为基本的递推最小二乘法。
进一步的，步骤S4中，获取的样本数据为温度16℃～33℃，间隔0.5℃下的血沉检测值并计算出等效环境温度值。
进一步的，血沉值温度补偿公式为y(x,t)＝15.15+0.86x-0.60t，其中，x为待修正血沉值，t为对应于待修正血沉值x测量结束时的等效环境温度值，y(x,t)为温度补偿后的血沉值，即所需得到的标准血沉值。
一种高精度血沉温度补偿测量装置，包括微控制器模块、电机驱动控制模块、环境温度检测模块、光电检测模块、显示模块、传输模块和电源模块；
光电检测模块，用于检测血红细胞沉降界面，并将检测所得信号传输至微控制器模块；
环境温度检测模块，用于测量检测过程中环境的温度，并将采集到的环境温度测量数据传输至控制器模块；
电机控制模块，用于接收微控制器的控制信号，并驱动电机转动，通过机械传动机构，带动光电检测模块垂直上下运动；
电源模块，用于提供直流电并向其他功能模块供电；
微控制器模块，用于提供步进电机控制信号，接收光电检测模块检测信号，接收环境温度检测模块测得的温度数据，并分析计算得到血沉值检测数据。
显示模块，用于显示环境温度值与血沉值的测量结果，微控制器模块将测量数据送至显示模块。
传输模块，用于将测量结果发送至上位机，以完成测量数据的后续分析，微控制器模块将测量数据送至传输模块。
进一步的，光电检测模块包括一对红外发射与接收对管，红外发射与接收对管的型号均为IR928-6C-F。
进一步的，显示模块由7寸串口触摸电容屏及外围电路组成，通过RS232接口与微控制器模块进行通讯；传输模块通过WiFi与上位机建立链接，接收由微控制器模传输的数据。
进一步的，微控制器模块的主芯片为STM32F103ZET6，电机控制模块包括步进电机，步进电机型号为42BYGH211-17-12V，带动等距螺丝杆旋转，并带动光电检测模块上下移动测量；电机控制模块采用L298N驱动芯片，驱动步进电机正、反转，使光电检测模块上下运动。
本发明不仅能够进行血沉值与环境温度的检测，通过预处理步骤，减少由于测量过程中的温度变化所带来的误差影响，还提出的一种基于Laguerre多项式曲线拟合温度补偿方法对血沉检测值进行温度补偿，使用该方法可以对血沉测量值进行校正，快速、准确实现对血沉值的温度补偿，使补偿环节的精度达到测量允许误差范围内，进一步提高血沉值检测精度，最终获得高精度血沉检测值。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2是本发明的装置结构框图。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例提供一种高精度血沉温度补偿测量方法与装置，包括以下步骤，
步骤S1、通过血沉测量装置获取待修正血沉值与环境温度值；
步骤S2、对测量过程中的环境温度值进行等效预处理，获取等效环境温度值；
步骤S3、基于lagurre多项式构建血沉值的温度补偿模型；
步骤S4、获取拟合样本数据，通过血沉值温度补偿模型对样本数据进行拟合并确定模型参数；
步骤S5、测试模型的血沉值温度补偿效果，输入未修正血沉值测量数据，检查补偿后的血沉值是否在期望精度内；
步骤S6、若预测值与期望值误差小于或等于预先设定的目标误差，则保存此时模型参数数据，生成最优血沉值温度补偿模型，获取血沉值温度补偿公式。
请参阅图2，本实施例提供一种高精度血沉温度补偿测量装置，包括微控制器模块、电机驱动控制模块、环境温度检测模块、光电检测模块、显示模块、传输模块和电源模块；
光电检测模块，用于检测血红细胞沉降界面，并将检测所得信号传输至微控制器模块；
环境温度检测模块，用于测量检测过程中环境的温度，并将采集到的环境温度测量数据传输至控制器模块；
电机控制模块，用于接收微控制器的控制信号，并驱动电机转动，通过机械传动机构，带动光电检测模块垂直上下运动；
电源模块，用于提供直流电并向其他功能模块供电；
微控制器模块，用于提供步进电机控制信号，接收光电检测模块检测信号，接收环境温度检测模块测得的温度数据，并分析计算得到血沉值检测数据。
显示模块，用于显示环境温度值与血沉值的测量结果，微控制器模块将测量数据送至显示模块。
传输模块，用于将测量结果发送至上位机，以完成测量数据的后续分析，微控制器模块将测量数据送至传输模块。
光电检测模块包括一对红外发射与接收对管，红外发射与接收对管的型号均为IR928-6C-F。
显示模块由7寸串口触摸电容屏及外围电路组成，通过RS232接口与微控制器模块进行通讯；传输模块通过WiFi与上位机建立链接，接收由微控制器模传输的数据。
微控制器模块的主芯片为STM32F103ZET6，电机控制模块包括步进电机，步进电机型号为42BYGH211-17-12V，带动等距螺丝杆旋转，并带动光电检测模块上下移动测量；电机控制模块采用L298N驱动芯片，驱动步进电机正、反转，使光电检测模块上下运动。
环境温度模块由温度传感器DS18B20以及外围电路组成，测量温度范围为-55～+125℃，精度为±0.5℃，由电源模块提供5V工作电压，微控制器实时读取传感器发送回的温度数据并通过所接收到的测量温度值计算出等效环境温度值。
电源模块输入电压为交流220V，输出电压为直流12V，直流5V以及直流3.3V，电源模块功率为60W，能够满足测量装置的供电需求。
步骤S2中等效预处理具体为：在血沉测量过程中，由于测量仪器设备内部温度升高等因素影响，整个测量过程并非是处于恒温状态，因此需通过对温度值进行等效预处理，将测量过程中的温度变化考虑在内，其方法为多次采集测量过程中的温度变化值，对多次采集的温度值进行加权平均等效求取，用所得到的等效温度值进行温度补偿，以减少实际测量过程中，由于测量装置内部温度变化对血红细胞沉降过程产生的影响而引起的误差。
通过大量血沉测量的检测数据以及血红细胞沉降速率曲线可知，在血红细胞沉降过程中，在前10分钟内是沉降准备阶段，血沉速率较为缓慢，测量时间10至50分钟内，为快速沉降期，血红细胞沉降速率较快，在第50至60分钟内，为堆积阶段，沉降速率明显减缓，在快速沉降时间段内，温度波动对血红细胞沉降速率影响较大，因此该阶段测得的温度值所占权重较大。在血沉值检测过程中，通过环境温度检测模块每隔相等时间间隔检测一次环境温度值，分别获取6次环境温度值，并通过对6次温度值设置不同权值来获得最终等效温度值。经由实验对比与数据分析，可通过下述公式求出温度值的加权平均值，完成对环境温度值的等效预处理，预处理公式为：
t＝0.1t1+0.1t2+0.2t3+0.3t4+0.2t5+0.1t6；
其中，t为经加权平均求取后所得到的等效温度值，t1～t6为检测装置在测量过程中所获取的六次温度值，t1～t6所对应的权重系数分别为0.1，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1。经过预处理之后所得到的等效温度值，进一步减少了由于测量过程中温度变化所带来的测量误差，将t值作为温度补偿模型的输入值，可以进一步提高模型的拟合精度，提升血沉值温度补偿模型的拟合效果。
步骤S3的具体构建过程为：
血沉值温度补偿模型由输入量和输出量构成。其中输入量选取预处理后待修正血沉测量值以及该测量值所对应的等效环境温度值为输入参数，以标准血沉值作为校正模型的输出，样本数据由血沉值与环境温度测量装置获得。为了使得输出目标与期望值误差最小，建立期望值与输出值的误差表达式，然后采用递推最小二乘法来确定最优模型参数。
首先建立Laguerre多项式曲线拟合模型，当x∈[0，+∞)时，Laguerre多项式定义为：Ln(x)＝(2n-1-x)Ln-1(x)-(n-1)2Ln-2(x)(n＝2,3...)；
其中，L0(x)＝1、L1(x)＝1-x；
以第r组样本数据的等效环境温度值tr和血沉测量值xr作为温度补偿模型的输入，以血沉标准值yer作为第r个拟合样本数据，以y(xr,tr)作为温度补偿模型的输出，则基于Laguerre多项式曲线拟合的温度补偿模型为
其中，aj与bj为拟合曲线的模型参数，设E＝[a0,a1,...,an,b0,b1,...bm]T，F(r,:)＝[1,L1(xr),...,Ln(xr),1,L1(tr),...,Lm(tr)]，则转化为y(xr,tr)＝F(r,:)E；
使用上式对样本数据进行拟合，以获得最优拟合模型参数，建立误差表达式，设标准血沉值与模型所得修正血沉值的误差为e(r)＝yer-F(r,:)E；
其中，yer为第r个标准血沉值，
则有定义性能指标为
为使得性能指标J最小，采用递推最小二乘法来确定模型参数向量E,具体为：
其中，初始协方差阵为P0＝αI∈R(n+m+2)×(n+m+2)，α＝106～1016；λ是遗忘因子，取值范围是0.96≤λ≤1；当参数变化较快时，λ取值较小；变化较慢时，取值较大；当λ＝1时，该公式成为基本的递推最小二乘法。
步骤S4中，获取的样本数据为温度16℃～33℃，间隔0.5℃下的血沉检测值并计算出等效环境温度值。
将准备好的验证数据带入所得拟合公式进行计算，检查输出量即补偿后的血沉值是否在期望精度内。如补偿后所获结果与期望值误差小于或等于预先设定的目标误差，则保存此时Laguerre多项式曲线拟合模型参数数据，生成最优血沉值温度补偿模型并得到温度补偿修正公式。待修正血沉值经过模型输出后，即可得到修正后的血沉值，经由计算，血沉值温度补偿公式为y(x,t)＝15.15+0.86x-0.60t，其中，x为待修正血沉值，t为对应于待修正血沉值x测量结束时的等效环境温度值，y(x,t)为温度补偿后的血沉值，即所需得到的标准血沉值。拟合结果表明，血沉值温度补偿的曲线模型完整刻画了环境温度与血沉值的函数关系，根据血沉测量值和等效环境温度值即可计算得到高精度血沉值。因此，本发明可获得血沉测量值，等效环境温度值，并可利用基于Laguerre多项式的血沉值温度补偿模型对血沉测量值进行校正，能够快速、准确实现血沉值的温度补偿，可使得补偿后的血沉值测量精度达到允许误差范围内，最终可以获得高精度血沉检测值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种高精度血沉温度补偿测量方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤S1、通过血沉测量装置获取待修正血沉值与环境温度值。
步骤S2、对测量过程中的环境温度值进行等效预处理，获取等效环境温度值；
步骤S3、基于lagurre多项式构建血沉值的温度补偿模型；
步骤S4、获取拟合样本数据，通过血沉值温度补偿模型对样本数据进行拟合并确定模型参数；
步骤S5、测试模型的血沉值温度补偿效果，输入未修正血沉值测量数据，检查补偿后的血沉值是否在期望精度内；
步骤S6、若预测值与期望值误差小于或等于预先设定的目标误差，则保存此时模型参数数据，生成最优血沉值温度补偿模型，获取血沉值温度补偿公式。
2.根据权利要求1所述的一种高精度血沉温度补偿测量方法，其特征在于，所述步骤S2中等效预处理具体为：实时采集测量过程中的温度变化值，对采集到的温度值进行加权平均等效求取，预处理公式为：
t＝0.1t1+0.1t2+0.2t3+0.3t4+0.2t5+0.1t6；
其中，t为经加权平均求取后所得到的等效温度值，t1～t6为检测装置在测量过程中所获取的六次温度值，t1～t6所对应的权重系数分别为0.1，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1。
3.根据权利要求1所述的一种高精度血沉温度补偿测量方法，其特征在于，所述步骤S3的具体构建过程为：
首先建立Laguerre多项式曲线拟合模型，当x∈[0，+∞)时，Laguerre多项式定义为：Ln(x)＝(2n-1-x)Ln-1(x)-(n-1)2Ln-2(x)(n＝2,3...)；
其中，L0(x)＝1、L1(x)＝1-x；
以第r组样本数据的等效环境温度值tr和血沉测量值xr作为温度补偿模型的输入，以血沉标准值yer作为第r个拟合样本数据，以y(xr,tr)作为温度补偿模型的输出，则基于Laguerre多项式曲线拟合的温度补偿模型为
其中，aj与bj为拟合曲线的模型参数，设E＝[a0,a1,...,an,b0,b1,...bm]T，F(r,:)＝[1,L1(xr),...,Ln(xr),1,L1(tr),...,Lm(tr)]，则转化为y(xr,tr)＝F(r,:)E；
再建立误差表达式，设标准血沉值与模型所得修正血沉值的误差为e(r)＝yer-F(r,:)E；
其中，yer为第r个标准血沉值，
则有定义性能指标为
为使得性能指标J最小，采用递推最小二乘法来确定模型参数向量E,具体为：
其中，初始协方差阵为P0＝αI∈R(n+m+2)×(n+m+2)，α＝106～1016；λ是遗忘因子，取值范围是0.96≤λ≤1；当参数变化较快时，λ取值较小；变化较慢时，取值较大；当λ＝1时，该公式成为基本的递推最小二乘法。
4.根据权利要求1所述的一种高精度血沉温度补偿测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，获取的样本数据为温度16℃～33℃，间隔0.5℃下的血沉检测值并计算出等效环境温度值。
5.根据权利要求1所述的一种高精度血沉温度补偿测量方法，其特征在于，所述血沉值温度补偿公式为y(x,t)＝15.15+0.86x-0.60t，其中，x为待修正血沉值，t为对应于待修正血沉值x测量结束时的等效环境温度值，y(x,t)为温度补偿后的血沉值，即所需得到的标准血沉值。
6.根据权利要求1所述的高精度血沉温度补偿测量方法的装置，其特征在于，包括微控制器模块、电机驱动控制模块、环境温度检测模块、光电检测模块、显示模块、传输模块和电源模块；
所述光电检测模块，用于检测血红细胞沉降界面，并将检测所得信号传输至所述微控制器模块；
所述环境温度检测模块，用于测量检测过程中环境的温度，并将采集到的环境温度测量数据传输至所述控制器模块；
所述电机控制模块，用于接收所述微控制器的控制信号，并驱动电机转动，通过机械传动机构，带动所述光电检测模块垂直上下运动；
所述电源模块，用于提供直流电并向其他功能模块供电；
所述微控制器模块，用于提供步进电机控制信号，接收所述光电检测模块检测信号，接收所述环境温度检测模块测得的温度数据，并分析计算得到血沉值检测数据。
所述显示模块，用于显示环境温度值与血沉值的测量结果，所述微控制器模块将测量数据送至所述显示模块。
所述传输模块，用于将测量结果发送至上位机，以完成测量数据的后续分析，所述微控制器模块将测量数据送至所述传输模块。
7.根据权利要求6所述的一种高精度血沉温度补偿测量装置，其特征在于，所述光电检测模块包括一对红外发射与接收对管，红外发射与接收对管的型号均为IR928-6C-F。
8.根据权利要求6所述的一种高精度血沉温度补偿测量装置，其特征在于，所述显示模块由7寸串口触摸电容屏及外围电路组成，通过RS232接口与微控制器模块进行通讯；所述传输模块通过WiFi与上位机建立链接，接收由所述微控制器模传输的数据。
9.根据权利要求6所述的一种高精度血沉温度补偿测量装置，其特征在于，所述微控制器模块的主芯片为STM32F103ZET6，所述电机控制模块包括步进电机，步进电机型号为42BYGH211-17-12V，带动等距螺丝杆旋转，并带动所述光电检测模块上下移动测量；所述电机控制模块采用L298N驱动芯片，驱动步进电机正、反转，使光电检测模块上下运动。
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Non-Patent Citations (1)
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