CN112697783A - 一种尿碘定量检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尿碘定量检测装置及方法，属于定量检测领域，是一种利用颜色识别技术对反应溶液进行颜色识别，并确定待测尿碘浓度的仪器装置。本发明由LED光源模块、颜色传感器、通讯模块、步进电机、测温模块、微处理器等主要部分构成。针对传统大型检测仪器价格昂贵，操作复杂的弊端，开发了一种操作简单、成本低廉、自动化程度高的检测装置。本发明通过对尿液中碘离子浓度的定量检测，实现了对甲状腺类疾病的初筛，适合在缺碘严重的基层和经济不发达地区推广应用。

Description

一种尿碘定量检测装置及方法
技术领域
本发明属于医疗检测仪器领域，涉及一种利用颜色识别技术对尿液中碘离子浓度的定量检测，并将其浓度与正常人体浓度进行对比，实现甲状腺类疾病的初筛。
背景技术
碘是人体必需的微量元素，是合成甲状腺激素必不可少的重要原料，在维持机体健康的过程中发挥着重要的作用，人体内碘过量或不足会影响甲状腺激素的分泌。儿童如果体内缺碘，则可出现体格发育迟缓、精神功能受损等问题；孕妇如果体内缺碘，则可导致胎儿和婴幼儿的脑损伤，造成不可逆转的智力低下和精神运动功能障碍，表现为呆、傻、聋哑、瘫、和抽象思维能力差的缺陷。
传统的尿液中碘离子的检测方法为砷铈催化分光光度法（国家标准WS/T 107.1-2016），其原理是尿样经过硫酸铵在100℃消解后，利用碘对砷铈氧化还原反应的催化作用，反应中黄色的Ce4+被还原成无色的Ce3+，控制溶液温度和时间，待吸光度达到0.15-0.18时，测定体系中剩余的Ce4+吸光值，利用碘的质量浓度与相应测得的吸光度的对数值成线性关系计算出碘含量。该方法需要控制溶液温度和时间，反应溶液吸光度达到0.15-0.18与温度有关，需要使用恒温水浴箱控温或者使用温度计监测当前室温；使用的仪器为紫外-可将光分光光度计，检测多个样品时需要手动更换样品，并且仪器操作复杂、价格昂贵且不便携带，不适合在碘缺严重的基层和经济不发达地区推广应用。
颜色传感器是一种小型的数字传感器，将红、绿、蓝分量的光转化为一定频率脉冲信号，不需要A/D转换器和阻抗放大器，可以直接测得待测物的RGB颜色信息，在比色分析中有着广泛的应用。如Camilo等人利用颜色传感器制备了一个简易的光度计，通过由纳米金颗粒的聚集造成的从蓝到红的颜色变化，来定量检测水中Pb2+的浓度（de Morais C L M,Carvalho J C, Sant'Anna C, et al. A low-cost microcontrolled photometer withone color recognition sensor for selective detection of Pb 2+ using goldnanoparticles[J]. Analytical Methods, 2015, 7(18): 7917-7922）。除此之外，Liu等人利用两个颜色传感器来检测尿液试纸条的颜色信息，半定量检测尿液中各待测组分的浓度（Liu G, Hu N, Ma Z, et al. A portable analyzer based on a novel opticalstructure for urine dry-chemistry analysis[J]. Journal of Instrumentation,2018, 13(07): T07002）。
发明内容
本发明主要针对传统尿碘检测方法的弊端，提供一种精准的、自动化程度高的颜色识别装置，并提供建立颜色与尿碘浓度定量关系的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种尿碘定量检测装置，包括：盒体、LED光源模块、颜色传感器、通讯模块、步进电机、测温模块、矩阵键盘、LCD显示屏、微处理器；其余各模块集成设置于盒体内部或表面；LCD显示屏设置于盒体外侧表面；盒体一侧壁设置用于样品传送平台行进的通道，所述样品传送平台连接步进电机，以通过步进电机进行控制；比色杯设置于样品传送平台上，随样品传送平台移动；颜色传感器、步进电机、测温模块、矩阵键盘和LCD显示屏均连接至微处理器；微处理器连接至LCD光源模块；通过LCD光源模块照射用于尿碘定量检测的比色杯，所述颜色传感器感应比色杯中液体的颜色，产生感应信号并发送至微处理器；通讯模块连接于微处理器和上位机之间；
所述LED光源模块采用光照强度恒定的白光LED为光源，颜色传感器用于检测比色杯中溶液颜色，测温模块用于监测溶液温度，步进电机用于带动样品传送平台，微处理器用于针对尿碘进行精确测量。
其中，测温模块为数字温度传感器LM75A，测量精度为0.125℃，测温范围在－55℃～+ 125℃，用于监测溶液温度，并将温度数据反馈给微处理器；所述微处理器根据测温模块反馈的温度数据，控制步进电机和颜色传感器定时运转并采集颜色信号。
其中，将待测溶液置于比色杯内，并将比色杯固定在样品传送平台上，LED光源模块固定在盒体内部底座上，颜色传感器安装在能检测到通过比色杯的透射光的位置。
其中，样品传送平台和盒体采用3D打印技术制成，盒体两侧设置长方形开口，用于放入样品传送平台，传送平台通过步进电机控制，依顺序匀速的进入盒体内部的检测区。
其中，所述LED光源模块，包括LED光源和LED稳压电路；
所述步进电机，包括步进电机和其驱动器；
所述尿碘定量检测装置中，样品传输平台通过步进电机控制进入盒体内部后，LED光源模块输出强度恒定的光线，测温模块监测比色杯内溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转，同时控制颜色传感器采信颜色信号，并经过白平衡校正和数据处理后在LCD液晶屏上显示出测量的结果，同时将测量的结果由通讯模块通过串口协议传到智能手机上。
为了实现上述目的，本发明提供一种尿碘定量检测方法，采用如前述技术方案所述的尿碘定量检测装置进行检测，包含以下步骤：
步骤a：将纯水置于比色杯内，控制LED光源模块发出稳定的光线照射到比色杯上，然后通过颜色传感器检测透射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色RGB三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出三原色R、G、B各自的白平衡转换因子；
步骤b: 取不同浓度的尿碘反应溶液置于比色杯中，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转，同时控制颜色传感器采信颜色信号，得到不同浓度尿碘反应溶液所对应的原始颜色数据，将该R、G、B原始数据乘以各自的白平衡转换因子，得到R、G、B白平衡校正数据；
步骤c: 将经过白平衡校正后的白平衡校正数据R、G、B按如下算式转换到CMYK(青、洋红、黄、黑)色度空间：
R、G、B转C、M、Y、K的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
步骤d：随着尿样中碘离子浓度增加，溶液颜色中黄色分量发生线性变化，因此建立浓度与Y值的校准方程；将步骤b、c数据处理过程和校准方程通过C语言编写入尿碘定量检测装置中；
步骤e：将未知浓度尿液样品的样品溶液置于比色杯，按下功能按键仪器开始工作，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，微处理器根据步骤d的数据处理程序自动计算得到待测尿液样品中碘离子的质量浓度，测量结果会显示在LCD上，也可以将检测结果发送到智能手机上。
本发明采用上述技术方案具有以下优点：
1、采用了数字温度传感器监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，极大地提高了仪器的自动化水平。
2、通过步进电机带动样品传送平台，可以实现高通量快速检测。
3、白色LED作为光源、RGB颜色传感器进行颜色测量，低功耗Wi-Fi用于通讯，仪器体积很小、功耗低，有利于仪器微型化、智能化，适合在缺碘严重的基层和经济不发达地区推广应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例提出的尿碘定量检测装置的外形结构示意图；
图2是本发明实施例提出的尿碘定量检测装置的硬件结构原理框图；
图3是本发明实施例溶液检测连接结构示意图；
图4是本发明实施例尿碘浓度与Y值的数据拟合图；
图中：1为开关，2为LCD显示屏，3为功能按键，4位样品传送平台，5为黑色盒体，6为比色杯，31为白色LED光源，32为比色杯，33为颜色传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参照附图1，本发明提供一种尿碘定量检测装置，盒体5上设置仪器开关1、功能按键3，LCD显示屏2放置在盒体5表面，样品传送平台4放置于盒体5内部，样品传送平台4上面固定有比色杯6。其中LCD显示屏2可以显示出检测的结果，样品传送平台4由步进电机（图未示）通过滑轨控制传动；盒体内部有ARM开发板、LED光源模块、RGB颜色传感器、通讯模块、步进电机、测温模块，STM32F103微处理器控制步进电机和颜色传感器工作；
本发明所述的尿碘定量检测装置，其硬件结构原理框图如图2所示，包括LED光源模块、RGB颜色传感器、矩阵键盘、通讯模块、步进电机、测温模块、LCD显示屏、微处理器。光源模块中采用光照强度恒定的白光LED为光源；颜色传感器中用RGB(红色，绿色，蓝色)三色颜色传感器用以检测溶液颜色；矩阵键盘为4个独立按键模块；通讯模块为ESP8266 WIFI模块；步进电机为28BYJ4减速电机；测温模块选用了数字温度传感器LM75A;LCD显示屏上显示检测出的数据结果，它们都由微处理器控制工作，微处理器选择高性能、低功率的STM32F103，构成针对尿碘进行精确测量的检测仪器。
本发明所述的尿碘定量检测装置，其溶液检测部分示意图如图3所示，白色LED光源31发出强度稳定的光线透过比色杯32射入颜色传感器33中；其中LED光源模块包括LED光源和LED稳压电路；所述的比色杯32固定在样品传送平台上，并位于盒体5内部；所述的颜色传感器包括RGB颜色传感器和其控制电路。
所述测温模块为数字温度传感器LM75A，测量精度为0.125℃，测温范围在-55℃～+ 125℃，用来监测溶液温度，并将温度数据反馈给微处理器。所述的微处理器根据测温模块反馈的温度数据，控制步进电机和颜色传感器定时运转并采集颜色信号。
所述的步进电机用来带动样品传送平台运行，采用3D打印技术制成的样品传送平台和黑色盒体，盒体两侧长方形开口用于放入样品传送平台，传送平台由步进电机控制，依顺序匀速的进入检测区。
以上所述的尿碘定量检测装置，所述的LED光源模块，包括LED光源和LED稳压电路；所述的步进电机，包括步进电机和其驱动器；LED光源输出强度恒定的光线，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，并经过白平衡校正和数据处理后在LCD液晶屏上显示出测量的结果，也可以将测量的结果由通讯模块通过串口协议传到智能手机上。
下面做出示例性的实施例进一步说明本发明的具体实施方式。
具体检测步骤如下：
步骤a：溶液的配制：用过硫酸铵配置1.0mol/L的过硫酸铵溶液；用硫酸配置2.5mol/L的硫酸溶液；用三氧化二砷、氯化钠、氢氧化钠、硫酸以不同的比例配置成0.025mol/L的亚砷酸溶液；用硫酸铈铵配置成0.025mol/L的硫酸铈铵溶液；用碘酸钾配置成浓度分别为0
Figure DEST_PATH_IMAGE003
g/L、50
Figure 166500DEST_PATH_IMAGE003
g/L、100
Figure 398155DEST_PATH_IMAGE003
g/L、150
Figure 240209DEST_PATH_IMAGE003
g/L、200
Figure 635418DEST_PATH_IMAGE003
g/L、250
Figure 262840DEST_PATH_IMAGE003
g/L、300
Figure 147619DEST_PATH_IMAGE003
g/L的碘标准溶液。
步骤b：将纯水置于比色杯内，控制LED光源发出稳定的光线照射到比色杯上，然后通过颜色传感器检测透射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色RGB三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出RGB三原色(红色R，绿色G，蓝色B)各自的白平衡转换因子；
步骤c：(1)分别取不同浓度0.25mL碘标准溶液各置于玻璃试管中，各管加入1.0mL过硫酸铵溶液，混匀后置于100℃下消解60min，取出冷却至室温。(2)各管加入2.5mL的亚砷酸溶液，充分混匀后放置15min后，将溶液倒入样品传送平台上的比色杯中。(3)用秒表计时，依顺序间隔30S向各比色杯中加入0.3mL过硫酸铵溶液；
步骤d：待样品中加入过硫酸铵后按下功能按键仪器开始工作，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，并且每隔30S自动将下一组待测样品移动到检测区，得到不同浓度的尿碘反应溶液所对应的原始颜色数据，将该R、G、B原始数据乘以各自的白平衡转换因子，得到R、G、B白平衡校正数据；
步骤e：将经过白平衡校正后的白平衡校正数据R、G、B按如下算式转换到CMYK(青、洋红、黄、黑)色度空间：
R、G、B转C、M、Y、K的公式如下：
Figure 726237DEST_PATH_IMAGE001
步骤f：随着尿样中碘离子浓度增加，溶液颜色中黄色分量发生线性变化，因此建立浓度与Y值的校准方程如图4。将步骤d、e数据处理过程和校准方程通过C语言编写入尿碘定量检测装置中；
步骤g：将未知浓度尿液样品按照步骤c处理后，按下功能按键仪器开始工作，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，微处理器根据步骤f的数据处理程序自动计算得到待测尿液样品中碘离子的质量浓度，测量结果会显示在LCD上，也可以将检测结果发送到智能手机上。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种尿碘定量检测装置，其特征在于，包括：盒体、LED光源模块、颜色传感器、通讯模块、步进电机、测温模块、矩阵键盘、LCD显示屏、微处理器；其余各模块集成设置于盒体内部或表面；LCD显示屏设置于盒体外侧表面；盒体一侧壁设置用于样品传送平台行进的通道，所述样品传送平台连接步进电机，以通过步进电机进行控制；比色杯设置于样品传送平台上，随样品传送平台移动；颜色传感器、步进电机、测温模块、矩阵键盘和LCD显示屏均连接至微处理器；微处理器连接至LCD光源模块；通过LCD光源模块照射用于尿碘定量检测的比色杯，所述颜色传感器感应比色杯中液体的颜色，产生感应信号并发送至微处理器；通讯模块连接于微处理器和上位机之间；
所述LED光源模块采用光照强度恒定的白光LED为光源，颜色传感器用于检测比色杯中溶液颜色，测温模块用于监测溶液温度，步进电机用于带动样品传送平台，微处理器用于针对尿碘进行精确测量。
2.如权利要求1所述的尿碘定量检测装置，其特征在于：所述测温模块为数字温度传感器LM75A，测量精度为0.125℃，测温范围在－55℃～+ 125℃，用于监测溶液温度，并将温度数据反馈给微处理器；所述微处理器根据测温模块反馈的温度数据，控制步进电机和颜色传感器定时运转并采集颜色信号。
3.如权利要求1所述的尿碘定量检测装置，其特征在于：将待测溶液置于比色杯内，并将比色杯固定在样品传送平台上，LED光源模块固定在盒体内部底座上，颜色传感器安装在能检测到通过比色杯的透射光的位置。
4.如权利要求1所述的尿碘定量检测装置，其特征在于：所述样品传送平台和盒体采用3D打印技术制成，盒体两侧设置长方形开口，用于放入样品传送平台，传送平台通过步进电机控制，依顺序匀速的进入盒体内部的检测区。
5.如权利要求1所述的尿碘定量检测装置，其特征在于：
所述LED光源模块，包括LED光源和LED稳压电路；
所述步进电机，包括步进电机和其驱动器；
所述尿碘定量检测装置中，样品传输平台通过步进电机控制进入盒体内部后，LED光源模块输出强度恒定的光线，测温模块监测比色杯内溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转，同时控制颜色传感器采信颜色信号，并经过白平衡校正和数据处理后在LCD液晶屏上显示出测量的结果，同时将测量的结果由通讯模块通过串口协议传到智能手机上。
6.一种尿碘定量检测方法，采用如权利要求1-5任一所述的尿碘定量检测装置进行检测，其特征在于，包含以下步骤：
步骤a：将纯水置于比色杯内，控制LED光源模块发出稳定的光线照射到比色杯上，然后通过颜色传感器检测透射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色RGB三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出三原色R、G、B各自的白平衡转换因子；
步骤b：取不同浓度的尿碘反应溶液置于比色杯中，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转，同时控制颜色传感器采信颜色信号，得到不同浓度尿碘反应溶液所对应的原始颜色数据，将该R、G、B原始数据乘以各自的白平衡转换因子，得到R、G、B白平衡校正数据；
步骤c：将经过白平衡校正后的白平衡校正数据R、G、B按如下算式转换到CMYK(青、洋红、黄、黑)色度空间：
R、G、B转C、M、Y、K的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
步骤d：随着尿样中碘离子浓度增加，溶液颜色中黄色分量发生线性变化，因此建立浓度与Y值的校准方程；将步骤b、c数据处理过程和校准方程通过C语言编写入尿碘定量检测装置中；
步骤e：将未知浓度尿液样品的样品溶液置于比色杯，按下功能按键仪器开始工作，测温模块监测溶液温度并将数据反馈给微处理器，微处理器根据温度数据控制步进电机定时运转和颜色传感器采信颜色信号，微处理器根据步骤d的数据处理程序自动计算得到待测尿液样品中碘离子的质量浓度，测量结果会显示在LCD上，也可以将检测结果发送到智能手机上。
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