CN115236151A - 一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统及方法，包括产品模块、传感模块，信号调理模块，单片机控制模块，通信模块，电源模块，APP模块。产品模块用来放置传感模块。传感模块用来实时采集尿液中的尿酸浓度。信号调理模块将采集到的微小电流转换成电压，对电压信号低通滤波并维持传感模块电极之间的电位差恒定。单片机控制模块用于产生差分脉冲信号并采集信号调理模块中经过滤波后的电压信号。通信模块通过蓝牙把数据传输给手机APP。电源模块负责给单片机和电路供电。APP模块接收单片机采集到的数据并进行显示。该系统采用嵌入式设计技术，可以实现尿酸的便携式检测，检测成本低，检测方法快速便捷。

Description

一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统及方法

技术领域

本发明属于生物检测领域，尤其涉及一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统及方法。

背景技术

尿酸是人体内嘌呤代谢的最终产物。正常人体内尿酸每日的生成量和排泄量大致相等，约有1200毫克，其中每天新生成约600毫克，同时排泄掉600毫克，处于动态的平衡状态。当人体内产生的尿酸无法及时排出，体内的尿酸储量过多，即当血液中尿酸浓度大于7毫克/ 分升时，人体内的体液会变酸，嘌呤的代谢会发生紊乱，影响人体细胞的正常功能，长期处于这种状态下会引发痛风性关节炎、冠心病、中风、糖尿病、间质性肾脏病、肾结石、肾衰竭等疾病。

现代生活中随着人们生活水平的不断提高，人们的饮食习惯和以前已经大不相同，酒类、海鲜类等高嘌呤的食物摄入量相比上世纪显著增多，这些不健康的饮食习惯会引起人体中尿酸、血糖等物质的升高，进而衍生出各种疾病，如高尿酸血症、痛风等。痛风患者的年龄正在向低龄化发展，因此尿酸的早期检测对于预防上述疾病，及时采取相应的治疗措施具有重要意义。

目前，医学上常用的检测尿酸含量的方法有两大类，一是抽血检查血液中的尿酸含量，主要是通过医院全自动化分析仪进行检测。二是检查24小时内尿液中的尿酸总含量，在摄取低嘌呤饮食5天后，若24小时尿尿酸排泄少于600mg(3.6mmol)则定义为尿酸排泄减少型， 24小时尿尿酸排泄超过800mg(4.8mmol)定义为尿酸产生过多型。前者已经发展的相对成熟，但抽血属于侵入式检测，会有明显的痛感，且检测依赖特殊的检测仪器，检测周期长且检测不方便。后者不会对人体表面皮肤产生破坏，但由于需要检测24小时的尿液，需要医护人员辅助采集，且误差较大，无法实现实时的尿酸含量显示，检测时间过长且准确性不高。

现阶段大部分痛风患者都是在急性发作期时去医院进行检测，这样为时已晚，会给病人带来极大的痛苦，因此有必要寻找一种快捷、方便、廉价、准确的检测方法对尿酸含量进行实时监测，特别是如果能够有一款让痛风病人能够实时监控自身尿液尿酸含量的便携式产品，将会给病人带来极大的便利。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统及方法。本发明解决了目前尿酸检测成本高，检测周期长，依赖特殊检测仪器，检测不方便的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统，包括传感模块、信号调理模块、单片机控制模块、通信模块、电源模块、APP模块；

传感模块用于采集尿液中的尿酸浓度并转换成电流信号；

信号调理模块将传感模块采集到的微弱电流信号，转换成电压信号，对电压信号低通滤波，并维持传感模块中电极之间的电位差恒定；

单片机控制模块产生差分脉冲信号，作用于传感模块，并采集信号调理模块中经过滤波后的电压信号；

通信模块通过蓝牙把数据传输给APP模块的手机APP；

电源模块负责给单片机控制模块和信号调理模块供电；

APP模块接收单片机控制模块采集到的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并进行显示。

进一步地，传感模块包括丝网印刷电极、微型三电极转接头和柔性连接线；丝网印刷电极和柔性连接线通过微型三电极转接头连接；柔性连接线与单片机控制模块的接线端子相连；丝网印刷电极包括工作电极、参比电极和辅助电极。

进一步地，信号调理模块包括电流电压转化电路、低通滤波电路和恒电位电路；电流电压转换电路将传感模块的丝网印刷电极上的工作电极输出的uA级别的电流，转换成mV级别的电压，经过低通滤波电路后的电信号被单片机控制模块获取；恒电位电路保持工作电极和参比电极之间的电位差不变。

进一步地，单片机控制模块包括STM32最小系统模块、A/D模块和D/A模块；A/D模块用于采集信号调理模块的低通滤波电路输出的电压；D/A模块用于产生差分脉冲信号。

进一步地，单片机控制模块中，A/D模块和D/A模块的功能由STM32最小系统模块的ADC和DAC引脚实现。

进一步地，通信模块包括蓝牙模块，与单片机控制模块通过接线端子连接，将单片机控制模块采集到的信号，通过蓝牙发送给手机。

进一步地，电源模块包括5V直流电和5V转3.3V直流电；其中，5V直流电用于给信号调理模块的恒电位电路中的集成运算放大器供电，5V转3.3V直流电用于给单片机控制模块供电。

进一步地，APP模块包括手机APP；手机APP通过通信模块的蓝牙模块，接收单片机控制模块发送的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并显示尿酸浓度值及尿酸浓度变化曲线。

进一步地，还包括产品模块；产品模块用来放置传感模块，并收集尿液。

一种便携式低成本的尿液尿酸检测方法，基于上述系统，包括以下步骤：

步骤1：电源模块开始供电后，单片机控制模块初始化，开启A/D模块和D/A模块；

步骤2：D/A模块产生的差分脉冲信号，经过信号调理模块中的恒电位电路，通过柔性连接线和微型三电极转接头，传输给传感模块中丝网印刷电极的工作电极和参比电极；

步骤3：丝网印刷电极和微型三电极转接头嵌入到产品模块；当有尿液排出时，尿液到达产品模块；

步骤4：丝网印刷电极上的尿酸浓度发生变化时，工作电极的电流会发生变化，电流信号通过柔性连接线和微型三电极转接头，经过信号调理模块中的电流电压转化电路和低通滤波电路后，传输给A/D模块；

步骤5：A/D模块将采集到的电信号传给单片机控制模块中的STM32最小系统模块，STM32最小系统模块通过通信模块将信号传输给APP模块；

步骤6：APP模块中的手机APP将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并显示尿酸浓度值和尿酸浓度变化曲线。

本发明的有益效果是：

(1)纸尿裤和丝网印刷电极制作工艺简单，相对于现阶段其他的尿酸检测方式，检测成本极低；

(2)非侵入式实时检测，使用柔性连接线连接，佩戴舒适感好，操作简单，易于更换；

(3)可以实现便携式自我检测，灵敏度高，选择性好，实用性强，对于高尿酸血症、痛风等疾病的预防具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的便携式低成本的尿液尿酸检测系统的原理图；

图2为本发明的产品模块和传感模块示意图；

图3为本发明的便携式低成本的尿液尿酸检测方法的示意图。

图中：1、表面包覆层；2、吸收芯层；3、丝网印刷电极；4、辅助电极；5、工作电极； 6、参比电极；7、微型三电极转接头；8、柔性连接线；9、纸尿裤固定部分；10、底层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统，包括产品模块、传感模块、信号调理模块、单片机控制模块、通信模块、电源模块、APP模块。

产品模块用来放置传感模块，并收集尿液。产品模块包括特殊设计的纸尿裤。纸尿裤包括表面包覆层1、吸收芯层2和底层10。

传感模块用来通过产品模块实时采集尿液中的尿酸浓度并转换成电流信号。传感模块包括丝网印刷电极3、微型三电极转接头7和柔性连接线8。如图2所示，传感模块嵌入到纸尿裤的吸收芯层2。丝网印刷电极3包括工作电极5、参比电极6和辅助电极4。微型三电极转接头7的尺寸大小为1cm*1cm，厚度为2mm。丝网印刷电极3和柔性连接线8通过微型三电极转接头7连接。柔性连接线8与单片机控制模块的接线端子相连。

信号调理模块将传感模块采集到的微弱电流信号，转换成电压信号，对电压信号低通滤波，并维持传感模块中电极之间的电位差恒定。信号调理模块包括电流电压转化电路、低通滤波电路和恒电位电路。电流电压转换电路将传感模块的丝网印刷电极3上的工作电极5输出的uA级别的电流，转换成mV级别的电压，经过低通滤波电路后的电信号被单片机控制模块中的A/D模块获取。恒电位电路保持工作电极5和参比电极6之间的电位差不变。

单片机控制模块产生差分脉冲信号，作用于传感模块，并采集信号调理模块中经过滤波后的电压信号。单片机控制模块包括STM32最小系统模块、A/D模块和D/A模块。A/D模块用于采集低通滤波后的电压。D/A模块用于产生差分脉冲信号。A/D模块和D/A模块的功能由单片机控制芯片的ADC和DAC引脚实现。

通信模块通过蓝牙把数据传输给APP模块的手机APP。通信模块包括蓝牙模块，与单片机控制模块通过接线端子连接，将单片机控制模块采集到的信号，通过蓝牙发送给手机。

电源模块负责给单片机控制模块和信号调理模块供电。电源模块包括5V直流电和5V转 3.3V直流电。其中，5V直流电用于给信号调理模块的恒电位电路中的集成运算放大器供电， 5V转3.3V直流电用于给单片机控制模块供电。

APP模块接收单片机控制模块采集到的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并进行显示。APP模块包括手机APP。手机APP通过通信模块的蓝牙模块，接收单片机发送的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并实时显示尿酸浓度值及尿酸浓度变化曲线。每天的尿酸浓度检测记录存储在手机APP中。

如图2所示，本发明一种便携式低成本的尿液尿酸检测方法，步骤如下：

步骤1：电源模块开始供电后，单片机控制模块初始化，开启A/D模块和D/A模块。D/A 模块和信号调理模块工作时，转入步骤2；产品模块工作时，转入步骤3；传感模块和信号调理模块工作时，转入步骤4；A/D模块和通信模块工作时，转入步骤5；APP模块工作时，转入步骤6。

步骤2：D/A模块产生的差分脉冲信号，经过信号调理模块中的恒电位电路，通过柔性连接线8和微型三电极转接头7，传输给传感模块中丝网印刷电极3的工作电极5和参比电极6，转入步骤3。

步骤3：丝网印刷电极3和微型三电极转接头7嵌入到纸尿裤的吸收芯层2。将纸尿裤穿戴好后，没有尿液排出的期间，整个检测系统处于低功耗待机状态；当有尿液排出时，尿液渗透过纸尿裤的表面包覆层1到达吸收芯层2，转入步骤4。

步骤4：丝网印刷电极3上的尿酸浓度发生变化时，工作电极5的电流会发生变化，电流信号通过柔性连接线8和微型三电极转接头7，经过信号调理模块中的电流电压转化电路和低通滤波电路后，传输给A/D模块，转入步骤5。

步骤5：A/D模块将采集到的电信号传给单片机控制模块中的STM32最小系统模块，STM32最小系统模块通过通信模块将信号传输给APP模块，转入步骤6。

步骤6：APP模块中的手机APP将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并实时显示尿酸浓度值和尿酸浓度变化曲线。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施方式相同或近似的方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，包括传感模块、信号调理模块、单片机控制模块、通信模块、电源模块、APP模块；

传感模块用于采集尿液中的尿酸浓度并转换成电流信号；

信号调理模块将传感模块采集到的微弱电流信号，转换成电压信号，对电压信号低通滤波，并维持传感模块中电极之间的电位差恒定；

单片机控制模块产生差分脉冲信号，作用于传感模块，并采集信号调理模块中经过滤波后的电压信号；

通信模块通过蓝牙把数据传输给APP模块的手机APP；

电源模块负责给单片机控制模块和信号调理模块供电；

APP模块接收单片机控制模块采集到的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并进行显示。

2.根据权利要求1所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，传感模块包括丝网印刷电极、微型三电极转接头和柔性连接线；丝网印刷电极和柔性连接线通过微型三电极转接头连接；柔性连接线与单片机控制模块的接线端子相连；丝网印刷电极包括工作电极、参比电极和辅助电极。

3.根据权利要求2所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，信号调理模块包括电流电压转化电路、低通滤波电路和恒电位电路；电流电压转换电路将传感模块的丝网印刷电极上的工作电极输出的uA级别的电流，转换成mV级别的电压，经过低通滤波电路后的电信号被单片机控制模块获取；恒电位电路保持工作电极和参比电极之间的电位差不变。

4.根据权利要求3所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，单片机控制模块包括STM32最小系统模块、A/D模块和D/A模块；A/D模块用于采集信号调理模块的低通滤波电路输出的电压；D/A模块用于产生差分脉冲信号。

5.根据权利要求4所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，单片机控制模块中，A/D模块和D/A模块的功能由STM32最小系统模块的ADC和DAC引脚实现。

6.根据权利要求4所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，通信模块包括蓝牙模块，与单片机控制模块通过接线端子连接，将单片机控制模块采集到的信号，通过蓝牙发送给手机。

7.根据权利要求6所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，电源模块包括5V直流电和5V转3.3V直流电；其中，5V直流电用于给信号调理模块的恒电位电路中的集成运算放大器供电，5V转3.3V直流电用于给单片机控制模块供电。

8.根据权利要求7所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，APP模块包括手机APP；手机APP通过通信模块的蓝牙模块，接收单片机控制模块发送的数据，将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并显示尿酸浓度值及尿酸浓度变化曲线。

9.根据权利要求2所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，其特征在于，还包括产品模块；产品模块用来放置传感模块，并收集尿液。

10.一种便携式低成本的尿液尿酸检测方法，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述便携式低成本的尿液尿酸检测系统，包括以下步骤：

步骤1：电源模块开始供电后，单片机控制模块初始化，开启A/D模块和D/A模块；

步骤2：D/A模块产生的差分脉冲信号，经过信号调理模块中的恒电位电路，通过柔性连接线和微型三电极转接头，传输给传感模块中丝网印刷电极的工作电极和参比电极；

步骤3：丝网印刷电极和微型三电极转接头嵌入到产品模块；当有尿液排出时，尿液到达产品模块；

步骤4：丝网印刷电极上的尿酸浓度发生变化时，工作电极的电流会发生变化，电流信号通过柔性连接线和微型三电极转接头，经过信号调理模块中的电流电压转化电路和低通滤波电路后，传输给A/D模块；

步骤5：A/D模块将采集到的电信号传给单片机控制模块中的STM32最小系统模块，STM32最小系统模块通过通信模块将信号传输给APP模块；

步骤6：APP模块中的手机APP将接收到的数据转化为尿酸浓度值，并显示尿酸浓度值和尿酸浓度变化曲线。

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