熊 鳴

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100192)

尿液分析儀是測定尿液中某些化學(xué)成分的自動化儀器，是醫(yī)學(xué)實驗室尿液自動化檢查的重要工具。20世紀50年代即有人采用單一干化學(xué)法測定尿中蛋白質(zhì)和葡萄糖，利用肉眼觀察試帶顏色的變化與標準板行進行對比，得出相應(yīng)的數(shù)值。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，尿液自動化分析儀也得到了迅速發(fā)展，逐步由先前的半自動化轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣踊?/p>

新設(shè)計的全自動儀器采用Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZET6作為分析儀的控制芯片。并采用高亮度的冷光源二極管(LED)照射提供RGB(紅、綠、藍)3色光，同時采用Vishay的BPW21R作為光電轉(zhuǎn)換器。

1 尿液分析原理

儀器采用的尿液試紙條為德國Bayer公司的Multistix 10SG，該試紙條共有10個測試項目。分別為葡萄糖、膽紅素、酮體、比重、潛血、PH值、蛋白質(zhì)、尿膽原、亞硝酸鹽和白細胞。10種試紙塊按序安放在試紙條基板上，每個試紙塊會與尿液中的特定成份產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。隨著該成份的濃度變化，試紙塊的顏色也隨之發(fā)生改變。利用冷光源對試紙塊進行照射，得到不同的反射率。并根據(jù)反射率得到尿液中特定成份的濃度［1］。

根據(jù)成份的不同，采用不同的光源照射，具體算法如下

其中，Vmb為試紙條對藍色LED燈的反射率;Vcb為標準條對藍色LED燈的反射率;Vmr為試紙條對紅色LED燈的反射率;Vcr為標準條對紅色LED燈的反射率，Vmg為試紙條對綠色LED燈的反射率，Vcg為標準條對綠色LED燈的反射率。由于尿液中不同成份需要用不同的單一光源進行照射或不同的光源進行順序照射［2］。所以需將上述反射值相加得到算數(shù)平均值。

2 光電檢測系統(tǒng)

光電檢測系統(tǒng)采用步進電機傳動系統(tǒng)+高亮度冷光源二極管(LED)+BPW21R(VISHARY)組成。其中LED由兩個紅燈、綠燈、藍燈組成。6個LED燈相差60°，同色燈之間互差180°，對于方形的試紙塊而言，互差180°的同色照射燈保證了反射光的出射角一致。由于實際中藍燈的亮度遠大于另外兩種燈的亮度，故在實際實施過程中選擇一個藍燈，而其他的選擇兩個。BPW21R作為光電轉(zhuǎn)換器放置在5個LED燈所組成圓的圓心，即5個燈具的幾何中心，而中心放置的BPW21R保證了光源照在每種試紙塊上的反射光具有相同的吸收角度［3］。

步進電機傳動系統(tǒng)采用日本伺服電機公司的KP4P15G－411步進電機，步進角15°。由步進電機帶動試紙托板運動，將試紙塊準確的送入光源的幾何中心，保證光源能夠每次均照射到試紙塊的中心部位。為降低背景光線對測試的影響，光電檢測系統(tǒng)的所有部件均采用黑色。為確保在每次檢測中不存在步進系統(tǒng)的累計誤差，每次移動開始時均從一個固定點開始運動，該固定點的位置由試紙托板上的突起擋塊以及對射式光電開關(guān)組成。光電開關(guān)的位置固定，當(dāng)突起擋塊到達光電開關(guān)時則停止步進電機的運動，利用該種方式保證步進電機每次移動均從同一位置開始，消除由于長期運行齒輪和托板之間間隙擴大所帶來的系統(tǒng)誤差。采用的紅色、綠色、藍色的LED波長分別為626 nm、569 nm和470 nm。

選用的光電轉(zhuǎn)換器BPW21R具有高靈敏度、較低的暗電流以及較好的線性特性。是作為該光電檢測系統(tǒng)的理想元件［4］。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

尿液分析儀的硬件如圖1所示，包含8個部分，分為:電源模塊、鍵盤(16鍵)、LCD顯示部分、打印部分(SEIKO LPC1245)、EEPROM(24C512)、網(wǎng)絡(luò)模塊(W5100)、驅(qū)動芯片(ULN2803)以及由AD8674組成的信號調(diào)理電路［5］。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

微控制器采用基于Cortex－M3內(nèi)核的意法半導(dǎo)體公司STM32F103ZET6，該型號為LQFP144的封裝，帶FSMC功能，F(xiàn)SMC全稱為靜態(tài)存儲器控制器是為了模擬C51的總線功能而設(shè)置，利用FSMC可較好地對SSD1963進行控制，SSD1963可以驅(qū)動TFT液晶屏，該系統(tǒng)所使用的TFT為7寸800×480的彩屏。由于該系統(tǒng)的畫面較為固定，并且在檢驗過程中畫面的變化速度較慢，因此采用SSD1963作為驅(qū)動芯片完全滿足要求。

分析儀一共有16個鍵值，設(shè)計成一個4×4的鍵盤，由于微控制器每個GPIO都可以單獨配置成上升沿或下降沿進入中斷，并可配置該中斷的優(yōu)先級，故在該設(shè)計中選擇一組GPIO中的8個管腳作為鍵盤的輸入腳。將8個GPIO都配置成上升沿進入中斷模式，從而保證了每個鍵按下后都能得到及時的處理。網(wǎng)絡(luò)模塊采用W5100，該芯片采用SPI接口，通過W5100以及配套的RJ45能將檢驗結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定主機。利用24C512存儲檢驗結(jié)果，該EEPROM為32 kB的存儲量，將檢驗結(jié)果進行BCD編碼之后壓縮存儲，存儲時先建立一個完整的檢索表，根據(jù)檢索表找到存取的地址，并進行相應(yīng)的存儲。將檢驗結(jié)果壓縮后可存儲3 000條數(shù)據(jù)，同時可利用替換方式的循環(huán)存儲。

步進電機采用A3977驅(qū)動，A3977為Allergo公司生產(chǎn)的步進電機驅(qū)動器，最高可做到8細分。該芯片最高工作電壓為35 V，最大工作電流為2.5 A，完全滿足系統(tǒng)要求，并且可在自檢時使用該芯片的細分功能，保證試紙托架每次均從相同的位置開始運動。ULN2803為內(nèi)含8通道的達林頓三極管陣列，最高驅(qū)動電流可達500 mA，利用該三極管陣列驅(qū)動3組LED燈。熱敏打印機采用SEIKO公司的LPC1245，將檢驗結(jié)果即刻打印出來。該LPC1245有4組發(fā)熱組件，共含有386個發(fā)熱點，CPU將打印數(shù)據(jù)通過GPIO串行發(fā)送至打印機的數(shù)據(jù)接收端。LPC1245的步進電機驅(qū)動采用LB1838M。由于該設(shè)備所使用的漢字有限，且微控制器的Flash為512 kB，可直接將熱敏打印機所使用的漢字字庫存入微控制器的Flash中，方便程序調(diào)用，節(jié)省了一個數(shù)據(jù)存儲器。

微控制器有RTC控制器、ADC模塊以及DAC模塊。利用ADC模塊可得到光源照射在試紙塊上的反射率，DAC模塊是作為信號調(diào)理的輸入部分，RTC控制器則可得到生成檢驗報告的時間。

3.2 信號調(diào)理單元

圖2 調(diào)理模塊圖示

式中，R為將BPW21R輸出的電流變換成電壓的轉(zhuǎn)換電阻;im為試紙塊經(jīng)過照射之后反射率折算成電流的理論值;id為由于環(huán)境光以及BPW21R暗電流所引起的誤差值;Ud為微控制器的DAC輸出電壓，從式中可看出，利用Ud可將BPW21R的暗電流和環(huán)境光所引起的誤差基本消除，微控制器所帶的DAC模塊為雙路12位，故可調(diào)的范圍較大。DAC的輸出值需要在每次自檢時修改，保證每次測試時運算放大器的輸出電壓只和試紙塊的反射率成正比

系統(tǒng)各主要部件相對誤差如表1所示，由于BPW21R的暗電流以及安裝方式保證了光電轉(zhuǎn)換器的誤差遠小于電阻的相對誤差，且在電流的傳輸通道中還有運算放大器，AD8674的噪聲水平為μL級，因此相對電阻的相對誤差也可忽略不計，由于ADC和DAC模塊都需要外部電壓參考源，選擇REF3233作為電壓基準，該電壓基準的精度為0.01 %，在0 °以上溫漂為7 ppm/℃相對于電阻相對誤差而言也可忽略不計。系統(tǒng)總的相對誤差為0.2 %。

表1 主要部件相對誤差

圖3顯示了3段曲線，為multistix 10SG試紙條中葡萄糖(GLU)的閾值曲線圖，該閾值為GLU分檔的依據(jù)。其中系列1為標準樣條在標準樣機上的閾值數(shù)據(jù)形成的曲線，系列2和系列3為利用標準樣條在隨機抽取的設(shè)備上所形成的閾值數(shù)據(jù)，從圖中可看出，系列2和系列3的圖形與系列1的曲線存在一定的偏差，采用DAC進行補償之后，使得系列2和系列3基本與系列1一致，系列2和系列3的閾值數(shù)據(jù)校正后與系列1的閾值數(shù)據(jù)誤差在理論范圍之內(nèi)，補償之后的結(jié)果如圖4。

圖3 未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)

圖4 經(jīng)處理的數(shù)據(jù)

采用DAC模塊輸出電壓對數(shù)據(jù)進行補償?shù)姆绞?，可縮短儀器出廠時的校正時間，利用DAC進行自動補償?shù)姆绞?，將每次補償時的DAC數(shù)值存儲在EEPROM中，方便以后校正。由于LED燈的批次不同，LED燈的發(fā)光強度也有差異，可利用調(diào)節(jié)達林頓管之前的輸入電阻的阻值來完成，但由于該方法效率較低，且長時間使用后，發(fā)光強度變化無法及時調(diào)整，因此采用DAC模塊輸出電壓進行校正的方式可補償LED燈發(fā)光強度不一致所帶來的測量誤差。

3.3 軟件設(shè)計

該分析儀采用ANSI C編寫，微控制器的工作頻率為72 MHz，故主程序采用時間片輪詢的方式完成各項操作任務(wù)。間隔時間為0.5 ms。鍵盤采用中斷的方式，并在軟件中加入防抖程序，確保能夠及時響應(yīng)按鍵。

主程序流程圖如圖5所示，在完成一次檢驗后，將檢驗結(jié)果打印并同時將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定的主機，利用微控制器的獨立看門狗來確保程序可靠運行。

4 結(jié)束語

通過實際臨床應(yīng)用，該尿液分析儀達到了國家標準，滿足了尿液檢測的需求。針對常用的尿液干化學(xué)分析法，本設(shè)計采用了新的算法，利用微控制器自帶的DAC模塊輸出給定電壓以補償由于各種原因造成的誤差，提高了該分析儀的自動化程度，降低了出廠的檢定工作強度。

圖5 程序流程圖

整個系統(tǒng)采用性價比較高的Cortex－M3處理器，使得系統(tǒng)中只有較少的外圍器件，在降低系統(tǒng)成本的前提下保證了系統(tǒng)的整體可靠性。

［1］ 劉薊.近紅外光譜尿液分析儀的原理及實現(xiàn)［J］.中國測試，2012(1):64－67.

［2］ 洪展桐，文海軍.尿液分析儀檢測尿液白細胞的探討［J］.臨床醫(yī)學(xué)工程，2012，19(7):1048－1049.

［3］ 曹妍.提高尿液分析儀尿常規(guī)檢測準確性方法的探討［J］.中國保健醫(yī)學(xué)雜志，2010(2):140－141.

［4］ 張時民.尿干化學(xué)分析技術(shù)進展和展望［J］.中國醫(yī)療器械信息，2010(12):6－13.

［5］ 馬騰，廖海洋，黃宗偉.基于CCD的微小型快速尿液分析儀的設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2007(4):8－11.