結合32位微處理器和高精度顏色傳感器構建一種新型尿液分析核心模塊。模塊采用新穎的光學結構和特定電路提高測量精度,并利用溫度對測量結果進行補償,可直接輸出當前測試條的原始數據及尿液中11項被測指標試紙塊顏色的RGB值、反射率、半定量等級等信息。結果表明,該模塊測量精度在95%以上,具有較好的穩定性、可靠性和一致性,同時該模塊還具有很好的開放性和可擴展性,可方便地用于各種類型的尿液分析儀,并可大幅度地降低尿液分析儀的研發和生產成本。
引用本文： 陳龍聰, 劉改琴, 胡南, 張瑞英, 江奇鋒, 高斌, 熊興良. 基于半反半透鏡的新型尿液分析核心模塊的研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1288-1293. doi: 10.7507/1001-5515.20140244 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
引言
尿液分析是一項重要的臨床化驗指標[1]，除用于泌尿系統疾病的診斷、療效觀察以外，還可用于會引起尿液生化成分改變的其它系統疾病的診斷、安全用藥檢測和健康狀態初評等[2-5]。
早期通過人眼直接對比試紙條與標準色卡獲得的尿液分析測試結果，由于受人眼主觀因素影響，誤差較大。隨著計算機及自動化技術的發展,基于干化學的尿液分析儀成為臨床的主流檢測方法，其關鍵是顏色值的獲取和半定量分析算法，其中顏色值的準確性取決于光學系統和顏色采集器。該部分目前主要有三種方式：① 利用不同波長的發光二極管(light emitting diode,LED)燈依次照射試紙條，根據光敏元件接收到不同顏色對應的反射光強，獲取試紙條對應項的顏色值[6-7]；② 采用白光光源照射測試試紙條，利用顏色傳感器獲取試紙條對應項的顏色值；③ 采用白光照射測紙條，利用電荷耦合組件(charge coupled Device,CCD)圖像傳感器以圖像的形式接收不同顏色的反射光強，然后通過圖像處理獲取試紙條對應項的顏色值[8-9]。其中，① 和② 都具有成本較低，裝配簡單等優點，但均存在照射光源裝配位置及角度、傳感器離色塊的距離等因素對檢測結果有較大影響。最后一種光學系統比前兩種方式復雜，光照均勻性要求高，成本也較高，且梯度定標繁瑣，目前僅有部分全自動尿液分析在使用。另外，影響尿液分析儀測量精度、重復性和一致性等性能的因素，除半定量分析算法[10]外，還有環境光、溫度、試紙的新鮮度等[11-16]。針對各種影響因素，通常從軟、硬件兩方面改進：如采用先進的超高亮度冷光源提高光學系統的分辨能力和穩定性，降低環境光對測試結果的影響；采用封閉化、模塊化的系統設計，選用大規模集成電路，以降低元件數量，減小系統內部各部件間的相互干擾，提高產品的可靠性、穩定性；采用軟硬件配合的技術，實現對環境溫度、環境光等干擾的自動補償。
本文結合32位微處理器和高精度顏色傳感器構建一種新型尿液分析核心模塊，提出了一種新的光路系統，同時采用軟硬件相結合的技術，對環境溫度、環境光等干擾因素進行自動補償，可提高測量精度、重復性和穩定性等。
1 模塊設計
本文模塊采用新穎的光學結構，盡可能減少光學系統對測量產生的影響，并利用溫度傳感器獲取環境溫度，根據測量數據與溫度的關系進行修正，以減小溫度對測量結果產生的影響。本文以特定的電路結構及相應的計算方法提高測量RGB值及光強控制精度，有效地提高各輸入量的測量精度。另外，根據實驗數據，利用偏最小二乘法獲得維生素C(vitamin C,VC)、尿糖(glucose,GLU)、膽紅素(bilirubin,BIL)、尿酮體(ketone,KET)、尿比重(specific gravity,SG)、隱血(blood,BLD)、酸堿度(pH)、尿蛋白(protein,PRO)、尿膽原(urobilinogen,URO)、亞硝酸鹽(nitrite,NIT)、尿白細胞(leucocyte,LEU)共11項指標的反射率等計算公式及半定量值區間，由于篇幅限制，該部分獲取方法未詳細闡述，只直接引用結果。本文重點描述該新型尿液分析核心模塊的硬件和軟件結構兩部分。其中硬件部分由光學部分、數據采集和處理兩部分構成，軟件部分用Keil uVision3編譯器實現程序的編譯，下面分別對每部分進行詳細闡述。
1.1 光學部分
如圖 1所示，光學部分由白色LED、半反半透鏡、TCS3104顏色傳感器及T形光筒燈構成。
圖1
核心模塊的光學及顏色采集原理圖
Figure1.
Structural illustration of optical and color collection system in core module
白色LED提供強度可控的光源，以滿足TCS3104顏色傳感器對光強的要求；半反半透鏡可將LED的光反射到試紙條，并將經試紙條反射的光再透射回TCS3104顏色傳感器；TCS3104顏色傳感器將RGB值分別以模擬電壓的形式輸出，外部根據輸出的電壓獲取相應的顏色和亮度信息；T形光筒主要遮擋環境光對結果的影響。如圖 1所示，該模塊的光學顏色采集方法可實現：① 采集的顏色值是不同顏色光在同一位置的反射光信號，在顏色合成時不會出現顏色的位置偏差；② 減小傳感器與色塊距離不同時對檢測結果的影響。
1.2 數據采集和處理部分
如圖 2所示，本部分由光強控制單元、控制和處理單元、啟停控制單元、高精度參考電壓單元、顏色傳感器單元、溫度測量單元和串行通訊單元共7個單元組成。其中，啟停控制單元實現控制電平的轉換，降低功耗，延長使用壽命；溫度測量單元利用18B20實現溫度的測量，以供溫度補償使用；串行通訊單元實現與外部各種數據的傳輸。下面對其余4部分進行詳細闡述。
圖2
數據采集和處理部分框圖
Figure2.
Block diagram of data acquisition and processing
1.2.1 光強控制單元
該單元利用恒流的方式控制白色LED燈光強，獲取更穩定的光強。其主要是通過微處理器STM32F103RB輸出16位分辨率的脈沖寬度調制信號，經濾波、放大等處理后輸出控制電壓，并利用運算放大器實現電壓電流轉換，進而達到用恒流控制白色LED燈的目的。另外，在LED回路串聯了一取樣電阻，并將其采樣電壓送入微處理器STM32F103RB的模擬端口，從而形成閉環控制，提高恒流的控制精度。
1.2.2 控制和處理單元
該單元由32位微處理器STM32F103RB及相應的外圍元件構成[17]。其中STM32F103RB內帶12位、1 μs轉換速度的A/D轉換器、有128 kb可用于程序和數據存儲的flash存儲器、20 kb靜態存儲，最高工作頻率可達72 MHz。本單元可將顏色傳感器輸出的模擬電壓轉換為相應的數字值，實現顏色的采集，并通過相應算法，根據輸入信息輸出所需的信息，同時還可利用內帶的串口實現與外部通信等功能。
1.2.3 高精度參考電壓單元
該單元是為提高每道A/D轉換的精度而設計的。STM32F103RB內帶A/D轉換的值以模擬電源作為A/D轉換的參考電壓，實際使用中模擬電源會出現波動，且不同核心模塊相應的模擬電源電壓值也可能有小的差異，會造成相同輸入對不同核心模塊A/D轉換的值有一定差異，進而出現核心模塊測量的一致性不好。為解決這一問題，本文提出選用精度為0.1%的3 V參考電壓芯片ADR363B(輸出電壓噪聲峰值6.8 μV、電壓精度±3 mV、溫度系數9 ppm/℃)的輸出作為STM32F103RB的一道模擬輸入，以其作為對照，對其它道的A/D轉換值進行修正。實驗證明，該法可以很好地減小電源電壓引入的干擾，并能提高核心模塊測量的一致性和測量精度。
1.2.4 顏色傳感器單元
該單元由高精度顏色傳感器TCS3104組成，可實現與光路部分的銜接。TCS3104顏色傳感器直接輸出顏色的RGB三色分量模擬電壓值，外部引腳可控制其輸出增益為4倍或1倍，采用4倍可有效提高低照度下的測量精度，響應的典型時間為12 μs，輸出對RGB的典型靈敏度分別為0.4、0.25、0.2 mV/(μW·cm-2)，在微處理器的控制下實現RGB顏色的采集,并利用白色紙條的值進行修正。
1.3 軟件部分
軟件部分是利Keil uVision3編譯器編寫，以32位微處理器STM32F103RB的定時器、A/D轉換、Flash存儲、串口等實現各種控制數據的采集、保存、處理及通信。如圖 3所示，軟件部分包括啟停控制子程序、光強控制子程序、A/D轉換處理子程序、顏色處理子程序、結果處理子程序、串口通訊子程序、參數處理子程序、主程序等幾部分。其中，串口通訊子程序通過串行口與外部進行通信，實現信息的交換，比如輸出顏色的RGB分量值、各項的結果序號值等；參數處理子程序則是根據輸入的信息，讀取、保存或更改對應的參數，使得模塊具有很好的開發性和可擴展性；光強控制子程序是利用閉環控制方式使加在白色LED上的電流為恒定的預設值；A/D轉換子程序利用STM32F103RB的定時器實現各種數據的A/D轉換值依據式(1)計算出結果并存入相應的緩沖區；顏色處理子程序在主程序的協調下將顏色的RGB分量從A/D轉換子程序緩沖區取出，并利用式(2)進行修正，得到最后計算所需的RGB值；溫度測量子程序完成溫度的測量，通過多次平均后將測量值存入特定的變量之中，以供結果處理單元使用；結果處理子程序在主程序的協調下，根據顏色處理子程序處理后的RGB值的分布特征取出對應不同色塊的數據，再利用對應測試項的式(3)和式(4)計算出相應的反射率，根據設置的半定量區間值(如表 1所示，給出了蛋白質的區間)得出相應的半定量序號值；主程序是調用啟停控制子程序獲取外部控制的信息，即是啟動工作還是停止工作。若停止工作，則進行相應處理使整個核心模塊處于低功耗模式；若啟動工作，則調用相應的子程序通過對應的關鍵公式進行計算和處理，并輸出相應數據。以下將對軟件部分的關鍵公式進行闡述。
圖3
軟件框圖
Figure3.
Block diagram of software
通過STM32F103RB測量各道輸入電壓的計算公式為：
| ${{V}_{i}}={{D}_{i}}\times 3.0/{{D}_{r}}$ |
式中Vi為計算所得的輸入電壓值，Dr取3.0 V參考電壓經A/D轉換平均值(為了濾除干擾)，Di為需測量的某道A/D轉換值。
| ${{D}_{m}}={{V}_{i}}\times 255/{{V}_{W}},$ |
式中Dm為計算所得顏色分量值(m=R,G,B，分別表示紅色，綠色和藍色)，Vi為式(1)所得的結果值，VW表示用白條測試時式(1)算出的值。
| ${{y}_{25}}^{*}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}{{D}_{R}}+{{c}_{2}}{{({{D}_{R}})}^{2}}+{{c}_{3}}{{D}_{G}}+{{c}_{4}}{{({{D}_{G}})}^{2}}+{{c}_{5}}{{D}_{B}}+{{c}_{6}}{{({{D}_{B}})}^{2}},$ |
| ${{y}^{*}}={{c}_{0}}\prime +{{c}_{1}}\prime T+{{c}_{2}}\prime {{T}^{2}}+{{c}_{3}}\prime {{y}_{25}}^{*}+{{c}_{4}}\prime {{({{y}_{25}}^{*})}^{2}},$ |
式中DR、DG和DB分別為通過式(2)算出的某一測試項或試紙塊的紅色、綠色和藍色的分量值，c0～c4為某一測試項擬合的系數，y25*為式(3)算出的25℃時的反射率，T為測量時的環境溫度，c0′～c4′為某一測試引入溫度后擬合的系數。不同測試項c0～c4和c0′～c4′的系數不同，具體值是根據大量實驗數據分析得出。如：根據實驗得出蛋白質的計算公式為：
| $\begin{align} & {{y}_{25}}^{*}=-118.656\text{ }6+0.221\text{ }3{{D}_{R}}+0.001\text{ }4{{({{D}_{R}})}^{2}}+1.741\text{ }9{{D}_{G}} \\ & -0.005\text{ }6{{({{D}_{G}})}^{2}}-0.039\text{ }8{{D}_{B}}-0.000\text{ }2{{({{D}_{B}})}^{2}} \\ \end{align}$ |
| $\begin{align} & {{y}^{*}}=-8.851\text{ }2+0.427\text{ }8T- \\ & 0.002\text{ }4{{T}^{2}}+1.003\text{ }4~{{y}_{25}}^{*}-0.000\text{ }1\text{ }{{({{y}_{25}}^{*})}^{2}} \\ \end{align}$ |
蛋白質半定量值區間如表 1所示。
表1
蛋白質的半定量值區間及半定量值
Table1.
Semi-quantitative scales and semi-quantitative values of protein
若輸出為反射率，則通過式(6)算出的反射率，若為RGB值則為當前測定的RGB值。
2 結果
該新型尿液分析核心模塊的實物如圖 4所示，可直接輸出當前測試條的原始數據、人尿中白細胞、酮體等11項物質各自的RGB值、反射率、半定量等級等信息，可方便地用于各種類型的尿液分析儀。為了說明該模塊的結果，下面通過實驗得到不同試紙條的4種輸出，即當前測試條的原始數據如圖 5所示，試紙塊顏色的RGB值如表 2所示，反射率如表 3所示，半定量等級數據如表 4所示。圖 5中，紅色箭頭所對應的位置即每一個極小值對應一試紙塊的顏色值，紅色、綠色和藍色曲線分別表示在試紙條移動過程中對應RGB顏色的變化，利用該功能及輸出試紙塊顏色的RGB值可以對新的測試項的規律進行研究、分析，利用外部工具如Matlab等得出相應的計算公式，然后通過特定的指令添加測試項及對應的系數，以實現相應項的測量，利用輸出反射率可以通過實驗確定各項的半定量區間，并通過特定的指令更改對應項的區間等。
圖4
新型尿液分析核心模塊的實物圖
Figure4.
Picture of the new urine analysis core module
圖5
試紙條的原始數據波形圖
Figure5.
Waveform of original data collected within a test strip
表2
試紙條各試紙塊顏色的RGB值
Table2.
RGB value of test pieces of a test strip
表3
試紙條各試紙塊顏色的反射率
Table3.
Reflectivity of test pieces within a test strip
表4
試紙條各試紙塊的半定量等級
Table4.
Semi-quantitative level of test pieces within a test strip
另外，為了驗證該核心模塊的可靠性、穩定性以及一致性，進行了大量的實驗，測試的最后結果如表 5所示。在醫學上,常用“-”表示陰性,表示被測試者健康,“+”表示陽性,表示被測試者有疾病。其中，加號越多,代表病情越嚴重。由表 5可以得出,該核心模塊測試的準確度達到95%及以上,完全達到尿液分析測試結果的要求。
表5
尿液測試結果
Table5.
Results of urine test using the homemade core module
3 討論
本文提出了一種基于32位微處理器STM32F103RB和顏色傳感器TCS3104的新型尿液分析儀的核心模塊，采用新穎的光路結構、特定的電路及軟件算法進行補償，使其每項測量精度均在95%及以上，具有很好的穩定性、可靠性和一致性。另外，該模塊可根據外部控制直接輸出當前測試條的原始數據、11項指標各自顏色的RGB值、反射率、半定量等級等信息，并且通過特定的指令還可實現修改反射率計算系數、增加測試項和對應的計算系數、讀取或更改半定量區間等。因此，該模塊具有很好的開發性和可擴展性，從而保證具有很好的通用性，適用于各種類型的尿液分析儀，并可大幅度地降低尿液分析儀的研發和生產成本，具有很好的使用價值和廣闊的市場前景。但目前還需對其整體光路、電路和軟件進一步優化，力求成為一種標準化尿液分析儀核心模塊。
引言
尿液分析是一項重要的臨床化驗指標[1]，除用于泌尿系統疾病的診斷、療效觀察以外，還可用于會引起尿液生化成分改變的其它系統疾病的診斷、安全用藥檢測和健康狀態初評等[2-5]。
早期通過人眼直接對比試紙條與標準色卡獲得的尿液分析測試結果，由于受人眼主觀因素影響，誤差較大。隨著計算機及自動化技術的發展,基于干化學的尿液分析儀成為臨床的主流檢測方法，其關鍵是顏色值的獲取和半定量分析算法，其中顏色值的準確性取決于光學系統和顏色采集器。該部分目前主要有三種方式：① 利用不同波長的發光二極管(light emitting diode,LED)燈依次照射試紙條，根據光敏元件接收到不同顏色對應的反射光強，獲取試紙條對應項的顏色值[6-7]；② 采用白光光源照射測試試紙條，利用顏色傳感器獲取試紙條對應項的顏色值；③ 采用白光照射測紙條，利用電荷耦合組件(charge coupled Device,CCD)圖像傳感器以圖像的形式接收不同顏色的反射光強，然后通過圖像處理獲取試紙條對應項的顏色值[8-9]。其中，① 和② 都具有成本較低，裝配簡單等優點，但均存在照射光源裝配位置及角度、傳感器離色塊的距離等因素對檢測結果有較大影響。最后一種光學系統比前兩種方式復雜，光照均勻性要求高，成本也較高，且梯度定標繁瑣，目前僅有部分全自動尿液分析在使用。另外，影響尿液分析儀測量精度、重復性和一致性等性能的因素，除半定量分析算法[10]外，還有環境光、溫度、試紙的新鮮度等[11-16]。針對各種影響因素，通常從軟、硬件兩方面改進：如采用先進的超高亮度冷光源提高光學系統的分辨能力和穩定性，降低環境光對測試結果的影響；采用封閉化、模塊化的系統設計，選用大規模集成電路，以降低元件數量，減小系統內部各部件間的相互干擾，提高產品的可靠性、穩定性；采用軟硬件配合的技術，實現對環境溫度、環境光等干擾的自動補償。
本文結合32位微處理器和高精度顏色傳感器構建一種新型尿液分析核心模塊，提出了一種新的光路系統，同時采用軟硬件相結合的技術，對環境溫度、環境光等干擾因素進行自動補償，可提高測量精度、重復性和穩定性等。
1 模塊設計
本文模塊采用新穎的光學結構，盡可能減少光學系統對測量產生的影響，并利用溫度傳感器獲取環境溫度，根據測量數據與溫度的關系進行修正，以減小溫度對測量結果產生的影響。本文以特定的電路結構及相應的計算方法提高測量RGB值及光強控制精度，有效地提高各輸入量的測量精度。另外，根據實驗數據，利用偏最小二乘法獲得維生素C(vitamin C,VC)、尿糖(glucose,GLU)、膽紅素(bilirubin,BIL)、尿酮體(ketone,KET)、尿比重(specific gravity,SG)、隱血(blood,BLD)、酸堿度(pH)、尿蛋白(protein,PRO)、尿膽原(urobilinogen,URO)、亞硝酸鹽(nitrite,NIT)、尿白細胞(leucocyte,LEU)共11項指標的反射率等計算公式及半定量值區間，由于篇幅限制，該部分獲取方法未詳細闡述，只直接引用結果。本文重點描述該新型尿液分析核心模塊的硬件和軟件結構兩部分。其中硬件部分由光學部分、數據采集和處理兩部分構成，軟件部分用Keil uVision3編譯器實現程序的編譯，下面分別對每部分進行詳細闡述。
1.1 光學部分
如圖 1所示，光學部分由白色LED、半反半透鏡、TCS3104顏色傳感器及T形光筒燈構成。
圖1
核心模塊的光學及顏色采集原理圖
Figure1.
Structural illustration of optical and color collection system in core module
白色LED提供強度可控的光源，以滿足TCS3104顏色傳感器對光強的要求；半反半透鏡可將LED的光反射到試紙條，并將經試紙條反射的光再透射回TCS3104顏色傳感器；TCS3104顏色傳感器將RGB值分別以模擬電壓的形式輸出，外部根據輸出的電壓獲取相應的顏色和亮度信息；T形光筒主要遮擋環境光對結果的影響。如圖 1所示，該模塊的光學顏色采集方法可實現：① 采集的顏色值是不同顏色光在同一位置的反射光信號，在顏色合成時不會出現顏色的位置偏差；② 減小傳感器與色塊距離不同時對檢測結果的影響。
1.2 數據采集和處理部分
如圖 2所示，本部分由光強控制單元、控制和處理單元、啟停控制單元、高精度參考電壓單元、顏色傳感器單元、溫度測量單元和串行通訊單元共7個單元組成。其中，啟停控制單元實現控制電平的轉換，降低功耗，延長使用壽命；溫度測量單元利用18B20實現溫度的測量，以供溫度補償使用；串行通訊單元實現與外部各種數據的傳輸。下面對其余4部分進行詳細闡述。
圖2
數據采集和處理部分框圖
Figure2.
Block diagram of data acquisition and processing
1.2.1 光強控制單元
該單元利用恒流的方式控制白色LED燈光強，獲取更穩定的光強。其主要是通過微處理器STM32F103RB輸出16位分辨率的脈沖寬度調制信號，經濾波、放大等處理后輸出控制電壓，并利用運算放大器實現電壓電流轉換，進而達到用恒流控制白色LED燈的目的。另外，在LED回路串聯了一取樣電阻，并將其采樣電壓送入微處理器STM32F103RB的模擬端口，從而形成閉環控制，提高恒流的控制精度。
1.2.2 控制和處理單元
該單元由32位微處理器STM32F103RB及相應的外圍元件構成[17]。其中STM32F103RB內帶12位、1 μs轉換速度的A/D轉換器、有128 kb可用于程序和數據存儲的flash存儲器、20 kb靜態存儲，最高工作頻率可達72 MHz。本單元可將顏色傳感器輸出的模擬電壓轉換為相應的數字值，實現顏色的采集，并通過相應算法，根據輸入信息輸出所需的信息，同時還可利用內帶的串口實現與外部通信等功能。
1.2.3 高精度參考電壓單元
該單元是為提高每道A/D轉換的精度而設計的。STM32F103RB內帶A/D轉換的值以模擬電源作為A/D轉換的參考電壓，實際使用中模擬電源會出現波動，且不同核心模塊相應的模擬電源電壓值也可能有小的差異，會造成相同輸入對不同核心模塊A/D轉換的值有一定差異，進而出現核心模塊測量的一致性不好。為解決這一問題，本文提出選用精度為0.1%的3 V參考電壓芯片ADR363B(輸出電壓噪聲峰值6.8 μV、電壓精度±3 mV、溫度系數9 ppm/℃)的輸出作為STM32F103RB的一道模擬輸入，以其作為對照，對其它道的A/D轉換值進行修正。實驗證明，該法可以很好地減小電源電壓引入的干擾，并能提高核心模塊測量的一致性和測量精度。
1.2.4 顏色傳感器單元
該單元由高精度顏色傳感器TCS3104組成，可實現與光路部分的銜接。TCS3104顏色傳感器直接輸出顏色的RGB三色分量模擬電壓值，外部引腳可控制其輸出增益為4倍或1倍，采用4倍可有效提高低照度下的測量精度，響應的典型時間為12 μs，輸出對RGB的典型靈敏度分別為0.4、0.25、0.2 mV/(μW·cm-2)，在微處理器的控制下實現RGB顏色的采集,并利用白色紙條的值進行修正。
1.3 軟件部分
軟件部分是利Keil uVision3編譯器編寫，以32位微處理器STM32F103RB的定時器、A/D轉換、Flash存儲、串口等實現各種控制數據的采集、保存、處理及通信。如圖 3所示，軟件部分包括啟停控制子程序、光強控制子程序、A/D轉換處理子程序、顏色處理子程序、結果處理子程序、串口通訊子程序、參數處理子程序、主程序等幾部分。其中，串口通訊子程序通過串行口與外部進行通信，實現信息的交換，比如輸出顏色的RGB分量值、各項的結果序號值等；參數處理子程序則是根據輸入的信息，讀取、保存或更改對應的參數，使得模塊具有很好的開發性和可擴展性；光強控制子程序是利用閉環控制方式使加在白色LED上的電流為恒定的預設值；A/D轉換子程序利用STM32F103RB的定時器實現各種數據的A/D轉換值依據式(1)計算出結果并存入相應的緩沖區；顏色處理子程序在主程序的協調下將顏色的RGB分量從A/D轉換子程序緩沖區取出，并利用式(2)進行修正，得到最后計算所需的RGB值；溫度測量子程序完成溫度的測量，通過多次平均后將測量值存入特定的變量之中，以供結果處理單元使用；結果處理子程序在主程序的協調下，根據顏色處理子程序處理后的RGB值的分布特征取出對應不同色塊的數據，再利用對應測試項的式(3)和式(4)計算出相應的反射率，根據設置的半定量區間值(如表 1所示，給出了蛋白質的區間)得出相應的半定量序號值；主程序是調用啟停控制子程序獲取外部控制的信息，即是啟動工作還是停止工作。若停止工作，則進行相應處理使整個核心模塊處于低功耗模式；若啟動工作，則調用相應的子程序通過對應的關鍵公式進行計算和處理，并輸出相應數據。以下將對軟件部分的關鍵公式進行闡述。
圖3
軟件框圖
Figure3.
Block diagram of software
通過STM32F103RB測量各道輸入電壓的計算公式為：
| ${{V}_{i}}={{D}_{i}}\times 3.0/{{D}_{r}}$ |
式中Vi為計算所得的輸入電壓值，Dr取3.0 V參考電壓經A/D轉換平均值(為了濾除干擾)，Di為需測量的某道A/D轉換值。
| ${{D}_{m}}={{V}_{i}}\times 255/{{V}_{W}},$ |
式中Dm為計算所得顏色分量值(m=R,G,B，分別表示紅色，綠色和藍色)，Vi為式(1)所得的結果值，VW表示用白條測試時式(1)算出的值。
| ${{y}_{25}}^{*}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}{{D}_{R}}+{{c}_{2}}{{({{D}_{R}})}^{2}}+{{c}_{3}}{{D}_{G}}+{{c}_{4}}{{({{D}_{G}})}^{2}}+{{c}_{5}}{{D}_{B}}+{{c}_{6}}{{({{D}_{B}})}^{2}},$ |
| ${{y}^{*}}={{c}_{0}}\prime +{{c}_{1}}\prime T+{{c}_{2}}\prime {{T}^{2}}+{{c}_{3}}\prime {{y}_{25}}^{*}+{{c}_{4}}\prime {{({{y}_{25}}^{*})}^{2}},$ |
式中DR、DG和DB分別為通過式(2)算出的某一測試項或試紙塊的紅色、綠色和藍色的分量值，c0～c4為某一測試項擬合的系數，y25*為式(3)算出的25℃時的反射率，T為測量時的環境溫度，c0′～c4′為某一測試引入溫度后擬合的系數。不同測試項c0～c4和c0′～c4′的系數不同，具體值是根據大量實驗數據分析得出。如：根據實驗得出蛋白質的計算公式為：
| $\begin{align} & {{y}_{25}}^{*}=-118.656\text{ }6+0.221\text{ }3{{D}_{R}}+0.001\text{ }4{{({{D}_{R}})}^{2}}+1.741\text{ }9{{D}_{G}} \\ & -0.005\text{ }6{{({{D}_{G}})}^{2}}-0.039\text{ }8{{D}_{B}}-0.000\text{ }2{{({{D}_{B}})}^{2}} \\ \end{align}$ |
| $\begin{align} & {{y}^{*}}=-8.851\text{ }2+0.427\text{ }8T- \\ & 0.002\text{ }4{{T}^{2}}+1.003\text{ }4~{{y}_{25}}^{*}-0.000\text{ }1\text{ }{{({{y}_{25}}^{*})}^{2}} \\ \end{align}$ |
蛋白質半定量值區間如表 1所示。
表1
蛋白質的半定量值區間及半定量值
Table1.
Semi-quantitative scales and semi-quantitative values of protein
若輸出為反射率，則通過式(6)算出的反射率，若為RGB值則為當前測定的RGB值。
2 結果
該新型尿液分析核心模塊的實物如圖 4所示，可直接輸出當前測試條的原始數據、人尿中白細胞、酮體等11項物質各自的RGB值、反射率、半定量等級等信息，可方便地用于各種類型的尿液分析儀。為了說明該模塊的結果，下面通過實驗得到不同試紙條的4種輸出，即當前測試條的原始數據如圖 5所示，試紙塊顏色的RGB值如表 2所示，反射率如表 3所示，半定量等級數據如表 4所示。圖 5中，紅色箭頭所對應的位置即每一個極小值對應一試紙塊的顏色值，紅色、綠色和藍色曲線分別表示在試紙條移動過程中對應RGB顏色的變化，利用該功能及輸出試紙塊顏色的RGB值可以對新的測試項的規律進行研究、分析，利用外部工具如Matlab等得出相應的計算公式，然后通過特定的指令添加測試項及對應的系數，以實現相應項的測量，利用輸出反射率可以通過實驗確定各項的半定量區間，并通過特定的指令更改對應項的區間等。
圖4
新型尿液分析核心模塊的實物圖
Figure4.
Picture of the new urine analysis core module
圖5
試紙條的原始數據波形圖
Figure5.
Waveform of original data collected within a test strip
表2
試紙條各試紙塊顏色的RGB值
Table2.
RGB value of test pieces of a test strip
表3
試紙條各試紙塊顏色的反射率
Table3.
Reflectivity of test pieces within a test strip
表4
試紙條各試紙塊的半定量等級
Table4.
Semi-quantitative level of test pieces within a test strip
另外，為了驗證該核心模塊的可靠性、穩定性以及一致性，進行了大量的實驗，測試的最后結果如表 5所示。在醫學上,常用“-”表示陰性,表示被測試者健康,“+”表示陽性,表示被測試者有疾病。其中，加號越多,代表病情越嚴重。由表 5可以得出,該核心模塊測試的準確度達到95%及以上,完全達到尿液分析測試結果的要求。
表5
尿液測試結果
Table5.
Results of urine test using the homemade core module
3 討論
本文提出了一種基于32位微處理器STM32F103RB和顏色傳感器TCS3104的新型尿液分析儀的核心模塊，采用新穎的光路結構、特定的電路及軟件算法進行補償，使其每項測量精度均在95%及以上，具有很好的穩定性、可靠性和一致性。另外，該模塊可根據外部控制直接輸出當前測試條的原始數據、11項指標各自顏色的RGB值、反射率、半定量等級等信息，并且通過特定的指令還可實現修改反射率計算系數、增加測試項和對應的計算系數、讀取或更改半定量區間等。因此，該模塊具有很好的開發性和可擴展性，從而保證具有很好的通用性，適用于各種類型的尿液分析儀，并可大幅度地降低尿液分析儀的研發和生產成本，具有很好的使用價值和廣闊的市場前景。但目前還需對其整體光路、電路和軟件進一步優化，力求成為一種標準化尿液分析儀核心模塊。
