自動尿液分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)室尿液自動化檢查的重要工具。20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)板行進(jìn)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(jì)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(lán))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(xiàng)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(xì)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(jìn)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(lán)色LED燈的反射率;Vcb為標(biāo)準(zhǔn)條對藍(lán)色LED燈的反射率;Vmr為試紙條對紅色LED燈的反射率;Vcr為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行照射或不同的光源進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(lán)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(shí)際中藍(lán)燈的亮度遠(yuǎn)大于另外兩種燈的亮度，故在實(shí)際實(shí)施過程中選擇一個藍(lán)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(jìn)電機(jī)傳動系統(tǒng)采用日本伺服電機(jī)公司的KP4P15G－411步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角15°。由步進(jìn)電機(jī)帶動試紙托板運(yùn)動，將試紙塊準(zhǔn)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(jìn)系統(tǒng)的累計(jì)誤差，每次移動開始時均從一個固定點(diǎn)開始運(yùn)動，該固定點(diǎn)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(dá)光電開關(guān)時則停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，利用該種方式保證步進(jìn)電機(jī)每次移動均從同一位置開始，消除由于長期運(yùn)行齒輪和托板之間間隙擴(kuò)大所帶來的系統(tǒng)誤差。采用的紅色、綠色、藍(lán)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(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

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(jìn)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(yàn)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(jì)成一個4×4的鍵盤，由于微控制器每個GPIO都可以單獨(dú)配置成上升沿或下降沿進(jìn)入中斷，并可配置該中斷的優(yōu)先級，故在該設(shè)計(jì)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(jìn)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(yàn)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定主機(jī)。利用24C512存儲檢驗(yàn)結(jié)果，該EEPROM為32 kB的存儲量，將檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的存儲。將檢驗(yàn)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(jìn)電機(jī)采用A3977驅(qū)動，A3977為Allergo公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，最高可做到8細(xì)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(xì)分功能，保證試紙托架每次均從相同的位置開始運(yùn)動。ULN2803為內(nèi)含8通道的達(dá)林頓三極管陣列，最高驅(qū)動電流可達(dá)500 mA，利用該三極管陣列驅(qū)動3組LED燈。熱敏打印機(jī)采用SEIKO公司的LPC1245，將檢驗(yàn)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(diǎn)，CPU將打印數(shù)據(jù)通過GPIO串行發(fā)送至打印機(jī)的數(shù)據(jù)接收端。LPC1245的步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(yàn)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(yùn)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(yuǎn)小于電阻的相對誤差，且在電流的傳輸通道中還有運(yùn)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(jì)，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(zhǔn)，該電壓基準(zhǔn)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(jì)。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(biāo)準(zhǔn)樣條在標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)上的閾值數(shù)據(jù)形成的曲線，系列2和系列3為利用標(biāo)準(zhǔn)樣條在隨機(jī)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(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞?，可縮短儀器出廠時的校正時間，利用DAC進(jìn)行自動補(bǔ)償?shù)姆绞?，將每次補(bǔ)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(qiáng)度也有差異，可利用調(diào)節(jié)達(dá)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(qiáng)度變化無法及時調(diào)整，因此采用DAC模塊輸出電壓進(jìn)行校正的方式可補(bǔ)償LED燈發(fā)光強(qiáng)度不一致所帶來的測量誤差。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

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(xiàng)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(yàn)后，將檢驗(yàn)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(jī)，利用微控制器的獨(dú)立看門狗來確保程序可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語

通過實(shí)際臨床應(yīng)用，該尿液分析儀達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(bǔ)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(qiáng)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。

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