FIA算法在尿液成分檢測中的應(yīng)用

李永洋，嚴(yán)榮國，邱小燁，李俊國

（上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上?！?00093）

0　引言

尿液檢測在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上具有重要的意義，臨床多采用干化學(xué)方法進(jìn)行測定。它是指利用尿液與多聯(lián)試紙條相應(yīng)試紙條內(nèi)的試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化，顏色變化的深淺跟各種成分的濃度成正比，再根據(jù) Kubelka-Munk理論及反射率的變化對各種成分作半定量分析[1-2]。尿液干化學(xué)分析不僅可以用于泌尿系統(tǒng)疾病診斷、療效觀測，而且對其他器官疾病的診斷、臨床安全用藥監(jiān)護(hù)、職業(yè)病的輔助診斷與監(jiān)測，以及對人體健康狀態(tài)評估也有重要意義。

臨床上多聯(lián)試紙條試劑塊為5×5 mm，間隔2 mm的正方形塊，蘸過尿液后的試劑帶被傳送到尿液分析儀進(jìn)行光學(xué)測定[3]。它是利用積分球，根據(jù)反射率的變化來進(jìn)行濃度的測定，反射率越大，被測成分濃度越低；反之亦然[4]。此方法涉及的原件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

為此，本文設(shè)計了一種尿液試紙條顏色識別方法，用于識別尿液檢測中試紙條的顏色從而判斷待檢測的各項指標(biāo)的值。顏色作為一個主觀概念，沒有具體的量化公式，顏色識別的傳統(tǒng)方法根據(jù)色度圖確定顏色。根據(jù)三原色原理，即所有的顏色都能夠通過紅（R）綠（G）藍(lán)（B）三種顏色混合出來。相同的，如果知道某種顏色的RGB值就可以得到該種顏色。本文中所用的顏色識別原理就是計算出試紙條上各個試劑塊的RGB值，與系統(tǒng)里面的比色對照圖譜各個顏色對應(yīng)的RGB值進(jìn)行算法分析，得到相應(yīng)的尿液成分參數(shù)指標(biāo)值。

1　設(shè)計原理與實現(xiàn)方法

1.1　TCS230顏色傳感器原理

本文選取的為 TCS230顏色傳感器，可將光線的RGB三元色的信號轉(zhuǎn)變?yōu)門TL電平方波信號。由于其輸出信號是數(shù)字量，可以直接驅(qū)動TTL邏輯電平，單片機直接與芯片相連不需要AD轉(zhuǎn)換電路，檢測和轉(zhuǎn)換時無需外接基準(zhǔn)信號，因此其電路簡單，調(diào)試方便[5-6]。工作時可以選擇不同的編程引腳來控制百分之百，百分之二十或者百分之二的頻率輸出比例因子以適應(yīng)不同的場合，其三個顏色濾器由不同的引腳組合控制[7-8]。TCS230芯片各個引腳的名稱、尺寸，及各個引腳組合功能如表一所示。當(dāng)選擇 S0為低（L），S1為高（H）時輸出的脈沖比例為百分之二，當(dāng)選擇S0為高（H），S1（L）為低時輸出的脈沖比例為百分之二十，當(dāng)選擇S0為高（H），S1為高（H）時輸出的脈沖比例為百分之百。

表1　TCS230芯片引腳組合功能表Tab.1　TCS230 chipset pinout truth table

理論上，白色是由等量的紅色，綠色和藍(lán)色混合而成，而TCS230在實際檢測白色時，對這3種基本色的敏感性不同，因此需要進(jìn)行白平衡調(diào)整[9-12]，計算出所需要的3個調(diào)整參數(shù)K1，K2，K3。獲取顏色 RGB值的具體操作步驟為首先測量在一定時間內(nèi)輸出比例相同時，S2為高、S3為低（三個濾波器全開）OUT引腳輸出的脈沖數(shù) m，其次分別測量在相同時間內(nèi)只開紅色濾波器的脈沖數(shù)rm，綠色濾波器的脈沖數(shù)gm，藍(lán)色濾波器的脈沖數(shù)bm，最后通過這幾個脈沖數(shù)帶入公式（1）可以得到模塊相對應(yīng)的RGB值。

為驗證以上顏色識別原理的可行性，用示波器測量在1秒的時間內(nèi)TCS230顏色傳感器在百分之二的輸出比例下對某種顏色OUT引腳輸出脈沖，結(jié)果如下圖1所示，其中圖 1(a)為只開紅色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為15，圖1(b)為只開綠色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為14，圖1(c)為只開藍(lán)色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為 18.5。結(jié)果表明 TCS230顏色傳感器對同一顏色打開不同濾波器時接收的脈沖數(shù)不一樣，驗證了該傳感器的顏色識別原理，對裝置提升識別效率，提高識別精度有指導(dǎo)意義[13-14]。

1.2　尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)

尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)由微處理器 Atmega-32L、顏色傳感器TCS230、RS232串口、上位機組成，系統(tǒng)基本框架如圖2(a)所示，TCS230芯片四周安置的LED燈，用穩(wěn)壓管提供恒定電流給其供電，保證產(chǎn)生高亮度穩(wěn)定白光，為顏色識別裝置提供良好的基礎(chǔ)。TCS230芯片的工作電壓為5V，輸出占空比為50%，OUT引腳輸出為數(shù)字脈沖與單片機定時中斷PD2引腳連接。微處理器讀取顏色三個基色方波信號，并將基色信號通過白平衡所得公式處理得到該顏色對應(yīng)RGB值。RGB值通過RS232串口發(fā)送給上位機，在MATLAB GUI實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算法處理，最后得到相應(yīng)的尿液體征參數(shù)指標(biāo)值。由于沒有模擬電路整個電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強[15]。

其裝置剖面圖如圖2(b)所示。TCS230顏色傳感器及其承載電路板固定在圓筒頂部，圓筒直徑為40 mm。TCS230傳感器的四周分別安置了一個白色發(fā)光二極管（LED）作為光源，產(chǎn)生的白色光線在漏斗狀燈罩（不透明）的匯聚下于圓筒底部形成一個直徑為5 mm的光斑（即完全覆蓋試劑塊），能夠有效的讓傳感器檢測到試劑塊反射的光頻信號，并且避免相鄰試劑塊反射的光頻信號對正在檢測試劑塊產(chǎn)生影響。燈罩嵌套于圓筒之內(nèi)，圓筒底部預(yù)留空隙，傳送帶上的試紙條依次進(jìn)入自動檢測。為了制造黑暗空間、避免外界光線對測量的影響，圓筒空隙離地面間距應(yīng)當(dāng)盡量小，此設(shè)計中為5 mm。

圖1　脈沖示意圖Fig.1　Pulse diagram

圖2　尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)Fig.2　Color identification system for A Urine Strip

2　算法分析

由于顏色識別具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變量眾多、參數(shù)之間存在較強的耦合，難以建立數(shù)學(xué)模型，而模糊識別算法（Fuzzy identification algorithm）[16]在建立模糊識別控制器后，可以在依靠人類的智慧下獲得令人滿意的識別效果，所以本文中采用模糊識別算法，即FIA來進(jìn)行顏色識別。

以下僅以 pH試劑塊作為例子，驗證模糊算法在尿液檢測中識別尿液酸堿度的可行性。本文采用艾康生物技術(shù)（杭州）有限公司生產(chǎn)的多項尿液檢測試紙條（干式化學(xué)法），根據(jù)pH比色對照圖譜得到不同pH值對應(yīng)RGB值，如表2所示。

表2　不同pH值對應(yīng)RGB值Tab.2　RGB values to different pH values correspond

2.1　輸入變量的模糊化

由于RGB三個值的物理論域Xj=[a,b]， a≠-b，為不對稱物理論域。模糊論域為Nj=[-nj,nj]，此時的量化因子表達(dá)式為：

由式（2）得到離散公式：

式中a，b為RGB取值范圍，根據(jù)實際情況a=0，b=255 ，[-nj, nj]為模糊論域，由于 RGB值的變化區(qū)間大故nj取4。選定五個模糊子集NB（Negative Big），NS（Negative Small），ZO（Zero），PS（Positive Small），PB（Positive Big）用于涵蓋輸入量Xj的論域[0,255]，此處取三角形隸屬函數(shù)，其分布如圖 3所示。

圖3　輸入R論域的模糊子集分布Fig.3　The distribution of the fuzzy subset of the input R domain

輸入模糊子集隸屬函數(shù)如下：

同理G、B值論域分布隸屬函數(shù)與R相同，不再贅述。

2.2　輸出變量的模糊化

輸出顏色對應(yīng)的pH值為5.0，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，9.0在此物理論域用Xout=[0，6]表示，即0表示該顏色對應(yīng) pH值為 5，1表示顏色對應(yīng) pH值為6，2表示顏色對應(yīng)pH值為6.5，依次類推，取nj為3。選定7個模糊子集涵蓋輸出量的論域分別為 NB（Negative Big），NM（Negative Middle），NS（Negative Small），ZO （Zero），PS（Positive Small），PM（Positive Middle），PB（Positive Big），它們的隸屬函數(shù)如下，其分布如圖4所示。

圖4　輸出Xout論域的模糊子集分布Fig.4　The distribution of the fuzzy subset of the output Xout R domain

2.3　建立模糊規(guī)則

根據(jù)離散公式（3）得到輸入模糊公式

由比色對照圖譜上各個pH對應(yīng)的實際RGB值確定模糊子集。具體操作為將輸入量的值代入輸入模糊公式（9），得到n值，然后在圖3輸入隸屬函數(shù)中找到n值對應(yīng)最大函數(shù)值的模糊集合。例如當(dāng)R=255時，代入模糊公式得到n=4，屬于模糊集PB；當(dāng) G=99時，代入模糊公式得到 n≈-0.89取-1，屬于模糊集ZO；當(dāng)B=71時，代入模糊公式得到n≈-1.77取-2，屬于模糊集NS。

由表2中不同pH值對應(yīng)RGB值可以歸納總結(jié)出下述七條模糊規(guī)則：

（a）當(dāng)R屬于PB，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為5.0，即Xout=NB；

（b）當(dāng)R屬于PB，G屬于PS，B屬于NS時，輸出pH為6.0，即Xout=NM；

（c）當(dāng)R屬于PS，G屬于ZO，B屬于NB時，輸出pH為6.5，即Xout=NS；

（d）當(dāng)R屬于ZO，G屬于PS，B屬于NS時，輸出pH為7.0，即Xout=ZO；

（e）當(dāng)R屬于ZO，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為7.5，即Xout=PS；

（f）當(dāng)R屬于ZO，G屬于PS，B屬于NB時，輸出pH為8.0，即Xout=PM；

（g）當(dāng)R屬于NB，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為9.0，即Xout=PB。

2.4　近似推理

例如某次接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)為 R=238，G=173，B=14，分別代入輸入模糊公式（9），求得對應(yīng)模糊輸入，在模糊子集分布圖5中可知清晰量R=238模糊后只映射到模糊子集PB和PS上，代入模糊子集隸屬函數(shù)（7）和（8），求得對應(yīng)隸屬函數(shù)值分別0.73，0.27；清晰量G=173模糊后只映射到模糊子集PS和ZO上，對應(yīng)隸屬函數(shù)值分別為0.71，0.29；清晰量B=14模糊后只映射到模糊子集NB和NS上，對應(yīng)隸屬函數(shù)值分別為0.78，0.22。雖然對應(yīng)八種模糊情況，根據(jù)最大隸屬度法只需考慮其中隸屬度最大的一條即 R=PB，G=PS，B=NB，在MATLAB當(dāng)中計算結(jié)果如圖 4模糊識別結(jié)果圖所示，此時模糊輸出為-2由上文可知此時pH值為6.0，與實際結(jié)果一致。結(jié)果表明，本文設(shè)計的模糊控制器在多項尿液檢測中能夠判斷出 pH試紙條的酸堿度，亦能推廣判斷尿液其余體征參數(shù)。

圖5　模糊識別結(jié)果圖Fig.5　the FIA results

3　顏色測試及結(jié)果分析

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，將設(shè)計好的尿液試紙條顏色檢測儀，按照實驗的流程進(jìn)行 20組尿液pH試紙條識別，每個試劑塊識別20次，與經(jīng)驗豐富操作人員識別結(jié)果對比，結(jié)果如下表3所示。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)信息，可以看出人工識別結(jié)果為5.0的試塊模糊識別正確率最高達(dá)到98.33%，這是由于該試塊在比色對照圖譜中的顏色最紅R值等于255在模糊輸入里面屬于PB集合并且隸屬度為1，故該系統(tǒng)能夠較為容易地識別出該顏色。然而，模糊識別正確率最低的試塊pH值為6.5，識別正確率為 87.5%，遠(yuǎn)低于最高識別正確率。這是由于該顏色G值分布在ZO，PS兩個集合中間，且隸屬度大小在0.5左右波動，使得識別結(jié)果跟7.0試塊混淆，B值分布在NB，NS兩個集合中間的隸屬度大小區(qū)分不明顯，識別結(jié)果容易跟 6.0的試塊混淆，故拉低了該顏色的識別準(zhǔn)確率。

表3　pH試紙條模糊識別實驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.3　Statistical table of pH strip using the FIA method

通過計算20個試塊共400次識別試驗，得到模糊識別結(jié)果與人眼識別結(jié)果一致的次數(shù)為369次，準(zhǔn)確率到達(dá)了92.25%，由此可以判斷該系統(tǒng)具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確的識別尿液檢測試紙條的 pH值。以上特征還可以用于改進(jìn)模糊識別算法的設(shè)計，即在隸屬度波動在 0.5左右的模糊集合中添加模糊規(guī)則，細(xì)化模糊輸出從而得到更為準(zhǔn)確的識別結(jié)果。

綜上結(jié)論，推斷該方案能夠成功的應(yīng)用在尿液試紙條其他各項指標(biāo)顏色的識別上，對工作中解決實際問題有較強的指導(dǎo)意義，也為FIA識別算法的廣泛應(yīng)用提供了參考。