基于顏色傳感器的透析液血紅細(xì)胞微漏出量的檢測(cè)研究*

陳飛飛，邱召運(yùn)，陳雪梅，劉金英，胡飛虎，2，謝永芳，2

（1.濰坊醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濰坊261053；2.濰坊醫(yī)學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)教研室，山東 濰坊261053）

1 引 言

血液透析作為腎臟替代的一種方法，在急性腎衰時(shí)替代腎臟功能，漏血檢測(cè)是透析過(guò)程中不可或缺的[1]。漏血檢測(cè)裝置一般采用光電傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)漏血檢測(cè)，早期設(shè)備采用紅外光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由于血紅細(xì)胞（RBC）對(duì)紅外線吸收率較低，因此漏血檢測(cè)裝置的靈敏度較低[2]。有些漏血檢測(cè)裝置改用綠色光源作為檢測(cè)媒介，靈敏度有所改善[3]。但血液透析機(jī)中的漏血檢測(cè)裝置在使用過(guò)程中，透析管壁上會(huì)逐漸產(chǎn)生粒子沉積而影響透光性，透析過(guò)程中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生氣泡附著在管壁，這些問(wèn)題均可造成漏血檢測(cè)的誤報(bào)和漏報(bào)。有研究采用TCS230顏色傳感器設(shè)計(jì)漏血檢測(cè)裝置并設(shè)計(jì)了較復(fù)雜的算法[4-5]，希望改善檢測(cè)裝置的性能，由于傳感器采用數(shù)字信息輸出，其靈敏度和分辨率并不受外部電路控制，因此，檢測(cè)裝置并未達(dá)到微量漏血檢測(cè)的目的。本研究提出了一種基于新型（red-green-blue，RGB）顏色傳感器檢測(cè)透析液中微量RBC的技術(shù)方法，并采用簡(jiǎn)單的復(fù)合檢測(cè)算法，可檢測(cè)透析液中RBC微小濃度變化，提高了檢測(cè)靈敏度。該技術(shù)方法設(shè)有氣泡檢測(cè)和管壁粒子沉積檢測(cè)，解決了誤報(bào)漏報(bào)問(wèn)題，有利于減少患者在透析過(guò)程中的安全隱患問(wèn)題。

2 透析漏血監(jiān)測(cè)

2.1 RGB顏色傳感器

RGB顏色傳感器[6]可以檢測(cè)相似的顏色和色調(diào)，具有極高的可靠性，通過(guò)測(cè)量組成物體顏色的三基色反射比率來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色檢測(cè)，其基于內(nèi)光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。新型顏色傳感器 CLS15-22C/L213/TR8（以下簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)213）是一種對(duì)紅、綠、藍(lán)色光線區(qū)域譜具有高度敏感性的硅光敏二極管。L213系列傳感器具有較好的輸出穩(wěn)定性和良好的溫度特性，在顏色識(shí)別中有著較廣泛的應(yīng)用。

圖1是L213顏色傳感器的光譜響應(yīng)曲線，表示顏色傳感器對(duì)光線波長(zhǎng)的相對(duì)靈敏度。由圖1可知，RGB顏色傳感器對(duì)光的峰值靈敏度波長(zhǎng)不同，且具有波長(zhǎng)范圍小，單色選擇性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，顏色傳感器相互之間影響小，具有較高的顏色分辨力，RGB三個(gè)敏感單元可以獨(dú)立應(yīng)用，也可以組合應(yīng)用。其中，L213R對(duì)紅色光源敏感，感應(yīng)峰值靈敏度波長(zhǎng)為620nm；L213G對(duì)綠色光線敏感，感應(yīng)峰值靈敏度波長(zhǎng)為550 nm；L213B對(duì)藍(lán)色光線敏感，感應(yīng)峰值靈敏度波長(zhǎng)為470 nm。本研究采用RGB顏色傳感器獨(dú)立應(yīng)用方式，并分別配備能夠發(fā)射上述峰值波長(zhǎng)的LED，構(gòu)成三個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)單元。

圖1 顏色傳感器的光譜響應(yīng)曲線Fig 1 The spectral response curve of color sensor

2.2 透射式漏血檢測(cè)原理

漏血檢測(cè)主要采用光電檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)裝置由檢測(cè)光源和檢測(cè)電路組成。本研究中，采用L213R、L213G和L213B分別檢測(cè)紅綠藍(lán)三色透射光，實(shí)現(xiàn)對(duì)透析液中RBC濃度的分析。透析液管路安裝在檢測(cè)光源與電路之間，RGB顏色傳感器為顏色敏感器件，可檢測(cè)顏色的微小變化。正常情況下，RBC未滲透到透析液中，透析液的透光度相對(duì)較高，到達(dá)對(duì)面的檢測(cè)元件的透射光較強(qiáng)，傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)發(fā)生血液漏出時(shí)，由于紅細(xì)胞懸浮在透析液中，產(chǎn)生遮光效果，傳感器接收到的光強(qiáng)減小，檢測(cè)電路輸出電壓發(fā)生變化[7]；當(dāng)透析液中RBC漏出量逐漸增加時(shí)，透析液遮光強(qiáng)度逐漸增加，傳感器的檢測(cè)光強(qiáng)隨之減小，到達(dá)設(shè)定漏血閾值時(shí)，觸發(fā)裝置發(fā)出漏血報(bào)警。

3 漏血檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 信號(hào)采集電路

圖2為RBC漏出量檢測(cè)裝置的RBC濃度信號(hào)采集電路圖。實(shí)驗(yàn)采用紅、綠、藍(lán)LED作為光發(fā)射元件，5 V恒壓源供電使LED產(chǎn)生穩(wěn)定亮度的光。圖2中，透析管一側(cè)安裝紅、綠、藍(lán)發(fā)光二極管LR、LG、LB，另一側(cè)對(duì)應(yīng)安裝RGB顏色光敏檢測(cè)元件DR、DG、DB。LR、LG、LB發(fā)出的光，部分被透析管管壁和透析液吸收和反射，剩余大部分光到達(dá)管壁對(duì)側(cè)相應(yīng)的檢測(cè)元件DR、DG、DB，透析液中RBC濃度和顏色的變化導(dǎo)致RGB顏色傳感器接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化，從而引起傳感器輸出信號(hào)發(fā)生改變，采集到的包含濃度信息的信號(hào)分別經(jīng)A1、A2、A3構(gòu)成的電壓跟隨器輸出，其中DR構(gòu)成的紅光采集電路輸出Ur，DG構(gòu)成的綠光采集電路輸出Ug，DB構(gòu)成藍(lán)光采集電路輸出Ub。另外，管壁粒子沉積也會(huì)影響傳感器輸出，應(yīng)當(dāng)采取措施消除管壁粒子沉積對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)在避光條件下進(jìn)行，避免環(huán)境光的干擾。

3.2 漏血檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用濃度為0.5%～10%（mL/mL）的兔血溶液、管內(nèi)壁直徑為4.48 mm的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行。透析液管路中依次流動(dòng)濃度為0.5% ～10%的兔血溶液，各色傳感器分別對(duì)不同濃度兔血溶液進(jìn)行檢測(cè)，分別記錄Ur、Ug、Ub三次測(cè)量的平均值，顏色傳感器檢測(cè)不同濃度的兔血溶液時(shí)的平均輸出電壓見表1。

圖2 RBC濃度信號(hào)采集電路Fig 2 RBC concentration signal acquisition circuit

表1 RGB顏色傳感器輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 RGB color sensor output voltage experimental data

表1數(shù)據(jù)顯示，兔血溶液濃度的微小變化對(duì)紅色傳感器的輸出電壓影響較小，其電壓值變化幅度較小；綠色、藍(lán)色顏色傳感器的輸出信號(hào)隨濃度增加而變化較大。圖3是根據(jù)表1數(shù)據(jù)得出的各單顏色傳感器隨RBC濃度的變化曲線，由圖3可直觀看出，透析液對(duì)紅色光線的吸收率較弱，微小的濃度變化對(duì)傳感器的輸出信號(hào)影響很小，故紅色傳感器的輸出信號(hào)幾乎不變。而透析液對(duì)綠色、藍(lán)色光線的吸收率較強(qiáng)，濃度變化對(duì)其影響較大，故綠色、藍(lán)色傳感器的輸出信號(hào)隨溶液濃度的變化較為明顯，可選用綠色、藍(lán)色傳感器作為漏血檢測(cè)傳感器。單色傳感器檢測(cè)時(shí)的靈敏度較低、可靠性較差，為了進(jìn)一步提高漏血檢測(cè)時(shí)的靈敏度，進(jìn)而將綠色、藍(lán)色傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)一步通過(guò)信號(hào)處理，得到檢測(cè)兔血溶液時(shí)具有更高靈敏度的RGB復(fù)合傳感器。

圖3 顏色傳感器隨RBC濃度變化的輸出曲線Fig 3 The output curve of color sensor changes with RBC concentration

4 信號(hào)處理電路與算法

4.1 信號(hào)處理電路

圖4為檢測(cè)裝置的信號(hào)處理電路原理圖。信號(hào)處理電路包含放大電路和單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，與RBC濃度信號(hào)檢測(cè)電路構(gòu)成RGB復(fù)合傳感器系統(tǒng)。

圖4 信號(hào)處理電路原理圖Fig 4 The signal processing circuit principle diagram

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，紅色傳感器的靈敏度較低，不適合用于漏血檢測(cè)。但是，當(dāng)透析管中有氣泡產(chǎn)生時(shí)，由于氣泡對(duì)光線具有發(fā)散作用，導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到的光線強(qiáng)度大大降低，此時(shí)Ur值將發(fā)生突變。為避免誤報(bào)，將紅色傳感器用于誤報(bào)檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到氣泡時(shí)，LY綠色LED點(diǎn)亮，警示透析管中存在氣泡，此時(shí)將暫停漏血檢測(cè)以避免誤報(bào)，氣泡消失時(shí)RGB復(fù)合傳感器系統(tǒng)恢復(fù)檢測(cè)[8]。綠色、藍(lán)色傳感器做檢測(cè)漏血傳感器，Ug、Ub經(jīng)放大電路處理后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，運(yùn)算處理后與設(shè)定的漏血濃度閾值比較，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，將會(huì)觸發(fā)LR紅色LED和揚(yáng)聲器，產(chǎn)生聲光報(bào)警，提醒已經(jīng)發(fā)生漏血危險(xiǎn)[9]。

圖4中，放大器A4、A5、A6分別與外圍元件構(gòu)成同相放大電路，對(duì)RGB顏色傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，設(shè)放大倍數(shù)分別為Kr、Kg、Kb，則：

式（1）是信號(hào)處理電路的輸入輸出關(guān)系式，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際檢測(cè)要求設(shè)置合適的Kr、Kg和Kb值。本研究為了適于與單片機(jī)的模擬通道接口，濃度信號(hào)采集電路的輸出Ur、Ug、Ub信號(hào)在送單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前需要進(jìn)行適當(dāng)放大，使其電壓變化范圍在0～5 V之間。因此，根據(jù)RBC濃度檢測(cè)電路的實(shí)際輸出電壓變化范圍，設(shè)置圖4中的信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)Kr為10倍，A5的放大倍數(shù)Kg為10倍，A6的放大倍數(shù)Kb為20倍。故有：

由式（2）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，UR的電壓變化范圍在0～4.5 V，UG的電壓變化范圍在0～3.8 V，UB電壓變化范圍在0～4.26 V，均能滿足單片機(jī)的模擬接口要求。

4.2 自動(dòng)校準(zhǔn)與復(fù)合檢測(cè)

為了消除管壁粒子沉積造成的檢測(cè)誤差，每次啟動(dòng)透析設(shè)備時(shí)，漏血檢測(cè)系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)本次透析開始時(shí)（可視為RBC濃度為零時(shí)）透析管、透析液的初始透光信息作為系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)，用來(lái)自動(dòng)校準(zhǔn)由于管壁粒子沉積對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。同時(shí)也為了進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度，將綠色、藍(lán)色傳感器的輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算與分析，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的算法以提高檢測(cè)的可靠性。

設(shè)RBC濃度為零時(shí)，UG的誤差值為UG0，UB的誤差值為UB0，則復(fù)合檢測(cè)的等效電壓為：

式（3）的意義是取UG、UB電壓做100%加權(quán)運(yùn)算，輸出結(jié)果扣除了管壁粒子沉積等影響因素，且輸出信號(hào)進(jìn)行了等效反相處理。復(fù)合算法處理后的數(shù)據(jù)見表2，復(fù)合檢測(cè)的輸出曲線見圖5。

表2 復(fù)合算法后的等效輸出電壓Table 2 The equivalent output voltage after the composite algorithm

比較圖3各輸出電壓曲線可知，紅色傳感器的輸出電壓隨透析液濃度變化較小，但溶液中可能存在氣泡，導(dǎo)致到達(dá)傳感器的光線強(qiáng)度降低、輸出電壓減小，故采用紅色傳感器作為誤報(bào)檢測(cè)傳感裝置；采用綠色、藍(lán)色傳感器作為漏血檢測(cè)傳感器，單色傳感器檢測(cè)的可靠性和靈敏度較差，故將綠色、藍(lán)色傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)合檢測(cè)運(yùn)算，使顏色傳感器檢測(cè)透析液中微量RBC具有更高的靈敏度。

圖5 復(fù)合檢測(cè)的輸出等效電壓隨RBC濃度的變化曲線Fig 5 The curve of output equivalent voltage of composite detection with RBC concentration

5 結(jié)束語(yǔ)

基于新型RGB顏色傳感器設(shè)計(jì)的漏血檢測(cè)傳感系統(tǒng)，采用綠光和藍(lán)光進(jìn)行復(fù)合檢測(cè)，當(dāng)兔血濃度在0～10%（mL/mL）之間變化時(shí)，等效輸出電壓的變化范圍為0～4.46 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明具有較高的靈敏度，可解決常見漏血裝置因靈敏度低造成的漏報(bào)問(wèn)題。為了消除管壁粒子沉積造成的檢測(cè)誤差，通過(guò)檢測(cè)透析管、透析液的初始透光數(shù)據(jù)，利用單片機(jī)運(yùn)算扣除漏血影響因素，并用紅色傳感器作為氣泡檢測(cè)傳感器，進(jìn)一步防止由于非漏血因素造成的誤報(bào)現(xiàn)象。該漏血檢測(cè)裝置可應(yīng)用于臨床檢測(cè)，具有靈敏度高，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。