基于光纖顏色傳感器的尿液成分分析

張瀚文， 嚴(yán)榮國(guó)， 許任興， 范穎超

（1 上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院， 上海 200093； 2 上海市楊浦區(qū)市東醫(yī)院 檢驗(yàn)科， 上海 200093）

0 引 言

尿常規(guī)檢查是一種對(duì)腎功能進(jìn)行體外無創(chuàng)活檢的常用方式，可以及時(shí)反映腎、膀胱、尿道等器官出現(xiàn)的問題。 常用的尿液無形成分檢查需要將干化學(xué)尿試劑條（Urine Reagent Strip， URS）浸潤(rùn)尿液后進(jìn)行半定量分析［1～3］，目前主要有3 種方式。 第一種是利用不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管（Light Emitting Diode， LED）依次照射試紙條，根據(jù)光敏元件接收到不同顏色對(duì)應(yīng)的反射光強(qiáng)，獲取試紙條對(duì)應(yīng)項(xiàng)的顏色值；第二種采用白光源照射試劑帶，利用顏色傳感器獲取試紙條對(duì)應(yīng)項(xiàng)的顏色值；第三種采用白光源照射試劑帶，利用積分球放大信號(hào)后由電荷耦合組件（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(qiáng)，然后通過圖像處理獲取試紙條對(duì)應(yīng)項(xiàng)的顏色值。 其中，第一種和第二種都具有成本低，裝配簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其采集到的光信號(hào)較弱，易受到干擾，導(dǎo)致結(jié)果偏差。 第三種光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確、不易受環(huán)境影響，但對(duì)光源要求較高，且其價(jià)格也相對(duì)較高，不適合在家庭中普及應(yīng)用。 通常，半定量分析采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、模糊算法等的算法理論與實(shí)現(xiàn)都較為復(fù)雜，難以在MCU 上實(shí)現(xiàn)，使其不適合在家用小型尿液成分分析儀上運(yùn)用［4-5］。

針對(duì)上述問題，本文提出一種基于光纖顏色傳感器的尿液成分分析裝置，可通過光纖放大器將光敏元件接收采集到的光信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，并使用與人眼視覺最為匹配且便于在MCU 上運(yùn)行的CIELab 顏色空間坐標(biāo)系進(jìn)行半定量分析。 該裝置具有體積小成本低、低噪聲高增益、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。 從而使得尿液成分分析儀的家用化、易用化以及對(duì)病人的腎功能、連同泌尿系統(tǒng)在一定程度上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能［6-8］。

1 光纖檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖1 所示。 由圖1 可知，光纖檢測(cè)系統(tǒng)由光纖顏色傳感器、光纖放大器、MCU 組成。 其中，光纖顏色傳感器在收集試紙的光信號(hào)后送至光纖放大器將信號(hào)特征放大并傳輸給MCU，MCU 會(huì)對(duì)光纖放大器輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理。 計(jì)算得到試劑塊的漫反射比即可得到尿液中各成分的濃度。 光信號(hào)是試紙上各個(gè)試劑塊與尿液接觸后所發(fā)生的顏色變化的直接反饋，可以間接反應(yīng)尿液中所包含成分的多少。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram

1.1 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)是為了能使顏色傳感器同時(shí)接收被測(cè)物反射光學(xué)信息的一套系統(tǒng)，主要由視場(chǎng)光闌、孔徑光闌、物鏡、聚光鏡、濾光鏡以及光敏二極管組成。 光纖顏色傳感器所采用的為同軸光路［9］，其原理見圖1。

同軸光路系統(tǒng)的發(fā)射光和反射光為同一光路，其對(duì)鏡面反射與物面跳動(dòng)的干擾有良好的抑制作用，并且能夠接收被檢測(cè)物的鏡面反射光與漫反射光，使其對(duì)被檢測(cè)的顏色分析更加精確。

1.2 光纖放大器

光纖放大器（Optical Fiber Amplifier，OFA）是一種運(yùn)用于光纖通信線路當(dāng)中，將輸入信號(hào)放大的全光放大器。 光纖中的電子在泵浦電子射入后受激從基態(tài)躍遷到高能級(jí)，此時(shí)處于高能級(jí)的電子在接收到輸入信號(hào)后回到振動(dòng)態(tài)，同時(shí)釋放出與輸入信號(hào)相同頻率、相同相位、相同方向的低頻斯托克斯光子［10～12］。

根據(jù)以上原理，可以得到拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 由圖2 可知，泵浦光由激光器產(chǎn)生后經(jīng)過光隔離器進(jìn)入波分復(fù)用器（Wavelength-Division Multiplexer， WDM）。 在波分復(fù)用器中與輸入信號(hào)進(jìn)行耦合后進(jìn)入光纖，在光纖中利用受激拉曼散射效應(yīng)使能量從泵浦光向信號(hào)光發(fā)生遷移，從而使信號(hào)光得到放大。

圖2 拉曼光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of Raman fiber amplifier

在忽略光纖損耗以及泵浦光與信號(hào)光之間的相互作用，可以采用簡(jiǎn)化的拉曼耦合波微分方程［13-15］，即：

其中，n和m分別為泵浦波長(zhǎng)與信號(hào)波長(zhǎng)數(shù)量，并且k≤n時(shí)，Pk為第k個(gè)泵浦光的功率；當(dāng)k≥n時(shí)，Pk表示第k - n個(gè)輸入信號(hào)的功率；gvi表示泵浦光的增益，為泵浦光與輸入信號(hào)在光纖中的損耗；Aeff是光纖的有效面積；Keff是偏振因子［16］。

1.3 光電放大電路

光電處理即將光譜信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，由于光譜信號(hào)在轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)時(shí)非常微弱，因此可推得多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)n為多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù)；Fin為第i級(jí)放大器噪聲系數(shù)；Aj為第j級(jí)放大器的放大倍數(shù)。

由式（2） 可知系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要來自第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)Fin的影響，其后的各級(jí)放大器對(duì)總噪聲系數(shù)的影響較小。 因此增加第一級(jí)放大器的增益，并減小其噪聲是降低整個(gè)放大電路噪聲最有效的方法。

因此，根據(jù)以上要求，研發(fā)得到色標(biāo)傳感器的光學(xué)處理電路如圖3 所示，選用Analog 公司的AD8638 運(yùn)算放大器，有著增益高、失調(diào)小、共模抑制比高、漂移低等優(yōu)點(diǎn)。 將光電二極管直接與放大器的同相端與反向端相連，使其產(chǎn)生的小電流通過第一級(jí)運(yùn)放放大，可以得到經(jīng)第一級(jí)運(yùn)放后的輸出電壓為：

圖3 光電放大電路Fig.3 Photoelectric amplifier circuit

其中，Isc為光電二極管反向?qū)娏?，R2（R3+R4）／（R2+ R4） 為反饋電阻的阻值。

由于電阻是將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的電子元器件，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱噪聲。 電阻上的熱噪聲電壓均方值為：

其中，為電阻上熱噪聲的電壓均方值；k為玻耳茲曼常數(shù)；Rf為反饋電阻；Δf為等效噪聲帶寬；T為熱力學(xué)溫度。

由式（4）可知，為了得到較高的增益所引入的大反饋電阻，不可避免地會(huì)使熱噪聲增大。 因此，引入T 型電阻網(wǎng)絡(luò)代替單一反饋電阻，在得到高增益的同時(shí)，減小了熱噪聲的產(chǎn)生。 另外引入容值較小的電容C1，降低高增益所可能帶來的低頻振蕩，使整體光電處理電路有更好的動(dòng)態(tài)特性。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 漫反射光檢測(cè)

圖4 為試劑帶的結(jié)構(gòu)圖，表面的尼龍膜能阻止生物大分子進(jìn)入試劑層，保護(hù)其不受污染，底部的吸水層可以將多余的尿液吸收，也防止入射光發(fā)生透射。試紙層在浸潤(rùn)過尿液后，會(huì)形成大量的漫反射體。 由圖4 可知在檢測(cè)塊的表層會(huì)發(fā)生鏡面反射，而部分光在進(jìn)入漫反射體后經(jīng)反射、折射、衍射后形成漫反射，并且當(dāng)被測(cè)試劑條的檢測(cè)部分足夠厚時(shí)可以忽略光的透射對(duì)檢測(cè)的影響，通過對(duì)漫反射光采集并檢測(cè)就可以分析得到成分與濃度等相關(guān)信息［17-21］。

圖4 試劑帶反射示意圖Fig.4 Schematics for reagent strip with light reflection

根據(jù)Kubelka-Munk 理論，光線入射后的反射率與試紙反應(yīng)部分的光吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及漫反射光的吸收度有如下關(guān)系：

其中，R∞為被測(cè)樣品厚度大于透射深度時(shí)的漫反射比；K為試劑帶的吸收系數(shù)；S為散射系數(shù)，將式（5） 經(jīng)變換可得：

式（6）的左側(cè)為Kubelka-Munk 函數(shù)F（R∞），可以得到當(dāng)反應(yīng)部分厚度與散射系數(shù)不變時(shí)，反射率僅與吸收系數(shù)有關(guān)，由于吸收系數(shù)K與物質(zhì)濃度滿足比爾定律K ＝εC，即吸收系數(shù)與待測(cè)樣品濃度C成正比。 因此只要測(cè)得檢測(cè)試劑塊的漫反射比即可得到被測(cè)尿液對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的量濃度［22-25］。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在經(jīng)過光電處理電路和AD 轉(zhuǎn)換器之后得到的10 位二進(jìn)制數(shù)字量，并不是被測(cè)試劑條的RGB 值。因此還要對(duì)該數(shù)據(jù)加以預(yù)處理才能進(jìn)行后續(xù)操作。

粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）是一種常用的元啟發(fā)式算法（Meta - Heuristic Algorithm）。 這是一種模擬鳥群運(yùn)動(dòng)，并廣泛運(yùn)用于提高算法精度且易于被程序所實(shí)現(xiàn)的一種算法。 在PSO 算法中有許多粒子，每一個(gè)粒子都有自己的速度和位置。 在粒子速度更新方程中，速度受到當(dāng)前速度的個(gè)體最佳點(diǎn)（pbest） 和全局最佳點(diǎn)（gbest） 所影響。 在粒子位置更新方程中，位置受到當(dāng)前位置和新的更新速度所影響。 研究推得的數(shù)學(xué)方程為：

式（7）中，pbesti與gbesti分別表示第i個(gè)粒子的個(gè)體最佳位置與全局最佳位置；w為慣性權(quán)重；η1與η2分別表示加速系數(shù)；rand1與rand2為0-1 的隨機(jī)數(shù)。 在設(shè)置速度限制與迭代次數(shù)之后，每個(gè)粒子會(huì)分別在各自劃定的區(qū)域內(nèi)尋找問題的最優(yōu)解［26］。

2.3 RGB 值轉(zhuǎn)換

光電傳感器在接收到經(jīng)放大的反射光后，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。 電壓信號(hào)經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換器后即可得到所測(cè)物體的亮度信息。 灰度值可以表現(xiàn)圖像中各點(diǎn)的顏色以及亮度的特征［27］。 研究中求得某點(diǎn)的RGB 值即可將其轉(zhuǎn)換為灰度值，由此可知當(dāng)單色通道光被光電傳感器接收后，其單色通道光強(qiáng)本身就是一幅灰度圖。 故而，可以通過在顏色傳感器的光路系統(tǒng)前端增加濾光鏡，使得LED 發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)試紙條反射到顏色傳感器上的光為單色光。 由于光電處理電路得到的電壓值與該單色光的顏色值成線性關(guān)系，這樣就可以得到被測(cè)物體的對(duì)應(yīng)的顏色值［28］。

使用紅色濾光鏡以及RGB 色標(biāo)卡得到的10 位AD 轉(zhuǎn)換器與紅色顏色值的關(guān)系如圖5 所示。 圖5中，橫坐標(biāo)為紅色的顏色值，縱坐標(biāo)為10 位AD 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)。

圖5 AD-R 值擬合結(jié)果Fig.5 AD-R value fitting result

觀察可得實(shí)驗(yàn)得到的散點(diǎn)圖存在線性關(guān)系，因此通過粒子群算法設(shè)立目標(biāo)函數(shù)，即：

在式（9）～（11）中，P1、P2、P3和P4分別為目標(biāo)擬合直線上兩點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，也是粒子群算法中的最佳點(diǎn)位置；xi為每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；yi為每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)；di為每個(gè)點(diǎn)到直線的距離；D（i） 為粒子群算法的目標(biāo)函數(shù)，即找出2 個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的直線使其到各個(gè)點(diǎn)的直線距離最小。 該算法求得的最佳擬合直線方程為y ＝0.965x -755.632，結(jié)果見圖5。

對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行線性回歸方程分析，得到相關(guān)系數(shù)r2＝0.981 4、F ＝1 213.096 5。 查 表 可知F0.05（1，24）＝249.05＜F，因此這些數(shù)據(jù)點(diǎn)集具有線性回歸性。

2.4 系統(tǒng)誤差的消除

由于色標(biāo)卡與干化學(xué)試紙條的材質(zhì)不同，因此在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可能會(huì)影響所接受反射光的強(qiáng)度。 pH 與葡萄糖修正前后的結(jié)果對(duì)比如圖6 所示。 由修正前檢測(cè)結(jié)果與色標(biāo)卡檢測(cè)結(jié)果的折線圖可知，每個(gè)點(diǎn)之間都存在一定的偏差。 因此需要對(duì)檢測(cè)的數(shù)值進(jìn)行配準(zhǔn)，即引入補(bǔ)償值降低外部環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響［29］。

為了計(jì)算補(bǔ)償值，因此調(diào)配pH 值和葡萄糖兩種經(jīng)過標(biāo)定的溶液后，將其分別滴于干化學(xué)試紙上，并使用顏色傳感器對(duì)其試紙進(jìn)行檢測(cè)。 檢測(cè)結(jié)果相較于色標(biāo)卡的測(cè)定值有明顯的偏差。因此需要在檢測(cè)結(jié)束以后，為紅色測(cè)定值Rm（k） 和藍(lán)色測(cè)定值Bm（k） 增加補(bǔ)償量ΔθR（k） 和ΔθB（k），對(duì)其進(jìn)行配準(zhǔn)。 以達(dá)到色標(biāo)卡的測(cè)量值R（k） 和B（k）［30］。 對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式可寫為：

式（12）中的補(bǔ)償量ΔθR（k） 和ΔθB（k） 受外界多方面因素影響難以直接測(cè)得。 因此可以建立函數(shù)：

利用2 次檢測(cè)結(jié)果的軌跡無限逼近去尋找最適合的補(bǔ)償量ΔθR（k） 和ΔθB（k），以達(dá)到檢測(cè)結(jié)果之間的互異程度最小。 因此可以得到粒子群算法的目標(biāo)函數(shù)為：

基于 式（14） 得 到 偏移 量ΔθR（k）＝30.75，ΔθB（k）＝-39.87，經(jīng)補(bǔ)償?shù)能壽E圖見圖6。 圖6 中，縱軸為R值，橫軸為B值，試紙檢測(cè)值經(jīng)補(bǔ)償后更為接近色標(biāo)卡的檢測(cè)值。

圖6 pH 與葡萄糖修正前后的結(jié)果對(duì)比Fig.6 pH and glucose comparison results before and after calibration

2.5 色差模型建立

在得到經(jīng)過預(yù)處理的被測(cè)試紙以及色標(biāo)卡的RGB 顏色值后，需要對(duì)2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行色差分析。 在該實(shí)驗(yàn)中使用了CIELab 色差公式對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行分析。 但在對(duì)色差進(jìn)行分析之前，首先需要對(duì)RGB 顏色值進(jìn)行變換得到CIELab 顏色空間中的3 個(gè)刺激值X、Y、Z。 轉(zhuǎn)換過程如下：

其中，Xn、Yn、Zn為標(biāo)準(zhǔn)光源的三刺激值，在本實(shí)驗(yàn)中取Xn ＝95.046，Yn ＝100.00，Zn ＝108.575。

同時(shí)，本次研究還會(huì)用到：

在計(jì)算式（17）前，先要計(jì)算彩度Cab、心理色相角，可通過如下公式得到：

其中，G為a軸的調(diào)整因子，為經(jīng)綜合采樣的樣品色。

式（17）中的權(quán)重系數(shù)SL，SC，SH，RT通過下式計(jì)算得到：

其中，Δθ是由色調(diào)決定的旋轉(zhuǎn)角，RC是根據(jù)彩度變化的旋轉(zhuǎn)幅度［31-32］。 研究中，計(jì)算得到上述的權(quán)重束后還需要旋轉(zhuǎn)合適的校正系數(shù)KL、KC、KH。由于本文的實(shí)驗(yàn)條件符合CIELab 色彩空間所要求的標(biāo)準(zhǔn)條件，因此設(shè)置KL ＝KC ＝KH ＝1［33］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在將干化學(xué)試紙上檢測(cè)部分的浸潤(rùn)尿液之后，放置到裝有濾光鏡的光纖顏色傳感器下。 由于在紅色濾光鏡與藍(lán)色濾光鏡下，色標(biāo)卡之間的各個(gè)色塊已經(jīng)擁有各自足夠明顯的特征值。 因此本次實(shí)驗(yàn)中所檢測(cè)的顏色值僅包含紅色顏色值與藍(lán)色顏色值。在檢測(cè)試劑帶上各個(gè)色塊的顏色的AD 值并轉(zhuǎn)換為顏色值后與之前檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)卡比對(duì)，取CIELab色差公式計(jì)算結(jié)果最小的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)卡結(jié)果為該被測(cè)樣品的化驗(yàn)結(jié)果，樣品來自于一位30 歲的女性患者，具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

通過表1 的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，通過光纖顏色傳感器對(duì)患者的尿液成分進(jìn)行定性分析的結(jié)果具有一定的可靠性，該患者的檢測(cè)結(jié)果與醫(yī)院的檢測(cè)結(jié)果吻合，但單個(gè)病人的結(jié)果無法表現(xiàn)儀器的可靠性。因此為了測(cè)試儀器的可靠性，通過對(duì)上海市楊浦區(qū)市東醫(yī)院30 位病人、共360 組數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，運(yùn)行得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results

圖7 中，縱軸為儀器測(cè)試結(jié)果與經(jīng)醫(yī)院檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的CIELab 色差值，橫軸為各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目，折線表示一位病人的12 項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到的顏色值與其對(duì)應(yīng)檢測(cè)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)卡中各個(gè)色塊的顏色值通過CIElab 色差公式得到的最大色差值為6.78。 同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)當(dāng)中結(jié)果與醫(yī)院所檢測(cè)結(jié)果不吻合的部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此將檢測(cè)閾值定為10，即當(dāng)檢測(cè)結(jié)果與醫(yī)院所給定的結(jié)果色差值大于10 時(shí)，則認(rèn)定該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。 圖7 的360 組數(shù)據(jù)中，共有346 組數(shù)據(jù)與醫(yī)院結(jié)果吻合，其準(zhǔn)確率高達(dá)96.1%，具有較高的可靠性。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results

4 結(jié)束語

尿液分析對(duì)疾病的預(yù)防和診斷日益重要，對(duì)其準(zhǔn)確性的要求也日漸提高，針對(duì)此提出了基于光纖的顏色識(shí)別的尿液分析技術(shù)研究，通過光纖放大器將測(cè)得的光電信息進(jìn)行低噪聲放大，進(jìn)而直接準(zhǔn)確地測(cè)量尿液試劑帶顏色變化后的RGB 值，此方法具有良好的創(chuàng)新性與精確性。

通過漫反射光譜原理可以對(duì)與尿液完全反應(yīng)后的試紙進(jìn)行分析，并且將檢測(cè)后的光電信號(hào)通過光纖放大器進(jìn)行放大，使信號(hào)特征更加容易被單片機(jī)識(shí)別。 得到特征數(shù)據(jù)后，粒子群算法能將其轉(zhuǎn)變?yōu)镃IELab 色差公式所需顏色空間的特征值，同時(shí)也可以降低在檢測(cè)過程中可能產(chǎn)生的誤差。 CIELab 色差公式檢測(cè)快速、實(shí)現(xiàn)便捷，能夠在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)高可靠運(yùn)行，精準(zhǔn)快速地達(dá)到對(duì)患者尿液成分進(jìn)行分析的目的。 在通過尿液分析裝置的檢測(cè)后，這些結(jié)果可以實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)或是患者的手機(jī)，供患者能實(shí)時(shí)查閱自己的檢測(cè)狀況，檢查結(jié)果也能實(shí)時(shí)上傳保存于病人的電子病歷當(dāng)中。 此方法具有良好的實(shí)操性與可實(shí)現(xiàn)性。

在上述的仿真實(shí)驗(yàn)中，儀器也表現(xiàn)出良好的可靠性。 試驗(yàn)中，達(dá)到了96.1%的準(zhǔn)確率，表明該系統(tǒng)對(duì)干化學(xué)尿液試劑條識(shí)別足夠準(zhǔn)確，驗(yàn)證其擁有臨床可行性。 對(duì)醫(yī)生了解患者的方式有進(jìn)一步的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為光纖顏色傳感器的廣泛應(yīng)用提供了一定的參考。