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)
尿常規(guī)檢查是一種對(duì)腎功能進(jìn)行體外無(wú)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(wèn)題。 常用的尿液無(wú)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(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)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(jué)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]。
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
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(jiàn)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。
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(guò)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]。
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(lái)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(guò)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(lái)的低頻振蕩,使整體光電處理電路有更好的動(dòng)態(tài)特性。
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(guò)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(guò)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]。
在經(jīng)過(guò)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(niǎo)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(wèn)題的最優(yōu)解[26]。
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(guò)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(guò)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(jiàn)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。
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(guò)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(wú)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(jiàn)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
在得到經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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]。
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(lái)自于一位30 歲的女性患者,具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
通過(guò)表1 的試驗(yàn)結(jié)果可以得知,通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。