馬圣杰 陳煒鋼 劉鄭

摘要：該文針對(duì)三分類的血細(xì)胞分析儀，采用STM32F103C8T6微處理器作為主控芯片，運(yùn)用狀態(tài)分析法對(duì)血細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別，設(shè)計(jì)了一套血細(xì)胞識(shí)別與記數(shù)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)包括電源輸入電路、Coulter傳感器、AD采集電路、濾波電路、MCU控制電路、按鍵輸入電路、液晶顯示電路。血液中的血細(xì)胞經(jīng)過(guò)Coulter傳感器產(chǎn)生電信號(hào)再經(jīng)放大濾波最終被單片機(jī)采集，單片機(jī)再根據(jù)狀態(tài)分析法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析，達(dá)到血細(xì)胞的精準(zhǔn)識(shí)別與記數(shù)的目的。最后使用MDK5編寫MCU程序并制作工程樣機(jī)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)用狀態(tài)分析法的血細(xì)胞分析儀檢測(cè)結(jié)果高于相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：STM32;血細(xì)胞;血細(xì)胞分析儀

血細(xì)胞分析儀，是一個(gè)已被普遍采用的臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)器械，實(shí)質(zhì)上是指對(duì)一定體積內(nèi)血細(xì)胞總量和異質(zhì)進(jìn)行分析的儀器設(shè)備[1-3]。其原型是只能對(duì)紅細(xì)胞（RBC）和白細(xì)胞（WBC）進(jìn)行計(jì)數(shù)的血細(xì)胞計(jì)數(shù)儀（Cell Counter）。本文使用狀態(tài)分析法會(huì)根依據(jù)血細(xì)胞信號(hào)的特點(diǎn)，尋找不同信號(hào)之間的特殊差異并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的區(qū)分。血細(xì)胞信號(hào)的時(shí)域特點(diǎn)主要有脈沖寬度、脈沖高度、脈沖積分等，頻域特點(diǎn)主要包含頻域的能量特點(diǎn)。本文需要解決特征信號(hào)快速精準(zhǔn)識(shí)別的難題。

本文通過(guò)對(duì)血細(xì)胞信號(hào)識(shí)別技術(shù)和狀態(tài)分析法的深入研究，提出一種基于單片機(jī)的低成本血細(xì)胞分類計(jì)數(shù)算法。提供更加準(zhǔn)確、更加快速的血細(xì)胞分析方案。通過(guò)工程樣機(jī)的測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的穩(wěn)定性與可行性，使傳統(tǒng)血細(xì)胞分析儀的速度更快、精度更高。

1血細(xì)胞識(shí)別原理

庫(kù)爾特原理的基本內(nèi)容可以理解為：當(dāng)一小粒子在經(jīng)過(guò)小孔時(shí)，將會(huì)形成與其體積大小的對(duì)應(yīng)電流變化，而電流脈沖大小講會(huì)和小粒子體積成正比[4-6]。血細(xì)胞經(jīng)過(guò) Coulter 傳感器之后產(chǎn)生了一系列血細(xì)胞脈沖信號(hào)，如圖1所示

2 血細(xì)胞狀態(tài)分析法

血細(xì)胞信號(hào)的實(shí)驗(yàn)圖如圖 2 所示，該電信號(hào)采用 YOKOGAWA 公司 DL750 數(shù)據(jù)記錄儀采集。

從信號(hào)的脈沖寬度看，單峰的脈沖寬度在20us，單個(gè)細(xì)胞與細(xì)胞之間間隔時(shí)間不定最小時(shí)會(huì)出現(xiàn)雙峰信號(hào)，這給單片機(jī)計(jì)數(shù)帶來(lái)了非常大的困難。

本文提出通過(guò)狀態(tài)分析法來(lái)進(jìn)行血細(xì)胞信號(hào)的識(shí)別。 狀態(tài)分析法的思路是根據(jù)變化趨勢(shì)把血細(xì)胞信號(hào)分解成若干個(gè)不同的狀態(tài)。拿一個(gè)單峰信號(hào)舉例，如圖 3 所示，一個(gè)單峰信號(hào)有：

S0：信號(hào)初始態(tài);

S1：信號(hào)上升，未達(dá)到峰值;

S2：信號(hào)達(dá)到峰值;

S3：信號(hào)下降，未達(dá)到結(jié)束;

S4：信號(hào)結(jié)束點(diǎn);

以及在這些狀態(tài)的過(guò)渡狀態(tài)：S0-1：S1-2、S2-3、S3-4。

一個(gè)雙峰信號(hào)可以劃分為圖4的幾種狀態(tài)，圖中除了包含了單峰信號(hào)所擁有的S0、S1、S2、S3、S4、S0-1、S1-2、S2-3 狀態(tài)之外還新加入了：

S5：信號(hào)峰谷;

S6：信號(hào)上升，第二次未達(dá)到峰值;

S7：信號(hào)達(dá)到第二個(gè)峰值;

S8：信號(hào)下降，未達(dá)到終點(diǎn);

以及在這些之間的過(guò)渡狀態(tài)：S3-5、S5-6、S6-7、S7-8、S8-4。

圖 4 當(dāng)中的寬度 D0 記錄了一個(gè)單峰信號(hào)的等效寬度，圖 4 中的 D1 記錄了雙峰信號(hào)第一峰的一半寬度、 D2 記錄雙峰信號(hào)的第二峰的一半寬度。D0、D1、D2的寬度值將用來(lái)判斷信號(hào)過(guò)窄還是過(guò)寬，可以來(lái)區(qū)分干擾信號(hào)和正常信號(hào)。

血細(xì)胞計(jì)數(shù)算法分成如下幾個(gè)狀態(tài)：過(guò)渡態(tài)、峰值判斷狀態(tài)、寬度判斷狀態(tài)、峰值保持狀態(tài)。

1）過(guò)渡態(tài)：使用信號(hào)的斜率來(lái)判斷信號(hào)當(dāng)前是處在上升態(tài)、下降態(tài)或是持平態(tài)。

2）峰值判斷狀態(tài)：通過(guò)幅度來(lái)確定電信號(hào)是否上升到最大值或者下降到某個(gè)小值。

3）寬度判斷狀態(tài)：信號(hào)的寬度信息可以用來(lái)確定信號(hào)是否正常，有沒(méi)有過(guò)寬或過(guò)窄的信號(hào)。出現(xiàn)過(guò)寬或者過(guò)窄的信號(hào)都將算作干擾信號(hào)不對(duì)該信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4）峰值保持狀態(tài)：識(shí)別到一個(gè)有效信號(hào)后，統(tǒng)計(jì)電路對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將識(shí)別到的有效信號(hào)的峰值（對(duì)于溜邊信號(hào)則是谷值）作為地址對(duì)單片機(jī)RAM中的變量進(jìn)行累加。峰值保持模塊就是將信號(hào)峰值記錄，傳給統(tǒng)計(jì)電路。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在該血細(xì)胞識(shí)別系統(tǒng)中，硬件電路包括降壓整流電路、庫(kù)爾特傳感器采集電路、小信號(hào)放大電路、濾波抬升電路和單片機(jī)采集電路等電路。硬件電路系統(tǒng)框圖如圖5所示。

其中，降壓整流電路采用 24 V 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源代替。由于血細(xì)胞信號(hào)過(guò)于微小無(wú)法直接被單片機(jī)采集，故需要對(duì)血細(xì)胞信號(hào)進(jìn)行放大。

經(jīng)放大后的電信號(hào)中，依舊存在著一系列的干擾信號(hào)，由此我們?cè)O(shè)計(jì)了濾波抬升電路，使得前端信號(hào)更純粹。

所有的血細(xì)胞電信號(hào)最終交由MCU微處理器進(jìn)行算法識(shí)別與計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中采用3塊STM32F103系列單片機(jī)進(jìn)行血細(xì)胞的識(shí)別，構(gòu)成了3核的控制系統(tǒng)。分別針對(duì)中性粒細(xì)胞（大細(xì)胞）、淋巴細(xì)胞（小細(xì)胞）和其他白細(xì)胞（中間細(xì)胞）進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)MCU的ADC外設(shè)對(duì)各類細(xì)胞的電信號(hào)進(jìn)行捕捉，運(yùn)用狀態(tài)分析法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解讀，最終完成血細(xì)胞識(shí)別與計(jì)數(shù)的過(guò)程。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

血細(xì)胞分析儀實(shí)機(jī)測(cè)試如表1所示。

表二為JJG 714-2012 血細(xì)胞分析儀檢定規(guī)程中的血細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足血細(xì)胞分析儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)采用狀態(tài)分析法進(jìn)行血細(xì)胞的識(shí)別，設(shè)計(jì)了一套基于STM32的血細(xì)胞識(shí)別系統(tǒng)，替換了傳統(tǒng)FPGA識(shí)別計(jì)數(shù)的方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在空白值、重復(fù)性和誤差等參數(shù)上均能滿足血細(xì)胞分析儀的國(guó)標(biāo)JJG 714-2012。針對(duì)目前市面上基于單片機(jī)的血細(xì)胞分析儀識(shí)別精度不高、識(shí)別速度慢的問(wèn)題，通過(guò)本方案證明了通過(guò)狀態(tài)分析法進(jìn)行識(shí)別的有效性和可靠性。

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浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2020R424001）

作者簡(jiǎn)介：馬圣杰（1999—），男，浙江寧波人，工程師。研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式應(yīng)用。

通訊作者：陳煒鋼（1988—），男，浙江紹興人，講師。研究方向：精密醫(yī)療器械技術(shù)。