结合32位微处理器和高精度颜色传感器构建一种新型尿液分析核心模块。模块采用新颖的光学结构和特定电路提高测量精度,并利用温度对测量结果进行补偿,可直接输出当前测试条的原始数据及尿液中11项被测指标试纸块颜色的RGB值、反射率、半定量等级等信息。结果表明,该模块测量精度在95%以上,具有较好的稳定性、可靠性和一致性,同时该模块还具有很好的开放性和可扩展性,可方便地用于各种类型的尿液分析仪,并可大幅度地降低尿液分析仪的研发和生产成本。
引用本文： 陈龙聪, 刘改琴, 胡南, 张瑞英, 江奇锋, 高斌, 熊兴良. 基于半反半透镜的新型尿液分析核心模块的研究. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(6): 1288-1293. doi: 10.7507/1001-5515.20140244 复制
引言
尿液分析是一项重要的临床化验指标[1]，除用于泌尿系统疾病的诊断、疗效观察以外，还可用于会引起尿液生化成分改变的其它系统疾病的诊断、安全用药检测和健康状态初评等[2-5]。
早期通过人眼直接对比试纸条与标准色卡获得的尿液分析测试结果，由于受人眼主观因素影响，误差较大。随着计算机及自动化技术的发展,基于干化学的尿液分析仪成为临床的主流检测方法，其关键是颜色值的获取和半定量分析算法，其中颜色值的准确性取决于光学系统和颜色采集器。该部分目前主要有三种方式：① 利用不同波长的发光二极管(light emitting diode,LED)灯依次照射试纸条，根据光敏元件接收到不同颜色对应的反射光强，获取试纸条对应项的颜色值[6-7]；② 采用白光光源照射测试试纸条，利用颜色传感器获取试纸条对应项的颜色值；③ 采用白光照射测纸条，利用电荷耦合组件(charge coupled Device,CCD)图像传感器以图像的形式接收不同颜色的反射光强，然后通过图像处理获取试纸条对应项的颜色值[8-9]。其中，① 和② 都具有成本较低，装配简单等优点，但均存在照射光源装配位置及角度、传感器离色块的距离等因素对检测结果有较大影响。最后一种光学系统比前两种方式复杂，光照均匀性要求高，成本也较高，且梯度定标繁琐，目前仅有部分全自动尿液分析在使用。另外，影响尿液分析仪测量精度、重复性和一致性等性能的因素，除半定量分析算法[10]外，还有环境光、温度、试纸的新鲜度等[11-16]。针对各种影响因素，通常从软、硬件两方面改进：如采用先进的超高亮度冷光源提高光学系统的分辨能力和稳定性，降低环境光对测试结果的影响；采用封闭化、模块化的系统设计，选用大规模集成电路，以降低元件数量，减小系统内部各部件间的相互干扰，提高产品的可靠性、稳定性；采用软硬件配合的技术，实现对环境温度、环境光等干扰的自动补偿。
本文结合32位微处理器和高精度颜色传感器构建一种新型尿液分析核心模块，提出了一种新的光路系统，同时采用软硬件相结合的技术，对环境温度、环境光等干扰因素进行自动补偿，可提高测量精度、重复性和稳定性等。
1 模块设计
本文模块采用新颖的光学结构，尽可能减少光学系统对测量产生的影响，并利用温度传感器获取环境温度，根据测量数据与温度的关系进行修正，以减小温度对测量结果产生的影响。本文以特定的电路结构及相应的计算方法提高测量RGB值及光强控制精度，有效地提高各输入量的测量精度。另外，根据实验数据，利用偏最小二乘法获得维生素C(vitamin C,VC)、尿糖(glucose,GLU)、胆红素(bilirubin,BIL)、尿酮体(ketone,KET)、尿比重(specific gravity,SG)、隐血(blood,BLD)、酸碱度(pH)、尿蛋白(protein,PRO)、尿胆原(urobilinogen,URO)、亚硝酸盐(nitrite,NIT)、尿白细胞(leucocyte,LEU)共11项指标的反射率等计算公式及半定量值区间，由于篇幅限制，该部分获取方法未详细阐述，只直接引用结果。本文重点描述该新型尿液分析核心模块的硬件和软件结构两部分。其中硬件部分由光学部分、数据采集和处理两部分构成，软件部分用Keil uVision3编译器实现程序的编译，下面分别对每部分进行详细阐述。
1.1 光学部分
如图 1所示，光学部分由白色LED、半反半透镜、TCS3104颜色传感器及T形光筒灯构成。
图1
核心模块的光学及颜色采集原理图
Figure1.
Structural illustration of optical and color collection system in core module
白色LED提供强度可控的光源，以满足TCS3104颜色传感器对光强的要求；半反半透镜可将LED的光反射到试纸条，并将经试纸条反射的光再透射回TCS3104颜色传感器；TCS3104颜色传感器将RGB值分别以模拟电压的形式输出，外部根据输出的电压获取相应的颜色和亮度信息；T形光筒主要遮挡环境光对结果的影响。如图 1所示，该模块的光学颜色采集方法可实现：① 采集的颜色值是不同颜色光在同一位置的反射光信号，在颜色合成时不会出现颜色的位置偏差；② 减小传感器与色块距离不同时对检测结果的影响。
1.2 数据采集和处理部分
如图 2所示，本部分由光强控制单元、控制和处理单元、启停控制单元、高精度参考电压单元、颜色传感器单元、温度测量单元和串行通讯单元共7个单元组成。其中，启停控制单元实现控制电平的转换，降低功耗，延长使用寿命；温度测量单元利用18B20实现温度的测量，以供温度补偿使用；串行通讯单元实现与外部各种数据的传输。下面对其余4部分进行详细阐述。
图2
数据采集和处理部分框图
Figure2.
Block diagram of data acquisition and processing
1.2.1 光强控制单元
该单元利用恒流的方式控制白色LED灯光强，获取更稳定的光强。其主要是通过微处理器STM32F103RB输出16位分辨率的脉冲宽度调制信号，经滤波、放大等处理后输出控制电压，并利用运算放大器实现电压电流转换，进而达到用恒流控制白色LED灯的目的。另外，在LED回路串联了一取样电阻，并将其采样电压送入微处理器STM32F103RB的模拟端口，从而形成闭环控制，提高恒流的控制精度。
1.2.2 控制和处理单元
该单元由32位微处理器STM32F103RB及相应的外围元件构成[17]。其中STM32F103RB内带12位、1 μs转换速度的A/D转换器、有128 kb可用于程序和数据存储的flash存储器、20 kb静态存储，最高工作频率可达72 MHz。本单元可将颜色传感器输出的模拟电压转换为相应的数字值，实现颜色的采集，并通过相应算法，根据输入信息输出所需的信息，同时还可利用内带的串口实现与外部通信等功能。
1.2.3 高精度参考电压单元
该单元是为提高每道A/D转换的精度而设计的。STM32F103RB内带A/D转换的值以模拟电源作为A/D转换的参考电压，实际使用中模拟电源会出现波动，且不同核心模块相应的模拟电源电压值也可能有小的差异，会造成相同输入对不同核心模块A/D转换的值有一定差异，进而出现核心模块测量的一致性不好。为解决这一问题，本文提出选用精度为0.1%的3 V参考电压芯片ADR363B(输出电压噪声峰值6.8 μV、电压精度±3 mV、温度系数9 ppm/℃)的输出作为STM32F103RB的一道模拟输入，以其作为对照，对其它道的A/D转换值进行修正。实验证明，该法可以很好地减小电源电压引入的干扰，并能提高核心模块测量的一致性和测量精度。
1.2.4 颜色传感器单元
该单元由高精度颜色传感器TCS3104组成，可实现与光路部分的衔接。TCS3104颜色传感器直接输出颜色的RGB三色分量模拟电压值，外部引脚可控制其输出增益为4倍或1倍，采用4倍可有效提高低照度下的测量精度，响应的典型时间为12 μs，输出对RGB的典型灵敏度分别为0.4、0.25、0.2 mV/(μW·cm-2)，在微处理器的控制下实现RGB颜色的采集,并利用白色纸条的值进行修正。
1.3 软件部分
软件部分是利Keil uVision3编译器编写，以32位微处理器STM32F103RB的定时器、A/D转换、Flash存储、串口等实现各种控制数据的采集、保存、处理及通信。如图 3所示，软件部分包括启停控制子程序、光强控制子程序、A/D转换处理子程序、颜色处理子程序、结果处理子程序、串口通讯子程序、参数处理子程序、主程序等几部分。其中，串口通讯子程序通过串行口与外部进行通信，实现信息的交换，比如输出颜色的RGB分量值、各项的结果序号值等；参数处理子程序则是根据输入的信息，读取、保存或更改对应的参数，使得模块具有很好的开发性和可扩展性；光强控制子程序是利用闭环控制方式使加在白色LED上的电流为恒定的预设值；A/D转换子程序利用STM32F103RB的定时器实现各种数据的A/D转换值依据式(1)计算出结果并存入相应的缓冲区；颜色处理子程序在主程序的协调下将颜色的RGB分量从A/D转换子程序缓冲区取出，并利用式(2)进行修正，得到最后计算所需的RGB值；温度测量子程序完成温度的测量，通过多次平均后将测量值存入特定的变量之中，以供结果处理单元使用；结果处理子程序在主程序的协调下，根据颜色处理子程序处理后的RGB值的分布特征取出对应不同色块的数据，再利用对应测试项的式(3)和式(4)计算出相应的反射率，根据设置的半定量区间值(如表 1所示，给出了蛋白质的区间)得出相应的半定量序号值；主程序是调用启停控制子程序获取外部控制的信息，即是启动工作还是停止工作。若停止工作，则进行相应处理使整个核心模块处于低功耗模式；若启动工作，则调用相应的子程序通过对应的关键公式进行计算和处理，并输出相应数据。以下将对软件部分的关键公式进行阐述。
图3
软件框图
Figure3.
Block diagram of software
通过STM32F103RB测量各道输入电压的计算公式为：
| ${{V}_{i}}={{D}_{i}}\times 3.0/{{D}_{r}}$ |
式中Vi为计算所得的输入电压值，Dr取3.0 V参考电压经A/D转换平均值(为了滤除干扰)，Di为需测量的某道A/D转换值。
| ${{D}_{m}}={{V}_{i}}\times 255/{{V}_{W}},$ |
式中Dm为计算所得颜色分量值(m=R,G,B，分别表示红色，绿色和蓝色)，Vi为式(1)所得的结果值，VW表示用白条测试时式(1)算出的值。
| ${{y}_{25}}^{*}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}{{D}_{R}}+{{c}_{2}}{{({{D}_{R}})}^{2}}+{{c}_{3}}{{D}_{G}}+{{c}_{4}}{{({{D}_{G}})}^{2}}+{{c}_{5}}{{D}_{B}}+{{c}_{6}}{{({{D}_{B}})}^{2}},$ |
| ${{y}^{*}}={{c}_{0}}\prime +{{c}_{1}}\prime T+{{c}_{2}}\prime {{T}^{2}}+{{c}_{3}}\prime {{y}_{25}}^{*}+{{c}_{4}}\prime {{({{y}_{25}}^{*})}^{2}},$ |
式中DR、DG和DB分别为通过式(2)算出的某一测试项或试纸块的红色、绿色和蓝色的分量值，c0～c4为某一测试项拟合的系数，y25*为式(3)算出的25℃时的反射率，T为测量时的环境温度，c0′～c4′为某一测试引入温度后拟合的系数。不同测试项c0～c4和c0′～c4′的系数不同，具体值是根据大量实验数据分析得出。如：根据实验得出蛋白质的计算公式为：
| $\begin{align} & {{y}_{25}}^{*}=-118.656\text{ }6+0.221\text{ }3{{D}_{R}}+0.001\text{ }4{{({{D}_{R}})}^{2}}+1.741\text{ }9{{D}_{G}} \\ & -0.005\text{ }6{{({{D}_{G}})}^{2}}-0.039\text{ }8{{D}_{B}}-0.000\text{ }2{{({{D}_{B}})}^{2}} \\ \end{align}$ |
| $\begin{align} & {{y}^{*}}=-8.851\text{ }2+0.427\text{ }8T- \\ & 0.002\text{ }4{{T}^{2}}+1.003\text{ }4~{{y}_{25}}^{*}-0.000\text{ }1\text{ }{{({{y}_{25}}^{*})}^{2}} \\ \end{align}$ |
蛋白质半定量值区间如表 1所示。
表1
蛋白质的半定量值区间及半定量值
Table1.
Semi-quantitative scales and semi-quantitative values of protein
若输出为反射率，则通过式(6)算出的反射率，若为RGB值则为当前测定的RGB值。
2 结果
该新型尿液分析核心模块的实物如图 4所示，可直接输出当前测试条的原始数据、人尿中白细胞、酮体等11项物质各自的RGB值、反射率、半定量等级等信息，可方便地用于各种类型的尿液分析仪。为了说明该模块的结果，下面通过实验得到不同试纸条的4种输出，即当前测试条的原始数据如图 5所示，试纸块颜色的RGB值如表 2所示，反射率如表 3所示，半定量等级数据如表 4所示。图 5中，红色箭头所对应的位置即每一个极小值对应一试纸块的颜色值，红色、绿色和蓝色曲线分别表示在试纸条移动过程中对应RGB颜色的变化，利用该功能及输出试纸块颜色的RGB值可以对新的测试项的规律进行研究、分析，利用外部工具如Matlab等得出相应的计算公式，然后通过特定的指令添加测试项及对应的系数，以实现相应项的测量，利用输出反射率可以通过实验确定各项的半定量区间，并通过特定的指令更改对应项的区间等。
图4
新型尿液分析核心模块的实物图
Figure4.
Picture of the new urine analysis core module
图5
试纸条的原始数据波形图
Figure5.
Waveform of original data collected within a test strip
表2
试纸条各试纸块颜色的RGB值
Table2.
RGB value of test pieces of a test strip
表3
试纸条各试纸块颜色的反射率
Table3.
Reflectivity of test pieces within a test strip
表4
试纸条各试纸块的半定量等级
Table4.
Semi-quantitative level of test pieces within a test strip
另外，为了验证该核心模块的可靠性、稳定性以及一致性，进行了大量的实验，测试的最后结果如表 5所示。在医学上,常用“-”表示阴性,表示被测试者健康,“+”表示阳性,表示被测试者有疾病。其中，加号越多,代表病情越严重。由表 5可以得出,该核心模块测试的准确度达到95%及以上,完全达到尿液分析测试结果的要求。
表5
尿液测试结果
Table5.
Results of urine test using the homemade core module
3 讨论
本文提出了一种基于32位微处理器STM32F103RB和颜色传感器TCS3104的新型尿液分析仪的核心模块，采用新颖的光路结构、特定的电路及软件算法进行补偿，使其每项测量精度均在95%及以上，具有很好的稳定性、可靠性和一致性。另外，该模块可根据外部控制直接输出当前测试条的原始数据、11项指标各自颜色的RGB值、反射率、半定量等级等信息，并且通过特定的指令还可实现修改反射率计算系数、增加测试项和对应的计算系数、读取或更改半定量区间等。因此，该模块具有很好的开发性和可扩展性，从而保证具有很好的通用性，适用于各种类型的尿液分析仪，并可大幅度地降低尿液分析仪的研发和生产成本，具有很好的使用价值和广阔的市场前景。但目前还需对其整体光路、电路和软件进一步优化，力求成为一种标准化尿液分析仪核心模块。
引言
尿液分析是一项重要的临床化验指标[1]，除用于泌尿系统疾病的诊断、疗效观察以外，还可用于会引起尿液生化成分改变的其它系统疾病的诊断、安全用药检测和健康状态初评等[2-5]。
早期通过人眼直接对比试纸条与标准色卡获得的尿液分析测试结果，由于受人眼主观因素影响，误差较大。随着计算机及自动化技术的发展,基于干化学的尿液分析仪成为临床的主流检测方法，其关键是颜色值的获取和半定量分析算法，其中颜色值的准确性取决于光学系统和颜色采集器。该部分目前主要有三种方式：① 利用不同波长的发光二极管(light emitting diode,LED)灯依次照射试纸条，根据光敏元件接收到不同颜色对应的反射光强，获取试纸条对应项的颜色值[6-7]；② 采用白光光源照射测试试纸条，利用颜色传感器获取试纸条对应项的颜色值；③ 采用白光照射测纸条，利用电荷耦合组件(charge coupled Device,CCD)图像传感器以图像的形式接收不同颜色的反射光强，然后通过图像处理获取试纸条对应项的颜色值[8-9]。其中，① 和② 都具有成本较低，装配简单等优点，但均存在照射光源装配位置及角度、传感器离色块的距离等因素对检测结果有较大影响。最后一种光学系统比前两种方式复杂，光照均匀性要求高，成本也较高，且梯度定标繁琐，目前仅有部分全自动尿液分析在使用。另外，影响尿液分析仪测量精度、重复性和一致性等性能的因素，除半定量分析算法[10]外，还有环境光、温度、试纸的新鲜度等[11-16]。针对各种影响因素，通常从软、硬件两方面改进：如采用先进的超高亮度冷光源提高光学系统的分辨能力和稳定性，降低环境光对测试结果的影响；采用封闭化、模块化的系统设计，选用大规模集成电路，以降低元件数量，减小系统内部各部件间的相互干扰，提高产品的可靠性、稳定性；采用软硬件配合的技术，实现对环境温度、环境光等干扰的自动补偿。
本文结合32位微处理器和高精度颜色传感器构建一种新型尿液分析核心模块，提出了一种新的光路系统，同时采用软硬件相结合的技术，对环境温度、环境光等干扰因素进行自动补偿，可提高测量精度、重复性和稳定性等。
1 模块设计
本文模块采用新颖的光学结构，尽可能减少光学系统对测量产生的影响，并利用温度传感器获取环境温度，根据测量数据与温度的关系进行修正，以减小温度对测量结果产生的影响。本文以特定的电路结构及相应的计算方法提高测量RGB值及光强控制精度，有效地提高各输入量的测量精度。另外，根据实验数据，利用偏最小二乘法获得维生素C(vitamin C,VC)、尿糖(glucose,GLU)、胆红素(bilirubin,BIL)、尿酮体(ketone,KET)、尿比重(specific gravity,SG)、隐血(blood,BLD)、酸碱度(pH)、尿蛋白(protein,PRO)、尿胆原(urobilinogen,URO)、亚硝酸盐(nitrite,NIT)、尿白细胞(leucocyte,LEU)共11项指标的反射率等计算公式及半定量值区间，由于篇幅限制，该部分获取方法未详细阐述，只直接引用结果。本文重点描述该新型尿液分析核心模块的硬件和软件结构两部分。其中硬件部分由光学部分、数据采集和处理两部分构成，软件部分用Keil uVision3编译器实现程序的编译，下面分别对每部分进行详细阐述。
1.1 光学部分
如图 1所示，光学部分由白色LED、半反半透镜、TCS3104颜色传感器及T形光筒灯构成。
图1
核心模块的光学及颜色采集原理图
Figure1.
Structural illustration of optical and color collection system in core module
白色LED提供强度可控的光源，以满足TCS3104颜色传感器对光强的要求；半反半透镜可将LED的光反射到试纸条，并将经试纸条反射的光再透射回TCS3104颜色传感器；TCS3104颜色传感器将RGB值分别以模拟电压的形式输出，外部根据输出的电压获取相应的颜色和亮度信息；T形光筒主要遮挡环境光对结果的影响。如图 1所示，该模块的光学颜色采集方法可实现：① 采集的颜色值是不同颜色光在同一位置的反射光信号，在颜色合成时不会出现颜色的位置偏差；② 减小传感器与色块距离不同时对检测结果的影响。
1.2 数据采集和处理部分
如图 2所示，本部分由光强控制单元、控制和处理单元、启停控制单元、高精度参考电压单元、颜色传感器单元、温度测量单元和串行通讯单元共7个单元组成。其中，启停控制单元实现控制电平的转换，降低功耗，延长使用寿命；温度测量单元利用18B20实现温度的测量，以供温度补偿使用；串行通讯单元实现与外部各种数据的传输。下面对其余4部分进行详细阐述。
图2
数据采集和处理部分框图
Figure2.
Block diagram of data acquisition and processing
1.2.1 光强控制单元
该单元利用恒流的方式控制白色LED灯光强，获取更稳定的光强。其主要是通过微处理器STM32F103RB输出16位分辨率的脉冲宽度调制信号，经滤波、放大等处理后输出控制电压，并利用运算放大器实现电压电流转换，进而达到用恒流控制白色LED灯的目的。另外，在LED回路串联了一取样电阻，并将其采样电压送入微处理器STM32F103RB的模拟端口，从而形成闭环控制，提高恒流的控制精度。
1.2.2 控制和处理单元
该单元由32位微处理器STM32F103RB及相应的外围元件构成[17]。其中STM32F103RB内带12位、1 μs转换速度的A/D转换器、有128 kb可用于程序和数据存储的flash存储器、20 kb静态存储，最高工作频率可达72 MHz。本单元可将颜色传感器输出的模拟电压转换为相应的数字值，实现颜色的采集，并通过相应算法，根据输入信息输出所需的信息，同时还可利用内带的串口实现与外部通信等功能。
1.2.3 高精度参考电压单元
该单元是为提高每道A/D转换的精度而设计的。STM32F103RB内带A/D转换的值以模拟电源作为A/D转换的参考电压，实际使用中模拟电源会出现波动，且不同核心模块相应的模拟电源电压值也可能有小的差异，会造成相同输入对不同核心模块A/D转换的值有一定差异，进而出现核心模块测量的一致性不好。为解决这一问题，本文提出选用精度为0.1%的3 V参考电压芯片ADR363B(输出电压噪声峰值6.8 μV、电压精度±3 mV、温度系数9 ppm/℃)的输出作为STM32F103RB的一道模拟输入，以其作为对照，对其它道的A/D转换值进行修正。实验证明，该法可以很好地减小电源电压引入的干扰，并能提高核心模块测量的一致性和测量精度。
1.2.4 颜色传感器单元
该单元由高精度颜色传感器TCS3104组成，可实现与光路部分的衔接。TCS3104颜色传感器直接输出颜色的RGB三色分量模拟电压值，外部引脚可控制其输出增益为4倍或1倍，采用4倍可有效提高低照度下的测量精度，响应的典型时间为12 μs，输出对RGB的典型灵敏度分别为0.4、0.25、0.2 mV/(μW·cm-2)，在微处理器的控制下实现RGB颜色的采集,并利用白色纸条的值进行修正。
1.3 软件部分
软件部分是利Keil uVision3编译器编写，以32位微处理器STM32F103RB的定时器、A/D转换、Flash存储、串口等实现各种控制数据的采集、保存、处理及通信。如图 3所示，软件部分包括启停控制子程序、光强控制子程序、A/D转换处理子程序、颜色处理子程序、结果处理子程序、串口通讯子程序、参数处理子程序、主程序等几部分。其中，串口通讯子程序通过串行口与外部进行通信，实现信息的交换，比如输出颜色的RGB分量值、各项的结果序号值等；参数处理子程序则是根据输入的信息，读取、保存或更改对应的参数，使得模块具有很好的开发性和可扩展性；光强控制子程序是利用闭环控制方式使加在白色LED上的电流为恒定的预设值；A/D转换子程序利用STM32F103RB的定时器实现各种数据的A/D转换值依据式(1)计算出结果并存入相应的缓冲区；颜色处理子程序在主程序的协调下将颜色的RGB分量从A/D转换子程序缓冲区取出，并利用式(2)进行修正，得到最后计算所需的RGB值；温度测量子程序完成温度的测量，通过多次平均后将测量值存入特定的变量之中，以供结果处理单元使用；结果处理子程序在主程序的协调下，根据颜色处理子程序处理后的RGB值的分布特征取出对应不同色块的数据，再利用对应测试项的式(3)和式(4)计算出相应的反射率，根据设置的半定量区间值(如表 1所示，给出了蛋白质的区间)得出相应的半定量序号值；主程序是调用启停控制子程序获取外部控制的信息，即是启动工作还是停止工作。若停止工作，则进行相应处理使整个核心模块处于低功耗模式；若启动工作，则调用相应的子程序通过对应的关键公式进行计算和处理，并输出相应数据。以下将对软件部分的关键公式进行阐述。
图3
软件框图
Figure3.
Block diagram of software
通过STM32F103RB测量各道输入电压的计算公式为：
| ${{V}_{i}}={{D}_{i}}\times 3.0/{{D}_{r}}$ |
式中Vi为计算所得的输入电压值，Dr取3.0 V参考电压经A/D转换平均值(为了滤除干扰)，Di为需测量的某道A/D转换值。
| ${{D}_{m}}={{V}_{i}}\times 255/{{V}_{W}},$ |
式中Dm为计算所得颜色分量值(m=R,G,B，分别表示红色，绿色和蓝色)，Vi为式(1)所得的结果值，VW表示用白条测试时式(1)算出的值。
| ${{y}_{25}}^{*}={{c}_{0}}+{{c}_{1}}{{D}_{R}}+{{c}_{2}}{{({{D}_{R}})}^{2}}+{{c}_{3}}{{D}_{G}}+{{c}_{4}}{{({{D}_{G}})}^{2}}+{{c}_{5}}{{D}_{B}}+{{c}_{6}}{{({{D}_{B}})}^{2}},$ |
| ${{y}^{*}}={{c}_{0}}\prime +{{c}_{1}}\prime T+{{c}_{2}}\prime {{T}^{2}}+{{c}_{3}}\prime {{y}_{25}}^{*}+{{c}_{4}}\prime {{({{y}_{25}}^{*})}^{2}},$ |
式中DR、DG和DB分别为通过式(2)算出的某一测试项或试纸块的红色、绿色和蓝色的分量值，c0～c4为某一测试项拟合的系数，y25*为式(3)算出的25℃时的反射率，T为测量时的环境温度，c0′～c4′为某一测试引入温度后拟合的系数。不同测试项c0～c4和c0′～c4′的系数不同，具体值是根据大量实验数据分析得出。如：根据实验得出蛋白质的计算公式为：
| $\begin{align} & {{y}_{25}}^{*}=-118.656\text{ }6+0.221\text{ }3{{D}_{R}}+0.001\text{ }4{{({{D}_{R}})}^{2}}+1.741\text{ }9{{D}_{G}} \\ & -0.005\text{ }6{{({{D}_{G}})}^{2}}-0.039\text{ }8{{D}_{B}}-0.000\text{ }2{{({{D}_{B}})}^{2}} \\ \end{align}$ |
| $\begin{align} & {{y}^{*}}=-8.851\text{ }2+0.427\text{ }8T- \\ & 0.002\text{ }4{{T}^{2}}+1.003\text{ }4~{{y}_{25}}^{*}-0.000\text{ }1\text{ }{{({{y}_{25}}^{*})}^{2}} \\ \end{align}$ |
蛋白质半定量值区间如表 1所示。
表1
蛋白质的半定量值区间及半定量值
Table1.
Semi-quantitative scales and semi-quantitative values of protein
若输出为反射率，则通过式(6)算出的反射率，若为RGB值则为当前测定的RGB值。
2 结果
该新型尿液分析核心模块的实物如图 4所示，可直接输出当前测试条的原始数据、人尿中白细胞、酮体等11项物质各自的RGB值、反射率、半定量等级等信息，可方便地用于各种类型的尿液分析仪。为了说明该模块的结果，下面通过实验得到不同试纸条的4种输出，即当前测试条的原始数据如图 5所示，试纸块颜色的RGB值如表 2所示，反射率如表 3所示，半定量等级数据如表 4所示。图 5中，红色箭头所对应的位置即每一个极小值对应一试纸块的颜色值，红色、绿色和蓝色曲线分别表示在试纸条移动过程中对应RGB颜色的变化，利用该功能及输出试纸块颜色的RGB值可以对新的测试项的规律进行研究、分析，利用外部工具如Matlab等得出相应的计算公式，然后通过特定的指令添加测试项及对应的系数，以实现相应项的测量，利用输出反射率可以通过实验确定各项的半定量区间，并通过特定的指令更改对应项的区间等。
图4
新型尿液分析核心模块的实物图
Figure4.
Picture of the new urine analysis core module
图5
试纸条的原始数据波形图
Figure5.
Waveform of original data collected within a test strip
表2
试纸条各试纸块颜色的RGB值
Table2.
RGB value of test pieces of a test strip
表3
试纸条各试纸块颜色的反射率
Table3.
Reflectivity of test pieces within a test strip
表4
试纸条各试纸块的半定量等级
Table4.
Semi-quantitative level of test pieces within a test strip
另外，为了验证该核心模块的可靠性、稳定性以及一致性，进行了大量的实验，测试的最后结果如表 5所示。在医学上,常用“-”表示阴性,表示被测试者健康,“+”表示阳性,表示被测试者有疾病。其中，加号越多,代表病情越严重。由表 5可以得出,该核心模块测试的准确度达到95%及以上,完全达到尿液分析测试结果的要求。
表5
尿液测试结果
Table5.
Results of urine test using the homemade core module
3 讨论
本文提出了一种基于32位微处理器STM32F103RB和颜色传感器TCS3104的新型尿液分析仪的核心模块，采用新颖的光路结构、特定的电路及软件算法进行补偿，使其每项测量精度均在95%及以上，具有很好的稳定性、可靠性和一致性。另外，该模块可根据外部控制直接输出当前测试条的原始数据、11项指标各自颜色的RGB值、反射率、半定量等级等信息，并且通过特定的指令还可实现修改反射率计算系数、增加测试项和对应的计算系数、读取或更改半定量区间等。因此，该模块具有很好的开发性和可扩展性，从而保证具有很好的通用性，适用于各种类型的尿液分析仪，并可大幅度地降低尿液分析仪的研发和生产成本，具有很好的使用价值和广阔的市场前景。但目前还需对其整体光路、电路和软件进一步优化，力求成为一种标准化尿液分析仪核心模块。
