FIA算法在尿液成分檢測中的應用

李永洋，嚴榮國，邱小燁，李俊國

（上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院，上海　200093）

0　引言

尿液檢測在現(xiàn)代醫(yī)學上具有重要的意義，臨床多采用干化學方法進行測定。它是指利用尿液與多聯(lián)試紙條相應試紙條內的試劑發(fā)生化學反應產(chǎn)生顏色變化，顏色變化的深淺跟各種成分的濃度成正比，再根據(jù) Kubelka-Munk理論及反射率的變化對各種成分作半定量分析[1-2]。尿液干化學分析不僅可以用于泌尿系統(tǒng)疾病診斷、療效觀測，而且對其他器官疾病的診斷、臨床安全用藥監(jiān)護、職業(yè)病的輔助診斷與監(jiān)測，以及對人體健康狀態(tài)評估也有重要意義。

臨床上多聯(lián)試紙條試劑塊為5×5 mm，間隔2 mm的正方形塊，蘸過尿液后的試劑帶被傳送到尿液分析儀進行光學測定[3]。它是利用積分球，根據(jù)反射率的變化來進行濃度的測定，反射率越大，被測成分濃度越低；反之亦然[4]。此方法涉及的原件眾多，結構復雜，成本較高。

為此，本文設計了一種尿液試紙條顏色識別方法，用于識別尿液檢測中試紙條的顏色從而判斷待檢測的各項指標的值。顏色作為一個主觀概念，沒有具體的量化公式，顏色識別的傳統(tǒng)方法根據(jù)色度圖確定顏色。根據(jù)三原色原理，即所有的顏色都能夠通過紅（R）綠（G）藍（B）三種顏色混合出來。相同的，如果知道某種顏色的RGB值就可以得到該種顏色。本文中所用的顏色識別原理就是計算出試紙條上各個試劑塊的RGB值，與系統(tǒng)里面的比色對照圖譜各個顏色對應的RGB值進行算法分析，得到相應的尿液成分參數(shù)指標值。

1　設計原理與實現(xiàn)方法

1.1　TCS230顏色傳感器原理

本文選取的為 TCS230顏色傳感器，可將光線的RGB三元色的信號轉變?yōu)門TL電平方波信號。由于其輸出信號是數(shù)字量，可以直接驅動TTL邏輯電平，單片機直接與芯片相連不需要AD轉換電路，檢測和轉換時無需外接基準信號，因此其電路簡單，調試方便[5-6]。工作時可以選擇不同的編程引腳來控制百分之百，百分之二十或者百分之二的頻率輸出比例因子以適應不同的場合，其三個顏色濾器由不同的引腳組合控制[7-8]。TCS230芯片各個引腳的名稱、尺寸，及各個引腳組合功能如表一所示。當選擇 S0為低（L），S1為高（H）時輸出的脈沖比例為百分之二，當選擇S0為高（H），S1（L）為低時輸出的脈沖比例為百分之二十，當選擇S0為高（H），S1為高（H）時輸出的脈沖比例為百分之百。

表1　TCS230芯片引腳組合功能表Tab.1　TCS230 chipset pinout truth table

理論上，白色是由等量的紅色，綠色和藍色混合而成，而TCS230在實際檢測白色時，對這3種基本色的敏感性不同，因此需要進行白平衡調整[9-12]，計算出所需要的3個調整參數(shù)K1，K2，K3。獲取顏色 RGB值的具體操作步驟為首先測量在一定時間內輸出比例相同時，S2為高、S3為低（三個濾波器全開）OUT引腳輸出的脈沖數(shù) m，其次分別測量在相同時間內只開紅色濾波器的脈沖數(shù)rm，綠色濾波器的脈沖數(shù)gm，藍色濾波器的脈沖數(shù)bm，最后通過這幾個脈沖數(shù)帶入公式（1）可以得到模塊相對應的RGB值。

為驗證以上顏色識別原理的可行性，用示波器測量在1秒的時間內TCS230顏色傳感器在百分之二的輸出比例下對某種顏色OUT引腳輸出脈沖，結果如下圖1所示，其中圖 1(a)為只開紅色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為15，圖1(b)為只開綠色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為14，圖1(c)為只開藍色濾波器脈沖頻率圖脈沖數(shù)約為 18.5。結果表明 TCS230顏色傳感器對同一顏色打開不同濾波器時接收的脈沖數(shù)不一樣，驗證了該傳感器的顏色識別原理，對裝置提升識別效率，提高識別精度有指導意義[13-14]。

1.2　尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)

尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)由微處理器 Atmega-32L、顏色傳感器TCS230、RS232串口、上位機組成，系統(tǒng)基本框架如圖2(a)所示，TCS230芯片四周安置的LED燈，用穩(wěn)壓管提供恒定電流給其供電，保證產(chǎn)生高亮度穩(wěn)定白光，為顏色識別裝置提供良好的基礎。TCS230芯片的工作電壓為5V，輸出占空比為50%，OUT引腳輸出為數(shù)字脈沖與單片機定時中斷PD2引腳連接。微處理器讀取顏色三個基色方波信號，并將基色信號通過白平衡所得公式處理得到該顏色對應RGB值。RGB值通過RS232串口發(fā)送給上位機，在MATLAB GUI實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算法處理，最后得到相應的尿液體征參數(shù)指標值。由于沒有模擬電路整個電路結構簡單，可靠穩(wěn)定、抗干擾能力強[15]。

其裝置剖面圖如圖2(b)所示。TCS230顏色傳感器及其承載電路板固定在圓筒頂部，圓筒直徑為40 mm。TCS230傳感器的四周分別安置了一個白色發(fā)光二極管（LED）作為光源，產(chǎn)生的白色光線在漏斗狀燈罩（不透明）的匯聚下于圓筒底部形成一個直徑為5 mm的光斑（即完全覆蓋試劑塊），能夠有效的讓傳感器檢測到試劑塊反射的光頻信號，并且避免相鄰試劑塊反射的光頻信號對正在檢測試劑塊產(chǎn)生影響。燈罩嵌套于圓筒之內，圓筒底部預留空隙，傳送帶上的試紙條依次進入自動檢測。為了制造黑暗空間、避免外界光線對測量的影響，圓筒空隙離地面間距應當盡量小，此設計中為5 mm。

圖1　脈沖示意圖Fig.1　Pulse diagram

圖2　尿液試紙條顏色識別系統(tǒng)Fig.2　Color identification system for A Urine Strip

2　算法分析

由于顏色識別具有結構復雜，變量眾多、參數(shù)之間存在較強的耦合，難以建立數(shù)學模型，而模糊識別算法（Fuzzy identification algorithm）[16]在建立模糊識別控制器后，可以在依靠人類的智慧下獲得令人滿意的識別效果，所以本文中采用模糊識別算法，即FIA來進行顏色識別。

以下僅以 pH試劑塊作為例子，驗證模糊算法在尿液檢測中識別尿液酸堿度的可行性。本文采用艾康生物技術（杭州）有限公司生產(chǎn)的多項尿液檢測試紙條（干式化學法），根據(jù)pH比色對照圖譜得到不同pH值對應RGB值，如表2所示。

表2　不同pH值對應RGB值Tab.2　RGB values to different pH values correspond

2.1　輸入變量的模糊化

由于RGB三個值的物理論域Xj=[a,b]， a≠-b，為不對稱物理論域。模糊論域為Nj=[-nj,nj]，此時的量化因子表達式為：

由式（2）得到離散公式：

式中a，b為RGB取值范圍，根據(jù)實際情況a=0，b=255 ，[-nj, nj]為模糊論域，由于 RGB值的變化區(qū)間大故nj取4。選定五個模糊子集NB（Negative Big），NS（Negative Small），ZO（Zero），PS（Positive Small），PB（Positive Big）用于涵蓋輸入量Xj的論域[0,255]，此處取三角形隸屬函數(shù)，其分布如圖 3所示。

圖3　輸入R論域的模糊子集分布Fig.3　The distribution of the fuzzy subset of the input R domain

輸入模糊子集隸屬函數(shù)如下：

同理G、B值論域分布隸屬函數(shù)與R相同，不再贅述。

2.2　輸出變量的模糊化

輸出顏色對應的pH值為5.0，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0，9.0在此物理論域用Xout=[0，6]表示，即0表示該顏色對應 pH值為 5，1表示顏色對應 pH值為6，2表示顏色對應pH值為6.5，依次類推，取nj為3。選定7個模糊子集涵蓋輸出量的論域分別為 NB（Negative Big），NM（Negative Middle），NS（Negative Small），ZO （Zero），PS（Positive Small），PM（Positive Middle），PB（Positive Big），它們的隸屬函數(shù)如下，其分布如圖4所示。

圖4　輸出Xout論域的模糊子集分布Fig.4　The distribution of the fuzzy subset of the output Xout R domain

2.3　建立模糊規(guī)則

根據(jù)離散公式（3）得到輸入模糊公式

由比色對照圖譜上各個pH對應的實際RGB值確定模糊子集。具體操作為將輸入量的值代入輸入模糊公式（9），得到n值，然后在圖3輸入隸屬函數(shù)中找到n值對應最大函數(shù)值的模糊集合。例如當R=255時，代入模糊公式得到n=4，屬于模糊集PB；當 G=99時，代入模糊公式得到 n≈-0.89取-1，屬于模糊集ZO；當B=71時，代入模糊公式得到n≈-1.77取-2，屬于模糊集NS。

由表2中不同pH值對應RGB值可以歸納總結出下述七條模糊規(guī)則：

（a）當R屬于PB，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為5.0，即Xout=NB；

（b）當R屬于PB，G屬于PS，B屬于NS時，輸出pH為6.0，即Xout=NM；

（c）當R屬于PS，G屬于ZO，B屬于NB時，輸出pH為6.5，即Xout=NS；

（d）當R屬于ZO，G屬于PS，B屬于NS時，輸出pH為7.0，即Xout=ZO；

（e）當R屬于ZO，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為7.5，即Xout=PS；

（f）當R屬于ZO，G屬于PS，B屬于NB時，輸出pH為8.0，即Xout=PM；

（g）當R屬于NB，G屬于ZO，B屬于NS時，輸出pH為9.0，即Xout=PB。

2.4　近似推理

例如某次接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)為 R=238，G=173，B=14，分別代入輸入模糊公式（9），求得對應模糊輸入，在模糊子集分布圖5中可知清晰量R=238模糊后只映射到模糊子集PB和PS上，代入模糊子集隸屬函數(shù)（7）和（8），求得對應隸屬函數(shù)值分別0.73，0.27；清晰量G=173模糊后只映射到模糊子集PS和ZO上，對應隸屬函數(shù)值分別為0.71，0.29；清晰量B=14模糊后只映射到模糊子集NB和NS上，對應隸屬函數(shù)值分別為0.78，0.22。雖然對應八種模糊情況，根據(jù)最大隸屬度法只需考慮其中隸屬度最大的一條即 R=PB，G=PS，B=NB，在MATLAB當中計算結果如圖 4模糊識別結果圖所示，此時模糊輸出為-2由上文可知此時pH值為6.0，與實際結果一致。結果表明，本文設計的模糊控制器在多項尿液檢測中能夠判斷出 pH試紙條的酸堿度，亦能推廣判斷尿液其余體征參數(shù)。

圖5　模糊識別結果圖Fig.5　the FIA results

3　顏色測試及結果分析

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，將設計好的尿液試紙條顏色檢測儀，按照實驗的流程進行 20組尿液pH試紙條識別，每個試劑塊識別20次，與經(jīng)驗豐富操作人員識別結果對比，結果如下表3所示。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)信息，可以看出人工識別結果為5.0的試塊模糊識別正確率最高達到98.33%，這是由于該試塊在比色對照圖譜中的顏色最紅R值等于255在模糊輸入里面屬于PB集合并且隸屬度為1，故該系統(tǒng)能夠較為容易地識別出該顏色。然而，模糊識別正確率最低的試塊pH值為6.5，識別正確率為 87.5%，遠低于最高識別正確率。這是由于該顏色G值分布在ZO，PS兩個集合中間，且隸屬度大小在0.5左右波動，使得識別結果跟7.0試塊混淆，B值分布在NB，NS兩個集合中間的隸屬度大小區(qū)分不明顯，識別結果容易跟 6.0的試塊混淆，故拉低了該顏色的識別準確率。

表3　pH試紙條模糊識別實驗結果統(tǒng)計表Tab.3　Statistical table of pH strip using the FIA method

通過計算20個試塊共400次識別試驗，得到模糊識別結果與人眼識別結果一致的次數(shù)為369次，準確率到達了92.25%，由此可以判斷該系統(tǒng)具有較高的可靠性和準確性，能夠準確的識別尿液檢測試紙條的 pH值。以上特征還可以用于改進模糊識別算法的設計，即在隸屬度波動在 0.5左右的模糊集合中添加模糊規(guī)則，細化模糊輸出從而得到更為準確的識別結果。

綜上結論，推斷該方案能夠成功的應用在尿液試紙條其他各項指標顏色的識別上，對工作中解決實際問題有較強的指導意義，也為FIA識別算法的廣泛應用提供了參考。