基于顏色傳感器的透析液血紅細胞微漏出量的檢測研究*

陳飛飛，邱召運，陳雪梅，劉金英，胡飛虎，2，謝永芳，2

（1.濰坊醫學院生物科學與技術學院，山東濰坊261053；2.濰坊醫學院電子與計算機技術教研室，山東 濰坊261053）

1 引 言

血液透析作為腎臟替代的一種方法，在急性腎衰時替代腎臟功能，漏血檢測是透析過程中不可或缺的[1]。漏血檢測裝置一般采用光電傳感技術實現漏血檢測，早期設備采用紅外光電傳感器進行檢測，由于血紅細胞（RBC）對紅外線吸收率較低，因此漏血檢測裝置的靈敏度較低[2]。有些漏血檢測裝置改用綠色光源作為檢測媒介，靈敏度有所改善[3]。但血液透析機中的漏血檢測裝置在使用過程中，透析管壁上會逐漸產生粒子沉積而影響透光性，透析過程中經常會產生氣泡附著在管壁，這些問題均可造成漏血檢測的誤報和漏報。有研究采用TCS230顏色傳感器設計漏血檢測裝置并設計了較復雜的算法[4-5]，希望改善檢測裝置的性能，由于傳感器采用數字信息輸出，其靈敏度和分辨率并不受外部電路控制，因此，檢測裝置并未達到微量漏血檢測的目的。本研究提出了一種基于新型（red-green-blue，RGB）顏色傳感器檢測透析液中微量RBC的技術方法，并采用簡單的復合檢測算法，可檢測透析液中RBC微小濃度變化，提高了檢測靈敏度。該技術方法設有氣泡檢測和管壁粒子沉積檢測，解決了誤報漏報問題，有利于減少患者在透析過程中的安全隱患問題。

2 透析漏血監測

2.1 RGB顏色傳感器

RGB顏色傳感器[6]可以檢測相似的顏色和色調，具有極高的可靠性，通過測量組成物體顏色的三基色反射比率來實現顏色檢測，其基于內光電效應，將光信號轉換成電信號的光輻射探測器件。新型顏色傳感器 CLS15-22C/L213/TR8（以下簡寫為L213）是一種對紅、綠、藍色光線區域譜具有高度敏感性的硅光敏二極管。L213系列傳感器具有較好的輸出穩定性和良好的溫度特性，在顏色識別中有著較廣泛的應用。

圖1是L213顏色傳感器的光譜響應曲線，表示顏色傳感器對光線波長的相對靈敏度。由圖1可知，RGB顏色傳感器對光的峰值靈敏度波長不同，且具有波長范圍小，單色選擇性強的優點。因此，顏色傳感器相互之間影響小，具有較高的顏色分辨力，RGB三個敏感單元可以獨立應用，也可以組合應用。其中，L213R對紅色光源敏感，感應峰值靈敏度波長為620nm；L213G對綠色光線敏感，感應峰值靈敏度波長為550 nm；L213B對藍色光線敏感，感應峰值靈敏度波長為470 nm。本研究采用RGB顏色傳感器獨立應用方式，并分別配備能夠發射上述峰值波長的LED，構成三個獨立的檢測單元。

圖1 顏色傳感器的光譜響應曲線Fig 1 The spectral response curve of color sensor

2.2 透射式漏血檢測原理

漏血檢測主要采用光電檢測技術，檢測裝置由檢測光源和檢測電路組成。本研究中，采用L213R、L213G和L213B分別檢測紅綠藍三色透射光，實現對透析液中RBC濃度的分析。透析液管路安裝在檢測光源與電路之間，RGB顏色傳感器為顏色敏感器件，可檢測顏色的微小變化。正常情況下，RBC未滲透到透析液中，透析液的透光度相對較高，到達對面的檢測元件的透射光較強，傳感器將光信號轉化為電信號。當發生血液漏出時，由于紅細胞懸浮在透析液中，產生遮光效果，傳感器接收到的光強減小，檢測電路輸出電壓發生變化[7]；當透析液中RBC漏出量逐漸增加時，透析液遮光強度逐漸增加，傳感器的檢測光強隨之減小，到達設定漏血閾值時，觸發裝置發出漏血報警。

3 漏血檢測實驗

3.1 信號采集電路

圖2為RBC漏出量檢測裝置的RBC濃度信號采集電路圖。實驗采用紅、綠、藍LED作為光發射元件，5 V恒壓源供電使LED產生穩定亮度的光。圖2中，透析管一側安裝紅、綠、藍發光二極管LR、LG、LB，另一側對應安裝RGB顏色光敏檢測元件DR、DG、DB。LR、LG、LB發出的光，部分被透析管管壁和透析液吸收和反射，剩余大部分光到達管壁對側相應的檢測元件DR、DG、DB，透析液中RBC濃度和顏色的變化導致RGB顏色傳感器接收到的光強發生變化，從而引起傳感器輸出信號發生改變，采集到的包含濃度信息的信號分別經A1、A2、A3構成的電壓跟隨器輸出，其中DR構成的紅光采集電路輸出Ur，DG構成的綠光采集電路輸出Ug，DB構成藍光采集電路輸出Ub。另外，管壁粒子沉積也會影響傳感器輸出，應當采取措施消除管壁粒子沉積對測量結果的影響。實驗在避光條件下進行，避免環境光的干擾。

3.2 漏血檢測實驗

實驗采用濃度為0.5%～10%（mL/mL）的兔血溶液、管內壁直徑為4.48 mm的實驗條件下進行。透析液管路中依次流動濃度為0.5% ～10%的兔血溶液，各色傳感器分別對不同濃度兔血溶液進行檢測，分別記錄Ur、Ug、Ub三次測量的平均值，顏色傳感器檢測不同濃度的兔血溶液時的平均輸出電壓見表1。

圖2 RBC濃度信號采集電路Fig 2 RBC concentration signal acquisition circuit

表1 RGB顏色傳感器輸出電壓實驗數據Table 1 RGB color sensor output voltage experimental data

表1數據顯示，兔血溶液濃度的微小變化對紅色傳感器的輸出電壓影響較小，其電壓值變化幅度較小；綠色、藍色顏色傳感器的輸出信號隨濃度增加而變化較大。圖3是根據表1數據得出的各單顏色傳感器隨RBC濃度的變化曲線，由圖3可直觀看出，透析液對紅色光線的吸收率較弱，微小的濃度變化對傳感器的輸出信號影響很小，故紅色傳感器的輸出信號幾乎不變。而透析液對綠色、藍色光線的吸收率較強，濃度變化對其影響較大，故綠色、藍色傳感器的輸出信號隨溶液濃度的變化較為明顯，可選用綠色、藍色傳感器作為漏血檢測傳感器。單色傳感器檢測時的靈敏度較低、可靠性較差，為了進一步提高漏血檢測時的靈敏度，進而將綠色、藍色傳感器的輸出信號進一步通過信號處理，得到檢測兔血溶液時具有更高靈敏度的RGB復合傳感器。

圖3 顏色傳感器隨RBC濃度變化的輸出曲線Fig 3 The output curve of color sensor changes with RBC concentration

4 信號處理電路與算法

4.1 信號處理電路

圖4為檢測裝置的信號處理電路原理圖。信號處理電路包含放大電路和單片機的數模轉換系統，與RBC濃度信號檢測電路構成RGB復合傳感器系統。

圖4 信號處理電路原理圖Fig 4 The signal processing circuit principle diagram

由實驗結果可得，紅色傳感器的靈敏度較低，不適合用于漏血檢測。但是，當透析管中有氣泡產生時，由于氣泡對光線具有發散作用，導致傳感器檢測到的光線強度大大降低，此時Ur值將發生突變。為避免誤報，將紅色傳感器用于誤報檢測，當傳感器檢測到氣泡時，LY綠色LED點亮，警示透析管中存在氣泡，此時將暫停漏血檢測以避免誤報，氣泡消失時RGB復合傳感器系統恢復檢測[8]。綠色、藍色傳感器做檢測漏血傳感器，Ug、Ub經放大電路處理后輸入單片機系統，由單片機內置A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號，運算處理后與設定的漏血濃度閾值比較，當滿足報警條件時，將會觸發LR紅色LED和揚聲器，產生聲光報警，提醒已經發生漏血危險[9]。

圖4中，放大器A4、A5、A6分別與外圍元件構成同相放大電路，對RGB顏色傳感器輸出信號進行放大處理，設放大倍數分別為Kr、Kg、Kb，則：

式（1）是信號處理電路的輸入輸出關系式，應該根據實際檢測要求設置合適的Kr、Kg和Kb值。本研究為了適于與單片機的模擬通道接口，濃度信號采集電路的輸出Ur、Ug、Ub信號在送單片機進行A/D轉換前需要進行適當放大，使其電壓變化范圍在0～5 V之間。因此，根據RBC濃度檢測電路的實際輸出電壓變化范圍，設置圖4中的信號處理電路的放大倍數Kr為10倍，A5的放大倍數Kg為10倍，A6的放大倍數Kb為20倍。故有：

由式（2）和實驗數據可知，UR的電壓變化范圍在0～4.5 V，UG的電壓變化范圍在0～3.8 V，UB電壓變化范圍在0～4.26 V，均能滿足單片機的模擬接口要求。

4.2 自動校準與復合檢測

為了消除管壁粒子沉積造成的檢測誤差，每次啟動透析設備時，漏血檢測系統將自動檢測本次透析開始時（可視為RBC濃度為零時）透析管、透析液的初始透光信息作為系統誤差數據，用來自動校準由于管壁粒子沉積對檢測結果的影響。同時也為了進一步提高檢測靈敏度，將綠色、藍色傳感器的輸出電壓數據進行復合運算與分析，并設計了簡單的算法以提高檢測的可靠性。

設RBC濃度為零時，UG的誤差值為UG0，UB的誤差值為UB0，則復合檢測的等效電壓為：

式（3）的意義是取UG、UB電壓做100%加權運算，輸出結果扣除了管壁粒子沉積等影響因素，且輸出信號進行了等效反相處理。復合算法處理后的數據見表2，復合檢測的輸出曲線見圖5。

表2 復合算法后的等效輸出電壓Table 2 The equivalent output voltage after the composite algorithm

比較圖3各輸出電壓曲線可知，紅色傳感器的輸出電壓隨透析液濃度變化較小，但溶液中可能存在氣泡，導致到達傳感器的光線強度降低、輸出電壓減小，故采用紅色傳感器作為誤報檢測傳感裝置；采用綠色、藍色傳感器作為漏血檢測傳感器，單色傳感器檢測的可靠性和靈敏度較差，故將綠色、藍色傳感器的輸出信號進行復合檢測運算，使顏色傳感器檢測透析液中微量RBC具有更高的靈敏度。

圖5 復合檢測的輸出等效電壓隨RBC濃度的變化曲線Fig 5 The curve of output equivalent voltage of composite detection with RBC concentration

5 結束語

基于新型RGB顏色傳感器設計的漏血檢測傳感系統，采用綠光和藍光進行復合檢測，當兔血濃度在0～10%（mL/mL）之間變化時，等效輸出電壓的變化范圍為0～4.46 V，實驗結果證明具有較高的靈敏度，可解決常見漏血裝置因靈敏度低造成的漏報問題。為了消除管壁粒子沉積造成的檢測誤差，通過檢測透析管、透析液的初始透光數據，利用單片機運算扣除漏血影響因素，并用紅色傳感器作為氣泡檢測傳感器，進一步防止由于非漏血因素造成的誤報現象。該漏血檢測裝置可應用于臨床檢測，具有靈敏度高，可靠性高的優點。