基于光纖顏色傳感器的尿液成分分析

張瀚文， 嚴榮國， 許任興， 范穎超

（1 上海理工大學 醫療器械與食品學院， 上海 200093； 2 上海市楊浦區市東醫院 檢驗科， 上海 200093）

0 引 言

尿常規檢查是一種對腎功能進行體外無創活檢的常用方式，可以及時反映腎、膀胱、尿道等器官出現的問題。 常用的尿液無形成分檢查需要將干化學尿試劑條（Urine Reagent Strip， URS）浸潤尿液后進行半定量分析［1～3］，目前主要有3 種方式。 第一種是利用不同波長的發光二極管（Light Emitting Diode， LED）依次照射試紙條，根據光敏元件接收到不同顏色對應的反射光強，獲取試紙條對應項的顏色值；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應項的顏色值；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，然后通過圖像處理獲取試紙條對應項的顏色值。 其中，第一種和第二種都具有成本低，裝配簡單等優點，但其采集到的光信號較弱，易受到干擾，導致結果偏差。 第三種光學系統檢測準確、不易受環境影響，但對光源要求較高，且其價格也相對較高，不適合在家庭中普及應用。 通常，半定量分析采用的神經網絡算法、無監督學習、模糊算法等的算法理論與實現都較為復雜，難以在MCU 上實現，使其不適合在家用小型尿液成分分析儀上運用［4-5］。

針對上述問題，本文提出一種基于光纖顏色傳感器的尿液成分分析裝置，可通過光纖放大器將光敏元件接收采集到的光信號進行低噪聲放大，并使用與人眼視覺最為匹配且便于在MCU 上運行的CIELab 顏色空間坐標系進行半定量分析。 該裝置具有體積小成本低、低噪聲高增益、檢測結果準確等優點。 從而使得尿液成分分析儀的家用化、易用化以及對病人的腎功能、連同泌尿系統在一定程度上的實時監測成為可能［6-8］。

1 光纖檢測系統設計

光纖檢測系統結構設計原理如圖1 所示。 由圖1 可知，光纖檢測系統由光纖顏色傳感器、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后送至光纖放大器將信號特征放大并傳輸給MCU，MCU 會對光纖放大器輸出的電信號進行處理。 計算得到試劑塊的漫反射比即可得到尿液中各成分的濃度。 光信號是試紙上各個試劑塊與尿液接觸后所發生的顏色變化的直接反饋，可以間接反應尿液中所包含成分的多少。

圖1 結構原理圖Fig.1 Structural schematic diagram

1.1 光路系統設計

光路系統是為了能使顏色傳感器同時接收被測物反射光學信息的一套系統，主要由視場光闌、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］，其原理見圖1。

同軸光路系統的發射光和反射光為同一光路，其對鏡面反射與物面跳動的干擾有良好的抑制作用，并且能夠接收被檢測物的鏡面反射光與漫反射光，使其對被檢測的顏色分析更加精確。

1.2 光纖放大器

光纖放大器（Optical Fiber Amplifier，OFA）是一種運用于光纖通信線路當中，將輸入信號放大的全光放大器。 光纖中的電子在泵浦電子射入后受激從基態躍遷到高能級，此時處于高能級的電子在接收到輸入信號后回到振動態，同時釋放出與輸入信號相同頻率、相同相位、相同方向的低頻斯托克斯光子［10～12］。

根據以上原理，可以得到拉曼光纖放大器的基本結構如圖2 所示。 由圖2 可知，泵浦光由激光器產生后經過光隔離器進入波分復用器（Wavelength-Division Multiplexer， WDM）。 在波分復用器中與輸入信號進行耦合后進入光纖，在光纖中利用受激拉曼散射效應使能量從泵浦光向信號光發生遷移，從而使信號光得到放大。

圖2 拉曼光纖放大器的基本結構Fig.2 The basic structure of Raman fiber amplifier

在忽略光纖損耗以及泵浦光與信號光之間的相互作用，可以采用簡化的拉曼耦合波微分方程［13-15］，即：

其中，n和m分別為泵浦波長與信號波長數量，并且k≤n時，Pk為第k個泵浦光的功率；當k≥n時，Pk表示第k - n個輸入信號的功率；gvi表示泵浦光的增益，為泵浦光與輸入信號在光纖中的損耗；Aeff是光纖的有效面積；Keff是偏振因子［16］。

1.3 光電放大電路

光電處理即將光譜信號轉變為電壓信號，由于光譜信號在轉換為電壓信號時非常微弱，因此可推得多級級聯放大器噪聲系數的計算公式為：

其中，Fn為多級級聯放大器的總噪聲系數；Fin為第i級放大器噪聲系數；Aj為第j級放大器的放大倍數。

由式（2） 可知系統的總噪聲系數主要來自第一級放大器的噪聲系數Fin的影響，其后的各級放大器對總噪聲系數的影響較小。 因此增加第一級放大器的增益，并減小其噪聲是降低整個放大電路噪聲最有效的方法。

因此，根據以上要求，研發得到色標傳感器的光學處理電路如圖3 所示，選用Analog 公司的AD8638 運算放大器，有著增益高、失調小、共模抑制比高、漂移低等優點。 將光電二極管直接與放大器的同相端與反向端相連，使其產生的小電流通過第一級運放放大，可以得到經第一級運放后的輸出電壓為：

圖3 光電放大電路Fig.3 Photoelectric amplifier circuit

其中，Isc為光電二極管反向導通電流，R2（R3+R4）／（R2+ R4） 為反饋電阻的阻值。

由于電阻是將電能轉化為內能的電子元器件，因此不可避免地會產生熱噪聲。 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；Rf為反饋電阻；Δf為等效噪聲帶寬；T為熱力學溫度。

由式（4）可知，為了得到較高的增益所引入的大反饋電阻，不可避免地會使熱噪聲增大。 因此，引入T 型電阻網絡代替單一反饋電阻，在得到高增益的同時，減小了熱噪聲的產生。 另外引入容值較小的電容C1，降低高增益所可能帶來的低頻振蕩，使整體光電處理電路有更好的動態特性。

2 設計原理

2.1 漫反射光檢測

圖4 為試劑帶的結構圖，表面的尼龍膜能阻止生物大分子進入試劑層，保護其不受污染，底部的吸水層可以將多余的尿液吸收，也防止入射光發生透射。試紙層在浸潤過尿液后，會形成大量的漫反射體。 由圖4 可知在檢測塊的表層會發生鏡面反射，而部分光在進入漫反射體后經反射、折射、衍射后形成漫反射，并且當被測試劑條的檢測部分足夠厚時可以忽略光的透射對檢測的影響，通過對漫反射光采集并檢測就可以分析得到成分與濃度等相關信息［17-21］。

圖4 試劑帶反射示意圖Fig.4 Schematics for reagent strip with light reflection

根據Kubelka-Munk 理論，光線入射后的反射率與試紙反應部分的光吸收系數、散射系數以及漫反射光的吸收度有如下關系：

其中，R∞為被測樣品厚度大于透射深度時的漫反射比；K為試劑帶的吸收系數；S為散射系數，將式（5） 經變換可得：

式（6）的左側為Kubelka-Munk 函數F（R∞），可以得到當反應部分厚度與散射系數不變時，反射率僅與吸收系數有關，由于吸收系數K與物質濃度滿足比爾定律K ＝εC，即吸收系數與待測樣品濃度C成正比。 因此只要測得檢測試劑塊的漫反射比即可得到被測尿液對應的物質的量濃度［22-25］。

2.2 數據預處理

在經過光電處理電路和AD 轉換器之后得到的10 位二進制數字量，并不是被測試劑條的RGB 值。因此還要對該數據加以預處理才能進行后續操作。

粒子群算法（Particle Swarm Optimization， PSO）是一種常用的元啟發式算法（Meta - Heuristic Algorithm）。 這是一種模擬鳥群運動，并廣泛運用于提高算法精度且易于被程序所實現的一種算法。 在PSO 算法中有許多粒子，每一個粒子都有自己的速度和位置。 在粒子速度更新方程中，速度受到當前速度的個體最佳點（pbest） 和全局最佳點（gbest） 所影響。 在粒子位置更新方程中，位置受到當前位置和新的更新速度所影響。 研究推得的數學方程為：

式（7）中，pbesti與gbesti分別表示第i個粒子的個體最佳位置與全局最佳位置；w為慣性權重；η1與η2分別表示加速系數；rand1與rand2為0-1 的隨機數。 在設置速度限制與迭代次數之后，每個粒子會分別在各自劃定的區域內尋找問題的最優解［26］。

2.3 RGB 值轉換

光電傳感器在接收到經放大的反射光后，將光強轉化為電壓信號。 電壓信號經AD 轉換器后即可得到所測物體的亮度信息。 灰度值可以表現圖像中各點的顏色以及亮度的特征［27］。 研究中求得某點的RGB 值即可將其轉換為灰度值，由此可知當單色通道光被光電傳感器接收后，其單色通道光強本身就是一幅灰度圖。 故而，可以通過在顏色傳感器的光路系統前端增加濾光鏡，使得LED 發出的光經被測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系，這樣就可以得到被測物體的對應的顏色值［28］。

使用紅色濾光鏡以及RGB 色標卡得到的10 位AD 轉換器與紅色顏色值的關系如圖5 所示。 圖5中，橫坐標為紅色的顏色值，縱坐標為10 位AD 轉換器輸出的數據。

圖5 AD-R 值擬合結果Fig.5 AD-R value fitting result

觀察可得實驗得到的散點圖存在線性關系，因此通過粒子群算法設立目標函數，即：

在式（9）～（11）中，P1、P2、P3和P4分別為目標擬合直線上兩點的橫縱坐標，也是粒子群算法中的最佳點位置；xi為每個檢測點的橫坐標；yi為每個檢測點的縱坐標；di為每個點到直線的距離；D（i） 為粒子群算法的目標函數，即找出2 個點所構成的直線使其到各個點的直線距離最小。 該算法求得的最佳擬合直線方程為y ＝0.965x -755.632，結果見圖5。

對擬合結果進行線性回歸方程分析，得到相關系數r2＝0.981 4、F ＝1 213.096 5。 查 表 可知F0.05（1，24）＝249.05＜F，因此這些數據點集具有線性回歸性。

2.4 系統誤差的消除

由于色標卡與干化學試紙條的材質不同，因此在進行檢測時可能會影響所接受反射光的強度。 pH 與葡萄糖修正前后的結果對比如圖6 所示。 由修正前檢測結果與色標卡檢測結果的折線圖可知，每個點之間都存在一定的偏差。 因此需要對檢測的數值進行配準，即引入補償值降低外部環境對檢測結果的影響［29］。

為了計算補償值，因此調配pH 值和葡萄糖兩種經過標定的溶液后，將其分別滴于干化學試紙上，并使用顏色傳感器對其試紙進行檢測。 檢測結果相較于色標卡的測定值有明顯的偏差。因此需要在檢測結束以后，為紅色測定值Rm（k） 和藍色測定值Bm（k） 增加補償量ΔθR（k） 和ΔθB（k），對其進行配準。 以達到色標卡的測量值R（k） 和B（k）［30］。 對應的數學公式可寫為：

式（12）中的補償量ΔθR（k） 和ΔθB（k） 受外界多方面因素影響難以直接測得。 因此可以建立函數：

利用2 次檢測結果的軌跡無限逼近去尋找最適合的補償量ΔθR（k） 和ΔθB（k），以達到檢測結果之間的互異程度最小。 因此可以得到粒子群算法的目標函數為：

基于 式（14） 得 到 偏移 量ΔθR（k）＝30.75，ΔθB（k）＝-39.87，經補償的軌跡圖見圖6。 圖6 中，縱軸為R值，橫軸為B值，試紙檢測值經補償后更為接近色標卡的檢測值。

圖6 pH 與葡萄糖修正前后的結果對比Fig.6 pH and glucose comparison results before and after calibration

2.5 色差模型建立

在得到經過預處理的被測試紙以及色標卡的RGB 顏色值后，需要對2 組數據進行色差分析。 在該實驗中使用了CIELab 色差公式對檢測值進行分析。 但在對色差進行分析之前，首先需要對RGB 顏色值進行變換得到CIELab 顏色空間中的3 個刺激值X、Y、Z。 轉換過程如下：

其中，Xn、Yn、Zn為標準光源的三刺激值，在本實驗中取Xn ＝95.046，Yn ＝100.00，Zn ＝108.575。

同時，本次研究還會用到：

在計算式（17）前，先要計算彩度Cab、心理色相角，可通過如下公式得到：

其中，G為a軸的調整因子，為經綜合采樣的樣品色。

式（17）中的權重系數SL，SC，SH，RT通過下式計算得到：

其中，Δθ是由色調決定的旋轉角，RC是根據彩度變化的旋轉幅度［31-32］。 研究中，計算得到上述的權重束后還需要旋轉合適的校正系數KL、KC、KH。由于本文的實驗條件符合CIELab 色彩空間所要求的標準條件，因此設置KL ＝KC ＝KH ＝1［33］。

3 實驗結果及分析

在將干化學試紙上檢測部分的浸潤尿液之后，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色濾光鏡下，色標卡之間的各個色塊已經擁有各自足夠明顯的特征值。 因此本次實驗中所檢測的顏色值僅包含紅色顏色值與藍色顏色值。在檢測試劑帶上各個色塊的顏色的AD 值并轉換為顏色值后與之前檢測的標準色標卡比對，取CIELab色差公式計算結果最小的標準色標卡結果為該被測樣品的化驗結果，樣品來自于一位30 歲的女性患者，具體試驗結果見表1。

通過表1 的試驗結果可以得知，通過光纖顏色傳感器對患者的尿液成分進行定性分析的結果具有一定的可靠性，該患者的檢測結果與醫院的檢測結果吻合，但單個病人的結果無法表現儀器的可靠性。因此為了測試儀器的可靠性，通過對上海市楊浦區市東醫院30 位病人、共360 組數據進行試驗分析，運行得到的實驗結果如圖7 所示。

表1 實驗結果Tab.1 Experimental results

圖7 中，縱軸為儀器測試結果與經醫院檢測的標準結果的CIELab 色差值，橫軸為各項檢測項目，折線表示一位病人的12 項檢測結果。 經實驗得到的顏色值與其對應檢測項目的標準色標卡中各個色塊的顏色值通過CIElab 色差公式得到的最大色差值為6.78。 同時結合實驗當中結果與醫院所檢測結果不吻合的部分數據，因此將檢測閾值定為10，即當檢測結果與醫院所給定的結果色差值大于10 時，則認定該次實驗結果不準確。 圖7 的360 組數據中，共有346 組數據與醫院結果吻合，其準確率高達96.1%，具有較高的可靠性。

圖7 實驗結果Fig.7 Experimental results

4 結束語

尿液分析對疾病的預防和診斷日益重要，對其準確性的要求也日漸提高，針對此提出了基于光纖的顏色識別的尿液分析技術研究，通過光纖放大器將測得的光電信息進行低噪聲放大，進而直接準確地測量尿液試劑帶顏色變化后的RGB 值，此方法具有良好的創新性與精確性。

通過漫反射光譜原理可以對與尿液完全反應后的試紙進行分析，并且將檢測后的光電信號通過光纖放大器進行放大，使信號特征更加容易被單片機識別。 得到特征數據后，粒子群算法能將其轉變為CIELab 色差公式所需顏色空間的特征值，同時也可以降低在檢測過程中可能產生的誤差。 CIELab 色差公式檢測快速、實現便捷，能夠在單片機上實現高可靠運行，精準快速地達到對患者尿液成分進行分析的目的。 在通過尿液分析裝置的檢測后，這些結果可以實時傳輸給上位機或是患者的手機，供患者能實時查閱自己的檢測狀況，檢查結果也能實時上傳保存于病人的電子病歷當中。 此方法具有良好的實操性與可實現性。

在上述的仿真實驗中，儀器也表現出良好的可靠性。 試驗中，達到了96.1%的準確率，表明該系統對干化學尿液試劑條識別足夠準確，驗證其擁有臨床可行性。 對醫生了解患者的方式有進一步的指導意義，同時也為光纖顏色傳感器的廣泛應用提供了一定的參考。