STM32与尿液分析仪设计开发

2万 · 2018-11-28 12:30

基于图像处理技术的尿液分析系统的设计与开发
Design and development of urinalysis systems
based on image processing technology

2万 · 2018-11-28 12:34

尿液分析是检验人身体健康状况的重要指标，因此尿液分析仪己成为临床医
学生化分析中的重要医疗仪器，成为检测人体尿液化学成分的重要医疗工具，为
医生正确的诊断病人的泌尿疾病提供了方便快捷的检测手段。尿液分析系统能够
给出病人尿样中的PH值、亚硝酸盐、葡萄糖、蛋白质、隐血、酮体、胆红素、
尿胆原、尿比重、白细胞、维生素C等成分含量，它们可以辅助医生对多种疾病
的诊断。
目前常见的尿液分析仪大多体积较大，不适于携带，多用于医疗服务机构，
并且仍然有一部分尿液分析仪不能够独立处理数据，仍需要借助计算机等工具对
数据进行分析处理。本文就是在分析了市面上现有的尿液分析仪的优缺点的基础
上，研发出一款基于图像的新型尿液分析仪，该仪器可以实现对尿液中的PH值、
亚硝酸盐、葡萄糖、蛋白质、隐血、酮体、胆红素、尿胆原、尿比重、白细胞、
维生素C等成分含量做出快速分析，且该仪器体积小易于携带，能够对数据进行
独立处理，本文主要研究内容如下:

2万 · 2018-11-28 12:34

在主控芯片的选择上，相较于以往的51单片机本设计选用的是STM32F4xx
系列嵌入式芯片，该芯片主频高，可以快速处理大量图像数据，且该芯片增设多
种外设接口使得电路的复杂度降低。在图像获取的元器件上，本设计选用的是
200万像素OV2640摄像头，通过此摄像头可以直接获取试纸条上所有试剂块的
像素值，无须步进电机进行传动采集，使运行速率有了显著提升。在照明光源的
选择上，本设计选用的是环形光源，实现了光源的稳定照射同时降低了光源对测
试结果的影响。在结果显示的模块选择方面，使用了触摸式液晶屏，既可以实现
触摸按键功能，又可以进行结果显示，省去了上位机的操作界面，实现了一体化
的功能。
在图像处理方面，通过顶点法实现了试纸条边框检测，通过中值滤波法实现
了图像的滤波去噪，完成了测试项试剂块位置检测，通过对图像R, G, B值进行
数据补偿减少了信息的缺失，并通过反射率法对图像数据进行处理等。最后对整
机进行了结果校验及实验标定，使得该仪器能够达到相应要求，测试结果准确，
运行稳定。

2万 · 2018-11-28 12:35

针对以往的电机带动试纸条运动的设计，本文采用嵌入式芯片驱动摄像头进
行图像采集的方法，缩短了测试时间，降低了电路复杂度，使得整个系统的运行
速率及性能均有所提升，同时保证了运行的稳定性及测试准确性，液晶屏的使用
使仪器实现了一体化的操作，整体性更加完善。

2万 · 2018-11-28 12:35

现今，随着人们生活及工作节奏的加快，使得多数人处于身体亚健康状态，
如果不认识到问题的存在并及时进行治疗，很有可能会给人们的学习及生活带来
影响，甚至导致人们身体健康状况下降。随着公资水平的提高，社会福利待遇的
提升以及人们身体状况的普遍下降，人们自身的健康状况也在逐渐的受到重视，
而人们自身潜在的一些疾病完全可以通过现在的医疗仪器检测出来，通过仪器测
定的结果来判断被测者的身体状况。此外，随着个人，家庭和社区医疗对医疗检
测仪器的需求，医疗仪器的设计己不仅仅只是满足医院的需求，智能化和网络化
的分析仪器更适于时代发展的主流〔1]。随着我国全民健康计划的全面展开，医疗
仪器应向多元化方向发展。随着国家利民政策的发布，老百姓的看病问题逐渐得
到了关注，因而需要建立更多的小型医疗服务体系，由此适合基层的医疗仪器和
设备的需要量则会加大，因此，经济实用，携带方便，检测速度快的分析仪器的
需求量就在不断加大，在这些仪器当中就包括尿液分析仪器〔2]。由于人们更加注
重自己的健康，所以大多数家庭都希望能够配备简易医疗仪器，这种想法使得便
携式医疗仪器的使用成为一种趋势。正是因为越来越多的人开始关注自己的身体
健康状况，使得简单身体状况诊断产品的需求得到大幅提升〔3]0
由于尿液样本采集简单，因此尿液检查己作为一种辅助检测手段而广泛应用
于临床疾病的检测中，可对病人疾病进展，治疗效果等进行监测，以及对无症状
人群潜在的疾病进行提前监查。尿化学分析仪因其操作简单，测试速度快，测试
结果准确等优点而被广泛应用。
由于现有的尿液分析仪大多体积较大，价格昂贵，检测速度慢，所以本设计
的研究重点在于设计一款体积小，便于携带，检测速度快并以图像分析为基础的
尿液分析仪。其难点为在图像分析中首先应该获得试纸条的图像信息，并且对图
像进行去噪但仍要最大限度的保证图像信息的完整性，在对图像数据处理方面，
首先需要检测到图像边框并找到一种合适的算法可以很好的反映图像信息的变
化程度。由于以往的尿液分析仪运行速率较慢，所以本设计需要应用合适的硬件
及处理算法来提高系统的整体运行速率。在实验数据处理方面的难点为需要进行
大量的实验找到相对准确的参考量。

2万 · 2018-11-28 12:35

1956年阿尔弗来德.弗瑞(Alfred Free)博士首次提出试剂带测试方法，此
方法改变了人们当时的检测状态，由最初的通过肉眼对试剂带颜色变化进行观
察，发展为通过干化学方法对试剂带颜色变化进行分析。试剂带的发展也经历了
逐步的演进，1956年至1957年美国Lilly和Ames公司相继研发出测定葡萄糖
的试剂带和测定蛋白质的试剂带，而1958年成功研发的葡萄糖、蛋白质复合试
剂带就是在此基础上进行研发的。随着尿液分析方法的不断进步及逐步使用，使
得人们开始了解及探索尿液分析仪。目前人们所见到的试剂带多为11项试剂带。
随着人们的研究，不断的探索，经过1980年至1994年的努力，全自动尿液分析
仪开始展现在世人面前，全自动尿液分析仪的诞生使得尿液分析又上升到了一个
新的层次，尿液分析的全新时代也因此而到来〔斗〕。
我国对尿液试剂带的研究始于20世纪60年代，对尿液分析仪的研发始于
1985年，从引进产自日本的型号为MA-4210的尿液分析仪开始，通过对此台仪
器的研究，使得我们初步掌握了尿液分析仪的研制技术及使用方法，从而让我们
距离世界尿液分析的先进水平又近了一步〔5' o MA-4210型尿液分析仪如图1. 1所
不。

2万 · 2018-11-28 12:36

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从尿液分析仪出现至今，其发展先后经历了三个阶段:
第一代尿液分析仪，设备简陋，主要是因为它的传感器件选用的是光敏二极
管，在光源的选择上使用的是卤素光。正因为设备的简易使得该仪器的准确性及
稳定性均不佳，不但要对光源进行时时的校正，还要根据不同的测试项目来随时
更换波长，所谓的更换波长即更换不同颜色的滤光片。由于该仪器设计复杂，使
用麻烦，测试速率慢，所以该仪器己经被市场所淘汰，从而使得人们向更加进步
的设备方向进行研制。

2万 · 2018-11-28 12:36

第二代尿液分析仪，较之于第一代尿液分析仪，第二代尿液分析仪在光电检
测方面进行了调整，在参考光和测试光的反射量的测量方面使用的是更加准确的
球面积分仪，而不再使用光敏二极管作为检测传感器，在对数据的处理方面选用
的是试纸中央区域受边缘干扰较小的部分，由此可见，较之于第一代尿液分析仪
无论是在器件的使用方面还是设备的准确性方面都有了很大的提升。

2万 · 2018-11-28 12:37

第三代尿液分析仪，在对前两代尿液分析仪进行了改进的基础上，在检测器
件方面选用的是更加精确的线性CCD，由于该器件的选择使得仪器数据处理的准
确性更高，而且第三代尿液分析仪具有更大的存储空间，可以储存用户的更多数
据信息〔6]。但该仪器体积较大，适用于社区医疗等公共场所，并不适用于个人的
便携式携带〔7〕。

2万 · 2018-11-28 12:37

这些分析仪的普遍特点是:体积较大，不适于随时携带，操作界面复杂，使
用麻烦，而且造价昂贵并不适合于每个家庭使用。针对以上几点，我们应该致力
于研制出一种应用简单，体积小便于携带，造价较低的新型尿液分析仪。
尿液分析仪未来的整体发展趋势为:将检测数据通过USB、以太网等接口传
输到电脑或者网络，实现医疗信息共享及随时查阅。对尿液分析仪的电子器件进
行集成和精简，使其达到小型化，便捷化的标准。

2万 · 2018-11-28 12:37

医疗中通常使用的尿液检测试纸条多为8-11项尿试纸条。8项检测项目主
要包括蛋白质、胆红素、尿胆原、隐血、酮体、亚硝酸盐和葡萄糖、PH; 9项、
10项、11项则分别在原检测项目上基础上增加了尿白细胞检查，尿比重检查，
维生素C检查。常用的检测项目如下:

2万 · 2018-11-28 12:37

1. PH值
PH值的波动状态一方面反映了人体内的酸碱代谢状态，另一方面其值还影
响着尿液中其他成分的测试结果，尿液中PH值的波动不仅仅是由人们的饮食及
生活状态所决定，如果存在着尿路系统疾病也会引起PH值的改变，健康人的尿
液中酸碱度的波动范围为(PH4. 5一8)，正常情况下呈显弱酸性，PH值介于5一6
之间〔8]0
2.尿比重SG
尿比重(SG)是用来测量人的**脏溶解稀释能力的指标，指的是尿液与水的比
例关系，它会随着人体对水的摄入以及排汗等水的流失而产生波动，通常人在正
常活动下，尿比重的值会在一定范围内波动，该值为1. 0031. 030，但当一个人
饮用大量的水后，尿比重就会降低;但当一个人处于饥渴状态，长时间缺水时，尿
比重就会上升到1. 030以上。
3.蛋白质PRO
通常情况下，身体健康状况良好的人的尿液中的蛋白质的含量非常少，一般
在100mg/L或150mg/24h以下，但如果尿液中蛋白质的含量高于这个标准的话，
则预示着尿液测试成阳性，即通常所说的蛋白尿，由于正常情况下尿液中的尿蛋
白来自于血浆，而组成**脏的各个部位又对蛋白质具有控制，选择重吸收的功能，
所以正常情况下，尿液中的蛋白质含量不会太多，所以一旦人体尿液中的蛋白质
增多，则说明**脏对蛋白质的吸收功能下降，可能存在着一定的疾病，这些疾病
可以表现为:高血压，**小球炎症，慢性**炎等〔10]0

2万 · 2018-11-28 12:38

4.葡萄糖GLU
通常人体对糖的吸收具有很强的功能，所以，健康人群的尿液中葡萄糖的含
量非常少，正常人尿液含糖量的波动范围为0. 56勺5. Olnmol/24h，但也有好多人
在糖尿病初期并未表现出明显的症状，未及时的进行治疗，导致病情严重，所以
尿液分析对于糖尿病的提早治疗具有很好的帮助，采用试纸条的测试方法，可以
很准确的测出葡萄糖的含量，可以正确的判断被测者的健康状况。
5.酉同体KET
酮体主要是肝脏内脂肪分解的中间产物，由于人体会产生利用酮体的酶系，
所以通常情况下，健康人群尿液中酮体的含量会非常少，测定结果为阴性，则表
明人体内其含量处于正常状态，若尿液中酮体含量升高，则可能患有酮尿症，通
常症状表现为妊娠剧烈呕吐，肚子痛等，酮体含量增高的其中一个原因就是糖尿
病病情加重，所以，酮体含量高低也可作为判断糖尿病人病情的一个重要指标。
6.胆红素B工L，尿胆原URO
尿液中尿红素的检测也是测试人身体健康状况的一个重要指标，尿红素的产
生源于血红蛋白的分解，其中间产物即为尿红素，是人胆汁中的主要色素组成，
尿胆红素是红细胞破坏后的产物。通常情况下，若尿液中尿红素的含量增多，则
预示着红细胞被大量破坏，人的身体健康就出现了问题。
7.亚硝酸盐NIT
尿液亚硝酸盐的检测也是测试人身体健康状况的一个重要指标，尿中亚硝酸
盐含量的增多主要是由于尿路系统被细菌感染所致，当用试纸进行检测时，试纸
颜色会发生变化，通过颜色的变化来判断尿中亚硝酸盐的多少，由此来判断尿路
系统被细菌感染的程度。
8.尿白细胞LEU，红细胞的测定
尿液中白细胞的检测原理为:白细胞内的物质与试剂块上的生化成分反应
后，会使试剂块颜色有所改变，由颜色变化的深浅来判断细胞的含量。由此来判
断被测者是否存在尿路系统炎症等。
9.潜血BLD
潜血就是尿液中存在着潜在的出血现象，但这一现象又是肉眼所看不到的，
所以需要借助与试纸的显色反应来判断是否存在这一状况。若存在潜血的状况，
则说明尿液中存在着红血球，通过尿液分析仪的检测可以判定尿液中红血球的含
量，由此来判断出血程度，从而判断被测者的尿路系统是否存在炎症，感染程度
匀盆
、J-o
10.抗坏血酸VC
抗坏血酸即平时所说的维生素C，检验尿液中的维生素C含量一方面可以检
测被测者的营养状况，另一方面主要是为了对尿液中的其他成分形成质控作用，
过高的维生素C可使其他测试项呈现假阴性。

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2.3.1 RGB颜色
R, G, B就是通常我们所知道的红，绿和蓝三个通道的颜色，
色空间“或“色域“是对一种颜色进行编码的方法的统称。简单来讲，
我们所见到的任何一种颜色的“颜色空间“都可以用一个固定的数字或变量来定义。而
RGB(红、绿、蓝)颜色空间只是众多颜色空间的一种。采用RGB(红、绿、蓝)颜
色空间这种编码方法，可以用三个变量一红色绿色以及蓝色的强度来表示每一种
颜色〔15]。

2万 · 2018-11-28 12:40

2. 3. 2不同的RGB格式
1.  RGB555格式
RGB555该颜色编码格式中的一个像素由15位来表示，其中每个分量均用5
位来表示，而最高的一位则不用。当得到一个像素后，则各个位的意义如下:
高字节低字节
X R R R R R G G G G G B B B B B (X表示不用，可以忽略)
2.  RGB565格式
RGB565该颜色编码格式中的一个像素由16位来表示(两个字节)，其中前
5位表示R，中间6位表示G，后5位表示B。当得到一个像素后，则各个位的意
义如下:
高字节低字节
   R R R R R ('T ('T ('T ('T ('T ('T B B B B B
3.  RGB24格式
RGB24该颜色编码格式中的一个像素由24位来表示(三个字节)，其中每
种分量均由8位来表示。在内存中R, G, B各分量的排列顺序为:BGR BGR BGR}二。

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