手持式尿液分析仪

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手持式尿液分析仪\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种液体分析装置，具体地说是一种手持式尿液分析仪，属于医疗器械领域。\n背景技术\n[0002] 尿液分析仪是一种常见的医学分析仪器，常用于医院及各医疗机构，尿液分析仪的基本工作原理是利用光线对蘸取了尿液试纸条进行照射，通过检测经过尿液浸湿而发生化学反应的试纸条的反射光的光强，从而得到分析结果。\n[0003] 对于尿液分析仪专用的试纸条，按试纸条检测项目的数量一般分为8项、10项和11项，分别检测尿液中的蛋白（PRO）、葡萄糖（GLU）、PH、酮体（KET）、胆红素（BIL）、尿胆原（UGB）、潜血（BLD）、亚硝酸盐（NIT）、白细胞（LEU）、比重（SG）以及维生素C（Vc）等成分。测量依据主要是利用浸湿尿液的试纸条的颜色变化来判断尿液中相应成分的浓度变化。测试中将试纸浸入尿液后，除了空白块外，其余的试纸块都因和尿液发生了化学反应而产生了颜色变化。试纸块的颜色深浅与光的反射率成比例关系，而颜色的深浅又与尿液中各种成分的浓度成比例关系。因此只要测得光的反射率即可求得尿液中各种成分的浓度。尿液分析仪一般采用处理器控制，以检测特定波长反射光强度的方式测定试纸条上的颜色变化来进行半定量测试。其中双波长法测定波长一种是被测试纸敏感特征波长，另一种为参比波长，即被测试纸的不敏感波长。例如R试纸=Tm（试纸块对测量波长的反射强度）/Ts（试纸块对参考波长的反射强度）*100%；R空白=Cm（空白块对测量波长的反射强度）/Cs（空白块对参考波长的反射强度）*100%；R总（%）=R试纸/R空白=（Tm/Cs）/（Ts/Cm）*100%。\n[0004] 在现代生活中，人们更多地注意到自身的健康指标，希望能够在家庭中或者其他私人环境便可进行尿液分析，因此，对尿液分析仪的便携方便、操作简单等技术指标提出了越来越高的要求。但是，现有的尿液分析仪由于主要用于医院等专业的定点场所，其体积一般都比较大，不仅携带不方便，而且操作也很麻烦，难以满足人们的实际需求。中国专利文献CN202141670U公开了一种便携式尿液分析仪，包括光路检测装置、显示装置、传送装置，以及带动该传送装置运动的动力装置。光路检测装置包括一带有通孔的光路支架，光路支架上方有一LED灯泡作为光线发射装置，同时在光路支架上方并正对于所述通孔的位置设置一信息处理装置；信息处理装置包括集成有光线处理芯片的PCB 板，PCB 板上安装有光连接器。LED灯泡的光线照射到试纸上，在从光路支架的通孔中反射到光线处理芯片，光线处理芯片对反射光信号进行处理，并将处理结果传输至显示装置上显示出来。在对尿液分析之前先照射比色块将数据初始化，然后再照射浸过尿液的试纸，通过比较得到检测结果。\n手持式的尿液分析仪在对被测试纸进行检测时，是将试纸放置的传送装置上，然后在输送到光路检测装置中，在放置试纸时有可能试纸放置位置不准确，试纸上浸有尿液的色块有可能对不正光路检测装置，或者光线仅仅是照射到色块的边缘，这就会造成检测结果出现误差。\n发明内容\n[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够使光检测装置对正试纸的色块、能够准确对尿液进行分析的手持式尿液分析仪。\n[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：\n[0007] 一种手持式尿液分析仪，包括安装在机壳内的单片机以及由单片机控制的试纸输送装置、光采集装置、液晶显示屏、数据存储模块，所述试纸输送装置包括滑轨、沿滑轨滑动的试纸托盘、与试纸托盘连接为一体的齿条、以及与齿条配合的驱动试纸托盘进出的由电机带动的齿轮，所述光采集装置、电机、滑轨安装在位于机壳内的支架上，所述试纸托盘还固定设置一磁铁，在支架上安装有与磁铁对应的霍尔元件，所述霍尔元件与单片机连接通信；所述单片机的程序设计有依次启动的开机自检程序、试纸托盘位置检测程序、光反射率自动校准程序、试纸位置检测程序、试纸色块自动校准程序以及尿液检测程序；\n[0008] 所述试纸托盘位置检测程序是通过霍尔元件检测磁铁的位置，从而使试纸托盘处于与光采集装置对应的零位置；\n[0009] 所述试纸位置检测程序是在试纸托盘位置检测程序运行完毕、试纸托盘处于零位置的基础上，通过试纸托盘的移进和移出检测放置于试纸托盘上的试纸是否与光采集装置对正，\n[0010] 所述光反射率自动校准程序是将已知反射率标准值的标准灰度条放置到试纸托盘上并输送到与光采集装置对应的位置，光采集装置对标准灰度条进行检测，将检测到的R、G、B三色光反射率与已知反射率标准值进行比较计算，得到R、G、B三色光的修正系数，将此修正系数储存到数据存储模块，供后续运行尿液检测程序时调用以修正检测结果；\n[0011] 所述试纸色块自动校准程序是将每个色块分成若干检测点，光采集装置对每个色块的所有检测点进行检测形成各检测点的波形后，将该色块上的各检测点的波形进行比较并确定色块的中心；\n[0012] 正常工作时，开机自检程序执行完毕后，开始试纸托盘位置检测程序，然后进行光反射率自动校准程序、试纸位置检测程序、试纸色块自动校准程序，最后试纸输送装置将被测试纸的色块中心对准光采集装置进行尿液检测程序，尿液检测程序是对色块中心的反射率进行检测，并将检测结果输出到液晶显示屏和数据存储模块中。\n[0013] 本发明的进一步改进在于：所述试纸托盘位置检测程序中霍尔元件在检测磁铁位置时先检测磁铁的极性，然后检测磁铁的位置；\n[0014] 霍尔元件检测磁铁位置时是通过检测磁铁的磁场强度检测磁铁的位置，如果霍尔元件检测到磁铁，即试纸托盘4处于零位置，电机停止运转，托盘位置检测程序完成，然后执行试纸位置检测程序；如果霍尔元件没有检测到磁铁，则电机带动试纸托盘移动，当霍尔元件检测到磁铁，即试纸托盘4处于零位置，电机停止运转，托盘位置检测程序完成，然后执行试纸位置检测程序；如果在试纸托盘的一个往复移动过程中始终没有检测到磁铁，则电机停止运转。\n[0015] 所述试纸位置检测程序是在试纸托盘位置检测程序完成、试纸托盘到达零位置后进行，试纸位置检测程序在开始运行时先检测光采集装置的光源是否正常，如果不正常则退出检测程序，如果正常，则检测试纸放置位置是否正确，如试纸位置正确则继续进行后面的程序，如果不正确，则发出纠正提示信号。\n[0016] 本发明进一步改进在于：\n[0017] 由于采用上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：\n[0018] 采用本发明的手持式尿液分析仪能够使光检测装置对正试纸的色块，能够准确地对尿液进行分析。本发明体积小、携带更方便，电机力矩小、步距角小、转动位置精确，用可充电锂电池供电即可，可随时随地的进行测试。本发明采用霍尔元件检测磁铁的极性，能够自动识别定位磁铁的S-N极，简化了生产组装工艺。本发明还采用超高亮度白光LED光源和高性能光电接收器件，RGB三原色测量原理，提高了仪器的系统信噪比，同时具有较好的抗干扰能力和适应性。本发明通过光学传感器TCS3200采集试纸条RGB的反射率，通过算法进行计算进行颜色识别，反射率自动校准，托盘校准，测试精准，快捷方便。解决了机器检验工艺复杂问题。本发明使用反射率自动校准和托盘校准方法，使测量更加精确。\n附图说明\n[0019] 图1是本发明的外观结构示意图；\n[0020] 图2是本发明内部机械结构示意图；\n[0021] 图3本发明的尿液检测过程流程图；\n[0022] 图4本发明的开机自检流程图；\n[0023] 图5本发明的试纸托盘位置检测流程图及试纸托盘移动的流程图；\n[0024] 图6本发明的反射率自动校准流程；\n[0025] 图7本发明的试纸色块自动校准流程图；\n[0026] 图8本发明的试纸色块自动校准程序的波形对正示意图。\n[0027] 其中，1、机壳，2、USB插口，3、键盘，4、试纸托盘，5、通道，6、齿条，7、霍尔元件，8、磁铁，9、齿轮，10、电机，11、滑轨，12、光采集装置，13、支架。\n具体实施方式\n[0028] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明：\n[0029] 一种手持式尿液分析仪，是一种家庭用的便携式尿液分析检测装置，使用时是将待检测尿液滴到专用试纸上，待尿液反应完成后，放入手持式尿液分析仪内，检测各项生理指标。本发明的手持式尿液分析仪包括一个机壳1，机壳1安装有试纸输送装置、光采集装置\n12、单片机、数据存储模块等，机壳1的正面设置有LCD显示屏、对尿液分析仪进行操作的键盘3等，机壳1的侧面还设置有作为电源适配器供电插口、数据传输接口的USB插口2等，试纸输送装置、光采集装置12、数据存储模块、LCD显示屏、USB插口2都和单片机连接，光采集装置12的光学传感器型号为TCS3200，能够对三基色的光（R、G、B）的反射率进行检测，光学传感器分别采集每个试纸色块的RGB三色滤光片的光强，采集的光强值通过AD转换，形成可供单片机识别的方波频率信号、频率信号传输到单片机，单片机进行数据处理，并将计算结果存储。本发明采用锂电池供电，USB传输，可随时随地的进行测试；该装置的液晶屏、键盘可以提供人机对话界面，操作简单，方便快捷，给用户使用带来极大的便利。数据存储模块用于存储样本检测结果信息、存储试纸条信息、存储仪器设置信息等。\n[0030] 机壳1内有一支架13，试纸输送装置和光采集装置12安装在支架13上。如图2所示。\n试纸输送装置包括滑轨11、试纸托盘4、齿条6、齿轮9和电机10，在滑轨11与支架13固定连接，滑轨11沿机壳1的长度方向布置，试纸托盘4在滑轨11内滑动，齿条6与试纸托盘4固定连接，或者制成一体的结构，电机10也安装在位于机壳1内的支架13上，电机10上安装一齿轮\n9，齿轮9与齿条6配合，电机10在单片机控制下通过齿条6驱动试纸托盘4移动，在机壳1内还设置有沿机壳长度方向布置的容纳试纸托盘的通道5，滑轨11与通道5并行设置，试纸托盘\n4、齿条6可以在通道5内移入或者移出。本发明的手持式尿液分析检测装置采用体积小、力矩小、步距角小、转动位置精确的电机，其小巧、噪声小。\n[0031] 试纸托盘4还固定设置一磁铁8，在支架13上安装一霍尔元件7，试纸托盘4在内外纵向移动过程中霍尔元件7能够与磁铁8的位置对应，霍尔元件7与单片机连接通信。\n[0032] 本发明的单片机内存储有开机自检程序、试纸托盘位置检测程序、光反射率自动校准程序、试纸位置检测程序、试纸色块自动校准程序以及尿液检测程序。本发明的检测尿液时的工作流程如图3所述，手持式尿液分析仪开机后，先进行自检，然后运行试纸托盘位置检测程序检查齿条、试纸托盘的位置，再运行光反射率自动校准程序对单片机的光学传感器测量误差进行校正，再启动试纸位置检测程序检查待被检测到试纸的放置位置是否正确（待测试纸条安放于试纸托盘中），再启动试纸色块自动校准程序将待测试纸上的尿液色块的中心对正光采集装置12，上述这些步骤完成后就可以启动尿液检测程序正式对浸过尿液的干试纸进行检测，并将检测结果进行显示和储存。\n[0033] 开机自检程序如图4所述，可以检查单片机内存储的系统信息、历史记录、电机的状态、光采集装置的状态等，这些检测结果可以显示在液晶显示屏上。\n[0034] 所述试纸托盘位置检测程序是通过霍尔元件7检测磁铁8的位置，从而使试纸托盘\n4处于与光采集装置12对应的零位置。霍尔元件7检测磁铁位置时是通过检测磁铁的磁场强度检测磁铁的位置，如果霍尔元件7检测到磁铁，则说明试纸托盘4处于零位置（即试纸托盘\n4位于机壳的最外面），电机停止运转，可以向试纸托盘内放入试纸，然后执行试纸位置检测程序。如果霍尔元件7没有检测到磁铁，则说明试纸托盘4不在零位置，此时电机会带动试纸托盘4移动，当霍尔元件7检测到磁铁，再执行试纸位置检测程序。如果在试纸托盘4的一个往复移动过程中始终没有检测到磁铁，则电机停止运转，退出尿液检测程序。霍尔元件是通过检测磁铁的磁场强度来检测磁铁的位置，从而实现对试纸托盘4位置的控制。图2所示位置是试纸托盘位于机壳的最里端，霍尔元件若没有检测到磁铁，则电机使试纸托盘做移出操作：电机运转，使试纸托盘从机壳内向外移动，直到检测到磁铁，到达零位置。如果在规定时间内检测到磁铁则找到零位置，超时没有找到则停止电机运行。找到零位置后方可进行托盘移入操作：电机运行固定步数使托盘收回至机壳内。\n[0035] 试纸托盘位置检测程序中霍尔元件在检测磁铁位置时先检测磁铁的极性，然后检测磁铁的位置。齿条带动磁铁经过霍尔元件，霍尔元件根据磁铁的极性，经AD转换后，与相应的阈值进行比较，符合S极阈值范围的，判定为S极，符合N极阈值范围的，判定为N极。这样不管磁铁的哪个极性与霍尔元件对应，都能准确检测到磁铁。\n[0036] 如果霍尔元件7检测到磁铁8，说明试纸托盘4处于零位置，可以向试纸托盘4放入试纸或者进行其他操作。如果不在零位置则需要先使试纸托盘4运行到零位置，再继续后续检测。\n[0037] 所述试纸位置检测程序是在试纸托盘位置检测程序运行完毕、试纸托盘4处于零位置的基础上，通过试纸托盘的移进和移出，检测放置于试纸托盘4上的试纸是否与光采集装置12对正。其检测过程是：在试纸托盘到达零位置后，将试纸放入托盘中，托盘会从零位置运行到试纸应在的位置，此时打开光源，采集反射率，有试纸和没有试纸的反射率相差很大，通过反射率值判断是否与试纸对正。如果没有对正，则发出纠正提示信号，用户在10秒内纠正后继续测试，超时没有纠正或纠正错误则退出测试，返回至开始测试界面。如试纸位置正确则继续进行后面的程序。试纸位置检测程序在开始运行时还可以先检测光采集装置\n12的光源是否正常，如果不正常则退出尿液的检测程序，返回至开始测试界面，如果正常，再开始检测试纸放置是否正确。\n[0038] 所述光反射率自动校准程序是在完成试纸托盘位置检测程序和试纸位置检测程序后，将已知反射率标准值的标准灰度条放置到试纸托盘4上并输送到与光采集装置12对应的位置，光采集装置12对标准灰度条进行检测，将检测到的R、G、B三色光反射率与已知反射率标准值进行比较计算，得到R、G、B三色光的修正系数，将此修正系数储存到数据存储模块，供后续运行尿液检测程序时调用以修正检测结果。光采集装置12由采集板、发光二极管或者LED光源、接收反射光的光学传感器等组成。由于不同批次光采集装置12可能存在偏差，偏差较大就会影响测量的准确性，通过反射率校准功能可以将有问题光采集装置12修正过来，单片机将保存该修正系数，待执行尿液检测程序时对测试结果加以修正，以保证测量结果的准确性。光反射率自动校准程序不是每检测一张试纸就运行一次，而是运行一次该程序后，就将自动校准的光反射率修正系数存储到存储器中，在连续检测多张试纸时，检测后面的试纸的过程中可以不启动该程序，即连续检测下一张试纸时，就用本次校准的修正系数。但是当手持式尿液分析仪退出尿液检测程序而再次运行校准时，需重新运行光反射率自动校准程序，并用重新校准的光反射率修正系数替换原有的修正系数。\n[0039] 一条试纸上的色块数量与试纸类型及所要检测的尿液项目有关，例如11H试纸有\n11个项目，一条试纸上就有11个或者12个色块（第12个色块为校准块）。色块中有固定的化学成分，可与尿液发生反应，反应完成后会形成不同颜色的色块。\n[0040] 所述试纸色块自动校准程序是将整条待测试纸上的每个色块的位置进行校正，以使尿液分析过程中，试纸托盘能够运行到使该色块的中心对正光采集装置12的位置。试纸色块自动校准程序将整条待测试纸上的每个色块分成若干检测点，光采集装置12对每个色块的所有检测点进行检测，并形成各检测点的波形，然后将该色块上的各检测点的波形汇集、比较，找到这些波形的波峰或波谷，这些波峰或波谷位置即是每个色块的中心。确定色块的中心后，单片机自动保存各色块位置信息。本发明的手持式尿液分析仪在执行试纸色块自动校准程序时，液晶显示屏上会有一条竖线，每个色块的波峰或波谷中心对正此竖线时，色块的中心就与光采集装置12对正，检测尿液时试纸会运行到色块的中心，这样检测到的反射率才能正确反映色块的反射率，若没有在中心则会导致错误的测量结果。\n[0041] 在对尿液进行检测时，试纸输送装置将色块的中心位置对准光采集装置12，光采集装置12再对色块中心的反射率进行检测，得到各项生理指标。试纸色块自动校准程序在制作试纸参数时，能够方便地确定各色块的位置信息，也可以修正不准确的试纸参数位置信息。试纸参数主要包含试纸名称、项目数、空白块是否参与计算、位置信息、项目名、检测波长（每个项目对应的波长）、阈值（每个项目各个梯度阈值）、试纸版本（试纸制作日期）。\n[0042] 试纸条蘸取尿液，尿液与试纸条发生化学反应，颜色发生变化。正常工作时，开机自检程序执行完毕后开始试纸托盘位置检测程序，然后进行光反射率自动校准程序、试纸位置检测程序、试纸色块自动校准程序，最后进行尿液检测程序。尿液检测时，试纸输送装置的电机控制试纸托盘走过光学传感器，将被测试纸的色块中心对准光采集装置12，尿液检测程序是对色块中心的反射率进行检测，超高亮度白光光源照射到试纸上，并反射到光学传感器中，光学传感器检测试纸条上不同色块的数据，并经单片机处理转化后，得到相应的数字信号，最终计算得出相应的检测结果，然后将检测结果输出到液晶显示屏和数据存储模块中。光反射率自动校准程序还可以通过操作机壳上的键盘3单独执行，只对光采集装置进行校准并存储校正结果。