智能马桶中近红外光尿液分析的方案探讨

1、智能马桶中近红外光尿液分析的方案探讨第22卷第3期2005年9月广东工业大学学报journalofguangdonguniversityoftechnologyvo1.22no.3spetember2005智能马桶中近红外光尿液分析的方案探讨李健桢,汪仁煌,李貌,严仍友(广东工业大学自动化学院,广东广州510090)摘要:提出将体检装置与马桶结合起来的智能马桶的设想,对传统的临床尿液分析仪进行综述,并针对体检装置的要求设计出一种用近红外光进行尿液成分分析的方案.该方法具有免化学试剂,实时在线检测,快速,操作简单等优点.文中阐述了其分析原理,设计出其检测系统的总体结构.关键词:健康;尿液分析;近

2、红外中图分类号:tp216.1文献标识码:a文章编号:1007.7162(2005)03.0091.04生活中有一部分人处于亚健康状态.亚健康,按中医观点而论是身体已经出现了阴阳,气血,脏腑营卫的不平衡状态.按照现代人的说法,这些不平衡状态,表现为体温,体重,心率,血压,尿液成分等人体生理信号在一段时间里发生了不正常的变化.分析一段时间的信号变化数据,就可以对一个人的健康状态作出比较客观的判断.而每天都到医院检查显然行不通,在这里提出智能马桶的设想,将体检装置与日常生活中使用的马桶结合起来.人们在如厕过程中,自动检测人体各种生理信号,并将数据传送到计算机进行处理.如果出现异常情况,计算机会提醒

3、使用者应该到医院就诊.1体检装置的要求跟医院相比,智能马桶中的体检装置具有以下特点:1)人如厕的时间有限,要在短时间内作出判断,要求装置快速准确地分析检测对象;2)由于条件有限且检测的次数多,体检应该是无创伤,非介入的;3)医院里的体检往往需要借助于化学试剂,且试剂多是一次性的,但家庭式体检装置必须设计成非耗材(或少耗材),可反复检测,易操作且不需要专门医疗知识的.智能马桶中的体检要求测出体温,体重,心率,血压,尿液成分等参数,由于篇幅问题,在此仅分析临床尿液分析仪的现状和探讨符合要求的尿液检测方案.2临床尿液分析仪的现状目前临床常规尿液分析主要包括蛋白质,葡萄糖等成分的检查.常用的临床尿液分

4、析仪有干化学和尿沉渣分析仪.干化学分析仪是由微电脑控制的,采用球面积分仪接受双波长反射光的方式测定已跟尿液发生化学反应的试剂条上的颜色变化来分析尿液成分的.尿沉渣分析仪是利用电脑分析经染色的尿液来测定其成分的.由上可知,临床尿液分析仪对其它试剂的依赖性强,将这些方法应用到智能马桶中,则要求收稿日期:2004-0510作者简介:李健桢(1980-),男,在读研究生,主要研究方向为计算机测控技术,嵌入式系统广东工业大学学报第22卷使用者具备一定医疗知识,而且要经常更换试剂,显然不合适于家用的智能马桶中.查阅国内外相关资料,采用近红外光进行尿液分析较合理.3近红外光尿液分析方案探讨近红外光谱区(ni

5、rs:nearinfraredspectroscopy)是1800年由herschel发现的,根据美国试验和材料协会(a蹦)规定,其波长范围为7802500n册.nir谱包含有机物的大量信息,是近年来发展起来的一种极有前途的技术,它提供了一种便携,实时,连续,操作简单的无创伤检测方法.3.1分析原理.尿液中有机成份的官能基团xh(ch,0一h,nh等)的伸缩,振动,弯曲等运动都有其固定的振动频率.当近红外光照射到尿液时,官能基团吸收与相应分子固有振动相一致的特定的近红外光,反射与之不同的近红外光.用不同波长的近红外光线照射尿液,利用光电传感器接受信号,可得到一组不同波长下相应的光吸收值,和波长

6、对光吸收值作图,可得到尿液的吸收光谱,该光谱含有大量信息,与尿液中特定成分的含量具有一定关系(符合朗伯特一比尔定律i_ambertbeeri_aw).加拿大专家r.anth0nyshaw曾经建立偏最小二2.4乘(pls:partialleastsquares)近红外光分析模型,对尿2.0液中的蛋白质,尿素,肌氨酸酐作定量分析,图1是典蛩?6型尿样的吸收光谱n.在波长为14501925nnl区域霎里,主要是尿液中水分的吸收光谱;有机成分的吸收光0.4第3期李健桢,等:智能马桶中近红外光尿液分析的方案探讨93光信号厂电信号厂一光学部分二电学部分e兰微机控制处理部分豢驱动电路光电传感器放大电路数il

7、数ll据li据li显采ii处ii示集il理il图2近红外光尿液检测系统总体构成原理图外部通信3.2.1光学鄙分光源由溴钨灯和灯室两部分组成.溴钨灯可以提供近红外的全光谱;灯室采用多层屏蔽,且层层之间低导热,这样可使灯室芯部分温度高且恒定,灯发出的近红外光谱效率高而且稳定,灯室外壳温度低,散发的热量不影响其它部分的工作.光源发出的白光通过光学系统后入射至分光系统分光,分光后得到所需波长的近红外光.为满足在线实时检测的需要,系统采用了新型的基于声光衍射原理制成的分光器件:声光可调谐滤光器aotf.它是一种电光调制器件,只要通过电信号的调谐即可快速,随机改变其输出光的波长.分光后得到所需波长的近红外

8、光通过光束经传导光纤导人待测尿液中发生吸收.借助光纤作为光传输的媒体,不仅去除光源的偏振性和相干性,还具有很多优点,例如损耗低,直径细,重量轻,可挠曲,不受电磁干扰,绝缘,耐水性优良等.3.2.2电学部分驱动电路的主要作用是调谐aorlt,使其输出所需波长的近红外光.该光束经尿液吸收后,出射光纤将收集到的吸收光传人光电传感器进行光电转换,电信号经放大电路放大后送到微机的a/d模块,由微机系统进行处理.3.2.3微机控制处理部分电信号放大后送到微机的a/d模块,由微机系统进行数据采集,经数据处理后获得与被测尿液成份浓度相对应的光谱信息,通过数学校正模型即可获得相应尿液成份浓度.微机系统硬件结构如

9、图3所示.它由armadvancedrisc(reducedinstructionsetcomputer)machines微控制器,光源驱动电路,光电传感器,放大电路,大容量非易失存储器等构成.对仪器的操作可以通过触摸屏实现,数据可保存,并可上传数据到pc中.h驱动一i电路光jl电l传l感_一pc机通信口arm微控制器图3微机系统硬件框图arm芯片是整个微机系统的主控制器,对整个系统的数据进行处理,完成对尿液中成分的分析.arm是被业界公认领先的32bit嵌入式risc微处理器结构,本系统将采用32bit的arm系列的内核.arm芯片具有体积小,功耗低,成本低,高性能的特点,还有良好的对外通讯

10、口,符合智能马桶中近红外光尿液检测系统的要求.一一一一一一广东工业大学学报第22卷3.3误差分析和软件设计由上可知,近红外光尿液检测系统是由光,电,微机3部分组成.根据误差的分配和合成理论,在设计整个系统时,把期望的总误差分配给3个部分,每一部分按照分配的误差进行设计.在具体仪器的制作中,保证每一部分的测量精度满足要求,近红外光尿液检测系统的测量精度是能够满足智能马桶的体检要求的.软件编程设计,实现的功能模块包括主控模块,参数设定,校准,测量,通信,时间设定等模块.可以实现自动监测数据并存储,历史数据查询等功能.4结论利用近红外光进行尿液成份分析开拓了免化学试剂尿液检测的新思路.相比传统临床尿

11、液分析仪,该方法不仅可以实时,免化学试剂,客观地为使用者提供尿液成分的信息,并且操作简单,无需专门医疗知识,使用方便.选用arm芯片作为微控制器,降低了系统的功耗,提高了总体的性能.实用化的尿液近红外光分析仪使智能马桶中每天多次检测成为可能,通过分析一段时间的人体生理信号变化数据,对使用者的身体健康趋势作出比较客观的判断.智能马桶为人们关心的亚健康问题提供可靠的参考数据,若使用者的身体出现异常,它会提醒使用者应该到医院就诊.医生根据这些数据,更加准确地判断就医者的亚健康病情.尿液近红外光分析仪的方案研究设计有较大的实用意义.参考文献:l1jshawr,kotowichs.quantitatio

12、nofprotein,creatinine,andureainurinebynear-infraredspectroscopyj.clinbiochem,1996,29(1):11-19.12jlaitypezzaniti.preliminaryinvestigationofnear-infiaredspectroscopicmeasurementsofuyea,creatinine,glucose,protein,andketoneinurinelj.clinbiochem,2001,34(1):239246.3费业泰.误差理论与数据处理m.北京:北京机械工业出版社,1987.ascheme

13、oftheanalysisofurinebynearinfraredspectroscopyintheintelligentclosestoolsystemlijian-zhen,wangren-huang,limao,yanreng-you(facultyofautomation,gmangdonguniversityoftechnology,guangzhou510090,china)abstract:thispaperpresentsanintelligentclosestoolsystem(ics)inwhichmedicalexaminationequip-mentsandclosestoolalecombinedtogether.thefeatureo