基于颜色传感器的透析液血红细胞微漏出量的检测研究*

陈飞飞，邱召运，陈雪梅，刘金英，胡飞虎，2，谢永芳，2

（1.潍坊医学院生物科学与技术学院，山东潍坊261053；2.潍坊医学院电子与计算机技术教研室，山东 潍坊261053）

1 引 言

血液透析作为肾脏替代的一种方法，在急性肾衰时替代肾脏功能，漏血检测是透析过程中不可或缺的[1]。漏血检测装置一般采用光电传感技术实现漏血检测，早期设备采用红外光电传感器进行检测，由于血红细胞（RBC）对红外线吸收率较低，因此漏血检测装置的灵敏度较低[2]。有些漏血检测装置改用绿色光源作为检测媒介，灵敏度有所改善[3]。但血液透析机中的漏血检测装置在使用过程中，透析管壁上会逐渐产生粒子沉积而影响透光性，透析过程中经常会产生气泡附着在管壁，这些问题均可造成漏血检测的误报和漏报。有研究采用TCS230颜色传感器设计漏血检测装置并设计了较复杂的算法[4-5]，希望改善检测装置的性能，由于传感器采用数字信息输出，其灵敏度和分辨率并不受外部电路控制，因此，检测装置并未达到微量漏血检测的目的。本研究提出了一种基于新型（red-green-blue，RGB）颜色传感器检测透析液中微量RBC的技术方法，并采用简单的复合检测算法，可检测透析液中RBC微小浓度变化，提高了检测灵敏度。该技术方法设有气泡检测和管壁粒子沉积检测，解决了误报漏报问题，有利于减少患者在透析过程中的安全隐患问题。

2 透析漏血监测

2.1 RGB颜色传感器

RGB颜色传感器[6]可以检测相似的颜色和色调，具有极高的可靠性，通过测量组成物体颜色的三基色反射比率来实现颜色检测，其基于内光电效应，将光信号转换成电信号的光辐射探测器件。新型颜色传感器 CLS15-22C/L213/TR8（以下简写为L213）是一种对红、绿、蓝色光线区域谱具有高度敏感性的硅光敏二极管。L213系列传感器具有较好的输出稳定性和良好的温度特性，在颜色识别中有着较广泛的应用。

图1是L213颜色传感器的光谱响应曲线，表示颜色传感器对光线波长的相对灵敏度。由图1可知，RGB颜色传感器对光的峰值灵敏度波长不同，且具有波长范围小，单色选择性强的优点。因此，颜色传感器相互之间影响小，具有较高的颜色分辨力，RGB三个敏感单元可以独立应用，也可以组合应用。其中，L213R对红色光源敏感，感应峰值灵敏度波长为620nm；L213G对绿色光线敏感，感应峰值灵敏度波长为550 nm；L213B对蓝色光线敏感，感应峰值灵敏度波长为470 nm。本研究采用RGB颜色传感器独立应用方式，并分别配备能够发射上述峰值波长的LED，构成三个独立的检测单元。

图1 颜色传感器的光谱响应曲线Fig 1 The spectral response curve of color sensor

2.2 透射式漏血检测原理

漏血检测主要采用光电检测技术，检测装置由检测光源和检测电路组成。本研究中，采用L213R、L213G和L213B分别检测红绿蓝三色透射光，实现对透析液中RBC浓度的分析。透析液管路安装在检测光源与电路之间，RGB颜色传感器为颜色敏感器件，可检测颜色的微小变化。正常情况下，RBC未渗透到透析液中，透析液的透光度相对较高，到达对面的检测元件的透射光较强，传感器将光信号转化为电信号。当发生血液漏出时，由于红细胞悬浮在透析液中，产生遮光效果，传感器接收到的光强减小，检测电路输出电压发生变化[7]；当透析液中RBC漏出量逐渐增加时，透析液遮光强度逐渐增加，传感器的检测光强随之减小，到达设定漏血阈值时，触发装置发出漏血报警。

3 漏血检测实验

3.1 信号采集电路

图2为RBC漏出量检测装置的RBC浓度信号采集电路图。实验采用红、绿、蓝LED作为光发射元件，5 V恒压源供电使LED产生稳定亮度的光。图2中，透析管一侧安装红、绿、蓝发光二极管LR、LG、LB，另一侧对应安装RGB颜色光敏检测元件DR、DG、DB。LR、LG、LB发出的光，部分被透析管管壁和透析液吸收和反射，剩余大部分光到达管壁对侧相应的检测元件DR、DG、DB，透析液中RBC浓度和颜色的变化导致RGB颜色传感器接收到的光强发生变化，从而引起传感器输出信号发生改变，采集到的包含浓度信息的信号分别经A1、A2、A3构成的电压跟随器输出，其中DR构成的红光采集电路输出Ur，DG构成的绿光采集电路输出Ug，DB构成蓝光采集电路输出Ub。另外，管壁粒子沉积也会影响传感器输出，应当采取措施消除管壁粒子沉积对测量结果的影响。实验在避光条件下进行，避免环境光的干扰。

3.2 漏血检测实验

实验采用浓度为0.5%～10%（mL/mL）的兔血溶液、管内壁直径为4.48 mm的实验条件下进行。透析液管路中依次流动浓度为0.5% ～10%的兔血溶液，各色传感器分别对不同浓度兔血溶液进行检测，分别记录Ur、Ug、Ub三次测量的平均值，颜色传感器检测不同浓度的兔血溶液时的平均输出电压见表1。

图2 RBC浓度信号采集电路Fig 2 RBC concentration signal acquisition circuit

表1 RGB颜色传感器输出电压实验数据Table 1 RGB color sensor output voltage experimental data

表1数据显示，兔血溶液浓度的微小变化对红色传感器的输出电压影响较小，其电压值变化幅度较小；绿色、蓝色颜色传感器的输出信号随浓度增加而变化较大。图3是根据表1数据得出的各单颜色传感器随RBC浓度的变化曲线，由图3可直观看出，透析液对红色光线的吸收率较弱，微小的浓度变化对传感器的输出信号影响很小，故红色传感器的输出信号几乎不变。而透析液对绿色、蓝色光线的吸收率较强，浓度变化对其影响较大，故绿色、蓝色传感器的输出信号随溶液浓度的变化较为明显，可选用绿色、蓝色传感器作为漏血检测传感器。单色传感器检测时的灵敏度较低、可靠性较差，为了进一步提高漏血检测时的灵敏度，进而将绿色、蓝色传感器的输出信号进一步通过信号处理，得到检测兔血溶液时具有更高灵敏度的RGB复合传感器。

图3 颜色传感器随RBC浓度变化的输出曲线Fig 3 The output curve of color sensor changes with RBC concentration

4 信号处理电路与算法

4.1 信号处理电路

图4为检测装置的信号处理电路原理图。信号处理电路包含放大电路和单片机的数模转换系统，与RBC浓度信号检测电路构成RGB复合传感器系统。

图4 信号处理电路原理图Fig 4 The signal processing circuit principle diagram

由实验结果可得，红色传感器的灵敏度较低，不适合用于漏血检测。但是，当透析管中有气泡产生时，由于气泡对光线具有发散作用，导致传感器检测到的光线强度大大降低，此时Ur值将发生突变。为避免误报，将红色传感器用于误报检测，当传感器检测到气泡时，LY绿色LED点亮，警示透析管中存在气泡，此时将暂停漏血检测以避免误报，气泡消失时RGB复合传感器系统恢复检测[8]。绿色、蓝色传感器做检测漏血传感器，Ug、Ub经放大电路处理后输入单片机系统，由单片机内置A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，运算处理后与设定的漏血浓度阈值比较，当满足报警条件时，将会触发LR红色LED和扬声器，产生声光报警，提醒已经发生漏血危险[9]。

图4中，放大器A4、A5、A6分别与外围元件构成同相放大电路，对RGB颜色传感器输出信号进行放大处理，设放大倍数分别为Kr、Kg、Kb，则：

式（1）是信号处理电路的输入输出关系式，应该根据实际检测要求设置合适的Kr、Kg和Kb值。本研究为了适于与单片机的模拟通道接口，浓度信号采集电路的输出Ur、Ug、Ub信号在送单片机进行A/D转换前需要进行适当放大，使其电压变化范围在0～5 V之间。因此，根据RBC浓度检测电路的实际输出电压变化范围，设置图4中的信号处理电路的放大倍数Kr为10倍，A5的放大倍数Kg为10倍，A6的放大倍数Kb为20倍。故有：

由式（2）和实验数据可知，UR的电压变化范围在0～4.5 V，UG的电压变化范围在0～3.8 V，UB电压变化范围在0～4.26 V，均能满足单片机的模拟接口要求。

4.2 自动校准与复合检测

为了消除管壁粒子沉积造成的检测误差，每次启动透析设备时，漏血检测系统将自动检测本次透析开始时（可视为RBC浓度为零时）透析管、透析液的初始透光信息作为系统误差数据，用来自动校准由于管壁粒子沉积对检测结果的影响。同时也为了进一步提高检测灵敏度，将绿色、蓝色传感器的输出电压数据进行复合运算与分析，并设计了简单的算法以提高检测的可靠性。

设RBC浓度为零时，UG的误差值为UG0，UB的误差值为UB0，则复合检测的等效电压为：

式（3）的意义是取UG、UB电压做100%加权运算，输出结果扣除了管壁粒子沉积等影响因素，且输出信号进行了等效反相处理。复合算法处理后的数据见表2，复合检测的输出曲线见图5。

表2 复合算法后的等效输出电压Table 2 The equivalent output voltage after the composite algorithm

比较图3各输出电压曲线可知，红色传感器的输出电压随透析液浓度变化较小，但溶液中可能存在气泡，导致到达传感器的光线强度降低、输出电压减小，故采用红色传感器作为误报检测传感装置；采用绿色、蓝色传感器作为漏血检测传感器，单色传感器检测的可靠性和灵敏度较差，故将绿色、蓝色传感器的输出信号进行复合检测运算，使颜色传感器检测透析液中微量RBC具有更高的灵敏度。

图5 复合检测的输出等效电压随RBC浓度的变化曲线Fig 5 The curve of output equivalent voltage of composite detection with RBC concentration

5 结束语

基于新型RGB颜色传感器设计的漏血检测传感系统，采用绿光和蓝光进行复合检测，当兔血浓度在0～10%（mL/mL）之间变化时，等效输出电压的变化范围为0～4.46 V，实验结果证明具有较高的灵敏度，可解决常见漏血装置因灵敏度低造成的漏报问题。为了消除管壁粒子沉积造成的检测误差，通过检测透析管、透析液的初始透光数据，利用单片机运算扣除漏血影响因素，并用红色传感器作为气泡检测传感器，进一步防止由于非漏血因素造成的误报现象。该漏血检测装置可应用于临床检测，具有灵敏度高，可靠性高的优点。