（系统分析与集成专业论文）全自动尿沉渣分析仪的研制.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 尿沉渣检查是临床检验和医疗诊断的重要方法。近年来，随着干化学尿分析仪逐步在 国内普及，许多操作者有忽视显微镜检查的倾向；由于干化学仪器分析与形态学有关部分 的联系较多，而国内外医院使用的尿液分析仪仅能检测出尿液中的某些尿沉渣成分，因此， 尿干化学检查存在自身的不足。 目前，临床上检查尿液中的有形成分均采用显微镜下人工进行分析判别，但是这种方 式的工作强度大，主观性强，且主要集中于有形成分的定性检查，不利于临床的定量诊断。 随着图像处理和模式识别技术的发展，尿沉渣有形成分检测的自动化定量分析已经成为可 能。自动分析过程可以划分为以下五个环节：采集样本、显微镜自动聚焦、图像获取与分 割、特征提取以及模式识别。下文将对这些环节进行逐一论述。 基于以上各种原因，本课题提出d j 8 3 0 0 型全自动尿沉渣分析仪，该系统是一种高智 能、全自动、客观的基于计算机显微图像的的尿液有形成份分析仪器。该系统采用美国微 芯公司p i c 系列p i c l 6 f 7 4 7 3 系列微控制器来设计控制硬件电路部分；使用c c d 摄相头， 采集卡和p c 机进行图像采集和数据处理，利用数字图像处理和模式识别技术开发出一套 专门针对尿沉渣显微图像分析处理的系统。该系统主要用于临床实验进行尿沉渣等显微镜 检查项目的数字化定量分析。它不仅提高了尿沉渣检验的精确度，而且给目前临床镜检带 来了质的飞跃，把操作者从枯燥的重复劳动中解脱了出来。尿沉渣显微图像的处理系统， 提高了临床检验的效率，实现尿液检测系统的自动化和标准化，具有高效、简捷快速、无 携带污染和结果较为准确的功能，对医院的信息化、疾病诊断判别的标准化还将提供有益 的帮助，并对泌尿系统疾病的诊断具有重要的临床意义，也给医疗资源若享、远程专家会 诊提供了便利。 关键词：尿沉渣分析仪；硬件设计；图像处理；模式识别 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t u r i n a r ys e d i m e n ti n s p e c t i o ni sa l li m p o r t a n tm e t h o do fc l i n i c a ld i a g n o s i s r e c e n ty e a r s ， m a n ym a n i p u l a t o r s h a v et h et e n d e n c yo fi g n o r i n gt h em i c r o s c o p ei n s p e c t i o na l o n gw i t h d r y c h e m i c a la n a l y z e rw a se x t e n s i v e l yu s e di nc h i n a b e c a u s eo fd r y - c h e m i c a la n a l y s i sw h i c h h a v em u c hr e l a t et os o m er e l a t i o n a lp a r t so fm o r p h o l o g y , a n du r i n ea n a l y z e rc a r lo n l yc h e c k s o m eu r i n a r ys e d i m e n ti n g r e d i e n t si nu r i n e ，8 0d r y c h e m i c a la n a l y s i se x i s t si t so w nl i m i t a t i o n n o w a d a y s ，i ti sc a r r i e do u tb yt h ec l i n i c a ld o c t o r sb yh a n d sa n dn a k e de y e s ，w h i c hi sa t i e r e dj o b ，a n di m p o s s i b l et og e ts t a n d a r d i z e d l u c k i l y ，a st h ed e v e l o p m e n to ft h ep a ：c t e m r e c o g n i t i o na n dc o m p u t e rv i s i o nt e c h n i q u e ，i ti sp o s s i b l et om a k et h ei n s p e c t i o na u t o m a t i c g e n e r a l l y , t h ea u t o m a t i c i n s p e c t i o nc a nb ed i v i d e di n t o f i v ep r o c e s s e s ，w h i c h c o n t a i nt h e f o l l o w i n gp a r t s ：t h es a m p l ec o l l e c t i o n ，m i c r o s c o p ea u t o m a t i cf o c u s i n g ，t h ei m a g ec a p t u r ea n d s e g m e n t a t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，a n df e a t u r eb a s e di m a g er e c o g n i t i o n t h i st h e s i sw i l lp u tg r e a t e m p h a s i so nt h ei m a g ec a p t u r ea n ds e g m e n t a t i o n t h ef o l l o w i n gt e x tw i l ld i s c u s st h e s ep r o c e s s e s o n eb yo n e b a s e do nt h eu p w a r dc a u s e s ，d j 8 3 0 0u r i n a r ys e d i m e n ta n a l y z e rw h i c hi su s e dt oa n a l y z e t h ev i s i b l ei m a g eo f u r i n e ，a n dw h i c hi sa h i g ha p t i t u d e 、f u l la u t o m a t i c 、e x t e m a li n s t r u m e n t t h e s y s t e ma d o p t sp i c l 6 f 7 4 7 3m c u o f p i cs e r i e so f a m e r i c am i c r o c h i pc o r p w h i c hw a su s e dt o c o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i tp a r t s ，u s i n gc c d 、c o l l e c t i o nc a r da n dp ct or e a l i z ei m a g ec o l l e c t i o na n d d a t ap r o c e s s i n g ，m a k eu s eo ff i g u r ei m a g ep r o c e s s i n ga n dm o d et or e s e a r c ha n dd e s i g nas y s t e m w h i c hs e r v e sf o ru r i n a r ys e d i m e n tm i c r o g r a p ha n a l y s i sa n dd i s p o s a l d j 8 3 0 0u r i n a r ys e d i m e n t a n a l y z e rw a su s e dt oi m p l e m e n tm i c r o s c o p ei n s p e c t i o n t h i si n s t r u m e n tm a i n l yu s e df o rc l i n i c a l e x p e r i m e n t ，m a k i n gd i g i t i z e dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ou r i n a r ys e d i m e n tm i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n p r o j e c t ，w h i c hn o to n l yi m p r o v et h ep r e c i s i o no fu r i n a r ys e d i m e n ti n s p e c t i o n ，b u ta l s ob r i n ga q u a l i t a t i v ec h a n g et ot h ec u r r e n tc l i n i c a le x a m i n a t i o n ，e m a n c i p a t i n gw o r k e r sf r o mt h eb o r i n ga n d r e p e t i t i v ew o r k a n du r i n a r ys e d i m e n tm i c r o s c o p i ch a sm o r e a c c u r a t er e s u l tf u n c t i o nw i t hh i g h e f f i c i e n t 、c o n c i s e 、r a p i da n dw i t h o u tp o l l u t i o n ，w h i c hp r o v i d e b e n e f i ch e l pt o h o s p i t a l i n f o r m a t i o ni n t e r c o m m u n i o na n dt h es t a n d a r d i z a t i o no fd i s t i n g u i s h i n gd i s e a s ed i a g n o s i s ，a n dh a s i m p o r t a n tc l i n i c a l l ym e a n i n gt od i a g n o s i sw a t e r w o r k sd i s e a s e ，w h i c ha l s op r o v i d ec o n v e n i e n c e t ot 1 em e d i c a lr e s o t l r c es h a r i n ga n d 血er e m o t ep r o f e s s o rc o n s u l t a t i o n i i 南京信息工程大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：u r i n a r ys e d i m e n ta n a i y z e r ；h a r d w a r ed e s i g n ；i m a g ep r o c e s s i n g ；p a t t e r nr e c o g n i t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、刨新。的科学糟神从事研究工作 2 ，本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 3 ，本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 作者签名：型：笠 日期：o t - e - 珂 l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复镧并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和接要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定， 作者签名：蠲! 笠 日 期；! 乙丘翌 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 仪器仪表作为人类对自然世界测量，控制和研究的基本工具，其技术水平不但影响着 测量、控制和研究的结果，而且体现着国家的科技水平和综合国力“) 。随着电子技术的发 展，仪器仪表的技术水平也逐步提高，仪器仪表正广泛地应用于各个领域，如航空航天、 大气探测、地质勘探、农业生产、海洋监测、医学工程等。近年来，仪器仪表与医学工程 的联系日益密切，与临床诊断的结合也更加深入。 尿液干化学检查和尿沉渣检测是诊断肾脏疾病及尿道疾病的主要方法，有“体外肾活 检”之称“。近年来，随着干化学尿自动分析仪逐步在国内普及，许多操作者有忽视显微 镜检查的倾向，而干化学仪器分析与形态学有关部分的联系较多，因此，尿干化学检查存 在自身的不足。目前国内外医院使用的尿液分析仪，只能检测尿液中的某些尿沉渣成分( 如 蛋白质、塘等) ，而不能检测尿液中的有形成分( 如红细胞、白细胞、管型、结晶等) 。而 临床上检查尿液中的有形成分均采用显微镜下人工进行分析判别。传统的显微图像分析过 程一般是在病人送来校样后，在光学显微镜下由检测人员先用低倍镜观察全片，寻找有无 细胞、管型、结晶等物质，确定尿沉渣有形成分的大类，并确定观察视野，然后再用高倍 镜( 至少1 0 个视野) 加以仔细辨认，确定细胞( 红细胞、上皮细胞、自细胞、脓细胞) 、 管型( 颗粒管型、细胞管型、透明管型) 的亚型，并估算细胞数，管型则报告低倍镜下最 低及最高数，然后对照显微例图样本而给出诊断结论。我国各大医院每天的尿液分析量是 巨大的，这无疑给检验人员带来了繁重的劳动量。长时间在显微镜下观察会给检验人员的 眼睛带来伤害。同时，由于检验人员个体间的差异，同一样本给不同人员进行检验可能会 得出截然不同的结果“。而且所看到的图像无法交换、处理，难以远距离传输，也不能方 便的存取。 随着科学技术的不断发展和介入，尿沉渣分析的内容越来越多，不仅能够识别各种颗 粒如细胞、细菌、霉菌、结晶等，还能对这些有形成份进行定量分析“1 。因此尿沉渣分析 又被称为尿颗粒分析法”，尿沉渣检测结果是进行泌尿系统诊断的重要参考依据，尿沉渣 检查在尿液分析中占有重要地位。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 尿沉渣分析的发展 近年来，尿沉渣检查 8 - 删有了较大的进展： 1 利用干化学法对尿沉渣中的自细胞和红细胞有形成分等进行显微镜检查和筛选； 2 利用平面流动计数池中连续位点图像摄影系统，采集尿沉渣粒子的静止图像，对其 进行自动分类、电脑储存等，形成独立的尿沉渣自动分析仪或用流式细胞术结合电阻抗原 理检测尿中细胞粒子成分进行定量分析的全自动屎沉渣分析仪【i ”。 3 除利用普通显微镜检查外，还可采用干涉，相差、偏振光、扫描及透射电镜等。例 如，用干涉显微镜观察尿沉渣中细胞和管型，由于能观察三维空间，清晰度明显提高；相 差显微镜中由于视野中明暗反差大，故对不典型红细胞及血小板易于识别。在新鲜血尿及 运动后血尿中均可见到血小板，而普通光学显微镜下常常被漏检；用透射电镜对尿沉渣的 超薄切片进行观察，可准确地诊断细菌、管型、自色念珠菌管型及血小板管型等，而在普 通光学显微镜下这些管型常被误认为是细颗粒或粗颗粒管型；用偏振光显微镜检查尿沉渣， 易于识别脂肪管型等。 4 采用尿沉渣活体染色及细胞化学染色法等多种染色法来识别各种管型。 5 近年来，应用单克隆抗体技术“埘识别各种细胞。 l 2 2 尿沉渣分析仅的发展现状 尿沉渣分析仪按其测量原理分类，目前只分成镜检图像式和流式细胞法两类。在镜检 图像式尿沉渣分析仪中按测量池的不同，又可分为一次性标准定量板式和流动池式两种m 尿沉渣显徽镜检查作为最直接、最权威的检测方法，己在检验界渡过了漫长岁月。尽 管尿沉渣分析仪的历史还是短暂的，但随着现代计算机技术的飞速发展，计算机技术在医 学工程，尤其在临床检验上的运用日益深入，新产品正在不断地涌现。尿沉渣分析仪发展 情况”哆叮下： 1 9 8 8 年，美国国际遥控图像系统公司研制成功世界上第一台摄像式尿沉渣分析仪，由 检验人员在计算机显示屏上鉴别细胞。 1 9 9 0 年，日本东亚医疗电子公司与美国国际遥控图像系统公司合作，将原系统改进为 图像流式细胞术的尿沉渣分析仪，但因图像不清，重复性差，价格昂贵而未能普及。 1 9 9 5 年，日本东亚医疗电子公司将流式细胞术和电阻抗技术结台，研制出新一代 2 南京信息工程大学硕士学位论文 u f - 1 0 0 全自动尿沉渣分析仪。 1 9 9 6 年，德国宝灵曼推出图像式尿沉渣自动分析仪，采用两个快速移动的c c d 摄像 头对样品计数池进行扫描。 1 9 9 7 年，美国戴西斯公司推出流动池式尿沉渣定量分析仪，1 9 9 9 年引入中国，尽管 该系统显微镜需人工操作，测定速度较慢，但是由于解决了尿沉渣镜检中精确定量问题， 还是引起了国内检验界关注。 2 0 0 1 年，美国太平洋公司推出了m u d l 0 0 0 1 自动染色尿沉渣分析仪，采用国际先进 的自动显微镜平台技术，使尿沉渣镜检的标准化、自动化达到了一个新的水平。 2 0 0 2 年，中国普利生公司研制成功a m p 2 0 0 0 u 型自动扫描尿沉渣定量分析系统，采 用国际先进的自动显微平台技术，使尿沉渣镜检的标准化、规范化、自动化达到了一个新 的水平。 2 0 0 3 年，国际遥控成像系统有限公司又推出了一款名为i q 2 0 0 的尿沉渣分析仪。它被 设计为流水线形式的，不仅增加了测试容量，而且提供了全面的测试面板，采用了基于神 经网络的自动粒子识别软件完成内部软件的设计，能够自动识别尿沉渣各种有形成分，并 可进行定位和分析。提高了临床诊断质量和准确度，是当今世界内上第一台全自动尿沉渣 分析仪。 目前，正在研制尿沉渣分析仪的有北京普利生仪器有限公司，长春迪瑞实业有限公司， 徐州东九电子科技有限公司，吉林大学和南京信息工程大学等单位。 1 3 研究全自动尿沉渣分析仪的意义 尿沉渣检验是临床检验的重要项目、不仅应用于泌尿系统疾病，对其他全身性疾病的 诊治也是必不可少的。尿沉渣检测数据是进行泌尿系统诊断的重要参考依据。由于我国有 1 3 亿人口，占世界总人口的2 2 ，而卫生总费用仅占世界卫生总费用的2 。而且国外的 仪器价格昂贵，中小医院无力承担巨额的资金支出，造成我国看病贵、看病难的现状；又 由于镜检图像式的分析仪自动化程度低，操作麻烦；而流式细胞分析仪检验成本高，并只 能作筛选之用。 因此，鉴于基层医院仪器落后和百姓看病难等实际情况，本课题开发了一套d j 8 3 0 0 型全自动尿沉渣分析仪，该仪器是一种高智能、全自动、检验成本低的尿液及沉渣有形成 份分析系统，主要用于临床实验进行尿沉渣等显微镜检查项目的数字化定量分析。该系统 可以实现尿液系统的自动化和标准化，具有高效，简捷快速，无携带污染和结果较为准确 3 南京信息工程大学硕士学位论文 的功能，并具有非常高的稳定性，可适用于非常恶劣的工作环境，如高温、低温、潮湿等。 对泌尿系统疾病的诊断和在基层的广泛推广都有非常重要的现实意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本文从系统设计、硬件设计和软件设计三个方面对全自动尿沉渣分析仪进行了研究讨 论，并对其中的几个关键性问题进行了重点论述。本文研究的主要内容如下： 1 阐述了仪器的工作原理，介绍了尿沉渣分析仪外围电路的控制方案，根据尿沉渣分 析仪所要达到的性能指标，设计了尿沉渣分析仪控制系统的总体结构，对硬件和软件功能 做出明确定义和合理配置。 2 以p i c l 6 f 7 4 7 3 芯片为核心，实现全自动尿沉渣分析仪的硬件系统，并使该硬件系 统具有一定的抗干扰能力。完成电源电路，复位电路及晶振电路等核心电路的设计和外围 电路的硬件设计，并对硬件电路进行了较为详细的论述。 3 在p i c m a t e 2 0 0 4 集成开发调试环境下，使用p i c 汇编语言进行软件程序的编制， 完成尿沉渣分析仪控制系统的软件设计。设计中采用模块化程序设计技术，根据系统的功 能，将软件分成若干个功能相对独立的模块，包括串行通信模块、电机驱动模块，电磁阀 驱动模块，水路控制模块、显微镜自动控制模块等。各个程序模块分别进行设计、编程和 调试，最后把各个调试好的程序模块连成一个完整的程序。 4 在d e l p h i 7 0 环境下，使用d e l p h i 高级语言进行上层软件开发。在软件设计中也采 用模块化程序设计思想，该管理软件系统包括用户身份验证信息、数据库管理模块、通信 模块和图像处理模块等。为用户提供了一套完整、快捷的人机交互界面。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章全自动尿沉渣分析仪概述 2 1 全自动尿沉渣分析仪的工作原理 全自动尿沉渣分析仪的工作原理是：首先由上位机( p c 机) 向下位机( 尿沉渣分析仪) 控制系统发送指令。控制系统依据指令使仪器进行定量染色处理或不染色处理、样品编号 选择、清洗、冲池、稀释、关机等动作。吸样定位装置可以准确将进样器针头送入选定的 取样试管底部。定量装置按一定的比例取出定量沉渣和染色液，之后进入混合池进行混匀 ( 不染色处理时不加染色液) 。混匀后的液体中间部分流经显微镜下的尿沉渣分析流动计数 池时加以锁定，即可以通过镜下的流动计数池计数尿沉渣中的所有有形成份。如果尿沉渣 浓度过大，仪器可以根据要求进行倍量稀释，从而实现精确计数。 本课题采用的检测方法是镜检图像法中流动计数池式。采用内腔有精密刻度的光学玻 璃定量流动计数池，进行尿有形成分计数统计，通过综合识别和计算得到了相应细胞的大 小，长度、体积和染色质长度等资料，并由计算机自动换算成标准状态下数据，即腰e “ ( 个，微升) 报告结果，报告格式标准化。使用微升级定量装置，准确定量，且具有极高的 重复性。采用科学的二次定量技术使其检测结果更具科学性和代表性。 流动计数池是由高质量的方扁型双层玻璃片和金属基座制成，其尺寸与标准的显微镜 载玻片相当，方扁型玻璃片内带有l o o 个( 4 2 5 个) 正方形刻度。每个小正方形的刻度 对应o 0 1 讲的容积【1 3 】。流动计数池内刻度示意图如图2 1 所示。 图2 1 流动计数池内刻度示意图 2 2 尿沉渣分析仪的检测方法 近年来，为了更有效地检出尿沉渣中的各类有形成分，研究人员采用了各种研究手段， 使尿沉渣的检查方法有了较大的进展。在尿沉渣显微镜检查中，尿沉渣提取的方法主要有： 南京信息工程大学硕士学位论文 自然沉淀法、离心检查法、沉渣浓缩法、微孔过滤法f 1 3 】。尿沉渣的检查方法【1 4 】有：干化学 法、自动分析法、显微镜检测法、染色法、单克隆抗体技术。 2 2 1 尿沉渣提取方法 1 自然沉淀法：将尿液放置一定的时间，使其中的有形成分自然沉淀到底部，再将其 取出进行分析的方法。 2 离心检查法：将尿液放入离心机离心后，使其中的有形成分沉淀到底部，再将其取 出进行分析的方法。离心后，根据尿样加载方法的不同，还可将其分为： ( 1 ) 载玻片法； ( 2 ) 载玻片+ 盖玻片法； ( 3 ) 牛鲍氏计数板法： ( 4 ) 塑料计数板法等。 3 沉渣浓缩法：用特制的试管，倒入尿液后用圆滤片吸去尿液，细胞直接附在载玻片 上。 4 微孔过滤法：把5 u m 孔径的微孔膜放入尿液中，再用吸引泵抽吸尿液使尿液浓缩。 要对尿沉渣进行定量分析，非常关键的一点是将待计数的尿液定量化。 2 2 2 尿沉渣检验方法 1 干化学法 将试剂包含在纤维素中作为反应部分牯附在塑料支持片上干燥而成试纸带，以镜检为 标准半定量检测尿液。它可以用于检测尿样中自细胞、红细胞，常用于进行显微镜检查的 筛选。 2 自动分析法 利用平面流动计数池中连续位点图像摄影系统，拍摄尿沉渣的静止图像，对尿沉渣有 形成分进行自动分类、电脑存储等，形成独特的尿沉渣自动分析；或用流式细胞术结合电 阻抗原理检测尿中的细胞成分，进行定量分析。 3 显微镜检测法 显微镜检测法可以采用干涉、相差、偏振光、扫描及透射电镜等进行尿沉渣检测。这 几种显微镜运用于临床检验各有优势，有时需结合几种显微镜进行检测才能得到比较准确 的检测结果。例如，相差显微镜( p h a s e - c o n t r a s tm i c r o s c o p e ) 法：相差显微镜又称相称显 微镜，是以光的衍射和干涉现象照射标本，产生明暗不同的反差识别，尤其是透明管型、 6 南京信息工程大学硕士学位论文 不典型红细胞、血小板的辨别。干涉显微镜( i n t e r f e r e n c em i c r o s c o p e ) 法：在不同相位时， 当两种相同颜色的光波相遇时，其亮度发生增强或减弱的变化，从而提高物体的清晰度， 可观察到细胞或管型的三维空间结构。偏振光显微镜( p o l a r i z i n gm i c r o s c o p e ) 法：利用光 的偏振特性对光有双折射性的物体进行鉴别，可观察活细胞的内含物、神经纤维、植物纤 维的结构细节和动物肌肉纤维等。可分析变性过程，观察到细胞的死活；正常细胞对光偏 振呈左旋，肿瘤细胞多数呈右旋；可显示盐类结晶在自然光下见不到的精细结构。透射电 镜( t r a m a n i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 法：利用电子束作为照明波源，可明显提高分辨率， 将尿沉渣标本放在电子显微镜下观察，可准确分辨出细菌管型、白色念珠菌管型、血小板 管型、粗颗粒管型和细颗粒管型等成分i l 。 4 染色法 现已采用尿沉渣活体染色及细胞化学染色等多种染色法来识别各种成分。如结晶紫 沙黄染色，可识别管型( 尤其是透明管型) 及各种形态的红细胞、上皮细胞，并可区别存 活及死亡的中性粒细胞和检出闪光细胞。巴氏染色可观察有形成份的细微结构，对尿路肿 瘤细胞和肾移植排异反应具有诊断意义。氧化物酶染色，可鉴别不典型红细胞和白细胞， 并可区别中性粒细胞管型及肾上皮细胞管型。用酸性磷酸酶染色，可区分透明管型与颗粒 管型。 5 单克隆抗体技术 单克隆抗体( m o n o c l o n a la n t i b o d y ) 技术( 简称单抗) ，它的制备原理就是，动物受到 外界抗原刺激后可诱发免疫系统反应，产生相应抗体。它在临床上可根据出现的不同细胞 来诊断一些疑难的肾病，如新月体肾炎、药物引起的急性间质性肾炎、肾小管坏死等。 因此，尿沉渣检查方法是很有发展前途的一种实验检查方法。本课题在进行尿沉渣检 查时，首先对尿样使用干化学方法进行定性分析，如果尿样为阴性，则说明患者肾脏正常， 这样可以给患者节约了大笔医疗费用；如果尿样为阳性，我们则采用自动分析法、显微镜 检测法、染色法相结合的全自动尿沉渣定量检测方法，这样又为医生的临床诊断提供了参 考依据。 2 3 仪器的结构 d j 8 3 0 0 型全自动尿沉渣分析仪由微机系统( p c 机) ，尿沉渣分析仪和自动显微镜平台 组成。尿沉渣分析系统使用p i c l 6 f 7 4 单片机负责控制外围硬件电路，完成对样本的定量 和采样等；自动显微镜平台使用p i c l 6 f 7 3 单片机负责控制步进电机伺服控制系统，完成 显微镜自动聚焦等。p c 机负责管理上层软件系统( 如数据库管理，图像处理和模式识别等) ， 7 南京信息工程大学硕士学位论文 并打印检验报告。全自动尿沉渣分析系统结构图如图2 2 所示。 2 3 1 硬件系统概述 图2 2 全自动尿沉渣分析系统结构图 硬件电路是系统测试的载体。本课题的硬件电路由尿沉渣分析仪系统和自动显微镜系 统组成。 1 尿沉渣分析仪的硬件电路以p i c l 6 f 7 4 为硬件电路系统的核心，p i c l 6 f 7 4 t 1 6 1 是美国 m i c r o c h i p 公司推出的8 位高性能的r i s cm c u ，具有8 层硬件堆栈，指令流水线结构。在 此基础上扩展了一系列完整的通用外围接口单元，为尿沉渣分析仪提供了高性价比和高性 能的微控制器解决方案。p i c l 6 f 7 4 系统外围接口单元包括支持1 2 个中断源的中断控制器， 3 3 个通用l ，o 口，1 个可编程波特率的u s a r t ，8 路8 位a d 转换器，8 位同步串行数据 传送s i c ) ，3 个定时器，1 个f c 总线控制器等。尿沉渣分析仪的硬件电路包括以下部分： 电源模块，通信模块，电机驱动模块，电磁阀驱动模块，水路控制模块。尿沉渣分析仪硬 件系统模块结构图如图2 3 所示。 8 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 3 尿沉渣分析仪硬件系统模块结构图 2 自动显微镜的硬件电路以p i c l 6 f 7 3 为硬件电路系统的核心，p i c l 6 f 7 3 也是美国 m i c r o c h i p 公司推出的8 位高性能的r i s cm c u ，具有8 层硬件堆栈和指令流水线结构。它 的硬件电路包括以下部分：电源模块，通信模块，显微镜自动控制系统，c c d 摄像头，图 像采集卡等。自动显微镜硬件系统模块结构图如图2 4 所示。 图2 4 自动显微镜硬件系统模块结构图 9 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 3 和图2 4 分别为尿沉渣分析仪和自动显微镜平台的结构图，其具体硬件电路p c b 板图见附录一。下文将对p i e 单片机做简要介绍。、 p i c ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n m ，l l e r ) 是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路 ( i c ) ，是一种具有分散作用( 多任务) 功能的c p u 。与人类相比，大脑就是c p u ，p i e 共 享的部分相当于人的神经系统。它们的最高操作频率大约都在2 0 m h z 左右，存储器容量 用于程序的存储，其空间大小约1 k 4 k 字节。 ( 1 ) 通过对p i c 系列单片机学习和使用，发现它有以下几个优点： 1 ) p i c 最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格 比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。 2 ) 精简指令使其执行效率大为提高。p i c 系列8 位c m o s 单片机具有独特的r i s c 结 构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线( h a r v a r d ) 结构，使指令具有单字长的特性，且 允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与传统的采用c i s c 结构的8 位单片机相比， 可以达到2 ：1 的代码压缩，速度提高4 倍。 3 ) 产品上市零等待( z e r ot i m et om a r k e t ) 。采用p i c 的低价o t p 型芯片，可使单片 机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。 4 ) p i c 有优越开发环境。o t p 单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，像普通 5 1 单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，但实时性不尽理想。p i e 在推出一 款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实对性非 常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。 5 ) 其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 v 交流电源，可直接与继电器控 制电路相连无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 6 ) 彻底的保密性。p i c 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再 也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。 7 ) 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。 8 ) 睡眠和低功耗模式。虽然p i c 在这方面己不能与新型的t i - m s p 4 3 0 相比，但在大 多数应用场合还是能满足需要的。 ( 2 ) 程序的格式见附录二。 2 3 2 管理软件系统概述 d j 8 3 0 0 型全自动尿沉渣分析仪的上位机管理软件系统是使用d e l p h i7 0 进行编写的。 该管理软件系统包括用户身份验证信息、数据库管理模块、通信模块和图像处理模块等。 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 该系统从用户的角度出发，开发出一整套功能齐全的管理模块，并提供完整的用户使用手 册，以方便用户进行操作。选取上层软件管理系统中的2 个界面：用户身份验证界面和信 息管理界面，进行介绍。 用户登录时，采用密码隐蔽技术，在输入密码时以符号”显示密码的长度。进入本系 统时需要操作者进行身份验证，本软件有两种身份，一种是系统管理员的身份，另一种是 医师的身份。后者进入软件后不能修改软件中的用户数据，只能浏览，而前者可以使用软 件所有的功能。 第一次运行本软件时以“系统管理员的身份登陆，面设置好身份参数后，即可以每 位操作者以自己的密码进行登陆。用户身份验证界面如图2 5 所示。 图2 5 用户身份验证界面 用户登录成功后，进入尿沉渣检查的信息管理界面，如图2 6 所示。 南京信息工程大学硕士学位论文 图2 6 信息管理界面 为了说明方便，接下来我们主界面中定义几个区的概念。如上图所示： 南京信息工程大学硕士学位论文 1 快速检索区：根据检验号和检验日期检索病人信息。 2 视频采集图像编辑区：所有涉及图像的操作都在这里完成，如采集、冻结、标识、 保存等。 3 结果分析区：沉渣结果的分析在这里完成，同时还可以输入病理学性状，修改化学 分析结果等等。 4 图像缩图显示区：当前打开病例的图片，如果需要浏览用鼠标点击。图像编辑区即 显示相应图像。 5 仪器控制系统图标显示区：沉渣仪的控制部分在这里完成。 6 常用操作命令区：尿沉渣分析系统的主要操作功能区，这里的每一按钮以后都会详 细介绍。 7 ，系统菜单区：尿沉渣分析系统的系统菜单。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章硬件系统的研究与设计 硬件电路是系统测试工作的载体，它接收来自上位机的控制信息并执行相应的操作， 然后将测试结果反馈给上位机。在全自动尿沉渣分析仪系统中，它的硬件电路由以下两部 分组成：尿沉渣分析仪硬件电路和自动显微镜平台。它们的工作流程如下：下位机接收p c 机的控制信号，执行p c 机的控制信息，完成操作并把测试结果反馈给p c 机。尿沉渣分析 仅的硬件电路由以下6 个部分组成：电源模块、通信模块、步进电机驱动模块、直流减速 电机驱动模块、电磁阀驱动模块。自动显微镜平台的硬件电路由以下3 个部分组成：电源 模块、通信模块和步进电机伺服系统。下文将对各个模块分别做以介绍。 3 1 电源模块的研究与设计 电源是各种电子电气线路与装置不可缺少的原动力。电源电路性能的好坏，直接影响 到电子电气线路与装置的工作质量和效率i l ”。目前使用的稳压电源主要分为两种：一种是 线性稳压电源，比如l m 7 8 0 5 、l m 7 8 1 2 等，它是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电 源。它的特点是输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低、 效率较低、发热量大，间接地给系统增加热噪声。另一种是开关稳压电源，主要由精密电 压比较芯片、p w m 芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片 将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较，p w m 芯片根据比较结果通过驱动变压 器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现稳压输出。 它的特点是效率高。 本文主要考虑了系统的设计和应用的两个角度，设计出两路输出的稳压电源电路。该 电路将2 2 0 v 交流市电通过电源变压器变换为交流低压，再经过桥式整流电路d 己1 、现2 和滤波电容c 1 、c 2 的整流和滤波，在固定式三端稳压源的圪和g n d 两端形成一个并 不十分稳定的直流电压( 该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变 化) 。此直流电压经过l m 7 8 0 5 、l m 7 8 1 2 的稳压和c 3 、c 4 的滤波变在稳压电源的输出 端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本电路利用变压器的2 个次级绕组和7 8 0 5 、 7 8 1 2 分别提供+ 5 v 、+ 1 2 v 两组相互独立的输出电压。每组电压都有单独的输出指示。两 路输出稳压电源电路如图3 1 所示。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 1 两路输出稳压电源电路 。 在设计两路输出稳压电源电路中，电路元件的选择1 q 和要求如下： 1 为保证稳压器的稳定工作，三端稳压器的输入端至少比输出端高出3 v ，一 般在3 6 v 之间为好，圪与p 0 之差不能太高，太高不仅工作效率低，浪费能源，而且 稳压器本身的功耗太大，会引起过热而造成工作不稳定。 2 根据负载的要求正确选择三端稳压器，搭成各种不同电流、电压档次的稳压电路。 3 三端稳压器的输入与输出电压之间的压差和输出电流较大时，应加装合适的散热 器。 4 现以l m 7 8 0 5 稳压电路为例，简单介绍cl c 4 的作用和数值：c 2 和c 4 是防 止自激用的，c 2 一般取值0 1 1 u f ，c 4 取值为0 1 o 3 3 u f ，c 1 和c 3 是滤波电容， c1 一般取值1 0 0 0 4 7 0 0 u f ，c 3 取值为1 0 0 4 7 0 u f 。 5 变压器的次级电压( 有效值) 的选择：设次级电压为，p 0 = ( 1 0 5 1 1 ) 。 6 变压器的功率确定：p = v m i 。( 最大值) 1 5 眇) 其中，在l m 7 8 0 5 、l m 7 8 1 2 的输入、输出端及所有的集成电路的电源输入端都加上了 0 1 缸f 的去耦电容，并在p c b 布线路板时尽量使这些去耦电容靠近集成电路，以最大发挥 它们的功能。 3 2 通信模块的研究与设计 p c 机与单片机之间通常采用两种通信方式：并行通信和串行通信。并行通信是指一次 1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 可以同时传送一个数据字的传输方式，而串行通信则是将数据字逐位分时进行的传输方式。 并行通信虽然传输效率高，但是由于所需硬件设备复杂，不适于长距离通信，所以一般只 适用于要求实时性强，传送速率较高的控制系统中，实用范围较窄。相比之下，串行通信 简单易实现，传输距离较长，所以在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中， 经常采用串行通信来交换数据和信息。1 9 6 9 年，美国电子工业协会( e i a ) 公布了r s - 2 3 2 c 作为串行通信接口的电气标准( r s 代表推荐标准，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一 次修改) ，该标准定义了数据终端设备( d t e ) 和数据通信设备( d c e ) 问按位串行传输的 接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。但 它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在着传输距离不太远( 最大传输距离1 s i n ) 和传 送速率不太高( 最大位速率为2 0 k b s ) 的闯题。本课题从实际应用的角度出发，从传输的 速度和数据量等方面综合考虑，最后选择r s 2 3 2 作为本文通信模块接口。 p i c 系列单片机“”内部集成了两个类型不同的串行通信模块，即通用同步屏步收发器 u s a r t ( u n i v e r s a ls y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u sr c c e i v 盯t r a n s m i t t e r ) 模块和主控同步串行端 口m s s p ( m a s t e rs y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ) 模块。前者的主要应用目标是系统之间的远距 离串行通信；而后者的主要应用目标是系统内部近距离的串行扩展。串行通信又存在着异 步传送和同步传送两种基本方式。由于字符的发送是随机进行的，所以本文使用异步传送 方式。其特点是数据在线路上的传送，各个字符之间可以是断续的，也可以是连续的，这 完全由发送方根据需要来控制。 因此对于本文来说，p c 机和单片机之间数据传送时，使用串行传输比较合适。 3 2 1 硬件电路设计 r s 2 3 2 协议标准的电气特性与p i c 系列单片机使用的1 r l 标准的电气特性不同。 e i a r s 2 3 2 c 2 0 ! 对电器特性、逻辑电平和各种信号线的功能的规定如下：在t x d 和r x d 上：逻辑1 ( m a r k ) = - 3 v 1 5 v ，逻辑0 ( s p a c e ) = + 3 + 1 5 v ；在r t s 、c t s 、d s r 、 d t r 和d c d 等控制线上：信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v ，信号无 效( 断开，o f f 状态，负电压) = _ 3 v 1 5 v 。 e i a - r s 2 3 2 c 与t t l 转换：e i a - r s 2 3 2 ( 2 是用正负电压来表示逻辑状态，与t r l 以 高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的r r l 器件连接， 必须在e i a - r s 2 3 2 c 与r r l 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法 可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如m c l 4 8 8 、 s n 7 5 1 5 0 芯片可完成r r l 电平到e i a 电平的转换，而m c l 4 8 9 、s n 7 5 1 5 4 可实现e i