基于RGB 顏色傳感器的皮膚膽固醇檢測系統(tǒng)設(shè)計*

史占東，鄧國慶，2，董美麗，侯華毅，朱 靈，2，劉 勇，2

(1.中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽省生物醫(yī)學(xué)光學(xué)儀器工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥230031;2.皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心，安徽 銅陵244000)

0 引 言

醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，通過皮膚膽固醇的含量可以預(yù)測動脈粥樣硬化類疾病［1］，并且比傳統(tǒng)的血檢法準(zhǔn)確性更高［2］。“三滴法”［3］通過向皮膚滴加能與膽固醇發(fā)生顯色反應(yīng)的檢測試劑和指示劑，根據(jù)顏色值推斷皮膚膽固醇含量的高低。目前測量顏色的方法主要有分光光度法［4］和光電積分法［5］。分光光度法采用光柵等分光元件實(shí)現(xiàn)，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易集成;光電積分法通過濾色片將顏色分為三原色來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，易集成。目前基于光電積分式的顏色測量傳感器發(fā)展成熟，其中以AMS 公司的TCS3200 應(yīng)用［6～9］最為廣泛，集成了A/D 轉(zhuǎn)換電路，直接輸出脈沖信號易于檢測，測量精度滿足要求。

本文設(shè)計了一種基于RGB 顏色傳感器的皮膚膽固醇檢測系統(tǒng)，實(shí)驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以鑒別“三滴法”實(shí)驗中不同濃度的試劑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)皮膚膽固醇含量的無創(chuàng)檢測。

1 測量原理

“三滴法”測量原理示意圖如圖1 所示。涂敷板貼于待測皮膚上，用于滴加檢測試劑和對照試劑，其中對照1 指示試劑是否正常工作;對照2 指示皮膚表面是否存在影響反應(yīng)結(jié)果的物質(zhì);檢測池用來滴加檢測試劑和顯色劑，對皮膚膽固醇含量進(jìn)行檢測。檢測時采用白光LED 作為光源，斜入射至檢測池中心，檢測池的散射光經(jīng)凸透鏡收集匯聚，用TCS3200 進(jìn)行接收，皮膚膽固醇含量不同，檢測池的顏色也不同，最后由顏色值推算出皮膚膽固醇含量。

圖1 測量原理示意圖Fig 1 Diagram of measuring principle

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由STM32 微處理器、按鍵、TF 卡、液晶顯示面板、TCS3200 和光源組成，如圖2 所示。其中，STM32微處理器采用STM32F103VET6，按鍵與顯示屏配合實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，TF 卡用于測量結(jié)果的存儲。TCS3200 和光源是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的兩個最重要的部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of system

2.1 TCS3200 顏色傳感器

TCS3200 利用三原色(RGB)［10］顏色表示原理，在內(nèi)部集成了64 只光電二極管，分成4 個通道，分別集成了紅、綠、藍(lán)及無色地濾光片，通過分時地選通各個通道實(shí)現(xiàn)RGB值的測量。同時TCS3200 內(nèi)部具有壓/頻轉(zhuǎn)換器，輸出脈沖信號，有利于減小外部干擾。STM32F103VET6 具有4 個外部脈沖計數(shù)器，使用計數(shù)器1 對TCS3200 輸出的脈沖信號計數(shù)，即將TCS3200 的OUT 端與STM32F103VET6 的PA12引腳連接;PD3，PD4 引腳用于TCS3200 通道的選擇;PD5，PD6 引腳用于TCS3200 靈敏度的調(diào)節(jié);在TCS3200 的VDD和GND 之間接100nF 的電容器以減小電壓的波動，硬件連接圖如圖3 所示。

圖3 TCS3200 硬件連接圖Fig 3 TCS3200 hardware connection diagram

2.2 光 源

光源采用白光LED，當(dāng)流過LED 的電流從10 mA 升至24 mA 時，使用BWTEK 光譜儀測得其光譜分布如圖4 所示。

圖4 光源光譜分布圖Fig 4 Light source spectrum distribution diagram

TCS3200 各個通道感應(yīng)波段中心波長分別為470，540，640 nm，由圖4 可知，隨著流過LED 電流的變化，光強(qiáng)發(fā)生了改變，并且3 個中心波長處變化幅度也各不相同，因此，保持LED 恒流供電至關(guān)重要。這里采用TL431A 基準(zhǔn)電壓芯片實(shí)現(xiàn)恒流供電，原理圖如圖5 所示。

圖5 恒流驅(qū)動電路圖Fig 5 Constant current drive circuit diagram

TL431A 參考端的電壓2.5V，在忽略Q1 導(dǎo)通電阻，電源和LED 內(nèi)阻的情況下，流過LED 的電流為2500/VR mA，VR 為TL431A 的參考端和正極之間的電阻，實(shí)際工作時調(diào)節(jié)VR1將輸出電流調(diào)至20 mA。最后結(jié)合TCS3200 對白板進(jìn)行了測量，結(jié)果如表1 所示，其中TCS3200 各個顏色通道開啟時間均為30 ms。結(jié)果顯示:三個通道脈沖個數(shù)測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在1.5 以內(nèi)，光源穩(wěn)定性較好。

表1 光源穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)Tab 1 Data of light source stability test

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序流程圖如圖6 所示，每次系統(tǒng)重啟均會提示放置標(biāo)準(zhǔn)白板，待放置完成，打開白光LED 并延時3s 以消除光源開啟的波動，之后對白板進(jìn)行測量并記錄，作為參考白。當(dāng)“三滴法”測量完成時，移去白板，對檢測池的顏色進(jìn)行檢測，并對所測結(jié)果進(jìn)行白平衡校正、HSV 顏色空間轉(zhuǎn)換，由HSV 值推算出皮膚膽固醇的含量，最后經(jīng)液晶屏顯示，TF 卡進(jìn)行存儲。

3.1 白平衡校正

圖6 主程序流程圖Fig 6 Main program flow chart

理論上白光中三原色的比例1∶1∶1，考慮到光源光譜分布及TCS3200 各通道光譜響應(yīng)靈敏度的差異，實(shí)際測量值會有所改變，因此，需要對TCS3200 進(jìn)行白平衡校正。白平衡校正的方法為:先測量標(biāo)準(zhǔn)白板，記錄各個通道的測量值R0，G0，B0，255 除以各個通道的測量值計算出相應(yīng)的比例因子，再對待測物體進(jìn)行測量得到R1，G1，B1，最后由R1，G1，B1乘以相應(yīng)的比例因子得到各個通道校正后的數(shù)值R，G，B。

3.2 顏色空間轉(zhuǎn)換

RGB 顏色空間是一種不均勻的顏色空間，顏色之間的差異很難用三色分量表示出來。而HSV 顏色空間［11］是基于人的視覺感知特性建立的顏色空間，其中，H 為色調(diào)，S 為飽和度，V 為亮度，由于V 與色彩信息無關(guān)，而H 和S 同人感知顏色的方式密切相關(guān)，易于色彩的運(yùn)算與處理。測量發(fā)現(xiàn)隨皮膚膽固醇含量不同，待測顏色H 值不變，而S 值隨皮膚膽固醇含量的增加而變大。轉(zhuǎn)換公式［11］如下

其中，Rmax為r，g，b 三個值中的最大值，Rmin為最小值。

4 實(shí)驗與結(jié)果分析

“三滴法”測量過程如下:首先，向檢測池中滴加檢測試劑，約1 min 后，用吸水棒吸掉未與皮膚膽固醇結(jié)合的檢測試劑，此時留在皮膚上的檢測試劑的量與皮膚中膽固醇的含量直接相關(guān)，最后向檢測池中加入顯色劑，待2 min 后開始測量檢測池中溶液的顏色。從上述檢測過程發(fā)現(xiàn)，可以用相同體積不同濃度的檢測試劑代替不同的皮膚膽固醇含量，對待測顏色變量隨膽固醇含量變化規(guī)律進(jìn)行探索，如圖7所示。

圖7 顯色原理框圖Fig 7 Block diagram of principle of coloration

“三滴法”實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測試劑的含量為0.002 μg 時即可區(qū)分不同健康狀況的人群，因此，設(shè)計實(shí)驗如下:預(yù)先配制好濃度為0，0.01，0.02，0.03，0.04，0.05，0.06，0.07，0.08，0.09，0.1 μg/mL 的檢測試劑，每種濃度的試劑都進(jìn)行以下操作:以白板為背景，用移液槍吸取20 μL 的檢測試劑和20 μL 的顯色劑到檢測池中，操作完成2 min 后對檢測池內(nèi)溶液顏色進(jìn)行測量并記錄。其中用于白平衡校正的參考白為0 μg/mL 的檢測試劑。測量結(jié)果如表2 所示，其中TCS3200 各個顏色通道開啟時間均為30 ms，R，G，B 值為白平衡校正后的數(shù)值。

表2 等梯度濃度檢測試劑測試數(shù)據(jù)Tab 2 Test data of constant-gradient concentration detection reagent

從表2 可知，隨著試劑濃度升高，H 值和V 值無明顯變化，S 值增大。試劑濃度C 和S 值之間的關(guān)系如圖8 所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨試劑濃度升高S 值線性增大，用最小二乘法線性擬合后方程為C=0.337 68S－0.000 33，擬合度為0.985，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.993，說明S 值能夠反映試劑濃度的高低，可以通過S 值得出皮膚膽固醇含量的高低。

5 結(jié) 論

圖8 飽和度與試劑濃度線性擬合圖Fig 8 Linear fitting diagram of saturation and reagent concentration

本文對RGB 顏色傳感器TCS3200 測量皮膚膽固醇含量的方法進(jìn)行了研究，并設(shè)計了相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)“三滴法”檢測得到的反應(yīng)試劑的S 值與對應(yīng)的檢測試劑的濃度值呈線性關(guān)系，即與皮膚膽固醇含量呈線性關(guān)系，將此規(guī)律及其相應(yīng)的擬合結(jié)果推廣并應(yīng)用到實(shí)際的無創(chuàng)皮膚膽固醇檢測中，有利于動脈粥樣類疾病的預(yù)防與早期治療。

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