基于STM32的血細胞信號識別算法

馬圣杰 陳煒鋼 劉鄭

摘要：該文針對三分類的血細胞分析儀，采用STM32F103C8T6微處理器作為主控芯片，運用狀態分析法對血細胞進行識別，設計了一套血細胞識別與記數系統。整套系統包括電源輸入電路、Coulter傳感器、AD采集電路、濾波電路、MCU控制電路、按鍵輸入電路、液晶顯示電路。血液中的血細胞經過Coulter傳感器產生電信號再經放大濾波最終被單片機采集，單片機再根據狀態分析法對電信號進行進一步分析，達到血細胞的精準識別與記數的目的。最后使用MDK5編寫MCU程序并制作工程樣機，通過大量的實驗測試，運用狀態分析法的血細胞分析儀檢測結果高于相應的國家標準。

關鍵詞：STM32;血細胞;血細胞分析儀

血細胞分析儀，是一個已被普遍采用的臨床醫學檢驗器械，實質上是指對一定體積內血細胞總量和異質進行分析的儀器設備[1-3]。其原型是只能對紅細胞（RBC）和白細胞（WBC）進行計數的血細胞計數儀（Cell Counter）。本文使用狀態分析法會根依據血細胞信號的特點，尋找不同信號之間的特殊差異并對其進行進一步的區分。血細胞信號的時域特點主要有脈沖寬度、脈沖高度、脈沖積分等，頻域特點主要包含頻域的能量特點。本文需要解決特征信號快速精準識別的難題。

本文通過對血細胞信號識別技術和狀態分析法的深入研究，提出一種基于單片機的低成本血細胞分類計數算法。提供更加準確、更加快速的血細胞分析方案。通過工程樣機的測試，驗證了該方案的穩定性與可行性，使傳統血細胞分析儀的速度更快、精度更高。

1血細胞識別原理

庫爾特原理的基本內容可以理解為：當一小粒子在經過小孔時，將會形成與其體積大小的對應電流變化，而電流脈沖大小講會和小粒子體積成正比[4-6]。血細胞經過 Coulter 傳感器之后產生了一系列血細胞脈沖信號，如圖1所示

2 血細胞狀態分析法

血細胞信號的實驗圖如圖 2 所示，該電信號采用 YOKOGAWA 公司 DL750 數據記錄儀采集。

從信號的脈沖寬度看，單峰的脈沖寬度在20us，單個細胞與細胞之間間隔時間不定最小時會出現雙峰信號，這給單片機計數帶來了非常大的困難。

本文提出通過狀態分析法來進行血細胞信號的識別。 狀態分析法的思路是根據變化趨勢把血細胞信號分解成若干個不同的狀態。拿一個單峰信號舉例，如圖 3 所示，一個單峰信號有：

S0：信號初始態;

S1：信號上升，未達到峰值;

S2：信號達到峰值;

S3：信號下降，未達到結束;

S4：信號結束點;

以及在這些狀態的過渡狀態：S0-1：S1-2、S2-3、S3-4。

一個雙峰信號可以劃分為圖4的幾種狀態，圖中除了包含了單峰信號所擁有的S0、S1、S2、S3、S4、S0-1、S1-2、S2-3 狀態之外還新加入了：

S5：信號峰谷;

S6：信號上升，第二次未達到峰值;

S7：信號達到第二個峰值;

S8：信號下降，未達到終點;

以及在這些之間的過渡狀態：S3-5、S5-6、S6-7、S7-8、S8-4。

圖 4 當中的寬度 D0 記錄了一個單峰信號的等效寬度，圖 4 中的 D1 記錄了雙峰信號第一峰的一半寬度、 D2 記錄雙峰信號的第二峰的一半寬度。D0、D1、D2的寬度值將用來判斷信號過窄還是過寬，可以來區分干擾信號和正常信號。

血細胞計數算法分成如下幾個狀態：過渡態、峰值判斷狀態、寬度判斷狀態、峰值保持狀態。

1）過渡態：使用信號的斜率來判斷信號當前是處在上升態、下降態或是持平態。

2）峰值判斷狀態：通過幅度來確定電信號是否上升到最大值或者下降到某個小值。

3）寬度判斷狀態：信號的寬度信息可以用來確定信號是否正常，有沒有過寬或過窄的信號。出現過寬或者過窄的信號都將算作干擾信號不對該信號進行統計。

4）峰值保持狀態：識別到一個有效信號后，統計電路對有用信號進行計數，將識別到的有效信號的峰值（對于溜邊信號則是谷值）作為地址對單片機RAM中的變量進行累加。峰值保持模塊就是將信號峰值記錄，傳給統計電路。

3 系統硬件設計

在該血細胞識別系統中，硬件電路包括降壓整流電路、庫爾特傳感器采集電路、小信號放大電路、濾波抬升電路和單片機采集電路等電路。硬件電路系統框圖如圖5所示。

其中，降壓整流電路采用 24 V 直流可調穩壓電源代替。由于血細胞信號過于微小無法直接被單片機采集，故需要對血細胞信號進行放大。

經放大后的電信號中，依舊存在著一系列的干擾信號，由此我們設計了濾波抬升電路，使得前端信號更純粹。

所有的血細胞電信號最終交由MCU微處理器進行算法識別與計數。在本設計中采用3塊STM32F103系列單片機進行血細胞的識別，構成了3核的控制系統。分別針對中性粒細胞（大細胞）、淋巴細胞（小細胞）和其他白細胞（中間細胞）進行識別，通過MCU的ADC外設對各類細胞的電信號進行捕捉，運用狀態分析法對電信號進行解讀，最終完成血細胞識別與計數的過程。

4 樣機實驗測試

血細胞分析儀實機測試如表1所示。

表二為JJG 714-2012 血細胞分析儀檢定規程中的血細胞標準物質技術指標，經過我們的實驗，實驗數據滿足血細胞分析儀國家標準。

5 結論

本文通過采用狀態分析法進行血細胞的識別，設計了一套基于STM32的血細胞識別系統，替換了傳統FPGA識別計數的方案。實驗結果表明，該系統在空白值、重復性和誤差等參數上均能滿足血細胞分析儀的國標JJG 714-2012。針對目前市面上基于單片機的血細胞分析儀識別精度不高、識別速度慢的問題，通過本方案證明了通過狀態分析法進行識別的有效性和可靠性。

參考文獻：

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[2]施金良，李宏.基于FPGA的血細胞分析裝置設計[J].現代科學儀器，2012，2（1）：82-86

[3]施金良.血球儀數字化關鍵技術研究[D].寧波：寧波大學，2011.

[4]Melinda E.Fernyhough，Deri L.Helterline，Janet L.Vi-erck1 et al.Coulter Counter use in the enumeration ofmuscle and fat stem cells[J].Methods in Cell Science 2004，25：221-225.

[5]Zheng Zhanga，Jiang Zhea，Santanu Chandra et al.Anelectronic pollen detection method using Coulter countingprinciple[J].Atmospheric Environment，2005，39：5446-5453.

[6]黃民雙，張春光 .基于 Coulter 原理的微細顆粒探測新方法 [J]，儀器儀表學報，2001，2（5）：483 ～ 485

浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃資助項目（No.2020R424001）

作者簡介：馬圣杰（1999—），男，浙江寧波人，工程師。研究方向：單片機及嵌入式應用。

通訊作者：陳煒鋼（1988—），男，浙江紹興人，講師。研究方向：精密醫療器械技術。