尿液分析儀的現(xiàn)狀及技術(shù)進(jìn)展

牛國喻，劉 鵬，劉 文，孫志輝

尿液分析儀的現(xiàn)狀及技術(shù)進(jìn)展

牛國喻，劉 鵬，劉 文，孫志輝

介紹了尿液干化學(xué)分析技術(shù)，并對(duì)目前主流的尿液分析儀的結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行了闡述。分析了先進(jìn)尿液分析儀采用的電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）、接觸式圖像傳感器（contact image sensor，CIS）技術(shù)，以及這些技術(shù)對(duì)尿檢測(cè)試項(xiàng)目準(zhǔn)確度帶來的影響。簡要描述了全自動(dòng)尿液分析流水線的概念，最后對(duì)尿液分析儀的發(fā)展前景和需解決的問題進(jìn)行了評(píng)估。

尿液分析儀；CCD；CIS；全自動(dòng)尿液分析流水線

0 引言

近年來，體外診斷設(shè)備發(fā)展迅速，各領(lǐng)域新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新產(chǎn)品日新月異。據(jù)調(diào)查，70%的臨床決策依賴檢驗(yàn)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果，而尿檢作為臨床三大常規(guī)檢查之一，對(duì)泌尿系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、心血管和內(nèi)分泌系統(tǒng)多種疾病的診斷、療效觀察，預(yù)后評(píng)估以及人群健康保健都有重要價(jià)值[1]。又因標(biāo)本易得、留存簡單、檢測(cè)方便、結(jié)果客觀等特點(diǎn)，無論醫(yī)院規(guī)模大小都會(huì)使用尿液分析儀進(jìn)行尿液檢測(cè)，檢測(cè)的項(xiàng)目主要有尿8項(xiàng)～尿14項(xiàng)，臨床和科研人員對(duì)尿液分析儀檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、檢測(cè)速度、防交叉感染等性能參數(shù)高度重視。雖然尿液分析儀生產(chǎn)廠家和品牌眾多，測(cè)試速度、檢測(cè)精度等各有特點(diǎn)，又有半自動(dòng)尿液分析儀和全自動(dòng)尿液分析儀之分，但原理都是依據(jù)尿液干化學(xué)分析技術(shù)。

1 尿液分析儀結(jié)構(gòu)與類型

1.1 尿液分析儀結(jié)構(gòu)

尿液干化學(xué)分析技術(shù)一般認(rèn)為始于20世紀(jì)50年代，其原理是反射光電比色法[2]。常用的尿液分析儀結(jié)構(gòu)包括機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)、分析處理軟件、顯示和打印系統(tǒng)。如圖1所示，當(dāng)浸有尿液樣本的試紙條被放入試紙條架上后，儀器的傳送機(jī)構(gòu)將試紙條傳送至光學(xué)系統(tǒng)的正下方，光源照射試紙條上已產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的各試劑塊后，反射光被光電轉(zhuǎn)換器接收。試紙條中各試劑塊與尿液中相應(yīng)成分進(jìn)行獨(dú)立反應(yīng)而顯示不同顏色，顏色的深淺與尿液中各生化成分濃度成正比。試紙條中還有一個(gè)空白塊，對(duì)尿液顏色及儀器變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償[3]。將檢測(cè)到的各試劑塊反射光的光量值與空白塊的反射光光量值經(jīng)電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送入中央處理器（central processing unit，CPU）計(jì)算出反射率，從而確定尿液中生化成分的含量?？稍陲@示屏中顯示結(jié)果或打印。

圖1 尿干化學(xué)分析儀結(jié)構(gòu)圖

1.2 尿試紙條技術(shù)

早期尿檢采用的檢測(cè)物比較簡陋，如19世紀(jì)法國化學(xué)家Mauraene用羊毛纖維來檢定尿液中有無尿糖[4]，其后費(fèi)格爾發(fā)明了浸入即讀的化學(xué)試紙用于檢測(cè)尿中白蛋白的存在，無需加熱、洗滌、沉淀等步驟，形成了現(xiàn)代意義上的干化學(xué)試紙，又稱作尿試紙或尿試紙條，但其只能檢測(cè)一個(gè)項(xiàng)目。目前常用的多聯(lián)尿試紙條可檢測(cè)的項(xiàng)目有尿膽原、膽紅素、酮體、潛血、蛋白質(zhì)、亞硝酸鹽、白細(xì)胞、萄葡糖、比重、酸堿度、維生素C、微白蛋白、肌酐、尿鈣等，部分產(chǎn)品還能提供尿液顏色檢查和尿液濁度檢查功能[5]。從制造工藝角度來分，尿試紙條又分為單層結(jié)構(gòu)尿試紙條和多層結(jié)構(gòu)尿試紙條。單層結(jié)構(gòu)尿試紙條由試劑墊和塑料條組成。試劑墊含有化學(xué)試劑，用于和尿液中某種被檢成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其生產(chǎn)質(zhì)量影響尿液分析的檢測(cè)精度，一般采用高質(zhì)濾紙經(jīng)特制化學(xué)藥劑浸泡、干燥、裁剪后形成。塑料條主要作用是固定試劑墊。單層多聯(lián)試紙條需將試劑墊按設(shè)計(jì)好的順序和間距粘貼到塑料條上，一條試紙可檢測(cè)多個(gè)項(xiàng)目。多層結(jié)構(gòu)試紙條是目前大多數(shù)廠家采用的尿試紙條，表面用特制尼龍膜覆蓋，中間包含1～3個(gè)試劑墊，每個(gè)試劑墊都負(fù)責(zé)一定的化學(xué)反應(yīng)，包括吸水、中和維生素C干擾等作用，底層為塑料條。

1.3 尿液分析儀類型

1.3.1 半自動(dòng)尿液分析儀

目前有很多廠商生產(chǎn)半自動(dòng)尿液分析儀，其原理簡單、體積小、成本低且開發(fā)周期較短，尿試紙條容易找到替代品，因此占據(jù)國內(nèi)大量用戶市場(chǎng)，典型結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 試紙條傳送帶式半自動(dòng)尿液分析儀

圖3 試紙條傳送帶

半自動(dòng)尿液分析儀結(jié)構(gòu)、界面和操作較簡單，但需逐條進(jìn)樣，手工混勻標(biāo)本，一般沒有自動(dòng)條碼掃描，需手工在尿杯中直接浸入尿試紙條，容易造成某試劑墊區(qū)顏色過深、尿液過多滲出而污染鄰近試劑墊區(qū)，且對(duì)操作者和實(shí)驗(yàn)臺(tái)易造成間接污染[6]。

1.3.2 全自動(dòng)尿液分析儀

全自動(dòng)尿液分析儀一般使用設(shè)計(jì)巧妙的傳送裝置，增添了自動(dòng)輸送樣本、吸樣、點(diǎn)樣、清洗、試紙條進(jìn)給、收集廢條等功能，適合測(cè)定成批標(biāo)本，大型醫(yī)院或體檢單位使用較多。它的優(yōu)勢(shì)在于全自動(dòng)進(jìn)樣、自動(dòng)搖勻標(biāo)本、自動(dòng)掃描試管條碼、減少人工編號(hào)工作、準(zhǔn)確把握點(diǎn)樣量和點(diǎn)樣時(shí)間、不會(huì)污染鄰近試劑墊，對(duì)操作者污染性較小，一般配有質(zhì)控液[7]。圖4為國產(chǎn)URIT-1500型全自動(dòng)尿液分析儀。

2 尿液分析儀新技術(shù)

2.1 CCD光學(xué)系統(tǒng)

電荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）即通常所說的CCD圖像傳感器，是一種新型的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等領(lǐng)域[8]。部分先進(jìn)尿液分析儀采用CCD光學(xué)系統(tǒng)，如西門子Clinitek Status尿液分析儀，其基本原理如圖5所示。CCD采用高性能6個(gè)波長（470、525、565、625、660、845 nm）發(fā)光二極管作為光源同時(shí)照射在尿試紙條上，彩色CCD圖像傳感器可同時(shí)接收來自尿試紙條各試劑塊的反射信號(hào)[9]，并將其分解為紅綠藍(lán)三原色（610、540、460 nm），每三原色中的一種顏色又可分為2 592色素，相當(dāng)于整個(gè)反射光分解為7 776色素，可檢測(cè)尿試紙條顏色的細(xì)微變化，大大地提高了檢測(cè)精度[10]。

圖4 URIT-1500型全自動(dòng)尿液分析儀

圖5 CCD光路系統(tǒng)

CCD光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）具備實(shí)時(shí)掃描光學(xué)信號(hào)的能力，可以捕捉到試紙塊同尿液樣本最佳的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低了尿檢中的假陰性率和假陽性率[11]；（2）減少了光電轉(zhuǎn)化信號(hào)的損失，可準(zhǔn)確界定不同陽性級(jí)別，反映患者治療前后各尿檢項(xiàng)目的變化趨勢(shì)，為臨床治療提供可靠參照；（3）具備同時(shí)掃描整個(gè)尿試紙條的能力，能辨別溶血標(biāo)本色塊與未溶解RBC試劑塊色斑的差異，避免了對(duì)異常尿樣的誤檢測(cè)。

2.2 CIS光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

接觸式圖像傳感器（contact image sensor，CIS）緊貼掃描件表面進(jìn)行接觸式掃描，原廣泛應(yīng)用于掃描儀領(lǐng)域[12]，近年來逐漸應(yīng)用于尿液分析儀光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中。如國產(chǎn)桂林優(yōu)利特公司URIT 560/1600型尿液分析儀即采用該技術(shù)。儀器的檢測(cè)系統(tǒng)由接收管和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）組成，LED發(fā)光管照射尿試紙條的反射光經(jīng)接收管感光后將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)有公知的分析儀器中進(jìn)行分析并輸出分析報(bào)告。接收管結(jié)構(gòu)如圖6所示。

CIS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、光路短、沒有燈管和光學(xué)鏡頭，不像傳統(tǒng)的尿液分析儀一樣會(huì)受到光源和接收器安裝精度的影響，并且此技術(shù)與CCD技術(shù)一樣把尿試紙條當(dāng)作一幅圖像來整體處理，解決了光學(xué)信號(hào)的均勻性問題，同時(shí)也提高了測(cè)試速度；缺點(diǎn)是無法達(dá)到CCD的高色素水平，但隨著CIS技術(shù)的進(jìn)步，其分辨率和顏色位數(shù)越來越高，已逐漸接近CCD傳感器（分辨率達(dá)到了0.125 mm），檢測(cè)精度相應(yīng)大幅提高。

圖6 接收管結(jié)構(gòu)

2.3 全自動(dòng)尿液分析流水線

尿液分析流水線借助計(jì)算機(jī)軟件將尿液分析儀和尿有形成分分析儀聯(lián)合使用[13]，前者自動(dòng)篩選所檢測(cè)的尿液樣本中的“疑似誤診數(shù)據(jù)”，后者對(duì)該數(shù)據(jù)審查確認(rèn)，可以有效規(guī)避醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。目前較先進(jìn)的代表產(chǎn)品有日本Sysmex公司與Arkray公司聯(lián)合推出的全自動(dòng)尿液分析流水線，其中，AX-4030型全自動(dòng)尿液分析儀實(shí)現(xiàn)尿干化學(xué)項(xiàng)目全面準(zhǔn)確的分析，UF-1000i型全自動(dòng)尿有形成分分析儀實(shí)現(xiàn)尿液有形成分準(zhǔn)確的定量分析，這套流水線的核心是其通過尿液分析管理軟件建立一套標(biāo)準(zhǔn)化尿液分析流程，如圖7所示。

圖7 UF-1000i＆AX-4030全自動(dòng)尿液分析流水線

該流水線具有的功能：（1）篩選功能。通過建立專家推薦的數(shù)據(jù)庫對(duì)尿液分析儀及尿有形成分分析儀的檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)判別是否能直接報(bào)告，如果未通過篩選則直接發(fā)送至鏡檢系統(tǒng)進(jìn)行人工鏡檢，最大限度地確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低了人為因素的誤差并減少了煩瑣的操作程序。（2）統(tǒng)計(jì)功能。便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及學(xué)術(shù)研究。（3）數(shù)字化管理功能。易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)院的建設(shè)。

3 前景和問題

隨著光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)逐步應(yīng)用到尿液分析儀中，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷提升，其中最重要的就是增加測(cè)試項(xiàng)目的種類，提高檢測(cè)精度。除本文提到的CCD和CIS技術(shù)外，還有很多儀器采用多波長（一般有3～6個(gè)波長）測(cè)定技術(shù)，針對(duì)每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目設(shè)置特定波長的檢測(cè)光可提升檢測(cè)精度。某些分析儀對(duì)臨床診療所需的尿檢項(xiàng)目逐步細(xì)化，如Bayer公司把微白蛋白的檢測(cè)項(xiàng)目分為高濃度白蛋白、低濃度白蛋白2種小項(xiàng)，用于早期糖尿病和腎病的篩查[14]，而西門子Clinitek Status型尿液分析儀利用CCD技術(shù)能檢測(cè)到熒光信號(hào)，甚至可以開展快速免疫學(xué)測(cè)定項(xiàng)目，如StripA（A族鏈球菌）、H.pylori（幽門螺旋桿菌）、Mononucleosis（單胞菌）、Chlamydia（衣原體）等。采用流水線式的皮帶傳送機(jī)構(gòu)[15]自動(dòng)輸送樣本、采樣、滴樣、清洗、試紙條進(jìn)給、收集廢條和廢液等功能大大提高了尿液分析儀的測(cè)試速度。計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將使尿液分析儀的自動(dòng)化及質(zhì)控水平越來越高，如上文提到的日本Sysmex公司已利用國際互聯(lián)網(wǎng)開展實(shí)時(shí)在線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)控服務(wù)，為用戶隨時(shí)提供室間質(zhì)量評(píng)價(jià)[16]，可以充分保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足臨床檢驗(yàn)對(duì)技術(shù)認(rèn)可的要求。

尿液分析儀本身屬于半定量性質(zhì)的檢測(cè)儀器，既有定量檢測(cè)，又有定性判斷，因此對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制十分重要。國內(nèi)醫(yī)院規(guī)模和資金水平差別較大，使用的尿液分析儀種類繁多，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，尤其是許多非配套尿試紙條大量充斥市場(chǎng)，對(duì)尿檢的結(jié)果造成了不利影響，例如2007年的“茶水尿檢事件”，充分暴露了檢驗(yàn)人員過度依賴尿液分析儀，而干化學(xué)尿液分析儀的質(zhì)量控制存在缺陷的問題。一些小型醫(yī)院使用的尿液分析儀甚至無質(zhì)控液，而較先進(jìn)的尿液分析儀雖然配有質(zhì)控液，但各個(gè)廠家尿試紙條、分析儀靈敏度和定值標(biāo)準(zhǔn)存在差異，使不同醫(yī)院之間尿檢結(jié)果無法互認(rèn)，患者轉(zhuǎn)院時(shí)需重新尿檢，造成了新的醫(yī)療負(fù)擔(dān)和資源浪費(fèi)，因此，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)尿液分析儀的質(zhì)量控制是亟待解決的問題。

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（收稿：2014-11-25 修回：2015-03-10）

（欄目責(zé)任編校：李惠萍）

Status and progress of urinalysis system

NIU Guo-yu1,LIU Peng1,LIU Wen2,SUN Zhi-hui2
（1.The 181st Hospital of the PLA,Guilin 541002,Guangxi Zhuang Autonomous Region,China; 2.Institute for Drug and Instrument Control,General Logistics Department of the PLA,Beijing 100071,China）

The technologies for urine dry chemical analysis were introduced,and the structures and types of the common urinalysis systems were described.CCD and CIS technologies involved in the advanced urinalysis system were analyzed, and the effects of the above technologies were explored on the accuracy for urine detection.The concept of automatic urinalysis flow was discussed,and the prospects and problems of the urinalysis system were pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：105-107，114]

urinalysis system;CCD;CIS;fully automated urinalysis flow

R318.6；TH776

A

1003-8868（2015）11-0105-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.105

牛國喻（1982—），男，主管技師，主要從事臨床醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作，E-mail：niugy@pku.edu.cn。

541002廣西桂林，解放軍181醫(yī)院（牛國喻，劉 鵬）；100071北京，總后勤部藥品儀器檢驗(yàn)所（劉 文，孫志輝）

劉 鵬，E-mail：liupeng2008gl@163.com