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(tài)分析法對血細胞進行識別，設(shè)計了一套血細胞識別與記數(shù)系統(tǒng)。整套系統(tǒng)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(jīng)過Coulter傳感器產(chǎn)生電信號再經(jīng)放大濾波最終被單片機采集，單片機再根據(jù)狀態(tài)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(shù)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(tài)分析法的血細胞分析儀檢測結(jié)果高于相應的國家標準。

關(guān)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(yī)學檢驗器械，實質(zhì)上是指對一定體積內(nèi)血細胞總量和異質(zhì)進行分析的儀器設(shè)備[1-3]。其原型是只能對紅細胞（RBC）和白細胞（WBC）進行計數(shù)的血細胞計數(shù)儀（Cell Counter）。本文使用狀態(tài)分析法會根依據(jù)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(qū)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(shù)和狀態(tài)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(shù)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(wěn)定性與可行性，使傳統(tǒng)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(nèi)容可以理解為：當一小粒子在經(jīng)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(jīng)過 Coulter 傳感器之后產(chǎn)生了一系列血細胞脈沖信號，如圖1所示

2 血細胞狀態(tài)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(shù)據(jù)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(xiàn)雙峰信號，這給單片機計數(shù)帶來了非常大的困難。

本文提出通過狀態(tài)分析法來進行血細胞信號的識別。 狀態(tài)分析法的思路是根據(jù)變化趨勢把血細胞信號分解成若干個不同的狀態(tài)。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(tài);

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(jié)束;

S4：信號結(jié)束點;

以及在這些狀態(tài)的過渡狀態(tài)：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(tài)，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(tài)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(tài)：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(qū)分干擾信號和正常信號。

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

1）過渡態(tài)：使用信號的斜率來判斷信號當前是處在上升態(tài)、下降態(tài)或是持平態(tài)。

2）峰值判斷狀態(tài)：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(tài)：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(xiàn)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(tǒng)計。

4）峰值保持狀態(tài)：識別到一個有效信號后，統(tǒng)計電路對有用信號進行計數(shù)，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(tǒng)計電路。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在該血細胞識別系統(tǒng)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(tǒng)框圖如圖5所示。

其中，降壓整流電路采用 24 V 直流可調(diào)穩(wěn)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(jīng)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(shè)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(shù)。在本設(shè)計中采用3塊STM32F103系列單片機進行血細胞的識別，構(gòu)成了3核的控制系統(tǒng)。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(shè)對各類細胞的電信號進行捕捉，運用狀態(tài)分析法對電信號進行解讀，最終完成血細胞識別與計數(shù)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(guī)程中的血細胞標準物質(zhì)技術(shù)指標，經(jīng)過我們的實驗，實驗數(shù)據(jù)滿足血細胞分析儀國家標準。

5 結(jié)論

本文通過采用狀態(tài)分析法進行血細胞的識別，設(shè)計了一套基于STM32的血細胞識別系統(tǒng)，替換了傳統(tǒng)FPGA識別計數(shù)的方案。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在空白值、重復性和誤差等參數(shù)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(tài)分析法進行識別的有效性和可靠性。

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浙江省大學生科技創(chuàng)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(yī)療器械技術(shù)。