基于RGB 顏色傳感器的皮膚膽固醇檢測系統設計*

史占東，鄧國慶，2，董美麗，侯華毅，朱 靈，2，劉 勇，2

(1.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，安徽省生物醫學光學儀器工程技術研究中心，安徽 合肥230031;2.皖江新興產業技術發展中心，安徽 銅陵244000)

0 引 言

醫學研究發現，通過皮膚膽固醇的含量可以預測動脈粥樣硬化類疾?。?］，并且比傳統的血檢法準確性更高［2］?！叭畏ā保?］通過向皮膚滴加能與膽固醇發生顯色反應的檢測試劑和指示劑，根據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現，精度高，但結構復雜，不易集成;光電積分法通過濾色片將顏色分為三原色來實現，結構簡單，易集成。目前基于光電積分式的顏色測量傳感器發展成熟，其中以AMS 公司的TCS3200 應用［6～9］最為廣泛，集成了A/D 轉換電路，直接輸出脈沖信號易于檢測，測量精度滿足要求。

本文設計了一種基于RGB 顏色傳感器的皮膚膽固醇檢測系統，實驗結果表明:該系統可以鑒別“三滴法”實驗中不同濃度的試劑，進而實現皮膚膽固醇含量的無創檢測。

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結果的物質;檢測池用來滴加檢測試劑和顯色劑，對皮膚膽固醇含量進行檢測。檢測時采用白光LED 作為光源，斜入射至檢測池中心，檢測池的散射光經凸透鏡收集匯聚，用TCS3200 進行接收，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 檢測系統硬件設計

檢測系統主要由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現人機交互功能，TF 卡用于測量結果的存儲。TCS3200 和光源是實現系統功能的兩個最重要的部分。

圖2 系統結構框圖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、藍及無色地濾光片，通過分時地選通各個通道實現RGB值的測量。同時TCS3200 內部具有壓/頻轉換器，輸出脈沖信號，有利于減小外部干擾。STM32F103VET6 具有4 個外部脈沖計數器，使用計數器1 對TCS3200 輸出的脈沖信號計數，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 靈敏度的調節;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，光強發生了改變，并且3 個中心波長處變化幅度也各不相同，因此，保持LED 恒流供電至關重要。這里采用TL431A 基準電壓芯片實現恒流供電，原理圖如圖5 所示。

圖5 恒流驅動電路圖Fig 5 Constant current drive circuit diagram

TL431A 參考端的電壓2.5V，在忽略Q1 導通電阻，電源和LED 內阻的情況下，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，實際工作時調節VR1將輸出電流調至20 mA。最后結合TCS3200 對白板進行了測量，結果如表1 所示，其中TCS3200 各個顏色通道開啟時間均為30 ms。結果顯示:三個通道脈沖個數測量值的標準偏差均在1.5 以內，光源穩定性較好。

表1 光源穩定性測試數據Tab 1 Data of light source stability test

3 檢測系統軟件設計

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

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 各通道光譜響應靈敏度的差異，實際測量值會有所改變，因此，需要對TCS3200 進行白平衡校正。白平衡校正的方法為:先測量標準白板，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的比例因子，再對待測物體進行測量得到R1，G1，B1，最后由R1，G1，B1乘以相應的比例因子得到各個通道校正后的數值R，G，B。

3.2 顏色空間轉換

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，S 為飽和度，V 為亮度，由于V 與色彩信息無關，而H 和S 同人感知顏色的方式密切相關，易于色彩的運算與處理。測量發現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 實驗與結果分析

“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，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。從上述檢測過程發現，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律進行探索，如圖7所示。

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

“三滴法”實驗發現，當檢測試劑的含量為0.002 μg 時即可區分不同健康狀況的人群，因此，設計實驗如下:預先配制好濃度為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 后對檢測池內溶液顏色進行測量并記錄。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值。

表2 等梯度濃度檢測試劑測試數據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 值之間的關系如圖8 所示，從圖中可以發現隨試劑濃度升高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，相關系數達到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 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行了研究，并設計了相應的檢測系統，總結發現“三滴法”檢測得到的反應試劑的S 值與對應的檢測試劑的濃度值呈線性關系，即與皮膚膽固醇含量呈線性關系，將此規律及其相應的擬合結果推廣并應用到實際的無創皮膚膽固醇檢測中，有利于動脈粥樣類疾病的預防與早期治療。

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