máy xét nghiệm nước tiểu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG



BÀI BÁO CÁO

MÁY XÉT NGHIỆM NƯỚC TIỂU

GVHD: ThS. Lê Cao Đăng

SVTH:
1.
2.
3.
4.
5.

Nguyễn Vũ Hoàng Trạch
Nguyễn Trần Duy Tín
Nguyễn Đăng Khoa
Trần Hữu Trí
Nguyễn Công Tuấn


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

MỤC LỤC

2013

Trang

I.

Tổng quang về xét nghiệm nƣớc tiểu
I.1. Giới thiệu về xét nghiệm nƣớc tiểu ............................................................... 3
I.2. Các thông số xét nghiệm nƣớc tiểu và ý nghĩa trong chẩn đoán................... 3

II.

Máy xét nghiệm nƣớc tiểu
II.1.Sơ đồ khối ..................................................................................................... 4
II.1.1 Khối nguồn ........................................................................................ 5
II.1.2 Khối hệ thống điều khiển và vi xử lý
II.1.2.1 Thông số PIC18F4550 ......................................................... 6
II.1.2.2 Sơ đồ chân MCU PIC18F4550 ............................................. 7
II.1.3 Khối hệ thống quang học
II.1.3.1 Hệ thống đo phản xạ ............................................................. 8
II.1.3.2 Linh kiện thu quang .............................................................. 8
II.1.4 Khối hệ thống hiển thị và động cơ
II.1.4.1 Khối cảm biến ....................................................................... 12
II.1.4.2 Động cơ bƣớc ........................................................................ 13
II.1.4.3 Khối điều khiển động cơ ...................................................... 13
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 14

III.

2|Page


KU10VLY

I.

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

TỔNG QUAN VỀ XÉT NGHIỆM NƢỚC TIỂU

I.1. Giới Thiệu Về Xét Nghiệm Nƣớc Tiểu
Xét nghiệm nƣớc tiểu đã trở thành một trong những xét nghiệm không thể thiếu trong
nhiều chẩn đoán lâm sàn đặc biệt là các bệnh về hệ bài tiết gan thận. Nƣớc tiểu là một sản
phẩm của cơ thể bài tiết những chất độc hại với cơ thể đƣợc lọc ra từ máu, trong khi đó máu
lại đi khắp nơi để nuôi cơ thể. Chính vì vậy nƣớc tiểu, bản chất mang trong nó nhiều thông
tin về tình trạng sức khỏe. Nên xét nghiệm nƣớc tiểu giúp ích rất nhiều trong việc chẩn đoán
lâm sàn, theo dõi và điều trị của bác sĩ.
I.2. Các Thông Số Xét Nghiệm Nƣớc Tiểu Và Ý Nghĩa Trong Chẩn Đoán
Nƣớc tiểu là dịch bài xuất quan trọng nhất, nó chứa phần lớn các chất cặn bã của cơ thể.
Những thay đổi về các chỉ số hóa lý và nhất là thay đổi thành phần hóa học sẽ phản ánh
những rối loạn chuyển hóa của cơ thể. Máy phân tích nƣớc tiểu sử dụng que thử 10 hoặc 11
thông số có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, có độ nhạy cao và độ đặc hiệu cao, đƣợc sử dụng
để xác định định tính tỷ trọng nƣớc tiểu, protein, đƣờng niệu, nitrite, bạch cầu, máu, cetonic
bilirubine…Việc xác định các thong số này dựa trên nguyên tắc quang phổ kế khúc xạ, máy
có khả năng lƣu trữ 500 kết quả, màn hình hiển thị tinh thể lỏng, sử dụng công nghệ sensor
cảm biến màu.
Dƣới đây là một số thông số quang trọng :

a. Màu sắc của nƣớc tiểu
Màu sắc của nƣớc tiểu có màu từ vàng nhạt đến màu hổ phách tỳ thuộc vào lƣợng nƣớc tiểu
bài xuất và độ đâm nƣớc tiểu. Trong một số trƣờng hợp bệnh lý, nƣớc tiểu có thể có các chất
làm cho màu sắc thay đổi: bệnh lý gan, chảy máu đƣờng tiết niệu…
b. Tỷ trọng nƣớc tiểu
Tỷ trọng nƣớc tiểu thay đổi trong ngày. Nƣớc tiểu 24 giờ ở ngƣời bình thƣờng, ngƣời lớn,
chế độ ăn hỗn hợp, đo ở điều kiện nhiệt độ 150C, tỷ trọng từ 1,005-1,030, trung bình là
1,080 ±0,22. Trong một số trƣờng hợp bệnh lý nhƣ đái đƣờng tuỵ, tỷ trọng nƣớc tiểu có thể
tăng 1,030-1,040, nhƣng trong đái tháo nhạt thì tỷ trọng lại giảm.
c. pH nƣớc tiểu
Giấy trên thanh thử chứa các chất chỉ thị: đỏ methyl, phenolphtalein và xanh bromthymol.
Giá trị pH thƣờng thấy ở những ngƣời khoẻ mạnh nằm ở khoảng 5-6, trung bình 5,8. Độ
acide của nƣớc tiểu là do sự có mặt acide tự do (acid acetic, acid uric, phosphate acide và
một lƣợng quan trọng những hợp chất acid dƣới dạng muối amoni. Quá trình này gắn liền với
vai trò của thận trong sự duy trì năng lƣợng acide base.
d. Glucose
Xét nghiệm đƣờng niệu để tằm soát tiểu đƣờng, hình thành chuẩn đoán tiểu đƣờng và theo
dõi mức độ kiểm soát đƣờng huyết. Nồng độ đƣờng máu cao mà không bị bệnh tiểu đƣờng
3|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

xảy ra ở một số bệnh lý ảnh hƣởng đến khả năng tái hấp thu của ống thận nhƣ rối loạn chức
năng tuyến giáp, tổn thƣơng hệ thần kinh trung ƣơng.
e. Bilirubin (Bil):

Dựa trên nguyên tắc của kết hợp bilirubin với muối diazonium sẽ cho màu đỏ. Ngay cả nƣớc
tiểu cho phản ứng màu hồng nhạt nhất cũng là phản ứng dƣơng tính, nghĩa là có tình trạng
bệnh lý. Các thành phần khác của nƣớc tiểu chỉ cho màu vàng với thuốc thử này.
f. Nitrite
Giá trị bình thƣờng: không có vi khuẩn
Xét nghiệm này là một phƣơng pháp nhanh gián tiếp để phát hiện ra vi trùng trong đƣờng
niệu. Nhiễm trùng tiểu có thể xảy ra ở bệnh nhân không có triệu chứng. Những vi khuẩn
gram âm chứa enzim chuyển nitrat trong nƣớc tiểu thành nitric.

g. Keton niệu
Sự hiện diện quá nhiều keton trong nƣớc tiểu kết hợp với tiểu đƣờng hoặc biến đổi quá trình
chuyển hóa cacbonhydrat một vài chế độ thức ăn làm lƣợng cacbonhydrat thấp và giàu lƣợng
mỡ và protein có thể tạo ra keton trong nƣớc tiểu. Xét nghiệm keton niệu ở bệnh nhân tiểu
đƣờng có thể cung cấp chẩn đoán sớm của hôn mê nhiễm keton acid do tiểu đƣờng.
MÁY XÉT NGHIỆM NƢỚC TIỂU

II.

II.1 Sơ Đồ Khối Của Máy Nƣớc Tiểu

KHỐI NGUỒN

HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN VÀ VI XỬ
LÝ

KHỐI HIỂN THỊ
VÀ ĐỘNG CƠ

4|Page

HỆ THỐNG
QUANG HỌC


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

II.1.1 Khối Nguồn
Trong phần này nhóm chia làm 3 phần để cấp cho 3 khối khác một cách độc lập.
II.1.1.1 Khối nguồn 5V cung cấp cho hệ thống điều khiển và cảm biến màu
Mạch này dùng IC 7805 và các tụ 2200uF có tác dụng làm phẳng điện áp đầu vào và đẩu ra
khỏi IC. Mạch nguồn này đáp ứng đƣợc nguồn ra từ 4.85V-5.1V
II.1.1.2 Khối Nguồn Cung Cấp Cho Led
Ánh sáng của Led phát ra phải ổn định vì nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc ủ và
phản chiếu anh sáng lên IC TCS3200, ảnh hƣởng đến kết quả xuất ra của máy.
Độ chính xác của tín hiệu phụ thuộc vào cƣờng độ phát sáng của Led phát ra trong quá
trình làm việc của máy. Với nguồn AC cấp vào sau khi qua IC 7812 thì điện áp ra là 12V DC
Khi tín hiệu vào làm role hoạt động, lúc này 12V sẽ vào IC LM 317T (có tác dụng làm ổn
định dòng), Áp ra sau IC LM 317T là 9.9V
(tính theo công thức: V0=1.25x(1+R2/R1) +IADJxR2)

Thông thƣờng giá trị của IADJ dƣới 100uA. Suy ra V0 xấp xỉ bằng 1.25x(1+R2/R1)
Ta thay đổi cƣờng độ sáng của các Led bằng cách thay đổi giá trị của biến trở trên mạch
II.1.1.3 Khối nguồn cung cấp cho động cơ LM 2576-ADJ
Dùng LM 2576-ADJ là một IC thuộc họ IC 2576. Nó có thể tạo điện áp ngõ ra từ 1.23V
đến 37V. Điện áp cung cấp cho động cơ khoảng 8V-10V (hoạt động ổn định). Có thể thay

đổi điện áp ngõ ra bằng cách thay đổi biến trở trong mạch.
Trong mạch có sử dụng thêm cuộn dây có tác dụng nhƣ là tích trữ năng lƣợng khi có
dòng điện đi qua nó (để tránh dòng điện tắt mở liên tục)

5|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

II.1.2 KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ VI XỬ LÝ
Trong thiết bị này với các yêu cầu về tốc độ xử lí, phần cứng hỗ trợ nhƣ IO,ADC,…Dòng
PIC18F4550 có cấu hình đủ mạnh để thực hiện các yêu cầu trên và đƣợc chọn làm MCU chính
trong thiết bị
II.1.2.1 Thông Số PIC18F4550
 CPU sử dụng tập lệnh RICS có tốc độ xử lí cao tiêu hao ít điện năng.
 Tập lệnh có 75 lệnh.
 Tầm hoạt động điện áp từ 2V - 5,5V.
 Chế độ sleep tiết kiệm điện năng.
 Tần số dao động tối đa cho phép lên đến 40MHz với bộ nhân tần số PLL, cho phép chọn
lựa chế độ dao động (ngoại hoặc nội). Hỗ trợ dao động nội nhiều bậc từ 31 KHz đến
8MHz.
 Dòng vào / ra lớn 25mA/25mA.
 Trang bị 5 Port bao gồm Port A, B, C, D, E với 33 chân IO.
 Trang bị 4 bộ định thời: 1 bộ 8 bit và 3 bộ 16 bit.
 Trang bị 2 module Capture/compare/ PWM.
 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit với 13 input.

 Hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C và SPI ở 2 chế độ Master và Slave.
 Hỗ trợ giao tiếp chuẩn RS-485, RS-232 và LIN/J2602.
 Bộ nhớ Program Memory Plash lớn 32Kbytes có khả năng ghi xóa 100.000 lần.
 Bộ nhớ Data Memory (SRam) lên đến 2048bytes.
 Các kiểu đóng gói: PDIP 40 chân, TQFN VA QFN 44 chân.

6|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

II.1.2.2 Sơ Đồ Chân MCU PIC18F4550:
PORT A
 Đây là port I/O từ RA0 đến RA7 , trong đó RA0 đến RẠ hỗ trợ 5 ngõ vào ADC từ AN0
đến AN4.
 RA2 và RA3 còn là đầu vào điện áp so sánh chuẩn VREF cho bộ ADC.
 RA4 có chức năng ngõ vào clock ngoại cho Timer0.
 RA6 và RA7 là ngõ I/O của bộ dao động ngoài.
PORT B
 Là port I/O từ RB0 đến RB7 hỗ trợ điện trở kéo lên bằng phần mềm.
 Hỗ trợ ngõ vào ADC AN8 đến AN12.
 RB6 và RB7 đồng thời là PGC và PGD là ngõ vào data và xung clock lập trình , riêng
RB5 giữ chức năng PGM nạp PIC với chế độ điện áp thấp
 RB0 đến RB2 hỗ trợ 3 ngắt ngoài INT0 đến INT2.
 RB4 đến BR7 hỗ trợ 4 ngắt thay đổi trạng thái chân RB.
 RB3 còn là CCP2 chính. CCP2 phụ đƣợc thiết kế trên chân RC1.

 RB0, RB1 đồng thời cũng là các ngõ SCK, SCL, SDI, SDA hỗi trợ giao tiếp I2C.
PORT C
 Đây là PORT I/O từ RC0 đến RC7. (không có chân RC3).
 Chân RC1 và RC2 hỗ trợ chức năng CCP1 và ngõ ra phụ CCP2.
 RC5 đồng thời cũng là ngõ vào ra TX/RX cảu chuẩn giao tiếp USART.
PORT D
 Đây là PORT I/O từ RD0 đến RD7.
 Từ RD0 đến RD7 đồng thời là ngõ data chức năng parallet PSP0 đến PSP7.
PORT E
 Có 3 chân I/O từ RE0 đến RE2
 Chân RE0 đến RE2 đồng thời là ngõ vào ADC từ AN5 đến AN7
Các chân 12, 31 chân VSS đƣợc nối với GND , chân 11,32 là 2 chân cấp nguồn cho MCU
đƣợc nối với 5V.
Các chân ngắt RB4, RB6 để làm nút Star và Stop
Các chân ngắt RB5, RB7 để làm cờ của 2 sensor quang

7|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

II.1.3 Khối Hệ Thống Quang Học
II.1.3.1 Hệ thống đo phản xạ
- Gồm nguồn sáng và linh kiện thu quang.
- Khối hộp cách ly: Toàn bộ hệ thống phản xạ đƣợc đặt trong một khối hộp màu đen
(200*85*55), chất liệu là nhựa cách điện PVE để tránh nhiễu từ môi trƣờng.

- Nguồn sáng trắng:
Dùng 3 Led trắng phát đồng thời có miền phổ nhƣ sau:

Phổ ánh sáng trắng dùng 3 Led trắng phát đồng thời
Ƣu điểm: Dễ thiết kế mạch, cƣờng độ phát của những Led này tƣơng đồng nhau.
Khuyết điểm: Phổ ánh sáng không trải dài mà tập trung nhiều trong khoảng bƣớc sóng
xanh lam, xanh lá. Nhƣng thực tế thu tín hiệu cho thấy khả quan, nên sử dụng Led trắng 3mm để
làm nguồn phát sáng.
II.1.3.2 Linh kiện thu quang:
IC cảm biến màu TCS3200.
Sơ đồ chân.

Chức năng TCS3200: chuyển cƣờng độ ánh sáng thành tần số.
Trên bề mặt thu của TCS3200 có 8x8 dãy Photodiode, 16 Photodiode có bộ lọc màu blue
chỉ thu trong miền ánh sáng blue, 16 Photodiode có bộ lọc màu green chỉ thu trong miền
8|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

ánh sáng green, 16 bộ lọc red chỉ thu ánh sáng trong miền ánh sáng red và 16 Photodiode
không lọc. Kích thƣớc của Photodiode là 120µm x 120µm
Tần số thu đƣợc: Không lọc + lọc Red+ lọc Blue+ lọc green.
Sơ đồ khối TCS3200:

Chức năng các chân:

Các chân điều khiển:

9|Page


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

Điều kiện hoạt động:

Đặc tính hoạt động: VDD=5V, TA= 250C.

Quan hệ giữa độ nhạy và bƣớc sóng:

-

10 | P a g e

Cách bố trí các linh kiện phát và thu.
Toàn bộ hệ thống quang học đƣợc bố trí trong một buồng tối là một khối hình hộp chữ
nhật với kích thƣớc (200*85*55), đảm bảo cách ly nhiễu với ánh sáng từ bên ngoài,
đảm bảo cho việc bố trí que đỡ nƣớc tiểu đo đƣợc 13 thông số và đặt các cảm biến vị
trí.


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

3 led trắng mắc nối tiếp và đặt lệch nhau một gó 1200 và ở giữa là TCS3200. Các Led
đƣợc điều chỉnh góc chiếu theo cách tính hình học trong hình chóp đều đáy tam giác.

Sơ đồ bố trí 3 Led trắng và TCS3200
Với AH là độ cao tính từ cảm biến TCS3200 đến mẫu, còn các cạnh BC, CD, BD là
khoảng cách bố trí giữa các Led trên mạch điện. Phƣơng của các cạnh AB, AD, AC là
phƣơng chiếu của 3 led với cạnh đáy đã có. Từ đó tính đƣợc góc đặt thích hợp để tập
hợp ánh sáng của 3 led lại tạo nên cƣờng độ ánh sáng phù hợp để chiếu vào mẫu.
Ngoài ra các led trắng 3mm đƣợc bọc ngoài bằng vật liệu cách điện màu đen để chống
tán xạ.
Với cách bố trí trên nguồn sáng đã hội tụ trên mẫu của que xét nghiệm và ánh sáng
phản xạ đƣợc TCS3200 ghi nhận lại và chuyển về vị trí điều khiển xử lý.

Sơ đồ Layout bố trí 3 led

11 | P a g e


KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

Hình ảnh khối mắt đọc thực tế

Trên hình ta thấy IC đọc màu TCS3200 đã đƣợc bọc bằng một lớp vỏ đen với một lỗ duy
nhất cho ánh sáng đi qua đúng bằng diện tích nhận ánh sáng trên TCS3200 có nhiệm vụ
chắn bớt những tia tán xạ và chỉ nhận ánh sáng truyền thẳng phản xạ từ mẫu.
II.1.4 Khối Hệ Thống Hiển Thị Và Động Cơ
-

-

Bộ cơ truyền động gồm có:
Bộ phận đỡ que thử nƣớc tiểu đƣợc di chuyển qua mắt đọc nhờ vào cơ cấu trƣợt trên
thanh vít me, thanh vít me đƣợc truyền động nhờ vào bánh rang ăn khớp với bánh rang
trên động cơ bƣớc với tỉ số 3:1. Thanh đỡ que thử nƣớc tiểu trong máy dung ứng với que
thử 12 thông số của hang Human.
Hai khối cảm biến quang đƣợc sử dụng để xác định vị trí và giới hạn quảng đƣờng di
chuyển của bộ phận đỡ que thử nƣớc tiểu
Động cơ bƣớc sử dụng thay cho động cơ DC thuần túy bởi những ƣu điểm nổi trội trong
việc điều khiển chính xác
II.1.4.1 Khối Cảm Biến
Khối có chức năng nhận biết vị trí của que thử để bắt đầu hoạt động
Cấu tạo của khối gồm 2 con sensor:
-

1 con có chức năng để cho biết vị trí bắt đầu chạy test-crip
1 con có chức năng stop khi cho máy dừng hoạt động
Khi đặt que thử vào bộ phận đỡ que thử nƣớc tiểu, con test-crip sẽ hoạt động,đƣa tín
hiệu về khối xử lý,khối xử lý sẽ hoạt động và cấp điện thế vào motor.
Khi motor quay đến giới hạn thì con sensor stop hoạt động, đƣa tín hiệu về vi xử lý để
động cơ dừng hoạt động.

12 | P a g e

KU10VLY

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

II.1.4.2 Động Cơ Bƣớc
Động cơ bƣớc là một thiết bị cơ điện chuyển đổu các xung điện thành những chuyển
động rời rạc. Trục của động cơ bƣớc quay rời rạc khi các xung điện điều khiển đƣợc áp
đến nó theo một trình tự hợp lí. Tốc động quay của động cơ phụ thuộc vào tần số xung,
chiều dài xung phụ thuộc vào số lƣợng xung áp vào. Chiều quay của động cơ phụ thuộc
vào trình tự xung áp vào.
Động cơ mà máy đang sử dụng là động cơ có số hiệu NPM FT35T-48L4
II.1.4.3 Khối Điều Khiển Động Cơ
Bộ phận dung để điều khiển động cơ là IC L297.Nguyên lý hoạt động của L297 thực
chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các
phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải
trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuỗi xung điều khiển tùy theo tín
hiệu ở chân HALF/FULL.Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là bình thƣờng, sóng và chế độ
nửa bƣớc.Hai ngõ ra cấm thƣờng đƣợc nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng
ngƣợc cuộn dây. Khi dung L297 điều khiển động cơ lƣỡng cực, hai tín hiệu này tác động
lên phase điều khiển.
Chân control để điều chỉnh giữa hai chế độ copper.khi chopper trên các phase, phase
không tích cực đƣợc tích cực.
Mạch dao động nội trong chip kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop
FF1 và FF2.Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm
ứng dòng bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ
xung dao động tiếp theo.Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây đƣợc đặt thông qua điện áp ở chân

VREF.

13 | P a g e


KU10VLY

III.

14 | P a g e

Máy xét nghiệm nước tiểu

2013

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Hồ Khởi, Đỗ Văn Nghĩa (2013) Thiết kế chế tạo mô hình máy xét nghiệm
nước tiểu. Luận văn tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa TP. HCM
2. Bayer Corporation, The CLINITEK 100 Urine Chemistry Analyzer operation
manual