尿液分析仪的现状及技术进展

牛国喻，刘 鹏，刘 文，孙志辉

尿液分析仪的现状及技术进展

牛国喻，刘 鹏，刘 文，孙志辉

介绍了尿液干化学分析技术，并对目前主流的尿液分析仪的结构和类型进行了阐述。分析了先进尿液分析仪采用的电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）、接触式图像传感器（contact image sensor，CIS）技术，以及这些技术对尿检测试项目准确度带来的影响。简要描述了全自动尿液分析流水线的概念，最后对尿液分析仪的发展前景和需解决的问题进行了评估。

尿液分析仪；CCD；CIS；全自动尿液分析流水线

0 引言

近年来，体外诊断设备发展迅速，各领域新技术不断涌现，新产品日新月异。据调查，70%的临床决策依赖检验设备的检测结果，而尿检作为临床三大常规检查之一，对泌尿系统、消化系统、心血管和内分泌系统多种疾病的诊断、疗效观察，预后评估以及人群健康保健都有重要价值[1]。又因标本易得、留存简单、检测方便、结果客观等特点，无论医院规模大小都会使用尿液分析仪进行尿液检测，检测的项目主要有尿8项～尿14项，临床和科研人员对尿液分析仪检测结果的准确性、检测速度、防交叉感染等性能参数高度重视。虽然尿液分析仪生产厂家和品牌众多，测试速度、检测精度等各有特点，又有半自动尿液分析仪和全自动尿液分析仪之分，但原理都是依据尿液干化学分析技术。

1 尿液分析仪结构与类型

1.1 尿液分析仪结构

尿液干化学分析技术一般认为始于20世纪50年代，其原理是反射光电比色法[2]。常用的尿液分析仪结构包括机械系统、光学系统、电路控制系统、分析处理软件、显示和打印系统。如图1所示，当浸有尿液样本的试纸条被放入试纸条架上后，仪器的传送机构将试纸条传送至光学系统的正下方，光源照射试纸条上已产生化学反应的各试剂块后，反射光被光电转换器接收。试纸条中各试剂块与尿液中相应成分进行独立反应而显示不同颜色，颜色的深浅与尿液中各生化成分浓度成正比。试纸条中还有一个空白块，对尿液颜色及仪器变化产生的误差进行补偿[3]。将检测到的各试剂块反射光的光量值与空白块的反射光光量值经电路系统转变为数字信号，送入中央处理器（central processing unit，CPU）计算出反射率，从而确定尿液中生化成分的含量。可在显示屏中显示结果或打印。

图1 尿干化学分析仪结构图

1.2 尿试纸条技术

早期尿检采用的检测物比较简陋，如19世纪法国化学家Mauraene用羊毛纤维来检定尿液中有无尿糖[4]，其后费格尔发明了浸入即读的化学试纸用于检测尿中白蛋白的存在，无需加热、洗涤、沉淀等步骤，形成了现代意义上的干化学试纸，又称作尿试纸或尿试纸条，但其只能检测一个项目。目前常用的多联尿试纸条可检测的项目有尿胆原、胆红素、酮体、潜血、蛋白质、亚硝酸盐、白细胞、萄葡糖、比重、酸碱度、维生素C、微白蛋白、肌酐、尿钙等，部分产品还能提供尿液颜色检查和尿液浊度检查功能[5]。从制造工艺角度来分，尿试纸条又分为单层结构尿试纸条和多层结构尿试纸条。单层结构尿试纸条由试剂垫和塑料条组成。试剂垫含有化学试剂，用于和尿液中某种被检成分发生化学反应，其生产质量影响尿液分析的检测精度，一般采用高质滤纸经特制化学药剂浸泡、干燥、裁剪后形成。塑料条主要作用是固定试剂垫。单层多联试纸条需将试剂垫按设计好的顺序和间距粘贴到塑料条上，一条试纸可检测多个项目。多层结构试纸条是目前大多数厂家采用的尿试纸条，表面用特制尼龙膜覆盖，中间包含1～3个试剂垫，每个试剂垫都负责一定的化学反应，包括吸水、中和维生素C干扰等作用，底层为塑料条。

1.3 尿液分析仪类型

1.3.1 半自动尿液分析仪

目前有很多厂商生产半自动尿液分析仪，其原理简单、体积小、成本低且开发周期较短，尿试纸条容易找到替代品，因此占据国内大量用户市场，典型结构如图2、3所示。

图2 试纸条传送带式半自动尿液分析仪

图3 试纸条传送带

半自动尿液分析仪结构、界面和操作较简单，但需逐条进样，手工混匀标本，一般没有自动条码扫描，需手工在尿杯中直接浸入尿试纸条，容易造成某试剂垫区颜色过深、尿液过多渗出而污染邻近试剂垫区，且对操作者和实验台易造成间接污染[6]。

1.3.2 全自动尿液分析仪

全自动尿液分析仪一般使用设计巧妙的传送装置，增添了自动输送样本、吸样、点样、清洗、试纸条进给、收集废条等功能，适合测定成批标本，大型医院或体检单位使用较多。它的优势在于全自动进样、自动摇匀标本、自动扫描试管条码、减少人工编号工作、准确把握点样量和点样时间、不会污染邻近试剂垫，对操作者污染性较小，一般配有质控液[7]。图4为国产URIT-1500型全自动尿液分析仪。

2 尿液分析仪新技术

2.1 CCD光学系统

电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）即通常所说的CCD图像传感器，是一种新型的半导体器件，广泛应用于数码相机、摄像机等领域[8]。部分先进尿液分析仪采用CCD光学系统，如西门子Clinitek Status尿液分析仪，其基本原理如图5所示。CCD采用高性能6个波长（470、525、565、625、660、845 nm）发光二极管作为光源同时照射在尿试纸条上，彩色CCD图像传感器可同时接收来自尿试纸条各试剂块的反射信号[9]，并将其分解为红绿蓝三原色（610、540、460 nm），每三原色中的一种颜色又可分为2 592色素，相当于整个反射光分解为7 776色素，可检测尿试纸条颜色的细微变化，大大地提高了检测精度[10]。

图4 URIT-1500型全自动尿液分析仪

图5 CCD光路系统

CCD光学系统的特点：（1）具备实时扫描光学信号的能力，可以捕捉到试纸块同尿液样本最佳的化学反应时间，进一步保证了检测结果的准确性，降低了尿检中的假阴性率和假阳性率[11]；（2）减少了光电转化信号的损失，可准确界定不同阳性级别，反映患者治疗前后各尿检项目的变化趋势，为临床治疗提供可靠参照；（3）具备同时扫描整个尿试纸条的能力，能辨别溶血标本色块与未溶解RBC试剂块色斑的差异，避免了对异常尿样的误检测。

2.2 CIS光学检测技术

接触式图像传感器（contact image sensor，CIS）紧贴扫描件表面进行接触式扫描，原广泛应用于扫描仪领域[12]，近年来逐渐应用于尿液分析仪光学检测系统中。如国产桂林优利特公司URIT 560/1600型尿液分析仪即采用该技术。仪器的检测系统由接收管和发光二极管（light emitting diode，LED）组成，LED发光管照射尿试纸条的反射光经接收管感光后将光信号转变为电信号，经AD转换电路将电信号转变为数字信号传输到现有公知的分析仪器中进行分析并输出分析报告。接收管结构如图6所示。

CIS技术的优点在于体积小、光路短、没有灯管和光学镜头，不像传统的尿液分析仪一样会受到光源和接收器安装精度的影响，并且此技术与CCD技术一样把尿试纸条当作一幅图像来整体处理，解决了光学信号的均匀性问题，同时也提高了测试速度；缺点是无法达到CCD的高色素水平，但随着CIS技术的进步，其分辨率和颜色位数越来越高，已逐渐接近CCD传感器（分辨率达到了0.125 mm），检测精度相应大幅提高。

图6 接收管结构

2.3 全自动尿液分析流水线

尿液分析流水线借助计算机软件将尿液分析仪和尿有形成分分析仪联合使用[13]，前者自动筛选所检测的尿液样本中的“疑似误诊数据”，后者对该数据审查确认，可以有效规避医疗风险。目前较先进的代表产品有日本Sysmex公司与Arkray公司联合推出的全自动尿液分析流水线，其中，AX-4030型全自动尿液分析仪实现尿干化学项目全面准确的分析，UF-1000i型全自动尿有形成分分析仪实现尿液有形成分准确的定量分析，这套流水线的核心是其通过尿液分析管理软件建立一套标准化尿液分析流程，如图7所示。

图7 UF-1000i＆AX-4030全自动尿液分析流水线

该流水线具有的功能：（1）筛选功能。通过建立专家推荐的数据库对尿液分析仪及尿有形成分分析仪的检测结果自动判别是否能直接报告，如果未通过筛选则直接发送至镜检系统进行人工镜检，最大限度地确保检测结果的准确性，降低了人为因素的误差并减少了烦琐的操作程序。（2）统计功能。便于数据统计及学术研究。（3）数字化管理功能。易于实现数字化医院的建设。

3 前景和问题

随着光学、电子和计算机技术的不断发展，越来越多的新技术逐步应用到尿液分析仪中，各项技术指标不断提升，其中最重要的就是增加测试项目的种类，提高检测精度。除本文提到的CCD和CIS技术外，还有很多仪器采用多波长（一般有3～6个波长）测定技术，针对每个检测项目设置特定波长的检测光可提升检测精度。某些分析仪对临床诊疗所需的尿检项目逐步细化，如Bayer公司把微白蛋白的检测项目分为高浓度白蛋白、低浓度白蛋白2种小项，用于早期糖尿病和肾病的筛查[14]，而西门子Clinitek Status型尿液分析仪利用CCD技术能检测到荧光信号，甚至可以开展快速免疫学测定项目，如StripA（A族链球菌）、H.pylori（幽门螺旋杆菌）、Mononucleosis（单胞菌）、Chlamydia（衣原体）等。采用流水线式的皮带传送机构[15]自动输送样本、采样、滴样、清洗、试纸条进给、收集废条和废液等功能大大提高了尿液分析仪的测试速度。计算机互联网技术的应用将使尿液分析仪的自动化及质控水平越来越高，如上文提到的日本Sysmex公司已利用国际互联网开展实时在线网络质控服务，为用户随时提供室间质量评价[16]，可以充分保证结果的准确性，满足临床检验对技术认可的要求。

尿液分析仪本身属于半定量性质的检测仪器，既有定量检测，又有定性判断，因此对其进行质量控制十分重要。国内医院规模和资金水平差别较大，使用的尿液分析仪种类繁多，产品质量参差不齐，尤其是许多非配套尿试纸条大量充斥市场，对尿检的结果造成了不利影响，例如2007年的“茶水尿检事件”，充分暴露了检验人员过度依赖尿液分析仪，而干化学尿液分析仪的质量控制存在缺陷的问题。一些小型医院使用的尿液分析仪甚至无质控液，而较先进的尿液分析仪虽然配有质控液，但各个厂家尿试纸条、分析仪灵敏度和定值标准存在差异，使不同医院之间尿检结果无法互认，患者转院时需重新尿检，造成了新的医疗负担和资源浪费，因此，进一步加强对尿液分析仪的质量控制是亟待解决的问题。

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（收稿：2014-11-25 修回：2015-03-10）

（栏目责任编校：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

牛国喻（1982—），男，主管技师，主要从事临床医学工程方面的研究工作，E-mail：niugy@pku.edu.cn。

541002广西桂林，解放军181医院（牛国喻，刘 鹏）；100071北京，总后勤部药品仪器检验所（刘 文，孙志辉）

刘 鹏，E-mail：liupeng2008gl@163.com