本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種降鈣素原濃度定量測(cè)量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

膠體金免疫層析技術(shù)(GICA，Colloidal Gold Immunochromatography Assay)是一種廣泛應(yīng)用于疾病檢測(cè)和食品檢疫的生物檢測(cè)分析技術(shù)，具有速度快、成本低和操作簡單的優(yōu)點(diǎn)。它借助毛細(xì)作用，讓待測(cè)物與試紙條纖維膜上的配體結(jié)合，通過酶促顯色反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)可得到直觀的顯色結(jié)果。

降鈣素原濃度大小作為全身細(xì)菌性感染診斷和鑒別的重要指標(biāo)，在臨床上具有非常實(shí)用的價(jià)值。國內(nèi)外基于光電檢測(cè)機(jī)理提出了一些膠體金試紙條顯色分析測(cè)量方案，根據(jù)光信號(hào)的接收方式不同，主要分為以下三種：光敏電阻檢測(cè)方案、反射光纖傳感器檢測(cè)方案、圖像傳感器檢測(cè)方案。

但國內(nèi)目前大多數(shù)停留在人眼進(jìn)行比色判斷的定性或者半定量檢測(cè)的狀態(tài)，而且由于光敏電阻檢測(cè)的靈敏度不夠高、反射光纖傳感器對(duì)硬件設(shè)備要求較高，用圖像傳感器來進(jìn)行檢測(cè)也存在顏色測(cè)量誤差較大的問題，所以一定程度上限制了其推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于膠體金顯色試紙條的降鈣素原濃度定量測(cè)量方法，利用膠體金試紙條的圖像顏色特征可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)待測(cè)物濃度的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種降鈣素原濃度定量測(cè)量方法，包括：

基于與標(biāo)準(zhǔn)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，建立顏色特征量化模型；

基于與待測(cè)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，利用所述顏色特征量化模型，實(shí)現(xiàn)待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量。

優(yōu)選地，所述顏色特征為RGB值。

優(yōu)選地，顏色特征量化模型的構(gòu)建包括：

基于NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡的顏色特征，在XYZ顏色空間建立顏色量化模型；

基于與已知濃度降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，利用所述顏色量化模型，分別建立顏色特征量X、Y、Z與濃度值的數(shù)學(xué)模型。

優(yōu)選地，使用多項(xiàng)式回歸法、查找表法、和/或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建顏色特征量化模型。

更優(yōu)選地，使用多項(xiàng)式回歸法構(gòu)建顏色特征量化模型。

優(yōu)選地，使用顏色均勻的顯色區(qū)域來代表整個(gè)與所述已知濃度降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顯色區(qū)域，提取相應(yīng)的顏色特征。

優(yōu)選地，還包括：

對(duì)膠體金顯色試紙的顏色特征進(jìn)行均值濾波和/或利用改進(jìn)的鏡面法進(jìn)行白平衡處理。

優(yōu)選地，顏色特征的采集工具為CMOS，即在XYZ顏色空間建立CMOS顏色量化模型。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種降鈣素原濃度定量測(cè)量系統(tǒng)，包括：

顏色特征采集模塊，用于采集與降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征；

顏色特征量化模塊，用于建立顏色特征量化模型，根據(jù)所述顏色采集模塊采集的顏色特征，實(shí)現(xiàn)待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量。

優(yōu)選地，所述顏色特征采集模塊包括采集與標(biāo)準(zhǔn)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征、與待測(cè)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征和NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡的顏色特征。

優(yōu)選地，顏色特征采集模塊包括光源和拍攝裝置。

其中，拍攝裝置為CMOS。

優(yōu)選地，顏色特征量化模塊包括數(shù)據(jù)處理器。

所述數(shù)據(jù)處理器用于建立顏色量化模型以及待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量。

其中，數(shù)據(jù)處理器優(yōu)選為樹莓派。

優(yōu)選地，系統(tǒng)還包括指令輸入模塊和/或顯示模塊；

其中，指令輸入模塊包括測(cè)量開始指令模塊、測(cè)量終止指令模塊和/或測(cè)量暫停指令模塊；

顯示模塊用于顯示測(cè)量結(jié)果。

本發(fā)明的測(cè)量方法和系統(tǒng)利用膠體金試紙條的圖像顏色特征快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量，具有以下有益效果：

(1)本申請(qǐng)根據(jù)朗伯—比爾定律，基于顏色特征量的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)降鈣素原濃度的定量測(cè)量，相比于目前的光敏電阻測(cè)量方法和反射光纖測(cè)量方法，具有成本較低、快速簡單的優(yōu)點(diǎn)，為應(yīng)用廣泛的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)提供了有效的手段；

(2)在本申請(qǐng)的方法和系統(tǒng)中使用XYZ顏色特征量，并采集標(biāo)準(zhǔn)色卡的顏色特征，并在RGB和XYZ空間中對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行顏色特性化校正，保證了較好的色彩還原性；

(3)在本申請(qǐng)的方法和系統(tǒng)中對(duì)顯色圖像進(jìn)行合理的白平衡處理，遍歷整個(gè)顯色區(qū)域，選取具有合理灰度值的像素區(qū)域來與濃度建模，減小了膠體金試紙安裝和顯色過程帶來的誤差。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的降鈣素原濃度定量測(cè)量方法的總體流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的降鈣素原濃度定量測(cè)量方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的方法測(cè)量流程圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的降鈣素原濃度定量測(cè)量系統(tǒng)的總體構(gòu)成圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的降鈣素原濃度定量測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的降鈣素原濃度定量測(cè)量方法，如圖1所示，包括：基于與標(biāo)準(zhǔn)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，建立顏色特征量化模型；基于與待測(cè)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，利用所述顏色特征量化模型，實(shí)現(xiàn)待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量。

其中，顏色特征優(yōu)選為RGB值。

為了解決顏色管理差異，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，顏色特征量化模型的構(gòu)建包括：

基于NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡的顏色特征，在XYZ顏色空間建立顏色量化模型，實(shí)現(xiàn)顏色特性化校正，解決了不同顏色設(shè)備之間的顏色管理差異；

基于與已知濃度降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征，利用所述XYZ顏色量化模型，分別建立顏色特征量X、Y、Z與濃度值的數(shù)學(xué)模型。

在本發(fā)明中，通常使用圖像傳感器在XYZ顏色空間上建立顏色量化模型。

其中，顏色特征優(yōu)選為RGB。

在本領(lǐng)域中，通常選用多項(xiàng)式回歸法、查找表法、和/或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法來構(gòu)建顏色特征量化模型，實(shí)現(xiàn)顏色特征的量化。

為了保證圖像的色彩還原性，進(jìn)一步提高精度，且使整個(gè)方法簡單易行，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用多項(xiàng)式回歸法來構(gòu)建顏色特征量化模型。

其中，NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際精度需求和檢測(cè)復(fù)雜程度而定。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以使用其它模型方程來構(gòu)建顏色特征量化模型。

在一個(gè)實(shí)施例中，為了能更好地滿足測(cè)量精度，模型方程為：

X＝x₁R+x₂G+x₃B

Y＝x₄R+x₅G+x₆B

Z＝x₇R+x₈G+x₉B

以X值為例，以4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色卡顏色為例詳述發(fā)明，可以得到以下方程組：

利用最小二乘法編程可以解出3個(gè)系數(shù)。

為了進(jìn)一步提高待測(cè)降鈣素原濃度的精確度，在一個(gè)實(shí)施例中，選用顏色均勻的區(qū)域來代表整個(gè)與所述已知濃度降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顯色區(qū)域，提取相應(yīng)的顏色特征。

在具體的實(shí)施例中，使用一個(gè)固定大小的矩形框遍歷顯色區(qū)域，找到矩形框內(nèi)對(duì)應(yīng)位置RGB具有代表性的一個(gè)區(qū)域代表整個(gè)顯色區(qū)域的顏色特征，在該實(shí)施例中，框內(nèi)顯色區(qū)域顏色更均勻，RGB值能更準(zhǔn)確地反映顯色區(qū)域的顏色特征，所得到的濃度值更精確。

為了能更加方便的選擇顯色區(qū)域，優(yōu)選對(duì)顯色區(qū)域進(jìn)行分割。

為了減小膠體金試紙安裝和顯色過程帶來的誤差，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)所有膠體金顯色試紙的顏色特征進(jìn)行均值濾波和/或利用鏡面法進(jìn)行白平衡處理。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該部分的具體步驟為針對(duì)膠體金試紙條顯色后顏色的不均勻性進(jìn)行均值濾波，然后利用改進(jìn)的鏡面法進(jìn)行白平衡處理，再分割顯色區(qū)域。

其中，在本領(lǐng)域常規(guī)鏡面法的基礎(chǔ)上，為了得到更加均勻的顯色區(qū)域，在優(yōu)選實(shí)施例中還需要根據(jù)圖像灰度值大小，用閾值判斷所選鏡面區(qū)域的RGB值是否為整個(gè)膠體金試紙最小的一部分像素點(diǎn)。

以一幅大小為N*M的圖像的具體處理過程為例：

對(duì)拍攝的顯色試紙條照片進(jìn)行均值濾波，公式為

其中，S是(x,y)點(diǎn)的8連通鄰域，M取8。

圖像鏡面區(qū)域選擇(YCbCr空間進(jìn)行)：

還需要根據(jù)圖像灰度值大小，用閾值判斷所選鏡面區(qū)域的RGB值是否為整個(gè)膠體金試紙最小的一部分像素點(diǎn)。

對(duì)顯色區(qū)域每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在保證測(cè)量精度要求的情況下，通過測(cè)量已知濃度的色卡進(jìn)行多次試驗(yàn)找到閾值。

色溫估計(jì)：

步驟304、校正：

其中(ρ₁,ρ₂,ρ₃)^T和(ρ₁',ρ₂',ρ₃')^T分別表示校正后的理想圖片和實(shí)際光源下的圖片。

最后，根據(jù)圖像大小和顯色區(qū)域大小、位置分割顯色區(qū)域。

為了更好的采集顏色特征，本發(fā)明選用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器和/或成像器件CCD采集工具。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為了能簡潔有效的調(diào)整參數(shù)，使得到的數(shù)據(jù)更便于處理，本實(shí)施例中選用CMOS。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，為了更好的構(gòu)建顏色特征量化模型，方法中還包括：根據(jù)膠體金的顯色特征調(diào)整拍攝設(shè)備中的白平衡值等光學(xué)參數(shù)并保持不變。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，為了使測(cè)量值更加可靠，利用所述顏色特征量化模型，分別建立顏色特征量X、Y、Z與濃度值的數(shù)學(xué)模型，將與待測(cè)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征代入模型中，得到三個(gè)降鈣素原濃度值，最后取平均值便可得到一個(gè)可靠的測(cè)量值。

在本發(fā)明的定量測(cè)量方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖2所示，最優(yōu)選的步驟為：

步驟一、根據(jù)膠體金的顯色特性調(diào)整CMOS圖像傳感器的白平衡值、曝光值等光學(xué)參數(shù)并保持不變。

步驟二、對(duì)4個(gè)NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡拍照，獲取相應(yīng)測(cè)量位置的RGB值，利用多項(xiàng)式回歸法對(duì)CMOS建立從RGB空間到XYZ空間的數(shù)學(xué)模型，完成CMOS傳感器的顏色特性化校正，解決不同顏色設(shè)備之間的顏色管理差異。

該步驟的具體過程為：

步驟201、用CMOS對(duì)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行測(cè)量，獲取試紙條顯色位置對(duì)應(yīng)區(qū)域的RGB值；

步驟202、用多項(xiàng)式回歸法建立標(biāo)準(zhǔn)XYZ值與測(cè)量RGB值之間的模型，模型方程為：

X＝x₁R+x₂G+x₃B

Y＝x₄R+x₅G+x₆B

Z＝x₇R+x₈G+x₉B

步驟203、以X值為例，根據(jù)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色卡顏色可以得到以下矛盾方程組：

利用最小二乘法可以解出3個(gè)系數(shù)。

步驟三、把待測(cè)物插入測(cè)量儀器，利用CMOS對(duì)顯色后的降鈣素原膠體金試紙條進(jìn)行拍照，針對(duì)膠體金試紙條顯色后顏色的不均勻性進(jìn)行均值濾波。

步驟四、利用鏡面法對(duì)拍攝的試紙條進(jìn)行白平衡校正，然后分割顯色區(qū)域。

該步驟的具體過程為：

步驟401、圖像鏡面區(qū)域選擇(YCbCr空間進(jìn)行)：

還需要根據(jù)圖像灰度值大小，用閾值判斷所選鏡面區(qū)域的RGB值是否為整個(gè)膠體金試紙最小的一部分像素點(diǎn)。

步驟402、色溫估計(jì)：

步驟403、校正：

其中(ρ₁,ρ₂,ρ₃)^T和(ρ₁',ρ₂',ρ₃')^T分別表示校正后的理想圖片和實(shí)際光源下的圖片。

步驟404、根據(jù)圖像大小和顯色區(qū)域大小、位置分割顯色區(qū)域。

步驟五、用一個(gè)固定大小的矩形框循環(huán)遍歷分割出來的顯色區(qū)域，找到一個(gè)合適的RGB平均值來代表整個(gè)顯色區(qū)域的顏色特征；

步驟六、根據(jù)RGB空間與XYZ空間的數(shù)學(xué)模型算出膠體金試紙條顯色區(qū)域的XYZ值；

步驟七、對(duì)已知濃度的樣本進(jìn)行拍照測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行上述處理后，分別建立圖像顏色特征量X、Y、Z值與樣本濃度值的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型可得到三個(gè)降鈣素原濃度值，最后取平均值便可得到一個(gè)可靠的測(cè)量值。

在本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種降鈣素原濃度定量測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)包括顏色特征采集模塊，用于采集與降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征；顏色特征量化模塊，用于建立顏色特征量化模型，實(shí)現(xiàn)待測(cè)降鈣素原濃度的定量測(cè)量。

在另一個(gè)實(shí)施例中，所述顏色特征采集模塊包括采集與標(biāo)準(zhǔn)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征、與待測(cè)降鈣素原復(fù)合后的膠體金顯色試紙的顏色特征和NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡的顏色特征。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，顏色特征采集模塊包括光源和拍攝裝置。

其中，本發(fā)明所使用的拍攝裝置均可以對(duì)拍攝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

其中，拍攝裝置為CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器和/或成像器件CCD。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，優(yōu)選為CMOS。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，光源為發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)、穩(wěn)定性好且抗干擾能力強(qiáng)的暖白色LED燈。

為了提高光照的均勻性，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)LED光源的場角分布選擇一種標(biāo)準(zhǔn)照明觀察條件進(jìn)行安裝。

為了減少雜散光和反射帶來的影響，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中所選用的拍照測(cè)量盒子密閉且用啞光材料處理。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，顏色特征量化模塊包括數(shù)據(jù)處理器。

所述數(shù)據(jù)處理器用于使用多項(xiàng)式回歸法、查找表法、和/或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法實(shí)現(xiàn)建立顏色量化模型以及濃度的定量測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，選用微型處理器，通常選用樹莓派數(shù)據(jù)計(jì)算控制模塊，用于顏色特征的采集與顏色量化模型的建立。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，照明光源還可以通過加濾光片濾除LED燈光譜中較多的藍(lán)光成分，產(chǎn)生更加均勻的白光。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括指令輸入模塊和/或顯示模塊。

其中，指令輸入模塊包括測(cè)量開始指令模塊、測(cè)量終止指令模塊和/或測(cè)量暫停指令模塊。顯示模塊用于顯示測(cè)量結(jié)果。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，樹莓派中還包括一個(gè)用于控制顯示模塊的功能模塊。

其中，顯示屏優(yōu)選為液晶屏觸摸顯示模塊。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)還包括人機(jī)交互部分，人機(jī)交互部分響應(yīng)用戶按鍵輸入的命令，操作儀器進(jìn)行檢測(cè)，并把檢測(cè)結(jié)構(gòu)通過LCD顯示、打印機(jī)打印、SD卡存儲(chǔ)三種方式輸出給用戶。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖4所示，所述系統(tǒng)包括樹莓派數(shù)據(jù)處理模塊、光源、CMOS、液晶顯示模塊。其中樹莓派數(shù)據(jù)處理模塊控制光源、CMOS、以及液晶屏顯示模塊按上述方法對(duì)色卡/試紙條進(jìn)行檢測(cè)。選取合適的光源照明，將CMOS相機(jī)的參數(shù)設(shè)置好后，首先對(duì)已知XYZ值的NCS標(biāo)準(zhǔn)色卡拍照，保證色彩測(cè)量的準(zhǔn)確性。然后獲取相應(yīng)位置的RGB值，利用多項(xiàng)式回歸法建立從RGB空間到XYZ空間的模型來對(duì)CMOS進(jìn)行顏色特性化校正，解決不同設(shè)備間顏色管理的差異。再對(duì)顯色后的已知濃度的降鈣素原膠體金試紙條進(jìn)行拍照，經(jīng)過相關(guān)圖像處理(濾波、白平衡處理)后選擇顯色區(qū)域內(nèi)灰度值具有代表性的一部分像素點(diǎn)，建立圖像的顏色特征量與樣本濃度值之間的數(shù)學(xué)模型。最后，對(duì)顯色的降鈣素原膠體金試紙條進(jìn)行拍照，即可實(shí)現(xiàn)降鈣素原濃度測(cè)量

多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該膠體金試紙條顯色方法及系統(tǒng)的精度可達(dá)93.8％，重復(fù)測(cè)量誤差小于1.5％，有效測(cè)量范圍為0.1-35ng/mL。

可見，本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種基于膠體金顯色試紙條的降鈣素原濃度定量測(cè)量方法，根據(jù)朗伯－比爾定律，對(duì)不同顏色的試紙條拍照，基于微處理器如樹莓派，根據(jù)顏色特征量的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)降鈣素原濃度的定量測(cè)量?？梢詾楫?dāng)前產(chǎn)品種類繁多、技術(shù)指標(biāo)不一的膠體金試紙顯色分析市場提供一種可靠有效的定量檢測(cè)設(shè)備。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對(duì)于實(shí)施例公開的裝置而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對(duì)應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。