CN103293112A

CN103293112A - 一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及其方法

Info

Publication number: CN103293112A
Application number: CN2013101636804A
Authority: CN
Inventors: 李德玉; 王典; 汪待发; 樊瑜波; 蒲放
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Huichuang Keyi (Beijing) Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: CN103293112B

Abstract

本发明公开了一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及其方法，属于生物与医药技术领域。所述方法首先将待检测试剂条与待检测血清反应，准备进行检测；然后开启光源电路预热，使光源发出稳定的白光线；调整彩色探测器的光强和曝光时间；再采集待检测试剂条的彩色图片，并对采集的待检测试剂条的彩色图片进行处理。最后得到相应的免疫过敏原反应等级。所述的装置包括光源电路、彩色探测器、光强检测装置、平移机械臂和孵育台。本发明简单快速，准确有效，减少了由于光源不均匀带来的误差，提高了定量检测过敏原的检测水平的准确度和定量检测过敏原的自动化程度，缩短了检测时间。

Description

一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及其方法

技术领域

本发明属于生物与医药技术领域，涉及一种体外过敏原定量检测装置及其方法，具体涉及一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及其方法。

背景技术

随着过敏性疾病在全球范围内的发病率持续增高，病情愈发复杂，检测和发现过敏原，并采取有效措施与之隔离，对于防治过敏性疾病有着十分重大的意义。目前过敏原的检测方法主要有体内检测和体外检测两大类。体内检测的实验费用高，而且受个体差异影响很大，在检测过程中，也有可能引起严重的过敏反应。体外检测安全可靠，并且对于患有严重皮肤疾病，对过敏原极度敏感，或者不能停用干扰皮肤试验药物的患者也可以适用。体外过敏原检测有很好的应用前景，由最初的定性检测，半定量检测，发展为现在的定量检测的阶段。定量检测方法具有自动化，检测速度快，结果准确等优点，现在已经成为体外过敏原检测的发展方向。体外过敏原的检测主要是IgE（immunoglobulin E，免疫球蛋白E）的检测。过敏体质个体的血清中存在着针对不同抗原的特异性IgE。

酶联免疫吸附试验（ELISA）是目前应用的最多的体外过敏原检测方法之一。ELISA试剂条的表面包被有单一的过敏原、过敏原混合物或单克隆抗体，患者血清中的特异性IgE与它们结合，发生反应，形成免疫复合物沉淀下来。其后加入的酶和底物，使得最终反应后的试剂条会呈现深浅程度不同的颜色。通过检测试剂条的颜色深浅变化可得到过敏程度的定量结果。

市场上现有的体外过敏原诊断系统有瑞典法玛西亚公司的UniCAP和ImmunoCAP过敏原检测系统，其检测原理是过敏原共价结合于CAP的纤维素固相载体上，与患者血清样品中的特异性IgE抗体反应；然后基于世界卫生组织的IgE参考品绘制标准曲线，由荧光强度推算出样品中的IgE浓度。还有基于免疫印迹技术的德国Mediwiss敏筛半定量过敏原检测系统。目前成熟的过敏原检测系统大多数为定性检测，不能进行定量检测；且成本高，不利于广泛应用。

发明内容

针对基于酶联免疫吸附技术（ELISA）制作的过敏原试剂条，本发明提供一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及其方法。

本发明提出的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置，该检测装置包括光源电路、彩色探测器、光强检测装置、平移机械臂和孵育台。所述孵育台上设置有透明塑料槽，透明塑料槽上设置有凹槽，待检测试剂条置于所述凹槽内；所述平移机械臂上设置彩色探测器、光源电路和光强检测装置。所述光源电路包括两个球状LED白光源，所述彩色探测器和光强检测装置位于两个白光源连线的垂直平分线上，且与光源处于同一平面。平移机械臂通过串口数据线连接到运动控制器，通过计算机控制运动控制器带动平移机械臂移动，从而带动白光源移动，保证白光源垂直照射每个待检测试剂条。

本发明提出的基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一，将待检测试剂条放置在透明塑料槽的凹槽内，与凹槽内的待检测血清反应，然后烘干，准备进行检测；

步骤二，开启光源电路预热，使光源发出稳定的白光线；调整彩色探测器的光强和曝光时间。

步骤三，采集待检测试剂条的彩色图片；

步骤四，对采集的待检测试剂条的彩色图片进行处理。所述的图片处理具体为：

首先将图像旋转摆正；然后对待检测试剂条进行分割，依次获取待检测试剂条上每个过敏原反应模块的G通道分量和B通道分量，计算特征值T=G-a*B的数值；a为特征值系数；然后，利用光强检测装置校准特征值。最后通过校准特征值与IgE的标准曲线，得到待检测试剂条的IgE浓度，进而得到相应的免疫过敏原反应等级。

步骤五，结束：关闭电源和收集处理待检测试剂条，准备进行下一次检测。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明提出的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及方法，利用彩色探测器采集待检测试剂条的图片，通过获取其G通道与B通道分量的数值，计算其特征值。简单快速，准确有效，提高了定量检测过敏原的检测水平的准确度。

(2)本发明提出的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及方法，利用校准曲线修正特征值，减少了由于光源不均匀带来的误差，提高了定量检测过敏原的检测水平的准确度。

(3)本发明提出的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置及方法，利用图像自动分割的算法，提高了定量检测过敏原的自动化程度，缩短了检测时间。

附图说明

图1是本发明的体外过敏原定量检测装置的结构示意图。

图2是本发明的体外过敏原定量检测装置的光源电路、彩色探测器、光强检测装置以及平移机械臂的位置关系结构示意图。

图3是本发明的体外过敏原定量检测装置的一部分，透明塑料槽示意图，用于放置过敏原检测试剂条。

图4是本发明的体外过敏原定量检测装置的透明塑料槽中的一个凹槽放入待检测试剂条后的示意图。

图5是本发明的体外过敏原定量检测装置的透明塑料槽中的一个凹槽放入待检测试剂条后，试剂条未摆正的示意图。

图6是本发明的体外过敏原定量检测装置所采用的图像处理方法，计算待检测试剂条每个过敏原反应模块的平均光强的结果示意图。

图7是本发明的体外过敏原定量检测装置的待检测的过敏原试剂条的一个待检测的过敏原反应模块。

图8是本发明的体外过敏原定量检测装置生成的标准曲线示例。

图9是本发明提供的体外过敏原定量检测方法流程图。

图中：

1.平移机械臂；2.彩色探测器；3.光源电路；4.透明塑料槽；5.孵育台；6.光强检测装置；7.待检测试剂条；401.凹槽；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明中所采用的体外过敏原定量检测系统是通过彩色探测器检测以酶联免疫吸附法为基础制备的ELISA过敏原试剂条（即待检测试剂条）。拍摄待检测试剂条的彩色图片，首先自动分割出待检测的过敏原反应模块，获取G通道和B通道分量来计算待检测的过敏原反应模块的特征值。然后，通过过敏原反应模块的特征值与IgE标准曲线来得到过敏原的定量检测结果。由此，在定量检测结果准确的前提下，降低了定量检测系统的成本，并且实现了自动化检测，节约了人力。

本发明提供了一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置，如图1所示，包括平移机械臂1、彩色探测器2、光源电路3、孵育台5和光强检测装置6。

所述孵育台5上设置有透明塑料槽4，用于放置待检测试剂条7。

所述平移机械臂1位于所述孵育台5的正上方，在平移机械臂1的下表面上设置有彩色探测器2、光源电路3和光强检测装置6。

图2中展示了平移机械臂1、彩色探测器2、光源电路3和光强检测装置6的相对位置关系。平移机械臂1一方面起到带动彩色探测器2、光源电路3和光强检测装置6移动的作用，另一方面起到电路支撑装置的作用，固定和支撑光源电路3、彩色探测器2和光强检测装置6。所述光源电路3包括两个球状LED白光源，负责提供检测时所需要的白光，所述白光源通过电线与恒流电源相连，其发出的白光照射在孵育台5上的透明塑料槽4中的待检测试剂条7上，恒流电源为两个球状LED白光源提供恒定的电流。光强检测装置6可以实时的监测待检测试剂条7上的光强的变化，为待检测试剂条7的定量检测结果提供校正。

所述彩色探测器2和光强检测装置6位于两个球状LED白光源垂直平分线上，并且所述的白光源与彩色探测器2位于同一个平面内，集成为一体。

图3为透明塑料槽4的俯视图。透明塑料槽4中可以有H个具有一定深度的小凹槽401，用以放置待检测试剂条7。放置待检测试剂条7时，以S端为起点，P端为终点，所有的待检测试剂条7同向放置。所述凹槽401平行设置，凹槽401的长度和宽度分别略大于待检测试剂条7的长度和宽度。

采用上述的体外过敏原定量检测装置进行待检测试剂条检测时，待检测试剂条7放入透明塑料槽4的小凹槽401内，如图4所示，在所述小凹槽401内加入待检测的血清，待检测试剂条7与待检测的血清在凹槽401内反应完成后，经过烘干，准备进行检测。首先平移机械臂1带动彩色探测器2、光源电路3和光强检测装置6的移动，调整光源电路3使白光照到孵育台5上的透明塑料槽4中的待检测试剂条7；然后彩色探测器2捕获待检测试剂条7的反射光线，生成彩色图片。

如图4所示，待检测试剂条7在检测时，需要放入透明塑料槽4中的小凹槽401中。但因为透明塑料槽4的每个小凹槽401的长度和宽度都略大于待检测试剂条7，所以，在放置待检测试剂条7的时候，待检测试剂条7难免会出现倾斜的状况，如图5所示，影响后续的自动图像分割的准确度。所以在自动分割待检测试剂条图像之前，需要调整待检测试剂条7的位置。然后再自动分割每个过敏原反应模块，提取每个过敏原反应模块的各自中心反应区域的特征值T。通过光强检测装置6校准特征值T，校准后，特征值为T’。最后通过标准曲线将特征值T’对应的IgE浓度找出来，再通过IgE浓度与过敏反应等级对应表，确定被试者对于该过敏原的过敏等级。

设待检测试剂条7的长边为X方向，短边为Y方向。处理待检测试剂条图像的时候，首先计算待检测试剂条7的X方向平均光强，所得到的曲线大致如图6所示。C点和D点是待检测试剂条的平均光强曲线上，突变最大的两个点，分别对应图5上的A点和B点，A点和B点分别为位于试剂条X方向上的过敏原反应模块的起点和终点。提取A点和B点的坐标，（X_A,Y_A）和（X_B,Y_B）。计算待检测试剂条7相对于凹槽401的倾斜的角度：

θ＝arctan（Y_A-Y_B）/（X_A-X_B）

其中，（X_A,Y_A）和（X_B,Y_B）分别是A点和B点的横纵坐标值。利用图像旋转算法，将待检测试剂条7的图像旋转θ角度，将图像摆正。摆正后，虽然各个过敏原反应模块（一般待检测试剂条由十二个过敏原反应模块组成，分别对应不同的过敏原检测）之间是紧密衔接的，但是，每个过敏原反应模块的大小是固定的，为N*M。建议N=20，M=18。其中N为过敏原反应模块X方向的大小，M为过敏原反应模块Y方向的大小。所以每个过敏原反应模块的起点，如图7所示，起点O的坐标为(X_B’+（i-1）*N,Y_B’)。其中，X_B’和Y_B’分别为旋转后的B点的坐标，i为过敏原反应模块的序数，i=1,2,…,12。相应的过敏原反应模块的中心区的坐标(X_B’+（i-1）*N-N/2,Y_B’-M/2)。中心区域为n*n大小的正方形区域，建议n=11。

提取相应每个过敏原反应模块的G通道和B通道的数值，计算其特征值T，T=G-a*B，a为特征值系数。然后，对特征值T进行校准得到校准后的特征值T’，在标准曲线上，找出特征值T’所对应的IgE的浓度。再根据，IgE浓度与过敏反应等级对应表，得出过敏反应的等级。

在进行第一次过敏原检测时，对光强进行检测，记录为P，得到校准系数k为k=1；后续每次在进行过敏原检测时，对光强进行检测，记录为P’，得到校准系数k为k=P/P’，则校准后的特征值T’为：T’=kT。

本发明提出的基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，如图9所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一：放置待检测试剂条7到透明塑料槽4的凹槽401内，在所述凹槽401内加入待检测的血清，待检测试剂条7与待检测的血清在凹槽401内反应完成后，经过烘干，准备进行检测。

步骤二：初始化实验装置。

该步骤的主要作用是将实验需要的各个部件初始化。

(1)开启光源电路3和彩色探测器2。使得两个球状LED白光源预热5-10分钟。预热后，球状LED白光源发出稳定的白光线。此时，调整平移机械臂1，从球状LED白光源发出的白光照射到放置在孵育台5上的透明塑料槽4中的待检测试剂条7上。

(2)调整彩色探测器2的曝光时间，使其符合待检测试剂条7的需要,即在实际检测的过程中，最大光强的灰度值不超过255，曝光时间范围为1/50秒～1/30秒。

步骤三：获取体外待检测试剂条彩色图片。

(1)通过计算机控制平移机械臂1移动彩色探测器2到待检测试剂条7的正上方位置，拍摄彩色图片，将图片存在指定路径。

(2)移动彩色探测器2到下一个待检测试剂条7的位置，拍摄彩色图片并存储，如此循环，直至所有的待检测试剂条7都被拍摄了彩色图片。

步骤四：处理图片数据。

在步骤三中拍摄的图片按照指定的路径存储在计算机的相应文件夹中。通过图像处理程序对其进行处理，得到相应的IgE浓度并得到过敏原反应的等级结果。所述的图片的颜色都是由R（红色），G（绿色），B（蓝色）三个颜色通道分量按照不同的比例叠加而来的，通过图像处理程序对图片进行处理具体为：

(1)利用图像旋转算法，将图像旋转θ角度，将图像摆正。

(2)提取相应待检测试剂条7上每个过敏原反应模块的G通道和B通道的数值，计算其特征值T，T=G-a*B，a为特征值系数，取值范围为0～1。一般取为a=0.85。

(3)根据光强检测装置6的检测光强值，对特征值T进行校准，得到校准后的特征值T’=k*T。

所述的校准系数k具体为：

光强检测装置6实时监测光强的变化。检测过敏原时，光强检测装置6实时反馈检测中待检测试剂条7的光强，第一次检测时，记录系统中的光强值为P，其后每次进行待检测试剂条7检测时，记录光强值为P’；令校准系数k=P/P’。第一次检测时的校准系数k=1。

(4)利用标准曲线来找出过敏原反应模块的校准后的特征值T’所对应的IgE浓度。

所述的校准曲线通过如下方式得到：

将已知IgE浓度的过敏原反应模块依次移动到固定位置，提取其G通道和B通道的数值，计算特征值T₀=G-a*B。根据各特征值T₀对应的浓度，分段拟合生成标准曲线。a为特征值系数，取值范围为0～1。建议a=0.85。生成的标准曲线如图8所示。

步骤五：结束。

当对体外待检测试剂条检测完毕时，关闭彩色探测器2和光源电路3，将检测过的待检测试剂条从透明塑料槽4中撤下，收集处理。

Claims

1.一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

步骤一，将待检测试剂条与待检测的血清反应，反应完成后，经过烘干，准备进行检测；

步骤二，光源电路预热，调整彩色探测器的光强和曝光时间；

步骤三，采集待检测试剂条的彩色图片；

步骤四，对采集的待检测试剂条的彩色图片进行处理；

步骤五，结束：关闭电源和收集处理待检测试剂条。

2.根据权利要求1所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于，步骤四中所述的彩色图片处理具体为：

首先将图像摆正；然后对待检测试剂条进行分割，依次获取待检测试剂条上每个过敏原反应模块的G通道分量和B通道分量，计算特征值T=G-a*B的数值，a为特征值系数；再利用光强检测装置校准所述特征值得到校准特征值T’；最后通过校准特征值T’与IgE的标准曲线，得到待检测试剂条的IgE浓度，进而得到相应的免疫过敏原反应等级。

3.根据权利要求2所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于：所述的图像摆正具体为，设待检测试剂条的长边为X方向，短边为Y方向，提取待检测试剂条上A点和B点的坐标，分别为（X_A,Y_A）和（X_B,Y_B），计算待检测试剂条相对于凹槽的倾斜的角度θ：

θ＝arctan（Y_A-Y_B）/（X_A-X_B）

利用图像旋转算法，将待检测试剂条的图像旋转θ角度，将图像摆正。

4.根据权利要求2所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于：所述的校准特征值T’=kT，其中，k为校准系数，T为原始计算得到的特征值；所述的校准系数k=P/P’，光强检测装置实时反馈检测中的光强，第一次检测时，记录光强值为P，校准系数k=1；其后每次进行检测时，记录光强值为P’。

5.根据权利要求2所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于：所述的标准曲线通过如下方式得到：

将已知IgE浓度的过敏原反应模块依次移动到固定位置，提取其G通道和B通道的数值，计算特征值T₀=G-aB；根据各特征值T₀对应的浓度，分段拟合生成标准曲线；a为特征值系数，取值范围为0～1。

6.根据权利要求2或5所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测方法，其特征在于：所述的特征值系数，取值为0.85。

7.一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置，其特征在于：所述检测装置包括光源电路、彩色探测器、光强检测装置、平移机械臂和孵育台；所述孵育台上设置有透明塑料槽，待检测试剂条置于水平透明塑料槽的凹槽内；所述平移机械臂上设置彩色探测器、光源电路和光强检测装置；所述光源电路包括两个球状LED白光源，所述彩色探测器和光强检测装置位于两个白光源连线的垂直平分线上，且与光源处于同一平面。

8.根据权利要求7所述的一种基于彩色探测器的体外过敏原定量检测装置，其特征在于：所述凹槽平行设置，凹槽的长度和宽度分别大于待检测试剂条的长度和宽度。