CN104459098B - 一种采集医学样本图像的诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用来采集医学图像的便携式诊断装置，该装置包括用于容纳待检测医学标本的腔室，白色光源，和多个用于对待检测标本拍照的数字摄像单元，该摄像单元包括正光焦度的镜头模组和一个小于1/3英寸的图像传感器。该便携式诊断装置能够依据采集的数字图像检测颜色变化。该诊断装置一次能够采集被检测医学样本多个反应区域的图像，并且诊断装置的体积小，成本低，采集的图像质量高，并且能够提供的被检测医学样本的信息更多、更细。

Description

一种采集医学样本图像的诊断装置

技术领域

本发明涉及医学样本（包括尿液、血液、唾液、汗液和其它生物样本）的检测领域，特别是一种采集医学样本图像的便携式诊断设备。

背景技术

医学样本的检测包括利用颜色变化的方式。这种方式通常使用浸蘸式的条状物（例如尿试纸条、试孕纸、血糖试条等），条状物上有一系列的试剂反应区域。每一个试剂反应区域上都带有一种在出现特定的反应物时能够发生颜色的化合物。常规的条状物能够检测血糖、胆红素、酮、PH值、蛋白质和隐血等。在使用条状物时，使反应区域接触尿液、血液、唾液、汗液等医学样本。尿液分析已经成为医疗诊断中最常用的检测工具，其能够检测到尿液中与新陈代谢或者肾脏疾病有关的物质或者细胞成本。例如，在病人意识到身体出问题之前尿液中会出现诸如蛋白质或者葡萄糖这样的物质。

使用者（例如医生或者病人）原来通常都是借助肉眼观察条状检测物接触医学标本前后的颜色变化。中国专利申请CN102483401A(公开日为2012年5月30日)公开了一种用于尿分析的便携式数字读出器。由该专利申请的图1可以看到便携式数字读出器以三色发光二极管作为光源。光源的光照射到待检测的生物芯片上，硅传感器（可以为硅光电二极管或者光电三极管）用来分析生物芯片反射光的强度和颜色，该便携式数字读出器还包括光分配器（即光导部件）。该读出器的缺陷包括两个方面。第一，硅传感器的检测区域比较小。例如标准的尿条反应区域的大小为5mmX5mm，尿液在整个反应块上都可能会发生反应，但是硅传感器的感应面积通常小于2mmX2mm。因此，硅传感器无法检测整个反应区域。在有些情况下，例如只是反应区域的局部区域发生反应的情况，该读取器的检测结果会失真。同时，硅传感器只能给出光强度的平均值，而不能示出光在反应区域上的分布，这限制了该读取器的应用。例如，对于隐血需要知道整个反应区域上隐血的密度，但是该读取器无法给出反应区域密度的准确信息。第二，使用三色发光二极管使得成本高，使用光分配器更会增加成本，同时会增大读出器的体积。

发明内容

鉴于此，本发明一方面提出了一种用来采集医学图像的便携式诊断装置，该装置包括用于容纳待检测医学标本的腔室，白色光源，和多个用于对待检测标本拍照的数字摄像单元，该摄像单元包括正光焦度的镜头模组和一个小于1/3英寸的图像传感器。本发明提出的便携式诊断装置能够依据采集的数字图像检测颜色变化。和现有的类似装置相比本发明具有如下优点。第一，由于该诊断装置使用包括镜头模组和小于1/3英寸的图像传感器的多个数字摄像单元，其体积相当小，能够作为便携式设备使用，例如可以家用，使用者可以只在必要的时候才到医院去看病。第二，多个数字摄像单元可以一次性地采集多个反应区域（例如试孕纸或者血糖试纸的多个反应区域）的图像，而不是一次只能够采集一个反应区域的颜色，这样就避免了多次采集不同反应区域的颜色的需要。因此，本发明的诊断装置能够实现快速地检测。第三，和采用一个摄像单元的方式相比，多个摄像单元能够提高分辨率，同时由于多个摄像单元能够比较均匀地分布在多个反应区域周围，所以能够提高各个反应区域图像的分辨率（DPI）和成像质量。相反，如果采用一个摄像单元的话，将降低拍摄到的样本的DPI，并且由于光学镜头成像的特点，条状物上位于中间的反应区域的图像会比较好，越往条状物两侧图像的质量越差。第四，该诊断装置能够采集反应区域整体的图像，因此其能够给出的反应区域的信息更准确、全面。该诊断装置不是给出光强度的平均值，而是能够反应光在反应区域上的分布，包括能够给出整个反应区域上隐血的密度。这对于需要检测隐血的应用是非常有利的。第五，现有的一些类似装置在检测时还需要插入标准试纸（即参考颜色图样（reference colourchart））来调整白平衡，而本发明的诊断装置则无需，该诊断装置可以在出厂前设定好白平衡参数。

优选，上述图像传感器为晶圆级的图像传感器。晶圆级传感器结构简单、尺寸小，使用方便，而且没有电器中转电路。同时晶圆级图像传感器价格低廉。

优选，上述镜头模组是通过晶圆封装工艺加工的，形成晶圆级镜头模组。采用晶圆封装工艺可以使得镜头模组体积小，性能可靠，并且生产成本低。

优选，待检测医学标本为尿条。尿液检测应用广泛，所以本发明的诊断装置优选用于检测尿试纸条。当前标准的尿试纸条长度在11cm左右，所述数字摄像单元为3个，其沿着尿条的长度方向排列，镜头模组的焦距和物距之间的关系满足下述条件，即镜头模组的焦距/物距小于0.08。选用上述数字摄像单元检测尿试纸条，不仅可以采集到高质量的图像，而且摄像单元个数比较少，使得诊断装置的体积小，生产成本低。优选，上述白色光源为一个或多个半导体发光二极管LED。对于像尿试纸条、试孕纸、血糖试条等这样长度的样本，一个光源就可以使摄像单元采集到质量可以接受的图像，这样诊断装置的体积小，成本低。但是，采用两个或更多光源可以使得打到待检测医学样本上的光线均匀，采集的图像质量非常高。

优先，所述诊断装置还包括用于转折光路的一个或者多个反射镜，以减少诊断装置的尺寸。设置一个或者多个反射镜后可以缩短摄像单元和样本之间的距离，摄像单元可以采集反射镜形成的虚像的图像。

优选，所述数字摄像单元还包括设置在所述图像传感器下方的印刷电路板PCB，这样图像传感器采集的图像就可以通过PCB传递给后续的处理、存储等装置。

优选，所述诊断装置还包括壳体，所述腔室、光源和数字摄像单元均设置在所述壳体中。

优选，所述腔室设有可相对于所述壳体运动的运动部件，所述运动部件可从所述壳体出来，从而用户能够将待检测的医学样本放至运动部件上。借助能够进入和移出壳体的运动部件可以方便用户放入或者取出待测医学样本。

优选，所述图像传感器为1/13英寸。采用该尺寸的图像传感器使得图像的分辨率可达到300DPI以上，能够达到用人眼可观察的程度，同时使诊断装置体积小、价格低。

另外，图像传感器5还可以带有图像信号处理器（ISP，Image Signal Processor）形成系统芯片（SOC，system on chip），这样图像传感器5和图像信号处理器形成的系统芯片可以直接输出高质量的图像。上述诊断装置就无需再设置复杂的电路来处理图像。这也能够显著减小诊断装置的体积。需要说明的是，这里可以选用本身自带ISP的图像传感器，也可以在无ISP的图像传感器外再设置ISP。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为本发明一个实施方式的立体示意图。

图2为本发明上述实施方式的侧视图。

图3为本发明上述实施方式中摄像单元和待测样本部分的正视图。

图4为本发明上述实施方式中摄像单元的分解示意图。

图5为图4中摄像单元的倒立立体示意图。

图6为图5中摄像单元的正立立体示意图。

其中，附图标记如下：

标号	含义
		1	数字摄像单元
2	试纸条
		3	壳体
4	镜头模组
		5	图像传感器
6	反射镜
		7	印刷电路板

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明的一个实施方式提出了一种用来采集医学图像的诊断装置，该装置包括：用于容纳待检测医学标本的腔室，白色光源（图中未示出），和多个用于采集待检测标本图像的数字摄像单元1，该摄像单元包括一组正光焦度的镜头模组4和一个小于1/3英寸的图像传感器5。

这里，容纳待检测医学标本的腔室可以采用多种结构。例如可以是为一个通道的形式，用户将待检测医学标本，例如试纸条2，插入到该通道中即可利用该诊断装置检测样本。该腔室还可以是一个带滑轨的抽屉式结构，在需要检测医学样本时，将抽屉式结构抽出，装入待检测医学样本后，再将抽屉式结构合入进行检测即可。这种抽屉式结构方便用户装载待检测医学样本。除了采用带滑轨的抽屉式结构，上述腔室还可以带有其他的能够相对于诊断装置的本体或者壳体3产生运动的部件，比如还可以采用转动机构。转动机构可以相对于诊断装置的本体或者壳体3转动，从而在需要装载待检测样本时能够从诊断装置的本体或者壳体3中转出，从而方便用户装载待检测样本。

另外，需要说明的是，该诊断装置可以只设有一个用于容纳待检测医学标本的腔室，而无需再设置一个用于容纳标准样本的腔室。也就是说在使用该诊断装置时无需获取标准样本的图像。现有的一些类似装置在检测医学样本时还需要插入标准试纸（即参考颜色图样（reference colour chart））等来调整白平衡，上述诊断装置可以在出厂前就设定好白平衡参数。图1-3中示出的腔室是沿着图中示出的诊断装置的长度方向L水平设置的腔室，本领域的技术人员知晓该腔室也可以沿着竖直方向设置，或者设置成，例如弧形的。

图中未示出白色光源，其为全光谱光源，其照射到待检测医学样本上，经待检测样本反射的光再照射到数字摄像单元1上。适用于本发明的白色光源可以为一个普通的LED即可，而无需多个或者多色的半导体发光二极管LED。这样使得本发明的成本低，体积小。但是，为使得照射到待检测的长条形样本上的光更均匀，也可以采用两个半导体发光二极管。

如图4、5、6所示，镜头模组4为固定成一个单元的多个镜头的组合。光焦度即为屈光度，光学系统的光焦度是光学系统的会聚能力或发散能力的数值表示，光学系统具有正光焦度表示它是对光线有会聚作用。优选，数字摄像单元1采用晶圆级摄像模组WLC（wafer level camerca）。晶圆级摄像模组的所有组件都是在晶圆上制造的，之后将光学晶圆与图像传感器晶圆（例如CMOS晶圆）封装在一起。晶圆级摄像模组WLC相对于传统的摄像头模组而言，其镜头模组的厚度大大减小，并省去了模组的调焦工序，能够直接产生数字图像。同时，晶圆级摄像模组WLC可以采用已能够采用标准化的模组封装技术加工，其生产成本较低，可靠性高。

如图4、5所示，用作本发明一个实施方式的数字摄像单元1的晶圆级摄像模组WLC主要包括一个小于1/3英寸的晶圆级图像传感器5和正光焦度的晶圆级镜头模组WLO（Wafer Level Optics）4。采用小于1/3英寸的晶圆级图像传感器5使得诊断装置的体积小，方便携带和使用。同时，使得诊断装置的成本低。图像传感器5可以采用例如较小的CCD或者CMOS图像传感器。就尿试纸条而言，可以采用1/13英寸的CMOS图像传感器，采用该尺寸的图像传感器能够拍摄到多种长度的试纸条的全部反应区域的图像，并且能够采集到质量满足一般检测需要的图像。

上述正光焦度的晶圆级镜头模组WLO是通过晶圆封装工艺进行光学镜头加工制造的高科技技术。WLO技术生产的摄像模组在WLC封装过程中不需要进行调焦，减少了镜头调焦的工艺,可以直接在TSV上面进行封装。因此，可以利用硅通孔技术（TSV，即through silicon via）将晶圆级镜头模组WLO（光学晶圆）和小于1/3英寸的晶圆级图像传感器（晶圆级图像传感器）加以堆栈制造出体积更小的数字摄像单元。硅通孔技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案。该技术能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，芯片之间的互连线最短，外形尺寸最小，并且能够大大改善芯片速度，功耗也比较低。与传统封装相比，TSV具有节距小、多引脚数、高连接可靠性等特点。本发明中采用的上述晶圆级摄像模组WLC（wafer level camerca）及其加工工艺都是半导体领域的现有技术，从市场上即可以获得可用作本发明数字摄像单元1的晶圆级摄像模组WLC，所以这里不再详述晶圆级摄像模组的结构、性能和制造工艺等。

另外，如图4-6所示，晶圆级摄像模组WLC还可以连接其它中转电路，例如印刷电路板PCB7或者柔性电路板FPC等，这样方便诊断装置的电路连接。CMOS传感器设置在印刷电路板上，WLC的下面带有用于将WLC焊接在印刷电路板上的焊球（图中未示出），焊球下面是印刷电路板。

当然，数字摄像单元1除了包括上述正光焦度的晶圆级镜头模组WLO4和一个小于1/3英寸的图像传感器5以外，还可以包括固定晶圆级镜头模组用的支架，晶圆级镜头模组WLO4还可以包括滤光片、障板等。图中未示出这些部件。

如图1、2所示，为了进一步减小诊断装置的体积，还可以设置一个或者多个反射镜6，用来缩短数字摄像单元1和待检测样本之间的距离。光学领域的技术人员根据普通的光学知识就可设计出适用本发明的反射镜个数以及反射镜的位置。在图1、2示出的实施方式中，仅设置有一个反射镜，并且反射镜是按照常规的45度的倾斜角设置的。从图2、3中可以看到，数字摄像单元1拍摄的是反射镜所成的待检测医学样本的虚像（图中以虚线表示虚像）的图像。物距即为数字摄像单元1和虚像之间的距离。

此外，诊断装置还可以带有一个壳体3，使上述的腔室、白色光源和数字摄像单元1都容纳在该壳体3中。

下面结合附图1-3，以尿试纸条为例简要说明诊断装置一种实施方式的具体结构和工作过程。标准的尿试纸条为11cm。诊断装置用于容纳待检测样本的腔室（图中未示出）是沿着图1中示出的诊断装置的长度方向L水平设置的。这样，放在腔室中的尿试纸条也是水平的，不容易发生弯折影响采集图像的质量。诊断装置具有3个数字摄像单元1，这些数字摄像单元1也是沿着长度方向L分开设置的。3个数字摄像单元1分别采集尿试纸条上不同反应区域的图像。如图3所示，不同的数字摄像单元1覆盖的反应区域最好不要重叠，否则可能会影响检测结果，可以使相邻数字摄像单元1在尿试纸条的空白区域有重叠。

上述诊断装置还带有一个沿着图1中示出的高度H方向设置，倾斜45度角的反射镜6。3个数字摄像单元1获取尿试纸条在反射镜中的虚像（图3中虚线方块示出的即为尿试纸反应区域的虚像）。采用这样的反射镜后，使得诊断装置的整体宽度W接近物距，高度H接近尿试纸条的宽度。数字摄像单元1离开尿试纸条一定距离，例如可以为50mm，该距离即为物距（如图2、3所示，即数字摄像单元1离开尿试纸条虚像的距离）。为了获得合适的DPI（达到适于人眼的300-400之间即可）和较好的图像质量，优选使镜头模组4的焦距和物距之间的关系满足下述条件：镜头模组的焦距/物距小于0.08。例如，当物距为50mm时，镜头模组的焦距可以优选为1.2mm左右。

图像传感器5可以使用常见的1/13英寸的VGA（分辨率为640X480）CMOS传感器。这里需要说明的是，本发明对图像传感器5的分辨率并无特殊要求，根据用户对图像质量的要求选择合适的分辨率即可。采用这种图像传感器5获得的图像质量足以满足后续的图像分析需要。例如采集的图像为RGB888（24位色深），这意味着能够提供16777216个梯度的不同颜色用于后续的分析。该品质的图像足以能够分析出隐血的密度。

另外，图像传感器5还可以带有图像信号处理器（ISP，Image Signal Processor）形成所谓的系统芯片（SOC，system on chip），这样图像传感器5和图像信号处理器形成的系统芯片可以直接输出高质量的图像。上述诊断装置就无需再设置复杂的电路来处理图像。这也能够显著减小诊断装置的体积。图像信号处理器ISP的主要作用是对前端图像传感器输出的信号做后期处理，主要功能有线性纠正、噪声去除、坏点去除、内插、自动曝光控制等。这里可以选用本身自带ISP的图像传感器，也可以在无ISP的图像传感器外再设置ISP。

下面简要说明一下上述诊断装置检测尿试纸条的过程。在将尿试纸条从尿液中取出后，将其放入用于容纳待检测样本的腔室中。尿试纸条在反射镜6中成像，虚像通过镜头模组4在图像传感器5上成像，并经图像信号处理器ISP处理该图像后，输出高质量的图像。由于本发明不涉及后续的图像处理，故这里不再说明如何进行图像处理。

由上可见，本发明通过使用包括正光焦度的镜头模组4和一个小于1/3英寸的图像传感器5的数字摄像单元来直接获取待检测样本的图像，不仅能够使诊断装置提供被检测样本的详细信息，还能够减小诊断装置的体积。另外，由于可以利用晶圆封装工艺制造，数字摄像单元的性能稳定并且成本极低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用来采集医学图像的诊断装置，包括：

用于容纳待检测医学标本的腔室，

白色光源，和

多个用于对待检测标本拍照的数字摄像单元，该摄像单元包括正光焦度的镜头模组和一个小于1/3英寸的图像传感器。

2.根据权利要求1所述的诊断装置，其中上述图像传感器为晶圆级的图像传感器。

3.根据权利要求2所述的诊断装置，其中所述镜头模组是通过晶圆封装工艺加工而成的晶圆级镜头模组。

4.根据权利要求3所述的诊断装置，其中待检测医学标本为尿试纸条。

5.根据权利要求4所述的诊断装置，所述数字摄像单元为3个，它们沿着尿试纸条的长度方向排列，并且镜头模组的焦距和物距之间的关系满足下述条件，即镜头模组的焦距/物距小于0.08。

6.根据权利要求1所述的诊断装置，其中所述白色光源为一个或多个半导体发光二极管。

7.根据权利要求1所述的诊断装置，其中所述诊断装置还包括用于转折光路的一个或者多个反射镜，以减少所述诊断装置的尺寸。

8.根据权利要求1所述的诊断装置，其中所述数字摄像单元还包括设置在所述图像传感器下方的印刷电路板。

9.根据权利要求1所述的诊断装置，其中所述诊断装置还包括壳体，所述腔室、光源和数字摄像单元均设置在所述壳体中。

10.根据权利要求9所述的诊断装置，其中所述腔室设有可相对于所述壳体运动的运动部件，所述运动部件可从所述壳体出来从而用户能够将待检测的医学标本放至运动部件上。

11.根据权利要求1所述的诊断装置，所述图像传感器为1/13英寸。

12.根据权利要求1所述的诊断装置，其中所述图像传感器还带有图像信号处理器。