CN106485250A - 一种纸芯片灰度值识别方法及其应用 - Google Patents

一种纸芯片灰度值识别方法及其应用 Download PDF

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张天越
王少男
陈诚
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Abstract

本发明公开了一种用于纸芯片灰度值识别方法及其应用。发明主要以尿液中的尿糖和尿酸为标志物，在所绘制的纸芯片上负载相应显色试剂后，对尿液中相关成分如尿糖、尿酸等进行检测，得到尿酸和尿糖浓度与RGB值及其灰度值的对应关系。采用拍照并经所编写灰度识别软件分析后得出待测尿液相关成分浓度。本发明所述一种纸芯片灰度值识别软件具有简单快速，成本低廉，稳定性好、省时方便等特点，特别适合于日常个人诊断以及欠发达地区使用。

Description

一种纸芯片灰度值识别方法及其应用
技术领域
本发明涉及纸基微流控芯片及其灰度识别的技术领域。
背景技术
尿液中尿酸含量与体内核酸分解代谢速度有关，其含量的升高可以作为痛风、慢性白血病、肾功能衰退等疾病诊断的重要指标。尿液中的尿糖和血糖含量关系密切，对尿糖浓度的检测对于血糖的监控有一定参考意义。现有尿液分析技术对特定成分如尿糖、尿酸等分析时，大多需要特定的分析仪器，还需要通过专业的分析技术人员来完成一系列操作，检测过程复杂且费时。此外特定的尿液分析仪昂贵且结构复杂，在野外及条件受限地区较难保证分析检测工作的完成，难以满足携带方便、分析迅速、操作简便等的要求。因此迫切需要开发一种更加简单、快捷的新型分析手段，来满足大众需求，实现尿液分析的简便化、大众化及家庭化。近年来，随着智能手机的不断普及，其在远程医疗、家庭护理等方面越来越受到人们的重视。本课题将采用灌注纸张疏水剂的改装圆珠笔来绘制纸基微流控芯片，结合智能手机拍照识别显色区域，并用自行开发的手机App软件分析尿液中尿酸和尿糖的含量。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种纸芯片灰度值识别方法，该方法使用方便，分析迅速。本发明要解决的另一个技术问题是，提供该方法在在检测溶液中成分的应用。
本发明的技术方案是，一种纸芯片灰度值识别方法，所述识别方法采用软件的编写方法为软件基于Android Studio平台，使用Java语言开发，具体实现方法:
(1)图像压缩(compressImage)：将jpg/png格式的图片转化为字节数组byte[]，定义一个压缩变量x，x＝1时即不压缩，用while循环判断字节数组大小，不断递减x变量，压缩byte[]至500KB以下；
(2)图像灰度化：根据灰度计算公式Y＝(R+G+B)/3，分别计算各个像素点的灰度值，将RGB图像转化为灰度图；
(3)中值滤波：使用高斯模板对获得图像进行中值滤波，消除高噪声，使得图像更加平滑，增强对比度；对获得的灰度图采用3*3的高斯模板，遍历图像中的所有3*3像素矩阵，将查找到的中值替换原有的灰度值，并处理边界像素，得到新的灰度图；
(4)灰度平均值计算，回调计算函数：根据新得到的灰度图计算该图中所有像素点的灰度值之和，得到平均灰度值，将计算得到的灰度值回调实验函数，得到最终所要求的目标成分含量的值。
压缩图片大小至500KB以下，便于之后的操作，防止OOM(内存溢出)。步骤(2)中，由于本发明要求，未使用常用的Y＝0.3R+0.59G+0.11B公式，而是使用上述公式识别灰度值。
根据本发明的纸芯片灰度值识别方法，优选的是，所述软件的使用方法为：
(1)选择相机拍照或者相册选取图片，导入compressImage函数进行压缩到500KB以下大小；
(2)显示到图片框中进行操作，用户在图片框中选定检测区域；
(3)调用图像预处理算法处理图像，再调用区域平均灰度的算法RCalculate()进行计算，得到该区域内的平均灰度值；
(4)利用所述的函数关系式算出浓度范围并显示出来；以此达到了识别纸芯片灰度值与体内血糖尿糖浓度方便快捷的联系起来；
(5)使用高斯模板对获得图像进行中值滤波，消除高噪声，使得图像更加平滑，增强对比度；
(6)根据新得到的灰度图计算该图中所有像素点的灰度值之和，得到平均灰度值，将计算得到的灰度值回调实验函数，得到最终所要求的成分的值。
本发明还提供了上述纸芯片灰度值识别方法在检测溶液中成分的应用。
本发明的应用，所述应用方法为：
(1)将疏水性材料溶解于有机溶剂制成具有疏水性的溶液，将所述溶液注入普通可灌注书写笔改装过的空笔芯中，再将空笔芯装回原笔上，得到改装的纸基微流控芯片快速制作笔；
(2)用上述改装笔，在纸上绘出所需图案，经干燥将有机溶剂挥发后使疏水剂充分渗透至纸张中，得到纸芯片；
(3)在上述纸芯片负载相应显色试剂后，对溶液中相关成分进行检测，得到相关成分浓度与RGB值及其灰度值的对应关系，采用权利要求1所述识别方法得到相关成分的值，算出相关成分的浓度。
根据本发明的应用，优选的是，所述相关成分为尿糖或者尿酸。也可以是其他需要通过显色原理来测定的成分。
根据本发明的应用，优选的是，在所述的步骤(1)中，疏水材料为烷基烯酮二聚体。
根据本发明的应用，优选的是，在所述的步骤(1)中，有机溶剂为正庚烷。
根据本发明的应用，优选的是，所述的纸芯片是通过在普通可灌注书写笔、绘图笔等的空笔芯中灌注疏水性溶液，然后直接在纸上绘制，干燥后形成疏水性图案制备而成。
根据本发明的应用，优选的是，所述的普通可灌注书写笔尖尺寸为6-10mm。
进一步地，所述的普通可灌注书写笔尖尺寸为8mm。
所述的普通可灌注书写笔，包括各种规格的书写笔、绘图笔。
所述的纸为实验室用普通滤纸。
本发明的有益效果是：
本发明采用自行改装的普通书写笔、绘图笔在纸上绘制纸基微流控芯片，并将尿酸的显色反应结果与手机APP相结合，极大地降低了成本，方便用户的使用，节约时间。只需采用经改装过的装有疏水材料的书写笔、绘图笔，直接在所需纸张上绘制图案，经干燥后即得包含疏水通道的纸基微流控芯片，制作过程快速简单，所需材料易得。此方法对于尿液中相关成分的日常检测具有十分重要的意义。
附图说明
图1本发明所提供的方法制备的改装笔；
图2本发明制备的改装笔在滤纸上画出的通道；
图3本发明中尿酸显色反应后的普通智能手机拍照图；
图4本发明中尿糖显色反应后的普通智能手机拍照图；
图5本发明纸芯片检测区域照片灰度值和尿酸浓度之间的线性关系。
图6本发明纸芯片检测区域照片灰度值和尿糖浓度之间的线性关系。
图7本发明App对图片灰度值识别结果。
图8本发明尿酸浓度检测结果图。
图9本发明尿糖浓度检测结果图。
图10是本发明识别方法的流程图。
具体实施方式
以下提供本发明一种快速检测尿液中相关成分浓度的方法,即基于纸基微流控芯片的个人尿液分析系统的具体实施方式。
所编写APP对图案颜色的识别
1选择相机拍照或者相册选取图片，导入compressImage函数进行压缩到500KB以下大小防止OOM(内存溢出)，然后显示到图片框中进行操作。
2根据用户在图片框中选定的检测区域，调用区域平均灰度的算法RCalculate()进行计算。列出所采用的具体图和识别后RGB值，以及计算识别的具体结果。对图片灰度值的识别结果如图7所示。
普通可灌注书写笔、绘图笔，包括各种规格的书写笔、绘图笔。
纸为实验室用普通滤纸。
在上述纸芯片负载相应显色试剂后，对尿液中相关成分，如尿糖、尿酸等进行检测，得到尿酸和尿糖浓度与RGB值的对应关系。编写适用于普通智能手机的颜色识别软件。所述的颜色识别软件基于Android Studio平台，使用Java语言开发，具体步骤为:
1、图像压缩(compressImage)。压缩图片大小至500KB，便于之后的操作，防止OOM(内存溢出)。具体为将jpg/png格式的图片转化为字节数组byte[]，定义一个压缩变量x，x＝1时即不压缩，用while循环判断字节数组大小，不断递减x变量，压缩byte[]至500KB以下。
2、图像灰度化。根据灰度计算公式Y＝(R+G+B)/3(由于本专利要求，未使用常用的Y＝0.3R+0.59G+0.11B公式，而是使用上述公式识别灰度值。)，分别计算各个像素点的灰度值，将RGB图像转化为灰度图。
3、中值滤波。使用高斯模板对获得图像进行中值滤波，消除高噪声，使得图像更加平滑，增强对比度。对获得的灰度图采用3*3的高斯模板，遍历图像中的所有3*3像素矩阵，将查找到的中值替换原有的灰度值，并处理边界像素，得到新的灰度图。
4、灰度平均值计算，回调计算函数。根据新得到的灰度图计算该图中所有像素点的灰度值之和，得到平均灰度值，将计算得到的灰度值回调实验函数，得到最终所要求的尿酸或尿糖值。(基本流程见图10)
实施例1
APP结合手绘纸芯片测定尿酸
(1)取一支普通的书写用水笔，用注射器吸除笔芯中的墨水。
(2)取真空硅脂0.15g加入到12.5mL正庚烷中，超声溶解真空硅脂，然后用将0.5g烷基烯酮二聚体(AKD)加入到上述溶液中，超声溶解，将此混合液做疏水剂。用注射器吸取0.1mL上述疏水剂溶液并注射到改装的水笔中。
(3)用上述改装笔，以直径为8mm的孔板做模具，直接在Whatman#1滤纸上绘出图案，然后放在烘箱中，100℃下烘干3分钟，纸基微流控芯片制作成功，如图2所示。
(4)取尿酸检测试剂尿酸氧化酶(80U/mL)、辣根过氧化物酶(340U/mL)、4-氨基安替比林(4mM/L)、3，5-二氯-2-羟基苯磺酸钠(8mM/L)各1μL依次滴加到检测区域中央位置，干燥。再分别滴加浓度为0、15、35、50、75、100mg/L的尿酸标准溶液和蒸馏水各1微升于上述检测干燥后的区域，发生显色反应。
(5)用手机拍照后将照片上传至所编写的RGB读取软件中，读取不同浓度的尿酸显色反应后所对应的RGB值。得到两者对应的线性关系。
(6)根据上述线性关系编写程序，实现输入显色反应后的照片即能输出对应的尿酸浓度的功能。如图8所示.
实施例2
APP结合手绘纸芯片测定尿糖
(1)取一支普通的书写用水笔，用注射器吸除笔芯中的墨水。
(2)取真空硅脂0.15g加入到12.5mL正庚烷中，超声溶解真空硅脂，然后用将0.5g烷基烯酮二聚体(AKD)加入到上述溶液中，超声溶解，将此混合液做疏水剂。用注射器吸取0.1mL上述疏水剂溶液并注射到改装的水笔中。
(3)用上述改装笔，以直径为8mm的孔板做模具，直接在Whatman#1滤纸上绘出图案，然后放在烘箱中，100℃下烘干3分钟，纸基微流控芯片制作成功，如图2所示。
(4)取尿糖检测试剂葡萄糖氧化酶(80U/mL)、辣根过氧化物酶(340U/mL)、KI各1μL依次滴加到检测区域中央位置，干燥。再分别滴加浓度为0、0.5、1、2.5、5、10g/L的葡萄糖标准溶液和蒸馏水各1微升于上述检测干燥后的区域，发生显色反应。
(5)用手机拍照后将照片上传至所编写的RGB读取软件中，读取不同浓度的尿糖显色反应后所对应的灰度值。得到两者对应的线性关系。
(6)根据上述线性关系编写程序，实现输入显色反应后的照片即能输出对应的尿糖浓度的功能。如图9所示。
本发明所述基于纸基微流控芯片的个人尿液分析系统具有简单快速，成本低廉，稳定性好等特点，特别适合于日常尿液成分检测使用或欠发达地区使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纸芯片灰度值识别方法，其特征在于：所述识别方法采用软件的编写方法为软件基于Android Studio平台，使用Java语言开发，具体实现方法:
(1)图像压缩(compressImage)：将jpg/png格式的图片转化为字节数组byte[]，定义一个压缩变量x，x＝1时即不压缩，用while循环判断字节数组大小，不断递减x变量，压缩byte[]至500KB以下；
(2)图像灰度化：根据灰度计算公式Y＝(R+G+B)/3，分别计算各个像素点的灰度值，将RGB图像转化为灰度图；
(3)中值滤波：使用高斯模板对获得图像进行中值滤波，消除高噪声，使得图像更加平滑，增强对比度；对获得的灰度图采用3*3的高斯模板，遍历图像中的所有3*3像素矩阵，将查找到的中值替换原有的灰度值，并处理边界像素，得到新的灰度图；
(4)灰度平均值计算，回调计算函数：根据新得到的灰度图计算该图中所有像素点的灰度值之和，得到平均灰度值，将计算得到的灰度值回调实验函数，得到最终所要求的目标成分含量的值。
2.根据权利要求1所述的纸芯片灰度值识别方法，其特征在于，所述软件的使用方法为：
(1)选择相机拍照或者相册选取图片，导入compressImage函数进行压缩到500KB以下大小；
(2)显示到图片框中进行操作，用户在图片框中选定检测区域；
(3)调用图像预处理算法处理图像，再调用区域平均灰度的算法RCalculate()进行计算，得到该区域内的平均灰度值；
(4)利用所述的函数关系式算出浓度范围并显示出来；以此达到了识别纸芯片灰度值与体内血糖尿糖浓度方便快捷的联系起来；
(5)使用高斯模板对获得图像进行中值滤波，消除高噪声，使得图像更加平滑，增强对比度；
(6)根据新得到的灰度图计算该图中所有像素点的灰度值之和，得到平均灰度值，将计算得到的灰度值回调实验函数，得到最终所要求的成分的值。
3.权利要求1所述纸芯片灰度值识别方法在检测溶液中成分的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述应用方法为：
(1)将疏水性材料溶解于有机溶剂制成具有疏水性的溶液，将所述溶液注入普通可灌注书写笔改装过的空笔芯中，再将空笔芯装回原笔上，得到改装的纸基微流控芯片快速制作笔；
(2)用上述改装笔，在纸上绘出所需图案，经干燥将有机溶剂挥发后使疏水剂充分渗透至纸张中，得到纸芯片；
(3)在上述纸芯片负载相应显色试剂后，对溶液中相关成分进行检测，得到相关成分浓度与RGB值及其灰度值的对应关系，采用权利要求1所述识别方法得到相关成分的值，算出相关成分的浓度。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述相关成分为尿糖或者尿酸。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：在所述的步骤(1)中，疏水材料为烷基烯酮二聚体。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：在所述的步骤(1)中，有机溶剂为正庚烷。
8.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述的纸芯片是通过在普通可灌注书写笔的空笔芯中灌注疏水性溶液，然后直接在纸上绘制，干燥后形成疏水性图案制备而成。
9.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述的普通可灌注书写笔尖尺寸为6-10mm。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述的普通可灌注书写笔尖尺寸为8mm。
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