CN106770225B - 一种降钙素原浓度定量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降钙素原浓度定量测量方法及系统。所述定量测量方法包括：基于与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，建立颜色特征量化模型；基于与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色特征量化模型，实现待测降钙素原浓度的定量测量。本发明根据朗伯—比尔定律，利用胶体金试纸条的图像颜色特征快速准确地实现待测物浓度的测量。本发明避免杂散光影响的环境下拍照建模，定量测量降钙素原浓度，操作简单且成本低，为应用广泛的生物医学检测提供了有效的手段。

Description

一种降钙素原浓度定量测量方法及系统

技术领域

本发明涉及生物医学检测领域，更具体地，涉及一种降钙素原浓度定量测量方法及系统。

背景技术

胶体金免疫层析技术(GICA，Colloidal Gold Immunochromatography Assay)是一种广泛应用于疾病检测和食品检疫的生物检测分析技术，具有速度快、成本低和操作简单的优点。它借助毛细作用，让待测物与试纸条纤维膜上的配体结合，通过酶促显色反应在短时间内可得到直观的显色结果。

降钙素原浓度大小作为全身细菌性感染诊断和鉴别的重要指标，在临床上具有非常实用的价值。国内外基于光电检测机理提出了一些胶体金试纸条显色分析测量方案，根据光信号的接收方式不同，主要分为以下三种：光敏电阻检测方案、反射光纤传感器检测方案、图像传感器检测方案。

但国内目前大多数停留在人眼进行比色判断的定性或者半定量检测的状态，而且由于光敏电阻检测的灵敏度不够高、反射光纤传感器对硬件设备要求较高，用图像传感器来进行检测也存在颜色测量误差较大的问题，所以一定程度上限制了其推广应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于胶体金显色试纸条的降钙素原浓度定量测量方法，利用胶体金试纸条的图像颜色特征可以快速准确地实现待测物浓度的测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种降钙素原浓度定量测量方法，包括：

基于与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，建立颜色特征量化模型；

基于与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色特征量化模型，实现待测降钙素原浓度的定量测量。

优选地，所述颜色特征为RGB值。

优选地，颜色特征量化模型的构建包括：

基于NCS标准色卡的颜色特征，在XYZ颜色空间建立颜色量化模型；

基于与已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色量化模型，分别建立颜色特征量X、Y、Z与浓度值的数学模型。

优选地，使用多项式回归法、查找表法、和/或神经网络法构建颜色特征量化模型。

更优选地，使用多项式回归法构建颜色特征量化模型。

优选地，使用颜色均匀的显色区域来代表整个与所述已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的显色区域，提取相应的颜色特征。

优选地，还包括：

对胶体金显色试纸的颜色特征进行均值滤波和/或利用改进的镜面法进行白平衡处理。

优选地，颜色特征的采集工具为CMOS，即在XYZ颜色空间建立CMOS颜色量化模型。

根据本发明的另一个方面，提供了一种降钙素原浓度定量测量系统，包括：

颜色特征采集模块，用于采集与降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征；

颜色特征量化模块，用于建立颜色特征量化模型，根据所述颜色采集模块采集的颜色特征，实现待测降钙素原浓度的定量测量。

优选地，所述颜色特征采集模块包括采集与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征、与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征和NCS标准色卡的颜色特征。

优选地，颜色特征采集模块包括光源和拍摄装置。

其中，拍摄装置为CMOS。

优选地，颜色特征量化模块包括数据处理器。

所述数据处理器用于建立颜色量化模型以及待测降钙素原浓度的定量测量。

其中，数据处理器优选为树莓派。

优选地，系统还包括指令输入模块和/或显示模块；

其中，指令输入模块包括测量开始指令模块、测量终止指令模块和/或测量暂停指令模块；

显示模块用于显示测量结果。

本发明的测量方法和系统利用胶体金试纸条的图像颜色特征快速准确地实现待测降钙素原浓度的定量测量，具有以下有益效果：

(1)本申请根据朗伯—比尔定律，基于颜色特征量的大小实现对降钙素原浓度的定量测量，相比于目前的光敏电阻测量方法和反射光纤测量方法，具有成本较低、快速简单的优点，为应用广泛的生物医学检测提供了有效的手段；

(2)在本申请的方法和系统中使用XYZ颜色特征量，并采集标准色卡的颜色特征，并在RGB和XYZ空间中对CMOS图像传感器进行颜色特性化校正，保证了较好的色彩还原性；

(3)在本申请的方法和系统中对显色图像进行合理的白平衡处理，遍历整个显色区域，选取具有合理灰度值的像素区域来与浓度建模，减小了胶体金试纸安装和显色过程带来的误差。

附图说明

图1为根据本发明的降钙素原浓度定量测量方法的总体流程图；

图2为根据本发明的降钙素原浓度定量测量方法的一个优选实施例的方法测量流程图；

图3为根据本发明的降钙素原浓度定量测量系统的总体构成图；

图4为根据本发明的降钙素原浓度定量测量系统的一个优选实施例的系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的一个实施例中，本发明的降钙素原浓度定量测量方法，如图1所示，包括：基于与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，建立颜色特征量化模型；基于与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色特征量化模型，实现待测降钙素原浓度的定量测量。

其中，颜色特征优选为RGB值。

为了解决颜色管理差异，在本发明的一个实施例中，颜色特征量化模型的构建包括：

基于NCS标准色卡的颜色特征，在XYZ颜色空间建立颜色量化模型，实现颜色特性化校正，解决了不同颜色设备之间的颜色管理差异；

基于与已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述XYZ颜色量化模型，分别建立颜色特征量X、Y、Z与浓度值的数学模型。

在本发明中，通常使用图像传感器在XYZ颜色空间上建立颜色量化模型。

其中，颜色特征优选为RGB。

在本领域中，通常选用多项式回归法、查找表法、和/或神经网络法来构建颜色特征量化模型，实现颜色特征的量化。

为了保证图像的色彩还原性，进一步提高精度，且使整个方法简单易行，在本发明的一个实施例中使用多项式回归法来构建颜色特征量化模型。

其中，NCS标准色卡的个数根据实际精度需求和检测复杂程度而定。

在本发明的实施例中，可以使用其它模型方程来构建颜色特征量化模型。

在一个实施例中，为了能更好地满足测量精度，模型方程为：

X＝x₁R+x₂G+x₃B

Y＝x₄R+x₅G+x₆B

Z＝x₇R+x₈G+x₉B

以X值为例，以4个标准色卡颜色为例详述发明，可以得到以下方程组：

利用最小二乘法编程可以解出3个系数。

为了进一步提高待测降钙素原浓度的精确度，在一个实施例中，选用颜色均匀的区域来代表整个与所述已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的显色区域，提取相应的颜色特征。

在具体的实施例中，使用一个固定大小的矩形框遍历显色区域，找到矩形框内对应位置RGB具有代表性的一个区域代表整个显色区域的颜色特征，在该实施例中，框内显色区域颜色更均匀，RGB值能更准确地反映显色区域的颜色特征，所得到的浓度值更精确。

为了能更加方便的选择显色区域，优选对显色区域进行分割。

为了减小胶体金试纸安装和显色过程带来的误差，在一个优选实施例中，对所有胶体金显色试纸的颜色特征进行均值滤波和/或利用镜面法进行白平衡处理。

在一个优选实施例中，该部分的具体步骤为针对胶体金试纸条显色后颜色的不均匀性进行均值滤波，然后利用改进的镜面法进行白平衡处理，再分割显色区域。

其中，在本领域常规镜面法的基础上，为了得到更加均匀的显色区域，在优选实施例中还需要根据图像灰度值大小，用阈值判断所选镜面区域的RGB值是否为整个胶体金试纸最小的一部分像素点。

以一幅大小为N*M的图像的具体处理过程为例：

对拍摄的显色试纸条照片进行均值滤波，公式为

其中，S是(x,y)点的8连通邻域，M取8。

图像镜面区域选择(YCbCr空间进行)：

还需要根据图像灰度值大小，用阈值判断所选镜面区域的RGB值是否为整个胶体金试纸最小的一部分像素点。

对显色区域每个像素点的R、G、B值进行统计分析，在保证测量精度要求的情况下，通过测量已知浓度的色卡进行多次试验找到阈值。

色温估计：

步骤304、校正：

其中(ρ₁,ρ₂,ρ₃)^T和(ρ₁',ρ₂',ρ₃')^T分别表示校正后的理想图片和实际光源下的图片。

最后，根据图像大小和显色区域大小、位置分割显色区域。

为了更好的采集颜色特征，本发明选用CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器和/或成像器件CCD采集工具。在一个优选实施例中，为了能简洁有效的调整参数，使得到的数据更便于处理，本实施例中选用CMOS。

在一个优选的实施例中，为了更好的构建颜色特征量化模型，方法中还包括：根据胶体金的显色特征调整拍摄设备中的白平衡值等光学参数并保持不变。

在一个优选的实施例中，为了使测量值更加可靠，利用所述颜色特征量化模型，分别建立颜色特征量X、Y、Z与浓度值的数学模型，将与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征代入模型中，得到三个降钙素原浓度值，最后取平均值便可得到一个可靠的测量值。

在本发明的定量测量方法的一个优选实施例中，如图2所示，最优选的步骤为：

步骤一、根据胶体金的显色特性调整CMOS图像传感器的白平衡值、曝光值等光学参数并保持不变。

步骤二、对4个NCS标准色卡拍照，获取相应测量位置的RGB值，利用多项式回归法对CMOS建立从RGB空间到XYZ空间的数学模型，完成CMOS传感器的颜色特性化校正，解决不同颜色设备之间的颜色管理差异。

该步骤的具体过程为：

步骤201、用CMOS对4个标准色卡进行测量，获取试纸条显色位置对应区域的RGB值；

步骤202、用多项式回归法建立标准XYZ值与测量RGB值之间的模型，模型方程为：

X＝x₁R+x₂G+x₃B

Y＝x₄R+x₅G+x₆B

Z＝x₇R+x₈G+x₉B

步骤203、以X值为例，根据4个标准色卡颜色可以得到以下矛盾方程组：

利用最小二乘法可以解出3个系数。

步骤三、把待测物插入测量仪器，利用CMOS对显色后的降钙素原胶体金试纸条进行拍照，针对胶体金试纸条显色后颜色的不均匀性进行均值滤波。

步骤四、利用镜面法对拍摄的试纸条进行白平衡校正，然后分割显色区域。

该步骤的具体过程为：

步骤401、图像镜面区域选择(YCbCr空间进行)：

还需要根据图像灰度值大小，用阈值判断所选镜面区域的RGB值是否为整个胶体金试纸最小的一部分像素点。

步骤402、色温估计：

步骤403、校正：

其中(ρ₁,ρ₂,ρ₃)^T和(ρ₁',ρ₂',ρ₃')^T分别表示校正后的理想图片和实际光源下的图片。

步骤404、根据图像大小和显色区域大小、位置分割显色区域。

步骤五、用一个固定大小的矩形框循环遍历分割出来的显色区域，找到一个合适的RGB平均值来代表整个显色区域的颜色特征；

步骤六、根据RGB空间与XYZ空间的数学模型算出胶体金试纸条显色区域的XYZ值；

步骤七、对已知浓度的样本进行拍照测量，并对其进行上述处理后，分别建立图像颜色特征量X、Y、Z值与样本浓度值的数学模型，根据该模型可得到三个降钙素原浓度值，最后取平均值便可得到一个可靠的测量值。

在本发明的另一个方面，本发明的一个实施例中，提供了一种降钙素原浓度定量测量系统，如图3所示，该系统包括颜色特征采集模块，用于采集与降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征；颜色特征量化模块，用于建立颜色特征量化模型，实现待测降钙素原浓度的定量测量。

在另一个实施例中，所述颜色特征采集模块包括采集与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征、与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征和NCS标准色卡的颜色特征。

在一个优选实施例中，颜色特征采集模块包括光源和拍摄装置。

其中，本发明所使用的拍摄装置均可以对拍摄参数进行调整。

其中，拍摄装置为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器和/或成像器件CCD。在一个优选实施例中，优选为CMOS。

在一个优选实施例中，光源为发光强度强、稳定性好且抗干扰能力强的暖白色LED灯。

为了提高光照的均匀性，在一个实施例中，根据LED光源的场角分布选择一种标准照明观察条件进行安装。

为了减少杂散光和反射带来的影响，在一个优选的实施例中所选用的拍照测量盒子密闭且用哑光材料处理。

在一个优选实施例中，颜色特征量化模块包括数据处理器。

所述数据处理器用于使用多项式回归法、查找表法、和/或神经网络法实现建立颜色量化模型以及浓度的定量测量的实现。

在本发明的实施例中，选用微型处理器，通常选用树莓派数据计算控制模块，用于颜色特征的采集与颜色量化模型的建立。

在一个优选的实施例中，照明光源还可以通过加滤光片滤除LED灯光谱中较多的蓝光成分，产生更加均匀的白光。

在一个优选的实施例中，系统还包括指令输入模块和/或显示模块。

其中，指令输入模块包括测量开始指令模块、测量终止指令模块和/或测量暂停指令模块。显示模块用于显示测量结果。

在一个优选的实施例中，树莓派中还包括一个用于控制显示模块的功能模块。

其中，显示屏优选为液晶屏触摸显示模块。

在一个优选实施例中，系统还包括人机交互部分，人机交互部分响应用户按键输入的命令，操作仪器进行检测，并把检测结构通过LCD显示、打印机打印、SD卡存储三种方式输出给用户。

在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，所述系统包括树莓派数据处理模块、光源、CMOS、液晶显示模块。其中树莓派数据处理模块控制光源、CMOS、以及液晶屏显示模块按上述方法对色卡/试纸条进行检测。选取合适的光源照明，将CMOS相机的参数设置好后，首先对已知XYZ值的NCS标准色卡拍照，保证色彩测量的准确性。然后获取相应位置的RGB值，利用多项式回归法建立从RGB空间到XYZ空间的模型来对CMOS进行颜色特性化校正，解决不同设备间颜色管理的差异。再对显色后的已知浓度的降钙素原胶体金试纸条进行拍照，经过相关图像处理(滤波、白平衡处理)后选择显色区域内灰度值具有代表性的一部分像素点，建立图像的颜色特征量与样本浓度值之间的数学模型。最后，对显色的降钙素原胶体金试纸条进行拍照，即可实现降钙素原浓度测量

多次测量的实验结果表明，该胶体金试纸条显色方法及系统的精度可达93.8％，重复测量误差小于1.5％，有效测量范围为0.1-35ng/mL。

可见，本发明的实施例中提供了一种基于胶体金显色试纸条的降钙素原浓度定量测量方法，根据朗伯－比尔定律，对不同颜色的试纸条拍照，基于微处理器如树莓派，根据颜色特征量的大小实现对降钙素原浓度的定量测量。可以为当前产品种类繁多、技术指标不一的胶体金试纸显色分析市场提供一种可靠有效的定量检测设备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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 (5)

1.一种降钙素原浓度定量测量方法，其特征在于，包括：

基于与标准降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，建立颜色特征量化模型；

基于与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色特征量化模型，实现待测降钙素原浓度的定量测量；

其中，所述颜色特征量化模型的构建包括：

基于NCS标准色卡的颜色特征，使用多项式回归法在XYZ颜色空间建立的颜色量化模型；

基于与已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征，利用所述颜色量化模型，分别建立颜色特征量X、Y、Z与浓度值的数学模型；

还包括：

使用颜色均匀的显色区域来代表整个与所述已知浓度降钙素原复合后的胶体金显色试纸的显色区域，提取相应的颜色特征；

还包括：

对胶体金显色试纸的颜色特征进行均值滤波和/或利用改进的镜面法进行白平衡处理；具体步骤为针对胶体金试纸条显色后颜色的不均匀性进行均值滤波，然后利用改进的镜面法进行白平衡处理，再分割显色区域；

其中，使用一个固定大小的矩形框遍历显色区域，找到矩形框内对应位置RGB具有代表性的一个区域代表整个显色区域的颜色特征；

还包括：对显色区域进行分割；

还包括：根据胶体金的显色特征调整拍摄设备中的光学参数并保持不变；所述光学参数包括白平衡值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，颜色特征的采集工具为CMOS。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，还包括根据图像灰度值大小，用阈值判断所选镜面区域的RGB值是否为整个胶体金试纸最小的一部分像素点。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，利用所述颜色特征量化模型，分别建立颜色特征量X、Y、Z与浓度值的数学模型，将与待测降钙素原复合后的胶体金显色试纸的颜色特征代入模型中，得到三个降钙素原浓度值，最后取平均值便可得到一个可靠的测量值。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、根据胶体金的显色特性调整CMOS图像传感器的光学参数并保持不变；所述光学参数包括白平衡值、曝光值；

步骤二、对4个NCS标准色卡拍照，获取相应测量位置的RGB值，利用多项式回归法对CMOS建立从RGB空间到XYZ空间的数学模型，完成CMOS传感器的颜色特性化校正，解决不同颜色设备之间的颜色管理差异；

该步骤的具体过程为：

步骤201、用CMOS对4个标准色卡进行测量，获取试纸条显色位置对应区域的RGB值；

步骤202、用多项式回归法建立标准XYZ值与测量RGB值之间的模型，模型方程为：

X＝x₁R+x₂G+x₃B

Y＝x₄R+x₅G+x₆B

Z＝x₇R+x₈G+x₉B

步骤203、以X值为例，根据4个标准色卡颜色可以得到以下矛盾方程组：

利用最小二乘法可以解出3个系数；

步骤三、把待测物插入测量仪器，利用CMOS对显色后的降钙素原胶体金试纸条进行拍照，针对胶体金试纸条显色后颜色的不均匀性进行均值滤波；

步骤四、利用镜面法对拍摄的试纸条进行白平衡校正，然后分割显色区域；

该步骤的具体过程为：

步骤401、图像镜面区域选择：

还需要根据图像灰度值大小，用阈值判断所选镜面区域的RGB值是否为整个胶体金试纸最小的一部分像素点；

步骤402、色温估计：

步骤403、校正：

其中(ρ₁,ρ₂,ρ₃)^T和(ρ₁',ρ₂',ρ₃')^T分别表示校正后的理想图片和实际光源下的图片；

步骤404、根据图像大小和显色区域大小、位置分割显色区域；

步骤五、用一个固定大小的矩形框循环遍历分割出来的显色区域，找到一个合适的RGB平均值来代表整个显色区域的颜色特征；

步骤六、根据RGB空间与XYZ空间的数学模型算出胶体金试纸条显色区域的XYZ值；

步骤七、对已知浓度的样本进行拍照测量，并对其进行上述处理后，分别建立图像颜色特征量X、Y、Z值与样本浓度值的数学模型，根据该模型可得到三个降钙素原浓度值，最后取平均值便可得到一个可靠的测量值。