CN107460119A - 一种监测细菌生长的设备及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种监测细菌生长的设备监测方法，设备包括恒温培养箱、扫描仪、计算机，以及于计算机CPU安装的细菌生长监测处理系统，所述恒温培养箱内装有通过数据线和集线器与计算机连接的若干个扫描仪，每个扫描仪内安放有若干培养皿；于所述计算机CPU安装的细菌生长监测系统，由图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、结果呈现模块组成。本发明监测方法通过扫描仪获得菌落大小和像素面积的一致性，进而得到细菌生长情况，相比于传统通过分光光度计的方法测细菌量，该方法大大减少了系统误差和偶然误差；本发明监测方法不仅可以应用于细菌计数，细菌分离和鉴定。还可以用作混合样品检测，高通量筛选质粒抑制剂等，并且具有微生物成像的功能。

Description

一种监测细菌生长的设备及监测方法
技术领域
本发明属于生化技术领域，涉及一种细菌监测技术，具体涉及一种监测细菌生长的设备及监测方法。
背景技术
掌握细菌的生长规律和分离鉴定方法，对于研究细菌生理和生产实践具有重要指导意义。例如在生产中选择适当的菌种、菌龄、培养基以缩短迟缓期；在无菌制剂和输液的制备中就要把灭菌工序安排在迟缓期以减少热原的污染；在实验室工作中，应尽量采用处于对数期的细菌作为实验材料；在发酵工业中，为了得到更多的代谢产物，可适当调控和延长稳定期；芽孢在衰退期成熟，有利于菌种的保藏。目前，实验室常用的研究方法为比浊法，该方法使用的仪器为全自动酶标仪，只能测量某一时刻菌液浓度，而这样研究细菌生长曲线需要固定时间间隔去测量。这种方法繁琐，科研人员的工作量大大增加，而且测量结果还有一定的系统误差。如果细菌的生长速度较缓，这种方法费时费力的弊端就会更加显著。
此外，目前研究细菌生长情况往往是针对一种细菌，而在同一个培养系统中同时研究两种不同生长特点的细菌的方法还处于探索阶段。在细菌鉴定方面，常用选择鉴别培养基和应用PCR的方法进行鉴定。虽然方法准确可靠，但选择培养基无法鉴别选择同类的细菌，PCR技术又需要大量耗材，工作量大。在细菌计数方面，如果每个培养基上面长有200CFU左右菌落，而需要同时计数多个培养基上面的菌落，则需要人工去数，极易出现失误。
发明内容
为了克服现有细菌生长监测技术上存在的缺点与不足，本发明的目的是提供一种监测细菌生长的设备及监测方法，通过细菌监测系统控制扫描仪，实时扫描培养基细菌群落生长图像，跟踪采集每一个培养基群落大小的变化情况，并加以处理、分析、及图像呈现，解决了现有监测细菌技术存在的上述问题。
本发明提供的一种监测细菌生长的设备，所采用的技术方案是，设备包括恒温培养箱、扫描仪、计算机，以及于计算机CPU安装的细菌生长监测处理系统，所述恒温培养箱内装有通过数据线和集线器与计算机连接的若干个扫描仪，每个扫描仪内安放有若干培养皿；
于所述计算机CPU安装的细菌生长监测系统，由图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、结果呈现模块组成。
本发明所述的监测细菌生长的设备，其特征还在于，
所述的图像采集模块包括一个用来扫描培养皿并保存图片的图片扫描单元和一个用来控制扫描的次数、间隔时间、保存目录的条件控制单元；
所述的图像处理模块包括一个用来导入待处理一组或多组图片的图片导入单元，一个用来确定分析区域，清楚和纳入可疑菌落的图片修饰单元，一个用来分析菌落大小变化规律的图片分析单元；
所述的结果呈现模块包括一个生成细菌生长曲线图、死亡图的曲线图生成单元，一个研究细菌在某时间段内长出菌落个数、频率的频率图生成单元，一个生成细菌生长热点，研究细菌生长分布状况的热点图生成单元，一个呈现菌落的总数，细菌生长时间的中值、标准差的统计图生成单元，以及能够够生成细菌生长动画，展现菌落生长先后顺序的动画生成单元；
所述的扫描仪内设有一个安放培养皿的固定板，于固定板面均匀布设安放培养皿的安放孔，每个培养皿上蒙有一块用来成像的黑布。
本发明还提供了一种用于监测细菌生长的设备的监测方法，该监测方法是：使用与计算机连接、放置在恒温培养箱的扫描仪，对扫描仪固定板安放孔中培养皿内菌液按照程序要求和设定参数进行实时扫描，生成菌液图像，使用细菌生长监测处理系统对扫描仪生成图像进行采集和图像处理；
该监测方法具体执行步骤如下：
步骤一：接通电源，分别打开计算机和扫描仪；
步骤二：将菌液均匀涂布在培养皿上，在培养皿上蒙上黑布，盖好培养皿盖子，然后将培养皿放在扫描仪上固定板的安放孔中，再盖上扫描仪盖板；
步骤三：使用图像采集模块，按监测要求设置培养基扫描次数，扫描间隔时间，图片储存目录等参数，开始自动扫描并在计算机中储存扫描图片；
步骤四：使用图像处理模块，设置图像分析区域，对按照扫描时间依次排列的图像序列进行分割，得到各个培养基在相应时间序列处的图像分析区域；
步骤五：使用图像分析模块，对图像分析区域进行灰度二值化处理，针对每一个培养基对应的经过二值化处理的图像序列，作连通区域分析，值为“0”的连通区域被确定为群落，把此连通区域的像素面积计作群落大小；
步骤六：使用图像分析模块，针对每一个培养基，按照扫描的时间顺序，跟踪每一个群落大小在图像分析区域中的像素位置，并进行编号；
骤七：使用结果呈现模块，对整个时间序列上编号相同的群落，跟踪群落大小的变化情况，以确定群落的出现，生长，停滞和死亡的时间点，进一步得到生长曲线图、生长频率频数图、死亡曲线图及热点图。
本发明监测细菌生长的设备自动化程度高，用户可以人为控制扫描次数和时间，自动化扫描直到扫描完成，无需用户再次进行操作；
本发明的监测方法准确性和精确性高，该方法可以通过扫描仪获得菌落大小和像素面积的一致性，进而得到细菌生长情况，方法科学有效，相比于传统通过分光光度计的方法测细菌量，该方法大大减少了系统误差和偶然误差；
本发明监测细菌生长的设备及监测方法，可广泛用于多项科学研究，不仅可以应用于细菌计数，细菌分离和鉴定。还可以用作混合样品检测，高通量筛选质粒抑制剂等，并且具有微生物成像的功能。
附图说明
图1是本发明监测细菌生长的设备结构示意图；
图2a、图2b是本发明扫描仪培养皿安放固定示意图；
图3a、图3b是本发明的设备监测系统结构原理图；
图4是本发明监测方法的工作流程图；
图5是本发明监测方法导入图片单元界面图；
图6是本发明监测方法细菌生长曲线图；
图7是本发明监测方法细菌死亡曲线图；
图8是本发明监测方法菌落频率频数分布图；
图9是本发明监测方法细菌生长分布热点图；
图10是本发明监测方法菌落生物统计图。
图中，1.恒温培养箱，2.扫描仪，3.计算机，4.细菌生长监测处理系统，5.培养皿，6.图像采集模块，7.图像处理分析模块，8.结果呈现模块，9.显示器，10.固定板，11.安放孔，12.黑布，61图片扫描单元，62.条件控制单元 71.图片导入单元，72.图片修饰单元，73.图片分析单元，81.曲线图生成单元，82.频率图生成单元，83.热点图生成单元，84.统计图生成单元，85动画生成单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种监测细菌生长的设备，如图1所示，包括恒温培养箱1、扫描仪2、计算机3，以及于计算机3CPU安装的细菌生长监测处理系统4，所述恒温培养箱1内装有通过数据线和集线器与计算机3连接的若干个扫描仪2，每个扫描仪2内安放有若干培养皿5。
如图2a和图2b所示，本发明监测细菌生长的设备扫描仪2内设有一个安放培养皿5的固定板10，于固定板10面均匀布设安放培养皿5的安放孔11，每个培养皿5上蒙有一块用来成像的黑布12。
如图3a所示，于所述计算机3CPU安装的细菌生长监测系统4，由图像采集模块6、图像处理分析模块7、结果呈现模块8组成。
如图3b所示，本发明的图像采集模块6包括一个用来扫描培养皿并保存图片的图片扫描单元61和一个用来控制扫描的次数、间隔时间、保存目录的条件控制单元62；条件控制单元62：能够设定扫描仪的扫描重复次数、相邻两次扫描时间间隔时间，该单元能够自动显示扫描结束时间，可设定图片储存地址，控制扫描仪扫描图片。
本发明监测方法的工作流程如图4所示。
本发明的图像处理分析模块7包括一个用来导入待处理一组或多组图片的图片导入单元71，可以导入待处理的一组或多组图片；一个用来确定分析区域，清楚和纳入可疑菌落的图片修饰单元72，一个用来分析菌落大小变化规律的图片分析单元73，它可单独分析一个培养皿上细菌生长情况，也可将多个培养皿分组进行分析。
本发明的结果呈现模块8包括一个生成细菌生长曲线图、死亡图的曲线图生成单元81，它可用来研究细菌生长曲线、细菌死亡曲线，可观察不同菌落的生长状况，以及处理区域的总菌落数；
本发明的结果呈现模块8还包括一个研究细菌在某时间段内长出菌落个数、频率的频率图生成单元82，可展示单个培养基处理区域中所有菌落的频率图；
本发明的结果呈现模块8还包括一个生成细菌生长热点，研究细菌生长分布状况的热点图生成单元83，热点图生成单元83输出热点图，用来研究细菌生长分布情况。
本发明的结果呈现模块8还包括一个呈现菌落的总数，细菌生长时间的中值、标准差的统计图生成单元84；通过统计图生成单元84，对数据整合分析，用来呈现处理对象菌落的总数，细菌生长时间的中值，标准差，标准误等。
本发明的结果呈现模块8还包括一个能够生成细菌生长动画，展现菌落生长先后顺序的动画生成单元85；通过动画生成单元85生成的生长动画，动态展示不同菌落形成过程，清晰展现不同菌落在培养基上长出的先后顺序。
本发明监测细菌生长的设备的监测方法是：使用与计算机3连接、放置在恒温培养箱1的扫描仪2，对扫描仪2固定板10安放孔11中培养皿5内菌液按照程序要求和设定参数进行实时扫描，生成菌液图像，使用细菌生长监测处理系统4对扫描仪生成图像进行采集和图像处理，
该监测方法具体执行步骤如下：
步骤一：接通电源，分别打开计算机和扫描仪；
步骤二：将菌液均匀涂布在培养皿5上，在培养皿5上蒙上黑布12，盖好培养皿盖子，然后将培养皿5放在扫描仪2上固定板10的安放孔11中，再盖上扫描仪2盖板；
步骤三：使用图像采集模块6，按监测要求设置培养基扫描次数，扫描间隔时间，图片储存目录等参数，开始自动扫描并在计算机中储存扫描图片；
步骤四：使用图像处理分析模块7，设置图像分析区域，对按照扫描时间依次排列的图像序列进行分割，得到各个培养基在相应时间序列处的图像分析区域；
步骤五：使用图像处理分析模块7，对图像分析区域进行灰度二值化处理，针对每一个培养基对应的经过二值化处理的图像序列，作连通区域分析，值为“0”的连通区域被确定为群落，把此连通区域的像素面积计作群落大小；
步骤六：使用图像处理分析模块7，针对每一个培养基，按照扫描的时间顺序，跟踪每一个群落大小在图像分析区域中的像素位置，并进行编号，每个时间点上位置相近的群落认为是同一群落，共享相同的编号。
步骤七：使用结果呈现模块8，对整个时间序列上编号相同的群落，跟踪群落大小的变化情况，以确定群落的出现，生长，停滞和死亡的时间点，进一步得到生长曲线图、生长频率频数图、死亡曲线图及热点图。
实施例
本发明实施例中采用的监测细菌生长的设备，将恒温培养箱1内不分为上中下三层，每一层并排放置两台扫描仪2，将每台扫描仪2与计算机3连接，本实施例中采用的扫描仪型号为Epson PerfectionV330photo，为办公常用扫描仪，19mm景深，4600万像素每平方英寸实物/影像扫描，48位RGB真色彩图像展示。
本发明监测时将待监测的菌液涂布在培养皿5上，然后在培养皿5上盖上一层圆形尼龙黑布12，黑布12作为背景光便于产生色差，提高软件分辨率；然后再将培养皿5放置在扫描仪2的凹槽固定板10安放孔11中，盖上扫描仪2上盖板，按照设定程序分别对恒温培养箱1内6个扫描仪2中各个培养皿5进行实时扫描，实时采集图片并保存到计算机安装的细菌生长监测处理系统4中，等待监测数据的分析处理。
本发明监测方法监测的细菌在琼脂培养基上培养，其单菌落面积大小与像素大小成正比，研究像素面积大小反映细菌生长速度快慢，进而得到细菌生长情况。不同细菌在相同环境作用下生长速度不同，而同一细菌在不同环境作用下生长速度亦不同。
当需要分析已完成扫描的图片时，通过设置导入该扫描仪2所扫描的图片所在目录后，出现附图5；此时通过点击鼠标左键将六个五点定位法得到的圆圈放在6个培养皿5所在位置，使之重合，即可分别对相应圆圈内的细菌进行分析。
在图5的图片单元界面中选定待处理时间区域后，点击图5中DataAnalysis/plot任务标识，在弹出的小界面上点击细菌生长曲线图标识，随即计算机3显示器9中显示该细菌生长曲线图，如图6所示，该细菌生长曲线图代表该培养皿5在这个时间有细菌生长出来，且右边生长曲线和左边每个菌落一一对应。生长曲线图表示菌落面积从小变大的一个过程。纵坐标越高，表示该菌落面积越大。鼠标左击图6上方的功能键，以此可实现放大界面、缩小界面、调节培养基底色，调整菌落颜色，标记菌落，除去杂菌，纳入可疑菌以及保存的目的；通过单击鼠标左键，选定某菌落，右侧凸现该菌落所对应的生长曲线。反之，单击右侧某生长曲线，即可锁定左侧某一菌落。
同上，点击图5中Data Analysis/plot任务标识，在弹出的小界面上点击细菌死亡曲线图标识，随即计算机3显示器9中显示该培养皿5细菌死亡曲线图，如图7所示，该培养皿5细菌死亡曲线图反映了一个菌落死亡/存活情况。当培养皿5上未有细菌生长出来时，其细菌生长快，增长率为1。随着菌落在培养皿上长出，细菌在生长的同时伴随着死亡，增长率逐渐减小。
同样，在图5中选定待处理时间区域后，点击图5中DataAnalysis/plot任务标识，在弹出的小界面上点击菌落频率频数分布图标识，随即计算机3显示器9中显示该菌落频率频数分布图，如图8所示，该菌落频率频数分布图的柱形图，即代表在该时间有细菌生长出来，纵坐标越高，表示该时间生长出来的菌落数越多；频率频数图有三种模式，分别为柱状图模式、曲线图模式、柱状图+曲线图模式。使用计算机鼠标左键单击选中目标时间区域，即可展示该区域内生长的菌落数；鼠标左键单击图8右上角三个图标，得到不同模式的频率频数图。
为本发明监测方法细菌生长分布热点图，如图9所示，在图5中选定待处理时间区域，点击图5中Data Analysis/plot任务标识，在弹出的小界面上点击细菌生长分布热点图标识后，计算机3显示器9中出现该细菌生长分布热点图，图9可以用来研究细菌分布情况；该图由不同环形线框形成，内部的环形线框生长频率高，即表示在该时间生长出来菌落多。不同环形线框所代表的频率可在右纵坐标查找，圆圈的颜色即表右侧纵坐标上相同颜色所对应的频率。(图9的原图为彩色图片。)
在图5中选定待处理时间区域后，点击图5中Data Analysis/plot任务标识，在弹出的小界面上点击菌落生物统计图标识，随即计算机3显示器9中出现一长方形菌落生物统计图，如图10所示。当显示器9中出现此图时，是对菌落数据的整合呈现，用来呈现处理培养皿5内菌落的总数，细菌生长时间的中值，标准差，标准误等。
上述实施方式只是本发明的一个实例，不是用来限制发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。

Claims (4)

1.一种监测细菌生长的设备，其特征在于，包括恒温培养箱(1)、扫描仪(2)、计算机(3)，以及于计算机(3)CPU安装的细菌生长监测处理系统(4)，所述恒温培养箱(1)内装有通过数据线和集线器与计算机(3)连接的若干个扫描仪(2)，每个扫描仪(2)内安放有若干培养皿(5)；
于所述计算机(3)CPU安装的细菌生长监测系统(4)，由图像采集模块(6)、图像处理分析模块(7)、结果呈现模块(8)组成。
2.根据权利要求1所述的监测细菌生长的设备，其特征在于，所述的图像采集模块(6)包括一个用来扫描培养皿并保存图片的图片扫描单元(61)和一个用来控制扫描的次数、间隔时间、保存目录的条件控制单元(62)；
所述的图像处理分析模块(7)包括一个用来导入待处理一组或多组图片的图片导入单元(71)，一个用来确定分析区域，清楚和纳入可疑菌落的图片修饰单元(72)，一个用来分析菌落大小变化规律的图片分析单元(73)；
所述的结果呈现模块(8)包括一个生成细菌生长曲线图、死亡图的曲线图生成单元(81)，一个研究细菌在某时间段内长出菌落个数、频率的频率图生成单元(82)，一个生成细菌生长热点，研究细菌生长分布状况的热点图生成单元(83)，一个呈现菌落的总数，细菌生长时间的中值、标准差的统计图生成单元(84)，以及能够够生成细菌生长动画，展现菌落生长先后顺序的动画生成单元(85)。
3.根据权利要求1所述的监测细菌生长的设备，其特征在于，所述的扫描仪(2)内设有一个安放培养皿(5)的固定板(10)，于固定板(10)面均匀布设安放培养皿(5)的安放孔(11)，每个培养皿(5) 上蒙有一块用来成像的黑布(12)。
4.一种用于权利要求1所述监测细菌生长的设备的监测方法，其特征在于，该监测方法是：使用与计算机(3)连接、放置在恒温培养箱(1)的扫描仪(2)，对扫描仪(2)固定板(10)安放孔(11)中培养皿(5)内菌液按照程序要求和设定参数进行实时扫描，生成菌液图像，使用细菌生长监测处理系统(4)对扫描仪生成图像进行采集和图像处理；
该监测方法具体执行步骤如下：
步骤一：接通电源，分别打开计算机和扫描仪；
步骤二：将菌液均匀涂布在培养皿(5)上，在培养皿(5)上蒙上黑布(12)，盖好培养皿盖子，然后将培养皿(5)放在扫描仪(2)上固定板(10)的安放孔(11)中，再盖上扫描仪(2)盖板；
步骤三：使用图像采集模块(6)，按监测要求设置培养基扫描次数，扫描间隔时间，图片储存目录等参数，开始自动扫描并在计算机中储存扫描图片；
步骤四：使用图像处理分析模块(7)，设置图像分析区域，对按照扫描时间依次排列的图像序列进行分割，得到各个培养基在相应时间序列处的图像分析区域；
步骤五：使用图像处理分析模块(7)，对图像分析区域进行灰度二值化处理，针对每一个培养基对应的经过二值化处理的图像序列，作连通区域分析，值为“0”的连通区域被确定为群落，把此连通区域的像素面积计作群落大小；
步骤六：使用图像处理分析模块(7)，针对每一个培养基，按照扫描的时间顺序，跟踪每一个群落大小在图像分析区域中的像素位置，并进行编号；
步骤七：使用结果呈现模块(8)，对整个时间序列上编号相同的 群落，跟踪群落大小的变化情况，以确定群落的出现，生长，停滞和死亡的时间点，进一步得到生长曲线图、生长频率频数图、死亡曲线图及热点图。
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