CN111474361A - 一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置 - Google Patents

一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，包括电源模块、光源驱动模块、光学检测模块、多光谱探测模块、CPU信号处理模块和显示存储和通信模块；光源驱动模块采用电流调制方式对光源进行强度调制，CPU信号处理模块根据不同的试纸条背景光反射调节占空比进行光强调节和补偿；光学检测模块将调制过的光入射到待检测试纸条上，并通过45°接收角将C线和T线反射光或者荧光引导至多光谱探测模块；本发明采用低成本的Cortex‑M内核单片机完成信号运算和处理，省去了大像素的图像传感器，采用集成滤波片方式，体积小、成本低，采用测量波长与参考波长比率算法提高了系统的测量精度，且能够适用于胶体金试纸条和免疫荧光试纸条两种检测。

Description

一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置
技术领域
本发明涉及生物医学快速定量检测技术领域，具体为一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置。
背景技术
荧光免疫层析技术和胶体金技术是医学中常用的两种标记技术。荧光免疫层析技术是将含有待测抗原(抗体)的样品滴在加样区，待测样品中的抗原(抗体)与结合垫中的具有特异激发波长和发射波长的荧光素、稀土材料或量子点材料标记的抗体(抗原)结合并通过毛细作用向前层析，待测样本在T线上与发生固定的抗体(抗原)免疫反应，形成微粒-抗体-抗原-抗体夹心复合物并被固定在T线上，而多余的荧光示踪物继续向前层析，与固定在C控线的二抗免疫结合。反应结束后，通过免疫层析法的竞争法和夹心法测试出被测物的浓度。该方法具有低成本、灵敏度高、特异性强、稳定性好等优点，已经广泛应用于食品安检、临床医学、科学研究中检测抗原、抗体、蛋白、病毒、微生物、药物、重金属、化合物等场合。胶体金技术是以胶体金作为示踪标志物，基于抗原抗体结合反应的一种新型免疫标记技术，具有低成本、灵敏度高、易操作、特异性强、稳定性好等优点，已经广泛应用于食品安检、临床医学、科学研究中检测抗原、抗体、蛋白、病毒、微生物、药物、重金属、化合物等场合。
特别是2020年1月以来，随着全球新冠病毒确诊病例爆发式的增长，荧光免疫层析试剂条和胶体金试剂条已经广泛应用于新冠病毒抗体筛查，对核酸法检测起到了有力的辅助诊断和补充作用。目前，对于免疫层析试纸条定量检测主要有以下两种方式：
1、基于图像处理算法的检测方法：该方法在一定的光源(如:半导体激光器、白光LED、紫外LED等)的作用下，使得胶体金示踪物反射可见光或荧光材料示踪物激发出荧光等可被检测的信号，采用CCD相机或者CMOS相机获取到免疫层析试剂条图像后，利用先进的图像处理硬件支持平台(如申请号为CN109900894A、CN107255712A及CN105181959A的采用智能手机为控制算法平台，也有CN110596368A和CN208818644U等采用计算机平台)对获取得到的图像进行去噪、图像分割、特征量提取、灰度计算，最后根据标定好的灰度曲线关系实现抗体或抗原浓度的反演。该方法主要依赖于科学光源照明系统、精密光学成像系统设计、相机像素性能、图像处理算法及支持复杂图像处理的处理器平台，一般选择基于DSP处理器或者通用计算机来完成复杂图像处理计算，存在设备成本高、体积大、算法复杂、易受到环境光和杂散光影响等不足。
2、基于光学传感器的检测方法：该方法同样需要外部光源(如激光器或LED光源)对胶体金颗粒、荧光素、稀土元素或量子点示踪物进行激发，通过光电传感器或者光热传感器将光强度转换为电压(如公开号为CN 109900892A采用光电倍增管，公开号为CN109085352A、CN 109752537A、CN 109765363A、CN208076398U等采用光敏二极管或光敏电阻)，通过采集、分析这些参数建立抗原抗体浓度与相应电压或者温度参数的定量关系，实现免疫层析试纸的定量检测。该方法可以通过低成本的光电探测器实现高精度的免疫层析定量检测，并且数据处理和运算平台要求低，还通过有线或者无线进行数据互联和共享，可以实现低成本、便携式、高精度的测量。为了提高系统检测的灵敏度和抑制环境光和杂散光的干扰，大多采用了多个凸透镜、多个滤光片及二色镜组成复杂光学系统，光路设计复杂，易受到激发光源、环境光源及背景光等各种光源的干扰，同时采用单一广谱探测器的光强参数进行浓度反演，其检测结果的稳定性和灵敏度方面仍存在一定的问题。
基于此，本发明设计了一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，解决了现有免疫层析试纸条定量检测中高成本、复杂光学设计、不易携带、计算复杂、易受到干扰、测量精度低等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，包括电源模块、光源驱动模块、光学检测模块、多光谱探测模块、CPU信号处理模块和显示存储和通信模块；
所述电源模块为光源驱动模块、多光谱探测模块、CPU信号处理模块、显示存储和通信模块供电；
所述光源驱动模块采用电流调制方式对光源进行强度调制，所述CPU信号处理模块根据不同的试纸条背景光反射调节占空比进行光强调节和补偿；
所述光学检测模块将调制过的光入射到待检测试纸条上，并通过45°接收角将C线和T线反射光引导至多光谱探测模块；
所述CPU信号处理模块与光源驱动模块相连，用于产生调制信号，并且获取多光谱探测模块输出信号，对多光谱信号进行数字小波滤波、快速傅里叶变换、特征量提取、浓度反演，同时将结果传送至显示存储和通信模块，进行结果显示、存储以及通信。
优选的，所述光源驱动模块为白光光源驱动模块，所述白光光源驱动模块为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，两个独立的光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用低成本的白光LED。
优选的，所述光源驱动模块为激发光源驱动模块，所述的激发光源驱动模块为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，两个独立的激发光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用波长在300-400nm之间的低成本紫外LED，其发散角为60°。
优选的，所述光学检测模块集成了光发射和光反射导光孔，所述光源驱动模块中的两个独立光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，两个反射导光孔分别与入射光成45°。
优选的，所述多光谱探测模块由具有多种不同波长增透特性的光电探测器阵列构成，采用中心波长分别为465nm、525nm及615nm，带宽为20nm的滤波片构成的CCD探测阵列，采用每个波长通道均由3个像元构成。
优选的，所述CPU信号处理模块为Cortex-M内核单片机STM32F405，所述CPU信号处理模块与光源驱动模块相连，用于产生调制信号，所述CPU信号处理模块获取多光谱探测模块的多光谱输出信号，经过在CPU中经过一系列运算后将结果传送至所述的显示存储和通信模块，进行结果显示、存储以及通信。
优选的，所述装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入胶体金试纸条后，启动检测，所述CPU信号处理模块5产生调制信号驱动白光光源驱动模块，调制后的出射光信号入射到胶体金试剂条的C线和T线，反射光信号被多光谱探测模块转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；
步骤二、首先在MATLAB中对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度，分块卷积可以减小计算量，提高计算速率；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm及615nm与参考波长的特征量比值参量；
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系得到胶体金定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至所述的显示存储和通信模块，进行结果显示、存储以及通信。
优选的，所述装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入免疫荧光试纸条后，启动检测，所述CPU信号处理模块产生调制信号驱动所述的激发光源驱动模块，调制后的出射光信号入射到荧光免疫层析试剂条的C线和T线后，荧光素、稀土材料或量子点等标记物后被激发光源激发后，辐射出荧光信号被多光谱探测模块转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；免疫荧光试纸条采用三种不同荧光光谱波长进行标记，其中将固定在C线和T线上的荧光波长为465nm作为参考波长，而将激发波长为525nm和615nm的作为抗原或抗体标记物；
步骤二、首先将CPU获取到的多光谱信号通过通信接口方式将数据传输至计算机中，利用MATLAB软件采用小波滤波算法对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度，分块卷积可以减小计算量，提高计算速率；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm和615nm与参考波长的特征量比值参量；
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均运算，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系得到荧光免疫层析试纸定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至所述的显示存储和通信模块，进行结果显示、存储以及通信。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与现有采用图像处理方法的装置相比，本申请技术方案不需要运算性能强大的CPU或者DSP硬件平台的支持，采用低成本的Cortex-M内核单片机集成的DSP内核完成信号运算和处理；同时省去了大像素的图像传感器，替代的是多光谱探测像元阵列传感器，并采用集成滤波片方式，体积小、成本低，采用参考波长与测量波长比率算法提高了系统的测量精度。
2、与现有的光学传感器的检测方法装置相比，本发明采用光调制与解调技术，不需增加背景光采集通道，能够有效的抑制试纸条和环境光背景的干扰，同时采用数字滤波、多特征量提取算法，进一步提高了检测精度和稳定性，且能够适用于胶体金和荧光两种检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构框图；
图2为本发明检测流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，本发明提供一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置技术方案：包括电源模块1、光源驱动模块2、光学检测模块3、多光谱探测模块4、CPU信号处理模块5和显示存储和通信模块6；
电源模块1为光源驱动模块2、多光谱探测模块4、CPU信号处理模块5、显示存储和通信模块6供电；
光源驱动模块2采用电流调制方式对光源进行强度调制，CPU信号处理模块5根据不同的试纸条背景光反射调节占空比进行光强调节和补偿；
光学检测模块3将调制过的光入射到待检测试纸条上，并通过45°接收角将C线和T线反射光引导至多光谱探测模块4；
CPU信号处理模块5与光源驱动模块2相连，用于产生调制信号，并且获取多光谱探测模块4输出信号，对多光谱信号进行数字小波滤波、快速傅里叶变换、特征量提取、浓度反演，同时将结果传送至显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信。
其中，光源驱动模块2为白光光源驱动模块，白光光源驱动模块2为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，但又不限于此，两个独立的光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用低成本的白光LED，但又不限于此。
其中，光学检测模块3集成了光发射和光反射导光孔，为了提高检测灵敏度和缩短检测时间，光源驱动模块2中的两个独立光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，两个反射导光孔分别与入射光成45°，提高了反射光信号的接收效率。
其中，多光谱探测模块4由具有多种不同波长增透特性的光电探测器阵列构成，采用中心波长分别为465nm、525nm及615nm，带宽为20nm的滤波片构成的CCD探测阵列，采用每个波长通道均由3个像元构成，但又不限于此。
其中，CPU信号处理模块5为低成本集成DSP运算能力的片上系统单片机，如Cortex-M内核单片机STM32F405，但又不限于此，CPU信号处理模块5与光源驱动模块2相连，用于产生调制信号，CPU信号处理模块5获取多光谱探测模块3的多光谱输出信号，经过在CPU中经过一系列运算后将结果传送至的显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信。
装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入胶体金试纸条后，启动检测，CPU信号处理模块5产生调制信号驱动白光光源驱动模块2，调制后的出射光信号入射到胶体金试剂条的C线和T线，反射光信号被多光谱探测模块3转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；
步骤二、首先在MATLAB中对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，方波调制为例，调制方波信号可以表示为基频的一系列谐波信号的叠加，即
Figure BDA0002506863080000081
其中ω基频，A为幅度常数，Iin为输入光强，
方波信号的拉普拉斯变换为：
Figure BDA0002506863080000082
那么传感器的输出信号可以通过传递函数表示为：
Figure BDA0002506863080000083
将上式进行部分分式扩展，并假定传递函数为负数，对上式进行反拉普拉斯变换，那么时域输出可以表示为，
Figure BDA0002506863080000084
其中|G(i(2n-1)ω)|，表示相应频率的幅度值，即为信号特征量，在CPU内部采用DSP内核进行快速傅里叶变换可以求得频谱信号
提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm及615nm与参考波长的特征量比值参量，即
Figure BDA0002506863080000085
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系，即
IC＝常数，通过IT/IC的比值进行强度反演，
其中IC为C线的平均强度，IT为T线的平均强度，得到胶体金定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至的显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信，CPU信号处理模块5为意法半导体STM32F405，其自带的12位高速数模转换器用于产生调制信号。
显示存储和通信模块6中采用液晶显示屏显示测试结果，并将数据存储在外部的SPI口Flash存储器中，测量结果通过蓝牙、USB口、WIFI等方式传输至终端，如手机、平板等移动终端，CPU信号处理模块5上还连接显示存储和通信模块6，用于将检测信息发送到接收终端。
实施例2
请参阅图1-2，本发明提供一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置技术方案：包括电源模块1、光源驱动模块2、光学检测模块3、多光谱探测模块4、CPU信号处理模块5和显示存储和通信模块6；
电源模块1为光源驱动模块2、多光谱探测模块4、CPU信号处理模块5、显示存储和通信模块6供电；
光源驱动模块2采用电流调制方式对光源进行强度调制，CPU信号处理模块5根据不同的试纸条背景光反射调节占空比进行光强调节和补偿；
光学检测模块3将调制过的光入射到待检测试纸条上，并通过45°接收角将C线和T线反射光引导至多光谱探测模块4；
CPU信号处理模块5与光源驱动模块2相连，用于产生调制信号，并且获取多光谱探测模块4输出信号，对多光谱信号进行数字小波滤波、快速傅里叶变换、特征量提取、浓度反演，同时将结果传送至显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信。
其中，光源驱动模块2为激发光源驱动模块，的激发光源驱动模块2为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，但又不限于此，两个独立的激发光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用波长在300-400nm之间的低成本紫外LED，其发散角为60°，但又不限于此。
其中，光学检测模块3集成了光发射和光反射导光孔，为了提高检测灵敏度和缩短检测时间，光源驱动模块2中的两个独立光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，两个反射导光孔分别与入射光成45°，提高了反射光信号的接收效率。
其中，多光谱探测模块4由具有多种不同波长增透特性的光电探测器阵列构成，采用中心波长分别为465nm、525nm及615nm，带宽为20nm的滤波片构成的CCD探测阵列，为了提高探测效率，采用每个通道均由3个像元构成，共计3×3个像元，多光谱探测为3个以上窄带探测光谱区域，但又不限于此。
其中，CPU信号处理模块5为低成本集成DSP运算能力的片上系统单片机，如Cortex-M内核单片机STM32F405，但又不限于此，CPU信号处理模块5与光源驱动模块2相连，用于产生调制信号，CPU信号处理模块5获取多光谱探测模块3的多光谱输出信号，经过在CPU中经过一系列运算后将结果传送至的显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信。
装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入免疫荧光试纸条后，启动检测，CPU信号处理模块5产生调制信号驱动的激发光源驱动模块2，调制后的出射光信号入射到荧光免疫层析试剂条的C线和T线后，荧光素、稀土材料或量子点等标记物后被激发光源激发后，辐射出荧光信号被多光谱探测模块3转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；免疫荧光试纸条采用三种不同荧光光谱波长进行标记，其中将固定在C线和T线上的荧光波长为465nm作为参考波长，而将激发波长为525nm和615nm的作为抗原或抗体标记物；
步骤二、首先将CPU获取到的多光谱信号通过通信接口方式将数据传输至计算机中，利用MATLAB软件采用小波滤波算法对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，方波调制为例，调制方波信号可以表示为基频的一系列谐波信号的叠加，即
Figure BDA0002506863080000111
其中ω基频，A为幅度常数，Iin为输入光强，
方波信号的拉普拉斯变换为：
Figure BDA0002506863080000112
那么传感器的输出信号可以通过传递函数表示为：
Figure BDA0002506863080000113
将上式进行部分分式扩展，并假定传递函数为负数，对上式进行反拉普拉斯变换，那么时域输出可以表示为，
Figure BDA0002506863080000114
其中|G(i(2n-1)ω)|，表示相应频率的幅度值，即为信号特征量，在CPU内部采用DSP内核进行快速傅里叶变换可以求得频谱信号
提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm及615nm与参考波长的特征量比值参量，即
Figure BDA0002506863080000115
提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm和615nm与参考波长的特征量比值参量；
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系，即
IC＝常数，通过IT/IC的比值进行强度反演，
其中IC为C线的平均强度，IT为T线的平均强度，得到荧光免疫层析定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至的显示存储和通信模块6，进行结果显示、存储以及通信，CPU信号处理模块5为意法半导体STM32F405，采用集成的DSP内核实现小波滤波的卷积运算、快速傅里叶变换运算，并通过自带的12位高速数模转换器用于产生调制信号。
显示存储和通信模块6中采用OLED液晶显示屏显示测试结果，并将数据存储在外部的SPI口Flash存储器中，同时测量结果通过蓝牙、USB口、WIFI等方式传输至终端，如手机、平板等移动终端。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：包括电源模块(1)、光源驱动模块(2)、光学检测模块(3)、多光谱探测模块(4)、CPU信号处理模块(5)和显示存储和通信模块(6)；
所述电源模块(1)为光源驱动模块(2)、多光谱探测模块(4)、CPU信号处理模块(5)、显示存储和通信模块(6)供电；
所述光源驱动模块(2)采用电流调制方式对光源进行强度调制，所述CPU信号处理模块(5)根据不同的试纸条背景光反射调节占空比进行光强调节和补偿；
所述光学检测模块(3)将调制过的光入射到待检测试纸条上，并通过45°接收角将C线和T线反射光或荧光引导至多光谱探测模块(4)；
所述CPU信号处理模块(5)与光源驱动模块(2)相连，用于产生调制信号，并且获取多光谱探测模块(4)输出信号，对多光谱信号进行数字小波滤波、快速傅里叶变换、特征量提取、浓度反演，同时将结果传送至显示存储和通信模块(6)，进行结果显示、存储以及通信。
2.根据权利要求1所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：所述光源驱动模块(2)为白光光源驱动模块，所述白光光源驱动模块为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，两个独立的光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用低成本的白光LED。
3.根据权利要求1所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：所述光源驱动模块(2)为激发光源驱动模块，所述的激发光源驱动模块为恒流源驱动模式，采用一定频率的调制信号对恒流源输出进行强度调制，驱动光源出光，调制信号采用方波信号、正弦波信号和三角波信号中的一种，两个独立的激发光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，光源采用波长在300-400nm之间的低成本紫外LED，其发散角为60°。
4.根据权利要求1所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：所述光学检测模块(3)集成了光发射和光反射导光孔，所述光源驱动模块(2)中的两个独立光源垂直安装在待检测试纸条的C线和T线正上方，两个反射导光孔分别与入射光成45°。
5.根据权利要求1所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：所述多光谱探测模块(4)由具有多种不同波长增透特性的光电探测器阵列构成，采用中心波长分别为465nm、525nm及615nm，带宽为20nm的滤波片构成的CCD探测阵列，采用每个波长通道均由3个像元构成。
6.根据权利要求1所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于：所述CPU信号处理模块(5)为Cortex-M内核单片机STM32F405，所述CPU信号处理模块(5)与光源驱动模块(2)相连，用于产生调制信号，所述CPU信号处理模块(5)获取多光谱探测模块(4)的多光谱输出信号，经过在CPU中经过一系列运算后将结果传送至所述的显示存储和通信模块(6)，进行结果显示、存储以及通信。
7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于，所述装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入胶体金试纸条后，启动检测，所述CPU信号处理模块(5)产生调制信号驱动白光光源驱动模块，调制后的出射光信号入射到胶体金试剂条的C线和T线，反射光信号被多光谱探测模块(4)转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；
步骤二、首先在MATLAB中对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm及615nm与参考波长的特征量比值参量；
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系得到胶体金定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至所述的显示存储和通信模块(6)，进行结果显示、存储以及通信。
8.根据权利要求1、3、4、5或6所述的一种多光谱调制的便携式免疫层析试纸条定量检测装置，其特征在于，所述装置定量检测包括以下步骤：
步骤一、插入免疫荧光试纸条后，启动检测，所述CPU信号处理模块(5)产生调制信号驱动所述的激发光源驱动模块(2)，调制后的出射光信号入射到荧光免疫层析试剂条的C线和T线后，荧光素、稀土材料或量子点等标记物被激发光源激发后，辐射出荧光信号被多光谱探测模块(4)转换为数字信号，最后由CPU读取到内部进行运算；免疫荧光试纸条采用三种不同荧光光谱波长进行标记，其中将固定在C线和T线上的荧光波长为465nm作为参考波长，而将激发波长为525nm和615nm的作为抗原或抗体标记物；
步骤二、首先将CPU获取到的多光谱信号通过通信接口方式将数据传输至计算机中，利用MATLAB软件采用小波滤波算法对多光谱信号进行模拟软阈值滤波处理，优化滤波器好参数后，将系数保存在CPU的内部，其次，将获取得到的多光谱信号与优化好的小波滤波系数做分块卷积运算，得到滤波后多光谱数据，小波滤波算法可以有效去除光源噪声和探测器噪声，提高探测灵敏度；
步骤三、对经过滤波后的多光谱信号进行数字解调，即采用快速傅里叶变换求得多光谱信号的频谱，提取基频、三次谐波成分、五次谐波成分及七次谐波成分的幅度值作为特征量，将465nm波长信号作为参考波长，求得测量波长525nm和615nm与参考波长的特征量比值参量；
步骤四、实验前，应标定好特征量比值参量与浓度曲线关系，并将标的系数存于内部Flash中，将实际测量特征量比值参量代入标定系数，并将各谐波结果进行求平均运算，分别得到C线和T线强度参量，根据试纸条C线与T线关系得到荧光免疫层析试纸定量检测最后结果；
步骤五、CPU将结果传送至所述的显示存储和通信模块(6)，进行结果显示、存储以及通信。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114441035A (zh) * 2021-12-31 2022-05-06 复旦大学 基于高速可调多色led光源的多光谱成像方法及装置
CN117054410A (zh) * 2023-10-12 2023-11-14 乐福思健康产业股份公司 一种胶体金免疫层析分析仪的检测方法

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