CN113984759A - 一种光学即时检测系统、体液玻片成晶与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学即时检测系统、体液玻片成晶与检测方法，该多用途光学即时检测盒系统包括：即时检测盒和内置智能自动图像识别与分析系统的智能终端；即时检测盒内置照明光源，设置放置待检测样品的带温湿控制的透明载物面板，以及两个正透镜和两个反射镜，可使手机等智能移动终端可固定在盒顶对样品进行成像分析。本发明实现对各种体液的即时现场检测，并提供对孕妇唾液玻片成晶图像进行定性定量智能识别与分析，准确确定孕妇孕娠状态、预测分娩时间的方法。

Description

一种光学即时检测系统、体液玻片成晶与检测方法

技术领域

本发明涉及采用图像检测分析方式对体液作生化分析技术领域，具体涉及一种光学即时检测系统、体液玻片成晶与检测方法。

背景技术

近年来，随着技术的发展，无论是生物医学的基础与临床研究，还是环境与食品安全监测，药物检测以及运动体能状态与代谢功能的监测，都迫切需要一种既轻巧便携，又简单方便，无须专业人员便可在有关现场，对各种各样参数指标进行快速即时检测，并具有可比得上实验室仪器精确度和分辨率，且可由患者等非专业人士自行采样并进行检测的智能设备与手段。尽管目前市面上已有好些可用于即时检验(POCT)的设备，但大部分是实验室台式仪器，不能带到有关现场，价格昂贵，且需要专业医务人员进行操作。一些公司也发展出各种以免疫金和免疫荧光技术为主的POCT仪器，可测量多种不同的免疫指标参数。这些仪器除个别少数手持式的之外，能够进行定量检测的，基本仍是台式仪器。此外其测定需要灵敏的传感器，检测试纸等还要事先进行前期修饰、表面处理和标记。而且每一个检测指标通常就要研发一种特定的检测条，导致研发及仪器和检测成本较高。而且，这些仪器基本都只能测定某种形式的参数指标，比如能测抗原抗体反应的，就不能进行细胞计数等其它检测等。包括先前发明的快速多通高灵敏度超微量微透镜成像免疫测定仪(ZL201610885630.0)，尽管比起其它的设备有着可在不用进行任何标记情况下测量各种抗原抗体反应且是便携式的优势，但因带有技术要求较高的自动对焦成像的高分辨率成像系统以及微电脑操作系统，对于患者自用的情况下，价格仍然偏高，不大适合于随便携带及进入千家万户来使用。很明显，这些技术和仪器仍不能达到用者在家里或有关检测现场POCT的整体要求。此外，要实现使用者自行采样与检测，较为理想的人体样品是唾液、指血、以及尿液。其中唾液以其非侵入性，可重复多次采样最为方便进行，且其所含有的蛋白、抗体及有关生物标记物与血浆相似，可对各种疾病及身体状态的诊断起重要作用。但其浓度偏低，对有关蛋白、抗体及生物标记物的检测通常需要高灵敏度的实验室仪器才能进行，虽然也有一些方法和设置是用女性唾液的结晶图案来判断排卵期，但仅是简单根据其是否存在羊齿型结晶定性确定是不是处于排卵期，而不能对其有关分子组成及身体状况等作判断甚至量化分析。且有关设备仅是简单提供肉眼观察唾液结晶，没有成像装置、更没有恒温恒湿装置确保结晶情况的稳定和标准化。所以怎样使得有关测定也可由患者自己进行POCT，作出不但定性而且定量的测定分析，是一个有待解决的问题。特别是对于孕妇来说，孕娠过程的孕娠状态如何，分娩时间能否准确预测，是每一个孕妇及其家庭都迫切关心的问题。但目前对这些问题的检测仅能通过孕妇在医院进行的有限几次超声测定对预产期作比较粗略的估计，不但全球95％的孕妇都没能在预产期进行正常分娩，而且更缺乏有一孕妇在家里经常性地对其孕娠状态进行评估，在临产前数周到一天对分娩时间作准确预测的方便手段。

因此，需要发展出真正可手持甚至放进口袋便携到各种检测现场，无须专业人士便可进行采样与操作使用，但却具有近似于实验室仪器的分辨率与准确性，且可测量各种形式的不同指标并能同时测量多个样品或指标的具有人工智能分析的技术仪器，以及以之对唾液、指血和尿液等样品进行POCT测定分析，特别是通过对体液如唾液有关玻片成晶图像的智能识别与分析，让孕妇在家里随时对孕娠状态与分娩时间作准确评测的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种既可用于测定各种抗原抗体反应，又可进行细胞智能识别计数、体液玻片成晶图像智能识别分析的多用途光学即时检测系统及体液玻片成晶与检测方法。本发明可将体液的化学检测转化为图像检测分析的现场检测方法，以及对孕妇唾液玻片成晶图像进行定性定量智能识别与分析，确定孕妇孕娠状态、预测分娩时间的方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种多用途光学即时检测系统，包括：即时检测盒和内置智能自动图像识别与分析系统的智能终端；即时检测盒的结构为一侧有一凹口的方形盒，即时检测盒带凹口一侧上部内置照明光源，其下部的表面设置用于放置待检测样品的带温控系统的透明载物面板，即时检测盒带凹口一侧的下部分从上到下内置正透镜A和反射镜A，反射镜A的反射面成45度面向正透镜A，照明光源、透明载物面板的中心、正透镜A和反射镜A在同一竖直光轴上；即时检测盒另一侧的上表面设置透明输出窗，即时检测盒另一侧从上到下内置正透镜B和反射镜B，反射镜B的反射面成45度面向正透镜B，透明输出窗、正透镜B和反射镜B在同一竖直光轴上；反射镜A和反射镜B在同一水平位置上，且反射镜A和反射镜B的反射面相对成90度；智能终端固定放置在即时检测盒的上表面，智能终端的摄像头对准透明输出窗。

优选地，正透镜A和正透镜B是单个镜片或者透镜组，正透镜A的等效焦距为0.5-5mm，正透镜B的等效焦距为20-30mm。

优选地，即时检测盒的上表面设置用于吸持固定智能终端的胶贴，照明光源为白色或单色光源，智能终端为智能手机或平板电脑。

一种体液玻片成晶方法，包括下述步骤：以微管或注射器抽取2-6μL无泡沫体液，在距透明玻片上方3-7mm高度垂直滴至玻片上，让其自然铺散在玻片上，或以微管或注射器尖使之平铺在玻片上，然后将玻片放置在权利要求1-5任一项所述的即时检测系统的透明载物面板上，通过其温湿控制系统设置在温度25-40℃、湿度30％-60％环境下干燥成晶≥10分钟，使之在预设标准条件下形成结晶形态和分布完整、清晰、稳定的成晶图像。

一种基于上述体液玻片成晶方法的体液化学检测分析方法，包括如下步骤:对体液快速玻片成晶，采用即时检测系统对体液的玻片成晶图案进行成像，然后采用智能终端内置的智能自动图像识别与分析系统对成晶图像进行特征结晶图像的智能识别与计数，并采用分形维数、纹理分析和晶枝夹角分析方法对成晶图像进行量化分析，以确定体液的成分结构、比例和分布。

优选地，所述的体液为人体及动物的体液，具体包括尿液、唾液、汗液、泪液、关节液、宫颈液、精液和羊水中的任意一种，其中，血液包括血浆和血清。

优选地，对成晶图像进行量化分析判断的方法包括：体液成晶图像中心含有大量正交枝晶和斜交枝晶的是主要成分为NaCl的含有糖蛋白的体液；成晶图像中枝晶的数量减少但分枝增粗，最外缘几乎变为立方状胞晶的是主要成分为KCl的含有糖蛋白的体液；成晶图像中枝晶占据的面域小，且枝晶薄和小，枝晶稀疏分布的为葡萄糖浓度过高的体液；成晶图案绝大部分为扇面状枝晶的为过碱体液；成晶图像中心含有大量正交枝晶和斜交枝晶，但边缘同时具有数目较多的细小枝晶的为过酸体液。

优选地，若体液为血液，则采用智能终端将血液样品的生化检测转化为图像检测包括采用智能终端对血液涂片进行成像及对预设种类细胞进行智能特征识别与计数。

若待检测样品为滴入体液的微透镜检测芯片，则采用智能终端将待检测样品的生化检测转化为图像检测包括采用智能终端对微透镜检测芯片图像在加入抗体前后的变化进行分析以确定其抗原含量的方法。

一种基于上述体液玻片成晶方法的分析预报孕妇分娩期的方法，对孕妇唾液进行玻片成晶，采用智能终端内置的智能自动图像识别与分析系统对成晶图像进行图像智能识别与分析，识别蕨类叶状枝晶、十字正交型枝晶、Y形枝晶，近圆形结晶、边缘空白区等特征图像事件是否出现，并计算纹理分析和分形维数F；最后结合纹理分析与分形维数F得到算式得分A和事件总得分B，根据算式得分A和事件总得分B计算距产前的天数。

优选地，结合纹理分析与分形维数F得到算式得分A和事件总得分B，根据算式得分A和事件总得分B计算距产前的天数，包括：

算式得分：A＝72.3×(F-1.63)，

事件得分B：出现：近圆形结晶得2分；边缘空白区得2分；

无出现：蕨状枝晶得3分、中央十字正交型枝晶得2分、间隙Y形枝晶得1分；

孕娠分娩期判据：若B＞7，产前天数＝1；

当3＜B≤7，且A＞3，或当B≤3，且A≤3，产前天数＝3；

当3＜B≤7，且A≤3，或B≤3，且A＞3，产前天数＝A。

将体液的生化检测转化为图像检测分析方法的工作原理是，体液含有各种蛋白、多肽、类酯、激素等有机及钠、钾、钙、钼等无机分子，各分子的成分和比例随人的身体状况变化而变化。

人体中含有各种成分复杂的体液，当处于不同的病理或生理状态时机体相关的分泌物成分如电解质等会发生相应的变化，从而导致体液的组成与正常或其它参照生理状态时有所差别。通过观察这些体液的玻片蒸发成晶图案，就可以初步判断体液的构成特别是电解质正常与否，进而推测并判断机体处于何种病理或生理状态。这里所述的玻片成晶，与一般的蒸发或冷冻结晶的情况不同，其体液的成晶是在玻片的表面基本成平面而不是立体结构成晶，通过采用合适的成晶方法和温度及湿度条件下，可产生清晰稳定、重复性好的成晶图案，适合于进行量化的图像分析。

唾液的玻片干燥成晶图像与其分子组成成分和比例密切相关。故通过分析唾液的成晶图样，可以判断这些分子的成分和比例。对于孕妇来说，有关生物化学指标特别是雌激素、电解质等随孕期变化，而且反映孕娠状态，并可预测分娩时间。这些生物化学指标的变化也导致其唾液结晶图样的变化。通过我们的研究所发现的唾液成晶特征图样与生物化学指标的变化关系，故可以有关图像智能识别与分析技术，识别出相关特征图样，并通过定量确定玻片成晶图样的纹理与分形维数，判断孕娠状态，可分别在孕妇临产前一周、三天及一天前准确预测分娩时间。具体来说，分形维数在分娩前2周开始逐渐减小，可作为孕妇处于产前两周的标志。且孕妇唾液的成晶图像出现蕨类叶状枝晶、十字正交形枝晶、Y形枝晶的比例下降，但出现圆形晶体及边缘空白区的比例升高等事件。利用这些图像表观特征，并结合纹理分析和分形维数可准确在产前一周、产前三天以及产前一天预测孕妇产期，准确率能够达到86.7％以上。

本发明的光学即时POCT检测盒(即时检测盒)，便于使用者可以之在有温度和湿度控制的标准条件下，简易方便地在家中或其它现场对各种样品，包括各种体液以各种不同款式的手机等智能终端快速进行成像观察。而本发明带有智能图像自动分析与显示系统的智能终端可对光学即时POCT检测盒所成的样品像进行高分辨率拍照成像，并进行各种类型的智能图像识别与分析，包括但不限于玻片成晶图像，细胞涂片成像，微透镜成像等。本发明的体液快速稳定玻片成晶的方法，可使体液样品在标准条件下在玻片上快速干燥成晶，适应进行定性定量图像识别与分析的要求。本发明的将体液的化学检测转化为图像检测分析的方法，是通过对体液玻片成晶的特征图像识别与分析，判断体液的成分如电解质等发生的相应变化。本发明的通过智能图像识别与分析方法对孕妇唾液的玻片成晶进行准确预测其分娩期的方法，是通过在标准条件下采用本发明的方法进行玻片成晶，获得稳定性重复性好的结晶情况下，以智能图像识别与分析方法定量分析计算孕妇的孕娠状态与预测孕妇产期。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1.光学即时POCT检测盒(即时检测盒)结构简单，体积小巧，可手持甚至放进口袋便携到各种训练现场进行POCT检测。且价格便宜，可进入千家万户使用。

2.光学即时POCT检测盒设计精巧，既有温度与湿度控制系统使得有关生化检测可在标准条件下进行，可放置各种样品玻片或带液体样品的微流控芯片进行检测，又通过两个反射镜和胶贴，可匹配使用各种类型的智能手机使用，且使得手机可平稳固定放置在盒顶进行检测，方便操作和观察图像显示。而不像某些以往的成像设备那样手机须有部分嵌进盒槽内，造成部分屏幕遮挡，影响操作与察看屏幕显示，且只能用于特定型号手机。

3.光学即时POCT检测盒结合智能手机成像与智能图像识别与分析系统，以及有关检测芯片，可用于进行体液成晶图像智能识别分析，细胞智能识别计数，各种抗原抗体反应检测等，用途广泛，操作简单，无须专业人员甚至患者均可自行操作。

4.光学即时POCT检测盒使得抗原抗体检测，细胞识别计数以及孕妇的孕娠状态，分娩时间预测等现时通常需要在实验室用大型昂贵复杂设备才能进行的检测，转化为图像检测与分析，可让孕妇在家里随时就能进行自我检测。

5.通过结合智能手机的成像与智能图像识别与分析系统，以及有关检测芯片，可使各种检测均能在人工智能帮助控制下自动进行，且检测精确度和灵敏度可比得上实验室检测水平。

6.所发明的通过孕妇唾液结晶图像智能分析法，可使对孕妇的孕娠状态和分娩时间的自行测定在定性定量情况下进行，具有较高准确性。100％孕妇会在所预测的一周内分娩，在预测的三天内分娩的达93.3％，在所预测的一天内分娩的达86.7％。可使孕妇有足够的时间和心理准备其分娩，大大减少孕妇因突然早产或无准备分娩导致的危险。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的即时检测盒的结构图。

图2为本发明的即时检测盒与智能手机联动进行人体液检测示意图。

图3的(1)为体液正交枝晶图。图3的(2)为体液扇面状斜交枝晶图。图3的(3)为体液单斜晶系胞晶图。图3的(4)为体液单向枝晶图。图3的(5)为体液单轴枝晶图。图3的(6)为体液立方胞晶图。图3的(7)为体液圆形花朵状枝晶图。图3的(8)为体液斜交枝晶图。

图4的(1)为孕妇唾液蕨类叶状枝晶图。图4的(2)为孕妇唾液Y形枝晶图。图4的(3)为孕妇唾液十字正交型枝晶图。图4的(4)为孕妇唾液带有近圆形结晶的边缘空白区图。图4的(5)为孕妇唾液近圆形结晶。

在图1中：1为智能手机放置位置；2为照明光源，3为检测窗；4为带温湿控制载物面板(透明载物面板)；5为正透镜A；61为反射镜A，62为反射镜B，7为正透镜B，8为透明输出窗；9为用于吸持手机的胶贴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，光学即时POCT检测盒(即时检测盒)采用工程塑料制作，其尺寸为90mm(长)×40mm(宽)×120mm(高)，其照明光源采用白光LED灯，透明温湿控制载物台由一表面镀有氧化铟锡薄膜的钢化玻璃板及一高精度PID温控器的温控透明钢化玻璃平台制成。两个45度角相向设置的反射镜将置于透明温湿控制载物台上样品的像反射至检测窗，形成便于手机成像和观察的检测光路。透镜组a和透镜组b的等效焦距分别为+2mm和+25mm，使得投射到手机摄像头的样品像有合适大小的视场。置于检测盒顶的聚氨酯胶贴用于吸持手机，使不同摄像头位置设置的各种款式手机均可轻易固定对准检测窗成像。如图2所示，一孕妇唾液涂片放置于透明温湿控制载物台上，由一具有成像分辨率为1500万像素的智能手机成像，并由其成像与智能图像识别与分析系统对其分型维数进行智能识别。

实施例2

本实施例是利用如实施例1所述的光学即时POCT检测盒并结合智能手机，检测一停经一周后的妇女尿液的HCG(人绒毛膜促性腺激素)含量，以决定其是否怀孕。本检测相比一般的采用试纸进行定性检测的方法不同的是，本法可对HCG含量进行定量检测，所以即使在尿液中HCG含量仍较低，试纸法无法检测出来的情况下仍可精确测定HCG含量，从而更早准确确定其是否怀孕，且与血液HCG检测相比可免于到医院抽血麻烦。与实施例1不同的是，实施例2中光学即时POCT检测盒照明光源采用LED灯结合透镜组成平行光输出，并采用一成像分辨率为3000万像素的智能手机成像。取清晨第一次尿5μL滴入微透镜成像检测芯片(见发明专利ZL201610423773.X)，然后采用光学即时POCT检测盒结合智能手机采用微透镜成像法对加入HCG抗体前后的尿液样品进行微透镜成像，并以成像与智能图像识别与分析系统智能识别微透镜像中央亮斑半径的变化，测得其HCG含量为160IU/L，确定其怀孕。检测准确度与Elisa等目前视为免疫检测金标准的测定结果相当。

实施例3

本实施例采用如实施例1所述的光学即时POCT检测盒并结合智能手机，检测孕期为第39周的孕妇唾液，以预测其准确的分娩期。本实施例中采用一成像分辨率为2000万像素的智能手机成像。唾液样品在早晨由孕妇漱口三次后取出，然后以微管滴3μL到透明玻片上，让其自然铺散在玻片上，然后立即置于已预先设置好37℃恒温的光学即时POCT检测盒的透明钢化玻璃平台上。10分钟后其图像由手机摄像头摄取并由其成像与智能图像识别与分析系统进行特征成晶图案识别与纹理及分型维数计算，然后结合纹理及分型维数计算得分A与特征成晶图案出现事件得分B。得出的该孕妇的算式得分A为5.06，B分为5，符合3＜B≤7，且A＞3情况，故预测其是处于产前3天的情况。该孕妇于第二天即联系医院入院待产，并在检测后第3天如期在医院顺产下一女婴，比她由医院根据其孕前最后一次经期及两次超声产检给出的预产期早了3天。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多用途光学即时检测系统，其特征在于，包括：即时检测盒和内置智能自动图像识别与分析系统的智能终端；

即时检测盒的结构为一侧有一凹口的方形盒，即时检测盒带凹口一侧上部内置照明光源，其下部的表面设置用于放置待检测样品的带温湿控制系统的透明载物面板，即时检测盒带凹口一侧的下部分从上到下内置正透镜A和反射镜A，反射镜A的反射面成45度面向正透镜A，照明光源、透明载物面板的中心、正透镜A和反射镜A在同一竖直光轴上；

即时检测盒另一侧的上表面设置透明输出窗，即时检测盒另一侧从上到下内置正透镜B和反射镜B，反射镜B的反射面成45度面向正透镜B，透明输出窗、正透镜B和反射镜B在同一竖直光轴上；

反射镜A和反射镜B在同一水平位置上，且反射镜A和反射镜B的反射面相对成90度；

智能终端固定放置在即时检测盒的上表面，智能终端的摄像头对准透明输出窗。

2.根据权利要求1所述的多用途光学即时检测系统，其特征在于，正透镜A和正透镜B是单个镜片或者透镜组，正透镜A的等效焦距为0.5-5mm，正透镜B的等效焦距为20-30mm。

3.根据权利要求1所述的多用途光学即时检测系统，其特征在于，即时检测盒的上表面设置用于吸持固定智能终端的胶贴，照明光源为白色或单色光源，智能终端为智能手机或平板电脑。

4.一种体液玻片成晶方法，其特征在于，包括下述步骤：以微管或注射器抽取2-6μL无泡沫体液，在距透明玻片上方3-7mm高度垂直滴至玻片上，让其自然铺散在玻片上，或以微管或注射器尖使之平铺在玻片上，然后将玻片放置在权利要求1-5任一项所述的即时检测系统的透明载物面板上，通过其温湿控制系统设置在温度25-40℃、湿度30％-60％环境下干燥成晶≥10分钟，使之在预设标准条件下形成结晶形态和分布完整、清晰、稳定的成晶图像。

5.一种基于权利要求4所述的体液玻片成晶方法的体液化学检测分析方法，其特征在于，包括如下步骤:对体液快速玻片成晶，采用即时检测系统对体液的玻片成晶图案进行成像，然后采用智能终端内置的智能自动图像识别与分析系统对成晶图像进行特征结晶图像的智能识别与计数，并采用分形维数、纹理分析和晶枝夹角分析方法对成晶图像进行量化分析，以确定体液的成分结构、比例和分布。

6.根据权利要求5所述的体液化学检测分析方法，其特征在于，所述的体液为人体及动物的体液，具体包括尿液、唾液、汗液、泪液、关节液、宫颈液、精液和羊水中的任意一种，其中，血液包括血浆和血清。

7.根据权利要求5所述的体液化学检测分析方法，其特征在于，对成晶图像进行量化分析判断的方法包括：体液成晶图像中心含有大量正交枝晶和斜交枝晶的是主要成分为NaCl的含有糖蛋白的体液；成晶图像中枝晶的数量减少但分枝增粗，最外缘几乎变为立方状胞晶的是主要成分为KCl的含有糖蛋白的体液；成晶图像中枝晶占据的面域小，且枝晶薄和小，枝晶稀疏分布的为葡萄糖浓度过高的体液；成晶图案绝大部分为扇面状枝晶的为过碱体液；成晶图像中心含有大量正交枝晶和斜交枝晶，但边缘同时具有数目较多的细小枝晶的为过酸体液。

8.根据权利要求6所述的体液化学检测分析方法，其特征在于，若体液为血液，则采用智能终端将血液样品的生化检测转化为图像检测包括采用智能终端对血液涂片进行成像及对预设种类细胞进行智能特征识别与计数；

若待检测样品为滴入体液的微透镜检测芯片，则采用智能终端将待检测样品的生化检测转化为图像检测包括采用智能终端对微透镜检测芯片图像在加入抗体前后的变化进行分析以确定其抗原含量的方法。

9.一种基于权利要求4所述的体液玻片成晶方法的分析预报孕妇分娩期的方法，其特征在于，对孕妇唾液进行玻片成晶，采用智能终端内置的智能自动图像识别与分析系统对成晶图像进行图像智能识别与分析，识别蕨类叶状枝晶、十字正交型枝晶、Y形枝晶，近圆形结晶、边缘空白区的特征图像事件是否出现，并计算纹理分析和分形维数F；最后结合纹理分析与分形维数F得到算式得分A和事件总得分B，根据算式得分A和事件总得分B计算距产前的天数。

10.根据权利要求9所述的分析预报孕妇分娩期的方法，其特征在于，结合纹理分析与分形维数F得到算式得分A和事件总得分B，根据算式得分A和事件总得分B计算距产前的天数，包括：

算式得分：A＝72.3×(F-1.63)，

事件得分B：出现：近圆形结晶得2分；边缘空白区得2分；

无出现：蕨状枝晶得3分、中央十字正交型枝晶得2分、间隙Y形枝晶得1分；

孕娠分娩期判据：若B＞7，产前天数＝1；

当3＜B≤7，且A＞3，或当B≤3，且A≤3，产前天数＝3；

当3＜B≤7，且A≤3，或B≤3，且A＞3，产前天数＝A。

Images