CN114371160A - 一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，包括监测光学架、光谱仪和核心控制器；监测光学架用于激发待测样品的光谱信号，并采集待测样品的图像数据；光谱仪用于收集监测光学架激发的光谱信号，并将光学信号转化为数字信号，发送至核心控制器；核心控制器用于接收上位机的控制信号、监测光学架的图像数据以及光谱仪的数字信号，并调用神经网络模型对图像数据以及数字信号进行分析，得到检测结果。本发明的装置既可以完成实际拉曼光谱数据的采集工作，又可以控制硬件工作逻辑以及最终的数据分析工作，为完成大量控制系统装置数据管理，还提供有控制系统装置与数据云平台通讯交互功能，实现云平台实时检测与管理检测数据。
Description
技术领域
本发明属于病毒检测技术领域，具体涉及一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置。
背景技术
新冠病毒快速标定与监测是当下疫情防控任务的迫切技术需要。不同的物质具有不同的拉曼特征峰，每种物质都具有其独特的拉曼光谱“指纹”。据此可以结合光谱分光器件和光谱采集仪器等探测拉曼光谱，达到定性和定量分析物质的目的。拉曼指纹峰作为新冠病毒光谱的特征信息可用于新冠病毒的身份识别。拉曼散射原理，是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质分子因吸收了部分能量，进而发生不同方式或程度的振动，然后散射出较低频率的光。频率变化决定于散射物质特性，不同分子振动的方式是唯一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，根据原理鉴别出组成物质的分子种类。
发明内容
本发明的目的是为了解决准确检测的问题，提出了一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置。
本发明的技术方案是：一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置包括监测光学架、光谱仪和核心控制器；
监测光学架用于激发待测样品的光谱信号，并采集待测样品的图像数据；
光谱仪用于收集监测光学架激发的光谱信号，并将光学信号转化为数字信号，发送至核心控制器；
核心控制器用于接收上位机的控制信号、监测光学架的图像数据以及光谱仪的数字信号，并调用神经网络模型对图像数据以及数字信号进行分析，得到检测结果。
进一步地，光谱仪包括谱仪CCD摄像机和光栅旋转台；
谱仪CCD摄像机用于收集不同波长的光谱信号，并将其转化为数字信号；
光栅旋转台用于调整反射光栅，改变谱仪CDD摄像机收集的光谱信号的波长范围。
进一步地，核心控制器包括三轴平移台控制器、激光器、光栅旋转台核心控制器和LED核心控制器；
激光器用于发射固定波长的激光至监测光学架，照射至待测样品表面；
三轴平移台控制器用于控制监测光学架的三轴平移台在水平平面上移动，将待测样品调整至激光的照射中心；其还用于控制监测光学架的成像相机镜头在竖直方向上移动，调整成像相机镜头的聚焦；
LED核心控制器用于对监测光学架上的LED进行开关控制。
进一步地，核心控制器的外部接口处设置有控制手柄接口，用于连接三轴平移台核心控制器的控制手柄，手动控制三轴平移台；
光栅旋转台核心控制器与光谱仪内的光栅旋转台连接，用于调整谱仪CCD摄像机所采集的光谱图的波长范围。
本发明的有益效果是：本发明的检测新型冠状病毒拉曼的装置既可以完成实际拉曼光谱数据的采集工作，又可以控制硬件工作逻辑以及最终的数据分析工作，为完成大量控制系统装置数据管理，还提供有控制系统装置与数据云平台通讯交互功能，实现云平台实时检测与管理检测数据。
附图说明
图1为用于新型冠状病毒拉曼检测的装置的结构图；
图2为用于新型冠状病毒拉曼检测的装置的接口示意图；
图3为用于检测新型冠状病毒拉曼的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，包括监测光学架、光谱仪和核心控制器；
监测光学架用于激发待测样品的光谱信号，并采集待测样品的图像数据；
光谱仪用于收集监测光学架激发的光谱信号，并将光学信号转化为数字信号，发送至核心控制器；
核心控制器用于接收上位机的控制信号、监测光学架的图像数据以及光谱仪的数字信号，并调用神经网络模型对图像数据以及数字信号进行分析，得到检测结果。
在本发明实施例中，光谱仪包括谱仪CCD摄像机和光栅旋转台；
谱仪CCD摄像机用于收集不同波长的光谱信号，并将其转化为数字信号；
光栅旋转台用于调整反射光栅，改变谱仪CDD摄像机收集的光谱信号的波长范围。
光栅旋转台包括一个可以通过程序控制的旋转台和一个选择光谱的镜子。通过程序控制旋转台的转动，就可以达到调节反射光光栅的目的，最终实现改变谱仪CCD所接收到的光谱的波长范围。
在本发明实施例中，核心控制器包括三轴平移台控制器、激光器、光栅旋转台核心控制器和LED核心控制器；
激光器用于发射固定波长的激光至监测光学架，照射至待测样品表面；
三轴平移台控制器用于控制监测光学架的三轴平移台在水平平面上移动，将待测样品调整至激光的照射中心；其还用于控制监测光学架的成像相机镜头在竖直方向上移动，调整成像相机镜头的聚焦；
LED核心控制器用于对监测光学架上的LED进行开关控制。
在本发明实施例中，核心控制器的外部接口处设置有控制手柄接口，用于连接三轴平移台核心控制器的控制手柄，手动控制三轴平移台；
光栅旋转台核心控制器与光谱仪内的光栅旋转台连接，用于调整谱仪CCD摄像机所采集的光谱图的波长范围。
在本发明实施例中，检测装置主要分为控制系统硬件和上位机PC软件两个部分，控制系统硬件部分负责完成实际拉曼光谱数据的采集工作，软件部分则用于控制硬件工作逻辑以及最终的数据分析工作。
对拉曼谱仪集成控制系统硬件部分主体进行划分，其中包括检测光学机架、光谱仪和核心控制器。模型示意如图1所示，系统连接接口如图2所示。
监测光学机架：这是基于拉曼光谱分析法的拉曼散射效应原理搭建而成的收集样品光谱信息的机架。
光学机架，基于显微平台，将光谱的“空间分辨率”提升到μm量级。表面增强拉曼光谱技术实现对新冠病毒的快速检测需要将激光能量集中到～1μm直径范围内，以实现对可能的“热点”区域的有效激发，由于病毒S蛋白散落的随机性，需要对样品表面进行多点的面扫，以确保捕捉到S蛋白拉曼信号。
光谱仪：这部分使用谱仪CCD摄像机，收集来自监测光学机架激发样品的光谱信号，通过调节光谱仪内部的旋转滑台，进而调整光栅，使谱仪CCD可以收集到不同波长的光谱信号。谱仪CCD在收集都来自监测光学机架的光学信号后，转化为数字信号发给核心控制器。
核心控制器：核心控制器模块内部集成了包括三轴平移台、激光器和光栅旋转台的核心控制器部分，并设计在核心控制器内部实现了LED的核心控制器。核心控制器模块一方面接收来自上位机电脑的控制信号输入，通过USB分线器将这些控制命令发送给核心控制器内部相应的实际核心控制器部分，然后这些核心控制器通过核心控制器向外连接的接口发送给监测光学机架和光谱仪上的实际设备。另一方面核心控制器接收来自监测光学机架的图像信号和光谱仪的光谱数据在内部汇总后通过核心控制器内部的USB分线器一起发送给上位机处理电脑。
其中核心控制器内部以激光器的控制盒和激光器为主体模块部分，激光器对散热要求相对于其他设备较高，因此将这两个部分放置在核心控制器内部靠边的单独风道内，并使用持续工作风扇对激光器设备进行降温处理。激光器可以直接从核心控制器中发射固定波长的激光到监测光学机架内部。
三轴平移台的核心控制器在核心控制器内部负责控制检测光学机架的样品台在水平平面上的XY轴移动，用于调整样品台上样品位置到激光的照射中心，以及检测光学机架上成像相机镜头在竖直方向Y轴上的移动，用于调整成像相机的聚焦。在核心控制器的外部接口上还引出了三轴平移台核心控制器的控制手柄接口，用于连接三轴平移台核心控制器的控制手柄，实现对三轴平移台的手动控制。
光栅旋转台的核心控制器放置在核心控制器的中间位置，此设备通过核心控制器上的DB15接口与光谱仪内部的光栅旋转台连接，从而可以核心控制器实现对光谱仪中光栅旋转台的控制，用以调整谱仪CCD所采集光谱图的波长范围。
在核心控制器上面有一个使用STM32F103C8T6单片机设计而成的MCU核心控制器模块，核心控制器使用此MCU核心控制器模块通过串口命令的方式控制LED灯和激光器控制盒的开关。
系统软件部分主体部分由MSVC编译器支持的C++编写而成，界面逻辑控制采用开源软件框架Qt编写。本软件参考了主流的软件开发架构即MVC架构。经典MVC模式中，M是指业务模型，V是指用户界面，C则是核心控制器，使用MVC的目的是将M和V的实现代码分离，从而使同一个程序可以使用不同的表现形式。其中，View的定义比较清晰，就是用户界面。视图是用户看到并与之交互的界面。在本软件来说，视图就是用户看到的界面，界面上存储的数据，比如当前按钮的状态，下拉框选项。模型表示企业数据和业务规则。在MVC的三个部件中，模型拥有最多的处理任务。它用构件对象来处理数据库，被模型返回的数据是中立的，就是说模型与数据格式无关，这样一个模型能为多个视图提供数据，由于应用于模型的代码只需写一次就可以被多个视图重用，所以减少了代码的重复性。核心控制器接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求，所以当单击界面时，核心控制器本身不输出任何东西和做任何处理。它只是接收请求并决定调用哪个模型构件去处理请求，然后再确定用哪个视图来显示返回的数据。上位机软件工作流程如图3所示，具体为：
在判断采集是否完成时，在图像上框选检测区域后，程序后自动计算(框选区域的长和宽除以每次采集的步长)出谱仪CCD需要采集的次数，当采集的图像到达这个次数后即可结束采集。相机采集到的图像相对于平时显微镜放大看到的图像，将相机采集到的图像使用电脑进行显示而已。显示图像的目的是为了观察待测样品的放大后的样子，并可以在这个图像上选择需要进行光谱采集的区域，即框选检测区域。
调整光栅旋转台转动到特定位置是因为拉曼光谱图的分析，最终实际需要的波长范围的固定的，进行光栅旋转是为了调节这个范围到需要的值。
本软件根据不同的设备划分，划分为几个不同的系统，分别是相机系统，光谱仪系统，平移台系统，旋转台系统，LED系统，激光系统。其中相机系统功能有图像显示模块，自动对焦模块，设置曝光模块，选择区域和识别模块，选择激光区域模块。光谱仪系统有单次采集模块，扫描采集模块，光谱的处理模块，计算光谱数据模块，保存光谱数据模块，光谱标定模块。旋转台系统包括速度控制模块，选择控制模块。平移台系统有速度控制模块，位移控制模块。LED系统有LED开关模块。激光系统有开关模块，功率控制模块。
本发明的工作原理及过程为：本发明基于目前已有的增强拉曼光谱和神经网络的新型冠状病毒检测方法，实现新型冠状病毒的拉曼光谱快速检测集成控制系统装置。整个系统装置实现包括成像通路和系统集成、样品聚焦显微焦平面控制和拉曼光谱成像以及系统分析三大关键技术。整个系统装置包括物理设备包括有检测光学机架、光谱仪和核心控制器三个部分，以及一套可运行在Windows电脑的拉曼谱仪集成控制软件。
本发明的有益效果为：本发明的检测新型冠状病毒拉曼的装置既可以完成实际拉曼光谱数据的采集工作，又可以控制硬件工作逻辑以及最终的数据分析工作，为完成大量控制系统装置数据管理，还提供有控制系统装置与数据云平台通讯交互功能，实现云平台实时检测与管理检测数据。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，其特征在于，包括监测光学架、光谱仪和核心控制器；
所述监测光学架用于激发待测样品的光谱信号，并采集待测样品的图像数据；
所述光谱仪用于收集监测光学架激发的光谱信号，并将光学信号转化为数字信号，发送至核心控制器；
所述核心控制器用于接收上位机的控制信号、监测光学架的图像数据以及光谱仪的数字信号，并调用神经网络模型对图像数据以及数字信号进行分析，得到检测结果。
2.根据权利要求1所述的用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，其特征在于，所述光谱仪包括谱仪CCD摄像机和光栅旋转台；
所述谱仪CCD摄像机用于收集不同波长的光谱信号，并将其转化为数字信号；
所述光栅旋转台用于调整反射光栅，改变谱仪CDD摄像机收集的光谱信号的波长范围。
3.根据权利要求1所述的用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，其特征在于，所述核心控制器包括三轴平移台控制器、激光器、光栅旋转台核心控制器和LED核心控制器；
所述激光器用于发射固定波长的激光至监测光学架，照射至待测样品表面；
所述三轴平移台控制器用于控制监测光学架的三轴平移台在水平平面上移动，将待测样品调整至激光的照射中心；其还用于控制监测光学架的成像相机镜头在竖直方向上移动，调整成像相机镜头的聚焦；
所述LED核心控制器用于对监测光学架上的LED进行开关控制。
4.根据权利要求1所述的用于新型冠状病毒拉曼检测的装置，其特征在于，所述核心控制器的外部接口处设置有控制手柄接口，用于连接三轴平移台核心控制器的控制手柄，手动控制三轴平移台；
所述光栅旋转台核心控制器与光谱仪内的光栅旋转台连接，用于调整谱仪CCD摄像机所采集的光谱图的波长范围。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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