一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及其方法

摘要

本发明提出一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及其方法，用于过敏原检测技术中。该装置包括光源电路、光强校正模块、多光谱分光模块、光学信号捕获模块和置物台，光源电路位于置物台的左上方，光强校正模块位于光源电路正下方，光学信号捕获模块与多光谱分光模块一起置于置物台的正上方。该方法通过对光源电路提供的光源进行校正，所使用的多光谱分光模块设置了覆盖可见光波长范围的滤光片，在各滤光片下对待检测试剂条进行拍照，处理图片得到检测结果。本发明方法提高了定量检测的准确性，降低了成本，并可实现大通量自动化检测，节约了人力。

说明书

技术领域

本发明属于生物和医药技术领域，涉及一种过敏原检测方法及装置，具体涉及一种基于 多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及其方法。

背景技术

过敏性疾病在全球的发病率日益增高，病情也越来越复杂。过敏原是引起过敏性炎症的 原因，因此检测和发现过敏原，并采取有效措施避免与之接触，对防治过敏性疾病有重要意 义。目前检测过敏原最主要的方法包括体内试验和体外试验。体内试验费用较高，受个体差 异性影响较大，并且有可能会引起严重后果。体外试验检测安全可靠，适合于患有严重皮肤 疾病、对过敏原极度敏感、或不能停用干扰皮肤试验的药物的患者。体外过敏原检测有很好 的应用前景，由最初的定性检测、半定量检测发展为现阶段的定量检测。定量检测方法以其 自动化，高效快捷，结果准确成为目前体外过敏原检测的发展方向。体外试验中最重要的是 IgE(immunoglobulin E，免疫球蛋白E)的检测。IgE抗体存在于过敏体质个体的血清中，因 此可采用体外检测血清过敏原特异性IgE(specific IgE，简称sIgE)和总IgE(total IgE，简称tIgE) 水平，来判断机体对过敏原的敏感程度。

酶联免疫吸附试验(ELISA)是目前主要使用的一种体外过敏原检测方法。通过在试剂 条的表面包被有单一过敏原、过敏原混合物或单克隆抗体，患者血清中的slgE抗体与它们分 别反应，形成免疫复合物后沉淀下来。随后加入酶及底物，最终反应后的试剂条会呈现深浅 程度不同的颜色。通过检测试剂条的颜色深浅可得到过敏程度的定量结果。

准确的判断装置对于过敏程度分级致关重要。现有的技术，如德国MEDIWISS公司的 Rapid检测仪和美国ASI公司的IVT检测仪，使用白光照射试剂条，并用彩色探测器获取反 射信号的RGB三个分量。然而，不同颜色分量间有一定的重叠。将会导致获取原始信息时有 局限性，从而限制了过敏原定量检测能力的提高。

发明内容

针对现有技术中存在的获取检测试剂条的颜色信息的局限性，限制了过敏原定量检测的 准确性的问题，本发明提供一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及其方法。

本发明提出的一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置，该检测装置包括光源电 路、光强校正模块、多光谱分光模块、光学信号捕获模块和置物台，置物台为一水平台，待 检测试剂条放置在置物台上，置物台的正上方设置有多光谱分光模块和光学信号捕获模块， 多光谱分光模块设置在光学信号捕获模块的下方；光源电路位于置物台的左上方，用于提供 试验所需的光源，发射白光线斜射到置物台上；光强校正模块固定在光源电路(1)的正下方， 实时监测光源的强度，将采集到的光学信号转换为数字信号，将数字信号传输至计算机中， 校正由于光源抖动造成的误差。

所述的多光谱分光模块包括滤光片、滤光片轮、中心轴、旋转台和运动控制器；滤光片 轮为随中心轴旋转的轮盘，在轮盘靠近边缘的一周上均匀开有一排孔，每个孔处固定有一个 滤光片；滤光片轮通过中心轴与旋转台固定一起；旋转台通过串口传输线连接运动控制器； 通过计算机控制运动控制器前进或者后退特定的步长，带动旋转台转动，旋转台带动滤光片 轮同轴转动，将某一个滤光片旋转到光学信号捕获模块的镜头的正下方，且滤光片与镜头紧 密结合。

本发明提出的基于多光谱成像的体外过敏原定量检测方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一，初始化试验装置，包括三步：

步骤11，开启光源电路、光强校正模块、多光谱分光模块和光学信号捕获模块，将光源 电路的面状LED白光源预热1分钟，预热后，面状LED白光源发射白光线；

步骤1.2，通过计算机，控制运动控制器行进特定的步长，带动旋转台旋转，固定于旋转 台上的滤光片轮随之同轴转动特定的角度，将某一波长的滤光片转动到镜头正下方，并与镜 头紧密结合；

步骤1.3，调整CCD图像采集器的曝光时间并拍照，使所拍摄的图像的最大灰度值在 200-230之间。

步骤二，获取图片：利用镜头拍照，并在每次拍照的同时，光强校正模块采集光源电路 所发射的白光线的光学信号，并将光学信号转换为数字信号，在计算机上显示并记录下来； 在计算机中校正由于光源抖动造成的误差：将拍第一张照片之前得到的光源光强值A设为标 准，然后在每次拍照的同时，记录当前的光源光强值B，利用差值(A-B)作对该次所拍的图片 的灰度值进行校正。

步骤三，转动滤光片轮至下一个滤光片正对镜头，重复步骤1.2～步骤1.3与步骤二，一 直到11个滤光片全部使用过后，进入步骤四执行。

步骤四，对保存着计算机中的图片数据，通过图像处理程序进行处理，首先得到待检测 试剂条图像的灰度值，然后得到待检测试剂条图像的特征值，再根据特征值-IgE浓度标准曲 线，得到待检测试剂条的IgE浓度，最终得到过敏原定量检测结果。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明提出的一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及方法，利用CCD 相机和多个波长的滤光片采集光学信号的强度信息，并在光源照射范围内同步采集光学信号 的波动信息，可在较短的成像时间内获取光源波动信息，以此修正待检测试剂条图像的灰度 信息，提高了定量检测的准确性；

(2)本发明提出的一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及方法，通过色度均 匀的标准比色卡校正光源照射不均匀带来的误差，有利于提高定量检测的准确性；

(3)本发明提出的一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置及方法，利用多个不 同波长的滤光片过滤光强信息，可得到较多的波长-光源信息特征点，有利于全面分析待检测 试剂条图像。

附图说明

图1是本发明的体外过敏原定量检测装置的结构示意图；

图2是本发明的体外过敏原定量检测装置中光源电路的组成示意图；

图3是本发明的体外过敏原定量检测装置中光强校正模块的组成示意图；

图4是本发明的体外过敏原定量检测装置中多光谱分光模块的组成示意图；

图5是本发明的体外过敏原定量检测装置中滤光片轮的俯视示意图：

图6是本发明的体外过敏原定量检测装置中光学信号捕获模块的结构示意图；

图7是本发明的体外过敏原定量检测方法的步骤流程示意图。

其中：

1-光源电路；2-光强校正模块；3-多光谱分光模块；4-光学信号捕获模块；5-置物台； 6-计算机；101-LED白光源；102-恒流电源；103-电路支撑装置；201-光纤；202-探测器； 203-数据采集器；301-滤光片；302-滤光片轮；303-中心轴；304-旋转台；305-运动控制器； 401-CCD图像采集器；402-镜头；403-CCD固定装置。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明中采用的体外过敏原定量检测系统是通过多光谱成像技术检测以酶联免疫吸附法 为基础制备的过敏原试剂条。用多光谱成像技术获取试剂条的光谱曲线，由光谱曲线得到特 征值，通过sIgE浓度-特征值的标准曲线，得到过敏原sIgE的定量结果。在定量准确度高的 情况下，降低了成本，并可实现大通量自动化检测，节约人力。

本发明提供一种基于多光谱成像的体外过敏原定量检测装置，如图1所示，包括光源电 路1、光强校正模块2、多光谱分光模块3、光学信号捕获模块4和置物台5。

置物台5为一水平台，其上放置有待检测试剂条。在置物台5的正上方设置有多光谱分 光模块3和光学信号捕获模块4，多光谱分光模块3安装在光学信号捕获模块4的下方。光 源电路1位于置物台5的左上方，提供光源，发出试验所需的白光线，白光照射到置物台5 上。光强校正模块2固定在光源电路1的正下方，用于实时监测光源的光强，并校正光源抖 动造成的误差。

如图2所示，光源电路1包括面状LED白光源101、恒流电源102及电路支撑装置103。 光源电路1的作用是发出试验所需的白光线。电路支撑装置103用于将LED白光源101和恒 流电源102固定，恒流电源102接入220v交流电，为LED白光源101提供所需的恒定驱动 电流。LED白光源101发射白光线斜射到置物台5上的待检测试剂条上，LED白光源101发 出的光线范围的夹角为100～120度。

如图3所示，光强校正模块2包括光纤201、探测器202和数据采集器203。由于面状 LED白光源101不是恒定光源，可能造成光源发生抖动，引起光强的微弱变动，光强的变化 会对检测结果造成影响。光强校正模块2的作用是实时监测面状LED白光源101所发出的白 光线的强度，将采集的光学信号转换为数字信号输送给计算机6，对由于光源抖动造成的误 差，进行校正。光纤201一端置于LED白光源101的光照范围内，另一端与探测器202相连。 探测器202是一个光电二极管，将光学信号转换为电学信号。数据采集器203与探测器202 相连，并通过串口通讯连入计算机6。数据采集器203包括电流放大器和A/D采集卡。首先， LED白光源101发出白光，通过光纤201传输后，由探测器202的光电二极管将光学信号转 换为电学信号，电学信号由数据采集器203的电流放大器放大后，用A/D采集卡采集，将电 学信号转换为数字信号，将数字信号通过串口通讯传输到计算机6中。

光学信号捕获模块4给置物台5上的待检测试剂条拍照时，光强校正模块2就会在同一 时间获取当时的光源光强值，在拍摄第一张试剂条图像之前，记录下初始的光源光强值A， 以光源光强值A为基准，在拍摄图像的同时获取当时的光源光强值B，将光源光强信息B与 初始的光源光强信息A进行比较，，得到相应的加减差值(A-B)作为修正值，并以该修正值 (A-B)来进行调整对应拍摄的图像的灰度值。

如图4所示，多光谱分光模块3包括滤光片301、滤光片轮302、中心轴303、旋转台304 和运动控制器305。滤光片轮302为随中心轴303旋转的轮盘，并通过中心轴303与旋转台 304固定一起，在轮盘靠近边缘的一周上均匀固定有滤光片301，旋转台304连接着运动控制 器305，运动控制器305连接着计算机6。滤光片301的波长取值分别为405-20nm(纳米)、 425-30nm、450-30nm、470-30nm、490-30nm、510-20nm、530-30nm、550-30nm、570-20nm、 590-30nm、610-20nm，共11个滤光片，波长取值X-Ynm的意思是波长为Xnm的滤光片上 下Y/2nm的浮动，例如405-20nm表示波长为405nm的滤光片具有上下10nm的浮动。这些 取值的滤光片覆盖了可见光的波长范围。

如图5所示，滤光片301固定在滤光片轮302上。滤光片轮302是单列N孔密度盘，是 可随中心轴303旋转的轮盘，N表示孔的个数，本发明实施例中，N为11，每个孔处设置安 装一个滤光片301。滤光片轮302每转动特定角度，可将某一滤光片301旋转到特定位置。 通过这种方式可以选择试验时所需的特定波长值的滤光片301。

滤光片轮302通过中心轴303固定在旋转台304上，通过旋转台304的转动带动滤光片 轮302，旋转台304与运动控制器305通过串口传输线进行连接，运动控制器305通过计算 机6进行控制。通过操作计算机6上的软件程序实现对运动控制器305的控制，使运动控制 器305前进或后退特定的步长，从而带动旋转台304顺时针或逆时针旋转特定的角度，进而 带动滤光片轮302顺时针或逆时针旋转特定的角度，将某一波长的滤光片301转动到镜头402 正下方，并与CCD镜头402紧密结合，以实现数据的批量采集，所采集的数据是指由光学信 号捕获模块4拍照获取的待检测过敏原试剂条的图像。当完成一批数据的采集之后，运动控 制器305自动驱动滤光片轮302，选择下一个波长值的滤光片301。

如图6所示，光学信号捕获模块4包括CCD图像采集401、镜头402和CCD固定装置 403。CCD图像采集401与镜头402相连，并倒扣在CCD固定装置403上，并使得镜头402 正对置物台5。CCD图像采集401将光学信号转换为数字信号，并在与之相连的计算机6中 以灰度图像的形式显示出来。CCD图像采集器401是与镜头402以机械形式连接的，镜头402 是卡在CCD图像采集器401上的，CCD图像采集器401和镜头402是一体的，用于照相， 捕获置物台5上的待检测试剂条的图像。图像以光学信号的形式进入CCD图像采集器401， CCD图像采集器401再将光学信号转换为数字信号，并在计算机6中显示出来，显示出来的 就是灰度图像。

置物台5用于放置待检测试剂条。置物台5与CCD镜头402的距离位于CCD镜头402 的焦距范围内。从而使待检测试剂条在镜头最佳观测范围内。

之前所述的CCD图像采集器401、数据采集器203和运动控制器305均与计算机6相连 接。所采集到的数据都保存在计算机6中，由相关的软件程序进行处理。

本发明提出的基于多光谱成像的体外过敏原定量检测方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：初始化试验装置。

该步骤的主要作用是完成试验所需的初始化工作。

(1)开启光源电路1、光强校正模块2、多光谱分光模块3和光学信号捕获模块4。并 使面状LED白光源101预热1分钟。预热后，面状LED白光源101出射稳定强度的白光线。 此时从面状LED白光源101出射的白光照射到水平放置在置物台5上的待检测试剂条上。

(2)滤光片301固定在滤光片轮302上，操作计算机6上的程序，驱动运动控制器305， 使运动控制器305行进特定的步长，带动旋转台304旋转，固定于旋转台304上的滤光片轮 302随之同轴转动特定的角度，某一波长的滤光片301转动到CCD镜头402正下方，并与 CCD镜头402紧密结合。

(3)调整CCD图像采集器401的曝光时间。置物台5上的待检测试剂条处于CCD图像 采集器401的焦距范围内。使用计算机图像预处理程序，调节CCD图像采集器401的曝光时 间并拍照，使拍摄图像的最大灰度值在200-230之间。如果灰度值不满足要求，再次调整CCD 图像采集器401的曝光时间，重复此步骤，直到获得图像的最大灰度值在200～230之间，则 找到了合适的曝光时间。

步骤二：获取图片。

每次拍照的同时，位于面状LED白光源101照射范围内的光纤201传输面状LED白光 源101出射的光学信号，通过探测器202将光学信号转换为电学信号，并通过与探测器202 相连接的数据采集器203将电学信号转换为数字信号，在计算机6上显示并记录下来。

在拍照之前，记录下初始的光源光强值A。在每次拍照之后，记录下当前的光源光强值 B，并与初始的光源光强值进行比较，得到相应的加减差值(A-B)。对于拍照之后的图片的 灰度值，以该光源光强信息差值来进行校正，实现对光源101抖动的校正。这一步的目的是 去除光强变化所带来的影响。

步骤三：转动滤光片轮302至下一个滤光片301正对CCD镜头402，重复步骤一的(2) 和(3)与步骤二，一直到11个滤光片301全部使用过后，进入步骤四执行。

步骤四：图像处理与分析。

步骤二中采集的图片数据会被保存到计算机6中，通过图像处理程序来进行处理。这一 步是得到具体的过敏原检测结果。

通过图像处理程序得到待检测试剂条图像的灰度值，进而计算出待检测试剂条图像的特 征值，根据特征值-IgE浓度标准曲线，得到待检测试剂条的IgE浓度，从而得到过敏原定量 检测结果。

出厂设置：光照均匀度校正：

由于面状的LED白光源101是点光源，并且在实验过程中光源是以一定的角度照射在待 检测试剂条上，使得在不同像素点，CCD图像采集器401捕捉的图像的灰度值不同，影响实 验结果。因此需在该套检测装置出厂时，对光照不均匀问题进行校正。并在之后的每次实验 中，都需按照此标准进行修正之后再进行图像分析。具体是采用色度均匀的标准比色卡图片 进行校正。

用标准比色卡图像中心像素点的灰度值A作为基准，标准比色卡上的其他像素点的灰度 值B与此基准做差值B-A，并得到修正百分比(B-A)/A*100％。然后用得到的修正百分比 修正待检测试剂条图像的像素点灰度值。

例如，一个像素点数为3*3大小的比色卡，中心像素点的灰度值为a₂₂，其余像素点的灰 度值分别是$\left(\begin{array}{c}{a}_{11}...a_{12}...a_{13}\\ a_{21}...a_{22}...a_{23}\\ a_{31}...a_{32}...a_{33}\end{array}\right),$则修正值是$\left(\begin{array}{c}\frac{a_{11}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{12}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{13}-a_{22}}{a_{22}}\\ \frac{a_{21}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{22}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{23}-a_{22}}{a_{22}}\\ \frac{a_{31}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{32}-a_{22}}{a_{22}}...\frac{a_{33}-a_{22}}{a_{22}}\end{array}\right).$

那么，对于一个像素点数为3*3的待检测试剂条图像初始灰度值为$\left(\begin{array}{c}{b}_{11}...b_{12}...b_{13}\\ b_{21}...b_{22}...b_{23}\\ b_{31}...b_{32}...b_{33}\end{array}\right),$修正 后是$\left(\begin{array}{c}{b}_{11}*(1-\frac{a_{11}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{12}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{13}-a_{22}}{a_{22}})\\ b_{11}*(1-\frac{a_{21}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{22}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{23}-a_{22}}{a_{22}})\\ b_{11}*(1-\frac{a_{31}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{32}-a_{22}}{a_{22}})...b_{11}*(1-\frac{a_{33}-a_{22}}{a_{22}})\end{array}\right).$

试验中步骤四的图像分析时，需先用该百分比修正每张待检测试剂条图像的像素点灰度 值，而后再进行数据分析。

本发明利用CCD相机和不同波长滤光片采样光学信号的强度信息，再建立光学信号强度 信息与过敏原IgE浓度之间的映射关系。在检测过程中对光源抖动和光源照射不均匀问题进 行校正，提高了定量检测的准确性。本发明利用宽谱光源(波长覆盖400nm到700nm)，并 采用多个不同波长的滤光片获得不同谱段的光强信息，获取较多的波长-光源信息特征点，有 利于全面分析待检测试剂条图像，从而得到准确的过敏原检测结果。

预实验时，通常LED白光源光强会有3％以内的波动，因此设置光强校正模块(2)实时监 测，修正待检测试剂条图像的灰度信息，有利于提高定量检测的准确性。

预实验时，标准比色卡的不同区域的灰度值有较大变动，如中间像素点的灰度值是110， 边缘处可能有86，130等，如果不进行校正，将会影响实验结果，因此，本发明所设置的修改 百分比非常有必要。