CN202275082U - 一种ccd型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用CCD数字图像技术对被检测目标进行即时拍摄、处理和读数的一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统,数据处理器的信号输出端分别接微型打印机和液晶显示器的信号输入端，数据处理器信号交换端分别与图像处理器及工业相机信号端连接。优点：一是采用专利技术的照明光源设计、自校准算法、图像降噪算法,有效保证读数结果的稳定性、一致性和精确度，解决了人眼判读时的主观偏差问题；二是仪器系统集成了本申请自主知识产权的一体式工控机应用架构,模块化设计的LED照明、CCD相机、数据处理系统等部件可依据用户需求,提供不同性能、价格的选择；三是本申请软件部分采用主流Windows平台开发，便于后续的功能升级与扩展。

Description

一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统

技术领域

本实用新型涉及一种采用CCD数字图像技术对被检测目标进行即时拍摄、处理和读数的一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，适用于早孕、流感、毒品等胶体金免疫层析诊断试纸结果的快速判定。 

背景技术

目前，市场上存在多种胶体金免疫层析诊断试纸分析系统或仪器。国外厂商如GEM Premier推出的类似仪器或设备，精度高、稳定性好，使用方便。但只适用于特定类型的试纸条产品（多与厂商自家生产的试纸条捆绑销售）。韩国的i-CHROMA Reader免疫荧光分析仪，检测灵敏度可达到pg/ml，但一套系统的价格超过10万人民币。 

国内厂家较早推出的还有采用特定波长激光器作为光源的定量金标免疫分析仪，如上海大恒光学精密机械有限公司推出的DJM系列产品，其读数精度较高，但读数范围窄，只能用于特定类型（颜色）的试纸条。 

采用比色计原理的金标定量检测仪，如上海奥普生物医药有限公司生产的HCG-DOT。每次开机工作时，需要手动操作标准色板进行系统校准；另外，采用光电二极管作为信号采集部件，无法进行精确的定量分析，且只能使用该厂家提供的试纸条产品。 

实用新型内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种采用CCD数字图像技术对被检测目标进行即时拍摄、处理和读数的一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统及分析方法。 

设计方案：为了实现上述设计目的。本申请根据市场需求，并经过深入的可行性分析后，自主开发了“CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统”。该系统采用数字成像技术、吸光光度法原理，通过专利技术的光源设计、自校准与数值过滤算法，解决了对胶体金免疫层析诊断试纸进行定量分析的难题。系统工作时，先将反应后的胶体金免疫层析诊断试纸送入仪器的目标托盘内固定；由LED照明室提供的稳定照明光照亮试纸条表面，反射光经图像采集部件转换成数字图像；最后，软件根据得到的数字图像，计算得出试纸条上的测试线的相应数值。 

1、本申请中的仪器主要采用了吸光光度法原理，对免疫层析反应后的试纸条进行读数。下面介绍其原理。 

2、本申请采用吸光光度法：吸光光度法是通过测定溶液的吸光度，根据朗伯一比耳定律确定物质溶液的浓度。 

1760年，Lambert用实验指出，当光通过透明介质时，光的减弱程度与光通过介质的光程成正比。1852年，Beer研究证明了，光的吸收程度与透明介质中光所遇到的吸光质点的数目成正比，在溶液中即与吸光质点的浓度成正比。 

3、免疫层析反应：胶体金免疫层析诊断试纸的结构主要包括样品垫、结合垫、分析膜、测试线、物质控线、吸水垫。其中，纳米金颗粒与生物活性分子结合被固定于结合垫。

当进行检测时，首先将含有目标被检物的样品滴加到样品垫上，样品通过渗透与虹吸作用进入结合垫，流经分析膜，流向吸水垫。在此过程中，分析膜测试线和质控线上将发生复杂的免疫反应。 

待免疫层析反应结束后，测试线和质控线上均固定有纳米金颗粒，且测试线上纳米金颗粒的含量与样品中目标被检物的浓度有对应关系。若样品中不含目标被检物，则测试线上就没有结合纳米金颗粒。 

4、系统构成：“CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统”由图像采集器、数据处理器、结果输出器组成；其中，图像采集器由目标托盘、LED照明室、光学平面反射镜、工业相机组成；数据处理器由主机板、图像处理与读数软件组成；结果输出器由微型打印机、液晶显示器组成，如图1所述。仪器工作参数主要包括：图像采集控制参数、读数分析参数与校准参数。图像采集控制参数主要有曝光时间、对比度、白平衡、降噪取样数等；读数读数分析参数主要有读数区域设定、RGB三通道权重值、数据有效范围设定等；校准参数有增益、偏移量等。仪器读数结果是胶体金免疫层析诊断试纸上的测试线、质控线的数值表示。当仪器长时间运行时，照明光源和图像采集部件的工作特性不可避免的将发生一定程度的变化，例如亮度；另外，图像采集部件由于电子成像系统的工作特点，在得到的数字图像中会带有一定数量的噪声干扰（躁点）。大量测试数据表明，这类变化会最终影响到读数结果。为减弱或消除这类干扰，本项目仪器设计了亮度自校准功能、图像多帧降噪功能。对应的亮度锁定参考值、降噪取样数等工作参数可由用户根据实际需要，进行设置与调整，以实现仪器读数结果的稳定可靠。 

不同规格或不同厂家生产的胶体金免疫层析诊断试纸，其测试线、质控线呈现的颜色、线条位置、线条宽度是不同的。因此，仪器测试与分析时，为提高读数精确度，达到最佳工作状态，需要按不同的产品类型分别进行调整与优化。本申请设计允许用户根据试纸条的特性，预先设定好相应的一组工作参数；同时，用户还可以预设多组工作参数，以对应多种规格的试纸条。方便实际工作时的快速切换。 

技术方案：一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，数据处理器的信号输出端分别接微型打印机和液晶显示器的信号输入端，数据处理器信号交换端分别与图像处理器及工业相机信号端连接。 

本实用新型与背景技术相比，一是仪器系统采用专利技术的照明光源设计、自校准算法、图像降噪算法等，有效保证读数结果的稳定性、一致性和精确度，有力解决了人眼判读时的主观偏差问题；二是仪器系统集成了本申请自主知识产权的一体式工控机应用架构，模块化设计的LED照明、CCD相机、数据处理系统等部件可依据用户需求，提供不同性能、价格的选择；三是本申请软件部分采用主流Windows平台开发，便于后续的功能升级与扩展。 

附图说明

图1是CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统方框示意图。 

具体实施方式

实施例1：参照附图1。一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，由图像采集器、数据处理器、结果输出器组成；数据处理器中的主机板信号交换端分别与图像处理与读数软件及图像采集器中的工业相机进行双向数据交换。图像采集器由目标托盘、LED照明室、光学平面反射镜、工业相机组成，光学平面反射镜的接受面与反射面呈45度分布且位于光学平面反射镜下方的LED照明室照射在被测目标上的光线垂直反射至45度分布的光学平面反射镜面且通过45度分布的光学平面反射镜面将被测目标图像反射至工业相机镜头。低成本高可靠的12路白光LED环形照明光源，采用环状分布的12路独立可调节的白光LED，以及对可见光波段反射系数大于95%的白色漫反射涂层，实现了对被检测目标的较均匀的稳定照明。从而提高了本系统的稳定性和一致性。软件部分进行图像的处理与读数，运行在Windows系统下，其执行的流程如图4所示。通过在CCD相机取景区域内放置标准色卡，软件系统可以对获得的数字图像中的标准色卡区域进行分析，得到图像亮度数据；通过比较预先设定的亮度参考值与实际得到的亮度数据，可以得知当前仪器的亮度偏移情况；软件系统控制电子快门速度，调整曝光时间，可以改变数字图像的亮度水平。根据当前的亮度偏移情况，适当增加或减少曝光时间，即可将仪器的亮度偏移限定在一个较小的区间内，从而实现仪器读数的稳定性。胶体金免疫层析诊断试纸测试线区域的红、绿、蓝（R、G、B）三通道的亮度衰减幅度是不同的，由于G通道变化幅度最大，因此我们可以设置R、G、B三通道亮度数据的权重为：0、1、0。只使用G通道亮度数据进行分析处理，从而提高本仪器系统对该类型试纸条的检测灵敏度。胶体金免疫层析诊断试纸的结构主要包括样品垫、结合垫、分析膜、测试线、物质控线、吸水垫，其中，纳米金颗粒与生物活性分子结合被固定于结合垫。12颗白光LED安放在环形透明基座中，基座内外侧表面均匀覆盖漫反射涂层内侧较薄，外层较厚；被检测目标--胶体金免疫层析诊断试纸的测试线、质控线置于照明光源中心下方；白光LED发出的光线经过透明基座内外侧漫反射涂层多次反射后，将在基座内形成一个较均匀的圆形照明区域，从而实现对被检测目标的均匀照明。 

“CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统”具有快速、简便、定量、准确的优点，可以广泛应用在各大医院、人体健康检查机构对早孕、流感、毒品等不同类别或不同厂家的试纸条进行结果判定。利用该系统的测量精度高、稳定一致等优点，也可使用在疾病监测机构、医学实验室等。光由LED照明室发出，照射在反应后的试纸条上。经试纸条表面漫反射后，光由光学平面镜反射至工业相机。工业相机拍摄生成数字图像，然后传送至电脑软件进行分析处理。最终得到胶体金免疫层析诊断试纸上的测试线和质控线的读数数值。 

在试纸条测试线和质控线上，由于纳米金颗粒对光的吸收特性，因此测试线（T线）和质控线（C线）处的散射光信号将小于试纸条其它区域的信号。对即时图像进行亮度分析后，亮度分布曲线上应当存在两个与测试线和质控线对应的低数值区域。原则上根据这两个区域亮度数值的大小，可以判断目标被检物的有无及其浓度。 

本仪器图像处理与读数软件根据采集到的试纸条图像数据，先分别计算出测试线的亮度值T_1和质控线的亮度值C_1；同时，根据测试线之外无胶体金颗粒区域（背景）亮度值得到的测试线上散射光的本底亮度值R_1；考虑到人眼判读的视觉特点，我们采用背景亮度值与测试线、质控线亮度值的差值：R_1 – T_1、R_1 – C_1，来表示试纸条上的测试线和质控线的强弱。当固定于测试线上的纳米金颗粒较多时，人眼判读为测试线较强，本仪器系统得出的读数会较大；反之，当固定于测试线上的纳米金颗粒较少时，人眼判读为测试线较弱，本仪器系统得出的读数也会较小。 

通过检测一系列已知浓度的标准样品，可以得出本仪器系统读数与标准样品浓度之间的对应关系。建立对应关系的过程，我们称之为定标。不同类型或不同厂家生产的胶体金免疫层析诊断试纸，其测试结果的一致性、稳定性和对不同浓度样本的分辨能力是不同的。因此，定标结果与试纸条的类型是关联的。本仪器图像处理与读数软件设计允许用户将定标结果设置为工作参数，供实际读数时使用。并允许用户同时设置多组工作参数，对应多个类型的试纸条，以方便实际工作时的选取。 

“CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统”由硬件和软件两部分共同组成。软件部分进行图像的处理与读数，运行在Windows系统下。 

本申请采用了多颗LED、环形分布加漫反射涂料的组合方式；为保证LED发光稳定，设计了专用的LED供电电路。 

胶体金免疫层析诊断试纸测试线区域的红、绿、蓝（R、G、B）三通道的亮度衰减幅度是不同的。由于G通道变化幅度最大，因此我们可以设置R、G、B三通道亮度数据的权重为：0、1、0。只使用G通道亮度数据进行分析处理，从而提高本仪器系统对该类型试纸条的检测灵敏度。 

创新点一：高精度实时亮度、对比度、白平衡自校准。充分利用计算机系统强大的数据运算处理能力，通过使用标准色卡、实时图像检测、相机亮度、对比度、白平衡参数自动反馈控制，消除本项目仪器系统图像采集相关部件在长时间工作时因电子器件工作特性带来的信号漂移，从而提高了系统的精度和稳定性。 

本仪器系统的读数结果基于图像采集部件获得的数字图像。因此，图像采集相关部件工作时的不稳定，均会导致获得的数字图像存在一定的差异，从而影响最终读数。经过大量实验发现，影响仪器系统测量精度和稳定性的主要有以下两大方面： 

（1）照明光源的稳定性。由于LED及LED供电电路等电子器件在长时间工作后，会出现工作参数的漂移。例如LED的发光效率、供电电路电流、电压等；另外，照明室漫反射涂层使用的白色涂料随着时间的增加，也会出现老化变色。这些因素会导致测量时照明条件的不稳定，表现为亮度异常、偏色等；

（2）CCD相机的稳定性。由于CCD相机的工作原理是通过光电子器件将光信号转换为电信号，在仪器系统长时间工作时，电子器件的工作指标同样也会发生一定程度的改变。最终会表现在输出的数字图像的亮度、对比度、R、G、B三通道色彩的不稳定。具有较好的工作稳定性的CCD相机价格也较高。而色彩还原较好的3-CCD相机，其价格更是大幅超过普通用途的单CCD相机。

通过在CCD相机取景区域内放置标准色卡，软件系统可以对获得的数字图像中的标准色卡区域进行分析，得到图像亮度数据；通过比较预先设定的亮度参考值与实际得到的亮度数据，可以得知当前仪器的亮度偏移情况；软件系统控制电子快门速度，调整曝光时间，可以改变数字图像的亮度水平。根据当前的亮度偏移情况，适当增加或减少曝光时间，即可将仪器的亮度偏移限定在一个较小的区间内，从而实现仪器读数的稳定性。 

特点一：突破了传统试纸条定量分析系统需要定期人工维护的做法。实现了仪器系统的自校准免维护；特点二：标准色卡包含在系统拍摄的数字图像中。同时可以作为判断系统工作状态是否正常的依据，为处理异常提供了有力的参考。 

本系统经过对标准灰度测试卡（Edmund Optics a53-712第1级、第10级）3500次连续读数（每次读数间隔5秒），证明自校准功能可以将CCD相机拍摄的图像亮度、对比度、白平衡的变化稳定在一个较小的范围内。 

创新点二：低成本高可靠的12路白光LED环形照明光源。采用环状分布的12路独立可调节的白光LED，以及对可见光波段反射系数大于95%的白色漫反射涂层，实现了对被检测目标的较均匀的稳定照明。从而提高了本系统的稳定性和一致性。CCD相机对被检测目标（即胶体金免疫层析诊断试纸）拍摄的数字图像，是本系统分析与计算的基础。而CCD相机成像，原理上是被检测目标被光源照亮后，其反射光进入相机的镜头，并由相机光电器件采集而得到。因此，被检测目标的照明条件将直接影响CCD相机最终输出的数字图像的质量。LED（Lighting Emitting Diode）照明即发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED具有的节能、环保、寿命长、体积小等特点，使得它成为了本系统优选的照明光源解决方案。但是，要在实际的胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统中使用LED照明，还需要解决照明的均匀性、稳定性问题。 

12颗白光LED安放在环形透明基座中，基座内外侧表面均匀覆盖漫反射涂层（内侧较薄，外层较厚）。被检测目标（胶体金免疫层析诊断试纸）的测试线、质控线置于照明光源中心下方。白光LED发出的光线经过透明基座内外侧漫反射涂层多次反射后，将在基座内形成一个较均匀的圆形照明区域，从而实现对被检测目标的均匀照明。 

LED是典型的电流型元件，在开启工作电压之上时，电压的微小变化都有可能带来电流的剧烈变化，造成输入功率和输出光强的剧烈变化。对于这类的电流型元件，从单纯技术角度看，最好能够采用恒流源供电。但是恒流源供电电路结构复杂、成本昂贵，应用反而不是很多。通过合理选择限流电阻的阻值,采用恒压源也能够为LED 供电。这种驱动方式结构简单,使用灵活。 

本项目采用多路独立稳压设计，并可实现毫伏级输出微调。当仪器系统经过一段时间的使用后，可通过调整供电电路的输出电压，校正LED工作指标的变化。 

创新点三：基于离散度分析的异常数值过滤算法 

本系统基于数字图像处理技术。软件系统工作时，以像素作为基本单位。胶体金免疫层析诊断试纸的测试线、质控线在获取的图像上，呈现为一块特定的区域。由于该区域通常包含多个像素，因此，区域的亮度值存在着对多个像素亮度值的取样方法问题。常规的做法是取平均值。即：区域亮度值 = 区域内各像素点亮度值的和 / 像素点个数。但实际工作中，胶体金免疫层析诊断试纸因制造工艺的原因，存在着测试线、质控线上纳米金颗粒分布不均匀的问题；同时，由于测试样本（尿、血、唾液等）通常带有杂质，会在试纸条上形成污点；另外，由于操作人员及操作环境的原因，偶尔也会给试纸条上带来杂质，如浮尘、毛发等。上述影响，体现在测试线、质控线区域的亮度值上，会表现为多个像素点亮度值的异常（偏高、或偏低）。

需要理解到的是：需要理解到的是：上述实施例虽然对本实用新型的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本实用新型设计思路的简单描述，而不是对本实用新型设计思路的限制，任何不超出本实用新型设计思路的组合、增加或修改，均落入本实用新型的保护范围内。  

Claims (4)

1.一种CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，其特征是数据处理器的信号输出端分别接微型打印机和液晶显示器的信号输入端，数据处理器信号交换端分别与图像处理器及工业相机信号端连接。

2.根据权利要求1所述的CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，其特征是：图像采集器由目标托盘、LED照明室、光学平面反射镜、工业相机组成，光学平面反射镜的接受面与反射面呈45度分布且位于光学平面反射镜下方的LED照明室照射在被测目标上的光线垂直反射至45度分布的光学平面反射镜面且通过45度分布的光学平面反射镜面将被测目标图像反射至工业相机镜头。

3.根据权利要求1所述的CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，其特征是：12路白光LED环形照明光源采用环状分布。

4.根据权利要求1所述的CCD型胶体金免疫层析诊断试纸定量分析系统，其特征是：12颗白光LED安放在环形透明基座中，基座内外侧表面均匀覆盖漫反射涂层内侧较薄，外层较厚。

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