专利名称：一种快速检测痰涂片结核菌的装置与方法
技术领域：
本发明属于生物医学检测诊断技术领域，特别涉及一种快速检测痰涂片结核菌的装置与方法。
背景技术：
结核病是由结核杆菌感染引起的慢性传染病，结核病又称为痨病和“白色瘟疫”， 是一种古老的传染病，它是当今全球范围对人类最具威胁性的感染性疾病之一，是单病因所致的感染性疾病中死亡率最高的疾病，是发展中国家的头号传染性杀手，已成为重大的公共卫生问题和社会问题。科学技术的飞速发展为结核病实验诊断带来很多的新方法，但细菌学检查由于其客观性、直观性及简便、价廉等优点，仍将是结核病实验、诊断的重要手段。目前世界上各国确诊肺结核、发现传染源、观察疗效、决定是否治愈和流行病学调查统计的主要方法就是对病人的痰液作涂片染色，进行显微镜检查，通过查找痰涂片显微图像中结核菌的条数作为病情的主要判断依据。该方法采用显微镜对痰涂片放大大约1000倍进行人工观察，判读显微图像中结核杆菌数目。一般地，对一张涂痰片(大小2. 0X2. 5cm)，最多要进行连续检查 300个不同视野，才能确诊抗酸杆菌阴性还是阳性。痰涂片镜检法是目前全世界各国的结核病实验室外都在使用的最基本的细菌学检查方法，也是我国结核病控制规划(NTP)的重要组成部分，目前我国从乡到省级的各级结核病医疗和控制机构一般均采用该方法，它在我国结核病预防工作中起着不可缺少的重要作用。但是人工检测方法存在诸多的不足。首先，采用人工观察，要在放大1000倍的显微镜图像最多连续观察300个视野，工作量大、极易使人疲劳；其次，人工对细胞进行识别， 其检测结果易受人判读技术和情绪等主观因素的影响，难以保证检测结果的正确性，不利于结核病检测与预防的质量控制。再有，该方法的检测效率低，难于适应现代化传染病预防和控制的需要。为了使结核病的现有的细菌学检查方法实现标准化、规范化、智能化和自动化，提高该检测方法的科技水平，目前提出了采用机器视觉的结核菌自动检测方法，但由于其存在诸多的关键技术没有解决，限制其应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速检测痰涂片结核菌的装置与方法，实现同一痰涂片连续视野的动态智能识别与计数，以解决传统机器视觉检测系统对焦速度慢、检测效率低和显微图像动态范围小等问题。本发明提供一种快速检测痰涂片结核菌的装置，包括支架，CXD图像传感器，显微成像系统，计算机系统，三维精确控制台，X轴电机，Y轴电机，Z轴电机，所述的支架Z轴方向上装有带光栅传感器的高精度光栅尺；所述的显微成像系统下面有可控光强的LED光源板作为载物台；所述的计算机系统包括输出控制信号到三维精确控制台的控制模块、从 CCD图像传感器读取图像信息并进行数据融合处理的图像目标融合模块和输出检测信息到显微成像系统并进行识别与计数处理的神经网络分类与计数模块。所述的控制模块实现在同一视野不同曝光图像采集及自动检测过程中视野转换、 光强控制和调焦控制。所述的图像目标融合模块先用单次曝光图像对图像做颜色分割和灰度化后的边缘算子分割，将得到的结果做数据融合处理，实现单帧图像目标分割；然后对同一视野各单次曝光图像帧的分割结果再进行目标级图像数据融合处理，实现同一视野检测目标的精确分割。所述的神经网络分类与计数模块提取结核菌特征，并将这些特征输入到神经网络进行处理，最后实现显微图像中的结核菌的识别与计数。本发明提供一种使用快速检测痰涂片结核菌的装置的方法，包括以下步骤(i)启动系统进行初始化，并进行校准，输入被检测者信息，并将痰涂片放置作为载物台的LED光源板上；(ii)系统开始进入自动调焦过程，控制系统利用精密的光栅尺获取放置在载物台的Z轴信息，并根据系统显微成像的最佳焦距，控制检测平台运动到最佳成像位置；(iii)定位检测视野，利用图像清晰度评价函数进行数字化自动精确调焦；(iv)采用空白区决策算法，找到第一个检测视野，并确定最佳的扫描检测路径；(ν)根据最佳的扫描检测路径，锁定检测视野，调控光源光强度，分别采集同一视野不同曝光的四帧显微图像，并存入内存；(vi)对采集的四帧不同曝光的显微图像用颜色信息与灰度信息进行目标分割，然后进行单帧图像目标融合，对同一视野四帧不同曝光的显微图像所检测的目标，进行目标级的融合，分割出同一视野的检测目标；(vii)对融合的图像先进行滤波，然后提取结核菌细胞特征；(viii)将提取的结核菌细胞特征输入到神经网络分类器，进行结核菌分类与计数，完成一个视野的结核菌检测；(ix)检测结核菌的数量是否大于设定值，若否，转步骤(V)，进行下一个视野的检测，否则，显示涂片完整的检测结果，退出检测系统。有益效果本发明提供一种快速检测痰涂片结核菌的装置与方法，代替人工判读和计数，克服人工判读的缺点，实现同一痰涂片连续视野的动态智能识别与计数，整个检测过程完全自动化，可以提高传统机器视觉检测系统对焦速度和检测效率，提高检测准确度，扩大显微图像动态范围小等问题，同时有助于提高结核菌常规检测方法的水平，为结核病的临床诊断与防治提供科学的依据。
图1为痰涂膜显微图像结核菌动态检测装置示意图。图2为显微图像的空白视觉区与检测路径示意图。图3为同一视野不同曝光图像检测目标融合示意图。图4为结核菌特征示意图。图5为快速自动检测流程图。
1.支架 2. C⑶图像传感器 3.光栅尺 4.显微成像系统 5. LED光源板 6.三维精确控制台7. X轴电机8.Y轴电机9.Z轴电机。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1本发明在实施过程中，采用下列器材1. CCD型号为HV1303UM，主要参数分辨率为1280*1024的CMOS CCD,；光学尺寸为1/1. 8"；最高130万像素；最高的水平分辨率为1280 ；数模转换精度为IObit ；45dB的高信噪比(AGC OFF)；可开/关的自动增益控制仏60，数字增益倍数是*2、*1、*0.5、*0.25; 对于550nm的光源，其灵敏度为2. lV/Lux-s ；可自动跟踪(ATW) /手动设定的黑白电平衡校正方式；可接受MV AC及12V DC两种电源供应。2.显微成像系统4:采用符合德国标准化DIN标准，可直接与DIN目镜或C接口 C⑶相机连接。单筒尺寸长度适合DIN标准，任何DIN标准镜头都可接到本显微成像系统，放大倍率等于物镜的倍率。视频系统的视场等于CCD的尺寸除以物镜的放大倍率。镜头采用 Nikon镜头，放大倍数为100 ；数值孔径为1. 25 ；油镜；镜筒长/最佳成像距离为160/0. 17。3.光栅尺3 :SM12,测量长度12. 5mm分辨率0. 1 μ m准确度士 1 μ m/12mm,最大测量速度0. 5ms-l弹簧耐压0. 4-0. 8N，工作电压5Vss 士 5%，电流(LD线性差动输出)最大为 130mA,电流(TTL输出)最大50mA，防护等级IP40，工作温度0-50°C，绝缘阻抗最小为20丽， 输出信号(LD线性差动输出)RS422为20mA，输出信号(TTL输出)L最大0. 5V at < 10mA。 H 最小 3. 5V at > 2. 5mA。4. LED可控光强背光光源YHFL-100-100_W电气参数MV/11. 5W，有八档可控变光强，环境温度为25°C时，以50%白色光源亮度连续可靠工作超过30，000小时(衰减量为 50%时)。5.计算机系统联想启天M7300 :CPU, Intel酷睿i3 550，双核心/四线程，频率 3. 2GHz 二级缓存2 X 256KB,三级缓存4MB ；主板芯片组htel H57，主板内存容量为2GB ；内存类型为DDR3 1333 ；硬盘容量500GB，转速7200转，SATAII ；显卡类型为独显AMD Radeon HD4350，显存容量512MB，显示器尺寸为17英寸。如图1所示，本发明涉及一种快速检测痰涂片结核菌的装置，包括支架1，C⑶图像传感器2，显微成像系统4，计算机系统，三维精确控制台6，X轴电机7，Y轴电机8，Z轴电机 9，所述的支架Z轴方向上装有带光栅传感器的高精度光栅尺3，可以快速完成涂片Z轴信息的自动获取，以实现检测系统对涂片的快速对焦；所述的显微成像系统4下面有可控光强的LED光源板5作为载物台，LED光源板5通过变光强透射成像，获取同一视野不同曝光的多帧显微图像进行信息融合为，以扩大场景图像信息的动态范围；所述的计算机系统包含三个软件功能模块输出控制信号到三维精确控制台6的控制模块、处理从CCD图像传感器 2读取的图像信息的图像目标融合模块和处理并输出检测信息到显微成像系统4的神经网络分类与计数模块；所述的控制模块实现在同一视野不同曝光图像采集及自动检测过程中视野转换、光强控制、调焦控制；所述的图像目标融合模块先用单次曝光图像对图像做颜色分割和灰度化后的边缘算子分割，将得到的结果做数据融合处理，实现单帧图像目标分割； 然后对同一视野各单次曝光图像帧的分割结果再进行目标级图像数据融合处理，实现同一视野检测目标的精确分割；所述的神经网络分类与计数模块提取结核菌特征，并将这些特征输入到神经网络进行处理，最后实现显微图像中的结核菌的识别与计数。对一张痰涂片结核菌的动态检测是在800-1000倍的光学显微成像系统4中进行的，被检痰涂片涂抹的厚度、均勻度及载物平台在动态检测过程中的运动都会导致离焦现象。所以提出一种全数字式显微成像的自动调焦系统。考虑到调焦精度和调焦效率，拟采用一种粗/精结合的调焦方法，即首先基于边缘清晰度算法对大致轮廓和边缘的显微图像进行粗调焦；然后针对全景图像上包含结核菌的某个目标区域采用基于颜色高频分量的清晰度评价函数进行精调焦，使得显微图像显示出更丰富的细节。由于检测中对调焦精度和速度有要求，因此以陶瓷电机为主要执行部件，采用闭环控制方法实现对控制过程的最优控制，实现快速、高稳定性的精确控制，使其可达到精度为1 2μπι，满足系统的要求。在动态自动检测过程中，对同一痰涂片(20 X 25mm)最多要检测300个视野，才能判断检测结果。采用如图2所示的视野转换顺序进行检测，有助于实现检测过程的控制优化，减小X、Y轴的移动误差。由于被检测对象照明不均勻、照明光强的变化、光电转换的非线性、衍射效应等因素的影响及人工涂片工艺质量等原因，会引起显微图像噪声。为了获取清晰的显微图像，除了采用更先进的硬件设备外，还需要采用软件的方法对采集到的图像数据进行预处理，尽可能地消除系统误差和随机噪声，使调焦评价函数的计算结果能够准确、快速地反映成像系统的离焦信息，以实现精确调焦。进行预处理，首先要消除成像过程引入的噪声的影响。一是消除光照的影响。由于CCD图像传感器2在光线较暗时，成像效果较差，因而有必要对它的灰度值进行修正以增强对比度；另外还要消除显微成像系统4在成像过程中引入其它各种各样的噪声。噪声的成分不同，采取的消除噪声的方法也不同。考虑到在结核菌原始显微图像中，虽然混有各种噪声，但主要表现为高斯噪声和脉冲噪声。中值滤波算法具有简单、快速、能够滤除脉冲噪声和椒盐噪声，且较强的细节保持能力，而均值滤波器对高斯噪声具有较强的滤除能力。本发明采用中值滤波算法和均值滤波算法相结合的算法对图像进行预处理，能达到良好的滤波效果。由于送检痰涂片涂抹物质对光强敏感和CXD动态范围有限，造成显微图像动态范围受限，引起检测目标信息丢失，若一个视野仅拍摄一帧图像进行检测，就会造成结核菌漏检。本发明采用变光强技术，同一视野摄取四帧不同曝光的显微图像，分别进行目标提取， 再利用数字图像处理技术将同一视野不同曝光的显微图像的检测目标融合在一帧图像上， 供后续算法进行分类处理。显微图像经过预处理后，必须利用预处理后显微图像信息和结核菌的特点，实现结核菌的有效分割。本发明提出在对图像进行预处理之后，分别对图像做颜色分割和灰度化后的边缘算子分割，并将得到的结果做数据融合处理，得到细胞的边界，实现单帧结核菌目标图像的分割；然后对同一视野不同曝光的四帧图像目标的分割结果，进行目标级的数据融合，获取同一视野的检测目标。图3显示了同一视野目标分割的实现过程。在目标分割后提取样本细胞的若干特征，主要包括面积、周长、颜色及形状等特征，将这些特征输入到神经网络进行训练，最后实现痰涂片显微图像中的结核菌的识别与计数。融合技术就是对满足一定条件的不同信源的数据，按照一定准则进行综合处理， 以获得更加准确的描述。根据上面所得的两种分割结果，并利用结核菌已有的先验知识 (如面积等)，在对数据进行关联后进行去伪存真的融合与提取。经融合处理之后的结果既能消除由于光照及染色不均所带来的影响，又能极大程度地减少图像中噪声所带来的影响，且融合算法还能去除两次分割结果中的非结核菌，为下一步的识别处理打下了坚实的 ■石出。特征的提取是进行细胞分类的关键，对显微图像中的结核菌进行分割后，必须提取结核细胞所具有的颜色和形状特征。颜色特征是识别结核菌的关键特征，经过染色处理过的痰涂片，结核菌显暗红色， 而其他的杂质一般显蓝绿色，背景是淡黄红色，也有一些杂质的颜色与研究目标非常类似， 有时，背景的颜色在某些区域也会与检测目标的颜色也接近，如图4所示，本发明提出了一个适合于本系统特点的颜色特征集的确定方法。要确定结核痰涂片显微图像中特征颜色集合，采用两个原则，首先是最大频数的原则，其次是颜色的相容原则。最大频数的原则保证了颜色集中的N个特征色代表了结核菌图像中的主要成分的分布，而颜色的相容性原则要求各特征色在彩色空间中具有相对均勻的分布。采用相容球体空间的颜色模型，即每一种特征色拥有一个半径为R的球体空间， 图像中颜色在此空间内全部归并为该特征色。各特征色彼此间距大于R。显然，相容的范围越大，即R越大，则特征色的数量就越少，在检测中通过实验的方法，选定R的值。由R的值就可以根据算法来具体的确定特征颜色集合。当图像用特征颜色表示后，对某一块显微图像区域就可用一特征适量来描述。Cf = [S (X1)，S (X2) , .... S (Xk) ]τ其中S(Xi)表示特征集中，第I个特征色在该图像区中所占的像素的个数。Cf表示的矢量就可反映它们之间存在的差异。所以可以定义一个纹理相似度即
ITf ι 2C/m^/n
Ψ = 1——arccos ,, ,,,,,,
π LlWIW-其值越大，则两区域的颜色特性越相似。根据结核菌的特点，选取一定大小的矩形窗口，计算窗口内的彩色特征矢量，作为结核菌的样本特征，接着对图像中的每个像素，计算其在一定大小的领域窗内的特征矢量及与样本特征的相似性测度，这样得到一幅关于相似性测度的新图像。显然，根据图像的相似测度，用域值的方法可以得到一个较完整的目标区域。结核菌图像形状特征的提取。一般地，结核菌有一定的大小，涂片显微图像中的结核菌多显细长条形，有的成弯曲状，有的成直线形，也有地结核菌盘旋成非条形形状的， 有时还有多条结核菌缠绕在一起成团状。结核菌的大小、形状特征是识别的重要依据，基于结核菌地特点，我们采用基于区域边界的链码表示，来提取结核细胞图像的形态特征信息.这种链码表示既有利于有关形态特征的计算，也有利于节省存储空间。用链码实现对图像进行边缘跟踪，可以得到周长、面积等一系列的结核细胞的几何形状特征。如结核菌的周长、细胞区域的宽度和高度、细胞区域的面积、细胞区域矩形度和伸长度等。通过图像处理的方法，上述特征在处理过程中可以抽取出来，根据抽取出的结核细胞的特征，为找出正确的识别分类的规则提供依据。有效的神经网络分类器，根据输入图像的特征，实现对结核细胞的分类。一种以域理论自适应谐振神经网络算法为基础的改进算法适合于结核细胞的识别与分类。通过增加隐层神经元的映射能力，实现样本内部输入分类和内部输出分类的隐层神经元区别处理，并在两个隐层分别进行淘汰竞争，使网络可以针对样本的输人/输出特性灵活地增加隐层神经元，减小了网络拓扑的复杂度。此外，当训练样本的内部输出分类满足要求时，实现对吸引域进行微移，最大限度地保护了已经存储在网络中的知识。如图5所示，本发明在具体使用过程中包括以下步骤(i)启动系统进行初始化，并进行校准，输入被检测者信息，并将痰涂片放置作为载物台的LED光源板5上；(ii)系统开始进入自动调焦过程，控制系统利用精密的光栅尺3获取放置在载物台的Z轴信息，并根据系统显微成像的最佳焦距，控制检测平台运动到最佳成像位置；(iii)定位检测视野，利用图像清晰度评价函数进行数字化自动精确调焦；(iv)采用空白区决策算法，找到第一个检测视野，并确定最佳的扫描检测路径；(ν)根据最佳的扫描检测路径，锁定检测视野，调控光源光强度，分别采集同一视野不同曝光的四帧显微图像，并存入内存；(vi)对采集的四帧不同曝光的显微图像用颜色信息与灰度信息进行目标分割，然后进行单帧图像目标融合，对同一视野四帧不同曝光的显微图像所检测的目标，进行目标级的融合，分割出同一视野的检测目标；(vii)对融合的图像先进行滤波，然后提取结核菌细胞特征；(viii)将提取的结核菌细胞特征输入到神经网络分类器，进行结核菌分类与计数，完成一个视野的结核菌检测；(ix)检测结核菌的数量是否大于设定值，若否，转步骤(ν)，进行下一个视野的检测，否则，显示涂片完整的检测结果，退出检测系统。
权利要求
1.一种快速检测痰涂片结核菌的装置，包括支架(1)，CCD图像传感器O)，显微成像系统G)，计算机系统，三维精确控制台(6)，X轴电机(7)，Y轴电机(8)，Z轴电机(9)，其特征在于，所述的支架(I)Z轴方向上装有带光栅传感器的高精度光栅尺(3)；所述的显微成像系统(4)下面有可控光强的LED光源板( 作为载物台；所述的计算机系统包括输出控制信号到三维精确控制台(6)的控制模块、从CCD图像传感器( 读取图像信息并进行数据融合处理的图像目标融合模块和输出检测信息到显微成像系统(4)并进行识别与计数处理的神经网络分类与计数模块。
2.根据权利要求1所述的一种快速检测痰涂片结核菌的装置，其特征在于，所述的控制模块实现在同一视野不同曝光图像采集及自动检测过程中视野转换、光强控制和调焦控制。
3.根据权利要求1所述的一种快速检测痰涂片结核菌的装置，其特征在于，所述的图像目标融合模块先用单次曝光图像对图像做颜色分割和灰度化后的边缘算子分割，将得到的结果做数据融合处理，实现单帧图像目标分割；然后对同一视野各单次曝光图像帧的分割结果再进行目标级图像数据融合处理，实现同一视野检测目标的精确分割。
4.根据权利要求1所述的一种快速检测痰涂片结核菌的装置，其特征在于，所述的神经网络分类与计数模块提取结核菌特征，并将这些特征输入到神经网络进行处理，最后实现显微图像中的结核菌的识别与计数。
5.一种使用权利要求1所述的快速检测痰涂片结核菌的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤(i)启动系统进行初始化，并进行校准，输入被检测者信息，并将痰涂片放置作为载物台的LED光源板(5)上；( )系统开始进入自动调焦过程，控制系统利用精密的光栅尺C3)获取放置在载物台的Z轴信息，并根据系统显微成像的最佳焦距，控制检测平台运动到最佳成像位置；(iii)定位检测视野，利用图像清晰度评价函数进行数字化自动精确调焦；(iv)采用空白区决策算法，找到第一个检测视野，并确定最佳的扫描检测路径；(ν)根据最佳的扫描检测路径，锁定检测视野，调控光源光强度，分别采集同一视野不同曝光的四帧显微图像，并存入内存；(vi)对采集的四帧不同曝光的显微图像用颜色信息与灰度信息进行目标分割，然后进行单帧图像目标融合，对同一视野四帧不同曝光的显微图像所检测的目标，进行目标级的融合，分割出同一视野的检测目标；(vii)对融合的图像先进行滤波，然后提取结核菌细胞特征；(viii)将提取的结核菌细胞特征输入到神经网络分类器，进行结核菌分类与计数，完成一个视野的结核菌检测；(ix)检测结核菌的数量是否大于设定值，若否，转步骤(ν)，进行下一个视野的检测， 否则，显示涂片完整的检测结果，退出检测系统。
全文摘要
本发明涉及一种快速检测痰涂片结核菌的装置与方法，快速检测痰涂片结核菌的装置包括支架，CCD图像传感器，显微成像系统，计算机系统，三维精确控制台，X轴电机，Y轴电机，Z轴电机；支架Z轴方向上加装有带光栅传感器的高精度光栅尺；显微成像系统下面有可控光强的LED光源板作为载物台；计算机系统包含控制模块、图像目标融合模块和神经网络分类与计数模块三个软件功能模块；快速检测痰涂片结核菌的方法包括对图像检测采用的视觉区判读算法和最佳检测路径扫描算法，对图像分割采用的两次目标融合的方法。本发明可提高机器视觉检测准确度和效率，为结核病的临床诊断与防治提供科学的依据。
文档编号C12M1/36GK102304472SQ201110128958
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者叶韬, 周凌君, 涂新星, 王士乐, 钟平 申请人:东华大学