专利名称：生物培养板扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及扫描装置，其用于分析生物生长介质，以分析食物样品、实验室样品等中的细菌或者其它生物因子。
背景技术：
生物安全性是现代社会最为关注的问题。检验食物以及其它物质中的生物污染对食品开发商和销售商已经成为一个重要的，并且有时是强制性的要求。生物检验还用于辨识实验室样品，例如从医疗患者采集的血样、实验用研发的实验室样品以及其它类型的生物样品中的细菌或其它因子。各种技术和装置可以用于改善生物检验并使生物检验过程流水线作业和标准化。
特别是，已经开发了各种各样的生物生长介质。作为一个例子，由明尼苏达州圣保罗市的3M公司(下文称“3M”)开发的生物培养板中的生物生长介质。生物培养板由3M公司以PETRIFILM板的商品名销售。生物培养板可以用于促进通常与食品污染相关的细菌或其它生物因子，例如，包括需氧菌、大肠杆菌、大肠菌、肠道细菌、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、弯曲菌等的快速生长、检测和计数。使用PETRIFILM板，或者其它生长介质可以简化食物样品的细菌检验。
生物生长介质可以用于辨识细菌的存在，以便采取纠正措施(在食物检验的情况下)或者可以进行正确的诊断(在医用的情况下)。在其它应用中，可以使用生物生长介质快速生长例如用于实验目的实验室样品中的细菌或者其它生物因子。
生物培养板扫描装置是指用于读取或者计数生物培养板上的细菌菌落，或者特定生物因子的量的装置。例如，可以将食物样品或者实验室样品置于生物培养板上，并且然后可以将该板插入培养箱中。培养后，可以将该生物培养板放入生物培养板扫描装置中，用于自动检测并计数细菌生长。换句话说，生物培养板扫描装置使生物培养板上的细菌或其它生物因子的检测和计数自动化，从而通过减少人为错误改进生物检验过程。
发明概述总的来说，本发明涉及一种生物培养板扫描装置。该生物培养板扫描装置可以包括多色照明系统，其用不同的照明颜色照明生物培养板。在用各种颜色照明生物培养板时单色图像捕捉装置捕捉该生物培养板的图像。处理器组合这些图像以形成合成的多色图像，并分析该合成的图像以产生诸如菌落计数的分析结果。
生物培养板扫描装置可以包括前后两种照明组件。该前照明部件为扫描装置进行扫描的生物培养板的前侧提供照明。后照明部件为生物培养板的后侧提供照明。后照明部件可以包括光学漫射元件，其设置在该生物培养板的后面，例如当培养板的主平面水平取向时在该生物培养板的下面。该漫射元件接收来自一个或多个横向设置的照明源的光，并分布该光以照明该生物培养板的后面。在前后照明部件中的照明源可以采用能够用处理器控制的发光二极管(LEDs)的形式。
在一个实施方案中，本发明提供一种用于扫描生物培养板的装置。该装置包括用不同的照明颜色选择性地照明生物培养板的多色照明系统，取向成捕捉该生物培养板图像的单色照相机，以及在用每种不同照明颜色照明时控制该照相机捕捉该生物培养板图像的处理器。
在另一个实施方案中，本发明提供一种用于扫该生物培养板的方法。该方法包括用不同的照明颜色选择性地照明生物培养板，以及在以每种不同照明颜色照明时，利用单色照相机捕捉该生物培养板图像。
在一个附加的实施方案中，本发明提供一种用于扫描生物培养板的系统。该系统包括用不同的照明颜色选择性地照明生物培养板的装置，以及在以每种不同照明颜色照明时利用单色照相机捕捉该生物培养板图像的装置。
在另一个实施方案中，本发明提供一种用于扫描生物培养板的装置。该装置包括用一种或多种不同的照明颜色选择性地照明生物培养板的多色照明系统，取向成捕捉该生物培养板图像的照相机以及处理器。在用每种不同照明颜色照明时该处理器控制该照相机捕捉该生物培养板的一个或多个图像，并且控制该照明系统以产生所希望的照明强度和照明持续时间。
在一个实施方案中，本发明名提供一种装置，其包括光学漫射元件和取向成将光导向进入该光学漫射元件的照明源，其中该光学漫射元件朝着生物培养板的一面引导该光。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括引导光进入该光学漫射元件，以照明物培养板的一面。
在一个附加的实施方案中，本发明名提供一种设备，其包括光学漫射元件，取向成将光引导进入该光学漫射元件的第一照明源，其中该光学漫射元件向着生物培养板第一面引导光，取向成向着该生物培养板第二面引导光的第二照明源，以及在用该光学漫射元件和该第二照明源照射该生物培养板的第一和第二面时扫描该生物培养板第二面的装置。
本发明具有许多优点。例如利用单色照相机带来分辨率的好处和节省成本。具体说，单色照相机相对于多色照相机而言提供增加的空间分辨率以及每单位分辨率的所得成本降低。与获得单一的多色图像相反，单色照相机捕捉多个高分辨率的图像，如红色、绿色和蓝色图像，然后组合产生高分辩率的多色图像。
使用不同的照明颜色可以由独立的彩色发光二极管组，例如红色、绿色和蓝色光发光二极管组实现。二极管相对于灯泡来说提供延长的使用寿命并具有固有的一致的输出光谱和稳定的光输出。处理器可以控制发光二极管以用不同的颜色对生物培养板进行顺序照明。
此外，彩色发光二极管可以独立控制以提供不同的输出强度和曝光持续时间，这种特征是有利的，因为发光二极管具有不同的亮度特性，并且与发光二极管相关的反射硬件或其他光学部件可能出现不均匀性。
还有，照相机和相关的镜头，或不同类型的培养薄膜对照明颜色可能存在不同的响应。例如，照相机可能或多或少地对红、绿和蓝光敏感，将会出现额外的不均匀性。但是可以独立地控制发光二极管以补偿这种不均匀性。
这里描述的后照明部件提供方便的结构，用于有效地照明该生物培养板的后面，具有很好的均匀性同时节省该扫描装置内的空间。例如，该后照明部件可以提供漫射元件，用来支撑生物培养板并分布光从横向设置的照明源射入该漫射元件。此外，该后照明部件可以包含一组固定的照明源，其在使用时不需要移动，因而缓解电线的疲劳并减少对环境污染的曝光。
这些和其它实施方案的其它细节在附图和下面的说明书中给出。从下面的说明书和附图以及权利要求书中其它特征、目的和优点将变得很清楚。
附图简述
图1是示例性的生物培养板扫描装置的透视图。
图2是示例性的生物培养板扫描装置的另一个透视图。
图3和图4是示例性的培养板的前视图，具有图像处理样式(profile)选择的指示器模式。
图5是方块图，示出生物培养板扫描装置的内部运行。
图6是方块图，示出图5的生物培养板扫描装置的详细情况。
图7是侧视图，示出用于生物培养板扫描装置的前照明部件。
图8是前视图，示出用于生物培养板扫描装置的前照明部件。
图9是侧视图，示出在装载位置生物培养板扫描装置的后照明部件。
图10是侧视图，示出在扫描位置的图9的后照明部件。
图11是仰视图，示出在图9和图10的后照明部件。
图12是侧视图，示出用于生物培养板扫描装置的前照明部件和后照明部件的组合。
图13是电路图，示出用于照明系统的控制电路。
图14是功能方块图，示出捕捉多色图像用于制备合成图像以产生板计数。
图15是流程图，示出捕捉多色图像用于制备合成图像以产生板计数的技术。
图16是流程图，详细地示出图15的技术。
具体实施例方式
本发明涉及用于生物培养板的生物培养板扫描装置。生物培养板可以呈递给生物培养板扫描装置，该扫描装置然后产生该板的图像并对图像进行分析以检测生物生长。例如，扫描装置可以计数或量化出现在该图像中的生物因子的量，诸如细菌菌落的数目。以这种方式，生物培养板扫描装置使生物培养板的分析自动化。
根据本发明，生物培养板扫描装置可以包括用不同颜色照明该生物培养板的多色照明系统。单色图像捕捉装置在用每种颜色照明该生物培养板时捕捉生物培养板的图像。处理器组合这些图像以形成合成的多色图像，并分析该合成的图像和/或该合成图像的单个组成部分，以产生分析结果，例如菌落数目或有/没有结果。
此外，该生物培养板扫描装置可以包括前后照明部件。该后照明部件可以包括设置在生物培养板下面的漫射元件。该光学漫射元件接收来自一个或多个横向设置的照明源的光，并散布该光以照明该生物培养板的后面。在前后照明部件中的照明源可以采用二极发光管(LEDs)的形式，二极发光管由处理器控制。下面将描述生物培养板扫描装置的各种实施方案。
本发明对各种生物培养板是有用的。例如，本发明可以利用用于培养生物因子的不同的板状装置，诸如薄膜培养板装置、培养皿(Petridish)培养板装置等，以能够检测和/或计数该因子。因此，在这里将广泛使用的术语“生物培养板”是指适合于培养生物因子的介质，以便能用扫描装置检测和计数该因子。在一些实施方案中，生物培养板可以安放在支撑多个板的匣子中，例如，如Graessle等人的美国专利5573950号所描述的。
图1是示例性的生物培养板扫描装置10的透视图。如图1所示，生物培养板扫描装置10包括扫描单元12，其具有用于接纳生物培养板(图1未示出)的抽屉14。该抽屉14将生物培养板移进生物培养板扫描装置10中，以扫描并分析。
生物培养板扫描装置10还可以包括显示器16，用于向使用者显示生物培养板的分析过程或分析结果。可选择地或附加地，显示器16可以给使用者呈现由生物培养板扫描装置10扫描的该培养板的图像。所显示的图像可以是光学放大的或数字地按比例放大的。
安装平台18形成一个弹出口20，生物培养板在生物培养板扫描装置10分析后可以经该弹出口弹出。因此，生物培养板扫描装置10可以具有两部分设计，其中该扫描单元12安装在安装平台18上。该两部分设计示于图1，是为了举例说明而不是受在此描述的本发明的要求或限制本发明。
扫描单元12安装有成像装置，用于扫描该生物培养板并产生图像。该成像装置可以采用单色行扫描仪或面扫描仪的形式，与多色照明系统结合对该生物培养板提供前后照明。此外，扫描单元12可以安放对扫描的图像进行分析的处理硬件，例如，为了确定该培养板上的生物因子的数目或数量。例如，当生物培养板经抽屉14呈递时，该生物培养板可以位于靠近光学台板，以便扫描。
当抽屉14随后打开时，该生物培养板向下落进安装平台18，以便经弹出口20弹出。为此，安装平台18可以安放从该生物培养板扫描装置10经由该弹出口20弹出生物培养板的传送器。在生物培养板插入抽屉14之后，移进扫描单元12并且扫描向下落进安装平台18的该生物培养板，其中，诸如传送带的水平传送器经弹出口20弹出该板。
图2是生物培养板扫描装置10的另一个透视图。如图2所示，抽屉14从生物培养板扫描装置10向外延伸以接纳生物培养板22。如图所示，生物培养板22可以放置在设置于抽屉14内的平台24上。在一些实施方案中，平台24可以包括诸如凸轮杠杆的定位致动器，用于升高该平台以将培养板22精确地定位在生物培养板扫描装置10中。当生物培养板22放置在平台24上时，抽屉14缩回到扫描单元12中，以将该生物培养板放置在扫描位置，即，在该位置对该生物培养板进行光学扫描。
图3和图4是示例性的生物培养板22的前视图。通过举例方式，合适的培养板22可以包括3M公司以商标名PETRIFILM板销售的生物培养板。作为选择，生物培养板22可以包括用于培养特定细菌或其他生物因子的其他生物介质。在一些实施方案中，生物培养板22可以具有板类型指示器28，以便于自动识别与该培养板相关的生物介质的类型。
板类型指示器28具有可机读的编码模式。在图3和图4的例子中，板类型指示器28采用光学可读模式的形式。具体说，图3和图4示出形成在该生物培养板22的一个角落空白上的明和暗象限的四方形模式。换句话说，板类型指示器28形成在黑白之间调制的二维单元(cell)栅格，以形成编码模式。
各种各样的光学模式，诸如字符、条形码、二维条形码、光学点阵、全息图等都是可想到的。此外，在一些实施方案中，板类型指示器28可以采用由磁或射频技术可读的模式的形式。作为选择，板类型指示器28可以采用由光或机械技术可读的孔径、狭缝、表面轮廓等的形式。在这种情况下，板类型指示器28包含足够的信息，能够由生物培养板扫描装置10自动识别生物培养板22的类型。
生物培养板有助于快速培养、检测和计数细菌或其他生物因子，包括例如需氧菌、大肠杆菌、大肠菌、肠道细菌、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌、弯曲菌等。使用PETRIFILM板或其他生长介质能够简化食物样本的细菌化验。而且，通过提供自动板类型检测，生物培养板扫描装置10能够进一步简化这种细菌化验，并根据所检测的板类型，自动选择模式处理样式，以便例如通过计数该板图像上的细菌菌落数目，分析生物培养板22。
如图3所示，生物培养板22形成培养区26。在板22上在测的给定样本是否可以接受，依据细菌菌落计数，可以取决于每单位面积上的菌落数来确定。因此，扫描装置10量化板22的单位面积上的菌落的量，并且可以将该量或计数与阈值进行比较。生物培养板22的表面可以包含一种或多种生长培养增强剂，以有助于一种或多种类型的细菌或其他生物因子的快速培养。
在将通常为液体形式的被化验物质的样本放置在生物培养板22表面上的培养区26之后，板22可以插进培养箱(未示出)。在该培养箱中，出现由培养板22培养的菌落或其他因子，如图4的生物培养板22所示。由图4的生物培养板22上的各种点30表示的菌落在板22上可以呈现不同的颜色，这便于扫描装置10自动检测并计数细菌菌落。
图5是方块图，示出生物培养板扫描装置10的内部运行。如图5所示，生物培养板22位于生物培养板扫描装置10内的平台(图5中未示出)上。该平台把生物培养板22放置在成像装置32的所希望的焦平面上。根据本发明，成像装置32可以包括多色照明系统，用于照明培养板22的前后照明，以及捕捉培养板22表面图像的单色行或面扫描仪。在一些实施方案中，例如，成像装置32可以采用二维单色照相机的形式。
一般来说，在生物培养板用一种或多种不同颜色照明时，成像装置32捕捉生物培养板22上的图像，或至少在生物培养板内培养区中的图像。在一些实施方案中，照明持续时间和照明强度可以根据不同生物培养板的要求来控制。此外，该生物培养板的第一侧和第二侧的选择性照明可以根据不同生物培养板的要求来控制。
处理器34控制成像装置32的运行。在运行时，处理器34控制成像装置32，以用不同的颜色照明生物培养板22，并捕捉该生物培养板22的图像。在用各种不同照明颜色照明期间，处理器34接受来自成像装置32的表示该扫描图像的数据，并组合这些图像以形成多色合成图像。处理器34分析生物培养板22的该合成图像以产生分析结果，例如菌落数或存在/不存在结果。
在一些实施方案中，处理器34可以抽取或分离部分图像以隔离板类型指示器28。例如，利用机器观察技术，处理器34可以分析板类型指示器28以识别与生物培养板22相关的板类型。然后处理器34从图像处理样式存储器36检索图像处理样式。该图像处理样式对应于检测的板类型，并且可以规定图像捕捉条件和图像分析条件。处理器34可以采用微处理器、数字处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他集成或离散逻辑电路的形式，其编程或构造成提供在此所述功能性。
利用模式处理样式(profile)，处理器34加载适当的图像处理参数并进行处理生物培养板22的扫描图像。以这种方式，就处理器34处理从生物培养板22获得的图像数据而言，其形成图像处理装置。图像处理参数可以随着图像处理样式和所检测的板的类型而变化，并且可以规定特定的图像分析条件，包括诸如颜色、尺寸、形状和用于分析被扫描图像的大致准则。该准则依据被分析的板22的类型而不同并且可以明显地影响由生物培养板扫描装置10产生的菌落计数或其他分析结果。该图像处理样式也可以规定图像处理条件，诸如适合生物培养板特定类型的照明颜色、照明强度和照明持续时间。
当选择合适的图像处理参数时，处理器34处理扫描的图像并产生分析结果，诸如经由显示器16呈现给使用者的菌落数或存在/不存在结果。处理器34还可以将分析结果存储在存储器中，诸如计数数据存储器38中，用于以后从扫描装置10中检索。例如，存储在计数存储器38中的数据可以通过与生物培养板扫描装置10通信的主机经数据通信端口40，如通用串行总线(USB)端口检索。该主机可以编辑呈递给生物培养板扫描装置10用于分析的生物培养板22系列的分析结果。
在生物培养板扫描装置10内的图像处理样式的自动选择能够提供用于选择合适的图像处理样式的方便的和准确的技术。图像处理样式的自动选择能够提高细菌菌落计数和其他分析过程的准确性。具体地说，自动图像处理样式选择可以避免技术人员的视觉识别和手工引入板类型的需要。以这种方式，可以避免有时与人的介入相关的板识别错误。因此，扫描装置10与具有板类型指示器28的生物培养板22的组合提高实验室技术人员的效率和工作流程，同时提高分析准确度，并且最终提高食品安全和增进人们健康。
图6是方块图，详细地示出图5的生物培养板扫描装置10。生物培养板扫描装置10的成像装置32(图5)，如图6所示，可以包括照相机42、前照明部件44和后照明部件46。根据本发明，前后照明系统44、46根据选择可以产生不同的照明强度、颜色和持续时间。具体说，处理器34控制前后照明系统44、46，以将生物培养板22暴露在不同颜色、强度和持续时间。此外，处理器34控制照相机42以在用不同颜色照明时捕捉生物培养板22的图像。
例如，处理器34可以提供照明系统44、46和照相机42的协调的控制以捕捉生物培养板22的图像。然后处理器34组合多个图像以形成多色合成图像。利用该多色合成图像，和/或该合成图像的单个组成部分，处理器34分析生物培养板22以产生分析结果，例如检测或菌落计数。在一个实施方案中，前后照明系统44、46根据选择的基础在处理器34的控制下可以将生物培养板22暴露于红、绿和/或蓝色照明颜色。在这个例子中，照相机42捕捉生物培养板22的红色、绿色和蓝色图像。处理器34然后组合红、绿和蓝色图像以形成用于分析的多色合成图像。
如图所示，处理器34可以首先起动前后照明系统44、46中的红色照明源，以将生物培养板22暴露于红色照明。具体说，处理器34可以控制红色照明源的强度和曝光持续时间。同时由于红色照明曝光，照相机捕捉生物培养板22的红色图像并将捕捉的图像存储在扫描装置10的图像存储器47中。
处理器34然后起动前后照明系统44、46中的绿色照明源，以将生物培养板22暴露于绿色照明，随后照相机42捕捉绿色图像。同样地，处理器34起动前后照明系统44、46中的蓝色照明源，以将生物培养板22暴露于蓝色照明，随后照相机42捕捉蓝绿色图像。
照相机42捕捉红色、绿色、蓝色照明曝光的各个单色图像，并将图像存储在单独的文件中。利用该文件，处理器34组合捕捉的图像以形成用于分析的合成图像。生物培养板22暴露于多照明颜色的次序可以变化。因此，暴露于红、绿和蓝照明源的次序不应当看作是对本发明的限制。
由照相机42捕捉的单个图像可以通过光的强度或光的密度表示。换句话说，照相机42捕捉例如红、绿、蓝的每个曝光通道能够用于量化生物培养板22的反射输出的灰度级数据。利用单色照相机42捕捉单个图像可以产生图像分辨率益处并节约成本。特别是较廉价的单色照相机42相对于同时捕捉红、绿和蓝光谱的多色照相机来说能够提供增加的空间分辨率。因此，照相机42能够用减少的成本获得有效分析生物培养板22所需的高分辨率图像。与获得单个多色图像相反，单色像照相机42捕捉多个高分辨率图像，例如红、绿、蓝高分辨率图像，并且然后处理器34组合它们以形成高分辨率的多色图像。
在前后照明系统44、46中的不同照明源可以采用发光二极管的形式。具体说，不同的照明颜色可以用一组独立的彩色二极管实现，例如红色、绿色和蓝色发光二极管。作为一种优点，相对于其他照明源，例如灯管，发光二极管提供延长的使用寿命。发光二极管还提供固有的一致的输出光谱和稳定的光输出。
还有，处理器34容易控制输出强度和发光二极管的曝光持续时间以用合适的照明亮度对生物培养板22进行依次照明。处理器34能够编程以便独立控制不同组的彩色二极管从而给施加于生物培养板22的每种照明色彩提供不同的输出强度和曝光持续时间。
经由处理器34独立控制发光二极管的能力是有利的，因为发光二极管能够呈现不同的亮度特征，并且与该发光二极管相关的反射硬件或其他光学元件可能出现非均匀性。此外，照相机42和一个或多个相关的照相机镜头对照明颜色可能存在不同响应。例如，照相机42可能或多或少地对红色、绿色和蓝色敏感，对给定的照明通道的色彩响应时呈现额外的不均匀性。
但是，处理器34能够独立控制发光二极管，以便补偿这种不均匀性。例如，在工厂或现场可以校准扫描装置10，以表征照相机42对不同照明源的响应，并且然后通过存储由处理器34施加的适当的驱动值补偿该响应。因而，处理器34能够对用于不同照明颜色和强度水平的发光二极管施加不同驱动值，以在由照相机42所捕捉的图像中产生所希望的均匀度。
在一些实施方案中，扫描装置10根据不同的图像处理样式可以处理不同生物培养板22的图像。该图像处理样式由处理器34根据使用者的输入或呈递给扫描装置10的生物培养板22的类型的识别来选择。该图像处理样式可以规定具体的图像处理条件，例如用于捕捉特定板类型的图像的照明强度，曝光的持续时间以及颜色。因此，扫描装置可以施加不同的图像捕捉条件，包括在不同生物培养板22处理图像中的不同照明条件。
如图所示，某些类型的生物培养板22可能需要用特定颜色、特定强度和特定持续时间照明。此外，某些类型的生物培养板22可以只需要前照明或后照明，而不是前后照明都需要。例如，需氧微生物计数板可能只需要前照明以及只需要诸如红色的单色照明。作为选择，大肠杆菌/大肠菌板可以只需要后照明以及红色和蓝色照明的组合。同样，特定的强度水平和持续时间是合适的。为此，处理器34响应于由图像处理样式规定的图像捕捉条件可以控制照明。
图7是侧视图，示出用于生物培养板扫描装置10的前照明部件44。如图7所示，前照明部件44可以与照相机42是一体的。例如，照相机42可以包括具有安装在照相机底板50上的CMOS或CCD照相机芯片48的照相机主体，该照相机底板可以是例如，印刷电路板，其带有电路驱动照相机芯片48并接收用于处理器34的图像数据。照相机镜头52可以取向成经由通过前照明部件44形成的壳体中的快门53以捕捉生物培养板22的图像。在图7的例子中，前照明部件44包括侧壁54、前壁56和光学台板58。光学台板58可以简单地是透明玻璃片或透明塑料片，其能够透过照明光线并由照相机42从生物培养板22上捕捉图像。在一些实施方案中，可以去掉光学台板58，使培养板22的培养区26用培养区26和发射光之间的非干涉结构照明。生物培养板22可以升高与光学台板58接触或非常接近光学台板58以使照相机42能够捕捉图像。
多个部件可以安装在前照明部件44内。例如，前照明部件44可以包括一个或多个照明源60A、60B，优选在生物培养板22的培养区26的周围设置成线性阵列。具体说，红、绿和蓝照明源60A、60B的线性阵列可以沿着生物培养板22的四个边(例如在正方形模式中)的每个延伸。在其他实施方案中，照明源可以设置成其他的模式，例如圆形模式。再一次说明，照明源60A、60B可以采用发光二极管的形式并且可以组设置成一个红色、一个绿色和一个蓝色发光二极管。
照明源60A、60B可以安装在照明室62A、62B内。反射罩64A、64B安装在照明源60A、60B的周围并且用来向照明室62A、62B的向内延伸的壁66A、66B反射并集中由照明源发射的光。反射物质可以涂覆、沉积或粘接固定在反射罩64A、64B的内表面。用于反射罩64A、64B的合适的反射物质的例子是可以从市场上得到的明尼苏达州圣保罗市的3M公司的3M Radiant Mirror Reflect VM2000。
壁66A、66B可以具有诸如光学漫射薄膜68A、68B的漫射物质，其用来漫射从照明源60A、60B接收的光。该漫射光发送到前照明部件44的内室以照明生物培养板22的培养区26。用于漫射薄膜68A、68B的合适的漫射物质的例子是可以从市场上得到的美国纽约州的Mitsui & Co公司的Mitsui WS180A漫射白薄膜。
图8是前视图，详细示出前照明部件44。如图8所示，前照明部件44可以包括围绕生物培养板22的周围设置的四个照明室62A、62B、62C、62D。每个照明室62可以包括两组照明源60。例如，照明室62A可以包括照明源60A、60C，照明室62B可以包括照明源60B、60D，照明室62C可以包括照明源60E、60F，而照明室62D可以包括照明源60G、60H。此外，照明室62A、62B、62C、62D可以包括各自的具有漫射薄膜的壁66A、66B、66C、66D。在其他实施方案中，每个相应的照明室62可以包括任何数目的照明源60，在其他照明室中可以具有同样数目或不同样数目的照明源。
照明源60可以包括例如三个一组的成组设置在一起的照明元件阵列。具体说，每个照明源60可以包括红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，这些发光二极管可以单独起动以照明生物培养板22。当起动单个发光二极管时，由前照明部件44形成的内室充满漫射光以对生物培养板22提供前照明。照相机42在用每种不同照明颜色的连续曝光循环期间捕捉生物培养板22的图像。
图9是侧视图，示出用于生物培养板扫描装10在装载位置，即生物培养板22起初装载进该扫描装置的位置的后照明部件46。在一些实施方案中，生物培养板22可以经由抽14装载进扫描装置，如图2所示。具体说，抽屉14具有用作生物培养板22的平台的漫射元件74。抽屉14可以构造成能够将生物培养板22缩进扫描装置10内并将该生物培养板升高到扫描位置。
一旦装载，生物培养板22能够由光学漫射元件74支承，或者由紧靠光学漫散元件的透明平台支承。光学漫射元件74用来漫射横向进入该光学漫射元件的光，并向上辐射该光以提供生物培养板22的后侧照明。后照明部件46有效地照明生物培养板22的后侧具有良好的均匀性同时节省扫描装置10内的空间。
此外，后照明部件46包含一组固定的照明源76A、76B，其在使用中不需要移动，因而缓解电线的疲劳并减少环境污染的曝光。相反地，生物培养板22和漫射元件74升高进入与固定照明源76A、76B对齐的位置。总之，后照明部件46在生物培养板22的整个表面提供良好的照明均匀性、扁平的照明表面、照明源76A、76B的固定设置以及节省空间的有效尺寸和体积。
当该漫射元件占据该升高的扫描位置时，照明源76A、76B位于靠近漫射元件74的横向边缘。每个照明源76A、76B可以包括反射罩78A、78B以向漫射元件74的相应边缘反射并集中由照明源发射的光。以这种方式，照明源76A、76B将光线射入光学漫射元件74中。反射材料可以被涂覆、沉积或粘性地固定在反射罩78A、78B的内表面。反射罩78A、78B的合适的反射材料的例子是可以从市场上买到的明尼苏达州圣保罗市的3M公司的3M Radiant Mirror Reflector V2000。
设置台板支撑件80A、80B以支撑光学台板58(图7)，并设置接口用于使后照明部件46与前照明部件44接合。如图9所示，支撑支架82A、82B为光学漫射元件74提供安装。此外，照明源76A、76B安装在护板84A、84B上，该护板具有用于驱动照明源所必需的部分电路。但是，护板84A、84B和照明源76A、76B可以大致固定，以便不需要照明源移动以及电线和其他电气部件的相关疲劳，并减少对环境污染的曝光。
漫射元件74的背面可以用反射薄膜88形成，该反射薄膜促进从照明源76A、76B接收的光的内部反射，即光反射进入由漫射元件形成的内室。以这种方式，光不离开漫射元件74的背面区域，而是向内向上反射到生物培养板22上。反射薄膜88可以被涂覆、沉积或粘性地键合在漫射元件74形成的壁上。或者，反射薄膜88是自立式的并且形成漫射元件74的后壁。反射薄膜88合适材料的例子是可以从市场上买到的明尼苏达州圣保罗市的3M公司的3M Radiant MirrorFilm，2000FIA6。
靠近生物培养板22的漫射元件74的前面可以具有光学漫射材料，例如光学光导和漫射薄膜86。漫射元件74在反射薄膜88、光学光导和漫射薄膜86和相应的光透射层89A、89B之间形成内室，该光透射层89A、89B靠近照明源76A、76B形成侧壁。正如将要描述的，在光学漫射元件74不靠近照明源76A、76B一侧的相对侧壁可以用反射层构成，以促进进入该漫射元件的光的内反射。
漫射元件74形成的内室可以简单地是空的并充满空气。光学光导和漫射薄膜86用来向生物培养板22漫射从漫射元件74发出的光。合适的光学漫射薄膜的例子是3M Optical Light Film，其印制有平均30％面积的漫射白点模式，棱镜取向面向下朝向漫射元件。具体说，光学光导和漫射薄膜86的棱镜面向进入漫射元件74并且棱镜的取向大体垂直照明源76A、76B。3M Optical Light Film是从明尼苏达州圣保罗市的3M公司买到的。
此外，漫射元件74在光学光导和漫射薄膜86上方可以包括抗刮擦透光层87。生物培养板22可以放置成与抗刮擦透光层87接触。附加的抗刮擦透光层89A、89B可以设置成靠近漫射元件74的横向边缘。具体说，抗刮擦透光层89A、89B可以设置在照明源76A、76B和漫射元件74之间。
抗刮擦透光层89A、89B在漫射元件74的相对两侧设置在光进入口之上以便使光能够从照明源76A、76B透射进入漫射元件，并且还提供用于该漫射元件上下滑动的耐用表面。用于任何层87、89A、89B合适的抗刮擦的透光材料的例子存在于丙烯酸玻璃类材料中，有时称作丙烯酸玻璃或丙烯酸板(acrylplate)。可选地，层87、89A、89B可以用玻璃制成。
作为层87的丙烯酸板或玻璃板可以用来为生物培养板提供稳定的干净的平台，并保护漫射元件74不受损坏。在层87与光学光导和漫射薄膜86之间可以形成大约1mm的间隙，以保护该漫射薄膜的光学性能，该性能通过与材料而不是空气的接触而改变。
图10是侧视图，示出在扫描位置的图9的后照明部件46。具体说，在图10中，漫射元件74相对与图9所示的位置被升高。漫射元件74可以由各种提升机构升高，例如凸轮、丝杠或滑轮结构。当漫射元件74升高到扫描位置时，生物培养板22被放置在光学台板58附近或与其接触(图7)。
当升高到扫描位置时，照明源76A、76B将光射进漫射元件74，该漫射元件漫射该光并将其向上引导，以便为生物培养板22提供后照明。如图所示，照明源76A、76B可以包含选择性起动的不同颜色的照明元件，以使照相机42能够分开每种颜色，例如红、绿和蓝的单色图像。
图11是仰视图，示出在图9和图10的后照明部件46。如图11所示，多个照明源76A-76H在漫射元件74的相对两侧可以设置成线性阵列。图11从与生物培养板相对的一侧提供后照明部件的投影图，因此示出反射层88。每个照明源76可以包括三个照明元件，例如红色(R)照明元件、绿色(G)照明元件和蓝色(B)照明元件。该红、绿和蓝照明元件可以是红、绿、蓝发光二极管。后照明部件46可以构造成使所有的红色照明元件能够同时被起动，以用红光照明生物培养板22的后面，从而用照相机42捕捉红色图像。绿色和蓝色照明元件分别可以类似地同时起动。
如图11进一步所示，反射层93A、93B在不靠近照明源76的一侧上形成漫射元件74相对的侧壁。反射层93A、93B可以用类似于反射层88的材料形成，并且可以固定在内部或相应的侧壁，或形成自立式的壁本身。总的来说，反射层88、93A、93B用来反射由照明源76入射进入由漫射元件74形成的内室的光，防止该光从该漫射元件的背面或侧壁逃逸。与之相反，该光向内并朝向漫射材料86反射。以这种方式，该光被集中并且然后由漫射材料86漫射而透射以照明生物培养板22的后面。
图12是侧视图，示出用于生物培养板扫描装置10的前照明部件44和后照明部件46以及照相机42的组合。如图12所示，光学台板58用作前照明部件44和后照明部件46的界面。在操作中，生物培养板22升高到光学台板58附近或与其接触。然后前照明部件44和后照明部件46用不同的照明颜色选择性地曝光生物培养板22以使照相机42捕捉该生物板的图像。例如，前照明部件44和后照明部件46可以选择性地依次起动红、绿和蓝发光二极管，以形成生物培养板22的红、绿和蓝色图像。
图13是电路图，示出用于照明系统的控制电路。控制电路90可以用于控制前后照明部件44、46的照明源。在图7-12的例子中，前后照明部件44、46各包括八个分开的照明源60、76，每个照明源60、76包括红、绿和蓝照明元件，例如红、绿和蓝色发光二极管。因此，图13示出示例性地装有控制电路90，在选择的基础上同时驱动八个不同的发光二极管。以这样的方式，控制电路90可以选择性地起动所有的红色发光二极管，以用红光照明生物培养板22。类似地，控制电路90可以选择性地起动所有的绿色或蓝色发光二极管，分别用于绿色和蓝色照明。图13将控制电路90示作同时控制八个发光二极管，并且因此控制或者前照明部件44，或者后照明部件46。然而，受处理器34控制的输出电路实质上可以复制而同时控制16个发光二极管，并因此控制前后照明部件44和46。
如图13所示，处理器34生成数字输出值以驱动一组发光二极管。数-模转换器(DAC)91A-91H将数字输出值转换成模拟驱动信号。缓冲放大器92A-92H放大由DAC 91A-91H产生的模拟信号并将该放大的模拟驱动信号施加给相应的发光二极管阵列94A-94H、96A-96H、98A-98H。DAC 91A-91H和放大器92A-92H用作可编程控制器以选择性控制发光二极管94A-94H，96A-96H，98A-98H的照明时间和照明强度。根据将要由扫描装置10处理的不同生物培养板22的要求，处理器34驱动控制器，即DAC 91A-91H和放大器92A-92H。
有利的是，处理器34可以访问特定的数字输出值组，以使发光二极管94A-94H、96A-96H、98A-98H产生所希望的输出强度。例如，当在工厂或现场校准扫描装置10时可以确定该数字输出值，以便增强由多种发光二极管94A-94H、96A-96H、98A-98H提供的照明均匀度。再者，红、绿和蓝发光二极管由不同的输出强度和响应表征，并且相关的反射器和光学硬件可能产生不均匀性，这使得在一些应用中希望由处理器34独立控制。
还有，数字输出值可以根据不同生物培养板22的需要确定，即，控制施加给培养板的照明强度和持续时间。因此，根据呈递给扫描装置10的特定类型的生物培养板22，处理器34可以选择性地产生不同持续时间的不同输出值，启动不同组的发光二极管94A-94H、96A-96H、98A-98H，并且选择性地启动或者前照明，或者后照明，或者两者。
所有的发光二极管94A-94H、96A-96H、98A-98H的阳极均连接于驱动放大器92A-92H各自的输出，用于同时起动所选择的发光二极管。为了能够选择性地起动具有特定照明颜色的发光二极管，发光二极管94A-94H(红色)的阴极共同连接于开关，例如其发射极接地的双极结型晶体管100A的集电极。同样地，发光二极管96A-96H(绿色)的阴极共同连接于双极结型晶体管100B的集电极，而发光二极管98A-98H(蓝色)的阴极共同连接于双极结型晶体管100C的集电极。
处理器34驱动每个双极结型晶体管100A-100C的基极，其分别具有红色、绿色或蓝色启动信号。在操作中，将生物培养板暴露于红色照明，处理器34选择红色发光二极管94A-94H数字值，并将该数字值施加于DAC 91A-91H，其产生模拟驱动信号，用于缓冲放大器92A-92H的放大。在应用红色发光二极管94A-94H数字值的同时，处理器34还起动红色启动线，给晶体管100A加偏压“接通”，并且因而使红色发光二极管94A-94H的阳极接地。
利用启动线，处理器34能够选择性地起动红色发光二极管94A-94H以使生物培养板22暴露于红色照明。同时，处理器34控制照相机42以捕捉生物培养板22的红色图像。为了捕捉绿色和蓝色图像，处理器34产生适当的数字驱动值并分别起动绿色和蓝色启动线。作为一个优点，可以利用启动线独立地控制照明色彩的曝光持续时间。例如，希望将生物培养板22以不同的持续时间曝光于红、绿和蓝色照明。
图14是功能方块图，示出捕捉多色图像用于制备合成图像以产生板的计数。如图14所示，单色照相机42从生物培养板22捕捉红色图像102A、绿色图像102B和蓝色图像102C。然后处理器34处理处理红色、绿色和蓝色图像102以产生合成图像104。此外，处理器34处理合成图像产生诸如菌落计数106的分析结果。一旦组合红色、绿色和蓝色图像制备合成图像后，处理器34可以应用常规图像分析技术以产生菌落计数。
图15是流程图，示出捕捉多色图像用于制备合成图像以产生板的计数的技术。如图15所示，该技术可以包括用不同的照明颜色选择性地照明生物培养板22(108)，以及在用各种照明颜色曝光时捕捉生物培养板的图像(110)。该技术还包括根据分开捕捉的每种照明颜色的图像形成合成图像(112)，并处理合成图像(114)以产生诸如菌落计数的分析结果(116)。该菌落计数可以向使用者显示并记录日期文件。如上所述，捕捉某些图像的技术根据将要由扫描装置10处理的具体的生物培养板22的需要可以包括用一种、两种和更多种照明颜色照明，以及前照明、后照明或前后两种照明。
图16是流程图，详细地示出图15的技术。如图16所示，在操作中，处理器34首先输出数字值以驱动红色照明发光二极管94A-94H(图13)(118)，并且用红色启动线起动前后红色照明发光二极管(120)以照明生物培养板22，然后在用红色发光二极管94A-94H照明时照相机42捕捉生物培养板22的图像(122)。
其次，处理器34输出数字值以驱动绿色照明发光二极管96A-96H(124)，并且用绿色启动线起动前后绿色照明发光二极管(126)，以照明生物培养板22。然后在用绿色发光二极管96A-96H照明时照相机42捕捉生物培养板22的图像(128)。处理器34输出数字值以驱动蓝色照明发光二极管98A-98H(130)，以及用蓝色启动线起动蓝色照明发光二极管(132)。
在用照相机42捕捉蓝色图像(134)之后，处理器34组合红色、绿色和蓝色图像以形成合成的红-绿-蓝图像(136)。然后处理器34处理合成的红-绿-蓝图像(138)和/或该合成图像的单个组成部分以产生菌落计数(140)。还有，在一些实施方案中，在组合该红、绿和蓝图像形成合成图像之前，处理器34可以处理单个的红-绿-蓝图像。为了举例的目的，这里再一次描述红-绿-蓝次序的照明和捕捉。所以，生物培养板22可以以不同的次序照明和扫描。
在操作中，处理器34执行存储在计算机可读介质上的指令，以进行这里所描述的处理。计算机可读介质可以包括随机存取存储器(RAM)，例如同步动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存储器(ROM)、非易失随机存取存储器(NVRAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、快速存储器、磁或光学数据存储介质等。
在不脱离本发明的精神实质和范围的情况下可以进行各种修改。例如，可以想到，这里所描述的一些特征和原理可以应用于行扫描装置就以及面扫描装置。这些和其他实施方案均落在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种装置，包括光学漫射元件；和取向成将光引导进入该光学漫射元件的照明源，其中该光学漫射元件朝着生物培养板的面引导该光。
2.权利要求1的装置，其中该光学漫射元件形成第一主表面，第二主表面，以及两个或更多个侧表面，并且该照明源包括多个照明源，其取向成经至少一些侧表面将光引导进入该光学漫射元件。
3.权利要求2的装置，其中该照明源取向成经两个侧表面将光引导进入该光学漫射元件。
4.权利要求2的装置，其中该光学漫射元件包括邻近该第一主表面的漫射材料，和邻近该第二主表面反射元件，并且该光学漫射材料经第一主表面朝着该生物培养板的面引导该光。
5.权利要求2的装置，其中该光学漫射元件是可移动的，以支撑该生物培养板并将其运送到扫描位置以扫描该生物培养板。
6.权利要求5的装置，其中该光学漫射元件相对该照明源在接纳该生物培养板的位置和扫描位置之间是可移动的。
7.权利要求2的装置，其中该光学漫射元件包括形成在该第一主表面上的漫射薄膜，和形成在该第二主表面的反射薄膜，并且光从该反射薄膜的反射使该光学漫射薄膜经由第一主表面向着该生物培养板的面引导该光。
8.权利要求1的装置，其中该照明源选择性地产生一个或多个不同的照明颜色，该装置还包括照相机，其取向成捕捉该生物培养板的图像；和处理器，其在用每种不同的颜色照明时，控制该照相机捕捉该生物培养板的一个或多个图像。
9.一种用于扫描生物培养板的装置，该装置包括多色照明源，其用一种或多种不同的照明颜色选择性地照明生物培养板；照相机，其捕捉该生物培养板的图像；和处理器，其取向成在用每种不同的照明颜色照明时，控制该照相机以捕捉该生物培养板的一个或多个图像。
10.权利要求8或9的装置，其中该处理器组合由该照相机捕获的两个或更多个图像以形成该生物培养板的合成图像。
11.权利要求8或9的装置，其中该不同的照明颜色是红色、绿色和蓝色，并且在红色、绿色和蓝色照明时该照相机捕捉该生物培养板的图像。
12.权利要求8或9的装置，其中该多色照明源包括照明该生物培养板第一面的第一照明部件，和照明该生物培养板第二面的第二照明部件。
13.权利要求8或9的装置，其中该生物培养板具有下述一组中的生物因子需氧菌、大肠杆菌、大肠菌、肠道细菌、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌和弯曲菌。
14.权利要求8或9的装置，其中该处理器控制该照明源以便用每种不同的照明颜色顺序地照明该生物培养板。
15.权利要求8或9的装置，其中该处理器控制该照明源以控制用于每种不同照明颜色的照明持续时间。
16.权利要求8或9的装置，其中该处理器控制该照明源以控制用于每种不同的照明颜色的照明强度。
17.权利要求8或9的装置，其中该照明源包括一组红色发光二极管，以产生红色照明；一组绿色发光二极管，以产生绿色照明；以及一组蓝色发光二极管，以产生蓝色照明。
18.权利要求17的装置，还包括一组可编程控制器，以独立地控制每组发光二极管的照明持续时间和照明强度。
19.权利要求18的装置，其中该处理器驱动该控制器，以根据不同生物培养板的需要选择性地控制照明持续时间和照明强度。
20.权利要求18的装置，其中该处理器驱动该控制器，以根据不同生物培养板的需要选择性地控制该生物培养板的第一面和第二面的照明。
21.权利要求8或9的装置，还包括第一组红色发光二极管，取向成为该生物培养板的第一面产生红色照明；第一组绿色发光二极管，为该生物培养板的第一面产生绿色照明；第一组蓝色发光二极管，为该生物培养板的第一面产生蓝色照明；第二组红色发光二极管，取向成为该生物培养板的第二面产生红色照明；第二组绿色发光二极管，为该生物培养板的第二面产生绿色照明；以及第二组蓝色发光二极管，为该生物培养板的第二面产生蓝色照明。
22.权利要求8或9的装置，其中该生物培养板是薄膜培养板。
23.权利要求8或9的装置，其中该照相机选自单色照相机和两维面照相机。
24.权利要求8或9的装置，其中该多色照明系统用红色和蓝色照明的组合照明生物培养板。
25.一种方法，包括引导光进入光学漫射元件中，以照明生物培养板一面或多面。
26.权利要求25的方法，其中该光学漫射元件包括第一主表面、第二主表面和两个或更多个侧表面，并且该方法还包括经至少一些侧表面将光引导进入该光学漫射元件中。
27.权利要求26的方法，其中该光学漫射元件包括邻近该第一主表面的漫射材料，和邻近该第二主表面的反射元件，并且该光学漫射材料经第一主表面向着该生物培养板的面引导该光。
28.权利要求26的方法，还包括移动该光学漫射元件，以支撑该生物培养板并将其运送到扫描位置以扫描该生物培养板。
29.权利要求28的方法，还包括相对该照明源在接纳该生物培养板的位置和扫描位置之间移动该光学漫射元件。
30.权利要求26的方法，其中该光学漫射元件包括形成在该第一主表面上的漫射薄膜，和形成在该第二主表面的反射薄膜，并且从该反射薄膜反射的光使该光学漫射薄膜经由第一主表面向着该生物培养板的后面引导该光。
31.权利要求25的方法，还包括用一种或多种不同的照明颜色经由该光学漫射元件选择性地照明该生物培养板的面；在用每种不同的颜色照明时，用照相机捕捉该生物培养板的一个或多个图像。
32.一种扫描生物培养板的方法，该方法包括用一种或多种不同的照明颜色选择性地照明该生物培养板；以及在用每种不同的照明颜色照明时，用照相机捕捉该生物培养板的一个或多个图像。
33.权利要求31或32的方法，还包括组合由照相机捕捉的两个或更多个图像以形成该生物培养板的合成图像。
34.权利要求31或32的方法，其中该不同的照明颜色是红色、绿色和蓝色，并且该方法还包括在红色、绿色和蓝色照明时捕捉该生物培养板的图像。
35.权利要求31或32的方法，还包括照明该生物培养板第一面，和照明该生物培养板第二面。
36.权利要求31或32的方法，其中该生物培养板具有下述一组中的生物因子需氧菌、大肠杆菌、大肠菌、肠道细菌、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌和弯曲菌。
37.权利要求31或32的方法，还包括用每种不同的照明颜色顺序地照明该生物培养板。
38.权利要求31或32的方法，还包括控制用于每种不同的照明颜色的照明持续时间。
39.权利要求31或32的方法，还包括控制每种不同照明颜色的照明强度。
40.权利要求31或32的方法，其中该生物培养板是薄膜培养板。
41.权利要求31或32的方法，还包括根据不同生物培养板的需要控制照明持续时间和照明强度。
42.权利要求31或32的方法，还包括根据不同生物培养板的需要选择性地控制该生物培养板的第一面和第二面的照明。
43.权利要求31或32的方法，其中该生物培养板用红色和蓝色照明的组合照明。
44.权利要求31或32的方法，还包括用下述一组产生照明颜色一组红色发光二极管，以产生红色照明；一组绿色发光二极管，以产生绿色照明；以及一组蓝色发光二极管，以产生蓝色照明。
45.权利要求44的方法，还包括根据生物培养板的照明需要，选择性地控制红色、绿色和蓝色发光二极管的起动。
46.权利要求31或32的方法，其中该照相机选自单色照相机和两维面照相机。
47.一种设备，包括光学漫射元件；第一照明源，其取向成将光引导进入该光学漫射元件，其中该光学漫射元件向着生物培养板第一面引导光；第二照明源，其取向成向着该生物培养板第二面引导光，以及装置，其在通过该光学漫射元件和该第二照明源照射该生物培养板的第一和第二面时用于扫描该生物培养板第二面。
48.权利要求1的装置，其中该光学漫射元件形成第一主表面、第二主表面和四个侧表面，并且该照明源包括多个照明源，其取向成经至少两个侧表面将光引导进入该光学漫射元件中，该装置还包括形成在邻近至少一个侧表面的反射材料。
全文摘要
本发明公开了一种生物培养板扫描装置，其包括用不同照明颜色照明生物培养板的多色照明系统。单色图像捕捉装置在用每种不同的照明颜色照明该生物培养板时捕捉该生物培养板的图像。处理器组合这些图像以形成合成的多色图像，和/或该合成图像的单个组成部分，并分析该合成图像以产生诸如菌落计数或有/没有结果的分析结果。该生物培养板扫描装置包括前后两种照明部件。该后照明部件可以包括设置在该生物培养板下面的漫射元件。该漫射元件接收来自一个或多个横向设置的照明源的光，并分布该光以照明该生物培养板后面。在前后照明部件中的照明源可以采用受处理器独立控制的发光二极管(LEDs)的形式。
文档编号G01N21/64GK1717579SQ200380104255
公开日2006年1月4日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月27日
发明者约瑟夫·A·格雷斯尔, 斯蒂芬·B·申克, 迈克尔·C·莱亚 申请人:3M创新有限公司