液位确定的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年12月3日提交的申请号为62/774,529的美国临时申请的权益，该申请通过引用并入本文。

背景技术：

自动分析仪器或分析仪被用于测试患者样品(如血液或液体)以确定患者是否患有疾病。分析仪在容器中存储试剂(如缓冲液)。容器中的液位被确定以确保用于完成测试的足够量的试剂供应。在一些情况下，容器中不足的液体会损坏分析仪部件。

一种评估容器中的液体的体积的方法是通过人工操作者的人工视觉检查，这种方法可能不准且耗时。电容和压力法使用与容器内的液体接触的探针以确定液位。然而这种方法可能导致对容器中的液体的污染。

技术实现要素：

本文所述的系统和方法用于确定容器中的液位。本公开内容提供了在不接触和污染液体的情况下确定容器中的液位的系统和方法。该系统和方法可被用于自动分析仪器(如自动血液分析仪)。

附图说明

图1是图示了根据实施例的用于确定一个或多个容器中的液位的系统的框图。

图2是图示了根据实施例的由图像捕获装置的图像传感器所看到的图1中所示的容器的示意性侧视图。

图3是图示了根据实施例的适合于在图1的系统中使用的控制器的框图。

图4是图示了根据实施例的确定容器中的液位的方法的流程图。

图5是图示了根据实施例的确定容器中的液位的方法的序列图。

图6a-6e示出了根据实施例的计算分析区域的梯度的步骤。为了清楚起见，在图6b-6e中没有示出所有的行和列像素。

图7示出了根据实施例的被绘制为行索引的函数的示例平均强度和梯度向量，其中数字图像的初始分析区域低于x轴。曲线图示出了阐明空气-液体边界或弯液面的定位的最小梯度点。

图8示出了根据实施例的具有分析区域的原始数字图像以及被覆盖在数字图像上的液位测量的结果。

图9示出了根据实施例的针对缺失容器的分析区域的示例梯度向量曲线图。由于来自图10中所示的容器支架的边缘，该梯度具有强正峰。

图10示出了根据实施例的一组容器的原始数字图像，在图像中缺少一个容器。分析区域和液位测量的结果被覆盖在该数字图像上。

图11示出了缺少容器时白色条块被放置在分析区域的背景中的数字图像。

图12示出了示例梯度向量曲线图，其中梯度具有与白色条块在分析区域内的定位对应的强峰。

图13是图示了根据实施例的用作系统的部分或全部的计算机的示例部件的框图。

具体实施方式

现在将参考若干实施例，其示例在附图中示出。应注意到，在任何可行的地方，类似或相似的附图标记被用来在图中指示类似或相似的功能性。本领域的技术人员从以下描述中将容易地认识到，在不脱离所述的原理的情况下，可采用结构和方法的备选实施例。

作为示例，公开了用于使用图像捕获装置和控制器来确定容器中液位的系统和方法。转向图1，其图示了系统100的实施例，系统100用于确定装有未知量的液体的一个或多个容器102中的液位。在图1所示的实施例中，系统100包括图像捕获装置104、控制器106和显示器107。在其他实施例中，系统100包含不同的和/或附加的元件。此外，功能可以按照与所描述的方式不同的方式而分布在元件之间。

容器102用于存储液体试剂，这些液体试剂可以被分析仪器或分析仪用来测试患者样本，例如血液或其他液体。在一个实施例中，容器102由如聚丙烯、高密度聚乙烯或聚氯乙烯的半透明塑料材料形成。

图像捕获装置104被配置为捕获一个或多个容器102的数字图像并传输被捕获的图像到控制器106以供分析。在一个实施例中，图像捕获装置104包括图像传感器，该图像传感器包括固态电子设备，该固态电子设备捕获穿过镜头而传输的光以形成图像。示例传感器类型包括电荷耦合器件(ccd)和互补金属氧化物半导体(cmos)。图像捕获装置104不需要是复杂的或昂贵的。可以使用早期智能手机中所使用的更简单的数码相机。用于图像捕获装置104的照明取决于图像传感器，但通常可类似于实验室或办公室工作空间的环境日间照明(如可见光)。

如下文参考图5所详述的，控制器106从图像捕获装置104接收一个或多个容器102的数字图像、从该图像提取分析区域、对该分析区域应用梯度过滤器、确定分析区域中的最小梯度值的定位、以及基于所确定的最小梯度值来确定容器中的液位。

显示器107接收关于系统100和一个或多个容器102中所确定的液位的信息，并且输出所接收的信息以向用户显示。在一个实施例中，显示器107是用于测试如血液或其他液体的患者样本的分析仪(未示出)的(与图像捕获装置104和控制器106一起的)部件。在一些实施例中，显示器107远离系统100，并且经由网络117与控制器106通信。远离系统100的示例显示器107包括智能手机、平板电脑、膝上型计算机或台式计算机。

系统100通过有线或无线连接与网络117连接。网络117通常是因特网，但可为任何网络，包括但不限于lan、man、wan、移动网络、有线或无线网络、电信网络、专用网、或虚拟专用网及其任何组合。如果在房间或建筑物内使用无线通信，则网络117可以使用蓝牙、近场通信、wifi技术或类似的通信方法。

图2是根据实施例的由图像捕获装置104的图像传感器捕获的图1中所示的容器102的示意侧视图。图2还示出了视场118，其是由图像捕获装置104可检测的区域。在视场118内的是一个或多个分析区域110，其由控制器106使用以确定容器102中的液位。在一个实施例中，如图2所示，数字图像的视场118延伸超过容器102的顶部和底部。

图3是控制器106的实施例的高级框图。在各种实施例中，控制器106被实施为嵌入式终端用户应用的部分，或被实施为在计算机(如服务器类计算机)上执行的程序，该计算机包括cpu、存储器、网络接口和外围接口(如显示器、键盘)，该计算机诸如图13所示的计算机。该计算机可以运行在具有高性能cpu、4gb或以上的存储器、以及32gb或以上的磁盘存储的开源操作系统(如linux)上。其它类型的计算机可以被使用，并且可以预期随着更强大的计算机在未来被开发，它们可以根据本文的教导而被配置。由元件中的任何元件实施的功能可以从计算机程序产品提供或在硬件和/或固件中被等同实现，这些计算机程序产品被存储在非暂态有形计算机可访问存储介质(如闪存、ram、硬盘或光/磁介质)中。

通过基于在容器的数字图像中被捕获的分析区域中的最小梯度值来确定容器中的液位，处理器106处理来自图像捕获装置104的数字图像。在图3所示的实施例中，控制器106包括提取模块108、图像处理器112、体积模块114和数据存储装置116。

提取模块108被配置为从容器102的数字图像提取分析区域110。图像处理器112被配置为从数字图像处理分析区域110。体积模块114被配置为计算容器102中的液体的体积分数和/或体积。这些模块的功能将参考图5在下文详述。

数据存储装置116包括一个或多个非暂态计算机可读介质，其被配置为用于存储容器102的数字图像以及关于容器102的信息，如容器102的类型、针对容器102的分析区域110的定义、以及容器102的截面容积。数据存储装置116可以是易失性的(如ram)或非易失性的(如硬盘驱动器)。在一个实施例中，数据存储装置116远离系统100并且经由网络117被访问。备选地，数据存储装置116是系统100的本地部件。在一些实施例中，使用如查找表的技术来存储数据以提高访问的速度和/或可靠性。

图4示出了根据实施例的确定容器102中的液位的方法200。从控制器102执行方法200的角度图示了图4的步骤。然而，这些步骤中的一些或全部可以由其他实体或部件来执行。此外，一些实施例可以并行执行这些步骤、以不同的顺序执行这些步骤、或执行不同的步骤。

在所示实施例中，控制器106从图像捕获装置104获取210容器102的图像。如果控制器106可以确定多种类型的容器102的液位，则控制器106使用特定于容器的信息来确定220(多个)容器102的(多个)类型，如下文关于图5所描述的。控制器106可以以多种方式接收关于容器102的类型的信息，包括例如通过图像上的可视标记、通过容器102上的rfid标签、或来自容器固定器中的一个或多个物理开关(physicalswitch)的信号。在备选实施例中，控制器106不确定容器类型。

如下文关于图5所讨论的，控制器106从图像确定230液位，并(例如，通过显示器107)输出240容器102的液位。附加地，在一些实施例中，基于所确定的容器102的液位，控制器106改变仪器的操作或采取其他校正动作。例如，如果液位低于阈值，则控制器106可以触发向用户显示警告、将仪器切换到液体节省(liquid-saving)操作模式、提交要求更多液体的请求或维护请求等。

图5示出了根据一个实施例的确定容器102中的液体的体积分数的计算机实现方法300。从系统100的各元件执行方法300的角度示出了图5的步骤。然而一些或所有步骤可被其他实体或部件执行。附加地，一些实施例可以并行执行这些步骤、以不同的顺序执行这些步骤、或者执行不同的步骤。

在一个实施例中，响应于接收到请求仪器执行测试的用户输入，控制器106启动方法300，该测试使用被存储在容器102中的一个或多个容器中的液体。在一些实现中，测试的执行基于容器102中的液体的量。例如，控制器106指导图像捕获装置104捕获容器102的图像并且将所捕获的图像与液体阈值进行比较。基于所捕获的图像，如果控制器106确定容器102中的液体的量等于或超过阈值量，控制器确定可以进行测试(并且可选地输出指示)。相反，如果容器102中的液体的量小于阈值量，则控制器106输出测试已经被停止并且容器应当被替换或再填充的指示。在备选配置中，无论容器102中的液体的量，方法300在仪器启动时运行、以可配置的速率周期性地运行、在每次测试之后运行、或在预定次数的测试(如两次或更多次测试)之后运行。

图像捕获装置104捕获301容器102的数字图像，并发送302数字图像到数据存储装置116。在一个实施例中，数字图像为灰度图。备选地，如果数字图像为彩色图，在分析之前，图像处理器122可以将该彩色图像转换为灰度图。

在一个实施例中，提取模块108从数据存储装置116取回303数字图像，并标识304图像中的容器102的类型。例如，图像内的最小视场118包括一个或多个分析区域110，并且可选地包括容器102或容器支架上的可见标记(如条形码)。在系统针对超过一个容器或多种类型的容器检测液位的实施例中，该标记可以标识图像中的容器类型。在一个或多个固定类型的容器被使用的一些实施例中，标识该(多个)容器的类型的标记与由图像捕获器104捕获的容器102的数字图像分离地被存储在数据存储装置116中。该标记可以是标识符，其用于取回被存储在数据存储装置116中的、关于容器102的信息(如分析区域的定义、截面容积、容器类型、警报阈值)。当多个类型/尺寸的容器102被分析时，该信息被使用从而允许所计算的液位取决于所标识的容器特征(例如，仅长度不同的两个容器具有不同的总内容积)。

在备选实施例中，容器并非在视觉上被标识，而是使用由物理开关触发的信号被标识。例如，当容器102被放置在容器支架中时，容器102按压或以其他方式激活一个或多个物理开关，并使得针对每个开关的电路完整或闭合。小型容器可以启动一个开关，中型容器可以启动两个开关，大型容器可以启动三个开关。在另一示例中，对于每个类型的容器，开关的独特模式可被激活。针对每个容器类型被激活的开关的数量或模式被存储在数据存储装置116中，并且可以由控制器106取回以用于标识容器102(例如，如果容器102不能在视觉上被标识)。在一些实施例中，容器支架还被配置成匹配特定容器类型的覆盖区(footprint)。

备选地，在容器类型已知的实施例中，容器的类型被预先存储在数据存储装置116中。基于标记或一个或多个被激活的物理开关，提取模块108向数据存储装置116查询305数字图像中的容器102的分析区域110的定义(例如，定位或边界)。在一些实施例中，分析区域110部分基于容器类型，并且由分析区域110的两个角的x坐标和y坐标来定义。备选地，分析区域110由分析区域110的角之一的x坐标和y坐标以及分析区域110的宽度和高度来定义。提取模块108接收306分析区域110的定义，并从数字图像提取307分析区域110。在一些实施例中，分析区域110的宽度为大约1-50像素之间，且约为图像中容器102的高度的70-90％。在一些实施例中，分析区域110为一个像素宽。提取模块108将所提取的分析区域110存储308在数据存储装置116中。

图像处理器112从数据存储装置116取回309所提取的分析区域110(如图6a和6b所示；强度i的nxm矩阵)。在一个实施例中，图像处理器112对行式(row-wise)强度求和(如图6c所示；n×1向量s)、计算所提取的分析区域110中强度的列式滑动平均值(如图6d所示；列向量a)、并计算平均值的一阶导数或梯度(如图6e所示；梯度g)。当对行式强度求和时，s中的每个元素是i中对应行中的值的总和。当计算所提取的分析区域110中的像素的列式滑动平均值时，通过使用滑动m点窗口来平均s中的行来创建列向量a。在一些实施例中，m为2或更大(例如，2至10)。a中的每个元素是s中的m个值的平均值。向量a具有比s少的m-1个元素。梯度g是通过对a的行执行元素式相减来计算得到的。例如，可以通过从行p减去行p-k来计算梯度g，其中k≤p<(n-m)。在一些实施例中，在计算列式滑动平均值之前，像素的行式强度不被求和，并且该滑动平均值的梯度沿着x轴被求和。当分析区域110为一个像素宽时，图像处理器112计算所提取的分析区域110中的像素的列式滑动平均值，而无需首先对行式强度求和。

在一些实施例中，图像处理器112对分析区域110应用311梯度过滤器(如索贝尔(sobel)过滤器或索贝尔-费尔德曼(sobel-feldman)算子)以提取索贝尔梯度。梯度过滤器对数字图像执行二维空间梯度测量，并强调高空间频率的区域，该区域与图像中的边缘对应(即像素间具有较强的强度对比的区域)。在一些实施例中，图像处理器112沿x轴对像素进行平均，并沿y轴提取索贝尔梯度。备选地，在分析区域110中，图像处理器112沿y轴提取索贝尔梯度，并沿x轴对所提取的梯度求和。

接着，图像处理器112确定313所提取的分析区域110中最小梯度值的定位。在所提取的分析区域110中，最小梯度值的定位出现在液体的空气-液体边界(即弯液面(meniscus))处(即，如果弯液面在所提取的分析区域110中)。通过沿着梯度值的向量进行搜索，即，通过搜索列向量中包含最小值的行索引或像素行，最小梯度的定位被确定(如图7所示)。注意，当液体的液位高于或低于分析区域110时，梯度值将跨行索引相对恒定。在索贝尔过滤器被应用到沿着y轴的像素并且所提取的索贝尔梯度沿着x轴被求和的一个实施例中，通过沿着经求和的索贝尔梯度值的向量进行搜索，最小梯度值的定位被确定。在图像处理器112沿x轴对像素进行平均并且沿着y轴应用索贝尔过滤器的一个实施例中，通过沿着所提取的索贝尔的向量进行搜索，最小梯度值的定位被确定。图像处理器112在数据存储装置116中存储315最小梯度值的定位(即行索引)，该定位是分析区域110中的液位的定位。

体积模块114从数据存储装置116取回317行索引，并计算319分析区域110中的液体的分数(即液位)或分析区域分数(如图8所示)。在一个实施例中，通过将行索引除以梯度列向量的长度来计算分析区域分数。基于与容器类型相关联的标识符，体积模块114从数据存储装置116取回321针对容器102的阈值分析区域分数。阈值分析区域分数指示当处于或低于该液位时警报将被发送给显示器107的液位。例如，当液体低于特定水平时，警报可以指示设备不应当操作，请求添加多余液体以减少仪器停机时间等。体积模块114将与容器类型相关联的所确定的分析区域分数与所取回的阈值分析区域分数进行比较。在一个实施例中，如果针对容器类型的所确定的分析区域分数低于所取回的阈值，体积模块向显示器107发送警报。备选地，体积模块114不计算分析区域分数，而是基于与容器类型相关联的标识符取回321针对容器的阈值行索引，并且比较所确定的行索引与所取回的阈值行索引。基于所确定的行索引与阈值索引的比较，警报被发送给显示器107。

在又一实施例中，通过基于容器类型从数据存储装置116取回323容器102的截面容积，体积模块114确定容器102中的液体的体积。在容器102形状是变化的实施例中，容器的截面容积也是变化的。因此，对于形状在其中变化的容器，体积模块114取回多个截面容积。当数据存储装置116接收到来自体积模块114的查询时，数据存储装置116使用容器类型以取回(多个)容器截面容积。然后，通过对最小梯度值定位(即行索引)与分析区域110的底部之间的截面容积求和并添加用于考量低于分析区域110的液体的恒定体积(也基于容器标记被存储)，体积模块114计算325容器102中的液体的体积。如果计算出的液体的体积低于阈值体积，则警报被发送。

体积模块114发送327警报以用于在显示器107上显示329。警报可为文本消息、标志、或其他视觉指示。警报也可为声音警报，如钟声或喇叭声。附加地或备选地，警报可以在除显示器107之外的定位被呈现。例如，自动分析仪器上的警示灯可以被激活。在一些实施例中，除了警报以外或代替警报，该仪器将不再操作，直到体积模块114确定容器102的体积高于阈值。响应于体积分数、行索引或体积高于阈值分析区域分数、行索引、或体积，仪器的先前被请求的操作继续。在一些实施例中，显示器107包括容器102的液位或体积的状态。利用所确定的分析体积分数或体积，这样的状态被更新。进一步，在一些实施例中，警报使仪器100的操作参数被改变(如减少所使用的液体量)、针对额外的液体的要求或命令被发送、或触发针对仪器的任何其他合适预防性维护动作。

在一些实施例中，图像处理器112使用分析区域110中的经平均的像素的梯度来确定容器102是否缺少或缺失。具有界限清晰的边缘的形状或物体被放置在容器102之后，以使得当缺少容器102时，在数字图像被捕获时物体或形状将会在分析区域110中。例如，在实施例中，当缺少容器102时，背景中的一个或多个白色方块或具有清晰边缘的容器支架是可见的。当针对分析区域110的梯度被计算时，由于物体或形状在分析区域110中，它会有不同的形状。

在容器支架具有在容器支架中缺少容器102时可见的、明亮且界限清晰的边缘120(例如图10中所示的边缘120)的实施例中，由于容器支架的清晰边缘120(如图10中所示)，该梯度具有强正峰(即图9所示的最大梯度值)而不是负峰(或最小梯度值)。当容器102存在时，容器102挡住了容器支架的边缘120。在白色条块被放置在分析区域110的背景中的实施例中，当缺少容器102时(如图12所示)，梯度具有与白色条块在分析区域110内(如图11所示)的定位对应的强正峰。独立于或与图像处理器112沿着梯度值的向量搜索最小梯度值(以确定液位)同时，图像处理器112可以沿着梯度值的向量搜索一个或多个最大梯度值。响应于标识出最大梯度值(或强正梯度峰)的存在，图像处理器112发送缺少容器102的警报。可选地，响应于最大梯度值的存在，控制器106输出为零的体积。

图13是图示了根据实施例的用作图1的系统100的一部分或全部的计算机1300的物理部件的框图。示出了被耦合到芯片组1304的至少一个处理器1302。还被耦合到芯片组1304的是存储器1306、存储设备1308、图形适配器1312、和网络适配器1316。显示器1318被耦合到图形适配器1312。在一个实施例中，芯片组1304的功能由存储器控制器中枢1320和i/o控制器中枢1322提供。在另一实施例中，存储器1306直接被耦合到处理器1302而不是芯片组1304。

存储设备1308是任何非暂态计算机可读存储介质，诸如硬盘驱动器、光盘只读存储器(cd-rom)、dvd、或固态存储器设备。存储器1306保存由处理器1302使用的指令和数据。图形适配器1312在显示器1318上显示图像和其他信息。网络适配器1316将计算机1300耦合到局域网或广域网。

如本领域所公知的，计算机1300可以具有不同于图13所示的部件和/或其它部件。此外，计算机1300可以缺少某些所示的部件。在一个实施例中，计算机1300(诸如主机或智能手机)可以缺少图形适配器1312、和/或显示器1318、以及键盘1310或外部指向设备1314。此外，存储设备1308可以是本地的和/或远离计算机1300(诸如体现在存储区域网络(san)内)。

如本领域所公知的，计算机1300被适配以执行用于提供本发明所述的功能的计算机程序模块。如本文所使用的，术语“模块”指的是用于提供指定功能的计算机程序逻辑。因此，模块可以在硬件、固件和/或软件中被实现。在一个实施例中，程序模块被存储在存储设备1308上、被加载到存储器1306中、并由处理器1302执行。

总而言之，所公开的方法使得基于计算机的系统能够自动检测在容器中的液位。这些方法可以在不在容器102内附加探针或任何其他元件中的情况下被实施，从而减少液体污染的可能性。通过允许基于计算机的系统以之前所不能的方式监测液位，这使得各种仪器的操作更加自动化和高效。此外，这些方法与人们之前使用的技术并不类似。

上述描述出于说明的目的而被呈现；其并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据上述公开内容，许多修改和变化是可能的。

本说明书的一些部分在算法和对信息的操作的符号表示的方面描述了实施例。这些算法描述和表示通常由在数据处理领域的技术人员使用以将他们工作的实质有效地传达给本领域的其他技术人员。当被功能地、计算地、或逻辑地被描述时，这些操作被理解为被通过计算机程序或等同的电子电路微代码等实现。此外，已经证明利用模块来指代操作的布置可以在不失一般性的情况下节省时间。所描述的操作和其相关联的模块可以软件、固件、硬件或其任何组合来体现。

本文所描述的任何步骤、操作、或过程可以单独地或与其他设备结合地利用一个或多个硬件或软件模块被执行或实现。在一个实施例中，软件模块利用计算机程序产品来体现，该计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行，以用于执行所描述的步骤操作或过程中的任何或所有步骤操作或过程。

实施例也涉及一种用于执行本文的操作的装置。该装置针对所需目而被专门构建，和/或它可以包括通用计算设备，该设备由被存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置。这种计算机程序可以被存储在非暂态的有形计算机可读存储介质中，或用于存储可被耦合到计算机系统总线的电子指令的任何介质。此外，本说明书中提及的任何计算系统可以包括单个处理器，或可以是采用设计用于经增加的计算能力的多处理器的架构。

实施例也涉及由在此描述的计算过程产生的产品。这样的产品包括可以包括从计算过程得到的信息，其中该信息被存储在非暂态的有形计算机可读存储介质上，并且可以包括在此描述的计算机程序产品或其他数据组合的任何实施例。

如本说明书和所附权利要求中所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代，除非内容清楚地另有所指。

本说明书中引用的所有专利、专利申请和其它公开的参考材料通过引用整体并入本文。

最后，说明书中使用的语言主要被选择用于可读性和指导目的，并且其可没有被选择来描绘或限制本发明的主题。因此，本发明的范围并不由本说明书来限定，而是由本申请的权利要求书来限定。因此，本发明的实施例的公开旨在说明而不是限制所附权利要求书中所描述的本发明的范围。