基于显微高光谱的微生物活性检测方法和系统

1.本发明涉及微生物活性检测技术领域，尤其涉及一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法和系统。


背景技术：

2.在微生物的检查和计数过程中常需要对微生物活性进行判断，在医学领域和食品领域，微生物的活性检查具有十分重要的意义。现有的微生物活性检测主要有以下几种检测方法，如平板培养法、膜染料吸收法、atp生物发光法、染料排除实验法、核酸检测法、微流体技术等。最为常用的是基于微生物的可培养性的平板培养法，通过对微生物平板涂布后观察生长结果判断微生物活性。此外基于各种染色原理的染色法能够更加直观的判断出微生物的活性。但现有的微生物活性检测方法具有培养过程长、程序较多、所需仪器设备较多且全程需要人工检测等缺点，限制了检测速度和检测规模。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法和系统，以缓解现有技术中存在的培养过程长和程序多的技术问题。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法，包括：获取待检测涂片的高光谱立方体数据；所述待检测涂片上包含待检测菌液；所述待检测菌液为待检测微生物的菌液；所述高光谱立方体数据包括多个通道下的高光谱图像；对所述高光谱立方体数据进行分割，提取单细胞立方体数据；对所述单细胞立方体数据进行感兴趣区域的光谱提取操作，得到多个感兴趣区域的特征光谱；对所述单细胞立方体数据进行图像特征提取操作，得到单细胞图像特征；将所述特征光谱和所述单细胞图像特征作为输入数据、利用训练好的分类器对所述待检测微生物进行活性检测，得到活性检测结果。
5.进一步地，在获取待检测涂片的高光谱立方体数据之前，所述方法还包括：通过离心机对所述待检测菌液进行多次离心操作，制备待检测样本；将所述待检测样本放置于载玻片上，并在通风干燥处理后加无菌水；将盖玻片盖在所述载玻片上面，制备成所述待检测涂片。
6.进一步地，获取待检测涂片的高光谱立方体数据，包括：将所述待检测涂片置于显微镜载物台上，通过显微高光谱仪采集所述待检测涂片的高光谱图像，得到所述待检测涂片的高光谱立方体数据。
7.进一步地，对所述高光谱立方体数据进行分割，提取单细胞立方体数据，包括：提取所述高光谱立方体数据中的单一通道下的高光谱图像，经过图像增强后再进行二值化处理，得到包含所述待检测生物的二值化图像；提取所述二值化图像中关于所述待检测生物的质心，并以所述质心为中心，提取所述单细胞立方体数据。
8.进一步地，所述感兴趣区域包括：细胞外环、细胞壁、细胞质和整个细胞。
9.进一步地，所述单细胞图像特征包括：面积、周长、最小外接矩形长、最小外接矩形
宽、最小外接矩形长宽比、离心率、填充后面积、矩形度、圆形度。
10.进一步地，在得到多个感兴趣区域的特征光谱之后，所述方法还包括：对所述特征光谱进行归一化预处理；其中，所述归一化预处理的操作算式包括：yi为归一化后的第i个波点下光强，xi为第i个波点下的强度值。
11.进一步地，所述训练好的分类器包括：支持向量机、随机森林分类器、k临近算法分类器和鉴别器。
12.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测系统，包括：获取模块，分割模块，第一提取模块，第二提取模块和检测模块；其中，所述获取模块，用于获取待检测涂片的高光谱立方体数据；所述待检测涂片上包含待检测菌液；所述待检测菌液为待检测微生物的菌液；所述高光谱立方体数据包括多个通道下的高光谱图像；所述分割模块，用于对所述高光谱立方体数据进行分割，提取单细胞立方体数据；所述第一提取模块，用于对所述单细胞立方体数据进行感兴趣区域的光谱提取操作，得到多个感兴趣区域的特征光谱；所述第二提取模块，用于对所述单细胞立方体数据进行图像特征提取操作，得到单细胞图像特征；所述检测模块，用于将所述特征光谱和所述单细胞图像特征作为输入数据、利用训练好的分类器对所述待检测微生物进行活性检测，得到活性检测结果。
13.第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的处理方法。
14.本发明提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法和系统，使用显微高光谱技术，将光谱信息和图像信息进行有效整合，无需培养或染色等处理即可达到活性检测的目的，缓解了现有技术中存在的培养过程长和程序多的技术问题。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法的流程图；
17.图2为本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测系统的示意图；
18.图3为本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测装置的示意图。
19.附图标号说明：
20.1-隔热光源；2-微生物涂片；3-100倍油镜；4-显微镜镜筒；5-推扫式高光谱仪；6-数据线；7-计算机；10-获取模块；20-分割模块；30-第一提取模块；40-第二提取模块；50-检测模块。
具体实施方式
21.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
22.实施例一：
23.图1是根据本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法的流程图。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
24.步骤s102，获取待检测涂片的高光谱立方体数据；待检测涂片上包含待检测菌液；待检测菌液为待检测微生物的菌液；高光谱立方体数据包括多个通道下的高光谱图像。
25.步骤s104，对高光谱立方体数据进行分割，提取单细胞立方体数据。
26.步骤s106，对单细胞立方体数据进行感兴趣区域的光谱提取操作，得到多个感兴趣区域的特征光谱。
27.步骤s108，对单细胞立方体数据进行图像特征提取操作，得到单细胞图像特征。
28.步骤s110，将特征光谱和单细胞图像特征作为输入数据、利用训练好的分类器对待检测微生物进行活性检测，得到活性检测结果。
29.本发明提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法，使用显微高光谱技术，将光谱信息和图像信息进行有效整合，无需培养或染色等处理即可达到活性检测的目的，缓解了现有技术中存在的培养过程长和程序多的技术问题。
30.可选地，在步骤s102之前，还包括制备待测涂片。具体地，包括如下步骤：
31.步骤s1，通过离心机对待检测菌液进行多次离心操作，制备待检测样本。
32.具体地，取待检测菌液1ml，使用离心机4℃下10000r/min离心10min，弃去上清加无菌水混悬后再次离心，以上步骤重复三次，制备成待检测样本。
33.步骤s2，将待检测样本放置于载玻片上，并在通风干燥处理后加无菌水。
34.步骤s3，将盖玻片盖在载玻片上面，制备成待检测涂片。
35.具体地，取待检测样本2.5μl于洁净的载玻片上，置超净台中通风干燥15min，15min后取1μl无菌水于盖玻片上，将盖玻片盖于载玻片上，待检测涂片即制备完成。
36.在本发明实施例中，步骤s102还包括：将待检测涂片置于显微镜载物台上，通过显微高光谱仪采集待检测涂片的高光谱图像，得到待检测涂片的高光谱立方体数据。
37.具体地，取待检测涂片置于显微镜载物台上，滴加1滴香柏油，将100倍的物镜浸没在香柏油中，调节焦距至聚焦。设置参数后，使用显微高光谱仪及配套软件采集高光谱图像，光谱采集范围为400nm-1000nm共128个通道。
38.可选地，在本发明实施例中，步骤s104包括如下步骤：
39.步骤s1041，提取高光谱立方体数据中的单一通道下的高光谱图像，经过图像增强后再进行二值化处理，得到包含待检测生物的二值化图像。
40.优选地，图像增强方法为直方图均衡化、线性变换、中值滤波、大津法二值化、面积阈值筛选。
41.步骤s1042，提取二值化图像中关于待检测生物的质心，并以质心为中心，提取单细胞立方体数据。
42.具体地，对二值化图像计算待检测生物的质心，然后以质心为中心分割31
×
31
×
1的单个细菌的掩膜图像，得到单细胞立方体数据。
43.可选地，步骤s106还包括：将提取出的单细胞立方体数据进行四种感兴趣区域的光谱提取。其中，感兴趣区域包括：细胞外环、细胞壁、细胞质和整个细胞。
44.具体地，四种感兴趣区域的提取步骤为：通过提取待检测微生物的边界，进一步使用多次形态学腐蚀或膨胀的方法分别提取图像的特征。
45.然后对提取的四种感兴趣区域光谱进行平均处理，每个待检测微生物获得四种特征光谱。
46.优选地，在本发明实施例中，单细胞图像特征包括：面积、周长、最小外接矩形长、最小外接矩形宽、最小外接矩形长宽比、离心率、填充后面积、矩形度、圆形度，一共九个几何特征。
47.优选地，本发明实施例中，在得到多个感兴趣区域的特征光谱之后，方法还包括：对特征光谱进行归一化预处理；其中，归一化预处理的操作算式包括：
[0048][0049]
式中，yi为归一化后的第i个波点下光强，xi为第i个波点下的强度值。
[0050]
优选地，本发明实施例中的训练好的分类器为符合分类器，具体包括：支持向量机、随机森林分类器、k临近算法分类器和鉴别器四种。
[0051]
由以上描述可知，本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测方法，具体步骤为：取待测菌液，离心处理后使用显微成像系统收集高光谱立方体信息；对采集到的高光谱立方体信息进行单细胞的分割后，分别提取图像信息与光谱信息；最后将两种信息输入到复合模型中，得出检测结果。本发明实施例提供的方法与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0052]
1、相较于现有技术，本发明实施例提供的方法具有快速、高效、操作简便、无需培养或染色剂等特点，可以节省人工操作和检测成本；
[0053]
2、本发明实施例提供的方法可以将光谱信息和图像信息进行有效整合，区别于一般方法直接获得更多信息，对微生物形态上的具体光谱进行分别整合，获得更加科学，解释性高的分类结果。
[0054]
实施例二：
[0055]
图2是根据本发明实施例提供的一种基于显微高光谱的微生物活性检测系统的示意图。如图2所示，该系统包括：获取模块10，分割模块20，第一提取模块30，第二提取模块40和检测模块50。
[0056]
具体地，获取模块10，用于获取待检测涂片的高光谱立方体数据；待检测涂片上包含待检测菌液；待检测菌液为待检测微生物的菌液；高光谱立方体数据包括多个通道下的高光谱图像。
[0057]
分割模块20，用于对高光谱立方体数据进行分割，提取单细胞立方体数据。
[0058]
第一提取模块30，用于对单细胞立方体数据进行感兴趣区域的光谱提取操作，得到多个感兴趣区域的特征光谱。可选地，感兴趣区域包括：细胞外环、细胞壁、细胞质和整个细胞。
[0059]
第二提取模块40，用于对单细胞立方体数据进行图像特征提取操作，得到单细胞图像特征。可选地，单细胞图像特征包括：面积、周长、最小外接矩形长、最小外接矩形宽、最
小外接矩形长宽比、离心率、填充后面积、矩形度、圆形度。
[0060]
检测模块50，用于将特征光谱和单细胞图像特征作为输入数据、利用训练好的分类器对待检测微生物进行活性检测，得到活性检测结果。
[0061]
可选地，训练好的分类器包括：支持向量机、随机森林分类器、k临近算法分类器和鉴别器。
[0062]
本发明提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测系统，使用显微高光谱技术，将光谱信息和图像信息进行有效整合，无需培养或染色等处理即可达到活性检测的目的，缓解了现有技术中存在的培养过程长和程序多的技术问题。
[0063]
可选地，获取模块10，还用于将待检测涂片置于显微镜载物台上，通过显微高光谱仪采集待检测涂片的高光谱图像，得到待检测涂片的高光谱立方体数据。
[0064]
可选地，分割模块20，还用于提取高光谱立方体数据中的单一通道下的高光谱图像，经过图像增强后再进行二值化处理，得到包含待检测生物的二值化图像；提取二值化图像中关于待检测生物的质心，并以质心为中心，提取单细胞立方体数据。
[0065]
可选地，检测模块50，还用于：对特征光谱进行归一化预处理；其中，归一化预处理的操作算式包括：
[0066][0067]
yi为归一化后的第i个波点下光强，xi为第i个波点下的强度值。
[0068]
可选地，本发明实施例还提供了一种基于显微高光谱的微生物活性检测装置。如图3所示，该装置包括隔热光源1、微生物涂片2、100倍油镜3、显微镜镜筒4、推扫式高光谱仪5、数据线6和计算机7。
[0069]
隔热光源1中的卤素灯的光照穿过聚光镜透过载有微生物的微生物涂片2，携带有微生物信息的光穿过100倍油镜3与显微镜镜筒4被推扫式高光谱仪5收集，转化为电信号通过数据线6传导至计算机7内进行分析鉴定。
[0070]
其中，分析鉴定部分包括图像增强、图像分割、感兴趣区域提取、信息提取及分类器分类。可选地，本发明使用的显微镜型号为尼康e100、高光谱仪型号为soc710(surface optics)。
[0071]
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述实施例一中的处理方法。
[0072]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。