生物生长板上的生物因子计数方法和系统的制作方法

专利名称：生物生长板上的生物因子计数方法和系统的制作方法
生物生长板上的生物因子计数方法和系统
本申请是于2008年1月18日提交的申请号为20081002604. 4，发明名称为“生 物生长板上的生物因子计数”的发明专利申请的分案申请。2008年1月18日提交的申 请号为20081002604. 4，发明名称为“生物生长板上的生物因子计数”的发明专利申请是 2004年8月30日提交的国际申请号为PCT/US2004/(^8130，进入中国国家阶段申请号为 200480025457. 2，发明名称为“生物生长板上的生物因子计数”的发明专利申请的分案申 请。发明领域
本发明涉及对生物生长板进行分析以及在食物样品，实验室样品等等样品中对细 菌或其他生物因子进行测定的生物扫描系统。
发明背景
生物安全是现代社会高度关注的问题。对食品或其它材料中生物污染的检测已成 为食品开发商和经销商的一项重要甚至强制性的要求。生物检测也用于鉴定实验室样品中 的细菌或其它因子，这些实验室样品可来源于医学病人的血样或用于研究目的的样品，也 可以是其它类型的生物样品。许多种技术和装置都可用来改进生物检测技术并使生物检测 方法流程化和标准化。
生物生长板已经发展出很广泛的类型。举一例，M.Paul，Minesota的3M公司 (下文称“3M”)已经开发出生物生长板。特别是3M公司已经售出冠有PETRIFILM商品 名的生物生长板。生物生长板可以用来促进通常与食品污染有关的细菌和生物因子的 快速生长和检测，这些污染包括，例如，需氧细菌，大肠杆菌，大肠菌(coliform)，肠细菌 (enterobacteriaceae),酵母菌，霉菌，金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus),李其Jf特 菌，弯曲杆菌等。使用PETRIFILM板和其它介质可以简化食物样品中的细菌检测。
生物生长板可以用来计数和识别存在的细菌，进而采取纠正措施(就食品检测而 言)或作出恰当的诊断(就医药用途而言)。在其它应用方面，生物生长板可以用来快速生 长实验室样品中的细菌或其它生物因子，例如，为了实验目的。
生物扫描单元是指能够用来扫描或计数生物生长板上的细菌菌落或某种生物因 子数量等的装置。例如，可把食物样品或实验室样品放在生物生长板上，然后将板插入培养 箱，培养一段时间后，生物生长板可放入生物扫描单元进行细菌生长的自动的检测和计数。 以这种方式，生物扫描单元自动进行生物生长板上细菌或其它生物因子的检测和计数，因 此，通过减少了人为误差而改进了生物检测方法。
发明概述
一般地，本发明涉及计数生物生长板或类似介质上生物因子的技术。为了计数生 物因子，将生物生长板插入到生物扫描单元中。随后生物扫描单元可产生板的图像。其后， 图像上出现的生物因子的数量，例如细菌菌落数，可以被计数或者通过扫描单元内部或通 过外部计算装置，如桌面电脑或工作站等执行的图像处理和分析例程进行判断。本发明还 描述了用以改进生物生长板上生物因子数目自动计数的准确性的多种的计数规则。
在一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括接收生物生长板介质的一幅或多 幅图像，测定与生物生长介质有关的背景色值是否在某一范围之内，如果背景值超出范围 可以对生物生长介质进行标记以进行另外的研究。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括接收生物生长板上接收的一或 多种图像，鉴定生物生长板介质上生物因子的第一次计数，当第一次计数鉴定到的一种或 多种生物因子与第一次计数鉴定到的一种或多种其它生物因子的紧邻时，则可以减少第一 次的计数量以产生第二次的计数。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括接收生物生长板上的一个或更 多图像，检测与生物生长介质内部相关的生物因子第一次的数量，检测与生物生长介质周 边部分相关的生物因子第二次的数量，并且当第一次的数量小于阈值时从第二次计数中减 去距生长介质生长区域边缘在特定距离范围内的一个或更多生物因子。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括接收生物生长板的一个或更多 图像，检测与生物生长介质内部相关的第一种颜色生物因子的数量，检测与生物生长介质 内部相关的第二种颜色生物因子的数量，检测与生物生长介质周边部分相关的第一种颜色 生物因子的数量，检测与生物生长介质周边部分相关的第二种颜色生物因子的数量。该方 法还包括当与内部相关的第一种颜色生物因子的数量比第一阈值大而且与内部相关的第 二种颜色生物因子的数量比第二阈值小时，将与生物生长介质周边部分相关第二种颜色生 物因子的数量改成包含在与生物生长介质周边部分相关第一种颜色生物因子的数量内。
在另一个实施方案中，本发明提供一种方法，包括接收生物生长板的一个或更多 图像，检测与生物生长介质内部相关的生物因子的第一个数量，检测与生物生长介质周边 部分相关的生物因子的第二个数量，并且当第二个数值比第一个数值乘以因子还要大时对 生物生长介质进行标记以进行另外研究。
在另一个实施方案中，本发明提供包含计算机可读指令的计算机可读媒介，该指 令在处理器中执行时，接收生物生长介质的一幅或多幅图像，决定与生物生长介质相关的 的背景色值是否在某一范围内，并且当背景色值超过这一范围时对生物生长介质进行标记 以进行进一步研究。
在另一个实施方案中，本发明提供包含计算机可读指令的计算机可读媒介，包括， 该指令在处理器中执行时，接收生物生长介质的一幅或多幅图像，鉴定生物生长介质上的 生物因子第一次计数，当第一次计数鉴定的一个或多个生物因子与第一次计数的一个或多 个另外的生物因子紧邻时，减少第一次计数的值以产生第二次的计数。
在另一个实施方案中，本发明提供包含计算机可读指令的计算机可读媒介，该指 令当在处理器上执行时，接收生物生长介质的一幅或多幅图像，鉴定与生物生长介质内部 相关的生物因子的第一个数量，鉴定与生物生长介质周边部分相关的生物因子的第二个数 量，当第一个数值小于阈值时从第二个数量中除去距介质生长区域边缘限定距离内的一个 或更多生物因子生物因子。
在另一个实施方案中，本发明提供包含计算机可读指令的计算机可读媒介，该指 令当在处理器中执行时，接收到一个或多个生物生长介质图像，鉴定与生物生长介质内部 相关的第一种颜色生物因子的数量，鉴定与生物生长介质内部相关的第二种颜色生物因子 的数量，鉴定与生物生长介质周边部分相关的第一种颜色生物因子的数量，鉴定与生物生长介质周边部分相关的第二种颜色生物因子的数量，当与内部相关的第一种颜色生物因子 的数量比第一阈值大而且与内部相关的第二种颜色生物因子的数量比第二阈值小时，将与 生物生长介质周边部分相关第二种颜色生物因子的数量改成包含在与生物生长介质周边 部分相关第一种颜色生物因子的数量内。
在另一个实施方案中，本发明提供包含计算机可读指令的计算机可读媒介，该指 令当在处理器中执行时，接收一个或多个生物生长介质图像，鉴定与生物生长介质内部相 关的生物因子的第一数量，鉴定与生物生长介质周围部分相关的生物因子的第二数量，当 第二数量比第一数量乘以因子还要大时，对生物生长介质进行标记以进行进一步研究。
在另一个实施方案中，本发明提供一个系统，所述系统含有产生生物生长介质的 一幅或多幅图像的成像装置，和处理器，该处理器用以接收图像，判断与生物生长介质相关 的的背景色值是否在某一范围内，并且当背景色值超过这一范围时对生物生长介质进行标 记以进行进一步研究。
在另一个实施方案中，本发明提供一个系统，所述系统含有产生一个生物生长介 质的一幅或多幅图像的成像装置，和处理器，该处理器用以接收图像，鉴定生物生长介质上 的生物因子第一计数，当第一计数鉴定的一个或多个生物因子数目与第一计数鉴定的一个 或多个其他生物因子紧邻时减少第一计数以产生第二计数。
在另一个实施方案中，本发明提供一个系统，所述系统含有成像以产生一个生物 生长介质的一幅或多幅图像的成像装置，和处理器，该处理器用以接收图像，检测与生物生 长介质内部相关的生物因子的第一个数量，检测与生物生长介质周围部分相关的生物因子 的第二个数量，当第一个数量小于阈值时从第二次计数中除去距介质生长区域边缘的部分 限定距离内的在一个或更多生物因子。
在另一个实施方案中，本发明提供一个系统，所述系统含有成像产生一个生物生 长介质的一幅或多幅图像的成像装置，和处理器，该处理器用以接收图像，检测与生物生长 介质内部相关的第一种颜色生物因子的数量，检测与生物生长介质内部相关的第二种颜色 生物因子的数量，检测与生物生长介质周边部分相关的第一种颜色生物因子的数量，检测 与生物生长介质周边部分相关的第二种颜色生物因子的数量，当与内部相关的第一种颜色 生物因子的数量比第一阈值大而且与内部相关的第二种颜色生物因子的数量比第二阈值 小时，将与生物生长介质周边部分相关第二种颜色生物因子的数量改成包含在与生物生长 介质周边部分相关第一种颜色生物因子的数量内。
在另一个实施方案中，本发明提供一个系统，所述系统含有成像产生生物生长介 质的一幅或多幅图像的成像装置，含有处理器，该处理器用以接收图像，检测与生物生长介 质内部相关的生物因子的第一个数量，检测与生物生长介质周围部分相关的生物因子的第 二个数量，当第二个数量比第一个数量乘以因子还要大时对生物生长介质进行标记以进行进一步研究。
本发明的许多方面都提供多种优点。例如，本发明能够改进生物生长介质上对生 物因子自动计数的准确性。特别是，此处描述的规则能够指出通常发生的问题，并指出哪个 能破坏生物生长介质上对因子自动计数的准确性。
并且，本发明能够通过在成像装置中使用低成本的光学元件而降低所述生物系统 的成本。例如，本发明中描述的一个或多个计数规则可以补偿成像装置中的光学缺陷。相应地，在一些案例中计数规则可以通过在成像装置中加使用低成本的光学元件进而降低所 述系统中生物扫描系统的成本。
以上或其它实施方案中的其它细节将在随后的附图和说明中阐明。本发明的其它 特性、目的和优点将在说明书、附图和权利要求中阐明。
附图简述


图1所示为可以执行本发明计数技术的生物扫描系统的透视图。
图2所示为另一示例性的生物扫描系统的透视图所述系统包括连接到执行此处 描述的图像分析的外部的计算机的扫描单元。
图3所示为生物扫描系统的方框图，该系统可以与图1或图2的任一系统相对应。
图4为说明生物生长介质自动分析过程的流程图。
图5和图6为共同说明可能发生的一个问题的生物生长介质示例图。
图7为说明可以在生物生长介质自动分析过程中使用的规则1的流程图，该规则 发现图5和图6说明的问题。
图8为说明可能发生的一个问题的示例的生物生长介质的图。
图9为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则2A的流程图，该规则 发现图8说明的问题。
图10为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则2B的流程图，该规 则发现图8说明的问题。
图11为说明可能发生的一个问题的示例的生物生长介质的图。
图12为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用到规则3A的流程图，该规 则发现图11说明的问题。
图13为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则:3B的流程图，该规 则发现图11说明的问题。
图14为说明可能发生的一个问题的示例的生物生长介质的图。
图15为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则4的流程图，该规则 发现图14说明的问题。
图16为说明可能发生的一个问题的示例的生物生长介质的图。
图17为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则5的流程图，该规则 发现图16说明的问题。
图18为说明可能发生的一个问题的示例的生物生长介质的图。
图19为说明可能在生物生长介质自动分析过程中使用的规则6的流程图，该规则 发现图18说明的问题。
发明详述
本发明涉及对生物生长板或类似介质上生物因子数目计数的技术。下面将详述多 种计数规则，其可以用来改进对生物生长介质上生物因子自动计数的准确性。所述计数规 则通常被存储为可计算机执行的软件规则，并在生物扫描系统中通过处理器来执行。或者 所述规则能安装在硬件中，如专用集成电路(ASIC)，场可编程门阵列(FPGA)，或各种硬件 组件。本发明所描述的各种规则可单独应用，或根据被扫描的生长介质而组合应用。在任 何情况下，使用本发明所描述的一个或多个规则，可改进对生物生长介质上生物因子自动计数的准确性。
图1是示例的生物扫描系统10的透视图，所述系统能够执行本发明所描述的计数 规则。如图1所示，生物扫描系统10包括具有打开即可接受生物生长介质(图1中没有显 示)的抽屉14的扫描单元元件12。抽屉14将生物生长介质移动进入扫描单元12进行扫 描和分析。成像装置和处理器位于扫描单元12内部。当生物生长介质通过抽屉14插入扫 描单元12，成像装置产生生物生长介质的一幅或多幅图像。这些图像随后被传到处理器中， 处理器能够通过图像分析计算生物生长介质上生物因子的数目。具体地，扫描单元12中的 处理器能够调用下文将要详述的一个或更多计数规则，所述规则可改进生物生长介质上生 物因子自动计数的准确性。
生物扫描系统10还包括安置在扫描单元12上的显示屏16用以对用户显示生物 生长介质的分析的进程和结果。可替换的或另外的方面，显示屏16可以给用户显示生物扫 描系统10所扫描的生物生长介质图像。显示的图像可以光学放大或数字化按比例放大。安 装平台18界定弹出狭缝20，通过所述狭缝可以在生物扫描系统10获得生物生长介质图像 后弹出生长板。换句话说，生物扫描系统10可以具有两部分设计，即扫描单元12安装在安 装平台18上。图1就是所举的两部分设计的例子，但两部分设计并不是本发明所必须的或 将本发明限制于此。
扫描单元12包括一个扫描生物生长介质所需的成像装置。所述成像装置可采取 线扫描或面扫描的形式，这种装置常与照明系统结合使用来提供对生物生长介质的前和/ 或后照明。此外，扫描单元12还包括分析扫描的图像的处理硬件，软件和/或固件，如为了 测定生长板上的生物因子数目。例如，在通过抽屉14递呈生物生长板后，所述板将与光学 板紧邻放置以用于扫描。并且，根据本发明，为了改进生物生长介质培养板上对生物因子自 动计数的准确性在扫描单元12中通过处理器应用了各种计数规则。
当在扫描生长板后打开抽屉14时，生长板会落入下层的安装平台18以从弹出狭 缝20中弹出。为了以上目的，安装平台18包括将生长板从扫描单元12通过喷射狭缝20 从弹出的运送装置。换句话说，当生物生长板插入抽屉14，移动到扫描单元12被扫描后，生 物生长板落入下方的安装平台18，此处水平运送装置，例如一个传送带通过弹出狭缝20弹 出介质。
图2是另一个生物扫描系统20的透视图，该系统能执行本发明中所描述的计数规 则。生物扫描系统20包括扫描单元21，其连接到外部的计算机22，计算机对扫描单元21 得到的图像进行分析。换句话说，尽管在系统10(图1)中，扫描单元12内部整合了处理 器，但系统20(图2)利用扫描单元21外部的处理器，例如外部计算机22。例如，外部计算 机22可以包括微处理器来执行软件以分析生物生长板M图像。外部电脑22可以包括个 人电脑(PC)，桌面电脑，笔记本电脑，掌上电脑，工作站等。例如，软件程序可以加载到外部 电脑22上来促进由生物扫描系统20产生的生物生长板M图像的分析。
扫描单元21与外部电脑22通过接口 25相连接。接口 25，例如可以包括通用串行 总线(USB)接口，一个通用串行总线2 (USB2)接口，一个IEEE 1394火线接口，一个小型计 算机系统接口(SCSI)接口，一个高级技术附件(ATA)接口，一系列ATA接口，一个外围部件 互连(PCI)接口或一个传统串行或并行接口等。
如上文所述，生物扫描系统20被设计来接收生物生长板24。具体是，扫描单元21包括一个外壳26，所述外壳形成接受生物生长板M的输入狭缝观板。引导装置23可以装 在外壳沈上来帮助生物生长板M进入扫描单元21。扫描单元21还包括弹出狭缝(没有 标出)，通过所述弹出狭缝生物生长板M成像后被弹出。扫描单元21还包括其它特征，如 用以对用户显示生物生长介质的分析进程和结果的显示屏。
扫描单元21包括成像装置，如二维的单色相机用于产生插入的生物生长板M的 一个或更多图像。并且，扫描单元21还可以包括各种照明设备用于在成像时对生物生长板 24的进行前和后照明。照明设备可以用一种或多种颜色光照明生物生长板M，板M即可 产生一种或多种图像进而确定生物生长板M上的细菌数目。具体的，扫描单元21可与外 部电脑22交换图像，所述电脑包括执行图像分析的处理器。
生长板M包括生长区域27，细菌和其它生物因子可在该区域上显现。生长平面 27可以是平面和凹孔。确定在生长板M上检测的样品是否从菌落计数的角度可以接受，取 决于每单位面积的菌落数。因此，从扫描单元21得到的图像可被用来对板M每单位面积 的菌落数目定量。若需要，单菌落的大小也能被包括在分析中。在生长区域27的生物生长 板M的表面包含设计以促进一种或多种细菌或其它生物因子快速生长的一种或多种生长 增强剂生物因子。在某些例子中，生物生长板M在插入扫描单元21前要孵育。
生长板M常包括标记四，例如条形码或其它能标示生长板M的标记物。标记包 括RFID标签，二维光学可检测的条码或类似物。在任何情况下，标记四可用来识别生长板 24上生长和检测的细菌或生物因子的类型。扫描单元21可以设计为将生长板M拉入扫 描单元21的第一个位置产生标记四的图像，然后将生长板M拉到第二个位置产生生长区 域27的图像。通过此方法，生物扫描系统20可产生标记四和生长区域27的图像。或者 产生同时包括标记四和生长区域27的单个图像。任何一种情况标记四都可用来帮助识 别板的类型，以使一个或更多的计数规则通过自动方式被应用。
作为例子，生长板M可以是由3M公司售出的冠有PETRIFILM商品名的生物生长 板。生长板M可被用来促进与食物污染有关的一种或多种细菌或其它生物因子的快速生 长和检测，这种污染包括例如，有氧细菌，大肠杆菌，大肠型细菌，肠细菌，酵母菌，霉菌，金 黄色葡萄球菌，李斯特菌，弯曲杆菌菌等。生长板通常是用于生物生长、细菌检测和计数的 生长介质。然而本发明还可以用于多种其他类型的生长介质。
为了改进生物生长介质板上对生物因子自动计数的准确性，本发明的不同方面建 立可在图像处理过程中应用的规则。换句话说，后面将详述的规则可以形成系统10和系统 20中执行的计数算法的一部分。不同的规则可被单独或任意组合应用，这依赖于被扫描的 介质类型和可能遇到的问题。例如，某些规则可能与下面列出的具体殊类型的生长板有关。 应用规则的顺序也影响结果。在任何情况下，应用一种或更多规则可以通过改进对生长介 质等上的生物因子自动计数的准确性来改进生物扫描系统，例如例如系统10或系统20的 准确性。
图3是生物扫描系统30的方框图，可与系统10 (图1)或系统20 (图2)相对应。 生物扫描系统30包括成像装置32，其产生介质的一个或更多图像并为处理器34提供图像。 处理器34与存储器36相连。存储器36含有各种处理器可执行的软件指令，能够利于成像 装置32产生的图像的分析。具体的，存储器36储存一个或更多计数规则37，该规则在图像 分析时应用以改进对生长介质上生物因子自动计数的准确性。输出装置38用来接收由处理器34判断的结果和为使用者提供结果。
作为例子，成像装置32包括一个二维的单色相机用于产生插生物生长板的一个 或更多图像。例如，各种照明设备(未显示)可以用于照明生物生长板的前和后侧。例如 照明设备可以一种或多种颜色照明生物生长板，并且可通过成像装置32产生生物生长板 的一种或多种图像。这些图像随后被提供给处理器34，并也可以被存储在存储器36。在任 何情况下，图像通过使用计数规则37分析以决定板上细菌数目。成像装置32的分辨率是 大约每厘米155像素。这样，图像上每厘米行有155像素长，每像素长约6. 45xlOEE-3。
减少成像装置32的成本是合需的。尽管高成本的光学元件如高品质的透镜可以 改善成像，但这样会把系统30的成本提高到过度的水平。一种或更多的计数规则37可以 提供另外的改善系统30的机制。例如，一种或更多的计数规则37可以补偿成像装置32的 光学缺陷。因此在某些情况下，计数规则37可以通过在装置32使用低成本的光觉元件而 降低系统30的成本。
处理器34可以包括通用目的的微处理器来执行被存储在存储器36中的软件。或 者处理器34可以包括专用集成电路(ASIC)或其它特殊设计的处理器。在任何情况下，存 储器34执行各种计数规则37以改进对生长介质或类似物上生物因子自动计数的准确性。
存储器36是由处理器34应用的存储处理器可执行软件的计算机可读媒介的一个 例子。作为例子，存储器36可以包括随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，非易失随 机存储器(NVRAM)，电子可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪存等。以下将描述的计数规 则37被存储在存储器36中，并可以组成用于图像分析的大型软件程序的一部分。
输出装置38典型地包括用来与使用者交流结果的显示器。但输出装置38也可包 括其它类型装置，如打印机或其他。输出装置38是可以形成生物扫描单元的一部分，如扫 描单元12的显示屏16 (图1)，或可以在扫描单元的外部，如外部电脑22所带的显示器。
图4是显示自动分析生物生长介质过程的流程图。如图4所示，处理器34接收生 长板Gl)的一个或几个图像。处理器34调用存储器36中的各种例程来计数生物板上生 物因子的数目。例如，通过色彩的不同辨别细菌菌落，细菌菌落在生物板上通过改变的颜色 来显示。处理器34所执行的程序可以识别生长板上生物生长区域并根据生长区域上颜色 的变化自动计数生物板上在培养过程中已经长出来的细菌菌落数目。
根据本发明，处理器34通过应用一个或多个规则改进对生长介质上生物因 子自动计数的准确性。以下将描述各种规则。本发明所描述的规则可单独应用，或根据被 分析的生长介质以不同的组合应用。规则可以从存储器36单独调用规则或者也可通过大 型图像分析软件程序的子例程来调用规则。以下描述的规则被标记为规则1，2A，2B, 3A，3B， 4，5和6。然而此标记法被提供用于利于讨论以下规则，但并不表示应用程序的顺序。这些 规则可被单独使用或可以使用这些规则的不同组合。如果使用一组规则，其顺序依赖于被 扫描的板类型。选定的应用的规则的顺序将影响最终结果。规则的各种子集也可按一定顺 序使用，规则的子集的使用顺序也将影响最终结果。
图5表示一个示例生长板50，包括生长区域52和标记M，如用来鉴别板50是特 定类型的生长板、样品稀释度、样品类型或起源。相似的，图6表示示例生长板60，包括生长 区域62和标记64。如所示的，生长板50上生长区域52与长板60上生长区域62的相关背 景色彩或阴影是不同的。如果与生长板50上生长区域52相关的背景色彩或阴影并不在限定的颜色范围内，则问题可能出在板50上。根据本发明所描述的规则1，生长板的颜色可被 鉴定并与颜色范围相比较。如果生长板的颜色在该范围之外，生长板会被标记等待技术员 来检查。
图7是显示规则1的流程图。如所示的，处理器34调用存储器36中存储的软件 来鉴别生物板上的色值(71)。具体的，处理器34可以定量生长板的颜色为限定板阴影的一 个或多个数值。例如，阴影可通过定义红色、绿色、蓝色值，或色调、饱和度和强度的3个数 字来定义。如果生长板有一个或多个色值都超出了规则1的范围(72)，例如，如果板的阴影 不在已建立的可接受的阴影范围内，生长板会被标记等待进一步检查(73)。例如，被标记的 生长板需等待技术员来检查以判断是否生长板的颜色说明某个问题。通过此种方法，规则 1能够基于板颜色自动判断潜在错误的生长板。规则1的色彩范围通常对使用的生长板是 特异的，并通常建立表明生长板是可接受的色彩范围。阴影值可用一个或多个用数值来定 义色彩范围和色彩值。
图8表示示例的生长板80，包括生长区域82和标记84，图8也提供了图例，其中 方形区域是被鉴定的菌落，圆形区域是被鉴定的产气菌落。对有些生长板来说，产气菌落表 明可以计数的确认类型的生物菌落，而没有气体的菌落则表明所述生物菌落可以或不可以 被计数。
生长板存在的一个问题是一个菌落可能会分裂并在板上显示两个或更多不同的 标记。在以上情况中，两个或更多不同的标记通常会表示对于菌落计数目的的同一个菌落。 然而，自动化系统通常将各标记计数为单独的菌落。这种问题常在产气菌落中出现，因为气 体常常从菌落内部或菌落周围以上或以下出现，这种现象通常会影响菌落并使菌落分裂。
为了减少以上情况的出现，规则2A和2B提供了可选择的技术来辨别可能是从板 上生长的单菌落分裂而来菌落。总体而言，板上存在有限数量的菌落，并且有两个和更多菌 落靠的很近，则有必要认为两个和更多靠的很近菌落是单菌落，因为很可能两个靠的很近 菌落是单一菌落分裂而来。例如，在85A，85B，85C鉴定的一组菌落可能是应用这种规则的 候选者。
图9是显示规则2A的流程图。处理器34调用存储器36中的储存的各种软件来 分析一个或更多生物板的图像，计数生物板上生物因子的数目。如果板的计数，即在板上鉴 定的生物因子初始数目大于规则2的阈值(91的“否”分枝)，将不改变对板的计数。但是 当板上鉴定的生物因子初始数目小于规则2的阈值(91的“是”分枝时)，将改变对板的计 数。例如规则2的阈值约是20，尽管在其它装备条件下规则2会取不同的值。总体而言，最 合需的是当初始数目相对较小时调用(92-94)的步骤，因为当总体数值相对较低时不正确 的数据会对数据百分率有更显著的影响。
如果板上鉴定的数目小于规则2的阈值(91 “是”分枝时)，处理器34将测定一个 菌落是否在与另一个菌落(92)相隔D2的距离内。如果是(91 “是”分枝时)，处理器将认 为在相隔D2的距离内两个菌落是一个(73)。距离&的定义可以是根据绝对距离或图像的 像素。例如，距离D2可以被定义为两个像素的中心约18像素的宽度。如果一个菌落在与 另一个菌落(93)相隔D2的距离内，如从中心到中心，则将两个菌落是计数为一个菌落。
换句话说，板上菌落数量有限时，如果有两个菌落靠的很近，则将两个靠的很近菌 落计数为单一菌落，因为很可能两个靠的很近菌落是从板上单一菌落分裂而来。处理器34考虑生长板上每一个菌落，并判断每一个特定菌落周围是否有距离在A内的相邻菌落。当 没有更多菌落需要考虑时，规则2A运行结束(94的“否”分枝)。因此，当3个或更多菌落 位于彼此距离D2内，这3个或更多菌落被计数为一个菌落。
图10是表示规则2B的流程图，与规则2A相比有微小变动。规则2B与2A是解决 类似问题的通常可替换的不同方法，如鉴定何种情况下两个或更多菌落在初始计数中计为 单一菌落。在两种情况中，处理器34产生初始计数，然后在初始计数中发现应计为单一菌 落的两个或更多菌落时降低初始计数而产生第二次计数。在图9和图10中使用同样的规 则2的阈值X2，尽管不同的规则可以使用不同的阈值。
此外，处理器34调用储存在存储器36中的软件来分析一个或更多生物板的图像， 计数上生物板上生物因子的数目。如果板的计数，即板上生物因子的初始数目大于规则2 的阈值(101的“否”分枝)，则板上计数不改变。但是，板上计数小于规则2的阈值(101“是” 分枝)，则板上计数可以改变。
具体的，如果板上数目小于规则2的阈值(101 “是”分枝)时，处理器34会判断 是否两个菌落有重叠(102)。例如，处理器34会限定围绕与每个菌落有关的区域的识别标 记，每个通常直径约0. 2到0. 3厘米之间，尽管菌落的标记是与显示的菌落大小成比例。如 果两个不同区域的识别标记有重叠(102 “是”分枝)，处理器34会对两个重叠的菌落计数 作为1个(103)。换句话说，板上菌落数量有限时，有两个菌落靠的很近，则认为两个靠的很 近菌落是单一菌落，因为很可能两个靠的很近菌落是从板上单一菌落分裂而来。处理器34 会判断生长板上的每个菌落，是否在这个给定的菌落周围有与它重叠的临近菌落。当没有 更多菌落要考虑时，规则2B运行结束(104 “否”分枝)。
图11表示示例的生长板110，包括生长区域112和标记114，图11也提供了图例， 其中圆形区域是菌落，相对大的不规则区域是扩散菌落(也可称为“液化器菌落”)。与图 11所述相似的生长板存在的问题是从扩散菌落出现一个或更多菌落。在这种情况下，接近 扩散菌落的菌落被认为是扩散菌落的一部分，并不是分开和另外的菌落。但是，自动系统会 把每个标记认为是分开的菌落，包括扩散菌落和从扩散菌落出来的各种菌落。
为了减少这类问题的发生，规则3A和:3B提供了鉴别可能从扩散菌落分离出来的 菌落的方法。规则3A和;3B与上文中的规则2A和2B很类似，但主要针对扩散菌落的鉴别。 总体上讲，板上菌落数量有限时，有一个或多个菌落与相对较大的扩散菌落靠的很近，合需 的是认为两个或更多个靠的很近扩散菌落是扩散菌落的一部分。例如在115A和115B中鉴 定的扩散菌落，可以成为应用所述规则的对象。在图12和图13中使用了相同的规则3阈 值&，尽管不同的规则可以使用不同的阈值。
图12是表示规则3A的流程图。处理器34调用储存在存储器36中的软件来分析 一个或更多生物板的图像，计数上生物板上生物因子的数目。如果板的计数，即当板上鉴定 的生物因子初始数目大于规则3的阈值(121 “否”分枝时)，将不改变对板的计数。但是当 板上鉴定的生物因子初始数目小于规则3的阈值(121 “是”分枝时)，将改变对板的计数。 例如，尽管在其它装备条件下规则3会取不同的值，但规则3的阈值可以是约150。总体而 言，当初始数目小于某个阈值时最合需的是调用步骤(122-123)，因为当总体数值相对较低 时不正确的数据会对数据百分率有更显著的影响。
如果板上的计数小于规则3的阈值，处理器34会决定是否识别到扩散菌落(122)。例如可通过形状、大小和/或颜色来判定扩散菌落。具体的，扩散菌落常有相对更大的不规 则形状，在板上与其他菌落的颜色略有不同。如果鉴定出一个或多个扩散菌落，处理器34 会除去距扩散菌落在限定的距离(D3)以内的任何菌落。距离D3的定义可以根据绝对距离 或图像的像素。例如，距离D3可以是大约0. 065厘米，所述距离相应于系统30中大约10像 素的宽度。在任何情况下，任何位于扩散菌落D3距离内的菌落都从计数中除去，被认为是 扩散菌落的一部分。
图13是表示规则:3B的流程图，与3A相比有微小变动。规则2B与2A是解决类似 问题的通常可替换的方法，如在鉴定何时初始计数中的两个或更多菌落在被计为扩散菌落 的一部分。在两种情况中，处理器34产生第一次计数，然后在鉴定出扩散菌落和应计为扩 散菌落的一部分的其它菌落后，降低第一次计数而产生第二次计数。
处理器34调用存储在存储器36中的软件来分析一个或更多生物板的图像，计数 上生物板上生物因子的数目。如果板的计数，即板上鉴定的生物因子初始数目大于规则3 的阈值(131 “否”分枝时)，将不改变对板的计数。但是当板上鉴定的生物因子初始数目小 于规则3的阈值(131 “是”分枝时)，可以改变对板的计数。
具体的，如果板上的计数小于规则3的阈值(131 “是”分枝时)，处理器34会决 定是否鉴定到扩散菌落(132)。此外，同样可通过形状、大小和/或颜色来判定扩散菌落。 如果鉴定出一个或多个扩散菌落，处理器34会在计数中除去与扩散菌落重叠的任何菌落 (133)。例如，处理器34会限定一个包围与扩散菌落相关区域的相对较大的鉴定标记。并 且，处理器34会限定包围与其它菌落相关的区域的鉴定标记。如果与扩散菌落相关的鉴定 标记与其它菌落重叠，则与扩散菌落重叠的另外的菌落会从计数中除去。在这种情况下，与 扩散菌落重叠的其它菌落被认为是扩散菌落的一部分。
图14表示示例的生长板140，包括生长区域142和标记144，图14也提供了图例， 其中方形区域是被鉴定的菌落，圆形区域是被鉴定的产气菌落。不同的阴影区别“红色”菌 落和“蓝色”菌落。当然，红色和蓝色只是范例的，类似的生长板也可使用其它颜色。总的来 说，第一种颜色对应一种类型的菌落，第二种颜色对应另一种类型的菌落。在某些情况下， 一种颜色对应一般菌落，另一种颜色对应特定的菌落。例如，红色可以指肠细菌菌落，蓝色 可指肠细菌的特定类型的大肠杆菌菌落。产气菌落表明某种特定的可被计数的生物菌落类 型，没有气体的菌落表明某种可被或不可被以例如与政府规定相符合的确定性计数的生物 菌落类型。
生长板分析中存在的一个问题是图像假像可引起生长板图像的不规则性。如果在 成像装置中使用低成本的光学元件，如低成本的透镜这种问题会更加显著。但另一方面，有 必要控制生物扫描系统的成本，高成本的光学元件可以增加大量的成本。比使用高成本的 光学元件更好的选择应是发展可以发现和克服与低成本的光学元件有关的问题的图像分 析规则和技术。
生长板140在生长区域142的内部147包含相对少量的菌落。但是，生长区域142 的周边部分149有大量的菌落出现。统计显示，这些菌落是均勻分布的。因此，生长区域 142的周边部分149有比内部区域有多得多的菌落出现时，会产生一个问题。这种现象归 结于成像装置32中光学元件的缺陷。在随后的描述中，内部147 —般指生长区域142内部 大约75 %的部分，而周边部分149指生长区域142周边大约25 %的部分。在其它实施方式13中，内部和周边部分的划分不同。
图15表示说明图14中发现的问题的规则4的流程图。尽管图15提到参考“红 色”和“蓝色”，所述规则在任何第一和第二种颜色中同样适用。
处理器34调用储存在存储器36中的软件来分析一个或更多生物板的图像，计数 上生物板上生物因子的数目。处理器34定义了一些生物板内部，例如内部147的红色计数 (Rrtsp) (151)。并且，处理器；34定义了一些生物板内部蓝色计数(Brtsp) (152)。如果生物板 内部红色的计数(Rrtsp)小于规则4的阈值(X4) (153“是”分枝时)，处理器就不会距生长介 质生长区域外部边缘，例如周边部分149特定距离D4以内的任何小的红色菌落(154)。同 样，如果生物板中心部分蓝色的计数(Brtsp)小于规则4的阈值(X4) (155 “是”分枝时)，处 理器就不会计算距生长介质生长区域边缘，例如周边部分149特定距离D4以内的任何小的 蓝色菌落(154)。
小面积菌落一般指具有特定面积或直径小于特定阈值的菌落。小面积菌落可以相 对于绝对的测量尺寸而定义或根据图像的像素来定义。在一个例子中，小面积菌落是尺寸 小于大约20像素的菌落。距离D4可以根据绝对距离或图像的像素来定义。例如，距离D4 可被定义为约15像素的宽度。
图16说明了示例的培养板160，包括生长区162及标示164。图16提供了图例， 其中方形阴影区域表示已鉴定菌落，圆形阴影区域表示已鉴定的产气菌落。不同的阴影区 分红色菌落、蓝色菌落。但是红色和蓝色只是举例，类似的介质也可用其它的颜色。一般说 来，第一种颜色表示一种菌落类型，第二种颜色表示另一种菌落类型。在有些情况，一种颜 色表示一般菌落，而另一种颜色表示更特定的菌落。例如，红色表示肠细菌菌落，而蓝色就 可能用来表示大肠杆菌菌落，即特定的肠细菌。产气的菌落表明某种确定的可被计数的生 物菌落类型，没有气体的菌落表明可以或不可以确定地，例如根据政府的规定而被计数的 生物菌落类型。
生长板分析的一个问题是生长板可能显示出对生长指示物不均勻的触发(化学 反应)。在统计上，期望菌落可以均勻分布。如果红色菌落高度集中出现在一个区域，蓝色 菌落高度集中出现在另一个区域，那么问题可能就出现了。若是那样的话，蓝色菌落很可能 被计成了红色菌落，如，当红色菌落识别到更通常细菌生长类型的存在，蓝色菌落识别到更 加特定的类型细菌生长类型的存在。当不均勻分布时，蓝色菌落作为特定类型细菌生长存 在的指示将较不可信，而一般指示通常的细菌生长类型。因此，在自动细菌菌落计数中，如 果出现不均勻分配，有必要将蓝色菌落计成红色菌落，特别是当板上菌落数较低时。
以生长板160为例(图16)，内部167有6个红色菌落，和一个红色产气菌落。在 内部167中没有蓝色菌落或产气的蓝色菌落。相反，在周边部分169中有3个蓝色菌落，1 个产气蓝色菌落，和1个红色菌落。在此例中，由于不均勻分配，蓝色菌落和有产气蓝色菌 落被计成红色菌落(此处产气蓝色菌落被光学计为产气红色菌落)。内部167可以指生长 区域162内部大约75%的部分，而周边部分169指生长区域162周边大约25%的部分。在 其它实施方式中，中心部分和周边部分的划分不同。
图17是表示规则5的流程图，规则5说明了图16说明的问题。尽管图17提到参 考“红色”和“蓝色”，所述规则同样适用于任何第一和第二种颜色。
处理器34调用储存在存储器36中的软件来分析一个或更多生物板的图像，计数上生物板上生物因子的数目。处理器34确定生物板内部，例如内部167的红色的计数(R内 部)(171)。并且，处理器；34确定生物板内部蓝色的计数(Brtsp) (172)。处理器；34定义了一 些生物板周边部分红色的计数(Ras)，例如周边169 (17 。并且，处理器34定义了一些生 物板周边部分蓝色的计数(Bas) (174)。
如果生物板中心部分红色的计数(R_)大于第一次规则5的阈值(X5)时，并且如 果生物板内部蓝色的计数(Brtsp)小于第二次规则5的阈值(Y5) (175 “是”分枝时)，处理 器34就会将生物板周边部分蓝色的计数(Bas)改成红色的计数(176)。换句话说，当识别 到违背可能的统计程度上的不均勻分布时，周边部分蓝色的计数会被计成红色的计数。作 为例子，第一个规则5的阈值(X5)是大约5，第二个规则5的阈值(Y5)是大约2，尽管根据 所需的配置可选择不同的数值。
图18说明了示例的培养板180，包括生长区182及标示184。图18还提供图例， 其中方形阴影区域表示菌落。
此外，生长板分析的一个问题是生长板可能显示出生长指示物不均衡的触发(化 学反应)。在统计上，期望菌落均勻分布。如果菌落一个区域的出现比在另一个区域出现的 比例高，那么问题可能就出现了。在这种情况下，有必要对生长板进行标记以便，例如由技 术人员进行进一步的研究。
在生长板180中，例如在内部187包括4个菌落。相反，在周边部分189包括15个 菌落。在这种情况下，有必要对生长板进行标记以进行进一步的研究，如由技术人员完成， 因为菌落的分配不服从统计规律。
图19是说明规则6的流程图，规则6说明了图18表示的问题。处理器34调用储 存在存储器36中的软件来分析一个或更多生物板的图像，计数上生物板上生物因子的数 目。处理器34对生长区域进行初次计数，判断是否板上计数大于规则6的阈值(X6)。例如， 规则6的阈值OQ是大约5，但不同的配置中可选择不同的数值。
如果生物板的计数大于规则6的阈值(X6)时(191的“是”分支)，处理器34确定 生物板内部(Crtsp),例如内部187的一些计数(192)。并且，处理器34确定了生物板周边 部分(Cas)的计数。如果周边部分的计数(Cas)大于内部的计数(C内部)乘以因子(F) (194 “是”分枝时)，对生长板进行标记以进行进一步的研究。例如，一旦被标记，技术人员 会被提醒需要标记的板需要手工分析。
不同的实施中内部和周边部分的大小不同。并且，使用的因子(F)决定于内部和 周边部分的大小。在一个例子中，周边部分包括生长板上生长区域最外部大约25%的部分， 中心部分的分布包括板上生长区域最内部大约75%的部分。在这种情况下，因子(F)是大 约1.5，但也可用其它因子。因子(F)通常大于1，表示周边部分不成比例的计数数目。
此处描述的各种规则可被单独使用或依赖于被扫描的板类型而组合使用。例如， 目前由3M公司售出的各种PETRIFILM板。这些板包括有氧计数板(AC)，肠细菌计数板(CC) 和大肠杆菌计数(EC)板。在分析AC，CC，EC板时可使用不同的规则组合。此外，通过给定 的标记辨别板类型，可以在生物扫描系统中自动应用正确的规则。
以AC板为例，通过使用规则1和随后使用规则3AJB再后使用规则6可得到改进 的计数结果。对于CC板，通过使用规则1和随后使用规则2A、2B再后使用规则4可得到改 进的计数结果。对于EC板，通过使用规则1和随后使用规则2A、2B随后使用规则4，再后使用规则5可得到改进的计数结果。以上例子只是一些例证，在其他的实施方案中可以以不 同的顺序使用不同的其他规则组合。
本发明描述了一系列生物扫描系统的实施方案。具体的，本发明还描述了在生物 扫描系统中用以改进生物生长板上生物因子自动计数数目准确性的多种计数规则。
许多技术被描述为可以软件实现的。在这种情况下，计算机可读媒介存储处理器 可执行的上述一个或更多指令。例如，计算机可读媒介包括一个随机存取存储器(RAM)，只 读存储设器(ROM)，非易失随机存储器(NVRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪 存或类似装备。计算机可读媒介还包括非易失存储器如CD-ROM来为用户输送软件。计算 机可读媒介还包括一个电磁载体波，如通过网络例如英特网用于传输软件。
同样的技术也可在硬件中实现。示例的硬件实现装置包括专用集成电路(ASIC)， 场可编程门阵列(FPGA)，或各种特殊设计的硬件组件，或其组合。并且，本发明中描述的一 个或多个技术可以在硬件、软件或固件中部分执行。
在任何情况下，可以在不偏离本发明精神和范围的情况下进行多种修改。例如本 发明描述的一个或更多规则可以伴随或不伴随其他的规则和规则的不同子集而以不同顺 序应用，这取决于所需的实现装置。以上和其它实施方案都在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于计数生物生长介质上的生物因子的方法，包括 接收生物生长介质的一幅或多幅图像；识别第一数量的与所述生物生长介质内部相关的生物因子； 识别第二数量的与所述生物生长介质周边部分相关的生物因子；及 当所述第一数量低于阈值时，从第二数量中扣除距所述生长介质生长区域边缘的限定 距离内的一或多个生物因子。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在仅距所述生长介质生长区域边缘的限定距离内 的所述一或多个生物因子所限定的面积低于阈面积，所述第一数量低于阈值时，从第二数 量中扣除距所述生长介质生长区域边缘的限定距离内的一或多个生物因子。
3.如权利要求1所述的方法，还包括识别第一数量的与生物生长介质内部相关的第一种颜色生物因子； 识别第三数量的与生物生长介质内部相关的第二种颜色生物因子； 识别第二数量的与生物生长介质周边部分相关的第一种颜色生物因子； 识别第四数量的与生物生长介质周边部分相关的第二种颜色生物因子； 当第一数量的第一种颜色生物因子小于阈值，以及在限定距离内的一个或多个第一种 颜色生物因子限定的区域小于阈面积时，从第二数量的第一颜色生物因子扣除距生长介质 生长区域边缘的限定距离内的一个或多个第一种颜色生物因子；当第三数量的第二种颜色生物因子的小于阈值，以及在限定距离内的一个或多个第二 种颜色生物因子限定的区域小于阈面积时，从第四数量的第二颜色生物因子中扣除距生长 介质生长区域边缘的限定距离内的一个或多个第二种颜色生物因子。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述生物因子包含细菌菌落，以及其中所述第一种 颜色包括红色且所述第二种颜色包括蓝色。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述内部包括约75%所述生长介质的生长区域且所 述周边部分包含约25%所述生长介质的生长区域。
6.一种用于计数生物生长介质上的生物因子的系统，包括 产生生物生长介质的一幅或多幅图像的成像装置；和处理器，其接收图像，识别第一数量与生物生长介质内部有关的生物因子，识别第二数 量与生物生长介质周边部分相关的生物因子，以及当第一数量低于阈值时，从第二数量中 排除距生长介质生长区域边缘限定距离之内的一个或多个生物因子。
7.如权利要求6所述的系统，其中当第一数量小于阈值，仅在处于边缘限定距离内的 一个或多个生物因子限定的面积小于阈面积时，处理器从第二数量中扣除距生长介质的生 长区边缘限定距离内的一个或多个生物因子。
8.如权利要求6所述的系统，其中处理器识别第一数量的与生物生长介质内部相关的 第一种颜色生物因子，识别第三数量的与生物生长介质内部相关的第二种颜色生物因子； 识别第二数量的与生物生长介质周边部分相关的第一种颜色生物因子；识别第四数量的与 生物生长介质周边部分相关的第二种颜色生物因子；当第一数量的第一种颜色生物因子小 于阈值，以及在限定距离内的一个或多个第一种颜色生物因子限定的区域小于阈面积时， 从第二数量的第一颜色生物因子扣除距生长介质生长区域边缘的限定距离内的一个或多 个第一种颜色生物因子；当第三数量的第二种颜色生物因子小于阈值，以及在限定距离内的一个或多个第二种颜色生物因子限定的区域小于阈面积时，从第四数量的第二颜色生物 因子中扣除距生长介质生长区域边缘的限定距离内的一个或多个第二种颜色生物因子。
9.如权利要求6所述的系统，其中的内部约占生长介质生长区域的75%，而周边部分 约占生长介质生长区域的25 %。
全文摘要
本发明涉及生物生长板上的生物因子计数方法和系统。具体而言涉及一种计数生物生长板或类似介质上生物因子的技术。为了自动计数生物因子，将生物生长板插入到生物扫描单元中，然后生物扫描单元会产生所述板的图像。其后，图像上出现的生物因子的数量，例如细菌菌落数，可以被计数或使用图像处理和分析例程通过或是扫描单元或是外部计算装置，如一个桌面电脑或工作站等进行判断。本发明还描述了用以改进生物生长板上生物因子数目的自动计数准确性的多种计数规则。
文档编号G06K9/00GK102034089SQ201010515869
公开日2011年4月27日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年9月5日
发明者克里斯蒂娜·A·宾斯费尔德, 多伊勒·T·波特, 迈克尔·R·普 申请人:3M创新有限公司