基于智能手機(jī)金標(biāo)試紙定量檢測儀的研究

丑佳文　李晶　陳唯美　陳煜

摘要 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)的功能迅速提升，人們已習(xí)慣通過移動端來完成各種操作，享受著互聯(lián)網(wǎng)帶來的便捷、快速服務(wù)的樂趣。為了改善目前用于對金標(biāo)試紙進(jìn)行定量分析的儀器存在的過于依賴硬件、便攜性不夠等缺陷，本文采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，通過以手機(jī)攝像頭采集試條圖片，提取圖像特征值與樣品濃度問的關(guān)系函數(shù)，開發(fā)一款基于Android操作系統(tǒng)的金標(biāo)試紙定量檢測軟件。此款軟件在自帶微距攝像功能的智能手機(jī)上進(jìn)行研究開發(fā)，通過以手機(jī)攝像頭采集試條圖片，由以java和C++語言編寫的Android應(yīng)用程序?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面，從而實(shí)現(xiàn)對金標(biāo)試條的定量檢測。

關(guān)鍵詞 圖像處理；定量檢測；金標(biāo)試紙條；Android系統(tǒng)

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號2095—6363（2016）12—0021—02

金標(biāo)免疫層析測定是20世紀(jì)90年代初建立的一種快速診斷技術(shù)，具有較為先進(jìn)的靈敏、特異、快速、簡便、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，廣泛在食品安全檢測、環(huán)境檢測、疾病診斷等領(lǐng)域。目前，出現(xiàn)的便攜式金標(biāo)試條檢測儀主要是基于FPGA、ARM、單片機(jī)、DSP等嵌入式系統(tǒng)，雖然體積小，但還沒達(dá)到便攜的程度，而且軟件開發(fā)依賴于硬件。本文基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)了一款金標(biāo)試紙定量檢測軟件。改善目前用于對金標(biāo)試紙進(jìn)行定量分析的儀器存在的過于依賴硬件、便攜性不夠等缺陷。

1系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

1.1定量檢測方法

對金標(biāo)試紙進(jìn)行定量檢測采用的是基于圖像測量的方法，由于金標(biāo)試紙與被測溶液發(fā)生反應(yīng)后，溶液濃度越高，試紙條上的顯色區(qū)域（檢測線）顏色就越深，通過計(jì)算色帶顏色值就可計(jì)算出相應(yīng)濃度值。

試紙條上色帶的顏色值信息需要選取合適的特征值。這里合適的特征值指的是能精確描述試紙顏色信息、對條紋出現(xiàn)位置不敏感、能消除或減少不同試紙圖像條紋強(qiáng)度差異等的值。當(dāng)采用純綠色平行光照射試紙條時(shí)，可根據(jù)朗伯一比爾定律推導(dǎo)出試紙條檢測線和控制線（另一條顯色區(qū)，用于與檢測線進(jìn)行對照）的積分光密度值：

其中為中為反射光強(qiáng)度，N為像素總數(shù)，G為灰度級。

積分光密度的絕對值依賴于試紙條的物理特性，不同試紙條在相同濃度下也會受溫濕度、存儲條件等影響出現(xiàn)顯色偏差。所以為了消除這些干擾，采用相對積分光密度值RIOD（檢測線與控制線積分光密度之比）作為特征值：

其中下標(biāo)t，c分別代表測試線和控制線。

可知，相對積分光密度值可通過檢測線、控制線和空白區(qū)域的灰度值計(jì)算得到。要獲取采集圖片上目標(biāo)區(qū)域，為了簡化計(jì)算量減少誤差，需將圖像進(jìn)行剪切和濾波處理。同時(shí)為提取上述3個(gè)區(qū)域的灰度值，除了將其轉(zhuǎn)換為灰度圖外，還需進(jìn)行圖像切割。圖像切割的方法采用的是基于遺傳算法的FCM聚類算法。通過此算法可將圖像上檢測線、控制線和空白區(qū)域分割開來，分別計(jì)算各區(qū)域的平均灰度值（區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)的平均灰度值），帶入公式（2）中，即可到RIOD值。

采集與不同濃度溶液反應(yīng)后的試紙條圖像，通過圖像處理可計(jì)算得到相應(yīng)的RIOD值，將濃度值與RIOD值進(jìn)行曲線擬合，得到濃度與RIOD的關(guān)系函數(shù)。將此函數(shù)寫入到程序中，將計(jì)算得到的RIOD值通過關(guān)系函數(shù)換算成濃度值，即為儀器定量檢測結(jié)果。

1.2軟件設(shè)計(jì)

本金標(biāo)試紙定量檢測軟件，是在已有成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。已有成果中，是在以Android手機(jī)攝像頭、微距鏡頭及自制外殼搭建的硬件平臺上進(jìn)行的開發(fā)，通過攝像頭采集與待測溶液發(fā)生反應(yīng)后的金標(biāo)試紙圖像，對采集到的圖像進(jìn)行分析處理后得到相應(yīng)待測液濃度值，從而實(shí)現(xiàn)定量檢測。

雖體積較市面上已有產(chǎn)品已大幅縮小，但仍受限于硬件平臺。硬件平臺中的自制外殼內(nèi)置放LED電源、固定微距鏡頭及固定金標(biāo)試紙的凹槽，其周圍被密封，盡量隔絕外界光源。這種設(shè)計(jì)是考慮到當(dāng)時(shí)手機(jī)上沒有微距功能，同時(shí)為排除金標(biāo)試紙離鏡頭距離近時(shí)，光照不均勻?qū)υ嚰垐D像采集干擾過大的影響，將外殼進(jìn)行密封處理，將試紙位置固定。這種儀器同樣依賴于硬件，必須對手機(jī)進(jìn)行改造制成特定儀器才能使用。

為盡可能擺脫硬件約束，考慮到現(xiàn)有只能手機(jī)已有微距功能，同時(shí)可通過在攝像頭預(yù)覽界面上加入一個(gè)長條形框這種軟件處理方式，來實(shí)現(xiàn)試紙條的物理固定，可直接設(shè)計(jì)為獨(dú)立于硬件的一款移動應(yīng)用軟件。

此軟件中的圖像處理程序通過openCV（計(jì)算機(jī)視覺庫）實(shí)現(xiàn)，在Android程序中通過本地調(diào)用接口調(diào)用圖像處理程序（C/C++語言）來完成圖像分析。Android主程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互界面（監(jiān)聽點(diǎn)擊事件，調(diào)用手機(jī)攝像頭采集圖片，傳給圖像處理程序，接收處理結(jié)果并顯示）；C/C++程序?qū)崿F(xiàn)圖像分析處理并返回結(jié)果值。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用HCG（人絨毛膜促性腺激素）試紙。將HCG溶液稀釋成10、35、75、100、150、200、300、400、500（mlU/ml）各種不同濃度的溶液。將等量的以上溶液用滴管分別滴定到相同數(shù)量相同批次的HCG試紙條上，嚴(yán)格控制溶液用量。等待5min后，用此儀器測量它們的相對積分光密度值，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

將以上檢測結(jié)果進(jìn)行曲線擬合分析，可得出相對積分光密度值與濃度之間的曲線關(guān)系為：

C=423.9218RIOD-47.1185 （3）

相應(yīng)的關(guān)系曲線如圖2所示。由上述曲線關(guān)系可知，儀器檢測結(jié)果有較好的濃度區(qū)分等級。將此關(guān)系模型寫入處理程序中，即可將RIOD值換算成相應(yīng)濃度值。儀器最終會將測試的濃度值輸出到軟件界面上。

3結(jié)論

本文在自帶微距攝像功能的智能手機(jī)上進(jìn)行研究開發(fā)，采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，通過以手機(jī)攝像頭采集試條圖片，提取圖像特征值與樣品濃度間的關(guān)系函數(shù)，由以java和c++語言編寫的Android應(yīng)用程序?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將處理結(jié)果顯示在人機(jī)交互界面，從而實(shí)現(xiàn)對金標(biāo)試條的定量檢測。通過實(shí)驗(yàn)校正與測試，證明這款基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)了一款金標(biāo)試紙定量檢測軟件，區(qū)分度和精確度較好。不過，由于其功耗、體積等的局限性，與電腦相比其性能還有一定差距。endprint