基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)＊

楊新廣

（海軍青島特勤療養(yǎng)中心醫(yī)學(xué)工程科，山東 青島 260071）

1 引言

衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測工作關(guān)系到醫(yī)療的質(zhì)量和安全，是抓好醫(yī)療安全體系建設(shè)的重要舉措。近幾年來，衛(wèi)生部多次就有關(guān)于衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測進(jìn)行了深入研究，推行衛(wèi)生裝備安全質(zhì)量控制，突出全程的質(zhì)量管理。因此對于細(xì)菌檢測系統(tǒng)的相關(guān)研究，在最近幾年中也有了飛速的發(fā)展[1-3]。

目前，對于細(xì)菌檢測來說，使用的常規(guī)系統(tǒng)種類很多。文獻(xiàn)[4]中建立了基于流式細(xì)胞術(shù)的高通量定量檢測系統(tǒng)，通過簡化細(xì)菌的熒光信號強(qiáng)度計算模型并評估信噪比，對信號進(jìn)行采集，并利用絕對計數(shù)的方法對于細(xì)菌檢測方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)菌的快速定量檢測，但是系統(tǒng)缺乏較高的準(zhǔn)確度；文獻(xiàn)[5]中設(shè)計了基于納米探針技術(shù)、石墨烯透明電極(UTE)技術(shù)和三磷酸腺苷(ATP)發(fā)光技術(shù)的生物檢測系統(tǒng)，根據(jù)ATP、熒光素、熒光素酶之間的化學(xué)反應(yīng)，可以間接的獲得大腸桿菌的濃度，該系統(tǒng)具有較高的檢測精度，但是檢測時間過長，并容易在檢測的過程中造成二次污染。在國內(nèi)外現(xiàn)有細(xì)菌總數(shù)檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合目前細(xì)菌檢測方法的發(fā)展趨勢，最終確定電導(dǎo)法作為主要研究手段與內(nèi)容。國外先進(jìn)儀器的設(shè)計理念，在分析相關(guān)儀器優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計以培養(yǎng)基電導(dǎo)率特性為基礎(chǔ)，所設(shè)計的產(chǎn)品與傳統(tǒng)方法相比具有造價低、使用方便、檢測時間相對較短等特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)可取代傳統(tǒng)的平板計數(shù)法。針對上述細(xì)菌檢測系統(tǒng)所暴露出來的問題，本文設(shè)計一種基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)。紅外成像技術(shù)這幾年的發(fā)展迅速，基于紅外圖像的目標(biāo)識別技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，但是應(yīng)用在微生物檢測方面的研究還比較少，因此本文將紅外圖像應(yīng)用在衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)中，以期提高系統(tǒng)的細(xì)菌檢測性能。

2 基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

在基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，其主要的原理就是衛(wèi)生裝備上的不同細(xì)菌菌落在一定條件下會發(fā)生光學(xué)透射和散射，由此而產(chǎn)生一定的紋理圖像，能夠反映出細(xì)菌菌落的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征信息，而本文系統(tǒng)需要利用紅外成像將形成的紋理圖像自動采集出來。對于衛(wèi)生裝備的細(xì)菌快速檢測來說，就是從裝備表面取出檢測樣，制成細(xì)菌涂片之后要快速、準(zhǔn)確、全面的完成圖像采集[6-7]。本文選擇的步進(jìn)電動機(jī)為精博機(jī)電，型號為42HSPG47A。其通電后的工作過程示意圖如下：

本文使用的感應(yīng)子式步進(jìn)電動機(jī)為三相的步進(jìn)電機(jī)，上圖中的A相控制繞組在有脈沖電流通過時，產(chǎn)生的磁力會產(chǎn)生一個拉力使得A 相的定子與轉(zhuǎn)子保持對齊；同理，在B相通電時，電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角，發(fā)生旋轉(zhuǎn)后B相的定子與轉(zhuǎn)子保持小齒對齊，那么與B相鄰的A1和C1則保持錯開，C 相通電同理。按照A-B-C-A 的順序通電則會按照一個方向前進(jìn)，按照A-C-B-A 則向相反方向移動。完成一個周期的循環(huán)通電后，步進(jìn)電機(jī)則移動了一個齒距角的距離[8-9]。隨著電動機(jī)的移動，配合紅外圖像攝像頭，能夠采集到玻片上細(xì)菌的紋理圖像。至此完成細(xì)菌檢測系統(tǒng)中紅外圖像采集中的硬件設(shè)計。

2.2 紅外圖像預(yù)處理

在硬件設(shè)計的過程中，通過紅外攝像頭與步進(jìn)電動機(jī)的配合，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌紋理圖像的自動采集。尤其是細(xì)菌在提取和涂片的過程中，強(qiáng)烈的通氣和菌體自身的產(chǎn)氣會導(dǎo)致出現(xiàn)氣泡，影響結(jié)果的準(zhǔn)確度[10]。因此在進(jìn)行檢測之前，需要對采集到的紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)矩陣對紋理圖像進(jìn)行歸一化預(yù)處理：

利用上述矩陣，將紅外圖像數(shù)據(jù)化，矩陣中的每一行都代表紅外圖像中的一條光譜，每一列都代表一個光譜變量。上式中，n代表圖像的光譜樣本數(shù)，p代表相應(yīng)的光譜變量數(shù)。利用這樣的標(biāo)準(zhǔn)矩陣來代表紅外圖像，使得圖像具有平移之后的尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性，便于對圖像建立不同細(xì)菌菌落的分類模型進(jìn)行研究，至此完成紅外圖像預(yù)處理。

2.3 建立細(xì)菌檢測模型

建立基于紅外圖像的細(xì)菌檢測模型的過程相對復(fù)雜，從紅外圖像的光譜數(shù)據(jù)采集、圖像預(yù)處理到在線檢測多個步驟。在上一節(jié)中完成了紅外圖像處理后，就要基于紅外圖像建立穩(wěn)定的檢測模型，建模方法本文選擇偏最小二乘算法。偏最小二乘算法中，對上文構(gòu)建的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行拆分：

上式中，X代表矩陣中的每行，Y代表矩陣中的每列，T代表每行的得分矩陣、U代表每列中的得分矩陣，P代表每行的載荷矩陣，Q代表每列中的載荷矩陣，E代表每行的誤差矩陣、F代表每列中的誤差矩陣。在分解之后可以通過得分矩陣將拆分的矩陣組合起來，并通過交叉驗(yàn)證的方法計算模型的性能參數(shù)，根據(jù)其變化的規(guī)律選擇檢測模型的因子數(shù)。交叉驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法如下圖所示：

在交叉驗(yàn)證的過程中，要想保持驗(yàn)證的有效性，則需要考慮在同一交叉驗(yàn)證過程中，需要證取不同因子數(shù)而得到的預(yù)測殘差平方；選擇權(quán)重最大的因子數(shù)作為檢測模型的參數(shù)，使檢測模型完整有效。至此完成了基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)的設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境決定著實(shí)驗(yàn)是否能夠順利進(jìn)行，故首要任務(wù)即搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料以及前期準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證設(shè)計系統(tǒng)的有效性，將統(tǒng)一衛(wèi)生裝備檢測樣品分別使用常規(guī)系統(tǒng)與本文設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果進(jìn)行對比。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要準(zhǔn)備的儀器與實(shí)驗(yàn)藥品如下表所示：

表1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

本文在實(shí)驗(yàn)中選擇某衛(wèi)生裝備，對其進(jìn)行雜菌接種作為待測試樣本。對于帶有雜菌的樣本進(jìn)行菌群采集后進(jìn)行高速離心，根據(jù)標(biāo)本送檢量來確定離心所用量，離心的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為：8000 r/min離心5 min后，11000 r/min繼續(xù)離心5 min，能夠明顯看到微生物與溶液的分層。經(jīng)過以上兩次離心之后，可以得到含細(xì)菌的濃縮溶液，細(xì)菌以沉淀的方式存在于離心管的底部。在上述實(shí)驗(yàn)操作下，得到細(xì)菌的飽和懸濁液，將其稀釋20 倍后，在四個試管中分別放入1mL樣液，并分別將其稀釋到108cfu/mL、105cfu/mL、103cfu/mL、101cfu/mL，分別標(biāo)記為樣品一、樣品二、樣品三、樣品四，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將樣品一～樣品四分別配成103cfu/mL、102cfu/mL，分別記作為樣品一(1)、樣品一(2)、樣品二(1)、樣品二(2)、樣品三(1)、樣品三(2)、樣品四(1)、樣品四(2)，并將得到的樣品用錫紙進(jìn)行封口，以備實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)用。本文使用的是美蘭染色法，將美藍(lán)溶液溶解于95%乙醇溶液中，并與氫氧化鉀溶液混合。在無菌操作臺上分別將得到的玻片樣品進(jìn)行定量，并在血球計數(shù)板上涂成薄膜后自然干燥；將得到的涂片在弱火高處通過火焰3-4次固定，等待冷卻后滴加配制的美蘭染液，1-2分鐘后側(cè)沖洗去并吸干上面的殘余水滴。在血球計數(shù)板上將樣品制作成玻片，再將玻片放在顯微鏡下，血球計數(shù)板能夠顯示出其中的計數(shù)小格，如下圖所示：

在實(shí)驗(yàn)中，將血球計數(shù)板中的各個小格進(jìn)行二值化，可以求出小格的像素面積和實(shí)際面積。載物臺在自動圖像采集系統(tǒng)推動下移動的同時，CCD 攝像頭和圖像采集卡對載有樣品的部位進(jìn)行全面掃描攝像，將細(xì)菌信息同步顯現(xiàn)在計算機(jī)內(nèi)和顯示屏上，經(jīng)過機(jī)內(nèi)圖像識別軟件對所攝一組圖像進(jìn)行自動識別和分析，給出樣品的細(xì)菌總數(shù)含量，并打印報表。整理出兩系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程和步驟，如下圖所示：

在上述實(shí)驗(yàn)過程下，分別得到兩系統(tǒng)的檢測結(jié)果，將其進(jìn)行對比并對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對比

在上述實(shí)驗(yàn)操作下，得到兩個系統(tǒng)的檢測結(jié)果對比，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中的檢測結(jié)果，對于常規(guī)系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，得到的相關(guān)性系數(shù)R 為0．997，達(dá)到了統(tǒng)計學(xué)上＜0．05 的顯著性水平，說明兩種方法得到的結(jié)果相關(guān)性非常顯著，說明本文設(shè)計的系統(tǒng)在檢測結(jié)果上與常規(guī)使用的系統(tǒng)檢測結(jié)果無顯著性差異。但是在檢測的過程中，常規(guī)使用的檢測系統(tǒng)需要花費(fèi)48 h，但是本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)只需要10 min即可完成，這說明本文在保證檢測結(jié)果精確的同時，能大大縮短檢測過程所需要的時間。

表2 兩系統(tǒng)統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)束語

衛(wèi)生裝備上的細(xì)菌殘留會嚴(yán)重影響醫(yī)療效果，因此對衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究的意義重大。本文主要針對常規(guī)使用的細(xì)菌檢測系統(tǒng)存在的檢測周期長等問題，設(shè)計了一種基于紅外圖像的衛(wèi)生裝備細(xì)菌檢測系統(tǒng)。并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效將細(xì)菌檢測周期由48 min縮短到10 min，并能夠保證一定的檢測精度。本文雖然取得了一定的成績，但是由于種種原因，還缺少一些細(xì)節(jié)方面的相關(guān)研究，在今后的研究中，對于自動涂片技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。