基于紅外圖像的衛生裝備細菌檢測系統＊

楊新廣

（海軍青島特勤療養中心醫學工程科，山東 青島 260071）

1 引言

衛生裝備細菌檢測工作關系到醫療的質量和安全，是抓好醫療安全體系建設的重要舉措。近幾年來，衛生部多次就有關于衛生裝備細菌檢測進行了深入研究，推行衛生裝備安全質量控制，突出全程的質量管理。因此對于細菌檢測系統的相關研究，在最近幾年中也有了飛速的發展[1-3]。

目前，對于細菌檢測來說，使用的常規系統種類很多。文獻[4]中建立了基于流式細胞術的高通量定量檢測系統，通過簡化細菌的熒光信號強度計算模型并評估信噪比，對信號進行采集，并利用絕對計數的方法對于細菌檢測方面進行研究，實現了對細菌的快速定量檢測，但是系統缺乏較高的準確度；文獻[5]中設計了基于納米探針技術、石墨烯透明電極(UTE)技術和三磷酸腺苷(ATP)發光技術的生物檢測系統，根據ATP、熒光素、熒光素酶之間的化學反應，可以間接的獲得大腸桿菌的濃度，該系統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。在國內外現有細菌總數檢測方法優缺點的基礎之上，結合目前細菌檢測方法的發展趨勢，最終確定電導法作為主要研究手段與內容。國外先進儀器的設計理念，在分析相關儀器優缺點的基礎上，系統設計以培養基電導率特性為基礎，所設計的產品與傳統方法相比具有造價低、使用方便、檢測時間相對較短等特點，經反復實驗改進可取代傳統的平板計數法。針對上述細菌檢測系統所暴露出來的問題，本文設計一種基于紅外圖像的衛生裝備細菌檢測系統。紅外成像技術這幾年的發展迅速，基于紅外圖像的目標識別技術已經越來越成熟，但是應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用在衛生裝備細菌檢測系統中，以期提高系統的細菌檢測性能。

2 基于紅外圖像的衛生裝備細菌檢測系統

2.1 系統硬件

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

本文使用的感應子式步進電動機為三相的步進電機，上圖中的A相控制繞組在有脈沖電流通過時，產生的磁力會產生一個拉力使得A 相的定子與轉子保持對齊；同理，在B相通電時，電機轉過一個步距角，發生旋轉后B相的定子與轉子保持小齒對齊，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，按照A-C-B-A 則向相反方向移動。完成一個周期的循環通電后，步進電機則移動了一個齒距角的距離[8-9]。隨著電動機的移動，配合紅外圖像攝像頭，能夠采集到玻片上細菌的紋理圖像。至此完成細菌檢測系統中紅外圖像采集中的硬件設計。

2.2 紅外圖像預處理

在硬件設計的過程中，通過紅外攝像頭與步進電動機的配合，可以實現細菌紋理圖像的自動采集。尤其是細菌在提取和涂片的過程中，強烈的通氣和菌體自身的產氣會導致出現氣泡，影響結果的準確度[10]。因此在進行檢測之前，需要對采集到的紅外圖像進行預處理。運用標準矩陣對紋理圖像進行歸一化預處理：

利用上述矩陣，將紅外圖像數據化，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，p代表相應的光譜變量數。利用這樣的標準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不變性，便于對圖像建立不同細菌菌落的分類模型進行研究，至此完成紅外圖像預處理。

2.3 建立細菌檢測模型

建立基于紅外圖像的細菌檢測模型的過程相對復雜，從紅外圖像的光譜數據采集、圖像預處理到在線檢測多個步驟。在上一節中完成了紅外圖像處理后，就要基于紅外圖像建立穩定的檢測模型，建模方法本文選擇偏最小二乘算法。偏最小二乘算法中，對上文構建的數據標準矩陣進行拆分：

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，并通過交叉驗證的方法計算模型的性能參數，根據其變化的規律選擇檢測模型的因子數。交叉驗證的實現方法如下圖所示：

在交叉驗證的過程中，要想保持驗證的有效性，則需要考慮在同一交叉驗證過程中，需要證取不同因子數而得到的預測殘差平方；選擇權重最大的因子數作為檢測模型的參數，使檢測模型完整有效。至此完成了基于紅外圖像的衛生裝備細菌檢測系統的設計。

3 系統測試

3.1 實驗環境

實驗環境決定著實驗是否能夠順利進行，故首要任務即搭建實驗環境。

3.2 實驗材料以及前期準備

為了驗證設計系統的有效性，將統一衛生裝備檢測樣品分別使用常規系統與本文設計的系統進行檢測，并將檢測結果進行對比。在實驗過程中，需要準備的儀器與實驗藥品如下表所示：

表1 實驗儀器與藥品

本文在實驗中選擇某衛生裝備，對其進行雜菌接種作為待測試樣本。對于帶有雜菌的樣本進行菌群采集后進行高速離心，根據標本送檢量來確定離心所用量，離心的轉數設置為：8000 r/min離心5 min后，11000 r/min繼續離心5 min，能夠明顯看到微生物與溶液的分層。經過以上兩次離心之后，可以得到含細菌的濃縮溶液，細菌以沉淀的方式存在于離心管的底部。在上述實驗操作下，得到細菌的飽和懸濁液，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，分別標記為樣品一、樣品二、樣品三、樣品四，為了保證實驗結果的準確性，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行封口，以備實驗過程中的應用。本文使用的是美蘭染色法，將美藍溶液溶解于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行定量，并在血球計數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分鐘后側沖洗去并吸干上面的殘余水滴。在血球計數板上將樣品制作成玻片，再將玻片放在顯微鏡下，血球計數板能夠顯示出其中的計數小格，如下圖所示：

在實驗中，將血球計數板中的各個小格進行二值化，可以求出小格的像素面積和實際面積。載物臺在自動圖像采集系統推動下移動的同時，CCD 攝像頭和圖像采集卡對載有樣品的部位進行全面掃描攝像，將細菌信息同步顯現在計算機內和顯示屏上，經過機內圖像識別軟件對所攝一組圖像進行自動識別和分析，給出樣品的細菌總數含量，并打印報表。整理出兩系統實驗過程和步驟，如下圖所示：

在上述實驗過程下，分別得到兩系統的檢測結果，將其進行對比并對系統性能進行分析。

3.3 實驗結果與對比

在上述實驗操作下，得到兩個系統的檢測結果對比，統計結果如表2所示。

根據表2中的檢測結果，對于常規系統和本文系統的結果進行相關系數檢驗，得到的相關性系數R 為0．997，達到了統計學上＜0．05 的顯著性水平，說明兩種方法得到的結果相關性非常顯著，說明本文設計的系統在檢測結果上與常規使用的系統檢測結果無顯著性差異。但是在檢測的過程中，常規使用的檢測系統需要花費48 h，但是本文設計的檢測系統只需要10 min即可完成，這說明本文在保證檢測結果精確的同時，能大大縮短檢測過程所需要的時間。

表2 兩系統統計結果

4 結束語

衛生裝備上的細菌殘留會嚴重影響醫療效果，因此對衛生裝備細菌檢測系統進行研究的意義重大。本文主要針對常規使用的細菌檢測系統存在的檢測周期長等問題，設計了一種基于紅外圖像的衛生裝備細菌檢測系統。并對系統的性能進行實驗分析，結果表明設計的系統能夠有效將細菌檢測周期由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，還缺少一些細節方面的相關研究，在今后的研究中，對于自動涂片技術還需要進一步優化。