馬文華，張鐵壁，孫士尉，石 巖

(1.河北水利電力學(xué)院自動化與通信工程學(xué)院，河北 滄州 061001；2.河北省高校水利自動化與信息應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 滄州 061001；3.河北水利電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，河北 滄州 061001)

0 引言

超敏C反應(yīng)蛋白(C-reactive protein，CRP)又稱為高敏C反應(yīng)蛋白，是血漿中的一種C-反應(yīng)蛋白。其臨床指導(dǎo)作用主要表現(xiàn)在心血管疾病、新生兒細菌感染、腎移植等方面。超敏C反應(yīng)蛋白是一種全身性炎癥反應(yīng)急性期由肝臟合成的非特異性標志物，是檢測心血管發(fā)病預(yù)測的重要因子之一。目前，國內(nèi)外興起一種膠體金免疫層析法[1]，用來檢測血漿中CRP的顏色濃度。其具有檢測快速、結(jié)果可靠、操作簡單、價格低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于臨床診斷、食品檢測、農(nóng)藥殘留、環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

同常規(guī)檢測相比，雖然膠體金層析技術(shù)的優(yōu)勢很大，但實際應(yīng)用中也存在一些缺點，主要是受人為影響而造成的。比如當(dāng)檢測值介于臨界值時，人的肉眼難以識別顯示顏色，會出現(xiàn)誤判；另外，膠體金試劑條需要手工放入和取出，而且檢測結(jié)果需要手工記錄。這些步驟都大大降低了檢測的速度。因此，有必要設(shè)計一種能夠自動取放膠體金試劑條和實時獲得檢測結(jié)果的檢測系統(tǒng)，以提高檢測的準確性和檢測效率。

1 膠體金試劑條顯色原理

在堿性條件下，膠體金帶負電荷。它與帶正電荷基團的蛋白質(zhì)分子相互靜電吸引，從而牢固結(jié)合。利用硝酸纖維膜為載體，將微孔膜當(dāng)做毛細血管，使得滴加在試劑條一端的血漿向另一端慢慢層析滲移，通過與抗原抗體結(jié)合，膠體金呈現(xiàn)顏色(紅色)反應(yīng)，根據(jù)顏色即可檢測抗原/抗體。膠體金試劑條結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 膠體金試劑條結(jié)構(gòu)圖

檢測時，將被檢測血漿滴入圖1試劑條滴加窗口的樣品墊上，血漿沿層析方向，浸入底層膠體金標區(qū)的硝酸纖維膜。利用毛細作用，使待測血漿向右穿過膠體金墊，與膠體金內(nèi)的標記試劑發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)合物。該復(fù)合物移動到線狀的抗原抗體處，會與之發(fā)生特異性結(jié)合，變?yōu)榧t色的檢測帶(T帶)。余下的化合物繼續(xù)向前擴散，直到遇到第二條線狀抗原抗體，并與之結(jié)合形成第二條控制色帶(C帶)。C帶的顯色可以確定層析測試完成。

通過讀取膠體金試劑條兩條顯示帶，即T檢測帶和C質(zhì)控帶的顏色就可以用來判定結(jié)果。目前，結(jié)果的判定方法主要有人工目測和自動檢測兩種。本研究采用圖像傳感器掃描讀取色帶信號，并對采集數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

目前，國內(nèi)外對膠體金試劑條測試儀的研究較多，對于檢測結(jié)果的獲取方法主要有面陣CCD圖像識別法和利用光電檢測技術(shù)的顏色識別法[2-3]兩種。其中，顏色識別法誤差較大。這主要是因為膠體金試劑條成本較高，顯色區(qū)面積較小，實際僅為一條細線，檢測難度較大。因此，基于面陣CCD圖像識別法的應(yīng)用較多。本系統(tǒng)中也采用了該方法。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 工作原理

系統(tǒng)啟動后，試劑條進給裝置通過步進電機將待測試劑條送到定位系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)收到相應(yīng)指令后，發(fā)出CCD相機采集圖像指令使CCD時序器開始工作。同時，CCD相機開始采集圖像，并將其傳送給圖像處理模塊進行處理。得到試劑條質(zhì)控線的灰度值之后，處理模塊將處理結(jié)果傳送到控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)結(jié)果進行存儲和顯示。系統(tǒng)中將試劑條自動進給裝置設(shè)計為圓盤形，按照30°等分放置試劑條，這樣快速檢測12個試劑條。當(dāng)檢測到試劑條為空時，系統(tǒng)會自動識別，并連續(xù)進給，直到一個周期檢測完畢。系統(tǒng)中還設(shè)計了SD卡，用來存儲檢測數(shù)據(jù)。它具有容量大、性能高、安全等多種特點，可以方便地讀取數(shù)據(jù)。

3 電氣部分硬件介紹

3.1 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器主要完成圖像采集任務(wù)，其主要由支架、攝像頭、背光源等幾部分組成。支架主要用來調(diào)整攝像頭的位置，使其鏡頭能夠準確對準試劑條的T帶和C帶位置；攝像頭采用的是大恒圖像最新推出的金星系列板級工業(yè)數(shù)字相機，它具有空間小、低重量、低功耗以及低發(fā)熱量等優(yōu)點；背光源主要用來保證攝像頭采集到高質(zhì)量的圖像，但是由于檢測原理就是通過T帶和C帶顏色進行測試，所以對光源要求也極為嚴格。本系統(tǒng)采用多個白色LED燈作為背光源，并對稱排列。

3.2 STM32單片機

系統(tǒng)的核心選擇的是STM32F429/439系列MCU，STM32F429/439單片機[4]集成CortexTM-M4內(nèi)核最高工作頻率可達180 MHz，并實現(xiàn)了低于STM32F405/415/407/F417的靜態(tài)功耗。其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療的外設(shè)、工業(yè)以及消費類產(chǎn)品。STM32單片機具有性能高、成本低、功耗低等突出特點。在圖形處理上，其采用了意法半導(dǎo)體公司的Chrom-ART圖形加速器，能夠支持雙層的新型LCD-TFT控制器。此外,該加速器還支持圖像格式轉(zhuǎn)換或圖像混合(透明度混合)等功能。單片機內(nèi)部還集成了3個速度為2.4 ms/s或7.2 ms/s(交錯模式下)的12位ADC和2個普通的12位DAC。

3.3 圖像處理模塊

系統(tǒng)選用OmniVision公司的OV7670作為圖像處理模塊。它能夠傳送多種數(shù)據(jù)采集模式，集成功能齊全，具有體積小、工作電壓低、外圍電路簡單、程序簡單易寫等特點，初學(xué)者容易掌握。其視頻圖形陣列圖像最高速率為30幀/s，可以通過串行攝像機控制總線協(xié)議(serial camera control bus，SCCB)接口編程，支持多種圖像輸出格式，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。

通過STM32的SCCB接口，對OV7670寄存器的圖像數(shù)據(jù)進行采集與輸出。該接口和內(nèi)部集成電路總線(inter-integrated circuit，I2C)類似的兩線串行總線協(xié)議[5]，其時鐘線和數(shù)據(jù)線分別為SIO-C、SIO-D，SCCB控制總線的功能依靠SIO-C、SIO-D兩條總線的電平狀態(tài)以及二者之間的相互配合實現(xiàn)。

3.4 TFT-LCD驅(qū)動

系統(tǒng)中將2.8英寸(1英寸=25.4 mm)的、分辨率320×240的控制器ILI9341作為圖像顯示部分[6-7]，其接口為16位，顯示方式為RGB565，一幀圖像數(shù)據(jù)高達150 KB。為加快顯示速度，系統(tǒng)在設(shè)計時，TFT-LCD的命令/數(shù)據(jù)信號與STM32的FSMC-A10連接，將STM32的靜態(tài)存儲控制器FSMC作為TFT-LCD外部16位的SRAM來處理。TFT-LCD和外部1 MB SRAM使用不同的片選信號與FSMC總線連接，SRAM和FSMC-NE3引腳相連，TFT-LCD和FSMC-NE4引腳相連。由于TFT-LCD控制器ILI9341的讀操作比寫操作慢得多，所以FSMC的工作模式配置為異步A模式，即分別由不同的寄存器來控制讀/寫時間。

3.5 電氣部分工作原理

STM32通過數(shù)據(jù)管理中心接口(data center manage interface，DCMI)模式，控制時序發(fā)生器驅(qū)動CCD進行工作。 OV7670圖像處理模塊把圖像數(shù)據(jù)處理成RGB565的16位數(shù)據(jù)形式，利用PD0-PD7的復(fù)用功能傳送給STM32單片機。為驅(qū)動LCD工作，利用STM32單片機的FSMC模塊來產(chǎn)生相應(yīng)的時序，與此同時使用DMA模式，將STM32單片機中RAM的數(shù)據(jù)快速傳送到LCD寄存器中。LCD控制芯片通過讀取寄存器中的RGB565格式圖像數(shù)據(jù)，最終顯示CCD采集到的圖像信息。

4 圖像數(shù)據(jù)處理

在本系統(tǒng)中，先將采集的RGB圖像進行簡單的去噪聲處理，再利用經(jīng)典的幾何推導(dǎo)法將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HIS色彩。RGB色彩空間的3個分量屬性是相對獨立的，每個分量取值的范圍為0～255。該值的大小與亮度成正比，所以黑色表示為(0，0，0)，而白色為(255，255，255)。其余的各種顏色都是利用三色疊加的原理來組成。HSI顏色空間是用色調(diào)(hue)、色飽和度(saturation)和亮度(intensity)按照人的視覺系統(tǒng)來描述色彩。其中：色調(diào)H用角度(0～360°)來表示，它由顏色名稱來區(qū)別；飽和度S代表顏色的深淺；亮度I代表顏色的敏感程度，二者的取值范圍是0～1。HSI顏色空間也可以用一個圓錐空間模型來描述，各個坐標之間相互獨立，從而分別表示不同顏色的變化。

對于膠體金試劑條，因為其色調(diào)分布具有較大的差別，也更容易識別出質(zhì)控帶C和檢測帶T，所以圖像處理部分選擇HSI色彩空間進行。RGB轉(zhuǎn)換為HSI的幾何推導(dǎo)公式[8]為：

(1)

通過式(1)進行區(qū)間轉(zhuǎn)換，將r，g，b轉(zhuǎn)換到[0～1]區(qū)間。

在H∈[0 π],b≤g條件下：

(2)

在H∈[π 2π],b>g條件下：

(3)

(4)

(5)

以上轉(zhuǎn)換利用Matlab軟件實現(xiàn)。先選取一張RGB的圖片，調(diào)低亮度后另存為一副本；然后將其轉(zhuǎn)換為灰度圖，并在原圖的基礎(chǔ)上對其轉(zhuǎn)成HSI空間模型，得到HSI模型的3個強度的分量H、S、I。如果直接對R、G、B處理，其處理過程中很可能會引起3個量不同程度的變化，這樣就會產(chǎn)生色差問題，甚至帶來顏色上的失真。而HSI模型完全可以實現(xiàn)在保持色彩無失真的情況下進行圖像處理。

轉(zhuǎn)換成HSI彩色空間后，采用K-均值圖像分割。K-均值算法是使用比較廣泛的聚類分割算法，它將全部的數(shù)據(jù)分配到不同的類中，并確保每個類都擁有一個聚類中心，并且類中的成員與所屬類的聚類中心具有相近的特質(zhì)[9]。K-均值算法能夠使得各個樣本與所在類均值的誤差平方和達到最小，它也同樣是評價該算法聚類效果的一個有效的評價標準。利用H分量引進K-均值算法進行圖像切割，其一般步驟如下。

①初始化。首先確定輸入聚類類數(shù)K，并在輸入對象集X中隨機選取K個對象作為初始聚類中心。隨后，設(shè)定迭代中止條件，可通過確定最大循環(huán)次數(shù)或者聚類中心收斂誤差容限來完成。

②將所有元素分配到不同的類，計算所有聚類中心的位置。

③根據(jù)相似度準則將數(shù)據(jù)對象分配到最接近的聚類中心進行迭代，形成一類初始化隸屬度矩陣。

④更新聚類中心。根據(jù)每個聚類對象的均值(中心對象)，計算每個對象與這些中心對象的距離；并根據(jù)最小距離重新對相應(yīng)對象進行劃分。

⑤循環(huán)步驟③和步驟④直至滿足中止條件，即新的聚類中心和原聚類中心相等，算法結(jié)束。

為了驗證該算法的分割效果，將基于HIS色彩空間的K-均值算法測試結(jié)果與人工診斷結(jié)果進行了比較。針對6種不同濃度編號的膠體金試劑條進行了質(zhì)控C帶和檢測T帶的灰度值數(shù)據(jù)比較。人工診斷與自動診斷數(shù)據(jù)比較如表1所示。從表1可以看出，人工診斷結(jié)果與自動診斷結(jié)果非常接近，最大絕對誤差為3.3，最大相對誤差為2.08%。

表1 人工診斷與自動診斷數(shù)據(jù)比較

5 自動進給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提高檢測效率，設(shè)計了多個試劑條自動進給裝置。該裝置一次最多可以放置12個試劑條。利用該裝置可以實現(xiàn)自動按順序給進試劑條，測試完一個試劑條后，自動將試劑條推出。試劑條自動進給裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 試劑條自動進給裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3中：四個立柱通過螺釘與底板相連接，中間固定立式電機，電動推桿通過螺釘固定在支撐板上，L形桿件與電動推桿通過螺栓連接，L形桿件7并與與圓盤底面的圓槽保持接觸。在圓盤的正面開設(shè)12個槽，每30°設(shè)置一個，用于放置試劑條；圓盤底面開設(shè)一個圓槽，使圓盤轉(zhuǎn)動時L形桿件可在圓槽內(nèi)滑動；圓盤底面另開設(shè)12個槽，使L形桿件將12個試紙條按序推出。

自動進給裝置的運動過程為：將顯色完畢的試劑條，分別放置在相應(yīng)的試劑條托盤處，接收到系統(tǒng)命令后，立式電機再帶動圓盤轉(zhuǎn)動，將置于槽上的試劑條精確送到檢測位置。檢測完成后，控制圓盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將下一個試劑條進給，而被檢測完畢的試劑條在L形桿件與電動推桿的作用下在圓盤的圓槽內(nèi)滑動，將試紙條推出。本傳動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多個試紙條連續(xù)自動傳動進給功能，滿足多個試紙條同時放置并輸入、順序檢測并輸出的要求。

6 軟件系統(tǒng)

整個硬件系統(tǒng)功能通過對STM32進行編程實現(xiàn)，ST公司為STM單片機的各模塊提供了豐富的編程函數(shù)，尤其是STM32單片機采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑蟠蠼档土司幊痰碾y度。在實際編程中，資料庫中提供了比較完善的、具有各種功能的模塊化程序，對模塊采取相應(yīng)的庫函數(shù)調(diào)用即可。具體主要包括STM32初始化、DCMI接口配置、FSMC模塊配置、TFT真彩屏的驅(qū)動、圖像處理、圖像顯示以及時鐘等控制程序的編寫。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于STM32平臺，完成了圖像采集與真彩屏顯示。根據(jù)膠體金的顯色原理，系統(tǒng)實現(xiàn)了多個膠體金試紙條連續(xù)自動檢測的傳動功能，滿足多個試紙條同時放置并輸入、順序檢測。該設(shè)備檢測結(jié)果準確、價格低廉、攜帶方便、檢測效率高，并實時對數(shù)據(jù)進行存儲，方便查詢。另外，在試驗過程中，圖像采集環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生測量誤差。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該采取措施，選擇高清晰的攝像頭和合理的背光源，以有效減小CCD 圖像測量在圖像采集過程中產(chǎn)生的誤差。