基于红外图像的卫生装备细菌检测系统＊

杨新广

（海军青岛特勤疗养中心医学工程科，山东 青岛 260071）

1 引言

卫生装备细菌检测工作关系到医疗的质量和安全，是抓好医疗安全体系建设的重要举措。近几年来，卫生部多次就有关于卫生装备细菌检测进行了深入研究，推行卫生装备安全质量控制，突出全程的质量管理。因此对于细菌检测系统的相关研究，在最近几年中也有了飞速的发展[1-3]。

目前，对于细菌检测来说，使用的常规系统种类很多。文献[4]中建立了基于流式细胞术的高通量定量检测系统，通过简化细菌的荧光信号强度计算模型并评估信噪比，对信号进行采集，并利用绝对计数的方法对于细菌检测方面进行研究，实现了对细菌的快速定量检测，但是系统缺乏较高的准确度；文献[5]中设计了基于纳米探针技术、石墨烯透明电极(UTE)技术和三磷酸腺苷(ATP)发光技术的生物检测系统，根据ATP、荧光素、荧光素酶之间的化学反应，可以间接的获得大肠杆菌的浓度，该系统具有较高的检测精度，但是检测时间过长，并容易在检测的过程中造成二次污染。在国内外现有细菌总数检测方法优缺点的基础之上，结合目前细菌检测方法的发展趋势，最终确定电导法作为主要研究手段与内容。国外先进仪器的设计理念，在分析相关仪器优缺点的基础上，系统设计以培养基电导率特性为基础，所设计的产品与传统方法相比具有造价低、使用方便、检测时间相对较短等特点，经反复实验改进可取代传统的平板计数法。针对上述细菌检测系统所暴露出来的问题，本文设计一种基于红外图像的卫生装备细菌检测系统。红外成像技术这几年的发展迅速，基于红外图像的目标识别技术已经越来越成熟，但是应用在微生物检测方面的研究还比较少，因此本文将红外图像应用在卫生装备细菌检测系统中，以期提高系统的细菌检测性能。

2 基于红外图像的卫生装备细菌检测系统

2.1 系统硬件

在基于红外图像的卫生装备细菌检测系统的硬件设计中，其主要的原理就是卫生装备上的不同细菌菌落在一定条件下会发生光学透射和散射，由此而产生一定的纹理图像，能够反映出细菌菌落的内部结构特征信息，而本文系统需要利用红外成像将形成的纹理图像自动采集出来。对于卫生装备的细菌快速检测来说，就是从装备表面取出检测样，制成细菌涂片之后要快速、准确、全面的完成图像采集[6-7]。本文选择的步进电动机为精博机电，型号为42HSPG47A。其通电后的工作过程示意图如下：

本文使用的感应子式步进电动机为三相的步进电机，上图中的A相控制绕组在有脉冲电流通过时，产生的磁力会产生一个拉力使得A 相的定子与转子保持对齐；同理，在B相通电时，电机转过一个步距角，发生旋转后B相的定子与转子保持小齿对齐，那么与B相邻的A1和C1则保持错开，C 相通电同理。按照A-B-C-A 的顺序通电则会按照一个方向前进，按照A-C-B-A 则向相反方向移动。完成一个周期的循环通电后，步进电机则移动了一个齿距角的距离[8-9]。随着电动机的移动，配合红外图像摄像头，能够采集到玻片上细菌的纹理图像。至此完成细菌检测系统中红外图像采集中的硬件设计。

2.2 红外图像预处理

在硬件设计的过程中，通过红外摄像头与步进电动机的配合，可以实现细菌纹理图像的自动采集。尤其是细菌在提取和涂片的过程中，强烈的通气和菌体自身的产气会导致出现气泡，影响结果的准确度[10]。因此在进行检测之前，需要对采集到的红外图像进行预处理。运用标准矩阵对纹理图像进行归一化预处理：

利用上述矩阵，将红外图像数据化，矩阵中的每一行都代表红外图像中的一条光谱，每一列都代表一个光谱变量。上式中，n代表图像的光谱样本数，p代表相应的光谱变量数。利用这样的标准矩阵来代表红外图像，使得图像具有平移之后的尺度不变性和旋转不变性，便于对图像建立不同细菌菌落的分类模型进行研究，至此完成红外图像预处理。

2.3 建立细菌检测模型

建立基于红外图像的细菌检测模型的过程相对复杂，从红外图像的光谱数据采集、图像预处理到在线检测多个步骤。在上一节中完成了红外图像处理后，就要基于红外图像建立稳定的检测模型，建模方法本文选择偏最小二乘算法。偏最小二乘算法中，对上文构建的数据标准矩阵进行拆分：

上式中，X代表矩阵中的每行，Y代表矩阵中的每列，T代表每行的得分矩阵、U代表每列中的得分矩阵，P代表每行的载荷矩阵，Q代表每列中的载荷矩阵，E代表每行的误差矩阵、F代表每列中的误差矩阵。在分解之后可以通过得分矩阵将拆分的矩阵组合起来，并通过交叉验证的方法计算模型的性能参数，根据其变化的规律选择检测模型的因子数。交叉验证的实现方法如下图所示：

在交叉验证的过程中，要想保持验证的有效性，则需要考虑在同一交叉验证过程中，需要证取不同因子数而得到的预测残差平方；选择权重最大的因子数作为检测模型的参数，使检测模型完整有效。至此完成了基于红外图像的卫生装备细菌检测系统的设计。

3 系统测试

3.1 实验环境

实验环境决定着实验是否能够顺利进行，故首要任务即搭建实验环境。

3.2 实验材料以及前期准备

为了验证设计系统的有效性，将统一卫生装备检测样品分别使用常规系统与本文设计的系统进行检测，并将检测结果进行对比。在实验过程中，需要准备的仪器与实验药品如下表所示：

表1 实验仪器与药品

本文在实验中选择某卫生装备，对其进行杂菌接种作为待测试样本。对于带有杂菌的样本进行菌群采集后进行高速离心，根据标本送检量来确定离心所用量，离心的转数设置为：8000 r/min离心5 min后，11000 r/min继续离心5 min，能够明显看到微生物与溶液的分层。经过以上两次离心之后，可以得到含细菌的浓缩溶液，细菌以沉淀的方式存在于离心管的底部。在上述实验操作下，得到细菌的饱和悬浊液，将其稀释20 倍后，在四个试管中分别放入1mL样液，并分别将其稀释到108cfu/mL、105cfu/mL、103cfu/mL、101cfu/mL，分别标记为样品一、样品二、样品三、样品四，为了保证实验结果的准确性，本文将样品一～样品四分别配成103cfu/mL、102cfu/mL，分别记作为样品一(1)、样品一(2)、样品二(1)、样品二(2)、样品三(1)、样品三(2)、样品四(1)、样品四(2)，并将得到的样品用锡纸进行封口，以备实验过程中的应用。本文使用的是美兰染色法，将美蓝溶液溶解于95%乙醇溶液中，并与氢氧化钾溶液混合。在无菌操作台上分别将得到的玻片样品进行定量，并在血球计数板上涂成薄膜后自然干燥；将得到的涂片在弱火高处通过火焰3-4次固定，等待冷却后滴加配制的美兰染液，1-2分钟后侧冲洗去并吸干上面的残余水滴。在血球计数板上将样品制作成玻片，再将玻片放在显微镜下，血球计数板能够显示出其中的计数小格，如下图所示：

在实验中，将血球计数板中的各个小格进行二值化，可以求出小格的像素面积和实际面积。载物台在自动图像采集系统推动下移动的同时，CCD 摄像头和图像采集卡对载有样品的部位进行全面扫描摄像，将细菌信息同步显现在计算机内和显示屏上，经过机内图像识别软件对所摄一组图像进行自动识别和分析，给出样品的细菌总数含量，并打印报表。整理出两系统实验过程和步骤，如下图所示：

在上述实验过程下，分别得到两系统的检测结果，将其进行对比并对系统性能进行分析。

3.3 实验结果与对比

在上述实验操作下，得到两个系统的检测结果对比，统计结果如表2所示。

根据表2中的检测结果，对于常规系统和本文系统的结果进行相关系数检验，得到的相关性系数R 为0．997，达到了统计学上＜0．05 的显著性水平，说明两种方法得到的结果相关性非常显著，说明本文设计的系统在检测结果上与常规使用的系统检测结果无显著性差异。但是在检测的过程中，常规使用的检测系统需要花费48 h，但是本文设计的检测系统只需要10 min即可完成，这说明本文在保证检测结果精确的同时，能大大缩短检测过程所需要的时间。

表2 两系统统计结果

4 结束语

卫生装备上的细菌残留会严重影响医疗效果，因此对卫生装备细菌检测系统进行研究的意义重大。本文主要针对常规使用的细菌检测系统存在的检测周期长等问题，设计了一种基于红外图像的卫生装备细菌检测系统。并对系统的性能进行实验分析，结果表明设计的系统能够有效将细菌检测周期由48 min缩短到10 min，并能够保证一定的检测精度。本文虽然取得了一定的成绩，但是由于种种原因，还缺少一些细节方面的相关研究，在今后的研究中，对于自动涂片技术还需要进一步优化。