基于智能手機金標試紙定量檢測儀的研究

丑佳文　李晶　陳唯美　陳煜

摘要 隨著移動互聯網的迅速發展，智能手機的功能迅速提升，人們已習慣通過移動端來完成各種操作，享受著互聯網帶來的便捷、快速服務的樂趣。為了改善目前用于對金標試紙進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進行圖像數據處理，通過以手機攝像頭采集試條圖片，提取圖像特征值與樣品濃度問的關系函數，開發一款基于Android操作系統的金標試紙定量檢測軟件。此款軟件在自帶微距攝像功能的智能手機上進行研究開發，通過以手機攝像頭采集試條圖片，由以java和C++語言編寫的Android應用程序對圖像數據進行分析處理，并將處理結果顯示在人機交互界面，從而實現對金標試條的定量檢測。

關鍵詞 圖像處理；定量檢測；金標試紙條；Android系統

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

金標免疫層析測定是20世紀90年代初建立的一種快速診斷技術，具有較為先進的靈敏、特異、快速、簡便、準確率高等特點，廣泛在食品安全檢測、環境檢測、疾病診斷等領域。目前，出現的便攜式金標試條檢測儀主要是基于FPGA、ARM、單片機、DSP等嵌入式系統，雖然體積小，但還沒達到便攜的程度，而且軟件開發依賴于硬件。本文基于Android操作系統開發了一款金標試紙定量檢測軟件。改善目前用于對金標試紙進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系統軟件功能設計

1.1定量檢測方法

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

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、對條紋出現位置不敏感、能消除或減少不同試紙圖像條紋強度差異等的值。當采用純綠色平行光照射試紙條時，可根據朗伯一比爾定律推導出試紙條檢測線和控制線（另一條顯色區，用于與檢測線進行對照）的積分光密度值：

其中為中為反射光強度，N為像素總數，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、控制線和空白區域的灰度值計算得到。要獲取采集圖片上目標區域，為了簡化計算量減少誤差，需將圖像進行剪切和濾波處理。同時為提取上述3個區域的灰度值，除了將其轉換為灰度圖外，還需進行圖像切割。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、控制線和空白區域分割開來，分別計算各區域的平均灰度值（區域內像素點的平均灰度值），帶入公式（2）中，即可到RIOD值。

采集與不同濃度溶液反應后的試紙條圖像，通過圖像處理可計算得到相應的RIOD值，將濃度值與RIOD值進行曲線擬合，得到濃度與RIOD的關系函數。將此函數寫入到程序中，將計算得到的RIOD值通過關系函數換算成濃度值，即為儀器定量檢測結果。

1.2軟件設計

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

雖體積較市面上已有產品已大幅縮小，但仍受限于硬件平臺。硬件平臺中的自制外殼內置放LED電源、固定微距鏡頭及固定金標試紙的凹槽，其周圍被密封，盡量隔絕外界光源。這種設計是考慮到當時手機上沒有微距功能，同時為排除金標試紙離鏡頭距離近時，光照不均勻對試紙圖像采集干擾過大的影響，將外殼進行密封處理，將試紙位置固定。這種儀器同樣依賴于硬件，必須對手機進行改造制成特定儀器才能使用。

為盡可能擺脫硬件約束，考慮到現有只能手機已有微距功能，同時可通過在攝像頭預覽界面上加入一個長條形框這種軟件處理方式，來實現試紙條的物理固定，可直接設計為獨立于硬件的一款移動應用軟件。

此軟件中的圖像處理程序通過openCV（計算機視覺庫）實現，在Android程序中通過本地調用接口調用圖像處理程序（C/C++語言）來完成圖像分析。Android主程序實現人機交互界面（監聽點擊事件，調用手機攝像頭采集圖片，傳給圖像處理程序，接收處理結果并顯示）；C/C++程序實現圖像分析處理并返回結果值。

2實驗數據

實驗采用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量相同批次的HCG試紙條上，嚴格控制溶液用量。等待5min后，用此儀器測量它們的相對積分光密度值，檢測數據如表1所示。

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

C=423.9218RIOD-47.1185 （3）

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

3結論

本文在自帶微距攝像功能的智能手機上進行研究開發，采用圖像處理技術進行圖像數據處理，通過以手機攝像頭采集試條圖片，提取圖像特征值與樣品濃度間的關系函數，由以java和c++語言編寫的Android應用程序對圖像數據進行分析處理，并將處理結果顯示在人機交互界面，從而實現對金標試條的定量檢測。通過實驗校正與測試，證明這款基于Android操作系統開發了一款金標試紙定量檢測軟件，區分度和精確度較好。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