一种基于显微成像的微球计数方法、系统和电子设备

1.本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及一种基于显微成像的微球计数方法、系统和电子设备。


背景技术：

2.目前已有的微球计数系统大多采用生物传感器进行分析与检测，诸如电化学生物传感器、机械生物传感器、磁弛豫生物传感器等，虽然具有灵敏度高、分析速度快等优势，但是其信号读出方式及设备均有许多缺陷有待解决。电化学生物传感器通常需要对工作电极进行修饰，并且其信号处理方式复杂，需要专门的信号采集卡；机械生物传感器对于装置的加工难度要求高，难于批量化生产；磁弛豫生物传感器需要用到专门的低场核磁共振仪，该仪器对于温度要求严格，并且设备体积较大，难于适应现场快速检测。光学生物传感器主要利用待测物质与检测试剂反应后所产生的光信号作为探测基础，通常由3个功能元件所组成：光传感层、光信号转换元件以及信号放大处理元件。尽管如此，现有光学传感器的经济成本相对偏高、构造精密，信号要求处理较高，且其稳定性与其它生物传感器相比也存在一定差距。
3.因此，亟需开发新型光学传感平台、完善生物性功能物质、探索新型光学标记材料或信号探针等，这对于光学生物传感器的进一步发展与应用具有重要意义。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于显微成像的微球计数方法、系统和电子设备。
5.本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的技术方案如下：
6.s1、基于显微成像技术，获取待测微球溶液在每个待计数区的第一待测图像；
7.s2、对每个第一待测图像进行预处理，得到所述每个待计数区的第二待测图像，且每个第二待测图像分别包括至少一种圆形连通域，一种圆形连通域对应一种直径的微球；
8.s3、分别对每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行统计，得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
9.本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的有益效果如下：
10.本发明的方法通过采用显微成像技术获取不同直径的微球的数量，通过将显微成像技术与计算机视觉技术结合，在克服现有微球计数软件分辨率不高、适用范围窄等缺陷的同时，实现了对微球图像的自动识别、分类、统计，也进一步拓宽了显微成像微球计数平台的普适性，同时很好地提高了分析检测的速度与精度。
11.在上述方案的基础上，本发明的一种基于显微成像的微球计数方法还可以做如下改进。
12.进一步，所述s2具体包括：
13.s21、对所述每个第一待测图像进行灰度图转化，得到所述每个第一待测图像的第
一预处理图像；
14.s22、对每个第一预处理图像进行二值化处理，得到所述每个第一待测图像的第二预处理图像；
15.s23、对每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像。
16.进一步，所述s23具体包括：设置第一阈值，并根据所述第一阈值对所述每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像；其中，采用resnet50神经网络模型预测所述第一阈值。
17.进一步，所述s3具体包括：
18.s31、对所述每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行标记，得到所述每个第二待测图像对应的标记图像；
19.s32、对每个标记图像中的每种标记的数量进行识别统计，得到每种圆形连通域的数量；
20.s33、根据所述每种圆形连通域的数量得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
21.进一步，每种微球的直径均不小于2微米。
22.本发明的一种基于显微成像的微球技术系统的技术方案如下：
23.包括：第一处理模块、第二处理模块和计数模块；
24.所述第一处理模块用于：基于显微成像技术，获取待测微球溶液在每个待计数区的第一待测图像；
25.所述第二处理模块用于：对每个第一待测图像进行预处理，得到所述每个待计数区的第二待测图像，且每个第二待测图像分别包括至少一种圆形连通域，一种圆形连通域对应一种直径的微球；
26.所述计数模块用于：分别对每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行统计，得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
27.本发明的一种基于显微成像的微球技术系统的有益效果如下：
28.本发明的系统通过采用显微成像技术获取不同直径的微球的数量，通过将显微成像技术与计算机视觉技术结合，在克服现有微球计数软件分辨率不高、适用范围窄等缺陷的同时，实现了对微球图像的自动识别、分类、统计，也进一步拓宽了显微成像微球计数平台的普适性，同时很好地提高了分析检测的速度与精度。
29.在上述方案的基础上，本发明的一种基于显微成像的微球技术系统还可以做如下改进。
30.进一步，所述第二处理模块具体包括：第一预处理模块、第二预处理模块和第三预处理模块；
31.所述第一预处理模块用于：对所述每个第一待测图像进行灰度图转化，得到所述每个第一待测图像的第一预处理图像；
32.所述第二预处理模块用于：对每个第一预处理图像进行二值化处理，得到所述每个第一待测图像的第二预处理图像；
33.所述第三预处理模块用于：对每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像。
34.进一步，所述计数模块具体包括：第一计数模块、第二计数模块和第三计数模块；
35.所述第一计数模块用于：对所述每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行标记，得到所述每个第二待测图像对应的标记图像；
36.所述第二计数模块用于：对每个标记图像中的每种标记的数量进行识别统计，得到每种圆形连通域的数量；
37.所述第三计数模块用于：根据所述每种圆形连通域的数量得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
38.本发明的一种存储介质的技术方案如下：
39.存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的步骤。
40.本发明的一种电子设备的技术方案如下：
41.包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的步骤。
附图说明
42.图1为本发明实施例的一种基于显微成像的微球计数方法的流程示意图；
43.图2为本发明实施例的一种基于显微成像的微球计数系统的结构示意图。
具体实施方式
44.如图1所示，本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的第一实施例，包括如下步骤：
45.s1、基于显微成像技术，获取待测微球溶液在每个待计数区的第一待测图像。
46.其中，显微成像技术采用的是明场光学显微镜的放大成像功能，明场光学显微镜的型号为：lk-50，购自天津徕科有限公司。需要说明的是，成像采集设备除明场光学显微镜外，还可以是暗场光学显微镜、具有拍照功能的智能手机、cmos相机等等，在此不设限制。
47.其中，本实施例中的微球溶液以聚苯乙烯微球溶液为例，也可以是其他任何高分子材料微球，如乳胶微球、二氧化硅微球等，在此不设限制。
48.聚苯乙烯微球溶液中的微球采用直径为2微米ps
2000
、4微米ps
4000
、6微米ps
6000
的羧基修饰的微球，均购自bangs laboratories公司。
49.需要说明的是，本实施例中的微球采用直径为2微米、4微米、6微米的羧基修饰的微球，也可根据实际需求采用直径不小于2微米的微球，在此不设限制。
50.其中，为便于说明，使用纯水分别将ps
2000
梯度稀释至1μg/ml，0.5μg/ml，0.25μg/ml，0.1μg/ml，0.05μg/ml，0.01μg/ml；使用纯水将ps
4000
梯度稀释至10μg/ml，5μg/ml，2μg/ml，1μg/ml，0.5μg/ml，0.25μg/ml；使用纯水将ps
6000
梯度稀释至30μg/ml，20μg/ml，10μg/ml，5μg/ml，1μg/ml，0.5μg/ml；待测微球溶液是根据ps
2000
，ps
4000
，ps
6000
三者中的至少一种直径的任意浓度的微球所制成。例如，取浓度为0.5μg/ml的ps
2000
10ml，5μg/ml的ps
4000
10ml，20μg/ml的ps
6000
10ml制成待测微球溶液。
51.具体地，将待测微球溶液置于超声波清洗器中超声15分钟。为保证良好的观测效
果，使用乙醇-水溶液(75％，v/v)浸泡洗涤盖玻片，并用擦镜纸擦干。将待测微球溶液滴加10μl于洁净的血细胞计数板的计数区上，轻轻盖上擦拭后的盖玻片，注意该过程不要产生气泡。在毛细现象的作用下，待测微球溶液会充满整个计数区。静置3分钟后，待计数区中的微粒自然沉降并稳定，以避免由于分层现象导致的计数误差，将装配好的玻片置于光学显微镜下，选择10倍目镜与20倍物镜，通过计算机软件(如：imageview)在电脑屏幕上对计数区内的图像进行捕获。
52.其中，血细胞计数器购自上海市求精生化试剂仪器有限公司；超声波清洗器的型号为bx5200hp，购自上海新苗医疗器械制造有限公司；乙醇购自国药集团化学试剂有限公司。
53.其中，一块血细胞计数器包含有两个加样区，每个加样区对应一个待计数区，为了增加方法的准确性，结果的可靠性，本实施例选择对两块计数板(四个待计数区)内微球的图像进行捕获、识别。
54.需要说明的是，计数区的数量可根据需求进行设定，进行捕获的计数区越多，准确度更高，但时间成本会相应增加。
55.其中，第一待测图像是通过计算机软件(imageview)所捕获的待计数区内的微球的图像。
56.s2、对每个第一待测图像进行预处理，得到所述每个待计数区的第二待测图像，且每个第二待测图像分别包括至少一种圆形连通域，一种圆形连通域对应一种直径的微球。
57.其中，预处理的过程大致包括：灰度图处理、二值化处理以及图像干扰信息过滤等步骤。
58.其中，第二待测图像为：包含至少一种圆形连通域，每种圆形连通域的直径不同，一种圆形连通域对应一种直径的微球。
59.s3、分别对每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行统计，得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
60.其中，微球自身为球形，但在光学显微镜下所捕获的第一待测图像中微球初步呈现为圆形，对第一待测图像进行预处理所得到的第二待测图像中能够更加清晰地分辨出微球呈现为圆形，故为第二待测图像中为圆形连通域。
61.其中，每种圆形连通域采用不同的标记，便于软件对于每种待识别对象的数量进行识别。
62.其中，在对每种圆形连通域进行识别后，得到每种圆形连通域的数量，依据每种圆形连通域的数量进行分类统计，得到每种直径的每种微球的数量；最终将图像中的数据信息分类统计为表格，便于查阅。
63.较优地，所述s2具体包括：
64.s21、对所述每个第一待测图像进行灰度图转化，得到所述每个第一待测图像的第一预处理图像。
65.其中，对第一待测图像进行灰度图转化的作用是：避免自然光对图像中的颜色信息所产生的干扰。
66.其中，第一预处理图像为：第一待测图像进行灰度图转化后所得到的图像。
67.s22、对每个第一预处理图像进行二值化处理，得到所述每个第一待测图像的第二
预处理图像。
68.其中，对第一预处理图像进行二值化处理的作用是：将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程，便于第一预处理图像内的信息能被计算机语言处理。
69.其中，第二预处理图像为：第一待测图像经过二值化处理后所得到的图像。
70.s23、对每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像。
71.其中，每个第二待测图像内至少包括一种圆形连通域。
72.较优地，所述s23具体包括：设置第一阈值，并根据所述第一阈值对所述每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像；其中，采用resnet50神经网络模型预测所述第一阈值。
73.具体地，由于每个计数板(计数器)背景比较单一，待检测目标(圆形连通域)与背景有明显的颜色深浅上的差异(颜色越深，像素的灰度值越小，颜色越浅，像素的灰度值越大)，利用此特点，设定一个第一阈值，大于该设定阈值的像素置为最大值255，小于该阈值的像素置为0，因此可以达到过滤噪点信息而关注于待检测目标的位置信息。
74.需要说明的是，设定的第一阈值一般采用人工设定，本实施例采用神经网络模型resnet50进行预测，以此代替全局阈值，提高其检测精度。
75.较优地，所述s3具体包括：
76.s31、对所述每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行标记，得到所述每个第二待测图像对应的标记图像。
77.s32、对每个标记图像中的每种标记的数量进行识别统计，得到每种圆形连通域的数量。
78.s33、根据所述每种圆形连通域的数量得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
79.较优地，每种微球的直径均不小于2微米。
80.其中，微球作为信号探针，是由于其尺寸在大于或等于2微米时，可以被观测到。
81.其中，本实施例中默认采用四个待计数区进行计数、分类和识别。
82.本实施例的微球计数方法(系统)具有灵敏、稳定的信号读出功能，能应用于食品安全快速检测、体外诊断和环境监测等领域。
83.本实施例的技术方案通过采用显微成像技术获取不同直径的微球的数量，通过将显微成像技术与计算机视觉技术结合，在克服现有微球计数软件分辨率不高、适用范围窄等缺陷的同时，实现了对微球图像的自动识别、分类、统计，也进一步拓宽了显微成像微球计数平台的普适性，同时很好地提高了分析检测的速度与精度。
84.本实施例中，通过制备系列浓度2μm，4μm，6μm和三种直径混合的微球溶液，并通过光学显微镜对计数区内的微粒个数进行统计，发现当溶液浓度增加时，微粒个数也会随之增加，并且二者之间呈现良好的相关性。通过线性拟合，2μm，4μm，6μm微球，其浓度与计数区中对应的数量之间的线性方程为：y＝450.86x-1.79(r2＝0.997)，y＝39.822x 0.21(r2＝0.992)，y＝23.94x-5.38(r2＝0.993)。
85.同时采用人工计数和qscounting计数对计数区中的微球数量进行统计，结果显示，人工计数与本实施例的基于显微成像的微球计数结果具有良好的一致性。其中，4μm和6
μm直径的微球，以人工计数结果为横坐标，本实施例的计数结果为纵坐标，对二者进行线性拟合，其线性方程分别为：y＝0.97x 1.11，y＝0.97x 1.04，且相关系数(r2)均达到了0.999。对于直径为2μm的微球，其线性方程为：y＝0.97x 0.16，r2为0.996。
86.综上所述，当随着微球浓度逐渐增加，计数区中微球的数目随之增加。通过参数优化，计算机视觉微球计数软件也获得了良好的准确性，这很好地提升了分析效率。由此证明，采用本实施例的方法所制成的显微成像微球计数系统是一款灵敏、稳定的信号读出设备，具有较大的应用于食品安全快速检测、体外诊断和环境监测等领域的潜力。
87.本实施例技术方案的优点在于：(1)明场光学显微镜制作工艺成熟，制造成本较低，且易于微型化；(2)不同于荧光微球等需要进行复杂的修饰工艺，且需要严格的保存条件，微球作为一种高分子材料，其化学性质稳定，保存条件简单；(3)组合使用不同直径的微球，为多目标物同时检测提供了新的方向；(4)将显微成像平台与计算机视觉技术结合，可实现批量图像的自动识别、分类、统计，可以较好地提升分析检测效率。
88.本发明的一种基于显微成像的微球计数方法的第二实施例，在上述第一实施例的基础上，本实施例的技术方案还包括：
89.s100、基于显微成像技术，获取待微球溶液在每个待计数区的第一待测图像。
90.s200、对每个第一待测图像进行预处理，得到所述每个待计数区的第二待测图像，且每个第二待测图像分别包括至少一种圆形连通域，一种圆形连通域对应一种直径的微球；其中，所述第二待测图像中包括：待测微球和游离微球。
91.其中，待测微球为：本实施例中需要进行统计的微球；游离微球为：本实施例中不需要进行统计的微球。
92.s300、对每个第二待测图像中的待测微球的每种圆形连通域进行统计，得到所述待测微球溶液中的每种待测微球的数量。
93.具体地，例如，第二待测图像中存在一个直径为6微米的微球，该微球周边连了若干直径为2微米微球；此时待测微球为：附着于6微米微球上的2微米微球，游离微球为：游离状态下的6微米微球及2微米微球；采用步骤s300仅统计图像中附着于6微米微球上的2微米微球的个数。
94.需要说明的是，本实施例中微球的材质、直径等参数不做具体要求，可以为任意范围。
95.本实施例的技术方案，在第一实施例的基础上，还能够有效减少生化反应的步骤，提高分析检测的速度。
96.如图2所示，本发明实施例的一种基于显微成像的微球计数系统200，包括：第一处理模块210、第二处理模块220和计数模块230；
97.所述第一处理模块210用于：基于显微成像技术，获取待测微球溶液在每个待计数区的第一待测图像；
98.所述第二处理模块220用于：对每个第一待测图像进行预处理，得到所述每个待计数区的第二待测图像，且每个第二待测图像分别包括至少一种圆形连通域，一种圆形连通域对应一种直径的微球；
99.所述计数模块230用于：分别对每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行统计，得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量，其中，一种圆形连通域对应一种直径的微球。
100.较优地，所述第二处理模块220具体包括：第一预处理模块、第二预处理模块和第三预处理模块；
101.所述第一预处理模块用于：对所述每个第一待测图像进行灰度图转化，得到所述每个第一待测图像的第一预处理图像；
102.所述第二预处理模块用于：对每个第一预处理图像进行二值化处理，得到所述每个第一待测图像的第二预处理图像；
103.所述第三预处理模块用于：对每个第二预处理图像进行干扰信息过滤，得到所述每个第二待测图像。
104.较优地，所述计数模块230具体包括：第一计数模块、第二计数模块和第三计数模块；
105.所述第一计数模块用于：对所述每个第二待测图像中的每种圆形连通域进行标记，得到所述每个第二待测图像对应的标记图像；
106.所述第二计数模块用于：对每个标记图像中的每种标记的数量进行识别统计，得到每种圆形连通域的数量；
107.所述第三计数模块用于：根据所述每种圆形连通域的数量得到所述待测微球溶液中的每种微球的数量。
108.本实施例的技术方案通过采用显微成像技术获取不同直径的微球的数量，通过将显微成像技术与计算机视觉技术结合，在克服现有微球计数软件分辨率不高、适用范围窄等缺陷的同时，实现了对微球图像的自动识别、分类、统计，也进一步拓宽了显微成像微球计数平台的普适性，同时很好地提高了分析检测的速度与精度。
109.上述关于本实施例的一种基于显微成像的微球计数系统200中的各参数和各个模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种基于显微成像的微球计数方法的第一实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
110.本发明实施例提供的一种存储介质，包括：存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如一种基于显微成像的微球计数方法的步骤，具体可参考上文中一种基于显微成像的微球计数方法的第一实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
111.计算机存储介质例如：优盘、移动硬盘等。
112.本发明实施例提供的一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，使所述计算机执行如一种基于显微成像的微球计数方法的步骤，具体可参考上文中一种基于显微成像的微球计数方法的第一实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。
113.所属技术领域的技术人员知道，本发明可以实现为方法、系统、存储介质和电子设备。
114.因此，本发明可以具体实现为以下形式，即：可以是完全的硬件、也可以是完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，还可以是硬件和软件结合的形式，本文一般称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号
介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。