一种冠状病毒超快速智能检测设备及方法

1.本发明属于病毒检测技术领域，具体涉及一种冠状病毒超快速智能检测设备及方法。


背景技术：

2.人类生存的环境中存在海量的病原微生物，是威胁人类生命健康的重要因素之一；微生物划分为以下八大类：细菌、病毒、真菌、放线菌、立克次体、支原体、衣原体、螺旋体等，不同的病原微生物可引发不同的疾病，当病原微生物侵入机体并扩增到一定浓度时，可能对机体产生有害影响，通常会引起相关疾病，在治疗病原微生物引发的疾病时，确定病原微生物的种类至关重要，关乎疾病治疗的成败；通常，病原微生物实验室培养鉴定是最常用的检测方法，但其过于依赖培养环境和培养人员专业技术，耗时耗力，使得快速诊断面临巨大挑战性，例如，普通细菌定性培养需3天，定量及药敏需7天甚至更久，特殊微生物需更长的培养时间。
3.其中，尤其是新型冠状病毒肺炎其肆虐全球，对全球的社会经济、文化教育、人民生活等产生了重大的影响，针对新冠病毒肺炎疫情，新冠疫情防控要求“及时发现、快速处置、精准管控、有效救治”，提高监测预警灵敏性，以最短时间、最低代价将疫情控制在最小范围，显然疫情防控有赖于新冠病毒的快速且准确的检测。
4.目前对新冠病毒的检测主要有培养法，辅助光镜、电镜镜检，及聚合酶链式反应(pcr)、免疫印迹(western blot)或免疫组化/荧光染色等方法，但其均需要对新冠病毒进行培养扩增，针对其基因组中orf1ab和核衣壳蛋白n基因进行检测；这些方法均存在耗费时间及人力成本的缺陷，也无法对新的变异株进行及时的鉴定和检测；此外，新近开发的技术，如全基因组/单细胞测序、质谱检测、单/多组学联合检测等，也相继被应用于新冠病毒检测中；这些新型方法虽然能够高通量地获取病原体的详细数据，但存在检测时间长、费用昂贵、或设备便携性差等问题，无法及时的在新冠病毒感染人体之前进行检测和预警。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种冠状病毒超快速智能检测设备及方法，能够快速、准确、便携的检测冠状病毒。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种冠状病毒超快速智能检测设备，其特征在于，包括采集仓和设置于采集仓输出端的灭菌仓；
8.所述采集仓内设置有病毒承载容器，所述病毒承载容器一侧设置有高光谱成像光源，另一侧设置有图像采集装置，所述病毒承载容器内置病毒承载溶液；
9.所述病毒承载容器连接有测试管和灭菌仓进气道，所述测试管端部为微孔结构且位于病毒承载溶液底部，所述灭菌仓进气道位于病毒承载溶液液面之上，且连接灭菌仓；
10.所述图像采集装置输出端连接冠状病毒检测单元。
11.进一步的，所述病毒承载容器采用全波段光谱无显著吸收的有机玻璃或石英透明结构。
12.进一步的，所述灭菌仓底部设置有电子辐照束装置，中部设置有灭菌活塞，顶部设置有排气管道。
13.进一步的，所述灭菌仓为透明结构，其外壁设置有刻度尺。
14.进一步的，所述高光谱成像光源和图像采集装置相对设置，且分别独立滑动设置于采集仓内壁，用以调整其相对角度得到最优的病毒级别数据的图像采集。
15.进一步的，所述图像采集装置采用高光谱相机，并且根据所使用高光谱相机的成像原理，基于滑轨设置于采集仓内壁，或基于旋转平台设置于采集仓内，或固定设置于采集仓内壁。
16.进一步的，所述高光谱成像光源采用提供全谱段光的发光源，所述全谱段光的发光源设置有特殊谱段光滤过层；或采用提供特定谱段光的发光源。
17.进一步的，所述冠状病毒检测单元包括图像分析单元和算法单元；
18.所述图像分析单元用于对图像采集装置采集的光谱图像预先预处理；
19.所述算法单元用于对预处理后的光谱图像进行多种新型冠状病毒算法计算和集体决策得到检测结果。
20.一种冠状病毒超快速智能检测方法，包括以下步骤：
21.s1：开启高光谱成像光源和图像采集装置，受试者口含测试管并吹气不少于3l至病毒承载溶液底部；
22.s2：受试者呼出气体充分与病毒承载溶液混合后逸出至灭菌仓灭菌后排出，受试者呼出气体充分与病毒承载溶液混合后，图像采集装置采集光谱图像并传至冠状病毒检测单元；
23.s3：冠状病毒检测单元基于光谱图像进行多种新型冠状病毒算法计算和集体决策得到检测结果。
24.进一步的，所述步骤s3中冠状病毒检测单元计算过程包括以下步骤：
25.a1：采集液态样本的初始高光谱数据，并对初始高光谱数据进行位置标定；
26.a2：对标定后的初始高光谱数据进行坏像素点修复、空间域平滑处理、频谱域平滑处理和光谱数据校准，得到校准高光谱数据；
27.a3：将校准后的高光谱数据输入最优浓度检测模型，进行多通道联合特征提取、深度特征提取和折内浓度预测；
28.a4：通过定性分析和定量分析的集体决策机制，最终对被检测溶液作出检测判定，包括：是否存在某变异株的新冠病毒，及该变异株的新冠病毒的滴度是多少。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
30.本发明提供一种冠状病毒超快速智能检测设备，包括采集仓和设置于采集仓输出端的灭菌仓；采集仓内设置有病毒承载容器，病毒承载容器一侧设置有高光谱成像光源，另一侧设置有图像采集装置，病毒承载容器内置病毒承载溶液；病毒承载容器连接有测试管和灭菌仓进气道，测试管端部为微孔结构且位于病毒承载溶液底部，灭菌仓进气道位于病毒承载溶液液面之上，且连接灭菌仓；图像采集装置输出端连接冠状病毒检测单元；本技术结构简单，操作方便，且成本低、人力投入小，能够实现冠状病毒超快速智能检测。
31.本发明提供一种冠状病毒超快速智能检测方法，受试者向测试管吹气至病毒承载溶液，利用图像采集装置采集的光谱图像，冠状病毒检测单元基于高光谱成像技术及其智能算法等，在高光谱成像技术及其对应的深度学习算法支持下，突破性地实现了新型冠状病毒及其其他病原微生物的检测，对待测样本进行高维特征挖掘，能够有效提取样本数据的深度特征，很好地实现新冠病毒超快速检测，且在变更病原微生物数据库的情况下，能够用于其他病原微生物的超快速检测，本技术具有耗时短、准确性高、成本低、人力投入小的优势。
附图说明
32.图1为本发明一种冠状病毒超快速智能检测设备的结构示意图；
33.图2为本发明一种冠状病毒超快速智能检测流程图。
34.图中：1、测试管；2、病毒承载容器；3、病毒承载溶液；4、高光谱成像光源；5、图像采集装置；6、冠状病毒检测单元；7、灭菌仓进气道；8、灭菌仓；9、灭菌活塞；10、电子辐照束装置；11、排气管道。
具体实施方式
35.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.本发明提供一种冠状病毒超快速智能检测设备，如图1所示，包括采集仓和设置于采集仓输出端的灭菌仓8；
39.所述采集仓内设置有病毒承载容器2，所述病毒承载容器2一侧设置有高光谱成像光源4，另一侧设置有图像采集装置5，所述病毒承载容器2内置病毒承载溶液3，具体的，病毒承载溶液3体积占病毒承载容器2容积的80％，病毒承载容器2顶部空余，方便气体排出；
40.所述病毒承载容器2连接有测试管1和灭菌仓进气道7，所述测试管1一端部为微孔结构且位于病毒承载溶液3底部，另一端部作为受试者呼气入口，具体的，微孔结构使得呼出气体将形成微泡上浮，与病毒承载溶液3充分混合，气体内所含病毒溶于病毒承载溶液3内；所述灭菌仓进气道7一端部位于病毒承载溶液3液面之上，另一端连接灭菌仓8；
41.所述图像采集装置5输出端连接冠状病毒检测单元6，进一步的，所述冠状病毒检测单元6还连接有显示器，用于显示检测结果。
42.优选的，所述病毒承载容器2采用全波段光谱无显著吸收的有机玻璃或石英透明结构，便于高光谱成像光源4的光线进入，以及图像采集装置5的图像采集。
43.优选的，所述灭菌仓8底部设置有电子辐照束装置10，中部设置有灭菌活塞9，顶部设置有排气管道11；进一步的，所述灭菌仓8为透明结构，其外壁设置有刻度尺；具体的，所述灭菌活塞9将灭菌仓8分为一个密闭腔室和一个开放腔室，开放腔室顶部侧壁设置有排气管道11，本领域技术人员可以根据需要单次采集的呼气量对排气管道11高度进行设置，随着受试者呼气的进入，灭菌活塞9向上移动，直至一个密闭腔室和一个开放腔室贯通，排气管道11将受试者呼气排出；在受试者呼气的进入灭菌仓8时，电子辐照束装置10启动并提供电离辐射，瞬时杀灭受试者呼出气体内的病原微生物，防止病原微生物扩散。
44.优选的，所述高光谱成像光源4和图像采集装置5相对设置，且分别独立滑动设置于采集仓内壁，用以调整其相对角度得到最优的病毒级别数据的图像采集；具体的，所述图像采集装置5采用高光谱相机，并且根据所使用高光谱相机的成像原理，基于滑轨设置于采集仓内壁，或基于旋转平台设置于采集仓内，或固定设置于采集仓内壁，本领域技术人员可以根据实际检测需求，对图像采集装置5的连接方式进行设置；高光谱相机具有体积小、帧率高、光谱分辨率高、高像质等优点；具体的，所述高光谱成像光源4采用提供全谱段光的发光源，所述全谱段光的发光源设置有特殊谱段光滤过层；或采用提供特定谱段光的发光源，本领域技术人员可以采用卤素灯，其结构简单，成本低，亮度容易控制和调节，显色性好，穿透力强，与普通白炽灯相比，它们的使用寿命更长，色温更高，发光效率更高。
45.优选的，所述冠状病毒检测单元6采用计算机系统，包括图像分析单元和算法单元；所述图像分析单元用于对图像采集装置5采集的光谱图像预先预处理；所述算法单元用于对预处理后的光谱图像进行多种新型冠状病毒算法计算和集体决策得到检测结果；具体的，所述算法单元包括lda-rf、att-rnn、2d-resnet和3d-resnet多种算法构成的集合，最后由软投票机制进行集体决策，得到检测结果。
46.本发明提供一种冠状病毒超快速智能检测方法，如图2所示，包括以下步骤：
47.s1：开启高光谱成像光源4和图像采集装置5，受试者口含测试管1并吹气不少于3l至病毒承载溶液3底部，具体的，受试者呼气至病毒承载溶液3底部时，形成微泡上浮，与病毒承载溶液充分混合形成病毒悬浮液；
48.s2：受试者呼出气体充分与病毒承载溶液3混合后逸出至灭菌仓8灭菌后排出，受试者呼出气体充分与病毒承载溶液3混合后，图像采集装置5采集光谱图像并传至冠状病毒检测单元6；
49.s3：冠状病毒检测单元6基于光谱图像进行多种新型冠状病毒算法计算和集体决策得到检测结果。
50.优选的，所述步骤s3中冠状病毒检测单元6计算过程包括以下步骤：
51.a1：采集液态样本的初始高光谱数据，并对初始高光谱数据进行位置标定；
52.a2：对标定后的初始高光谱数据进行坏像素点修复、空间域平滑处理、频谱域平滑处理和光谱数据校准，得到校准高光谱数据；
53.a3：将校准后的高光谱数据输入最优浓度检测模型，进行多通道联合特征提取、深
度特征提取和折内浓度预测；
54.a4：通过定性分析和定量分析的集体决策机制，最终对被检测溶液作出检测判定，包括：是否存在某变异株的新冠病毒，及该变异株的新冠病毒的滴度是多少。
55.本发明提供一种优选实施例为：
56.(1)选取疫情期间新冠定点医院所救治的确诊新冠病毒感染的患者20名(新冠病毒变异株鉴定均为奥密克戎)；
57.(2)准备20只病毒承载容器(2)，对应20名受试者；
58.(3)20名受试者，通过测试管1进行吹气，达到500ml后，停止吹气；
59.4启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
60.520名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达1000ml时停止吹气；
61.(6)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
62.(7)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达1500ml时停止吹气；
63.(8)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
64.(9)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达2000ml时停止吹气；
65.(10)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
66.(11)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达2500ml时停止吹气；
67.(12)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
68.(13)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达3000ml时停止吹气；
69.(14)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
70.(15)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达3500ml时停止吹气；
71.(16)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
72.(17)20名受试者，再次通过测试管1进行吹气，补充吹气500ml，使总呼气量达4000ml时停止吹气；
73.(18)再次启动高光谱成像光源4，图像采集装置5采集数据；
74.(19)检测完毕，灭活呼出气体及病毒承载溶液；
75.(20)将所有采集的高光谱数据导入计算机系统内，数据标准化处理后由新型冠状病毒超快速检测算法进行分析处理，并给出测试结果。本实验的测试结果及整体耗时如表1所示：
76.表1
77.受试者呼气量(ml)检测平均准确率(％)整体耗时(s)5002528.45
±
2.1610004049.04
±
2.6415005070.28
±
2.38
20007588.67
±
2.29250095107.54
±
2.523000100128.93
±
2.313500100145.22
±
2.464000100166.12
±
2.25
78.实验结果显示，当新冠病毒感染确诊患者呼出气体到2500ml以上时，其检测的准确率可达95％以上，为了确保检测的精准性，我们选择3000ml呼气量作为检测气量；此外我们可以看到，本发明具备超快速的特性，以呼气量3000ml为例，从受试者开始呼气到检测结果报告，总时间为128.93
±
2.31秒，约2分钟，即可完成检测全流程。
79.此外，本技术还可用于其他病原微生物的检测，且检测标本不限于气体，还可用于检测液体、固体标本(液体、固体标本可浸泡于承载溶液内)。
80.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。