智能手机中胶体金快速分析APP的研发

智能手机中胶体金快速分析APP的研发作者：杨顺锋来源：《科学大众》2019年第01期摘; ;要：21世纪跨入信息时代，科技飞速发展，人们更注重生活水平质量，快节奏和高品质的生活也催生出了亚健康、各种传染病、不合格食品等新的一系列问题。

近几年，随着移动通信设备的普遍应用，各种类型的APP软件不断地涌现，制作APP的技术已经非常的成熟。

现有的胶体金分析仪存在体积比较庞大、携带麻烦、成本高、推广性弱、效率较低等问题。

文章针对现有的胶体金分析仪所存在的缺陷，研究基于OpenCV图像处理，具有成本低、大众化、数据实时交互、逻辑思维与判断功能的Android平台下基于OpenCV的胶体金快速分析仪成为未来主流发展方向。

关键词：智能手机;胶体金;快速分析;APP的研发21世纪跨入信息时代，科技飞速发展，人们更注重质量生活水平，由此引起了我们周围的环境也随着发生了很大的改变。

利用胶体金测试卡来检测待测样品的方式主要是通过显色来实现目视定性或半定量分析，这种技术已经应用于艾滋病、乙肝、鼠疫、寄生虫等疾病的临床检测中[1]。

但当需要检测的胶体金测试数量、种类较多时，仅靠人力目视判断结果，将会耗费大量人力和时间。

所以胶体金免疫分析的定量化是医学检测中急需的技术。

免疫诊断是目前国内外活跃的体外诊断市场三大领域之一，其中胶体金试纸是免疫诊断中运用最为广泛的[2]。

美国的Tetrance和Alexeter Technologies公司联合研发出一套胶体金试纸条Guandian Bio-Threat Alert Test Strip以及其检测仪BTA Test Strip Reader，用于较危险的生化物质的快速检测和分析[3]。

在国内，胶体金试纸条检测技术处于较低的水平，并且价格高昂，未达到大众化推广水平。

天津大学设计出一块甲霜灵农药残留定量检测装置，该仪器基于电荷耦合元件图像控制器（Charge Coupled Device，CCD）传感器设计[4]。

近几年，随着移动通讯设备的普遍化，各种类型的APP软件不断地涌现，制作APP技术已经非常的成熟。

又因为开源计算机视觉库（Open Source Computer Vision Library，OpenCV）是开源的C/C++源码，基于Intel各种平台开发的优化代码，具有统一的结构定义、强大的矩阵计算能力、方便灵活的接口，而且同时支持windows、Linux平台等[5]。

综上所述，现有的胶体金分析仪存在体积比较庞大、携带麻烦、成本高、推广性弱、效率较低的缺点。

针对现有的胶体金分析仪所存在的缺陷，研究基于OpenCV图像处理，具有成本低、大众化、数据实时交互、逻辑思维与判断功能的Android 平台下基于OpenCV的胶体金快速分析仪成为未来主流发展方向。

1; ; 胶体金定量分析原理胶体金快速检测卡是采用胶体金免疫层析技术研制而成的，此技术是20世纪90年代初在免疫渗透技术的基础上建立的一种快捷简单的免疫学检测技术[6]，市场上一般用到的有小分子竞争法、双抗体夹心法、双抗原夹心法等。

胶体金是氯金酸在还原剂如白磷、抗坏血酸、枸橼酸钠、鞣酸等作用下，金离子还原后聚合成的一定大小的金颗粒，它由一个基础的晶核和包围在外的双离子层构成[7]。

由于静电作用，金颗粒之间相互排斥而悬浮成为一种稳定的胶体状态，形成带负电的疏水胶溶液，故称胶体金。

质量差的溶液烧制后，液面有漂浮物，大小不一，形状各异。

胶体金颗粒大小，决定了我们用肉眼观察到的胶体金溶液颜色，由红到紫色。

胶体金一般在弱碱环境下带负电荷，会与蛋白质分子的正电荷基团形成牢固的结合[8]。

不仅可以与蛋白质结合，它还可以与很多其他生物大分子结合，如SPA，PHA，ConA等。

根据胶体金的一些物理性状，加上结合物的免疫和生物学特性，从而使胶体金广泛地应用于细胞生物学、免疫學等领域[9]。

胶体金测试卡结构如图1所示，胶体金免疫层析法是将特异性的抗原或抗体以条带状固定在膜上，胶体金试剂吸附在结合垫上，当需要检测时，将待测试剂滴加到试纸条一端的样本垫上后，由于毛细作用向前移动，溶解结合垫上的胶体金试剂后相互反应，当移动至固定的抗原、抗体的区域时，待检物与金标试剂的结合物又会发生特异性结合而被截留，聚集在检测带上，显色区域会显示深色，可通过肉眼观察到显色结果。

由胶体金测试卡图像的显色原理可知，C线（控制线）是判断试纸是否失效的依据，若无C线控制线则表示测试卡已经失效。

因此，在判断T线之前，必须关注C线的状态，即C线决定了T线的有效与否。

当待检物的浓度高于检测限时测试线（即T线）不显色，即表示抗原、抗体不匹配;当待检物的浓度低于检测限则T线显色，即抗原、抗体完全匹配。

因此，决定胶体金试纸结果的决定性因素是T上颜色的深浅。

图像处理的关键就在于分析试纸上C、T 线区域的特征信息，通过对大量金标试纸图像进行观察，可以发现试纸图像一般具有如下一些特点。

（1）待测样品种类繁多，若需要一机多用，则需要识别测试卡所对应的试剂种类，最方便区分种类的方法就是给每种测试卡一个不同的ID号，这样在识别显色部分之前，先进行文字识别，将识别到的测试卡与数据库中的ID比对，就可以分辨出是哪种试剂了。

（2）试纸图像上C，T线条纹的形状和相对位置比较规则和固定，偏差很小，所以在进行图像分析时，可以考虑对图像进行裁剪处理。

也就是将图像开窗，剔除无效区域，只对中间试条部分进行图像处理，这样可以减少计算量，提高图像处理的速度。

（3）在外界环境光照下，会产生不同噪声影响，所以在分析试纸图像颜色区域时必须排除背景干扰，因为测试卡为白色，所以可以选择黑色背景作为拍摄条件。

分析以上几个特点，可将图像处理过程如下：首先，对图像进行预处理，通过分析测试卡图像，预处理过程可以分为图像灰度化、图像滤波、二值化、开操作这几步来实现。

其次，分割预处理后的图片，目的是去除背景区域干扰及提取C、T区域和文字区域，提取各部分特征值，试纸图像分析处理流程如图2所示。

采集的试纸图像会有一些噪声出现，对图像滤波后就可以进行二值化处理了，图像的二值化，就是将图像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只有明显的黑和白的视觉效果。

因为背景是黑色的，这样就可以分割最简化图像。

3; ; 系统软件设计3.1; 安卓界面设计作为一个人机交互界面，主体界面有3个，分别为检测界面、记录界面和设置界面。

检测界面主要功能为跳转到相机界面采集测试卡图像后返回，然后识别检测卡，显示测试结果，结果出来后，可以点击保存，将结果保存到本地记录界面。

记录界面则保存着检测记录，可以查看记录详情，包含检测时间，检测项和结果等信息。

在记录界面可以对记录进行导出，导出到邮箱或者FTP服务器。

可以通过蓝牙热敏打印机打印出详细测试结果。

可以对记录进行搜索等功能。

设置界面则有WiFi，蓝牙、邮箱、服务器等设置。

因此这款安卓应用将更适应于实际使用，检测界面如图3所示，记录界面和设置界面分别如图4和图5所示。

3.2; OpenCV算法程序设计图像预处理分为3步，分别为图像灰度化、图像滤波、图像二值化。

通過底层算法来设计出适合自己的算法，图像预处理就已经完成了，得到的效果如图6所示。

所有感兴趣的部分全部提取完毕了，得到的效果如图7所示。

得到分割后的图片后，就可以对特征值提取，处理过后的特征值如图8所示。

4; ; 系统调试最后进行了测试与调试，首先准备了12张不同ID的测试卡，两条显色带对应4种结果，因此分成4组，每组3张不同的测试卡，色带相同，每张测试卡检测20次，检测结果如表1所示。

由结果可知，检测仪对色带的识别准确率非常高，说明按上述方法设计的胶体金检测仪是可行的。

文字区域识别率为90%左右，已经达到了预期目标。

5; ; 结语目前市面上很少出现基于胶体金测试卡的分析仪，现在存在的检测仪多是较大型的设备，或者专机设备，存在不能手持，只能用于实验室检测等弊端。

本文设计出的基于安卓平台的分析仪更加适合携带，弥补了不能手持的缺点，并且可以实现记录上传到互联网，使检测仪不仅处于实验室内，在任何地方都能检测出结果，然后上传数据做出统计，大大减少了人力、物力、财力。

通过图像算法处理，成功研制出了胶体金快速分析仪。

[参考文献][1]赵友全，杨成文，陈峰，等.一种新型便携式甲霜灵胶体金试纸条显色分析仪的研制[J].仪器仪表学报，2009（10）：2175-2179.[2]康熙雄.免疫胶体金技术临床应用[M].北京：军事医学科学出版社，2010.[3]JOHN CHANDLER，TRACEYGURMIN，NICOLA ROBINSON.The place of gold in rapid tests[J].IVD Technloogy Magazine，2000（4）：23-25.[4]王嚥，白玉洁，张艳超.基于CCD的胶体金试纸条光电检测仪器设计及实验研究[J].传感器学报，2008（8）：1370-1373.[5]荣观港.计算机图像处理[M].北京：清华大学出版社，2000.[6]何小维，赵喜红，刘晓云，等.胶体金快速检测技术的研究进展[J].中国人兽共患病学报，2007（1）：86-88.[7]杨文涛，郑立新，李书谦.基于ARM系统的胶体金快速检测仪的实现[J].自动化与仪表，2013（3）：13-16.[8]陈曦，冯璐，刘帅，等.胶体金层析试条测试仪的设计研究[J].河北工业大学学报，2009（4）：66-69.[9]杜民，方志成.金标试条定量测试仪器的研究[J].仪器仪表学报，2001（6）：626-628.作者简介：杨顺锋（1984—），男，湖南永州人，副科长，高级工程师，学士;研究方向：网络信息安全，通信与信息系统。