基于智能设备的环境光校正阵列式比色分析系统及方法

1.本发明涉及尿液中多种生物标志物检测，更具体的说，涉及一种基于智能设备的环境光校正阵列式比色分析系统及方法。
背景技术：
：：2.在生化检测项目中，尿常规检查往往是不可缺少的一部分。医院常用的尿常规检查设备通常是使用尿沉渣分析仪、尿干化学分析仪等，而这些设备往往伴随着价格昂贵、操作复杂、维护成本大、检测时间长等问题，也因此难以下沉到基层地区。市场上最常用最便利的方法是使用尿液试纸条目视比色法判断尿液指标的范围，是一种定性半定量的检测方法，存在检测准确度低的问题。如今，许多研究人员研发了便携式检测装置，其主要原理是利用外加附件以及在其内部设置均匀的光源提供检测分析条件，最后通过限定拍照距离、角度等参数进行计算分析。而这样的研发思路往往因装置带来额外成本，往往受限于智能设备的机型、摄像头等因素，也因此会带来检测误差。3.近年来，智能手机、平板电脑等智能设备飞速发展，智能设备配置的摄像头像素和分辨率也逐年提升，其cmos传感器可直接提取图片色度值，配合android开源编程软件，使基于智能设备比色分析得以发展。但在比色分析过程中最大误差来源就是环境光，环境光的影响主要是光线明暗程度和光线的色彩偏移，当然不同智能设备自带的色彩美化功能和拍照时智能设备自身阴影也会有一定的影响。2018年，feiyiwuandminwang等人（aportablesmartphone-basedsensingsystemusinga3d-printedchipforon-sitebiochemicalassays[j].sensors,2018,vol.18,no.11,p4002,1424-8220.）通过精巧的装置设计，隔绝外部环境光，并在装置内部尽可能提供均匀的光源同时减少因镜面反射带来的光斑影响。使待测标志物与检测芯片显色反应后，通过智能手机拍照同时分析来自芯片的四个检测区域信号，并可以在几分钟内分两批分析来自总共八个检测区域的信号，信号兼容rgb、cmyk色度空间值，最后将结果显示在用户界面中。之后tian-tianwangandchonkitlio等人（afeasibleimage-basedcolorimetricassayusingasmartphonergbcameraforpoint-of-caremonitoringofdiabetes[j].talanta,2020,vol.206,p120211,0039-9140.）开发的技术摆脱了对外部装置的依赖，直接通过智能手机对显色后的试纸条拍照读取rgb值来计算得出尿液葡萄糖的浓度，但其只能对尿液葡萄糖单一标志物定量检测，并且没有配合校正算法进行校正，因此在检测过程中极容易受到操作者主观因素和周围环境光线影响。随后baoxuandjiangshu等人（aremotecomputingbasedpoint-of-carecolorimetricdetectionsystemwithasmartphoneundercomplexambientlightconditions[j].analyst,2018,vol.143,no.6,p1387-1395,0003-2654.）设计了3ꢀ×ꢀ4比色探针阵列用于显示不同标志物的颜色变化，通过智能手机将在复杂环境光条件下采集的rgb值发送至一个独立的远程服务器设备，借助远程服务器预加载的基于5000k采集的rgb值的颜色校准功能对智能手机采集到的rgb值进行校正，最后将分析结果反馈到智能手机上并显示。tiankongandjaebemyou等人（accessory-freequantitativesmartphoneimagingofcolorimetricpaper-basedassays[j].labonachip,2019,vol.19,no.11,p1991-1999,1473-0197.）研发了一种基于智能手机的比色成像方法，通过智能手机拍摄视频功能调用智能手机led灯进行补光，采集并校正纸基酵母检测芯片检测区域的rgb值，最后通过rgb值的变化量完成对酵母细胞计数功能。但其芯片设计需要滴加样本，需要智能设备视频功能led补光，并且只能对rgb值单一色度空间进行处理分析。[0004]虽然当前出现了一系列基于智能设备尤其是智能手机的检测方法，但绝大多数依赖配套检测设备，在成本方面、操作方面和智能设备机型兼容方面等并不适合向家庭或个人普及使用。因此，研发一种不借助外部配套装置，仅使用低成本试纸条作为检测耗材，结合不受机型限制的智能设备以及特定的应用程序即可简便、快速、准确地检测出多项尿液标志物的比色分析系统成为亟待突破的实际问题。但在不借助外部配套装置的研发过程中，环境光的光照强度和色彩偏移成为影响检测结果的重要因素。技术实现要素：[0005]针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于智能设备的环境光校正阵列式比色分析系统及方法，本发明仅使用低成本试纸条作为检测耗材，结合不受机型限制的智能设备以及特定的应用程序即可简便、快速、准确地检测出多项尿液标志物的比色分析系统。[0006]为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于智能设备的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析系统，包括阵列式检测试纸条和安装在智能设备内用于拍摄显色图像和分析图像的比色分析系统，阵列式检测试纸条包括检测区和若干用于色度值校正的校正色块，检测区与校正色块均成阵列式固定，校正色块包括若干白色校正块和一个黑色校正块，黑色校正块和检测区之间设置白色校正块，检测区中包括若干呈阵列式分布的检测块，检测区中的每个检测块对应一种尿液检测标志物的检测；比色分析系统拍摄并分析检测区的显色图像，校正色块的rgb值校正检测区的已显色的检测块的rgb值，根据尿液检测标志物显色原理将经过校正的显色的检测块的rgb值转换成hsv、cmyk色度值建立相对应的尿液标志物定量的标准方程，每一种检测标志物有与其唯一对应的标准方程，结合待测的尿液样本在检测块反应后的显色的色度空间值得出待测尿液中各标志物的浓度值，并在智能设备显示检测指标的浓度。[0007]进一步，检测区的每一行检测块均配置一个白色校正块，白色校正块为标准色卡中的标准白色，所述黑色校正块为标准色卡中的标准黑色。[0008]进一步，检测区的检测块不少于9个。[0009]进一步，所述智能设备配置摄像头。[0010]一种基于智能设备的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析方法，基于上述的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析系统，利用不同浓度的标准品溶液的显色和校正色块对待测样品显色的检测块进行校正后，比色分析系统根据对应检测指标的标准方程计算并输出待测样品的浓度，具体包括以下步骤：步骤1.根据不同尿液标志物的临床范围配制不同梯度浓度的标准品溶液；步骤2.将标准品溶液滴加在检测块上，待检测块显色完全后，打开智能设备内的比色分析系统，对检测区内已显色的检测块和检测试纸条的校正色块拍摄图像；比色分析系统获取所拍摄的图像中检测块和校正色块的rgb值，根据校正色块的rgb值校正已滴加标准品溶液并显色的检测块的rgb值；步骤3.比色分析系统根据步骤2获取的不同浓度标准品溶液在检测区显色的rgb值建立标准品溶液的浓度与rgb值的线性关系的标准方程；步骤4.取待测样品滴加在检测块上，待显色完全后取出静置45s，利用智能设备对检测区显色的检测块和校正色块拍摄图像；步骤5.根据步骤4获取的图像中待测样品已校正的rgb值，以及步骤3建立的对应检测指标的标准方程，比色分析系统输出待测样品中尿液检测指标的浓度，并在比色分析系统的界面显示。[0011]进一步，步骤2中，比色分析系统校正显色的检测块的rgb值公式如下：rm×n（校正后）=[(rw-rb)/(rm-r)]×(rm×n-r)gm×n（校正后）=[(gw-gb)/(gm-g)]×(gm×n-g)bm×n（校正后）=[(bw-bb)/(bm-b)]×(bm×n-b)其中，rm×n（校正后）、gm×n（校正后）、bm×n（校正后）、分别表示检测区第m×n个位置的检测块校正后的r、g、b值，rw、gw、bw表示所选同一行的白校正块的色卡标准值，rb、gb、bb表示黑校正块的色卡标准值，rm、gm、bm分别表示显色的检测块所在第m行对应白色校正块实际的r、g、b值，r、g、b分别表示黑校正块实际的r、g、b值；rm×n、gm×n、bm×n分别表示第m×n个位置的检测块实际的r、g、b值。[0012]进一步，黑色校正块和白色校正块通过扫描仪提取rgb值，并在比色分析系统中存储。[0013]进一步，标准品溶液包括ph、微量白蛋白、葡萄糖、肌酐、尿钙、亚硝酸盐、蛋白质、抗坏血酸、尿胆原的标准品溶液。[0014]综上所述，发明具有以下有益效果：本发明所使用的低成本阵列式尿液检测试纸条包含阵列式排布的检测区与校正色块，根据实际需要进一步扩充，多个检测区阵列式排布极大方便对尿液样本的均匀蘸取进行显色反应；本发明的检测方法无需配置检测装置，通过一台配备摄像头、显示屏以及拥有拍照功能和仅使用android系统的智能设备，摆脱对智能设备机型的限制，简化操作步骤，智能设备的摄像头对准阵列式尿液检测试纸条一键拍照并截取显色区域，一键获得ph、微量白蛋白、葡萄糖、肌酐、尿钙、亚硝酸盐、蛋白质、抗坏血酸、尿胆原9个尿液指标的浓度，响应速度快，结果读数更直观，能够从rgb值、hsv值、cmyk值众多色度空间值中选出拟合线性度最优值建立标准方程对应关系，本发明能够实现脱离大型检测设备和便携检测装置，有效减少环境光的光照强度变化和色彩偏移对检测条件的干扰，使得在不同环境光条件下都可以对多项尿液标志物进行定性定量检测，与传统试纸条目测比色相比，增加了多指标检测分析，达到简便、快速、易操作且准确的目标。附图说明[0015]图1为本发明的阵列式检测试纸条的结构示意图；图2为本发明的方法中使用校正算法和未使用校正算法对采集r值的影响的对比图；图3为本发明的方法中使用校正算法和未使用校正算法对采集g值的影响的对比图；图4为本发明的方法中使用校正算法和未使用校正算法对采集b值的影响的对比图；图5为本发明中微量白蛋白与不同色度值对应关系，其中与r值线性度最好；图6为本发明的环境光校正阵列式比色分析系统的智能终端界面图。[0016]图中，1-阵列式试纸条，2-白色校正块，3-黑色校正块，4-检测块。具体实施方式[0017]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。[0018]如图1~6所示，本发明公开了一种基于智能设备的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析系统，无需借助外部配套的大型检测装置，仅使用低成本试纸条作为检测耗材，结合智能设备即可简便、快速、准确地检测出多项尿液标志物的比色分析系统，包括阵列式检测试纸条1和安装在智能设备内用于拍摄显色图像和分析图像的比色分析系统，智能设备在比色分析系统的显示界面显示监测的结果；智能设备配置摄像头，智能设备仅兼容android系统，智能设备可以采用智能手机、智能平板等，阵列式检测试纸条1包括检测区和若干用于色度值校正的校正色块，检测区与校正色块均成阵列式固定，校正色块包括若干白色校正块2和一个黑色校正块3，黑色校正块3和检测区之间设置白色校正块2，检测区的每一行检测块4均配置一个白色校正块2，白色校正块2为标准色卡中的标准白色，黑色校正块3为标准色卡中的标准黑色；检测区中包括若干呈阵列式分布的检测块4，检测区中的每个检测块4对应一种尿液检测指标的检测；检测区的检测块4不少于9个，如图1所示实施例中，9个检测块4呈3×3阵列式分布，根据实际需要进一步扩充阵列，校正色块中3个白色校正块2纵向分布，改变了市场上将所有检测块横向排布的布局设计，极大方便对尿液样本的均匀蘸取进行显色反应。[0019]比色分析系统拍摄并分析检测区的显色图像，比色分析系统通过调用智能设备的摄像头和拍照功能，对尿液的阵列式检测试纸条的显色区域拍照，并按照智能设备的屏幕中比色系统所设计的阵列式网格裁剪获取的显色图像，同时完成图像的色度值分析，校正色块的rgb值校正检测区的已显色的检测块4的rgb值，在比色分析系统制定所有的尿液检测标志物标准曲线的时候，使用对应的尿液检测标志物的标准品显色的rgb值，标准曲线内置于比色分析系统内，比色分析系统在实际应用时，用于检测标志物时，根据尿液检测标志物显色原理将经过校正的显色的检测块4的rgb值转换成hsv、cmyk其他色度值建立相对应的尿液检测标志物的定量的标准方程，每一种检测标志物有与其唯一对应的标准方程，结合待测的尿液样本在检测块4反应后的显色的色度空间值得出待测尿液中各标志物的浓度值，并在智能设备显示检测指标的浓度。[0020]比色分析系统中，建立不同标志物的标准方程，用于根据检测块所添加不同浓度梯度的标志物显色反应，对应选择检测块校正后的rgb、hsv、cmyk色度空间值，建立起可以线性表示浓度与色度值关系的标准方程，在本实施例中，使用了rgb、hsv、cmyk三个色度空间，hsv、cmyk是rgb色度空间通过公式转换而来。[0021]本发明还公开了一种基于智能设备的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析方法，基于上述的基于智能设备的环境光校正阵列式尿液多标志物比色分析系统，利用不同浓度的标准品溶液的显色和校正色块对待测样品显色的检测块4进行校正后，比色分析系统根据对应检测指标的标准方程计算并输出待测样品的浓度，具体包括以下步骤：步骤1.根据不同尿液标志物的临床范围配制不同梯度浓度的标准品溶液；标准品溶液包括ph、微量白蛋白、葡萄糖、肌酐、尿钙、亚硝酸盐、蛋白质、抗坏血酸、尿胆原的标准品溶液。[0022]步骤2.将标准品溶液滴加在检测块4上，待检测块显色完全后，打开智能设备内的比色分析系统，对检测区内已显色的检测块4和检测试纸条1的校正色块拍摄图像，检测块显色所需的时间依赖于试纸显色，不同的试纸所需的显色时间不完全相同，本实施例中所用的试纸显色时间不超过60s；比色分析系统获取所拍摄的图像中检测块4和校正色块的rgb值，根据校正色块的rgb值校正已滴加标准品溶液并显色的检测块4的rgb值；步骤2中，比色分析系统获取检测块与标准黑白校正块的rgb值，根据公式得到检测块校正后的rgb值，比色分析系统校正显色的检测块4的rgb值公式如下：rm×n（校正后）=[(rw-rb)/(rm-r)]×(rm×n-r)gm×n（校正后）=[(gw-gb)/(gm-g)]×(gm×n-g)bm×n（校正后）=[(bw-bb)/(bm-b)]×(bm×n-b)其中，rm×n（校正后）、gm×n（校正后）、bm×n（校正后）、分别表示检测区第m×n个位置的检测块4校正后的r、g、b值，rw、gw、bw表示所选同一行白校正块2的色卡标准值，rb、gb、bb表示黑校正块3的色卡标准值，rm、gm、bm分别表示显色的检测块4所在第m行对应白色校正块2实际的r、g、b值，r、g、b分别表示黑校正块实际的r、g、b值；rm×n、gm×n、bm×n分别表示第m×n个位置的检测块4实际的r、g、b值。[0023]黑色校正块3和白色校正块2通过扫描仪提取rgb值，并在比色分析系统中存储，白色校正块2为一套标准色卡中rgb值最大的色卡，黑色校正块3为一套标准色卡中rgb值最小的色卡；黑校正块3和白校正块2提取其rgb值，将其分别作为黑校正块3和白校正块2的rgb标准值，即上述公式中的rb、gb、bb以及rw、gw、bw。根据校正公式得到检测块校正后的rgb值，并将校正后的rgb值转换成hsv、cmyk等色度值用于定量分析。[0024]比色分析系统首先拍摄显色区域的图像，在拍照聚焦界面绘制与阵列式检测试纸条1布局相对应的网格，以便于对准阵列式检测试纸条1，并截取图像网格内的图片。[0025]在截取后的图片包含的每个网格中取一定范围的像素点，得到其rgb值的均值，包含m×n个检测块、m行白色校正块和黑色校正块，以图1所示的3×3阵列的第一列为例，得到的值分别为r1×1（检测块）、g1×1（检测块）、b1×1（检测块）、r2×1（检测块）、g2×1（检测块）、b2×1（检测块）、r3×1（检测块）、g3×1（检测块）、b3×1（检测块）、r1（白色校正块）、g1（白色校正块）、b1（白色校正块）、r2（白色校正块）、g2（白色校正块）、b2（白色校正块）、r3（白色校正块）、g3（白色校正块）、b3（白色校正块）、r（黑色校正块）、g（黑色校正块）、b（黑色校正块）。结合白色校正块色卡标注的rgb值，即rw、gw、bw，以及黑色校正块色卡标注的rgb值，即rb、gb、bb。[0026]根据公式计算出校正后的rgb值，对于检测区内的各个检测块：检测块1×1r1×1（校正后）=[(rw-rb)/(r1-r)]×(r1×1-r)；g1×1（校正后）=[(gw-gb)/(g1-g)]×(g1×1-g)；b1×1（校正后）=[(bw-bb)/(b1-b)]×(b1×1-b)；检测块2×1：r2×1（校正后）=[(rw-rb)/(r1-r)]×(r2×1-r)；g2×1（校正后）=[(gw-gb)/(g1-g)]×(g2×1-g)；b2×1（校正后）=[(bw-bb)/(b1-b)]×(b2×1-b)；检测块3×1：r3×1（校正后）=[(rw-rb)/(r1-r)]×(r3×1-r)；g3×1（校正后）=[(gw-gb)/(g1-g)]×(g3×1-g)；b3×1（校正后）=[(bw-bb)/(b1-b)]×(b3×1-b)。[0027]对9个检测块均使用这一方案，并对其进行测试，测试方案如下：在9个检测块位置分7次分别使用不同色系的色卡，即pantone色卡号分别为2028u、2013u、2004u、2240u、2190u、2114u、2101u。通过在实验室内、台灯补光下、室内阴影下三个光线强度明显不同的条件下，对比不使用校正算法和使用校正算法对采集rgb值结果的影响，结果如图2~4所示，说明不同光照条件下7种颜色校正前和校正后的色度值对比，得到的结论是，使用校正算法后，在不同光线下检测到的rgb值均更加接近标准值，且受到不同强度光线干扰带来的偏差也明显减小。[0028]步骤3.比色分析系统根据步骤2获取的不同浓度标准品溶液在检测区显色的rgb值建立标准品溶液的浓度与rgb值的线性关系的标准方程；根据检测块所添加不同浓度梯度的标志物显色反应，比色分析系统对应选择检测块4校正后的rgb、hsv、cmyk等色度空间值，建立起可以线性表示浓度与色度值关系的标准方程。[0029]步骤4.取待测样品滴加在检测块4上，待显色完全后取出静置45s，利用智能设备对检测区显色的检测块4和校正色块拍摄图像；步骤5.根据步骤4获取的图像中待测样品已校正的rgb值，以及步骤3建立的对应检测指标的标准方程，比色分析系统输出待测样品中尿液检测指标的浓度，并在比色分析系统的界面显示。[0030]以微量白蛋白的检测为例，进一步说明本发明的检测方法：配置8种不同浓度的微量白蛋白溶液，即0mg/l、1mg/l、5mg/l、10mg/l、20mg/l、25mg/l、50mg/l、100mg/l，取出8个阵列式尿液多标志物试纸条用于对应所配置的8种不同浓度的微量白蛋白溶液，在对8个阵列式尿液多标志物试纸条分别滴加不同浓度的微量白蛋白溶液，等待检测块显色完全；对滴加了不同浓度微量白蛋白溶液的检测块分别进行拍照，得到每个浓度所对应校正后的r、g、b、h值，能够看出，微量白蛋白的浓度梯度变化与r值的变化形成良好的线性关系，因此选用r值作为检测微量白蛋白的参考值。[0031]根据所配制微量白蛋白溶液的梯度浓度，结合对应的r值，建立出标准方程，并计算其标准偏差，得到r2=0.9919，如图3所示，说明具有良好的线性关系；结合建立的标准方程检测尿液样本中的微量白蛋白浓度，并将结果显示在智能设备显示屏上。[0032]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
：的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12