生物生長板上的生物因子計數方法和系統的製作方法

2023-09-19 02:37:05 5

專利名稱：生物生長板上的生物因子計數方法和系統的製作方法
生物生長板上的生物因子計數方法和系統
本申請是於2008年1月18日提交的申請號為20081002604. 4，發明名稱為「生 物生長板上的生物因子計數」的發明專利申請的分案申請。2008年1月18日提交的申 請號為20081002604. 4，發明名稱為「生物生長板上的生物因子計數」的發明專利申請是 2004年8月30日提交的國際申請號為PCT/US2004/(^8130，進入中國國家階段申請號為 200480025457. 2，發明名稱為「生物生長板上的生物因子計數」的發明專利申請的分案申 請。發明領域
本發明涉及對生物生長板進行分析以及在食物樣品，實驗室樣品等等樣品中對細 菌或其他生物因子進行測定的生物掃描系統。
發明背景
生物安全是現代社會高度關注的問題。對食品或其它材料中生物汙染的檢測已成 為食品開發商和經銷商的一項重要甚至強制性的要求。生物檢測也用於鑑定實驗室樣品中 的細菌或其它因子，這些實驗室樣品可來源於醫學病人的血樣或用於研究目的的樣品，也 可以是其它類型的生物樣品。許多種技術和裝置都可用來改進生物檢測技術並使生物檢測 方法流程化和標準化。
生物生長板已經發展出很廣泛的類型。舉一例，M.Paul，Minesota的3M公司 (下文稱「3M」)已經開發出生物生長板。特別是3M公司已經售出冠有PETRIFILM商品 名的生物生長板。生物生長板可以用來促進通常與食品汙染有關的細菌和生物因子的 快速生長和檢測，這些汙染包括，例如，需氧細菌，大腸桿菌，大腸菌(coliform)，腸細菌 (enterobacteriaceae),酵母菌，黴菌，金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus),李其Jf特 菌，彎曲桿菌等。使用PETRIFILM板和其它介質可以簡化食物樣品中的細菌檢測。
生物生長板可以用來計數和識別存在的細菌，進而採取糾正措施(就食品檢測而 言)或作出恰當的診斷(就醫藥用途而言)。在其它應用方面，生物生長板可以用來快速生 長實驗室樣品中的細菌或其它生物因子，例如，為了實驗目的。
生物掃描單元是指能夠用來掃描或計數生物生長板上的細菌菌落或某種生物因 子數量等的裝置。例如，可把食物樣品或實驗室樣品放在生物生長板上，然後將板插入培養 箱，培養一段時間後，生物生長板可放入生物掃描單元進行細菌生長的自動的檢測和計數。 以這種方式，生物掃描單元自動進行生物生長板上細菌或其它生物因子的檢測和計數，因 此，通過減少了人為誤差而改進了生物檢測方法。
發明概述
一般地，本發明涉及計數生物生長板或類似介質上生物因子的技術。為了計數生 物因子，將生物生長板插入到生物掃描單元中。隨後生物掃描單元可產生板的圖像。其後， 圖像上出現的生物因子的數量，例如細菌菌落數，可以被計數或者通過掃描單元內部或通 過外部計算裝置，如桌面電腦或工作站等執行的圖像處理和分析例程進行判斷。本發明還 描述了用以改進生物生長板上生物因子數目自動計數的準確性的多種的計數規則。
在一個實施方案中，本發明提供一種方法，包括接收生物生長板介質的一幅或多 幅圖像，測定與生物生長介質有關的背景色值是否在某一範圍之內，如果背景值超出範圍 可以對生物生長介質進行標記以進行另外的研究。
在另一個實施方案中，本發明提供一種方法，包括接收生物生長板上接收的一或 多種圖像，鑑定生物生長板介質上生物因子的第一次計數，當第一次計數鑑定到的一種或 多種生物因子與第一次計數鑑定到的一種或多種其它生物因子的緊鄰時，則可以減少第一 次的計數量以產生第二次的計數。
在另一個實施方案中，本發明提供一種方法，包括接收生物生長板上的一個或更 多圖像，檢測與生物生長介質內部相關的生物因子第一次的數量，檢測與生物生長介質周 邊部分相關的生物因子第二次的數量，並且當第一次的數量小於閾值時從第二次計數中減 去距生長介質生長區域邊緣在特定距離範圍內的一個或更多生物因子。
在另一個實施方案中，本發明提供一種方法，包括接收生物生長板的一個或更多 圖像，檢測與生物生長介質內部相關的第一種顏色生物因子的數量，檢測與生物生長介質 內部相關的第二種顏色生物因子的數量，檢測與生物生長介質周邊部分相關的第一種顏色 生物因子的數量，檢測與生物生長介質周邊部分相關的第二種顏色生物因子的數量。該方 法還包括當與內部相關的第一種顏色生物因子的數量比第一閾值大而且與內部相關的第 二種顏色生物因子的數量比第二閾值小時，將與生物生長介質周邊部分相關第二種顏色生 物因子的數量改成包含在與生物生長介質周邊部分相關第一種顏色生物因子的數量內。
在另一個實施方案中，本發明提供一種方法，包括接收生物生長板的一個或更多 圖像，檢測與生物生長介質內部相關的生物因子的第一個數量，檢測與生物生長介質周邊 部分相關的生物因子的第二個數量，並且當第二個數值比第一個數值乘以因子還要大時對 生物生長介質進行標記以進行另外研究。
在另一個實施方案中，本發明提供包含計算機可讀指令的計算機可讀媒介，該指 令在處理器中執行時，接收生物生長介質的一幅或多幅圖像，決定與生物生長介質相關的 的背景色值是否在某一範圍內，並且當背景色值超過這一範圍時對生物生長介質進行標記 以進行進一步研究。
在另一個實施方案中，本發明提供包含計算機可讀指令的計算機可讀媒介，包括， 該指令在處理器中執行時，接收生物生長介質的一幅或多幅圖像，鑑定生物生長介質上的 生物因子第一次計數，當第一次計數鑑定的一個或多個生物因子與第一次計數的一個或多 個另外的生物因子緊鄰時，減少第一次計數的值以產生第二次的計數。
在另一個實施方案中，本發明提供包含計算機可讀指令的計算機可讀媒介，該指 令當在處理器上執行時，接收生物生長介質的一幅或多幅圖像，鑑定與生物生長介質內部 相關的生物因子的第一個數量，鑑定與生物生長介質周邊部分相關的生物因子的第二個數 量，當第一個數值小於閾值時從第二個數量中除去距介質生長區域邊緣限定距離內的一個 或更多生物因子生物因子。
在另一個實施方案中，本發明提供包含計算機可讀指令的計算機可讀媒介，該指 令當在處理器中執行時，接收到一個或多個生物生長介質圖像，鑑定與生物生長介質內部 相關的第一種顏色生物因子的數量，鑑定與生物生長介質內部相關的第二種顏色生物因子 的數量，鑑定與生物生長介質周邊部分相關的第一種顏色生物因子的數量，鑑定與生物生長介質周邊部分相關的第二種顏色生物因子的數量，當與內部相關的第一種顏色生物因子 的數量比第一閾值大而且與內部相關的第二種顏色生物因子的數量比第二閾值小時，將與 生物生長介質周邊部分相關第二種顏色生物因子的數量改成包含在與生物生長介質周邊 部分相關第一種顏色生物因子的數量內。
在另一個實施方案中，本發明提供包含計算機可讀指令的計算機可讀媒介，該指 令當在處理器中執行時，接收一個或多個生物生長介質圖像，鑑定與生物生長介質內部相 關的生物因子的第一數量，鑑定與生物生長介質周圍部分相關的生物因子的第二數量，當 第二數量比第一數量乘以因子還要大時，對生物生長介質進行標記以進行進一步研究。
在另一個實施方案中，本發明提供一個系統，所述系統含有產生生物生長介質的 一幅或多幅圖像的成像裝置，和處理器，該處理器用以接收圖像，判斷與生物生長介質相關 的的背景色值是否在某一範圍內，並且當背景色值超過這一範圍時對生物生長介質進行標 記以進行進一步研究。
在另一個實施方案中，本發明提供一個系統，所述系統含有產生一個生物生長介 質的一幅或多幅圖像的成像裝置，和處理器，該處理器用以接收圖像，鑑定生物生長介質上 的生物因子第一計數，當第一計數鑑定的一個或多個生物因子數目與第一計數鑑定的一個 或多個其他生物因子緊鄰時減少第一計數以產生第二計數。
在另一個實施方案中，本發明提供一個系統，所述系統含有成像以產生一個生物 生長介質的一幅或多幅圖像的成像裝置，和處理器，該處理器用以接收圖像，檢測與生物生 長介質內部相關的生物因子的第一個數量，檢測與生物生長介質周圍部分相關的生物因子 的第二個數量，當第一個數量小於閾值時從第二次計數中除去距介質生長區域邊緣的部分 限定距離內的在一個或更多生物因子。
在另一個實施方案中，本發明提供一個系統，所述系統含有成像產生一個生物生 長介質的一幅或多幅圖像的成像裝置，和處理器，該處理器用以接收圖像，檢測與生物生長 介質內部相關的第一種顏色生物因子的數量，檢測與生物生長介質內部相關的第二種顏色 生物因子的數量，檢測與生物生長介質周邊部分相關的第一種顏色生物因子的數量，檢測 與生物生長介質周邊部分相關的第二種顏色生物因子的數量，當與內部相關的第一種顏色 生物因子的數量比第一閾值大而且與內部相關的第二種顏色生物因子的數量比第二閾值 小時，將與生物生長介質周邊部分相關第二種顏色生物因子的數量改成包含在與生物生長 介質周邊部分相關第一種顏色生物因子的數量內。
在另一個實施方案中，本發明提供一個系統，所述系統含有成像產生生物生長介 質的一幅或多幅圖像的成像裝置，含有處理器，該處理器用以接收圖像，檢測與生物生長介 質內部相關的生物因子的第一個數量，檢測與生物生長介質周圍部分相關的生物因子的第 二個數量，當第二個數量比第一個數量乘以因子還要大時對生物生長介質進行標記以進行進一步研究。
本發明的許多方面都提供多種優點。例如，本發明能夠改進生物生長介質上對生 物因子自動計數的準確性。特別是，此處描述的規則能夠指出通常發生的問題，並指出哪個 能破壞生物生長介質上對因子自動計數的準確性。
並且，本發明能夠通過在成像裝置中使用低成本的光學元件而降低所述生物系統 的成本。例如，本發明中描述的一個或多個計數規則可以補償成像裝置中的光學缺陷。相應地，在一些案例中計數規則可以通過在成像裝置中加使用低成本的光學元件進而降低所 述系統中生物掃描系統的成本。
以上或其它實施方案中的其它細節將在隨後的附圖和說明中闡明。本發明的其它 特性、目的和優點將在說明書、附圖和權利要求中闡明。
附圖簡述


圖1所示為可以執行本發明計數技術的生物掃描系統的透視圖。
圖2所示為另一示例性的生物掃描系統的透視圖所述系統包括連接到執行此處 描述的圖像分析的外部的計算機的掃描單元。
圖3所示為生物掃描系統的方框圖，該系統可以與圖1或圖2的任一系統相對應。
圖4為說明生物生長介質自動分析過程的流程圖。
圖5和圖6為共同說明可能發生的一個問題的生物生長介質示例圖。
圖7為說明可以在生物生長介質自動分析過程中使用的規則1的流程圖，該規則 發現圖5和圖6說明的問題。
圖8為說明可能發生的一個問題的示例的生物生長介質的圖。
圖9為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則2A的流程圖，該規則 發現圖8說明的問題。
圖10為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則2B的流程圖，該規 則發現圖8說明的問題。
圖11為說明可能發生的一個問題的示例的生物生長介質的圖。
圖12為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用到規則3A的流程圖，該規 則發現圖11說明的問題。
圖13為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則:3B的流程圖，該規 則發現圖11說明的問題。
圖14為說明可能發生的一個問題的示例的生物生長介質的圖。
圖15為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則4的流程圖，該規則 發現圖14說明的問題。
圖16為說明可能發生的一個問題的示例的生物生長介質的圖。
圖17為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則5的流程圖，該規則 發現圖16說明的問題。
圖18為說明可能發生的一個問題的示例的生物生長介質的圖。
圖19為說明可能在生物生長介質自動分析過程中使用的規則6的流程圖，該規則 發現圖18說明的問題。
發明詳述
本發明涉及對生物生長板或類似介質上生物因子數目計數的技術。下面將詳述多 種計數規則，其可以用來改進對生物生長介質上生物因子自動計數的準確性。所述計數規 則通常被存儲為可計算機執行的軟體規則，並在生物掃描系統中通過處理器來執行。或者 所述規則能安裝在硬體中，如專用集成電路(ASIC)，場可編程門陣列(FPGA)，或各種硬體 組件。本發明所描述的各種規則可單獨應用，或根據被掃描的生長介質而組合應用。在任 何情況下，使用本發明所描述的一個或多個規則，可改進對生物生長介質上生物因子自動計數的準確性。
圖1是示例的生物掃描系統10的透視圖，所述系統能夠執行本發明所描述的計數 規則。如圖1所示，生物掃描系統10包括具有打開即可接受生物生長介質(圖1中沒有顯 示)的抽屜14的掃描單元元件12。抽屜14將生物生長介質移動進入掃描單元12進行掃 描和分析。成像裝置和處理器位於掃描單元12內部。當生物生長介質通過抽屜14插入掃 描單元12，成像裝置產生生物生長介質的一幅或多幅圖像。這些圖像隨後被傳到處理器中， 處理器能夠通過圖像分析計算生物生長介質上生物因子的數目。具體地，掃描單元12中的 處理器能夠調用下文將要詳述的一個或更多計數規則，所述規則可改進生物生長介質上生 物因子自動計數的準確性。
生物掃描系統10還包括安置在掃描單元12上的顯示屏16用以對用戶顯示生物 生長介質的分析的進程和結果。可替換的或另外的方面，顯示屏16可以給用戶顯示生物掃 描系統10所掃描的生物生長介質圖像。顯示的圖像可以光學放大或數位化按比例放大。安 裝平臺18界定彈出狹縫20，通過所述狹縫可以在生物掃描系統10獲得生物生長介質圖像 後彈出生長板。換句話說，生物掃描系統10可以具有兩部分設計，即掃描單元12安裝在安 裝平臺18上。圖1就是所舉的兩部分設計的例子，但兩部分設計並不是本發明所必須的或 將本發明限制於此。
掃描單元12包括一個掃描生物生長介質所需的成像裝置。所述成像裝置可採取 線掃描或面掃描的形式，這種裝置常與照明系統結合使用來提供對生物生長介質的前和/ 或後照明。此外，掃描單元12還包括分析掃描的圖像的處理硬體，軟體和/或固件，如為了 測定生長板上的生物因子數目。例如，在通過抽屜14遞呈生物生長板後，所述板將與光學 板緊鄰放置以用於掃描。並且，根據本發明，為了改進生物生長介質培養板上對生物因子自 動計數的準確性在掃描單元12中通過處理器應用了各種計數規則。
當在掃描生長板後打開抽屜14時，生長板會落入下層的安裝平臺18以從彈出狹 縫20中彈出。為了以上目的，安裝平臺18包括將生長板從掃描單元12通過噴射狹縫20 從彈出的運送裝置。換句話說，當生物生長板插入抽屜14，移動到掃描單元12被掃描後，生 物生長板落入下方的安裝平臺18，此處水平運送裝置，例如一個傳送帶通過彈出狹縫20彈 出介質。
圖2是另一個生物掃描系統20的透視圖，該系統能執行本發明中所描述的計數規 則。生物掃描系統20包括掃描單元21，其連接到外部的計算機22，計算機對掃描單元21 得到的圖像進行分析。換句話說，儘管在系統10(圖1)中，掃描單元12內部整合了處理 器，但系統20(圖2)利用掃描單元21外部的處理器，例如外部計算機22。例如，外部計算 機22可以包括微處理器來執行軟體以分析生物生長板M圖像。外部電腦22可以包括個 人電腦(PC)，桌面電腦，筆記本電腦，掌上電腦，工作站等。例如，軟體程序可以加載到外部 電腦22上來促進由生物掃描系統20產生的生物生長板M圖像的分析。
掃描單元21與外部電腦22通過接口 25相連接。接口 25，例如可以包括通用串行 總線(USB)接口，一個通用串行總線2 (USB2)接口，一個IEEE 1394火線接口，一個小型計 算機系統接口(SCSI)接口，一個高級技術附件(ATA)接口，一系列ATA接口，一個外圍部件 互連(PCI)接口或一個傳統串行或並行接口等。
如上文所述，生物掃描系統20被設計來接收生物生長板24。具體是，掃描單元21包括一個外殼26，所述外殼形成接受生物生長板M的輸入狹縫觀板。引導裝置23可以裝 在外殼沈上來幫助生物生長板M進入掃描單元21。掃描單元21還包括彈出狹縫(沒有 標出)，通過所述彈出狹縫生物生長板M成像後被彈出。掃描單元21還包括其它特徵，如 用以對用戶顯示生物生長介質的分析進程和結果的顯示屏。
掃描單元21包括成像裝置，如二維的單色相機用於產生插入的生物生長板M的 一個或更多圖像。並且，掃描單元21還可以包括各種照明設備用於在成像時對生物生長板 24的進行前和後照明。照明設備可以用一種或多種顏色光照明生物生長板M，板M即可 產生一種或多種圖像進而確定生物生長板M上的細菌數目。具體的，掃描單元21可與外 部電腦22交換圖像，所述電腦包括執行圖像分析的處理器。
生長板M包括生長區域27，細菌和其它生物因子可在該區域上顯現。生長平面 27可以是平面和凹孔。確定在生長板M上檢測的樣品是否從菌落計數的角度可以接受，取 決於每單位面積的菌落數。因此，從掃描單元21得到的圖像可被用來對板M每單位面積 的菌落數目定量。若需要，單菌落的大小也能被包括在分析中。在生長區域27的生物生長 板M的表面包含設計以促進一種或多種細菌或其它生物因子快速生長的一種或多種生長 增強劑生物因子。在某些例子中，生物生長板M在插入掃描單元21前要孵育。
生長板M常包括標記四，例如條形碼或其它能標示生長板M的標記物。標記包 括RFID標籤，二維光學可檢測的條碼或類似物。在任何情況下，標記四可用來識別生長板 24上生長和檢測的細菌或生物因子的類型。掃描單元21可以設計為將生長板M拉入掃 描單元21的第一個位置產生標記四的圖像，然後將生長板M拉到第二個位置產生生長區 域27的圖像。通過此方法，生物掃描系統20可產生標記四和生長區域27的圖像。或者 產生同時包括標記四和生長區域27的單個圖像。任何一種情況標記四都可用來幫助識 別板的類型，以使一個或更多的計數規則通過自動方式被應用。
作為例子，生長板M可以是由3M公司售出的冠有PETRIFILM商品名的生物生長 板。生長板M可被用來促進與食物汙染有關的一種或多種細菌或其它生物因子的快速生 長和檢測，這種汙染包括例如，有氧細菌，大腸桿菌，大腸型細菌，腸細菌，酵母菌，黴菌，金 黃色葡萄球菌，李斯特菌，彎曲桿菌菌等。生長板通常是用於生物生長、細菌檢測和計數的 生長介質。然而本發明還可以用於多種其他類型的生長介質。
為了改進生物生長介質板上對生物因子自動計數的準確性，本發明的不同方面建 立可在圖像處理過程中應用的規則。換句話說，後面將詳述的規則可以形成系統10和系統 20中執行的計數算法的一部分。不同的規則可被單獨或任意組合應用，這依賴於被掃描的 介質類型和可能遇到的問題。例如，某些規則可能與下面列出的具體殊類型的生長板有關。 應用規則的順序也影響結果。在任何情況下，應用一種或更多規則可以通過改進對生長介 質等上的生物因子自動計數的準確性來改進生物掃描系統，例如例如系統10或系統20的 準確性。
圖3是生物掃描系統30的方框圖，可與系統10 (圖1)或系統20 (圖2)相對應。 生物掃描系統30包括成像裝置32，其產生介質的一個或更多圖像並為處理器34提供圖像。 處理器34與存儲器36相連。存儲器36含有各種處理器可執行的軟體指令，能夠利於成像 裝置32產生的圖像的分析。具體的，存儲器36儲存一個或更多計數規則37，該規則在圖像 分析時應用以改進對生長介質上生物因子自動計數的準確性。輸出裝置38用來接收由處理器34判斷的結果和為使用者提供結果。
作為例子，成像裝置32包括一個二維的單色相機用於產生插生物生長板的一個 或更多圖像。例如，各種照明設備(未顯示)可以用於照明生物生長板的前和後側。例如 照明設備可以一種或多種顏色照明生物生長板，並且可通過成像裝置32產生生物生長板 的一種或多種圖像。這些圖像隨後被提供給處理器34，並也可以被存儲在存儲器36。在任 何情況下，圖像通過使用計數規則37分析以決定板上細菌數目。成像裝置32的解析度是 大約每釐米155像素。這樣，圖像上每釐米行有155像素長，每像素長約6. 45xlOEE-3。
減少成像裝置32的成本是合需的。儘管高成本的光學元件如高品質的透鏡可以 改善成像，但這樣會把系統30的成本提高到過度的水平。一種或更多的計數規則37可以 提供另外的改善系統30的機制。例如，一種或更多的計數規則37可以補償成像裝置32的 光學缺陷。因此在某些情況下，計數規則37可以通過在裝置32使用低成本的光覺元件而 降低系統30的成本。
處理器34可以包括通用目的的微處理器來執行被存儲在存儲器36中的軟體。或 者處理器34可以包括專用集成電路(ASIC)或其它特殊設計的處理器。在任何情況下，存 儲器34執行各種計數規則37以改進對生長介質或類似物上生物因子自動計數的準確性。
存儲器36是由處理器34應用的存儲處理器可執行軟體的計算機可讀媒介的一個 例子。作為例子，存儲器36可以包括隨機存取存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，非易失隨 機存儲器(NVRAM)，電子可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)，快閃記憶體等。以下將描述的計數規 則37被存儲在存儲器36中，並可以組成用於圖像分析的大型軟體程序的一部分。
輸出裝置38典型地包括用來與使用者交流結果的顯示器。但輸出裝置38也可包 括其它類型裝置，如印表機或其他。輸出裝置38是可以形成生物掃描單元的一部分，如掃 描單元12的顯示屏16 (圖1)，或可以在掃描單元的外部，如外部電腦22所帶的顯示器。
圖4是顯示自動分析生物生長介質過程的流程圖。如圖4所示，處理器34接收生 長板Gl)的一個或幾個圖像。處理器34調用存儲器36中的各種例程來計數生物板上生 物因子的數目。例如，通過色彩的不同辨別細菌菌落，細菌菌落在生物板上通過改變的顏色 來顯示。處理器34所執行的程序可以識別生長板上生物生長區域並根據生長區域上顏色 的變化自動計數生物板上在培養過程中已經長出來的細菌菌落數目。
根據本發明，處理器34通過應用一個或多個規則改進對生長介質上生物因 子自動計數的準確性。以下將描述各種規則。本發明所描述的規則可單獨應用，或根據被 分析的生長介質以不同的組合應用。規則可以從存儲器36單獨調用規則或者也可通過大 型圖像分析軟體程序的子例程來調用規則。以下描述的規則被標記為規則1，2A，2B, 3A，3B， 4，5和6。然而此標記法被提供用於利於討論以下規則，但並不表示應用程式的順序。這些 規則可被單獨使用或可以使用這些規則的不同組合。如果使用一組規則，其順序依賴於被 掃描的板類型。選定的應用的規則的順序將影響最終結果。規則的各種子集也可按一定順 序使用，規則的子集的使用順序也將影響最終結果。
圖5表示一個示例生長板50，包括生長區域52和標記M，如用來鑑別板50是特 定類型的生長板、樣品稀釋度、樣品類型或起源。相似的，圖6表示示例生長板60，包括生長 區域62和標記64。如所示的，生長板50上生長區域52與長板60上生長區域62的相關背 景色彩或陰影是不同的。如果與生長板50上生長區域52相關的背景色彩或陰影並不在限定的顏色範圍內，則問題可能出在板50上。根據本發明所描述的規則1，生長板的顏色可被 鑑定並與顏色範圍相比較。如果生長板的顏色在該範圍之外，生長板會被標記等待技術員 來檢查。
圖7是顯示規則1的流程圖。如所示的，處理器34調用存儲器36中存儲的軟體 來鑑別生物板上的色值(71)。具體的，處理器34可以定量生長板的顏色為限定板陰影的一 個或多個數值。例如，陰影可通過定義紅色、綠色、藍色值，或色調、飽和度和強度的3個數 字來定義。如果生長板有一個或多個色值都超出了規則1的範圍(72)，例如，如果板的陰影 不在已建立的可接受的陰影範圍內，生長板會被標記等待進一步檢查(73)。例如，被標記的 生長板需等待技術員來檢查以判斷是否生長板的顏色說明某個問題。通過此種方法，規則 1能夠基於板顏色自動判斷潛在錯誤的生長板。規則1的色彩範圍通常對使用的生長板是 特異的，並通常建立表明生長板是可接受的色彩範圍。陰影值可用一個或多個用數值來定 義色彩範圍和色彩值。
圖8表示示例的生長板80，包括生長區域82和標記84，圖8也提供了圖例，其中 方形區域是被鑑定的菌落，圓形區域是被鑑定的產氣菌落。對有些生長板來說，產氣菌落表 明可以計數的確認類型的生物菌落，而沒有氣體的菌落則表明所述生物菌落可以或不可以 被計數。
生長板存在的一個問題是一個菌落可能會分裂並在板上顯示兩個或更多不同的 標記。在以上情況中，兩個或更多不同的標記通常會表示對於菌落計數目的的同一個菌落。 然而，自動化系統通常將各標記計數為單獨的菌落。這種問題常在產氣菌落中出現，因為氣 體常常從菌落內部或菌落周圍以上或以下出現，這種現象通常會影響菌落並使菌落分裂。
為了減少以上情況的出現，規則2A和2B提供了可選擇的技術來辨別可能是從板 上生長的單菌落分裂而來菌落。總體而言，板上存在有限數量的菌落，並且有兩個和更多菌 落靠的很近，則有必要認為兩個和更多靠的很近菌落是單菌落，因為很可能兩個靠的很近 菌落是單一菌落分裂而來。例如，在85A，85B，85C鑑定的一組菌落可能是應用這種規則的 候選者。
圖9是顯示規則2A的流程圖。處理器34調用存儲器36中的儲存的各種軟體來 分析一個或更多生物板的圖像，計數生物板上生物因子的數目。如果板的計數，即在板上鑑 定的生物因子初始數目大於規則2的閾值(91的「否」分枝)，將不改變對板的計數。但是 當板上鑑定的生物因子初始數目小於規則2的閾值(91的「是」分枝時)，將改變對板的計 數。例如規則2的閾值約是20，儘管在其它裝備條件下規則2會取不同的值。總體而言，最 合需的是當初始數目相對較小時調用(92-94)的步驟，因為當總體數值相對較低時不正確 的數據會對數據百分率有更顯著的影響。
如果板上鑑定的數目小於規則2的閾值(91 「是」分枝時)，處理器34將測定一個 菌落是否在與另一個菌落(92)相隔D2的距離內。如果是(91 「是」分枝時)，處理器將認 為在相隔D2的距離內兩個菌落是一個(73)。距離&的定義可以是根據絕對距離或圖像的 像素。例如，距離D2可以被定義為兩個像素的中心約18像素的寬度。如果一個菌落在與 另一個菌落(93)相隔D2的距離內，如從中心到中心，則將兩個菌落是計數為一個菌落。
換句話說，板上菌落數量有限時，如果有兩個菌落靠的很近，則將兩個靠的很近菌 落計數為單一菌落，因為很可能兩個靠的很近菌落是從板上單一菌落分裂而來。處理器34考慮生長板上每一個菌落，並判斷每一個特定菌落周圍是否有距離在A內的相鄰菌落。當 沒有更多菌落需要考慮時，規則2A運行結束(94的「否」分枝)。因此，當3個或更多菌落 位於彼此距離D2內，這3個或更多菌落被計數為一個菌落。
圖10是表示規則2B的流程圖，與規則2A相比有微小變動。規則2B與2A是解決 類似問題的通常可替換的不同方法，如鑑定何種情況下兩個或更多菌落在初始計數中計為 單一菌落。在兩種情況中，處理器34產生初始計數，然後在初始計數中發現應計為單一菌 落的兩個或更多菌落時降低初始計數而產生第二次計數。在圖9和圖10中使用同樣的規 則2的閾值X2，儘管不同的規則可以使用不同的閾值。
此外，處理器34調用儲存在存儲器36中的軟體來分析一個或更多生物板的圖像， 計數上生物板上生物因子的數目。如果板的計數，即板上生物因子的初始數目大於規則2 的閾值(101的「否」分枝)，則板上計數不改變。但是，板上計數小於規則2的閾值(101「是」 分枝)，則板上計數可以改變。
具體的，如果板上數目小於規則2的閾值(101 「是」分枝)時，處理器34會判斷 是否兩個菌落有重疊(102)。例如，處理器34會限定圍繞與每個菌落有關的區域的識別標 記，每個通常直徑約0. 2到0. 3釐米之間，儘管菌落的標記是與顯示的菌落大小成比例。如 果兩個不同區域的識別標記有重疊(102 「是」分枝)，處理器34會對兩個重疊的菌落計數 作為1個(103)。換句話說，板上菌落數量有限時，有兩個菌落靠的很近，則認為兩個靠的很 近菌落是單一菌落，因為很可能兩個靠的很近菌落是從板上單一菌落分裂而來。處理器34 會判斷生長板上的每個菌落，是否在這個給定的菌落周圍有與它重疊的臨近菌落。當沒有 更多菌落要考慮時，規則2B運行結束(104 「否」分枝)。
圖11表示示例的生長板110，包括生長區域112和標記114，圖11也提供了圖例， 其中圓形區域是菌落，相對大的不規則區域是擴散菌落(也可稱為「液化器菌落」)。與圖 11所述相似的生長板存在的問題是從擴散菌落出現一個或更多菌落。在這種情況下，接近 擴散菌落的菌落被認為是擴散菌落的一部分，並不是分開和另外的菌落。但是，自動系統會 把每個標記認為是分開的菌落，包括擴散菌落和從擴散菌落出來的各種菌落。
為了減少這類問題的發生，規則3A和:3B提供了鑑別可能從擴散菌落分離出來的 菌落的方法。規則3A和;3B與上文中的規則2A和2B很類似，但主要針對擴散菌落的鑑別。 總體上講，板上菌落數量有限時，有一個或多個菌落與相對較大的擴散菌落靠的很近，合需 的是認為兩個或更多個靠的很近擴散菌落是擴散菌落的一部分。例如在115A和115B中鑑 定的擴散菌落，可以成為應用所述規則的對象。在圖12和圖13中使用了相同的規則3閾 值&，儘管不同的規則可以使用不同的閾值。
圖12是表示規則3A的流程圖。處理器34調用儲存在存儲器36中的軟體來分析 一個或更多生物板的圖像，計數上生物板上生物因子的數目。如果板的計數，即當板上鑑定 的生物因子初始數目大於規則3的閾值(121 「否」分枝時)，將不改變對板的計數。但是當 板上鑑定的生物因子初始數目小於規則3的閾值(121 「是」分枝時)，將改變對板的計數。 例如，儘管在其它裝備條件下規則3會取不同的值，但規則3的閾值可以是約150。總體而 言，當初始數目小於某個閾值時最合需的是調用步驟(122-123)，因為當總體數值相對較低 時不正確的數據會對數據百分率有更顯著的影響。
如果板上的計數小於規則3的閾值，處理器34會決定是否識別到擴散菌落(122)。例如可通過形狀、大小和/或顏色來判定擴散菌落。具體的，擴散菌落常有相對更大的不規 則形狀，在板上與其他菌落的顏色略有不同。如果鑑定出一個或多個擴散菌落，處理器34 會除去距擴散菌落在限定的距離(D3)以內的任何菌落。距離D3的定義可以根據絕對距離 或圖像的像素。例如，距離D3可以是大約0. 065釐米，所述距離相應於系統30中大約10像 素的寬度。在任何情況下，任何位於擴散菌落D3距離內的菌落都從計數中除去，被認為是 擴散菌落的一部分。
圖13是表示規則:3B的流程圖，與3A相比有微小變動。規則2B與2A是解決類似 問題的通常可替換的方法，如在鑑定何時初始計數中的兩個或更多菌落在被計為擴散菌落 的一部分。在兩種情況中，處理器34產生第一次計數，然後在鑑定出擴散菌落和應計為擴 散菌落的一部分的其它菌落後，降低第一次計數而產生第二次計數。
處理器34調用存儲在存儲器36中的軟體來分析一個或更多生物板的圖像，計數 上生物板上生物因子的數目。如果板的計數，即板上鑑定的生物因子初始數目大於規則3 的閾值(131 「否」分枝時)，將不改變對板的計數。但是當板上鑑定的生物因子初始數目小 於規則3的閾值(131 「是」分枝時)，可以改變對板的計數。
具體的，如果板上的計數小於規則3的閾值(131 「是」分枝時)，處理器34會決 定是否鑑定到擴散菌落(132)。此外，同樣可通過形狀、大小和/或顏色來判定擴散菌落。 如果鑑定出一個或多個擴散菌落，處理器34會在計數中除去與擴散菌落重疊的任何菌落 (133)。例如，處理器34會限定一個包圍與擴散菌落相關區域的相對較大的鑑定標記。並 且，處理器34會限定包圍與其它菌落相關的區域的鑑定標記。如果與擴散菌落相關的鑑定 標記與其它菌落重疊，則與擴散菌落重疊的另外的菌落會從計數中除去。在這種情況下，與 擴散菌落重疊的其它菌落被認為是擴散菌落的一部分。
圖14表示示例的生長板140，包括生長區域142和標記144，圖14也提供了圖例， 其中方形區域是被鑑定的菌落，圓形區域是被鑑定的產氣菌落。不同的陰影區別「紅色」菌 落和「藍色」菌落。當然，紅色和藍色只是範例的，類似的生長板也可使用其它顏色。總的來 說，第一種顏色對應一種類型的菌落，第二種顏色對應另一種類型的菌落。在某些情況下， 一種顏色對應一般菌落，另一種顏色對應特定的菌落。例如，紅色可以指腸細菌菌落，藍色 可指腸細菌的特定類型的大腸桿菌菌落。產氣菌落表明某種特定的可被計數的生物菌落類 型，沒有氣體的菌落表明某種可被或不可被以例如與政府規定相符合的確定性計數的生物 菌落類型。
生長板分析中存在的一個問題是圖像假像可引起生長板圖像的不規則性。如果在 成像裝置中使用低成本的光學元件，如低成本的透鏡這種問題會更加顯著。但另一方面，有 必要控制生物掃描系統的成本，高成本的光學元件可以增加大量的成本。比使用高成本的 光學元件更好的選擇應是發展可以發現和克服與低成本的光學元件有關的問題的圖像分 析規則和技術。
生長板140在生長區域142的內部147包含相對少量的菌落。但是，生長區域142 的周邊部分149有大量的菌落出現。統計顯示，這些菌落是均勻分布的。因此，生長區域 142的周邊部分149有比內部區域有多得多的菌落出現時，會產生一個問題。這種現象歸 結於成像裝置32中光學元件的缺陷。在隨後的描述中，內部147 —般指生長區域142內部 大約75 %的部分，而周邊部分149指生長區域142周邊大約25 %的部分。在其它實施方式13中，內部和周邊部分的劃分不同。
圖15表示說明圖14中發現的問題的規則4的流程圖。儘管圖15提到參考「紅 色」和「藍色」，所述規則在任何第一和第二種顏色中同樣適用。
處理器34調用儲存在存儲器36中的軟體來分析一個或更多生物板的圖像，計數 上生物板上生物因子的數目。處理器34定義了一些生物板內部，例如內部147的紅色計數 (Rrtsp) (151)。並且，處理器；34定義了一些生物板內部藍色計數(Brtsp) (152)。如果生物板 內部紅色的計數(Rrtsp)小於規則4的閾值(X4) (153「是」分枝時)，處理器就不會距生長介 質生長區域外部邊緣，例如周邊部分149特定距離D4以內的任何小的紅色菌落(154)。同 樣，如果生物板中心部分藍色的計數(Brtsp)小於規則4的閾值(X4) (155 「是」分枝時)，處 理器就不會計算距生長介質生長區域邊緣，例如周邊部分149特定距離D4以內的任何小的 藍色菌落(154)。
小面積菌落一般指具有特定面積或直徑小於特定閾值的菌落。小面積菌落可以相 對於絕對的測量尺寸而定義或根據圖像的像素來定義。在一個例子中，小面積菌落是尺寸 小於大約20像素的菌落。距離D4可以根據絕對距離或圖像的像素來定義。例如，距離D4 可被定義為約15像素的寬度。
圖16說明了示例的培養板160，包括生長區162及標示164。圖16提供了圖例， 其中方形陰影區域表示已鑑定菌落，圓形陰影區域表示已鑑定的產氣菌落。不同的陰影區 分紅色菌落、藍色菌落。但是紅色和藍色只是舉例，類似的介質也可用其它的顏色。一般說 來，第一種顏色表示一種菌落類型，第二種顏色表示另一種菌落類型。在有些情況，一種顏 色表示一般菌落，而另一種顏色表示更特定的菌落。例如，紅色表示腸細菌菌落，而藍色就 可能用來表示大腸桿菌菌落，即特定的腸細菌。產氣的菌落表明某種確定的可被計數的生 物菌落類型，沒有氣體的菌落表明可以或不可以確定地，例如根據政府的規定而被計數的 生物菌落類型。
生長板分析的一個問題是生長板可能顯示出對生長指示物不均勻的觸發(化學 反應)。在統計上，期望菌落可以均勻分布。如果紅色菌落高度集中出現在一個區域，藍色 菌落高度集中出現在另一個區域，那麼問題可能就出現了。若是那樣的話，藍色菌落很可能 被計成了紅色菌落，如，當紅色菌落識別到更通常細菌生長類型的存在，藍色菌落識別到更 加特定的類型細菌生長類型的存在。當不均勻分布時，藍色菌落作為特定類型細菌生長存 在的指示將較不可信，而一般指示通常的細菌生長類型。因此，在自動細菌菌落計數中，如 果出現不均勻分配，有必要將藍色菌落計成紅色菌落，特別是當板上菌落數較低時。
以生長板160為例(圖16)，內部167有6個紅色菌落，和一個紅色產氣菌落。在 內部167中沒有藍色菌落或產氣的藍色菌落。相反，在周邊部分169中有3個藍色菌落，1 個產氣藍色菌落，和1個紅色菌落。在此例中，由於不均勻分配，藍色菌落和有產氣藍色菌 落被計成紅色菌落(此處產氣藍色菌落被光學計為產氣紅色菌落)。內部167可以指生長 區域162內部大約75%的部分，而周邊部分169指生長區域162周邊大約25%的部分。在 其它實施方式中，中心部分和周邊部分的劃分不同。
圖17是表示規則5的流程圖，規則5說明了圖16說明的問題。儘管圖17提到參 考「紅色」和「藍色」，所述規則同樣適用於任何第一和第二種顏色。
處理器34調用儲存在存儲器36中的軟體來分析一個或更多生物板的圖像，計數上生物板上生物因子的數目。處理器34確定生物板內部，例如內部167的紅色的計數(R內 部)(171)。並且，處理器；34確定生物板內部藍色的計數(Brtsp) (172)。處理器；34定義了一 些生物板周邊部分紅色的計數(Ras)，例如周邊169 (17 。並且，處理器34定義了一些生 物板周邊部分藍色的計數(Bas) (174)。
如果生物板中心部分紅色的計數(R_)大於第一次規則5的閾值(X5)時，並且如 果生物板內部藍色的計數(Brtsp)小於第二次規則5的閾值(Y5) (175 「是」分枝時)，處理 器34就會將生物板周邊部分藍色的計數(Bas)改成紅色的計數(176)。換句話說，當識別 到違背可能的統計程度上的不均勻分布時，周邊部分藍色的計數會被計成紅色的計數。作 為例子，第一個規則5的閾值(X5)是大約5，第二個規則5的閾值(Y5)是大約2，儘管根據 所需的配置可選擇不同的數值。
圖18說明了示例的培養板180，包括生長區182及標示184。圖18還提供圖例， 其中方形陰影區域表示菌落。
此外，生長板分析的一個問題是生長板可能顯示出生長指示物不均衡的觸發(化 學反應)。在統計上，期望菌落均勻分布。如果菌落一個區域的出現比在另一個區域出現的 比例高，那麼問題可能就出現了。在這種情況下，有必要對生長板進行標記以便，例如由技 術人員進行進一步的研究。
在生長板180中，例如在內部187包括4個菌落。相反，在周邊部分189包括15個 菌落。在這種情況下，有必要對生長板進行標記以進行進一步的研究，如由技術人員完成， 因為菌落的分配不服從統計規律。
圖19是說明規則6的流程圖，規則6說明了圖18表示的問題。處理器34調用儲 存在存儲器36中的軟體來分析一個或更多生物板的圖像，計數上生物板上生物因子的數 目。處理器34對生長區域進行初次計數，判斷是否板上計數大於規則6的閾值(X6)。例如， 規則6的閾值OQ是大約5，但不同的配置中可選擇不同的數值。
如果生物板的計數大於規則6的閾值(X6)時(191的「是」分支)，處理器34確定 生物板內部(Crtsp),例如內部187的一些計數(192)。並且，處理器34確定了生物板周邊 部分(Cas)的計數。如果周邊部分的計數(Cas)大於內部的計數(C內部)乘以因子(F) (194 「是」分枝時)，對生長板進行標記以進行進一步的研究。例如，一旦被標記，技術人員 會被提醒需要標記的板需要手工分析。
不同的實施中內部和周邊部分的大小不同。並且，使用的因子(F)決定於內部和 周邊部分的大小。在一個例子中，周邊部分包括生長板上生長區域最外部大約25%的部分， 中心部分的分布包括板上生長區域最內部大約75%的部分。在這種情況下，因子(F)是大 約1.5，但也可用其它因子。因子(F)通常大於1，表示周邊部分不成比例的計數數目。
此處描述的各種規則可被單獨使用或依賴於被掃描的板類型而組合使用。例如， 目前由3M公司售出的各種PETRIFILM板。這些板包括有氧計數板(AC)，腸細菌計數板(CC) 和大腸桿菌計數(EC)板。在分析AC，CC，EC板時可使用不同的規則組合。此外，通過給定 的標記辨別板類型，可以在生物掃描系統中自動應用正確的規則。
以AC板為例，通過使用規則1和隨後使用規則3AJB再後使用規則6可得到改進 的計數結果。對於CC板，通過使用規則1和隨後使用規則2A、2B再後使用規則4可得到改 進的計數結果。對於EC板，通過使用規則1和隨後使用規則2A、2B隨後使用規則4，再後使用規則5可得到改進的計數結果。以上例子只是一些例證，在其他的實施方案中可以以不 同的順序使用不同的其他規則組合。
本發明描述了一系列生物掃描系統的實施方案。具體的，本發明還描述了在生物 掃描系統中用以改進生物生長板上生物因子自動計數數目準確性的多種計數規則。
許多技術被描述為可以軟體實現的。在這種情況下，計算機可讀媒介存儲處理器 可執行的上述一個或更多指令。例如，計算機可讀媒介包括一個隨機存取存儲器(RAM)，只 讀存儲設器(ROM)，非易失隨機存儲器(NVRAM)，電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)，閃 存或類似裝備。計算機可讀媒介還包括非易失存儲器如CD-ROM來為用戶輸送軟體。計算 機可讀媒介還包括一個電磁載體波，如通過網絡例如英特網用於傳輸軟體。
同樣的技術也可在硬體中實現。示例的硬體實現裝置包括專用集成電路(ASIC)， 場可編程門陣列(FPGA)，或各種特殊設計的硬體組件，或其組合。並且，本發明中描述的一 個或多個技術可以在硬體、軟體或固件中部分執行。
在任何情況下，可以在不偏離本發明精神和範圍的情況下進行多種修改。例如本 發明描述的一個或更多規則可以伴隨或不伴隨其他的規則和規則的不同子集而以不同順 序應用，這取決於所需的實現裝置。以上和其它實施方案都在權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種用於計數生物生長介質上的生物因子的方法，包括 接收生物生長介質的一幅或多幅圖像；識別第一數量的與所述生物生長介質內部相關的生物因子； 識別第二數量的與所述生物生長介質周邊部分相關的生物因子；及 當所述第一數量低於閾值時，從第二數量中扣除距所述生長介質生長區域邊緣的限定 距離內的一或多個生物因子。
2.如權利要求1所述的方法，還包括在僅距所述生長介質生長區域邊緣的限定距離內 的所述一或多個生物因子所限定的面積低於閾面積，所述第一數量低於閾值時，從第二數 量中扣除距所述生長介質生長區域邊緣的限定距離內的一或多個生物因子。
3.如權利要求1所述的方法，還包括識別第一數量的與生物生長介質內部相關的第一種顏色生物因子； 識別第三數量的與生物生長介質內部相關的第二種顏色生物因子； 識別第二數量的與生物生長介質周邊部分相關的第一種顏色生物因子； 識別第四數量的與生物生長介質周邊部分相關的第二種顏色生物因子； 當第一數量的第一種顏色生物因子小於閾值，以及在限定距離內的一個或多個第一種 顏色生物因子限定的區域小於閾面積時，從第二數量的第一顏色生物因子扣除距生長介質 生長區域邊緣的限定距離內的一個或多個第一種顏色生物因子；當第三數量的第二種顏色生物因子的小於閾值，以及在限定距離內的一個或多個第二 種顏色生物因子限定的區域小於閾面積時，從第四數量的第二顏色生物因子中扣除距生長 介質生長區域邊緣的限定距離內的一個或多個第二種顏色生物因子。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述生物因子包含細菌菌落，以及其中所述第一種 顏色包括紅色且所述第二種顏色包括藍色。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述內部包括約75%所述生長介質的生長區域且所 述周邊部分包含約25%所述生長介質的生長區域。
6.一種用於計數生物生長介質上的生物因子的系統，包括 產生生物生長介質的一幅或多幅圖像的成像裝置；和處理器，其接收圖像，識別第一數量與生物生長介質內部有關的生物因子，識別第二數 量與生物生長介質周邊部分相關的生物因子，以及當第一數量低於閾值時，從第二數量中 排除距生長介質生長區域邊緣限定距離之內的一個或多個生物因子。
7.如權利要求6所述的系統，其中當第一數量小於閾值，僅在處於邊緣限定距離內的 一個或多個生物因子限定的面積小於閾面積時，處理器從第二數量中扣除距生長介質的生 長區邊緣限定距離內的一個或多個生物因子。
8.如權利要求6所述的系統，其中處理器識別第一數量的與生物生長介質內部相關的 第一種顏色生物因子，識別第三數量的與生物生長介質內部相關的第二種顏色生物因子； 識別第二數量的與生物生長介質周邊部分相關的第一種顏色生物因子；識別第四數量的與 生物生長介質周邊部分相關的第二種顏色生物因子；當第一數量的第一種顏色生物因子小 於閾值，以及在限定距離內的一個或多個第一種顏色生物因子限定的區域小於閾面積時， 從第二數量的第一顏色生物因子扣除距生長介質生長區域邊緣的限定距離內的一個或多 個第一種顏色生物因子；當第三數量的第二種顏色生物因子小於閾值，以及在限定距離內的一個或多個第二種顏色生物因子限定的區域小於閾面積時，從第四數量的第二顏色生物 因子中扣除距生長介質生長區域邊緣的限定距離內的一個或多個第二種顏色生物因子。
9.如權利要求6所述的系統，其中的內部約佔生長介質生長區域的75%，而周邊部分 約佔生長介質生長區域的25 %。
全文摘要
本發明涉及生物生長板上的生物因子計數方法和系統。具體而言涉及一種計數生物生長板或類似介質上生物因子的技術。為了自動計數生物因子，將生物生長板插入到生物掃描單元中，然後生物掃描單元會產生所述板的圖像。其後，圖像上出現的生物因子的數量，例如細菌菌落數，可以被計數或使用圖像處理和分析例程通過或是掃描單元或是外部計算裝置，如一個桌面電腦或工作站等進行判斷。本發明還描述了用以改進生物生長板上生物因子數目的自動計數準確性的多種計數規則。
文檔編號G06K9/00GK102034089SQ201010515869
公開日2011年4月27日 申請日期2004年8月30日 優先權日2003年9月5日
發明者克裡斯蒂娜·A·賓斯費爾德, 多伊勒·T·波特, 麥可·R·普 申請人:3M創新有限公司