抑菌圈自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其在抗生素效價(jià)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

辛在海 ,王國(guó)雷

1.山東省千佛山醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250014

抑菌圈自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及其在抗生素效價(jià)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

辛在海1,王國(guó)雷2

1.山東省千佛山醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250014

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)抗生素測(cè)定的通用方法是微生物檢定法，該方法是通過(guò)測(cè)量微生物抑菌圈的大小得到抗生素的效價(jià)。本文系統(tǒng)介紹了抑菌圈自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，將圖像形態(tài)處理學(xué)的理論應(yīng)用于抑菌圈邊緣的提取。應(yīng)用各種邊緣提取算子對(duì)抑菌圈邊緣進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用canny算子得到的抑菌圈邊緣較為理想。最后利用抗生素濃度與抑菌圈直徑或面積的關(guān)系，求出樣品的效價(jià)。

抑菌圈；形態(tài)處理學(xué)；canny算子；抗生素效價(jià)

抗生素生物效價(jià)測(cè)定是以抗生素的抑菌力和殺菌力作為效價(jià)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。抗生素效價(jià)的測(cè)量方法主要有2種：管碟法和比濁法（濁度法）。管碟法的原理是將已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液與未知濃度的樣品溶液在含有敏感性試驗(yàn)菌的瓊脂表面進(jìn)行擴(kuò)散滲透，形成抑制試驗(yàn)長(zhǎng)菌的透明抑菌圈，對(duì)抑菌圈直徑或面積的大小進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)抗生素濃度與抑菌圈直徑或面積之間的關(guān)系，求出抗生素的生物效價(jià)。金杰等人[1]提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力，建立抗生素效價(jià)與抑菌圈直徑之間的預(yù)測(cè)模型，該方法簡(jiǎn)便快捷，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。由此可見(jiàn)，抑菌圈大小的測(cè)量是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)。傳統(tǒng)的手工測(cè)量法具有精度低，操作繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，后來(lái)出現(xiàn)的采用光學(xué)非接觸測(cè)量法的專(zhuān)用抑菌圈測(cè)量?jī)x則價(jià)格昂貴，測(cè)量精度也不十分理想。本文利用VC++6.0作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)了一個(gè)抑菌圈圖像處理和邊緣自動(dòng)檢測(cè)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)抑菌圈的自動(dòng)測(cè)量，克服了人工測(cè)量的缺點(diǎn)，取得了較為理想的結(jié)果。

1 工作任務(wù)

基于圖像處理的微生物抑菌圈自動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為中心，數(shù)字圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)。綜合利用了圖像傳感器、計(jì)算機(jī)和誤差處理等多種技術(shù)的一種新型的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程如圖1所示。

如圖1所示，工作任務(wù)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件主要負(fù)責(zé)對(duì)抑菌圈圖像進(jìn)行采集并進(jìn)行數(shù)值離散化，而軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是應(yīng)用各種圖像處理方法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理和分析，得到質(zhì)量最高的圖像以方便我們提取抑菌圈邊緣，從而測(cè)量抑菌圈實(shí)際物理參數(shù)，最后對(duì)抗生素效價(jià)做出合理的評(píng)定。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件主要包括如下：運(yùn)動(dòng)控制卡（控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而方便我們獲取最佳的圖像視角）；CCD攝像頭；視頻采集卡；計(jì)算機(jī)。

2.2 圖像采集軟件設(shè)計(jì)

圖像采集軟件采用VFW技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集。VFW以消息驅(qū)動(dòng)方式對(duì)視頻設(shè)備進(jìn)行管理，可以很方便地控制設(shè)備數(shù)據(jù)流的工作過(guò)程。目前，大多數(shù)的視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都支持VFW接口，它主要包括多個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，通過(guò)這些組件間的協(xié)調(diào)合作，來(lái)完成視頻的捕獲、視頻壓縮及播放功能。視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，主要通過(guò)AVICAP模塊中的消息、宏函數(shù)、結(jié)構(gòu)，以及回調(diào)函數(shù)來(lái)完成。本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)宏函數(shù)來(lái)完成采集過(guò)程，每一個(gè)宏函數(shù)完成的功能都可以用相應(yīng)的消息機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 圖像分析軟件設(shè)計(jì)

由于抑菌圈內(nèi)外灰度相差較小，并且抑菌圈內(nèi)部有時(shí)也分布著菌落。這些都給抑菌圈的提取帶來(lái)困難。如果抑菌圈內(nèi)外灰度相差太小，在邊緣檢測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)斷邊，這對(duì)抑菌圈內(nèi)部分布的菌落會(huì)產(chǎn)成干擾，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)雙邊緣現(xiàn)象。這些干擾會(huì)給圖像分析軟件的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，所以如何提高圖像分析軟件的抗干擾能力是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

為確定我們進(jìn)行圖像處理的方法，我們?cè)谝粋€(gè)培養(yǎng)皿中只放置一個(gè)涂有抗生素的紙片，也就是說(shuō)我們拍攝到的只有一個(gè)抑菌圈，這樣我們可以確定進(jìn)行圖像處理選取的方法和進(jìn)行的先后步驟。

通過(guò)多次圖像處理的方法比較，本實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示的圖像處理方法，無(wú)論是從處理的數(shù)據(jù)量還是圖像清晰度都得到了理想的結(jié)果。

圖像進(jìn)行中值濾波后起到平滑作用，進(jìn)行二值化處理方便我們進(jìn)行圖像閉運(yùn)算，這樣能夠?qū)D像的邊緣起到很好的平滑作用。以下為圖像處理前后比較，如圖3所示：

圖2 圖像分析軟件流程圖

圖3 圖像處理前后比較

接下來(lái)我們應(yīng)用各種邊緣檢測(cè)算子對(duì)抑菌圈邊緣進(jìn)行檢測(cè)。常用的邊緣檢測(cè)算子有Roberts邊緣檢測(cè)算子、Sobel邊緣檢測(cè)算子、Prewitt邊緣檢測(cè)算子、Canny邊緣檢測(cè)算子等；另外還可以通過(guò)小波變換實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)。Roberts邊緣算子采用的是對(duì)角方向相鄰的2個(gè)像素之差，從圖像處理的實(shí)際效果來(lái)看，邊緣定位準(zhǔn)，對(duì)噪聲敏感。Sobel和Prewitt算子都是先做加權(quán)平均，再微分，然后求梯度，效果一般。Canny算子具體實(shí)現(xiàn)有3個(gè)步驟：① 用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波，去除圖像中的部分噪聲；② 用高斯算子的一階微分對(duì)圖像進(jìn)行濾波，得到圖像梯度的強(qiáng)度和方向；③ 對(duì)梯度進(jìn)行非最大抑制和滯后閾值處理，得到邊緣圖像。

圖4是用各個(gè)微分算子對(duì)閉運(yùn)算后的圖像進(jìn)行邊緣提取的結(jié)果。

圖4 應(yīng)用各種方法提取圖像邊緣

接下來(lái)進(jìn)行圖像周長(zhǎng)和面積的自動(dòng)計(jì)算。在菜單中點(diǎn)擊周長(zhǎng)自動(dòng)計(jì)算和面積自動(dòng)計(jì)算時(shí)軟件會(huì)根據(jù)某種算法自動(dòng)計(jì)算周長(zhǎng)和面積的大小。這里計(jì)算周長(zhǎng)和面積的思想如下：將白色區(qū)域視為背景，黑色區(qū)域視為物體，則從圖像的左下角開(kāi)始追蹤，最后回到出發(fā)點(diǎn)的跟蹤方法。自動(dòng)測(cè)量周長(zhǎng)和面積結(jié)果如圖5所示。

圖5 周長(zhǎng)和面積自動(dòng)測(cè)量結(jié)果

可以看到，在圖像的下方都會(huì)對(duì)圖像的周長(zhǎng)和面積的大小進(jìn)行標(biāo)注。當(dāng)然，這里標(biāo)注大小的單位為像素，可以根據(jù)像素值換算為實(shí)際的尺寸大小。經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，與實(shí)際數(shù)據(jù)出入不大，效果很不錯(cuò)。

當(dāng)然，為了排除邊緣輪廓自動(dòng)提取跟蹤中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，軟件在設(shè)計(jì)時(shí)也保留了手動(dòng)測(cè)量選項(xiàng)，由測(cè)量人員點(diǎn)擊鼠標(biāo)選擇圖像邊緣。

3 抗生素效價(jià)評(píng)定

根據(jù)抗生素效價(jià)生物檢定的理論，抗生素測(cè)定法主要是利用抗生素在特定實(shí)驗(yàn)菌的固體培養(yǎng)基內(nèi)呈球面行擴(kuò)散，形成含一定濃度抗生素的球形區(qū)，抑制了實(shí)驗(yàn)菌的繁殖而呈現(xiàn)出透明的抑菌圈。根據(jù)抗生素在一定濃度范圍內(nèi)，對(duì)數(shù)劑量與抑菌圈直徑或面積成線性關(guān)系，因此可以通過(guò)觀察抑菌圈并測(cè)量其半徑或面積，可以換算成抗生素效價(jià)。當(dāng)然，該方法受多種因素的影響會(huì)引入一定的誤差。金杰等人[1]提出了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力，建立抗生素效價(jià)與抑菌圈直徑之間的預(yù)測(cè)模型。當(dāng)然，這屬于生物醫(yī)學(xué)的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵是要精確測(cè)量抑菌圈的大小。

4 總結(jié)與展望

本文詳細(xì)論述了抑菌圈自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)，

本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件系統(tǒng)用戶界面友好、精度高且工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了抑菌圈自動(dòng)測(cè)量，并對(duì)抗生素效價(jià)做出了合理科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)將這套系統(tǒng)產(chǎn)品化。但對(duì)于抑菌圈邊緣的自動(dòng)識(shí)別方法還有待我們進(jìn)一步提出更合理的算法，消除噪聲和抑菌圈毛邊的影響。

[1] 金杰,郝燕,何建勇.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在抗生素效價(jià)測(cè)定中的應(yīng)用[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(7):206-208.

[2] 趙志強(qiáng),張思祥.抗生素抑菌圈自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].分析儀器,2008,39(5):23-26.

[3] 楊淑瑩.VC++圖像處理程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 齊永奇.基于圖像處理的微生物抑菌圈自動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)的研究[D].鄭州:鄭州大學(xué)2000.

[5] 陳宏希.基于邊緣保持平滑濾波的Canny算子邊緣檢測(cè)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1):91-95.

[6] 劉大勇,史倩義,張思祥,等.基于圖像分析的抑菌圈自動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].生命科學(xué)儀器,2008,6(1):30-32.

[7] 馮書(shū)慶,張全法.提高抑菌圈掃描圖像邊緣檢測(cè)成功率的研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(1):47-49.

Inhibition Zone Automatic Measurement System and Its Application in Antibiotic Potency Evaluation

XIN Zai-hai1,WANG Guo-lei2
1.Medical Engineering Department,Qianfoshan Hospital,Jinan Shandong 250014,China; 2.Control Science and Engineering, Shandong University,Jinan Shandong 250014,China

Nowadays，the general method for determination of antibiotics in domestic and abroad is microbial assays. The method is measuring the size of inhibition zone by microbial potency of antibiotics.This paper introduces the inhibition zone automatic measurement system hardware and software design,forms the image processing theories applied to extract the edge of inhibition zone. Using lots of edge detection operators to extract the edge of inhibition zone, we found that the canny operators are ideal application to extract edge of inhibition zone. Finally, use the relationship between concentration of antibiotics and inhibition zone diameter or area to obtain the potency of the samples.

inhibition zone; the theory of form process; canny operator; antibiotic potency

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.040

1674-1633(2011)08-0109-03

2011-03-01

作者郵箱：xinzaihai1982@163.com