专利名称：生物生长培养基的光谱分析的制作方法
生物生长培养基的光谱分析相关专利申请的交叉引用本专利申请要求提交于2008年3月26日的美国临时专利申请序列号61/039，453 的优先权，此临时专利申请以引用的方式并入本文。
背景技术：
生物安全性在现代社会中至关重要。对于食物产品的开发商和分销商而言，对食 物或其他材料中的生物污染进行测试已成为重要的并且有时已成为强制性的要求。另外生 物学测试也用来识别下述样品中的细菌或其他因子诸如取自内科病人的血样之类的实验 室样品、开发用于实验目的的实验室样品、以及其他类型的生物样品。可利用各种技术和设 备来改善生物学测试并且使所述生物学测试过程合理化和标准化。具体地讲，已开发出多种生物生长培养基。作为一个实例，明尼苏达州圣保罗市 (St. Paul, Minnesota)的3M公司(在下文中称为“3M”)已开发出生长板形式的生物生 长培养基。生物生长板由3M以商品名PETRIFILM板进行出售。生物生长板可用于促进与 食物污染相关的细菌或其他生物因子(包括(例如)需氧菌、大肠杆菌、大肠菌、肠杆菌科 (Enterobacteriaceae)、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌属(Listeria)、弯曲菌属 (Campylobacter)、或者其他生物因子)的快速生长以及检测或计数。PETRIFILM板或其他 生物生长培养基的使用可简化食物样品的细菌测试。可使用生物生长培养基来识别细菌的存在，从而使得可进行改善的测定(就食物 测试而言)或者可进行正确的诊断(就医学用途而言)。在其他应用中，可利用生物生长培 养基来使实验室样品中的细菌或其他生物因子快速生长，如，用于实验目的。生物生长培养基处理系统是指用于处理生物生长培养基的系统。生物生长培养基 处理系统可用于对生物生长培养基上的菌落或特定生物因子的数量进行计数。例如，可将 食物样品或实验室样品设置在生物生长培养基上，然后可将该培养基插入培养室中。培养 之后，可将该生物生长培养基引入到生物阅读器中，生物阅读器产生该生物生长培养基的 一个或多个图像。然后可(如)通过计算机来分析图像，以用于对细菌生长进行自动计数。 通过这种方式，生物生长培养基处理系统自动化地对生物生长培养基上的细菌或其他生物 因子进行检测和计数，并因而通过降低人为误差而改善了此生物学测试过程。发明概述一般来讲，本发明涉及用于对生物生长培养基进行自动分析的成像技术和图像分 析技术。根据本发明，可使用生物生长培养基的光谱响应来从生物生长培养基的图像中识 别和计数生物因子。可利用两种或多种不同波长的电磁辐射来照射生物生长培养基，并且 可在这些不同的照射下来采集生物生长培养基的图像。基于一个或多个第二图像中的光谱 反射率值(如，与相同的像素位置相关)对一个或多个第一图像中的光谱反射率值(如，与 像素位置相关)进行标准化。在这种情况下，第一图像和第二图像与不同波长的照射相关。 标准化可允许更好地识别显示在生物生长培养基上的生物因子。通过这种方式，光谱分析 和标准化可改善生物因子的自动检测。
第一图像可利用波长位于第一范围内的光的照射来产生，并且第二图像可利用波 长位于第二范围内的光的照射来产生。生物因子的光谱响应以及背景的光谱响应可在不同 范围的波长下而不同。可使用第二图像来标准化第一图像，这可改善将生物培养基的背景 和显示在培养基上的生物因子区分开的能力。用于第一图像的照射可位于可见光谱内，并 且用于第二图像的照射可位于可见光谱外。在一个实施例中，本发明提供了下述方法，其包括利用位于可见光谱之外的电磁 辐射来照射生物生长培养基、利用位于可见光谱之外的电磁辐射进行照射产生生物生长培 养基的一个或多个图像；以及基于所述一个或多个图像对生物生长培养基上的生物因子进 行计数。在另一个实施例中，本发明提供了下述方法，其包括利用第一电磁辐射来照射生 物生长培养基、产生利用第一电磁辐射进行照射的生物生长培养基的一个或多个第一图 像、利用第二电磁辐射来照射生物生长培养基、产生利用第二电磁辐射进行照射的生物生 长培养基的一个或多个第二图像、基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图 像中的光谱反射率值进行标准化、基于标准化的光谱反射率值来识别生物因子、以及对识 别的生物因子进行计数。在另一个实施例中，本发明提供了包括成像单元和计算机的系统，其中所述成像 单元利用位于可见光谱之外的电磁辐射来照射生物生长培养基并且利用位于可见光谱之 外的电磁辐射进行照射来产生生物生长培养基的一个或多个图像，所述计算机基于所述一 个或多个图像对所述生物生长培养基上的生物因子进行计数。在另一个实施例中，本发明提供了包括成像单元的系统，所述成像单元利用第一 电磁辐射来照射生物生长培养基、产生利用第一电磁辐射进行照射的生物生长培养基的一 个或多个第一图像、利用第二电磁辐射来照射生物生长培养基、并且产生利用第二电磁辐 射进行照射的生物生长培养基的一个或多个第二图像。该系统还包括计算机，所述计算机 基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标准化、 基于标准化的光谱反射率值来识别生物因子、并且对识别的生物因子进行计数。在另一个实施例中，本发明提供了下述系统，所述系统包括利用位于可见光谱之 外的电磁辐射来照射生物生长培养基的装置、利用位于可见光谱之外的电磁辐射进行照射 的生物生长培养基的一个或多个图像的装置、以及基于所述一个或多个图像对所述生物生 长培养基上的生物因子进行计数的装置。在另一个实施例中，本发明提供了下述系统，所述系统包括利用第一电磁辐射来 照射生物生长培养基的装置、产生利用第一电磁辐射进行照射的生物生长培养基的一个或 多个第一图像的装置、利用第二电磁辐射来照射生物生长培养基的装置、产生利用第二电 磁辐射进行照射的生物生长培养基的一个或多个第二图像的装置、基于所述一个或多个第 二图像来标准化所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值的装置、基于标准化的光谱反 射率值来识别生物因子的装置、以及对识别的生物因子进行计数的装置。在另一个实施例中，本发明提供了包括下述指令的计算机可读介质，所述指令在 生物生长培养基处理系统的计算机中执行时使得该计算机接收所述生物生长培养基的一 个或多个图像并且基于所述一个或多个图像来对所述生物生长培养基上的生物因子进行 计数，其中所述一个或多个图像已在利用位于可见光谱之外的电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生。在另一个实施例中，本发明提供了包括下述指令的计算机可读介质，所述指令在 生物生长培养基处理系统的计算机中执行时使得该计算机接收所述生物生长培养基的一 个或多个第一图像、接收所述生物生长培养基的一个或多个第二图像、将所述一个或多个 第一图像中的光谱反射率值基于所述一个或多个第二图像进行标准化、基于标准化的光谱 反射率值来识别生物因子、并且对识别的生物因子进行计数，其中所述一个或多个第一图 像已在利用第一电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生，所述一个或多个第二图像 已在利用第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生。下面将结合附图和描述介绍上述及其它实施例的更多细节。通过描述、附图和权 利要求书，可以充分理解其它特征、目标和优点。
图1为能够在处理生物生长培养基期间来实施本文所述的技术中的一种或多种 的示例性生物生长培养基处理系统的透视图。图2为根据本发明的形式为生物生长板的示例性生物生长培养基的俯视图。图3为符合本发明的生物生长培养基处理系统的框图。图4为示出了与生物生长培养基上的不同位置相关的光谱响应的曲线图。图5为示出了在照射设备内部来照射生物生长培养基的框图。图6为示出了与在生物生长培养基上形成的生物因子相关的光谱响应以及与生 物生长培养基上的背景区域相关的光谱响应的曲线图。图7为示出了与在生物生长培养基上形成的生物因子相关的光谱响应以及与生 物生长培养基上的背景区域相关的光谱响应的另一个曲线图。图8-9为示出了本发明的技术的流程图。
具体实施例方式本发明涉及用于对生物生长培养基进行自动分析的成像技术和图像分析技术。生 物生长培养基包括至少一种供养微生物生长的营养物质并且可任选地包括至少一种指示 剂以便于检测特定的微生物或微生物群。根据本发明，可使用生物生长培养基的光谱反射 率测定值来从生物生长培养基的图像中识别和计数生物因子。具体地讲，可使用位于两种 或多种不同波长范围内的生物生长培养基的光谱反射率值来识别和计数生物因子。可利用两种或多种不同波长的电磁辐射来照射生物生长培养基，并且可在这些不 同的照射下来采集生物生长培养基的图像。基于一个或多个第二图像中的光谱反射率值对 一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标准化，以便更好地识别显示在生物生长培养 基上的生物因子。例如，基于一个或多个第二图像中相同像素位置处的光谱反射率值对第 一图像中特定像素位置处的光谱反射率值进行标准化。标准化可使用比率，在这种情况下， 可使用第一图像中像素位置处的光谱反射率值与第二图像中相同像素位置处的光谱反射 率值的比率来识别生物因子以及识别生物生长培养基中的背景区域。通过这种方式，光谱 分析可改善生物因子的自动检测。第一图像可利用波长位于第一范围内的光的照射来产生，并且第二图像可利用波长位于第二范围内的光的照射来产生。生物因子和背景区域的光谱响应在不同的照射下可 不同。根据本发明，可基于第二图像来标准化第一图像，从而来改善将生物培养基的背景和 显示在培养基上的生物因子区分开的能力。与生物因子相关的以及与背景区域相关的光谱 反射率值在不同的波长范围下可不同。标准化技术可利用此实测现象来改善生物因子的计数。用于第一图像的照射可位于可见光谱内，并且用于第二图像的照射可位于可见光 谱外。通过这种方式，可利用生物生长培养基在较宽波长范围内(位于可见光谱内以及位 于可见光谱外)的光谱响应来改善生物生长培养基的自动读数。图1为能够在处理生物生长培养基24期间来实施本文所述的技术中的一种或多 种的示例性生物生长培养基处理系统20的透视图。系统20包括连接到计算机22的成像 单元21。成像单元21采集两种或多种不同照射设置下(如，不同波长的照射下)的生物生 长培养基24的图像，并且计算机22处理这些图像以识别和计数生物生长培养基24上的生 物因子。作为另外一种选择，可使用白光和彩色滤光器、或其他技术来促进不同波长下的照 射。尽管计算机22和成像单元21示为独立的单元，但也可通过完全一体化的系统和 设备来实现本发明的技术，其中将成像单元21和计算机22整合到通用设备中，即形成完全 一体化的生物阅读器。此外，本发明的技术也可用于�？榛低持校瞿？榛低嘲ㄒ� 个或多个成像单元、一个或多个培养单元、一个或多个接种单元、一个或多个识别元件(ID) 阅读器、ID贴标签机、和/或在与生物生长培养基24相关的�？榛砹魉咧泄ぷ鞯钠� 他设备。如果需要，成像单元21可包括ID阅读器以便从生物生长培养基24中读取ID元 件(图1中未示出)。在这种情况下，ID元件可识别生物生长培养基24的板型并且允许计 算机22基于板型来选择或调整图像分析。此外，也可将其他类型的信息编码或映射到ID 元件中。图2示出了一个包括形式为条形码的ID元件的示例性生物生长板。下文中对图 2进行了更详细的论述。在图1的实例中，计算机22可包括执行生物生长培养基24的图像分析软件的微 处理器。因此，计算机22还可包括存储器以保存各种类型的信息，例如执行与本发明的教 导内容相一致的技术的图像分析算法。以举例的方式，计算机22可包括个人计算机(PC)、 台式计算机、膝上型计算机、手持计算机、工作站等。可将软件程序装到计算机22上，以方 便对通过成像单元21产生的生物生长培养基24的图像进行图像分析。在图1的实例中，成像单元21通过接口 25连接到计算机22上。接口 25(例如) 可包括通用串行总线(USB)接口、通用串行总线2(USB2)接口、IEEE 1394火线接口、小型 计算机系统接口(SCSI)、高级技术附件(ATA)接口、串行ATA接口、外设组件互连(PCI)接 口、串行或并行接口等。成像单元21被设计成接纳生物生长培养基24。具体地讲，成像单元21包括壳体， 所述壳体定义了输入狭槽28以用于接纳生物生长培养基24。可在壳体上形成导向机构23 以辅助将生物生长培养基24插入到成像单元21中。成像单元21还包括弹出狭槽(未示 出)，在生物生长培养基24成像后通过该狭槽将生物生长培养基24弹出。成像单元21还 可包括其他结构，例如将生物生长板的分析进程或结果显示给用户的显示屏(未示出)。然
9而，本发明的技术可与多种其他类型的成像设备结合使用。成像单元21容纳有成像组件，例如照射源以及一个或多个相机。在一个实例中， 成像单元21容纳有用于产生所插入的生物生长培养基24的一个或多个单色图像的2维单 色相机。成像单元21中提供的照射源可利用两种或多种不同波长的电磁辐射进行照射。在 成像期间，成像单元21中的照射源可照射生物生长培养基24的前面和/或背面。照射器 可利用两种或多种不同波长的光来照射生物生长培养基24，并且在不同波长的照射下可产 生生物生长培养基24的不同图像。透明台板可容纳在成像单元21内以限定生物生长培养 基24相对相机的成像位置。成像单元21可将图像传送给计算机22，所述计算机可包括用 于进行图像分析的处理器。生物生长培养基24可包括生长区域27，其中细菌或其他因子显示在生物生长培 养基24上。生长区域27可包括平坦表面、凹井、或可用于生物生长的任何表面。制造的生 物生长培养基24可在生长区域27中包含营养物质以便促进特定生物因子的快速生长。如 果需要，可将样品(食物样品或实验室样品)与一种或多种稀释剂一起添加到生长区域中。 将样品(以及可能的稀释剂)添加到生长区域27的过程成为接种，此过程可由用户手动完 成，或由接种单元(图1中未示出)自动完成。接种后，则可在培养室或单元(图1中未示 出)中培养生物生长培养基24。在接种和培养之后，利用成像单元21处理生物生长培养基24以便按照本文所述 的方式来产生图像。具体地讲，成像单元21在两种不同波长的照射光下产生至少两个不同 的图像。将这些图像从成像单元21发送至执行图像分析的计算机22。例如，成像单元21可在波长位于第一范围内的光的照射下来产生第一图像。另 外，成像单元21可在波长位于第二范围内的光的照射下来产生第二图像。如此，利用两种 或多种不同波长的电磁辐射来照射生物生长培养基24，并且在这些不同的照射下利用成像 单元21来采集生物生长培养基的图像。在计算机22中，基于一个或多个第二图像中的光谱反射率值对一个或多个第一 图像中的光谱反射率值进行标准化以便更好地识别显示在生物生长培养基上的生物因子。 换句话讲，计算机22利用第一图像中的光谱反射率值与第二图像中的光谱反射率值之间 的比率来相对于生物生长培养基24的背景而识别出生物因子。通过这种方式，计算机22 在生物因子的自动检测中使用光谱分析。光谱反射率值可表示为特定波长下的光的反射率 的百分比，并且可与两个不同图像中的特定像素位置(或特定区域)相关。生物因子以及背景的光谱响应可在不同范围的波长下而不同。计算机22基于第 二图像中像素位置的光谱反射率值对第一图像中像素位置的光谱反射率值进行标准化，从 而来改善计算机22将生物生长培养基24的背景和显示在生物生长培养基24的生物因子 区分开的能力。反射率值可表示生物生长培养基24的给定位置在与不同图像相关的照射 下的光谱反射率值。通过成像单元21用于第一图像的照射可位于可见光谱内，并且通过成像单元21 用于第二图像的照射可位于可见光谱外。通过这种方式，可利用生物生长培养基24在较宽 波长范围内(位于可见光谱内以及位于可见光谱外)的光谱响应来改善自动读数。当生物 生长培养基24位于固定位置处时可产生图像，从而确保不同图像的像素精确对齐以便进 行标准化。
根据菌落计数或其他生物因子来确定生物生长培养基24中待测的给定样品是否 合格的取决因素可为每单位面积中的菌落数。因此，由成像单元21产生的图像可利用计算 机22进行分析并且可用于对生物生长培养基24上每单位面积中的菌落数进行定量化。此 外，本文所述的光谱分析和标准化技术可改善计算机22将菌落或其他生物因子与生物生 长培养基24的背景区分开的能力。如果需要，也可将各个菌落的大小包括在分析中。图2是形式为生物生长板50的示例性生物生长培养基的俯视图。以举例的方式， 生物生长板50可包括由3M以商品名PETRIFILM板出售的生物生长板。在一些情况下，生 物生长板50可包括识别元件54以方便生物生长板50的自动处理。识别元件54示为光学可读图案，如，条形码。然而在其他情况下，识别元件54可 呈现多种光学图案，例如字母、条形码、二维条形码、光栅、全息图、磷油墨等等。此外，在一 些实施例中，识别元件54可包括可见的或不可见的电路或磁性元件，这些元件可通过磁性 或射频技术而为可读的。例如，识别元件54可包括多种射频识别(RFID)标签中的任何一 种，所述射频识别标签在许多用于库存跟踪目的的工业中是通用的。生物生长板50可有利于细菌或其他生物因子(包括(例如)需氧菌、大肠杆菌、 大肠菌、肠杆菌科、酵母菌、霉菌、金黄色葡萄球菌、李斯特菌属、弯曲菌属等等)的快速生 长以及检测或计数。PETRIFILM板或其他生长培养基的使用可简化食物样品的细菌测试。如图2所示，生物生长板50定义了生长区域52。根据菌落计数来确定板50中待 测的给定样品是否合格的取决因素可为每单位面积中的菌落数。因此，根据本发明，自动化 系统可处理生物生长板50以便对板50上每单位面积中的菌落数进行量化，并且可将该数 量、或“数目”与阈值进行比较。该阈值可表示(例如)与原始样品中的微生物的合格(不 合格)数量相关的菌落数。生物生长板50的表面可包含一种或多种生长促进剂，其被设计 用于促进一种或多种类型的细菌或其他生物因子的快速生长。生物生长板50可利用样品进行接种。接种是指将待测试的材料样品(可能与稀释 剂一起)添加到生物生长板50上位于生长区域52内的表面上的过程。接种可手动地或以 自动方式来进行。接种后，可将生物生长板50插入到培养室(未示出)中。在培养室中， 诸如细菌、酵母或霉菌之类的微生物在生物生长板50中的营养物质上生长，并且在一段时 间之后，它们自身显示为菌落。在图2的生物生长板50上由各个点表示的菌落(如，霉菌 或其他微生物)可相对生长区域52的背景颜色显示为不同的颜色，从而有利于通过图像分 析技术来进行菌落的自动检测和计数。具体地讲，与生物因子有关的区域58可显得不同于 与生物生长板50的背景相关的区域56，尤其是在可见光谱中。如本发明所述，产生了生物生长板50的两个或多个不同图像。可通过第一波长内 的电磁辐射(如，位于可见光谱内的光)的照射来产生一个或多个第一图像。可通过第二 波长内的电磁辐射(如，位于可见光谱外的光)的照射来产生一个或多个第二图像。第二 图像中各个像素位置处的光谱反射率值与第一图像中对应像素位置处的光谱反射率值的 比率可有助于相对与背景相关的区域56来检测与生物因子相关的区域58。区域58相对区 域56之间基于区域的比较，或可能地对于每个像素位置之间基于像素的比率，可用于确定 区域58(或区域58内的像素)是否实际上对应于已生长在生物生长板50上的菌落。换句话讲，计算机可计算出在区域58内第一图像中的反射率值与第二图像中的 反射率值的比率，以及在区域56内第一图像中的反射率值与第二图像中的反射率值的比率。与可单独从一组图像中来定义区域58和56相比，这些比率可在区域58和56之间提供 更加明确的区分。定义这些比率的过程称为基于第二图像对第一图像进行标准化。这种标 准化可改善相对于与区域56相关的背景来识别与区域58相关的生物因子的能力。例如， 在每个像素位置(或者可能地对于不同区域内的成组像素)处，可将标准化第一图像产生 的比率与阈值进行比较，以确定此位置对应于生物因子还是背景。另外也可将其他更复杂 的计数法则或技术应用到每个像素位置处(或者由成组的像素位置定义的不同区域处)的 计算比率中。反射率值可以任何类型的单位来测定，并且在一些情况下可包括无量纲的百 分比值。图3为生物生长培养基处理系统30的框图，该系统可对应于图1中的系统20或 另一个系统，例如完全一体化的生物阅读器或�？榛低�。系统30包括计算机32，所述计 算机可包括连接至存储器36的处理器33。如果需要，可将计算机32连接到诸如显示屏之 类的输出设备38上。计算机32也可连接到其他处理单元(未示出)上，例如接种单元、培 养单元、ID阅读器、贴标签设备等。成像单元31连接到计算机32上。成像单元31产生生物生长培养的一个或多个 图像并且将这些图像提供给计算机32。处理器33基于保存在存储器36中的图像分析算法 来处理这些图像。例如，存储器36可保存各种处理器可执行软件指令，以方便对由成像单 元31产生的图像进行图像分析。处理器33执行这些指令以实现本发明的技术。输出设备 38接收由处理器33确定的结果并且将结果提供给用户。存储器36也可保存数据库40以及用于管理数据库40的数据库管理软件。存储 器36的数据库40可用于将不同类型的信息与不同的生物生长培养基进行关联。另外，数 据库40可用于保存与不同类型的生物生长板相关的光谱曲线。这些光谱曲线(例如)可 用于生物生长板的处理中，并且可或许有助于相对与背景相关的区域56来区分与生物因 子相关的区域58(图2)。为了产生这些曲线，可通过光谱仪来记录示例性生物生长培养基 的反射响应。数据库40可保存多种不同类型的生物生长培养基的光谱曲线，并且数据库40 可利用与新类型的生物生长培养基相关的光谱曲线进行实时更新。更具体地讲，与生物生长板相关的光谱曲线可有助于确定在生物培养基中是否存 在错误或缺陷。可将光谱曲线与生物生长培养基上的测定数据进行比较，以便鉴定出造成 生物生长培养基不准确的制造商缺陷或使用缺陷。在这种情况下，如果与生物生长培养基 相关的反射率测定值相对预期的光谱响应偏离过远，那么此培养基可标记为包括可能性错 误。这些错误(例如)可归因于老化、制造缺陷、实验室技术人员或其他用户的不当使用。例 如，在生物生长培养基上的不当或过度接种可使得该生物生长培养基被接种剂过度填充， 从而可能引起错误，这些错误可通过将测定的反射率值和与该生物培养基相关的预期光谱 响应进行比较而被检测到。每种类型的生物生长板可定义独特的光谱标记。如果在一个或多个区域中测定的 反射率值与由独特的光谱标记所定义的预期值不匹配，那么该培养基可标记为包括可能性 错误。通过这种方式，可基于光谱曲线来处理生物生长培养基，以便改善生物生长培养基自 动分析的完整性。除了用于检查由于老化、制造缺陷或不当接种所产生的明确错误之外，光 谱曲线也可用于其它目的。图4为示出了与生物生长培养基上的不同位置相关的光谱响应的曲线图。图4的曲线图提供了在相对于可从明尼苏达州圣保罗市的3M公司商购获得的PETRIFILM酵母 和霉菌计数板(在下文中称为“PETRIFILM YM板”)进行的实验中采集的数据的粗略图。 PETRIFILM YM板利用霉菌(M6菌株)进行接种并且根据PETRIFILMYM板的说明书进行培 养。使用海洋光学公司(Ocean Optics)的型号USB4000的光谱仪来测定卤素光源下的 PETRIFILM YM板的反射率。在PETRIFILM YM板上确定出五个不同的位置以用于对不同波长下的光谱响应进 行比较。线条41对应于与PETRIFILM YM板上的背景边缘位置(即，第一背景位置)相关 的光谱响应。线条42对应于与PETRIFILM YM板上形成的生物因子(S卩，第一因子)相关 的光谱响应。线条43对应于与PETRIFILM YM板上的非边缘背景位置(S卩，第二背景位置) 相关的光谱响应。线条44对应于与PETRIFILM YM板上的另一个非边缘背景位置(即，第 三背景位置)相关的光谱响应。线条45对应于与PETRIFILM YM板上形成的另一种生物因 子(即，第二因子)相关的光谱响应。由图4可见，可见光谱在400纳米到700纳米之间、特别是在500纳米到700纳米 之间的光谱信息包含了将线条42和45 (对应于生物因子)与线条41、43和44 (对应于不 同的背景位置)区分开的基本上所有的信息。此外，线条42在可见光谱的相当大一部分内 显示具有低于线条43和44的反射率，但在大于700纳米的波长下显示具有高于线条43和 44的反射率。在位于800纳米和900纳米之间的波长内，所有的线条均大致平行。这些观察可允许待使用的标准化技术。例如，可使用波长在700纳米和1000纳米 之间、更具体地讲在800纳米和900纳米之间的光谱反射率的测定值来标准化可见光谱中 位于400纳米和700纳米之间的光谱反射率的测定值。可通过下述方式来利用生物生长培 养基在不同范围内的预期或测定的光谱特性在波长位于可见光谱(如，在大约500纳米和 大约700纳米之间)内的照射下来采集第一图像，并且在在波长位于可见光谱(如，在大约 800纳米和大约900纳米之间)外的照射下来采集第二图像。图5为示出了在照射设备(例如图1中的成像单元21)内部来照射生物生长培养 基115的框图。照射设备包括照射源110A、110B和110C(统称为照射源110)。照射设备 还包括相机112，所述相机可包括2维单色相机或另一种类型的相机。可将生物生长培养 基115相对相机112固定在成像位置中。生物生长培养基115可位于透明台板114上，或 者可通过导向机构、钳子、或者需要或不需要台板114的其他元件固定在适当位置。照射源110利用两种或多种不同波长的电磁辐射来照射生物生长培养基115，并 且相机112在这些不同照射中的每一个下均采集生物生长培养基115的一个或多个图像。 具体地讲，相机112可在照射源110利用第一波长(如，位于可见光谱内的光)的电磁辐射 的照射下来采集生物生长培养基115的第一图像。相机112可在照射源110利用第二波长 (如，位于可见光谱外的光)的电磁辐射的照射下来采集生物生长培养基115的第二图像。 当将生物生长培养基115相对于相机112保持在固定位置时可采集第一和第二图像，以确 保第一图像中的像素对应于第二图像中的像素。然后可将这些图像从相机112传送到用于 进行分析的计算机。计算机(图4中未示出)可分析图像并且产生每个像素位置的比率以便标准化第 一图像的反射率值。具体地讲，第二图像的光谱反射率值相对于第一图像的光谱反射率值 的比率可有助于相对于生物生长培养基115中与背景相关的区域来检测出生物生长培养基115中与生物因子相关的区域。照射源110可包括多种设备或构造中的任何一种。照射源110可包括具有滤光器 的荧光灯源，以便限定照射的合适波长。作为另外一种选择，照射源110可包括半导体光 源，例如发光二极管。可限定发光二极管(例如)以产生照射波长，或者可针对此目的而使 用滤光器。另外也可使用多种其他类型的照射源。尽管图5示出了设置在生物生长培养基 115的前面和背面的照射源110，但在一些情况下可使用仅从生物生长培养基115的一个面 进行的照射。实际上，可使用多种构造来实现符合本发明的两种不同波长范围的照射。在一个实例中，照射源IlOA产生第一波长下的照射并且照射源IlOB产生第二波 长下的照射。照射源IlOC可在这两种不同的波长中提供逆向照射。在其他情况下，照射源 110中的每一个均可包括能够以第一波长和第二波长进行照射的元件。可使用不同波长范 围中的任何数字来定义在若干不同波长的照射下的图像。采集图像后，相机112将图像传 送至计算机以用于进行符合本发明的图像分析。此外，当将生物生长培养基115相对于相 机112保持在固定位置时可采集第一和第二图像，以确保第一图像中的像素对应于第二图 像中的像素。在另一个实施例中，白光照射可与静止的或位于滤光器转轮中的滤光器一起使 用。此外，在另一个实施例中，白光照射可与插入在图像传感器上的滤光器一起使用，所述 图像传感器的形式为掩模阵列，如，类似于拜尔(Bayer)掩模。在任何情况下，基于一个或 多个第二光谱图像中同一空间像素位置的反射率值对第一光谱图像中像素位置的反射率 值进行标准化。所述第一图像和所述一个和多个第二图像与不同波长的照射相关。另外也 可使用在不同波长照射下的附加图像。图6为示出了与在生物生长培养基上形成的成分相关的光谱响应以及与生物生 长培养基上的背景区域相关的光谱响应的曲线图。在图6中，线条64对应于图4中的线条 44并且线条65对应于图4中的线条45。窗66A和66B可分别限定用于采集第一和第二图 像的照射波长范围。对于图像中的每一个而言，可测定各个像素位置的强度，并且可测定窗 66A(与第一光谱图像相关)与窗66B(与第二光谱图像相关)之间的强度比率。此过程可视 为基于与窗66B相关的第二图像对与窗66A相关的第一图像的反射率值进行标准化。这种 使用比率的标准化可改善用于检测每个给定像素与背景相关还是与生物因子相关的能力。 此外，如果需要，与背景和因子相关的预期光谱曲线可被编程设计到计算机中，并且可通过 为背景中的像素以及与生物因子相关的像素提供预期值或预期比率而被用于增强分析。通 过这种方式，预期的光谱曲线可有助于识别生物因子。如本文所述，预期的光谱曲线也可用 于进行质量控制以及检测由于老化、制造缺陷或不当接种造成的可能性错误。本发明的技术可显著改善将背景与生物因子区分开的能力。即使在利用第一照 射所产生的图像中背景和生物因子之间的反射率的绝对差值不显著，但标准化的差值也可 为显著的。因此，本发明的标准化技术可改善将背景区域与在生物生长培养基上形成的生 物因子区分开或区别开的能力。在每个像素位置(或可能地对于不同区域内的成组像素) 处，可将为标准化第一图像产生的比率与阈值进行比较以确定此位置对应于生物因子还是 背景。另外也可将其他更复杂的计数法则或技术应用到每个像素位置处(或者由成组的像 素位置定义的不同区域处)的计算比率中。图7为示出了与在生物生长培养基上形成的成分相关的光谱响应以及与生物生长培养基上的背景区域相关的光谱响应的另一个曲线图。在图7中，线条74对应于图4中 的线条44并且线条72对应于图4中的线条42。窗76A和76B可分别限定用于采集第一 和第二图像的照射。对于图像中的每一个而言，可测定各个像素位置的强度，并且可测定窗 76A与76B之间的强度比率。此过程可视为基于与窗76B相关的第二图像的光谱反射率值 对与窗76A相关的第一图像的光谱反射率值进行标准化。然后可将这些比率与一个或多个 阈值进行比较以确定这些像素位置对应于生物因子还是背景。与图6中的实例相同，这种使用比率的标准化可改善用于检测每个给定像素与背 景相关还是与生物因子相关的能力。此外，如果需要，与背景和因子相关的预期光谱曲线可 被编程设计到计算机中，并且可通过为背景中的像素以及与生物因子相关的像素提供预期 值或预期比率而被用于增强分析。与将一个频率范围(如，由第一窗76A限定的)内的值进行绝对比较相对照，图7 中的实例将背景(与线条74相关)与生物因子(与线条72相关)区分开的能力可得到显 著改善。在这种情况下，即使在窗76A(适用于在第一照射下所产生的图像)中背景和生物 因子之间的反射率的绝对差值仅为约15%，但标准化的差值也可超过30%。因此，图7中 的实例，由于使用了本文所述的标准化技术或比率，可在与生物因子相关的像素相对于背 景中的像素的定量化差值方面产生超过100%的改善。图8为示出了符合本发明的技术的流程图。如图8所示，成像单元21利用第一电 磁辐射来照射生物生长培养基24 (如步骤81所示)，并且利用所述第一电磁辐射进行照射 产生生物生长培养基24的一个或多个第一图像(如步骤82所示)。成像单元21还利用第 二电磁辐射来照射生物生长培养基24 (如步骤83所示)，并且利用所述第二电磁辐射进行 照射产生生物生长培养基的一个或多个第二图像(如步骤84所示)。可将产生的图像传送 至计算机22以进行图像分析。计算机22基于第一和第二图像来对生物生长培养基24上的生物因子进行计数。 具体地讲，计算机22基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱 反射率值进行标准化(如步骤85所示)、基于标准化的光谱反射率值来识别生物因子(如 步骤86所示)、并且对识别的生物因子进行计数(如步骤87所示)。换句话讲，计算机22 确定所述一个或多个第一图像中的光谱反射率与所述一个或多个第二图像中的光谱反射 率的比率、基于上述比率来识别生物因子、并且对识别的生物因子进行计数。第一电磁辐射可位于可见光谱内，并且第二电磁辐射可位于可见光谱外。例如，第 一电磁辐射可包括波长位于大约500纳米和700纳米之间的光，并且第二电磁辐射可包括 波长位于大约800纳米和900纳米之间的光。如果需要，计算机22可保存与生物生长培养 基相关的光谱曲线，在这种情况下，可基于第一和第二图像以及保存的光谱曲线来识别生 物生长培养基24上的生物因子。作为另外一种选择，可使用保存的光谱曲线来处理生物生 长培养基，从而可为生物生长培养基提供质量检查。当开发出新型的生物生长板时，计算机 22可利用新的光谱曲线进行更新。图9为示出了符合本发明的技术的另一个流程图。如图9所示，成像单元21利用 位于可见光谱之外的电磁辐射来照射生物生长培养基24 (如步骤91所示)，并且利用位于 可见光谱之外的电磁辐射所照射产生生物生长培养基24的一个或多个图像(如步骤92所 示)。可将产生的图像传送至计算机22以进行图像分析，并且计算机22可基于所述一个或多个图像来对生物生长培养基24上的生物因子进行计数(如步骤93所示)。此外，位于可见光谱之外的电磁辐射可包括波长在大约700纳米和大约1000纳米 之间、更具体地讲在大约800纳米和大约900纳米之间的光。另外也可产生位于可见光谱 内的图像，在这种情况下，计算机22可基于与位于可见光谱内的照射相关的一个或多个第 一图像、以及与位于可见光谱外的照射相关的一个或多个第二图像来对生物生长培养基24 上的生物因子进行计数。本文所述的技术可受各种修改形式和具体实施细节的支配。例如，利用位于可见 光谱外的光所产生的图像可具有其他用途，例如将生物生长培养基设计成显示位于可见光 谱外的波长的光谱信息。另外，尽管已描述了具体的示例性系统，但本发明的技术可用于其 它类型的系统或设备中，例如�？榛纳锷づ嘌硐低�、或包括成像和图像处理 能力的完全一体化的生物阅读器。本文所述的技术可在硬件、软件、固件、或它们的任何组合中来实施。如果在软件 中实施，那么所述技术可至少部分地通过包括下述指令的计算机可读介质来实现，所述指 令在生物生长培养基处理系统的计算机中执行时可使该计算机执行本发明的技术中的一 个或多个。计算机可读的数据存储介质可形成计算机程序产品(可包括包装材料)的部 分。计算机可读介质可包括诸如同步动态随机访问存储器(SDRAM)之类的随机访问存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机访问存储器(NVRAM)、电可擦可编程的只读存储器 (EEPROM)、闪速(FLASH)存储器、磁性或光学的数据存储介质等等。计算机可读指令可在所述系统的计算机中由一个或多个处理器、通用微处理器、 专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或其他等效的集成或分离的逻辑电路来 执行。因此，本文所用的术语“处理器”可指适用于实施本文所述的技术的任何结构。对于软件实施例，本发明可提供包括下述指令的计算机可读介质，所述指令在生 物生长培养基处理系统的计算机中执行时使得该计算机接收所述生物生长培养基的一个 或多个图像并且基于所述一个或多个图像来对所述生物生长培养基上的生物因子进行计 数，其中所述一个或多个图像已在利用位于可见光谱之外的电磁辐射来照射所述生物生长 培养基期间产生。另外，本发明可提供包括下述指令的计算机可读介质，所述指令在生物生长培养 基处理系统的计算机中执行时使得该计算机接收所述生物生长培养基的一个或多个第一 图像、接收所述生物生长培养基的一个或多个第二图像、基于所述一个或多个第二图像对 所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标准化、并且基于标准化的光谱反射率值 来对生物因子进行计数，其中所述一个或多个第一图像已在利用第一电磁辐射来照射所述 生物生长培养基期间产生，所述一个或多个第二图像已在利用第二电磁辐射来照射所述生 物生长培养基期间产生。如果在硬件中实施，本发明可涉及电路，例如被构造用于执行本文所述的技术中 的一个或多个的集成电路、ASIC、FPGA、逻辑电路或它们的各种组合。在不脱离本发明的精 神和范围的前提下，可进行各种修改。这些实施例和其它实施例都在以下权利要求书的范 围内。
权利要求
一种方法，包括利用位于可见光谱之外的电磁辐射来照射生物生长培养基；产生利用位于所述可见光谱之外的所述电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个图像；以及基于所述一个或多个图像对所述生物生长培养基上的生物因子进行计数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中利用位于所述可见光谱之外的电磁辐射来照射所 述生物生长培养基包括利用波长位于大约700纳米和大约1000纳米之间的光来照射所述 生物生长培养基。
3.根据权利要求1所述的方法，其中利用位于所述可见光谱之外的电磁辐射来照射所 述生物生长培养基包括利用波长位于大约800纳米和大约900纳米之间的光来照射所述生 物生长培养基。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括利用位于所述可见光谱内的第一电磁辐射来照射所述生物生长培养基； 产生利用所述第一电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第一图像；利用位于所述可见光谱外的第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基； 产生利用所述第二电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第二图像；以及基于所述生物生长培养基的所述第一和第二图像来对所述生物生长培养基上的生物 因子进行计数。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标 准化；以及基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子；以及 对所述识别的生物因子进行计数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中位于所述可见光谱内的所述第一电磁辐射包括波长在大约500纳米和大约700纳米之 间的光；并且位于所述可见光谱外的所述第二电磁辐射包括波长在大约800纳米和大约900纳米之 间的光。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括确定所述一个或多个第一图像中的光谱反射率与所述一个或多个第二图像中的光谱 反射率的比率；基于所述比率来识别所述生物因子；以及 对所述识别的生物因子进行计数。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括保存与所述生物生长培养基相关的光谱曲线；以及 基于所述保存的光谱曲线来处理所述生物生长培养基。
9.一种方法，包括利用第一电磁辐射来照射生物生长培养基；产生利用所述第一电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第一图像；利用第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基；产生利用所述第二电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第二图像；基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标 准化；基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子；以及 对所述识别的生物因子进行计数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一电磁辐射位于可见光谱内，并且所述第 二电磁辐射位于所述可见光谱外。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一电磁辐射包括波长在大约500纳米和大约700纳米之间的光；并且 所述第二电磁辐射包括波长在大约800纳米和大约900纳米之间的光。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括保存与所述生物生长培养基相关的光谱曲线；以及 基于所述保存的光谱曲线来处理所述生物生长培养基。
13.根据权利要求9所述的方法，其中基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标 准化包括针对不同的像素位置来确定所述一个或多个第一图像中的光谱反射率与所述一 个或多个第二图像中的光谱反射率的比率；并且识别所述生物因子包括将所述比率与一个或多个阈值进行比较。
14.一种系统，包括成像单元，所述成像单元利用位于可见光谱之外的电磁辐射来照射生物生长培养基， 并且产生利用位于所述可见光谱之外的所述电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的 一个或多个图像；和计算机，所述计算机基于所述一个或多个图像对所述生物生长培养基上的生物因子进 行计数。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述成像单元利用波长在大约700纳米和大约 1000纳米之间的光来照射所述生物生长培养基。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述成像单元利用波长在大约800纳米和大约 900纳米之间的光来照射所述生物生长培养基。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述成像单元利用位于所述可见光谱内的第一电磁辐射来照射所述生物生长培养基、 产生利用所述第一电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第一图像、利用 位于所述可见光谱外的第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基、并且产生利用所述第二 电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第二图像；并且所述计算机基于所述生物生长培养基的所述第一和第二图像来对所述生物生长培养基上的生物因子进行计数。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述计算机基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标 准化；基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子；并且 对所述识别的生物因子进行计数。
19.根据权利要求18所述的系统，其中位于所述可见光谱内的所述第一电磁辐射包括波长在大约500纳米和大约700纳米之 间的光；并且位于所述可见光谱外的所述第二电磁辐射包括波长在大约800纳米和900纳米之间的光。
20.根据权利要求17所述的系统，其中所述计算机确定所述一个或多个第一图像中的光谱反射率与所述一个或多个第二图像中的光谱 反射率的比率；基于所述比率来识别所述生物因子；并且 对所述识别的生物因子进行计数。
21.根据权利要求14所述的系统，其中所述计算机 保存与所述生物生长培养基相关的光谱曲线；并且 基于所述保存的光谱曲线来处理所述生物生长培养基。
22.根据权利要求14所述的系统，还包括对所述生物生长培养基进行接种的接种单元；和 培养所述生物生长培养基的培养单元。
23.—种系统，包括成像单元，所述成像单元利用第一电磁辐射来照射生物生长培养基，产生利用所述第 一电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第一图像，利用第二电磁辐射来 照射所述生物生长培养基，并且产生利用所述第二电磁辐射进行照射的所述生物生长培养 基的一个或多个第二图像；和计算机，所述计算机基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光 谱反射率值进行标准化、基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子、并且对所 述识别的生物因子进行计数。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一电磁辐射位于可见光谱内，并且所述 第二电磁辐射位于所述可见光谱外。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述第一电磁辐射包括波长在大约500纳米和大约700纳米之间的光；以及 所述第二电磁辐射包括波长在大约800纳米和大约900纳米之间的光。
26.根据权利要求23所述的系统，其中所述计算机 保存与所述生物生长培养基相关的光谱曲线；并且 基于所述保存的光谱曲线来处理所述生物生长培养基。
27.根据权利要求23所述的系统，还包括对所述生物生长培养基进行接种的接种单元；和 培养所述生物生长培养基的培养单元。
28.根据权利要求23所述的系统，其中所述计算机通过针对不同的像素位置确定所述一个或多个第一图像中的光谱反射率与所述一个 或多个第二图像中的光谱反射率的比率来基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多 个第一图像中的光谱反射率值进行标准化；并且通过将所述比率与一个或多个阈值进行比较来识别所述生物因子。
29.—种系统，包括利用位于可见光谱外的电磁辐射来照射生物生长培养基的装置； 产生利用位于所述可见光谱外的所述电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一 个或多个图像的装置；以及基于所述一个或多个图像对所述生物生长培养基上的生物因子进行计数的装置。
30.一种系统，包括利用第一电磁辐射来照射生物生长培养基的装置；产生利用所述第一电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第一图像 的装置；利用第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基的装置；产生利用所述第二电磁辐射进行照射的所述生物生长培养基的一个或多个第二图像 的装置；用于基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进 行标准化的装置；基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子的装置；以及 对所述识别的生物因子进行计数的装置。
31.一种计算机可读介质，包括指令，所述指令在生物生长培养基处理系统的计算机中 执行时使得所述计算机接收所述生物生长培养基的一个或多个图像，所述一个或多个图像已在利用位于所述 可见光谱外的所述电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生；并且基于所述一个或多个图像来对所述生物生长培养基上的生物因子进行计数。
32.—种计算机可读介质，包括指令，所述指令在生物生长培养基处理系统的计算机中 执行时使得所述计算机接收所述生物生长培养基的一个或多个第一图像，所述一个或多个第一图像已在利用 第一电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生；接收所述生物生长培养基的一个或多个第二图像，所述一个或多个第二图像已在利用 第二电磁辐射来照射所述生物生长培养基期间产生；基于所述一个或多个第二图像对所述一个或多个第一图像中的光谱反射率值进行标 准化；基于所述标准化的光谱反射率值来识别所述生物因子；并且 对所述识别的生物因子进行计数。
全文摘要
本发明涉及用于对生物生长培养基进行自动分析的成像技术和图像分析技术。根据本发明，可使用生物生长培养基的光谱响应来从生物生长培养基的图像中识别和计数生物因子。可利用两种或多种不同波长的电磁辐射来照射所述生物生长培养基，并且可在这些不同的照射下来采集所述生物生长培养基的图像。基于一个或多个第二图像中的光谱反射率对一个或多个第一图像中的光谱反射率值值进行标准化，其中所述第一图像和与所述第二图像不同的照射波长相关。所述标准化可允许更好地识别显示在所述生物生长培养基上的生物因子。
文档编号G01N21/01GK101981430SQ200980110759
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月26日
发明者菲利普·A·博莱亚 申请人:3M创新有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
