关键词:
侧流免疫层析
图像分割
定量检测
智能手机应用程序
摘要:
侧流免疫层析技术(Lateral Flow Immunochromatography Assay,LFIA)是一种被广泛应用的免疫分析技术。它利用特异性抗原-抗体反应,在试纸条上形成可见的信号线,从而实现目标物质的检测。该技术具有操作简单、灵敏度高、成本低、无需仪器等特点和优势,适用于多种领域,如医学、食品、环境等。随着我国人民生活水平的不断提高,对疾病检测和筛查的需求也日益增加,但如何实现低成本、快速、准确的现场检测仍然是医疗诊断领域的研究难点。因此,LFIA试纸条具有广阔的应用前景和市场潜力。然而,大部分LFIA试纸条只能进行定性或半定量的检测,并依赖于人工肉眼识别,不能满足定量的需求,这影响了试纸条的使用和推广。为了解决这个问题,将便携式检测仪器和智能手机应用程序(Application,App)结合起来,作为试纸条浓度的量化工具,成为了即时检测(Point of Care Testing,POCT)领域的研究热点。本文在前人研究的基础上对LFIA检测技术和图像处理算法进行了深入探索,并设计了一套基于智能手机App的LFIA试纸条智能定量检测系统,包含了硬件平台的搭建与算法的嵌入。本文的主要研究内容如下:a)介绍了 LFIA试纸条的研究背景、研究意义、结构组成及性质特点,并阐述了竞争法和夹心法两种工作模式各自的原理。概述了国内外LFIA检测技术以及定量检测仪器的研究进展与发展现状。b)针对试纸条定量过程中存在的复杂因素,分析并比较了几种现有的常用图像分割算法,结果验证这些算法在LFIA试纸条应用场景下表现并不佳。因此本文提出了 Mobile-UNet创新算法,专门针对试纸条分割定量场景进行了优化并最终采用此算法进行试纸条关键检测区域内控制线(C线)与检测线(T线)的提取。该算法主要包括图像预处理、图像分割定位、标准曲线拟合及稳定性实验。该算法能够有效地抵抗噪声干扰,对于低浓度试条图像能够较大程度地分割出其清晰轮廓,实验结果证明了其优良的分割性能。c)完成了 LFIA试纸条图像采集装置结构上的设计与搭建。该装置结构上采用环形白色发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)作为照明光源,选用小型化、高性价比的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)相机作为系统的图像传感器进行试纸条图像采集。该装置在保证图像质量和检测精度的同时,有效地缩小了体积,提高了便携性,大幅度降低了成本,适应了产品普及和远程医疗的需求。d)设计开发了 一款与图像采集装置和算法相配合的终端App,支持在iOS和Android手机上安装运行,实现人绒毛膜促性腺激素(Human Chorionic Gonadotropin,HCG)等生物标志物的快速检测和定量分析。以HCG为例进行加样检测表明,该App能够准确地测量加标尿液中的HCG含量(R2=0.978),显示出尿液中分析物浓度的真实水平,说明该App可以作为一种实时诊断的定量工具。图像处理算法、图像采集装置和手机App这三个组件的协同工作,可集成一个完整的、高效的LFIA试纸条定量检测系统。本文提出的检测系统已在杭州墨炬生物科技有限公司投入实际生产与应用,并已获准第一类医疗器械备案注册。该系统为LFIA试纸条的定量检测与疾病预判提供了新思路,有助于推动其在体外诊断(In Vitro Diagnosis,IVD)领域的广泛应用。