抑菌圈自动测量系统及其在抗生素效价评价中的应用

辛在海 ,王国雷

1.山东省千佛山医院 医学工程部，山东 济南 250014；2.山东大学控制科学与工程学院 山东 济南 250014

抑菌圈自动测量系统及其在抗生素效价评价中的应用

辛在海1,王国雷2

1.山东省千佛山医院 医学工程部，山东 济南 250014；2.山东大学控制科学与工程学院 山东 济南 250014

当前，国内外对抗生素测定的通用方法是微生物检定法，该方法是通过测量微生物抑菌圈的大小得到抗生素的效价。本文系统介绍了抑菌圈自动测量系统的硬件和软件设计，将图像形态处理学的理论应用于抑菌圈边缘的提取。应用各种边缘提取算子对抑菌圈边缘进行提取，发现应用canny算子得到的抑菌圈边缘较为理想。最后利用抗生素浓度与抑菌圈直径或面积的关系，求出样品的效价。

抑菌圈；形态处理学；canny算子；抗生素效价

抗生素生物效价测定是以抗生素的抑菌力和杀菌力作为效价的衡量标准。抗生素效价的测量方法主要有2种：管碟法和比浊法（浊度法）。管碟法的原理是将已知浓度的标准溶液与未知浓度的样品溶液在含有敏感性试验菌的琼脂表面进行扩散渗透，形成抑制试验长菌的透明抑菌圈，对抑菌圈直径或面积的大小进行测定，根据抗生素浓度与抑菌圈直径或面积之间的关系，求出抗生素的生物效价。金杰等人[1]提出了一种利用BP神经网络自学习自适应能力，建立抗生素效价与抑菌圈直径之间的预测模型，该方法简便快捷，预测结果可靠。由此可见，抑菌圈大小的测量是系统设计的关键任务。传统的手工测量法具有精度低，操作繁琐，耗时长等缺点，后来出现的采用光学非接触测量法的专用抑菌圈测量仪则价格昂贵，测量精度也不十分理想。本文利用VC++6.0作为开发环境，编写了一个抑菌圈图像处理和边缘自动检测的软件，实现对抑菌圈的自动测量，克服了人工测量的缺点，取得了较为理想的结果。

1 工作任务

基于图像处理的微生物抑菌圈自动测量分析系统是以计算机为中心，数字图像处理技术为基础。综合利用了图像传感器、计算机和误差处理等多种技术的一种新型的自动测量系统。系统设计工作流程如图1所示。

如图1所示，工作任务分为硬件设计和软件设计。硬件主要负责对抑菌圈图像进行采集并进行数值离散化，而软件设计主要任务是应用各种图像处理方法对采集到的图像进行处理和分析，得到质量最高的图像以方便我们提取抑菌圈边缘，从而测量抑菌圈实际物理参数，最后对抗生素效价做出合理的评定。

图1 系统设计工作流程图

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件主要包括如下：运动控制卡（控制步进电机运动，从而方便我们获取最佳的图像视角）；CCD摄像头；视频采集卡；计算机。

2.2 图像采集软件设计

图像采集软件采用VFW技术实现视频采集。VFW以消息驱动方式对视频设备进行管理，可以很方便地控制设备数据流的工作过程。目前，大多数的视频采集设备驱动程序都支持VFW接口，它主要包括多个动态连接库，通过这些组件间的协调合作，来完成视频的捕获、视频压缩及播放功能。视频数据的实时采集，主要通过AVICAP模块中的消息、宏函数、结构，以及回调函数来完成。本实验主要通过宏函数来完成采集过程，每一个宏函数完成的功能都可以用相应的消息机制来实现。

2.3 图像分析软件设计

由于抑菌圈内外灰度相差较小，并且抑菌圈内部有时也分布着菌落。这些都给抑菌圈的提取带来困难。如果抑菌圈内外灰度相差太小，在边缘检测过程中会出现断边，这对抑菌圈内部分布的菌落会产成干扰，有时还会出现双边缘现象。这些干扰会给图像分析软件的设计带来困难，所以如何提高图像分析软件的抗干扰能力是提高系统性能的关键。

为确定我们进行图像处理的方法，我们在一个培养皿中只放置一个涂有抗生素的纸片，也就是说我们拍摄到的只有一个抑菌圈，这样我们可以确定进行图像处理选取的方法和进行的先后步骤。

通过多次图像处理的方法比较，本实验采用如图2所示的图像处理方法，无论是从处理的数据量还是图像清晰度都得到了理想的结果。

图像进行中值滤波后起到平滑作用，进行二值化处理方便我们进行图像闭运算，这样能够对图像的边缘起到很好的平滑作用。以下为图像处理前后比较，如图3所示：

图2 图像分析软件流程图

图3 图像处理前后比较

接下来我们应用各种边缘检测算子对抑菌圈边缘进行检测。常用的边缘检测算子有Roberts边缘检测算子、Sobel边缘检测算子、Prewitt边缘检测算子、Canny边缘检测算子等；另外还可以通过小波变换实现边缘检测。Roberts边缘算子采用的是对角方向相邻的2个像素之差，从图像处理的实际效果来看，边缘定位准，对噪声敏感。Sobel和Prewitt算子都是先做加权平均，再微分，然后求梯度，效果一般。Canny算子具体实现有3个步骤：① 用高斯滤波器对图像进行滤波，去除图像中的部分噪声；② 用高斯算子的一阶微分对图像进行滤波，得到图像梯度的强度和方向；③ 对梯度进行非最大抑制和滞后阈值处理，得到边缘图像。

图4是用各个微分算子对闭运算后的图像进行边缘提取的结果。

图4 应用各种方法提取图像边缘

接下来进行图像周长和面积的自动计算。在菜单中点击周长自动计算和面积自动计算时软件会根据某种算法自动计算周长和面积的大小。这里计算周长和面积的思想如下：将白色区域视为背景，黑色区域视为物体，则从图像的左下角开始追踪，最后回到出发点的跟踪方法。自动测量周长和面积结果如图5所示。

图5 周长和面积自动测量结果

可以看到，在图像的下方都会对图像的周长和面积的大小进行标注。当然，这里标注大小的单位为像素，可以根据像素值换算为实际的尺寸大小。经过多组实验，该系统测量结果稳定，与实际数据出入不大，效果很不错。

当然，为了排除边缘轮廓自动提取跟踪中可能出现的错误，软件在设计时也保留了手动测量选项，由测量人员点击鼠标选择图像边缘。

3 抗生素效价评定

根据抗生素效价生物检定的理论，抗生素测定法主要是利用抗生素在特定实验菌的固体培养基内呈球面行扩散，形成含一定浓度抗生素的球形区，抑制了实验菌的繁殖而呈现出透明的抑菌圈。根据抗生素在一定浓度范围内，对数剂量与抑菌圈直径或面积成线性关系，因此可以通过观察抑菌圈并测量其半径或面积，可以换算成抗生素效价。当然，该方法受多种因素的影响会引入一定的误差。金杰等人[1]提出了利用BP神经网络自学习自适应能力，建立抗生素效价与抑菌圈直径之间的预测模型。当然，这属于生物医学的问题，我们设计系统的关键是要精确测量抑菌圈的大小。

4 总结与展望

本文详细论述了抑菌圈自动测量系统硬件软件设计，

本系统具有结构简单、软件系统用户界面友好、精度高且工作效率高等优点，实现了抑菌圈自动测量，并对抗生素效价做出了合理科学的评价标准。目前，市场上已经将这套系统产品化。但对于抑菌圈边缘的自动识别方法还有待我们进一步提出更合理的算法，消除噪声和抑菌圈毛边的影响。

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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

作者邮箱：xinzaihai1982@163.com