張嘉文 董曉斌 苗桂君 邱憲波

(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

引言

新型冠狀病毒肺炎(SARS-CoV-2)于2019年12月底爆發(fā)，嚴(yán)重危害人類公共衛(wèi)生安全。由于其超強的傳染性，快速準(zhǔn)確地診斷和控制顯得至關(guān)重要。核酸檢測作為重要的診斷手段，為SARS-CoV-2的鑒定提供了精準(zhǔn)迅速的檢測方法。采取高靈敏的核酸檢測方法，對不同程度感染的患者進(jìn)行個體化治療、療效監(jiān)測等，具有非常重要的臨床意義。

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction，PCR)技術(shù)作為科研和臨床中廣為使用的一種核酸檢測方法，至今已經(jīng)更新到第三代技術(shù)。其中，第一代是傳統(tǒng)的終點PCR技術(shù)，可實現(xiàn)核酸定性檢測；第二代是實時定量熒光PCR技術(shù)(real-time quantitative PCR，qPCR)，可實現(xiàn)核酸的相對定量檢測；第三代為數(shù)字PCR技術(shù)(digital PCR，dPCR)，可實現(xiàn)核酸的絕對定量檢測。微液滴作為生化反應(yīng)的微反應(yīng)器，具備高通量、低消耗、無交叉污染、保證反應(yīng)均勻性等優(yōu)點，液滴微流控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于單細(xì)胞研究、腫瘤早期診斷、基因測序等生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域[1]。液滴數(shù)字PCR(droplet digital PCR，ddPCR)作為一種高通量、低成本的數(shù)字PCR技術(shù)，由于其對于低豐度目標(biāo)的檢測具有較高的靈敏度和特異性，在核酸分析及腫瘤疾病診斷方面具有很大應(yīng)用潛力[2]。例如，ddPCR在新冠病毒SARS-Cov-2的檢測中，將準(zhǔn)確度從RT-qPCR的28.2%提高到87.4%，非常適合在隔離觀察期的低病毒載量患者的檢測[3]。

液滴數(shù)字PCR技術(shù)將包裹核酸的液滴作為反應(yīng)單元，通過對液滴的計數(shù)統(tǒng)計來進(jìn)行樣品的判斷。但在實際應(yīng)用中，由于液滴體積小、數(shù)量龐大、排列密集，靠傳統(tǒng)人工計數(shù)方式很難準(zhǔn)確識別。目前，在液滴識別與檢測領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展出多種基于微流控芯片的液滴識別與計數(shù)技術(shù)，主要分為流式檢測法和熒光圖像檢測法兩種。對于流式檢測法，主要通過光電晶體管、光電二極管或光電倍增管(PMT)等傳感器進(jìn)行探測，雖然靈敏度高，但是順序逐一檢測每個微滴的方式，吞吐量低且設(shè)備成本高[4]；對于熒光圖像檢測法，通常通過CMOS傳感器或CCD的掃描設(shè)備進(jìn)行拍照和圖像處理分析來實現(xiàn)檢測[5]。與流式檢測法相比，熒光圖像檢測法可以一次掃描多個液滴，大大縮短檢測時間。但是，受圖像傳感器的頻率、曝光性能等的限制，對于較大的平鋪液滴芯片無法一次實現(xiàn)整個芯片的掃描拍照，需要針對不同部位進(jìn)行多次拍照；液滴內(nèi)部與背景反差小，造成熒光圖像均勻性差，或者存在噪聲的情況，增加了液滴檢測與識別的難度。而且，圖像處理算法的速度和效率決定了實現(xiàn)PCR定量所需的總時間。因此，圍繞液滴微流控技術(shù)的高靈敏檢測應(yīng)用，發(fā)展與液滴微流控芯片相匹配的高通量、高效的液滴圖像檢測方法，進(jìn)一步提高液滴微流控技術(shù)的檢測靈敏度是一個重要的研究方向。

針對上述問題，本研究提出了一種基于計算機視覺的低成本、高精度且簡單快速的方法，實現(xiàn)液滴的準(zhǔn)確識別與計數(shù)；通過設(shè)計圖像拼接算法，對多次掃描芯片獲得的熒光圖像進(jìn)行拼接，再對拼接后的液滴圖像進(jìn)行檢測和計數(shù)。

1 方法

本實驗采用實驗顯微鏡，對使用PDMS制作的液滴生成芯片進(jìn)行掃描拍攝獲取，其中液滴由通過十字交叉通道的去離子水和礦物油+表面活性劑生成。用于拼接的明場液滴圖像由顯微鏡對液滴的收集腔按照3行2列的順序進(jìn)行拍攝，并且保證圖像之間有一定的重合部分。熒光液滴圖像采用文獻(xiàn)[6]中的熒光液滴圖像進(jìn)行試驗。液滴圖像檢測算法主要分為圖像拼接和圖像識別兩部分，算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程Fig.1 Flow chart of calculation

1.1 圖像拼接算法

拼接算法主要包括圖像配準(zhǔn)和圖像拼接兩個步驟。由于實驗環(huán)境下光源固定，所以在拍照過程中芯片明暗不會改變，經(jīng)試驗不需要圖像融合就可以得到較好的拼接結(jié)果。

在圖像配準(zhǔn)算法中，首先進(jìn)行特征點的提取。由于液滴圖像檢測對圖像的細(xì)節(jié)要求較高，所以在圖像拼接步驟中要盡可能保留圖像的特征，選擇高精度的特征提取方法，故本研究選擇對特征點描述更加精準(zhǔn)的SIFT(scale-invariant feature transform)[7]進(jìn)行提取；該局部特征描述子可以很好地應(yīng)對圖像尺寸變化，具有尺度不變性。其次，進(jìn)行特征點篩選。對相鄰圖像的特征點進(jìn)行匹配，依據(jù)特征點的特征描述子對相似特征點進(jìn)行匹配；然后對特征點進(jìn)行初步篩選[8]，先根據(jù)特征描述子的歐氏距離進(jìn)行篩選，距離越小說明兩個特征點越相似，再對篩選后的特征點進(jìn)行二次篩選[9]，得到最終的匹配特征點。再次，根據(jù)匹配特征點計算出圖像的變換矩陣，通過原圖像的像素矩陣與變換矩陣相乘，可將兩張圖像變換至同一坐標(biāo)系中，其公式如下：

(1)

(2)

式中，x、y分別為變換后的坐標(biāo)，u、v分別為變換前的坐標(biāo)。

最后，通過變換矩陣，將兩張圖像變換到同一坐標(biāo)系中對圖像進(jìn)行拼接。

1.2 液滴圖像識別算法

針對拼接后的圖像進(jìn)行液滴識別，根據(jù)不同的識別對象設(shè)計了不同的識別算法，主要分為明場液滴識別與熒光液滴識別兩種模式。

通過觀察明場液滴圖像，可以發(fā)現(xiàn)液滴輪廓呈圓環(huán)狀，分為內(nèi)輪廓和外輪廓，內(nèi)輪廓相互獨立互不粘連?；谏鲜鰣D像特征，在對圖像輪廓進(jìn)行檢測后，通過面積以及角點檢測進(jìn)行輪廓篩選，保留液滴內(nèi)輪廓后進(jìn)行輪廓計數(shù)，完成液滴檢測。實驗證明，明場液滴檢測算法簡單高效，對于明場液滴圖像具有較高的檢測精度。該算法主要包含圖像預(yù)處理、輪廓識別和輪廓篩選三大步驟。

第一步，對圖像進(jìn)行預(yù)處理。這部分主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)化、直方圖均衡化以及自適應(yīng)閾值分割圖像二值化操作，可以有效處理圖像明暗分布不均的問題[10]。然后對圖像進(jìn)行高斯模糊。一方面是可以消除噪聲，減少輪廓檢測算法的工作量，另一方面是可以消除閾值分割后產(chǎn)生的輪廓毛刺，并且不會影響角點特征，能減小角點檢測的誤差，為之后的角點檢測做鋪墊。

第二步，進(jìn)行輪廓識別。對二值圖像進(jìn)行邊緣增強[11]，使輪廓與背景對比更加明顯，再使用Canny算法進(jìn)行輪廓檢測，對液滴進(jìn)行輪廓識別之后液滴出現(xiàn)的內(nèi)圈和外圈輪廓、內(nèi)圈輪廓互不相連，可以篩選出內(nèi)圈輪廓完成檢測。

第三步進(jìn)行輪廓篩選。首先對輪廓進(jìn)行面積篩選，可以排除掉過大或者過小的輪廓，然后對輪廓進(jìn)行角點檢測。角點檢測的原理是：遍歷輪廓線上的點，取兩個距離該點Pi固定距離的輪廓點Pi-k、Pi+k，在一個很小的區(qū)域內(nèi)，可以用如下公式近似表示支撐角的大小[12]，將支撐角度小于一定閾值的全部視為角點，有

(3)

統(tǒng)計輪廓線上的角點數(shù)量，將角點數(shù)量大于一定閾值的輪廓全部排除，就得到最終的檢測結(jié)果。

針對熒光液滴圖像識別時，由于熒光液滴內(nèi)部與背景對比明顯、背景顏色單一，所以便于進(jìn)行圖像分割[13]。對圖像進(jìn)行閉運算，可以很好地分離粘連的液滴，所以在熒光液滴識別算法圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)增加了對圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)變換，從而實現(xiàn)粘連液滴的有效分離。然后，再對輪廓進(jìn)行精確計數(shù)。

為了驗證本算法對液滴識別的準(zhǔn)確率，將人工手動計數(shù)所得的結(jié)果作為液滴的精確數(shù)目進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果

2.1 實驗圖像拼接結(jié)果

本實驗選擇排列為3行2列的6張圖像進(jìn)行拼接，待拼接的圖像見圖2(a)，拼接的結(jié)果見圖2(b)。

圖2 圖像拼接。(a)待拼接圖片；(b)拼接后圖片F(xiàn)ig.2 Image stitching. (a) Images to be stitched；(b)Images after splicing

2.2 閾值分割鄰域大小

閾值分割所用的鄰域大小經(jīng)過多次實驗來確定。在同一實驗環(huán)境下，選擇不同鄰域大小的液滴識別結(jié)果，如圖3所示。實驗表明，鄰域選擇41×41～51×51的檢測結(jié)果最好。最終確定對該圖像選擇51×51的鄰域進(jìn)行計算，即取該點周圍的2 600個像素點的平均值作為閾值(T)，可表示為

圖3 自適應(yīng)閾值分割鄰域大小實驗結(jié)果Fig.3 Results of neighborhood size experimental

(4)

2.3 角點閾值實驗結(jié)果

如果角度閾值選擇過大，則無法檢測出輪廓線上的角點；而閾值選擇過小，則可能將液滴圓弧輪廓上的點誤檢測為角點。圖4展示了不同角度閾值情況下輪廓檢測結(jié)果及液滴識別的實驗結(jié)果。綜合實驗結(jié)果，本實驗采用0.22作為角度閾值。

圖4 角點檢測角度閾值實驗結(jié)果Fig.4 Corner detection angle threshold experimental results

2.4 液滴識別算法結(jié)果

圖5展示了圖像處理過程中關(guān)鍵步驟的效果，包括二值化、輪廓識別、輪廓篩選。從(d)可以看出，對非熒光液滴的內(nèi)輪廓進(jìn)行檢測，能有效避免液滴粘連導(dǎo)致的錯誤識別問題，取得較好的檢測結(jié)果。

圖5 圖像處理過程的各步驟。(a)二值圖片；(b)輪廓識別；(c)面積篩選去掉較大輪廓并進(jìn)行角點檢測；(d)角點篩選去掉不規(guī)則形狀Fig.5 Steps of image processing. (a) Binary image；(b) Contour recognition；(c) The larger contour is removed by area filtering and corner detection is carried out；(d) Removing irregular shapes by corner detection

熒光液滴檢測實驗結(jié)果如圖6所示。其中，(a)為原始熒光液滴圖像，(b)為輪廓識別后的效果，可以看出檢測效果較好。

圖6 熒光液滴圖像的檢測。(a)熒光液滴圖像；(b)算法對液滴進(jìn)行識別后Fig.6 Detection of fluorescent droplet image. (a) Fluorescence droplet image；(b) After droplet identification

2.5 算法識別準(zhǔn)確率驗證

對于液滴大小均勻的5組明場液滴圖像，算法識別的準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.2%以上，統(tǒng)計結(jié)果如圖7(a)所示。相比明場液滴圖像，熒光液滴圖像輪廓清晰，與背景對比明顯，便于進(jìn)行圖像識別，所以其識別準(zhǔn)確率可接近100%，實驗結(jié)果如圖7(b) 所示。

圖7 算法識別準(zhǔn)確率驗證。(a)明場液滴；(b)熒光液滴Fig.7 Algorithm accuracy verification. (a) Bright field droplet; (b) Fluorescent droplet

3 討論

目前，在液滴圖像識別的算法中，使用較為廣泛的方法為基于分水嶺算法的改良[14-16]，本研究選擇文獻(xiàn)[14]中的算法進(jìn)行對比。采用本算法、分水嶺算法與人工計數(shù)法，通過6組實驗，對明場液滴圖像與熒光液滴圖像的檢測性能進(jìn)行對比分析。

使用上述兩種方法，實現(xiàn)明場液滴圖像的檢測，結(jié)果如圖8(a)所示。實驗表明，同一背景下兩種算法在檢測精度上差別不大，但在實驗過程中，分水嶺算法容易出現(xiàn)過度分割，導(dǎo)致誤檢現(xiàn)象的存在[17]，尤其是出現(xiàn)液滴之間的間隙與液滴大小相近的情況，如圖8(b)所示。由于液滴間隙會產(chǎn)生夾角，所以通過本算法中的角點檢測，可以有效避免這種誤檢測的問題。

圖8 兩種液滴識別算法的對比分析。(a) 明場液滴檢測對比； (b)分水嶺算法檢測Fig.8 Comparison and analysis of two droplet recognition algorithms. (a) Comparison of bright field droplet detection；(b) Detection of watershed algorithm

在算法復(fù)雜度方面，分水嶺算法需要對每一個識別區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，還需要對標(biāo)記點進(jìn)行篩選，只留下液滴內(nèi)部的標(biāo)記點以及背景，并且標(biāo)記越多算法耗時越久。而本算法利用液滴圖像的特性，對液滴輪廓的內(nèi)圓進(jìn)行識別，不會產(chǎn)生輪廓粘連，省去了對輪廓進(jìn)行區(qū)分的步驟，在不損失檢測精度的情況下，實現(xiàn)了算法的簡化。

熒光液滴相對于非熒光液滴來說識別難度降低，因為其背景對比度高、輪廓清晰，更容易計算邊緣特征，完成圖像分割，所以上述兩種算法針對熒光液滴圖像檢測的成功率較高，3組實驗的液滴識別率均達(dá)到100%。實驗證明，本算法簡單可靠，對于熒光液滴識別，可達(dá)到與分水嶺算法相同的識別成功率。

4 結(jié)論

本研究以液滴數(shù)字PCR檢測為背景，驗證了算法從圖像拼接到液滴檢測的可行性，并且與分水嶺算法的檢測性能進(jìn)行了對比分析。實驗結(jié)果表明，所提的檢測方法對熒光和非熒光液滴的識別率均達(dá)到99.2%以上。在算法復(fù)雜度方面，本研究從液滴的特性出發(fā)，省去了分水嶺算法中的計算標(biāo)記點等步驟，進(jìn)一步簡化了算法；利用角點檢測，排除了與液滴大小相近的液滴間隙，實現(xiàn)了液滴的快速、高精度檢測。實驗證明，該算法節(jié)省人力資源，提高準(zhǔn)確率，可以在液滴檢測方面得到較好的應(yīng)用。