手机拍照免疫层析图像识别技术获新突破

普通消费者在家中，使用手机App拍照就能快速检测新冠病毒、食品中的农兽药残留、环境中的污染物……听起来似乎不太可能。然而随着技术的不断进步，科学家通过将手机拍照识别与试纸条的显色反应相结合，上述场景在不久的将来将成为现实。

通常而言，病毒、农兽药残留和环境污染物的分析检测大都是由专业人员在实验室完成。但是近年来，一种叫做侧流免疫层析试纸条的技术被越来越多地应用于病毒、细菌、转基因蛋白等大分子以及农药、抗生素、二噁英等小分子目标物的现场快速检测。早早孕试纸条，俗称的“验孕棒”，就是一种典型的侧流免疫层析试纸条（图1）。

图1 胶体金侧流免疫层析试纸条结构示意图

通常情况下，通过观察试纸条反应之后检测线（T线）和控制线（C线）显色与否，可以定性判定检测结果，通过T线和C线的显色强度相对高低，可以分析目标物含量的高低。

但是，针对不同类型的目标物，试纸条具有不同的检测模式和判定规则（图2），比如说测孕试纸的T线显色表示阳性结果，但是农药残留试纸条的T线显色却可能是阴性结果。

图2 不同反应模式免疫层析试纸条显色结果判定规则

普通消费者对不同的反应模式和判定规则的准确掌握有一定难度，且不同人肉眼对于颜色有无和强弱的感官差异还容易带来主观误差，所以免疫层析试纸条结果的判定、尤其是定量结果判定大都依靠专业试纸条读卡仪完成。

但是因为读卡仪价格普遍较高且通常只兼容同一厂家试纸条，限制了其在普通消费者家庭中的应用。开发更加智能、便捷和准确的试纸条检测结果判读技术，具有重要现实意义。

近年来，具备内置高清摄像头的智能手机已经在消费者中普及，使用手机摄像头拍照结合图像识别软件替代专业读卡仪，可实现侧流免疫层析技术即时现场快速检测、快速筛查，且能满足偏远或不方便实验室大型仪器检测地区使用，已经成为快速分析检测领域的研究热点。

手机拍照免疫层析图像识别技术的核心是在拍照之后，利用图像识别算法，将试纸条显色的光学信号转化为数字信号，再根据判定规则分析试纸条检测结果。

目前，根据显色标记材料不同，主要有两种应用形式，一种是可见光材料标记试纸条，如“早早孕”胶体金试纸条；另一种是用荧光材料标记的试纸条。在实际检测时，智能手机摄像头获取试纸条彩色图像，图像识别算法识别并切割试纸条显色区域，提取出T线和C线。

之后采用不同的色彩模型，如灰度格式、RGB（红色、绿色、蓝色）格式或HSV（色调、饱和度、亮度）格式读取T线和C线的色度值，完成定性检测，或通过相对色度值（T/C）与目标物浓度拟合标准曲线，实现定量检测。

由于荧光材料显色离不开激发光源，从技术简便程度和成本角度考虑，采用可见光材料标记的试纸条更便于消费者居家使用。

但是，如何克服不同强度环境光背景的影响，使用不同手机拍照均能准确判读胶体金试纸条的显色结果，成为该技术进入普通消费者家中的主要瓶颈。

理论上，手机拍照得到的是反射光图片，反射光强度受入射光源强度和角度影响，因此不同光强条件下获得的图片其色度值不一致。为了避免环境光强的影响，现有技术通常在内置了稳定光源的暗盒中进行拍照，且需固定手机摄像头与试纸条的相对位置，以便固定拍摄角度和距离；

此外，由于不同手机内置的摄像头型号不同、像素大小各异，原始数据处理所采用的底层算法差异均会对判读结果产生较大影响。

图3 手机拍照农药多残留免疫层析检测技术

目前，中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所的科研团队，发布了一项最新的研究成果，实现了在环境光条件下，结合胶体金免疫层析试纸条，使用智能手机拍照5分钟检测茶叶中多种农药残留的快速检测技术（图3）。

该技术创新了试纸条外观设计和多通道检测形式，通过给不同种类试纸条标记相应的条形码[1,2]来实现身份识别，匹配开发云计算图像识别App，并探索了不同手机型号、不同光强条件下系统判读结果的客观规律，建立模型、优化背景扣除和系统校正算法，实现了多目标、高通量检测，且该技术已经成功拓展应用于新冠病毒、甲流、乙流等多种呼吸道病毒的同时检测。