逢 甲 大 學

自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

生物試劑自動生產系統之檢測方法

Automatic Production of Biological

Reagent Detection System

指導教授： 林宸生

學 生： 李盈池

廖維正

張翔荏

中華民國九十七年十二月

感謝

首先感謝我們的指導教授林宸生老師，在老師的悉心指導之下，開始了我們

的專題研究過程。在製作專題期間教授給予我們細心的指導，以及在寫作期間不

厭其煩的加以修正。在老師的鼓勵之下，我們增進許多研究方面的知識。

在我們的研究生涯中，還要感謝許多實驗室學長、等在研究其間提供知識、

技術的指導以及生活上的照顧，讓我們增加了許多的知識。我們也誠心地感謝實

驗室的學長在實務上的指導及同學在論文撰寫上提供了寶貴的意見在此一併致

謝。

本論文，獻給我最深愛的父母與家人，他們給了我最大的精神支持，讓我能

在無後顧之憂的環境下專注於研究，全力衝刺。未來我也將帶著所有人的關心繼

續面對每一個挑戰勇往直前，充分表現。最後還是感謝我們的專題指導老師—林

林宸生教授包容及耐心的指導，以此專題成果報告，獻給所有人。

i

中文摘要

本研究主要是探討如何應用影像處理技術於生物試劑自動生產系統之監控，以

MATLAB 將所攝得的生物試劑影像傳送到電腦進行影像處理，並於螢幕上呈現顯

示。生化反應常利用螢光或顏色排列、組合等,配合醫學資料庫辨識檢測結果，

來表示其反應之結果，故可以使用機器視覺系統辨識顏色之排列並辨識檢驗結

果。而經過影像處理的資料會由電腦進行灰階值的分佈判讀，據以分析出生物試

劑上之控制線與測試線之位置正確度、試劑溶液的噴灑濃度是否適合等，從而判

斷引發不良狀況之原因，以供作為調整生物試劑自動生產系統之依憑，以確保能

將生物試劑成品之品質控制到最佳狀態。本研究主要是探討如何改良生物試劑檢

測系統的軟體架構，使能夠在快速而準確的情形下，得到欲知的結果。

ii

Abstract

The purpose of this research was to study how to use image processing

technology in the production of biological reagents with automatic monitoring system.

From test results, we understood that the noise that are not filtered would seriously

affect to mechanical vision system on the test strips’ judgment. We present a method

of automatic vision inspection to solve the problems in a rapid bio-test strips reader.

By determining the gray level of control line and testing zone, we can calculate the

characteristics of control line, test line and the reference light-field out further. We set

different threshold values for each division for the different light-field to identify

whether the error has occurred or not. This image-based measurement method, using

unsophisticated and economical equipment, will be verified in determining product

characteristics in the bio-fabrication process.

iii

目錄

感謝.................................................................................................................................i

中文摘要........................................................................................................................ii

Abstract ........................................................................................................................ iii

目錄...............................................................................................................................iv

圖目錄............................................................................................................................v

表目錄...........................................................................................................................vi

第一章 概論..................................................................................................................1

1.1 研究動機與目的.............................................................................................1

1.2 生物試劑樣本外觀簡介.................................................................................3

第二章 生物試劑自動噴灑裝置及檢驗......................................................................5

2.1 系統架構圖.....................................................................................................5

2.2 生物試劑呈色圖案之檢查.............................................................................8

2.3 噴嘴的選用.....................................................................................................9

2.4 影像處理技術...............................................................................................12

第三章 實驗數據與研究成果....................................................................................17

第四章 結論與未來展望............................................................................................38

參考文獻......................................................................................................................39

iv

圖目錄

圖 1 生物試劑樣本外觀圖...........................................................................................3

圖 2 生物試劑呈色紙之構造.......................................................................................3

圖 3 生物試劑自動噴灑裝置及檢驗裝置...................................................................5

圖 4 未切割之生物試劑呈色紙...................................................................................6

圖 5 單一之生物試劑呈色紙的規格...........................................................................6

圖 6 噴嘴之位置示意圖...............................................................................................6

圖 7 生產流程圖……………………………………………………………………...7

圖 8 噴嘴不正常所引起的現象...................................................................................9

圖 9 生物試劑之影像檢測區域之示意圖.................................................................13

圖 10 試劑紙及試劑紙承載片...................................................................................14

圖11 抽樣監控之流程圖……………………………………………………………15

圖 12 程式介面……………………………………………………………………...17

圖 13 載入圖檔並灰階化的介面…………………………………………………...18

圖 14 點選 75-16所出現的原始影像……………………………………………….18

圖 15 圖檔 75-16灰階化後的影像………………………………………………….19

圖 16 二值化後的影像……………………………………………………………...19

圖 17 影像滑移值為 50 的影像……………………………………………………..20

圖 18對水平方向之畫線情形……………………………………………………….20

圖 19 對水平畫線進行解析之情形………………………………………………...21

圖 20正規化投影灰階亮度統計圖………………………………………………….22

圖 21 正規化垂直投影切割灰階亮度統計圖的介面………………………………22

圖 22 選取圖 10-17所出現的灰階亮度統計圖…………………………………….23

圖23選取圖75-16所出現的灰階亮度統計圖……………………………………...23

圖 24 程式流程圖…………………………………………………………………...25

v

圖 25 nc 生物試劑之原始圖…………………………………………………………26

圖 26 nc 生物試劑之正規化灰階亮度統計圖………………………………………26

圖 27 nc 生物試劑之執行結果………………………………………………………27

圖 28 濃度等級 10 之生物試劑原始圖……………………………………………..27

圖 29 濃度等級 10 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖…………………………..28

圖30濃度等級 10生物試劑之執行結果……………………………………………28

圖 31 濃度等級 25 之生物試劑原始圖……………………………………………..29

圖 32 濃度等級 25 之生物試劑經灰階化後的影像………………………………..29

圖 33 濃度等級 25 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖…………………………..30

圖 34 濃度等級 25 之生物試劑執行結果…………………………………………..30

圖 35 濃度等級 50 之生物試劑原始圖……………………………………………..31

圖 36 濃度等級 50 之生物試劑經灰階化後的影像……………………………..…31

圖 37 濃度等級 50 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖…………………………..32

圖38濃度等級 50之生物試劑執行結果……………………………………………32

圖39濃度等級 75之生物試劑原始圖………………………………………………33

圖 40 濃度等級 75 之生物試劑經灰階化後的影像………………………………..33

圖41濃度等級 75之生物試劑正規化灰階亮度統計圖……………………………34

圖42濃度等級 75之生物試劑執行結果……………………………………………34

圖 43 濃度等級 100 之生物試劑原始圖……………………………………………35

圖 44 濃度等級 100 之生物試劑經灰階化後的影像……………………………….35

圖 45 濃度等級 100 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖…………………………36

圖46濃度等級 100之生物試劑執行結果…………………………………………..36

vi

表目錄

表 1 噴霧液體比重之換算係數..................................................................................10

表 2 典型噴嘴材料的近似耐磨比例..........................................................................11

表 3 影響噴霧性能的因素..........................................................................................11

表 4 生物試劑自動生產系統之監控裝置的檢測方法..............................................15

vii

第一章 概論

1.1 研究動機與目的

隨著生化科技的發展以及人類基因解碼，生物晶片正式進入我們的生活。所

謂的生物晶片，是一種微型裝置，科學家利用極精密的技術，根據不同需求，把

大量特定生物材料有次序的放置在一片非常微小，用紙、玻璃、矽或其他化學合

成物製造的載體上，可用於各種生化實驗檢測[1-2]。其應用領域極廣，包括新藥

開發、血液與疾病檢測、警檢法醫鑑定、環境監測、工業食品檢驗等。然而，生

物晶片最常運用在疾病了解，因為人類百分之六十以上的疾病和基因缺陷或異常

有關，透過瞭解基因功能有助於了解疾病機制，找出預防或治療的方法。因此，

透過抽血、分離、擊破、萃取、篩選與放大等一連串複雜過程，從生物疾病帶原

體中取得基因或蛋白質，再以這些基因或蛋白質為生物材料做成生物晶片（模擬

病原體），醫療人員便可以用這些具有模擬病原體的生物晶片進行檢測[3]。在生

物晶片檢驗方面，為便於觀察檢驗結果，生物晶片製造過程中必須在有問題的基

因或蛋白質體上標記螢光劑，在檢驗過程中只要把檢驗的樣本，例如尿液或血液

滴在晶片上，如果發生螢光反應，就表示檢驗樣本中的基因含有和晶片上類似的

病源體，醫療人員就可以根據晶片上的反應判斷症狀。

隨著生物科技的發展，許多生物快速檢測試劑的研究漸趨完整，而生物檢測

試劑的功能也從早期的發病後要產生抗體才檢驗的出來，發展到現在潛伏在體內

的病毒都能夠被檢驗出來。目前生物快速檢驗試劑對於醫學上的貢獻著重在於疾

病早期診治與療程追蹤，特別是應用於各類疾病的病前篩選階段，能使過去無法

診斷之傳染病、腫瘤或異常基因等，在極短時間內準確地判斷，在預防醫學與疾

病治療方面發揮極大功能。更由於遺傳工程、基因重組、單株抗體等技術不斷研

發並與電子自動化儀器相結合[4]，更加提高臨床診斷準確性及效率，且由於快

速檢驗試劑具高靈敏性、專一性及隱密性，且操作簡便又安全等優點，相信未來

1

將取代傳統之檢測方式。在醫學上很多疾病都有「空窗期」，像是 B型肝炎、C

型肝炎等，在這段期間內，以傳統的抗原-抗體檢驗方法，並無法從血液中檢出

肝炎抗原。由於生物快速檢驗試劑的靈敏度遠高於傳統檢驗方式，因此可以克服

此困難。另外，患者於治癒後，血液中仍含有肝炎的抗原-抗體，傳統之檢驗方

法亦無法檢測出來，故生物快速檢驗試劑具有快速、高靈敏度等優點。

以往的生物試劑常因製程不佳，導致 Control Line（控制線）及 Test Line

（測試線）的噴灑位置時常變動不一，無固定位置，此種情形對傳統以肉眼來判

讀結果的方式並沒有太大的影響，但是卻會造成日後新研發之檢測系統的檢測困

難，嚴重者甚至無法經由系統辨識其生化反應結果，因此有必要對生物試劑呈色

紙在生產線上做製程監控，以利日後生物試劑檢測系統的檢測，而這也是本系統

研發的主要標的。

本研究主要是探討如何應用影像處理於生物試劑自動生產系統之監控，其主

要是以 MATLAB 將所攝得的生物試劑影像傳送到電腦進行影像處理，並於螢幕上

呈現顯示，生化反應常利用螢光或顏色排列、組合等，配合醫學資料庫辨識檢測

結果，來表示其反應之結果，故可以使用機器視覺系統辨識顏色之排列並辨識檢

驗結果。而經過影像處理的資料會由電腦進行灰階值的分佈判讀[5-6]，據以分析

出生物試劑上之控制線與測試線之位置正確度、試劑溶液的噴灑濃度是否適合

等，從而判斷引發不良狀況之原因，以供作為調整生物試劑自動生產系統之依

憑，以確保能將生物試劑成品之品質控制到最佳狀態。

2

1.2 生物試劑樣本外觀簡介

圖 1 所示為生物試劑樣本外觀圖，圖 2 所示為生物試劑呈色紙之構造。

圖 1 生物試劑樣本外觀圖

圖 2 生物試劑呈色紙之構造

隨著生物科技的發展，許多生物快速檢驗試劑之視覺化檢測系統日趨重要。

C 型肝炎是一種由Hepatitis C Virus （HCV） 而引起的肝臟炎症。C 型肝炎的

傳染途徑主要是受HCV 感染的血液及體液經由皮膚或黏膜進入體內，最後進入

血液。HCV 感染會引起慢性肝炎。通常此種慢性肝炎無明顯症狀，通常從固定

的健檢中發現。C 型肝炎會引起肝臟的嚴重併發症，於感染15-20 年後患者常因

嚴重之肝硬化或肝細胞癌而死亡。患者於感染HCV 後體內會產生Anti-HCV 抗

體來對抗入侵之HCV，而Anti-HCV 抗體即是生物試劑自動檢測系統之主要偵測

3

標的。

本生物試劑自動檢測系統所採用之試劑應用免疫分析檢驗技術及層析原

理，將HCV 之重組蛋白（NS3、NS4、NS5、core protein）固定在Test Line 位

置，並以Protein G 結合膠體金作為試劑織呈色劑，主要檢測檢體內之Anti-HCV

抗體（IgG、IgM、IgA），作為快速並正確判斷人體血液是否有受HCV 感染，以

幫助個人及醫師做早期的診斷。此外，在HCV 試劑檢測結果有三種情形：

1. 陽性反應（Positive）：

當測試結果為Control Line 區出現色帶，且同時T 區亦同時或各自出現色

帶時，表示受測者血清中帶有Anti-HCV 之抗體。色帶顏色之深淺可代表血

清中抗體效價（titer）之高低。

2. 陰性反應（Negative）：

當測試結果為僅Control Line 區出現色帶時，表示受測者血清中不含

Anti-HCV 之抗體。

3. 無反應(Invalid)：

如果測試結果未出現任何色帶或是Control Line 區未出現色帶，此時表示此

試劑已失效、過期，或操作不當，需另做一次測試。

4

第二章 生物試劑自動噴灑裝置及檢驗

2.1 系統架構圖

為了解決以往的生物試劑常因製程不佳，而導致 Control Line 及 Test Line

的噴灑位置時常變動不一的問題，因此有生物試劑自動噴灑裝置及檢驗之裝

置，如圖 3。

CC

D

圖 3 生物試劑自動噴灑裝置及檢驗裝置

生物試劑自動噴灑裝置包含了一 XY Table、漏斗、流量控制閥、流量管、噴嘴、

未切割之生物試劑呈色紙等部分；檢驗裝置則包含了 CCD、光源、試劑紙承載

片及個人電腦。如圖 4 所示為未切割之生物試劑呈色紙，其中虛線的部分為切割

線，目的是將完整的試劑呈色紙切割成特定的成品大小，如圖 5 所示為單一之生

物試劑呈色紙的規格。

5

圖 4 未切割之生物試劑呈色紙

圖 5 單一之生物試劑呈色紙的規格

圖 6 噴嘴之位置示意圖

6

噴嘴間之距離為 Control Line 至 Test Line 的距離，為 4.5 mm。每個噴嘴

所噴出之有效範圍為必須控制在 1mm，如圖 6 所示為噴嘴之位置示意圖。圖

7 所示為生產流程圖。

圖 7 生產流程圖

7

2.2 生物試劑呈色圖案之檢查

(a) 正常狀況 (b) 速度過慢或流量過多=>噴灑過多

(c) 速度過快或流量太少=>噴灑不足 (d) 噴嘴角度向左偏移

(e) 噴嘴左側磨損，噴灑不均勻 (f) 噴嘴角度向右偏移

(g) 噴嘴右側磨損，噴灑不均勻 (h) 溶液濃度過淡

(i) 噴壓過大，噴灑不均勻 (j) 噴壓過小，噴灑不均勻

8

(k) 噴壓過小，噴灑不均勻 (l) 噴嘴阻塞，噴灑不均勻

圖 8 噴嘴不正常所引起的現象

以 Test Line 之噴灑為例，圖 8–(b)~20-(l)為噴嘴不正常所引起的現象，其

中虛線區域為正常狀況下之 Test Line 的位置。

2.3 噴嘴的選用

噴嘴的基本構造我們可分成單靠液壓噴霧的「單流體」及混合液體及氣

體的「二流體」兩種。噴霧的基本形狀則為扇型，實心錐形，空心錐形，液

柱流等四種。

要找出最佳的噴霧條件時，必須要將所有會影響噴霧結果的條件都考慮

進去。例如：黏度變低，液溫變高時比重會變小，流量就會變大。所以在選

擇噴嘴時必須要將噴霧條件，作業條件，使用的液體，氣體條件做總和性的

考量。而影響噴嘴性能主要可分為：

1. 流量

流量列表是以試劑所使用的液體為基礎。由於每種液體的比重皆會影

響其流動率，因此在表 1 中說明了流量必需乘以適用於噴霧液體比重之換

算係數。流量與噴霧壓力的關係如以下：

21

21

壓力

壓力

(升/分)流量

(升/分)流量= (9)

9

表 1 噴霧液體比重之換算係數

比重 0.82 0.97 1.00 1.07 1.20 1.32 1.44 1.65

換算係數 1.07 1.02 1.00 0.95 0.91 0.87 0.83 0.73

2. 噴霧角度與覆蓋範圍

表列之覆蓋範圍是根據噴霧夾角和距噴嘴口距離而計算出來的。這些

數據是基於噴霧角度在整個噴霧距離中保持不變的假設，事實上長距離噴

霧時此角度並不適用。表內之噴霧角以試劑為基準。且有效噴霧角度因距

離而變。當試劑液體比水黏時，形成之噴霧角較小，其角度取決於黏度、

噴嘴流量和噴射壓力。表面張力低於水的液體會產生較大之噴霧角度。

3. 衝擊力

噴霧對目標表面的衝擊力有幾種不同的表現方法，其中與噴嘴性能有

關且最有用的是每平方厘米衝擊力。

)/()/(024.0)/( 22 cmkgcmcmkg 噴射壓力噴霧理論總衝擊力 ×= λ (10)

4. 密度

密度試劑液體流量所噴灑的液體流量

1×= (11)

5. 黏度

絕對黏度是液體的性質，是液體在流動期間對自身成分的形狀或排列改變

的抵抗。液體黏度是影響噴霧形狀形成的主要因素。它在較小程度上也影

響流量。高黏度液體與水相比需要較高的下限壓力來形成一種噴霧形狀並

產生狹窄的噴霧角度。

6. 溫度

液體溫度改變不影響噴嘴的噴霧性質，但會影響黏度、表面張力和比重，

這些就會影響噴嘴的噴霧性質。

7. 表面張力

10

表面張力會影響最小工作壓力，噴流角度和液體粒子大小。

8. 噴嘴磨損

噴嘴的磨損將會使流量增加，破壞噴霧形狀。表 2 為典型噴嘴材料的近似

耐磨比例。

表 2 典型噴嘴材料的近似耐磨比例

材質 比例

鋁 1

黃銅 1

蒙乃爾合金 2-3

鋼 1.5-2

哈斯特洛伊合金 4-6

不鏽鋼 4-6

硬化不鏽鋼 10-15

斯特萊特合金 10-15

陶瓷 90-120

◆ 影響噴霧性能的因素

影響噴灑的性能有很多因素,如表 3 所示,為影響噴霧性能的各個因素

表 3 影響噴霧性能的因素

壓力↑ 比重↑ 黏度↑ 流體溫度↑ 表面張力↑

噴霧形狀 改善 -- 變差 改善 --

容量 ↑ ↓ * ** 無影響

噴射角度 ↑ => ↓ -- ↑ ↑ ↓

11

磨損 ↑ -- ↓ ** 無影響

衝擊力 ↑ -- ↓ ↑ --

速度 ↑ ↓ ↓ ↑ --

液滴尺寸 ↓ -- ↓ ↓ ↑

* 實心錐和空心錐增加；扇形噴霧減小

** 取決於被噴的流體和所用的噴嘴

-- 可忽略

2.4 影像處理技術

基本影像處理的手段[7-11]：

點素運算 (point operation)：影像的點素運算處理是對影像的亮度分佈

做修正或組合，不過點素運算作業並未將相鄰像素之間的關係考慮進去。

空間運算 (spatial operation)：我們可以對相鄰各點做進一步的處理，

來提供更多數位影像處理的憑據。

轉換運算 (transform operation)：如果想要處理影像之空間頻域特性，如

邊緣偵測、高通濾波、低通濾波等，常用的處理技巧就是利用轉換運算，例

如 Fourier、CZT、Hilbert 轉換等等，將影像轉至空間頻域後再實施空間濾

波 (spatial filtering)。

假色運算 (pseudo color operation)：使用假色運算對照表 (look up

table)，來得到一逼真又不佔太大的記憶體的影像。

12

為了能正確快速辨識生化反應之結果，本文提出一自動化視覺檢測法則，流程如

下：其中如圖 9 為辨識生物試劑試劑影像中各檢測區域之示意圖。

圖 9 生物試劑之影像檢測區域之示意圖

對於快速生物試劑檢測於線上品質的檢查方法，在製造前決定最好的生

產參數和減少試劑的不良率發生降至 1%的範圍內。視覺檢測系統的光學部分

是一個能進行動態影像擷取的電荷耦合裝置(CCD)，以獲取整個光源下快速

檢測試劑影像的攝影機，透過影像擷取並經由電腦分析將之影像轉換為數位

檔案或文件。將使用 USB2.0 介面的電腦攝影機，架設於固定的框架上，以

產生一個對於待測物位置合適且清楚的觀測角度。在攝影機上沒有提供自動

增益控制的特性，以避免量測上所產生的錯誤量及獲得原始資料。

對於快速生物試劑檢測的研究，主要是應用免疫分析檢測技術與層析原

理的方法。試劑包含一層薄膜，在其上將 HCV 之重組蛋白(NS3, NS4, NS5,

core protein)固定在 T 線位置，並且我們以 Protein G 粒子塗料作為試劑顯色

劑。血清或血漿是能是該檢查樣品。在將血液塗抹至圖紙上，並完成離心過

13

程則可立刻進行檢驗。在檢測期間，樣品根據毛細管原理在薄膜層上向上運

動與薄膜上重組的 HCV 抗原進行反應而產生有顏色的線條。這條有有色反

應線的存在表明一個陽性的結果，而它的不存在則表明一個陰性的結果。檢

測樣品在臨時性的保存，應保持溫度 2~8°C，而對於長時間的保存則需將溫

度控制在-20°C 以下。

以下陳列出對於快速生物試劑檢測，經濟檢測裝置的特別性質：

I. 當檢測樣品到達 T 線位置實，這段過程大約耗費 10~15 分鐘，且根據電腦視覺系統來構成一個顏色判斷標準。如此，我們能夠得在在 0.3秒的耗費時間內，達到一個快速的定量結果。

II. 高靈敏度。 III. 根據電腦視覺的顏色判斷具有高度的可信賴性。 IV. 簡單而且操作容易。

為確保生產品質的穩定，因此必須要能控制 Control Line 及 Test Line 的

噴灑品質（濃度、流量、區域等）。但因 Control Line 及 Test Line 試劑溶液為

透明液體，必須將陽性反應的樣本滴入試劑紙後才會將顏色呈現出來，故無

法做及時線上檢測，因此必須採用離線檢測。又此檢驗屬於破壞性檢驗，為

一不可逆的過程，故無法做大量檢驗，甚至全數檢驗，因此必須採取抽樣檢

驗。

抽樣檢驗之抽取量多寡與間隔需視作業現場及實際情況而定。

將欲檢驗之試劑片置放於試劑紙承載片上，如圖 10 所示為試劑紙及試劑紙承載

片。將完全陽性反應的樣本滴入 Sample Pad，等待反應完成（約為 5 分鐘），再

將試劑紙承載片置放於 CCD 攝影機的下方以做檢測即可。抽樣監控之流程如圖

11 所示為抽樣監控之流程圖，抽驗檢驗後的結果是做為調整流量控制閥及調整

噴嘴或更換噴嘴之依據，以確保能將生物試劑呈色紙之品質控制到最佳。

14

圖 10 試劑紙及試劑紙承載片

圖 11 抽樣監控之流程圖

生物試劑自動生產系統之監控裝置的檢測方法如表 4 進行下列檢測：

表 4 生物試劑自動生產系統之監控裝置的檢測方法

15

表 4 生物試劑自動生產系統之監控裝置的檢測方法

(1)．檢測控制線是否正常：藉以判斷是否為有效樣本。

(2)．尋找控制線中心：估測理論上的測試線中心。

(3)．尋找理論上的測試線中心：

(4)．尋找實際上的測試線中心：

(5)．光場量測：掌握檢驗環境之變化程度。

(6)．尋找測試線(Test Line)反應區：

(7)．計算測試線(Test Line)反應區與

陰性反應(NC)的最大差異量

(8)．判斷反應結果：

判定出測試線之

反應區範圍

由判斷噴灑濃度

來判斷品質

但是，如何由上述之各檢測項目之數據來判斷下列狀況：

狀況(b)(c)噴灑範圍過大、過小；

狀況(d)(f)左偏、右偏；

狀況(e)(g)噴嘴左側或右側磨損之不均勻狀態；

狀況(h)溶液濃度過淡；

狀況(i)噴壓過大之不均勻；

狀況(j)(k)二種噴壓過小之不均勻。

16

第三章 實驗數據與研究成果

首先我們用影像處理之技術以 Matlab 來分析判斷生物試劑之呈色圖

案之情形。圖 12 是我們的程式介面。我們先依照程式介面的選項一步步做處

理。

圖 12 程式介面

載入圖檔並灰階化

首先我們先選取一張生物試劑圖來載入,並且做灰階化,利用灰階度來比較

Control Line 檢測區與 Test Line 檢測區及光場量測區的灰度變化。灰階圖就

是一張圖用不同比例以黑白組成,色彩深淺範圍 0~255。如下列圖 13 所示,就是

17

載入圖檔並灰階化的介面,圖 14 為原始圖片,圖 15 則是灰階化後的影像。

圖 13 載入圖檔並灰階化介面

圖 14 點選 75-16 所出現的原始影像

18

圖 15 圖檔 75-16 灰階化後的影像

二值化和灰度滑移處理

二值化運算及灰度滑移運算則是我們一開始所做的基本之影像處理方法。如圖

、圖 所示。

16 17

圖 16 二值化後的影像

19

圖 17 影像滑移值為 50 的影像

顯示圖點數值

我們可以在所顯示的影像上任意的繪製線段。而所繪製的線段並不限於水平或垂

直,也可為任意之斜線。

我們可以對水平線進行解析來判別灰度的分布情形。

如圖 18 所示,我們對水平方向畫 5 條線來進行解析。

而圖 19 則是對各個水平畫線進行解析之情形。

20

圖 18 對水平方向之畫線情形

圖 19 對水平畫線進行解析之情形

正規化垂直投影切割灰階亮度統計圖的介面

經由水平線進行解析後我們可以得知灰度分布情形,然後把灰階化後的圖

截取y/4到3*y/4的部份做垂直投影灰階累計,因為去掉上下邊緣部份,所得的準確

度提高,也降低誤差率。

我們分析比較多張生物試劑呈色圖後發現:

如下圖 20 所示,直線 c 即為 Test line 的右邊邊界,a 到 b 的距離即為 Control Line

的範圍。

21

圖 20 正規化投影灰階亮度統計圖

圖 21 正規化垂直投影切割灰階亮度統計圖的介面

22

圖 22 選取圖 10-17 所出現的灰階亮度統計圖

圖 23 選取圖 75-16 所出現的灰階亮度統計圖

圖 21 為正規化垂直投影切割灰階亮度統計圖的介面,再由圖 22 跟圖 23 來比

較,我們可以得知圖右半邊的凹陷部份有差異,濃度等級越高的生物試劑,凹陷部

份就會越明顯。

23

判斷有無抗體或濃度過淡情形

首先,我們從灰階亮度統計圖截取右半張圖來看,如圖 20 直線 c 即是 Test

Line 的最右邊邊界了,我們對好幾張生物試劑的灰階圖來做取樣, 發現每張圖片

的 Test Line 的最右邊邊界就是灰階值最低的點(點 A),取均值來看,超過 0.86 灰階

亮度則是陰性反應,介於 0.86~0.85 間則是濃度過淡,0.85 以下則是陽性反應。

判斷有無噴灑濃度不均勻的情形

以 Test Line 的範圍為基準,取一範圍包含 Test Line 的範圍,對這個範圍做

壓縮,其灰階亮度最小與最大的比值為 p,經多張生物試劑取樣,定出一個值, 如果

p 小於 0.799 為濃度正常, p 大於則反之。

判斷偏移及磨損的情形

我們經由多張生物試劑的灰階圖取樣,從 Control Line 檢測區的幾何中

心到 Test Line 最右邊邊界的距離為 373 為標準值來判定有無偏移情形。

磨損情形是利用濃度不均的方法,在邊界上做有無磨損判斷。Rd 為 Test

Line 右邊邊界之座標,Rdsummin 為圖檔 Test Line 右邊邊界左右 10 的距離(10

pixel)低與最高的比值。如果 Rdsummin 小於 0.799 為右側無磨損,大於則反之。

判斷有無噴灑過多或不足的情形

利用 Test Line 的右邊邊界,以 Test Line 的右邊邊界為基準向左邊找最靠

近灰階亮度小於 0.919283379215416 點的個數(K),如果 K 大於 60 pixel ,代表其噴

壓過大噴灑過多,若小於則反之。

註: 0.919283379215416 的灰階值為取樣多張圖的均值。

24

實驗結果

圖 24 為我們的程式流程圖,我們分別針對 NC 、濃度等級 10、濃度等級

25、濃度等級 50、濃度等級 75、濃度等級 100 之生物試劑作檢驗。

圖 24 程式流程圖

NC 之生物試劑:

圖 25 是 nc 生物試劑之原始圖,由圖可知 Test Line 並無色帶,也可由圖 26 得

知圖形右半邊並無凹陷部份,所以為陰性反應。圖 27 則為執行結果。

25

圖 25 nc 生物試劑之原始圖

圖 26 nc 生物試劑之正規化灰階亮度統計圖

26

圖 27 nc 生物試劑之執行結果

濃度等級 10 之生物試劑:

由圖 28 來看,Test Line 檢測區的左邊邊界跟光場量測區的灰階接近。圖 29

是濃度等級 10 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖,圖 30 是濃度是等級 10 生物試

劑之執行結果,由執行結果即可知,明顯過淡。

圖 28 濃度等級 10 之生物試劑原始圖

27

圖 29 濃度等級 10 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖

圖 30 濃度等級 10 生物試劑之執行結果

濃度等級 25 之生物試劑:

由圖 31 來看,Test Line 檢測區的左邊邊界跟光場量測區的灰階有些為明顯

差距。圖 32 為灰階化後的影像。圖 33 是濃度等級 25 之生物試劑正規化灰階亮

度統計圖。圖 34 是濃度等級 25 生物試劑之執行結果。由執行結果即可知,雖有

抗體,但是噴嘴則造成右側磨損與右偏等情形。

28

圖 31 濃度等級 25 之生物試劑原始圖

圖 32 濃度等級 25 之生物試劑經灰階化後的影像

29

圖 33 濃度等級 25 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖

圖 34 濃度等級 25 之生物試劑執行結果

30

濃度等級 50 之生物試劑:

由圖 35 來看,Test Line 檢測區的左邊邊界跟光場量測區的灰階開始有明顯

差距。圖 36 為灰階化後的影像。圖 37 是濃度等級 50 之生物試劑正規化灰階亮

度統計圖。圖 38 是濃度等級 50 生物試劑之執行結果。由執行結果即可知,有抗

體、無偏移,但仍有左右側磨損等問題。

圖 35 濃度等級 50 之生物試劑原始圖

圖 36 濃度等級 50 之生物試劑經灰階化後的影像

31

圖 37 濃度等級 50 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖

圖 38 濃度等級 50 之生物試劑執行結果

32

濃度等級 75 之生物試劑:

ne 檢測區的左邊邊界跟光場量測區的灰階開始有明顯

差距。

由圖 39 來看,Test Li

圖 40 為灰階化後的影像。圖 41 是濃度等級 75 之生物試劑正規化灰階亮

度統計圖。圖 42 是濃度等級 75 生物試劑之執行結果。由執行結果即可知,此圖

為正常情形。

圖 39 濃度等級 75 之生物試劑原始圖

33

圖 40 濃度等級 75 之生物試劑經灰階化後的影像

圖 41 濃度等級 75 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖

圖 42 濃度等級 75 之生物試劑執行結果

34

35

濃度等級 100 之生物試劑:

由圖 43 為原始圖片,圖 44 為灰階化後的影像。圖 45 是濃度等級 100 之生

物試劑正規化灰階亮度統計圖,圖46是濃度等級100生物試劑之執行結果,由執行

結果即可知,此圖為右側無磨損但有左偏的情形。

圖 43 濃度等級 100 之生物試劑原始圖

圖 44 像 濃度等級 100 之生物試劑經灰階化後的影

圖 45 濃度等級 100 之生物試劑正規化灰階亮度統計圖

36

圖 46 濃度等級 100 之生物試劑執行結果

我們由實驗結果可以得知:

濃度 nc 之生物試劑:陰性反應。

濃度 10 之生物試劑:屬於(h) 濃度過淡之情形。

濃度 25 之生物試劑:屬於(f)噴嘴角度向右偏移之情形。

濃度 50 之生物試劑:屬於(i).(j)噴灑不均勻之情形。

濃度 75 之生物試劑:屬於(a) 正常狀況之情形。

濃度 100 之生物試劑:屬於(d) 噴嘴角度向左偏移之情形。

37

第四章 結論與未來展望

在製作本專題的過程中，由於一開始對於生物試劑與影像處理間的關聯性不

甚了解 所以對於要將生物試劑影像分布圖轉化成有用的資料，著實不知要如何

下手， ，才知道其中奧妙，這對於學

生在 及數位信號應用的領域裡，更多了一份了解和興趣。

而在製作過程中，由於將生物試劑影像的 Line 和 Test Line 的亮

度及範圍無法掌握，所以在製作的過程中，一直都有相當程度的誤差，這是在作

，那麼本系統的精準度將能夠更趨近於完美。希望能在未來運用在各式生物試

，

後來在對於影像處理原理作了一番研究之後

MATLAB

Control

取樣時一直困擾著我們的，如果再作取樣時，能夠對當時的環境進行精密的監

控

劑的檢測，爲醫療人員帶來便利。

38

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39

中文摘要Abstract目錄圖目錄表目錄第一章 概論1.1 研究動機與目的1.2 生物試劑樣本外觀簡介

第二章 生物試劑自動噴灑裝置及檢驗2.1 系統架構圖2.2 生物試劑呈色圖案之檢查2.3 噴嘴的選用2.4 影像處理技術

第三章 實驗數據與研究成果參考文獻