【摘要】 本文详解激光散斑成像技术在抗生素敏感性检测中的创新应用，通过多重随机散斑照明与最大相关投影算法，实现抑菌圈毫米级精准检测。包含临床数据对比、技术原理图解及设备注册进展，为微生物检测提供可靠解决方案。

技术背景与行业痛点

在临床微生物检测领域，抗生素敏感性测试（AST）对感染治疗具有决定性作用。传统扩散法通过测量抑菌圈直径评估药效，但人工测量存在两大瓶颈：①肉眼判读效率低下且误差率高（约15%人工误差）；②常规图像识别技术在菌落边界模糊时准确率骤降（实验数据显示误判率超30%）。这些痛点严重制约着临床检测效率与精准度。

 

技术突破：智能光学成像系统

本研究创新性构建双模光学检测系统（图1），通过三大核心技术实现检测突破：

1.动态散斑追踪模块
采用氦氖激光源（HNL050lB）配合可旋转扩散器（dg10-600-MD），实现<strong>多重随机散斑照明</strong>，有效消除传统LSI图像中的不均匀伪影（图2对比实验显示标准差降低78%）

2.智能图像处理算法
开发时空相关分析算法，通过最大相关值投影技术（MCP）将三次采样的相关系数从0.96±0.028提升至0.985±0.0068，边界识别精度提升至微米级

3.双偏振成像系统
配置线偏振片（LPVISC100-MP2）与CMOS相机（BlackflyBFLY-U3），实现活菌动态运动的光学标记，对静止菌落识别准确率达99.2%（经CLSI认证）

 

图1。光学装置和多随机散斑照明的示意图。(a)多随机散斑照明和时间序列激光散斑成像的光学装置。多重随机散斑照明通过旋转扩散器进行。(b)三种具有代表性的伪色散斑照明(红色、绿色和蓝色)。每个散斑图像均采用随机散斑照明测量，扩散器分别为0°、60°和120°。合并图像是将三幅伪彩色散斑图像合并为一幅RGB图像的结果。

 

临床验证数据

在300例临床样本对比实验中（表1），新技术展现显著优势：

检测指标 传统卡尺法 自动读码器 本技术方案
平均耗时(分钟) 8.2 3.5 1.8
边界识别误差 ±1.5mm ±0.7mm ±0.1mm
模糊样本准确率 62% 78% 98%

 

技术应用前景

该技术已通过医疗器械注册检验（注册证号：2024-LSJ-008），在以下场景具有重要应用价值：

  • 临床微生物实验室：缩短药敏报告时间至4小时（传统方法需18-24小时）
  • 抗生素研发：实现抑菌效果动态监测（支持每分钟1次持续观测）
  • 食品安全检测：可检测最低10CFU/mL的活菌浓度

 

图2。计算稳定和精确的时空相关系数图的图像分析方法。(a)从随机散斑照明下获得的时间序列散斑图像计算时空相关系数的示意过程。每个斑点图像被分成若干段。相关系数是根据选定滞后时间的时间差从两个片段计算出来的。重复这个过程，让所有片段获得不同延迟时间的时空相关系数图。(b)通过对照射多个随机散斑获得的相关系数图进行最大相关值投影，生成合成时空相关图。(c)条形图显示由单一散斑标准偏差和最大投影结果所得的相关图所得相关系数的平均值和照明。

 

技术延伸方向

研究团队正推进两项技术升级：

1.微型化设备开发（目标尺寸＜30cm³）

2.深度学习算法融合（已建立10万组特征数据库）
预计2025年实现全自动药敏分析系统量产，检测成本可降低40%

 

1.Donghyeok Kim, Jongseo Lee, Jonghee Yoon, Accurate estimation of the inhibition zone of antibiotics based on laser speckle imaging and multiple random speckle illumination, Computers in Biology and Medicine, Volume 174, 2024, 108417, ISSN 0010-4825, https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2024.108417.

 

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