基于全景化视域重构的微生物影像检测技术

一、所属领域

人工智能，精密自动化，生物分析与检测，环境微生物检测，工业微生物检测，细胞组织分析检测。

二、项目介绍

1. 痛点问题

微生物的识别、计数和定性分析一直是食品、医药和生物行业的重要一环。传统的人工检测方式劳动强度比较大，且检测主观性强，标准难以统一，计数和检测结果不准确；在对环境的微生物监测中，人工方法只能做到抽样检测，无法做到持续性检测。

近两年行业巨头们（如GE，安捷伦，赛默飞等）开始推出图像识别技术的微生物检测设备，其结果来自直观影像，分辨率高，操作难度低。但是这些设备目前采用的光学显微镜倍数都在800倍以下，只能进行计数，如果要完成相关定性分析，需要在800倍以上的放大倍数获得单细胞微生物的清晰图像（如酵母菌，大肠杆菌）。但800倍放大倍数对应的有效视场只有200微米*200微米，对计数和活性统计分析又不具备足够的采样数量。目前国内外设备均没有解决好这个问题，对微生物进行定性分析的准确率低，无法满足市场需求。

2. 解决方案

本项目针对微生物和细胞活体检测中缺乏有效参照物的技术难点，根据显微扫描设备的结构，将全景化视域重构技术和微米级电机结合，解决了镜头大幅平移过程中的自动对焦难题和微生物溶液动态环境中的影像拼接难题，在保证1000倍放大的基础上，获得的有效视场增加到10毫米*10毫米的范围；再通过自动化图像采集和拼接，得到完整的微生物图像；然后结合传统的图像分割以及深度学习图像识别的优势，小样本高精度动态完成微生物的类型识别，计数，活性，死亡率，出芽率等定量定性分析。

3. 竞争优势分析

与国内外的主流检测设备对比，本项目技术优势主要体现在：

1）独创的微生物影像全景化视域重构技术，实现0.5微米的分辨率和20*25毫米的超大视角；

2）解决微生物影像领域小样本智能识别和智能检测的难题；

3）检测目标、检测内容、检测流程和逻辑可通过自然语言定制，提高设备功能通用性；

4）计数准确率超过人工计数，准确率超过国内细胞计数仪器一个数量级；

5）第一台按照国家微生物计数检测标准开发研制的微生物计数仪。

本项目的第一代产品样机与国内外同类产品对比，主要性能优势和技术优势如下：

在食品行业，本项目获得了青岛啤酒北京密云分厂的啤酒原液和相关酵母菌种，针对生产用酵母菌采集了大量实拍图像数据，优化后的酵母菌计数和出芽率算法识别率均在95%以上。

4. 发展规划

按照三步走的方式来设定发展规划：

1）基于全景化视域重构技术，构建第一代检测仪器，首先进入门槛最低的食品微生物检测市场，对啤酒和发酵乳企业提供酵母菌检测计数技术和设备；

2）利用已有技术积累，进入环境微生物检测和高校实验室市场；

3）最后以食品和环境检测市场为根据地，进入门槛最高的生物医药检测市场，提供微生物检测和组织检测的相关设备。

5. 知识产权情况

已申请3项专利。

三、合作需求

1）寻求500-800万元天使投资；

2）寻找高校研究所，食品工业和环境检测领域的客户、渠道伙伴；

3）寻找生物医药，医学临床领域的客户、渠道伙伴和产品测试环境。

四、团队介绍

科研团队：

1）周悦芝 博士清华大学计算机系研究员，项目负责人，在边缘计算和深度学习等领域有丰富的开发经验和杰出的研究成果，在面向医学影像的AI图像分析方面曾发表多篇论文，申请或获得多项国家发明专利。

2）黄权伟 清华大学计算机系硕士，负责图像分割及细胞识别等相关算法研发。

3）梁志伟 清华大学计算机系硕士，负责深度学习算法加速研究和实现。

五、联系方式

E-mail：ott@tsinghua.edu.cn

成果编号：20230055

根据Research And Markets报告数据，2023年全球细胞分析计数市场达189亿美元，单细胞计数分析市场规模超过46亿美元。最近两年，行业内正处于传统的电化学统计分析仪器向图像识别的分析仪器过渡的时期，在深度学习和大语言模型带来的颠覆性技术创新面前，传统行业巨头积累了几十年的专利技术优势和产品优势正在清零，500强企业和初创企业正处于同一起跑线上