[发明专利]一种晶体反应过程监测中的高效目标识别方法

说明书

本发明涉及晶体监测、晶体属性测量、过程控制、工业生产自动化等领域，一种晶体反应过程监测中的高效目标识别方法。本方法利用晶体反应过程中背景环境几乎恒定不变的特性，采用均值背景目标构建方法构建初始化背景目标，再通过差分法去除水珠干扰及复杂背景，最后对目标进行二值化处理得到最终的目标。考虑到晶体反应过程中溶液浓度不断发生变化，提出一种迭代更新背景目标的方法，以确保晶体目标识别的准确性。实验证明本方法不仅在水珠干扰去除以及复杂背景去除方面效果显著，在时间性能上也有可观优势，不仅在实时晶体反应过程监测等工业生产中有重要意义，对于其他领域复杂背景下微粒识别提取处理也有重要的借鉴意义。

技术领域

本发明涉及晶体监测、晶体属性测量、过程控制、工业生产自动化等领域，具体涉及晶体反应过程监测中的晶体目标识别技术。

背景技术

晶体属性测量(晶体尺寸、形状等)一直是生物制药及化学工程领域的重点研究内容。结晶反应过程中晶体晶型及尺寸等属性好坏会对晶体产品最终属性(如生物可用性、压缩性、稳定性、溶解率等)及过滤、干燥等后续操作的有效性产生极其重要的影响。晶体生长状况对于生产实践也有着十分重要的意义。由于晶体属性易受反应环境中微小变化的影响，对反应过程中晶体属性的实时监测与控制显得尤为重要。

基于图像分析的晶体反应过程监测方法在晶体属性测量方面展现出巨大的潜力，硬件设备的逐渐成熟也使得基于图像分析的实时监测成为可能。为了尽可能高效地处理在线过程控制，晶体反应过程监测方法必须满足准确性高、快速、鲁棒性好等条件。基于图像分析的晶体反应过程监测方法通常可分为以下步骤：

(1)晶体目标获取

目标获取是晶体反应过程监测的第一步，也是后续晶体属性测量的首要前提。目标获取的途径多种多样，在基于图像分析的晶体反应过程监测方法中，在线成像系统是目前最常用也是最高效的手段。在线成像系统是一种可用于实时监测晶体生长的目标获取技术，通过在反应容器周围或容器中放置摄像头进行目标获取。成熟的在线成像系统可分为两类：侵入式成像系统和非侵入式成像系统。

侵入式成像系统：此种系统将摄像头插入到反应容器中以获取高分辨率的晶体图像，如Mettler Toledo公司制造的the Process Vision and Measurement(PVM)设备。

非侵入式成像系统：此种系统使用一个或多个放置在反应容器外部的摄像头以监测晶体生长，如Malvern SysmexFPIA3000。

(2)晶体目标识别

为方便对晶体进行尺寸、形状等属性测量，需要对晶体目标进行识别并将其从背景环境中提取出来。晶体目标识别的精确与否将直接影响到后续晶体属性测量的准确性及最终晶体晶型的分析。

晶体目标识别的精确程度往往受光照等外界环境的影响，另外，由于晶体反应过程中晶体对象的特定性及反应环境的特殊性，识别方法与反应过程特殊性的结合也是需要考虑的重要因素之一。

(3)晶体目标属性测量

在完成晶体目标识别后，即可对晶体进行尺寸测量、形状分类、矩形度计算等晶体形态学信息统计操作。

其中，实时、高效的晶体目标识别方法是实现晶体反应过程监测自动化的瓶颈所在。

由于对结晶过程理解的缺乏、精确数学模型的不可构建以及对用于直接测量产品质量的实时传感器的缺乏，晶体结晶过程在制药工业及精细化工业中很少实现先进自动化控制。近年来随着硬件设备的飞速发展，实时测量传感器逐渐普及。而对晶体目标进行精确识别与分离，可在很大程度上提升对结晶过程的理解以及细节信息的获取，进而加速晶体结晶监测过程的自动化进程。