一种胶囊的光学检测方法及测量设备

本发明涉及药品检测，具体涉及一种胶囊的光学测量设备及检测方法。

背景技术：

1、在制药行业中，确保药品的质量和安全性是至关重要的。传统的胶囊质量控制通常需要物理接触，例如使用天平测量重量，卡尺测量尺寸，以及侵入式硬度测试。然而，这些方法不仅操作繁琐，而且在高速生产线上的应用受到限制。此外，这些检测手段难以实现在线、实时监测，且容易因人为操作不当导致样本损坏或交叉污染。近年来，随着光学技术和数字图像处理技术的迅速发展，利用光学检测方法来评估药品质量显示出了广阔的应用前景。这种方法利用光学传感器从不同角度对药物胶囊进行成像，通过分析所得图像来评估胶囊的各项物理和化学属性，如重量、尺寸、硬度、溶解性能及有效成分含量等。

2、目前市场上的非接触检测设备主要集中在简单的尺寸和重量测量，而一个集成多种检测功能的全面光学检测系统仍较为罕见。本发明提出的非接触光学检测方法及测量设备，在集成控制系统的帮助下，能够协调操作多个检测模块，如高精度传感器、光学压痕技术装置、图像分析模块、微流控芯片与高效液相色谱仪等，这些模块共同工作，提供一个关于胶囊全面质量的详细报告。这种高度集成的非接触光学检测设备不仅适用于药品制造业，其应用也可扩展至其他领域，如食品安全检测、生物材料分析等。设备的进一步发展可能包括使用人工智能算法优化图像处理过程和数据分析，提高检测的自动化水平和准确性。因此，这项技术不仅可以改进药品制造过程中的质量控制，还可以为其他行业提供一种高效、准确的质量检测方法。该光学检测方法的引入还有助于降低人为错误的风险，因为它不需要直接接触样品。这意味着在制药工厂中，可以减少操作人员与药品样品之间的接触，从而降低了交叉污染的风险，提高了生产过程的卫生标准。此外，由于光学检测可以实现在线、实时监测，制药企业可以更快地发现和解决潜在的质量问题，从而减少了产品召回和损失。这种光学检测技术还可以为药品研发提供支持。通过对药物胶囊进行详细的物理和化学属性分析，研究人员可以更好地了解药品的性能和特性，从而指导药品的配方设计和生产工艺的优化。这将有助于提高新药开发的效率和成功率，为医药行业带来更多创新和进步。

3、综上所述，非接触光学检测技术在制药行业的应用具有重要意义。它不仅可以提高药品质量的监控和控制水平，还可以降低生产成本、减少人为错误的风险，并促进药品研发的进步。随着技术的不断进步和完善，相信这项技术将在未来发挥更加重要的作用，为医药行业的可持续发展做出更大的贡献。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种胶囊的光学测量设备及检测方法，通过其高效、准确和非侵入性的特点，能够满足现代制药行业对于生产效率和产品质量双重需求的挑战，满足工业生产需求。本发明提出了一种胶囊的光学测量设备及检测方法，其关键在于采用了多种光学技术和传感器技术，用于评估胶囊的物理和化学属性。具体包括以下方面：

2、10.一种胶囊的光学测量设备，其特征在于，该设备是一个集成控制装置，包括：电磁传感器、激光传感器、光学压痕技术装置、图像分析模块、微流控芯片与液相色谱仪和多指标融合分析模块；

3、其中，电磁传感器用于测量胶囊重量，激光传感器用于测量胶囊尺寸；光学压痕技术装置用于评定胶囊的硬度；图像分析模块用于确定胶囊的溶解性能；微流控芯片与高效液相色谱仪用于测定胶囊中有效成分的含量；多指标融合分析模块用于判定胶囊的生产时间。

4、电磁传感器采用电磁力衡平技术进行测量；所述激光传感器采用激光散射技术进行测量；电磁力衡平技术和激光散射技术集成到一个自动化系统中，一个数据处理单元负责从传感器收集数据，并使用算法进行处理和分析，以生成胶囊的重量和尺寸报告。

5、使用的算法包括：

6、(1)信号处理算法：其作用是滤波，去除噪声，使用高斯滤波、卡尔曼滤波或中值滤波，采用傅里叶变换，将传感器信号从时间域转换到频率域，以便于分析；

7、(2)图像处理算法：使用激光散射技术,利用边缘检测算法，包括canny

8、算法或sobel算子，确定胶囊的轮廓；阈值处理，区分胶囊与背景，识别胶囊的边界；

9、(3)尺寸计算算法，基于几何建模，根据激光散射数据重建胶囊的三维模型，计算胶囊的长度、宽度和高度。

10、光学压痕技术装置包括至少一个光学传感器和一个压力施加机构，该压力施加机构能够精确控制对胶囊施加的压力，以确保硬度测试的一致性和重复性。

11、多指标融合分析模块是利用多指标融合分析技术对胶囊的多指标数据进行全面分析和处理，最终判定其生产时间及批次，从而实现对胶囊生产的追踪和管理。多指标融合分析技术具体包括：

12、数据收集：收集与胶囊生产相关的多个指标数据，包括胶囊的物理属性、化学属性、溶解性能，其中物理属性包括重量、尺寸、硬度，化学属性包括有效成分含量；

13、指标选择：选择能反映胶囊的老化程度或质量变化的指标，该指标包括胶囊生产时间、批次和保质期；

14、数据预处理：对收集到的数据进行清洗、标准化处理，以消除不同量纲和量级的影响；

15、模型构建：构建一个考虑胶囊的物理属性、化学属性、溶解性能的模型，以预测胶囊的生产时间、批次和保质期；

16、权重分配：为每个指标分配权重，这些权重反映各指标在判定胶囊生产时间、批次和保质期时的重要性；

17、综合评估：通过模型，将各指标的标准化值与权重相结合，计算出胶囊的综合评估值；

18、结果输出：根据综合评估值，判定胶囊的生产时间、批次和保质期；

19、具体公式为：

20、假设有n个指标，分别为x1,x2,...,xn(分别代表胶囊重量、尺寸、硬度，...，溶解性能)，对应的权重为w1,w2,...,wn，标准化后的指标值为s1,s2,...,sn，则综合评估得分f，综合评估得分f可以通过以下公式计算：

21、

22、其中，si的计算可以通过以下最小-最大标准化公式计算：

23、

24、其中，xmin和xmax分别是指标xi的最小值和最大值。

25、一种胶囊的光学检测方法，采用光学检测方法，用于评估胶囊的物理和化学属性，包括：

26、(1)使用电磁传感器和激光传感器测量胶囊的重量和尺寸；

27、(2)利用光学压痕技术评定胶囊的硬度；

28、(3)通过图像分析技术确定胶囊的溶解性能；

29、(4)使用结合微流控芯片与高效液相色谱仪的技术测定胶囊中有效成分的含量；

30、(5)利用多指标融合分析技术判定胶囊的生产时间，以追踪其生产批次及保质期；

31、测量胶囊的重量、尺寸和光学压痕同时进行或不同时进行，，测量完后，将胶囊切放到溶解介质中，通过图像分析技术确定胶囊的溶解性能；溶解完后，使用微流控芯片与液相色谱的仪测定胶囊中有效成分的含量。

32、利用电磁力衡平技术，胶囊通过输送带单独移动到电磁传感器的称重台上时，会引起称重台的位移，从而导致穿过线圈的磁通量发生变化。称重台的位移可以转换为线圈中磁通量的变化；如果称重台移动了δx，那么磁通量的变化δφ可以表示为

33、δφ＝μna·δx (3)

34、其中，μn是磁导率(单位：亨利/米)；a是线圈的横截面积(单位：平方米)；δx是称重台的位移(单位：米)

35、当线圈中的磁通量φ随时间t变化时，线圈两端会产生感应电动势ε，

36、

37、其中：φ是磁通量(单位：韦伯)；t是时间(单位：秒)；负号表示感应电动势的方向与磁通量变化的速率相反；

38、结合公式(3)和公式(4)，可以得到感应电动势与称重台位移的关系，

39、

40、感应电动势∈通过电路转换成电信号，经过放大和滤波处理后，能被电子系统测量和分析；通过测量感应电动势或由此产生的电信号计算出胶囊对称重台施加的力，进而得到胶囊的重量，测量胶囊的重量范围为100毫克到100克。

41、同时，利用激光散射技术测量胶囊尺寸，将一组激光发射器和激光传感器围绕输送带布置，全面扫描胶囊，收集散射数据，通过分析散射光的角度和强度，精确计算出胶囊的长、宽和高；通过多个激光发射器和传感器从不同的角度扫描胶囊，收集到胶囊不同方向上的散射数据；利用三角测量原理，通过测量散射光的角度来确定胶囊表面某一点的位置l，

42、

43、其中，d是图像传感器上该点的像素位置，该像素位置是已知值；f是成像系统的焦距，该焦距是已知值；d是从胶囊表面某一点到成像系统的直线距离，该直线距离通过几何关系计算得出。

44、通过分析不同位置的激光束与胶囊表面的交点，可以确定胶囊的边缘位置，从而测量出长度和宽度；使用边缘检测算法，包括canny算法或sobel算子，来确定胶囊的边界；通过边缘检测确定的胶囊轮廓，计算出胶囊的长、宽和高；其中，胶囊的长度lcapsule通过其两端点的距离来确定：

45、

46、其中，(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)是胶囊两端点的坐标。

47、11.采用光学传感器来测定表面压痕；光学传感器能够非接触地测量由激光在胶囊表面产生的微小压痕的深度，从而评估胶囊的硬度，该微小压痕为纳米级到微米级；硬度通过聚焦激光束到胶囊表面并使用纳米级或微米级分辨率的光学系统来捕捉压痕的三维形状来实现，该激光束的能量范围从毫瓦级到几瓦级；压痕深度与施加的力成比例，而这个比例系数即为硬度指标；对于布氏硬度测试，公式表示为：

48、

49、其中，hb是布氏硬度(单位：n/mm2)；p是施加的载荷(单位：n)；d是压痕的直径(单位：mm)。

50、图像分析技术是利用高速相机拍摄胶囊在溶解过程中的图像，高速相机能够以每秒万帧的速率捕获图像，以记录0.1ms级的胶囊溶解过程中，通过图像处理软件分析胶囊溶解的速度和完整性。

51、采用微流控芯片处理胶囊样本以实现样本的前处理和分离；接着，使用液相色谱仪对前处理和分离后的样本进行定量分析，从而得出胶囊中有效成分的含量。

52、液相色谱仪用于定量分析时，涉及计算峰面积a，以及与胶囊中有效成分的含量c的关系，

53、峰面积计算：

54、

55、其中，a是峰面积，h(t)是检测器响应随时间的变化，t0和t1是峰的起始和结束时间。

56、校准曲线：

57、a＝k×c (10)

58、其中，a是峰面积，k是比例常数，c是样品浓度。

59、定量分析：

60、c＝ka (11)

61、其中，c是待测样品的浓度，a是样品峰面积，k是从校准曲线得到的斜率。

62、本发明的技术方案具有以下优点：

63、实现了对胶囊物理和化学属性全面评估，提高了检测的准确性和可靠性；结合多种光学技术和传感器技术，检测过程高效且操作简便；

64、利用多指标融合系统技术，根据测试结果预测胶囊的生产时间，有助于提前发现问题并保证产品质量。

技术特征：

1.一种胶囊的光学测量设备，其特征在于，该设备是一个集成控制装置，包括：电磁传感器、激光传感器、光学压痕技术装置、图像分析模块、微流控芯片与液相色谱仪和多指标融合分析模块；

2.据权利要求1所述的一种胶囊的光学测量设备，其特征在于，所述电磁传感器采用电磁力衡平技术进行测量；所述激光传感器采用激光散射技术进行测量；电磁力衡平技术和激光散射技术集成到一个自动化系统中，一个数据处理单元负责从传感器收集数据，并使用算法进行处理和分析，以生成胶囊的重量和尺寸报告；

3.据权利要求1所述的一种胶囊的光学测量设备，其特征在于，光学压痕技术装置包括至少一个光学传感器和一个压力施加机构，该压力施加机构能够精确控制对胶囊施加的压力，以确保硬度测试的一致性和重复性。

4.据权利要求1所述的一种胶囊的光学测量设备，其特征在于，所述多指标融合分析模块是利用多指标融合分析技术对胶囊的多指标数据进行全面分析和处理，最终判定其生产时间及批次，从而实现对胶囊生产的追踪和管理，多指标融合分析技术具体包括：

5.一种胶囊的光学检测方法，其特征在于，采用光学检测方法，用于评估胶囊的物理和化学属性，包括：

6.根据权利要求5所述的一种胶囊的光学检测方法，其特征在于，利用电磁力衡平技术，胶囊通过输送带单独移动到电磁传感器的称重台上时，会引起称重台的位移，从而导致穿过线圈的磁通量发生变化，称重台的位移可以转换为线圈中磁通量的变化；如果称重台移动了δx，那么磁通量的变化δφ可以表示为

7.根据权利要求5所述的一种胶囊的光学检测方法，其特征在于，采用光学传感器来测定表面压痕；光学传感器能够非接触地测量由激光在胶囊表面产生的微小压痕的深度，从而评估胶囊的硬度，该微小压痕为纳米级到微米级；硬度通过聚焦激光束到胶囊表面并使用纳米级或微米级分辨率的光学系统来捕捉压痕的三维形状来实现，该激光束的能量范围从毫瓦级到几瓦级；压痕深度与施加的力成比例，而这个比例系数即为硬度指标；对于布氏硬度测试，公式表示为：

8.根据权利要求5所述的一种胶囊的光学检测方法，其特征在于，所述的图像分析技术，利用高速相机拍摄胶囊在溶解过程中的图像，高速相机能够以每秒万帧的速率捕获图像，以记录0.1ms级的胶囊溶解过程中，通过图像处理软件分析胶囊溶解的速度和完整性。

9.根据权利要求5所述的一种胶囊的光学检测方法，其特征在于，采用微流控芯片处理胶囊样本以实现样本的前处理和分离；接着，使用液相色谱仪对前处理和分离后的样本进行定量分析，从而得出胶囊中有效成分的含量；

技术总结
本发明提供了一种胶囊光学测量设备及检测方法。该设备包括一个集成光学压痕技术装置、图像分析模块、微流控芯片与高效液相色谱仪，该系统能够处理来自各个测试模块的数据，并通过图形用户界面展示测量结果，使操作者能够即时获得所有相关数据。该系统不仅提高了检测效率，还通过精确控制和数据分析，确保胶囊产品的质量符合国际制药标准。检测方法包括：利用传感器测量胶囊的重量和尺寸；使用光学压痕技术评定胶囊的硬度；利用图像分析技术来确定胶囊的溶解性能；以及结合微流控芯片与高效液相色谱的方法，准确测定胶囊中有效成分的含量。此外，该设备还能利用多指标融合分析技术判定胶囊的生产时间，以追踪其生产批次及保质期。总之，本发明利用一种能够快速、准确评估胶囊的多项物理和化学属性的方法和设备，为制药行业提供了一种可行的解决方案，以优化产品质量控制流程，确保药品安全有效地服务于公众。

技术研发人员：张逸凡,崔文国
受保护的技术使用者：上海交通大学医学院附属瑞金医院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23