具有動態生長圖像的無損讀取操作的制作方法
【專利說明】具有動態生長圖像的無損讀取操作
[0001]相關申請的交叉參照
[0002]本申請要求享有于2014年12月8日提交的標題為“具有動態生長圖像的無損讀取操作”的美國非臨時申請N0.14，563，355的優先權的益處，該非臨時申請要求享有于2013年12月13日提交的標題為“具有動態生長圖像的無損讀取操作”的美國臨時申請N0.61/915，930的優先權的益處，出于全部的目的，上述非臨時申請和臨時申請均通過參照全部并入本文中。
技術領域
[0003]本文描述的實施例通常涉及捕獲樣品在化學反應中的圖像。更具體地，實施例涉及利用數字成像設備中的無損讀取操作捕獲樣品在化學反應中的圖像。
【背景技術】
[0004]捕獲在化學反應期間從樣品發出的光或其它(包括放射學的)信號的圖像已經被用于測定樣品的組分，這是基于在那里從樣品發出光的空間分離帶或區域。樣品的某些組分可以在光的較亮帶發射光，需要較短暫的曝光時間進行圖像捕獲，而其它組分可以在較暗帶發出光，需要較長的曝光時間。在圖像捕獲期間，當出現“讀取噪聲”并且捕獲的圖像失真時，尤其是對于在弱發射帶發射光的樣品組分，可能發生問題。
[0005]為了克服對于弱樣品的讀取噪音限制，通常積分或收集CCD或CMOS的長曝光期間的電荷。長曝光不允許測量系統以類似連續的方式測量信號。在其它的工作中可以拍攝許多較短的圖像，但系統將不是非常敏感的，這是因為對于每個短曝光將引入讀取噪音。如果你對短曝光求和，這有助于減小一些讀取噪音，但是它仍然和利用常規的圖像傳感器進行一次長曝光不一樣敏感。在圖像求和的這種情況下，捕獲圖像中的讀取噪音作為曝光數的平方根增加是已知的。
[0006]本領域的許多熟練技術人員因此致力于解決以類似連續的方式監測弱化學反應同時保持高靈敏度的問題。如下面所討論的，將允許快速監測化學反應同時不損失靈敏度的方法存在著若干主要的優勢。

【發明內容】

[0007]這里描述了用于利用數字成像設備捕獲樣品在化學反應中的圖像的技術。至少某些實施例適合于在一段時間內利用數字成像設備中的圖像傳感器的像素陣列捕獲來自樣品的光發射的一系列短暫曝光。通過進行連續的無損讀取操作來捕獲圖像，以便從像素陣列中讀出樣品的一組無損讀取圖像。在一種實施例中，通過延遲讀出該組信號直到處于或者接近化學反應的終點，來捕獲圖像，以減小圖像中的讀取噪音。
[0008]從所述圖像傳感器讀出的信號可以被監測，并且圖像的捕獲可以自動地被中斷，或者當發生預定事件時被中斷，諸如接收到來自數字成像設備的用戶的命令。捕獲的圖像可以隨后被顯示在圖形顯示器中。
[0009]本文介紹的技術的一種優勢在于:通過利用無損讀取操作來捕獲一系列短暫曝光，幾乎不引入讀取噪音。結合下面的描述和附圖，更加詳細地描述了這些和其它的實施例，連同他們的許多優勢和特征。
【附圖說明】
[0010]圖1A描述了采用根據一種實例實施例的一系列無損讀取操作捕獲的樣品在化學發光反應中的圖像的圖示；
[0011]圖1B描述了采用根據一種實例實施例的一系列無損讀取操作捕獲的樣品在化學發光反應中的圖像的另一圖示；
[0012]圖2描述了用于采用根據一種實施例的一系列無損讀取操作捕獲樣品在化學發光反應中的圖像的數字成像設備的一種實例方框圖；
[0013]圖3A描述了采用根據一種實施例的一系列無損讀取操作捕獲樣品在化學發光反應中的圖像的過程的一種實例流程圖；
[0014]圖3B描述了采用根據一種實施例的一系列無損讀取操作利用已知的發射分布數據捕獲樣品在化學發光反應中的圖像的過程的一種實例流程圖；
[0015]圖3C描述了采用根據一種實施例的一系列無損讀取操作利用基于時間的曲線擬合來捕獲樣品在化學發光反應中的圖像的過程的一種實例流程圖；
[0016]圖3D描述了利用時間分布測定從背景區域中識別樣品發射的光的過程的一種實例流程圖；
[0017]圖4A描述了信號相對于反應時間的曲線，以闡明根據示例性實施例的無損讀取操作和時間分布的原理。
[0018]圖4B描述了信號相對于反應時間的曲線，以闡明根據示例性實施例的無損讀取操作和時間分布的原理。
[0019]圖4C描述了信號相對于反應時間的曲線，以闡明根據示例性實施例的無損讀取操作和時間分布的原理。
[0020]圖4D描述了信號相對于反應時間的曲線，以闡明根據示例性實施例的無損讀取操作和時間分布的原理。
[0021]圖4E描述了信號相對于反應時間的曲線，以闡明根據示例性實施例的無損讀取操作和時間分布的原理。
[0022]圖5描述了數據處理系統的一種實例方框圖，所公開的實施例可以在數據處理系統上被實施。
[0023]圖6描述了可用在本發明實施例中的一種示例性設備。
【具體實施方式】
[0024]貫穿本說明書，為了進行解釋說明的目的，闡明了許多特定的細節，以提供對本發明的深入理解。然而，對本領域技術人員將顯而易見的是，本發明可以在缺少這些特定細節中的一些細節的情況下被實施。在其它的情況下，以方框圖的形式顯示了眾所周知的結構和設備，以免使所描述的實施例的潛在原理不明顯。
[0025]這里介紹的方法和數字成像設備適合于捕獲樣品在化學反應中的圖像，采用了來自樣品的光發射在化學反應期間的一段時間內的一系列短暫曝光，其中隨著曝光數量的增加，捕獲的圖像在該時間段內動態地生長。例如，在一些實施例中，樣品可以鍵合到印跡膜，并且探針直接或間接地發出光發射或其它的(例如，放射學的)信號。
[0026]利用數字成像設備中的圖像傳感器的像素陣列捕獲系列短暫曝光，所述數字成像設備被構造成用于進行連續的無損讀取操作。無損讀取操作讀出一組電信號，代表來自像素陣列的樣品的無損讀取圖像。從儲存在像素陣列中的電荷產生這組信號。在一種實施例中，通過延遲這組信號的讀出直到處于或鄰近化學反應的終點而捕獲圖像，以減小圖像中的讀取噪音。利用無損讀取操作拍攝多個圖像能夠減小讀取噪音，從而以類似連續的方式拍攝多個圖像并且監測信號存在很少障礙。
[0027]實施例進一步被構造成連續地監測來自圖像傳感器的信號讀出并且當發生預定事件諸如接收命令時，中斷捕獲樣品的圖像。在一種實施例中，可以自動地產生所述命令。在其它的實施例中，所述命令可以基于來自數字成像設備的用戶的輸入。捕獲的圖像可以隨后被顯示在圖形顯示器中。這里描述的實施例被構造成捕獲樣品在化學反應中的圖像。化學反應可以包括例如化學發光反應、熒光反應或者吸收反應。其它類型的反應是可能的。
[0028]在一種優選的實施例中，所述數字成像設備是互補金屬氧化物半導體(“CMOS”)數字成像設備，能夠實現無損讀取操作。CMOS數字成像設備由于亮像素的過飽和而展示最小限度的畸變(blooming)。可以進行從樣品發出的光的亮帶的長曝光，即使亮帶位于從樣品發出的模糊帶附近。但是，也可以使用其他的數字成像設備。
[0029]此外，通過將來自對于樣品的較亮區域的一組無損讀取圖像的較短時間讀取圖像的數據與來自對于樣品的較暗區域的一組無損讀取圖像的較長時間讀取圖像的數據進行組合，可以增加樣品的捕獲圖像的動態范圍。將來自較短時間無損讀取圖像的讀取數據與來自較長時間無損讀取圖像的讀取數據進行組合僅需要來自單次測量或者無損讀取曝光順序的數據。
[0030]也可以獲得多次不同試驗的發射分布并且儲存在數字成像設備的存儲器中。發射分布包括與何時用于特定樣品的發射將開始快速衰退有關的信息。發射分布數據要么是事先已知的，要么可以被用戶測量。
[0031]發射分布數據可用于改善特定樣品的自動曝光。此外，通過擴展捕獲的數字圖像的位深度，并且基于由數字成像設備所花費的樣品的曝光時間與從發射分布數據獲得的總曝光時間之比來計算用于亮帶的信號，可以測定用于亮帶的信號。發射分布數據也可用作基礎，用于詢問數字成像設備的用戶何時樣品的發射處于或接近其峰值，以確定用戶是否想要中斷捕獲樣品的圖像。基于發射分布數據，也可以將不同的權重分配給系列無損讀取圖像的不同幀。
[0032]在一種實施例中，利用無損讀取操作可以以高幀頻(framerate)捕獲樣品的圖像，并且在捕獲期間結束時圖像被平均化，以去除讀取噪音。例如，基于發射分布數據，可以僅當強度足夠穩定時捕獲幀。來自圖像傳感器的每個信號讀出可以作為時間的函數被平均化，以估計存在的信號量，從而增加圖像傳感器的靈敏度。在信號的時間分布是位置相關的情況下，基于每個信號讀出在像素陣列中的位置，可以隨后計算來自圖像傳感器的每個信號讀出的強度。信號位置可以隨后被位移到相同的時間實例(time instance)，如同每個信號在每個位置處同時開始一樣。可以這樣做來改善由數字成像設備捕獲的圖像的重復性。
[0033]其它的實施例適合于利用無損讀取圖像測量從樣品發出的光的時間分布以及靠近捕獲的圖像中的一個或多個興趣帶的背景區域的時間分布。利用兩個時間分布之間的時間差，可以隨后從背景區域中識別出樣品發出的光。可以這樣做來改善圖像傳感器的靈敏度和重復性，并且能夠從來自圖像傳感器的信號讀出中更好的識別任何不想要的背景噪
■~>V.曰ο
[0034]