專利名稱：分子生物學圖像分析系統及其方法
技術領域：
本發明是分子生物學計算機圖像分析系統及其分析方法，該分析方法以軟件方式實現。
分子生物學是研究生物大分子結構與功能的一門學科，而分子的大小，密度，含量及圖像比較分析是分子生物學研究的重要內容，如對基因密碼DNA進行限制性內切酶解片斷長度多態性分析和聚合酶鏈反應對DNA分子上的基因不同長度的特征性片段進行擴增分析，蛋白質和DNA，RNA分子，多糖分子及其它生物大分子經凝膠電泳和熒光染色或其它方法染色后，在紫外透射分析儀和其他光譜下可顯示出不同圖像位置格局和密度，是生物學科研工作和臨床疾病診斷的重要依據。以往對這些不同分子的分析主要是憑人眼目測，欠客觀性，人為因素所造成的誤差較大，且難以保存這些結果的原始圖像。
本發明的目的是設計出研究分子生物學結構機功能的計算和圖像分析系統。
本發明的目的是研究出一種用于分子生物學圖像分析系統的分析方法。
本發明的分子生物學圖像分析系統，(Biocomput Anasis簡稱BCA)，由圖像采集和計算機兩大部分組成，圖像采集包括紫外透射分析儀與攝像機連接，攝像機連接圖像采集板，圖像采集板一端連接顯示器，另端連接計算機，最后與打印機連接。
本系統的圖像采集也可以從照片或底片(8)通過掃描儀獲得，然后到達圖像采集板，進入計算機通過分析軟件獲得分析結果，顯示器顯示分析結果，最后打印，本發明系統中計算機處理圖像用專用軟件處理，該軟件方法描述如下。
分析方法包括圖像管理，圖像處理，電泳分析和附加工具幾部分組成。
圖像管理包括圖像獲取，圖像預處理，圖像保存和登記，圖像查詢。
圖像獲取有三種方式，一種是已存在磁盤上的圖像文件，可直接按文件所在的路徑調入；一種是計算機通過CCD實時獲取圖像，一種是通過掃描儀獲得。圖像預處理包括對圖像進行剪切，粘貼，復制等。圖像保存與圖像登記是將圖像按一定的路徑保存在磁盤上，并對所保存的圖像進行登記，登記的內容包括圖像標題名，實驗人姓名，實驗日期，實驗內容摘要等，以便以后查詢、圖像查詢針對眾多的實驗記錄，本方法設置了圖像查詢模塊，按其滿足查詢條件中任一項內容(圖像標題名，實驗人姓名，實驗日期)即可查出在冊圖像的相關記錄。幫助主題本方法對所涉及到的圖像處理功能提供在線幫助。圖像可以打印，即打印實驗所得的數據、圖表，可分別打印或以報告形式打印出來。
基本圖像處理功能是對圖像的灰階轉換，柔化，銳化，擴散，反色，霓虹，圖像過濾器，256級灰階分析，RGB／明暗調節，畫面旋轉(任意角度)等，本方法還可以與其它常用軟件(如WORD，EXCEL等)交互使用，以使軟件具有更廣泛的應用性。轉換灰階是本功能中的一個重要的圖像處理功能，因為電泳定量分析是針對圖像灰度進行的，因此，當所獲得的原始圖像是彩色時，需在電泳圖像分析前將其轉換為灰度圖像。
電泳分析是本發明方法的核心，本發明方法能對電泳圖像進行定性和定量分析，包括分子量測定，分子密度分析，密度掃描和密度比較。
人體和各種生物DNA經基因擴增后或限制性內切酶水解后形成不同分子量大小的片段，經熒光染色，置于紫外分析儀上，紫外分析裝置的光源分為紫外(UV)和白光(WHITE)兩種類型，可獲得由紫外光源照射激發的電泳凝膠熒光圖像，顯示為暗背景亮條帶形式，如為照片可直接用白光拍攝或經掃描儀輸入，可獲得可見光照射下的顯色或其它類型染色的電泳凝膠圖像。這些圖像均可通過本方法對其進行分子量測定。根據以往的理論計算和本發明的實驗證明，用已知相對分子量，即輸入泳道中已知標準分子量為對照，可測出分子形狀相同的未知DNA的相對分子量和堿基對值，見圖2．通過DNA分子的相對遷移率(Rf)與分子量的常用對數值符合公式lgMW=a+bRf，式中 分子量計算時主要通過對原始分子量圖中本底和條帶的象素進行分析，計算出已知條帶分子量的相對遷移率Rf值和人工輸入的已知條帶分子量的常用對數LgMW，經計算統計后所形成的一次回歸曲線公式關系。并由該公式用相同的方法計算出未知條帶分子量的方法。
本方法的實現過程是1．BCA首先將原始分子量圖中所有象素顏色值(Pixel)通過VB中取圖像象素顏色值Point方法取出，并將Pixel值按以下公式red=Pixel & Mod256green=((Pixel And & HFF00)／256&)Mod256&
blue=(pixel And & HF0000)／65536換算成紅(red)，綠(green)，藍(blue)三色值并加和，取它們的總平均值。作為原始分子量圖轉化的臨界值。
2．然后BCA掃描原圖，根據該臨界值將分子量原圖轉化為藍色本底(象素顏色值低于臨界值的區域)包圍白色條帶(象素顏色值高于臨界值的區域)的圖像。
3．即以白色與藍色顏色值的不同(白色顏色值為RGB(255，255，255)，藍色RGB(0，0，255))及圖象中藍色本底包圍白色條帶的事實結果，在封閉白色條帶中分別取出白色條帶中的最高點和最低點(條帶遷移方向上)，平均后形成條帶中心的Y軸坐標，與原始圖像的寬度(條帶遷移方向上的距離)之比形成相對遷移率Rf值。
4．由于DNA分子的相對遷移率Rf與分子量MW的常用對數值LgMW形成一次線性關系即符合y=kx+b的曲線關系。所以，用鼠標分別選取已知條帶時BCA自動計算出的Rf值數據與同時要求輸入的已知DNA分子量MW的常用對數值LgMW，數據按照一次回歸曲線計算出。該公式為lgMW=a+bRf。
5．用此一次曲線公式lgMW=a+bRf即可計算出由鼠標選取的未知條帶的分子量(MW)，實現未知條帶分子量的計算。BCA最后自動將統計處理完成的已知與未知條帶的分子量數據在相應的表格中顯示出來，并可以與EXCEL97相連，將數據傳輸到EXCEL中存盤，便于形成報告調用。
在數字化圖像中，每一個像素都相應0-255中的一個數值，本發明方法以這些數字化信息進行密度分析。
密度掃描是通過對所取部分原始分子量圖區域的灰度值的平均值繪制出的曲線進行選取，分析和比較的方法。
本方法的實現過程是1．先BCA將所取部分原始分子量圖的所有像素根據灰度值轉換公式(灰度值=Iht(0．3*R(象素紅色分量)+0．59*G(象素綠色分量)+0．11*B(象素藍色分量)轉化為灰度值，2．然后將所有灰度值按橫向(即x軸方向)加和取平均值，并存盤。并將這一組平均灰度值按縱向(即y軸方向)，根據灰度值的大小繪制出坐標點并依此連線形成黑色曲線。3．根據所有灰度值的平均值并調整之后形成標定臨界刻線。臨界刻線與黑色曲線結合形成封閉波峰區。4．BCA根據鼠標選取封閉波峰區域的面積與所有封閉波峰區域的面積之比形成的百分率和該封閉波峰區域所對應條帶的最高灰度值的大小與255(最高灰度值)相比形成的百分率書寫在曲線圖的右側，在各條帶之間進行比較和分析，經積分重整后，得出它們所占的含量。實現已知和未知條帶密度的掃描，形成相對應的圖表和數據，同時也為下面的密度比較作準備。
密度定量通過對原始分子量圖的本底和條帶的灰度值分析取得已知條帶含量所對應的灰度值，與人工輸入已知條帶所含的克數成正比關系實現的。由此正比例關系，用相同的方法計算出未知條帶所含的克數。本方法的實現過程是1．BCA首先將原始分子量圖中所有象素顏色值按分子量計算中紅綠藍三色分離公式將原始分子量圖中所有象素顏色值分離成紅、綠、藍三色加和并計算出平均值作為臨界值。以此為根據，實際上形成了低于臨界值的本底區域和高于臨界值的條帶區域原始分子量圖并未發生任何改變。
2．然后用鼠標選取原始分子量圖中已知條帶，將高于臨界值的已知條中所有象素的灰度值(按密度掃描中的灰度值轉化公式計算)之和的數據與要求輸入的已知條帶所含的克數之和的數據按正比例公式y=kx計算出k值，形成正比例的關系。
3．用此正比例公式y=kx即可計算出鼠標選取的未知條帶所含的克數。實現已知和未知條帶密度的定量，分析出各條帶的相應含量。BCA自動將統計處理完成的已知與未知條帶的密度定量數據在相應的表格中顯示出來，并可以與EXCEL97相連，將數據傳輸到EXCEL中存盤，便于形成報告調用。
密度比較是將密度掃描中所形成的數據繪制成曲線放在一張圖紙上進行定性比較的方法。本方法實現過程是1．BCA首先將密度掃描所形成的數據按紅，綠，藍，黃四種不同的顏色曲線繪制在一張以相同的原點和用灰度值表示縱向(y軸方向)、DNA分子條帶電泳遷移方向表示橫向(x方向)的坐標系形成的圖紙上。
2．然后觀察者根據由四條曲線的波峰，波谷的重疊交錯位置的不同，以分析出各DNA分子條帶與已知DNA分子條帶定性比較時，所各擁有的相應條帶的情況，從而分析出其所具有的不同所含成分及相應的特性。
若將凝膠圖像的任意兩部分，分別轉換為兩種不同顏色的單色階圖像，通過像素間的邏輯運算進行圖像融合。通過該方法達到的功能，可方便地將己知標準分子量泳道中的圖像水平移動到整個凝膠圖像的任意位置。也可將已知標準分子量泳道中的圖像與被測泳道的圖像進行透明重疊效果的融合，達到圖像融合的目的。
本發明方法中附加工具內容用常規方法，通過軟件實現局部放大，背景設置，測量灰度，書寫文字，圖像旋轉等功能。
本發明將分子生物學技術與計算機技術結合，研制出多媒體分子生物學圖像系統及其分析方法，該分析方法制成軟件達到能對生物大分子電泳圖像進行密度定量，分子大小測定，標注，掃描，圖像融合比較，存儲，編輯和打印，便于檢索，為科研和臨床圖像采集和數據分析提供了強有力的系統，使得醫學診斷和生物科研圖像的多功能分析成為可能。經臨床和分子生物學實驗應用表明，該系統定量準確，分析可靠，速度快，能儲存大量信息，便于檢索和信息處理。可以打印彩色照片和結果報告，非常方便。這必將代替以往其它傳統落后的實驗方式和分析報告方式。本發明對分子量進行多次實際測定，總誤差率＜±1％，對密度含量進行實際測定，結果表明誤差率＜±5％。該系統操作簡單，是分子生物學和基因工程基礎研究，臨床分子診斷及基因診斷重要的儀器和換代產品，為科研和臨床數據采集分析提供了極大的方便。


圖1是本發明系統組成示意圖。
權利要求
1．一種分子生物學圖像分析系統，由圖像采集和計算機兩大部分組成，其特征是紫外透射分析儀(1)與攝像機(2)聯接，然后聯接圖像采集板(3)到顯示器(4)，或掃描儀(7)與圖象采集板(3)相連接，圖像采集板與計算機(5)聯結，計算機與打印機(6)聯接。
2．一種分子生物學圖像分析方法，由圖像管理，圖像處理，電泳分析和附加工具四部分組成。其特征是(1)圖像管理包括圖像獲取、圖像預處理、圖像保存和登記、圖像查詢、打印；(2)圖像處理主要是轉換灰階，是將原始圖象轉換為灰度圖像(3)電泳分析是分子量計算、密度分析包括密度掃描、比較、定量；分子量計算是通過DNA分子的相對遷移率Rf與分子量的對數值符合下列公式來計算的lgMW=a+bRf，式中 密度掃描是對指定泳道進行像素掃描，繪出掃描曲線，并計算出該泳道中各條帶的密度和峰值，即可得任一泳道中任一條帶的密度占該泳道的百分比。密度比較是完成上述掃描后，將密度掃描形成的數據以縱軸是灰度值，橫軸是分子電泳條帶遷移率，在圖紙上視波峰、波谷的重疊交錯進行密度比較；密度定量通過對原始分子量圖的本底和條帶的灰度值分析取得已知條帶含量所對應的灰度值，與人工輸入已知條帶所含的克數成正比關系來實現的。由此正比例關系計算出未知條帶所含的克數。(4)附加工具是用常規方法實現局部放大、背景設置、測量灰度、書寫文字、圖像旋轉。
全文摘要
本發明是分子生物學圖像分析系統及其分析方法,即將分子生物學技術與計算機技術相結合,研制出多媒體分子生物學圖像分析系統。以往這些片段的分析都憑人眼目測,欠客觀性,目測的人為因素造成的誤差大,且難以保存實驗結果的原始圖像。本發明將實驗獲得圖像直接進入攝像機或掃描儀到達圖像采集板,用本發明的分析方法,編制成計算機軟件,配在本發明系統的計算機中,即能對生物大分子電泳圖像進行分子量測定和密度分析。
文檔編號G06F17/00GK1282929SQ0011706
公開日2001年2月7日 申請日期2000年7月5日 優先權日2000年7月5日
發明者徐秀林, 朱乃碩 申請人:朱乃碩