顯色型微陣列生物芯片識讀儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種顯色型微陣列生物芯片識讀儀及識讀系統，所述識讀儀包括：拍攝單元，用于獲取芯片條碼信息并拍攝芯片以獲得芯片圖像；配置文件單元，用于讀取配置文件中有關信號點識別定位和取值的參數；信號點識別定位單元，用于根據條碼信息、芯片圖像以及配置文件單元中的參數，識別并定位信號點以獲得信號點的坐標；以及信號點取值單元，用于根據信號點的坐標獲取信號點的信號值，所述信號值是信號點上的透光率與該信號點周圍背景的透光率之差。本實用新型可以實現對顯色型微陣列生物芯片透射信號的全程自動化、高準確性、高通量識讀。
【專利說明】
顯色型微陣列生物巧片識讀儀
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種生物忍片識讀儀及識讀系統，具體地，設及一種顯色型微陣 列生物忍片透射信號值多張連續自動識讀儀及識讀系統。
【背景技術】
[0002] 微陣列生物忍片是在玻璃基片、娃基片或高分子材料基片等上，W點陣排列方式 合成或者固定一系列聚合物，例如寡核巧酸，多膚和抗體等。運些聚合物可W被巧光標記 物、化學顯色類標記物所標記從而能夠被光學檢測。顯色型微陣列忍片通常使用地高辛、辣 根過氧化物酶、生物素等化學顯色類標記物對固定在忍片上的聚合物進行標記，從而可被 生物忍片識讀儀識讀其反應結果信息。顯色型微陣列生物忍片的特點是陣列點數量多、忍 片反應的結果需綜合忍片上所有陣列點的反應情況進行分析比較、肉眼無法準確判斷陣列 點的顯色結果。
[0003] 顯色型微陣列生物忍片識讀儀是對顯色型生物忍片的實驗結果進行掃描和分析 的設備。典型的顯色型微陣列生物忍片識讀儀包括光源、具備CCD(電荷禪合器件)相機的閱 讀單元、CCD控制器、用于承載和控制忍片步進的裝載單元、W及用于分析忍片識讀結果的 計算機。CCD(電荷禪合器件)相機在光源照射下獲取顯色型微陣列生物忍片圖像后，通過數 據接口顯示在計算機上，通過安裝于計算機上的軟件識別忍片圖像中的陣列點的位置W及 陣列點的信號值。
[0004] 顯色型微陣列生物忍片的陣列點周圍區域有時存在灰塵、纖維、背景之類的具有 一定信號值的污染物，會對信號點的坐標定位和準確采集信號值產生干擾。目前的顯色型 微陣列生物忍片識讀儀通常需要人工確認該忍片的類型，然后在計算機的軟件中手動調整 W尋找正確的陣列點，自動化程度低，效率低下；當需要識讀多種類型的生物忍片時，人工 識讀的效率會更低，且人工確認忍片類型存在因工作強度的增加而發生失誤的可能，進而 導致忍片結果識讀準確率下降;采集的信號值常常由于上述的忍片污染物和人工操作而導 致干擾失真;在忍片信號采集環節上，通常是光穿過忍片后照射到背光板上，背光板反射出 忍片信號進而被采集，而背光板上積累的灰塵對信號值的干擾很大，也會造成采集的信號 失真;一次檢測1張忍片，檢測通量低。
[0005] 因此，希望能夠開發出高準確度、高通量、高自動化的顯色型生物忍片識讀儀。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型為解決上述問題而完成，目的在于提供一種高準確性、高通量、高自動 化的微陣列生物忍片識讀儀及識讀系統。
[0007] 本實用新型包括W下內容：
[000引（1) 一種顯色型微陣列生物忍片識讀儀，其特征在于，包括：
[0009] 拍攝單元，用于獲取忍片條碼信息、拍攝忍片W獲得忍片檢測圖像；
[0010] 配置文件單元，用于讀取配置文件中有關信號點識別定位和取值的參數；
[0011] 信號點識別定位單元，用于根據條碼信息、忍片檢測圖像w及配置文件單元中的 參數，識別并定位信號點W獲得信號點的坐標;W及
[0012] 信號點取值單元，用于獲取信號點的信號值，所述信號值是信號點上的透光率與 該信號點周圍背景的透光率之差。
[0013] (2)如上述（1)所述的識讀儀，其特征在于，所述拍攝單元包括主相機、副相機W及 用于主相機照明的背景光源，所述主相機和所述背景光源分別位于所述忍片的兩側。
[0014] (3)如上述（1)或(2)所述的識讀儀，其特征在于，所述信號點取值單元還包括圖像 校準單元，用于對所述忍片圖像進行背光的方向性校準W及對傳感器的伽馬值進行校準。
[0015] (4)如上述（1)或(2)所述的識讀儀，其特征在于，所述識讀儀還包括承載多張忍片 的載物盤。
[0016] (5)如上述（1)或(2)所述的識讀儀，其特征在于，所述識讀儀還包括設置于識讀儀 機箱上的屏幕，用于預覽所述忍片條碼信息和所述忍片檢測圖像。
[0017] (6)-種用于實現顯色型微陣列生物忍片透射信號值的多張連續自動識讀方法的 識讀系統，其特征在于，包括：
[0018] 上述(5)~(9)中任一項所述的識讀儀、設置有條碼的顯色型微陣列生物忍片W及 計算機，其中，計算機中預裝分析軟件，將識讀儀中輸出的各忍片條碼信息及對應的信號值 與分析軟件進行匹配W獲得檢測報告。
[0019]技術效果
[0020] 與現有技術相比，本實用新型的顯色型微陣列生物忍片的多張連續自動識讀方 法、用于實現該方法的識讀儀及識讀系統提高了識讀顯色型微陣列生物忍片結果的準確性 和自動化程度，可W實現顯色型微陣列生物忍片的高通量分析。
[0021] 本實用新型通過在忍片上設計條碼、在識讀儀中設置掃描條碼專用的副相機，使 得識讀儀能夠自動獲得待測忍片的類型信息(包括忍片所測樣本型號、陣列點位置信息、標 志點位置信息、信號值分布信息等）；通過設置配置文件單元、信號點識別定位單元和信號 點取值單元，結合已獲得的忍片類型信息，從而能夠準確而自動地尋找到各信號點，自動輸 出所識讀忍片的類型信息和信號點信息;通過為識讀儀設計對忍片的移動功能，使得識讀 儀能夠連讀識讀多張忍片;實現了顯色型微陣列生物忍片透射信號值的全程自動化識讀和 高通量識讀。
[0022] 本實用新型通過識讀儀的信號點識別定位單元對捜索到的信號的輪廓、位置進行 比對，將不在信號點尺寸范圍內、位置誤差范圍內的信號點輪廓拋棄，可W排除灰塵等污染 物的干擾，提高識讀的準確度。
[0023] 本實用新型通過將用于拍攝忍片圖像的主相機和用于主相機照明的背景光源置 于忍片的兩側，光源照射忍片后，拍攝單元獲取忍片的透射圖像，相比通常的拍攝忍片背光 板反射圖像，避免了背光板污染物在光線反射過程中對信號采集造成的干擾失真，提高了 識讀的準確度。
[0024] 總之，本實用新型實現了對顯色型微陣列生物忍片透射信號的全程自動化、高準 確性、高通量識讀的技術效果。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本實用新型的生物忍片識讀儀的模塊框圖。
[0026] 圖2是本實用新型的生物忍片識讀儀的內部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 本實用新型主要包括顯色型微陣列生物忍片識讀儀和識讀系統。
[0028] W下分別對本實用新型進行詳細說明，但本實用新型不局限于運些內容，本領域 技術人員可在不脫離發明思想的范圍內對本實用新型進行各種合理的改變。
[00巧]一.顯色型微陣列生物忍片識讀儀
[0030] 本實用新型的識讀儀用于實現顯色型微陣列生物忍片透射信號值的多張連讀自 動識讀，并將獲取的信號值輸出給計算機。
[0031] 圖1是本實用新型的顯色型微陣列生物忍片識讀儀的結構示意圖。如圖1所示，本 實用新型的識讀儀主要包括拍攝單元1、配置文件單元2、信號點識別定位單元3和信號點取 值單元4。
[0032] 圖2是本實用新型的顯色型微陣列生物忍片識讀儀的內部結構示意圖。下面結合 圖1和圖2對本實用新型的識讀儀進行詳細說明。
[0033] 拍攝單元1用于獲取忍片條碼信息并拍攝忍片W獲得忍片圖像。如圖2所示，拍攝 單元1進一步包括主相機11、副相機12、用于主相機照明的背景光源13W及副相機照明光源 15。主相機11用于拍攝忍片圖像，副相機12用于掃描忍片條碼。主相機11優選五百萬像素的 CCD相機，副相機12沒有特別限定，普通的工業相機即可。主相機照明的背景光源13優選LED 光源，副相機照明光源15也優選LED光源。
[0034] 拍攝單元1優選還包括CMOS(互補金屬氧化物半導體)灰度圖像傳感器。
[0035] 優選所述主相機11和所述背景光源13位于所述忍片的兩側，主相機11正對著待檢 測忍片，例如可W在忍片的正上方，主相機的背景光源13位于待檢測忍片的背面。副相機12 正對著待檢測忍片的條碼位置，例如可W在忍片條碼的正上方。
[0036] 本實用新型的識讀儀首先通過拍攝單元1的副相機12掃描生物忍片的條碼獲取忍 片條碼信息，根據該條碼信息，可W獲取對應的忍片的型號、陣列點的行列數W及忍片檢測 的基因位點、忍片標志點的列數及流水號等信息。然后通過CCD主相機11多次曝光拍攝該忍 片，獲取最終的忍片圖像。
[0037] 配置文件單元2用于從配置文件中讀取信號點識別定位和信號點取值所需的配置 參數。配置文件中定義了信號點識別定位與取值所需的相關配置參數，包括信號點識別規 貝1J、背光校準值W及傳感器校準值。
[0038] 本實用新型的配置文件單元提供的參數如表1所示。
[0039] 表1:配置文件中的配置參數
[0040]

[0041] 配置參數還可W增加不同忍片的信號值分布參數，即忍片各位置(特定行、列、坐 標)的信號點的取值范圍，排除不在信號值范圍內的干擾信號，提高信號點識別的準確性。
[0042] 信號點識別定位單元3用于識別并定位信號點W獲得信號點的坐標，具體地，信號 點識別定位單元根據拍攝單元1獲取的忍片條碼信息、忍片圖像W及配置文件單元2中設定 的信號點識別規則、信號行列W及信號點輪廓(尺寸）的最小值和最大值，對捜索到的點的 尺寸、位置進行比對，排除位置、尺寸不符合信號點識別規則的點，并將間距與大小合適的 點篩選出來，識別出圖像中的信號點，對所有的信號點進行定位，并WXY坐標的形式輸出。
[0043] 信號點識別定位單元3優選進一步具有圖像處理單元，用于在對所有的陣列點進 行捜索前對圖像進行處理。具體地，圖像處理單元首先對原始圖像進行裁剪，取出成像部 分，再對圖像進行亮度歸一化、反色、二值化，然后使用一次腐蝕/膨脹去除噪點。
[0044] 歸納起來，信號點識別定位單元3的優選的工作流程是:首先，讀入圖像等信息，然 后，裁剪圖像、歸一化、反色、二值化、腐蝕/膨脹，最后捜索陣列點、篩選信號點、定位信號 點、輸出信號點坐標。
[0045] 實際使用中，忍片上存在的灰塵等也會在照片上成像，在二值化后取輪廓時會取 到運些灰塵的輪廓，識讀會受到灰塵影響無法正常取值，從而對信號點的坐標定位錯誤。本 實用新型通過使用信號點識別定位單元對捜索到的輪廓、位置進行比對，將不在信號尺寸 范圍內、位置誤差范圍內的輪廓舍棄，從而能夠排除灰塵等對信號點定位的影響，提高識別 準確度。
[0046] 信號點取值單元4用于讀取圖像中信號點位置上的信號值，所述信號值為信號點 上透光率與周邊背景透光率的差值。具體地，計算時先計算整個信號點區域非信號點處的 背景信號值，記錄其均值和最大值。再計算每個信號點周邊的局部背景信號值，也記錄其均 值和最大值。獲取整個信號點區域的所有像素的透光率值，去除其中超過信號點正常透光 范圍的像素，其余像素進行平均，獲得信號點的透光率平均值。最后將信號點的透光率值減 去配置文件中所選取的背景值，得到此處信號點的信號值。
[0047] 忍片信號點的信號值與CCD主相機11采集到的透光率的關系如下:校準后100%透 光率基準采樣信號值為138,圖像傳感器采樣值范圍為0~255共256級。信號值是16次采樣 值通過計算得到的：
[0048]
(1)
[0049] 其中，Val為信號值，Si為信號點透光率，Bi為背景透光率，k為背光校正系數(0<k< 2)。
[0050] 根據需要，本實用新型的信號點取值單元優選進一步包括圖像校準單元，用于對 照片進行背光的方向性校準W及對傳感器的Gamma進行校準。
[0051] 運是因為在實際使用中，有時會存在識讀儀的背光不均勻的問題，從而會影響信 號點的取值，產生取值誤差。運種背光不均勻通常是由于背光板的材質均勻度和背光光源 的方向性，導致背光亮度會在Χ/?方向上發生變化。通過進一步設置圖像校準單元，對背光 亮度的方向性變化加入補償系數，保證取值時的背光亮度均勻一致，將取值誤差控制在要 求的范圍內。
[0052] 此外，傳感器由于制造原因接收到的光線能量與輸出值之間有時可能會有差異， 從而有可能造成透光率測定線性度不好，可能在信號點取值上產生誤差。圖像校準單元可 W對傳感器的取值進行Gamma(伽馬）校準，提高其線性度，將取值誤差控制在要求的范圍 內。
[0053] 根據需要，本實用新型的識讀儀還可W具有信息輸出單元。信息輸出單元用于輸 出信號點信息和反色展示圖片，具體而言，將信號點位置信息與信號點取值信息保存為文 本文件，并將信號點區域取出保存為反色高對比的展示圖片。
[0054] 本實用新型的上述配置文件單元2、信號點識別定位單元3和信號點取值單元4也 可W集合成一個信號點識讀單元來實現。
[0055] 本實用新型的識讀儀還包括承載多張忍片的移動載物盤51、導軌52和電機馬達 53。所述載物盤51包含多個平行排列的生物忍片槽，由馬達53帶動載物盤51裝載忍片一格 一格的運動，當忍片處于CCD主相機11正下方且忍片條碼處于副相機12正下方時，停止運 動。通過L抓背景光源13透射形成的忍片檢測圖像被CCD主相機11多次拍照采樣，利用大視 場焦平面調整技術和自動聚焦技術控制成像質量。副相機12利用副相機照明光源15,對生 物忍片條碼區域進行掃描采樣。
[0056] 本實用新型的識讀儀還包括設置于識讀儀機箱上的屏幕，該屏幕是LCD屏，用于預 覽所述忍片條碼信息和所述忍片圖像。
[0057] 本實用新型的識讀儀的電路主要包括開關電源、主板、核屯、板、副相機板、主相機 板、接口板、位置傳感器板、背景光板、電機驅動板、按鍵指示燈板、LCD等。
[005引各部分的功能如下：
[0化9] 開關電源:支持110~240V AC寬電壓輸入
[0060] 核屯、板:采用IMX6主處理器，具有強大的數據處理能力
[0061 ]副相機板:用于拍攝條碼
[0062] 主相機板:用于生物忍片的拍攝
[0063] 主板:進行電源處理W及核屯、板到各功能板控制邏輯W及反饋
[0064] 位置傳感器板:電機行程位置的歸零信號
[0065] 背景光1 :L邸背光板，用于主攝像頭拍攝忍片時候的背景照明
[0066] 背景光2:單科LED，用于副攝像頭拍攝條碼時候的背景照明
[0067] 電機驅動板:用于驅動4線制2相步進電機
[0068] 按鍵與指示LED:用于機器使用時候功能按鈕
[0069] 接口板:集成USB和Internet RJ45接口
[0070] 本實用新型的識讀儀還包括各部件之間W及與計算機之間的數據接口。
[0071] 概括起來，本實用新型的識讀儀各個單元的工作模式如下：
[0072] 首先由電機馬達帶動載物盤將待檢測的生物忍片輸送到適合拍攝的位置，然后由 拍攝單元的副相機掃描忍片條碼并由主相機拍攝忍片圖像，然后由信號點識別定位單元根 據條碼信息、忍片圖像W及配置文件單元中的信號點識別參數，識別并定位信號點W獲得 信號點的坐標，接下來由信號點取值單元根據信號點的坐標信息W及配置文件單元中的信 號點取值參數獲取信號點的信號值，最后將信號點的信號值輸出至外接計算機。
[0073] 此外，在配置文件單元，配置文件需要測試各種不同的參數輸入，超出參數輸入范 圍的需要提示警告，所有的測試結果需要符合定義的測試預期。在信號點定位識別單元和 信號點取值單元，也需要測試各種不同范圍的輸入，根據配置文件中的設定，獲取與輸入相 對應的結果，對于超出輸入范圍的數據，要提示警告。
[0074] 通過本實用新型的識讀儀，可W實現顯色型微陣列生物忍片透射信號值多張連續 自動識讀的方法。
[0075] 本實用新型的識讀儀不需借助外接計算機的分析軟件，單獨就可W實現信號值的 獲取。
[0076] 二.顯色型微陣列生物忍片的識讀系統
[0077] 本實用新型還包括用于實現顯色型微陣列生物忍片透射信號值多張連續自動識 讀方法的識讀系統。本實用新型的識讀系統包括經特定設計的顯色型微陣列生物忍片、用 于獲取忍片信號值的識讀儀W及計算機。
[0078] 1.經特定設計的顯色型微陣列生物忍片
[0079] 為了提高識別的準確度，本實用新型對常規的顯色型微陣列生物忍片進行了特定 設計，在忍片上設置有標志點和條碼。
[0080] 本實用新型在忍片點陣列每一行的最左端，設置一列或多列標志點，優選3列。該 標志點是一種陽性對照探針，與含有能與該標志點的探針序列完全結合的寡核巧酸序列的 反應液發生雜交反應，產生穩定的顯色結果，在檢測中顯示較強的信號值。例如，在基因忍 片中，標志點成分包含特定的核巧酸序列，反應液中有與標志點核巧酸完全匹配的序列，因 此可W穩定地結合并顯色。標志點的添加方法和其他探針點方法相同，可通過市售的生物 忍片點樣設備進行添加。
[0081] 標志點的功能就是一般陽性對照的功能，標志點信號值正常時，說明發生了顯色 反應，即說明加入的待測樣品與忍片陣列點發生了雜交反應。在本實用新型中，由于標志點 反應后信號值不僅穩定而且比一般的反應點的信號值強，在對忍片圖像進行尋點時，根據 配置參數首先尋找標志點，確定標志點坐標后再根據已知的陣列點分布的行列數、間隔距 離或各陣列點的相對坐標，推算出各陣列點坐標值。因為標志點信號值強且穩定，首先尋找 標志點而不是其他陣列點，能夠最大化保證尋找陣列點的準確性。
[0082] 本實用新型的顯色型微陣列生物忍片上設置有標識該忍片類型的條碼。通過掃描 該條碼，可W獲得待測忍片的相關信息，包括忍片類型、忍片陣列點的行數、列數、點間距、 各陣列點的相對坐標、陣列點的信號值分布(特定陣列點的信號值范圍，如標志點的信號值 范圍）等信息。
[0083] 條碼是普通的一維條碼，可W通過例如粘貼的方式設置在忍片的左端或右端。
[0084] 2.用于獲取忍片信號值的識讀儀
[0085] 識讀儀為上述(二)項下所記載的顯色型微陣列生物忍片識讀儀。識讀儀具有與計 算機之間的數據接口。
[0086] 3.計算機
[0087] 計算機內安裝有分析軟件，軟件沒有特別限定，可W選擇例如市售的Arrray Doctor系列軟件(上海百傲科技股份有限公司），通過該軟件將獲取的忍片檢測數據(生物 忍片信號點的坐標分布信息和信號值)與軟件內的生物忍片分析包文件進行匹配并輸出檢 測報告。
[0088] 計算機通過USB數據線和W太網接口與識讀儀相連接。
[0089] 本實用新型的識讀系統還包括識讀失敗后的報錯功能、數據保存和打印功能，真 正實現了顯色型微陣列生物忍片投射信號識讀的全程自動化。
[0090] 實施例1
[0091] 將待測的顯色型微陣列生物忍片放入識讀儀的載物盤51的忍片槽內，一次可W放 入則長，由馬達53帶動載物盤51-格一格運動，當第1張待測忍片處于CCD主相機11正下方， 同時忍片條碼處于副相機12正下方的位置時，停止運動。利用副相機照明光源15,通過副相 機12對忍片條碼區域進行拍照采樣。通過主相機Lm)背景光源13透射形成的忍片檢測圖像 被CCD主相機11多次拍照采樣，獲得忍片圖像。
[0092] 接著，圖像處理單元先對忍片的原始圖像進行剪裁，取出成像部分，再對圖像進行 亮度歸一化處理，接著對圖像進行反色和二值化處理，再進行一次腐蝕/膨脹去除噪點。
[0093] 然后，信號點識別定位單元3對忍片圖像進行捜索，將捜索到的所有的信號點尺寸 進行排序，根據配置文件單元中設定的尺寸的最小值和最大值，篩選出符合尺寸范圍的點， 配置文件單元中預設了標志點的信號值范圍，標志點的信號值較一般反應點大，容易區分， 因此在信號點輪廓篩選過程中，先根據標志點信號值范圍對標志點進行篩選，再根據預設 的點間距值和行列數對其他點進行輪廓篩選，運樣就提高了陣列點識別的準確性。并根據 預設的點間距W及忍片行列數進行定位，排除污染物等干擾點，輸出所有信號點的坐標信 息。
[0094] 然后，通過信號點取值單元4根據輸出的所有信號點的坐標信息，分別計算整個信 號點區域非信號點處的背景信號值、每個信號點周邊的局部背景信號值、信號點透光率值， 然后將上述數值代入前述公式(1)計算各個信號點信號值，關聯第1張忍片條碼及信號值。 [00M]接下來，載物盤51運動一格，使第2張待測忍片處于主相機11正下方，同時忍片條 碼處于副相機12正下方的位置，重復與上述第1張待測忍片同樣的操作，完成第2張忍片的 信號點取值。
[0096] 重復上述操作，至完成所有忍片的信號點取值。
[0097] 最后，將上述各個忍片條碼及信號點的信號值輸出至計算機進行分析，輸出檢測 報告。
[009引實施例2
[0099] 除了信號點識別定位單元3采用如下方案外，其余同實施例1。
[0100] 在配置文件單元中預設了忍片的陣列點坐標值，對圖像中所有點輪廓捜索完成 后，根據標志點信號值范圍確定圖像中標志點的坐標W及預設的陣列點坐標，推算標志點 W外的陣列點坐標，在推算出的坐標一定范圍內的點被認定為陣列點，在推算坐標一定范 圍外的點則被認定為因污染等因素造成的干擾點，當所推算坐標一定范圍內出現多個點 時，可結合污染點的輪廓與陣列點輪廓的區別W及點的大小，進行識別，進而提高陣列點識 別的準確程度，最終確定各陣列點的坐標并輸出。
【主權項】
1. 一種顯色型微陣列生物芯片識讀儀，包括:信號點識讀單元和拍攝單元，所述信號點 識讀單元和所述拍攝單元相連接，所述拍攝單元用于獲取芯片條碼信息并拍攝芯片以獲得 芯片圖像，其特征在于： 所述拍攝單元包括主相機、副相機以及用于主相機照明的背景光源，所述主相機和所 述背景光源分別位于所述芯片的兩側。2. 如權利要求1所述的顯色型微陣列生物芯片識讀儀，其特征在于，所述識讀儀還包括 承載多張芯片的載物盤。3. 如權利要求1或2所述的顯色型微陣列生物芯片識讀儀，其特征在于，所述識讀儀還 包括設置于識讀儀機箱上的屏幕，用于預覽所述芯片條碼信息和所述芯片圖像。
【文檔編號】G06K7/10GK205451080SQ201521088268
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月23日
【發明人】朱濱, 邢軍芬, 林志松, 陸恩澤, 魏悅, 張瑩
【申請人】上海百傲科技股份有限公司