专利名称：一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物科学技术领域，尤其涉及一种凝胶成像系统。
背景技术：
凝胶成像设备是一种暗箱式拍照成像设备。目前国内的凝胶成像设备仍采用传统的人眼主观视觉评价图像的质量，并通过手动调节光圈环、聚焦环及变焦环来完成图像的准确获取，在人工劳动量大的同时获取的图像质量并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，以解决上述技术问题。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，包括一镜头、一用于控制所述镜头的聚焦控制系统，其特征在于，所述聚焦控制系统包括一图像采集模块、一数据处理分析模块、一串口通信模块、一硬件控制驱动电路；所述图像采集模块的信号输出端连接所述数据处理分析模块的信号输入端，所述数据处理分析模块的信号输出端连接所述串口通信模块的信号输入端，所述串口通信模块的信号输出端连接一系统控制器；所述系统控制器通过所述硬件控制驱动电路连接一驱动电机，所述驱动电机连接所述镜头；所述镜头包括一光圈环、一对焦环，所述驱动电机包括一光圈驱动电机、一对焦驱动电机，所述硬件控制驱动电路包括一光圈驱动电路、一对焦驱动电路；所述系统控制器分别连接所述光圈驱动电路和所述对焦驱动电路；所述光圈驱动电路连接所述光圈驱动电机，所述光圈驱动电机连接所述光圈环；所述对焦驱动电路连接所述对焦驱动电机，所述对焦驱动电机连接所述对焦环。以便本发明根据不同的图像信息，控制不同的驱动电机，完成光圈、对焦和变焦的正反向运动控制。本发明使用时，图像采集模块用于实时采集当前图像信息，数据处理分析模块用于对当前的图像信息的预处理和图像质量的评价，并给出控制信号，串口通信模块用于将控制信号通过发送给系统控制器。系统控制器根据解读到的控制信号控制驱动电机调节镜头，实现凝胶成像系统的自动聚焦。本发明摒弃了传统人眼主观视觉评价图像的质量，并通过手动调节的方式，而是采用在原手动聚焦控制系统的基础上加入自动聚焦方式，实现了自动聚焦的目的。图像采集模块，还包括一毛细管电泳芯片、光源、光电检测器，所述光电检测器的信号输出端连接一用于数据接收、处理和控制的数据处理分析模块，所述光电检测器包括一 CXD图像传感器(电荷耦合器件)，所述CXD图像传感器的信号输出端连接所述数据处理分析模块；DNA样品从所述毛细管电泳芯片的起点进入，所述DNA样品中含有突光物质。
含有荧光物质的DNA样品在光源的作用下被激发荧光，CCD图像传感器接收光信号，并将光信号转化成电信号，传送给数据处理分析模块进行处理。CCD图像传感器的检测宽度取决于阵列中的单个像元的尺寸。本发明采用CCD图像传感器作为光电检测器，与传统的采用光电倍增管(PMT)的检测方式比较，大大减小了检测宽度，并且减少了整个系统的体积和重量，还具有成本低廉、检测出的电泳谱理想等显著优点。另外，采用CCD图像传感器不仅能分辨光强，还能分辨DNA片段的位置情况。所述CXD图像传感器含有至少三个像元，所述数据处理分析模块将收到的至少三个所述像元所对应的信号进行叠加或取平均，以便消除杂波或干扰。还包括一下位机，所述下位机作为所述系统控制器，所述下位机的信号输入端通过RS232串口连接所述串口通信模块，下位机的信号输出端通过继电器连接所述驱动电机。串口通信模块用于将控制信号通过RS232串口发送给下位机(单片机)。下位机根据解读到的控制信号控制继电器，驱动驱动电机调节镜头，实现凝胶成像系统的自动聚焦。所述图像米集模块包括一光电转换器、一 AD转换器,所述镜头后方设有一 (XD图像传感器，所述CCD图像传感器连接所述光电转换器，所述光电转化器连接所述AD转换器，所述AD转换器连接所述数据处理分析模块。还包括一暗箱，所述暗箱内设一有载物平台、一光源，所述载物平台设置在所述光源后方，所述镜头设置在所述载物平台后方。本发明通过CCD图像传感器和图像采集模块采集到载物平台上物品的图像信息。所述图像采集模块还连接一显示装置，所述镜头、所述CXD图像传感器形成一凝胶成像设备所用的工业相机。所述图像采集模块是根据与凝胶成像设备所用的工业相机配套的开发包编写而成，其功能是实时准确读取每帧图像信息，并提取出有用的图像数据部分。图像采集模块还将图像信息显示在程序控制主界面的预览窗口中，便于人眼观察自动聚焦状态。
所述数 据处理分析模块包括一图像预处理模块、一图像质量评价模块一聚焦搜索算法控制模块。图像预处理包括图像去噪处理和图像亮度增强处理，图像去噪处理采用中值滤波法；所述图像亮度增强处理采用基于人眼视觉颜色恒常性的Retinex算法，并将该算法处理后的图像亮度均值作为图像的参考曝光量。图像质量评价模块包括图像亮度评价和图像清晰度评价，以聚焦窗口中图像的亮度均值作为亮度评价函数，经过多种评价函数的实例验证和比较，提出以基于空间域的灰度平方差分评价函数作为图像清晰度评价函数，其表达式为:I；
权利要求
1.一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，包括一镜头、一用于控制所述镜头的聚焦控制系统，其特征在于，所述聚焦控制系统包括一图像采集模块、一数据处理分析模块、一串口通信模块、一硬件控制驱动电路；所述图像采集模块的信号输出端连接所述数据处理分析模块的信号输入端，所述数据处理分析模块的信号输出端连接所述串口通信模块的信号输入端，所述串口通信模块的信号输出端连接一系统控制器； 所述系统控制器通过所述硬件控制驱动电路连接一驱动电机，所述驱动电机连接所述镜头; 所述镜头包括一光圈环、一对焦环，所述驱动电机包括一光圈驱动电机、一对焦驱动电机，所述硬件控制驱动电路包括一光圈驱动电路、一对焦驱动电路；所述系统控制器分别连接所述光圈驱动电路和所述对焦驱动电路；所述光圈驱动电路连接所述光圈驱动电机，所述光圈驱动电机连接所述光圈环；所述对焦驱动电路连接所述对焦驱动电机，所述对焦驱动电机连接所述对焦环。
2.根据权利要求1所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，图像采集模块，还包括一毛细管电泳芯片、光源、光电检测器，所述光电检测器的信号输出端连接一用于数据接收、处理和控制的数据处理分析模块，所述光电检测器包括一 CXD图像传感器，所述CCD图像传感器的信号输出端连接所述数据处理分析模块； DNA样品从所述毛细管电泳芯片的起点进入，所述DNA样品中含有荧光物质。
3.根据权利要求2所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，所述CCD图像传感器含有至少三个像元，所述数据处理分析模块将收到的至少三个所述像元所对应的信号进行叠加或取平均。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，还包括一下位机，所述下位机作为所述系统控制器，所述下位机的信号输入端通过RS232串口连接所述 串口通信模块，下位机的信号输出端通过继电器连接所述驱动电机。
5.根据权利要求1所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，所述图像米集模块还包括一光电转换器、一 AD转换器,所述镜头后方设有一 (XD图像传感器，所述CCD图像传感器连接所述光电转换器，所述光电转化器连接所述AD转换器，所述AD转换器连接所述数据处理分析模块。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，所述数据处理分析模块包括一图像预处理模块、一图像质量评价模块、一聚焦搜索算法控制I吴块； 图像预处理包括图像去噪处理和图像亮度增强处理，图像去噪处理采用中值滤波法；所述图像亮度增强处理采用基于人眼视觉颜色恒常性的Retinex算法，并将该算法处理后的图像亮度均值作为图像的参考曝光量； 图像质量评价模块包括图像亮度评价和图像清晰度评价，以聚焦窗口中图像的亮度均值作为亮度评价函数，以基于空间域的灰度平方差分评价函数作为图像清晰度评价函数，其表达式为: F Π) =ΣΓΣα Π-1^)-H1-1iiu -f:i—ι.；;，其中F (I)表示评价函数值，I (X，y)表示图像数据，X、y表示像素点位置；聚焦搜索算法控制模块是指依据曝光和对焦中建立的控制模型计算出控制输出量，即对应的光圈环与对焦环的改变量，控制模型主要有变步长爬山搜索算法模型、函数拟合法模型以及模糊PID控制模型。
7.根据权利要求6所述的一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，其特征在于，还包括一暗箱，所述暗箱内设一有载物平台、一光源，所述载物平台设置在所述光源后方，所述镜头设置在所述载物平台后方； 所述图像采集模块还连接一显示装置； 使用时，将凝胶生物分子制剂置于暗箱里的载物平台上，打开光源，启动聚焦控制系统，打开显示装置的图像预览窗口，即可看到当前CCD传感器的感光面的成像状态，然后调用图像亮度评价模块和图像预处理模块，对当前图像进行分析处理，得到图像亮度值和参考曝光量值，将这两个值做比较，其差值作为光圈调节量的决策信号，调用光圈控制模块，根据差值信号计算出相应的驱动电机输出步长，并将此控制信号通过RS232串口发送到系统控制器，驱动系统执行机构完成光圈调节，重复上述过程直至达到目标曝光量，即实现凝胶成像系统的自动曝光； 自动曝光结束后进入自动对焦过程，调用图像清晰度评价模块和对焦控制模块，根据图像清晰度评价曲线将前后两帧图像的清晰度评价函数值之差作为对焦控制过程的决策信号。
全文摘要
本发明涉及生化技术领域，一种高清晰度的毛细管电泳凝胶成像系统，包括一镜头、一聚焦控制系统，聚焦控制系统包括一图像采集模块、一数据处理分析模块、一串口通信模块、一硬件控制驱动电路；图像采集模块连接数据处理分析模块，数据处理分析模块连接串口通信模块，串口通信模块连接一系统控制器；系统控制器通过硬件控制驱动电路连接一驱动电机，驱动电机连接镜头；镜头包括一光圈环、一对焦环，光圈驱动电路连接光圈驱动电机，光圈驱动电机连接所述光圈环；对焦驱动电路连接所述对焦驱动电机，对焦驱动电机连接对焦环。
文档编号G03B13/36GK103079032SQ20121046513
公开日2013年5月1日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者秦键, 周爱国, 程抒一 申请人:上海培清科技有限公司