专利名称：一种电旋转生物芯片试验用测控装置及试验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于自动化测控及生物技术领域，涉及对电旋转试验进行监测的控制的技术，具体的说是一种生物芯片电旋转试验平台。
背景技术：
电旋转(electrorotation, R0T)技术是一种研究生物体(如细胞)特性的新型技术。其原理是，当包含细胞或生物体的溶液被置于特定的旋转电场中时，细胞因其介电性质不同，所产生的旋转响应也不同，因此在旋转电场中细胞体会发生承载各种特征信息的规律性旋转。通过测量旋转体尺寸、单位旋转速度、跟踪旋转体运动轨迹及个体结合规律等，可提取与受试对象生化特征相对应的物理信息。该技术通过在多相电极上施加不同相位的可调幅、调频的交流正弦信号产生旋转电场，观察并检测在此旋转电场下生物体的电旋转特性。该技术适用于研究细胞生存周期及凋亡、动态监测细胞生理状态、药物高通量筛选、微生物分离鉴定以及工业发酵用菌种选育等诸多生物医药、细胞工程等领域。电旋转生物芯片是电旋转技术的典型应用载体之一，是基于旋转电场法开发的新型生物芯片，以该芯片为载体的电旋转试验是电旋转技术应用的一个重要方面，目前我国已有多种电旋转生物芯片研制成功并投入应用。但是，目前电旋转生物芯片试验平台的建设远未跟上电旋转技术的发展和试验应用的需要，主要体现在如下几个方面:1、尚无完善的自动化试验测控系统；2、集成化、系统化设计的试验平台国内外均为空白；3、专用多相宽频同步电源过于孤立，未能实现与试验平台其它部件的集中化、统
一化管理；4、未实现基于PC (或嵌入式系统)的图像处理自动检测技术替代现有人眼目测的方法。现有的电旋转生物芯片试验平台的搭建，以独立的多相宽频同步电源作为芯片工作的专用驱动电源，受试生物体形态与旋转特征通过显微镜，经CXD光学视频系统输入到视频监视器，再以人工目测方法计秒给出旋转速度等特性数据。在这样的平台中，系统臃散难以提高性能；旋转电场参数的初始调节及即时调节等工作仍需手工在驱动电源上完成，严重影响检测效率；而且被试体的运动特征的获得，依赖于目测，不仅检测效率低、而且还容易因视觉疲劳造成人为误差。无法适应现代试验技术发展和电旋生物芯片规模化推广应用的需要。在现有的生物芯片检测分析仪器设备中，对CCD光学视频系统输出的图像数据的采集，采用“计算机+图像采集卡”的模式(唐小萍，刘业异，王淑蓉等.CXD生物芯片检测仪设计[J].微纳电子技术，2002，(5):41-44)，先由扫描仪采样得到可供分析的图像数据，然后传送给PC机进一步分析处理。图1所示为目前市场上用于电旋转试验的测试系统，其结构上包括PC机、图像采集卡、显微摄像系统、四相宽频同步电源和电旋转生物芯片。四相宽频同步电源与显微摄像系统各自独立，须人工分开操作，PC机仅作为视频图像处理终端。此方案结构复杂、体积庞大、成本高、资源利用效率低。在现有电旋转试验的测试系统中，对图像数据的处理，是对利用生物芯片扫描仪得到的规则点阵列静态图像进行处理，分隔和处理每一个样品点，得到需要的参数(如样品斑点的面积、平均灰度值、灰度积分值及灰度最大、最小值等)。细胞活力电旋生物芯片的参数检测与其它生物芯片比较存在多方面区别:通过动态图像处理信息的综合检测相关参数；动态图像源自显微放大后的视频；处在溶液中的细胞等试验对象图像不够清晰、边缘模糊、存在一定背景干扰；试验过程中不确定因素影响图像处理等。在细胞移动中动态地获取细胞旋转速度等特征值需要克服图像处理和标记等一系列难题。针对其它医学或生物学的细胞图像处理研究，主要集中在静态细胞边缘提取和图像分割方面。此外，采用计算机和成像装置结合的方式的电旋生物芯片试验平台，由于其仪器结构复杂和系统操作过于专业化等问题，也制约了生物芯片的应用范围，阻碍了生物芯片产业的发展(胡翔宇、，唐小萍，严伟等。嵌入式生物芯片检测分析系统设计[J]。计算机应用研究，2008，25 (4): 1254-1256)。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术中存在的上述不足，提出一种小型化、集成化、智能化的与电旋转生物芯片配套的试验仪器设备。为实现上述目的，本实用新型首先提供一种电旋转生物芯片试验用测控装置。其包括:驱动电源控制单元，用于向产生激励生物芯片中细胞旋转运动的四通道功率信号的驱动电源输出控制信息，用以调整驱动电源的所产生的功率信号的频率、各通道功率信号的幅值、以及各通道功率信号间的相位差；所述功率信号具有宽频同步的特性，其频率、幅度值、相位都可以设置；显微摄像控制单元，用于向显微摄像系统的摄像机输出触发信号，以控制启动或停止视频采集；和视频采集处理单元，用于接收显微摄像系统输出的视频流，并对接收到的视频进行分析，获取并输出被测生物芯片中细胞的运动状态参数；所述运动状态参数包括中心位移、旋转速度，所述分析过程包括视频中的图像分帧获取、图像预处理、细胞边缘提取、细胞定位、细胞旋转参数检测。上述各单元均可以采用纯硬件电路构建而成，也可以通过处理器搭配相应程序指令，再配合与对象设备进行通讯的通讯接口来构建而成。其中，前者采用纯硬件电路，具有结构复杂、集成化水平低、产品体积大、成本偏高等不足。后者通过为处理器配置指令代码的方式来实现各种控制及处理功能，具有易于实现、集成化水平高、产品体积小、成本低等优点。因此本实用新型优选后者。所述驱动电源控制单元、显微摄像控制单元、和视频采集处理单元，可以各自单独配置处理器、存储器、通讯接口，也可以共用同一处理器，交错执行相应的指令代码实现相应的控制和处理功能。在一般的电旋转生物宓片实验中，对驱动电源及显微摄像系统的控制操作并不频繁，无需单独配置处理器、存储器等配件资源，所以优选几个单元共用同一处理器和存储器的方案。[0020]采用上述共用处理器及存储器的优选方案，本实用新型所述的测控装置可具体包 括:处理器、用于存储程序指令代码、视频数据的存储器、用于暂存程序指令和待处理数据 的随机存储器、用于与被控显微摄像系统通讯的第一通讯接口和第二通讯接口、和用于与 被控电旋转生物芯片驱动电源通讯的第三通讯接口；[0021 ] 所述第一通讯接口与被控显微摄像系统的摄像机的电平触发接口连接，所述处理 器根据程序指令通过第一通讯接口向摄像机的电平触发接口输出触发信号，进而控制摄像 机启动或停止视频采集。[0022]所述第二通讯接口与被控显微摄像系统的摄像机的视频输出接口连接，所述处理 器通过第二通讯接口接收显微摄像系统输出的试验监测视频，并将其存入存储器，所述处 理器分帧获取所接收的视频中的图像，经图像预处理后，提取图像中细胞边缘、中心坐标， 进而计算获得细胞的移动轨迹和旋转速度。[0023]所述第三通讯接口与被控驱动电源的参数配置接口连接，所述处理器通过第三通 讯接口向驱动电源输出目标功率信号的频率、各通道功率信号的幅值及相位。[0024]在上述方案中，所述处理器可以是各种具有图像处理能力的处理器，如DSP，PC机 CPU, ARM等。其中，优选DSP。所述第二通讯接口需要高速传输图像数据，而第一和第三通 讯接口对性能相求不高，可以是各种数字I/O接口。相应的，被控摄像装机和驱动电源也应 该具有与之相同或相对应的通讯接口。[0025]现有工业摄像机均配置有用于输出视频的高速数字接口和用于接收触发信号的 触发接口。所述高速数字接口一般采用USB、1394、千兆以太网，其中以USB接口居多。因 此，本实用新型优选USB主控接口作为第二通讯接口，采用该接口的优点是，无需对摄像机 进行改造，即可适用于大多数现有工业摄像机，通用性好。所述触发信号分为外部触发和指 令触发两种。测控装置的处理器可以利用指令通过高速数字接口触发摄像机启动图像采 集，也可以通过产生一个电平信号输入至摄像机触发接口的方式触发摄像机启停。[0026]现有专用于电旋转生物芯片实验的专用驱动电源主要是一种四相宽频同步电源， 其包括处理模块、高频小信号产生模块(DDS)、四个信号功率放大模块、人机接口(键盘、液 晶屏等，用于手动进行设置)、上位机接口(一般为RS232接口)。其中DDS可产生四相功率 信号，并分别通过四个输出端口输出，所述四个信号功率放大模块输入端分别接DDS的四 个输出端口，输出端即为驱动电源的四相输出端口。所述人机接口及上位机接口均与处理 模块相连，所述处理模块接收人机接口或上位机接口输入的控制参数，并根据接收的控制 参数设置DDS所产生功率信号的频率，及各相功率信号的幅值和相位。[0027]鉴于现有电旋转驱动电源的上位机接口多为RS232接口，为了提高测控装置的通 用性，本实用新型优选RS232接口作为第三数字接口。所述RS232接口通过电平转换芯片 与所述处理器的UART接口连接。[0028]所述存储器可以是与处理器连接的硬盘、FLASH等可读写的存储设备。[0029]此外，本实用新型所述测控装置还可以包括用于扩展其它外部存储的MMC卡接 口、其它USB主控接口。[0030]基于上述测控装置，本实用新型还提供一种电旋转生物芯片集成试验系统。[0031]该系统包括生物芯片试验操作平台、电旋转驱动电源、由光学显微放大装置和工 业摄像机组成的显微摄像系统、测控装置、输入显示装置；[0032]所述生物芯片试验操作平台用于装载电旋转生物芯片，其上设有电旋转生物芯片的装夹装置和分别与驱动电源的四相输出端口相连的四个电源接头，装载在生物芯片试验操作平台上的电旋转生物芯片的四个电源输入端分别与所述的四个电源接头连接；所述光学显微放大装置的物镜端正对装载在生物芯片试验操作平台上的电旋转生物芯片，工业摄像机的摄像镜头与光学显微放大装置目镜端相连。所述测控装置通过第一通讯接口与工业摄像机的触发接口连接，控制摄像机启动或停止视频采集。所述测控装置通过第二通讯接口与显微摄像系统的摄像机的视频输出接口连接，接收并处理显微摄像系统输出的实验视频，分析获得细胞的移动轨迹和旋转速度。所述测控装置通过第三通讯接口与驱动电源的参数配置接口连接，向驱动电源输出目标功率信号的频率、各通道功率信号的幅值及相位。所述测控装置通过第四通讯接口与输入显示装置连接，接收输入显示装置输入的设置数据，并将分析获得的细胞的移动轨迹和旋转速度输出到输入显示装置显示。所述电旋转驱动电源，包括处理模块、高频小信号产生模块(DDS)、四个信号功率放大模块、与测控装置连接的参数配置接口(RS232，与测控装置第三通讯接口连接)，此外还可以包括人机接口(键盘、液晶屏等)，用于手动对驱动电源直接进行设置。其中DDS可产生四相功率信号，并分别通过四个输出端口输出，所述四个信号功率放大模块输入端分别接DDS的四个输出端口，输出端即为驱动电源四相输出端口。所述人机接口及参数配置接口均与处理模块相连，所述处理模块接收人机接口或参数配置接口输入的配置参数，并根据接收的配置参数设置DDS所产生功率信号的频率，及各相功率信号的幅值和相位。在上述系统中，所述测控装置是电旋转生物芯片集成试验系统的核心。其处理器主要承担着几个方面的任务:①接收试验装置设定输入的数据，输出试验结果控制芯片试验驱动电源工作；③接收来自视频系统的视频信息流；④视频信息的处理、分析、量化评估。所述测控装置可以前述电旋转生芯片试验用测控装置。 上述系统启动之 后，处理器配置驱动电源以产生相应的四相位同步正弦交流信号(功率信号)，同时配置显微摄像系统以保证获得清晰的细胞电旋转图像；在四相宽频同步电源输出的功率信号驱动下，受试对象(细胞)在电旋转生物芯片的溶液中旋转；显微摄像系统将采集到的试验图像(细胞旋转图)送至DSP系统；在05 内以特定的算法不断地处理所得到的图像数据，最终得出细胞运动参数，如细胞质心的运动轨迹和细胞的旋转速度。在系统运行的过程中，操作人员也可以通过人机操作界面更新驱动电源和显微摄像系统的配置。本实用新型的方案保持显微摄像系统和驱动电源的相对独立，用专用测控装置替代现有PC机和采集卡，测控装置集成了采集并处理显微摄像系统的图像信息功能；及控制显微摄像系统取像和驱动电源输出信号的各项参数。实现电旋生物芯片试验整个过程自动化。很好地满足生物芯片试验设备小型化、集成化、智能化的发展需求。此外，嵌入式系统成本低、应用灵活的特点使其在生物芯片试验领域具备广阔的应用前景和市场潜力。本实用新型优选通过现有驱动电源和工业摄像机所预留的通讯接口实现测控装置与它们的交互。此方案不仅可以实现与显微摄像系统的交互、对驱动电源的控制，更有利于升级更新后的专用驱动电源和显微摄像系统在细胞电旋转试验测控系统中的应用，只需要在系统软件上作相应的调整就可实现整个系统的更新换代，大大降低了再次开发的复杂程度和周期。
图1为现有电旋转生物芯片试验系统结构原理图；图2为本实用新型改进的电旋转生物芯片试验系统结构原理图；图3为本实用新型所述DSP系统结构原理图；图4为四相宽频同步电源原理示意图；图5为DSP系统与四相宽频同步电源配套的RS232接口电路结构图；图6为四相宽频同步电源操作面板示意图；图7为DSP系统与工业摄像机连接的USB主控接口硬件原理图；图8为USB总线枚举过程示意图；图9为USB设备检测流程；图10为本实用新型试验系统软件流程图；图11为图像静态处理流程图；图12为细胞参数动态检测流程图；图13为图像灰度分段线性变换示意图；图14为连接间断点的结构元素；图15为形态学方法提取细胞边缘流程图；图16为“环形窗”模板示意图；图17(a)为模板缩放示意图；图17(b)为细胞跟踪流程图；图18为特征点跟踪法转速检测示意图；图19为细胞运动参数检测程序流程图。
具体实施方式
下面以一个实例的形式结合附图，对本实用新型所述电旋转生物芯片集成试验系统及测控装置做进一步的说明。本实例优选基于DSP系统设计所述测控装置，整个电旋转生物芯片集成试验系统的原理如图2所示。其中四相宽频同步电源作为电旋转生物芯片试验的驱动电源，显微摄像系统(由光学显微放大装置和工业摄像机组成)对实验中的电旋转生物芯片进行取像，并将形成的视频数据输出给DSP系统(测控装置)，所述DSP系统同时控制四相宽频同步电源输出的功率信号的参数(电压相位及变换频率)和视频摄像系统的取像参数(通过变焦和聚焦控制取像范围及取像大小的参数等)。所述DSP系统平台选用基于ADI公司DSP处理器ADSP-BF533的系统开发平台EBF533，其系统结构如图3所示。参照图3，所述DSP系统主要包括DSP处理器ADSP-BF533，以及外部设备:存储器接口，SDRAM、FLASH、MMC卡和硬盘；人机接口，TFT IXD液晶屏和触摸屏控制器；通信接口，USB设备、SPI和RS232接口。此外，还包括逻辑控制器CPLD等。[0065]ADSP-BF533是ADI公司出产的Blackfin系列DSP处理器，特别适用于数字音视频及图像处理，具有控制处理功能和实时安全性。其主要性能参数如下:最高600MHz内核时钟频率，1200MMACS和片上133MHz外设总线频率。两个16位乘法器，两个40位加法器，两个40位算术逻辑单元和四个8位视频算术逻辑单元。32位地址总线，4G字节寻址空间，片上80K字节指令SRAM、64K字节数据SRAM ;可外扩132M字节外部存储器(AD1.Blackfin Embedded Processor[DB].http://www.analog, com/static/imported-files/data sheets/ADSP-BF531 BF532 BF533.pdf.2008/2009) 上述DSP系统平台对细胞电旋转试验测控系统总体指标的满足情况如下:(I)存储容量如图2所示，DSP平台上外扩有片外32M字节SDRAM，满足系统技术指标中RAM容量大于IM字节的要求。该平台上还外扩有4M字节FLASH，预留硬盘接口( IDE)、MMC卡接口和USB主机接口，完全满足大容量图像数据存储的需求。(2)图像尺寸及分辨率TFT LCD 液晶屏尺寸为 3.5 英寸(70.08mmX52.56mm)、分辨率为 320XRGBX240(像素:76800)，满足2.5英寸、76800像素的设计要求。该液晶屏通过并行外设接口(PPI)与DSP相连，该接口支持DMA方式。(3)系统接口SPI接口，·该接口支持DMA方式，中断可配置。当ADSP-BF533系统时钟频率为IOOMHz时，SPI传输速率最高可达到25MHz。触摸屏控制器TSC2200通过SPI接口与DSP相连。RS232接口，在DSP平台上，通过ADM3202 (与MAX232功用相同)与ADSP-BF533的UART管脚相连。此UART接口支持DMA方式，中断可配置。目前市面上的视频设备绝大多数支持USB2.0协议，为完成电旋转试验转测控系统的集成，须外扩支持USB 2.0协议的USB主机接口。此外，USB主机接口也方便了用户使用U盘等存储器存储数据。所述四相宽频同步电源是用于细胞电旋转试验的专用电源，其输出的四路等相位差的同步正弦信号作用到电旋转生物芯片四个电极上产生旋转电场，生物细胞在该旋转电场下的会发生旋转。其原理示意图如图4所示。在本例中，选用的四相宽频同步驱动电源技术指标及功能如下:频率范围:100Hz 70MHz内，频率连续可调；70MHz以上可单点设置100、120、150和200MHz正弦波。频率分辨率为IHz。输出信号幅度:1 50Vpp可调。4通道信号相位O ° 360°自由设定；每通道独立或者组合联动可调，可选择某一通道为基准通道。设备可独立面板操作设定或者通过RS232接口设定。均有设定记录功能，参数可于液晶屏显示。四相宽频同步电源幅度、频率、相位均可调，所预留的RS232接口具备中断功能，为细胞电旋转试验测控系统的集成带来了便利。鉴于选用的四相宽频同步电源预留有RS232接口，因此，本例所述DSP系统选择通过RS232接口与其进行连接。在DSP系统端，与四相宽频同步电源配套的RS232接口(第三通讯接口)电路结构如图5所示。其中，ADM3202是ADI公司生产的RS232通信电平转换芯片，电容C取0.1uF0 RS232接口电平遵循EIA-RS-232C规范。[0083]在DSP系统端，配置的接口程序中，四相宽频同步电源规定的串口通信规约如下:[0084]波特率:9600，I个起始位、8个数据位、无奇偶校验位、一个停止位[0085]数据包长度:36字节[0086]数据包格式:依次为数据头+频率值+频率单位+备用+幅值+相位差,具体格式如下表所示:
权利要求1.一种电旋转生物芯片试验用测控装置，其特征在于，包括: 驱动电源控制单元，用于向产生激励生物芯片中细胞旋转运动的四通道功率信号的驱动电源输出控制信息，用以调整驱动电源的所产生的功率信号的频率、各通道功率信号的幅值、以及各通道功率信号间的相位差； 显微摄像控制单元，用于向显微摄像系统的摄像机输出触发信号，以控制启动或停止视频米集； 和视频采集处理单元，用于接收显微摄像系统输出的视频流，并对接收到的视频进行分析，获取并输出被测生物芯片中细胞的运动状态参数。
2.根据权利要求1所述的电旋转生物芯片试验用测控装置，其特征在于，该装置具体包括处理器、用于存储程 序指令代码、视频数据的存储器、用于暂存程序指令和待处理数据的随机存储器、用于与被控显微摄像系统通讯的第一通讯接口和第二通讯接口、和用于与被控电旋转生物芯片驱动电源通讯的第三通讯接口； 所述第一通讯接口与被控显微摄像系统的摄像机的电平触发接口连接，所述处理器根据程序指令通过第一通讯接口向摄像机的电平触发接口输出触发信号，进而控制摄像机启动或停止视频采集； 所述第二通讯接口与被控显微摄像系统的摄像机的视频输出接口连接，所述处理器通过第二通讯接口接收显微摄像系统输出的试验监测视频，并将其存入存储器，所述处理器分帧获取所接收的视频中的图像，经图像预处理后，提取图像中细胞边缘、中心坐标，进而计算获得细胞的移动轨迹和旋转速度； 所述第三通讯接口与被控驱动电源的参数配置接口连接，所述处理器通过第三通讯接口向驱动电源输出目标功率信号的频率、各通道功率信号的幅值及相位。
3.根据权利要求2所述的电旋转生物芯片试验用测控装置，其特征在于，所述处理器为DSP处理器，所述第二通讯接口为USB主控接口，所述第三通讯接口为RS232接口，所述RS232接口通过电平转换芯片与所述处理器的UART接口连接。
4.一种基于权利要求1所述测控装置的电旋转生物芯片集成试验系统，其特征在于，该系统包括生物芯片试验操作平台、电旋转驱动电源、由光学显微放大装置和工业摄像机组成的显微摄像系统、测控装置、及输入显示装置； 所述生物芯片试验操作平台用于装载电旋转生物芯片，其上设有电旋转生物芯片的装夹装置和分别与驱动电源的四相输出端口相连的四个电源接头，装载在生物芯片试验操作平台上的电旋转生物芯片的四个电源输入端分别与所述的四个电源接头连接； 所述光学显微放大装置的物镜端正对装载在生物芯片试验操作平台上的电旋转生物芯片，工业摄像机的摄像镜头与光学显微放大装置目镜端相连； 所述测控装置通过第一通讯接口与摄像机的触发接口连接，控制摄像机启动或停止视频采集；所述测控装置通过第二通讯接口与显微摄像系统的摄像机的视频输出接口连接，接收并处理显微摄像系统输出的实验视频，分析获得细胞的移动轨迹和旋转速度；所述测控装置通过第三通讯接口与驱动电源的参数配置接口连接，向驱动电源输出目标功率信号的频率、各通道功率信号的幅值及相位；所述测控装置通过第四通讯接口与输入显示装置连接，接收输入显示装置输入的设置数据，并将分析获得的细胞的移动轨迹和旋转速度输出到输入显示装置显示。
5.根据权利要求4所述的电旋转生物芯片集成试验系统，其特征在于，所述电旋转驱动电源，包括处理模块、高频小信号产生模块、四个信号功率放大模块、与测控装置连接的参数配置接口 ；所述高频小信号产生模块可产生四相功率信号，并分别通过四个输出端口输出，所述四个信号功率放大模块输入端分别接高频小信号产生模块的四个输出端口，输出端即为驱动电源四相输出端口 ；所述参数配置接口与处理模块相连，所述处理模块接收参数配置接口输入的配置参数，并根据接收的配置参数设置高频小信号产生模块所产生功率信号的频率，及各相功率信号的幅值和相位。
6.根据权利要求5所述的电旋转生物芯片集成试验系统，其特征在于，所述电旋转驱动电源还包括用于手动对驱动电源直接进行设置的人机交互接口·。
专利摘要本实用新型公开了一种电旋转生物芯片试验用测控装置及试验系统。该系统包括生物芯片试验操作平台、电旋转驱动电源、由光学显微放大装置和工业摄像机组成的显微摄像系统、测控装置、及输入显示装置；所述测控装置分别与显微摄像系统、电旋转驱动电源、输入显示装置连接，所述电旋转驱动电源输出端接生物芯片试验操作平台上的电源接头。本实用新型的方案保持显微摄像系统和驱动电源的相对独立，用专用测控装置替代现有PC机和采集卡，测控装置集成了采集并处理显微摄像系统的图像信息功能；及控制显微摄像系统取像和驱动电源输出信号的各项参数。实现电旋生物芯片试验整个过程自动化。很好地满足生物芯片试验设备小型化、集成化、智能化的发展需求。
文档编号G01N15/14GK203164097SQ201220715419
公开日2013年8月28日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者杨其华, 刘钢海 申请人:中国计量学院