具有动态生长图像的无损读取操作的制作方法
【专利说明】具有动态生长图像的无损读取操作
[0001]相关申请的交叉参照
[0002]本申请要求享有于2014年12月8日提交的标题为“具有动态生长图像的无损读取操作”的美国非临时申请N0.14，563，355的优先权的益处，该非临时申请要求享有于2013年12月13日提交的标题为“具有动态生长图像的无损读取操作”的美国临时申请N0.61/915，930的优先权的益处，出于全部的目的，上述非临时申请和临时申请均通过参照全部并入本文中。
技术领域
[0003]本文描述的实施例通常涉及捕获样品在化学反应中的图像。更具体地，实施例涉及利用数字成像设备中的无损读取操作捕获样品在化学反应中的图像。
【背景技术】
[0004]捕获在化学反应期间从样品发出的光或其它(包括放射学的)信号的图像已经被用于测定样品的组分，这是基于在那里从样品发出光的空间分离带或区域。样品的某些组分可以在光的较亮带发射光，需要较短暂的曝光时间进行图像捕获，而其它组分可以在较暗带发出光，需要较长的曝光时间。在图像捕获期间，当出现“读取噪声”并且捕获的图像失真时，尤其是对于在弱发射带发射光的样品组分，可能发生问题。
[0005]为了克服对于弱样品的读取噪音限制，通常积分或收集CCD或CMOS的长曝光期间的电荷。长曝光不允许测量系统以类似连续的方式测量信号。在其它的工作中可以拍摄许多较短的图像，但系统将不是非常敏感的，这是因为对于每个短曝光将引入读取噪音。如果你对短曝光求和，这有助于减小一些读取噪音，但是它仍然和利用常规的图像传感器进行一次长曝光不一样敏感。在图像求和的这种情况下，捕获图像中的读取噪音作为曝光数的平方根增加是已知的。
[0006]本领域的许多熟练技术人员因此致力于解决以类似连续的方式监测弱化学反应同时保持高灵敏度的问题。如下面所讨论的，将允许快速监测化学反应同时不损失灵敏度的方法存在着若干主要的优势。
【发明内容】
[0007]这里描述了用于利用数字成像设备捕获样品在化学反应中的图像的技术。至少某些实施例适合于在一段时间内利用数字成像设备中的图像传感器的像素阵列捕获来自样品的光发射的一系列短暂曝光。通过进行连续的无损读取操作来捕获图像，以便从像素阵列中读出样品的一组无损读取图像。在一种实施例中，通过延迟读出该组信号直到处于或者接近化学反应的终点，来捕获图像，以减小图像中的读取噪音。
[0008]从所述图像传感器读出的信号可以被监测，并且图像的捕获可以自动地被中断，或者当发生预定事件时被中断，诸如接收到来自数字成像设备的用户的命令。捕获的图像可以随后被显示在图形显示器中。
[0009]本文介绍的技术的一种优势在于:通过利用无损读取操作来捕获一系列短暂曝光，几乎不引入读取噪音。结合下面的描述和附图，更加详细地描述了这些和其它的实施例，连同他们的许多优势和特征。
【附图说明】
[0010]图1A描述了采用根据一种实例实施例的一系列无损读取操作捕获的样品在化学发光反应中的图像的图示；
[0011]图1B描述了采用根据一种实例实施例的一系列无损读取操作捕获的样品在化学发光反应中的图像的另一图示；
[0012]图2描述了用于采用根据一种实施例的一系列无损读取操作捕获样品在化学发光反应中的图像的数字成像设备的一种实例方框图；
[0013]图3A描述了采用根据一种实施例的一系列无损读取操作捕获样品在化学发光反应中的图像的过程的一种实例流程图；
[0014]图3B描述了采用根据一种实施例的一系列无损读取操作利用已知的发射分布数据捕获样品在化学发光反应中的图像的过程的一种实例流程图；
[0015]图3C描述了采用根据一种实施例的一系列无损读取操作利用基于时间的曲线拟合来捕获样品在化学发光反应中的图像的过程的一种实例流程图；
[0016]图3D描述了利用时间分布测定从背景区域中识别样品发射的光的过程的一种实例流程图；
[0017]图4A描述了信号相对于反应时间的曲线，以阐明根据示例性实施例的无损读取操作和时间分布的原理。
[0018]图4B描述了信号相对于反应时间的曲线，以阐明根据示例性实施例的无损读取操作和时间分布的原理。
[0019]图4C描述了信号相对于反应时间的曲线，以阐明根据示例性实施例的无损读取操作和时间分布的原理。
[0020]图4D描述了信号相对于反应时间的曲线，以阐明根据示例性实施例的无损读取操作和时间分布的原理。
[0021]图4E描述了信号相对于反应时间的曲线，以阐明根据示例性实施例的无损读取操作和时间分布的原理。
[0022]图5描述了数据处理系统的一种实例方框图，所公开的实施例可以在数据处理系统上被实施。
[0023]图6描述了可用在本发明实施例中的一种示例性设备。
【具体实施方式】
[0024]贯穿本说明书，为了进行解释说明的目的，阐明了许多特定的细节，以提供对本发明的深入理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在缺少这些特定细节中的一些细节的情况下被实施。在其它的情况下，以方框图的形式显示了众所周知的结构和设备，以免使所描述的实施例的潜在原理不明显。
[0025]这里介绍的方法和数字成像设备适合于捕获样品在化学反应中的图像，采用了来自样品的光发射在化学反应期间的一段时间内的一系列短暂曝光，其中随着曝光数量的增加，捕获的图像在该时间段内动态地生长。例如，在一些实施例中，样品可以键合到印迹膜，并且探针直接或间接地发出光发射或其它的(例如，放射学的)信号。
[0026]利用数字成像设备中的图像传感器的像素阵列捕获系列短暂曝光，所述数字成像设备被构造成用于进行连续的无损读取操作。无损读取操作读出一组电信号，代表来自像素阵列的样品的无损读取图像。从储存在像素阵列中的电荷产生这组信号。在一种实施例中，通过延迟这组信号的读出直到处于或邻近化学反应的终点而捕获图像，以减小图像中的读取噪音。利用无损读取操作拍摄多个图像能够减小读取噪音，从而以类似连续的方式拍摄多个图像并且监测信号存在很少障碍。
[0027]实施例进一步被构造成连续地监测来自图像传感器的信号读出并且当发生预定事件诸如接收命令时，中断捕获样品的图像。在一种实施例中，可以自动地产生所述命令。在其它的实施例中，所述命令可以基于来自数字成像设备的用户的输入。捕获的图像可以随后被显示在图形显示器中。这里描述的实施例被构造成捕获样品在化学反应中的图像。化学反应可以包括例如化学发光反应、荧光反应或者吸收反应。其它类型的反应是可能的。
[0028]在一种优选的实施例中，所述数字成像设备是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)数字成像设备，能够实现无损读取操作。CMOS数字成像设备由于亮像素的过饱和而展示最小限度的畸变(blooming)。可以进行从样品发出的光的亮带的长曝光，即使亮带位于从样品发出的模糊带附近。但是，也可以使用其他的数字成像设备。
[0029]此外，通过将来自对于样品的较亮区域的一组无损读取图像的较短时间读取图像的数据与来自对于样品的较暗区域的一组无损读取图像的较长时间读取图像的数据进行组合，可以增加样品的捕获图像的动态范围。将来自较短时间无损读取图像的读取数据与来自较长时间无损读取图像的读取数据进行组合仅需要来自单次测量或者无损读取曝光顺序的数据。
[0030]也可以获得多次不同试验的发射分布并且储存在数字成像设备的存储器中。发射分布包括与何时用于特定样品的发射将开始快速衰退有关的信息。发射分布数据要么是事先已知的，要么可以被用户测量。
[0031]发射分布数据可用于改善特定样品的自动曝光。此外，通过扩展捕获的数字图像的位深度，并且基于由数字成像设备所花费的样品的曝光时间与从发射分布数据获得的总曝光时间之比来计算用于亮带的信号，可以测定用于亮带的信号。发射分布数据也可用作基础，用于询问数字成像设备的用户何时样品的发射处于或接近其峰值，以确定用户是否想要中断捕获样品的图像。基于发射分布数据，也可以将不同的权重分配给系列无损读取图像的不同帧。
[0032]在一种实施例中，利用无损读取操作可以以高帧频(framerate)捕获样品的图像，并且在捕获期间结束时图像被平均化，以去除读取噪音。例如，基于发射分布数据，可以仅当强度足够稳定时捕获帧。来自图像传感器的每个信号读出可以作为时间的函数被平均化，以估计存在的信号量，从而增加图像传感器的灵敏度。在信号的时间分布是位置相关的情况下，基于每个信号读出在像素阵列中的位置，可以随后计算来自图像传感器的每个信号读出的强度。信号位置可以随后被位移到相同的时间实例(time instance)，如同每个信号在每个位置处同时开始一样。可以这样做来改善由数字成像设备捕获的图像的重复性。
[0033]其它的实施例适合于利用无损读取图像测量从样品发出的光的时间分布以及靠近捕获的图像中的一个或多个兴趣带的背景区域的时间分布。利用两个时间分布之间的时间差，可以随后从背景区域中识别出样品发出的光。可以这样做来改善图像传感器的灵敏度和重复性，并且能够从来自图像传感器的信号读出中更好的识别任何不想要的背景噪
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