一种荧光扩增曲线拐点确定方法及装置与流程

本发明涉及荧光检测技术领域，特别是涉及一种荧光扩增曲线拐点确定方法及装置。

背景技术：

基于荧光的扩增检测是在核酸扩增反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个扩增进程。因其快速、高效、特异、灵敏和经济等优点，广泛应用于医疗诊断、食品检测、动物健康、农业、环境测试、生物防御、科学研究等领域。

在荧光的扩增检测中将每个反应管内的荧光信号显著大于背景荧光信号值对应的时刻与原点时刻的差值定义为拐点。拐点是核酸扩增技术进行定性和定量分析的一个重要参数。但是，目前拐点的确定方法不一致，例如，荧光定量pcr(polymerasechainreaction，聚合酶链式反应)中将荧光信号达到pcr反应前3-15个循环荧光信号标准偏差的10倍所经历的循环数作为拐点；许多基于荧光的lamp标准扩增反应将荧光曲线起峰最快的时刻最为拐点。但在实际荧光检测中，因为硬件或样本杂质等原因导致荧光信号不稳定的情况较多，采用上述的默认拐点的确定方式，会使得拐点的确定不准确，不利于核酸扩增技术进行定量和定性分析。

技术实现要素：

针对于上述问题，本发明提供一种荧光扩增曲线拐点确定方法及装置，实现了针对不同分类曲线采用不同拐点确定方法，提高了拐点计算的准确率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种荧光扩增曲线拐点确定方法，该方法包括：

基于预设曲线类型，确定荧光扩增曲线的曲线类型；

根据所述曲线类型，判断所述荧光扩增曲线是否存在拐点；

若所述荧光扩增曲线存在拐点，则调用与所述荧光扩增曲线类型对应的拐点计算模式，并基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点。

可选地，该方法还包括：

根据荧光扩增曲线的形态特征进行曲线分类，获得曲线类型，其中，所述曲线类型包括s曲线一型、s曲线二型、s曲线三型、阴性曲线和非s特征曲线。

可选地，所述基于预设曲线类型，确定荧光扩增曲线的曲线类型，包括：

对荧光扩增曲线进行平滑预处理，并根据处理后的曲线生成一阶导分布曲线；

判断所述一阶导分布曲线的极大值是否小于第一阈值，如果是，则判断所述荧光扩增曲线的荧光扩增倍数是否小于倍数阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为阴性曲线；

若所述一阶导分布曲线的极大值不小于第一阈值且小于第二阈值，判断所述一阶导分布曲线的幅度是否大于幅度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为非s特征曲线；

将不满足所述阴性曲线和所述非s特征曲线的荧光扩增曲线，确定为s曲线。

可选地，当所述荧光扩增曲线为s曲线时，该方法还包括：

根据所述一阶导分布曲线，生成二阶导分布曲线；

判断所述二阶导分布曲线的极值之前是否存在次极值，如果是，则判断所述次极值是否大于预设阈值，如果是，则判断所述次极值和极值之间的所述二阶导分布曲线是否呈现单调递增状态，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为s曲线二型；

若所述s曲线不满足所述s曲线二型特征，判断所述二阶导分布曲线的偏度是否大于偏度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为s曲线三型，如果否，则将荧光扩增曲线确定为s曲线一型。

可选地，所述根据所述曲线类型，判断所述荧光扩增曲线是否存在拐点，包括：

若所述荧光扩增曲线为阴性曲线或者非s特征曲线，则所述荧光扩增曲线不存在拐点；

若所述荧光扩增曲线为s曲线，则所述荧光扩增曲线存在拐点。

可选地，所述调用与所述荧光扩增曲线类型对应的拐点计算模式，包括：

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线一型，则将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的极大值对应的时刻作为拐点；

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线二型，则将将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的次极值对应的时刻作为拐点；

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线三型，所述拐点计算模式为根据荧光信号值确定拐点。

可选地，若所述荧光扩增曲线类型为s曲线三型，所述基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点，包括：

生成所述荧光扩增曲线的一阶导分布曲线；

获得所述一阶导分布曲线的极大值点；

根据所述极大值点对应的左右范围，确定所述荧光扩增曲线的扩增区间；

在所述扩增区间中，确定最小荧光信号值和最大荧光信号值；

计算获得所述最小荧光信号值和所述最大荧光信号值的差值，并计算所述差值与预设倍数的乘积；

将所述乘积与所述最小荧光值求和，并将和值对应的时刻作为所述荧光扩增曲线的拐点。

一种荧光扩增曲线拐点确定装置，包括：

类型确定单元，用于基于预设曲线类型，确定荧光扩增曲线的曲线类型；

拐点判断单元，用于根据所述曲线类型，判断所述荧光扩增曲线是否存在拐点；

拐点计算单元，用于若所述荧光扩增曲线存在拐点，则调用与所述荧光扩增曲线类型对应的拐点计算模式，并基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点。

可选地，该装置还包括：

曲线分类单元，用于根据荧光扩增曲线的形态特征进行曲线分类，获得曲线类型，其中，所述曲线类型包括s曲线一型、s曲线二型、s曲线三型、阴性曲线和非s特征曲线。

可选地，所述类型确定单元包括：

预处理子单元，用于对荧光扩增曲线进行平滑预处理，并根据处理后的曲线生成一阶导分布曲线；

第一判断子单元，用于判断所述一阶导分布曲线的极大值是否小于第一阈值，如果是，则判断所述荧光扩增曲线的荧光扩增倍数是否小于倍数阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为阴性曲线；

第二判断子单元，用于若所述一阶导分布曲线的极大值不小于第一阈值且小于第二阈值，判断所述一阶导分布曲线的幅度是否大于幅度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为非s特征曲线；

确定子单元，用于将不满足所述阴性曲线和所述非s特征曲线的荧光扩增曲线，确定为s曲线。

相较于现有技术，本发明提供了一种荧光扩增曲线拐点确定方法及装置，首先通过预设曲线类型确定了该荧光扩增曲线的曲线类型，这样可以根据曲线类型调用与之对应的拐点计算模式，实现了对不同形态特征的荧光扩增曲线进行分类，进而可以针对不同的分类曲线采用了不同拐点计算方法，相较于现有技术中对所有扩增曲线均采用预定点作为拐点从而计算拐点的方式相比，更加适合不同的曲线类型，提高了拐点计算的准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种荧光扩增曲线拐点确定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种s曲线一型的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种s曲线二型的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种s曲线三型的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种性曲线的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种非s特征曲线的示意图；

图7为本发明实施例提供的曲线平滑前和平滑后的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种s曲线一型的处理效果示意图；

图9为本发明实施例提供的一种s曲线二型的处理效果示意图；

图10为本发明实施例提供的一种s曲线三型的处理效果示意图；

图11为本发明实施例提供的一种阴性曲线的处理效果示意图；

图12为本发明实施例提供的一种非s特征曲线的处理效果示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种曲线类型确定方法的流程示意图；

图14为本发明实施例提供的一种荧光扩增曲线拐点确定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在本发明实施例中提供了一种荧光扩增曲线拐点确定方法，参见图1，该方法包括：

s101、基于预设曲线类型，确定荧光扩增曲线的曲线类型。

在本发明实施例中根据荧光扩增曲线的形态特征进行曲线分类，获得曲线类型，其中，所述曲线类型包括s曲线一型、s曲线二型、s曲线三型、阴性曲线和非s特征曲线。

具体的请参见图2-图6，分别为s曲线一型、s曲线二型、s曲线三型、阴性曲线和非s特征曲线的示意图。在图2中，s曲线一型呈现为标准的s型曲线特征，起始期没有明显变化，扩增期以近似指数规律增长，平台期趋于稳定；在图3中s曲线二型表现为扩增期起峰阶段上升速度比较慢，扩增期后期上升速度快。起始期和平台期表现与标准曲线特征相同；在图4中，s曲线三型与s曲线二型特征类似，不同的是起始期和扩增期没有明显的界限，起始期有缓慢的斜率变化；在图5中，阴性曲线表现为整个反应过程中没有扩增期和平台期，荧光信号值变化不大，此类曲线没有拐点；在图6中，非s特征曲线没有s型曲线特征，一般表现为上漂直线或上漂近似直线，此类曲线为阴性曲线，没有拐点。

在本发明实施例中还提供了一种确定荧光曲线类型的方法，包括：

对荧光扩增曲线进行平滑处理，并根据处理后的曲线生成一阶导分布曲线。

即首先对荧光扩增曲线进行最小二乘线性拟合法进平滑处理，及每个点的平滑值为前面n个点计算的拟合系数组成的线性输出。曲线平滑前和平滑后的效果图请参见图7。也可以通过n点线性加权的平滑的方式实现，计算公式如下：

根据所述斜率分布曲线生成斜率变化分布曲线；

采用差分法计算荧光扩增曲线的一阶导分布和二阶导分布集合，即获得斜率分布曲线和斜率变化分布曲线，计算公式如下：

判断所述斜率变化分布曲线的斜率峰值是否小于预设斜率峰值阈值，如果是，则将所荧光扩增曲线确定为阴性曲线，如果否，则判断所述斜率变化分布曲线的扩增倍数是否小于预设扩增倍数阈值，如果是，则将所荧光扩增曲线确定为阴性曲线；

若所述斜率变化分布曲线的扩增倍数不小于预设扩增倍数阈值，判断所述斜率变化分布曲线的斜率峰度是否小于预设峰度阈值，如果是，则判断所述斜率变化分布曲线的斜率幅度是否大于预设幅度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为非s特征曲线；

将不满足所述阴性曲线和所述非s特征曲线的荧光扩增曲线，确定为s曲线。

s102、根据所述曲线类型，判断所述荧光扩增曲线是否存在拐点。

根据上述图2-图6可以看出，某些曲线类型并不存在拐点，例如，阴性曲线和非s特征曲线，即在对曲线的拐点的计算的时候，只针对了s曲线。

s103、若所述荧光扩增曲线存在拐点，则调用与所述荧光扩增曲线类型对应的拐点计算模式，并基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点。

具体的，曲线拐点效果图参见图8至图12，根据一阶导分布曲线的极大值和荧光曲线扩增倍数判断是否为标准阴性曲线，如果极大值低于设定的阴性阈值，并且扩增倍数小于设定的扩增倍数阈值，则判定为阴性曲线。阴性曲线没有拐点。扩增倍数计算公式如下：

其中，为以曲线极大值为核心的n点平均值，n取值范围为3～7。为以曲线极小值为核心的n点平均值。

如果一阶导分布曲线的极大值在阴性阈值和阳性阈值之间，计算一阶导分布曲线的幅度，如果幅度大于设定的幅度阈值，则判定为非s特征曲线。非s特征曲线为阴性曲线，没有拐点。幅度计算公式如下：

β＝x2(0.1×ymax)-x1(0.1×ymax)

其中，x1(0.1×ymax)为曲线极大值左侧0.1倍极大值对应的时刻。x2(0.1×ymax)为曲线极大值右侧0.1倍极大值对应的时刻。

如果一阶导分布曲线的极大值大于阳性阈值，查找二阶导分布曲线极大值之前是否有次极大值，如果有次极大值并且次极大值和极大值范围内对应的一阶导分布曲线单调递增，则判定为s曲线二型。此类曲线将二阶导分布曲线的次极大值对应的时刻作为拐点。

如果一阶导极大值大于阳性阈值并且没有s曲线二型特征，计算曲线的偏度，如果偏度大于设定的偏度阈值，则判定为s曲线三型。偏度计算公式如下：

α＝|2x(ymax)-x1(0.1×ymax)-x2(0.1×ymax)|

其中，x(ymax)为曲线极大值对应的时刻。

此类曲线首先根据一阶导分布确定初步的扩增期范围，在扩增范围内查找最小最大荧光信号值，将最小最大荧光值的差值的一定倍数累加最小荧光值对应的时刻作为拐点。

如果没有以上特征，则判定为s曲线i型。此类曲线将二阶导分布曲线的极大值对应的时刻作为拐点。

本发明提供了一种荧光扩增曲线拐点确定方法，首先通过预设曲线类型确定了该荧光扩增曲线的曲线类型，这样可以根据曲线类型调用与之对应的拐点计算模式，实现了对不同形态特征的荧光扩增曲线进行分类，进而可以针对不同的分类曲线采用了不同拐点计算方法，相较于现有技术中对所有扩增曲线均采用预定点作为拐点从而计算拐点的方式相比，更加适合不同的曲线类型，提高了拐点计算的准确率。

具体的，在本发明实施例中还提供了对应s曲线的拐点计算方法，包括：

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线一型，则将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的极大值对应的时刻作为拐点；

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线二型，则将将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的次极值对应的时刻作为拐点；

若所述荧光扩增曲线类型为s曲线三型，所述拐点计算模式为根据荧光信号值确定拐点。

对应的，若所述荧光扩增曲线类型为s曲线三型，所述基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点，包括：

生成所述荧光扩增曲线的一阶导分布曲线；

获得所述一阶导分布曲线的极大值点；

根据所述极大值点对应的左右范围，确定所述荧光扩增曲线的扩增区间；

在所述扩增区间中，确定最小荧光信号值和最大荧光信号值；

计算获得所述最小荧光信号值和所述最大荧光信号值的差值，并计算所述差值与预设倍数的乘积；

将所述乘积与所述最小荧光值求和，并将和值对应的时刻作为所述荧光扩增曲线的拐点。

需要说明的是，在本发明实施例中通过计算一阶导分布曲线的极大值和幅度判定非s特征曲线，也可以通过线性拟合度的方式实现，即通过线性拟合方法计算拟合直线的荧光值集合，计算此集合与原始荧光曲线的荧光值集合的平方损失函数，通过平方损失函数大小判定是否为非s特征曲线，平方损失函数计算公式如下：

其中，y为原始荧光值，拟合荧光值。

本发明实施例针对不同的形态特征的曲线进行识别分类并采用不同的计算方法计算拐点，适用性更广，拐点计算准确率更高，特别是非标准的s型曲线的拐点计算，基于荧光的lamp等温扩增反应实验证明了此方法能将拐点计算误差由5分钟以上降低到1.5分钟以内。同时，能识别出斜率比较大但不具有s特征的阴性曲线，提高了定性分析的准确率。

参见图13，为本发明提供的另一种曲线类型确定方法，包括：

s201、荧光扩增曲线平滑处理；

s202、生成一阶导分布曲线；

s203、判断一阶导分布曲线的极大值是否小于第一阈值，如果是，则执行s204，如果否，则执行s206；

s204、判断荧光扩增倍数是否小于倍数阈值，如果是，则执行s205，如果否，则执行s206；

s205、确定为阴性曲线；

s206、判断一阶导分布曲线的极大值是否小于第二阈值，如果是，则执行s207，如果否，则执行s209；

s207、判断一阶导分布曲线的幅度是否大于幅度阈值，如果是，则执行s208，如果否，则执行s209；

s208、确定为非s特征曲线；

s209、生成二阶导分布曲线；

s210、判断二阶导分布曲线极值之前是否有次极值，如果是，则执行s211，如果否，则执行s214；

s211、判断次极值是否大于设定阈值，如果是，则执行s212，如果否，则执行s214；

s212、判断次极值与极值之间的二阶导分布曲线是否为单调递增，如果是，则执行s213，如果否，则执行s214；

s213、确定为s曲线二型；

s214、判断二阶导分布曲线的偏度是否大于偏度阈值，如果是，则执行s215，如果否，则执行s216；

s215、确定为s曲线三型；

s216、确定为s曲线一型。

参见图14，在本发明实施例中还提供了一种应该扩增曲线拐点确定装置，其特征在于，包括：

类型确定单元301，用于基于预设曲线类型，确定荧光扩增曲线的曲线类型；

拐点判断单元302，用于根据所述曲线类型，判断所述荧光扩增曲线是否存在拐点；

拐点计算单元303，用于若所述荧光扩增曲线存在拐点，则调用与所述荧光扩增曲线类型对应的拐点计算模式，并基于所述拐点计算模式，计算获得所述扩增曲线对应的拐点。

对应的，该装置还包括：

曲线分类单元，用于根据荧光扩增曲线的形态特征进行曲线分类，获得曲线类型，其中，所述曲线类型包括s曲线一型、s曲线二型、s曲线三型、阴性曲线和非s特征曲线。

可选地，所述类型确定单元包括：

预处理子单元，用于对荧光扩增曲线进行平滑预处理，并根据处理后的曲线生成一阶导分布曲线；

第一判断子单元，用于判断所述一阶导分布曲线的极大值是否小于第一阈值，如果是，则判断所述荧光扩增曲线的荧光扩增倍数是否小于倍数阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为阴性曲线；

第二判断子单元，用于若所述一阶导分布曲线的极大值不小于第一阈值且小于第二阈值，判断所述一阶导分布曲线的幅度是否大于幅度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为非s特征曲线；

确定子单元，用于将不满足所述阴性曲线和所述非s特征曲线的荧光扩增曲线，确定为s曲线。

可选地，该装置还包括s曲线划分单元，该s曲线划分单元包括：

曲线生成子单元，用于根据所述一阶导分布曲线，生成二阶导分布曲线；

第一曲线确定子单元，用于判断所述二阶导分布曲线的极值之前是否存在次极值，如果是，则判断所述次极值是否大于预设阈值，如果是，则判断所述次极值和极值之间的所述二阶导分布曲线是否呈现单调递增状态，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为s曲线二型；

第二曲线确定子单元，用于若所述s曲线不满足所述s曲线二型特征，判断所述二阶导分布曲线的偏度是否大于偏度阈值，如果是，则将所述荧光扩增曲线确定为s曲线三型，如果否，则将荧光扩增曲线确定为s曲线一型。

可选地，所述拐点判断单元包括：

第一拐点判断子单元，用于若所述荧光扩增曲线为阴性曲线或者非s特征曲线，则所述荧光扩增曲线不存在拐点；

第二拐点判断子单元，用于若所述荧光扩增曲线为s曲线，则所述荧光扩增曲线存在拐点。

可选地，所述拐点计算单元包括：

第一拐点确定子单元，用于若所述荧光扩增曲线类型为s曲线一型，则将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的极大值对应的时刻作为拐点；

第二拐点确定子单元，用于若所述荧光扩增曲线类型为s曲线二型，则将将所述荧光扩增曲线对应的二阶导分布曲线的次极值对应的时刻作为拐点；

第三拐点确定子单元，用于若所述荧光扩增曲线类型为s曲线三型，所述拐点计算模式为根据荧光信号值确定拐点。

可选地，所述第三拐点确定子单元具体用于：

生成所述荧光扩增曲线的一阶导分布曲线；

获得所述一阶导分布曲线的极大值点；

根据所述极大值点对应的左右范围，确定所述荧光扩增曲线的扩增区间；

在所述扩增区间中，确定最小荧光信号值和最大荧光信号值；

计算获得所述最小荧光信号值和所述最大荧光信号值的差值，并计算所述差值与预设倍数的乘积；

将所述乘积与所述最小荧光值求和，并将和值对应的时刻作为所述荧光扩增曲线的拐点。

本发明提供了一种荧光扩增曲线拐点确定装置，首先在类型确定单元中通过预设曲线类型确定了该荧光扩增曲线的曲线类型，这样可以在拐点判断单元和拐点计算单元中根据曲线类型调用与之对应的拐点计算模式，实现了对不同形态特征的荧光扩增曲线进行分类，进而可以针对不同的分类曲线采用了不同拐点计算方法，相较于现有技术中对所有扩增曲线均采用预定点作为拐点从而计算拐点的方式相比，更加适合不同的曲线类型，提高了拐点计算的准确率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。