显色型微阵列生物芯片识读仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种显色型微阵列生物芯片识读仪及识读系统，所述识读仪包括：拍摄单元，用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像；配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；信号点识别定位单元，用于根据条码信息、芯片图像以及配置文件单元中的参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标；以及信号点取值单元，用于根据信号点的坐标获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差。本实用新型可以实现对显色型微阵列生物芯片透射信号的全程自动化、高准确性、高通量识读。
【专利说明】
显色型微阵列生物巧片识读仪
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种生物忍片识读仪及识读系统，具体地，设及一种显色型微阵 列生物忍片透射信号值多张连续自动识读仪及识读系统。
【背景技术】
[0002] 微阵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点阵排列方式 合成或者固定一系列聚合物，例如寡核巧酸，多肤和抗体等。运些聚合物可W被巧光标记 物、化学显色类标记物所标记从而能够被光学检测。显色型微阵列忍片通常使用地高辛、辣 根过氧化物酶、生物素等化学显色类标记物对固定在忍片上的聚合物进行标记，从而可被 生物忍片识读仪识读其反应结果信息。显色型微阵列生物忍片的特点是阵列点数量多、忍 片反应的结果需综合忍片上所有阵列点的反应情况进行分析比较、肉眼无法准确判断阵列 点的显色结果。
[0003] 显色型微阵列生物忍片识读仪是对显色型生物忍片的实验结果进行扫描和分析 的设备。典型的显色型微阵列生物忍片识读仪包括光源、具备CCD(电荷禪合器件)相机的阅 读单元、CCD控制器、用于承载和控制忍片步进的装载单元、W及用于分析忍片识读结果的 计算机。CCD(电荷禪合器件)相机在光源照射下获取显色型微阵列生物忍片图像后，通过数 据接口显示在计算机上，通过安装于计算机上的软件识别忍片图像中的阵列点的位置W及 阵列点的信号值。
[0004] 显色型微阵列生物忍片的阵列点周围区域有时存在灰尘、纤维、背景之类的具有 一定信号值的污染物，会对信号点的坐标定位和准确采集信号值产生干扰。目前的显色型 微阵列生物忍片识读仪通常需要人工确认该忍片的类型，然后在计算机的软件中手动调整 W寻找正确的阵列点，自动化程度低，效率低下；当需要识读多种类型的生物忍片时，人工 识读的效率会更低，且人工确认忍片类型存在因工作强度的增加而发生失误的可能，进而 导致忍片结果识读准确率下降;采集的信号值常常由于上述的忍片污染物和人工操作而导 致干扰失真;在忍片信号采集环节上，通常是光穿过忍片后照射到背光板上，背光板反射出 忍片信号进而被采集，而背光板上积累的灰尘对信号值的干扰很大，也会造成采集的信号 失真;一次检测1张忍片，检测通量低。
[0005] 因此，希望能够开发出高准确度、高通量、高自动化的显色型生物忍片识读仪。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型为解决上述问题而完成，目的在于提供一种高准确性、高通量、高自动 化的微阵列生物忍片识读仪及识读系统。
[0007] 本实用新型包括W下内容：
[000引（1) 一种显色型微阵列生物忍片识读仪，其特征在于，包括：
[0009] 拍摄单元，用于获取忍片条码信息、拍摄忍片W获得忍片检测图像；
[0010] 配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；
[0011] 信号点识别定位单元，用于根据条码信息、忍片检测图像w及配置文件单元中的 参数，识别并定位信号点W获得信号点的坐标;W及
[0012] 信号点取值单元，用于获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与 该信号点周围背景的透光率之差。
[0013] (2)如上述（1)所述的识读仪，其特征在于，所述拍摄单元包括主相机、副相机W及 用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所述背景光源分别位于所述忍片的两侧。
[0014] (3)如上述（1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述信号点取值单元还包括图像 校准单元，用于对所述忍片图像进行背光的方向性校准W及对传感器的伽马值进行校准。
[0015] (4)如上述（1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括承载多张忍片 的载物盘。
[0016] (5)如上述（1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括设置于识读仪 机箱上的屏幕，用于预览所述忍片条码信息和所述忍片检测图像。
[0017] (6)-种用于实现显色型微阵列生物忍片透射信号值的多张连续自动识读方法的 识读系统，其特征在于，包括：
[0018] 上述(5)~(9)中任一项所述的识读仪、设置有条码的显色型微阵列生物忍片W及 计算机，其中，计算机中预装分析软件，将识读仪中输出的各忍片条码信息及对应的信号值 与分析软件进行匹配W获得检测报告。
[0019]技术效果
[0020] 与现有技术相比，本实用新型的显色型微阵列生物忍片的多张连续自动识读方 法、用于实现该方法的识读仪及识读系统提高了识读显色型微阵列生物忍片结果的准确性 和自动化程度，可W实现显色型微阵列生物忍片的高通量分析。
[0021] 本实用新型通过在忍片上设计条码、在识读仪中设置扫描条码专用的副相机，使 得识读仪能够自动获得待测忍片的类型信息(包括忍片所测样本型号、阵列点位置信息、标 志点位置信息、信号值分布信息等）；通过设置配置文件单元、信号点识别定位单元和信号 点取值单元，结合已获得的忍片类型信息，从而能够准确而自动地寻找到各信号点，自动输 出所识读忍片的类型信息和信号点信息;通过为识读仪设计对忍片的移动功能，使得识读 仪能够连读识读多张忍片;实现了显色型微阵列生物忍片透射信号值的全程自动化识读和 高通量识读。
[0022] 本实用新型通过识读仪的信号点识别定位单元对捜索到的信号的轮廓、位置进行 比对，将不在信号点尺寸范围内、位置误差范围内的信号点轮廓抛弃，可W排除灰尘等污染 物的干扰，提高识读的准确度。
[0023] 本实用新型通过将用于拍摄忍片图像的主相机和用于主相机照明的背景光源置 于忍片的两侧，光源照射忍片后，拍摄单元获取忍片的透射图像，相比通常的拍摄忍片背光 板反射图像，避免了背光板污染物在光线反射过程中对信号采集造成的干扰失真，提高了 识读的准确度。
[0024] 总之，本实用新型实现了对显色型微阵列生物忍片透射信号的全程自动化、高准 确性、高通量识读的技术效果。
【附图说明】
[0025] 图1是本实用新型的生物忍片识读仪的模块框图。
[0026] 图2是本实用新型的生物忍片识读仪的内部结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 本实用新型主要包括显色型微阵列生物忍片识读仪和识读系统。
[0028] W下分别对本实用新型进行详细说明，但本实用新型不局限于运些内容，本领域 技术人员可在不脱离发明思想的范围内对本实用新型进行各种合理的改变。
[00巧]一.显色型微阵列生物忍片识读仪
[0030] 本实用新型的识读仪用于实现显色型微阵列生物忍片透射信号值的多张连读自 动识读，并将获取的信号值输出给计算机。
[0031] 图1是本实用新型的显色型微阵列生物忍片识读仪的结构示意图。如图1所示，本 实用新型的识读仪主要包括拍摄单元1、配置文件单元2、信号点识别定位单元3和信号点取 值单元4。
[0032] 图2是本实用新型的显色型微阵列生物忍片识读仪的内部结构示意图。下面结合 图1和图2对本实用新型的识读仪进行详细说明。
[0033] 拍摄单元1用于获取忍片条码信息并拍摄忍片W获得忍片图像。如图2所示，拍摄 单元1进一步包括主相机11、副相机12、用于主相机照明的背景光源13W及副相机照明光源 15。主相机11用于拍摄忍片图像，副相机12用于扫描忍片条码。主相机11优选五百万像素的 CCD相机，副相机12没有特别限定，普通的工业相机即可。主相机照明的背景光源13优选LED 光源，副相机照明光源15也优选LED光源。
[0034] 拍摄单元1优选还包括CMOS(互补金属氧化物半导体)灰度图像传感器。
[0035] 优选所述主相机11和所述背景光源13位于所述忍片的两侧，主相机11正对着待检 测忍片，例如可W在忍片的正上方，主相机的背景光源13位于待检测忍片的背面。副相机12 正对着待检测忍片的条码位置，例如可W在忍片条码的正上方。
[0036] 本实用新型的识读仪首先通过拍摄单元1的副相机12扫描生物忍片的条码获取忍 片条码信息，根据该条码信息，可W获取对应的忍片的型号、阵列点的行列数W及忍片检测 的基因位点、忍片标志点的列数及流水号等信息。然后通过CCD主相机11多次曝光拍摄该忍 片，获取最终的忍片图像。
[0037] 配置文件单元2用于从配置文件中读取信号点识别定位和信号点取值所需的配置 参数。配置文件中定义了信号点识别定位与取值所需的相关配置参数，包括信号点识别规 贝1J、背光校准值W及传感器校准值。
[0038] 本实用新型的配置文件单元提供的参数如表1所示。
[0039] 表1:配置文件中的配置参数
[0040]
[0041] 配置参数还可W增加不同忍片的信号值分布参数，即忍片各位置(特定行、列、坐 标)的信号点的取值范围，排除不在信号值范围内的干扰信号，提高信号点识别的准确性。
[0042] 信号点识别定位单元3用于识别并定位信号点W获得信号点的坐标，具体地，信号 点识别定位单元根据拍摄单元1获取的忍片条码信息、忍片图像W及配置文件单元2中设定 的信号点识别规则、信号行列W及信号点轮廓(尺寸）的最小值和最大值，对捜索到的点的 尺寸、位置进行比对，排除位置、尺寸不符合信号点识别规则的点，并将间距与大小合适的 点筛选出来，识别出图像中的信号点，对所有的信号点进行定位，并WXY坐标的形式输出。
[0043] 信号点识别定位单元3优选进一步具有图像处理单元，用于在对所有的阵列点进 行捜索前对图像进行处理。具体地，图像处理单元首先对原始图像进行裁剪，取出成像部 分，再对图像进行亮度归一化、反色、二值化，然后使用一次腐蚀/膨胀去除噪点。
[0044] 归纳起来，信号点识别定位单元3的优选的工作流程是:首先，读入图像等信息，然 后，裁剪图像、归一化、反色、二值化、腐蚀/膨胀，最后捜索阵列点、筛选信号点、定位信号 点、输出信号点坐标。
[0045] 实际使用中，忍片上存在的灰尘等也会在照片上成像，在二值化后取轮廓时会取 到运些灰尘的轮廓，识读会受到灰尘影响无法正常取值，从而对信号点的坐标定位错误。本 实用新型通过使用信号点识别定位单元对捜索到的轮廓、位置进行比对，将不在信号尺寸 范围内、位置误差范围内的轮廓舍弃，从而能够排除灰尘等对信号点定位的影响，提高识别 准确度。
[0046] 信号点取值单元4用于读取图像中信号点位置上的信号值，所述信号值为信号点 上透光率与周边背景透光率的差值。具体地，计算时先计算整个信号点区域非信号点处的 背景信号值，记录其均值和最大值。再计算每个信号点周边的局部背景信号值，也记录其均 值和最大值。获取整个信号点区域的所有像素的透光率值，去除其中超过信号点正常透光 范围的像素，其余像素进行平均，获得信号点的透光率平均值。最后将信号点的透光率值减 去配置文件中所选取的背景值，得到此处信号点的信号值。
[0047] 忍片信号点的信号值与CCD主相机11采集到的透光率的关系如下:校准后100%透 光率基准采样信号值为138,图像传感器采样值范围为0~255共256级。信号值是16次采样 值通过计算得到的：
[0048]
(1)
[0049] 其中，Val为信号值，Si为信号点透光率，Bi为背景透光率，k为背光校正系数(0<k< 2)。
[0050] 根据需要，本实用新型的信号点取值单元优选进一步包括图像校准单元，用于对 照片进行背光的方向性校准W及对传感器的Gamma进行校准。
[0051] 运是因为在实际使用中，有时会存在识读仪的背光不均匀的问题，从而会影响信 号点的取值，产生取值误差。运种背光不均匀通常是由于背光板的材质均匀度和背光光源 的方向性，导致背光亮度会在Χ/?方向上发生变化。通过进一步设置图像校准单元，对背光 亮度的方向性变化加入补偿系数，保证取值时的背光亮度均匀一致，将取值误差控制在要 求的范围内。
[0052] 此外，传感器由于制造原因接收到的光线能量与输出值之间有时可能会有差异， 从而有可能造成透光率测定线性度不好，可能在信号点取值上产生误差。图像校准单元可 W对传感器的取值进行Gamma(伽马）校准，提高其线性度，将取值误差控制在要求的范围 内。
[0053] 根据需要，本实用新型的识读仪还可W具有信息输出单元。信息输出单元用于输 出信号点信息和反色展示图片，具体而言，将信号点位置信息与信号点取值信息保存为文 本文件，并将信号点区域取出保存为反色高对比的展示图片。
[0054] 本实用新型的上述配置文件单元2、信号点识别定位单元3和信号点取值单元4也 可W集合成一个信号点识读单元来实现。
[0055] 本实用新型的识读仪还包括承载多张忍片的移动载物盘51、导轨52和电机马达 53。所述载物盘51包含多个平行排列的生物忍片槽，由马达53带动载物盘51装载忍片一格 一格的运动，当忍片处于CCD主相机11正下方且忍片条码处于副相机12正下方时，停止运 动。通过L抓背景光源13透射形成的忍片检测图像被CCD主相机11多次拍照采样，利用大视 场焦平面调整技术和自动聚焦技术控制成像质量。副相机12利用副相机照明光源15,对生 物忍片条码区域进行扫描采样。
[0056] 本实用新型的识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，该屏幕是LCD屏，用于预 览所述忍片条码信息和所述忍片图像。
[0057] 本实用新型的识读仪的电路主要包括开关电源、主板、核屯、板、副相机板、主相机 板、接口板、位置传感器板、背景光板、电机驱动板、按键指示灯板、LCD等。
[005引各部分的功能如下：
[0化9] 开关电源:支持110~240V AC宽电压输入
[0060] 核屯、板:采用IMX6主处理器，具有强大的数据处理能力
[0061 ]副相机板:用于拍摄条码
[0062] 主相机板:用于生物忍片的拍摄
[0063] 主板:进行电源处理W及核屯、板到各功能板控制逻辑W及反馈
[0064] 位置传感器板:电机行程位置的归零信号
[0065] 背景光1 :L邸背光板，用于主摄像头拍摄忍片时候的背景照明
[0066] 背景光2:单科LED，用于副摄像头拍摄条码时候的背景照明
[0067] 电机驱动板:用于驱动4线制2相步进电机
[0068] 按键与指示LED:用于机器使用时候功能按钮
[0069] 接口板:集成USB和Internet RJ45接口
[0070] 本实用新型的识读仪还包括各部件之间W及与计算机之间的数据接口。
[0071] 概括起来，本实用新型的识读仪各个单元的工作模式如下：
[0072] 首先由电机马达带动载物盘将待检测的生物忍片输送到适合拍摄的位置，然后由 拍摄单元的副相机扫描忍片条码并由主相机拍摄忍片图像，然后由信号点识别定位单元根 据条码信息、忍片图像W及配置文件单元中的信号点识别参数，识别并定位信号点W获得 信号点的坐标，接下来由信号点取值单元根据信号点的坐标信息W及配置文件单元中的信 号点取值参数获取信号点的信号值，最后将信号点的信号值输出至外接计算机。
[0073] 此外，在配置文件单元，配置文件需要测试各种不同的参数输入，超出参数输入范 围的需要提示警告，所有的测试结果需要符合定义的测试预期。在信号点定位识别单元和 信号点取值单元，也需要测试各种不同范围的输入，根据配置文件中的设定，获取与输入相 对应的结果，对于超出输入范围的数据，要提示警告。
[0074] 通过本实用新型的识读仪，可W实现显色型微阵列生物忍片透射信号值多张连续 自动识读的方法。
[0075] 本实用新型的识读仪不需借助外接计算机的分析软件，单独就可W实现信号值的 获取。
[0076] 二.显色型微阵列生物忍片的识读系统
[0077] 本实用新型还包括用于实现显色型微阵列生物忍片透射信号值多张连续自动识 读方法的识读系统。本实用新型的识读系统包括经特定设计的显色型微阵列生物忍片、用 于获取忍片信号值的识读仪W及计算机。
[0078] 1.经特定设计的显色型微阵列生物忍片
[0079] 为了提高识别的准确度，本实用新型对常规的显色型微阵列生物忍片进行了特定 设计，在忍片上设置有标志点和条码。
[0080] 本实用新型在忍片点阵列每一行的最左端，设置一列或多列标志点，优选3列。该 标志点是一种阳性对照探针，与含有能与该标志点的探针序列完全结合的寡核巧酸序列的 反应液发生杂交反应，产生稳定的显色结果，在检测中显示较强的信号值。例如，在基因忍 片中，标志点成分包含特定的核巧酸序列，反应液中有与标志点核巧酸完全匹配的序列，因 此可W稳定地结合并显色。标志点的添加方法和其他探针点方法相同，可通过市售的生物 忍片点样设备进行添加。
[0081] 标志点的功能就是一般阳性对照的功能，标志点信号值正常时，说明发生了显色 反应，即说明加入的待测样品与忍片阵列点发生了杂交反应。在本实用新型中，由于标志点 反应后信号值不仅稳定而且比一般的反应点的信号值强，在对忍片图像进行寻点时，根据 配置参数首先寻找标志点，确定标志点坐标后再根据已知的阵列点分布的行列数、间隔距 离或各阵列点的相对坐标，推算出各阵列点坐标值。因为标志点信号值强且稳定，首先寻找 标志点而不是其他阵列点，能够最大化保证寻找阵列点的准确性。
[0082] 本实用新型的显色型微阵列生物忍片上设置有标识该忍片类型的条码。通过扫描 该条码，可W获得待测忍片的相关信息，包括忍片类型、忍片阵列点的行数、列数、点间距、 各阵列点的相对坐标、阵列点的信号值分布(特定阵列点的信号值范围，如标志点的信号值 范围）等信息。
[0083] 条码是普通的一维条码，可W通过例如粘贴的方式设置在忍片的左端或右端。
[0084] 2.用于获取忍片信号值的识读仪
[0085] 识读仪为上述(二)项下所记载的显色型微阵列生物忍片识读仪。识读仪具有与计 算机之间的数据接口。
[0086] 3.计算机
[0087] 计算机内安装有分析软件，软件没有特别限定，可W选择例如市售的Arrray Doctor系列软件(上海百傲科技股份有限公司），通过该软件将获取的忍片检测数据(生物 忍片信号点的坐标分布信息和信号值)与软件内的生物忍片分析包文件进行匹配并输出检 测报告。
[0088] 计算机通过USB数据线和W太网接口与识读仪相连接。
[0089] 本实用新型的识读系统还包括识读失败后的报错功能、数据保存和打印功能，真 正实现了显色型微阵列生物忍片投射信号识读的全程自动化。
[0090] 实施例1
[0091] 将待测的显色型微阵列生物忍片放入识读仪的载物盘51的忍片槽内，一次可W放 入則长，由马达53带动载物盘51-格一格运动，当第1张待测忍片处于CCD主相机11正下方， 同时忍片条码处于副相机12正下方的位置时，停止运动。利用副相机照明光源15,通过副相 机12对忍片条码区域进行拍照采样。通过主相机Lm)背景光源13透射形成的忍片检测图像 被CCD主相机11多次拍照采样，获得忍片图像。
[0092] 接着，图像处理单元先对忍片的原始图像进行剪裁，取出成像部分，再对图像进行 亮度归一化处理，接着对图像进行反色和二值化处理，再进行一次腐蚀/膨胀去除噪点。
[0093] 然后，信号点识别定位单元3对忍片图像进行捜索，将捜索到的所有的信号点尺寸 进行排序，根据配置文件单元中设定的尺寸的最小值和最大值，筛选出符合尺寸范围的点， 配置文件单元中预设了标志点的信号值范围，标志点的信号值较一般反应点大，容易区分， 因此在信号点轮廓筛选过程中，先根据标志点信号值范围对标志点进行筛选，再根据预设 的点间距值和行列数对其他点进行轮廓筛选，运样就提高了阵列点识别的准确性。并根据 预设的点间距W及忍片行列数进行定位，排除污染物等干扰点，输出所有信号点的坐标信 息。
[0094] 然后，通过信号点取值单元4根据输出的所有信号点的坐标信息，分别计算整个信 号点区域非信号点处的背景信号值、每个信号点周边的局部背景信号值、信号点透光率值， 然后将上述数值代入前述公式(1)计算各个信号点信号值，关联第1张忍片条码及信号值。 [00M]接下来，载物盘51运动一格，使第2张待测忍片处于主相机11正下方，同时忍片条 码处于副相机12正下方的位置，重复与上述第1张待测忍片同样的操作，完成第2张忍片的 信号点取值。
[0096] 重复上述操作，至完成所有忍片的信号点取值。
[0097] 最后，将上述各个忍片条码及信号点的信号值输出至计算机进行分析，输出检测 报告。
[009引实施例2
[0099] 除了信号点识别定位单元3采用如下方案外，其余同实施例1。
[0100] 在配置文件单元中预设了忍片的阵列点坐标值，对图像中所有点轮廓捜索完成 后，根据标志点信号值范围确定图像中标志点的坐标W及预设的阵列点坐标，推算标志点 W外的阵列点坐标，在推算出的坐标一定范围内的点被认定为阵列点，在推算坐标一定范 围外的点则被认定为因污染等因素造成的干扰点，当所推算坐标一定范围内出现多个点 时，可结合污染点的轮廓与阵列点轮廓的区别W及点的大小，进行识别，进而提高阵列点识 别的准确程度，最终确定各阵列点的坐标并输出。
【主权项】
1. 一种显色型微阵列生物芯片识读仪，包括:信号点识读单元和拍摄单元，所述信号点 识读单元和所述拍摄单元相连接，所述拍摄单元用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得 芯片图像，其特征在于： 所述拍摄单元包括主相机、副相机以及用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所 述背景光源分别位于所述芯片的两侧。2. 如权利要求1所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括 承载多张芯片的载物盘。3. 如权利要求1或2所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还 包括设置于识读仪机箱上的屏幕，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片图像。
【文档编号】G06K7/10GK205451080SQ201521088268
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月23日
【发明人】朱滨, 邢军芬, 林志松, 陆恩泽, 魏悦, 张莹
【申请人】上海百傲科技股份有限公司