CN100432654C - 集成毛细管电泳芯片扫描分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成毛细管电泳芯片扫描分析系统及方法。它包括一个扫描检测器件连接一个检测信号处理分析系统，扫描检测器件为CCD摄像头，检测信号处理分析系统是：一个DSP处理器通过其EMIF接口连接一个FLASH闪存器、一个SDRAM数据存储器和一个FIFO缓存芯片；CCD摄像头经一个A/D转换器连接FIFO缓存芯片，DSP处理器通过其HPI主机口连接一个嵌入式处理器，由嵌入式处理器连接一个LCD显示和键盘及鼠标。本发明结构简单，体积较小，能实现实时高速检测分析。

Description

集成毛细管电泳芯片扫描分析系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于生物芯片信号检测的装置及方法，尤其是一种集成毛细管电泳芯片扫描分析系统及方法

背景技术

生物芯片可分为微阵列的DNA芯片和微流控的集成毛细管电泳芯片(Lab-on-a-chip)。DNA芯片技术中的检测样本的提取、分离、标记、杂交和信号检测是在不同的技术平台上进行的。而Lab-on-a-chip则是合成了所有的这些步骤在一个技术平台上进行，实现了对样品处理、提纯、反应、检测、分析的整合、微型化、自动化。集成毛细管电泳芯片(integrated capillary electrophoresis，ICE)在医学和生物学分析领域具有重要的应用前景，整个系统可广泛应用于生物化学、分子生物学、临床医学、法医刑侦、医学诊断、环境监测、现代野战和国防等领域，在个人和家庭消费领域也具有潜在的应用价值。课题把从过去面向研究工作的产品转向面向应用的产品，其研究具有重要的科学技术意义和广泛的应用前景。

ICE芯片扫描分析系统是ICE芯片能否得到广泛应用的关键仪器。传统的ICE芯片扫描分析系统是基于光电倍增管(PMT)光电转换的共聚焦扫描检测装置对ICE芯片扫描检测，检测信号经信号处理器输入计算机进行分析处理，其结构复杂，体积较庞大，检测速度较慢，一次只能检测ICE芯片一个点所发出的荧光信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统及方法，克服已有技术存在的问题，系统结构较简单，体积较小，能实现实时高速检测分析。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，包括一个扫描检测器件连接一个检测信号处理分析系统，其特征在于所述的扫描检测器件为CCD摄像头，所述的检测信号处理分析系统的结构是：一个DSP处理器通过其EMIF接口连接一个FLASH闪存器、一个SDRAM数据存储器和一个FIFO缓存芯片；所述的CCD摄像头经一个A/D转换器连接FIFO缓存芯片，所述的DSP处理器通过其HPI主机口连接一个嵌入式处理器，由所述的嵌入式处理器连接一个LCD显示和键盘及鼠标。

在上述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统中，所述的DSP处理器采用32位DSP处理器TMS320DM642。

在上述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统中，所述的嵌入式处理器采用以ARM嵌入式处理器CY-ARM4510B。

一种集成毛细管电泳芯片扫描分析方法，采用所述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，具体分析步骤如下：

(1)DSP子系统在开机(I)后，首先进行系统初始化(II)，然后与ARM嵌入式处理器(1)建立通信(III)，接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据根据通讯协议分别操作(IV)；

(2)DSP子系统接受ARM嵌入式处理器(1)传递的操作指令和参数，启动CCD摄像头(9)工作，进行数据采集(V)，然后，通过调用测背景光函数(VIII)来分析得出有效数据，最后，返回，继续接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据，根据通信协议分别操作(IV)；

(3)根据通信协议，接收ARM嵌入式处理器(1)传递的参数(VI)，然后，返回，继续接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据，根据通信协议分别操作(IV)；

(4)根据通信协议，启动数据采集(VII)，根据协议调用ICE芯片荧光浓度的计算函数(IX)，计算ICE芯片荧光浓度，最后，向ARM传递计算结果；

●所述的通信协议是指DSP处理器(5)与ARM嵌入式处理器(1)之间的交互通信协议；

●所述的背景光函数采用邻近背景确定方法；

●所述的ICE芯片荧光浓度的计算函数是将套有样品点的圆内各像素信号光密度值减去背景光密度值。

本发明的原理如下：系统采用嵌入式处理器CY-ARM4510B配合DM642处理器完成界面显示、人机交互等功能。DM642与CY-ARM4510B之间通信的建立主要通过主机口HPI来建立，为了实现它们之间的参数传递，在DM642的SDRAM数据缓冲区中开辟了一块参数空间，存放扫描控制参数、数据块的地址与大小、分析结果等。DM642与CY-ARM4510B之间的交互协议由各个命令及命令所涉及的参数群组成。CY-ARM4510B发送到DM642的命令和DM642发送到CY-ARM4510B的命令存放在约定的两个不同地址中，而各个命令所涉及的参数也存放在编写的不同地址中，CY-ARM4510B在设置完扫描控制参数后触发DM642的HPI中断，DM642在完成操作后设置相关处理结果的参数，再给CY-ARM4510B发送完成任务的消息，这样就实现了两者的顺畅交互。另外，CY-ARM4510B可以通过HPI直接读取存放在SDRAM数据缓冲区中扫描图像的数据和分析结果等，不需要DM642的参与，由EDMA来完成数据的传输。DM642高速实时的处理能力满足了该图像分析系统数据量大、处理过程复杂的要求。扫描得到的图像数据要进行如下处理：①根据ICE的需求进行信号的平滑及去噪、图像增强和轮廓提取、显示数据的压缩、靶点分析、检测样本管理、图像浏览、自动分析、系统设置和结果分析等多项任务；②根据分析参数，计算出每个靶点在不同时刻的信号值和背景值，与参照物mark的临界值作比较，从而得出每个样本的分析结果。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)系统采用CCD检测技术，以DM642为核心，配合嵌入式处理器完成图形界面和人机交互功能，具有可靠性高、高速实时、体积小、全自动分析等优点。

(2)系统具有成本优势。基于DSP和CCD的ICE芯片扫描分析系统性价比高。

(3)系统结构简单、操作方便、系统实现低功耗、高性能、多任务、高集成。

(4)整个系统不仅能适应生物化学、分子生物学、临床医学、法医刑侦、医学诊断、环境监测、现代野点和国防等领域的一些高新技术需求，而且在个人和家庭消费领域也具有潜在的应用价值，其研究具有重要的科学技术意义和应用前景。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统结构框图。

图2是图1示例的DSP程序流程图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，以ARM嵌入式处理器(CY-ARM4510B)1和32位DSP处理器DM642(5)的协同工作为核心进行设计。系统为CY-ARM4510B(1)扩展彩色LCD 2，用于仪器的各种显示；扩展键盘和鼠标3，用于各种人机操作；扩展以太网口(ETHERNET PORT)模块，用于接入网络与医院的中心计算机和网络上的病毒/基因库通信；另外还有复位电路(RESET)，实时时钟(CLOCK)模块等。在DM642 5中，CPU和一级程序高速缓存及一级数据高速缓存直连，两块Cache分别为16K-Byte，工作在CPU全速访问状态。二级缓存在256K-Byte。系统为DM642 5扩展4M-Byte闪存(FLASH)6，用于存放DSP的指令代码和参变量；扩展32M-Byte的同步动态数据存储器(SDRAM)7，用于存放扫描数据、分析结果以及运行程序；SAA7115A/D转换器10，以完成ICE芯片的光学扫描；另外，DM642处理器(5)的主机口(HPI Host Port Interface)4可与CY-ARMB嵌入式处理器(1)进行直接的通信。ARM 1掌管着该接口的主控权，可以直接访问DSP 5的存储空间的映射到存储区的外部设备。

图2示出DSP的程序流程。以ARM为核心的系统控制程序，主要是人机接口程序。它作为系统的控制核心负责液晶的显示、键盘的扫描及系统的启动和停止。DSP子系统接受ARM传递的操作指令和参数，启动CCD工作。然后，通过EDMA方式从FIFO里面读取光强数据，计算ICE芯片荧光浓度。最后，把结果传递给ARM。扫描控制部分协调视频编译码进行工作。ICE芯片扫描分析系统采取频率可变，实现不同分辨率下对芯片的扫描。SAA7115A/D的采样信号由DSP的TimerO来控制，在TimerO定时中断中进行计数。采集完一行数据时停止TimerO触发A/D采样，等待下一行扫描开始。A/D将数据存入FIFO，FIFO半满时触发中断，EDMA把FIFO中的数据搬到SDRAM中，由EDMA控制器实现地址偏移和更新。如图2所示，集成毛细管电泳芯片扫描分析系统的分析方法的具体步骤如下：

1.DSP子系统在开机(I)后，首先进行系统初始化(II)，然后与ARM建立通信(III)，接收ARM传递的数据根据通讯协议分别操作(IV)；

2.DSP子系统接受ARM 1传递的操作指令和参数，启动CCD摄像头9工作，进行数据采集(V)，然后，通过调用测背景光函数(VIII)来分析得出有效数据，最后，返回，继续接收ARM 1传递的数据根据通信协议分别操作(IV)；

3.根据通信协议，接收ARM 1传递的参数(VI)，然后，返回，继续接收ARM 1传递的数据根据通信协议分别操作(IV)；

4.根据通信协议，启动数据采集(VII)，根据协议调用ICE芯片荧光浓度的计算函数(IX)，计算ICE芯片荧光浓度，最后，向ARM传递计算结果(X)；

上述的通信协议是指DSP处理器5与ARM嵌入式处理器1之间的交互通信协议；

上述的背景光函数采用邻近背景确定方法；

上述的ICE芯片荧光浓度的计算函数是将套有样品点的圆内各像素信号光密度值减去背景光密度值；

上述的通过调用测背景光函数分析出有效数据的方法是FFT处理方法和中值表示法；

上述的调用计算函数计算ICE芯片荧光浓度的方法是引入样品点信号阈值的概念：大于阈值的认为是真正的样品点信号。信号阈值有效的设定可以过滤一些对芯片图像分析没有意义的弱信号。

Claims (4)

1.一种集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，包括一个扫描检测器件连接一个检测信号处理分析系统，其特征在于所述的扫描检测器件为CCD摄像头(9)，所述的检测信号处理分析系统的结构是：一个DSP处理器(5)通过其EMIF接口(8)连接一个FLASH闪存器(6)、一个SDRAM数据存储器(7)和一个FIFO缓存芯片(11)；所述的CCD摄像头(9)经一个A/D转换器(10)连接FIFO缓存芯片(11)，所述的DSP处理器(5)通过其HPI主机口(4)连接一个嵌入式处理器(1)，由所述的嵌入式处理器(1)连接一个LCD显示(2)和键盘及鼠标(3)。

2.根据权利要求1所述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，其特征在于所述的DSP处理器(5)采用32位DSP处理器TMS320DM642。

3.根据权利要求1所述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，其特征在于所述的嵌入式处理器(1)采用以ARM嵌入式处理器CY-ARM4510B。

4.一种集成毛细管电泳芯片扫描分析方法，采用权利要求1所述的集成毛细管电泳芯片扫描分析系统，具体分析步骤如下：

(1)DSP子系统在开机(I)后，首先进行系统初始化(II)，然后与ARM嵌入式处理器(1)建立通信(III)，接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据根据通讯协议分别操作(IV)；

(2)DSP子系统接受ARM嵌入式处理器(1)传递的操作指令和参数，启动CCD摄像头(9)工作，进行数据采集(V)，然后，通过调用测背景光函数(VIII)来分析得出有效数据，最后，返回，继续接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据，根据通信协议分别操作(IV)；

(3)根据通信协议，接收ARM嵌入式处理器(1)传递的参数(VI)，然后，返回，继续接收ARM嵌入式处理器(1)传递的数据，根据通信协议分别操作(IV)；

(4)根据通信协议，启动数据采集(VII)，根据协议调用ICE芯片荧光浓度的计算函数(IX)，计算ICE芯片荧光浓度，最后，向ARM传递计算结果；

●所述的通信协议是指DSP处理器(5)与ARM嵌入式处理器(1)之间的交互通信协议；

●所述的背景光函数采用邻近背景确定方法；

●所述的ICE芯片荧光浓度的计算函数是将套有样品点的圆内各像素信号光密度值减去背景光密度值。

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