CN102253022A - 微流控芯片检测的数字信号处理方法及应用的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片检测的数字信号处理方法及应用的检测装置，该微流控芯片检测装置，包括一微流控芯片、一双焦面成像荧光检测系统、一信号处理器、一显示屏以及一电源，所述微流控芯片的荧光信号由所述双焦面成像荧光检测系统接收，再传输至所述信号处理器中，所述信号处理器中设有数字信号处理显示软件系统，其中预置有导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块，及图象分析计算模块、数据查询模块与存储显示模块，以处理所述双焦面成像荧光检测系统输入的数据。使本发明所获得的数字信号阶跃失真小、背景噪声低，有效提高了生化分析与分子诊断核酸扩增实时荧光信号检测的灵敏度。

Description

微流控芯片检测的数字信号处理方法及应用的检测装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片检测技术，特别是指一种微流控芯片检测的数字信号处理方法及应用的检测装置。

背景技术

微流控芯片技术或微型全分析系统(μTAS：Micro-separation in MiniaturizedTotal Analysis System)是一门新兴的多学科交叉技术，它借助计算机、光学、微机电加工、电子学、自动控制、材料学、机械学、软件等系统集成工程技术与生物学、分析化学、医学等多学科应用领域进行有机的交叉结合，将医学、生命科学、化学分析等研究中样品制备、生化反应和分析检测等不连续过程集成到一块小小的芯片中，实现从试样处理到结果检测的自动化、集成化与便携化。微流控芯片检测仪器是生物芯片技术走向实际应用的专用仪器设备，通常采用显微放大成像、共焦扫描等进行荧光探测，借助数字图象处理技术手段识别感兴目标、提高信噪比，将生物芯片中基因蛋白差异表达结果以图像或曲线形式可视化显示出来，便于人们解释生化反应过程，进行医学分析和其它研究应用。国内外流行的微流控芯片检测仪器主要有荧光显微镜、共焦扫描仪、CCD成像系统等。目前这些仪器均存在体积比较大、造价比较高，不适合野外、家庭使用。同时，由于受机械、运动控制和生化反应的影响，上面这些仪器所获得的检测信号常常会出现明显的抖动与较大的噪声。

滤波器在通信、图像处理、数据分析、仪器仪表制造以及实时荧光信号处理中广泛使用，其主要功能是提高信号的信噪比。因此被用于微流控芯片检测仪器，以降低仪器所获得的检测信号的噪声。1978年，美国的International Standard ElectricCorporation申请了一项名为“Digital Filter”(数字滤波器)的专利(专利号：US414693)，首次提出了用数字电路器件对信号进行滤波处理，即数字滤波器。之后，随着数字电子技术的不断发展，数字信号处理也逐渐形成了一个科学的体系，并出现了FIR(Finite Impulse Response)、IIR(Infinite Impulse Response)等大类的数字滤波器，从理论上已经能够设计出任意通带形状的数字滤波器。但是使用上述方法设计出来的滤波器通常需要进行大量的计算，需要DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)来辅助计算，而无法在单片机或嵌入式处理器的软件上实现这些滤波算法，限制了数字滤波器在微流控芯片检测仪器中的应用。

之后又有人设计出了运用最小二乘法进行计算的数字滤波器。如1996年飞利浦公司(Philips Corporation)注册了一项基于最小二乘法与旋转矩阵的数字滤波器算法(Filter arrangement implementing a least squares method utilizing rotation matrices，专利号：US 5495507)。这项专利公开了一种使用最小二乘法和旋转矩阵的相关性质来设计数字滤波器的方法。

除了上述数字滤波器，后来又出现了一种采用相邻几个数据点的平均值作为信号输出值的移动平均滤波器。如2000年Oki Electric Industry Co.，Ltd申请的一项名为“Moving Average Filter”(简称MAF，移动平均滤波器)的专利(专利号：US6304133)。这种算法的原理简单，实现容易，可以在简单的单片机或嵌入式处理器上对信号进行实时滤波，且不会占用太多的计算资源。目前，移动平均滤波器在大多数仅仅需要对数据曲线进行平滑处理，而对通带特性没有特别要求的场合应用非常广泛。

但是，移动平均滤波器也有其不足之处，那就是它对阶跃信号的响应不佳。移动平均滤波器平滑曲线的能力通常取决它的采样点框长度，采样点框长度越长，滤波器的通带越窄，输出的曲线也就越加平滑。但是，阶跃信号在频域内是由多次谐波组成的，通带越窄意味着被滤去的高次谐波也就越多，阶跃失真也就越大。

同在2000年，美国德州仪器公司(Texas Instruments Inc.)申请了一项名为“Delayed adaptive least-mean-square digital filter”(延迟性自适应最小均方数字滤波器)的专利(专利号：US 6665695)。这种算法将数理统计的方法引入到数字滤波器的设计中，滤波时使用最小均方值方法计算出数据点的拟合曲线作为数据输出。但是这种算法需要考察信号的一、二阶矩，以保证输入与输出信号的均方误差最小，这就对数字滤波器的计算与存储性能提出了比较高的要求，一般需要DSP才能实现。

因此，业界需要发展一种具有实现简单、计算量小(可在单片机中实现)、阶跃失真度低的数字滤波器的小型便携式微流控芯片检测装置，以满足野外作业和家庭的使用要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种微流控芯片检测的数字信号处理方法及应用的检测装置，能满足便携式、低成本、检测输出信号抖动小、适合野外和家庭使用等应用要求。

为达到上述目的，本发明提供了一种微流控芯片检测装置，其特征在于包括：一微流控芯片、一双焦面成像荧光检测系统、一信号处理器、一显示屏以及一电源，所述微流控芯片的荧光信号由所述双焦面成像荧光检测系统接收，再传输至所述信号处理器中，所述信号处理器中设有数字信号处理显示软件系统，其中预置有导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块，以处理所述双焦面成像荧光检测系统输入的数据。

所述微流控芯片包含一个或多个纳升-微升体积的微流体反应腔和连接管道，被测样品盛放在反应腔中。

所述双焦面成像荧光检测系统中的物镜和成像透镜采用前后共轭的对称结构或非对称的结构，所述物镜和成像透镜之间为平行光传输。

所述信号处理器包括一个A/D转换数据输入单元、一个信号处理单元及一个数据通讯输出单元，所述信号处理单元为一单片机、DSP或计算机CPU，且其中内置有数字信号处理显示软件系统。

所述数字信号处理显示软件系统包括导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块、图象分析计算模块、数据查询模块与存储显示模块。

所述显示屏为液晶屏或监视器或计算机显示器或其它光电显示器件。

所述电源为干电池、锂电池、充电电池或0-48V的低压电源。

本发明还提供了一种应用于上述任一权利要求所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：缓存输入数据

A/D转换数据输入单元采集双焦面成像荧光检测系统检测中的微流控芯片荧光信号，并将其变成数字信号存储在数据缓存模块中；

步骤二：选择拟合窗口

当步骤一中的数据缓存量达到Nstart之后，拟合窗口按顺序选取缓存数据中的一小部分，送入下一步骤；当这组数据处理完毕后，拟合窗口会后移一格，为后续环节提供新的数据；

步骤三：最小二乘法拟合

当接收到来自所述拟合窗口的输出信号I_m～I_n后，最小二乘法求导模块先将I_m～I_n数据做最小二乘法，得到拟合斜率

步骤四：进行移动平均滤波

当所述最小二乘法求导模块中的斜率缓冲区中的数据达到移动平均滤波窗口的宽度W_smooth时，移动平均滤波模块按照下述移动平均公式做平均，并存回斜率缓冲区中的原始位置，该移动平均公式如下：

K′_i＝0.1K_i-2+0.2K_i-1+0.4K_i+0.2K_i+1+0.1K_i+2

步骤五：离散积分还原数据

所述最小二乘法求导模块中的斜率缓冲区在经过所述移动平均滤波模块处理后即被离散积分还原数据模块调用，采用离散积分法还原数据D₁，得到还原后的数值O_j

步骤六：偏移修正

偏移修正模块对经所述离散积分还原数据模块还原后的数值O_j与所述数据缓存模块导入的原始输入值I_j相减，便得到一个误差量，并将该误差量进行累积得到误差量累积量E_i，将原始输出数据减去E_i乘以一个比例因子后得到修正后的数据，最后修正后的数据存回结果缓存区中。

上述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其中，每次用于做最小二乘法求导的数据点数采用固定或任意变化的拟合窗口宽度，最小二乘法求导的数据点数是2的整数次幂。

步骤四进行的移动平均滤波使用的是斜率拟合移动平均滤波，对最小二乘法求导的数据点连线的斜率进行移动平均滤波，拟合成平滑的斜率数据点。

步骤五中还原数据使用的离散积分方法为：

1)确定初始边界条件D₁：

初始边界由第一次最小二乘法拟合的拟合斜率K₁和拟合截距b₁决定，

$D_1=\frac{K_1\×W_{\mathrm{smooth}}}{2}+b_1;$

2)输出数据：

K′_i

根据滤波后的拟合斜率和初始边界条件D₁用累加的方法获得输出数据，即：

也就是：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{i-\frac{n+m}{2}}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j+D_{\mathrm{start}}(i>\frac{n+m}{2})......\left(2\right)$

并采用如下递推算法来简化计算量：

D_i＝K_i+D_i-1      ......(3)

步骤六的偏移修正还包括一个反馈校正环节来控制误差量的大小。

采用上述技术方案，本发明具有以下特点：

本发明提供了一种由6个镜片组成的新型双焦面成像光学检测系统结构，分成物镜(3个镜片)和成像透镜(3个镜片)前后共轭的对称结构，中间为平行光传输消杂散光，可以最大限度利用物镜的数值孔径，使荧光接收效率达到系统的衍射极限理论值，与普通荧光显微成像相比获得的荧光信号强度显著提高，加工工艺性好，生产成本低。

本发明提供的一种具有良好阶跃响应特性的微流控芯片检测的数字信号处理方法，采用导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波处理，有效地解决了检测输出信号抖动的问题，进一步降低背景噪声，输出信号曲线平滑，分析方便，并且该数字信号处理方法能够在具有加减法和移位指令的单片机或嵌入式处理器或计算机内通过软件编程实现，也可以在不具备乘法和除法器的处理器实现。这种滤波处理方法是对滤波过程中的一个中间结果——进行斜率拟合移动平均滤波，而非发明背景(专利US 6304133)中提到的对原始信号本身进行移动平均滤波，其目的是为了获得更好的滤波平滑度。

本发明综合运用了最小二乘法(Least Square Technique)求导和移动平均法(Moving Average Technique)，能够在单片机或嵌入式处理器或计算机内通过软件编程实现，且在输出平滑度与移动平均滤波器相似的滤波结果时，阶跃响应的失真更小，或者在阶跃响应相仿时提供输出更加平滑的滤波结果。

本发明采用最小二乘法对数据进行求导操作，而不是传统的滤波器设计中采用差分的方法。这种方法能够在给数据求导时就排除掉部分高频噪音的干扰，从而增强对噪音的过滤作用。对于传统的数字滤波器，偶尔的大幅度的噪声往往会对滤波结果产生较大影响，但对于采用最小二乘法的拟合斜率的影响却要小得多。这也是本发明所提供的微流控芯片检测装置能够获得较平滑的滤波结果的主要原因。在本发明中，最小二乘法的用途是对原始信号进行求导，而非背景技术(US 5495507)中所述的为滤波器提供相关参数的参考。用移位运算替代乘除法运算，不需要乘法和除法处理器，降低了装置的功耗，可以采用电池供电，以满足野外使用的要求。

在本发明的便携式信号检测装置的信号处理器中，数字信号处理显示软件系统，包括导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块、图象分析计算模块、数据查询与存储显示等，可以在单片机(或DSP，或计算机CPU)中编程实现。因此可使系统结构简单，体积小巧，满足家庭与旅行的便携式使用要求。且整体能够达到成本低廉，检测输出信号无抖动或抖动尽可能小，背景噪声低，检测综合指标与性价比高的功效。

本发明适用于生物医学检测应用领域和生物芯片技术领域中的数据采集与动态处理，以及核酸扩增实时荧光信号处理。

附图说明

图1是本发明中便携式信号检测装置结构示意图

图2是本发明中信号处理器的功能实施流程示意图

图3是本发明中导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波处理的工作流程图

图4是本发明滤波处理方法所得的滤波结果与移动平均滤波器处理结果的对照

图5是本发明在微流控芯片检测应用中的实时荧光信号检测结果改善效果比较

具体实施方式

现举以下实施例并结合附图对本发明的结构及功效进行详细说明。

本发明提供了一种便携式微流控芯片检测装置，如图1所示，其包括微流控芯片10、双焦面成像荧光检测系统20、信号处理器30、显示屏40以及电源50。其中：

微流控芯片10包含一个或多个纳升-微升体积的微流体反应腔和连接管道，被测样品盛放在反应腔中，体积消耗很小。微流控芯片10的荧光信号输入双焦面成像荧光检测系统20。

双焦面成像荧光检测系统20包括一个光源21、一个分光镜22、一个物镜23、一个滤光片24、一个成像透镜25、一个针孔光阑26以及一个探测器27(PMT、或CCD、或光子记数器、或光电池、或光电二极管等)。光源21为准单色LED或激光器，也可以采用多色光源(如白光LED、白帜灯、卤钨灯等)经过一个窄带滤光片后获得需要的激发光源。分光镜22为二向色镜或中孔反射镜，设置在光源21的光路上，将光源21发出的光线透射传送给物镜23，并将物镜23收集回传的荧光反射，传送进入由滤光片24、成像透镜25、针孔光阑26及探测器27所构成的光路。射向物镜23的光线在经过物镜23后进入微流控芯片10，光束被会聚在焦点，激发光能量高度集中，照射在微流控芯片10的生化反应腔体中，激发腔体中生物样品产生荧光信号，物镜23同时收集这些荧光信号，并准直返回投射向分光镜22。这种被准直返回的荧光信号，在经过滤光片24过滤之后进入成像透镜25中，然后会聚在针孔光阑26上，再通过针孔光阑26到达探测器27，再由探测器27将所采集到的荧光信号输入信号处理器30中，实现对微流控芯片10的荧光信号探测接收。

本发明上述实施例中，物镜23和成像透镜25采用前后共轭的对称结构，也可以采用非对称共轭的其它结构。物镜23和成像透镜25之间为平行光传输消杂散光。在本实施例中，物镜23采用了一种三个镜片的结构，依次设置为包含一个平面和一个凸面的平凸透镜、包含一个凸面和一个凹面的凹凸透镜、包含两个凸面的凸透镜，焦距F＝22mm。成像透镜25采用的也是一种三个镜片的结构，依次设置为包含两个凸面的凸透镜、包含一个凸面和一个凹面的凹凸透镜、包含一个平面和一个凸面的平凸透镜，焦距F＝22mm。在双焦面成像荧光检测系统中，物镜和成像透镜采用的前后共轭对称结构的设计参数如表1所示。

表1双焦面成像荧光检测系统的一种共轭对称结构设计实施案例

表面序号	曲率半径	顶点间距	玻璃材料	通光口径
					1	∞	3.8	K9	10.0
2	-16.7	0.5	空气	10.0
					3	46.0	2.1	ZF7	10.0
4	17.2	5.0	K9	10.0
					5	-32.5	100	空气	9.0
6	32.5	5.0	K9	10.0
					7	-17.2	2.1	ZF7	10.0
8	-46.0	0.5	空气	10.0
					9	16.7	3.8	K9	10.0
10	∞	18.2	空气	10.0

说明：其中的曲率半径误差为±1.0，顶点间距误差为±0.5，通光口径误差为±1.0。

本发明上述实施例中，探测器27为PMT、CCD、光子记数器、光电池或光电二极管等。

信号处理器30，如图2所示，包括一个A/D转换数据输入单元31、一个信号处理单元32及一个数据通讯输出单元33。其中，A/D转换数据输入单元31为一A/D转换器；信号处理单元32为一单片机(或DSP，或计算机CPU)处理单元，且其中内置有数字信号处理显示软件系统(将在下面详细说明)；数据通讯输出单元33为本领域中常用的数据输入、输出装置。信号处理单元32可以在32位的PC处理器上实现，也可以在DSP或MCU上实现。其功能除进行导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波处理外，还包括图像与数据的分析计算、数据查询与数据存储等。

显示屏40可以是液晶屏或监视器或计算机显示器或其它光电显示器件。

电源50，为满足检测装置的可移动特性，采用干电池、锂电池或其它化学电池与充电电池，当然也可以采用其他0-48V的低压电源。

下面详细说明内置在信号处理单元32中的数字信号处理显示软件系统。

在本发明信号处理单元32中的数字信号处理显示软件系统，包括导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块、图象分析计算模块、数据查询与存储显示模块，可以在单片机(或DSP，或计算机CPU)中编程实现。

本发明的导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块提供了一种具有良好阶跃响应特性的提高数字信号信噪比的方法-导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波处理方法(LS-MAF)，其工作流程模块如图3所示，主要包括缓存输入数据模块41、数据截取选择拟合窗口模块42、最小二乘法拟合模块43、拟合斜率移动平均滤波模块44、离散积分还原数据模块45和偏移修正模块46。本发明提供导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波处理方法(LS-MAF)通过本发明数字信号处理显示软件系统中的导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块实施，具体实施步骤如下：

步骤一：缓存输入数据

A/D转换数据输入单元31采集双焦面成像荧光检测系统检测中的微流控芯片荧光信号，并将其变成数字信号。在后续步骤启动之前，数据缓存必须先积累足够多的数据，为后续滤波算法提供条件。缓存的数据存储在处理器32的RAM中。当数据缓存量达到启动阈值(N_start)时，后续步骤才会被启动。启动阈值的取值取决于步骤二中拟合窗口的宽度W_fit和步骤四中移动平均滤波窗口的宽度W_smooth，

N_start＝W_fit+W_smooth-1

步骤二：选择拟合窗口

当第一步中的数据缓存量达到Nstart之后，拟合窗口就可以开始运行了。拟合窗口本质上是一个数据选择器，它按顺序选取缓存数据中的一小部分(其中的数据点数量称为拟合窗口的宽度Wfit，本发明中选择拟合窗口模块42的拟合窗口宽度经验值为5个荧光信号数据点)，送入步骤三所述的最小二乘法拟合环节中。当这组数据处理完毕后，拟合窗口会后移一格，为后续环节提供新的数据。由于最小二乘法拟合环节每次只能接受一个固定长度的数据，而且运算时间较长，所以拟合窗口必须接受最小二乘法拟合环节的控制，仅当上一组数据处理完成后，才向后续环节提供新的数据。

步骤三：最小二乘法拟合

当接收到来自拟合窗口42的输出信号I_m～I_n后，最小二乘法求导模块43便开始工作。该步骤先将I_m～I_n数据做最小二乘法，得到拟合斜率

计算出的拟合斜率被保存在斜率缓冲区中，供斜率移动平均滤波器和离散积分器使用。

待计算完成后，该步骤向拟合窗口发出信号，要求其提供下一组数据进行处理。

本发明每次用于做最小二乘法求导的数据点数采用固定或任意变化的拟合窗口宽度，最小二乘法求导的数据点数是2的整数次幂。本发明用移位运算替代乘除法运算，因此不需要乘法和除法处理器。

步骤四：对拟合斜率进行移动平均滤波

当最小二乘法求导模块43的斜率缓冲区中的数据达到移动平均滤波窗口的宽度W_smooth时，移动平均滤波模块44就开始工作。移动平均滤波模块实现的主要功能是将斜率缓冲区中的数据平滑化。具体方法是把缓冲区中的某一个数据取出并以该时刻为中心，在其前后各取一个一定宽度的移动平均滤波窗口，该窗口中的所有数据按一定的加权做平均后，存回斜率缓冲区中的原始位置。移动平均滤波窗口的宽度和做平均时各项的权重可以根据不同的需求加以改变，本发明中所使用的移动平均公式如下：

K′_i＝0.1K_i-2+0.2K_i-1+0.4K_i+0.2K_i+1+0.1K_i+2

经过该步骤后，斜率缓冲区中的斜率数据就会在很大程度上被平滑化去除随机噪声和其他固定频率抖动干扰信号的影响。

步骤五：离散积分还原数据

最小二乘法求导模块43中的斜率缓冲区在经过斜率拟合移动平均滤波模块44处理后即可被离散积分还原数据模块45调用，采用离散积分法还原数据D₁，得到还原后的数值O_j。离散积分方法还原数据的具体实施方法如下：

确定初始边界条件D₁：

初始边界由第一次最小二乘法拟合的拟合斜率K₁和拟合截距b₁决定，即

根据滤波后的拟合斜率K′_i和初始边界条件D₁可以用累加的方法获得输出数据，即：

也就是：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{i-\frac{n+m}{2}}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j+D_{\mathrm{start}}(i>\frac{n+m}{2})......\left(2\right)$

在算法实现时，通常采用递推算法来简化计算量：

D_i＝K_i+D_i-1        ......(3)

由此得出的所有数据点的滤波结果存放到结果缓存区中。

步骤六：偏移修正

偏移修正模块46则对经离散积分还原数据模块45还原后的数值O_j与数据缓存模块41导入的原始输入值I_j相减，便得到一个误差量，并将该误差量进行累积，即将输出值与输入值相减并累加，记为E_i：

E_i＝∑(O_j-I_j)     ......(4)

将O_j减去误差累积量与一个固定的比例因子P的乘积(本发明中的经验值为P＝0.0004)即可得到修正后的输出值O′_j

O′_j＝O_j-P×E_j    ......(5)

如上步骤即实现了导数化斜率拟合移动平均滤波方法。由于最小二乘法的参数只与拟合窗口的宽度W_fit有关，而对于每次滤波W_fit是固定的，所以程序可以在编译时就完成最小二乘法的各个参数的运算，从而使时间复杂度降为O(n)(n为滤波器采样点框长度)，空间复杂度降为O(1)。

最终数据O′_j通过数据通讯输出单元33输出，显示在显示屏40上。然后，又从双焦面成像荧光检测系统重新采集一组新的微流控芯片荧光检测信号数据，继续重复步骤一至步骤六。在实际应用中，此滤波方法可以做到在线滤波，即在A/D转换数据输入单元31输入信号的同时，数据通讯输出单元33将输出一个滤波结果。

采用本发明的方法滤波后得到的数字信号与传统移动平均滤波器输出信号的比较结果如图4所示，图中点线为原始信号曲线，虚线为传统移动平均滤波(MAF)处理的输出信号曲线，实线为本发明的导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波方法(LS-MAF)处理后的输出信号曲线。可以看出，采用本发明LS-MAF滤波的数字信号可以在与MAF移动平均滤波器的阶跃响应保持相似的前提下，得到更加平滑的输出结果曲线，或者在与MAF移动平均滤波器的结果平滑度相近的前提下能得到更好的阶跃响应和更低的延迟。

本发明中LS-MAF滤波器在微流体核酸扩增荧光信号检测实时处理中的应用举例如图5所示，图中点线为原始信号曲线，实线为本发明的导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波方法(LS-MAF)处理后的输出信号曲线。可以看出，本发明中的滤波器可以在保证扩增阶段信号不失真的前提下，将平台期的信号噪音大幅度滤除。

本发明通过上述的设计，其可以达到的具体性能指标如下：

本发明中的滤波处理方法可以对数据进行有效的平滑处理，实现在线滤波，即在输入数据的同时输出滤波结果(输出的滤波结果与输入之间有一定的滞后，但是滞后时间可以根据滤波器参数准确计算出)。同时满足在线与非在线的数字信号滤波处理要求。

本发明中的滤波处理方法得到的输出结果在相同平滑程度的基础上，获得比移动平均滤波器更好的阶跃响应特性，保证动态变化过程的一阶导数极值点位置和变化斜率不会因滤波器处理发生较大的失真，有效地解决了微流控芯片检测输出信号抖动的问题，可以获得平滑的输出信号曲线，为后续分析提供方便。

本发明实施例中提供了一种由6个镜片组成的新型双焦面成像光学检测系统结构，可以最大限度利用物镜的数值孔径，提高荧光接收效率；前后对称共轭，中间为平行光传输有效消除杂散光；系统结构简单，体积小巧，满足家庭与旅行的便携式使用要求。

本发明中的滤波方法计算量小，可以但不限于在低成本的单片机和嵌入式处理器中实现。

本发明中的便携式微流控芯片检测系统装置功耗低，可以采用电池供电或其他低压电源(0-48V)供电，满足野外的使用要求。

综上所述，本发明提供的一种具有良好阶跃响应特性的提高数字信号信噪比的方法-导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波方法及应用该方法的数字滤波器，该方法综合运用了最小二乘法(Least Square Technique)求导和移动平均法(MovingAverage Technique)，简称为LS-MAF滤波器，其能够在单片机或嵌入式处理器或计算机内通过软件编程实现，且在输出平滑度与移动平均滤波器相似的滤波结果时，能够有更小的阶跃响应，或者在阶跃响应相仿时提供输出更加平滑的滤波结果。

Claims (12)

1.一种微流控芯片检测装置，其特征在于包括：一微流控芯片、一双焦面成像荧光检测系统、一信号处理器、一显示屏以及一电源，所述微流控芯片的荧光信号由所述双焦面成像荧光检测系统接收，再传输至所述信号处理器中，所述信号处理器中设有数字信号处理显示软件系统，其中预置有导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块，以处理所述双焦面成像荧光检测系统输入的数据。

2.如权利要求1所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述微流控芯片包含一个或多个纳升-微升体积的微流体反应腔和连接管道，被测样品盛放在反应腔中。

3.如权利要求1所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述双焦面成像荧光检测系统中的物镜和成像透镜采用前后共轭的对称结构或非对称的结构，所述物镜和成像透镜之间为平行光传输。

4.如权利要求1所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述信号处理器包括一个A/D转换数据输入单元、一个信号处理单元及一个数据通讯输出单元，所述信号处理单元为一单片机、DSP或计算机CPU，且其中内置有数字信号处理显示软件系统。

5.如权利要求4所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述数字信号处理显示软件系统包括导数化斜率拟合移动平均时空简便滤波算法软件模块、图象分析计算模块、数据查询模块与存储显示模块。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述显示屏为液晶屏或监视器或计算机显示器或其它光电显示器件。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的微流控芯片检测装置，其特征在于：所述电源为干电池、锂电池、充电电池或0-48V的低压电源。

8.一种应用于上述任一权利要求所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：缓存输入数据

A/D转换数据输入单元采集双焦面成像荧光检测系统检测中的微流控芯片荧光信号，并将其变成数字信号存储在数据缓存模块中；

步骤二：选择拟合窗口

当步骤一中的数据缓存量达到Nstart之后，拟合窗口按顺序选取缓存数据中的一小部分，送入下一步骤；当这组数据处理完毕后，拟合窗口会后移一格，为后续环节提供新的数据；

步骤三：最小二乘法拟合

当接收到来自所述拟合窗口的输出信号I_m～I_n后，最小二乘法求导模块先将I_m～I_n数据做最小二乘法，得到拟合斜率

步骤四：进行移动平均滤波

当所述最小二乘法求导模块中的斜率缓冲区中的数据达到移动平均滤波窗口的宽度W_smooth时，移动平均滤波模块按照下述移动平均公式做平均，并存回斜率缓冲区中的原始位置，该移动平均公式如下：

K′_i＝0.1K_i-2+0.2K_i-1+0.4K_i+0.2K_i+1+0.1K_i+2

步骤五：离散积分还原数据

所述最小二乘法求导模块中的斜率缓冲区在经过所述移动平均滤波模块处理后即被离散积分还原数据模块调用，采用离散积分法还原数据D₁，得到还原后的数值O_j

步骤六：偏移修正

偏移修正模块对经所述离散积分还原数据模块还原后的数值O_j与所述数据缓存模块导入的原始输入值I_j相减，便得到一个误差量，并将该误差量进行累积得到误差量累积量E_i，将原始输出数据减去E_i乘以一个比例因子后得到修正后的数据，最后修正后的数据存回结果缓存区中。

9.如权利要求8所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于：每次用于做最小二乘法求导的数据点数采用固定或任意变化的拟合窗口宽度，最小二乘法求导的数据点数是2的整数次幂。

10.如权利要求8或9所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于：步骤四进行的移动平均滤波使用的是斜率拟合移动平均滤波，对最小二乘法求导的数据点连线的斜率进行移动平均滤波，拟合成平滑的斜率数据点。

11.如权利要求8所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于：步骤五中还原数据使用的离散积分方法为：

1)确定初始边界条件D₁：

初始边界由第一次最小二乘法拟合的拟合斜率K₁和拟合截距b₁决定，

$D_1=\frac{K_1\×W_{\mathrm{smooth}}}{2}+b_1;$

2)输出数据：

根据滤波后的拟合斜率K′_i和初始边界条件D₁用累加的方法获得输出数据，即：

也就是：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{i-\frac{n+m}{2}}{\mathrm{\Σ}}}{K}_j+D_{\mathrm{start}}(i>\frac{n+m}{2})......\left(2\right)$

并采用如下递推算法来简化计算量：

D_i＝K_i+D_i-1......(3)

12.如权利要求8所述微流控芯片检测装置的数字信号处理方法，其特征在于：步骤六的偏移修正还包括一个反馈校正环节来控制误差量的大小。

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