CN105319156A - 一种基于ccd相机调整的dna图像采集测序系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，所述的图像处理及控制系统获取图谱信息，在对每个图谱Δt的采样时间间隔内分别获取m个图谱，m为偶数；对同一碱基的拍照图谱进行分组，然后通过冗余判定的方式进行判定，并与标准的碱基图谱信息进行比对，A，T，C，G四种碱基信息，确定图谱信息中包含的碱基类型。本发明中冗余判断的方式，能够有效判断图谱采集存在问题的准确位置，方便采取措施，且软件运行的成本较低，可根据准确性任意设置图谱采集频率，适合大规模应用；并且，在对图像测试时，运动平台组件根据重合度的结果调整CCD相机位置的变化，排除影响图像获取准确性的物理因素。

Description

一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统

技术领域

本发明涉及DNA测序分析领域，尤其涉及一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统。

背景技术

在DNA测序技术领域，整体操作流程描述如下：DNA样品通过破碎后，应用建库试剂进行加接头、单链捕获、结合至微球、微乳液PCR扩增、破乳液，获得建立在微球上的DNA文库，应用加样板将文库和测序反应需要的酶等铺放至具有微反应池的测序芯片，测序芯片和测序试剂安装至主机上，通过控制计算机根据模块数量和位置启动测序程序，自动化进行测序反应，产生的数据传输至数据分析计算机，完成测序后应用计算分析软件进行图像处理、序列读出、质量分析、序列拼接等工作，最终得到DNA样本的序列信息。

微反应池测序芯片是测序反应的载体，载有测序模板的DNABeads及各种测序反应用酶均位于刻有微反应池的测序芯片中。

在对反应芯片的图像采集后，需要对单个图像的信息进行处理，尤其对图像的信息准确性进行判定，避免图像的准确性缺失造成碱基类型的判定失误；在对图像测试时，CCD相机位置的精准度为影响图像获取准确性的因素，在对图像获取时，CCD相机位置的变化需要调整。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，包括设置有反应芯片的反应仓组件、运动平台组件、运动控制单元、设置在运动平台组件上并受运动控制单元控制的CCD相机、平台支撑组件以及控制CCD相机获取图像并对图像进行冗余处理的图像处理及控制系统，其中，

所述的反应仓组件，在控制系统的作用下，反应液进入反应芯片中进行化学反应，产生可见光；所述的运动平台组件，其按照图像处理及控制系统的控制指令将CCD相机进给到适当的拍照位置，对反应芯片中产生的可见光信息进行拍照采集；所述的平台支撑组件，其支撑所述的反应仓组件、运动平台组件；

所述的图像处理及控制系统获取图谱信息，在对每个图谱Δt的采样时间间隔内分别获取m个图谱，m为偶数；对同一碱基的拍照图谱进行分组，然后通过冗余判定的方式进行判定，并与标准的碱基图谱信息进行比对，A，T，C，G四种碱基信息，确定图谱信息中包含的碱基类型；

所述的图像处理及控制系统包括分组单元、数据采集控制单元、比较模块和逻辑控制模块，所述的分组单元按照二位矩阵将上述采集的图谱或图像信息进行分组整理；

获取m为12的连续图谱信息，分别每两个相邻近的时间，作为一二维组灰度值的两个维度值，按照标号1-12，分别标记为6组二维灰度值，其中的第一、二灰度值为第一组，第三、四灰度值为第二组，第五、六灰度值为第三组；第七、八灰度值为第四组，第九、十灰度值为第五组，第十一、十二灰度值为第六组，所述分组单元将采集的灰度值信息按照上述分组将三组二维灰度值矩阵进行整理得到矩阵(i₁,i₂)、(i₃,i₄)、(i₅,i₆)、(i₇,i₈)、(i₉,i₁₀)、(i₁₁,i₁₂)；

所述比较模块内包括一比较器，其对所有数据采集模块内存储的灰度值采集信号进行运算处理，分别计算得出一重合度P_n，并将其传输至所述逻辑控制模块内；所述比较模块将上述重合度两两做差值并取绝对值，计算出结果后，将信号重合度与差值绝对值计算结果传输至所述逻辑控制模块内；所述逻辑控制模块为一MCU处理器或一PLC，其包括一存储模块，其内存储有一标准碱基的重合度阈值P₀和一组标准值δ₁和δ₂；

所述的数据采集控制单元采集重合度绝对值差值大于阈值P₀的相应的图像灰度值δ，所述的灰度值δ与标准灰度值δ₁和δ₂进行对比，若δ₁＜δ＜δ₂，则该图像的灰度值超过第一段预设值，需对CCD相机的位置进行调整；

所述的逻辑控制模块向运动控制单元发送控制指令；运动控制单元控制电机动作，电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母及螺母安装座带动CCD相机移动；在底座侧部的位置传感器实时检测CCD相机的位置，并传输至运动控制单元中，运动控制单元实时将位置信息传输至逻辑控制模块中，并与存储在存储模块中的预设的CCD相机位置信息进行比对，直到CCD相机移动至指定位置；在位置调整完成后，所述的CCD相机对反应芯片继续进行拍照，并重新获取灰度值和重合度值。

进一步地，获取第一组二维灰度值矩阵和第二组二维灰度值矩阵，所述的比较模块按照下述公式(1)计算该两组二维灰度值矩阵信号中灰度值的重合度P₂₁，

$P_{21}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}\left(T\right(i_4,i_3)*I(i_2+i_4,i_1+i_3))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}T{(i_4,i_3)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}I{(i_2+i_4,i_1+i_3)}^2}}---\left(1\right)$

式中，P₂₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第三灰度值的采样值，i₄表示第四灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

进一步地，第一组二维电流矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(2)进行重合度计算P₃₁，

$P_{31}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_2+i_6,i_1+i_5))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{(i_6,i_5)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{(i_2+i_6,i_1+i_5)}^2}}---\left(2\right)$

式中，P₃₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

进一步地，第二组二维灰度值矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(3)进行重合度计算P₃₂，

$P_{32}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_4+i_6,i_3+i_5))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{(i_6,i_5)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{(i_4+i_6,i_3+i_5)}^2}}---\left(3\right)$

式中，P₃₂表示每两组灰度值的重合度，i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第一灰度值的采样值，i₄表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

进一步地，所述的电机的输出轴与丝杠通过联轴器连接，电机与丝杠连接处设置有支撑座，在丝杠的端部设置有轴承以及轴向定位套；

在丝杠上连接有螺母，螺母设置在螺母安装座上；螺母安装座的上端与连接板连接，连接板的上端连接有相机安装座；在轴承末端设置轴承压紧盖。

进一步地，所述的螺母安装座安装在与导轨接触的滑块上，并在滑块上带动相机移动；在底座的侧部安装有位置传感器安装座，在位置传感器安装座的上端设置连接块，连接块上端固定有位置传感器。

进一步地，所述的反应芯片组件包括反应芯片安装座、反应仓底座组件，在反应仓底座的外侧面的中间部分设置有温控组件；

在反应仓底座的中间部位设置有电加热丝，其设置在底座的电热丝安装槽中；在电加热丝上部的温度传感器安装槽，设置有温度传感器及控制组件。

与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，所述的图像处理及控制系统获取图谱信息，在图谱信息中包含有试剂所含的碱基类型信息，该信息与标准的碱基图谱信息进行比对，A，T，C，G四种碱基信息，确定图谱信息中包含的碱基类型。在所述的图像处理及控制系统确定信息时，首先对同一碱基的拍照图谱进行分组，然后通过冗余判定的方式进行判定。

分组单元按照二维矩阵将上述集数据进行分组整理得到二维灰度值矩阵，便于装置进行软件控制，判断准确、快速；将采集的各组二维灰度值矩阵进行一冗余判断，根据判断结果进行相应控制，在本实施例中为多余度的冗余判定。

本发明中冗余判断的方式，能够有效判断图谱采集存在问题的准确位置，方便采取措施，且软件运行的成本较低，可根据准确性任意设置图谱采集频率，适合大规模应用；同时又避免单一的灰度值对碱基类型的误判。并且，在对图像测试时，运动平台组件根据重合度的结果调整CCD相机位置的变化，排除影响图像获取准确性的物理因素。

附图说明

图1为本发明的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统的整体结构示意图；

图2为本发明的反应仓组件的立体结构示意图；

图3为本发明的反应芯片组件的结构示意图；

图4为本发明的可翻转反应仓组件的剖视结构示意图；

图5为本发明的运动平台组件的结构示意图；

图6为本发明的泵阀集成管组件的立体结构示意图；

图7为本发明的泵阀集成管组件的后视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明的用于DNA测序的图像处理系统的整体结构示意图，本发明实施例中的用于DNA测序的图像处理系统包括反应仓组件12、运动平台组件14、运动控制单元15、CCD相机101、平台支撑组件13以及图像处理及控制系统，其中，

所述的反应仓组件12，其内设置反应芯片组件，在控制系统的作用下，反应液进入反应芯片中进行化学反应，产生可见光；所述的运动平台组件14，其将CCD相机进给到适当的拍照位置，对反应芯片中产生的可见光信息进行拍照采集；所述的平台支撑组件13，其支撑所述的反应仓组件12、运动平台组件14；所述的运动控制单元，其对CCD相机以及反应芯片的运行实时控制。

在本发明实施例中，所述的反应仓组件12能够安装、固定并调整所述的反应芯片，保证反应芯片在稳定的环境中进行反应，并且，反应芯片能够方便取出及锁定。

请参阅图2所示,所述的反应仓组件12包括设置在所述的平台支撑组件13上的竖直设置的门架121，在门架121的外侧的上部设置有可翻转反应仓组件124，在可翻转反应仓组件124的下端连接有可翻转底座122，可翻转底座122固定在门架121的中部，可翻转反应仓组件124可绕所述的可翻转底座122旋转，用以取出或者放入反应芯片。

在所述的门架121的上端的左侧还设置有电子锁组件125，只有在电子锁组件125打开时，才能够将可翻转反应仓组件124旋转，对反应芯片进行操作。在本发明实施例中，设置有门架121，支撑反应芯片及相关结构，大大提高了系统的稳定性。

可翻转反应仓组件124包括可翻转仓体，在所述的可翻转仓体的中间部分安装有后盖板1242，用以封装试剂管；在下部设置有第一旋转部，其包括第一容纳腔1243，用以容纳可翻转底座122，第一容纳腔1243设置在下部的中间位置；在第一容纳腔两侧为对称设置的第一凸耳1244，在第一凸耳1244的中间设置有通孔1246；用以与所述的可翻转底座122连接。可翻转底座相对可翻转仓体在第一容纳腔1243内转动，具有较高的稳定性，同时保证试剂和数据的传输畅通。

在所述的可翻转仓体的第一容纳腔1243的上端面上设置有试剂管安装孔和电线安装孔，在试剂管安装孔中安装有管夹03，管夹03中穿过有试剂管02和电线01。在所述的可翻转仓体的侧部还设置有电子锁组件125中的锁舌1252的锁舌安装孔；在锁紧件的作用下，可翻转仓体与门架121固定在一起；锁舌1252通过感应开关1251控制。在所述的可翻转仓体的外侧的上端设置有按压件1241，只有在通过按压件1241按压设置才能够使所述的可翻转仓体旋转。

本发明实施例中的可翻转底座122位具有两个第二凸耳1221的连接底座，第二凸耳1221对称设置在底座的一个侧面1223上，其中间设置有贯通孔1224，与所述的可翻转仓体上的第一凸耳1244的中间设置的通孔1246同轴安装，并且，第二凸耳1221安装在第一凸耳1244的内侧。

在本发明实施例中，门架121为一侧面具有侧部挡板1211的结构，其一体成型，所述的可翻转底座122的两侧设置在侧部挡板1211内并与侧部挡板1211接触定位；所述的第一凸耳1224在与第二凸耳1221同轴安装后，端部与可翻转底座122的上端接触，并且，可翻转仓体的侧部与门架121的侧部挡板1211内侧面接触，保证可翻转仓体与可翻转底座122刚好位于侧部挡板1211内。

在门架121上还设置有供反应芯片组件通过的容纳孔。门架的使用，不但能够使得反应芯片组件的结构稳定，而且，还使得可翻转仓体与可翻转底座结构紧凑，便于操作；CCD相机与反应芯片的定位更加准确。在门架121的下部设置有第一安装孔1210，用以与运动平台组件14连接固定；在门架中部还设置有与可翻转底座侧部连接的第二安装孔。

请参阅图3所示，本发明的反应芯片组件包括反应芯片安装座127、反应仓底座组件126以及将反应仓底座组件126和反应芯片安装座127锁紧、打开的遮光定位组件128；为了能够方便的对反应芯片取出及闭合，反应芯片安装座127能够与反应仓底座组件126相对旋转。

请参阅图4所示，其为本发明的反应仓底座的内侧面的结构示意图，在反应仓的内侧面中设置有反应池，在反应池的四周设置有密封圈，防止反应试剂外泄。在反应仓底座的外侧面的中间部分设置有温控组件，在温度传感器安装槽1262的四周设置有四个导向杆安装孔1742，在上下侧设置有自适应弹簧安装孔1741；在盖板1263上也设置有导向杆孔1701。

在反应仓底座的中间部位设置有电加热丝1754，其设置在底座的电热丝安装槽中；在电加热丝上部的温度传感器安装槽，设置有温度传感器及控制组件，用以检测反应池的温度并按照设定的阈值进行调节；在温度传感器及控制组件1753，其为灌胶树脂。在反应池的内部凹槽的边侧设置有密封圈1713。在反应芯片安装座的中间安装有反应芯片04，试剂流过反应芯片发生反应。

在本发明实施例中，试剂管02通过试剂管螺钉03固定；通过可翻转仓体的试剂管安装孔，设置在可翻转仓体的中间设置有容纳试剂管道的第一腔体，最终连接反应池体，试剂管路经过各种腔体的密封，稳定性高，不易损坏。

在反应仓体的后侧固定有后盖板1242，后盖板1242的中间设置有自适应调整件1751，在本发明实施例中，可翻转反应仓体与反应仓底座126之间设置有自适应调整件1751，自适应调整件1751的末端弹簧与反应仓底座的端面接触；在使用CCD相机进给时，相机与反应芯片组件接触时，在调整相机位置时，可以采用前后移动的方式调整，此时，自适应调整件能够根据相机的位置变化改变反应芯片组件的位置，保证具有较高的检测精度，同时，避免对系统造成损坏。

在本发明实施例中，为了保证可翻转反应仓组件与反应芯片组件能够同轴移动，方便调整，两者之间还设置有导向杆，在反应仓底座上设置导向杆孔，所述的导向杆包括反应仓定位凸缘，用以与导向杆孔定位；在另一端通过螺母1755与导向杆安装孔的端面定位，在之间还设置有垫片。所述的运动平台组件14包括电机136、与电机输出轴相连接的丝杠导轨组件、支撑丝杠组件的支撑座以及检测组件、相机支撑组件。

请参阅图5所示，电机136的输出轴与丝杠通过联轴器连接，电机与丝杠连接处设置有支撑座1361，在丝杠的端部设置有轴承以及轴向定位套。在丝杠上连接有螺母，螺母设置在螺母安装座上；螺母安装座的上端与连接板1012连接，连接板1012的上端连接有相机安装座1011；在轴承末端设置轴承压紧盖。

所述的螺母安装座安装在与导轨132接触的滑块1012上，并在滑块上带动相机移动。在底座的侧部安装有位置传感器安装座1351，在位置传感器安装座1351的上端设置连接块，连接块上端固定有位置传感器135。在本发明实施例中，所述的图像处理及控制系统对反应仓内的反应过程进行拍照，所述的CCD相机按照预设的指令拍照，获取图谱信息，并将图谱信息传输至图像处理及控制系统中进行比对及处理。

请参阅图6-7示，本发明实施例的泵阀集成管组件通过下侧的针头吸管507将试剂从缓冲液箱装卸平台组件上的试剂管中吸入，并通过液路控制单元502的选择，驱动控制阀组件509和液压泵506进行选择，将试剂排入试剂管路中，进行测序反应。

所述的泵阀集成管组件包括泵阀集成底座板508，泵阀集成底座板508包括蠕动泵安装板5011、与蠕动泵安装板5011连接的固定板，上述各板围成一开口状的箱体结构；在该箱体的中间安装有控制阀组件509。泵阀集成底座板508还包括设置在底板上的吸管孔组、以及底板中间的控制阀组件安装板；在蠕动泵安装板上设置有蠕动泵安装孔，其上设置两个蠕动泵505；在底板5084上还间隔设置多个试剂管夹以及线夹。

相应的，控制阀组件509安装在泵阀集成底座板508的中间部分，液压泵506安装在泵阀集成底座板508的侧部，在另一侧部设置液路控制单元502；液路控制单元502通过一折弯板503与液路部分隔离。

泵阀组件设置在多个板组成的箱体空间内，便于安装在测试仪的不同位置上；在本发明实施例中，泵阀集成管组件安装在测序仪箱体的上侧连接板上，下侧为安装试剂管的缓冲液箱装卸平台组件。

在本发明实施例中，为了能够对多种试剂进行测序反应，底板上的吸管孔组并排设置有多个孔，针头吸管穿过吸管孔，另一端连接试剂管与相应的控制阀的液路端口连接；在吸管孔上设置管夹，防止针头吸管倾斜。在使用时，控制阀控制针头吸管选取所需的试剂，通过针头吸管、控制阀以及蠕动泵的作用排入反应仓中进行反应。在板件上设置多个针孔，对不同的试剂进行选择，选择准确、可靠。

本发明实施例，采用泵阀集成管组件，能够对多种试剂同时进行选择，并且按照预先设置的顺序进行测序反应，测试效率高。

在本发明中，所述CCD相机获取图谱信息时，对信号波形，在每连续的K个周期内，每周期选择n个预设时刻的采样点，每间隔时间T₀采样一次，连续取样M次；为了保证取样数据的可参考性与准确性，在每一周期内选择的n个采样点的时间间隔Δt按照下述公式(1)计算，

$\mathrm{\Δ}t=\frac{a\·sin(\mathrm{\ω}+\mathrm{\β})\·T}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

式中，Δt表示采样点的时间间隔，a为修正系数，其大小由采样点数量决定，ω表示拍照信号的角频率，由CCD相机的性能决定，β为初始相角，T表示信号周期的时间，λ表示信号波形的峰值。

经上述公式(1)采样，在信号幅值越大时，采样越密集，采样数据的可参考性越强；采样对信号数据按照预设条件采样，使得后续的信号处理数据量减小，减轻数据处理的繁杂运算。

所述的图像处理及控制系统获取图谱信息，在图谱信息中包含有试剂所含的碱基类型信息，该信息与标准的碱基图谱信息进行比对，A，T，C，G四种碱基信息，确定图谱信息中包含的碱基类型。在所述的图像处理及控制系统确定信息时，首先对同一碱基的拍照图谱进行分组，然后通过冗余判定的方式进行判定。

在本发明实施例中，所述的CCD相机在对每个图谱Δt的采样时间间隔内分别获取m(m≥6)个图谱，m为偶数。

在本发明实施例中，所述的图像处理及控制系统包括分组单元、数据采集控制单元、比较模块和逻辑控制模块，所述的分组单元按照二位矩阵将上述采集的图谱或图像信息进行分组整理；在本发明实施例中，根据获取的图谱或者图像的灰度值两两组合分组。

在本发明实施例中，获取m为12的连续图谱信息，分别每两个相邻近的时间，作为一二维组灰度值的两个维度值，在本实施例中，按照标号1-12，分别标记为6组二维灰度值，其中的第一、二灰度值为第一组，第三、四灰度值为第二组，第五、六灰度值为第三组；第七、八灰度值为第四组，第九、十灰度值为第五组，第十一、十二灰度值为第六组，所述分组单元将采集的灰度值信息按照上述分组将三组二维灰度值矩阵进行整理得到矩阵(i₁,i₂)、(i₃,i₄)、(i₅,i₆)、(i₇,i₈)、(i₉,i₁₀)、(i₁₁,i₁₂)。

在本发明中并不局限于上述灰度值为12个，其可以为任意偶数m(m≥6)个，所述分组单元仍按照上述分组方式将每邻近区域的两灰度值信息进行分组，分成m/2个二维灰度值矩阵。

所分组单元按照二维矩阵将上述集数据进行分组整理得到二维灰度值矩阵，便于装置进行软件控制，判断准确、快速。

所述数据采集控制单元将采集的各组二维灰度值矩阵进行一冗余判断，根据判断结果进行相应控制，在本实施例中为多余度的冗余判定。

在本发明中所述比较模块内包括一比较器，其对所有数据采集模块内存储的灰度值采集信号进行运算处理，分别计算得出一重合度P_n，并将其传输至所述逻辑控制模块内，现以第一组二维灰度值矩阵和第二组二维灰度值矩阵进行说明，所述比较模块按照下述公式(2)计算该两组二维灰度值矩阵信号中灰度值的重合度P₂₁，

$P_{21}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}\left(T\right(i_4,i_3)*I(i_2+i_4,i_1+i_3))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}T{(i_4,i_3)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}I{(i_2+i_4,i_1+i_3)}^2}}---\left(2\right)$

式中，P₂₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第三灰度值的采样值，i₄表示第四灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

同理第一组二维电流矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(3)进行重合度计算P₃₁，

$P_{31}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_2+i_6,i_1+i_5))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{(i_6,i_5)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{(i_2+i_6,i_1+i_5)}^2}}---\left(3\right)$

式中，P₃₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

第二组二维灰度值矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(4)进行重合度计算P₃₂，

$P_{32}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_4+i_6,i_3+i_5))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{(i_6,i_5)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{(i_4+i_6,i_3+i_5)}^2}}---\left(4\right)$

式中，P₃₂表示每两组灰度值的重合度，i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第一灰度值的采样值，i₄表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

同理，将上述各组二维灰度值矩阵分别进行重合度计算，得出各个重合度值。

在本发明中并不局限于上述灰度值为12，其可以为任意偶数m(m≥6)个，分成m/2个二维灰度值矩阵，每两组矩阵之间进行一重合度计算即可。

所述比较模块将上述重合度两两做差值并取绝对值，计算出结果后，将信号重合度与差值绝对值计算结果传输至所述逻辑控制模块内。

所述逻辑控制模块为一MCU处理器或一PLC，其包括一存储模块，其内存储有一标准碱基的重合度阈值P₀和一组标准值δ₁和δ₂，所述逻辑控制模块将所述计算所得的重合度绝对值差值与重合度阈值P₀进行比对，若所述重合度绝对值差值大于阈值，则断定其中两组灰度值超过预期，不能断定为同一碱基。

将所有重合度绝对值差值分别与重合度阈值P₀进行比对，则可断定某一组检测的图像不能符合要求，不能断定为同一碱基。在本实施例中，所述重合度阈值P₀取值为0.95。

并且，在判定碱基的类型时，所述的m个图像的灰度值应在预设的范围内，在所述的存储模块中，设置有四组灰度值阈值范围，在满足重合度要求的情况下，对其所属碱基的类型判定。

本发明中冗余判断的方式，能够有效判断图谱采集存在问题的准确位置，方便采取措施，且软件运行的成本较低，可根据准确性任意设置图谱采集频率，适合大规模应用；同时又避免单一的灰度值对碱基类型的误判。

在本发明中，DNA测序系统还能够根据冗余判定的结果，对CCD相机的位置以及测序试剂管路的流速进行改变。

所述的数据采集控制单元采集重合度绝对值差值大于阈值P₀的相应的图像灰度值δ(δ＞0)，所述的灰度值δ与标准灰度值δ₁和δ₂进行对比，若δ₁＜δ＜δ₂，则该图像的灰度值超过第一段预设值，此时，需要对CCD相机的位置进行调整。所述的逻辑控制模块向运动控制单元15发送控制指令；运动控制单元15控制电机136动作，电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母及螺母安装座带动CCD相机移动；在底座侧部的位置传感器实时检测CCD相机的位置，并传输至运动控制单元15中，运动控制单元15实时将位置信息传输至逻辑控制模块中，并与存储在存储模块中的预设的CCD相机位置信息进行比对，直到CCD相机移动至指定位置。在位置调整完成后，所述的CCD相机对反应芯片继续进行拍照，并重新获取灰度值和重合度值。

自适应调整件1751的末端弹簧与反应仓底座的端面接触；在使用CCD相机进给时，相机与反应芯片组件接触时，在调整相机位置时，可以采用前后移动的方式调整，保证反应芯片在适当的位置。

同时，所述的逻辑控制模块向设置在反应仓底座内的温控组件发送控制指令，电加热丝1754相应的加热或者降低温度，所述的温度传感器实时检测反应仓内的温度并将实时温度信息传输至逻辑控制模块中，并与其内的存储模块的温度信息进行比对，直到符合要求。

本发明实施例在对灰度值取样时，排出反应仓温度变化的干扰，将反应仓温度维持在预设的范围内，保证取样的准确性。

在反应仓底座的外侧面的中间部分设置有温控组件，在温度传感器安装槽1262的四周设置有四个导向杆安装孔1742，在上下侧设置有自适应弹簧安装孔1741；在盖板1263上也设置有导向杆孔1701。

在反应仓底座的中间部位设置有电加热丝1754，其设置在底座的电热丝安装槽中；在电加热丝上部的温度传感器安装槽，设置有温度传感器及控制组件，用以检测反应池的温度并按照设定的阈值进行调节；在温度传感器及控制组件1753，其为灌胶树脂。

所述的灰度值δ与标准灰度值δ₁和δ₂进行对比，若灰度值δ＞δ₂，则灰度值超过第二段预设值，需要调整试剂供应的速度。所述的逻辑控制模块向液路控制单元502发送控制指令，所述的液路控制单元502向驱动控制阀组件509发送控制指令，液压泵506的转速相应改变，蠕动泵505的转速相应改变，试剂管02通过可翻转仓体的试剂管安装孔、设置在可翻转仓体的中间设置有容纳试剂管道的第一腔体，将试剂传输至反应芯片中。经过调整后的试剂流速在预设的存储模块中的转速值时即可。此时，CCD相机对反应芯片继续进行拍照，并重新获取灰度值和重合度值。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，包括设置有反应芯片的反应仓组件、运动平台组件、运动控制单元、设置在运动平台组件上并受运动控制单元控制的CCD相机、平台支撑组件以及控制CCD相机获取图像并对图像进行冗余处理的图像处理及控制系统，其中，

所述的反应仓组件，在控制系统的作用下，反应液进入反应芯片中进行化学反应，产生可见光；所述的运动平台组件，其按照图像处理及控制系统的控制指令将CCD相机进给到适当的拍照位置，对反应芯片中产生的可见光信息进行拍照采集；所述的平台支撑组件，其支撑所述的反应仓组件、运动平台组件；

所述的图像处理及控制系统获取图谱信息，在对每个图谱Δt的采样时间间隔内分别获取m个图谱，m为偶数；对同一碱基的拍照图谱进行分组，然后通过冗余判定的方式进行判定，并与标准的碱基图谱信息进行比对，A，T，C，G四种碱基信息，确定图谱信息中包含的碱基类型；

所述的图像处理及控制系统包括分组单元、数据采集控制单元、比较模块和逻辑控制模块，所述的分组单元按照二位矩阵将上述采集的图谱或图像信息进行分组整理；

获取m为12的连续图谱信息，分别每两个相邻近的时间，作为一二维组灰度值的两个维度值，按照标号1-12，分别标记为6组二维灰度值，其中的第一、二灰度值为第一组，第三、四灰度值为第二组，第五、六灰度值为第三组；第七、八灰度值为第四组，第九、十灰度值为第五组，第十一、十二灰度值为第六组，所述分组单元将采集的灰度值信息按照上述分组将三组二维灰度值矩阵进行整理得到矩阵(i₁,i₂)、(i₃,i₄)、(i₅,i₆)、(i₇,i₈)、(i₉,i₁₀)、(i₁₁,i₁₂)；

所述比较模块内包括一比较器，其对所有数据采集模块内存储的灰度值采集信号进行运算处理，分别计算得出一重合度P_n，并将其传输至所述逻辑控制模块内；所述比较模块将上述重合度两两做差值并取绝对值，计算出结果后，将信号重合度与差值绝对值计算结果传输至所述逻辑控制模块内；所述逻辑控制模块为一MCU处理器或一PLC，其包括一存储模块，其内存储有一标准碱基的重合度阈值P₀和一组标准值δ₁和δ₂；

所述的数据采集控制单元采集重合度绝对值差值大于阈值P₀的相应的图像灰度值δ，所述的灰度值δ与标准灰度值δ₁和δ₂进行对比，若δ₁＜δ＜δ₂，则该图像的灰度值超过第一段预设值，需对CCD相机的位置进行调整；

所述的逻辑控制模块向运动控制单元发送控制指令；运动控制单元控制电机动作，电机带动丝杠转动，丝杠上的螺母及螺母安装座带动CCD相机移动；在底座侧部的位置传感器实时检测CCD相机的位置，并传输至运动控制单元中，运动控制单元实时将位置信息传输至逻辑控制模块中，并与存储在存储模块中的预设的CCD相机位置信息进行比对，直到CCD相机移动至指定位置；在位置调整完成后，所述的CCD相机对反应芯片继续进行拍照，并重新获取灰度值和重合度值。

2.根据权利要求1所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，获取第一组二维灰度值矩阵和第二组二维灰度值矩阵，所述的比较模块按照下述公式(1)计算该两组二维灰度值矩阵信号中灰度值的重合度P₂₁，

$P_{21}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}\left(T\right(i_4,i_3)*I(i_2+i_4,i_1+i_3\left)\right)}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}T{\left(i_4,i_3\right)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_4,i_3}I{\left(i_2+i_4,i_1+i_3\right)}^2}}---\left(1\right)$

式中，P₂₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第三灰度值的采样值，i₄表示第四灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

3.根据权利要求1或2所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，第一组二维电流矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(2)进行重合度计算P₃₁，

$P_{31}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_2+i_6,i_1+i_5\left)\right)}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{\left(i_6,i_5\right)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{\left(i_2+i_6,i_1+i_5\right)}^2}}---\left(2\right)$

式中，P₃₁表示每两组灰度值的重合度，i₁和i₂分别表示所述第一组二维灰度值矩阵的灰度值，i₁表示第一灰度值的采样值，i₂表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

4.根据权利要求1或2所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，第二组二维灰度值矩阵和第三组二维灰度值矩阵按照下述公式(3)进行重合度计算P₃₂，

$P_{32}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}\left(T\right(i_6,i_5)*I(i_4+i_6,i_3+i_5\left)\right)}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}T{\left(i_6,i_5\right)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{i_6,i_5}I{\left(i_4+i_6,i_3+i_5\right)}^2}}---\left(3\right)$

式中，P₃₂表示每两组灰度值的重合度，i₃和i₄分别表示所述第二组二维灰度值矩阵的灰度值，i₃表示第一灰度值的采样值，i₄表示第二灰度值的采样值；i₅和i₆分别表示所述第三组二维灰度值矩阵的灰度值，i₅表示第五灰度值的采样值，i₆表示第六灰度值的采样值；T表示均方差运算，I表示积分运算。

5.根据权利要求1或2所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，所述的电机的输出轴与丝杠通过联轴器连接，电机与丝杠连接处设置有支撑座，在丝杠的端部设置有轴承以及轴向定位套；

在丝杠上连接有螺母，螺母设置在螺母安装座上；螺母安装座的上端与连接板连接，连接板的上端连接有相机安装座；在轴承末端设置轴承压紧盖。

6.根据权利要求5所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，所述的螺母安装座安装在与导轨接触的滑块上，并在滑块上带动相机移动；在底座的侧部安装有位置传感器安装座，在位置传感器安装座的上端设置连接块，连接块上端固定有位置传感器。

7.根据权利要求5所述的基于CCD相机调整的DNA图像采集测序系统，其特征在于，所述的反应芯片组件包括反应芯片安装座、反应仓底座组件，在反应仓底座的外侧面的中间部分设置有温控组件；

在反应仓底座的中间部位设置有电加热丝，其设置在底座的电热丝安装槽中；在电加热丝上部的温度传感器安装槽，设置有温度传感器及控制组件。