CN108519479A - 一种生物芯片反应过程在线自诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物芯片反应过程在线自诊断装置，其包括：CCD摄像机：用于获取生物芯片反应腔内液体反应前生物芯片的静态图像；图像处理器：用于对所述静态图像进行处理，进行反应前的自诊断、加液动作自诊断、排液动作自诊断，并评估生物芯片反应腔内的液体混合效果。本发明适用于各种生物芯片，根据生物芯片的反应过程和时序，设置特定的标志和刻度，引进适用的液体传感方法，再选择适用的图像处理方法，就能实现生物芯片操作过程的自诊断。
Description
技术领域
本发明涉及生物芯片技术，特别是一种一种生物芯片反应过程在线自诊断装置。
背景技术
近年来，生物芯片技术在医学检验实验中的应用越来越多，研究者希望通过生物芯片中的微结构来完成复杂的化学或者生物反应。芯片里基本单元主要有: 腔体、管道、微型阀、微型泵等微结构，这些单元都是无源的器件，需要借助与之配套使用的外部驱动机构来控制，从而实现芯片内反应物质的运动(比如流动、混匀、稀释、加温或者降温等)。目前市场上在用的生物芯片采用的都是开环设计，即控制机构执行控制命令后的执行效果没有反馈信号，通常依靠提高结构的可靠性、加工工艺水平和制造质量来保障芯片每个动作的可靠性，如果芯片本身或者外部驱动机构存在缺陷或者发生故障，会造成芯片里反应过程的失真或者错误，由于没有反馈信息，系统仍然按照预先设定的步骤往下运行，造成检验或实验结果不正确，并且不清楚问题出在哪，为系统的可靠性埋下了隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种生物芯片反应过程在线自诊断装置，使得整个反应过程实时可视、可测、可控。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，包括：
CCD摄像机：用于获取生物芯片反应腔内液体反应前生物芯片的静态图像；
图像处理器：用于对所述静态图像进行处理，进行反应前的自诊断、加液动作自诊断、排液动作自诊断，并评估生物芯片反应腔内的液体混合效果。
所述生物芯片包括芯片基片；所述芯片基片上设置至少两个液体存放腔；所有液体存放腔均与反应腔连通；所述反应腔与废液腔连通；所有液体存放腔与所述反应腔之间的管路上均设置有管道标识线。
所述液体存放腔数量为两个；第一液体存放腔、第二液体存放腔均通过微阀与所述反应腔连通。
反应前的自诊断过程具体包括：获取第一液体存放腔、第二液体存放腔内液体的容积，并与图像处理器获取的第一液体存放腔、第二液体存放腔的容积分别进行对比，如果容积偏差在5％以内，在误差许可范围内；如果容积偏差在5％～10％之间，记录实际容积值，作为后续测量计算时修正测量值的依据。如果容积偏差超过10％，提示异常，暂停后续反应动作。
加液动作自诊断具体包括：反应开始后，微阀打开，外部压力驱动液体A 和液体B分别沿着管路流入反应腔，设液体在外力作用下的平均流速为V，则可估算出加入反应腔液体的容积V，即V＝T*V*S；其中T为液体全部流过管道标识线的时间、S是管路的截面积；根据估算出的加样液体的容积就可以诊断加液动作的执行效果，如果容积V与预先设定的加液量偏差在5％以内，则表明加液动作正确。设管道标识线所覆盖的CCD像素单元平均灰度值均值Y，根据Y 值的大小及其变化可以诊断出微泵或者微阀的故障。由于加样液体是顺序流过管道标志线的，当管道里没有液体时，此时Y值为最大Ymax；当液体流入管道标志线时，Y值开始减小；当液体完全充满该段管道时，Y值为最小值Ymin；在液体流动过程中，Y值基本保持不变；当液体末端流入管道标志线后，Y值开始增大；当液体完全流过该段管道后，Y值是最大值Ymax；如果加样过程中，Y 值的曲线与前述有偏差，则能诊断出微泵或者微阀的故障。具体有：如果Y值基本不变，说明加样动作完全失败，微泵没动作或者微阀没打开；如果Y值曲线正确但变化幅度即Ymax-Ymin与实验经验值偏差超过10％，表明液体没有完全充满管道，可能是微阀没有完全打开。如果Y值曲线前后沿以及变化幅度都正确，但在曲线中间有幅度超过10％的毛刺，则表明液体中有气泡或者中间有断流发生，可能是微泵或者微阀工作不稳定，有短暂失效发生。Ymax和Ymin都是通过实验来确定，针对具体的结构和液体，具体实验获得。
排液动作自诊断的具体过程包括：监测反应腔在排液动作后残留的液体容量，如果残留液体容积小于待排液体容积的5％，则达到排液效果。
评估生物芯片反应腔内的液体混合效果的具体过程包括：通过以下公式评估混匀效果：
其中，σ2为图像灰度值的方差，Xi为反应腔图像对应的CCD像元的灰度值，x为所有取样点CCD像元灰度值的算术平均值，n为取样点总数；
当液体混合越均匀，其图像所有像素点的灰度值都趋于一致，即与所有像元灰度值的算术平均值很接近，方差值就越小。不同的液体、不同的混匀方法、不同的结构所能达到的混匀效果都是不同的，实际应用时，要基于确定的液体。混匀方法和结构，确定能达到的最好的混匀结果，从而确定混匀效果评价的目标方差值σ2。当方差值与目标方差值误差在5％以内时，说明混匀达到了效果。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明适用于各种生物芯片，根据生物芯片的反应过程和时序，设置特定的标志和刻度，引进适用的液体传感方法，再选择适用的图像处理方法，就能实现生物芯片操作过程的自诊断。应用该技术，生物芯片的反应过程实现了可视、可测量、可记录、可回放，支持在线监控监测，也支持事后分析，使生物芯片运行模式从“黑匣子”模式升级到“透明可监”模式，能发现芯片运行过程中可能出现的故障，并为操作者或者设计者排除故障、完善设计提供科学依据。
附图说明
图1为本发明自诊断装置结构图；
图2为本发明生物芯片结构图；
1是芯片基片；2是液体A的存放腔；3是液体B的存放腔；4是微阀；5 是管道标识线；6是反应腔刻度线；7是反应腔；8是废液腔。
具体实施方式
本发明的思路是：引入生物传感技术，感知反应液体的状态；采用视频采集技术，实时捕捉和记录反应过程；利用图像测量技术，检测参与反应的液体容量以及腔体里的残留量；利用图像分析技术，评判反应过程中的动作效果以及反应效果；建立故障分析模型，发现故障及时报警；
1、生物传感技术
由于参与反应的液体基本都是透明无色的液体，液体在管路里流动是不易识别的出。为了能捕获液体及其流动，需要采用生物传感技术，对液体进行标识。具体方法有：染色或者添加标志物。染色就是在液体里加入有颜色的液体，使无色的液体着色。添加标志物就是在液体里加入带有特性标志的物质，比如加入带有荧光的磁珠等。要求添加物质不影响原液体的化学特性，不影响反应。
2、视频采集技术
光学系统将整个芯片成像到CDD传感器上，如果芯片置于暗环境里，还需要有辅助照明装置，为了增大管路、反应池等关键部件与环境之间的对比度，芯片加工时，在这些关键件的边缘处涂黑。CCD输出摄取的芯片图像，后续图像处理电路实时处理输入的图像信号。如果芯片的尺寸不大，定焦镜头能满足整个芯片动作监控又能达到容量测量精度要求，就配置固定的光学镜头。如果芯片尺寸较大，就可以配置可变焦距的光学镜头，通过变焦来实现大视场跟踪和小视场测量的要求。
3、图像测量技术
图像测量技术用来测量参加反应的液体的容量，并依据测量结果判断取样加样的容量是否符合设计要求，判断诸如清洗、排废液是否彻底等。为便于定标，芯片上刻有明显的标准长度，图像测量时，以标准长度修正比例系数，再根据液体所占的像素总数来计算出液体的容积。为便于计算液体容积，测量段的管道或者腔体都设计成规则形状，比如圆柱形或者长方形，即其截面积S是固定的。测量时，只要计算出管道或者腔体里液体的液面高度H,就可以得出液体的容积 V＝S*H。
图2以管道为例，假设液体染色后为蓝色，液体位于管道自A至B一段，管道的内腔截面积为S,管道旁边的校准线段的标准长度为L,在图像中，校准线段和液体段AB所覆盖的CCD像素分别为N1和N2，则液体的容积V为:
V＝S*N2*L/N1
4、图像处理与分析技术
图像处理主要是对摄取的图像进行预处理，管道或者腔体外形获取以及二值化处理，界定出液体在管道或者腔体内的位置界面，以便于图像测量。图像分析是指基于图像处理的基础上对锁定的目标位置进行跟踪测量，根据目标位置液体状态的变化来判定反应过程的情况。比如，加液动作的执行效果、混匀效果、废液排放情况等。
基于这些技术思路设计出来的一种生物芯片反应过程在线自诊断装置如图1 所示，主要组成单元有生物芯片、CCD摄像机、图像处理器和仪器主机。
其中，生物芯片上集成了微管道、微腔体、微阀和微泵等微结构，为反应提供了途径和场所，这些微结构自动或者借助外力作用驱动不同的液体流动、混匀、发生反应，最后再对反应结果进行检测。自诊断就是要监测参与反应的液体容量、检验反应过程中微结构动作的正确性、监视混匀效果、监测废液是否排除干净等等。
为此，需要在芯片基片上预加工一些辅助标识，如图2所示。
本发明自诊断的具体过程是：
1、反应前的自诊断
反应前的自诊断主要是检查参与反应液体的容量，避免剂量不准或者漏加。CCD摄像机摄取反应开始前芯片的静态图像，首先判读腔体A和腔体B内液体的容积，计算公式如前所述，并将图像测量结果与预先设置的液体容积比较。如果误差超出许可范围，则提示仪器液体容积误差偏大，进行修正。如果发现液体很少甚至漏加，则报警，要求暂停后续的反应动作。
2、加液动作的自诊断
反应开始后，微阀打开，外部压力驱动液体A和液体B分别沿着管路流入Y 型管道混合后流入反应腔。为诊断微阀是否正常打开，在微阀后、液体流经的管道上刻有管路监控窗口。在微阀打开后，图像分析软件实时监控管路监控窗口所覆盖的CCD像素单元灰度值均值Y的变化情况，同时检测液体全部流过监控窗口的时长T。时刻对应于液体开始流入窗口的时刻，此刻灰度值均值Y会发生正跃变；时刻对应于液体全部流出窗口的时刻，此刻灰度值均值Y会发生负跃变。假设液体在外力作用下的平均流速为V,则可以初步估算出加样液体的容积V,即 V＝T*V*S。
根据Y值得变化情况，可以判断泵或者阀有没有动作，即：如果Y值没有发生跃变，则没有液体流过，说明泵或者阀动作失效；如果Y值跃变但跃变幅度美达到预先设置值，说明液体没有完全充满管路，泵或者阀功能部分失效。
根据时长T可以判断加样液体的容量是否异常，假设测量时长与预先设定的标准时长在允许的误差范围内，则加样动作正常；否则，加样量不够甚至加样失败。
3、排液动作的自诊断
排液动作自诊断可以采用与加样动作自诊断一样的方法来实现，还可以通过监测反应池里在排液动作后残留的液体容量来诊断，即如果残留液体容积V小于许可的残留量V0，则排液干净。
4、混匀效果的评估
两种液体进入反应腔后，需要进行混匀操作，生物芯片的混匀一般都采用诸如超声波混匀、震动混匀、加热温差混匀、磁场扰动混匀等非接触式混匀方式。为保证反应效果，需要对混匀效果进行评估。两种液体染色后都是有色液体，两液体在反应腔变成混合物，混合物的颜色以及灰度值分布特性会随着混匀过程发生变化，根据混合液体的颜色以及灰度值分布特性的变化就可以对混匀效果做出评价。
假设液体A的颜色为黄色，液体B的颜色为蓝色，两种液体混合后，如果反应对液体的颜色没有影响，则均匀混合后液体的颜色应该是均匀的。当液体开始混合后，以时间间隔t为周期不断抓取反应池的图像，图像处理软件计算出每一帧图像中反应液体对应的所有CCD像元素的灰度值，基于这些数据计算出方差，即
当方差趋近于零时，说明混匀效果很好。
5、故障提示与过程溯源
在上述自诊断过程中，如果出现故障比如加样故障灯等，及时报警，并给出故障位置。此外，反应过程的全程图像都被存储，需要时可以回放，便于人工观察反应过程，分析故障原因，进行溯源。
本发明适用于各种生物芯片，根据生物芯片的反应过程和时序，设置特定的标志和刻度，引进适用的液体传感方法，再选择适用的图像处理和分析算法，就能实现生物芯片操作过程的自诊断。应用该技术，生物芯片的反应过程实现了可视、可测量、可记录、可回放，支持在线监控监测，也支持事后分析，使生物芯片运行模式从“黑匣子”模式升级到“透明可监”模式，能发现芯片运行过程中可能出现的故障，并为操作者或者设计者排除故障、完善设计提供科学依据。
Claims (7)
1.一种生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，包括：
CCD摄像机：用于获取生物芯片反应腔内液体反应前生物芯片的静态图像；
图像处理器：用于对所述静态图像进行处理，进行反应前的自诊断、加液动作自诊断、排液动作自诊断，并评估生物芯片反应腔内的液体混合效果。
2.根据权利要求1所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，所述生物芯片包括芯片基片(1)；所述芯片基片(1)上设置至少两个液体存放腔；所有液体存放腔均与反应腔(7)连通；所述反应腔(7)与废液腔(8)连通；所有液体存放腔与所述反应腔(7)之间的管路上均设置有管道标识线(5)。
3.根据权利要求2所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，所述液体存放腔数量为两个；第一液体存放腔(2)、第二液体存放腔(3)均通过微阀(4)与所述反应腔(7)连通。
4.根据权利要求3所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，反应前的自诊断过程具体包括：获取第一液体存放腔(2)、第二液体存放腔(3)内液体的容积，并与图像处理器获取的第一液体存放腔(2)、第二液体存放腔(3)的容积分别进行对比，如果容积偏差在5％以内，在误差许可范围内；如果容积偏差在5％～10％之间，记录实际容积值，作为后续测量计算时修正测量值的依据；如果容积偏差超过10％，提示异常，暂停后续反应动作。
5.根据权利要求3所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，加液动作自诊断具体包括：反应开始后，微阀打开，外部压力驱动液体A和液体B分别沿着管路流入反应腔(7)，设液体在外力作用下的平均流速为V,则可估算出加入反应腔液体的容积V，即V＝T*V*S；其中T为液体全部流过管道标识线(5)的时间、S是管路的截面积；根据估算出的加样液体的容积诊断加液动作的执行效果，如果容积V与预先设定的加液量偏差在5％以内，则表明加液动作正确；设管道标识线(5)所覆盖的CCD像素单元平均灰度值均值Y，根据Y值的大小及其变化可以诊断出微泵或者微阀的故障；由于加样液体是顺序流过管道标志线的，当管道里没有液体时，此时Y值为最大Ymax；当液体流入管道标志线时，Y值开始减小；当液体完全充满该段管道时，Y值为最小值Ymin；在液体流动过程中，Y值保持不变；当液体末端流入管道标志线后，Y值开始增大；当液体完全流过该段管道后，Y值是最大值Ymax；根据Y值曲线的曲线Ymax-Ymin的大小以及曲线中间段的平滑程度诊断出微泵或者微阀的故障，具体有：如果Ymax-Ymin趋近于零，说明加样动作完全失败，微泵没动作或者微阀没打开；如果Ymax-Ymin与实验经验值偏差超过10％，表明液体没有完全充满管道，可能是微阀没有完全打开；如果Y值曲线中间段出现毛刺且幅度超过10％，则表明液体中有气泡或者中间有断流发生，可能是微泵或者微阀工作不稳定，有短暂失效发生。
6.根据权利要求3所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，排液动作自诊断的具体过程包括：监测反应腔在排液动作后残留的液体容量，如果残留液体容积小于待排液体容积5％，则达到排液效果。
7.根据权利要求3所述的生物芯片反应过程在线自诊断装置，其特征在于，评估生物芯片反应腔内的液体混合效果的具体过程包括：通过以下公式评估混匀效果：
其中，σ2为反应腔内的静态图像灰度值的方差，Xi为反应腔图像对应的CCD像元的灰度值，x为所有取样点CCD像元灰度值的算术平均值，n为取样点总数；当σ2与目标方差值误差在5％以内时，说明混合效果良好。
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