CN112295619A - 微液滴芯片沟道定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微液滴芯片沟道定位装置及方法，其中微液滴芯片沟道定位装置包括：芯片装卡单元，用于装设微液滴芯片，微液滴芯片上构造有沟道，其水平位置由水平驱动电机调整；光学单元，用于将激光光路与可见光成像光路重合共轴，包括物镜，物镜上连接有电荷耦合器件，物镜的垂直位置由垂直驱动电机调整；激光发射源，形成激光光路；白光源，形成可见光成像光路；控制单元，与电荷耦合器件通讯连接，以对电荷耦合器件获取的图像进行计算分析得到调整值，并依据调整值控制水平驱动电机和/或垂直驱动电机运转。本发明微液滴的数字图像获取简单便捷，数字图像更加直观，沟道定位准确率高，重复性好。

Description

微液滴芯片沟道定位装置及方法

技术领域

本发明属于微液滴检测技术领域，具体涉及一种微液滴芯片沟道定位装置及方法。

背景技术

微液滴微流控(droplet-based microfluidics)是近年来在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术平台，其原理为：将两种互不相溶的液体，例如，其中的一种为油相、另一种为水相，油相和水相同时进入微通道后，在微通道的作用下，水相以微小体积(10^-15～10^-9L)单元的形式分布于油相中，形成一系列离散的微液滴。每个液滴作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。

微液滴以一字排开的方式流过检测区域，激光垂直射在检测沟道处，带有标记的微液滴在通过时被特定波长激光激发出荧光信号，荧光信号被采集进行接下来的分析。能够激发出荧光信号并完成采集的前提是激光能够精准的射在宽约100μm的沟道上，精密的电机驱动装置必不可少，同时也需要光路有较高的准直度。

微液滴芯片的注塑材料特质，加上沟道十分狭窄，导致沟道定位困难。有通过激光沿垂直沟道方向扫描的方式采集激光反射信号波形，分析计算出沟道位置的方法，这种方法对于芯片微管道的加工工艺要求很高，必须严格保证激光在沟道处的反射特性相差不大，才能得到较为一致的扫描沟道波形。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种芯片沟道搜索定位方法，微液滴的数字图像获取简单便捷，数字图像更加直观，沟道定位准确率高，重复性好。

为了解决上述问题，本发明提供一种微液滴芯片沟道定位装置，包括：

芯片装卡单元，用于装设微液滴芯片，微液滴芯片上构造有沟道，其水平位置由水平驱动电机调整；

光学单元，用于将激光光路与可见光成像光路重合共轴，其包括物镜，物镜上连接有电荷耦合器件，物镜的垂直位置由垂直驱动电机调整；

激光发射源，其发出的激光经由物镜射至微液滴芯片上形成激光光路；

白光源，与物镜正对设置，其发出的可见光经由微液滴芯片、物镜射至电荷耦合器件上形成可见光成像光路；

控制单元，与电荷耦合器件通讯连接，以对电荷耦合器件获取的图像进行计算分析得到调整值，并依据调整值控制水平驱动电机和/或垂直驱动电机运转。

本发明还提供一种微液滴芯片沟道定位方法，包括如下步骤：

位置初始化步骤，控制垂直驱动电机运转驱动物镜沿垂直方向靠近微液滴芯片运动至第一高度位置；

沟道水平搜索步骤，控制水平驱动电机运转驱动微液滴芯片沿水平方向由物镜的第一侧运动至第二侧，并获取微液滴芯片在水平不同位置的第一图像，分析获取的第一图像的第一图像灰度总和，控制水平驱动电机运转驱动微液滴芯片运动至第一图像灰度总和的最大值所对应的微液滴芯片的水平位置；

物镜聚焦步骤，控制垂直驱动电机运转驱动物镜沿垂直方向靠近微液滴芯片由第一高度位置运动至第二高度位置，并获取微液滴芯片在垂直不同位置的第二图像，分析获取的第二图像的第二图像灰度总和，控制垂直驱动电机运转驱动物镜运动至第二图像灰度总和的最大值所对应的物镜的垂直位置；

沟道水平位置精调步骤，识别与第二图像灰度总和的最大值相对应的第二图像中的沟道实时位置，与沟道目标位置比较得水平调整值，依据水平调整值控制水平驱动电机运转驱动微液滴芯片水平运动。

优选地，第一图像的灰度采用自适应阈值分割处理获得，和/或，第二图像的灰度采用灰度方差乘积函数获得。

优选地，在物镜聚焦步骤中，第二图像灰度总和在物镜由第一高度位置运动至第二高度位置过程中先增大后减小。

优选地，沟道目标位置通过微液滴荧光激发试验标定获得。

优选地，沟道实时位置采用如下方法获得：

对第二图像进行自适应阈值分割处理，获得对应于第二图像的第三图像；

确定第三图像中的沟道的边缘水平位置。

优选地，第三图像中的沟道的边缘水平位置采用如下方法获得：

统计第三图像中每一列像素灰度和，获取像素灰度和超过预设阈值的列对应的水平位置，根据沟道实际宽度所对应的像素宽度，获得对应于沟道边缘的实际水平位置，计算获得像素偏移修正量，像素偏移修正量即为水平调整值。

优选地，统计第三图像中每一列像素灰度和之后形成二值图像每一列像素灰度和分布直方图。

本发明提供的一种微液滴芯片沟道定位装置及方法，通过设置所述电荷耦合器件对所述微液滴芯片的水平位置调整过程中以及所述物镜的高度位置调整过程中的微液滴芯片的实时图像进行简单便捷地拍摄获取，获取的图像为数字图像，通过对获取图像进行识别进而直观而准确的对图像上的沟道实现定位、调整，实时获取的图片能够被保存，具有较好的重复性。

附图说明

图1为本发明实施例的微液滴芯片沟道定位装置的组成结构示意图；

图2为沟道水平搜索步骤(此时物镜为未聚焦状态)中微液滴芯片水平移动搜索沟道拍摄的第一图像；

图3为对图2进行自适应阈值分割得到的二值图像；

图4为物镜聚焦步骤中物镜垂直移动过程中拍摄的第二图像，可以看到在此过程中沟道由模糊变清晰又变模糊；

图5为聚焦清晰的第二图像(其中左图)与对其进行自适应阈值分割处理获得第三图像(其中右图)的对照图；

图6为图5中第三图像(二值图像)每一列像素灰度和的分布直方图；

图7为聚焦清晰的第二图像与调整了水平位置后(沟道水平位置精调步骤中)的图像的效果对照图。

附图标记表示为：

10、微液滴芯片；11、沟道；12、水平驱动电机；20、物镜；21、电荷耦合器件；22、垂直驱动电机；30、激光发射源；40、白光源；50、控制单元。

具体实施方式

结合参见图1至图7所示，根据本发明的实施例，提供一种微液滴芯片沟道定位装置，包括：芯片装卡单元，用于装设微液滴芯片10，微液滴芯片10上构造有沟道11(可以包括检测沟道)，其水平位置由水平驱动电机12调整；光学单元，用于将激光光路与可见光成像光路重合共轴，其包括物镜20，物镜20上连接有电荷耦合器件21(CCD，Charge CoupledDevice)，物镜20的垂直位置由垂直驱动电机22调整，所述电荷耦合器件21用于对所述微液滴芯片10拍摄成像；激光发射源30，其发出的激光经由物镜20射至微液滴芯片10上形成激光光路，其用于对所述沟道11中的微液滴进行荧光激发；白光源40，与物镜20正对设置，其发出的可见光经由微液滴芯片10、物镜20射至电荷耦合器件21上形成可见光成像光路，以使所述微液滴芯片10(含沟道11)能够在所述电荷耦合器件21上形成图像，进而实现通过图像识别的方式对所述沟道11的精准定位；控制单元50，与电荷耦合器件21通讯连接(例如USB端口连接等有线连接方式，亦可以是通过无线传输的方式实现信号传输连接)，以对电荷耦合器件21获取的图像进行计算分析得到调整值，并依据调整值控制水平驱动电机12和/或垂直驱动电机22运转，这里的调整值能够使所述微液滴芯片10的水平位置处于目标位置，能够使所述物镜20处于聚焦高度。该技术方案中，通过设置所述电荷耦合器件21对所述微液滴芯片10的水平位置调整过程中以及所述物镜20的高度位置调整过程中的微液滴芯片10的实时图像进行简单便捷地拍摄获取，获取的图像为数字图像，通过对获取图像进行识别进而直观而准确的对图像上的沟道实现定位、调整，实时获取的图片能够被保存，具有较好的重复性。

根据本发明的实施例，还提供一种微液滴芯片沟道定位方法，其采用上述的微液滴芯片沟道定位装置进行，包括如下步骤：

位置初始化步骤，控制垂直驱动电机22运转驱动物镜20沿垂直方向靠近微液滴芯片10运动至第一高度位置，该步骤使所述物镜20在垂直向上虽然未调整至聚焦的状态，也能够保证所述CCD拍摄的图像上能够分辨出沟道11的大致位置，进而能够极大地提高沟道定位效率，由此可以理解的是，所述第一高度位置也即能够保证所述CCD拍摄的图像上能够分辨出沟道11的对应位置；

沟道水平搜索步骤，控制水平驱动电机12运转驱动微液滴芯片10沿水平方向由物镜20的第一侧运动至第二侧，并获取微液滴芯片10在水平不同位置的第一图像，分析获取的第一图像的第一图像灰度总和。优选地，第一图像的灰度采用自适应阈值分割处理获得二值图像，然后对二值图像进行灰度求和得到第一图像灰度总和。控制水平驱动电机12运转驱动微液滴芯片10运动至第一图像灰度总和的最大值所对应的微液滴芯片10的水平位置，所述第一侧例如图1所示方位的物镜20的右侧，所述第二侧例如图1所述方位的物镜20的左侧，当然根据具体的实施情况，所述第一侧与所述第二侧则可以做相反的认定，也即第一侧为左侧而第二侧为右侧，可以理解的是，该步骤是在物镜20未聚焦状态下进行的，其目的是对沟道11的水平位置进行定位，该步骤中通过第一图像灰度总和的获取，进而利用图像灰度总和与图片清晰度的对应关系，进而使微液滴芯片10的水平位置能够被较为准确的定位，图2中示出了在这一调整步骤中，CCD拍摄的多幅第一图像，各个第一图像左上角上的数字即为对应的采用自适应阈值计算的第一图像灰度总和，具体的，通过对图2的第一图像进行自适应阈值分割获得二值图像(与图3对应)，对二值图像中的灰度进行求和，得到第一图像灰度总和，其数值越大则说明沟道11处于物镜视场中(也即CCD拍摄的图像)的部分越多，具体的，可以看到图2中的第一图像灰度总和由所述水平驱动电机12的初始位置开始随着其驱动的水平位置的不同，依次经过的位置的第一图像的灰度总和分别为0-63-71-31-0-0，这个过程中第三幅第一图像的灰度总和为71最大，说明此水平位置的沟道11的位置处于视场中的部分最多因此最优，此时因此调整微液滴芯片10至71所述对应的水平位置即可；

在将沟道11锁定于物镜视场中后，进行物镜聚焦步骤，控制垂直驱动电机22运转驱动物镜20沿垂直方向靠近微液滴芯片10由第一高度位置运动至第二高度位置，并获取微液滴芯片10在垂直不同位置的第二图像，分析获取的第二图像的第二图像灰度总和，控制垂直驱动电机22运转驱动物镜20运动至第二图像灰度总和的最大值所对应的物镜20的垂直位置，该步骤中，同样采用CCD对位置变动中的微液滴芯片10拍摄图像，这个过程通过第二图像灰度总和对对应的第二图像的清晰度进行评估判断，进而实现物镜的精确聚焦；

沟道水平位置精调步骤，识别与第二图像灰度总和的最大值相对应的第二图像中的沟道实时位置，与沟道目标位置比较得水平调整值，依据水平调整值控制水平驱动电机12运转驱动微液滴芯片10水平运动，该步骤中通过对第二图像中的沟道实时位置进行识别进而与沟道目标位置进行比较得到水平调整值，进而实现沟道11的精准定位，沟道目标位置通过微液滴荧光激发试验标定获得。

该技术方案中，通过对微液滴芯片10的水平位置的两次调整(可以理解为预调与精调)以及物镜20的高度位置的两次调整(可以理解为预调与精调)实现对沟道11的简单便捷的定位，其中的精调步骤采用图像识别的方式实现沟道11的精确定位。

优选地，第一图像的灰度采用自适应阈值分割处理获得，具体的，所述白光源40客观上无法保证对微液滴芯片10完全均一的照射，这将导致视场中灰度分布的不均匀，因此采用一般的阈值方法分割出沟道的明亮边界的效果不够理想，而采用自适应阈值则能够克服这种不足，处理效果较好，且沟道位置更加直观明确，采用了自适应阈值分割处理的图像如图3所示，图3中的各个图像中的亮白色线条大致上示出了视场中沟道11的存在与否与具体所处位置，和/或，第二图像的灰度可采用Brenner梯度函数、Tenengrad梯度函数、Laplacian梯度函数、灰度方差乘积(SMD2)函数等，由于灰度方差乘积方法对图像聚焦过程的图像清晰度变化比较敏感，因此很适合用于判断目标物体是否实现对焦，同时还具有较好的计算性能和图像适应性，因此优选的采用灰度方差乘积函数获得二图像的灰度，具体的，所述灰度方差乘积函数的计算公式如下：

D(f)＝∑_y∑_x|f(x，y)-f(x+1，y)|*|f(x，y)-f(x，y+1)|。

在物镜聚焦步骤中，第二图像灰度总和在物镜20由第一高度位置运动至第二高度位置过程中先增大后减小，具体例如所述垂直驱动电机22从第一高度位置开始，以100个脉冲的步长向上移动12步(不同型号的驱动电机具体采用的控制参数可以合理选择，本发明不做赘述)，确保经过聚焦再离焦的过程。垂直驱动电机22移动过程拍摄的部分图像如图4所示，移动的同时采集图像计算清晰度，最后将垂直驱动电机22移动到已记录拍摄的清晰度最大的图像(例如图4中第一行的第三个图像，对应的第二图像灰度总和为757)的垂直位置。

进一步的，沟道实时位置采用如下方法获得：

对第二图像(例如图4所示出)进行自适应阈值分割处理，获得对应于第二图像的第三图像(例如图5所示出)；确定第三图像中的沟道的边缘水平位置，具体的，第三图像中的沟道的边缘水平位置采用如下方法获得：统计第三图像中每一列像素灰度和，获取像素灰度和超过预设阈值的列对应的水平位置，根据沟道11实际宽度所对应的像素宽度，获得对应于沟道11边缘的实际水平位置，计算获得像素偏移修正量(其能够按照预设比例被转换为所述水平驱动电机12的电机脉冲数)，像素偏移修正量即为水平调整值，例如图7中左侧图像是微液滴芯片10的水平位置为调整之前的状态，其中的沟道11整体偏向于图7所示出方位的左侧，在修正后，形成图7右侧图像，微液滴芯片10被整体向右侧平移以与沟道目标位置相重合。

统计第三图像中每一列像素灰度和之后形成二值图像每一列像素灰度和分布直方图，具体如图6所示出，这种方式能够将沟道边缘的特征突出，使得对识别检测沟道非常有帮助，只需要将邻近的沟道边缘特征融合，就可以获得检测沟道的宽度和中心位置，实现沟道精确定位。

在定位准确度和重复性较好的情况下，采用该方法沟道定位的整个流程不会超过10s，并且对于定位的过程和最后定位的位置都会记录相应的图像，整个流程可十分方便地进行追溯。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微液滴芯片沟道定位装置，其特征在于，包括：

芯片装卡单元，用于装设微液滴芯片(10)，微液滴芯片(10)上构造有沟道(11)，其水平位置由水平驱动电机(12)调整；

光学单元，用于将激光光路与可见光成像光路重合共轴，其包括物镜(20)，物镜(20)上连接有电荷耦合器件(21)，物镜(20)的垂直位置由垂直驱动电机(22)调整；

激光发射源(30)，其发出的激光经由物镜(20)射至微液滴芯片(10)上形成激光光路；

白光源(40)，与物镜(20)正对设置，其发出的可见光经由微液滴芯片(10)、物镜(20)射至电荷耦合器件(21)上形成可见光成像光路；

控制单元(50)，与电荷耦合器件(21)通讯连接，以对电荷耦合器件(21)获取的图像进行计算分析得到调整值，并依据调整值控制水平驱动电机(12)和/或垂直驱动电机(22)运转。

2.一种微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

位置初始化步骤，控制垂直驱动电机(22)运转驱动物镜(20)沿垂直方向靠近微液滴芯片(10)运动至第一高度位置；

沟道水平搜索步骤，控制水平驱动电机(12)运转驱动微液滴芯片(10)沿水平方向由物镜(20)的第一侧运动至第二侧，并获取微液滴芯片(10)在水平不同位置的第一图像，分析获取的第一图像的第一图像灰度总和，控制水平驱动电机(12)运转驱动微液滴芯片(10)运动至第一图像灰度总和的最大值所对应的微液滴芯片(10)的水平位置；

物镜聚焦步骤，控制垂直驱动电机(22)运转驱动物镜(20)沿垂直方向靠近微液滴芯片(10)由第一高度位置运动至第二高度位置，并获取微液滴芯片(10)在垂直不同位置的第二图像，分析获取的第二图像的第二图像灰度总和，控制垂直驱动电机(22)运转驱动物镜(20)运动至第二图像灰度总和的最大值所对应的物镜(20)的垂直位置；

沟道水平位置精调步骤，识别与第二图像灰度总和的最大值相对应的第二图像中的沟道实时位置，与沟道目标位置比较得水平调整值，依据水平调整值控制水平驱动电机(12)运转驱动微液滴芯片(10)水平运动。

3.根据权利要求2的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

第一图像的灰度采用自适应阈值分割处理获得，和/或，第二图像的灰度采用灰度方差乘积函数获得。

4.根据权利要求2的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

在物镜聚焦步骤中，第二图像灰度总和在物镜(20)由第一高度位置运动至第二高度位置过程中先增大后减小。

5.根据权利要求2的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

沟道目标位置通过微液滴荧光激发试验标定获得。

6.根据权利要求2的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

沟道实时位置采用如下方法获得：

对第二图像进行自适应阈值分割处理，获得对应于第二图像的第三图像；

确定第三图像中的沟道的边缘水平位置。

7.根据权利要求6的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

第三图像中的沟道的边缘水平位置采用如下方法获得：

统计第三图像中每一列像素灰度和，获取像素灰度和超过预设阈值的列对应的水平位置，根据沟道(11)实际宽度所对应的像素宽度，获得对应于沟道(11)边缘的实际水平位置，计算获得像素偏移修正量，像素偏移修正量即为水平调整值。

8.根据权利要求7的微液滴芯片沟道定位方法，其特征在于，

统计第三图像中每一列像素灰度和之后形成二值图像每一列像素灰度和分布直方图。

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