CN114693594A - 一种pcr仪器及其图像处理方法 - Google Patents

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胡立磊
周琳
汪凯
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Abstract

本发明提供一种PCR仪器及其图像处理方法，该方法包括以下步骤：接收开始抓取图像指令，连续取得M帧图像，其中，M≥4，且M为整数；丢弃前N帧图像，其中，1＜N＜M‑1，且N为整数；分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值；若第N+1帧图像至第M帧图像中任意两帧图像均满足|Gi‑Gj|<d，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取其中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像，其中，Gi为第i帧图像有效区域的平均灰度值，Gj为第j帧图像有效区域的平均灰度值，d为预设值，N+1≤i≤M，N+1≤j≤M，i≠j。通过本发明的PCR仪器及其图像处理方法取得的最优帧能更准确地反映PCR反应的产物量，有利于提高PCR仪器的信噪比。

Description

一种PCR仪器及其图像处理方法
技术领域
本发明属于基因检测技术领域，涉及一种PCR仪器及其图像处理方法。
背景技术
聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，简称PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。
实时荧光定量PCR技术是一种在PCR反应体系中加入荧光基团，利用荧光信号积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。实时荧光定量PCR技术有效地解决了传统定量只能终点检测的局限，实现了每一轮循环均检测一次荧光信号的强度，并记录在软件之中，通过对每个样品Ct值的计算，根据标准曲线获得定量结果。其中，Ct值(Cycle threshold，循环阈值)是指每个反应管内的荧光信号到达设定阈值时所经历的循环数。
PCR仪器通常包括光学激发单元及荧光采集单元，在检测过程中，光学激发单元产生激发光，并通过LED透镜直接照射样品，样品被激发后产生的荧光信号通过滤光片和透镜抵达荧光采集单元(例如CCD摄像机)，软件抓取图像进行处理分析。其中，软件抓取图像的机制对仪器的信噪比有着重要影响。
因此，如何提供一种PCR仪器及其图像处理方法，以提高仪器的信噪比，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种PCR仪器及其图像处理方法，用于解决现有技术中PCR仪器信噪比低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种PCR仪器的图像处理方法，包括以下步骤：
接收开始抓取图像指令，连续取得M帧图像，其中，M≥4，且M为整数；
丢弃前N帧图像，其中，1＜N＜M-1，且N为整数；
分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值；
若第N+1帧图像至第M帧图像中任意两帧图像均满足|Gi-Gj|<d，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取第N+1帧图像至第M帧图像中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像，其中，Gi为第i帧图像有效区域的平均灰度值，Gj为第j帧图像有效区域的平均灰度值，d为预设值，N+1≤i≤M，N+1≤j≤M，i≠j。
可选地，M≤20。
可选地，M为偶数，N＝M/2。
可选地，对于每一个PCR循环，执行两次所述图像处理方法，得到两幅最优帧图像。
可选地，采用光源照射样品以激发荧光反应，抓取第一帧图像的时间点晚于所述光源的开启时间点，抓取第M帧图像的时间点早于所述光源的关闭时间点。
可选地，对于每一个PCR循环，依次采用第一光源与第二光源照射样品以激发荧光反应，两幅所述最优帧图像分别对应所述第一光源与所述第二光源激发出的荧光反应。
可选地，所述第一光源包括蓝光LED，所述第二光源包括黄光LED，所述蓝光的波长范围是450nm-490nm，所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
可选地，在一个PCR循环中，所述第二光源的开启时间点晚于所述第一光源的关闭时间点。
可选地，采用连续拍照或视频流的方式采集样品的荧光信号以形成多帧图像。
本发明还提供一种PCR仪器，包括：
光学激发单元，用于出射激发光于样品表面；
PCR荧光采集单元，用于采集来自所述样品的荧光信号并生成图像；
处理器，与所述光学激发单元及所述PCR荧光采集单元相连；
可读存储介质，与所述处理器相连，所述可读存储介质中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项所述的PCR仪器的图像处理方法。
如上所述，本发明的PCR仪器及其图像处理方法连续抓取M帧图像，并丢弃前N帧图像，分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值，第N+1帧图像至第M帧图像中任意两帧图像均满足平均灰度值的差值的绝对值小于预设值，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取第N+1帧图像至第M帧图像中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像。通过该机制取得的最优帧能更准确地反映PCR反应的产物量，有利于提高PCR仪器的信噪比。
附图说明
图1显示为本发明的PCR仪器的图像处理方法的流程图。
图2显示为本发明的PCR仪器的结构框图。
元件标号说明
S1～S4 步骤
1 光学激发单元
2 PCR荧光采集单元
3 处理器
4 可读存储介质
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种PCR仪器的图像处理方法，请参阅图1，显示为该方法的流程图，包括以下步骤：
S1：接收开始抓取图像指令，连续取得M帧图像，其中，M≥4，且M为整数；
S2：丢弃前N帧图像，其中，1＜N＜M-1，且N为整数；
S3：分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值；
S4：若|Gi-Gj|<d，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取第N+1帧图像至第M帧图像中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像，其中，Gi为第i帧图像有效区域的平均灰度值，Gj为第j帧图像有效区域的平均灰度值，d为预设值，N+1≤i≤M，N+1≤j≤M，i≠j。
作为示例，采用连续拍照或视频流的方式采集样品的荧光信号以形成多帧图像。
具体的，连续抓取图像的帧数M可根据成像相机的性能来确定，一方面，连续抓取图像的次数越多，获得的数据也就越多，但在一定时间内抓取图像的次数越多，则每一帧图像的曝光时间也将越短，灰度值将越低，因此，需要在成像次数与成像质量之间取得一个平衡，其中，性能越好的相机，可以在满足成像质量的同时实现更多成像次数。
作为示例，连续抓取图像的帧数M满足：4≤M≤20。
具体的，采用光源照射样品以激发荧光反应，抓取第一帧图像的时间点晚于所述光源的开启时间点，抓取第M帧图像的时间点早于所述光源的关闭时间点。
具体的，丢弃前N帧图像是因为前N帧图像的质量可能较差，其中一个影响因素是光源的稳定性。由于荧光反应是由光源激发，光源在开启之后，需要经过一段时间才能达到稳定状态，而前N帧图像可能是在光源达到稳定前抓取。
作为示例，对于每一个PCR循环，执行两次所述图像处理方法，得到两幅最优帧图像。本实施例中，对于每一个PCR循环，依次采用第一光源与第二光源照射样品以激发荧光反应，两幅所述最优帧图像分别对应所述第一光源与所述第二光源激发出的荧光反应，得到双通道数据。
作为示例，所述第一光源包括蓝光LED，所述第二光源包括黄光LED，所述蓝光的波长范围是450nm-490nm，所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
作为示例，在一个PCR循环中，所述第二光源的开启时间点晚于所述第一光源的关闭时间点。
需要指出的是，虽然两个光源交替工作并间隔一定时间，但相机返回的帧图像，每一帧都需要达到所设的曝光度时间，在两个光源交替工作时，成像相机按照一定的时序连续抓取图像，对于每一次连续抓取的M帧图像，前N帧图像中可能包含存在相互干扰的帧图像，因此，相机时序和两种光源交替导致相互干扰构成导致前N帧图像的质量可能较差的另一个影响因素。
作为示例，M为偶数，N＝M/2，也就是丢弃前一半图像。
具体的，在计算图像有效区域的平均灰度值时，所谓有效区域对应于PCR反应的区域，例如反应管所在区域。为了表述的方便，以下所述平均灰度值均指图像有效区域的平均灰度值。
本实施例中，M以4为例，N为2为例，也就是说是，本实施例中接收开始抓取图像指令之后，连续取得4帧图像，并丢弃第1、2帧图像，分别处理并计算第3、4帧图像有效区域的平均灰度值。
作为示例，所述预设值d可基于N+1帧图像至第M帧图像中其中一帧图像的平均灰度值来设定，例如设定d为其中一帧图像的平均灰度值的10％或其它比例，当第N+1帧图像至第M帧图像中存在两帧图像的平均灰度值的差值的绝对值大于所述预设值d，说明偏差过大，存在质量较差的图像帧。
本实施例中，如果第3、4两帧平均灰度值相差小于预设值，将第3、4两帧平均成一帧为最优帧，反之，取平均灰度值较大的为最优帧。
需要指出的是，对于M＝4，N＝2，且第3、4两帧平均灰度值相差大于预设值的情形，最优帧通常为第3帧，而第4帧为质量较差的图像帧。这是因为第4帧作为最后一帧，虽然开始抓取图像的时间点早于光源关闭的时间点，但可能在曝光时间尚未结束时，光源就开始变暗或完全熄灭，导致该帧图像的灰度值下降，质量变差。
可见，本实施例的PCR仪器的图像处理方法选取的最优帧图像避开了光源的不稳定阶段、两种光源交替导致的相互干扰阶段以及光源变暗阶段，最优帧的图像质量较高，能更准确地反映PCR反应的产物量，有利于提高仪器的信噪比。
实施例二
本实施例中提供一种PCR仪器，请参阅图2，显示为该PCR仪器的结构框图，包括光学激发单元1、PCR荧光采集单元2、处理器3及可读存储介质4，其中，所述光学激发单元1用于出射激发光于样品表面，所述PCR荧光采集单元2用于采集来自所述样品的荧光信号并生成图像，所述处理器3与所述光学激发单元1及所述PCR荧光采集单元2相连，所述可读存储介质4与所述处理器3相连，所述可读存储介质4中存储有可在所述处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3在执行所述计算机程序时实现如实施例一中所述的PCR仪器的图像处理方法。
作为示例，所述光学激发单元1包括蓝光LED组件及黄光LED组件，所述蓝光LED组件包括蓝光LED灯及设于所述蓝光LED灯出光面前方的蓝光准直部件，所述黄光LED组件包括黄光LED灯及设于所述黄光LED灯出光面前方的黄光准直部件，所述蓝光准直部件及所述黄光准直部件可采用准直透镜、反光杯等，所述蓝光准直部件及所述黄光准直部件前方可均设有滤波片。
作为示例，所述PCR荧光采集单元2包括但不限于CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机、CMOS相机、光电倍增管及雪崩光电二极管(英文全称Avalanche PhotoDiode，简称APD)，其中，所述光电倍增管可以是硅光电倍增管(英文全称Siliconphotomultiplier，简称SiPM)。
作为示例，所述PCR仪器还可包括显示器，所述显示器与所述处理器3相连，用于显示荧光图像数据、PCR曲线等，并可显示操作界面。
综上所述，本发明的PCR仪器及其图像处理方法连续抓取M帧图像，并丢弃前N帧图像，分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值，若第N+1帧图像至第M帧图像中任意两帧图像均满足平均灰度值的差值的绝对值小于预设值，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取第N+1帧图像至第M帧图像中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像。通过该机制取得的最优帧能更准确地反映PCR反应的产物量，有利于提高PCR仪器的信噪比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种PCR仪器的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收开始抓取图像指令，连续取得M帧图像，其中，M≥4，且M为整数；
丢弃前N帧图像，其中，1＜N＜M-1，且N为整数；
分别计算第N+1帧图像至第M帧图像有效区域的平均灰度值；
若第N+1帧图像至第M帧图像中任意两帧图像均满足|Gi-Gj|<d，则将第N+1帧图像至第M帧图像的平均灰度值取平均，得到一帧最优帧图像，反之，取第N+1帧图像至第M帧图像中平均灰度值最大的一帧图像作为最优帧图像，其中，Gi为第i帧图像有效区域的平均灰度值，Gj为第j帧图像有效区域的平均灰度值，d为预设值，N+1≤i≤M，N+1≤j≤M，i≠j。
2.根据权利要求1所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：M≤20。
3.根据权利要求1所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：M为偶数，N＝M/2。
4.根据权利要求1所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：对于每一个PCR循环，执行两次所述图像处理方法，得到两幅最优帧图像。
5.根据权利要求1所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：采用光源照射样品以激发荧光反应，抓取第一帧图像的时间点晚于所述光源的开启时间点，抓取第M帧图像的时间点早于所述光源的关闭时间点。
6.根据权利要求5所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：对于每一个PCR循环，依次采用第一光源与第二光源照射样品以激发荧光反应，两幅所述最优帧图像分别对应所述第一光源与所述第二光源激发出的荧光反应。
7.根据权利要求6所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：所述第一光源包括蓝光LED，所述第二光源包括黄光LED，所述蓝光的波长范围是450nm-490nm，所述黄光的波长范围是555nm-585nm。
8.根据权利要求6所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：在一个PCR循环中，所述第二光源的开启时间点晚于所述第一光源的关闭时间点。
9.根据权利要求1所述的PCR仪器的图像处理方法，其特征在于：采用连续拍照或视频流的方式采集样品的荧光信号以形成多帧图像。
10.一种PCR仪器，其特征在于，包括：
光学激发单元，用于出射激发光于样品表面；
PCR荧光采集单元，用于采集来自所述样品的荧光信号并生成图像；
处理器，与所述光学激发单元及所述PCR荧光采集单元相连；
可读存储介质，与所述处理器相连，所述可读存储介质中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项所述的PCR仪器的图像处理方法。
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