CN115541553B - 一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统，涉及生物信息检测技术领域，激光器发出的宽光谱脉冲激光被光波导传输并聚焦至所述检测区域，标记的被测物在所述检测区域受激光器发出的宽光谱脉冲激光照射后产生荧光信号，荧光光谱仪与光波导的输出端相耦合，荧光信号耦合进入荧光光谱仪；荧光光谱仪分别连接所述数字处理器和激光器，数字处理器将处理信号输出至所述电气控制部，电气控制部连接并控制激光器；荧光图像传感器与荧光光谱仪耦合，用于对荧光信号进行合成，生成荧光光谱曲线；荧光图像传感器连接计算系统，计算系统连接激光器，计算系统用于对荧光光谱曲线进行提取及分析，从而获得待测样品的生物特征信息。
Description
技术领域
本发明涉及生物信息检测技术领域，具体涉及一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统。
背景技术
随着生命科学研究的深入，人们现在已经知道特定生物功能的异常都是由生物体中某些基因异常表达或表达产物的异常修饰引起的。这些基因称为该生物功能的相关基因。为此，人类就开始了基因组计划，目前已有许多生物基因组(例如，酵母、人、水稻、鸡、鼠等)测序完成。测序结果表明微生物的基因组由几个到几千个不等的基因组成；人的基因组有25000多个基因，动物与人相当，而植物则甚至可达十几万个。
伴随着基因组计划的进行，许多高通量分析技术随之出现，例如，芯片技术、基因表达系列分析SAGE、抑制消减杂交等。这些高通量分析技术的共同特点是它们能同时测定生物体大量的基因甚至是全基因组(一般是几千到几万个基因)在具有特定生物功能变化(例如某种疾病)的研究对象中与参照物(例如，健康个体)的差异表达情况。与该生物功能相关的基因应该就在这些差异表达基因当中。
随着生物信息学蓬勃发展，己经产生了众多可以应用于实际领域的分支，药物设计、基因芯片设计均为以生物信息学为理论基础的而建立的新兴学科，具体可对多个符号序列进行对比，分析它们之间的相似性或不相似性；对多个蛋白质分子结构进行比对，比较相异的蛋白质结构；基因识别分析，对于任意一个给定的基因组序列，通过基因识别分析方法来识别、确定基因所在的范围或位置。
在生物信息学中，数据库技术是最基本的技术，生物信息的储存、管理、查询等功能是建立在数据库管理系统之上。运用多种方法对同一样品进行检测，并将数据综合进行分析，可以得到生物基因组组成的更丰富的信息，但是，现有技术的生物特征信息提取手段不但费时费力，而且在数据处理的过程中容易引入误差。因此，发展一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统，具有重要的意义。
现有技术中，例如专利文献CN108885173A提供了用于利用时间分辨光谱法进行体内或离体实时表征生物样品的装置、系统和方法。光源生成光脉冲或连续光波并激发该生物样品，从而诱导响应荧光信号。多路信号分离器将该信号分解成光谱带，并向该光谱带施加时间延迟，以便利用检测器从来自单次激发脉冲的多个光谱带来捕获数据。通过对该光谱带的荧光强度大小和/或衰减进行分析而表征该生物样品。该样品可包含一种或多种外源或内源的荧光团。该系统可将荧光光谱法与其他光学光谱法或成像模式相结合，该光脉冲可聚焦在单个焦点处或在整个区域上进行扫描或图案化，但是该技术方案的生物特征信息提取手段仍费时费力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统，包括：激光器，光波导，荧光光谱仪，荧光图像传感器，数字处理器，计算系统和电气控制部；
所述激光器耦合光波导，所述光波导中段的内部设置有检测区域，所述激光器发出的宽光谱脉冲激光被光波导传输并聚焦至所述检测区域，标记的被测物在所述检测区域受所述激光器发出的宽光谱脉冲激光照射后产生荧光信号，所述荧光光谱仪与光波导的输出端相耦合，荧光信号耦合进入荧光光谱仪；
所述荧光光谱仪分别连接所述数字处理器和激光器，所述数字处理器将处理信号输出至所述电气控制部，所述电气控制部连接并控制所述激光器；
所述荧光图像传感器与荧光光谱仪耦合，用于对荧光信号进行合成，生成荧光光谱曲线；所述荧光图像传感器连接所述计算系统，计算系统连接所述激光器，计算系统用于对所述荧光光谱曲线进行提取及分析，从而获得待测样品的生物特征信息。
进一步地，所述计算系统对所述荧光光谱曲线进行提取及分析的具体过程如下：
激光器在标记的被测物的位置rs处和时间t时的频率范围为
的激光激发而产生的时域荧光光强
由下式给出：
其中
是灵敏度函数，
代表脉冲激光频率
能够激发出的荧光物质所具有的生物特征参数，
为脉冲激光频率
能够激发出的荧光的衰减时间,S为检测区域C的表面积；
样品特征值A由总采集时间P内累积时域荧光光强
中包含的多个衰变的荧光光谱峰值
按照强度权重
计算而成：
将所述样品特征值A输入到特征数据库，并将对照结果输出送至用户终端，从而获得待测样品的生物特征信息。
进一步地，所述灵敏度函数W代表荧光频率
和激光器发射的脉冲激光频率
下的背景光学特性，表示为：
进一步地，所述荧光光谱仪包括：荧光信号探测模块、第一光电倍增管、第一调制解调器、第二光电倍增管、第二调制解调器和电压幅度变换器；
所述荧光信号探测模块用于对标记的被测物在检测区域受脉冲激光照射后产生的荧光信号进行探测，输出携带荧光波长信息的光谱信号；
所述荧光信号探测模块分别连接有第一光电倍增管和第二光电倍增管；所述第一光电倍增管用于探测携带荧光波长信息的光谱信号，并将所述光谱信号转换成对应光子信息的第一脉冲电信号，同时将第一脉冲电信号传输给第一调制解调器；
所述第二光电倍增管用于探测激光器输出的脉冲激光来产生对应光子信息的第二脉冲电信号并作为参考脉冲信号传输给第二调制解调器；
所述电压幅度变换器分别连接第二调制解调器和第一调制解调器，用于将所述第一脉冲电信号和所述第二脉冲电信号到达的时间分别转换为相应的电压值，并将电压值发送至所述数字处理器；
所述数字处理器用于计算两个脉冲电信号的电压差值，并将电压差值传送至电气控制部，所述电气控制部控制激光器构建最佳脉冲激光发射宽光谱。
进一步地，所述荧光图像传感器按设置好的单帧曝光时间Em、采样周期
以及总采集时间P进行时域分辨高速连续曝光，将由宽光谱脉冲激光激发的随时间衰减的
个荧光光谱信号记录并合成为一个总采集时间的荧光光谱曲线，并送至所述计算系统。
进一步地，所述检测区域的两端连接有混合入口和样品出口；待测样品通过样品上入口流入，标记物通过样品下入口流入，二者混合后形成标记的被测物从所述混合入口流入检测区域，并从样品出口流出。
进一步地，所述第一调制解调器用于调整第一脉冲电信号以避免信号抖动引起的误差；所述第二调制解调器用于调整所述第二脉冲电信号避免信号抖动引起的误差。
相比于现有技术，本申请具有如下有益技术效果：
荧光图像传感器与荧光光谱仪耦合，用于对荧光信号进行合成，生成荧光光谱曲线；电气控制部进行单位时间内光子信息的统计来构建出最佳脉冲激光发射光谱，以得到最佳信噪比的荧光光谱，提高了生物特征信息提取的精度。荧光图像传感器连接所述计算系统，计算系统连接所述激光器，计算系统用于对所述荧光光谱曲线进行提取及分析，激光器在标记的被测物的位置rs处和时间t时的频率范围为
的激光激发而产生的时域荧光光强，样品特征值由总采集时间内累积时域荧光光强中包含的多个衰变的荧光光谱峰值按照强度权重计算而成，将所述样品特征值输入到特征数据库，并将对照结果输出送至用户终端，从而获得待测样品的生物特征信息，提取手段更加省时省力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统的结构示意图；
图2为本发明的荧光光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统的结构示意图，该集成系统包括：激光器1，样品上入口A，样品下入口D，混合入口G，样品出口B，光波导20，荧光光谱仪11，荧光图像传感器12，数字处理器15，计算系统16和电气控制部10。
激光器1耦合光波导20，光波导20中段的内部设置有检测区域C，检测区域C的两端连接有混合入口G，样品出口B。
激光器1发出的宽光谱脉冲激光被光波导传输并聚焦至检测区域C，待测样品通过样品上入口A流入，标记物通过样品下入口D流入，二者混合后形成标记的被测物从混合入口G流入检测区域C，并从样品出口B流出。
标记的被测物在检测区域C受脉冲激光照射后产生荧光信号，荧光光谱仪11与光波导20的输出端相耦合，荧光信号耦合进入荧光光谱仪11，荧光光谱仪11分别连接数字处理器15和激光器1，数字处理器15将处理信号输出至电气控制部10，用于控制激光器1。
荧光图像传感器12与荧光光谱仪11耦合，对荧光信号进行光电转换；荧光图像传感器12将采集到的荧光光谱信号传送到计算系统16；计算系统16根据荧光光谱信号及激光器发出的脉冲激光的光谱信息计算该标记的被测物的总强度。
如图2所示，为本发明的荧光光谱仪的结构示意图，荧光光谱仪11包括：荧光信号探测模块121，第一光电倍增管122，第一调制解调器123，第二光电倍增管124，第二调制解调器125和电压幅度变换器126。
荧光信号探测模块121用于对标记的被测物在检测区域C受脉冲激光照射后产生荧光信号进行探测，输出携带荧光波长信息的光谱信号。
荧光信号探测模块121分别连接有第一光电倍增管122和第二光电倍增管124；第一光电倍增管122用于探测携带荧光波长信息的光谱信号，并将所述光谱信号转换成对应光子信息的第一脉冲电信号，同时将第一脉冲电信号传输给第一调制解调器123；第一调制解调器123，用于调整第一脉冲电信号以避免信号抖动引起的误差。
第二光电倍增管124，用于探测激光器1输出的脉冲激光来产生对应光子信息的第二脉冲电信号并作为参考脉冲信号。第二调制解调器125，用于调整所述第二脉冲电信号避免信号抖动引起的误差。
电压幅度变换器126分别连接第二调制解调器125和第一调制解调器123，用于将所述第一脉冲电信号和所述第二脉冲电信号到达的时间分别转换为相应的电压值，并将电压值发送至数字处理器15。
数字处理器15用于计算两个脉冲电信号的电压差值，并将电压差值传送至电气控制部10，所述电气控制部10进行单位时间内光子信息的统计来构建出最佳脉冲激光发射光谱，以得到最佳信噪比的荧光光谱。
荧光光谱仪11中的荧光信号探测模块121将荧光信号投射到荧光图像传感器12进行光电转换；荧光图像传感器12中有可调曝光时间的高速连续快门，以固定的时域采样间隔
进行时域分辨高速连续曝光，将随时间衰减的多个荧光光谱记录下来以供后续分析。
电气控制部10接收荧光图像传感器12的荧光信号探测模块121输出的时域分辨荧光光谱信息,并构建对应生物信息的光谱数据库，进行分析与分类鉴别，实现数据库的查询和远程传输。
激光器1发出的脉冲激光扩束聚焦至检测区域C，产生的荧光信号耦合进入荧光光谱仪11，到荧光图像传感器12进行光电转换；荧光图像传感器12将采集到的光谱信号传送到电气控制部10；电气控制部10计算该光谱信号的样品特征值A，通过查询特征数据库从而提取样品的生物特征信息。
在优选实施例中，荧光图像传感器12可工作于连续多帧采集模式；荧光图像传感器12按设置好的单帧曝光时间Em、时域采样间隔
以及总采集时间P进行时域分辨高速连续曝光，将由宽光谱脉冲激光激发的随时间衰减的
个荧光光谱信号记录并合成为一个总采集时间的荧光光谱曲线，并送至计算系统16。
本荧光图像传感器12使用的荧光寿命成像技术，可以对分子所处微环境中的许多生物物理、生物化学参数等的分布, 进行定量测量，同时可以获得分子状态以及空间分布的信息，通过荧光寿命来进行成像。根据所测得的样品中各点的荧光强度随时间衰减曲线的图像来拟合分析并计算荧光寿命值，荧光寿命是时间分辨荧光光谱技术的基础，荧光物质的荧光寿命与自身的结构、所处微环境的极性、粘度等条件有关，荧光寿命的测量一般来说是绝对的，因此通过荧光寿命测定可以更直接更准确地用来判断生物特征信息。
由于荧光光谱曲线可揭示样品中荧光团的组成和分布，计算系统16对该荧光光谱曲线进行提取及分析，对照特征数据库，并将对照结果通过无线网络收发器输出送至用户终端。其中特征数据库嵌入了由样品特征值A描述的样品特征库。
荧光信号的强度会随时间而减弱，样品的荧光强度降到激发时的荧光最大强度I0的1/e所需要的时间，称为荧光寿命，用τ表示。激发后样品荧光强度的脉冲响应方程用数学式表达为：
I(t)是标记的被测物受到光脉冲激发后 t时刻测量得到的荧光强度，I0是 t =0时的荧光强度，
为平均荧光寿命。
为了通过测量得到
，荧光图像传感器12对荧光信号进行成像，荧光信号脉冲沿着特定方向经由狭缝进入荧光图像传感器，不同帧的光脉冲经过狭缝轰击光电阴极，产生的电子在高压电场的作用下发生偏转，通过荧光图像传感器12中的可调曝光时间的高速连续快门，以固定的时域采样间隔
进行时域分辨高速连续曝光，不同时间（不同帧）到达的光子在探测器上的投射位置就会不同，将随时间衰减的多个荧光强度记录下来以供后续分析。
计算系统16对该荧光光谱曲线进行提取及分析的具体过程如下：
激光器在标记的被测物的位置rs处和时间t时的频率范围为
的激光激发而产生的时域荧光光强
由下式给出：
其中
代表脉冲激光频率
能够激发出荧光物质所具有的生物特征参数，
为脉冲激光频率
能够激发出荧光的衰减时间,S为检测区域C的表面积，标记的被测物填充整个检测区域C。
W是灵敏度函数，代表荧光频率
和激光器发射的脉冲激光频率
下的背景光学特性，因此，图2中的荧光图像传感器12还连接有激光器1，用于获得激光器发射的脉冲激光波长，W可表示为：
样品特征值A由总采集时间P内累积时域荧光光强
中包含的多个衰变的荧光光谱峰值
按照强度权重
计算而成：
将所测得的样品特征值A输入到特征数据库，并将对照结果通过无线网络收发器输出送至用户终端，从而获得待测样品的生物特征信息。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于生物特征信息提取的输入和输出集成系统，其特征在于，包括：激光器，光波导，荧光光谱仪，荧光图像传感器，数字处理器，计算系统和电气控制部；
所述激光器耦合光波导，所述光波导中段的内部设置有检测区域，所述激光器发出的宽光谱脉冲激光被光波导传输并聚焦至所述检测区域，标记的被测物在所述检测区域受所述激光器发出的宽光谱脉冲激光照射后产生荧光信号，所述荧光光谱仪与光波导的输出端相耦合，荧光信号耦合进入荧光光谱仪；
所述荧光光谱仪分别连接所述数字处理器和激光器，所述数字处理器将处理信号输出至所述电气控制部，所述电气控制部连接并控制所述激光器；
所述荧光图像传感器与荧光光谱仪耦合，用于对荧光信号进行合成，生成荧光光谱曲线；所述荧光图像传感器连接所述计算系统，计算系统连接所述激光器，计算系统用于对所述荧光光谱曲线进行提取及分析，从而获得待测样品的生物特征信息；
所述计算系统对所述荧光光谱曲线进行提取及分析的具体过程如下：
激光器在标记的被测物的位置rs处和时间t时的频率范围为
的激光激发而产生的时域荧光光强
由下式给出：
其中
是灵敏度函数，
代表脉冲激光频率
能够激发出的荧光物质所具有的生物特征参数，
为脉冲激光频率
能够激发出的荧光的衰减时间,S为检测区域C的表面积；
样品特征值A由总采集时间P内累积时域荧光光强
中包含的多个衰变的荧光光谱峰值
按照强度权重
计算而成：
将所述样品特征值A输入到特征数据库，并将对照结果输出送至用户终端，从而获得待测样品的生物特征信息。
2.根据权利要求1所述的输入和输出集成系统，其特征在于，所述灵敏度函数W代表荧光频率
和激光器发射的脉冲激光频率
下的背景光学特性，表示为：
3.根据权利要求1所述的输入和输出集成系统，其特征在于，所述荧光光谱仪包括：荧光信号探测模块、第一光电倍增管、第一调制解调器、第二光电倍增管、第二调制解调器和电压幅度变换器；
所述荧光信号探测模块用于对标记的被测物在检测区域受脉冲激光照射后产生的荧光信号进行探测，输出携带荧光波长信息的光谱信号；
所述荧光信号探测模块分别连接有第一光电倍增管和第二光电倍增管；所述第一光电倍增管用于探测携带荧光波长信息的光谱信号，并将所述光谱信号转换成对应光子信息的第一脉冲电信号，同时将第一脉冲电信号传输给第一调制解调器；
所述第二光电倍增管用于探测激光器输出的脉冲激光来产生对应光子信息的第二脉冲电信号并作为参考脉冲信号传输给第二调制解调器；
所述电压幅度变换器分别连接第二调制解调器和第一调制解调器，用于将所述第一脉冲电信号和所述第二脉冲电信号到达的时间分别转换为相应的电压值，并将电压值发送至所述数字处理器；
所述数字处理器用于计算两个脉冲电信号的电压差值，并将电压差值传送至电气控制部，所述电气控制部控制激光器构建最佳脉冲激光发射宽光谱。
4.根据权利要求1所述的输入和输出集成系统，其特征在于，所述荧光图像传感器按设置好的单帧曝光时间Em、采样周期
以及总采集时间P进行时域分辨高速连续曝光，将由宽光谱脉冲激光激发的随时间衰减的
个荧光光谱信号记录并合成为一个总采集时间的荧光光谱曲线，并送至所述计算系统。
5.根据权利要求1所述的输入和输出集成系统，其特征在于，所述检测区域的两端连接有混合入口和样品出口；待测样品通过样品上入口流入，标记物通过样品下入口流入，二者混合后形成标记的被测物从所述混合入口流入检测区域，并从样品出口流出。
6.根据权利要求3所述的输入和输出集成系统，其特征在于，所述第一调制解调器用于调整第一脉冲电信号以避免信号抖动引起的误差；所述第二调制解调器用于调整所述第二脉冲电信号避免信号抖动引起的误差。
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