CN1282929A - 分子生物学图像分析系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是分子生物学图像分析系统及其分析方法,即将分子生物学技术与计算机技术相结合,研制出多媒体分子生物学图像分析系统。以往这些片段的分析都凭人眼目测,欠客观性,目测的人为因素造成的误差大,且难以保存实验结果的原始图像。本发明将实验获得图像直接进入摄像机或扫描仪到达图像采集板,用本发明的分析方法,编制成计算机软件,配在本发明系统的计算机中,即能对生物大分子电泳图像进行分子量测定和密度分析。

Description

分子生物学图像分析系统及其方法

本发明是分子生物学计算机图像分析系统及其分析方法，该分析方法以软件方式实现。

分子生物学是研究生物大分子结构与功能的一门学科，而分子的大小，密度，含量及图像比较分析是分子生物学研究的重要内容，如对基因密码DNA进行限制性内切酶解片断长度多态性分析和聚合酶链反应对DNA分子上的基因不同长度的特征性片段进行扩增分析，蛋白质和DNA，RNA分子，多糖分子及其它生物大分子经凝胶电泳和荧光染色或其它方法染色后，在紫外透射分析仪和其他光谱下可显示出不同图像位置格局和密度，是生物学科研工作和临床疾病诊断的重要依据。以往对这些不同分子的分析主要是凭人眼目测，欠客观性，人为因素所造成的误差较大，且难以保存这些结果的原始图像。

本发明的目的是设计出研究分子生物学结构机功能的计算和图像分析系统。

本发明的目的是研究出一种用于分子生物学图像分析系统的分析方法。

本发明的分子生物学图像分析系统，(Biocomput Anasis简称BCA)，由图像采集和计算机两大部分组成，图像采集包括紫外透射分析仪与摄像机连接，摄像机连接图像采集板，图像采集板一端连接显示器，另端连接计算机，最后与打印机连接。

本系统的图像采集也可以从照片或底片(8)通过扫描仪获得，然后到达图像采集板，进入计算机通过分析软件获得分析结果，显示器显示分析结果，最后打印，本发明系统中计算机处理图像用专用软件处理，该软件方法描述如下。

分析方法包括图像管理，图像处理，电泳分析和附加工具几部分组成。

图像管理包括图像获取，图像预处理，图像保存和登记，图像查询。

图像获取有三种方式，一种是已存在磁盘上的图像文件，可直接按文件所在的路径调入；一种是计算机通过CCD实时获取图像，一种是通过扫描仪获得。图像预处理包括对图像进行剪切，粘贴，复制等。图像保存与图像登记是将图像按一定的路径保存在磁盘上，并对所保存的图像进行登记，登记的内容包括图像标题名，实验人姓名，实验日期，实验内容摘要等，以便以后查询、图像查询：针对众多的实验记录，本方法设置了图像查询模块，按其满足查询条件中任一项内容(图像标题名，实验人姓名，实验日期)即可查出在册图像的相关记录。帮助主题：本方法对所涉及到的图像处理功能提供在线帮助。图像可以打印，即打印实验所得的数据、图表，可分别打印或以报告形式打印出来。

基本图像处理功能是对图像的灰阶转换，柔化，锐化，扩散，反色，霓虹，图像过滤器，256级灰阶分析，RGB／明暗调节，画面旋转(任意角度)等，本方法还可以与其它常用软件(如WORD，EXCEL等)交互使用，以使软件具有更广泛的应用性。转换灰阶是本功能中的一个重要的图像处理功能，因为电泳定量分析是针对图像灰度进行的，因此，当所获得的原始图像是彩色时，需在电泳图像分析前将其转换为灰度图像。

电泳分析是本发明方法的核心，本发明方法能对电泳图像进行定性和定量分析，包括分子量测定，分子密度分析，密度扫描和密度比较。

人体和各种生物DNA经基因扩增后或限制性内切酶水解后形成不同分子量大小的片段，经荧光染色，置于紫外分析仪上，紫外分析装置的光源分为紫外(UV)和白光(WHITE)两种类型，可获得由紫外光源照射激发的电泳凝胶荧光图像，显示为暗背景亮条带形式，如为照片可直接用白光拍摄或经扫描仪输入，可获得可见光照射下的显色或其它类型染色的电泳凝胶图像。这些图像均可通过本方法对其进行分子量测定。根据以往的理论计算和本发明的实验证明，用已知相对分子量，即输入泳道中已知标准分子量为对照，可测出分子形状相同的未知DNA的相对分子量和碱基对值，见图2．通过DNA分子的相对迁移率(Rf)与分子量的常用对数值符合公式：lgMW=a+bRf，式中：

分子量计算时主要通过对原始分子量图中本底和条带的象素进行分析，计算出已知条带分子量的相对迁移率Rf值和人工输入的已知条带分子量的常用对数LgMW，经计算统计后所形成的一次回归曲线公式关系。并由该公式用相同的方法计算出未知条带分子量的方法。

本方法的实现过程是：1．BCA首先将原始分子量图中所有象素颜色值(Pixel)通过VB中取图像象素颜色值Point方法取出，并将Pixel值按以下公式：

red=Pixel & Mod256

green=((Pixel And & HFF00)／256&)Mod256&

blue=(pixel And & HF0000)／65536

换算成红(red)，绿(green)，蓝(blue)三色值并加和，取它们的总平均值。作为原始分子量图转化的临界值。

2．然后BCA扫描原图，根据该临界值将分子量原图转化为蓝色本底(象素颜色值低于临界值的区域)包围白色条带(象素颜色值高于临界值的区域)的图像。

3．即以白色与蓝色颜色值的不同(白色颜色值为RGB(255，255，255)，蓝色RGB(0，0，255))及图象中蓝色本底包围白色条带的事实结果，在封闭白色条带中分别取出白色条带中的最高点和最低点(条带迁移方向上)，平均后形成条带中心的Y轴坐标，与原始图像的宽度(条带迁移方向上的距离)之比形成相对迁移率Rf值。

4．由于DNA分子的相对迁移率Rf与分子量MW的常用对数值LgMW形成一次线性关系即符合y=kx+b的曲线关系。所以，用鼠标分别选取已知条带时BCA自动计算出的Rf值数据与同时要求输入的已知DNA分子量MW的常用对数值LgMW，数据按照一次回归曲线计算出。该公式为lgMW=a+bRf。

5．用此一次曲线公式lgMW=a+bRf即可计算出由鼠标选取的未知条带的分子量(MW)，实现未知条带分子量的计算。BCA最后自动将统计处理完成的已知与未知条带的分子量数据在相应的表格中显示出来，并可以与EXCEL97相连，将数据传输到EXCEL中存盘，便于形成报告调用。

在数字化图像中，每一个像素都相应0-255中的一个数值，本发明方法以这些数字化信息进行密度分析。

密度扫描是通过对所取部分原始分子量图区域的灰度值的平均值绘制出的曲线进行选取，分析和比较的方法。

本方法的实现过程是：1．先BCA将所取部分原始分子量图的所有像素根据灰度值转换公式(灰度值=Iht(0．3^*R(象素红色分量)+0．59^*G(象素绿色分量)+0．11^*B(象素蓝色分量)转化为灰度值，2．然后将所有灰度值按横向(即x轴方向)加和取平均值，并存盘。并将这一组平均灰度值按纵向(即y轴方向)，根据灰度值的大小绘制出坐标点并依此连线形成黑色曲线。3．根据所有灰度值的平均值并调整之后形成标定临界刻线。临界刻线与黑色曲线结合形成封闭波峰区。4．BCA根据鼠标选取封闭波峰区域的面积与所有封闭波峰区域的面积之比形成的百分率和该封闭波峰区域所对应条带的最高灰度值的大小与255(最高灰度值)相比形成的百分率书写在曲线图的右侧，在各条带之间进行比较和分析，经积分重整后，得出它们所占的含量。实现已知和未知条带密度的扫描，形成相对应的图表和数据，同时也为下面的密度比较作准备。

密度定量通过对原始分子量图的本底和条带的灰度值分析取得已知条带含量所对应的灰度值，与人工输入已知条带所含的克数成正比关系实现的。由此正比例关系，用相同的方法计算出未知条带所含的克数。本方法的实现过程是：

1．BCA首先将原始分子量图中所有象素颜色值按分子量计算中红绿蓝三色分离公式将原始分子量图中所有象素颜色值分离成红、绿、蓝三色加和并计算出平均值作为临界值。以此为根据，实际上形成了低于临界值的本底区域和高于临界值的条带区域原始分子量图并未发生任何改变。

2．然后用鼠标选取原始分子量图中已知条带，将高于临界值的已知条中所有象素的灰度值(按密度扫描中的灰度值转化公式计算)之和的数据与要求输入的已知条带所含的克数之和的数据按正比例公式y=kx计算出k值，形成正比例的关系。

3．用此正比例公式y=kx即可计算出鼠标选取的未知条带所含的克数。实现已知和未知条带密度的定量，分析出各条带的相应含量。BCA自动将统计处理完成的已知与未知条带的密度定量数据在相应的表格中显示出来，并可以与EXCEL97相连，将数据传输到EXCEL中存盘，便于形成报告调用。

密度比较是将密度扫描中所形成的数据绘制成曲线放在一张图纸上进行定性比较的方法。本方法实现过程是：

1．BCA首先将密度扫描所形成的数据按红，绿，蓝，黄四种不同的颜色曲线绘制在一张以相同的原点和用灰度值表示纵向(y轴方向)、DNA分子条带电泳迁移方向表示横向(x方向)的坐标系形成的图纸上。

2．然后观察者根据由四条曲线的波峰，波谷的重叠交错位置的不同，以分析出各DNA分子条带与已知DNA分子条带定性比较时，所各拥有的相应条带的情况，从而分析出其所具有的不同所含成分及相应的特性。

若将凝胶图像的任意两部分，分别转换为两种不同颜色的单色阶图像，通过像素间的逻辑运算进行图像融合。通过该方法达到的功能，可方便地将己知标准分子量泳道中的图像水平移动到整个凝胶图像的任意位置。也可将已知标准分子量泳道中的图像与被测泳道的图像进行透明重叠效果的融合，达到图像融合的目的。

本发明方法中附加工具内容用常规方法，通过软件实现局部放大，背景设置，测量灰度，书写文字，图像旋转等功能。

本发明将分子生物学技术与计算机技术结合，研制出多媒体分子生物学图像系统及其分析方法，该分析方法制成软件达到能对生物大分子电泳图像进行密度定量，分子大小测定，标注，扫描，图像融合比较，存储，编辑和打印，便于检索，为科研和临床图像采集和数据分析提供了强有力的系统，使得医学诊断和生物科研图像的多功能分析成为可能。经临床和分子生物学实验应用表明，该系统定量准确，分析可靠，速度快，能储存大量信息，便于检索和信息处理。可以打印彩色照片和结果报告，非常方便。这必将代替以往其它传统落后的实验方式和分析报告方式。本发明对分子量进行多次实际测定，总误差率＜±1％，对密度含量进行实际测定，结果表明误差率＜±5％。该系统操作简单，是分子生物学和基因工程基础研究，临床分子诊断及基因诊断重要的仪器和换代产品，为科研和临床数据采集分析提供了极大的方便。

图1是本发明系统组成示意图。

实施例：

本发明的分析系统可由PⅡ350以上的微机，CCD摄像机，图像卡，紫外透射分析仪，日光源，扫描仪，彩色喷墨打印机，电源转换器连接而成，根据本发明的分析方法制作成软件，举例如下：

分子量测定：凝胶图像经过紫外仪到图象采集卡进入PC，本发明将进入PC的图像进行蓝色本底白色条带的设置，划分待测区域，点击已知泳道DNA条带，程序将自动在条带上标出点击的顺序并自动检测出条带的纵坐标即分子的迁移率，同时输入已知分子量的值，此时，系统将根据lgMW=a+bRf的关系算出未知条带的值，作出lgMW-Rf线图及分子量报表，并将图表传送到Word的模板中打印出报告。

Claims (2)

1．一种分子生物学图像分析系统，由图像采集和计算机两大部分组成，其特征是紫外透射分析仪(1)与摄像机(2)联接，然后联接图像采集板(3)到显示器(4)，或扫描仪(7)与图象采集板(3)相连接，图像采集板与计算机(5)联结，计算机与打印机(6)联接。

2．一种分子生物学图像分析方法，由图像管理，图像处理，电泳分析和附加工具四部分组成。其特征是：

(1)图像管理包括图像获取、图像预处理、图像保存和登记、图像查询、打印；

(2)图像处理主要是转换灰阶，是将原始图象转换为灰度图像：

(3)电泳分析是分子量计算、密度分析包括密度扫描、比较、定量；

分子量计算是通过DNA分子的相对迁移率Rf与分子量的对数值符合下列公式来计算的：lgMW=a+bRf，式中：

密度扫描是对指定泳道进行像素扫描，绘出扫描曲线，并计算出该泳道中各条带的密度和峰值，即可得任一泳道中任一条带的密度占该泳道的百分比。

密度比较是完成上述扫描后，将密度扫描形成的数据以纵轴是灰度值，横轴是分子电泳条带迁移率，在图纸上视波峰、波谷的重叠交错进行密度比较；密度定量通过对原始分子量图的本底和条带的灰度值分析取得已知条带含量所对应的灰度值，与人工输入已知条带所含的克数成正比关系来实现的。由此正比例关系计算出未知条带所含的克数。

(4)附加工具是用常规方法实现局部放大、背景设置、测量灰度、书写文字、图像旋转。