CN205451080U - 显色型微阵列生物芯片识读仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种显色型微阵列生物芯片识读仪及识读系统，所述识读仪包括：拍摄单元，用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像；配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；信号点识别定位单元，用于根据条码信息、芯片图像以及配置文件单元中的参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标；以及信号点取值单元，用于根据信号点的坐标获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差。本实用新型可以实现对显色型微阵列生物芯片透射信号的全程自动化、高准确性、高通量识读。

Description

显色型微阵列生物芯片识读仪

技术领域

本实用新型涉及一种生物芯片识读仪及识读系统，具体地，涉及一种显色型微阵列生物芯片透射信号值多张连续自动识读仪及识读系统。

背景技术

微阵列生物芯片是在玻璃基片、硅基片或高分子材料基片等上，以点阵排列方式合成或者固定一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗体等。这些聚合物可以被荧光标记物、化学显色类标记物所标记从而能够被光学检测。显色型微阵列芯片通常使用地高辛、辣根过氧化物酶、生物素等化学显色类标记物对固定在芯片上的聚合物进行标记，从而可被生物芯片识读仪识读其反应结果信息。显色型微阵列生物芯片的特点是阵列点数量多、芯片反应的结果需综合芯片上所有阵列点的反应情况进行分析比较、肉眼无法准确判断阵列点的显色结果。

显色型微阵列生物芯片识读仪是对显色型生物芯片的实验结果进行扫描和分析的设备。典型的显色型微阵列生物芯片识读仪包括光源、具备CCD(电荷耦合器件)相机的阅读单元、CCD控制器、用于承载和控制芯片步进的装载单元、以及用于分析芯片识读结果的计算机。CCD(电荷耦合器件)相机在光源照射下获取显色型微阵列生物芯片图像后，通过数据接口显示在计算机上，通过安装于计算机上的软件识别芯片图像中的阵列点的位置以及阵列点的信号值。

显色型微阵列生物芯片的阵列点周围区域有时存在灰尘、纤维、背景之类的具有一定信号值的污染物，会对信号点的坐标定位和准确采集信号值产生干扰。目前的显色型微阵列生物芯片识读仪通常需要人工确认该芯片的类型，然后在计算机的软件中手动调整以寻找正确的阵列点，自动化程度低，效率低下；当需要识读多种类型的生物芯片时，人工识读的效率会更低，且人工确认芯片类型存在因工作强度的增加而发生失误的可能，进而导致芯片结果识读准确率下降；采集的信号值常常由于上述的芯片污染物和人工操作而导致干扰失真；在芯片信号采集环节上，通常是光穿过芯片后照射到背光板上，背光板反射出芯片信号进而被采集，而背光板上积累的灰尘对信号值的干扰很大，也会造成采集的信号失真；一次检测1张芯片，检测通量低。

因此，希望能够开发出高准确度、高通量、高自动化的显色型生物芯片识读仪。

实用新型内容

本实用新型为解决上述问题而完成，目的在于提供一种高准确性、高通量、高自动化的微阵列生物芯片识读仪及识读系统。

本实用新型包括以下内容：

(1)一种显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，包括：

拍摄单元，用于获取芯片条码信息、拍摄芯片以获得芯片检测图像；

配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；

信号点识别定位单元，用于根据条码信息、芯片检测图像以及配置文件单元中的参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标；以及

信号点取值单元，用于获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差。

(2)如上述(1)所述的识读仪，其特征在于，所述拍摄单元包括主相机、副相机以及用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所述背景光源分别位于所述芯片的两侧。

(3)如上述(1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述信号点取值单元还包括图像校准单元，用于对所述芯片图像进行背光的方向性校准以及对传感器的伽马值进行校准。

(4)如上述(1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括承载多张芯片的载物盘。

(5)如上述(1)或(2)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片检测图像。

(6)一种用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法的识读系统，其特征在于，包括：

上述(5)～(9)中任一项所述的识读仪、设置有条码的显色型微阵列生物芯片以及计算机，其中，计算机中预装分析软件，将识读仪中输出的各芯片条码信息及对应的信号值与分析软件进行匹配以获得检测报告。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型的显色型微阵列生物芯片的多张连续自动识读方法、用于实现该方法的识读仪及识读系统提高了识读显色型微阵列生物芯片结果的准确性和自动化程度，可以实现显色型微阵列生物芯片的高通量分析。

本实用新型通过在芯片上设计条码、在识读仪中设置扫描条码专用的副相机，使得识读仪能够自动获得待测芯片的类型信息(包括芯片所测样本型号、阵列点位置信息、标志点位置信息、信号值分布信息等)；通过设置配置文件单元、信号点识别定位单元和信号点取值单元，结合已获得的芯片类型信息，从而能够准确而自动地寻找到各信号点，自动输出所识读芯片的类型信息和信号点信息；通过为识读仪设计对芯片的移动功能，使得识读仪能够连读识读多张芯片；实现了显色型微阵列生物芯片透射信号值的全程自动化识读和高通量识读。

本实用新型通过识读仪的信号点识别定位单元对搜索到的信号的轮廓、位置进行比对，将不在信号点尺寸范围内、位置误差范围内的信号点轮廓抛弃，可以排除灰尘等污染物的干扰，提高识读的准确度。

本实用新型通过将用于拍摄芯片图像的主相机和用于主相机照明的背景光源置于芯片的两侧，光源照射芯片后，拍摄单元获取芯片的透射图像，相比通常的拍摄芯片背光板反射图像，避免了背光板污染物在光线反射过程中对信号采集造成的干扰失真，提高了识读的准确度。

总之，本实用新型实现了对显色型微阵列生物芯片透射信号的全程自动化、高准确性、高通量识读的技术效果。

附图说明

图1是本实用新型的生物芯片识读仪的模块框图。

图2是本实用新型的生物芯片识读仪的内部结构示意图。

具体实施方式

本实用新型主要包括显色型微阵列生物芯片识读仪和识读系统。

以下分别对本实用新型进行详细说明，但本实用新型不局限于这些内容，本领域技术人员可在不脱离发明思想的范围内对本实用新型进行各种合理的改变。

一.显色型微阵列生物芯片识读仪

本实用新型的识读仪用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连读自动识读，并将获取的信号值输出给计算机。

图1是本实用新型的显色型微阵列生物芯片识读仪的结构示意图。如图1所示，本实用新型的识读仪主要包括拍摄单元1、配置文件单元2、信号点识别定位单元3和信号点取值单元4。

图2是本实用新型的显色型微阵列生物芯片识读仪的内部结构示意图。下面结合图1和图2对本实用新型的识读仪进行详细说明。

拍摄单元1用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像。如图2所示，拍摄单元1进一步包括主相机11、副相机12、用于主相机照明的背景光源13以及副相机照明光源15。主相机11用于拍摄芯片图像，副相机12用于扫描芯片条码。主相机11优选五百万像素的CCD相机，副相机12没有特别限定，普通的工业相机即可。主相机照明的背景光源13优选LED光源，副相机照明光源15也优选LED光源。

拍摄单元1优选还包括CMOS(互补金属氧化物半导体)灰度图像传感器。

优选所述主相机11和所述背景光源13位于所述芯片的两侧，主相机11正对着待检测芯片，例如可以在芯片的正上方，主相机的背景光源13位于待检测芯片的背面。副相机12正对着待检测芯片的条码位置，例如可以在芯片条码的正上方。

本实用新型的识读仪首先通过拍摄单元1的副相机12扫描生物芯片的条码获取芯片条码信息，根据该条码信息，可以获取对应的芯片的型号、阵列点的行列数以及芯片检测的基因位点、芯片标志点的列数及流水号等信息。然后通过CCD主相机11多次曝光拍摄该芯片，获取最终的芯片图像。

配置文件单元2用于从配置文件中读取信号点识别定位和信号点取值所需的配置参数。配置文件中定义了信号点识别定位与取值所需的相关配置参数，包括信号点识别规则、背光校准值以及传感器校准值。

本实用新型的配置文件单元提供的参数如表1所示。

表1：配置文件中的配置参数

参数范围	说明
		10.0～30.0浮点	信号点平均间距，单位为像素
0.0～5.0浮点	信号点间距误差允许值，单位为像素
		3～10整型	信号点尺寸最小值，单位像素
10～20整型	信号点尺寸最大值，单位像素
		80～100整型	信号点允许的最小信号值
300～450整型	信号点允许的最大信号值
		200～350整形	标志点信号值范围
0.0～1.0浮点	信号点内允许的合格像素比例
		0～100整型	背景值像素点的统计占比
0/1布尔	背景值使用平均值还是最大值，0平均值，1最大值
		0.0～200.0浮点	传感器信号值计算透光率的校正系数
0整形	信号值小于此值时输出值为0
		0/1布尔	使用局部背景还是全局背景，0全局，1局部
1～10整型	型号为[n]的芯片的信号点行数，[n]为三位10进制数
		1～10整型	型号为[n]的芯片的信号点列数，[n]为三位10进制数

配置参数还可以增加不同芯片的信号值分布参数，即芯片各位置(特定行、列、坐标)的信号点的取值范围，排除不在信号值范围内的干扰信号，提高信号点识别的准确性。

信号点识别定位单元3用于识别并定位信号点以获得信号点的坐标，具体地，信号点识别定位单元根据拍摄单元1获取的芯片条码信息、芯片图像以及配置文件单元2中设定的信号点识别规则、信号行列以及信号点轮廓(尺寸)的最小值和最大值，对搜索到的点的尺寸、位置进行比对，排除位置、尺寸不符合信号点识别规则的点，并将间距与大小合适的点筛选出来，识别出图像中的信号点，对所有的信号点进行定位，并以XY坐标的形式输出。

信号点识别定位单元3优选进一步具有图像处理单元，用于在对所有的阵列点进行搜索前对图像进行处理。具体地，图像处理单元首先对原始图像进行裁剪，取出成像部分，再对图像进行亮度归一化、反色、二值化，然后使用一次腐蚀/膨胀去除噪点。

归纳起来，信号点识别定位单元3的优选的工作流程是：首先，读入图像等信息，然后，裁剪图像、归一化、反色、二值化、腐蚀/膨胀，最后搜索阵列点、筛选信号点、定位信号点、输出信号点坐标。

实际使用中，芯片上存在的灰尘等也会在照片上成像，在二值化后取轮廓时会取到这些灰尘的轮廓，识读会受到灰尘影响无法正常取值，从而对信号点的坐标定位错误。本实用新型通过使用信号点识别定位单元对搜索到的轮廓、位置进行比对，将不在信号尺寸范围内、位置误差范围内的轮廓舍弃，从而能够排除灰尘等对信号点定位的影响，提高识别准确度。

信号点取值单元4用于读取图像中信号点位置上的信号值，所述信号值为信号点上透光率与周边背景透光率的差值。具体地，计算时先计算整个信号点区域非信号点处的背景信号值，记录其均值和最大值。再计算每个信号点周边的局部背景信号值，也记录其均值和最大值。获取整个信号点区域的所有像素的透光率值，去除其中超过信号点正常透光范围的像素，其余像素进行平均，获得信号点的透光率平均值。最后将信号点的透光率值减去配置文件中所选取的背景值，得到此处信号点的信号值。

芯片信号点的信号值与CCD主相机11采集到的透光率的关系如下：校准后100％透光率基准采样信号值为138，图像传感器采样值范围为0～255共256级。信号值是16次采样值通过计算得到的：

$Val=k\×\underset{i=1}{\overset{16}{\Σ}}(B_i-S_i)\×138---\left(1\right)$

其中，Val为信号值，S_i为信号点透光率，B_i为背景透光率，k为背光校正系数(0<k≤2)。

根据需要，本实用新型的信号点取值单元优选进一步包括图像校准单元，用于对照片进行背光的方向性校准以及对传感器的Gamma进行校准。

这是因为在实际使用中，有时会存在识读仪的背光不均匀的问题，从而会影响信号点的取值，产生取值误差。这种背光不均匀通常是由于背光板的材质均匀度和背光光源的方向性，导致背光亮度会在X/Y方向上发生变化。通过进一步设置图像校准单元，对背光亮度的方向性变化加入补偿系数，保证取值时的背光亮度均匀一致，将取值误差控制在要求的范围内。

此外，传感器由于制造原因接收到的光线能量与输出值之间有时可能会有差异，从而有可能造成透光率测定线性度不好，可能在信号点取值上产生误差。图像校准单元可以对传感器的取值进行Gamma(伽马)校准，提高其线性度，将取值误差控制在要求的范围内。

根据需要，本实用新型的识读仪还可以具有信息输出单元。信息输出单元用于输出信号点信息和反色展示图片，具体而言，将信号点位置信息与信号点取值信息保存为文本文件，并将信号点区域取出保存为反色高对比的展示图片。

本实用新型的上述配置文件单元2、信号点识别定位单元3和信号点取值单元4也可以集合成一个信号点识读单元来实现。

本实用新型的识读仪还包括承载多张芯片的移动载物盘51、导轨52和电机马达53。所述载物盘51包含多个平行排列的生物芯片槽，由马达53带动载物盘51装载芯片一格一格的运动，当芯片处于CCD主相机11正下方且芯片条码处于副相机12正下方时，停止运动。通过LED背景光源13透射形成的芯片检测图像被CCD主相机11多次拍照采样，利用大视场焦平面调整技术和自动聚焦技术控制成像质量。副相机12利用副相机照明光源15，对生物芯片条码区域进行扫描采样。

本实用新型的识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，该屏幕是LCD屏，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片图像。

本实用新型的识读仪的电路主要包括开关电源、主板、核心板、副相机板、主相机板、接口板、位置传感器板、背景光板、电机驱动板、按键指示灯板、LCD等。

各部分的功能如下：

开关电源：支持110～240VAC宽电压输入

核心板：采用IMX6主处理器，具有强大的数据处理能力

副相机板：用于拍摄条码

主相机板：用于生物芯片的拍摄

主板：进行电源处理以及核心板到各功能板控制逻辑以及反馈

位置传感器板：电机行程位置的归零信号

背景光1：LED背光板，用于主摄像头拍摄芯片时候的背景照明

背景光2：单科LED，用于副摄像头拍摄条码时候的背景照明

电机驱动板：用于驱动4线制2相步进电机

按键与指示LED：用于机器使用时候功能按钮

接口板：集成USB和InternetRJ45接口

本实用新型的识读仪还包括各部件之间以及与计算机之间的数据接口。

概括起来，本实用新型的识读仪各个单元的工作模式如下：

首先由电机马达带动载物盘将待检测的生物芯片输送到适合拍摄的位置，然后由拍摄单元的副相机扫描芯片条码并由主相机拍摄芯片图像，然后由信号点识别定位单元根据条码信息、芯片图像以及配置文件单元中的信号点识别参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标，接下来由信号点取值单元根据信号点的坐标信息以及配置文件单元中的信号点取值参数获取信号点的信号值，最后将信号点的信号值输出至外接计算机。

此外，在配置文件单元，配置文件需要测试各种不同的参数输入，超出参数输入范围的需要提示警告，所有的测试结果需要符合定义的测试预期。在信号点定位识别单元和信号点取值单元，也需要测试各种不同范围的输入，根据配置文件中的设定，获取与输入相对应的结果，对于超出输入范围的数据，要提示警告。

通过本实用新型的识读仪，可以实现显色型微阵列生物芯片透射信号值多张连续自动识读的方法。

本实用新型的识读仪不需借助外接计算机的分析软件，单独就可以实现信号值的获取。

二.显色型微阵列生物芯片的识读系统

本实用新型还包括用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值多张连续自动识读方法的识读系统。本实用新型的识读系统包括经特定设计的显色型微阵列生物芯片、用于获取芯片信号值的识读仪以及计算机。

1.经特定设计的显色型微阵列生物芯片

为了提高识别的准确度，本实用新型对常规的显色型微阵列生物芯片进行了特定设计，在芯片上设置有标志点和条码。

本实用新型在芯片点阵列每一行的最左端，设置一列或多列标志点，优选3列。该标志点是一种阳性对照探针，与含有能与该标志点的探针序列完全结合的寡核苷酸序列的反应液发生杂交反应，产生稳定的显色结果，在检测中显示较强的信号值。例如，在基因芯片中，标志点成分包含特定的核苷酸序列，反应液中有与标志点核苷酸完全匹配的序列，因此可以稳定地结合并显色。标志点的添加方法和其他探针点方法相同，可通过市售的生物芯片点样设备进行添加。

标志点的功能就是一般阳性对照的功能，标志点信号值正常时，说明发生了显色反应，即说明加入的待测样品与芯片阵列点发生了杂交反应。在本实用新型中，由于标志点反应后信号值不仅稳定而且比一般的反应点的信号值强，在对芯片图像进行寻点时，根据配置参数首先寻找标志点，确定标志点坐标后再根据已知的阵列点分布的行列数、间隔距离或各阵列点的相对坐标，推算出各阵列点坐标值。因为标志点信号值强且稳定，首先寻找标志点而不是其他阵列点，能够最大化保证寻找阵列点的准确性。

本实用新型的显色型微阵列生物芯片上设置有标识该芯片类型的条码。通过扫描该条码，可以获得待测芯片的相关信息，包括芯片类型、芯片阵列点的行数、列数、点间距、各阵列点的相对坐标、阵列点的信号值分布(特定阵列点的信号值范围，如标志点的信号值范围)等信息。

条码是普通的一维条码，可以通过例如粘贴的方式设置在芯片的左端或右端。

2.用于获取芯片信号值的识读仪

识读仪为上述(二)项下所记载的显色型微阵列生物芯片识读仪。识读仪具有与计算机之间的数据接口。

3.计算机

计算机内安装有分析软件，软件没有特别限定，可以选择例如市售的ArrrayDoctor系列软件(上海百傲科技股份有限公司)，通过该软件将获取的芯片检测数据(生物芯片信号点的坐标分布信息和信号值)与软件内的生物芯片分析包文件进行匹配并输出检测报告。

计算机通过USB数据线和以太网接口与识读仪相连接。

本实用新型的识读系统还包括识读失败后的报错功能、数据保存和打印功能，真正实现了显色型微阵列生物芯片投射信号识读的全程自动化。

实施例1

将待测的显色型微阵列生物芯片放入识读仪的载物盘51的芯片槽内，一次可以放入8张，由马达53带动载物盘51一格一格运动，当第1张待测芯片处于CCD主相机11正下方，同时芯片条码处于副相机12正下方的位置时，停止运动。利用副相机照明光源15，通过副相机12对芯片条码区域进行拍照采样。通过主相机LED背景光源13透射形成的芯片检测图像被CCD主相机11多次拍照采样，获得芯片图像。

接着，图像处理单元先对芯片的原始图像进行剪裁，取出成像部分，再对图像进行亮度归一化处理，接着对图像进行反色和二值化处理，再进行一次腐蚀/膨胀去除噪点。

然后，信号点识别定位单元3对芯片图像进行搜索，将搜索到的所有的信号点尺寸进行排序，根据配置文件单元中设定的尺寸的最小值和最大值，筛选出符合尺寸范围的点，配置文件单元中预设了标志点的信号值范围，标志点的信号值较一般反应点大，容易区分，因此在信号点轮廓筛选过程中，先根据标志点信号值范围对标志点进行筛选，再根据预设的点间距值和行列数对其他点进行轮廓筛选，这样就提高了阵列点识别的准确性。并根据预设的点间距以及芯片行列数进行定位，排除污染物等干扰点，输出所有信号点的坐标信息。

然后，通过信号点取值单元4根据输出的所有信号点的坐标信息，分别计算整个信号点区域非信号点处的背景信号值、每个信号点周边的局部背景信号值、信号点透光率值，然后将上述数值代入前述公式(1)计算各个信号点信号值，关联第1张芯片条码及信号值。

接下来，载物盘51运动一格，使第2张待测芯片处于主相机11正下方，同时芯片条码处于副相机12正下方的位置，重复与上述第1张待测芯片同样的操作，完成第2张芯片的信号点取值。

重复上述操作，至完成所有芯片的信号点取值。

最后，将上述各个芯片条码及信号点的信号值输出至计算机进行分析，输出检测报告。

实施例2

除了信号点识别定位单元3采用如下方案外，其余同实施例1。

在配置文件单元中预设了芯片的阵列点坐标值，对图像中所有点轮廓搜索完成后，根据标志点信号值范围确定图像中标志点的坐标以及预设的阵列点坐标，推算标志点以外的阵列点坐标，在推算出的坐标一定范围内的点被认定为阵列点，在推算坐标一定范围外的点则被认定为因污染等因素造成的干扰点，当所推算坐标一定范围内出现多个点时，可结合污染点的轮廓与阵列点轮廓的区别以及点的大小，进行识别，进而提高阵列点识别的准确程度，最终确定各阵列点的坐标并输出。

Claims (3)

1.一种显色型微阵列生物芯片识读仪，包括：信号点识读单元和拍摄单元，所述信号点识读单元和所述拍摄单元相连接，所述拍摄单元用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像，其特征在于：

所述拍摄单元包括主相机、副相机以及用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所述背景光源分别位于所述芯片的两侧。

2.如权利要求1所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括承载多张芯片的载物盘。

3.如权利要求1或2所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片图像。