JP2008509399A - 生物学的分析における画像化のための信号ノイズ低減 - Google Patents

Abstract

生物学的分析における使用に適合された電荷結合素子に関連した信号ノイズに対する寄与を特徴づけるためのシステムおよび方法。暗電流寄与と、読出オフセット寄与と、光応答不均一性と、スプリアス電荷寄与とは本教示の方法によって決定され得、本教示のシステムによって信号補正のために使用され得る。本教示は、概して信号処理の分野に関し、より詳細には、生物学的分析における信号画像化に関連したノイズ寄与の特徴づけおよび補正のためのシステムおよび方法に関する。

Description

本教示は、概して信号処理の分野に関し、より詳細には、生物学的分析における信号画像化に関連したノイズ寄与の特徴づけおよび補正のためのシステムおよび方法に関する。

ヌクレオチド配列決定、マイクロアレイ処理、配列検出または高スループットスクリーニングなどの生物学的分析の間、電荷結合素子（ＣＣＤ）などの光検出器は、選択された対象検体に応答する標識サンプルまたはプローブの特徴から生ずる信号を検出するために使用され得る。これらの信号は、標識サンプルまたはプローブの特徴のそれぞれから生じる信号の強度を定量化するように適切に分析され、その後、サンプル内での対象検体の存在を定量的または定性的に評価するように分解される蛍光性または可視光放出の形をとり得る。

概して、そのような生物学的分析に使用されるＣＣＤは、信号検出ピクセルのアレイを含む。所定のピクセルに対する信号検出は、入射電磁エネルギー信号の複数の電子空孔対への変換として特徴づけられ得る。そのピクセルは、このようにして生成された電子または空孔の一方を収集するように構成され得、収集された電荷の数が入射エネルギーを表す。収集された電荷を有する複数のそのようなピクセルを有するＣＣＤは、所定の方法でゲート電圧のシーケンスをそのピクセルに印加することによるシフト動作のシーケンスによって読出され得る。次いで、選択されたピクセルから収集された電荷は、さらなる分析のために読出され得るか、定量化され得るか、または使用され得る。

前述の方法でのＣＣＤの動作は、まとめて「信号ノイズ」と称され得るいくつかの望ましくない結果となる。ノイズはさまざまな寄与を含み得、原因でない場合でも、概して信号取得の質を低下させ、生物学的分析に不利な影響を与え得る。従って、生物学的分析のシステムにおいて使用される光検出器による信号取得に対する改良型のアプローチに対する継続的なニーズが存在する。

様々な実施様態において、本教示は、一つ以上の生物学的サンプルに関連した一つ以上の識別可能な信号を検出するシステムを提供し得る。そのシステムは、生物学的サンプルから放出される蛍光性の光の光画像を形成することができる複数のピクセルを含むセグメント化された検出器と、各ピクセルから出力信号を読出すことのできる読出コンポーネントであって、その出力信号はピクセルから収集および転送された電荷を含み、読出コンポーネントは読出のために複数のピクセルから、転送された電荷を受信する出力レジスタを含んでいる、読出コンポーネントと、出力信号からの信号ノイズを補正することのできる制御装置であって、信号ノイズは暗電流寄与および読出オフセット寄与を含む、制御装置と、暗電流寄与および読出オフセット寄与を決定することのできるプロセッサとを含んでいる。

様々な実施様態において、本教示は、生物学的サンプル用のセグメント化された検出器のピクセルのアレイから信号ノイズを低減するための方法であって、信号ノイズは暗電流寄与および読出オフセット寄与を含む、方法を提供し得る。その方法は、ピクセルのアレイの実質的な暗状態を提供することであって、暗状態は生物学的サンプルから放出される蛍光性の光が実質的にない、ことと、第１露光期間の電荷を収集し、収集された電荷を出力レジスタに転送し、レジスタを読出すことによってピクセルのアレイのビン化（ｂｉｎｎｅｄ）部分から第１出力信号を提供することであって、収集された電荷をまとめられたピクセルから転送することは、ビン化ピクセルから、収集された電荷を移動するようにビン化ピクセル周辺の領域にゲート電圧を提供することを含み、収集された電荷は、収集された電荷が出力レジスタへシフトさせられる態様で転送される、ことと、第２露光期間の間、電荷を収集し、収集された電荷を出力レジスタに転送し、レジスタを読出すことによって、それぞれのピクセルから第２出力信号を提供することと、出力レジスタをリセットし、読出すことによって第３出力信号を提供することと、第１出力信号、第２出力信号および第３出力信号から暗電流寄与と読出オフセット寄与とを決定することとを含む。

様々な実施様態において、本教示は、生物学的サンプルの分析に適合された電荷結合素子（ＣＣＤ）の動作に関連した信号ノイズを特徴づける方法であって、信号ノイズは暗電流寄与、読出オフセット寄与およびスプリアス電荷寄与を含む、方法を提供し得る。その方法は、第１露光期間での実質的暗状態の下でＣＣＤから提供される第１出力に関連した複数の第１データポイントを提供することと、第２露光期間での実質的暗状態の下でＣＣＤから提供される第２出力に関連した複数の第２データポイントを提供することであって、第２期間は第１期間とは異なることと、そこへ電荷が転送されることなくＣＣＤのクリアされた出力レジスタから提供される第３出力に関連した複数の第３データポイントを提供することと、第１データポイントと第２データポイントとを比較することによって単位露光時間あたりの暗電流寄与を決定することと、第３データポイントから読出オフセット寄与を決定することと、暗電流寄与と読出オフセット寄与とに基づいてスプリアス電荷寄与を決定することとを含む。

本出願において、具体的にそうではないと述べられていない限りは、単数形の使用は複数形を含む。本出願において、そうではないと述べられていない限りは、「または」の使用は「および／または」を意味する。さらに、用語「含んでいる」、および「含む」または「含まれる」などのほかの形の使用は、限定的ではない。また、「エレメント」または「コンポーネント」などの用語は、具体的にそうではないと述べられていない限りは、一つのユニットを有するエレメントまたはコンポーネントと、一つより多くのサブユニットを有するエレメントまたはコンポーネントとの両方を含む。可能な限り、同じ参照番号は、同じ部分または類似した部分を参照するために図表を通して使用され得る。

本明細書において使用されるセクションの頭書きは、構成上の目的のみのためであり、記載されている主題を限定しているとして解釈されるべきではない。特許、特許出願、記事、書物そして論文（これらに限定されるわけではない）を含めこの出願で引用される全ての文書は、あらゆる目的のために参照によりその全容が明示的に組み込まれる。一つ以上の組み込まれた文献および類似資料が、定義された用語、用語の使用、記載された技術など（これらに限定されるわけではない）を含め本出願と異なるか、または矛盾する場合は、本出願が支配する。

本明細書において使用される用語「蛍光性」とは、蛍光もしくは化学ルミネッセンスのどちらかにより生物学的サンプルにより放出される光をいう。

本明細書において使用される用語「生物学的サンプル」または「生物学的分析」とは、生物学的技術で知られている核酸に関連した材料とプロセスとをいう。

図１Ａは、核酸サンプルおよび他のアプリケーションのための配列決定またはフラグメント分析が可能である生物学的分析器１００に対する例示的な概略図を示す。様々な実施様態において、分析器１００は、サンプルの標識づけおよび識別のために使用される一つ以上のコンポーネントまたは装置を含み得、自動配列分析を実行し得る。コントローラの様々なコンポーネントは、別個のコンポーネントまたは単独の統合されたシステムを含み得る。本教示が、手順であって、配列分析動作の一部が手動で実行される手順と、自動配列分析システムおよび半自動配列分析システムとの両方に適用され得ることは、理解され得る。さらに、本明細書において記載される方法は、分析の全体的な質を改善するために他の生物学的分析のプラットフォームに適用され得る。

様々な実施様態において、本教示の方法およびシステムは、多数の異なる光のタイプおよびクラスならびに信号検出の手順に適用され得、必ずしもＣＣＤベースの検出器に限られるというわけではない。本教示は、信号ノイズの低減が、より近くに近接している位置から放出されるほどより少ない量の蛍光性の光の検出を提供し得る配列分析と他の生物学的分析とに対する様々な実施様態を記載する。

本教示の方法およびシステムが、これらのアプリケーションにおける光検出器に適用され得ることも、理解され得る。概して、光検出器は、入射光子を電気信号に変換し、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ装置、光電子増倍管またはフォトダイオードのような他の半導体ベースの装置を含み得る。

配列分析との関連で、例示的配列分析器１００は、反応コンポーネント１０２であって、サンプルに含まれている様々な構成分子の増幅または反応配列決定（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応による標識またはマーカー結合を介して）が実行される、反応コンポーネントを含み得る。これらの増幅技術を使用し、蛍光性または放射性ジデオキシ−ヌクレオチドなどの標識またはタグは、サンプル要素へと導入され得、その結果、様々な配列の長さのヌクレオチドのフラグメント集合が生成される。さらに、一つ以上の標識またはタグは、続いて識別される塩基／ヌクレオチドそれぞれに対する区別可能なフラグメント集団を生成するために、増幅ステップの間、使用され得る。増幅に続き、標識フラグメントは、分離コンポーネント１０４を使って、分離動作を受け得る。一つの局面において、分離コンポーネント１０４は、フラグメントを実質的に離散的な集団に分解するゲルベースまたは毛管電気泳動装置を含む。このアプローチを使用して、電流は、分離マトリクス（例えば、ポリアクリルアミドまたはアガロースゲル）へとロードされている標識サンプルフラグメントを通過し得る。電流の適用は、マトリクスを介したサンプルの移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）という結果となる。サンプル移動が進むにつれ、標識フラグメントは分離され、検出器１０６であって、標識フラグメントの分解が実行される検出器を通過する。

一つの局面において、検出器１０６は、組み込まれた標識またはタグの存在に基づいて、フラグメントに対する様々なサイズまたは異なった構成を識別し得る。一つの例示的な実施様態において、フラグメント検出は、標識の吸収波長に合わせられたレーザーにより励磁された蛍光性の標識により生成された検出可能な信号の生成により実行され得る。標識により吸収されたエネルギーは、フラグメントそれぞれに対する測定された信号に対応する蛍光発光という結果となる。フラグメントに組み込まれた標識のタイプとともに、蛍光性の信号の出現の順序を追い続けることによって、サンプルの配列は識別され得る。配列決定プロセスのさらに詳細な説明は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ−Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ」と題され同一出願人に譲渡された米国特許第６，０４０，５８６号に提供されている。

図１Ｂは、複数の標識フラグメント１１０に関連した信号を取得するために使用され得る検出器１３０のための例示的なコンポーネントを示す。先に示されたように、標識フラグメント１１０は、フラグメント１１０が、ＬＥＤまたは調整されたレーザーなどの光源によって提供され得る適切な波長およびエネルギーの励起１１４を受けるときに生成される蛍光または放出エネルギーの量を測定することによって、分解され得る。フラグメント１１０に関連した標識１１６によって生成されるエネルギー放出１２０は、フラグメント１１０が検出ウインドウ１２６であって、複数のエネルギー検出エレメント（例えば、ピクセル）１２４が標識１１６から放出されたエネルギーの少なくとも一部を捕獲する、検出ウインドウを通過するときに、電荷結合素子（ＣＣＤ）１２２を使用して検出され得る。一つの局面において、電気信号は、ＣＣＤ１２２によって生成され、エネルギー捕捉時に検出ウインドウ１２６を通過するフラグメント１１０の相対的存在量とほぼ比例し、フラグメント１１０が検出ウインドウ１２６において現れる順序は、特定の配列決定またはフラグメント分析スキームに基づいて、それぞれに関して相対的長さを示し得る。

様々な実施様態において、読出コンポーネント１２８は、フラグメント１１０に応答してＣＣＤ１２２によって生成された電気信号を取得するような読出動作を実行するように構成された電気アセンブリを提供し得る。様々な実施様態において、信号読出、それに続く分解およびピーク識別を介して決定され得る情報の一部は、フラグメント集団それぞれの相対的存在量または量の決定を含み得る。信号の評価は、様々な既知の塩基配列分解技術を使い、サンプルの配列または構成を決定するためにさらに、使用され得る。例示的な信号分布は、フラグメントそれぞれの相対的存在が、一部信号分布における関連ピークの相対的範囲の決定に基づいて評価され得る一つ以上の核酸フラグメントを表し得ることは、当業者によってさらに理解され得る。それゆえ、本教示は、ピーク評価を容易にするための既存の分析アプローチに統合され得、それに続く統合動作は、典型的に配列分析に関連し得る。

様々な実施様態において、ＣＣＤ１２２からの信号の読出およびＣＣＤ１２２の選択された制御は、コントローラ１３２によって有益に実行され得る。コントローラ１３２は、一つ以上のプロセッサおよび／または一つ以上の他のコントローラと協働して、動作するように構成され得る。そのようなコントローラおよびプロセッサのコンポーネントは、ソフトウエアまたはハードウエアコンポーネント、ソフトウエアモジュールなどのモジュール、オブジェクト指向のソフトウエアコンポーネント、クラスコンポーネントおよびタスクコンポーネント、プロセス方法、機能、属性、手順、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバー、ファームウエア、マイクロコード、回路構成、データ、データベース、データ構造、表、アレイおよび変数を含み得るが、これらに限定されない。さらに、コントローラ１３２は、さらなる処理が行われ得る他の装置もしくは器具に、処理された信号または分析結果を出力し得る。

図１Ｃは、アレイ、マイクロアレイまたはバイオチップアッセイを形成する複数の標識フラグメントに関連した信号を取得するために使用され得る検出器１５０のための例示的なコンポーネントの他の構成を示す。生物学的分析において使用されるアレイの一つの例示的な構成は、複数のファイバー１４２の先端１４４のアレイに選択的に接着するように構成された複数の標識フラグメントを含み得る。そのようなサンプルプラットフォーム１４０のアレイのタイプは、サンプルに存在する異なるタイプのフラグメントの濃度を同時に特徴づけるために利用され得る。前述のように、ファイバーの先端１４４に取付けられた標識フラグメントは、励起光源からフラグメントが適切な波長およびエネルギーの励起源を受けるときに生成される蛍光または放出エネルギーの量を測定することによって分解され得る。フラグメントに関連した標識によって生成されたエネルギー放出１４６は、ある形態の光学素子１５６であって、複数のエネルギー検出エレメント（例えば、ピクセル）１５４が標識フラグメントから放出されるエネルギーの少なくとも一部分を捕捉する、光学素子を介して結合電荷素子（ＣＣＤ）１５２を使用して、検出され得る。一つの局面において、電気信号は、測定されるサンプル内のフラグメントの相対的存在量にほぼ比例するＣＣＤ１５２によって生成される。

様々な実施様態において、読出コンポーネント１５８は、フラグメントに応答してＣＣＤ１５２によって生成された電気信号を取得するために読出動作を実行するように構成された電気アセンブリを提供し得る。様々な実施様態において、信号読出、それに続く分解およびピーク識別を介して決定され得る情報の一部は、フラグメント集団それぞれの相対的存在量または量の決定を含み得る。検出された信号の空間的な分解は、信号が放出されたサンプルプラットフォーム上での位置の決定を可能にする。このようにして、その位置に関連したファイバーのタイプを識別することによって、付着したフラグメントのタイプが決定され得る。そのような情報は、様々な既知の塩基配列技術を使用して、サンプルの配列または構成の決定を容易にする。例示的な信号分布が、部分的に信号分布内の関連ピークの相対的範囲の決定に基づいて、フラグメントそれぞれの相対的存在量が評価され得る一つ以上の核酸フラグメントを表し得ることは、当業者に理解され得る。それゆえ本教示は、配列分析に典型的に関連したピーク評価とそれに続く統合動作を容易にするための既存の分析アプローチに統合され得る。また、類似技術が他のタイプの分析にインプリメントされ得ることは理解され得る。

様々な実施様態において、ＣＣＤ１５２からの信号の読出およびＣＣＤ１５２の選択された制御は、コントローラ１６０によって有益に実行され得る。コントローラ１６０は、一つ以上のプロセッサおよび／または一つ以上の他のコントローラと協働して動作するように構成され得る。そのようなコントローラおよびプロセッサのコンポーネントは、ソフトウエアまたはハードウエアコンポーネント、ソフトウエアモジュールなどのモジュール、オブジェクト指向のソフトウエアコンポーネントおよびタスクコンポーネント、プロセス方法、機能、属性、手順、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、スクリプト、ドライバー、ファームウエア、マイクロコード、回路構成、データ、データベース、データ構造、表、アレイおよび変数を含み得るが、これらに限定されない。さらに、コントローラ１６０は、さらなる処理が行われ得る他の装置もしくは器具に、処理された信号または分析結果を出力し得る。

様々な実施様態において、（特徴からの）信号分解およびピーク識別を介して決定され得る情報の一部は、フラグメント集団それぞれの相対的存在量または量の決定を含み得る。信号の評価はさらに、様々な既知の塩基配列分解技術を使って、サンプルの配列および構成を決定するために使用され得る。例示的な信号分布は、信号分布の関連ピークの相対的範囲決定に一部基づいて、フラグメントそれぞれの相対的存在量が評価され得る一つ以上の核酸フラグメントを表し得ることは、当業者に理解され得る。それゆえ本教示は、配列分析に典型的に関連したピーク評価およびそれに続く統合動作を容易にするための既存の分析アプローチに統合され得る。類似技術が、他のタイプの生物学的分析においてインプリメントされ得ることもまた、理解され得る。

図２は、上述の例示的な分析システムを容易にするように構成された検出制御システムの一実施様態を示す。検出制御システム１７６は、検出器１７２および／または読出電子アセンブリ１７４と機能的に結合されたコントローラ１７０を含む。検出制御システム１７６は、図１Ｂおよび図１Ｃの例示的な生物学的分析システムまたは他のどのような適切なシステムにおいてインプリメントされ得る。このようにして、検出器１７２は例示的なＣＣＤ１２２および１５２（図１Ｂおよび１Ｃ）を表し得る。同様に、読出アセンブリ１７４は、例示的な読出エレクトロニクス１２８および１５８を表し得る。

一つの局面において、本教示は、「信号ノイズ」として一般に称されるＣＣＤ信号の様々なコンポーネントを特徴づけるための選択された方法において、ＣＣＤ１７２および／または読出１７４を操作するコントローラに関する。ＣＣＤ信号に関連したノイズを識別することによって、それに続く処理および信号分解においてノイズは低減され得る。それによってＣＣＤ信号の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が改善される。様々な実施様態において、Ｓ／Ｎ比におけるそのような改善は、生物学的分析の間におけるさらに正確な信号の測定を容易にし得る。例えば、Ｓ／Ｎ比を増加させることは、比較的に低い濃度または存在量で存在する蛍光を発しているＤＮＡフラグメントのタイプからのかすかな信号の検出および分解を容易にし得る。

一部の実施様態において、ＣＣＤおよび／または読出のそのような操作は、関連する電圧を制御することによって達成され得る。電圧は画像ごとに変更され得る。電圧はまた、ノイズを低減するために一つ以上の性能パラメーターをトレードオフするように画像内で変更され得る。例えば、読出スピードは、対象領域がある検出器の範囲に対して落とされ得る。

図１Ｂおよび１Ｃの例示的なサンプル分析システムとの関連で先に記載したように、コントローラ１７０が一つ以上のプロセッサおよび／または一つ以上のコントローラと協働して動作するように構成され得ることは、理解され得る。そのようなコントローラおよびプロセッサのコンポーネントは、ソフトウエアまたはハードウエアコンポーネント、ソフトウエアモジュールなどのモジュール、オブジェクト指向のソフトウエアコンポーネント、クラスコンポーネントおよびタスクコンポーネント、プロセス方法、機能、属性、手順、サブルーチン、プログラムコードのセグメント、ドライバー、ファームウエア、マイクロコード、回路構成、データ、データベース、データ構造、表、アレイおよび変数を含み得るが、それらに限定されない。さらに、コントローラ１７０は、さらなる処理が行われ得る他の装置または器具に、処理された信号または分析結果を出力し得る。

図３Ａおよび３Ｂは、例示的なＣＣＤピクセルの例示的な動作を示す。そのようなピクセルは、図２を参照して上述されたＣＣＤ１７２において使用され得る。ＣＣＤの記載された動作が、例示的に過ぎず、本明細書において開示される概念が、本教示の精神を逸脱することなく他の機能および／または動作タイプのＣＣＤにおいてインプリメントされ得るということは、理解され得る。

図３Ａおよび３Ｂにおいて示されたように、例示的なピクセルは、基板１８２および格納領域１９２を含む。酸化層１８４は、基板１８２を、基板１８２の対応領域と格納領域１９２とへのゲート電圧印加を容易にする複数のゲート１８６ａ〜１８６ｃと分離する。

図３Ａは、ポテンシャルプロファイル１９０が井戸２０４を形成するようにゲート電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ３が選択されたとき、達成され得る例示的な格納構成１８０を示す。特定の実施様態において、ゲート電圧Ｖ１〜Ｖ３は、同じレベルに保たれ、格納領域１９２の存在は、ポテンシャルの井戸２０４を形成する。このようにして、衝突信号から生成される電荷１９４は、転出される準備ができるまで井戸２０４内において収集される。記載を目的として、「電荷」が電子または空孔を表し得ることは、理解され得る。基板１８２および格納領域１９２は、様々な既知の技術を使用することによって複数の方法において構成され得る。

図３Ｂは、例示的な電荷転送構成２００であって、ポテンシャルのプロファイル１９０が、実質的に井戸に隣接する反転領域２０６を含むようにゲート１８６ｃ上に電圧Ｖ３が印加される、電荷転送構成を示す。反転領域２０６のポテンシャルは、電荷１９４が、例示的なポテンシャルのプロファイル１９０内において「より低い」として描かれた井戸１９２から転送されることを促進する。このように、ポテンシャルのプロファイル１９０の操作は、収集された電荷１９４がゲート１８６ｂに隣接する領域からゲート１８６ｃに隣接する領域へ「シフトする」ことを可能にする。隣接するピクセル（図示せず）から収集された電荷はまた、同様の方法においてシフトされ得る。それによって、電荷１９４が、転送プロセスにおいて隣接するピクセルを一時的に占有することを可能にする。

ピクセルの二次元的な例示的なアレイ２１０からの電荷のそのような転送は、図４で示されている。例示的なアレイ２１０は、ピクセルのアレイ２２０および出力レジスタ２２２を有する４×４のアレイとして示されている。例示的なピクセルのアレイ２２０は、４つのピクセル２１２ａ〜２１２ｄ、２１４ａ〜２１４ｄ、２１６ａ〜２１６ｄおよび２１８ａ〜２１８ｄの４つの列を含んでいる。例示的な出力レジスタ２２２は、４つのレジスタエレメント２２４ａ〜２２４ｄの一列を含んでいる。

例示的な読出動作の間、ピクセルに格納された電荷は、列２１８の電荷が（矢印２２８ｄにより示されているように）出力列２２４にシフトされ、列２１６の電荷が（矢印２２８ｃにより示されているように）列２１８のピクセルにシフトされるなどのように、（図４の描写で示されているように）垂直にシフトする。列２１８からの電荷が出力列２２４にシフトされるとき、（図４の描写で示されているように）水平にシフトされることによって、読出レジスタ２２２から読出され得る。出力レジスタ２２２の読出は、矢印２２６として示されている。このようにして、一連の組み合わせられたシフトでピクセル内の収集された電荷を転送することによって、対応するピクセルで元々収集された電荷の大きさは、読出プロセルの間、おおむね保存および決定され得る。

当該技術において理解されているように、所定のピクセルにおいて電荷を収集するプロセス、先述の方法においてピクセルからの電荷を読出すこと、およびそれに続く読出電荷処理は、測定された生物学的サンプルをこれもまた表している衝突信号を表している収集された電荷に少なくとも幾ばくかの「ノイズ」を導入する。ノイズは、暗電流寄与、スプリアス電荷寄与および読出オフセット寄与（これらに限定されない）を含む異なる寄与を含み得る。

暗電流は、概してピクセルが動作（統合もしくは露光動作を含む）されている間、（例えば、熱電子から生じる）自然に生成される電荷を含む。暗電流は、ピクセルが光にさらされようがなかろうが生成され、概して統合（露光）期間に比例する。

一部の実施様態において、暗電流の量は、読出時間が統合時間と比べて大きい場合において、アレイ全体にわたって異なり得る。このようにして、アレイの異なる部分を操作し得ることは、検出器の全体的な性能を増し得る。

スプリアス電荷は、ゲート電圧の印加の間、生じ得る。この効果は、特にゲートの先端付近で現れ得、そのように生成された電荷の一部は、移動し得、転送される収集された電荷の一部になり得る。このようにして、スプリアス電荷は、図３Ｂおよび４を参照して上述したシフト動作の間、ノイズに寄与し得る。スプリアス電荷の大きさは、さらに、ゲート電圧の大きさおよび／またはその期間に依存し得る。一部の実施様態において、そのような大きさは、ピクセルが電子増倍レジスタの一部であるかどうかに特に依存する。

読出オフセットは、概して、ピクセルから読出される電荷の処理の間に生じる。一例として、ＡＤＣ（アナログ−デジタルコンバータ）を介したアナログ（電荷）信号のデジタル表示への変換は、典型的にオフセットを導入する。暗電流と同様に、そのようなオフセットは、ピクセルが光にさらされようがなかろうが存在する。

図５において示されているように、本教示の一つの局面は、測定された生物学的サンプルを表している信号に影響するノイズの様々な寄与２３０を特徴づけるためにＣＣＤ１７２および／または読出１７４と相互作用するように構成されたコントローラ１７０に関する。先述のように、ノイズの寄与２３０は、暗電流、スプリアス電荷および読出オフセットを含み得る。

図６Ａおよび６Ｂは、所定のピクセルに関連した暗電流寄与を決定する一つの考えられる方法を示している。暗電流２４０を決定するプロセス２４０は、ＣＣＤの複数のピクセルそれぞれに対して実行され得る。プロセス２４０は開始状態２４２で始まり、それに続くステップ２４４において、プロセス２４０は、暗状態が検出器に適用されるように導く。それに続くステップ２４６において、プロセス２４０は、ピクセルから異なる期間を有する二つ以上の露光を提供する。記載を目的として、二つのそのような露光を使用する。しかしながら、本教示の精神を逸脱することなく二つより多くの露光が使用され得ることは、理解され得る。それに続くステップ２５０において、プロセス２４０は、ピクセル出力と露出期間との間の関係を提供する。そのような関係は、図６Ｂを参照して後述する方法における二つの露光から提供され得る。それに続くステップ２５２において、プロセス２４０は、単位露光期間あたりのピクセルの暗電流を決定する。プロセス２４０は、停止状態２５４において終了する。

一部の実施様態において、暗電流はまた、装置のマスクされた範囲から決定され得る。複数の露光は、暗電流の決定における信号対ノイズ比を改善するために提供および平均化され得る。

図６Ｂは、ピクセル出力と露光期間（時間）との関係のグラフ表示２６０を示している。第一データポイント２６２ａは、第一期間ｔ１の間持続する暗露光から提供される第一ピクセル出力Ｄ１に対応し、第二データポイント２６２ｂは、第二期間ｔ２の間持続する暗露光から提供される第二ピクセル出力Ｄ２に対応する。

上述のプロセス２４０の一インプリメンテーションにおいて、ピクセル出力と露出期間との関係は、第一データポイント２６２ａと第二データポイント２６２ｂとの間で線形関係２６４を外挿することによって提供される。暗電流は露光時間に比例するので、単位露光時間あたりの暗電流（ΔＤ／Δｔ）は、直線２６３の傾きから概算され得る。すなわち、

第一および第二データポイント２６２ａおよび２６２ｂを収集する他の考えられる方法だけでなく、線形関係２６０からの読出オフセットの決定が、以下にさらに詳述される。

図６Ａおよび６Ｂを参照して上述された暗電流決定方法において、ピクセル出力は、暗電流寄与、読出オフセット寄与およびスプリアス電荷寄与を含む。スプリアス電荷が含まれるのは、ピクセルから収集された電荷が上述のようにシフト動作により読出される必要があるからである。しかしながら、所定のピクセルに対して、スプリアス電荷寄与は、所定のシフトアウトゲート電圧印加スキームに対して概して一定であり、露光時間への有意な依存性を示さないものとして近似され得る。読出オフセットはまた、所定のピクセルに対して概して一定であり、露光時間に依存しないものとして近似され得る。式１により表されるように、単位露光時間あたりの暗電流の電荷は、ピクセル出力Ｄ２およびＤ１の二つの値における相違に関する。このようにして、スプリアス電荷および読出オフセット寄与は、暗電流決定において取り除かれ得る。

図７Ａおよび７Ｂは、出力レジスタからの読出に関連した読出オフセット寄与を決定する一つの考えられる方法を示している。図７Ａは、ピクセルアレイ２２０がシフトアウトされず、リセット後に読出レジスタ２２２が（矢印２７２により示されているように）読出される読出構成２７０を示している。一実施様態において、そのような読出からの出力は、読出オフセットを含み、メインアレイからのスプリアス電荷およびメインアレイピクセルに関連した暗電流寄与を含まない。

図７Ｂは、そのような読出オフセット決定を実行するプロセス２８０を示している。プロセス２８０は、開始状態２８２で始まり、それに続くステップ２８４において、プロセス２８０は、出力レジスタ２２２をリセットする。それに続くステップ２８６において、プロセス２８０は、出力レジスタ２２２を読出す。それに続くステップ２９０において、プロセス２８０は、出力レジスタ２２２の読出から生じる読出寄与を決定する。プロセス２８０は、停止状態２９２で終了する。

図８Ａは、データ取得プロセスの間に起こり得ることと同様のシフト・読出構成３００を示している。暗電流決定および補正を可能にするために、実質的暗環境は、ピクセルアレイ２２０に対して提供され得る。ピクセルアレイ２２０は、矢印２２８ａ〜２２８ｄおよび続くシフト動作それぞれにより示されているようにシフトアウトされ、出力レジスタ２２２は、矢印３０２により示されているように読出される。出力レジスタ２２２は、典型的には、（図４の２１８の）ピクセルの列から電荷のシフトを受け取る前において、リセットされる。

図８Ｂは、図８Ａを参照して上述したようなシフト・読出動作を実行するプロセス３１０を示している。プロセス３１０は、開始状態３１２で始まり、それに続くステップ３１４において、プロセス３１０は、露光時間ｔにわたるピクセルによる露光（組み込み）を引き起こす。それに続くステップ３１６において、プロセス３１０は、出力レジスタ２２２が電荷の列を受け取るように、出力レジスタ２２２をリセットし、シフト動作を実行する。それに続くステップ３２０において、出力レジスタ２２２は、読出される。ステップ３１６および３２０は、すべての列がシフトアウトおよび読出されるまで、必要に応じて繰り返される。それに続くステップ３２２において、プロセス３１０は、スプリアス電荷寄与を引き起こすためにピクセル出力から暗電流および読出オフセット寄与を取り除く。プロセス３１０は、停止状態３２４で終了する。

上述の方法で提供されるピクセル出力は、スプリアス電荷、暗電流および読出オフセットからの寄与を含む。暗電流寄与は、図６Ａおよび６Ｂを参照して上述された方法により概算され得る。すなわち、露光時間ｔに関連した暗電流は、（ΔＤ／Δｔ）ｔとして概算され得、ΔＤ／Δｔは式１で表現される。読出オフセット寄与は、図７Ａおよび７Ｂを参照して上述された方法により概算され得る。読出オフセット寄与は、概して露光時間ｔには依存しないので、前もって決定された読出オフセットが使用され得る。

図９Ａおよび９Ｂは、ノイズ寄与を決定するための代わりの方法を示す。図６Ａおよび６Ｂを参照して先に述べたように、二つの異なった露出時間において提供される二つのデータポイントは、暗電流を概算するために使用され得る。ＣＣＤの特定の構成において、暗電流として生成される帯電粒子の数は比較的に小さくなり得る。当該技術において理解されるように、暗電流生成のようなランダムなイベントはポアソンゆらぎを受け、生成粒子の期待数Ｎにおける不確定性は約１／√Ｎである。このように、一例として、所定の露光期間の間平均１００個の帯電粒子が生成される場合、Ｎ＝１００であり、不確定性は、１／１０＝０．１（１０％）である。期待数Ｎ＝１０である場合、不確定性は、約３３％に跳ね上がる。このように、図６Ｂの二つの例示的なデータポイント２６２ａおよび２６２ｂは、有意な不確定性を有し得る。結果として、決定された暗電流はまた、関連した有意な不確実性を有し得る。

一部の実施様態において、検出器は暗電流決定のためのマスク領域を含み得る。マスク領域からの測定は、メインアレイからのデータ測定と同時に提供され得る。暗電流寄与は、後述される方法で直線にフィッティングすることによって決定され得る。

ポアソンゆらぎを軽減するための一つの考えられる方法は、所定の露光時間に対して暗電流の期待値を正確に決定するために同じ測定を十分な回数実行することである。そうすると、複数の測定された暗電流値はガウス分布を生じ、その分布のピーク（および幅）は、既知の多数の方法で決定され得る。そのような技術は、平均バックグランドからの暗電流の概算が困難であり得るホット（ｈｏｔ）ピクセルにとって特に有益であり得る。

図９Ａは、露光時間あたりの期待暗電流生成をより正確に決定するために複数の暗電流測定を実行するプロセス３３０を示している。プロセス３３２は、開始状態３３２において始まり、それに続くステップ３３４において、プロセス３３０は、検出器を実質的な暗状態にさせる。それに続くステップ３３６において、プロセス３３０は、二つ以上の露光時間においてピクセルからの露光を提供する。本明細書における記載を目的として、二つの露光時間を使用する。しかしながら、２より大きい任意の数も本教示の精神から逸脱することなく使用され得ることもまた理解され得る。それに続くステップ３４０において、プロセス３４０は、上述のように提供されるデータポイントの数が統計的に十分であるか否かを決定する。そのような精度基準を決定する一つの方法は、図９Ｂを参照して後述される。それに続く決定ステップ３４２において、プロセス３３０は、収集されたデータが十分か否かを決定する。収集されたデータが十分でない場合、プロセス３３０は、より多くのデータを収集するためにステップ３３６にループバックする（ｌｏｏｐ ｂａｃｋ）。収集されたデータが十分である場合、ステップ３４４におけるプロセス３３０は、暗電流寄与を決定するように、収集されたピクセル出力データを処理する。ステップ３４６におけるプロセス３３０は、そうして暗電流寄与に基づいた他のノイズ寄与を決定し得る。プロセス３３０は、停止状態３４８で終了する。

プロセス３３０の一インプリメンテーションにおいて、決定ステップ３４２〜ステップ３３６のくり返しのループは、二つのデータポイントのＭセットを収集するために実行され得る。Ｍセットは、一度に（二つの異なる露光時間における二つのデータポイント）の一セット提供され得る。あるいは、第一露光時間における第一データポイントが、Ｍ回提供され得、第二露光時間でのＭの第二データポイントが続く。一部の実施様態において、後者の方法は、温度の変化に影響を受けにくい。

上述の方法での複数のデータポイントの収集は、露光時間（ｔ）に対するピクセル出力（Ｓ）の依存性３５０を生じ得る。第一データポイント３５２ａの集団は、露光時間ｔ１に対応し、第二データポイント３５２ｂの集団は、露光時間ｔ２に対応する。第一および第二データポイント３５２ａ、３５２ｂの集合は、ガウス分布を形成するために「Ｓ」軸上に投影され得る。第一および第二ガウスシアンの平均値は、複数の既知の方法で決定され得る。第一平均値Ｓ１は、第一露光時間ｔ１に対応し得、第二平均値Ｓ２は、第二露光時間ｔ２に対応し得る。

一旦第一および第二平均データポイント（ｔ１、Ｓ１）および（ｔ２、Ｓ２）が第一および第二露光データポイントの集団を表すと、線形関係３５４が提供され得る。線３５４は、第一および第二平均データポイントを通って延び、任意の露光時間ｔに対するピクセル出力Ｓの外挿を可能にために、それ以上に延び得る。線３５４の傾きΔＳ／Δｔ＝（Ｓ２−Ｓ１）／（ｔｓ−ｔ１）は、図６Ｂを参照して上述された式１の傾きと同様の方法での単位露光時間あたりの暗電流を表している。このようにして、所定の露出時間ｔに対応する暗電流は、（ΔＳ／Δｔ）ｔとして決定され得る。一実施様態において、ホットピクセルは、上述のアプローチから決定され、除外される。

図９Ｂを参照して上述されたピクセル出力曲線３５０は、また図６Ｂを参照して上述されたピクセル出力曲線２６０の延長を反映し得る。上述の方法でのＭ回のピクセル出力測定の反復は、ランダムなゆらぎを軽減することによって第一および第二ピクセル出力の改善された概算を提供する。図７Ａおよび７Ｂの読出オフセットの決定に対応する同様の反復測定が、読出オフセット寄与の改善された平均値を提供するために実行され得ることは、理解され得る。

上述の方法において提供される読出オフセット寄与がピクセルそれぞれに全体的に適用され得ることは、理解され得る。例示的なピクセル出力曲線３５０は、選択されたピクセルを表している。このようにして、各ピクセルは、露光時間ｔをそのピクセルの出力Ｓと関連付ける情報に関連し得る。そのような情報は、Ｓとｔとの間で線形関係の傾きまたはｙ切片を含み得る。

先述のように、Ｓ−ｔ関係の傾きは、単位露光時間あたりの暗電流を表す。一実施様態において、ｙ切片（図９ＢにおけるＳ０）は、実質的にゼロ露光時間を表すはずであり、このようにして、Ｓ０は、スプリアス電荷および読出オフセット寄与を含むが、暗電流寄与は含まない。Ｓ０値からの全体的な読出オフセット値の減算は、ピクセルのスプリアス電荷寄与を生じる。しかしながら、多数のカメラは、非ゼロの時切片を有し、こうして、Ｓ−ｔ曲線の公称原点は、ゼロより大きいか小さくあり得る。そのような原点は、時間の関数として、異なる光露光強度に関連したいくつかの異なる曲線をプロットすることによって決定され得る。交点もしくは一般的な交差範囲は原点を表し得る。

図９Ｂに示されているように、Ｓ０の値（スプリアス電荷プラス読出オフセット値）を概算する代替方法は、ｔ０’の比較的に短い露光時間における所与のピクセルの出力Ｓ０’を提供することを含む。一部の実施様態において、ｔ０’の比較的に小さい値のために、対応する暗電流寄与は無視され得、Ｓ０’の値は、スプリアス電荷および読出オフセット寄与を含む。Ｓ０’値からの全体的な読出オフセット値の減算は、そうして、ピクセルのスプリアス電荷寄与の概算を生じ得る。特定の状況において、そのような方法は有利であり得る。その方法が第一および第二データポイント３５２ａおよびｂから外挿されるｙ切片に依存する必要がないからである。

非冷却のカメラなどの一部の実施様態において、読出からの暗電流は、無視可能なほどではない。さらに、クロッキングのときにおいて、暗電流は、ＭＭＰモードで動作されるとき、特に増加し得る。

図９Ｃは、Ｓ１およびＳ２値を生じるためにどのように複数のピクセル出力の平均値が決定され得るのかを示している。先述のように、ピクセル出力データポイントの「Ｓ」軸上への投影は、ピクセル出力値の分布を形成する。そのような分布６００は図９Ｃに示されており、図９Ｃでは、データポイントの第一および第二集団に対応する第一および第二分布６０４および６０６を生じるために複数の適切にサイズ設定されたビン６０２にピクセル出力値がヒストグラム化されている。

図９Ｃに示されているように、例示的なガウス分布分析６１０および６１２は、それぞれの分布６０４および６０６へのビットとなり得る。曲線を分布にフィッティングするためのガウス分布分析は、多数の既知の方法において実行され得る。さらに、ガウス分布分析６１０および６１２に基づいて平均値Ｓ１およびＳ２が提供され得る。

図９Ｄは、上述の方法で提供される複数の読出オフセット値に対する類似の分布６２０を示している。読出オフセット値は、読出オフセットヒストグラム６２４を生じるために複数の適切にサイズ設定されたビン６２２にヒストグラム化され得る。ヒストグラム６２４は、そうして読出オフセット寄与を表し得る平均オフセット値の決定を可能にするためにガウス分布分析６２６にフィッティングされ得る。

図１０ＡおよびＢは、スプリアス電荷の所望のレベルを結果として生じるゲート電圧プロファイルを提供するためにゲート電圧プロファイルが変化している間において、スプリアス電荷寄与を特徴づける例示的な方法を示す。図１０Ａは、ポテンシャルプロファイル３６４を有する例示的な転送構成３６０を示している。例示的なポテンシャルプロファイル３６４は、ゲート１８６ｂ下部の井戸およびゲート１８６ｃ下部の反転領域３７２を含む。反転領域３７２は、ゲート１８６ｃへのゲート電圧印加により引き起こされるポテンシャルの深さ３７０を有する。概して、ポテンシャルの深さ３７０は、少なくともある程度、スプリアス電荷の生成の程度を決定する。スプリアス電荷の生成はまた、ポテンシャルが非反転から反転構成へと遷移（すなわち、ゲート１８６ｃにおけるゲート電圧の遷移）する方法に依存し得る。一部の実施様態において、スプリアス電荷生成は、特に、クロックエッジの遷移のスピードに依存する。ゲート電圧は、典型的に、類似の井戸の深さを維持するためにより高いクロックスピードに対してより大きいことが必要とされる。図１０Ａにおいて、ポテンシャル遷移領域３６６は、収集井戸から反転領域３７２への遷移を示す。スプリアス電荷生成はまた、どのくらい長く反転ゲート電圧が印加されているかに依存し得る。

特定の実施様態において、ポテンシャルプロファイル３６４の様々な考えられる操作は、コントローラ１７０によって導入され得る。コントローラ１７０は、ゲート電圧回路３６２が様々なゲート電圧を印加する方法を制御し得る。

図１０Ｂは、ゲート電圧印加の様々な構成に対してスプリアス電荷を特徴づける例示的なプロセス３８０を示している。プロセス３８０は、開始状態３８２で始まり、それに続くステップ３８４において、プロセス３８０は、所定の生物学的分析のために使用され得るＣＣＤに関連したスプリアス電荷の所望の範囲を決定する。それに続くステップ３８６において、プロセス３８０は、図１０Ａを参照して上述される一つ以上のポテンシャルプロファイル変化を引き起こすために一つ以上のゲート電圧パラメーターの変動を導く。それに続くステップ３９０において、プロセスは、選択されたポテンシャルプロファイルから生じるスプリアス電荷を決定する。それに続くステップ３９２において、プロセス３８０は、スプリアス電荷寄与が所望の範囲内であるかどうかを決定する。それに続く決定ステップ３９４において、プロセス３８０は、ゲート電圧パラメーターに対する変動を続けるべきか否かを決定する。答えが「はい」である場合、プロセス３８０は、さらなるゲート電圧の変動を促進するためにステップ３８６にループバックする。答えが「いいえ」である場合、プロセス３８０は、プロセス３８０がゲート電圧パラメーターをセーブおよび／またはインプリメントさせるステップ３９６に進む。プロセス３８０は、停止状態４００で終了する。

ゲート電圧パラメーターの「チューニング」プロセスが、一つ以上のパラメーターに対する応答スプリアス電荷応答を作成するために使用され得ることは、理解され得る。特定の実施様態において、アレイ内のピクセルは、パラメーターの所定のセットに異なる応答をし得る。スプリアス電荷の管理を最適化するための一つの方法は、全てのピクセルからの平均スプリアス電荷の最少量となる一セットのパラメーターを選択することである。本教示の精神から逸脱することなく、上述された方法において決定されたゲート電圧パラメーターが多数の方法で任意の組み合わせのピクセルに適用され得ることは、理解され得る。

上述の方法でピクセルのノイズ寄与を特徴づけることができることは、改善された方法でのピクセルアレイを特徴づけることを可能にする。図１１〜１３は、ピクセルのノイズ寄与の知識および有用性から利益を得うる一部の例示的なアプリケーションを示している。特に、図１１Ａ〜１１Ｃは、どのように「ホット」ピクセルがピクセルアレイにおいて識別され得るかを示している。図１２Ａ〜１２Ｃは、どのように「コールド（ｃｏｌｄ）」もしくは「デッド（ｄｅａｄ）」ピクセルがピクセルアレイにおいて識別され得るかを示している。図１３Ａ〜１３Ｃは、どのようにピクセルの応答が標準化され得るかを示している。当該技術において知られているように、ホットピクセルは、過度の暗電流生成を表し得る。デッドピクセルは、衝突信号に応答する出力または暗電流の不足を表し得る。ピクセルは、実質的に同一の入力に対しかつ実質的に同一の動作状況下における出力レベルのいくつかの変動を典型的に表す。

図１１Ａは、アレイ内のピクセルそれぞれに対する暗電流寄与を決定するプロセス４１０を示している。プロセス４１０は、開始状態４１２で始まり、それに続くステップ４１４において、プロセス４１０は、検出器に暗状態が提供されるようにする。暗電流寄与決定は、上述の方法でのピクセルの出力からのスプリアス電荷および読出オフセット寄与の除去を含み得る。プロセス４１０は、停止状態４２０で終了する。

特定の実施様態において、プロセス４１０はあらかじめ実行され得、ピクセルに対する暗電流寄与は、すでに一部のデータベースに格納され得る。他の実施様態において、暗電流寄与決定の一部または全ては、ホットピクセル識別の目的のために実行され得る。

図１１Ｂは、ホットピクセルを識別するためにピクセルの暗電流情報を使用するプロセス４３０を示している。プロセス４３０は、開始状態４３２で始まり、それに続くステップ４３４において、プロセス４３０は、ピクセルの暗電流寄与の平均値を決定する。プロセス４３０の特定のインプリメンテーションにおいて、「メインストリーム」値の全体的な集団から実質的に逸脱する暗電流値は、中央値または加重平均（所定の基準逸脱を超えることにより除外されないそれらの値を平均すること）を使用するような多数の既知の技術を介する平均化プロセスから除去され得る。それに続くステップ４３６において、プロセス４３０は暗電流寄与の閾値を決定する。その閾値より上においてはピクセルはホットであると考えられ得る。それに続くステップ４４０において、プロセス４３０は、ピクセルそれぞれの暗電流とホットピクセルを識別するための閾値とを比較する。プロセス４３０は、停止状態４４２で終了する。

図１１Ｃは、複数のピクセル４５２およびそれらに対応する暗電流４５４を示す例示的な暗電流分布４５０を示している。例示的な閾値レベル４５６はまた、破線で示されている。そのような例示的なピクセルアレイにおいて、ピクセル４５２ｅが、閾値レベル４５６を超える暗電流を表すことが理解され得る。このようにして、例示的なピクセル４５２ｅはホットピクセルと識別され得る。

特定の実施様態において、閾値レベルは、ノイズレベルよりも上の約三つの基準逸脱でセットされ得る。そのとき、ホットではないピクセルが不注意に選択されたのではないことを保証するために多数の画像が使用され得る。しかしながら、閾値レベルが本教示の精神から逸脱することなく任意のレベルにセットされ得ることは、理解され得る。

図１２Ａは、デッドピクセルの識別を容易にするために衝突光信号に対するピクセルの応答を決定するプロセス４６０を示している。プロセス４６０は、開始状態４６２で始まり、それに続くステップ４６４において、プロセス４６０は、検出器に実質的に均一な照明条件が提供されるようにする。それに続くステップ４６６において、プロセス４６０は、選択された露光期間の間、検出器からの露光を提供する。そのような露光は、個々のピクセルからの露光を含む。それに続くステップ４７０において、プロセス４６０は、各ピクセルの補正された信号を生じるために、各ピクセルの出力信号からの暗電流、スプリアス電荷および読出オフセット寄与を除去する。プロセス４６０は、停止状態４７２で終了する。

特定の実施様態において、プロセス４６０は前もって実行され得、ピクセルに対する補正された信号は、既に、一部のデータベースに格納され得る。他の実施様態において、補正された信号決定の一部または全ては、デッドピクセル識別の目的のために実行され得る。

図１２Ｂは、デッドピクセルを識別するために、ピクセルの補正された信号情報を使用するプロセス４８０を示している。プロセス４８０は、開始状態４８２で始まり、それに続くステップ４８４において、プロセス４８０は、ピクセルの補正された信号の平均値を決定する。プロセス４８０の特定のインプリメンテーションにおいて、「メインストリーム」値の全体的な集団から実質的に逸脱する補正された信号値は、任意数の既知の技術を介した平均化プロセスことから除去され得る。それに続くステップ４８６において、プロセス４８０は、補正された信号の閾値を決定する。その閾値より下ではピクセルは、デッドまたはコールドだと考えられ得る。それに続くステップ４９０において、プロセス４８０は、各ピクセルの補正された信号と、デッド／コールドピクセルを識別するための閾値とを比較する。プロセス４８０は、停止状態４９２で終了する。

図１２Ｃは、複数のピクセル４５２およびそれらの対応する補正された信号５０２を示している例示的な補正された信号分布５００を示している。例示的な閾値レベル５０４はまた、破線として示されている。そのように例示的なピクセルアレイにおいて、ピクセル４５２ｇが実質的にゼロで、それゆえ閾値レベル５０４より下に分類される例示的な補正された信号を示していることは、理解され得る。このようにして、例示的ピクセル４５２ｇは、デッドピクセルとして識別され得る。特定の実施様態において、ピクセルであって、そのピクセルの補正された信号が有限であるが閾値５０４より下に分類される、ピクセルは、コールドピクセルとして識別され得る。

特定の実施様態において、閾値レベルは、非コールドピクセルが不注意に選択されない可能性を低減するために、ホットピクセルの場合と概して類似した方法で設定され得る。しかしながら、本教示の精神から逸脱することなく、閾値レベルがどのようなレベルにも設定され得ることは、理解され得る。

図１３Ａは、ピクセルの応答の比較を容易にするために、実質的に均一な衝突光信号に対するピクセルの応答を決定するプロセル５１０を示している。どのようにピクセルが実質的に均一な光に応答するかに関連した信号ノイズ寄与は、光応答の不均一性として知られている。プロセス５１０は、開始状態５１２で始まり、それに続くステップ５１２において、プロセス５１０は、検出器に実質的に均一な照明条件が提供されるようにする。それに続くステップ５１６において、プロセス５１０は、比較的に長い露光期間の間、検出器からの露光を提供する。そのような露光は、個々のピクセルからの露光を含む。それに続くステップ５２０において、プロセス５１０は、各ピクセルの補正された信号を生じるために各ピクセルの出力信号からの暗電流、スプリアス電荷および読出オフセット寄与を除去する。プロセス５１０は、停止状態５２２で終了する。

特定の実施様態において、プロセス５１０は前もって実行され得、ピクセルに対する補正された信号は、既に、一部のデータベースに格納され得る。他の実施様態において、補正された信号決定の一部または全ては、後述のピクセル応答分析を目的として実行され得る。

図１３Ｂは、ピクセルの応答と、実質的に均一な入力とを比較するためにピクセルの補正された信号情報を使用するプロセス５３０を示している。プロセス５３０は、開始状態５３２で始まり、それに続くステップ５３４において、プロセス５３０は、ホットまたはデッドではないピクセルの補正された信号の平均値を決定する。それに続くステップ５３６において、プロセス５３０は、補正された信号の平均値に基づいて各ピクセルに対する標準化因子を決定する。それに続くステップ５４０において、プロセス５３０は、それに続く信号測定の間、ピクセルがアプリケーションを可能にするための標準化因子を保存する。プロセス５３０は、停止状態５４２で終了する。

図１３Ｃは、複数のピクセル４５２およびそれらの対応する補正された信号５５２を示している例示的な補正された信号分布５５０を示す。補正された信号に対する例示的な平均値５５４はまた、破線として示されている。そのような例示的なピクセルのアレイにおいて、例示的なホットピクセル４５２ｅはホットであると識別され、その出力信号は分布から除去されていることは、理解され得る。さらに、例示的なデッドピクセル４５２ｇは、デッドであると識別される。残存する例示的なピクセル４５２ａ〜４５２ｄ、４５２ｆおよび４５２ｈ〜４５２ｊは、関連標準化因子を有し得る。例えば、ピクセル４５２ａは、特にこの標準化スキームの例ではピクセルの出力が平均応答レベルより約２０％大きいことを意味している１．２の例示的な標準化因子を有する。このようにして、ピクセル４５２ａからのそれに続いて補正された信号を標準化するために、その補正された信号は、因子１．２により除算され得る。それによって、信号の値が約２０％低減する。任意数の標準化スキームが本教示の精神から逸脱することなく、ピクセルの応答を標準化するために利用され得ることは、理解され得る。

図１４は、上述のノイズ寄与に対して補正するための信号の例示的な処理を示し、その処理により、測定の質を改善される。複数の先端５６２を有している例示的なファイバーアレイ５６０は、記載を目的として使用される。しかしながら、補正プロセスは、本教示の精神から逸脱することなく、他の任意の生物学的分析に適用され得る。

フラグメントの例示的な集団５６４は、ファイバーの先端５６２のうちの一つに取り付けられているものとして記載されている。フラグメント５６４は、検出可能な信号５６６であって、その信号の強度および空間分布がサンプル中のフラグメントのタイプまたは濃度を示している、検出可能な信号を放出する蛍光標識でタグをつけられている。信号５６６は、検出器に衝突し、ピクセルは、ピクセル４５２に対応している読出信号５７２を含んでいる生データを生じるためにシフトおよびレジスタ読出動作によって読出される。

生データ５７０は、そうして、上述のように、ノイズ寄与に対して補正され得る。オフセット情報５７４は、読出オフセット、スプリアス電荷および暗電流寄与を含む正味の補正値を含んでいるものとして記載されている。補正値は、各ピクセルに関連し、好ましくは、暗電流寄与は、サンプル信号５６６の発射の露光期間を説明する。オフセット情報５７４はまた、上述のように決定されたホットおよび／またはデッドピクセルを識別し得る。オフセット情報５７４は、図１４では単一エンティティとして記載されているが、ホット／デッドピクセルリストだけでなくノイズ寄与情報も、任意数の方法である形態のデータベースに格納され得る。

ピクセルの生データからのオフセット値の除去は、ピクセル４５２に対応する補正された信号５８０を含んでいる補正されたデータ５７６を生じる。補正されたデータ５７６はまた、さらなる処理から除去されたホットおよびデッドピクセルに関連した信号（または信号の不足）を有しているものとして記載されている。

補正されたデータ５７６は、標準化因子情報５８２により記載されているような標準化因子を組み込むことにより標準化され得る。情報５８２は、上述のオフセット情報の場合と類似の方法である形態のデータベースに格納され得る。補正されたデータ５７６の標準化は、ピクセル４５２に対応する標準化された信号５８６を含んでいる標準化されたデータ５８４を生じる。

この段階において、標準化されたデータ５８４は、生データ５７０または補正されたデータ５７６の表現よりも、検出された信号５６６の正確な表現である。特定の実施様態において、ホットおよび／またはデッピクセルから生じるギャップは、任意数の方法で説明され得る。例えば、ホットピクセル４５２ｅは、二つの隣接するピクセルの信号値の平均を取ることによって、概算値を割り当てられ得る。このようにして、ピクセル４５２ｅに対する概算値ｅは、（ｄ＋ｆ）／２として表され得る。同様に、デッドピクセル４５２ｇは、概算値ｇ＝（ｆ＋ｈ）／２を割り当てられ得る。二次元画像においても同様に、八つの周囲ピクセルは、ホット／デッドピクセルに対する値を概算するために平均化され得る。

上述のような、補正、標準化および考えられるギャップを埋めることは、サンプル信号５６６を表している分析データ５９０を生じる。分析データ５９０は、ピクセル４５２に対応する分析信号５９２を含む。分析データ５９０はさらに、サンプル信号５６０の空間分布および／または強度の観点からデータ５９０をパラメーター化することを可能にするために、フィッティング曲線５９４により特徴づけられ得る。

ＣＣＤの動作に関連した様々なノイズ寄与は、任意の組み合わせで決定、格納および適用され得る。ノイズ寄与の適用は、分析対象の生物学的サンプルの改善された表現を生じるための上述のような測定されたデータの補正を含み得る。ノイズ寄与の適用はまた、設備の診断および／または較正の目的のために、一部が上記で例示された様々な生物学的分析装置の特徴づけを含み得る。さらに、様々なノイズ寄与補正パラメーターは、装置の様々な較正段階の間、本教示の精神から逸脱することなく、サンプル測定またはそれらサンプル測定の任意の組み合わせと協働して、提供され得る。

本発明の上記で開示された実施様態は、上記で開示された実施様態に適用されるものとして本発明の主要かつ新規な特徴を示し、記述し、指摘しているが、示されている装置、システムおよび／または方法の詳細の形での様々な省略、代用および変更が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によりなされ得ることは、理解されるべきである。従って、本発明の範囲は、上述の記載に限定されるべきではなく、添付の請求項により定義されるべきである。

図１Ａは、本教示に従った生物学的に関連した処理に関連したコンポーネントを測定するように適合されたシステムの機能ブロック図を示す。図１Ｂおよび図１Ｃは、本教示に従った選択された方法で電磁エネルギーを放出するように適合されたサンプルからの信号を検出するためにＣＣＤを利用する例示的な生物学的分析システムを示す。 図２は、本教示に従ったＣＣＤ読出制御システムの一実施様態を示す。 図３Ａおよび図３Ｂは、本教示に従ったピクセルに対する電荷収集および電荷転送構成の一実施様態を示す。 図４は、本教示に従ったピクセル電荷シフトによるピクセルアレイ読出の一実施様態を示す。 図５は、本教示に従ったピクセルの動作に関連したノイズの様々な寄与の特徴づけを可能にする読出制御システムの一実施様態を示す。 図６Ａおよび図６Ｂは、本教示に従ったピクセルの動作に関連したノイズの暗電流寄与を決定するための方法を示す。 図７Ａおよび図７Ｂは、本教示に従ったピクセルの動作に関連したノイズの読出オフセット寄与を決定するための方法を示す。 図８Ａおよび図８Ｂは、本教示に従ったピクセルの動作に関連したノイズのスプリアス電荷寄与を決定するための方法を示す。 図９Ａ〜図９Ｄは、本教示に従ったピクセルの動作に関連した様々なノイズの寄与を決定するための別の方法を示す。 図９Ａ〜図９Ｄは、本教示に従ったピクセルの動作に関連した様々なノイズの寄与を決定するための別の方法を示す。 図９Ａ〜図９Ｄは、本教示に従ったピクセルの動作に関連した様々なノイズの寄与を決定するための別の方法を示す。 図９Ａ〜図９Ｄは、本教示に従ったピクセルの動作に関連した様々なノイズの寄与を決定するための別の方法を示す。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、本教示に従った収集された電荷をシフトさせるためにピクセルに印加されるゲート電圧プロファイルの関数としてスプリアス電荷生成を特徴づけるための方法を示す。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、本教示に従ったホットピクセルを識別するためのピクセルのノイズ寄与の特徴づけのアプリケーションを示す。 図１２Ａ〜図１２Ｃは、本教示に従ったコールドまたはデッドピクセルを識別するためのピクセルのノイズ寄与の特徴づけのアプリケーションを示す。 図１３Ａ〜図１３Ｃは、本教示に従ったピクセルの応答を標準化するためのピクセルのノイズ寄与の特徴づけのアプリケーションを示す。 図１４は、本教示に従ったＣＣＤから出力された生信号を補正するためのピクセルのノイズ寄与の特徴づけのアプリケーションを示す。

Claims (39)

1. 一つ以上の生物学的サンプルに関連した一つ以上の識別可能な信号を検出するシステムであって、
   該生物学的サンプルから発せられた蛍光の光学像を形成可能な複数のピクセルを含んでいるセグメント化された検出器と、
   各ピクセルから出力信号を読出し可能な読出しコンポーネントであって、該出力信号は、該ピクセルから収集および移動された電荷を含み、該読出しコンポーネントは、読出しのために該複数のピクセルから移動された電荷を受け取る出力レジスタを含む、読出しコンポーネントと、
   該出力信号からの信号ノイズを補正可能なコントローラであって、該信号ノイズは、暗電流寄与と読出オフセット寄与とを含む、コントローラと、
   該暗電流寄与と該読出オフセット寄与とを決定可能なプロセッサと
   を備える、システム。
2. 前記信号ノイズは、光応答不均一寄与をさらに含み、前記プロセッサは、該光応答不均一寄与を決定可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記信号ノイズは、スプリアス電荷寄与をさらに含み、前記プロセッサは、該スプリアス電荷寄与を決定可能である、請求項２に記載のシステム。
4. 前記複数のピクセルが、ピクセルの行および列としてアレイ状に配置され、前記出力レジスタは、ピクセルの行に対応するレジスタエレメントの行を含む、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ピクセルの電荷の移動は、電荷が前記出力レジスタにシフトされるまで、収集された電荷の行を連続してシフトすることを含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ピクセルの電荷の移動は、前記電荷を収集するように構成されたポテンシャル井戸の一方側の反転を引き起こすようなゲート電圧の印加を含み、該反転は、該収集された電荷が空間的にシフトさせ、それによって、前記シフト動作を容易にする、請求項５に記載のシステム。
7. 前記暗電流寄与は、実質的暗状態に対する前記ピクセルの露光によって生成され、該実質的暗状態に対する該ピクセルの露光時間に比例する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記露光時間は読出時間を含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記システムは、ヌクレオチド配列決定と、マイクロアレイ処理と、配列検出と、高スループットスクリーニングとから選択された生物学的分析に適合される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記読出オフセット寄与は前記読出コンポーネントによって生成され、該読出オフセット寄与は、前記ピクセルの前記露光時間または該ピクセルからのシフトに有意には依存しない、請求項１に記載のシステム。
11. 前記暗電流寄与は、単位露光時間あたりの暗電流生成を決定するために、実質的暗状態において、異なる露出時間を有する第一露光および第二露光を提供することによって決定される、請求項１に記載のシステム。
12. 前記暗電流寄与は、実質的暗状態に対して選択された露光時間で露光を提供することによって決定され、前記スプリアス電荷寄与は、暗信号出力から該暗電流寄与と読出オフセット寄与とを除去することによって決定される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記プロセッサは、前記ピクセルのそれぞれの暗電流寄与を分析することによってホットピクセルを識別可能である、請求項１に記載のシステム。
14. 前記プロセッサは、前記ピクセルのそれぞれの暗電流寄与と、該ピクセルのそれぞれの光応答不均一寄与とを分析することによってデッドピクセルを識別可能である、請求項１に記載のシステム。
15. 前記コントローラは、前記ピクセルのそれぞれに関連した前記暗電流寄与と、前記読出オフセット寄与と、前記スプリアス電荷寄与とに基づいて、該ピクセルの前記応答を標準化するように適合される、請求項１に記載のシステム。
16. 生物学的サンプル用のセグメント化された検出器のピクセルのアレイからの信号ノイズを低減する方法であって、該信号ノイズは、暗電流寄与と読出オフセット寄与とを含んでおり、該方法は、
    該ピクセルのアレイに実質的暗状態を提供することであって、該暗状態は、該生物学的サンプルから発せられる蛍光が実質的にないことを含む、ことと、
    第一露光期間の間電荷を収集することと、該収集された電荷を出力レジスタに移動することと、該レジスタを読出すこととによって、該ピクセルのアレイのビン化部分から第一出力信号を提供することであって、該ビン化ピクセルからの該収集された電荷の移動は、該ビン化ピクセルから該収集された電荷を移動させるために、該ビン化ピクセル付近の領域にゲート電圧を提供することを含み、該収集された電荷は、該収集された電荷が該出力レジスタにシフトされるように、移動される、ことと、
    第二露光期間の間電荷を収集することと、該収集された電荷を該出力レジスタに移動することと、該出力レジスタを読出すこととによって、該ピクセルのそれぞれから第二出力信号を提供することと、
    該出力レジスタをリセットすることと、読出すこととによって、第三出力信号を提供することと、
    該第一出力信号と、該第二出力信号と、該第三出力信号とから、該暗電流寄与と、該読出オフセット寄与とを決定することと
    を含む、方法。
17. 前記信号ノイズは、光応答不均一寄与をさらに含み、前記方法は、該スプリアス電荷寄与を決定することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記収集された電荷が、スプリアス電荷を生成することを含み、前記信号ノイズが、スプリアス電荷寄与をさらに含み、前記方法が、該スプリアス電荷寄与を決定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記暗電流寄与を決定することが、前記第一出力信号と前記第二出力信号とを相関を明らかにすることを含む、請求項１６に記載の方法。
20. 第一露光時間の間出力信号を収集することによって前記第一出力信号を複数提供することと、第二露出時間の間出力信号を収集することによって前記第二出力信号を複数提供することとをさらに含み、前記暗電流寄与を決定することは、該複数の第一出力信号に対する第一平均値と、該複数の第二出力信号に対する平均値を計算することとを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記読出オフセット寄与を決定することが、前記第三出力信号を分析することを含む、請求項１９に記載の方法。
22. 前記スプリアス電荷寄与を決定することが、前記収集された電荷の前記移動を分析することを含む、請求項１７に記載の方法。
23. 前記スプリアス電荷寄与が、前記ピクセル周辺の領域に印加されるゲート電圧プロファイルに依存する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記暗電流寄与を決定することが、各ピクセルの暗電流信号出力と、該ピクセルのアレイに関連した暗電流の平均、中央値または加重平均とを比較することによる、該ピクセルのアレイ内のホットピクセルの識別を含む、請求項１６に記載の方法。
25. 前記ピクセルのアレイ内のデッドピクセルを決定することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
26. 前記暗電流寄与と前記読出オフセット寄与とに対する補正によって蛍光に応答する各ピクセルからの前記信号出力を標準化することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
27. 光応答不均一寄与に対する補正によって蛍光に応答する各ピクセルからの前記信号出力を標準化することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
28. スプリアス電荷寄与に対する補正によって蛍光に応答する各ピクセルからの前記信号出力を標準化することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
29. 生物学的サンプルの分析に適合された電荷結合素子（ＣＣＤ）の動作に関連した信号ノイズを特徴づける方法であって、該信号ノイズが、暗電流寄与と、読出オフセット寄与と、スプリアス電荷寄与とを含み、該方法は、
    第一露光期間の間、実質的暗状態の下で該ＣＣＤから提供される第一出力に関連した複数の第一データポイントを提供することと、
    第二露出期間の間、該実質的暗状態の下で該ＣＣＤから提供される第二出力に関連した複数の第二データポイントを提供することであって、該第二露出期間は該第一露出期間とは異なる、ことと、
    電荷を移動せずに該ＣＣＤのクリアされた出力レジスタから提供される第三出力に関連した複数の第三データポイントを提供することと、
    該第一データポイントと該第二データポイントとを比較することによって、単位露光時間あたりの該暗電流寄与を決定することと、
    該第三データポイントから該読出オフセット寄与を決定することと、
    該暗電流寄与と該読出オフセット寄与とに基づいて該スプリアス電荷寄与を決定することと
    を含む、方法。
30. 前記第一データポイントと前記第二データポイントとを比較することは、第一データポイント分布からの第一平均値と、第二データポイント分布からの第二平均値とを提供することを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記平均値は、各分布のガウス分析によって提供される、請求項３０に記載の方法。
32. 前記第一データポイントと前記第二データポイントとを比較することは、前記データポイントの線形回帰を含む、請求項２９に記載の方法。
33. 前記線形回帰の傾きは、単位露光時間あたりの前記暗電流寄与を表す、請求項３２に記載の方法。
34. 前記線形回帰のｙ切片は、前記読出オフセット寄与とスプリアス電荷寄与との合計を表す、請求項３３に記載の方法。
35. 前記第三データポイントから前記読出オフセット寄与を決定することは、第三データポイント分布からの平均オフセット値を提供することを含む、請求項２９に記載の方法。
36. 前記平均オフセット値は、前記第三データポイント分布のガウス分析によって提供される、請求項３５に記載の方法。
37. ヌクレオチド配列決定と、マイクロアレイ処理と、配列検出と、高スループットスクリーニングとのうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
38. ヌクレオチド配列決定と、マイクロアレイ処理と、配列検出と、高スループットスクリーニングとのうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
39. 前記複数のピクセルの少なくとも一部分に実質的暗状態を提供するために、マスク領域をさらに備える、請求項１に記載のシステム。

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