JP2010536029A - Apparatus and method for digital magnetic bead analysis - Google Patents

Apparatus and method for digital magnetic bead analysis Download PDF

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Abstract

光に対して一部透過性であり不透明であるデジタルコード化構造を有する光透過アッセイビーズまたはデジタル磁気マイクロビーズ。数百または数千のLITABがマイクロプレート中のマイクロウェルの底に沈められると、バーコードは画像処理により正確かつ確実に解読できる。マイクロプレートは、一般のバイオアッセイフォーマットである;各プレートは、96、384、または1536の患者サンプルを有してもよい。したがって、1つのサンプル中で多数の標的を、単一のマイクロウェル中で分析できる。画像解読アルゴリズムは、4つの主工程を含む:(1)画像の強調;(2)ビーズのセグメント化:(3)バーコードスリットの抽出:および(4)バーコードの解読。ビーズ画像は、光学的に透明なマイクロプレートの底から得られ、バーコードパターンは画像ソフトウェアにより解読できる。したがって、ビーズバイオアッセイ実験全体は、ビーズを外に出さずにマイクロプレート中で行うことができる。  A light transmission assay bead or digital magnetic microbead having a digitally encoded structure that is partially transparent to light and opaque. If hundreds or thousands of LITAB are submerged in the bottom of the microwell in the microplate, the barcode can be accurately and reliably decoded by image processing. Microplates are a common bioassay format; each plate may have 96, 384, or 1536 patient samples. Thus, multiple targets in one sample can be analyzed in a single microwell. The image decoding algorithm includes four main steps: (1) image enhancement; (2) bead segmentation: (3) barcode slit extraction: and (4) barcode decoding. The bead image is obtained from the bottom of an optically transparent microplate and the barcode pattern can be decoded by image software. Thus, the entire bead bioassay experiment can be performed in a microplate without removing the beads.

Description

関連出願Related applications

本出願は、2006年10月13日に出願された米国特許出願第11/580,514号の一部継続出願であり;2005年8月9日に出願された米国仮特許出願第60/706,896号に優先権を主張して2006年8月9日に出願された米国特許出願第11/502,606号の一部継続出願であり;2008年2月11日に出願された米国特許出願第12/069,720号の一部継続出願であり;2007年8月8日に出願された米国仮特許出願第60/964,108号の一部継続出願である。以下に開示される全ての他の刊行物および米国特許出願もまた、ここに完全に記載されたものとして、参照することにより組み込まれる。   This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 11 / 580,514 filed on Oct. 13, 2006; in US provisional patent application No. 60 / 706,896 filed Aug. 9, 2005. US patent application Ser. No. 11 / 502,606, filed Aug. 9, 2006 claiming priority; US patent application No. 12 / 069,720 filed Feb. 11, 2008 A continuation-in-part of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 964,108, filed August 8, 2007. All other publications and US patent applications disclosed below are also incorporated by reference as if fully set forth herein.

本発明は、タンパク質、核酸および分子診断のための数百または数千のデジタル磁気バーコードマイクロビーズによる多重化バイオアッセイの実施に関する;より詳細には、マイクロプレートのような小さいマイクロウェル中の1つ1つのビーズのバーコードを素早く同時に分析するための、光学画像解読アルゴリズムおよび方法が開発される。デジタル磁気ビーズは、球形ではなく、伝統的なラテックスミクロスフェアではない;したがって、高密度の光学パターンが正確に結像され同定できる。   The present invention relates to the performance of multiplexed bioassays with hundreds or thousands of digital magnetic barcode microbeads for protein, nucleic acid and molecular diagnostics; more particularly, one in a small microwell such as a microplate. Optical image decoding algorithms and methods are developed for the rapid and simultaneous analysis of individual bead barcodes. Digital magnetic beads are not spherical and are not traditional latex microspheres; therefore, high density optical patterns can be accurately imaged and identified.

ゲノミクスおよびプロテオミクスにおける現在の研究は多重データを必要とし、核酸およびタンパク質のような多量の標的を、非常に少量のサンプル中で素早くスクリーニングできる技術が必要とされる。平面プラットフォーム上の数千または数百万の標的をスクリーニングできるマイクロアレイ、DNAチップ、およびタンパク質チップは、大きい表面をカバーするために多量のサンプルを必要とする。標準的な表面積は、1cm×1cmまたはマイクロスライド上である。少量の液体サンプルを比較的大きいチップ表面に分布させることにより、しばしば分子の遅い拡散およびチップ表面上の不均一な混合または分布という不都合が生じる。これらは、マイクロアレイアッセイが非常に長い反応時間を必要とする理由である。さらに、マイクロアレイチップが一度印刷され組み立てられると、多重アッセイにもう1つテストを加えることは不可能である。   Current research in genomics and proteomics requires multiplex data, and techniques are needed that can quickly screen large quantities of targets such as nucleic acids and proteins in very small samples. Microarrays, DNA chips, and protein chips that can screen thousands or millions of targets on a planar platform require large amounts of sample to cover a large surface. The standard surface area is 1 cm × 1 cm or on a microslide. Distributing a small amount of liquid sample over a relatively large chip surface often results in the disadvantage of slow diffusion of molecules and uneven mixing or distribution on the chip surface. These are the reasons why microarray assays require very long reaction times. Moreover, once the microarray chip is printed and assembled, it is impossible to add another test to the multiplex assay.

マイクロビーズ技術は、マイクロアレイ技術の多くの問題を克服し、ライブラリ内容および分析におけるビーズの量またはビーズタイプに自由度を与える可能性がある。その少ない量により(ビーズごとにピコリットルの範囲内)、数千のビーズを非常に少量のサンプルでインキュベートできる。多くのコード化方法が、スペクトル的に区別できるフルオロフォア、蛍光半導体量子ドット、およびバーコード化色(吸収)ストリップまたは白黒ストリップを有する金属ロッドを有する粒子を含むことが示されてきた。蛍光およびバーコード色ストリップビーズはいずれも、反射または放射配置における光学検出により同定される。反射配置における問題は、(1)特にビーズがマイクロメートルスケールの場合に光反射収率が低い、(2)光収集効率が悪い、および(3)蛍光に基づくコード化ビーズについて、蛍光バンドが著しく広いまたは重複し、潜在的なコード番号を制限する、ということである。蛍光に基づくビーズの別の欠点は、ほとんどのビーズに基づくアッセイは蛍光読出しに依存し、したがって、より多くの蛍光スペクトルまたは強度干渉を生じるということである。マルチ金属(Au、Pt、Ni、Agなど)色マイクロロッドの場合、コード化は、製造の困難性があり、異なる金属材料に基づいて色の数が制限される。   Microbead technology overcomes many of the problems of microarray technology and can provide flexibility in library content and bead quantity or bead type in the analysis. With its small volume (within picoliters per bead), thousands of beads can be incubated with very small samples. Many encoding methods have been shown to include particles having metal rods with spectrally distinguishable fluorophores, fluorescent semiconductor quantum dots, and bar-coded color (absorbing) or black and white strips. Both fluorescent and barcode colored strip beads are identified by optical detection in a reflective or emissive configuration. Problems with the reflective configuration are: (1) low light reflection yield, especially when the beads are on the micrometer scale, (2) poor light collection efficiency, and (3) significant fluorescence bands for fluorescent based coded beads It is wide or overlapping, limiting potential code numbers. Another disadvantage of fluorescence-based beads is that most bead-based assays rely on fluorescence readouts and therefore produce more fluorescence spectrum or intensity interference. In the case of multi-metal (Au, Pt, Ni, Ag, etc.) color microrods, the encoding is difficult to manufacture and the number of colors is limited based on different metal materials.

その全内容がここに言及することにより組み込まれる、2004年8月10日に発行された特許文献1は、400-4000nmの多層マルチ金属ロッドによる30-300nmの直径を有するバーコード化の一形態を開示する。これらのロッドは、アルミナ型への電着により作成される;その後、これらの小さい多層物体を残してアルミナが除去される。このシステムは、最大7つの異なる金属において、コード化されたゾーンを最大12まで有することができ、金属は異なる反射率を有し、したがって、金属の種類に依存して光学顕微鏡においてより明るくまたは暗く見え、一方でアッセイの読出しは標的からの蛍光により、プローブの同定はバーコードの明暗パターンからである。   U.S. Pat. No. 6,057,028, issued August 10, 2004, the entire contents of which are incorporated herein by reference, is a form of bar coding with a diameter of 30-300 nm by a multi-metal rod of 400-4000 nm. Is disclosed. These rods are made by electrodeposition onto an alumina mold; the alumina is then removed leaving these small multilayer objects. This system can have up to 12 coded zones in up to 7 different metals, and the metals have different reflectivities, and therefore brighter or darker in an optical microscope depending on the type of metal Visible, while assay readout is due to fluorescence from the target and probe identification is from the light-dark pattern of the barcode.

その全内容がここに言及することにより組み込まれる、2003年10月7日に発行された特許文献2は、バーコードとして作用する半導体ナノ結晶を開示し、各半導体ナノ結晶は、明確な発光スペクトルを生じる。これらの特徴的な発光は、スペクトルの可視領域においては色として観察でき、または不連続の移行が観察される特定の波長についての情報を提供するように解読されてもよい。   Patent document 2 issued on October 7, 2003, the entire content of which is incorporated herein by reference, discloses semiconductor nanocrystals that act as barcodes, each semiconductor nanocrystal having a distinct emission spectrum. Produce. These characteristic emissions can be observed as colors in the visible region of the spectrum, or they can be decoded to provide information about the specific wavelengths at which discontinuous transitions are observed.

その全内容がここに言及することにより組み込まれる、2004年5月11日に発行された特許文献3は、励起エネルギーに応じて波長/強度スペクトルを生じるためのマーカーを含むラベルと結合する複数の同定可能要素、および結合するラベルの波長/強度スペクトルからの要素を同定するアナライザを含む同定システムを開示する。   U.S. Pat. No. 6,057,033, issued May 11, 2004, the entire contents of which are incorporated herein by reference, describes a plurality of labels that combine with a label that includes a marker to produce a wavelength / intensity spectrum in response to excitation energy. An identification system is disclosed that includes an identifiable element and an analyzer that identifies the element from the wavelength / intensity spectrum of the label to be bound.

2002年2月26日に発行された特許文献4は、バーコードがその上に電気鋳造されたニッケルプレートと第2のプレートとの間にビーズを配置し、バーコードをビーズの表面に押しつけてバーコードを有するマイクロケーキ状粒子を形成することにより、マイクロキャリアを作製する方法を開示する。   In Patent Document 4 issued on February 26, 2002, a bead is placed between a nickel plate and a second plate on which a bar code is electroformed, and the bar code is pressed against the surface of the bead. Disclosed is a method for making a microcarrier by forming microcake-like particles having a barcode.

その全内容がここに言及することにより組み込まれる、特許文献5は、親和反応プローブビーズを産生するための、バーコードまたはドットマトリクスバーコードのような光学グラフィックおよび色情報シグナルに基づく色シグナルを使用する同定システムを開示する。   U.S. Patent No. 6,057,036, the entire contents of which are incorporated herein by reference, uses color signals based on optical graphics and color information signals, such as barcodes or dot matrix barcodes, to produce affinity reaction probe beads. An identification system is disclosed.

その全内容がここに言及することにより組み込まれる、特許文献6は、単一の接着性細胞が付着するように設計された小さい平面、細胞を保護するよう設計された細胞付着領域、およびフロースルー工程を可能にまたは改良するよう設計された形状を含むマイクロパレットを開示する。マイクロパレットは、好ましくは容易に同定可能な様式でパターン化され、サイズが同等である単一の細胞を収容できるサイズである。   US Pat. No. 6,057,032, the entire contents of which are incorporated herein by reference, describes a small plane designed to attach a single adherent cell, a cell attachment region designed to protect the cell, and a flow-through. Disclosed are micropallets containing shapes designed to enable or improve the process. The micropalette is preferably sized to accommodate a single cell that is patterned in an easily identifiable manner and is comparable in size.

磁気ビーズは、高速大量処理自動化工程において広く使用される。磁気ビーズは、常磁性である、すなわち、磁場中に置かれると磁気特性を有するが、磁場から取り除かれると磁性が残らない。これにより、マイクロビーズの磁性収集および磁場が取り除かれた場合にビーズの再懸濁が可能となる。デジタル磁気ビーズの収集および再懸濁は、何度でも容易にかつ素早く繰り返すことができる。一般的なロボットによる自動化は、磁性ピンを備えた磁性スタンドに、96ウェル、384ウェルまたは1536ウェルマイクロプレートを置き、磁場を作動させる。これにより、未結合の分子をビーズから洗浄し、緩衝溶液を変え、溶液中の任意の汚染物質を除去できる。例えば、DNAまたはRNAアッセイの場合、未結合または非特異的ヌクレオチドを、ハイブリダイゼーション後に除去できる。タンパク質アッセイの場合、未結合または非特異的抗体または抗原を、抗体−抗原反応後に除去できる。分子生物用途中、大規模な洗浄を、素早く、効率的に、および最小限の難しさで行うことがしばしば必要とされる。磁気ビーズはバイオアッセイで広く使用されるが、高密度バーコードを有する磁気ビーズは入手できない。   Magnetic beads are widely used in high speed, high volume processing automation processes. Magnetic beads are paramagnetic, that is, have magnetic properties when placed in a magnetic field, but do not retain magnetism when removed from the magnetic field. This allows the magnetic collection of the microbeads and resuspension of the beads when the magnetic field is removed. Digital magnetic bead collection and resuspension can be easily and quickly repeated any number of times. In a typical robot automation, a 96-well, 384-well, or 1536-well microplate is placed on a magnetic stand equipped with magnetic pins, and a magnetic field is activated. This allows unbound molecules to be washed from the beads, changing the buffer solution and removing any contaminants in the solution. For example, in the case of a DNA or RNA assay, unbound or non-specific nucleotides can be removed after hybridization. For protein assays, unbound or non-specific antibodies or antigens can be removed after the antibody-antigen reaction. During molecular biology applications, it is often required to perform large scale washings quickly, efficiently, and with minimal difficulty. Magnetic beads are widely used in bioassays, but magnetic beads with high density barcodes are not available.

米国特許第6,773,886号明細書US Pat. No. 6,773,886 米国特許第6,630,307号明細書US Pat. No. 6,630,307 米国特許第6,734,420号明細書US Pat. No. 6,734,420 米国特許第6,350,620号明細書US Pat. No. 6,350,620 米国特許出願公開第2005/0003556号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0003556 米国特許出願公開第2005/0244955号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0244955

信頼性のある解読のための高い光コントラストおよび高い信号対雑音を提供し、またマイクロプレートフォーマットにおける高速大量処理自動化洗浄のための磁気特性を提供する、デジタルコード化磁気マイクロビーズが必要とされる。解読方法は、単純で丈夫である必要がある。データ処理は、素早く正確である必要がある。   There is a need for digitally encoded magnetic microbeads that provide high optical contrast and high signal-to-noise for reliable decoding and provide magnetic properties for high-speed, high-throughput automated cleaning in microplate formats . The decryption method needs to be simple and robust. Data processing needs to be fast and accurate.

発明を解決するための手段Means for Solving the Invention

本発明は、従来技術のシステムおよび親出願に改良を加え、複数のデジタルコード化ビーズの同時結像により示されるコードを同定する高速大量処理プロセスを提供する。本発明によれば、マイクロビーズ分析システムは、デジタルコードを示す印が付いた少なくとも1つのビーズを支持するサポート(例えばウェルのプレートまたはマイクロスライド);前記サポートおよび前記印を含むビーズの画像を得る結像装置;および前記結像装置により得られた画像を分析し、ビーズを互いにおよびバックグラウンド中のサポートから認識および分離し、ビーズ上に付けられた印により示されるデジタルコードを同定する解読システムを含む。本発明の画像処理方法は、パレットがバックグラウンドサポートと共に結像されない点でパレット上のバーコードの従来のスキャニングと異なり、したがって、パレットは任意のバックグラウンドまたは任意の他の画像から認識および分離されない。本発明は特に、それぞれがデジタルコードを示す印を有する複数のマイクロビーズの効率的な分析に有用であり、結像装置により得られる画像が各ビーズ上に印を含む複数のビーズを含み、解読システムが画像を分析して複数のビーズを認識および分離し各ビーズ上に付けられた印により示されるデジタルコードを同定するよう構成される。複数のビーズの全画像において各ビーズを互いにおよびバックグラウンドから認識および分離することにより、各ビーズ上に示されるデジタルコードが同定できる。   The present invention improves upon prior art systems and parent applications and provides a fast mass processing process for identifying codes shown by simultaneous imaging of multiple digitally encoded beads. In accordance with the present invention, the microbead analysis system obtains an image of a support (eg, well plate or microslide) that supports at least one bead marked with a digital code; An imaging device; and a decoding system that analyzes the images obtained by said imaging device, recognizes and separates the beads from each other and the support in the background, and identifies the digital code indicated by the indicia placed on the beads including. The image processing method of the present invention differs from conventional scanning of barcodes on a pallet in that the pallet is not imaged with a background support, and thus the pallet is not recognized and separated from any background or any other image. . The present invention is particularly useful for efficient analysis of a plurality of microbeads, each having a mark representing a digital code, and the image obtained by the imaging device includes a plurality of beads including a mark on each bead The system is configured to analyze the image to recognize and separate the plurality of beads and identify the digital code indicated by the indicia placed on each bead. By recognizing and separating each bead from each other and from the background in all images of the plurality of beads, the digital code shown on each bead can be identified.

ある態様において、本発明は、ビーズが結像光学系に関して移動する動態(例えばフロー中を動くビーズが結像光学系を通過するまたはビーズが移動光ビームによりスキャンされる)ではなく、ビーズの結像を定常状態で行うバイオアッセイにおいて使用されるデジタルコード化ビーズを解読する画像処理方法に関する。複数のビーズは、平面(例えばガラスマイクロスライド)上に分布されてもよく、結像装置(例えば広視野画像カメラ)により2次元で同時に結像されてもよく、それにより、複数のビーズが解読されて検出結果が改良される。デジタルコード化は、ビーズに関して光の発光、反射および/または透過に基づいて結像により観察されてもよい。   In some embodiments, the present invention is not kinetics that the beads move with respect to the imaging optics (eg, beads moving in the flow pass through the imaging optics or the beads are scanned by the moving light beam), but the binding of the beads. The present invention relates to an image processing method for decoding digitally encoded beads used in bioassays that perform images in a steady state. Multiple beads may be distributed on a plane (eg, glass microslide) or may be imaged simultaneously in two dimensions by an imaging device (eg, wide field image camera), thereby decoding the multiple beads. As a result, the detection result is improved. Digital encoding may be observed by imaging based on light emission, reflection and / or transmission with respect to the beads.

別の態様において、本発明のビーズ結像態様は、ビーズが動いている間にビーズの定常状態画像をビーズ結像システムが鮮明に撮ることができる限り、結像光学系に関してビーズが動いている動態(例えば、フロー中を動くビーズが結合光学系を通過するまたはビーズが移動光ビームによりスキャンされる)のビーズに適用できる。   In another aspect, the bead imaging aspect of the present invention is such that the beads are moving with respect to the imaging optics as long as the bead imaging system can sharply capture a steady state image of the beads while the beads are moving. Applicable to beads of kinetics (eg, beads moving in a flow pass through binding optics or beads are scanned by a moving light beam).

本発明の別の態様において、ビーズのデジタルコード化は、バーコートパターンを含む。一連の狭いおよび広いバンドを有するバーコードパターンは、明白なシグナルおよび0および1の分化を提供する。パレット上のスリットの位置は、どのビットが最下位ビット(LSB)および最上位ビット(MSB)かを決定する。LSBはパレットのエッジにより近く位置し、他方のより長い端のMSBと区別する。ある実施の形態において、コード化ビーズは、相対的幅(例えば一連の”0”コードを示す狭いセクションおよび”1”コードを示す広いセクション、または逆もまた同様)を有する一連の交互の明暗セクション(例えば光透過および不透明セクション)のバーコード画像を有する本体を含む。デジタルバーコードパターンは、結像装置により結像される。   In another aspect of the invention, the bead digital encoding comprises a bar coat pattern. A barcode pattern with a series of narrow and wide bands provides a clear signal and 0 and 1 differentiation. The position of the slit on the pallet determines which bit is the least significant bit (LSB) and the most significant bit (MSB). The LSB is located closer to the edge of the pallet and distinguishes it from the other longer end MSB. In some embodiments, the coded beads are a series of alternating light and dark sections having a relative width (eg, a narrow section showing a series of “0” codes and a wide section showing “1” codes, or vice versa). A body having a barcode image (eg, light transmissive and opaque sections). The digital barcode pattern is imaged by an imaging device.

画像解読方法は、4つの主要なサブプロセスを含む;(1)画像の強調、(2)ビーズのセグメント化、(3)バーコードスリットの抽出、および(4)バーコードの解読。ある実施の形態において、ビーズの画像の解読は、ビーズの画像を解析しデジタルコード化情報を抽出するために取られる一連の工程を含む。そのような工程は、以下を含んでもよい:(1)ビーズ画像の詳細を保存するためのグレースケール変換;(2)ビーズ画像について均一なバックグラウンドを得るためのバックグラウンド除去;(3)ビーズ画像エッジ検出;(4)ビーズ画像が接触している場合には、接触するビーズ画像を分離するための追加のフィルタリング工程;(5)個々のビーズ画像のラベリング(例えば色コードまたは数を使用する);(6)ビーズ画像のアラインメント変換および強度(例えば強度プロット)による各ビーズ画像におけるデジタルコード化の表示(例えばバーコードパターン);および(7)デジタルコードを同定するための強度の分析(例えばバーコードパターン中の狭いおよび広いバンドの同定)。   The image decoding method includes four main sub-processes: (1) image enhancement, (2) bead segmentation, (3) barcode slit extraction, and (4) barcode decoding. In one embodiment, decoding the bead image includes a series of steps taken to analyze the bead image and extract digitally encoded information. Such steps may include: (1) Grayscale transformation to preserve bead image details; (2) Background removal to obtain a uniform background for the bead image; (3) Beads Image edge detection; (4) If the bead images are in contact, an additional filtering step to separate the contacting bead images; (5) Labeling individual bead images (eg using color code or number) ); (6) Display of digital encoding (eg barcode pattern) in each bead image by alignment transformation and intensity (eg intensity plot) of the bead image; and (7) Analysis of intensity to identify the digital code (eg Identification of narrow and wide bands in the barcode pattern).

定常ビーズの画像の解読における正確性は、移動ビーズの画像の解読より良好にできる。誤った同定は誤診断および誤治療につながり得るので、解読の正確性は臨床診断について非常に重要である。   The accuracy in decoding the image of the stationary bead can be better than the decoding of the image of the moving bead. Because incorrect identification can lead to misdiagnosis and mistreatment, the accuracy of decoding is very important for clinical diagnosis.

例示される実施の形態において、本発明は、光透過アッセイビーズ(LITAB)またはビーズの同定を容易にする高コントラストおよび高シグナル対ノイズ光学的検出を提供する画像により示されるようにデジタルコード化されるマイクロパレットに関する。画像は、光に対して一部実質的に透過性であり(例えば、光に対して透明、半透明、および/または透過性)および一部実質的に不透明である(例えば、光に対して反射性および/または吸収性)パターンを有する物理的構造により実施される。透過光のパターンが同定され(例えば、スキャニングまたは結像により)、コード化ビーズ上の画像により示されるコードを解読できる。ある実施の形態において、コード化ビーズは、1Dまたは2Dバーコード画像(例えば、一連の”0”コードを示す狭いスリット(例えば5マイクロメートル幅)および”1”コードを示す広いスリット(例えば10マイクロメートル幅)、あるいは逆もまた同じ)に似た相対的な位置、幅および間隔を有する、一連の交互の光透過性および不透明セクションを有する本体を含む。画像を解読するために、本体の交互の透過性および不透明セクションがスキャンされ結像され(例えばCCDセンサにより)、透過光から同定された画像により示されるコードを同定する。   In the illustrated embodiment, the present invention is digitally encoded as shown by the image providing light contrast assay beads (LITAB) or high contrast and high signal to noise optical detection that facilitates identification of the beads. It relates to the micro palette. The image is partly substantially transparent to light (eg, transparent, translucent, and / or transparent to light) and partly opaque (eg, to light) It is implemented by a physical structure having a pattern (reflecting and / or absorbing). The pattern of transmitted light is identified (eg, by scanning or imaging) and the code indicated by the image on the coded beads can be decoded. In some embodiments, the coded beads are 1D or 2D barcode images (eg, a narrow slit (eg, 5 micrometers wide) showing a series of “0” codes) and a wide slit (eg, 10 micron) showing “1” codes. A body having a series of alternating light transmissive and opaque sections having a relative position, width and spacing similar to metric width), or vice versa). To decode the image, alternating transmissive and opaque sections of the body are scanned and imaged (eg, by a CCD sensor) to identify the code indicated by the image identified from the transmitted light.

本発明のさらなる態様において、多数のデジタル磁気ビーズが平面上に分布され、画像カメラにより同時に検出できる。平面は、マイクロスライド上またはマイクロプレートの底でもよい。各ビーズの”0”および”1”のようなデジタルシグナルを示すバーコードパターンは、画像処理により同定できる。   In a further embodiment of the invention, a large number of digital magnetic beads are distributed on a plane and can be detected simultaneously by an image camera. The plane may be on the microslide or the bottom of the microplate. Bar code patterns indicating digital signals such as “0” and “1” for each bead can be identified by image processing.

本発明のさらなる態様において、デジタルバーコードビーズは常磁性を有する、すなわち、磁場中に置かれると磁気特性を有するが、磁場から取り除かれると磁性が残らない。磁気ビーズは、外部磁石でビーズを収集し磁場を取り除いたときにビーズを再懸濁することにより、マイクロプレート中での洗浄が可能となる。複数のデジタル磁気ビーズにより、単一のウェル中で多重アッセイを行うことが可能となる。マイクロプレートは、各プレートが96、384または1536患者サンプルを有する臨床診断における標準高速大量処理フォーマットである。   In a further aspect of the invention, the digital barcode beads have paramagnetism, i.e., have magnetic properties when placed in a magnetic field, but do not retain magnetism when removed from the magnetic field. Magnetic beads can be washed in a microplate by collecting the beads with an external magnet and resuspending the beads when the magnetic field is removed. Multiple digital magnetic beads allow multiplex assays to be performed in a single well. Microplates are a standard high-speed, high-throughput format in clinical diagnosis where each plate has 96, 384 or 1536 patient samples.

本発明のさらなる態様において、デジタル磁気マイクロビーズ分析システムは、以下を含む:(a)複数のウェルを有するスライドまたはマイクロプレート;(b)スライドの表面上またはマイクロプレートのウェルの底に沈む少なくとも1つのデジタル磁気ビーズ;(c)スライドまたはマイクロプレートの上または下に位置し、少なくとも1つの磁気マイクロビーズを結像する光学検出器;および(d)少なくとも1つの磁気マイクロビーズの画像パターンを処理するために画像ソフトウェアにより行われるデジタル処理システム。ある実施の形態において、ウェルの数は、約96、384または1536ウェルである。   In a further embodiment of the present invention, the digital magnetic microbead analysis system comprises: (a) a slide or microplate having a plurality of wells; (b) at least one sinking on the surface of the slide or on the bottom of the well of the microplate. One digital magnetic bead; (c) an optical detector located above or below the slide or microplate and imaging at least one magnetic microbead; and (d) processing an image pattern of at least one magnetic microbead Digital processing system performed by image software. In certain embodiments, the number of wells is about 96, 384 or 1536 wells.

本発明のさらなる態様において、バーコード画像および蛍光画像はいずれも、顕微鏡およびカメラの下で同時に撮影される。したがって、ビーズを取りださずにマイクロプレート中で全てのビーズ実験を行うことができる。バーコードを使用して、ビーズ上でどの分子プローブが固定されているかを同定し、一方で、蛍光を使用して、陽性または陰性反応を検出する。多数の標的が同時に分析できる。   In a further aspect of the invention, both the barcode image and the fluorescence image are taken simultaneously under the microscope and camera. Therefore, all bead experiments can be performed in the microplate without removing the beads. Bar codes are used to identify which molecular probes are immobilized on the beads, while fluorescence is used to detect positive or negative reactions. Multiple targets can be analyzed simultaneously.

本発明のさらなる態様において、デジタル磁気マイクロビーズは、第1層;第2層;および第1層と第2層との間の中間層を含み、中間層はその上に定められたコード化パターンを有し、光に対して一部実質的透過性であり一部実質的に不透明であり、各マイクロビーズに対応するコードを示す。   In a further aspect of the invention, the digital magnetic microbead includes a first layer; a second layer; and an intermediate layer between the first layer and the second layer, the intermediate layer having a coding pattern defined thereon. And is partially transparent to light and partially opaque, indicating a code corresponding to each microbead.

本発明のさらなる態様において、中間層は、コード化パターンを定める、一連の交互の実質的に光透過性のセクションおよび実質的に光に不透明なセクションを有する。透過性セクションおよび/または不透明なセクション間の相対的な位置、幅および/または間隔は、2進コードを示す。実質的に光に不透明なセクションは、光遮断材料を含む。各マイクロビーズの本体は、1mm以下の最長直交軸を有する。   In a further aspect of the invention, the intermediate layer has a series of alternating substantially light transmissive sections and substantially light opaque sections that define a coding pattern. The relative position, width and / or spacing between the transmissive section and / or the opaque section indicates a binary code. The substantially light opaque section includes a light blocking material. The body of each microbead has the longest orthogonal axis of 1 mm or less.

本発明のさらなる態様において、デジタル磁気ビーズの第1層および第2層は、タンパク質、核酸、小分子、化学物質、およびそれらの組合せからなる群より選択される材料で機能性を持たせる。   In a further aspect of the invention, the first and second layers of digital magnetic beads are functionalized with a material selected from the group consisting of proteins, nucleic acids, small molecules, chemicals, and combinations thereof.

ある実施の形態において、コード化ビーズの本体は、相対的な幾何学的性質および/またはサイズにおいて異なる少なくとも2つの直交断面を有するように構成されてもよい。さらに、断面の幾何学的性質は、左右対称または左右非対称でもよく、および/または規則正しい形または異形でもよい。ある実施の形態において、コード化ビーズの最長直交軸は1mm未満である。   In certain embodiments, the body of the coded bead may be configured to have at least two orthogonal cross sections that differ in relative geometry and / or size. Further, the cross-sectional geometry may be symmetric or asymmetric and / or may be regular or irregular. In certain embodiments, the longest orthogonal axis of the encoded bead is less than 1 mm.

本発明のさらなる態様において、光透過性セクションは、中間層を通るスリットにより定められ、光不透明セクションは、光反射材料および/または光吸収材料により定められる。スリットは、第1の幅のスリットおよび第2の幅のスリットを有し、2進コードにおいて第1の幅は”0”を示し第2の幅は”1”を示す。第1の幅は約1から10マイクロメートルであり、第2の幅は約1から50マイクロメートルであり、第1の幅は第2の幅より狭い。2進コードは画像ソフトウェアにより解読できる。   In a further aspect of the invention, the light transmissive section is defined by a slit through the intermediate layer and the light opaque section is defined by a light reflecting material and / or a light absorbing material. The slit has a first width slit and a second width slit. In the binary code, the first width indicates “0” and the second width indicates “1”. The first width is about 1 to 10 micrometers, the second width is about 1 to 50 micrometers, and the first width is narrower than the second width. The binary code can be decoded by image software.

本発明の範囲および性質、並びに使用の好ましい形態のより完全な理解のために、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照すべきである。以下の図面では、図面を通して同様の参照番号は同様のまたは類似するパーツを示す。   For a more complete understanding of the scope and nature of the present invention, as well as the preferred mode of use, reference should be made to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. In the following drawings, like reference numerals designate like or similar parts throughout the drawings.

本発明のある実施の形態による、バイオアッセイのための光透過アッセイビーズ(LITAB)を調製する方法を示す:マイクロプレートのマイクロウェル中の複数LITABFIG. 4 illustrates a method for preparing light transmission assay beads (LITAB) for bioassay according to an embodiment of the invention: multiple LITABs in microwells of a microplate 本発明のある実施の形態による、バイオアッセイのための光透過アッセイビーズ(LITAB)を調製する方法を示す:バイオアッセイのためのLITABFigure 3 illustrates a method for preparing light transmission assay beads (LITAB) for bioassay according to an embodiment of the invention: LITAB for bioassay 本発明のある実施の形態による、バイオアッセイのための光透過アッセイビーズ(LITAB)を調製する方法を示す:LITABの写真画像を示す概略図Figure 2 illustrates a method for preparing light transmission assay beads (LITAB) for bioassay, according to one embodiment of the invention: Schematic showing a photographic image of LITAB 本発明のある実施の形態によるLITABの平面図Plan view of a LITAB according to an embodiment of the invention 図2aの線A−A間の断面図Sectional view along line AA in FIG. 画像カメラ上で0011111001を示すバーコードビーズの透過デジタルシグナルを示すShows the transmitted digital signal of a barcode bead showing 0011111001 on an image camera 最下位ビット(LSB)または最上位ビット(MSB)を有するLITAB中のスリットのパターンを透過した光を示す光シグナルパターンを示すShows an optical signal pattern showing light transmitted through a slit pattern in LITAB with least significant bit (LSB) or most significant bit (MSB) 本発明のある実施の形態によるビーズを形成する工程を示すFIG. 4 illustrates a process for forming beads according to an embodiment of the invention. 分子固定について同じ界面化学を提供しうる2つのポリマー層間に挟まれた層としての金属層を示すShows a metal layer as a layer sandwiched between two polymer layers that can provide the same surface chemistry for molecular fixation バーコードマイクロビーズの顕微鏡画像を示すShows microscopic image of barcode microbead 画像中の物体の輪郭を描くためのエッジ検出技術の使用を示すDemonstrate the use of edge detection techniques to delineate objects in an image Watershedラインを使用して分離された隔離ビーズを示すShows isolated beads separated using Watershed line 各マイクロビーズを主軸に合わせる方法を示し、グレースケール画像は画素値を含むマトリクスに変換されるShows how to align each microbead to the main axis, and grayscale image is transformed into a matrix containing pixel values ビーズ画像が画素値の関数としてグレースケール強度に変換されることを示すIndicates that the bead image is converted to grayscale intensity as a function of pixel value 各マイクロビーズに存在するバーコードの幅に基づいて同定されるデジタルコードを示すShows the digital code identified based on the width of the barcode present on each microbead 本発明のある実施の形態によるLITAB分析システムを示す1 illustrates a LITAB analysis system according to an embodiment of the present invention.

この記載は、本発明の実施の最良の現在考えられるモードのものである。この記載は、本発明の原則を示すためになされるものであり、限定する意味で考慮されるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することにより最も良く定められる。   This description is of the best presently contemplated mode of implementation of the invention. This description is made for the purpose of illustrating the principles of the invention and should not be taken in a limiting sense. The scope of the invention is best determined by reference to the appended claims.

本発明の方法の詳細な説明は、主として方法または工程、作業の記号による説明、発明の機能性および特徴に関して記載される。これらの方法の記載および説明は、当業者がその研究を他の当業者に最も有効に伝えるために使用される方法である。ソフトウェアで実行される方法または工程はここでは、通常、所望の結果に導く一貫した一連の工程である。これらの工程は、物理量の物理的操作を必要とする。しばしば、しかし必ずではないが、これらの量は、保存、移動、組合せ、比較および他の操作が可能な電気的または磁気的シグナルの形態を取る。   The detailed description of the method of the invention will be described primarily with respect to the method or process, the symbolic description of the operation, the functionality and features of the invention. The descriptions and explanations of these methods are the methods used by those skilled in the art to most effectively convey the work to others skilled in the art. The method or process performed by the software here is usually a consistent series of steps leading to the desired result. These steps require physical manipulation of physical quantities. Often, but not necessarily, these quantities take the form of electrical or magnetic signals that can be stored, transferred, combined, compared, and otherwise manipulated.

本発明のソフトウェアで実行される作業を行うのに有用な装置は、独立型装置またはより大きいシステムの一部であってもよい、一般のまたは特定の目的のデジタル処理および/または計算装置を含むが、これに限定されない。この装置は、装置中に保存されたプログラム、ルーチンおよび/または一連の指示および/またはロジックにより選択的に作動または再設定されてもよい。つまり、ここに記載および示唆される方法の使用は、特定の処理構成に制限されない。   Devices useful for performing tasks performed by the software of the present invention include general or special purpose digital processing and / or computing devices that may be stand-alone devices or part of a larger system. However, it is not limited to this. The device may be selectively activated or reset by a program, routine and / or sequence of instructions and / or logic stored in the device. That is, use of the methods described and suggested herein is not limited to a particular processing configuration.

本発明の原理を説明する目的で、制限するものではなく、本願発明は以下に、パレットの形状であるマイクロビーズを参照し生物分析を参照することにより説明される。しかしながら、本発明は、本発明の範囲および性質から逸脱することなく、他の全ての構成(geometry)に等しく適用でき、ビーズの同定に基づく同定を必要とする他の用途に適用されることが理解される。以下の議論を促進するために、本発明のマイクロビーズは、光透過アッセイビーズを意味するLITABと称される。   For purposes of illustrating the principles of the present invention, and not by way of limitation, the present invention will now be described by reference to bioanalysis with reference to microbeads in the form of a pallet. However, the present invention is equally applicable to all other geometries without departing from the scope and nature of the present invention and may be applied to other applications requiring identification based on bead identification. Understood. To facilitate the following discussion, the microbeads of the present invention are referred to as LITAB, meaning light transmission assay beads.

LITABは、ビーズの同定を容易にする高いコントラストおよび高いシグナル対ノイズ光検出を提供する画像により示されるように、デジタルコード化される。画像は、光に対して一部実質的に透過性であり(例えば、光に対して透明、半透明、および/または透過性)および一部実質的に不透明である(例えば光に対して反射性および/または吸収性)パターンを有する物理的構造により実施される。透過した光のパターンが同定され(例えば、スキャニングまたは結像により)、コード化ビーズ上の画像により示されるコードを解読できる。”1”または”0”を示しデコーダにより認識できる限り、丸、四角、または他の幾何学的図形のような様々のバーコードパターンが設計できる。しかしながら、LITABは球形ではない;従来のラテックスに基づく球形のビーズとは異なる。   LITAB is digitally encoded as shown by images that provide high contrast and high signal-to-noise light detection to facilitate bead identification. The image is partly substantially transmissive to light (eg, transparent, translucent, and / or transmissive to light) and partly opaque (eg, reflective to light) (And / or absorbable) patterns. The transmitted light pattern is identified (eg, by scanning or imaging) and the code indicated by the image on the coded bead can be decoded. Various barcode patterns such as circles, squares, or other geometric shapes can be designed as long as they indicate "1" or "0" and can be recognized by the decoder. However, LITAB is not spherical; unlike conventional latex-based spherical beads.

ある実施の形態において、コード化ビーズは、1Dまたは2Dバーコード画像(例えば、2進コードを形成するために、一連の”0”コードを示す狭いスリット(例えば約1から5マイクロメートル幅)および”1”コードを示す広いスリット(例えば約1から10マイクロメートル幅)、あるいは逆もまた同じ)に似た相対的な位置、幅および間隔を有する、一連の交互の光透過性および不透明なセクションを有する本体を含む。図2は、本発明のある実施の形態によるコード化ビーズであるLITAB11を示す。LITAB11は、平らなパレットまたはディスクの形状の本体25を有する。コード化ビーズの本体は、相対的な幾何学的性質および/またはサイズにおいて異なる少なくとも2つの直交断面を有するように構成されてもよい。さらに、断面の幾何学的性質は、左右対称または左右非対称でもよく、および/または規則正しい形または異形でもよい。この特定の実施の形態において、3つの直交軸の全ては異なる長さであり、3つの直交断面全ての幾何学的性質は、左右対称であり規則正しい形である。図2(a)は、平らな幾何学的性質が左右対称の引き伸ばされたまたは伸長した楕円形状のパレットに似ることを示す。図2(b)は、縦軸(または最長軸)を示す断面を示す。一連の広いおよび狭いスリット23および24は、本体25に亘って提供され、実質的に光に不透明の材料(例えば反射性または吸収性)により作成されまたはそのような材料で被覆されてもよい。広いおよび狭いスリット23および24は、それぞれ論理”1”および”0”またはその逆を示し、合わせて2進コードを示す(各スリットはビットを示す)。この実施の形態において、コードはバーコードに類似する。狭いスリット24は5マイクロメートルの幅を有し、広いスリット23は10マイクロメートルの幅を有してもよい。100×30×10μmから300μm×100μm×40μmの全体寸法を有するLITABについて、少なくとも約10スリットは、LITABパレット上に提供されてもよく、6ビットから12ビットまたはそれ以上をコード化し、64から4096またそれ以上のユニークコードを可能とする。ある実施の形態において、コード化ビーズの最長直交軸は1mm未満である。   In some embodiments, the coded beads are 1D or 2D barcode images (eg, narrow slits (eg, about 1 to 5 micrometers wide) that show a series of “0” codes to form a binary code) and A series of alternating light transmissive and opaque sections with relative positions, widths and spacings resembling a wide slit indicating a “1” code (eg, about 1 to 10 micrometers wide, or vice versa) Including a main body. FIG. 2 shows LITAB 11 which is a coded bead according to an embodiment of the present invention. The LITAB 11 has a body 25 in the form of a flat pallet or disc. The body of the coded bead may be configured to have at least two orthogonal cross sections that differ in relative geometric properties and / or size. Further, the cross-sectional geometry may be symmetric or asymmetric and / or may be regular or irregular. In this particular embodiment, all three orthogonal axes are of different lengths, and the geometric properties of all three orthogonal cross sections are symmetrical and regular. FIG. 2 (a) shows that the flat geometry resembles a symmetrical stretched or elongated elliptical pallet. FIG. 2B shows a cross section showing the vertical axis (or the longest axis). A series of wide and narrow slits 23 and 24 are provided across the body 25 and may be made of or coated with a substantially light opaque material (eg reflective or absorptive). Wide and narrow slits 23 and 24 indicate logic “1” and “0”, respectively, or vice versa, and together indicate a binary code (each slit represents a bit). In this embodiment, the code is similar to a bar code. The narrow slit 24 may have a width of 5 micrometers and the wide slit 23 may have a width of 10 micrometers. For LITAB having an overall dimension of 100 × 30 × 10 μm to 300 μm × 100 μm × 40 μm, at least about 10 slits may be provided on the LITAB palette, encoding 6 to 12 bits or more, 64 to 4096 In addition, more unique codes are possible. In certain embodiments, the longest orthogonal axis of the encoded bead is less than 1 mm.

例示される実施の形態は狭いおよび広い幅の間隔のあるパターンのスリットを示すが、本発明の範囲および性質から逸脱せずに、1および0を示す隣接するスリット間の狭いおよび広い間隔であけられた一定の幅を有するあるパターンのスリットを使用することも可能である。図2(c)は、CCD(電化結合素子)により検出されコンピュータスクリーン上に表示される単一のビーズの透過ピークを示す。ビーズが光ビームで照射されると、スリットからの透過ピークの「全強度」または透過ピークの「バンド幅」に基づいて、デジタルバーコード0または1が、結像カメラおよびデジタルシグナルプロセッサにより同定できる。図面に示されるように、バーコードパターンはピーク幅に基づいて容易に同定できる。図2(c)に示される実施の形態において特に示されるように、ビーズは0011111001を示す10ビットバーコードを示す。   The illustrated embodiment shows narrow and wide spaced pattern of slits, but with narrow and wide spacing between adjacent slits representing 1 and 0 without departing from the scope and nature of the present invention. It is also possible to use a pattern of slits with a certain fixed width. FIG. 2 (c) shows the transmission peak of a single bead detected by a CCD (Electro-Coupled Device) and displayed on a computer screen. When the beads are illuminated with a light beam, the digital barcode 0 or 1 can be identified by the imaging camera and digital signal processor based on the “total intensity” of the transmission peak from the slit or the “bandwidth” of the transmission peak . As shown in the drawing, the barcode pattern can be easily identified based on the peak width. As specifically shown in the embodiment shown in FIG. 2 (c), the beads show a 10-bit barcode indicating 0011111001.

画像を解読するために、本体の交互の透過性および不透明セクションを光で結像し(例えばCCDセンサを使用して)、透過光から同定される画像により示されるコードを同定する。説明の目的のために、図3は、図2(a)におけるLITAB11中のスリット23および24を透過する光の検出を示す一連のシグナルパルスを示す。シグナルは、LITAB11の縦軸を通る透過対遮断光のコントラストに対応する。各シグナルパルスの幅は、LITAB11のコードにおいて”1”または”0”を示す。特定の例示される実施例において、より広い幅は1を示し、より狭い幅は0を示す。LITAB11上のスリットの相対的な位置は、どのビットが最下位ビット(LSB)または最上位ビット(MSB)であるかを特定する。ある実施の形態において、最下位ビットは、LITAB11の1つのエッジまたは端により近く位置し、反対のエッジまたは端における最上位ビットと区別する。シグナルパルスを解読する概念は、従来のバーコードについての解読と類似する。   To decipher the image, alternating transmissive and opaque sections of the body are imaged with light (eg, using a CCD sensor) and the code indicated by the image identified from the transmitted light is identified. For illustrative purposes, FIG. 3 shows a series of signal pulses showing the detection of light transmitted through slits 23 and 24 in LITAB 11 in FIG. 2 (a). The signal corresponds to the contrast of transmitted versus blocked light through the vertical axis of LITAB11. The width of each signal pulse indicates “1” or “0” in the code of LITAB11. In certain illustrated embodiments, a wider width indicates 1 and a narrower width indicates 0. The relative position of the slit on LITAB 11 specifies which bit is the least significant bit (LSB) or the most significant bit (MSB). In one embodiment, the least significant bit is located closer to one edge or end of LITAB 11 and distinguished from the most significant bit at the opposite edge or end. The concept of decoding signal pulses is similar to the decoding of conventional bar codes.

別の実施の形態において、実質的に透過性のセクションは、必ずしもLITABの本体の全厚さに亘ってスリットである必要はない。スリットは、実質液に透明または半透明の材料で完全にまたは部分的に充填されてもよく、それでもなお不透明セクションと比較して実質的に光透過性を提供する。例えば、LITABは、透明本体を露呈するスリットを定める開口部を有する光遮断材料(例えば、反射材料、または光反射性または吸収ダイ)で被覆される透明の本体を有してもよい。このLITAB上に結像される光は、遮断材料により被覆されていないセクション(すなわちスリット)において本体を透過し、被覆されたセクションにおいて光を遮断する。別の実施の形態において、コード化LITABは、透過光対遮断/反射光の間のコントラストおよび画像認識および解読の光学的効率を改良するために、反射性薄膜またはコーティングを備えてもよい(例えば、LITABの表面を金属薄膜でメッキまたはコーティングする、あるいは常磁性金属薄膜の中間のサンドウィッチ層を提供する、あるいは、光吸収ダイでコーティングする)。   In another embodiment, the substantially transmissive section does not necessarily have to be a slit throughout the entire thickness of the LITAB body. The slit may be completely or partially filled with a transparent or translucent material in the substantially liquid, yet still provide substantially light transmission compared to the opaque section. For example, the LITAB may have a transparent body that is coated with a light blocking material (eg, a reflective material, or a light reflective or absorbing die) having an opening that defines a slit that exposes the transparent body. The light imaged on this LITAB is transmitted through the body in the section not covered by the blocking material (i.e. the slit) and blocks the light in the coated section. In another embodiment, the encoded LITAB may comprise a reflective thin film or coating to improve the contrast between transmitted light versus blocked / reflected light and the optical efficiency of image recognition and decoding (eg, , Plating or coating the surface of LITAB with a metal film, or providing a sandwich layer in the middle of a paramagnetic metal film, or coating with a light absorbing die).

LITABは、クリーンルーム微細加工設備で薄膜形成に使用される従来の方法を使用して作成してもよい。従来のフォトリソグラフィ、印刷、シルクスクリーニング、キュアリング、現像、エッチング(例えば、化学エッチング、イオンエッチング、および/または他の除去工程)、メッキ、ダイシング、およびそのような種類の構造および材料について当該技術においてよく知られる他の処理工程を含む方法を使用して、LITABの構造を得てもよい。図4(a)から(d)を参照すると、LITABを作成する方法のある実施の形態において、Tiの層52(例えば100nm)が、基板50、例えばクリーンガラススライド(例えば約1mm厚)上にe-ビーム蒸発により蒸着される。Tiは、代替放出層(surrogate releasing layer)のみならず導電シード層(conducting seed layer)としても作用する。LITABの本体25は、ポリマー材料の層を使用して形成されてもよい。例えば、フォトレジスト感光性樹脂(例えば、当該技術において知られるSU-8など)をLITABの作成に使用してもよい。ポリマー材料の層21は、Ti層52上にスピンコートされ、標準的なフォトリソグラフィ方法を使用してそのような層にスリット23および24が形成される。例えば、スリット23および24は、広いおよび狭いスリットの所望のパターンを定めるフォトマスク(図示せず)およびLITAB本体25の平らな形状を使用してUV光により定めてもよい。LITABのアレイは、それぞれ異なるコードを示す異なるスリットパターンを有する単一基板上に形成してもよい。フォトマスクはまた、LITAB本体のアレイの周囲を定めてもよく、LITAB本体はスリットを定める同じフォトリソグラフィ法の終わりに互いに分離される。SU-8は透明なので、e-ビーム蒸発器を使用して、金(Au、0.1μm)最上層22(図2(b)も参照)のような金属層を、基板50上に支持されたSu-8層21上に蒸着する。個々のLITAB本体25(図2(b)に示される)は、フッ酸(HF)を含むエッチング溶液により代替Ti層52を溶解することにより、下にある基板50から最終的に遊離される。このようにして、LITAB上の金パターンは光を反射することにより光を遮断し(Su-8層21に暴露された側および隣接する側の両方に向かって)、金層により被覆されていないスリットは光を透過する。金層22は光を遮断するので、開いたスリットは光を透過する一方で、LITAB「バーコード」は、透過光が検出されると高い光シグナルおよび高い光コントラストを提供する。   LITAB may be made using conventional methods used for thin film formation in clean room microfabrication equipment. The art for conventional photolithography, printing, silk screening, curing, development, etching (eg, chemical etching, ion etching, and / or other removal processes), plating, dicing, and such types of structures and materials A method involving other processing steps well known in U.S. may be used to obtain the structure of LITAB. Referring to FIGS. 4 (a)-(d), in one embodiment of a method for making LITAB, a layer of Ti 52 (eg, 100 nm) is placed on a substrate 50, eg, a clean glass slide (eg, about 1 mm thick). Deposited by e-beam evaporation. Ti acts not only as a surrogate releasing layer but also as a conducting seed layer. The LITAB body 25 may be formed using a layer of polymeric material. For example, a photoresist photosensitive resin (eg, SU-8 as known in the art) may be used to make LITAB. A layer 21 of polymeric material is spin coated on the Ti layer 52 and slits 23 and 24 are formed in such layer using standard photolithography methods. For example, the slits 23 and 24 may be defined by UV light using a photomask (not shown) that defines the desired pattern of wide and narrow slits and the flat shape of the LITAB body 25. An array of LITABs may be formed on a single substrate having different slit patterns, each representing a different code. The photomask may also define the perimeter of the array of LITAB bodies, which are separated from each other at the end of the same photolithography process that defines the slits. Since SU-8 is transparent, a metal layer such as gold (Au, 0.1 μm) top layer 22 (see also FIG. 2B) was supported on the substrate 50 using an e-beam evaporator. Vapor deposition on the Su-8 layer 21. Individual LITAB bodies 25 (shown in FIG. 2 (b)) are finally released from the underlying substrate 50 by dissolving the alternative Ti layer 52 with an etching solution containing hydrofluoric acid (HF). In this way, the gold pattern on the LITAB blocks the light by reflecting it (towards both the side exposed to the Su-8 layer 21 and the adjacent side) and is not covered by the gold layer The slit transmits light. Since the gold layer 22 blocks light, the open slit transmits light, while the LITAB “barcode” provides a high light signal and high light contrast when transmitted light is detected.

図5は、LITAB80の別の実施の形態を示し、2つのポリマー層82間に挟まれた中間層として金属層81を含んでもよい。バーコードパターンが金属81上に形成される。例えば、異なる幅および/間隔のスリット84が金属層81に形成される。例示される実施の形態において、ポリマー(フォトポリマー:SU-8)層82は閉じた層である(すなわち、スリットがない)。LITAB80を形成する方法は、まず第1フォトポリマー層82を形成し、次に金属層81を形成し、その中にスリット84をエッチングする工程を含んでもよい。第2フォトポリマー層82は、スリット84を充填する金属層81上に形成される(例えば、スピンコーティングまたはキュアリングにより)。あるいは、スリット84は、第2フォトポリマー層82を形成する前に、まず別の透明材料で充填されてもよい。この実施の形態において、同様の表面コーティングおよび固定条件を提供するために、表面の状態はLITABの暴露された平面の両方について同じにされてもよい。他の実施の形態において、ビオチン、カルボン酸塩、またはストレプトアビジンのようなポリマーまたは機能分子でLITABを被覆する;したがって、全ビーズは分子固定について同じ条件を有する。   FIG. 5 shows another embodiment of a LITAB 80 that may include a metal layer 81 as an intermediate layer sandwiched between two polymer layers 82. A barcode pattern is formed on the metal 81. For example, slits 84 having different widths and / or intervals are formed in the metal layer 81. In the illustrated embodiment, the polymer (photopolymer: SU-8) layer 82 is a closed layer (ie, has no slits). The method of forming LITAB 80 may include the steps of first forming first photopolymer layer 82, then forming metal layer 81, and etching slit 84 therein. The second photopolymer layer 82 is formed on the metal layer 81 that fills the slits 84 (eg, by spin coating or curing). Alternatively, the slit 84 may be first filled with another transparent material before forming the second photopolymer layer 82. In this embodiment, the surface condition may be the same for both exposed planes of LITAB to provide similar surface coating and fixation conditions. In other embodiments, LITAB is coated with a polymer or functional molecule such as biotin, carboxylate, or streptavidin; therefore, all beads have the same conditions for molecular immobilization.

LITABの中間層に常磁性材料が埋め込まれ、したがって、ポリマーフィルムの第1層と第2層との間に挟まれる。常磁性材料は、マグネシウム、モリブデン、リチウム、アルミニウム、ニッケル、およびタンタルを含む。LITAB上の常磁性材料は、光遮断材料としても作用し、したがって反射層は不要であることに留意すべきである。本発明は、常磁性材料の存在下においても、透過光に基づく解読を可能とする。しかしながら、従来技術について、磁気ビーズおよびバーコードビーズは存在するが、磁性材料がバーコードマイクロビーズ中に組み込まれることの開示はない。これは、本質的に暗褐色の磁性材料は、交互の明暗線を必要とする反射性バーコードと両立できないという理由による。   A paramagnetic material is embedded in the intermediate layer of the LITAB and is therefore sandwiched between the first and second layers of the polymer film. Paramagnetic materials include magnesium, molybdenum, lithium, aluminum, nickel, and tantalum. It should be noted that the paramagnetic material on LITAB also acts as a light blocking material and therefore no reflective layer is required. The present invention enables decoding based on transmitted light even in the presence of a paramagnetic material. However, for the prior art, magnetic beads and barcode beads exist, but there is no disclosure that magnetic material is incorporated into barcode microbeads. This is because essentially dark brown magnetic materials are incompatible with reflective barcodes that require alternating light and dark lines.

図1は、バイオアッセイのためにLITABを調整する実施の形態を示す。図1(a)に示されるように、LITAB11は、マイクロボリュームサンプルにおける多重同種バイオアッセイを可能にする。異なるコード14に対応するLITAB11の混合を、チューブまたはマイクロウェルプレート13中の小容積の生体サンプル12中に入れる。LITABは、必要に応じてその後に容易にかつ素早く解読できる。ある実施の形態において、図1(b)は、標的ハイブリダイゼーション16および蛍光検出17のために核酸プローブ15で機能化したLITAB11を示す。ビーズ固定のためにいくつかの材料が利用できる。ある実施の形態において、LITABはマイクロアレイで使用される共有DNA結合剤で被覆されてもよい。プローブビーズはその後、5’端で共有結合したフルオロフォアを運ぶ相補的オリゴ標的に溶液中でハイブリダイズされた。図1(c)は、顕微鏡でCCD上に結像されたLITABである。異なる対象は異なる視野を提供する。   FIG. 1 shows an embodiment of preparing LITAB for bioassay. As shown in FIG. 1 (a), LITAB11 allows for multiplex allogeneic bioassays in microvolume samples. A mixture of LITAB 11 corresponding to different codes 14 is placed in a small volume of biological sample 12 in a tube or microwell plate 13. LITAB can then be easily and quickly deciphered as needed. In one embodiment, FIG. 1 (b) shows LITAB 11 functionalized with nucleic acid probe 15 for target hybridization 16 and fluorescence detection 17. Several materials are available for bead fixation. In certain embodiments, LITAB may be coated with a covalent DNA binder used in a microarray. The probe beads were then hybridized in solution to a complementary oligo target carrying a fluorophore covalently attached at the 5 'end. FIG.1 (c) is LITAB imaged on CCD with the microscope. Different subjects provide different fields of view.

不規則に方向付けられたマイクロビーズは、画像処理方法により、スライドのような支持体上またはマイクロプレートの底において解読できる。ビーズが最終的に沈降しマイクロプレート中の平面の底に分布されると、広視覚またはスキャニング結像カメラにより多数のビーズを同時に解読できる。マイクロプレートは、高速大量処理臨床アッセイについての標準フォーマットである。各ウェルを1つのサンプルに使用する;各プレートは、96ウェル、384ウェル、および1536ウェルについて、それぞれ96、384、または1536患者サンプルを保持する。したがって、ビーズを外に出さずにマイクロプレート中で実験を行うことが可能であり、解読のためにより正確で感度の良い定常状態でマイクロビーズを結像できる。誤った同定は誤診断および誤治療につながり得るので、解読の正確性は臨床診断について非常に重要である。小さいビーズサイズのために、重複を最小限にしてマイクロウェルの底に数百または数千のビーズを表示できる。ビーズの重複を最小にするために、マイクロウェルの面積に依存して、ビーズの総数は一定の数に制限される。バーコード画像および蛍光画像はいずれも、従来の顕微鏡またはインバータ蛍光顕微鏡で構成できる。   Irregularly oriented microbeads can be decoded on a support such as a slide or on the bottom of a microplate by image processing methods. Once the beads have finally settled and distributed to the bottom of the plane in the microplate, a large number of beads can be decoded simultaneously with a wide vision or scanning imaging camera. Microplates are a standard format for high speed, high throughput clinical assays. Each well is used for one sample; each plate holds 96, 384, or 1536 patient samples for 96, 384, and 1536 wells, respectively. Therefore, it is possible to conduct experiments in the microplate without taking the beads out, and the microbeads can be imaged in a steady state with higher accuracy and sensitivity for decoding. Because incorrect identification can lead to misdiagnosis and mistreatment, the accuracy of decoding is very important for clinical diagnosis. Due to the small bead size, hundreds or thousands of beads can be displayed at the bottom of the microwell with minimal overlap. To minimize bead overlap, the total number of beads is limited to a certain number, depending on the area of the microwell. Both the barcode image and the fluorescence image can be constituted by a conventional microscope or an inverter fluorescence microscope.

図12に図示される実施の形態において、デジタル磁気LITAB分析システム100は、ビーズパターン照射のための光源102および支持体(例えば、図示の実施の形態におけるマイクロウェル106)の底でビーズ11の画像を獲得するための光学CCD104を有する。マイクロウェル106の底は、透明または半透明であり、ビーズに十分な光が通ることを可能とする。スキャニングまたは変換機構110(図12に概略的に示される)は、光検出器104(例えばCCD)および光源に相対的にマイクロウェル106を移動させ、所望のウェルを結像する。光検出器104は、バーコード画像および蛍光検出の両方に使用できる。1M画素CCDは、ビーズ11上のバーコードパターン14の解明に十分な画素を有する。レンズおよび光学フィルタ108を使用して、励起および蛍光波長を収集および選択する。システム100および/または画像処理のコントロールは、制御演算装置112により行われ、これは本発明の開示による処理工程を行うための機能性および特徴を有する。ビーズの画像は、制御演算装置112により処理される前に保存および/または印刷/表示されてもよく、ビーズの画像を示すシグナルまたはデータはリアルタイムでまたはほぼリアルタイムで処理されるように制御演算装置112に送られてもよい。   In the embodiment illustrated in FIG. 12, the digital magnetic LITAB analysis system 100 includes an image of beads 11 at the bottom of a light source 102 and support (eg, microwell 106 in the illustrated embodiment) for bead pattern illumination. The optical CCD 104 for acquiring The bottom of the microwell 106 is transparent or translucent, allowing sufficient light to pass through the beads. A scanning or conversion mechanism 110 (shown schematically in FIG. 12) moves the microwell 106 relative to the photodetector 104 (eg, a CCD) and a light source to image the desired well. The photodetector 104 can be used for both barcode image and fluorescence detection. The 1M pixel CCD has enough pixels to elucidate the barcode pattern 14 on the bead 11. A lens and optical filter 108 are used to collect and select excitation and fluorescence wavelengths. Control of the system 100 and / or image processing is performed by the control computing unit 112, which has the functionality and features for performing the processing steps according to the present disclosure. The image of the bead may be stored and / or printed / displayed before being processed by the control arithmetic unit 112, so that the signal or data indicative of the image of the bead is processed in real time or near real time. 112 may be sent.

別の実施の形態において(図示せず)、2つの光源を使用し、1つの光源102は透過モードにおけるバーコード照射のためにマイクロウェルの下にあり、1つの光源103は入射または反射モードにおける蛍光励起のためにマイクロウェルの上にある。バーコード照射光源は白色光でよいが、蛍光励起光源はフルオロフォアの吸収に適合する波長が必要である。蛍光強度を測定することにより、どのビーズが陽性の生化学反応を有するか同定できる。ビーズを結像するのと同じまたは異なる光検出器により蛍光強度を測定してもよい。デジタルバーコード画像を解読することにより、どの生物プローブがマイクロビーズの表面に固定されるか同定できる。光源の選択は、フルオロフォアに依存する。例えば、光フィルタキューブを備えた水銀光源は、可視光励起にUVを提供する。赤色ダイオードレーザ(665nm)、および小型アルゴンレーザ(488nm)または緑色レーザ(530nm)は、様々のフルオロフォア(例えばフィコエリトリン(PE)、Cy3、およびCy5等)についての共通のレーザ光源である。光フィルタセットは、様々のフルオロフォアについて特定の励起および蛍光波長を選択するよう設計される。   In another embodiment (not shown), two light sources are used, one light source 102 is below the microwell for barcode illumination in transmissive mode, and one light source 103 is in incident or reflective mode. Above the microwell for fluorescence excitation. The bar code irradiation light source may be white light, but the fluorescence excitation light source needs a wavelength suitable for the absorption of the fluorophore. By measuring the fluorescence intensity, it is possible to identify which beads have a positive biochemical reaction. The fluorescence intensity may be measured by the same or different photodetectors that image the beads. By decoding the digital barcode image, it is possible to identify which biological probe is immobilized on the surface of the microbead. The choice of light source depends on the fluorophore. For example, a mercury light source with an optical filter cube provides UV for visible light excitation. A red diode laser (665 nm) and a small argon laser (488 nm) or green laser (530 nm) are common laser sources for various fluorophores (eg, phycoerythrin (PE), Cy3, and Cy5, etc.). The optical filter set is designed to select specific excitation and fluorescence wavelengths for various fluorophores.

バーコード画像をCCDから得るとすぐに、画像データを画像ソフトウェアにより素早く処理する。これらは多くの画像解読アルゴリズムである。画像パターンに依存して、異なるアルゴリズムは解読の速度または正確性において変わり得る。画像解読アルゴリズムの1つは、4つの主工程を含む:(1)画像の強調;(2)ビーズのセグメント化;(3)バーコードスリットの抽出;および(4)バーコードの解読。これらの工程のいくつかは、”The Mathworks, Inc.”から市販されるツールキットのような数学ソフトウェアを使用して行われる(例えば、MATLAB(登録商標)バージョン7.4.0.287(R2007a);2007年1月29日)。これらの工程の機能は以下の欄に説明される。   As soon as the barcode image is obtained from the CCD, the image data is quickly processed by the image software. These are many image decoding algorithms. Depending on the image pattern, different algorithms can vary in decoding speed or accuracy. One image decoding algorithm includes four main steps: (1) image enhancement; (2) bead segmentation; (3) barcode slit extraction; and (4) barcode decoding. Some of these steps are performed using mathematical software such as a toolkit commercially available from “The Mathworks, Inc.” (eg, MATLAB® version 7.4.0.287 (R2007a); 2007 January 29). The function of these steps is described in the following column.

(1)画像の強調:ビーズの解読の性能は、画像の質に著しく依存する。解読工程の正確性は、画像の強調により改良できる。画像強度正規化を使用するこの画像の強調は、均一な強度バックグラウンドを提供する。不均一なバックグラウンドは、しばしば不均質な照射による。ビーズの高い画像コントラストを達成するために、バックグラウンド除去および正規化によりまず均質なバックグラウンドを生じるべきである。   (1) Image enhancement: The performance of bead decoding is highly dependent on the quality of the image. The accuracy of the decoding process can be improved by image enhancement. This image enhancement using image intensity normalization provides a uniform intensity background. Inhomogeneous background is often due to inhomogeneous irradiation. In order to achieve high image contrast of the beads, background removal and normalization should first yield a homogeneous background.

(2)ビーズのセグメント化:画像セグメント化の目的は、さらなる分析のために画像中のビーズの輪郭を描くことである。基本的なセグメント化ルーチンは、画像中でビーズを位置づけることができる画像中の線、曲線のような境界をつける。ある実施の形態によれば、MATLABにおけるウォータシェッド(Watershed)アルゴリズムは、ビーズの位置を隔てるために適用される。MATLBにおけるウォータシェッドアルゴリズムは、画像が白黒画像であることを必要とし、したがって画像処理の一部の間に画像は白黒画像に変換される。黒画素のより高い密度(不透明領域による)は、ビーズのエッジに対応するので、ウォータシェッド変換は、画像中の発見した分水線を変換し、濃い画素により囲まれた表面をビーズとして処理する。あるいは、MATLBにおける新しいウォータシェッドアルゴリズムを修正し、グレースケール画像を使用することもでき、それによりビーズのセグメント化および最終解読がより正確に行われる。LITABは一定の領域を有し、したがって、各ビーズはその領域に基づいて画像から分離およびフィルタされる。   (2) Bead segmentation: The purpose of image segmentation is to delineate the beads in the image for further analysis. The basic segmentation routine places boundaries such as lines or curves in the image where the beads can be positioned in the image. According to one embodiment, the Watershed algorithm in MATLAB is applied to separate bead positions. The watershed algorithm in MATLB requires that the image be a black and white image, so that during part of the image processing, the image is converted to a black and white image. The higher density of black pixels (due to opaque areas) corresponds to the edge of the bead, so the watershed transform transforms the found waterlines in the image and treats the surface surrounded by the dark pixels as beads. . Alternatively, a new watershed algorithm in MATLB can be modified to use grayscale images, which results in more accurate bead segmentation and final decoding. LITAB has a certain area, so each bead is separated and filtered from the image based on that area.

(3)バーコードスリットの抽出:ビーズのセグメント化の後、各ビーズを別々に処理してバーコードを抽出する。メインの画像から抽出されて、ビーズの領域は、サブ画像とみなされ、一つずつ処理される。サブ画像は、主軸および短軸により無作為の方向においてビーズの位置付けを示す。画像のx軸を用いてビーズの主軸によりなされる角度を計算する。ビーズからのスリットの抽出は、ビーズの主軸をx軸に回転させた後に行われる。ビーズの回転後、ビーズの境界を除去し、強度値をバーの長さ(y軸)に沿って平均する。これらのサブ画像は事実上2次元であるが、透過強度情報のみを伝える。ビーズのx軸に沿う強度プロットは、1および0ビットに対応する2つの幅(狭いおよび広い)を有するピークを示す。   (3) Barcode slit extraction: After bead segmentation, each bead is processed separately to extract the barcode. Extracted from the main image, the bead regions are considered sub-images and processed one by one. The sub-image shows the bead positioning in a random direction with the major and minor axes. Calculate the angle made by the main axis of the bead using the x-axis of the image. The extraction of the slit from the beads is performed after rotating the main axis of the beads about the x axis. After bead rotation, the bead boundaries are removed and the intensity values are averaged along the length of the bar (y-axis). These sub-images are effectively two-dimensional, but carry only transmission intensity information. The intensity plot along the x-axis of the bead shows peaks with two widths (narrow and wide) corresponding to 1 and 0 bits.

(4)ビットの解読:バーコードを解読するために、透過強度ピークの幅を分析する。半値線(half maximum line)を使用してピークの幅を計算する。2進ビット情報を抽出するために、5つの画素がビーズの狭いスリット('0’) を描くために十分である。幅は、10%の許容範囲を使用して2進ビットに変換される。ビーズの終端エッジを示すピークに関連して強度ピークの上昇および下降するエッジに依存して、バーコードの最上位ビット(MSB)または最下位ビット(LSB)を同定できる。2つの幅の同定に基づいて、2進数字を解読できる。   (4) Bit decoding: In order to decode the bar code, the width of the transmission intensity peak is analyzed. Calculate the width of the peak using a half maximum line. In order to extract binary bit information, five pixels are sufficient to draw a narrow slit ('0') in the bead. The width is converted to binary bits using a 10% tolerance. Depending on the rising and falling edges of the intensity peak relative to the peak representing the end edge of the bead, the most significant bit (MSB) or the least significant bit (LSB) of the barcode can be identified. Based on the identification of the two widths, binary digits can be decoded.

例示される実施の形態によれば、画像処理ソフトウェアは、画像解読のための以下の詳細な段階的な手順から成る:
1.グレースケール変換およびビーズ画像詳細の保存:画像が読み取られ、図6に示されるようにグレースケール画像に変換される。このプログラミングにおいて使用される画像処理アルゴリズムのいくつかは、MATLBからのものであり、したがって画像が白黒画像に変換されることを必要とする。したがって、画像処理の工程中、処理された画像は必要な場合さらに白黒画像に変換される。
According to the illustrated embodiment, the image processing software consists of the following detailed step-by-step procedure for image decoding:
1. Grayscale conversion and storage of bead image details: The image is read and converted to a grayscale image as shown in FIG. Some of the image processing algorithms used in this programming are from MATLB and therefore require that the image be converted to a black and white image. Thus, during the image processing step, the processed image is further converted to a black and white image if necessary.

2.均一なバックグラウンドを得るためのバックグラウンド抽出:バックグラウンドの不均一な光照射を除去する。均一なバックグラウンドを得るために、構成要素および画像計算を使用して各画像を処理する。画像をバックグラウンドから抽出し、画像の強度を調整してさらなる処理を行う。 2. Background extraction to obtain a uniform background: Eliminate uneven illumination of the background. Each image is processed using components and image calculations to obtain a uniform background. The image is extracted from the background and further processed by adjusting the intensity of the image.

3.ビーズ画像エッジ検出:検出されたエッジが図7に示される。この工程は、バックグラウンドまたは残りの画像からビーズを認識および分離する。「ゾーベル(sobel)」フィルタリング技術を使用して、ビーズの全てのエッジ境界を抑え、各ビーズ内のスリットを強調する。 3. Bead image edge detection: The detected edges are shown in FIG. This step recognizes and separates the beads from the background or remaining image. A “sobel” filtering technique is used to suppress all edge boundaries of the beads and emphasize the slits within each bead.

4.個々のビーズ画像のラベリング:画像中でビーズが個々の領域として分離されると、RGB色コードを使用してまたは各ビーズに番号付けすることにより、領域にラベルを付ける(図8)。面積、方向の角度、画素リストのような異なるパラメータを、領域ポップス(pops)アルゴリズムを使用して各ビーズについて計算する。 4). Labeling individual bead images: Once the beads are separated as individual regions in the image, the regions are labeled using the RGB color code or by numbering each bead (Figure 8). Different parameters such as area, direction angle, pixel list are calculated for each bead using a region pops algorithm.

5.ビーズ画像の配置変換および強度プロットによるデジタル解読の表示:各マイクロビーズを主軸に配置するために(図9)、元のグレースケール画像を撮影して、画素値を含むマトリクスに変換する。マイクロビーズの画素インデクスリストを、領域特性から得る。グレースケール画像を、各マイクロビーズの画素インデクスリストと交換し、画素の残りをゼロにする。前に計算された各マイクロビーズの方向の角度を使用して、各ビーズを主軸に沿って回転する。 5. Display conversion of bead image and digital decoding by intensity plot: To place each microbead on the main axis (FIG. 9), the original grayscale image is taken and converted to a matrix containing pixel values. The pixel index list of the microbead is obtained from the region characteristics. The grayscale image is exchanged with the pixel index list for each microbead, leaving the rest of the pixels at zero. Using the previously calculated angle of each microbead, rotate each bead along the main axis.

6.デジタルコード同定のための強度の分析:図10に示されるように強度対画素数をプロットすることにより、マイクロビーズ画像を表示する。各強度プロットを分析して、マイクロビーズ中のバーコードを得る。x軸に平行に線を引き、プロットで線の各交点についてx値を取る。ピークの平均値で線を引く。これは、ピーク中の全ての点の合計を点の数で割ることを意味する。次に、2つの連続するx値の間の差を得る。代替値は、各マイクロビーズ中のバーコードの幅である。バーコードのエッジと第1のスリットとの間の間隔を計算することにより、バーコードの方向が分かる。より長い距離が、バーコードの読取りの順方向に対応する。ビーズが画像中で逆に表れる場合、バーコードビットを逆にする。解読された結果を、図11に示されるように表示する。 6). Intensity analysis for digital code identification: Display microbead images by plotting intensity versus number of pixels as shown in FIG. Each intensity plot is analyzed to obtain a barcode in the microbead. Draw a line parallel to the x-axis and take the x value for each intersection of the lines in the plot. Draw a line with the average of the peaks. This means that the sum of all points in the peak is divided by the number of points. Next, the difference between two consecutive x values is obtained. An alternative value is the width of the barcode in each microbead. By calculating the distance between the edge of the barcode and the first slit, the direction of the barcode can be determined. The longer distance corresponds to the forward direction of barcode reading. If the beads appear to be reversed in the image, the barcode bit is reversed. The decrypted result is displayed as shown in FIG.

7.接触するビーズのセグメント化:2つのビーズがエッジに沿って接触する場合、バーコードは重複せず、したがってビーズの解読が可能である。しかし、2つのビーズは単一のビーズとしてセグメント化される。そのような接触するビーズを分解させるために、距離変換(Distance Transform)およびウォーターシェッド線を使用する「ウォーターシェッド変換」を使用する。距離変換は、デジタル画像のマッピング表示であり、画像の各画素に最も近い境界画素への距離を与える。画像データは、画像表示ウォーターシェッドの勾配においてグレーレベルがピークである局所表面として解釈してもよい。セグメント化において、これらのビーズのスリットを広げ、距離変換を使用してウォーターシェッド線を見つける。ウォーターシェッド線作成は、画像が白黒であることを必要とし、したがって各画像は限界強度に基づいて白黒に変換される。バーコードスリットの長方形の構造要素は、画像を広げることを前提とする。ウォーターシェッド線が作成されると、エッジが検出された画像はウォーターシェッド線を重ねられ、結果として分離したビーズを得る。これらの分離したビーズはエッジでは異形であるが、バーコードは解読のために完全である。 7). Segmenting of contacting beads: If two beads contact along an edge, the barcodes do not overlap and thus the bead can be decoded. However, the two beads are segmented as a single bead. To disassemble such contacting beads, a “Watershed Transform” using a Distance Transform and a watershed line is used. Distance conversion is a mapping display of a digital image, giving the distance to the boundary pixel closest to each pixel of the image. The image data may be interpreted as a local surface with a gray level peak in the gradient of the image display watershed. In segmentation, widen the slits of these beads and use distance transformation to find the watershed line. Watershed line creation requires the images to be black and white, so each image is converted to black and white based on the limit intensity. The rectangular structure element of the barcode slit is premised on expanding the image. When the watershed line is created, the image in which the edge is detected is overlaid with the watershed line, resulting in separated beads. These separate beads are irregular at the edges, but the barcode is perfect for decoding.

本発明において長方形ビーズが扱われるが、これは曲がった長方形のビーズに拡張できる。すなわち、ビーズは長方形および一方の端における2つの半円から成る。半円の1つは、他方より大きく、MSBおよびLSBを示す。バーコードを解読するために、画像処理を行って半円を除いてビーズを徐々に失わせる。領域に基づくフィルタは、ビーズからMSB半円のみを抽出できる。この確かな半円画像は、「ゾーベルフィルタ」を使用してエッジ画像に換算される。全体画像は、曲線を形成する半円および直線から成る。MATLBにおいてハフ(Hough)変換を使用して直線を同定する。直線に基づいて、ビーズのバーコード部分の長さの箱を、直線に向かって垂直方向にだが半円領域から離れるように構成する。構成された箱内部の強度をプロットすることにより、バーコードの抽出を行う。   Although rectangular beads are handled in the present invention, this can be extended to bent rectangular beads. That is, the bead consists of a rectangle and two semicircles at one end. One of the semicircles is larger than the other, indicating MSB and LSB. To decode the bar code, image processing is performed and the beads are gradually lost except for the semicircle. Region based filters can only extract MSB semicircles from beads. This sure semicircle image is converted to an edge image using a “Sobel filter”. The entire image consists of semicircles and straight lines that form a curve. Identify straight lines using the Hough transform in MATLB. Based on the straight line, the length of the barcode portion of the bead is configured to be perpendicular to the straight line but away from the semicircular region. The bar code is extracted by plotting the intensity inside the constructed box.

画像処理のための計算時間量を減少するために、アルゴリズムを改良するための多くの試みが行われてきた。ビーズのセグメント化のための初期処理を行うために、画像解析は1μm/画素から10μm/画素に減少される。ビーズがセグメント化されると、高解像度画像を使用してバーコードが抽出される。別の試みは、画像解読アルゴリズムをMATLBからC言語に変化し、実行前にCプログラムをコンパイルすることである。このことは、画像解読ソフトウェアの実行速度を著しく改良する。最後に、解読プログラムを、NVIDIAのようなコプロセッサによりおよびCUDAライブラリを使用して実行し、プログラムをコプロセッサとつなぐ。このシステムは、128ものコプロセッサに、平衡にプログラムを実行させる。   Many attempts have been made to improve the algorithm in order to reduce the amount of computation time for image processing. To perform the initial processing for bead segmentation, the image analysis is reduced from 1 μm / pixel to 10 μm / pixel. Once the beads are segmented, the barcode is extracted using the high resolution image. Another attempt is to change the image decoding algorithm from MATLB to C and compile the C program before execution. This significantly improves the execution speed of the image decoding software. Finally, the decryption program is executed by a coprocessor such as NVIDIA and using the CUDA library to link the program with the coprocessor. This system allows 128 coprocessors to execute programs in a balanced manner.

本発明の方法およびシステムは、機能的モジュールの点で上記に記載されている。反対に示されない限り、本発明の範囲および性質を逸脱せずに、単一の物理的装置またはソフトウェア産物中のソフトウェアモジュールに1つ以上の機能が統合されてもよく、または別の物理的装置またはソフトウェアモジュールである機能が実行されてよいことが理解される。ハードウェアとソフトウェアとの間の境界線は必ずしも明確ではないことがさらに理解されるであろう。   The method and system of the present invention has been described above in terms of functional modules. Unless indicated to the contrary, one or more functions may be integrated into a software module in a single physical device or software product, or another physical device, without departing from the scope and nature of the present invention. It is understood that functions that are or software modules may be performed. It will be further understood that the boundary between hardware and software is not always clear.

本発明の方法を構成する各工程の実際の実行の詳細な議論は、本発明の理解を可能にするために必ずしも必要ではないことが理解される。実際の実行は、プログラマおよびコンピュータエンジニアの通常のスキル、および本発明のシステムの開示の結果であると考えるとシステム中の様々のソフトウェアおよびハードウェア構成要素の機能性および相互関係の範囲内である。当業者は、通常のスキルを適用することにより、過度の実験をせずに本発明を行うことができる。   It will be understood that a detailed discussion of the actual execution of each step making up the method of the present invention is not necessary to allow an understanding of the present invention. The actual implementation is within the functionality and interrelationship of the various software and hardware components in the system, given the normal skill of the programmer and computer engineer, and the disclosure of the system of the present invention. . One skilled in the art can perform the present invention without undue experimentation by applying normal skills.

本発明は、記載される実施の形態に関して記載されているが、本発明の範囲および
性質を逸脱せずに様々の変更および改良をしてもよいことは当業者に明らかであろう。したがって、本発明は、特定の例示される実施の形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定されることが理解されるべきである。
While the invention has been described with reference to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made without departing from the scope and nature of the invention. Accordingly, it is to be understood that the invention is not limited by the specific illustrated embodiments, but only by the claims.

Claims (15)

マイクロビーズ分析システムであって、
デジタルコードを示す印が付いた少なくとも1つのビーズを支持するサポート;
前記サポートおよび前記印を含むビーズの画像を得る結像装置;および
前記結像装置により得られた画像を分析し、前記ビーズを前記画像の残りから認識および分離し、前記ビーズ上に付けられた印により示される前記デジタルコードを同定するよう構成された解読システム、
を備えたマイクロビーズ分析システム。
A microbead analysis system,
A support supporting at least one bead marked with a digital code;
An imaging device for obtaining an image of the bead including the support and the indicia; and analyzing the image obtained by the imaging device, recognizing and separating the bead from the rest of the image, and placed on the bead A decryption system configured to identify the digital code indicated by the indicia;
Microbead analysis system equipped with.
前記サポートが、それぞれデジタルコードを示す印を有する複数のマイクロビーズを支持し、前記結像装置により得られる画像が、各ビーズ上に前記印を含む複数のビーズを含み、前記解読システムが、前記画像を解析して、前記複数のビーズを互いにおよびバックグラウンド中の前記サポートから認識および分離し、各ビーズ上に付けられた印により示されるデジタルコードを同定するよう構成されることを特徴とする請求項1記載のマイクロビーズ分析システム。   The support supports a plurality of microbeads each having a mark indicating a digital code, and an image obtained by the imaging device includes a plurality of beads including the mark on each bead; Configured to analyze an image to recognize and separate the plurality of beads from each other and the support in the background, and to identify a digital code indicated by the indicia placed on each bead The microbead analysis system according to claim 1. 前記サポートが、複数のウェルを有するプレートを有し、前記複数のビーズがウェル中に支持されることを特徴とする請求項2記載のマイクロビーズ分析システム。   3. The microbead analysis system according to claim 2, wherein the support includes a plate having a plurality of wells, and the plurality of beads are supported in the wells. 結像のために前記複数のビーズを照射する光源をさらに含むことを特徴とする請求項2記載のマイクロビーズ分析システム。   The microbead analysis system according to claim 2, further comprising a light source that irradiates the plurality of beads for imaging. 前記光源が、前記複数のビーズを通って前記結像装置に光を透過するよう位置付けられることを特徴とする請求項4記載のマイクロビーズ分析システム。   5. The microbead analysis system of claim 4, wherein the light source is positioned to transmit light through the plurality of beads to the imaging device. 前記光源が、前記複数のビーズ上に光を入射するよう位置付けられることを特徴とする請求項4記載のマイクロビーズ分析システム。   The microbead analysis system according to claim 4, wherein the light source is positioned to make light incident on the plurality of beads. 前記ビーズが、光シグナルを生じる材料を含み、前記結像装置が、前記光シグナルを検出する光学装置を含むことを特徴とする請求項6記載のマイクロビーズ分析システム。   The microbead analysis system according to claim 6, wherein the beads include a material that generates a light signal, and the imaging device includes an optical device that detects the light signal. 前記ビーズがそれぞれ、
第1層;
第2層:および
その上に定められたコード化パターンを有する、前記第1層と前記第2層との間の中間層であって、光に対して一部実質的透過性であり一部実質的に不透明であり、前記ビーズに対応するデジタルコードを示す中間層、
を含むことを特徴とする請求項2記載のマイクロビーズ分析システム。
Each of the beads
First layer;
A second layer: and an intermediate layer between the first layer and the second layer having a coding pattern defined thereon, partly substantially transparent to light and partly An intermediate layer that is substantially opaque and exhibits a digital code corresponding to the bead;
The microbead analysis system according to claim 2, comprising:
前記中間層が、前記コード化パターンを示す、一連の交互の実質的に光透過性のセクションおよび実質的に光に不透明のセクションを含むことを特徴とする請求項8記載のマイクロビーズ分析システム。   9. The microbead analysis system of claim 8, wherein the intermediate layer includes a series of alternating substantially light transmissive sections and substantially light opaque sections that exhibit the coding pattern. 前記透過性セクションおよび/または不透明セクションの間の相対的な位置、幅および/または間隔が2進コードを示すことを特徴とする請求項9記載のマイクロビーズ分析システム。   The microbead analysis system according to claim 9, wherein the relative position, width and / or spacing between the permeable section and / or the opaque section indicates a binary code. 前記光透過性セクションが、前記中間層を通るスリットにより定められ、前記光に不透明のセクションが、光反射材料および/または光吸収材料により定められることを特徴とする請求項8記載のマイクロビーズ分析システム。   9. The microbead analysis of claim 8, wherein the light transmissive section is defined by a slit through the intermediate layer and the light opaque section is defined by a light reflecting material and / or a light absorbing material. system. 前記スリットが、第1の幅のスリットおよび第2の幅のスリットを含み、2進コードにおいて該第1の幅は”0”を示し前記第2の幅は”1”を示すことを特徴とする請求項11記載のマイクロビーズ分析システム。   The slit includes a slit having a first width and a slit having a second width. In the binary code, the first width indicates “0” and the second width indicates “1”. The microbead analysis system according to claim 11. 前記解読システムが、(1)ビーズ画像詳細を保存するグレースケール変換;(2)ビーズ画像について均一なバックグラウンドを得るバックグラウンド除去;(3)ビーズ画像エッジ検出;(4)ビーズ画像が接触する場合に、接触するビーズ画像を分離する追加のフィルタリング工程;(5)個々のビーズ画像のラベリング;(6)前記ビーズ画像の配置変換および強度による各ビーズ画像中のデジタルコード化の表示;および(7)前記デジタルコードを同定するための前記強度の分析、
により、前記画像の残りから特定のビーズを認識および分離し、該ビーズ上に付けられた印により示されるデジタルコードを同定するよう構成されることを特徴とする請求項2記載のマイクロビーズ分析システム。
The decoding system is (1) grayscale transformation that preserves bead image details; (2) background removal to obtain a uniform background for the bead image; (3) bead image edge detection; (4) bead image contact And (5) labeling of individual bead images; (6) display of digital encoding in each bead image by placement and intensity of the bead image; and ( 7) analysis of the intensity to identify the digital code;
3. The microbead analysis system according to claim 2, wherein the microbead analysis system is configured to recognize and separate a specific bead from the rest of the image and to identify a digital code indicated by a mark affixed on the bead. .
デジタルコードを示す印が付いた複数のビーズを支持し;
サポートおよび前記印を含むビーズの画像を獲得し;
前記画像を分析して、前記画像の残りから前記ビーズを認識および分離し、前記ビーズ上に付けられた印により示される前記デジタルコードを同定する、
各工程を含むことを特徴とするマイクロビーズを分析する方法。
Supports multiple beads marked with a digital code;
Obtaining an image of the support and the beads containing said indicia;
Analyzing the image to recognize and separate the bead from the rest of the image and to identify the digital code indicated by the indicia placed on the bead;
A method for analyzing microbeads, comprising each step.
前記分析する工程が、
(1)ビーズ画像詳細を保存するグレースケール変換;
(2)ビーズ画像について均一なバックグラウンドを得るバックグラウンド除去;
(3)ビーズ画像エッジ検出;
(4)ビーズ画像が接触する場合に、接触するビーズ画像を分離する追加のフィルタリング工程;
(5)個々のビーズ画像のラベリング;
(6)前記ビーズ画像の配置変換および強度による各ビーズ画像中のデジタルコード化の表示;および
(7)前記デジタルコードを同定するための前記強度の分析、
の各工程を含むことを特徴とする請求項14記載の方法。
The step of analyzing comprises
(1) Grayscale conversion to preserve bead image details;
(2) Background removal to obtain a uniform background for the bead image;
(3) Bead image edge detection;
(4) an additional filtering step of separating the contacting bead images when the bead images are in contact;
(5) Labeling of individual bead images;
(6) a representation of the digital encoding in each bead image according to the placement transformation and intensity of the bead image; and (7) an analysis of the intensity to identify the digital code;
The method according to claim 14, comprising the steps of:
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