KR100463336B1 - 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법 - Google Patents

바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100463336B1
KR100463336B1 KR1020010062620A KR20010062620A KR100463336B1 KR 100463336 B1 KR100463336 B1 KR 100463336B1 KR 1020010062620 A KR1020010062620 A KR 1020010062620A KR 20010062620 A KR20010062620 A KR 20010062620A KR 100463336 B1 KR100463336 B1 KR 100463336B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spot
template
image
edge
biochip
Prior art date
Application number
KR1020010062620A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20030030471A (ko
Inventor
김진혁
이용성
이영식
Original Assignee
(주)가이아진
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)가이아진 filed Critical (주)가이아진
Priority to KR1020010062620A priority Critical patent/KR100463336B1/ko
Priority to US10/267,745 priority patent/US7085404B2/en
Publication of KR20030030471A publication Critical patent/KR20030030471A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100463336B1 publication Critical patent/KR100463336B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C12Q1/6834—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • C12Q1/6837—Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0012—Biomedical image inspection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2565/00—Nucleic acid analysis characterised by mode or means of detection
    • C12Q2565/60—Detection means characterised by use of a special device
    • C12Q2565/619—Detection means characterised by use of a special device being a video camera

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오칩 중에서 cDNA 마이크로 어레이 칩의 유전자 정보 분석을 위한 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 바이오칩에 대한 원시 이미지를 포함하여 각종 이미지(Image) 정보를 저장하는 이미지 저장모듈, 바이오칩의 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하고 그 테스트용 이미지로부터 오버래핑(Overlapping)된 이미지와 컬러 이미지를 구성하는 이미지 변환모듈, 테스트용 이미지를 스팟 및 백그라운드(Background) 템플릿 (template)을 생성하여 에지를 검출하는 에지 검출모듈, 스팟 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하고 휘도 보정을 수행하는 데이터 처리모듈, 및 통계적 데이터들을 저장하는 데이터 저장모듈을 포함한다. 따라서, 본 발명은 바이오칩의 유전자 정보를 분석하기 위해 스팟 형태의 유전자들을 분리하여 스팟의 세그먼트 좌표를 생성한 후, 미리 정해진 임계값 또는 기준원을 이용하여 스팟과 백그라운드 에지를 검출함으로써 데이터 에러율은 현저히 감소시키면서 유효한 정보만을 추출할 수 있는 효과를 제공하여 준다.

Description

바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법{System for image analysis of biochip and method thereof}
본 발명은 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오칩 중에서 cDNA 칩의 에지를 검출하는 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
바이오칩(Biochip)은 유전학적 연구를 가속화하기 위한 목적으로 설계된 유리 또는 실리콘 웨이퍼 막(membrane)이다. 바이오칩은 DNA의 많은 짧은 가닥들의 구조와 생물의 특성을 결정짓는 기본적인 유전 정보를 한 군데로 고정시키기 위해 설계되고, 실제로 화학 시료를 위한 시험관의 한종류로 사용되기도 한다.
바이오칩은 인간 DNA 내의 대략 30000개의 유전자들의 확인과, 인간 유전자 염기서열 지도를 작성한 인간지놈 프로젝트라고 불리는 전세계적 공동 연구의 진행을 가속화시킬 수 있다.
이러한 바오칩은 프로테인 칩(Protein chip), 올리고뉴클레오티드 칩 (Oligonucleotide chip), 단편 유전자 칩(cDNA chip)으로 나누어질 수 있다.
프로테인 칩은 칩 표면에 수십에서 수백 종류의 서로 다른 단백질이나 리간드(ligand) 등을 마이크로어레이 형태로 제작한 것이다. 여기서, 프로테인 칩에 시료를 첨가하게 되면 칩 표면의 단백질이나 리간드와 특이적으로 상호 작용하는 셍체분자는 남고 나머지는 모두 씻겨나가게 된다.
이와 같이, 상호 작용하는 생체 분자의 존재여부나 기능은 SPR(Surface Plasmon Resornance), 질량분석기 형광분석기 등을 이용하여 분석된다. 프로테인 칩은 암, 에이즈, 인체 질병의 조기진단이나 질병의 원인 규명, 생체내 신호전달 체계의 이해에 효율적으로 활용될 수 있다
올리고뉴클레오티드 칩은 25개의 올리고뉴클레오티드를 이용하여 특정 유전자의 돌연변이를 검색할 수 있다. 슬라이드 글라스 위에서 포토리소그래피 (Photolithography) 법으로 원하는 염기서열의 올리코뉴클레오티드를 합성하고 이를 이용하여 p53 및 BRCA1 등 암 억제 유전자의 돌연변이를 검색할 수 있다.
이러한, 올리고뉴클레오티드 칩은 유전질환에서 유전자 변이 검색, 약제내성 검색진단, SNP(Single Nucleotide Polymorphism)분석, 장기 이식 적합성 검사, 병원성 미생물 동정, DNA 염기서열 분석, 친자확인 및 민족간의 다형성 분석, 법의학적 응용에 이용될 수 있다.
cDNA 칩은 수천에서 수만개의 유전자를 일정한 슬라이드 글라스 위에 150㎛ 크기로 점을 찍어 cDNA 마이크로어레이를 제작하고, 비교하고자 하는 두 가지 군, 즉 대조군 및 실험군의 RNA를 형광 표지한 후에 이를 경합적으로 DNA 칩에 결합시켜 상대적인 유전자 발현 양상을 알아볼 수 있다.
이러한, cDNA 칩은 유전자발현 대량분석, 인체 질환 진단 및 감시, 환경 인자에 대한 생물학적 반응 연구, 식품 안정성 검사, 신약개발, 임상병리학, 동식물 검역 등에 이용될 수 있다.
위에서 설명한 cDNA 칩의 제작하는 방법은 다음과 같다.
테스트용 유전자들이 글라스 슬라드에 심어지면 수천개의 테스트용 유전자를 가진 cDNA 마이크로어레이 칩이 만들어진다. 이렇게 만들어진 cDNA 마이크로어레이 칩은 두가지 다른 환경에서 발현되는 독특한 유전자들을 분석하는데 크게 기여한다.
두 개의 다른 환경에서 얻은 세포들로부터 mRNA를 추출하고, 이들 mRNA를 역전사(Reverse transcription)시킬 때 각각 다른 색깔의 형광물질을 띤 염기를 집어넣어 빨간색(Cy5)이나 녹색(Cy3)을 띤 cDNA를 합성하거나 mRNA 자체에 태깅 (tagging)시킨다.
이때, 노란색으로 발현되는 유전자들은 녹색과 빨간색의 보색에 의하여 나타나는 것으로서 이 유전자들은 두 환경에서 서로 비슷한 양이 발현되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 합성된 두 개의 cDNA 혹은 mRNA를 동일한 양으로 섞어서 하나의 cDNA 마이크로어레이 칩에 결합시키는데, 여기서 결합이 안된 유전자들을 씻어낸 칩은 레이저 형광 스캐너에 의하여 읽혀진다. 각각 유전자의 형광 정도는 그 유전자의 발현정도를 알려주는 것으로 이들 정보는 컴퓨터에 의하여 분석된다.
유전자 정보 분석시, cDNA 마이크로어레이 칩은 글라스 슬라드 위에 각기 다른 유전자의 cDNA가 직경 100㎛의 스팟(spot) 형태로 심어진 것이므로 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 각 스팟을 세그먼트(segment) 형태로 분리한다.
이때, 유효한 스팟을 추출하기 위해 일정한 크기의 기준원이 세크먼트의 중심에 주입되는데, 스팟에 비해 기준원의 크기가 크게 되면 스팟 뿐만 아니라 백그라운드(background)가 기준원 안에 포함되므로 데이터 평균값에 오류가 발생하는 문제점이 있다.
또는, 세그먼트의 중심 측에 스팟의 중심이 위치하지 않고 한쪽으로 치우쳐있는 경우에 기준원과 스팟의 위치가 어긋나게 되므로 기준원에 포함되어 있는 스팟의 일부만을 유효 정보로 사용하고, 기준원 외부의 나머지 스팟은 백그라운드로 처리되어 데이터 에러율이 증대되는 문제점이 있다.
한편, 위에서 상술한 방식에서 유발되는 오류를 보정하고자 세그먼트 내의 휘도(intensity)를 히스토그램 형태로 나타내고 상하 일정량의 데이터 값을 버리고 나머지 데이터 값만을 유효한 정보로 취함으로써 오류를 보정한다. 이 경우에, 정확한 데이터가 추출된 경우에도 유용한 데이터 값을 버릴 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 바이오칩 중에서 cDNA 칩의 유전자 정보 분석시 유효한 에지 정보를 검출하여 데이터 에러율을 감소시키기 위한 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 시스템의 구성이 도시된 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법이 도시된 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 이미지 처리 과정이 도시된 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 에지 검출 과정이 도시된 순서도이다.
도 5a는 스팟 템플릿 생성시 필요한 템플릿 구성이 도시된 도면이다.
도 5b는 백그라운드 템플릿 생성시 필요한 템플릿 구성이 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 데이터 처리 과정이 도시된 순서도이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법은서로 다른 색깔의 형광 염기들에 의해 각기 다른 환경에서 발현하는 특정한 유전자 집합으로 이루어진 바이오칩에서 상기 형광 염기에 따른 원시 이미지를 추출하는 제1 단계;상기 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하는 제2 단계;상기 테스트용 이미지에서 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 스팟(spot) 형태의 유전자들을 각각 분리하여 스팟의 에지를 검출하고, 스팟 템플릿과 상기 스팟을 제외한 일정 거리 내의 영역으로 이루어진 백그라운드 템플릿을 생성하는 제3 단계; 및상기 제2 단계 또는 제3 단계를 통해 생성된 스팟 템플릿 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하는 제4 단계를 포함하고,상기 제3 단계는,상기 테스트용 이미지의 휘도를 강화하여 에지를 강조시키는 인핸스먼트 (Ehancement) 단계;상기 인핸스먼트 단계를 통해 강조된 에지에서 일정 수의 픽셀(Pixel)들의 평균값을 미리 정해진 최대 임계값과 최소 임계값을 비교하여 에지를 검출하는 비교단계;상기 비교단계를 통해 검출된 에지에서 기준크기 이하의 에지를 제거하는 유효에지 추출단계;상기 유효에지 추출단계를 통해 추출된 에지로 이루어진 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성한 후 저장하는 템플릿 저장단계를 포함한다.한편, 본 발명의 다른 특징에 따른 바이오칩 이미지 분석방법은서로 다른 색깔의 형광 염기들에 의해 각기 다른 환경에서 발현하는 특정한 유전자 집합으로 이루어진 바이오칩에서 상기 형광 염기에 따른 원시 이미지를 추출하는 제1 단계;상기 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하는 제2 단계;상기 테스트용 이미지에서 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 스팟(spot) 형태의 유전자들을 각각 분리하여 스팟의 에지를 검출하고, 스팟 템플릿과 상기 스팟을 제외한 일정 거리 내의 영역으로 이루어진 백그라운드 템플릿을 생성하는 제3 단계; 및상기 제2 단계 또는 제3 단계를 통해 생성된 스팟 템플릿 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하는 제4 단계를 포함하고,상기 제3 단계는,상기 테스트용 이미지에서 스팟의 평균 크기를 토대로 템플릿의 중심에 기준원이 형성된 기준 템플릿을 생성하는 기준 템플릿 생성 단계;상기 테스트용 이미지의 휘도를 강화하여 에지를 강조시키는 인핸스먼트 (Ehancement) 단계;상기 인핸스먼트 단계를 통해 강조된 에지에서 일정 수의 픽셀(Pixel)들의 평균값을 미리 정해진 임계값과 비교하여 에지를 검출하는 비교단계;상기 비교단계를 통해 검출된 에지에서 일부가 개방된 경우, 일부가 개방된 에지를 최단거리로 연결하여 유효에지 템플릿을 생성하는 유효에지 추출단계; 및상기 유효에지 추출단계에서 추출된 유효에지 템플릿과 상기 기준 템플릿을 합성하여 스팟 템플릿을 생성하고, 상기 유효에지 템플릿과 기준 템플릿을 반전시킨 각각의 템플릿을 합성하여 백그라운드 템플릿을 생성한 후 상기 스팟 및 백그라운드 템플릿을 저장하는 템플릿 저장단계를 포함한다.이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.본 발명의 실시예에 따른 시스템은 서로 다른 색깔의 형광 염기인 Cy3, Cy5에 의해 각기 다른 환경에서 발현하는 특정한 유전자 집합으로 이루어진 바이오칩 중에서 cDNA 마이크로어레이 칩에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 시스템의 구성이 도시된 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 하드디스크 (10)로부터 16비트 TIFF(Tag Image File Format) 형태의 cDNA 마이크로어레이 이미지 2개를 Cy3 및 Cy5에 따라 스캐닝하여 원시 이미지를 저장하고, 각종 변환된 이미지 정보를 저장하는 이미지 저장모듈(20),
이미지 저장모듈(20)에 저장되어 있는 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하고, 테스트용 이미지로부터 오버래핑된 이미지와 컬러 이미지를 구성한 후 이미지 저장모듈(20)에 저장하는 이미지 변환모듈(30),
이미지 저장모듈(20)에 저장되어 있는 테스트용 이미지에서 스팟 형태의 유전자들을 분리하여 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성하여 에지를 검출하고 각 템플릿을 이미지 저장모듈(20)에 저장하는 에지검출 모듈(40),
스팟 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하고 휘도 보정을 수행하는 데이터 처리모듈(50),
데이터 처리모듈(50)에서 산출된 통계적 데이터들을 저장하는 데이터 저장모듈(60), 및
사용자의 요구에 따라 이미지 저장모듈(20), 에지검출 모듈(40), 데이터 저장모듈(60)에 저장되어 있는 이미지와 데이터들을 화면 출력시키는 입출력 모듈 (70)을 포함한다.
여기서, 이미지 변환모듈(30)은 이미지 처리 속도를 증가시키고 사용자에게 적절한 시점에 제시하기 위해 16 비트의 원시 이미지를 Cy3 및 Cy5에 의한 두 이미지를 8비트의 테스트용 이미지로 변환한다.
그리고, 이미지 변환모듈(30)은 두 이미지에서 Cy3는 녹색으로, Cy5는 적색으로 의사 색을 입힌 후에 두 이미지를 일치시킨 후에 오버래핑시키고, 또한 8비트의 Cy3 및 Cy5 이미지에서 같은 위치의 픽셀 중 큰 값들만으로 오버래핑된 8비트 이미지를 재구성한다.
따라서, 이미지 저장모듈(20)은 이미지 변환모듈(30)에 의해 2개의 16비트 이미지, 3개의 8비트 이미지, 1개의 컬러 이미지가 저장된다.
대개, cDNA 마이크로어레이 칩은 두가지 다른 파장의 레이저로 Cy3와 Cy5 형광 염기를 탐지하기 위해 2회 스캐닝하는데, 2회의 스캐닝 과정에서 칩의 위치가 여러 가지 요인에 의해 불일치되기 쉽다. 따라서, 이미지 변환모듈(30)은 이미지 처리에 앞서 두 이미지의 위치를 일치시키는 자동화된 위치 보정 과정을 수행하기도 한다.
cDNA 마이크로어레이 이미지는 각기 다른 유전자의 cDNA가 대략 직경 100㎛의 스팟 형태로 프린트된 것을 스캐닝 한 것으로서 칩에 따라 다르지만 약 10000개 내외의 스팟으로 구성되어 있다.
따라서, 에지검출 모듈(40)은 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 각 스팟을 분리하는 세그멘테이션 과정을 수행하고, 마이크로어레이 이미지에서 각 스팟과 백그라운드의 휘도를 측정하는 과정을 수행함으로써 에지를 검출한다.
이때, 스팟의 세그멘트 좌표는 어레이 형태로 저장되고 필요에 따라 인덱스 정보를 입력할 수 있으며, 한 세그멘트 내에서 스팟을 제외한 나머지 영역을 백그라운드로 한다.
위에서, 스팟의 인덱스 정보는 cDNA 마이크로어레이 칩의 다수의 서브그리드(Sub-grid)로 구분하고, 각 서브그리드의 종렬 및 횡렬 인덱스와, 서브그리드 내에서 각 스팟의 세그멘트의 종렬 및 횡렬 인덱스를 생성하여 만들어진다.
예를 들어, 스팟의 인덱스 정보는 (a,b,c,d) 형태로 형성되고, a와 b는 서브그리드의 인덱스, c와 d는 해당 서브그리드 내의 스팟의 인덱스를 나타낸다.
데이터 처리모듈(50)은 에지검출 모듈(40)에서 획득한 스팟 및 백그라운드 템플릿을 토대로 평균값, 표준편차, 중앙값, 모드, 스팟의 면적 및 둘레, 스팟 내의 홀 수, 단편화 정도와 같은 각종 측정치를 통계적 데이터들로 산출하고 이를 데이터 저장모듈(60)에 저장한다.
이때, 통계적 데이터들은 스팟의 인덱스 정보와 연계되어 저장될 수 있다.
Cy3 및 Cy5 형광 염기는 형광에 대한 민감도가 서로 다르고 동량의 시료 RNA를 Cy3 및 Cy5 형광 염기로 태깅(Tagging)하나 정확하게 동량의 RNA를 사용한다는것이 불가능하다.
따라서, 데이터 처리모듈(50)은 대개 한쪽 이미지의 휘도가 더 강하게 측정되는 것을 보정하는 표준화(Normalization) 과정을 수행한다.
상기와 같이 구성되는 바이오칩 이미지 분석 시스템의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법이 도시된 순서도이다.
도 2를 참고하면, 하드디스크(10)에서 16비트 TIFF 형태로 이루어진 Cy3와 Cy5의 원시 이미지들을 추출하여 이미지 저장모듈(20)에 저장한다.(S1)
그리고, 이미지 변환모듈(30)은 원시 이미지를 8비트의 테스트용 이미지로 변환하고, 테스트용 이미지로부터 오버래핑된 이미지와 사용자에게 디스플레이 하기 위해 컬러 이미지를 구성한다.(S2)
에지검출 모듈(40)이 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 스팟에 따라 테스트용 이미지를 세그멘테이션하여 스팟의 세그멘트 좌표를 산출하고(S3), 세그멘테이션 과정을 통해 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성한 후 스팟 및 백그라운드의 휘도를 측정하여 에지를 검출한다.(S4)
위에서 획득한 스팟 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하고, Cy3 및 Cy5에 의한 두 이미지의 휘도를 보정하는 표준화 처리를 수행한다.(S5)
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 이미지처리 과정이 도시된 순서도이다.
도 3에 나타나 있듯이, 에지검출 모듈(40)은 스팟 및 백그라운드 템플릿을 위해 8비트의 공백의 제1 및 제2 템플릿을 준비하고(S11-1, S11-4), 이미지 저장모듈(20)과 데이터 저장모듈(60)에서 8비트의 오버래핑된 이미지와 세그멘테이션에 의한 스팟의 세그멘트 좌표 데이터를 불러들인다.(S11-2, S11-3)
그리고, 에지검출 모듈(40)은 스팟의 세그멘트 좌표와 8비트 오버래핑된 이미지를 이용해 N번째 스팟 세그먼트를 추출한다.(S2) 위에서 추출된 스팟 세그먼트에서 스팟 에지와 백그라운드 에지를 생성한다.(S13-1, S13-2)
이렇게 하여 스팟 에지와 백그라운드 에지가 생성되면, 스팟 템플릿을 위해 준비한 제1 템플릿에 스팟 에지를 이식하고(S14-1), 백그라운드 템플릿을 위해 준비한 제2 템플릿에 백그라운드 에지를 이식한다.(S14-2)
위의 스팟이 스팟의 세그멘트 좌표 정보에 의해 마지막 스팟인지를 확인하고(S15), 그 확인 결과가 마지막 스팟인 경우에 에지검출 모듈(40)은 스팟 템플릿과 백그라운드 템플릿 생성을 완료한다.(S16-1, S16-2)
그런데, 위의 스팟이 마지막 스팟이 아닌 경우에 에지검출 모듈(40)은 S12 단계로 되돌아가서 N+1번째 스팟 세그먼트를 추출하고 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성하는 과정을 반복한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 에지 검출 과정이 도시된 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 에지검출 모듈(40)은 이미지 저장모듈(20)에 저장되어 있는 테스트용 이미지에서 스팟을 포함하는 한 스팟 세그먼트를 컨벌루션 커널(Convolution kernel)을 통과시켜 에지 인핸스먼트 과정을 수행한다.(S21)
그리고, 에지검출 모듈(40)은 스팟을 포함하는 마이크로어레이 이미지의 한 세그멘트와 사이즈가 동일한 이미지를 생성한 다음 그 이미지의 중심에 스팟의 평균크기와 유사한 백색으로 채워진 기준원 이미지를 생성하여 템플릿으로 저장한다.(S22)
그 후, 에지검출 모듈(40)은 스팟 세그멘트에서 유효한 에지만을 추출하기 위해 임계값 비교 과정을 수행한다.(S23)
여기서, 임계값 비교 과정은 미리 마이크로어레이 이미지에서 스팟을 가장 잘 감지할 수 있는 최대 임계값과 최소 임계값을 설정한 다음, 한 스팟 세그멘트에서 일정 수의 픽셀들의 평균값과 인접한 픽셀들의 평균값이 각기 하나는 최대 임계값보다 크고, 하나는 최소 임계값보다 작은 픽셀을 선택한다. 이렇게 선택된 두 픽셀 사이의 거리로 에지의 경사를 계산한 후에 기준치 이상이면 에지, 기준치 이하이면 에지가 아닌 것으로 판정한다.
위에서 임계값 비교 과정은 임계값 비교를 통해 에지 여부를 판정하기 이전에 평활화 과정을 수행하기도 하는데, 평활화 과정은 스팟 세그멘트를 적절한 시그마(Sigma) 값을 갖는 가우시안 평활화 필터(Gaussian smoothing filter)로 필터링 하여 에지의 경사를 감소시켜 유효한 에지만이 감지되도록 한다.
에지검출 모듈(40)은 미리 에지의 기준크기를 설정해 두고 위의 단계에서 에지로 판정된 에지들 중에서 기준크기 이하의 에지를 제거한다.(S24) 그리고, 에지의 일부가 개구되어 있는 경우에는 에지의 개구 부분을 최단 거리로 연결하여 에지가 폐곡선 형태를 갖도록 한다.(S25)
도 5a는 스팟 템플릿 생성시 필요한 템플릿 구성이 도시된 도면이다.
이렇게 하여 에지의 검출이 완료되면, 도 5a의 (a)와 같이 에지의 내부를 흰색으로 채우고(S26), 에지 내부를 흰색으로 채운 템플릿(a)과 미리 저장해 둔 기준원 이미지의 템플릿(b)을 앤드(AND) 로직에 통과시킨다.(S27) 그러면, 도 5a의 (c)와 같은 스팟 템플릿이 생성된다.(S28)
한편, 도 5b는 백그라운드 템플릿 생성시 필요한 템플릿 구성이 도시된 도면이다.
도 5b에 나타나 있듯이, 에지검출 모듈(40)은 에지 내부를 흰색으로 채운 템플릿을 반전시키면 도 5b의 (d)와 같은 템플릿이 형성된다(S29). 그러면, 도 5b의 (d)의 템플릿과 기준원 이미지의 템플릿을 반전시킨 백그라운드 기준원 이미지의 템플릿(e)을 앤드 로직에 통과시킴으로써 도 5b의 (f)와 같은 백그라운드 템플릿을 생성한다.(S30, S31)
도 4에서 에지검출 모듈(40)이 에지 검출시 기준원 이미지를 생성하고 기준원과 에지의 앤드 로직으로 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성하는 것이 바람직하지만, 데이터가 비교적 정확한 경우에는 기준원 이미지를 생성하지 않고 위의 S23, S24, S25 단계만으로도 검출된 에지를 통해 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩 이미지 분석 방법 중에서 데이터처리 과정이 도시된 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 데이터 처리모듈(50)은 16비트의 Cy3와 Cy5 원시 이미지, 스팟 및 백그라운드 템플릿, 스팟의 세그멘트 좌표 정보를 이용해 I번째 이미지 세그멘트를 추출한 후, I번째 이미지 세그멘트에서 Cy3와 Cy5의 스팟 및 백그라운드를 추출한다.(S41)
위에서 추출된 Cy3와 Cy5의 백그라운드에서 평균값(M)과 표준편차(SD)를 산출하고(S42), 평균값 및 표준편차를 이용해 T=M+α×SD를 구한다.(S43) 여기서, α는 사용자가 데이터 선택폭을 지정할 수 있도록 사용자가 선정하는 값이다.
그리고, Cy3와 Cy5의 스팟에서 위에서 구한 T이상의 값을 갖는 픽셀들을 추출한다.(S44) 이렇게 추출된 평균값과 표준편차, 픽셀들은 통계적 데이터들로 데이터 저장모듈(60)에 저장된다.(S45)
이때, 데이터 처리모듈(50)은 위에서 언급한 데이터들 외에도 에서 모드, 스팟의 면적 및 둘레, 단편화 정도, 스팟 내의 홀 수 등 각종 측정치를 산출하여 통계적 데이터들로 저장한다.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 바이오칩의 이미지 분석 시스템 및 그 방법은 바이오칩 중에서 cDNA 마이크로 어레이 칩의 유전자 정보를 분석하기 위해 스팟 형태의 유전자들을 분리하여 스팟의 세그먼트 좌표를 생성한 후, 미리 정해진 임계값 또는 기준원을 이용하여 스팟과 백그라운드 에지를 검출함으로써 데이터 에러율은 현저히 감소시키면서 유효한 정보만을 추출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 서로 다른 색깔의 형광 염기들에 의해 각기 다른 환경에서 발현하는 특정한 유전자 집합으로 이루어진 바이오칩에서 상기 형광 염기에 따른 원시 이미지를 추출하는 제1 단계;
    상기 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하는 제2 단계;
    상기 테스트용 이미지에서 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 스팟(spot) 형태의 유전자들을 각각 분리하여 스팟의 에지를 검출하고, 스팟 템플릿과 상기 스팟을 제외한 일정 거리 내의 영역으로 이루어진 백그라운드 템플릿을 생성하는 제3 단계; 및
    상기 제2 단계 또는 제3 단계를 통해 생성된 스팟 템플릿 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하는 제4 단계를 포함하고,
    상기 제3 단계는,
    상기 테스트용 이미지의 휘도를 강화하여 에지를 강조시키는 인핸스먼트 (Ehancement) 단계;
    상기 인핸스먼트 단계를 통해 강조된 에지에서 일정 수의 픽셀(Pixel)들의 평균값을 미리 정해진 최대 임계값 및 최소 임계값과 비교하여 에지를 검출하는 비교단계;
    상기 비교단계를 통해 검출된 에지에서 기준크기 이하의 에지를 제거하는 유효에지 추출단계;
    상기 유효에지 추출단계를 통해 추출된 에지로 이루어진 스팟 및 백그라운드 템플릿을 생성한 후 저장하는 템플릿 저장단계
    를 포함하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이오칩 이미지 분석 방법은 사용자의 요구에 따라 상기 제2 단계 내지 제4 단계에서 산출된 이미지와 데이터들을 화면 출력시키는 제5 단계를 포함하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 원시 이미지가 16비트(Bit) 파일 형식이므로 이미지 처리 속도를 증가시키고 사용자에게 화면 출력시키기 위해 8비트의 테스트용 이미지로 변환하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 테스트용 이미지를 형광 염기에 따라 서로 다른 색깔로 의사 색(pseudo color)을 입힌 후 오버래핑하여 컬러 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    스팟 형태로 구성되어 있는 상기 테스트용 이미지에서 각 스팟을 분리하여 스팟 세그먼트 좌표를 생성하는 세그멘테이션(Segmentation) 단계;
    상기 세그멘테이션 단계에서 N번째 좌표의 스팟 세그먼트를 추출하여 스팟 에지와 백그라운드 에지를 생성하는 에지검출 단계;
    상기 에지검출 단계에서 생성된 스팟 에지 및 백그라운드 에지를 공백의 템플릿에 이식하고, 다음 좌표의 스팟 세그먼트에서 에지를 검출하는 템플릿 생성단계; 및
    상기 세그멘테이션 단계에서 생성된 모든 좌표들의 에지 검출이 완료되면, 스팟 및 백그라운드 템플릿의 생성을 종료하는 종료 단계
    를 포함하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 유효에지 추출단계는
    상기 비교단계를 통해 검출된 에지 중 일부가 개방된 경우, 최단거리로 연결하여 에지가 폐곡선 형태가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  9. 서로 다른 색깔의 형광 염기들에 의해 각기 다른 환경에서 발현하는 특정한 유전자 집합으로 이루어진 바이오칩에서 상기 형광 염기에 따른 원시 이미지를 추출하는 제1 단계;
    상기 원시 이미지를 테스트용 이미지로 변환하는 제2 단계;
    상기 테스트용 이미지에서 각 유전자의 발현 정도를 측정하기 위해 스팟(spot) 형태의 유전자들을 각각 분리하여 스팟의 에지를 검출하고, 스팟 템플릿과 상기 스팟을 제외한 일정 거리 내의 영역으로 이루어진 백그라운드 템플릿을 생성하는 제3 단계; 및
    상기 제2 단계 또는 제3 단계를 통해 생성된 스팟 템플릿 및 백그라운드 템플릿을 토대로 통계적 데이터들을 산출하는 제4 단계를 포함하고,
    상기 제3 단계는,
    상기 테스트용 이미지에서 스팟의 평균 크기를 토대로 템플릿의 중심에 기준도형이 형성된 기준 템플릿을 생성하는 기준 템플릿 생성 단계;
    상기 테스트용 이미지의 휘도를 강화하여 에지를 강조시키는 인핸스먼트 (Ehancement) 단계;
    상기 인핸스먼트 단계를 통해 강조된 에지에서 일정 수의 픽셀(Pixel)들의 평균값을 미리 정해진 임계값과 비교하여 에지를 검출하는 비교단계;
    상기 비교단계를 통해 검출된 에지에서 일부가 개방된 경우, 일부가 개방된 에지를 최단거리로 연결하여 유효에지 템플릿을 생성하는 유효에지 추출단계;
    상기 유효에지 추출단계에서 추출된 유효에지 템플릿과 상기 기준 템플릿을 합성하여 스팟 템플릿을 생성하는 단계; 및
    상기 유효에지 템플릿과 기준 템플릿을 반전시킨 각각의 템플릿을 합성하여 백그라운드 템플릿을 생성하는 단계
    를 포함하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  10. 제 3 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 비교단계는 상기 인핸스먼트 단계에서 강조된 에지의 경사를 감소시켜 유효한 에지만을 추출하는 평활화(Smoothing) 단계를 포함하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  11. 제 3 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 스팟 및 백그라운드 템플릿을 토대로 평균값, 표준편차, 중앙값, 모드(Mode), 스팟의 면적 및 둘레, 스팟 내의 홀(hole) 수, 단편화(Fragmentation) 정도와 같은 각종 측정치를 통계적 데이터로 저장하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 유효에지 추출단계는 상기 비교단계를 통해 검출된 에지 중 기준크기 이하의 에지를 제거하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 이미지 분석 방법.
KR1020010062620A 2001-10-11 2001-10-11 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법 KR100463336B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010062620A KR100463336B1 (ko) 2001-10-11 2001-10-11 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법
US10/267,745 US7085404B2 (en) 2001-10-11 2002-10-10 Image analysis system and method of biochip

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010062620A KR100463336B1 (ko) 2001-10-11 2001-10-11 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030030471A KR20030030471A (ko) 2003-04-18
KR100463336B1 true KR100463336B1 (ko) 2004-12-23

Family

ID=29564159

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020010062620A KR100463336B1 (ko) 2001-10-11 2001-10-11 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100463336B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100437253B1 (ko) * 2002-05-13 2004-06-23 학교법인 한양학원 마이크로어레이 모사 이미지 생성 시스템 및 그 방법
KR20050022798A (ko) * 2003-08-30 2005-03-08 주식회사 이즈텍 유전자 어휘 분류체계를 이용하여 바이오 칩을 분석하기위한 시스템 및 그 방법
KR100742780B1 (ko) * 2006-10-10 2007-07-26 고려대학교 산학협력단 자동화된 마이크로어레이 이미지 분석방법 및 그 기록매체
CN111971711B (zh) * 2018-04-10 2024-08-02 深圳华大智造科技股份有限公司 荧光图像配准方法、基因测序仪及系统、存储介质
CN112289381B (zh) * 2018-08-22 2021-12-14 深圳市真迈生物科技有限公司 基于图像构建测序模板的方法、装置和计算机产品

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000051058A1 (en) * 1999-02-26 2000-08-31 General Scanning, Inc. Automatic imaging and analysis of microarray biochips
US6245517B1 (en) * 1998-09-29 2001-06-12 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Ratio-based decisions and the quantitative analysis of cDNA micro-array images

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6245517B1 (en) * 1998-09-29 2001-06-12 The United States Of America As Represented By The Department Of Health And Human Services Ratio-based decisions and the quantitative analysis of cDNA micro-array images
WO2000051058A1 (en) * 1999-02-26 2000-08-31 General Scanning, Inc. Automatic imaging and analysis of microarray biochips

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A novel method using edge detection for signal extraction from cDNA microarray image analysis. Exp Mol Med. 2001 Jun 30;33(2):83-8.,동일 발명자 *
Automated image analysis for array hybridization experiments. Bioinformatics. 2001 Jul;17(7):634-41 *
Exp. Mol. Med., vol. 33, no. 2, pp. 83-88 (2001. 6. ) *
Image metrics in the statistical analysis of DNA microarray data. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001 Jul 31;98(16):8944-9 *
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 98, no. 16, pp. 8944-8949 (2001. 7) *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20030030471A (ko) 2003-04-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11262307B2 (en) System and method with reflective fiducials for locating or registering locations receiving biological samples in successive cycles of fluorescent imaging
US7769548B2 (en) Microarray analytical data stitching system and method
EP1336662A2 (en) Dna chip, sample analysis apparatus and method thereof
US7200254B2 (en) Probe reactive chip, sample analysis apparatus, and method thereof
TWI425443B (zh) 解析處理方法及裝置
WO2017153848A1 (en) Method of curvilinear signal detection and analysis and associated platform
Kim et al. A novel method using edge detection for signal extraction from cDNA microarray image analysis
Park et al. Spatial transcriptomics: technical aspects of recent developments and their applications in neuroscience and cancer research
CN108701350B (zh) 用于数字图像的背景补偿的系统、方法和计算机可读介质
US11427868B2 (en) System and method with fiducials of non-closed shapes
US7068828B2 (en) Biochip image analysis system and method thereof
CN108369734B (zh) 数字图像中的对象分类方法、系统及计算机可读介质
KR100463336B1 (ko) 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법
US20030152255A1 (en) Probe reactive chip, apparatus for analyzing sample and method thereof
JP2019505884A (ja) デジタル画像内の少なくとも１つのオブジェクトの全体的明るさを判定するための方法
US7085404B2 (en) Image analysis system and method of biochip
US20030156136A1 (en) Method and system for visualization of results of feature extraction from molecular array data
KR100435833B1 (ko) 바이오칩 이미지 분석 시스템 및 그 방법
JP5213009B2 (ja) 遺伝子発現変動解析方法及びシステム、並びにプログラム
CN108369735B (zh) 用于确定数字图像中多个对象的位置的方法
KR100437253B1 (ko) 마이크로어레이 모사 이미지 생성 시스템 및 그 방법
KR20050048727A (ko) 바이오칩 촬영영상 분석 시스템 및 그 방법
KR20050048729A (ko) 바이오칩 촬영영상 품질 분석 시스템 및 그 방법
CN117274739A (zh) 碱基识别方法及其训练集构建方法、基因测序仪及介质
Podila et al. 24 Microarray Data Collection

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111010

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee