一种多张生物芯片透射信号连续自动识读的方法及设备

1.一种显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法，其特征在于，包括：
(a)通过识读设备的副相机自动扫描玻璃芯片条码以获取芯片条码信息，并通过位于所述芯片上方的主相机获取由位于芯片下方的背景光源透射玻璃芯片而形成的透射检测图像；
(b)根据所述条码信息和芯片检测图像，由识读设备自动识别并定位信号点、自动获取所述信号点的坐标；
(c)根据获取的信号点的坐标由识读设备自动获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差；
(d)关联芯片条码及信号值；
(e)通过识读设备移动芯片，自动连续识读多张芯片；
(f)将各芯片条码及对应的信号值传输至计算机进行分析，并输出结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在识别并定位信号点之前，识读设备自动对获得的芯片图像进行图像处理。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述图像处理包括：
对原始图像进行剪裁，取出成像部分；
对图像进行亮度归一化处理；
对图像进行反色和二值化处理；和
进行腐蚀或膨胀去除噪点。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述识别并定位信号点的步骤包括：
识读设备自动搜索所有的有信号的点；
将搜索到的有信号的点的尺寸、位置与配置文件单元中定义的信号点的尺寸和位置进行比较；
选择符合信号点定义的点；
输出信号点坐标。
5.一种显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，包括：
拍摄单元，用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像；
配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；
信号点识别定位单元，用于根据条码信息、芯片图像以及配置文件单元中的参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标；以及
信号点取值单元，用于根据信号点的坐标获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差。
6.如权利要求5所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，
所述拍摄单元包括主相机、副相机以及用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所述背景光源分别位于待检测芯片的两侧。
7.如权利要求5或6所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述信号点取值单元还包括图像校准单元，用于对所述芯片图像进行背光的方向性校准以及对传感器的伽马值进行校准。
8.如权利要求5或6所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括承载多张芯片的载物盘。
9.如权利要求5或6所述的显色型微阵列生物芯片识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片图像。
10.一种显色型微阵列生物芯片的识读系统，其特征在于，包括：
权利要求5～9中任一项所述的显色型微阵列生物芯片识读仪、设置有条码的显色型微阵列生物芯片以及计算机，其中，计算机中预装分析软件，将识读仪中输出的各芯片条码信息及对应的信号值与分析软件进行匹配以获得检测报告。

一种多张生物芯片透射信号连续自动识读的方法及设备\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种生物芯片识读方法、用于实现该方法的识读仪及识读系统，具体地，涉及一种显色型微阵列生物芯片透射信号值多张连续自动识读的方法、用于实现该方法的识读仪及识读系统。\n背景技术\n[0002] 微阵列生物芯片是在玻璃基片、硅基片或高分子材料基片等上，以点阵排列方式合成或者固定一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗体等。这些聚合物可以被荧光标记物、化学显色类标记物所标记从而能够被光学检测。显色型微阵列芯片通常使用地高辛、辣根过氧化物酶、生物素等化学显色类标记物对固定在芯片上的聚合物进行标记，从而可被生物芯片识读仪识读其反应结果信息。显色型微阵列生物芯片的特点是阵列点数量多、芯片反应的结果需综合芯片上所有阵列点的反应情况进行分析比较、肉眼无法准确判断阵列点的显色结果。\n[0003] 显色型微阵列生物芯片识读仪是对显色型生物芯片的实验结果进行扫描和分析的设备。典型的显色型微阵列生物芯片识读仪包括光源、具备CCD(电荷耦合器件)相机的阅读单元、CCD控制器、用于承载和控制芯片步进的装载单元、以及用于分析芯片识读结果的计算机。CCD(电荷耦合器件)相机在光源照射下获取显色型微阵列生物芯片图像后，通过数据接口显示在计算机上，通过安装于计算机上的软件识别芯片图像中的阵列点的位置以及阵列点的信号值。\n[0004] 显色型微阵列生物芯片的阵列点周围区域有时存在灰尘、纤维、背景之类的具有一定信号值的污染物，会对信号点的坐标定位和准确采集信号值产生干扰。目前的显色型微阵列生物芯片识读仪通常需要人工确认该芯片的类型，然后在计算机的软件中手动调整以寻找正确的阵列点，自动化程度低，效率低下；当需要识读多种类型的生物芯片时，人工识读的效率会更低，且人工确认芯片类型存在因工作强度的增加而发生失误的可能，进而导致芯片结果识读准确率下降；采集的信号值常常由于上述的芯片污染物和人工操作而导致干扰失真；在芯片信号采集环节上，通常是光穿过芯片后照射到背光板上，背光板反射出芯片信号进而被采集，而背光板上积累的灰尘对信号值的干扰很大，也会造成采集的信号失真；一次检测1张芯片，检测通量低。\n[0005] 因此，希望能够开发出高准确度、高通量、高自动化的显色型生物芯片识读的方法和识读仪。\n发明内容\n[0006] 本发明为解决上述问题而完成，目的在于提供一种高准确性、高通量、高自动化的微阵列生物芯片识读方法、用于实现该方法的识读仪及识读系统。\n[0007] 本发明包括以下内容：\n[0008] (1)一种显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法，其特征在于，包括：\n[0009] (a)通过识读设备自动扫描玻璃芯片条码以获取芯片条码信息，所述条码信息包括芯片检测的基因位点、芯片阵列点的行数、列数、芯片标志点的列数及流水号；\n[0010] (b)识读设备通过位于所述芯片上方的主相机，获取由位于芯片下方的背景光源透射玻璃芯片而形成的透射检测图像；\n[0011] (c)根据所述条码信息和芯片检测图像，识读设备自动识别并定位信号点、自动获取所述信号点的坐标；\n[0012] (d)根据获取的信号点的坐标，识读设备自动获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差；\n[0013] (e)关联芯片条码及信号值；\n[0014] (f)通过识读设备移动芯片，实现多张芯片(可以是不同类型的芯片)的自动连续识读；\n[0015] (g)将各芯片条码及对应的信号值传输至计算机进行分析，并输出结果。\n[0016] (2)如上述(1)所述的方法，其特征在于，在识别并定位信号点之前，识读设备对获得的芯片图像自动进行图像处理。\n[0017] (3)如上述(2)所述的方法，其特征在于，所述图像处理包括：\n[0018] 对原始图像进行剪裁，取出成像部分；\n[0019] 对图像进行亮度归一化处理；\n[0020] 对图像进行反色和二值化处理；和\n[0021] 进行腐蚀或膨胀去除噪点。\n[0022] (4)如上述(1)至(3)中任一项所述的方法，其特征在于，所述识别并定位信号点的步骤包括：\n[0023] 通过识读设备搜索所有的有信号的点；\n[0024] 将搜索到的点的尺寸、形状、分布及位置与配置文件单元中定义的信号点的尺寸、形状、分布及位置进行比较；\n[0025] 选择符合信号点定义的点；\n[0026] 输出信号点坐标。\n[0027] (5)一种用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法的识读仪，其特征在于，包括：\n[0028] 拍摄单元，用于获取芯片条码信息、拍摄芯片以获得芯片检测图像；\n[0029] 配置文件单元，用于读取配置文件中有关信号点识别定位和取值的参数；\n[0030] 信号点识别定位单元，用于根据条码信息、芯片检测图像以及配置文件单元中的参数，识别并定位信号点以获得信号点的坐标；以及\n[0031] 信号点取值单元，用于获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差。\n[0032] (6)如上述(5)所述的识读仪，其特征在于，所述拍摄单元包括主相机、副相机以及用于主相机照明的背景光源，所述主相机和所述背景光源分别位于所述芯片的两侧。\n[0033] (7)如上述(5)或(6)所述的识读仪，其特征在于，所述信号点取值单元还包括图像校准单元，用于对所述芯片图像进行背光的方向性校准以及对传感器的伽马值进行校准。\n[0034] (8)如上述(5)或(6)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括承载多张芯片的载物盘。\n[0035] (9)如上述(5)或(6)所述的识读仪，其特征在于，所述识读仪还包括设置于识读仪机箱上的屏幕，用于预览所述芯片条码信息和所述芯片检测图像。\n[0036] (10)一种用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法的识读系统，其特征在于，包括：\n[0037] 上述(5)～(9)中任一项所述的识读仪、设置有条码的显色型微阵列生物芯片以及计算机，其中，计算机中预装分析软件，将识读仪中输出的各芯片条码信息及对应的信号值与分析软件进行匹配以获得检测报告。\n[0038] 技术效果\n[0039] 与现有技术相比，本发明的显色型微阵列生物芯片的多张连续自动识读方法、用于实现该方法的识读仪及识读系统提高了识读显色型微阵列生物芯片结果的准确性和自动化程度，可以实现显色型微阵列生物芯片的高通量分析。\n[0040] 本发明通过在芯片上设计条码、在识读仪中设置扫描条码专用的副相机，使得识读仪能够自动获得待测芯片的类型信息(包括芯片所测样本型号、阵列点位置信息、标志点位置信息、信号值分布信息等)；通过设置配置文件单元、信号点识别定位单元和信号点取值单元，结合已获得的芯片类型信息，从而能够准确而自动地寻找到各信号点，自动输出所识读芯片的类型信息和信号点信息；通过为识读设备设计对芯片的移动功能，使得识读设备能够连读识读多张芯片；实现了显色型微阵列生物芯片透射信号值的全程自动化识读和高通量识读。\n[0041] 本发明通过识读仪的信号点识别定位单元对搜索到的信号的轮廓、位置进行比对，将不在信号点尺寸范围内、位置误差范围内的信号点轮廓抛弃，可以排除灰尘等污染物的干扰，提高识读的准确度。\n[0042] 本发明通过将用于拍摄芯片图像的主相机和用于主相机照明的背景光源置于芯片的两侧，光源照射芯片后，拍摄单元获取芯片的透射图像，相比通常的拍摄芯片背光板反射图像，避免了背光板污染物在光线反射过程中对信号采集造成的干扰失真，提高了识读的准确度。\n[0043] 总之，本发明实现了对显色型微阵列生物芯片透射信号的全程自动化、高准确性、高通量识读的技术效果。\n附图说明\n[0044] 图1是本发明的显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法的流程图。\n[0045] 图2是本发明的用于实现上述方法的识读仪模块框图。\n[0046] 图3是本发明的用于实现上述方法的识读仪内部结构示意图。\n具体实施方式\n[0047] 本发明主要包括显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法、用于实现所述方法的识读仪和识读系统。\n[0048] 以下分别对本发明进行详细说明，但本发明不局限于这些内容，本领域技术人员可在不脱离本发明的发明思想的范围内对本发明进行各种合理的改变。\n[0049] 一.显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法\n[0050] 图1是本发明的显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法的流程图，如图1所示，显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连续自动识读方法包括以下步骤：\n[0051] (i)识读设备的拍摄单元自动扫描第1张玻璃芯片条码以获取芯片条码信息；\n[0052] (ii)识读设备的拍摄单元自动获取第1张芯片的透射图像；\n[0053] (iii)对第1张芯片的图像进行处理；\n[0054] (iv)根据所述条码信息和芯片图像，由识读设备自动识别并定位信号点、自动获取所述信号点的坐标；\n[0055] (v)根据获取的信号点的坐标由识读设备自动获取信号点的信号值，所述信号值是信号点上的透光率与该信号点周围背景的透光率之差；\n[0056] (vi)关联第1张芯片条码及信号值；\n[0057] (vii)识读设备通过移动芯片，对多张芯片(可以是不同类型的芯片)进行自动连续识读；\n[0058] (viii)识读设备将获取的各个芯片条码信息和信号值自动传输至计算机中进行匹配，获得检测结果。所述条码信息包括芯片检测的基因位点、芯片阵列点的行数、列数、芯片标志点的列数及流水号。\n[0059] 所述图像处理包括：对原始图像进行剪裁，取出成像部分；对图像进行亮度归一化处理；对图像进行反色和二值化处理；以及进行腐蚀或膨胀去除噪点。\n[0060] 本发明的自动识别并定位信号点的步骤包括：识读设备自动搜索所有的信号点；\n将搜索到的信号点的尺寸、位置与配置文件单元中定义的信号点的尺寸、位置范围进行比较；选择符合信号点定义的点；输出信号点坐标。\n[0061] 本发明的自动获取信号点的信号值的步骤包括：识读设备自动计算整个信号点区域非信号点处的背景信号值(即整体背景值)；计算每个信号点周边的局部背景信号值(即局部背景值)；计算信号点透光率值；计算信号点信号值。\n[0062] 二.用于实现显色型微阵列生物芯片透射信号值多张连续自动识读方法的识读仪[0063] 本发明的识读仪用于实现本发明的显色型微阵列生物芯片透射信号值的多张连读自动识读方法，并将获取的信号值输出给计算机。\n[0064] 图2是本发明的显色型微阵列生物芯片识读仪的结构示意图。如图1所示，本发明的识读仪主要包括拍摄单元1、配置文件单元2、信号点识别定位单元3和信号点取值单元4。\n[0065] 图3是本发明的显色型微阵列生物芯片识读仪的内部结构示意图。下面结合图2和图3对本发明的识读仪进行详细说明。\n[0066] 拍摄单元1用于获取芯片条码信息并拍摄芯片以获得芯片图像。如图3所示，拍摄单元1进一步包括主相机11、副相机12、用于主相机照明的背景光源13以及副相机照明光源\n15。主相机11用于拍摄芯片图像，副相机12用于扫描芯片条码。主相机11优选五百万像素的CCD相机，副相机12没有特别限定，普通的工业相机即可。主相机照明的背景光源13优选LED光源，副相机照明光源15也优选LED光源。\n[0067] 拍摄单元1优选还包括CMOS(互补金属氧化物半导体)灰度图像传感器。\n[0068] 优选所述主相机11和所述背景光源13位于所述芯片的两侧，主相机11正对着待检测芯片，例如可以在芯片的正上方，主相机的背景光源13位于待检测芯片的背面。副相机12正对着待检测芯片的条码位置，例如可以在芯片条码的正上方。\n[0069] 本发明的识读仪首先通过拍摄单元1的副相机12扫描生物芯片的条码获取芯片条码信息，根据该条码信息，可以获取对应的芯片的型号、阵列点的行列数以及芯片检测的基因位点、芯片标志点的列数及流水号等信息。然后通过CCD主相机11多次曝光拍摄该芯片，获取最终的芯片图像。\n[0070] 配置文件单元2用于从配置文件中读取信号点识别定位和信号点取值所需的配置参数。配置文件中定义了信号点识别定位与取值所需的相关配置参数，包括信号点识别规则、背光校准值以及传感器校准值。\n[0071] 本发明的配置文件单元提供的参数如表1所示。\n[0072] 表1：配置文件中的配置参数\n[0073]\n参数范围 说明\n10.0～30.0浮点 信号点平均间距，单位为像素\n0.0～5.0浮点 信号点间距误差允许值，单位为像素\n3～10整型 信号点尺寸最小值，单位像素\n10～20整型 信号点尺寸最大值，单位像素\n80～100整型 信号点允许的最小信号值\n300～450整型 信号点允许的最大信号值\n200～350整形 标志点信号值范围\n0.0～1.0浮点 信号点内允许的合格像素比例\n0～100整型 背景值像素点的统计占比\n0/1布尔 背景值使用平均值还是最大值，0平均值，1最大值\n0.0～200.0浮点 传感器信号值计算透光率的校正系数\n0整形 信号值小于此值时输出值为0\n0/1布尔 使用局部背景还是全局背景，0全局，1局部\n1～10整型 型号为[n]的芯片的信号点行数，[n]为三位10进制数\n1～10整型 型号为[n]的芯片的信号点列数，[n]为三位10进制数\n[0074] 配置参数还可以增加不同芯片的信号值分布参数，即芯片各位置(特定行、列、坐标)的信号点的取值范围，排除不在信号值范围内的干扰信号，提高信号点识别的准确性。\n[0075] 信号点识别定位单元3用于识别并定位信号点以获得信号点的坐标，具体地，信号点识别定位单元根据拍摄单元1获取的芯片条码信息、芯片图像以及配置文件单元2中设定的信号点识别规则、信号点行列以及信号点轮廓(尺寸)的最小值和最大值，对搜索到的有信号的点的尺寸、位置进行比对，排除位置、尺寸不符合信号点识别规则的点，并将间距与大小合适的点筛选出来，识别出图像中的信号点，对所有的信号点进行定位，并以XY坐标的形式输出。\n[0076] 信号点识别定位单元3优选进一步具有图像处理单元，用于在对所有的阵列点进行搜索前对图像进行处理。具体地，图像处理单元首先对原始图像进行裁剪，取出成像部分，再对图像进行亮度归一化、反色、二值化，然后使用一次腐蚀/膨胀去除噪点。\n[0077] 归纳起来，信号点识别定位单元3的优选的工作流程是：首先，读入图像等信息，然后，裁剪图像、归一化、反色、二值化、腐蚀/膨胀，最后搜索阵列点、筛选信号点、定位信号点、输出信号点坐标。\n[0078] 实际使用中，芯片上存在的灰尘等也会在照片上成像，在二值化后取轮廓时会取到这些灰尘的轮廓，识读会受到灰尘影响无法正常取值，从而对信号点的坐标定位错误。本发明通过使用信号点识别定位单元对搜索到的轮廓、位置进行比对，将不在信号尺寸范围内、位置误差范围内的轮廓舍弃，从而能够排除灰尘等对信号点定位的影响，提高识别准确度。\n[0079] 信号点取值单元4用于读取图像中信号点位置上的信号值，所述信号值为信号点上透光率与周边背景透光率的差值。具体地，计算时先计算整个信号点区域非信号点处的背景信号值，记录其均值和最大值。再计算每个信号点周边的局部背景信号值，也记录其均值和最大值。获取整个信号点区域的所有像素的透光率值，去除其中超过信号点正常透光范围的像素，其余像素进行平均，获得信号点的透光率平均值。最后将信号点的透光率值减去配置文件中所选取的背景值，得到此处信号点的信号值。\n[0080] 芯片信号点的信号值与CCD主相机11采集到的透光率的关系如下：校准后100％透光率基准采样信号值为138，图像传感器采样值范围为0～255共256级。信号值是16次采样值通过计算得到的：\n[0081]\n[0082] 其中，Val为信号值，Si为信号点透光率，Bi为背景透光率，k为背光校正系数(0