一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統的製作方法
2023-06-05 06:11:36 2
專利名稱：一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物科學技術領域，尤其涉及一種凝膠成像系統。
背景技術：
凝膠成像設備是一種暗箱式拍照成像設備。目前國內的凝膠成像設備仍採用傳統的人眼主觀視覺評價圖像的質量，並通過手動調節光圈環、聚焦環及變焦環來完成圖像的準確獲取，在人工勞動量大的同時獲取的圖像質量並不理想。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，以解決上述技術問題。本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現:一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，包括一鏡頭、一用於控制所述鏡頭的聚焦控制系統，其特徵在於，所述聚焦控制系統包括一圖像採集模塊、一數據處理分析模塊、一串口通信模塊、一硬體控制驅動電路；所述圖像採集模塊的信號輸出端連接所述數據處理分析模塊的信號輸入端，所述數據處理分析模塊的信號輸出端連接所述串口通信模塊的信號輸入端，所述串口通信模塊的信號輸出端連接一系統控制器；所述系統控制器通過所述硬體控制驅動電路連接一驅動電機，所述驅動電機連接所述鏡頭；所述鏡頭包括一光圈環、一對焦環，所述驅動電機包括一光圈驅動電機、一對焦驅動電機，所述硬體控制驅動電路包括一光圈驅動電路、一對焦驅動電路；所述系統控制器分別連接所述光圈驅動電路和所述對焦驅動電路；所述光圈驅動電路連接所述光圈驅動電機，所述光圈驅動電機連接所述光圈環；所述對焦驅動電路連接所述對焦驅動電機，所述對焦驅動電機連接所述對焦環。以便本發明根據不同的圖像信息，控制不同的驅動電機，完成光圈、對焦和變焦的正反向運動控制。本發明使用時，圖像採集模塊用於實時採集當前圖像信息，數據處理分析模塊用於對當前的圖像信息的預處理和圖像質量的評價，並給出控制信號，串口通信模塊用於將控制信號通過發送給系統控制器。系統控制器根據解讀到的控制信號控制驅動電機調節鏡頭，實現凝膠成像系統的自動聚焦。本發明摒棄了傳統人眼主觀視覺評價圖像的質量，並通過手動調節的方式，而是採用在原手動聚焦控制系統的基礎上加入自動聚焦方式，實現了自動聚焦的目的。圖像採集模塊，還包括一毛細管電泳晶片、光源、光電檢測器，所述光電檢測器的信號輸出端連接一用於數據接收、處理和控制的數據處理分析模塊，所述光電檢測器包括一 CXD圖像傳感器(電荷耦合器件)，所述CXD圖像傳感器的信號輸出端連接所述數據處理分析模塊；DNA樣品從所述毛細管電泳晶片的起點進入，所述DNA樣品中含有突光物質。
含有螢光物質的DNA樣品在光源的作用下被激發螢光，CCD圖像傳感器接收光信號，並將光信號轉化成電信號，傳送給數據處理分析模塊進行處理。CCD圖像傳感器的檢測寬度取決於陣列中的單個像元的尺寸。本發明採用CCD圖像傳感器作為光電檢測器，與傳統的採用光電倍增管(PMT)的檢測方式比較，大大減小了檢測寬度，並且減少了整個系統的體積和重量，還具有成本低廉、檢測出的電泳譜理想等顯著優點。另外，採用CCD圖像傳感器不僅能分辨光強，還能分辨DNA片段的位置情況。所述CXD圖像傳感器含有至少三個像元，所述數據處理分析模塊將收到的至少三個所述像元所對應的信號進行疊加或取平均，以便消除雜波或幹擾。還包括一下位機，所述下位機作為所述系統控制器，所述下位機的信號輸入端通過RS232串口連接所述串口通信模塊，下位機的信號輸出端通過繼電器連接所述驅動電機。串口通信模塊用於將控制信號通過RS232串口發送給下位機(單片機)。下位機根據解讀到的控制信號控制繼電器，驅動驅動電機調節鏡頭，實現凝膠成像系統的自動聚焦。所述圖像米集模塊包括一光電轉換器、一 AD轉換器,所述鏡頭後方設有一 (XD圖像傳感器，所述CCD圖像傳感器連接所述光電轉換器，所述光電轉化器連接所述AD轉換器，所述AD轉換器連接所述數據處理分析模塊。還包括一暗箱，所述暗箱內設一有載物平臺、一光源，所述載物平臺設置在所述光源後方，所述鏡頭設置在所述載物平臺後方。本發明通過CCD圖像傳感器和圖像採集模塊採集到載物平臺上物品的圖像信息。所述圖像採集模塊還連接一顯示裝置，所述鏡頭、所述CXD圖像傳感器形成一凝膠成像設備所用的工業相機。所述圖像採集模塊是根據與凝膠成像設備所用的工業相機配套的開發包編寫而成，其功能是實時準確讀取每幀圖像信息，並提取出有用的圖像數據部分。圖像採集模塊還將圖像信息顯示在程序控制主界面的預覽窗口中，便於人眼觀察自動聚焦狀態。
所述數 據處理分析模塊包括一圖像預處理模塊、一圖像質量評價模塊一聚焦搜索算法控制模塊。圖像預處理包括圖像去噪處理和圖像亮度增強處理，圖像去噪處理採用中值濾波法；所述圖像亮度增強處理採用基於人眼視覺顏色恆常性的Retinex算法，並將該算法處理後的圖像亮度均值作為圖像的參考曝光量。圖像質量評價模塊包括圖像亮度評價和圖像清晰度評價，以聚焦窗口中圖像的亮度均值作為亮度評價函數，經過多種評價函數的實例驗證和比較，提出以基於空間域的灰度平方差分評價函數作為圖像清晰度評價函數，其表達式為:I；
權利要求
1.一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，包括一鏡頭、一用於控制所述鏡頭的聚焦控制系統，其特徵在於，所述聚焦控制系統包括一圖像採集模塊、一數據處理分析模塊、一串口通信模塊、一硬體控制驅動電路；所述圖像採集模塊的信號輸出端連接所述數據處理分析模塊的信號輸入端，所述數據處理分析模塊的信號輸出端連接所述串口通信模塊的信號輸入端，所述串口通信模塊的信號輸出端連接一系統控制器； 所述系統控制器通過所述硬體控制驅動電路連接一驅動電機，所述驅動電機連接所述鏡頭; 所述鏡頭包括一光圈環、一對焦環，所述驅動電機包括一光圈驅動電機、一對焦驅動電機，所述硬體控制驅動電路包括一光圈驅動電路、一對焦驅動電路；所述系統控制器分別連接所述光圈驅動電路和所述對焦驅動電路；所述光圈驅動電路連接所述光圈驅動電機，所述光圈驅動電機連接所述光圈環；所述對焦驅動電路連接所述對焦驅動電機，所述對焦驅動電機連接所述對焦環。
2.根據權利要求1所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，圖像採集模塊，還包括一毛細管電泳晶片、光源、光電檢測器，所述光電檢測器的信號輸出端連接一用於數據接收、處理和控制的數據處理分析模塊，所述光電檢測器包括一 CXD圖像傳感器，所述CCD圖像傳感器的信號輸出端連接所述數據處理分析模塊； DNA樣品從所述毛細管電泳晶片的起點進入，所述DNA樣品中含有螢光物質。
3.根據權利要求2所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，所述CCD圖像傳感器含有至少三個像元，所述數據處理分析模塊將收到的至少三個所述像元所對應的信號進行疊加或取平均。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，還包括一下位機，所述下位機作為所述系統控制器，所述下位機的信號輸入端通過RS232串口連接所述 串口通信模塊，下位機的信號輸出端通過繼電器連接所述驅動電機。
5.根據權利要求1所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，所述圖像米集模塊還包括一光電轉換器、一 AD轉換器,所述鏡頭後方設有一 (XD圖像傳感器，所述CCD圖像傳感器連接所述光電轉換器，所述光電轉化器連接所述AD轉換器，所述AD轉換器連接所述數據處理分析模塊。
6.根據權利要求1、2或3所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，所述數據處理分析模塊包括一圖像預處理模塊、一圖像質量評價模塊、一聚焦搜索算法控制I吳塊； 圖像預處理包括圖像去噪處理和圖像亮度增強處理，圖像去噪處理採用中值濾波法；所述圖像亮度增強處理採用基於人眼視覺顏色恆常性的Retinex算法，並將該算法處理後的圖像亮度均值作為圖像的參考曝光量； 圖像質量評價模塊包括圖像亮度評價和圖像清晰度評價，以聚焦窗口中圖像的亮度均值作為亮度評價函數，以基於空間域的灰度平方差分評價函數作為圖像清晰度評價函數，其表達式為: F Π) =ΣΓΣα Π-1^)-H1-1iiu -f:i—ι.；;，其中F (I)表示評價函數值，I (X，y)表示圖像數據，X、y表示像素點位置；聚焦搜索算法控制模塊是指依據曝光和對焦中建立的控制模型計算出控制輸出量，即對應的光圈環與對焦環的改變量，控制模型主要有變步長爬山搜索算法模型、函數擬合法模型以及模糊PID控制模型。
7.根據權利要求6所述的一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，其特徵在於，還包括一暗箱，所述暗箱內設一有載物平臺、一光源，所述載物平臺設置在所述光源後方，所述鏡頭設置在所述載物平臺後方； 所述圖像採集模塊還連接一顯示裝置； 使用時，將凝膠生物分子製劑置於暗箱裡的載物平臺上，打開光源，啟動聚焦控制系統，打開顯示裝置的圖像預覽窗口，即可看到當前CCD傳感器的感光面的成像狀態，然後調用圖像亮度評價模塊和圖像預處理模塊，對當前圖像進行分析處理，得到圖像亮度值和參考曝光量值，將這兩個值做比較，其差值作為光圈調節量的決策信號，調用光圈控制模塊，根據差值信號計算出相應的驅動電機輸出步長，並將此控制信號通過RS232串口發送到系統控制器，驅動系統執行機構完成光圈調節，重複上述過程直至達到目標曝光量，即實現凝膠成像系統的自動曝光； 自動曝光結束後進入自動對焦過程，調用圖像清晰度評價模塊和對焦控制模塊，根據圖像清晰度評價曲線將前後兩幀圖像的清晰度評價函數值之差作為對焦控制過程的決策信號。
全文摘要
本發明涉及生化技術領域，一種高清晰度的毛細管電泳凝膠成像系統，包括一鏡頭、一聚焦控制系統，聚焦控制系統包括一圖像採集模塊、一數據處理分析模塊、一串口通信模塊、一硬體控制驅動電路；圖像採集模塊連接數據處理分析模塊，數據處理分析模塊連接串口通信模塊，串口通信模塊連接一系統控制器；系統控制器通過硬體控制驅動電路連接一驅動電機，驅動電機連接鏡頭；鏡頭包括一光圈環、一對焦環，光圈驅動電路連接光圈驅動電機，光圈驅動電機連接所述光圈環；對焦驅動電路連接所述對焦驅動電機，對焦驅動電機連接對焦環。
文檔編號G03B13/36GK103079032SQ20121046513
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者秦鍵, 周愛國, 程抒一 申請人:上海培清科技有限公司