用於在圖像中減去背景的方法和系統的製作方法

2023-04-23 10:21:26

用於在圖像中減去背景的方法和系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了用於改善圖像質量的方法。該方法包括接收基底的圖像數據，其中圖像數據通過使基底成像而生成，並且圖像從圖像數據生成。該方法還包括從圖像的背景噪音部分生成背景表示，其中背景部分包括進一步的處理所不期望的信號信息；以及通過從圖像減去背景表示，生成減去背景的圖像。以這種方式，不需要單獨的背景圖像以從包括關注區域的圖像中減去背景來改善圖像質量。
【專利說明】用於在圖像中減去背景的方法和系統
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求於2011年9月30日提交的第61/541,453號美國臨時申請、於2011 年9月30日提交的第61/541,515號美國臨時申請、以及於2012年6月15日提交的第 61/660, 343號美國臨時申請的優先權的權益，所有以上申請的全部內容通過引用併入本 文。

【背景技術】
[0003] 用於生物和生物化學反應的光學系統已經用於實時監視、測量、和/或分析這些 反應。這種系統通常用於排序、基因分型、聚合酶鏈式反應（PCR)、以及其他生物化學反應， 以監視進度並提供量化數據。例如，光學激發束可用於在實時PCR(qPCR)反應中照射雜交 探針或分子信標，以提供指示目標基因或其他核苷酸序列的量的螢光信號。每次測試或實 驗提供更大數量反應的日益增加的需求已導致能夠同時進行比以往更多的數量反應的儀 器。
[0004] 測試或實驗中樣本反應點數目的增加已導致提供比以往更小的樣本體積的微滴 定板和其他樣本樣式。另外，如數字PCR(dPCR)的技術已增大了更小樣本體積的需求，其中 在所有測試樣本中該更小樣本體積包含零或正數的目標核苷酸序列。
[0005] 另外，通常，為了提高效率，越來越需要自動化系統。例如，自動化生物樣本處理儀 器的進步允許對樣本進行更快、更高效、且高吞吐量的分析。這些類型的系統可比先前的系 統測定更多數量的樣本。因此，經受各個測定的樣本利用標識符標記或標出。
[0006] 以前，系統或儀器的操作員可能必須通過讀取樣本容納裝置、機架或測定晶片上 的標識符手動地跟蹤或驗證樣本。該種手動跟蹤或驗證可能是勞動密集型的並且具有高操 作失誤（如樣本錯誤跟蹤或不適當的測試）概率。另外，期望被測定的樣本數目越多將會 越耗時和麻煩。
[0007] 其他更自動化的系統可在測試前掃描標識符，以跟蹤或驗證樣本。然而，這些系統 通常需要額外的部件。另外，標識符可能由系統誤讀或不能由系統讀取。
[0008] 因此，由於更高吞吐量的系統對大量小體積樣本進行檢測和分析，當體積變得更 小時，系統背景噪音的累積效應變得越來越重要，去除由於系統中不期望的發射或物理工 件導致的背景噪音以能夠進行準確的分析變得越來越重要。
[0009] 以前，這樣來處理圖像，即首先使背景基底成像，以生成數據，然後該數據可用於 從使包括關注區域的基底成像而生成的圖像數據中減除。


【發明內容】

[0010] 在一個示例性實施方式中，提供了用於改善圖像質量的方法。該方法包括接收基 底的圖像數據，其中該圖像數據通過使基底成像而生成，並且圖像從該圖像數據生成。該方 法還包括從圖像的背景噪音部分生成背景表示，其中該背景部分包括進一步的處理所不期 望的信號信息，以及通過從圖像減去背景表示生成減去背景的圖像。以這種方式，不需要單 獨的背景圖像以從包括關注區域的圖像中減去背景來改善圖像質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是示出了可實施本教導的實施方式的計算機系統的框圖；
[0012] 圖2是示出了可實施本教導的實施方式的聚合酶鏈式反應（PCR)儀器的框圖；
[0013] 圖3示出了根據本文中描述的各實施方式的樣本晶片；
[0014] 圖4示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性輸入圖像；
[0015] 圖5示出了根據本文中描述的各實施方式的輸入圖像的列投影的示例；
[0016] 圖6是示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性方法的流程圖；
[0017] 圖7A示出了根據本文中描述的各實施方式的輸入圖像的行投影的示例；
[0018] 圖7B示出了根據本文中描述的各實施方式的圖7A的行投影的基部基線的示例；
[0019] 圖7C示出了根據本文中描述的各實施方式的去除了基部的圖6A的示例性行投 影；
[0020] 圖7D示出了根據本文中描述的各實施方式的圖6A的示例性行投影和確定的標 志；
[0021] 圖8是示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性方法的流程圖；
[0022] 圖9示出了根據本文中描述的各實施方式的另一示例性輸入圖像；
[0023] 圖10A示出了根據本文中描述的各實施方式的另一示例性列投影；
[0024] 圖10B示出了根據本文中描述的各實施方式的去除了基部的圖10A的示例性列投 影；
[0025] 圖10C示出了根據本文中描述的各實施方式的基於圖10A的示例性列投影確定的 列標誌；
[0026] 圖11示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性間隔壁網格圖像；
[0027] 圖12示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性列投影、閾值、以及確定的樣 本孔；
[0028] 圖13是示出了根據本文中描述的各實施方式的用於從圖像去除基部的示例性方 法的流程圖；
[0029] 圖14示出了根據本文中描述的各實施方式的示例性圖像；
[0030] 圖15A示出了根據本文中描述的各實施方式的從圖14的圖像確定的基部的示例 性表示；
[0031] 圖15B示出了包括用於子陣列之間的間隔壁的內插數據的圖15A所示的基部的另 一示例性表示；
[0032] 圖15C示出了包括在基底的整個表面上被平滑化的數據的圖15B所示基部的又一 示例性表示；以及
[0033] 圖16示出了根據本文中描述的各實施方式的去除了基部的示例性被處理的圖 像。

【具體實施方式】
[0034] 與本文中描述的各實施方式相關的方法的示例性系統包括以下申請中描述的系 統：第61/541,453號美國臨時專利申請號（案卷號：LT00578PR0)、第61/541,515號美 國臨時專利申請（案卷號：LT00578PR03)、第61/541，342號美國臨時專利申請（案卷號： LT00581PR0)、第 29/403, 049 號美國臨時專利申請（案卷號：LT00582DES)、第 61/541，495 號美國臨時專利申請（案卷號：LT00583PR0)、第61/541，366號美國臨時專利申請（案卷 號丄1'00584.1?1?0)、以及第61/541，371號美國臨時專利申請（案卷號丄1'00594?1?0)，以 上所有申請都是在2011年9月30日提交的，並且以上所有申請都通過引用整體地併入 本文。與本文中描述的各實施方式相關的方法的不例性系統包括在第61/660, 569號美 國臨時專利申請（案卷號：LT00702PR0)和第61/660, 343號美國臨時專利申請（案卷號： LT00702PR02)中描述的系統，以上申請都是在2012年6月15日提交的，並且以上申請的全 部內容通過引用併入本文。
[0035] 為了更全面地理解本發明，下面將描述大量具體細節，如具體配置、參數、示例等。 但是，應理解這些描述並不用於限制本發明的範圍，而是用於對更好地描述示例性實施方 式。
[0036] 根據本文中描述的各實施方式，提供了在自動化系統中確定樣本基底中的參考 點。具體地，由自動化系統採集的圖像內基底的參考點被確定。通常，在樣本基底中沒有如 半導體製造中的基準點標誌。另外，當使具有多個反應點的基底成像時，可能有相當大數目 的光學散射噪音和光學不均勻性。儘管存在這些障礙，根據本教導的各實施方式仍可確定 參考點。
[0037] 為了執行其他算法（如機器讀取圖像的部分，以識別例如基底），系統可能需要具 有基底上的標誌位置，以開始處理。
[0038] 另外，根據各實施方式，基底可在自動化系統中進行檢測。基底的恰當安裝或定位 可與基底的寬度一起確定。
[0039] 因此，根據各實施方式，可檢測包括多個反應點的基底並且可確定參考點。在一個 示例中，在金屬基底上多個反應點可分組為子陣列。在相同的示例中，更大部分的金屬可分 離相鄰的子陣列。使用在自動化系統中的基底將具有已知的幾何形狀和尺寸。幾何形狀和 尺寸可存儲在系統的存儲器中。
[0040] 而且，根據各實施方式，提供了用於在圖像中確定基底的參考點的系統和快速圖 像處理方法。另外，本文中描述的實施方式可按照全體光學畸變模式實施。
[0041] 在一些情況中，上述的校準方法可能足以利用生物儀器進行期望的分析。在其他 情況下，更多的方法可用於獲得更好地指示反應點位置的數據以及去除檢測到的發射數據 中的畸變及其他不希望有的背景噪音。例如，數據中的一些背景噪音可能由於基底上的 物理源，以及儀器中保持基底的殼體，如灰塵顆粒或劃痕。數據中的其他背景噪音可能由 於來自儀器表面的自然輻射，例如反射和自然螢光。例如，其他背景噪音也可能由檢測發 射數據的光學系統或光源導致。根據本發明的實施方式，背景噪音的表示可被稱作基部 (pedestal)、背景、或基線偏移。例如，從運行數據、校準數據、或在儀器操作過程中獲得的 數據確定背景。
[0042] 生物系統可檢測幾百個至幾千個樣本，所有這些樣本可能是非常小的體積，如小 於一納升。因此，根據各實施方式，其他背景噪音去除方法可單獨使用或與本文中描述的校 準方法組合使用，以能夠確定和分析來自樣本體積的發射數據。在一些實施方式中，樣本體 積的位置可在基底內更準確地確定，以執行更準確的分析。例如，在一些情況下，如數字PCR 分析，能夠更準確地區分非反應與體積中的反應可產生更準確的結果。另外，根據本文中描 述的各實施方式，空反應點可與不進行反應的反應點中的樣本體積區分開，而不進行反應 的反應點中的樣本體積還可與進行反應的孔或通孔中的樣本體積區分開。例如，根據本教 導中的各實施方式，反應點可以是孔、點、凹陷、或通孔。
[0043] 根據本文中描述的各實施方式，背景噪音去除可包括圖像數據分析和處理。該方 法可包括分析圖像數據的強度值，以對可從基底的圖像去除的背景噪音進行內插。以這種 方式，還可確定樣本體積圖像內的位置。
[0044] 計算機實施的系統
[0045] 本領域技術人員將認識到，各實施方式的操作可使用硬體、軟體、固件或其組合 (視情況而定）來實施。例如，一些處理可使用處理器或軟體、固件或硬連線邏輯控制下的 其他數字電路來執行。（術語"邏輯"在本文中是指如由本領域技術人員所認識到的能夠執 行上述功能的固定的硬體，可編程邏輯和/或其適當的組合）。軟體和固件可存儲在非瞬態 計算機可讀介質上。一些其他過程可使用模擬電路來實現，這對本領域普通技術人員來說 是眾所周知的。另外，存儲器或其他存儲裝置，以及通信部件也可使用在本發明的實施方式 中。
[0046] 圖1是示出了根據各實施方式的可用於執行處理功能的計算機系統100的框圖。 執行實驗的儀器可與示例性計算系統100連接。根據各實施方式，可能使用的儀器為圖2 的熱循環儀系統200或圖3的熱循環儀系統300。計算系統100可包括一個或多個處理器 (如處理器104)。例如，處理器104可使用通用或專用處理引擎（如微處理器、控制器或其 他控制邏輯）實施。在該示例中，處理器104與總線102或其他通信介質連接。
[0047] 另外，應當理解，圖1的計算系統100可以任何形式實施，如對於給定應用或環境 可能是期望的或恰當的機架式計算機、大型機、超級計算機、伺服器、客戶機、臺式計算機、 筆記本電腦、平板計算機、手持式計算設備（例如，PDA、蜂窩電話、智慧型電話、掌上電腦等）， 集群網格（cluster grid)，上網本，嵌入式系統，或任何其他類型的專用或通用計算設備）。 另外，計算系統1〇〇可包括傳統網絡系統或與LIS/LIMS設施的集成，其中傳統網絡系統包 括客戶機/伺服器環境和一個或多個資料庫伺服器。大量傳統網絡系統在本領域是已知 的，包括區域網（LAN)或廣域網（WAN)，並且包括無線和/或有線部件。另外，客戶機/服務 器環境、資料庫伺服器和網絡在本領域被充分記載。根據本文中描述的各實施方式，計算系 統200可配置成與分布式網絡中的一個或多個伺服器連接。計算系統200可從分布式網絡 接收信息或更新。計算系統200還可傳輸將存儲在分布式網絡中的信息，該信息可由與分 布式網絡連接的其他客戶機訪問。
[0048] 計算系統100可包括總線102或用於傳送信息的其他通信機構，並且處理器104 與總線102聯接以處理信息。
[0049] 計算系統100還包括與總線102聯接用於存儲將由處理器104執行的指令的存儲 器106,該存儲器可以是隨機訪問存儲器（RAM)或其他動態存儲器。存儲器106還可用於在 執行將由處理器104執行的指令期間存儲臨時變量或其他中間信息。計算系統100還包括 與總線102聯接用於存儲處理器104的靜態信息和指令的只讀存儲器（ROM) 108或其他靜 態存儲設備。
[0050] 計算系統100還可包括存儲設備110,如磁碟、光碟、或固態驅動器（SSD)，其被提 供並聯接至總線102用於存儲信息和指令。存儲設備110可包括介質驅動器和可移動存儲 接口。介質驅動器可包括支持固定的或可移動的存儲介質的驅動器或其他機構，如硬碟驅 動器、軟盤驅動器、磁帶驅動器、光碟驅動器、CD或DVD驅動器（R或RW)、閃盤驅動器或其他 可移動的或固定的介質驅動器。如這些示例所示，存儲介質可包括計算機可讀存儲介質，該 存儲介質中存儲有具體的計算機軟體、指令或數據。
[0051] 在可替代性實施方式中，存儲設備110可包括其他類似的媒介用於允許計算機程 序或其他指令或數據加載到計算系統100中。這種媒介可包括例如允許將軟體和數據從存 儲設備110傳送至計算機系統100的可移動存儲單元和接口，如程序盒式存儲器和盒式存 儲器接口，可移動存儲器（例如，閃速存儲器或其他可移動存儲模塊）和存儲器插槽，以及 其他可移動存儲單元和接口。
[0052] 計算系統100還可包括通信接口 118。通信接口 118可用於允許軟體和數據在計算 系統100和外部設備之間傳送。通信接口 118的示例可包括數據機、網絡接口（如以太 網或其他NIC卡）、通信埠（例如，USB埠、RS-232C串行埠）、PCMCIA插槽和PCMCIA 卡、藍牙等。通過通信接口 118傳送的軟體和數據可以是能夠由通信接口 118接收的電子 的、電磁的、光學的和其他信號的形式。這些信號可由通信接口 118通過諸如無線介質、導 線或電纜、光纖、或其他通信介質的通道發送和接收。通道的一些示例包括電話線、蜂窩電 話鏈路、RF鏈路、網絡接口、區域網或廣域網、以及其他通信通道。
[0053] 計算系統100可通過總線102聯接至顯示器112 (如陰極射線管（CRT)或液晶顯 示器（IXD))，其中顯示器112用於為計算機用戶顯示信息。例如，包括字母數字鍵和其他鍵 的輸入設備114與總線102聯接，以為處理器104傳遞信息和命令選擇。輸入設備還可以 是配置有觸控螢幕輸入能力的顯示器（如IXD顯示器）。另一種用戶輸入設備是光標控制裝 置116，如用於為處理器104傳遞方向信息和命令選擇以及用於控制光標在顯示器112上移 動的滑鼠、軌跡球或光標方向鍵。該輸入設備通常具有在兩個軸線上的兩個自由度（第一 軸線（例如，X)和第二軸線（例如，y))從而允許設備指定面中的位置。計算系統100提 供數據處理並提供該數據的置信水平。與本教導的實施方式的某些實施符合的，數據處理 和置信度由計算系統100提供以響應處理器104執行包含在存儲器106中的一個或多個指 令的一個或多個序列。該指令可從另一個計算機可讀介質（如存儲設備110)讀入存儲器 106。執行包含在存儲器106中的指令序列導致處理器104執行本文中描述的過程。可替 代地，硬連線電路可用於代替軟體指令或與軟體指令組合，以實施本教導的實施方式。因此 本教導的實施方式的實施不限於硬體電路和軟體的任何具體組合。
[0054] 本文中使用的術語"計算機可讀介質"和"電腦程式產品"通常是指涉及向處理 器104提供用於執行的一個或多個序列或一個或多個指令的任何介質。當執行時，通常被 稱為"電腦程式代碼"的該指令（其可以以電腦程式的形式或其他分組的形式分組）使 計算系統100能夠執行本發明的實施方式的特徵和功能。非瞬態計算機可讀介質的這些和 其他形式可包括但不限於非易失性介質、易失性介質和傳輸介質。非易失性介質包括例如 固態盤、光碟或磁碟，如存儲設備110。易失性介質包括動態存儲器，如存儲器106。傳輸介 質包括同軸線纜、銅線、及光纖，包括包含總線102的電線。
[0055] 計算機可讀介質的常見形式包括例如軟盤（floppy disk)、軟盤（flexible disk)、硬碟、磁帶、或任何其他磁性介質、CD-ROM、任何其他光學介質，穿孔卡、紙帶、任何其 他具有孔圖案的物理介質、RAM、PROM、和EPROM、FLASH-EPROM、或任何其他存儲器晶片或盒 式存儲器、如下所述的載波、或者計算機可讀取的任何其他介質。
[0056] 各種形式的計算機可讀介質可涉及向處理器104運送用於執行的一個或多個指 令的一個或多個序列。例如，該指令最初可攜帶在遠程計算機的磁碟上。遠程計算機可將 該指令加載到其動態存儲器中並使用數據機通過電話線路發送該指令。計算系統1〇〇 的本地數據機可接收電話線路上的數據並使用紅外發射器將信號轉換為紅外信號。與 總線102聯接的紅外檢測器可接收紅外信號中攜帶的數據並將該數據放置在總線102上。 總線102將該數據運送至存儲器106,處理器104從存儲器106獲取指令並執行指令。由存 儲器106接收的指令可選地在由處理器104執行之前或執行之後存儲在存儲設備110上。
[0057] 應當理解的是，為了清楚起見，以上描述參考不同的功能單元和處理器對本發明 的實施方式進行描述。然而，顯而易見的是，可使用不同的功能單元、處理器或域之間的任 何合適的功能分布而不偏離本發明。例如，上述的將由單獨的處理器或控制器執行的功能 可由同一處理器或控制器執行。因此，參考具體的功能單元僅應視為參考合適的裝置，以提 供所描述的功能性，而不是指示嚴格的邏輯或物理結構或組織。
[0058] PCR 儀器
[0059] 如上所述，根據各實施方式可使用的儀器為（但不限於）聚合酶鏈式反應（PCR) 儀器。圖2是示出可實施本教導的實施方式的示例性儀器的框圖。PCR儀器200可包括放 置在多個樣本212上方的熱覆蓋件210,該多個樣本212包含在樣本支承設備（未示出） 中。在各實施方式中，樣本支承設備可以是具有多個反應點的玻璃片或塑料片，反應點在其 與熱覆蓋件210之間具有覆蓋件。樣本支承設備的一些示例可包括（但不限於）多孔板 (例如標準的微量滴定96孔板、384孔板）、或微型卡、或基本平的支承件（如玻璃片或塑料 片）。樣本支承設備的各實施方式中的反應點可包括形成在基底的表面上規則或不規則的 陣列圖案化的凹穴、凹陷、脊狀突起、及其組合。反應點還可被稱為關注區域。PCR儀器的各 實施方式包括樣本塊214、用於加熱和冷卻的元件216、熱交換器218、控制系統220和用戶 接口 222。根據本教導的熱塊組件的各實施方式包括圖2中PCR儀器200的部件214-218。
[0060] 實時PCR儀器200具有光學系統224。在圖2中，光學系統224可具有發射電磁能 的照射源（未示出）、光學傳感器、檢測器、或成像器（未示出），用於從樣本支承設備中的 樣本212接收電磁能、和用於將電磁能從每個DNA樣本導引至成像器的光學器件240。根據 各實施方式，光學系統224可以是CCD相機或突光相機。
[0061] 對於圖2中PCR儀器200的實施方式，控制系統220可用於控制檢測系統、熱覆蓋 件、以及熱塊組件的功能。控制系統220可通過圖2中的PCR儀器200的用戶接口 222由 終端用戶訪問。另外，如圖1所示的計算機系統100可用於提供圖2的PCR儀器200的控 制功能以及用戶接口功能。另外，圖1的計算機系統100可提供數據處理、顯示和報告準備 功能。所有這些儀器控制功能可本地地專用於PCR儀器，或者圖1的計算機系統100可提 供對下面將更詳細討論的控制、分析、以及報告功能的部分或全部的遠程控制。
[0062] 已為了說明和描述的目的，提供了本教導的各實施的以下描述。該描述不是詳盡 的並且不使本教導限於公開的具體形式。根據上述教導，可進行修改和變型，或者可以通過 實現本教導來獲得修改和變型。另外，所描述的實施包括軟體，但是本教導可實施為硬體和 軟體的組合或僅以硬體實現。本教導可利用面向對象和非面向對象編程系統實施。
[0063] 其他系統和應用
[0064] 在各實施方式中，本文中描述的設備、儀器、系統和方法可用於檢測一種或多種關 注的生物成分。這些關注的生物成分可以是任何合適的生物目標，該生物目標包括但不限 於DNA序列（包括無細胞DNA)、RNA序列、基因、寡核苷酸、分子、蛋白質、生物標記物、細胞 (例如，循環腫瘤細胞）或任何其他合適的目標生物分子。
[0065] 在各實施方式中，該生物成分可以在應用中與各種PCR、qPCR和/或dPCR方法和 系統結合使用，這些應用例如是胎兒診斷、多重dPCR、病毒檢測和量化標準、基因分型、測序 驗證、突變檢測、轉基因生物檢測、稀有等位基因檢測和拷貝數變異。本公開的實施方式通 常涉及用於監測或測量大量小體積樣本的生物反應的設備、儀器、系統和方法。例如，如本 文中所使用的，樣本可稱為樣本體積或反應體積。
[0066] 雖然通常適用於處理大量樣本的定量聚合酶鏈式反應（qPCR)，但應當認識到根據 本文中描述的各實施方式可以使用任何合適的PCR方法。例如，合適的PCR方法包括（但不 限於）數字PCR、等位基因特異性PCR、不對稱PCR、連接介導PCR、多重PCR、巢式PCR、qPCR、 基因組步移、以及橋式PCR。
[0067] 如下所述，例如，根據本文中描述的各實施方式，反應點可包括（但不限於）通孔、 孔、凹陷、點、腔、樣本保持區、反應點、以及反應室。
[0068] 另外，如本文中所使用的，熱循環可包括例如使用熱循環儀，等溫擴增，熱對流，紅 外介導熱循環，或解旋酶擴增。在一些實施方式中，晶片可與內置式加熱元件集成。
[0069] 例如，根據各實施方式，目標檢測可為（但不限制為）螢光檢測、正或負離子檢測、 pH值檢測、電壓檢測、或電流檢測、或其組合。
[0070] 圖3示出根據各實施方式的標記有兩個標識符的基底300。多個樣本可包括在用 於在一個基底300上進行測試的反應點區302中。反應點區302示出為陣列。在其他示例 中，反應點區可包括一個樣本。在一些實施方式中，多個基底300可以位於用於測試的系統 中。例如，兩個、四個、或二十個基底300可放置在用於測試的儀器系統中。在一些實施方 式中，測定成分也可與樣本一起預裝載至反應點區302中。反應點區302包括多個子陣列。 在子陣列之間，間隔壁（如間隔壁308和間隔壁310)可將子陣列分離。每個子陣列可包括 多個單獨的反應點，如孔。在該示例中，基底具有反應點的子陣列的預定圖案。應認識到反 應點可以其他圖案進行排列。本文中描述的實施方式使用反應點的預定圖案或布置。
[0071] 在圖3所示的實施方式中的機器可讀的標識符為條形碼304和字母數字代碼306。 然而，應該認識到根據本文中描述的實施方式，機器可讀的標識符可以是例如條形碼、文 本、數字、或其他符號，及其任何組合。如上所述，根據本文中描述的實施方式尋找參考點可 能是讀取或檢測這些標識符的其他方法中的因素。
[0072] 圖4示出四個樣本基底402、404、406和408的示例性輸入圖像。根據各實施方式， 該圖像可以是反射光圖像或螢光圖像。通常，每個基底中心處的圖像數據可比邊緣處的圖 像數據的質量好。在基底的邊緣周圍和在圖像的邊緣周圍可能存在低對比度和高對比度或 畸變。因此根據各實施方式，確定基底在圖像內的位置是有用的。
[0073] 圖5示出了圖4中所示的示例性圖像的列投影。Y軸表示灰度級測量值。根據各 實施方式，投影是指沿給定直線的所有像素灰度級值的和。也就是說，對每列像素採用路徑 積分。類似地，行投影是指對沿圖像的行的所有像素進行求和。根據本文中描述的各實施方 式，投影用於在特定方向上提取特徵，以進行進一步的分析。還應認識到根據各實施方式， 可在除了行和列之外的其他路徑和維度上進行投影，以便於圖案確定。例如，可通過在兩個 維度上進行投影生成可從表面減去的二維投影來確定表面的投影。在其他示例中，部分地 基於需要基部去除的區域期望的幾何形狀和/或特徵的圖案，可在數個其他維度上採用投 影。
[0074] 例如，圖5中的列投影510示出圖4的示例性圖像內的路徑積分或每列像素的灰 度級的和。另外，路徑積分標準化為最大值1〇〇〇或其他合適的值。
[0075] 從列投影510可確定四個基底502、504、506和508出現在圖像中。這可通過設置 某一水平的閾值512來完成。如果列投影510通過閾值512,可確定其為基底的邊緣。另 夕卜，例如，如果已知系統應包括四個基底，則可期望列投影510將與閾值512相交八次（四 個基底中的每個具有兩個邊緣）。因此，在列投影510中，檢測到四個基底502、504、506和 508。根據各實施方式，以這種方式，可檢查是否出現系統中期望數目的基底。在圖5所示 的示例中，期望並檢測到四個樣本基底。另外，多個基底之間的已知間隔可用於確定用於辨 別外來的和/或有缺陷的對象的被檢測基底的位置和合理的期望尺寸。如上所述，在不同 定向生成的投影數據可用於檢測具有不同定向的基底。
[0076] 圖6是示出了根據各實施方式的在圖像中尋找基底位置的示例性方法600的流程 圖。在步驟602中，處理器接收基底的圖像數據。例如，當基底由光學系統224(圖2)成像 時，可生成圖像數據。在步驟604中，處理器從圖像數據生成投影數據。可通過計算沿路 徑的灰度級測量值的和來生成投影數據。在步驟606中，處理器基於關於基底的已知信息 評估投影數據，如標誌的期望圖案。在各實施方式中，標誌的圖案可以是分離子陣列的間 隔壁。因為間隔壁應分開某一數目的像素（某一像素寬度），根據基底的維度，系統可在期 望位置尋找下一間隔壁並根據需要檢查被檢測間隔壁的寬度。因此，在步驟608中，在圖像 內，標誌的位置被確定。
[0077] 在圖7A中，示出了根據本文中描述的各實施方式的一個基底的行投影700。
[0078] 圖7B描述了行投影700和確定的基部702。在本文中，根據各實施方式，包含不需 要的信息的基部可能是不利的，並且可能使進一步的處理複雜化。基部可由光學離散噪音 和光學不一致性導致。
[0079] 根據各實施方式，基部可由多個方法確定。例如，可在投影中確定局部最小值，並 且曲線可擬合這些最小值。可在已知的基底圖案上確定用於確定局部最小值的位置。例如， 參考圖4,已知一個基底402將具有4x12子陣列的子陣列維度。因此，在行投影（如圖7B 所示）中將尋找與12個期望子陣列對應的圖案。另外，可基於最小值和確定的擬合曲線之 間的檢查，調整擬合曲線。
[0080] 作為基部確定的另一示例，基部包括除估計的邊界區域外的投影的底部包絡線。 例如，底部包絡線的邊界可擬合至七次多項式曲線或另一合適次數的多項式曲線。然後在 投影的最小值小於多項式曲線的位置處將多項式曲線調整至投影的最小值，以形成新的底 部包絡線。然後該新的底部包絡線擬合至另一七次多項式。多項式係數用於通過在基底反 應點的估計邊界區域之間的所有數據樣本位置處求多項式值來計算基部。在邊界區域之 夕卜，基於多項式曲線的端點值利用常量值填充基部，以獲得最終的基部基線。基部通過減去 基部底線而被去除，從而從投影曲線去除基部，並且邊界之外的數據被設為零。
[0081] 圖7C示出了基部702被去除的行投影700。其通過從行投影700減去確定的基部 702而被去除。以這種方式，來自光學畸變的噪音被減弱並且後續處理可能會更簡單。例如， 通過去除基部，尋找間隔壁、其他標誌、或各個反應點的適當的局部閾值方法可用於分析圖 像數據。這些方法包括但不限制於Otsu閾值方法、平均閾值方法、和中值閾值方法。
[0082] 因為基底的標誌圖案是已知的，所以可確定圖像的什麼部分與該期望圖案對應。 圖8示出根據各實施方式的用於確定基底的標誌的示例性方法800。如前面所提到的，基底 的中心區域可能具有更好質量的圖像數據。為了確定所有期望標誌（如間隔壁）的位置， 可在期望的中心區域開始分析數據。投影數據中的中心區域在步驟802中確定。為了基底 的基本圖案搜索中心區域，在這種情況下，位於兩個邊界間隔壁之間的八個單獨反應點具 有相對更大的寬度和更高的圖像像素值。該步驟提供基底的測量特徵如各個反應點的間距 和間隔壁的間距。通過搜索至期望的中心位置的左側和右側，可定位其他間隔壁。與期望 的間隔壁寬度對應的像素數量還可以是已知的並可存儲在存儲器中。例如，在一些實施方 式中，期望的間隔壁寬度可以為20個像素。
[0083] 在步驟804和806中，為了其他的間隔壁檢查中心區域的左側和右側的區域。如 在步驟808中，處理器繼續左側或右側，直到尋找到期望數目的間隔壁、或不能尋找到其他 標誌或間隔壁。
[0084] 例如，參照圖7D，最初可檢測間隔壁718。處理器繼續左側，直到檢測到下一間隔 壁716。在各實施方式中，搜索是基於期望的間隔壁寬度。接著，處理器可搜索間隔壁718 右側的下一間隔壁，間隔壁720。該過程可繼續進行直到尋找到期望數目的間隔壁或不能找 到間隔壁。
[0085] 圖9示出了基底的2x4子陣列圖像部分。例如，通過檢查圖像的更小部分，可使傾 斜基底的影響和光學畸變最小化。如上所述，通常，基底的中心區域的圖像是更好質量的圖 像。因此，圖9中的2x4子陣列圖像部分可從基底圖像的中心區域取得。
[0086] 圖10A示出圖7的2x4子陣列圖像部分的列投影1000。參照圖7A-圖7D，與上述 行投影示例相似的，可計算基部並從列投影1000中去除基部，以去除不需要的和可能不利 的數據。圖10B示出了基部被去除的列投影1000。
[0087] 另外，如圖10C所示，以如上所述的相似方式，可檢測列間隔壁。這裡，通過尋找分 離子陣列的五個間隔壁1006、1008、1010、1012、和1014來檢測四個子陣列。
[0088] 在處理器能夠從列投影和行投影確定間隔壁網格之後，可在圖像上確定參考點。 根據各實施方式，可被確定的參考點是每個基底的中心。然後被確定的參考點可通過處理 器由後續的算法或計算使用。在其他實施方式中，圖像中基底的中心可在顯示屏上指示給 用戶。根據本文中描述的各實施方式，間隔壁網格的中心作為基底中心被返回。
[0089] 另外，在相似的方法中，根據本文中描述的各實施方式，可檢測每個反應點（如各 個孔）。首先，投影曲線可與閾值比較。例如，在圖11中，投影曲線1100可與預定的閾值比 較，以使得閾值之上的數據變為閾值的值而閾值之下的數據變為零。這是基於otsu閾值方 法。然而，應當認識到，可使用其他閾值方法。
[0090] 如圖12所示，以這種方式，可確定每個為零的區域，從而可找到各個反應點。
[0091] 分析是基於投影的小區域的適應性Otsu閾值化，並且間隔壁通過相鄰間隔壁之 間的已知數量的點孔和孔間隔的寬度來識別。在代碼中點孔也被稱作"pod"。
[0092] 根據本文中描述的各實施方式，基部可通過圖13的流程圖中所示的方法從圖像 數據計算。圖14中示出了一個基底的示例性圖像。如圖14所示，灰塵顆粒和圍繞基底的 殼體上的劃痕可包括在圖像中並產生背景噪音或不期望的數據。
[0093] 如上所述，在各實施方式中，可為二維表面計算基部，以獲得更準確的反應點位置 確定。二維基部用於去除由於離散、化學劑發射串擾、激發光串擾導致的緩慢變化動態背 景。每個子陣列（預定圖案的單元）由相鄰反應點的邊界隔離。可計算包括子陣列的部 分，並且沿該部分邊界的數據樣本用於填充該部分內的區域。其他部分之間的間隙被填充， 每個部分圍繞子陣列，並且基部被平滑化。最終的結果用於去除基部。根據示例性方法，在 步驟1302中，子陣列以及然後反應點的位置根據上述方法被確定。然而，應當認識到，其他 實施方式可包括在圖像中被分析的基底的其他配置和幾何結構，其可包括或可不包括子陣 列。在確定子陣列的位置之後，如上所述，基部被生成，以形成二維基部表示。在其他示例 中，子陣列可呈六邊形形狀，這需要在六個維度的基部確定。
[0094] 用於每個子陣列的基部表示數據被確定並在圖15A中示出。因為基底的間隔壁的 圖像數據為確定用於包括在子陣列中的樣本體積的數據所不需要的數據，所以子陣列之間 的間隙從用於每個子陣列的基部確定排除。因此，在步驟1304中，整個基底的基部生成被 進一步處理，以平滑子陣列之間的區域。也就是說，使用用於每個子陣列的基部確定，每個 子陣列之間間隙的數據被內插。在一些示例中，內插可利用線性內插函數實施。圖15B示 出了具有位於每個子陣列基部確定之間的內插區域的修改的基部表示。
[0095] 返回參考方法1300,在步驟1308中，基部表示的整個表面的數據被平滑化，以 進一步去除噪音。例如，平滑化可以是矩形窗、Hann窗、Kaiser-Bessel窗、Hamming窗、 Gaussian窗、或Harris窗。圖15C中示出了該平滑化的基部表示。
[0096] 在步驟1310中，圖像的基部表示可從原始圖像（圖14)減去，以形成如圖16所示 的減去背景的圖像。
[0097] 在所述的各實施方式中，在反應點的所有位置的鄰近區域確定之後，可通過擬合 二階多項式至反應點的行或列來精細地調整每個反應點的位置。該二階曲線可進一步為每 個反應點確定更準確的位置。根據各實施方式，以這種方式，可使由外來物體（如汙垢和灰 塵）導致的光學畸變的效果最小化。
[0098] 因此，根據上文，本公開的一些示例包括：
[0099] 在一個示例中，提供了用於改善圖像質量的方法。該方法包括：接收基底的圖像數 據，其中圖像數據通過使基底成像生成；並且從圖像數據生成圖像；從圖像的背景噪音部 分生成背景表示，其中背景部分包括進一步的處理所不期望的信號信息；通過從圖像減去 背景表示，生成減去背景的圖像。
[0100] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，基底包括多個關注區域。
[0101] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，多個關注區域為多個反應點。
[0102] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，背景部分包括第一背景部分 和第二背景部分。
[0103]另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，第一背景部分從圖像中的第 一區確定。
[0104] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，第二背景部分是基於第一背 景部分從圖像中的第二區進行內插，其中第二區不包括關注區域。
[0105] 在另一個示例中，提供了確定基底位置的計算機實施的方法。該方法包括：由處理 器接收基底的圖像數據，其中圖像數據通過使基底成像而生成；由處理器基於圖像數據生 成投影數據；為了基底的已知標誌圖案，由處理器對投影數據進行評估，其中已知標誌圖案 存儲在存儲器中；以及由處理器基於評估的步驟確定基底的已知標誌圖案在圖像數據中的 位置。
[0106] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該方法還包括：由處理器基於 基底的已知標誌圖案被確定的位置確定基底的中心。
[0107] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該方法還包括：基於投影數據 確定基部，其中基部包括進一步的處理所不期望的信號信息；以及處理圖像數據，以去除基 部。
[0108] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，生成投影數據包括計算路徑 積分。
[0109] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，生成投影數據包括基於灰度 級測量值在圖像數據的列和行上計算路徑積分。
[0110] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，已知的標誌圖案包括位於基 底的反應點區之間的間隔壁。
[0111] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該方法還包括：由處理器基於 被確定的位置確定基底上的至少一個標識符。
[0112] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，確定標識符的步驟包括基於 被確定的位置和標識符在基底上的期望位置分析圖像數據，其中期望位置存儲在存儲器 中。
[0113] 在另一示例中，提供了計算機可讀存儲介質，其編碼有指令，該指令可由處理器執 行。該指令包括：用於接收基底的圖像數據的指令，其中圖像數據通過使基底成像而生成； 用於基於圖像數據生成投影數據的指令；用於為了基底的已知標誌圖案對投影數據進行評 估的指令，其中已知標誌圖案存儲在存儲器中；以及用於基於評估確定基底的已知標誌圖 案在圖像數據中的位置的指令。
[0114] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該指令還包括：用於由處理器 基於基底的已知標誌圖案被確定的位置確定基底的中心的指令。
[0115] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該指令還包括：用於基於投影 數據確定基部的指令，其中基部包括進一步的處理所不期望的信號信息；以及用於處理圖 像數據以去除基部的指令。
[0116] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，生成投影數據包括計算路徑 積分。
[0117] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，生成投影數據包括基於灰度 級測量值在圖像數據的列和行上計算路徑積分。
[0118] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，已知標誌圖案包括位於基底 的反應點區之間的間隔壁。
[0119] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，該指令還包括：用於由處理器 基於被確定的位置確定基底上的至少一個標識符的指令。
[0120] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，確定標識符包括基於被確定 的位置和標識符在基底上的期望位置分析圖像數據，其中期望位置存儲在存儲器中。
[0121] 在另一示例中，提供了用於可視化多個數據圖的系統。該系統包括：處理器；以及 存儲器，該存儲器編碼有：用於接收基底的圖像數據的指令，其中圖像數據通過使基底成像 而生成；用於基於圖像數據生成投影數據的指令；用於為了基底的已知標誌圖案對投影數 據進行評估的指令，其中已知標誌圖案存儲在存儲器中；以及用於基於評估確定基底的已 知標誌圖案在圖像數據中的位置的指令。
[0122] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，存儲器編碼有用於由處理器 基於基底的已知標誌圖案被確定的位置確定基底的中心的指令。
[0123] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，存儲器編碼有：用於基於投影 數據確定基部的指令，其中基部包括進一步的處理所不期望的信號信息；以及用於處理圖 像數據以去除基部的指令。
[0124] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，存儲器編碼有用於由處理器 基於被確定的位置確定基底上的至少一個標識符的指令。
[0125] 在另一個示例中，提供了用於改善圖像質量的方法。該方法包括：為圖像的第一區 確定基部的第一部分，其中基部包括進一步的處理所不期望的信號信息；為圖像的第二區、 基於基部的第一部分內插第二基部部分，其中第二區不包括關注區域；通過組合基部的第 一部分和基部的第二部分生成基部表示；在基部的第一部分和基部的第二部分上應用平滑 函數；以及從圖像中減去基部表示，以生成減去背景的圖像。
[0126] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，為圖像的第一區域確定基部 包括在至少兩個維度上評估第一區的投影數據。
[0127] 另外或可替代地，在上文公開的一個或多個示例中，第一區基於預定的區圖案而 被確定。
[0128] 雖然已根據某些示例性實施方式、示例和應用描述了本發明，但是對於本領域技 術人員顯而易見的是，可進行各種修改和改變而不背離本發明。
【權利要求】
1. 用於改善圖像質量的方法，包括： 接收基底的圖像數據，其中所述圖像數據通過使所述基底成像而生成，並且圖像從所 述圖像數據生成； 從所述圖像的背景噪音部分生成背景表示，其中所述背景部分包括進一步的處理所不 期望的信號信息；以及 通過從所述圖像減去所述背景表示，生成減去背景的圖像。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述基底包括多個關注區域。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述多個關注區域為多個反應點。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所述背景部分包括第一背景部分和第二背景部 分。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中所述第一背景部分從圖像中的第一區確定。
6. 根據權利要求4所述的方法，其中， 所述第二背景部分是基於所述第一背景部分從所述圖像中的第二區進行內插，其中所 述第二區不包括關注區域。
7. 確定基底位置的計算機實施的方法，包括： 由處理器接收基底的圖像數據，其中所述圖像數據通過使所述基底成像而生成； 由所述處理器基於所述圖像數據生成投影數據； 為了所述基底的已知標誌圖案，由所述處理器對所述投影數據進行評估，其中所述已 知標誌圖案存儲在存儲器中；以及 由所述處理器基於評估的步驟確定所述基底的所述已知標誌圖案在所述圖像數據中 的位置。
8. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，還包括： 由所述處理器基於所述基底的所述已知標誌圖案被確定的所述位置確定所述基底的 中心。
9. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，還包括： 基於所述投影數據確定基部，其中所述基部包括進一步的處理所不期望的信號信息； 以及 處理圖像數據，以去除所述基部。
10. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，其中生成投影數據的步驟包括計算路 徑積分。
11. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，其中生成投影數據的步驟包括基於灰 度級測量值在所述圖像數據的列和行上計算路徑積分。
12. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，其中所述已知標誌圖案包括位於所述 基底的反應點區之間的間隔壁。
13. 根據權利要求7所述的計算機實施的方法，還包括： 由所述處理器基於被確定的所述位置確定所述基底上的至少一個標識符。
14. 根據權利要求13所述的計算機實施的方法，其中，確定標識符的步驟包括基於被 確定的所述位置和所述標識符在所述基底上的期望位置分析所述圖像數據，其中所述期望 位置存儲在所述存儲器中。
15. 計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質編碼有指令，所述指令可由處理器 執行並包括： 用於接收基底的圖像數據的指令，其中所述圖像數據通過使所述基底成像而生成； 用於基於所述圖像數據生成投影數據的指令； 用於為了所述基底的已知標誌圖案對所述投影數據進行評估的指令，其中所述已知標 志圖案存儲在存儲器中；以及 用於基於評估確定所述基底的所述已知標誌圖案在所述圖像數據中的位置的指令。
16. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中所述指令還包括： 用於由所述處理器基於所述基底的所述已知標誌圖案被確定的所述位置確定所述基 底的中心的指令。
17. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中所述指令還包括： 用於基於所述投影數據確定基部的指令，其中所述基部包括進一步的處理所不期望的 信號信息；以及 用於處理圖像數據以去除所述基部的指令。
18. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中生成投影數據包括計算路徑積 分。
19. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中生成投影數據包括基於灰度級 測量值在所述圖像數據的列和行上計算路徑積分
20. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中所述已知標誌圖案包括位於所 述基底的反應點區之間的間隔壁。
21. 根據權利要求15所述的計算機可讀存儲介質，其中所述指令還包括： 用於由所述處理器基於被確定的所述位置確定所述基底上的至少一個標識符的指令。
22. 根據權利要求21所述的計算機可讀存儲介質，其中，確定標識符包括基於被確定 的所述位置和所述標識符在所述基底上的期望位置分析所述圖像數據，其中所述期望位置 存儲在所述存儲器中。
23. -種用於可視化多個數據圖的系統，包括： 處理器；以及 存儲器，所述存儲器編碼有： 用於接收基底的圖像數據的指令，其中所述圖像數據通過使所述基底成像而生成； 用於基於所述圖像數據生成投影數據的指令； 用於為了所述基底的已知標誌圖案對所述投影數據進行評估的指令，其中所述已知標 志圖案存儲在所述存儲器中；以及 用於基於評估確定所述基底的所述已知標誌圖案在所述圖像數據中的位置的指令。
24. 根據權利要求23所述的系統，其中所述存儲器編碼有用於由所述處理器基於所述 基底的所述已知標誌圖案被確定的所述位置確定所述基底的中心的指令。
25. 根據權利要求23所述的系統，其中所述存儲器編碼有： 用於基於所述投影數據確定基部的指令，其中所述基部包括進一步的處理所不期望的 信號信息；以及 用於處理圖像數據以去除所述基部的指令。
26. 根據權利要求23所述的系統，其中所述存儲器編碼有用於由所述處理器基於被確 定的所述位置確定所述基底上的至少一個標識符的指令。
27. 用於改善圖像質量的方法，包括： 為圖像的第一區確定基部的第一部分，其中所述基部包括進一步的處理所不期望的信 號信息； 為所述圖像的第二區，基於所述基部的第一部分內插第二基部部分，其中所述第二區 不包括關注區域； 通過組合所述基部的第一部分和所述基部的第二部分生成基部表示； 在所述基部的第一部分和所述基部的第二部分上應用平滑函數；以及 從所述圖像中減去所述基部表示，以生成減去背景的圖像。
28. 根據權利要求27所述的方法，其中，為圖像的第一區確定基部的步驟包括在至少 兩個維度上評估所述第一區的投影數據。
29. 根據權利要求27所述的方法，其中，所述第一區基於預定的區圖案而被確定。
【文檔編號】G06T7/00GK104115190SQ201280058524
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】弗朗西斯·T·程, 託馬斯·維塞爾 申請人:生命技術公司