專利名稱：集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生物芯片信號(hào)檢測(cè)的裝置及方法，尤其是一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)及方法背景技術(shù)生物芯片可分為微陣列的DNA芯片和微流控的集成毛細(xì)管電泳芯片(Lab-on-a-chip)。DNA芯片技術(shù)中的檢測(cè)樣本的提取、分離、標(biāo)記、雜交和信號(hào)檢測(cè)是在不同的技術(shù)平臺(tái)上進(jìn)行的。而Lab-on-a-chip則是合成了所有的這些步驟在一個(gè)技術(shù)平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品處理、提純、反應(yīng)、檢測(cè)、分析的整合、微型化、自動(dòng)化。集成毛細(xì)管電泳芯片(integrated capillary electrophoresis，ICE)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)分析領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，整個(gè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)刑偵、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、現(xiàn)代野戰(zhàn)和國(guó)防等領(lǐng)域，在個(gè)人和家庭消費(fèi)領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。課題把從過(guò)去面向研究工作的產(chǎn)品轉(zhuǎn)向面向應(yīng)用的產(chǎn)品，其研究具有重要的科學(xué)技術(shù)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
ICE芯片掃描分析系統(tǒng)是ICE芯片能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵儀器。傳統(tǒng)的ICE芯片掃描分析系統(tǒng)是基于光電倍增管(PMT)光電轉(zhuǎn)換的共聚焦掃描檢測(cè)裝置對(duì)ICE芯片掃描檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理器輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較龐大，檢測(cè)速度較慢，一次只能檢測(cè)ICE芯片一個(gè)點(diǎn)所發(fā)出的熒光信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)及方法，克服已有技術(shù)存在的問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速檢測(cè)分析。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，包括一個(gè)掃描檢測(cè)器件連接一個(gè)檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)，其特征在于所述的掃描檢測(cè)器件為CCD攝像頭(9)，所述的檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)DSP處理器(5)通過(guò)其EMIF接口(8)連接一個(gè)FLASH閃存器(6)、一個(gè)SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(7)和一個(gè)FIFO緩存芯片(11)；所述的CCD攝像頭(9)經(jīng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器(10)連接FIFO緩存芯片(11)，所述的DSP處理器(5)通過(guò)其HPI主機(jī)口(4)連接一個(gè)嵌入式處理器(1)，由所述的嵌入式處理器(1)連接一個(gè)LCD顯示(2)和鍵盤及鼠標(biāo)(3)。
在上述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)中，所述的DSP處理器(5)采用32位DSP處理器TMS320DM642。
在上述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)中，所述的嵌入式處理器(1)采用以ARM嵌入式處理器CY-ARM4510B。
一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析方法，采用所述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，具體分析步驟如下(1)DSP子系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)(I)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化(II)，然后與ARM嵌入式處理器(1)建立通信(III)，接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞和數(shù)據(jù)根據(jù)通訊協(xié)議分別操作(IV)；(2)DSP子系統(tǒng)接受ARM嵌入式處理器(1)傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動(dòng)CCD攝像頭(9)工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(V)，然后，通過(guò)調(diào)用測(cè)背景光函數(shù)(VIII)來(lái)分析得出有效數(shù)據(jù)，最后，返回，繼續(xù)接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；(3)根據(jù)通信協(xié)議，接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的參數(shù)(VI)，然后，返回，繼續(xù)接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；(4)根據(jù)通信協(xié)議，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集(VII)，根據(jù)協(xié)議調(diào)用ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)(IX)，計(jì)算ICE芯片熒光濃度，最后，向ARM傳遞計(jì)算結(jié)果；●所述的通信協(xié)議是指DSP處理器(5)與ARM嵌入式處理器(1)之間的交互通信協(xié)議；●所述的背景光函數(shù)采用鄰近背景確定方法；●所述的ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)是將套有樣品點(diǎn)的圓內(nèi)各像素信號(hào)光密度值減去背景光密度值。
本發(fā)明的原理如下系統(tǒng)采用嵌入式處理器CY-ARM4510B配合DM642處理器完成界面顯示、人機(jī)交互等功能。DM642與CY-ARM4510B之間通信的建立主要通過(guò)主機(jī)口HPI來(lái)建立，為了實(shí)現(xiàn)它們之間的參數(shù)傳遞，在DM642的SDRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中開(kāi)辟了一塊參數(shù)空間，存放掃描控制參數(shù)、數(shù)據(jù)塊的地址與大小、分析結(jié)果等。DM642與CY-ARM4510B之間的交互協(xié)議由各個(gè)命令及命令所涉及的參數(shù)群組成。CY-ARM4510B發(fā)送到DM642的命令和DM642發(fā)送到CY-ARM4510B的命令存放在約定的兩個(gè)不同地址中，而各個(gè)命令所涉及的參數(shù)也存放在編寫的不同地址中，CY-ARM4510B在設(shè)置完掃描控制參數(shù)后觸發(fā)DM642的HPI中斷，DM642在完成操作后設(shè)置相關(guān)處理結(jié)果的參數(shù)，再給CY-ARM4510B發(fā)送完成任務(wù)的消息，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩者的順暢交互。另外，CY-ARM4510B可以通過(guò)HPI直接讀取存放在SDRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中掃描圖像的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等，不需要DM642的參與，由EDMA來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸。DM642高速實(shí)時(shí)的處理能力滿足了該圖像分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、處理過(guò)程復(fù)雜的要求。掃描得到的圖像數(shù)據(jù)要進(jìn)行如下處理①根據(jù)ICE的需求進(jìn)行信號(hào)的平滑及去噪、圖像增強(qiáng)和輪廓提取、顯示數(shù)據(jù)的壓縮、靶點(diǎn)分析、檢測(cè)樣本管理、圖像瀏覽、自動(dòng)分析、系統(tǒng)設(shè)置和結(jié)果分析等多項(xiàng)任務(wù)；②根據(jù)分析參數(shù)，計(jì)算出每個(gè)靶點(diǎn)在不同時(shí)刻的信號(hào)值和背景值，與參照物mark的臨界值作比較，從而得出每個(gè)樣本的分析結(jié)果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)(1)系統(tǒng)采用CCD檢測(cè)技術(shù)，以DM642為核心，配合嵌入式處理器完成圖形界面和人機(jī)交互功能，具有可靠性高、高速實(shí)時(shí)、體積小、全自動(dòng)分析等優(yōu)點(diǎn)。
(2)系統(tǒng)具有成本優(yōu)勢(shì)。基于DSP和CCD的ICE芯片掃描分析系統(tǒng)性價(jià)比高。
(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、多任務(wù)、高集成。
(4)整個(gè)系統(tǒng)不僅能適應(yīng)生物化學(xué)、分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、法醫(yī)刑偵、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、現(xiàn)代野點(diǎn)和國(guó)防等領(lǐng)域的一些高新技術(shù)需求，而且在個(gè)人和家庭消費(fèi)領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，其研究具有重要的科學(xué)技術(shù)意義和應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖1示例的DSP程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下參見(jiàn)圖1，以ARM嵌入式處理器(CY-ARM4510B)(1)和32位DSP處理器DM642(5)的協(xié)同工作為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)為CY-ARM4510B(1)擴(kuò)展彩色LCD(2)，用于儀器的各種顯示；擴(kuò)展鍵盤和鼠標(biāo)(3)，用于各種人機(jī)操作；擴(kuò)展以太網(wǎng)口(ETHERNET PORT)模塊，用于接入網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院的中心計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上的病毒/基因庫(kù)通信；另外還有復(fù)位電路(RESET)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘(CLOCK)模塊等。在DM642(5)中，CPU和一級(jí)程序高速緩存及一級(jí)數(shù)據(jù)高速緩存直連，兩塊Cache分別為16K-Byte，工作在CPU全速訪問(wèn)狀態(tài)。二級(jí)緩存在256K-Byte。系統(tǒng)為DM642(5)擴(kuò)展4M-Byte閃存(FLASH)(6)，用于存放DSP的指令代碼和參變量；擴(kuò)展32M-Byte的同步動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM)(7)，用于存放掃描數(shù)據(jù)、分析結(jié)果以及運(yùn)行程序；擴(kuò)展SAA7102編碼器(10)，以完成ICE芯片的光學(xué)掃描；另外，DM642處理器(5)的主機(jī)口(HPI Host Port Interface)(4)可與CY-ARMB嵌入式處理器(1)進(jìn)行直接的通信。ARM(1)掌管著該接口的主控權(quán)，可以直接訪問(wèn)DSP(5)的存儲(chǔ)空間的映射到存儲(chǔ)區(qū)的外部設(shè)備。
圖2示出DSP的程序流程。以ARM為核心的系統(tǒng)控制程序，主要是人機(jī)接口程序。它作為系統(tǒng)的控制核心負(fù)責(zé)液晶的顯示、鍵盤的掃描及系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。DSP子系統(tǒng)接受ARM傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動(dòng)CCD工作。然后，通過(guò)EDMA方式從FIFO里面讀取光強(qiáng)數(shù)據(jù)，計(jì)算ICE芯片熒光濃度。最后，把結(jié)果傳遞給ARM。掃描控制部分協(xié)調(diào)視頻編譯碼進(jìn)行工作。ICE芯片掃描分析系統(tǒng)采取頻率可變，實(shí)現(xiàn)不同分辨率下對(duì)芯片的掃描。SAA7115 A/D的采樣信號(hào)由DSP的Timer0來(lái)控制，在Timer0定時(shí)中斷中進(jìn)行計(jì)數(shù)。采集完一行數(shù)據(jù)時(shí)停止Timer0觸發(fā)A/D采樣，等待下一行掃描開(kāi)始。A/D將數(shù)據(jù)存入FIFO，F(xiàn)IFO半滿時(shí)觸發(fā)中斷，EDMA把FIFO中的數(shù)據(jù)搬到SDRAM中，由EDMA控制器實(shí)現(xiàn)地址偏移和更新。如圖2所示，集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)的分析方法的具體步驟如下1.DSP子系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)(I)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化(II)，然后與ARM建立通信(III)，接收ARM傳遞的數(shù)據(jù)根據(jù)通訊協(xié)議分別操作(IV)；2.DSP子系統(tǒng)接受ARM(1)傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動(dòng)CCD攝像頭(9)工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(V)，然后，通過(guò)調(diào)用測(cè)背景光函數(shù)(VIII)來(lái)分析得出有效數(shù)據(jù)，最后，返回，繼續(xù)接收ARM(1)傳遞的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；3.根據(jù)通信協(xié)議，接收ARM(1)傳遞的參數(shù)(VI)，然后，返回，繼續(xù)接收ARM(1)傳遞的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；4.根據(jù)通信協(xié)議，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集(VII)，根據(jù)協(xié)議調(diào)用ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)(IX)，計(jì)算ICE芯片熒光濃度，最后，向ARM傳遞計(jì)算結(jié)果(X)；上述的通信協(xié)議是指DSP處理器(5)與ARM嵌入式處理器(1)之間的交互通信協(xié)議；上述的背景光函數(shù)采用鄰近背景確定方法；上述的ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)是將套有樣品點(diǎn)的圓內(nèi)各像素信號(hào)光密度值減去背景光密度值；上述的通過(guò)調(diào)用測(cè)背景光函數(shù)分析出有效數(shù)據(jù)的方法是FFT處理方法和中值表示法；上述的調(diào)用計(jì)算函數(shù)計(jì)算ICE芯片熒光濃度的方法是引入樣品點(diǎn)信號(hào)閾值的概念大于閾值的認(rèn)為是真正的樣品點(diǎn)信號(hào)。信號(hào)閾值有效的設(shè)定可以過(guò)濾一些對(duì)芯片圖像分析沒(méi)有意義的弱信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，包括一個(gè)掃描檢測(cè)器件連接一個(gè)檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)，其特征在于所述的掃描檢測(cè)器件為CCD攝像頭(9)，所述的檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)DSP處理器(5)通過(guò)其EMIF接口(8)連接一個(gè)FLASH閃存器(6)、一個(gè)SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(7)和一個(gè)FIFO緩存芯片(11)；所述的CCD攝像頭(9)經(jīng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器(10)連接FIFO緩存芯片(11)，所述的DSP處理器(5)通過(guò)其HPI主機(jī)口(4)連接一個(gè)嵌入式處理器(1)，由所述的嵌入式處理器(1)連接一個(gè)LCD顯示(2)和鍵盤及鼠標(biāo)(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP處理器(5)采用32位DSP處理器TMS320DM642。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，其特征在于所述的嵌入式處理器(1)采用以ARM嵌入式處理器CY-ARM4510B。
4.一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析方法，采用權(quán)利要求1所述的集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)，具體分析步驟如下(1)DSP子系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)(I)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化(II)，然后與ARM嵌入式處理器(1)建立通信(III)，接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞和數(shù)據(jù)根據(jù)通訊協(xié)議分別操作(IV)；(2)DSP子系統(tǒng)接受ARM嵌入式處理器(1)傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動(dòng)CCD攝像頭(9)工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(V)，然后，通過(guò)調(diào)用測(cè)背景光函數(shù)(VIII)來(lái)分析得出有效數(shù)據(jù)，最后，返回，繼續(xù)接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；(3)根據(jù)通信協(xié)議，接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的參數(shù)(VI)，然后，返回，繼續(xù)接收ARM嵌入式處理器(1)傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議分別操作(IV)；(4)根據(jù)通信協(xié)議，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集(VII)，根據(jù)協(xié)議調(diào)用ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)(IX)，計(jì)算ICE芯片熒光濃度，最后，向ARM傳遞計(jì)算結(jié)果；●所述的通信協(xié)議是指DSP處理器(5)與ARM嵌入式處理器(1)之間的交互通信協(xié)議；●所述的背景光函數(shù)采用鄰近背景確定方法；●所述的ICE芯片熒光濃度的計(jì)算函數(shù)是將套有樣品點(diǎn)的圓內(nèi)各像素信號(hào)光密度值減去背景光密度值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成毛細(xì)管電泳芯片掃描分析系統(tǒng)及方法。它包括一個(gè)掃描檢測(cè)器件連接一個(gè)檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)，掃描檢測(cè)器件為CCD攝像頭，檢測(cè)信號(hào)處理分析系統(tǒng)是一個(gè)DSP處理器通過(guò)其EMIF接口連接一個(gè)FLASH閃存器、一個(gè)SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和一個(gè)FIFO緩存芯片；CCD攝像頭經(jīng)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器連接FIFO緩存芯片，DSP處理器通過(guò)其HPI主機(jī)口連接一個(gè)嵌入式處理器，由嵌入式處理器連接一個(gè)LCD顯示和鍵盤及鼠標(biāo)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速檢測(cè)分析。
文檔編號(hào)G01N33/48GK1821747SQ200610025229
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者馬文麗, 鄭文嶺, 劉莉莉 申請(qǐng)人:上海大學(xué)