專利名稱：微流控芯片檢測的數(shù)字信號處理方法及應(yīng)用的檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片檢測技術(shù)，特別是指一種微流控芯片檢測的數(shù)字信號處理方法及應(yīng)用的檢測裝置。
背景技術(shù)：
微流控芯片技術(shù)或微型全分析系統(tǒng)(μ TAS :Micro_s印aration in Miniaturized Total Analysis System)是一門新興的多學(xué)科交叉技術(shù)，它借助計(jì)算機(jī)、光學(xué)、微機(jī)電加工、電子學(xué)、自動(dòng)控制、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、軟件等系統(tǒng)集成工程技術(shù)與生物學(xué)、分析化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行有機(jī)的交叉結(jié)合，將醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)分析等研究中樣品制備、 生化反應(yīng)和分析檢測等不連續(xù)過程集成到一塊小小的芯片中，實(shí)現(xiàn)從試樣處理到結(jié)果檢測的自動(dòng)化、集成化與便攜化。微流控芯片檢測儀器是生物芯片技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的專用儀器設(shè)備，通常采用顯微放大成像、共焦掃描等進(jìn)行熒光探測，借助數(shù)字圖象處理技術(shù)手段識別感興目標(biāo)、提高信噪比，將生物芯片中基因蛋白差異表達(dá)結(jié)果以圖像或曲線形式可視化顯示出來，便于人們解釋生化反應(yīng)過程，進(jìn)行醫(yī)學(xué)分析和其它研究應(yīng)用。國內(nèi)外流行的微流控芯片檢測儀器主要有熒光顯微鏡、共焦掃描儀、CCD成像系統(tǒng)等。目前這些儀器均存在體積比較大、造價(jià)比較高，不適合野外、家庭使用。同時(shí)，由于受機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制和生化反應(yīng)的影響，上面這些儀器所獲得的檢測信號常常會出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)與較大的噪聲。濾波器在通信、圖像處理、數(shù)據(jù)分析、儀器儀表制造以及實(shí)時(shí)熒光信號處理中廣泛使用，其主要功能是提高信號的信噪比。因此被用于微流控芯片檢測儀器，以降低儀器所獲得的檢測信號的噪聲。1978 年，美國的 hternational Standard Electric Corporation 申請了一項(xiàng)名為“Digital Filter”(數(shù)字濾波器)的專利(專利號US414693)，首次提出了用數(shù)字電路器件對信號進(jìn)行濾波處理，即數(shù)字濾波器。之后，隨著數(shù)字電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理也逐漸形成了一個(gè)科學(xué)的體系，并出現(xiàn)了 FIR(Finite Impulse Response) ,IIRdnfinite Impulse Response)等大類的數(shù)字濾波器，從理論上已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出任意通帶形狀的數(shù)字濾波器。但是使用上述方法設(shè)計(jì)出來的濾波器通常需要進(jìn)行大量的計(jì)算，需要DSP (Digital Signal I^rocessor，數(shù)字信號處理器)來輔助計(jì)算，而無法在單片機(jī)或嵌入式處理器的軟件上實(shí)現(xiàn)這些濾波算法，限制了數(shù)字濾波器在微流控芯片檢測儀器中的應(yīng)用。之后又有人設(shè)計(jì)出了運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算的數(shù)字濾波器。如1996年飛利浦公司(Philips Corporation)注冊了一項(xiàng)基于最小二乘法與旋轉(zhuǎn)矩陣的數(shù)字濾波器算法(Filter arrangement implementing a least squares method utilizing rotation matrices，專利號US 5495507)。這項(xiàng)專利公開了一種使用最小二乘法和旋轉(zhuǎn)矩陣的相關(guān)性質(zhì)來設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的方法。除了上述數(shù)字濾波器，后來又出現(xiàn)了一種采用相鄰幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值作為信號輸出值的移動(dòng)平均濾波器。如2000年Oki Electric Industry Co.，Ltd申請的一項(xiàng)名為 "Moving Average Filter”(簡稱MAF，移動(dòng)平均濾波器)的專利(專利號US6304133)。這種算法的原理簡單，實(shí)現(xiàn)容易，可以在簡單的單片機(jī)或嵌入式處理器上對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波，且不會占用太多的計(jì)算資源。目前，移動(dòng)平均濾波器在大多數(shù)僅僅需要對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行平滑處理，而對通帶特性沒有特別要求的場合應(yīng)用非常廣泛。但是，移動(dòng)平均濾波器也有其不足之處，那就是它對階躍信號的響應(yīng)不佳。移動(dòng)平均濾波器平滑曲線的能力通常取決它的采樣點(diǎn)框長度，采樣點(diǎn)框長度越長，濾波器的通帶越窄，輸出的曲線也就越加平滑。但是，階躍信號在頻域內(nèi)是由多次諧波組成的，通帶越窄意味著被濾去的高次諧波也就越多，階躍失真也就越大。同在2000年，美國德州儀器公司(Texas Instruments Inc.)申請了一項(xiàng)名為 "Delayed adaptive least-mean-square digital filter，，(延遲性自適應(yīng)最小均方數(shù)字濾波器)的專利(專利號-MS 6665695)。這種算法將數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法引入到數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)中，濾波時(shí)使用最小均方值方法計(jì)算出數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合曲線作為數(shù)據(jù)輸出。但是這種算法需要考察信號的一、二階矩，以保證輸入與輸出信號的均方誤差最小，這就對數(shù)字濾波器的計(jì)算與存儲性能提出了比較高的要求，一般需要DSP才能實(shí)現(xiàn)。因此，業(yè)界需要發(fā)展一種具有實(shí)現(xiàn)簡單、計(jì)算量小(可在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn))、階躍失真度低的數(shù)字濾波器的小型便攜式微流控芯片檢測裝置，以滿足野外作業(yè)和家庭的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種微流控芯片檢測的數(shù)字信號處理方法及應(yīng)用的檢測裝置，能滿足便攜式、低成本、檢測輸出信號抖動(dòng)小、適合野外和家庭使用等應(yīng)用要求。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種微流控芯片檢測裝置，其特征在于包括一微流控芯片、一雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)、一信號處理器、一顯示屏以及一電源，所述微流控芯片的熒光信號由所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)接收，再傳輸至所述信號處理器中，所述信號處理器中設(shè)有數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)，其中預(yù)置有導(dǎo)數(shù)化斜率擬合移動(dòng)平均時(shí)空簡便濾波算法軟件模塊，以處理所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)。所述微流控芯片包含一個(gè)或多個(gè)納升-微升體積的微流體反應(yīng)腔和連接管道，被測樣品盛放在反應(yīng)腔中。所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)中的物鏡和成像透鏡采用前后共軛的對稱結(jié)構(gòu)或非對稱的結(jié)構(gòu)，所述物鏡和成像透鏡之間為平行光傳輸。所述信號處理器包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元、一個(gè)信號處理單元及一個(gè)數(shù)據(jù)通訊輸出單元，所述信號處理單元為一單片機(jī)、DSP或計(jì)算機(jī)CPU，且其中內(nèi)置有數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)。所述數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)包括導(dǎo)數(shù)化斜率擬合移動(dòng)平均時(shí)空簡便濾波算法軟件模塊、圖象分析計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊與存儲顯示模塊。所述顯示屏為液晶屏或監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)顯示器或其它光電顯示器件。所述電源為干電池、鋰電池、充電電池或0-48V的低壓電源。本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用于上述任一權(quán)利要求所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于包括以下步驟
步驟一緩存輸入數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元采集雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)檢測中的微流控芯片熒光信號，并將其變成數(shù)字信號存儲在數(shù)據(jù)緩存模塊中；步驟二 選擇擬合窗口當(dāng)步驟一中的數(shù)據(jù)緩存量達(dá)到Nstart之后，擬合窗口按順序選取緩存數(shù)據(jù)中的一小部分，送入下一步驟；當(dāng)這組數(shù)據(jù)處理完畢后，擬合窗口會后移一格，為后續(xù)環(huán)節(jié)提供新的數(shù)據(jù)；步驟三最小二乘法擬合當(dāng)接收到來自所述擬合窗口的輸出信號Im In后，最小二乘法求導(dǎo)模塊先將Im In數(shù)據(jù)做最小二乘法，得到擬合斜率步驟四進(jìn)行移動(dòng)平均濾波當(dāng)所述最小二乘法求導(dǎo)模塊中的斜率緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)達(dá)到移動(dòng)平均濾波窗口的寬度Ws_th時(shí)，移動(dòng)平均濾波模塊按照下述移動(dòng)平均公式做平均，并存回斜率緩沖區(qū)中的原始位置，該移動(dòng)平均公式如下K' i = 0. lKi—2+O. 2Ki_1+0. 4X^0. 2Ki+1+0. lKi+2步驟五離散積分還原數(shù)據(jù)所述最小二乘法求導(dǎo)模塊中的斜率緩沖區(qū)在經(jīng)過所述移動(dòng)平均濾波模塊處理后即被離散積分還原數(shù)據(jù)模塊調(diào)用，采用離散積分法還原數(shù)據(jù)D1，得到還原后的數(shù)值Oj步驟六偏移修正偏移修正模塊對經(jīng)所述離散積分還原數(shù)據(jù)模塊還原后的數(shù)值Oj與所述數(shù)據(jù)緩存模塊導(dǎo)入的原始輸入值^相減，便得到一個(gè)誤差量，并將該誤差量進(jìn)行累積得到誤差量累積量Ei,將原始輸出數(shù)據(jù)減去Ei乘以一個(gè)比例因子后得到修正后的數(shù)據(jù)，最后修正后的數(shù)據(jù)存回結(jié)果緩存區(qū)中。上述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其中，每次用于做最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)采用固定或任意變化的擬合窗口寬度，最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是2的整數(shù)次冪。步驟四進(jìn)行的移動(dòng)平均濾波使用的是斜率擬合移動(dòng)平均濾波，對最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)連線的斜率進(jìn)行移動(dòng)平均濾波，擬合成平滑的斜率數(shù)據(jù)點(diǎn)。
步驟五中還原數(shù)據(jù)使用的離散積分方法為 1)確定初始邊界條件D1
初始邊界由第一次最小二乘法擬合的擬合斜率K1和擬合截距Id1決定，
2)輸出數(shù)據(jù) K' i
根據(jù)濾波后的擬合斜率和初始邊界條件D1用累加的方法獲得輸出數(shù)據(jù)，即
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片檢測裝置，其特征在于包括一微流控芯片、一雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)、一信號處理器、一顯示屏以及一電源，所述微流控芯片的熒光信號由所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)接收，再傳輸至所述信號處理器中，所述信號處理器中設(shè)有數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)，其中預(yù)置有導(dǎo)數(shù)化斜率擬合移動(dòng)平均時(shí)空簡便濾波算法軟件模塊，以處理所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述微流控芯片包含一個(gè)或多個(gè)納升-微升體積的微流體反應(yīng)腔和連接管道，被測樣品盛放在反應(yīng)腔中。
3.如權(quán)利要求1所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)中的物鏡和成像透鏡采用前后共軛的對稱結(jié)構(gòu)或非對稱的結(jié)構(gòu)，所述物鏡和成像透鏡之間為平行光傳輸。
4.如權(quán)利要求1所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述信號處理器包括一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元、一個(gè)信號處理單元及一個(gè)數(shù)據(jù)通訊輸出單元，所述信號處理單元為一單片機(jī)、DSP或計(jì)算機(jī)CPU，且其中內(nèi)置有數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求4所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)包括導(dǎo)數(shù)化斜率擬合移動(dòng)平均時(shí)空簡便濾波算法軟件模塊、圖象分析計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊與存儲顯示模塊。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述顯示屏為液晶屏或監(jiān)視器或計(jì)算機(jī)顯示器或其它光電顯示器件。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的微流控芯片檢測裝置，其特征在于所述電源為干電池、鋰電池、充電電池或0-48V的低壓電源。
8.一種應(yīng)用于上述任一權(quán)利要求所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于包括以下步驟步驟一緩存輸入數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入單元采集雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)檢測中的微流控芯片熒光信號， 并將其變成數(shù)字信號存儲在數(shù)據(jù)緩存模塊中；步驟二 選擇擬合窗口當(dāng)步驟一中的數(shù)據(jù)緩存量達(dá)到Nstart之后，擬合窗口按順序選取緩存數(shù)據(jù)中的一小部分，送入下一步驟；當(dāng)這組數(shù)據(jù)處理完畢后，擬合窗口會后移一格，為后續(xù)環(huán)節(jié)提供新的數(shù)據(jù)；步驟三最小二乘法擬合當(dāng)接收到來自所述擬合窗口的輸出信號Im In后，最小二乘法求導(dǎo)模塊先將Im In 數(shù)據(jù)做最小二乘法，得到擬合斜 ,步驟四進(jìn)行移動(dòng)平均濾波當(dāng)所述最小二乘法求導(dǎo)模塊中的斜率緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)達(dá)到移動(dòng)平均濾波窗口的寬度 Wsmooth時(shí)，移動(dòng)平均濾波模塊按照下述移動(dòng)平均公式做平均，并存回斜率緩沖區(qū)中的原始位置，該移動(dòng)平均公式如下K' i = 0. lKi-2+O. 2Ki_1+0. 4Ki+0. 2Ki+1+0. lKi+2步驟五離散積分還原數(shù)據(jù)所述最小二乘法求導(dǎo)模塊中的斜率緩沖區(qū)在經(jīng)過所述移動(dòng)平均濾波模塊處理后即被離散積分還原數(shù)據(jù)模塊調(diào)用，采用離散積分法還原數(shù)據(jù)D1，得到還原后的數(shù)值Oj步驟六偏移修正偏移修正模塊對經(jīng)所述離散積分還原數(shù)據(jù)模塊還原后的數(shù)值C^.與所述數(shù)據(jù)緩存模塊導(dǎo)入的原始輸入值^相減，便得到一個(gè)誤差量，并將該誤差量進(jìn)行累積得到誤差量累積量 Ei,將原始輸出數(shù)據(jù)減去Ei乘以一個(gè)比例因子后得到修正后的數(shù)據(jù)，最后修正后的數(shù)據(jù)存回結(jié)果緩存區(qū)中。
9.如權(quán)利要求8所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于每次用于做最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)采用固定或任意變化的擬合窗口寬度，最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是2的整數(shù)次冪。
10.如權(quán)利要求8或9所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于步驟四進(jìn)行的移動(dòng)平均濾波使用的是斜率擬合移動(dòng)平均濾波，對最小二乘法求導(dǎo)的數(shù)據(jù)點(diǎn)連線的斜率進(jìn)行移動(dòng)平均濾波，擬合成平滑的斜率數(shù)據(jù)點(diǎn)。
11.如權(quán)利要求8所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于步驟五中還原數(shù)據(jù)使用的離散積分方法為1)確定初始邊界條件D1 初始邊界由第一次最小二乘法擬合的擬合斜率K1和擬合截距Id1決定，
12.如權(quán)利要求8所述微流控芯片檢測裝置的數(shù)字信號處理方法，其特征在于步驟六的偏移修正還包括一個(gè)反饋校正環(huán)節(jié)來控制誤差量的大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流控芯片檢測的數(shù)字信號處理方法及應(yīng)用的檢測裝置，該微流控芯片檢測裝置，包括一微流控芯片、一雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)、一信號處理器、一顯示屏以及一電源，所述微流控芯片的熒光信號由所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)接收，再傳輸至所述信號處理器中，所述信號處理器中設(shè)有數(shù)字信號處理顯示軟件系統(tǒng)，其中預(yù)置有導(dǎo)數(shù)化斜率擬合移動(dòng)平均時(shí)空簡便濾波算法軟件模塊，及圖象分析計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊與存儲顯示模塊，以處理所述雙焦面成像熒光檢測系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)。使本發(fā)明所獲得的數(shù)字信號階躍失真小、背景噪聲低，有效提高了生化分析與分子診斷核酸擴(kuò)增實(shí)時(shí)熒光信號檢測的靈敏度。
文檔編號G01N21/64GK102253022SQ201110113608
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者王同舟, 田 浩, 羅賢波, 馬麗, 黃國亮, 黃杰, 黎新 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學(xué)