本發(fā)明涉及DNA測(cè)序分析領(lǐng)域，尤其涉及一種根據(jù)相似度預(yù)先分組的DNA測(cè)序圖像處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在DNA測(cè)序技術(shù)領(lǐng)域，焦磷酸測(cè)序技術(shù)(pyrosequencing)，是由Nyren等人于1987年發(fā)展起來(lái)的一種新型的酶級(jí)聯(lián)測(cè)序技術(shù)，其可重復(fù)性和精確性能與Sanger法DNA測(cè)序技術(shù)相媲美，而速度卻大大提高。

整體操作流程描述如下：DNA樣品通過(guò)破碎后，應(yīng)用建庫(kù)試劑進(jìn)行加接頭、單鏈捕獲、結(jié)合至微球、微乳液PCR擴(kuò)增、破乳液，獲得建立在微球上的DNA文庫(kù)，應(yīng)用加樣板將文庫(kù)和測(cè)序反應(yīng)需要的酶等鋪放至具有微反應(yīng)池的測(cè)序芯片，測(cè)序芯片和測(cè)序試劑安裝至主機(jī)上，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)模塊數(shù)量和位置啟動(dòng)測(cè)序程序，自動(dòng)化進(jìn)行測(cè)序反應(yīng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)，完成測(cè)序后應(yīng)用計(jì)算分析軟件進(jìn)行圖像處理、序列讀出、質(zhì)量分析、序列拼接等工作，最終得到DNA樣本的序列信息。微反應(yīng)池測(cè)序芯片是測(cè)序反應(yīng)的載體，載有測(cè)序模板的DNA Beads及各種測(cè)序反應(yīng)用酶均位于刻有微反應(yīng)池的測(cè)序芯片中。

在實(shí)際的DNA測(cè)序的過(guò)程中，要求測(cè)序儀在試劑供應(yīng)、測(cè)序反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)具有連續(xù)、可控的特性，并且；最終測(cè)序芯片的反應(yīng)過(guò)程及結(jié)果通過(guò)CCD相機(jī)進(jìn)行拍照獲取，CCD相機(jī)的控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集的連續(xù)的圖像判定堿基的類(lèi)型，A，T，C，G，由此確定最紅的DNA序列，但控制系統(tǒng)在分析時(shí)，往往只對(duì)當(dāng)前的片段進(jìn)行截取分析，難以對(duì)間斷的片段進(jìn)行比較判定，因此準(zhǔn)確性不高。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種根據(jù)相似度預(yù)先分組的DNA測(cè)序圖像處理系統(tǒng)，用以克服上述技術(shù)缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種根據(jù)相似度預(yù)先分組的DNA測(cè)序圖像處理系統(tǒng)，包括：

反應(yīng)芯片，其上通過(guò)待測(cè)序的液體，并與反應(yīng)芯片內(nèi)的反應(yīng)液進(jìn)行反應(yīng)；

CCD相機(jī)，其設(shè)置在DNA測(cè)序儀一側(cè)用來(lái)獲取測(cè)序芯片上的反應(yīng)信息的圖像；

還包括與CCD相機(jī)連接并獲取拍攝的圖片信息的CCD相機(jī)獲取模塊；所述的CCD相機(jī)獲取模塊按照預(yù)設(shè)的程序獲取存儲(chǔ)在CCD相機(jī)內(nèi)的圖像信息；

信號(hào)分組模塊，其將CCD相機(jī)獲取模塊的信息按照相似度將各個(gè)堿基的圖像信息分別分組獲取并存儲(chǔ)，在進(jìn)行分組時(shí)，所述的信號(hào)分組模塊將各個(gè)堿基的時(shí)序進(jìn)行記載，數(shù)據(jù)格式按照獲取矩陣(p,q,f),其中,p表示各個(gè)堿基圖像的時(shí)間序列，q表示堿基的圖像拍攝信息,f表示某一堿基類(lèi)型；

堿基識(shí)別模塊，其將信號(hào)分組模塊獲取的各堿基信息與標(biāo)準(zhǔn)的堿基圖像信息進(jìn)行比對(duì)，并且，將不符合的堿基圖像信息，分別傳輸至信號(hào)分組模塊中，由信號(hào)分組模塊重新進(jìn)行分組，重新進(jìn)行識(shí)別比對(duì)；

堿基排序模塊，在堿基識(shí)別完全后，所有數(shù)據(jù)傳輸至堿基排序模塊中，并按照獲取矩陣(p,q,f)中的時(shí)間序列重新排列各個(gè)堿基信息；

還包括序列生成模塊，所述的序列生成模塊，將堿基排序模塊排序的各個(gè)堿基信息與CCD相機(jī)獲取圖像的順序一一比對(duì)，完全一致時(shí)，輸出堿基序列；在不一致時(shí)，所述的堿基排序模塊重新進(jìn)行排序，然后輸出。

進(jìn)一步地，所述的信號(hào)分組模塊，對(duì)每一時(shí)刻的堿基信息進(jìn)行分類(lèi)，獲取矩陣信息(p,q,f)，其中,p表示各個(gè)堿基圖像的時(shí)間序列，q表示堿基的圖像拍攝信息,f表示某一堿基類(lèi)型；p,q,f分別通過(guò)獲取的電流值進(jìn)行判定；

所述的信號(hào)分組模塊，根據(jù)下述公式對(duì)相似度進(jìn)行判定；

$X_1=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}\left(T\right(p_1,q_1,f_1)*I(p_1+f_1,q_1+f_1))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}T{(p_1,q_1,f_1)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}I{(p_1+f_1,q_1+f_1)}^2}}---\left(1\right)$

式中，X₁表示第一組重合度值，p₁,q₁,f₁分別表示第一組單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)間序列，堿基的圖像拍攝信息,某一堿基類(lèi)型；∑表示求和運(yùn)算，T表示均方差運(yùn)算，I表示積分運(yùn)算，上述公式采用均方差和積分運(yùn)算統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的電流情況；

所述的信號(hào)分組模塊內(nèi)有一額定重合度閾值X₀；所述的信號(hào)分組模塊將所述計(jì)算所得的兩兩重合度值絕對(duì)值差值與額定重合度閾值X₀進(jìn)行比對(duì)，若實(shí)際重合度絕對(duì)值小于閾值，則確定按照相同的堿基完成分類(lèi)。

進(jìn)一步地，所述的堿基識(shí)別模塊，獲取所述DNA圖譜的第一像素和第二像素,其中,第一像素A為目標(biāo)像素,第一像素的灰度值大于或等于初始分割閾值T0,像素總數(shù)為N；第二像素B為背景像素,第二像素的灰度值小于初始分割閾值T0,像素總數(shù)為M；圖譜f(i,j)的最大值為Vmax，最小值為Vmin

其中，T₀＝1/2(V_min+V_max) (4)；

計(jì)算第一像素和第二像素的灰度均值的全局閾值T；

$T=1/2(\frac{\underset{f(i,j)\≥T_0}{\Σ}f(i,j)}{N}+\frac{\underset{f(i,j)\<T_0}{\Σ}f(i,j)}{M})---\left(5\right);$

若方差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則以T為全局閾值對(duì)所述圖譜進(jìn)行分割。

進(jìn)一步地，所述的堿基排序模塊采用電流逆向修復(fù)的方式，對(duì)時(shí)間間隔t內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，時(shí)間間隔t內(nèi)，平均分配為N₂個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇M₂個(gè)完整的波形，在每一周期內(nèi)選擇間斷的X₂個(gè)點(diǎn)，記錄每個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)電流值i₀；

按照預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行修正發(fā)送至所述排序電路；生成排序后的信號(hào)波形。

進(jìn)一步地，堿基排序模塊，對(duì)選擇的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修正，按下述公式(6)進(jìn)行修正；

i_m＝ρ×i₀ (6)

其中，i_m表示修正后的采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電流值，ρ表示修正系數(shù)，i₀表示采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電流值；修正系數(shù)ρ按下述公式(7)計(jì)算，其值在0.95-1之間；

$\mathrm{\ρ}=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i}_{01}\left(k\right)i_{02}\left(k\right)/\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i_{01}}^2\left(k\right)\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i_{02}}^2\left(k\right)}---\left(7\right)$

式中，ρ表示修正系數(shù)，i₀₁和i₀₂表示排序時(shí)，同一堿基序列處的兩個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)電流采樣值，N表示采樣次數(shù)，k表示采樣序列。

本發(fā)明提供一種根據(jù)相似度預(yù)先分組的DNA測(cè)序圖像處理系統(tǒng)，本發(fā)明在對(duì)各個(gè)圖像信息進(jìn)行處理時(shí)，并不是按照?qǐng)D像獲取的先后順序與標(biāo)準(zhǔn)堿基圖像進(jìn)行比對(duì)，而是預(yù)先將相似信息的圖像進(jìn)行分組集中進(jìn)行比對(duì)，最后通過(guò)時(shí)序的先后順序堿基重新進(jìn)行排序，最終輸出堿基信息。該處理方法節(jié)約程序資源，便于集中進(jìn)行比對(duì)，并且，比對(duì)結(jié)果的輸出便于排序處理。

堿基排序模塊，通過(guò)對(duì)上述堿基排序模塊獲取的比對(duì)后的堿基序列信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，保證對(duì)同一堿基的信號(hào)具有高度的同一性，在輸出排序完好的堿基序列時(shí)，信號(hào)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)傳輸?shù)奈蓙y，防止因信號(hào)傳輸及處理造成測(cè)試結(jié)果的偏差。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的根據(jù)相似度預(yù)先分組的DNA測(cè)序圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1所示，為本發(fā)明的DNA測(cè)序的圖像的磁珠提取裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明系統(tǒng)包括：

反應(yīng)芯片，其上通過(guò)待測(cè)序的液體，并與反應(yīng)芯片內(nèi)的反應(yīng)液進(jìn)行反應(yīng)；

CCD相機(jī)，其設(shè)置在DNA測(cè)序儀一側(cè)用來(lái)獲取測(cè)序芯片上的反應(yīng)信息的圖像；

還包括與CCD相機(jī)連接并獲取拍攝的圖片信息的CCD相機(jī)獲取模塊；所述的CCD相機(jī)獲取模塊按照預(yù)設(shè)的程序獲取存儲(chǔ)在CCD相機(jī)內(nèi)的圖像信息；

信號(hào)分組模塊，其將CCD相機(jī)獲取模塊的信息按照相似度將各個(gè)堿基的圖像信息分別分組獲取并存儲(chǔ)，在進(jìn)行分組時(shí)，所述的信號(hào)分組模塊將各個(gè)堿基的時(shí)序進(jìn)行記載，數(shù)據(jù)格式按照獲取矩陣(p,q,f),其中,p表示各個(gè)堿基圖像的時(shí)間序列，q表示堿基的圖像拍攝信息,f表示某一堿基類(lèi)型；

堿基識(shí)別模塊，其將信號(hào)分組模塊獲取的各堿基信息與標(biāo)準(zhǔn)的堿基圖像信息進(jìn)行比對(duì)，并且，將不符合的堿基圖像信息，分別傳輸至信號(hào)分組模塊中，由信號(hào)分組模塊重新進(jìn)行分組，重新進(jìn)行識(shí)別比對(duì)；

堿基排序模塊，在堿基識(shí)別完全后，所有數(shù)據(jù)傳輸至堿基排序模塊中，并按照獲取矩陣(p,q,f)中的時(shí)間序列重新排列各個(gè)堿基信息。

還包括序列生成模塊，所述的序列生成模塊，將堿基排序模塊排序的各個(gè)堿基信息與CCD相機(jī)獲取圖像的順序一一比對(duì)，完全一致時(shí)，輸出堿基序列；在不一致時(shí)，所述的堿基排序模塊重新進(jìn)行排序，然后輸出。

本發(fā)明在對(duì)各個(gè)圖像信息進(jìn)行處理時(shí)，并不是按照?qǐng)D像獲取的先后順序與標(biāo)準(zhǔn)堿基圖像進(jìn)行比對(duì)，而是預(yù)先將相似信息的圖像進(jìn)行分組集中進(jìn)行比對(duì)，最后通過(guò)時(shí)序的先后順序堿基重新進(jìn)行排序，最終輸出堿基信息。該處理方法節(jié)約程序資源，便于集中進(jìn)行比對(duì)，并且，比對(duì)結(jié)果的輸出便于排序處理。

所述的信號(hào)分組模塊，對(duì)每一時(shí)刻的堿基信息進(jìn)行分類(lèi)，獲取矩陣信息(p,q,f)，其中,p表示各個(gè)堿基圖像的時(shí)間序列，q表示堿基的圖像拍攝信息,f表示某一堿基類(lèi)型；p,q,f分別通過(guò)獲取的電流值進(jìn)行判定；

所述的信號(hào)分組模塊，根據(jù)下述公式對(duì)相似度進(jìn)行判定。

$X_1=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}\left(T\right(p_1,q_1,f_1)*I(p_1+f_1,q_1+f_1))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}T{(p_1,q_1,f_1)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{p_1,q_1,f_1}I{(p_1+f_1,q_1+f_1)}^2}}---\left(1\right)$

式中，X₁表示第一組重合度值，p₁,q₁,f₁分別表示第一組單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)間序列，堿基的圖像拍攝信息,某一堿基類(lèi)型；∑表示求和運(yùn)算，T表示均方差運(yùn)算，I表示積分運(yùn)算。上述公式采用均方差和積分運(yùn)算統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的電流情況。

$X_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p_2,q_2,f_2}\left(T\right(p_2,q_2,f_2)*I(p_2+f_2,q_2+f_2))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{p_2,q_2,f_2}T{(p_2,q_2,f_2)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{p_2,q_2,f_2}I{(p_2+f_2,q_2+f_2)}^2}}---\left(2\right)$

式中，X₂表示第二組重合度值，p₂,q₂,f₂分別表示第二組單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)間序列，堿基的圖像拍攝信息,某一堿基類(lèi)型；∑表示求和運(yùn)算，T表示均方差運(yùn)算，I表示積分運(yùn)算。上述公式采用均方差和積分運(yùn)算統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的電流情況。

$X_3=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{p_3,q_3,f_3}\left(T\right(p_3,q_3,f_3)*I(p_3+f_3,q_3+f_3))}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{p_3,q_3,f_3}T{(p_3,q_3,f_3)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{p_3,q_3,f_3}I{(p_3+f_3,q_3+f_3)}^2}}---\left(3\right)$

式中，X₃表示第三組重合度值，p₃,q₃,f₃分別表示第三單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)間序列，堿基的圖像拍攝信息,某一堿基類(lèi)型；∑表示求和運(yùn)算，T表示均方差運(yùn)算，I表示積分運(yùn)算。上述公式采用均方差和積分運(yùn)算統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的電流情況。

所述的信號(hào)分組模塊內(nèi)有一額定重合度閾值X₀；所述的信號(hào)分組模塊將所述計(jì)算所得的兩兩重合度值絕對(duì)值差值與額定重合度閾值X₀進(jìn)行比對(duì)，若實(shí)際重合度絕對(duì)值小于閾值，則確定按照相同的堿基完成分類(lèi)。

若所述實(shí)際重合度絕對(duì)值差值大于閾值，則斷定其中兩組的重合度超標(biāo)；將所有計(jì)算所得實(shí)際重合度分別與額定重合度閾值X₀進(jìn)行比對(duì)，若均大于額定重合度閾值X₀，則斷定為不同的堿基類(lèi)型，需要重新進(jìn)行分組。

所述的堿基識(shí)別模塊，獲取所述DNA圖譜的第一像素和第二像素,其中,第一像素A為目標(biāo)像素,第一像素的灰度值大于或等于初始分割閾值T0,像素總數(shù)為N；第二像素B為背景像素,第二像素的灰度值小于初始分割閾值T0,像素總數(shù)為M；圖譜f(i,j)的最大值為Vmax，最小值為Vmin

其中，T₀＝1/2(V_min+V_max) (4)；

計(jì)算第一像素和第二像素的灰度均值的全局閾值T；

$T=1/2(\frac{\underset{f(i,j)\≥T_0}{\Σ}f(i,j)}{N}+\frac{\underset{f(i,j)\<T_0}{\Σ}f(i,j)}{M})---\left(5\right);$

若方差在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則以T為全局閾值對(duì)所述圖譜進(jìn)行分割。

通過(guò)上述公式(5)對(duì)所述中心點(diǎn)進(jìn)行融合處理，融合處理后，對(duì)分割后的圖像，分別按照像素關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)獲得第一像素和第二像素，計(jì)算第一像素和第二像素的灰度均值的全局閾值T；對(duì)所述中心點(diǎn)進(jìn)行融合處理，以獲得融合后的磁珠中心點(diǎn)。運(yùn)行時(shí)間短，對(duì)圖像配準(zhǔn)效果好，提高對(duì)反應(yīng)芯片的圖像識(shí)別后，對(duì)圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性，進(jìn)而精確對(duì)堿基類(lèi)型的判定。避免了常規(guī)圖譜中圖像模糊不清，磁珠漏查的情況。并且，識(shí)別算法簡(jiǎn)單，速率快，提高了磁珠識(shí)別率。

所述的堿基排序模塊采用電流逆向修復(fù)的方式，對(duì)時(shí)間間隔t內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采樣，時(shí)間間隔t內(nèi)，平均分配為N₂個(gè)區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)選擇M₂個(gè)完整的波形，在每一周期內(nèi)選擇間斷的X₂個(gè)點(diǎn)，記錄每個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)電流值i₀。

按照預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行修正發(fā)送至所述排序電路；生成排序后的信號(hào)波形。

堿基排序模塊，對(duì)選擇的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行修正，按下述公式(6)進(jìn)行修正；

i_m＝ρ×i₀ (6)

其中，i_m表示修正后的采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電流值，ρ表示修正系數(shù)，i₀表示采樣點(diǎn)的瞬時(shí)電流值；修正系數(shù)ρ按下述公式(7)計(jì)算，其值在0.95-1之間。

$\mathrm{\ρ}=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i}_{01}\left(k\right)i_{02}\left(k\right)/\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i_{01}}^2\left(k\right)\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{i_{02}}^2\left(k\right)}---\left(7\right)$

式中，ρ表示修正系數(shù)，i₀₁和i₀₂表示排序時(shí)，同一堿基序列處的兩個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)電流采樣值，N表示采樣次數(shù)，k表示采樣序列。

堿基排序模塊，通過(guò)對(duì)上述堿基排序模塊獲取的比對(duì)后的堿基序列信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚ＷC對(duì)同一堿基的信號(hào)具有高度的同一性，在輸出排序完好的堿基序列時(shí)，信號(hào)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)傳輸?shù)奈蓙y，防止因信號(hào)傳輸及處理造成測(cè)試結(jié)果的偏差。

上述詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明其中之一可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。