HPV基因芯片檢測裝置的勻光照明設(shè)計

劉憶惠 陳建國 甘振華 杜民 高躍明

摘要：人乳頭瘤病毒（HPV）基因芯片檢測裝置可讀取與分析HPV芯片的雜交點(diǎn)信號值，進(jìn)而區(qū)分不同的HPV病毒類型，而檢測裝置照明的均勻性關(guān)系到HPV芯片圖像處理算法的可靠性與難度。為實(shí)現(xiàn)均勻照明，優(yōu)化了矩形LED陣列排布并配置勻光擴(kuò)散板。首先，分析單個LED燈珠的輻射強(qiáng)度分布，建立矩形LED陣列的理論模型;然后，在仿真軟件中建立4行8列的矩形LED陣列模型;最后，搭建HPV基因芯片檢測裝置進(jìn)行實(shí)驗測試。實(shí)驗結(jié)果表明，該照明系統(tǒng)能使70mm×20mm的目標(biāo)被照面的灰度均勻度達(dá)到95.6%，滿足了HPV基因芯片檢測裝置均勻照明的要求。

關(guān)鍵詞：HPV基因芯片;矩形LED陣列;勻光照明;灰度均勻度

中圖分類號：TH776 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

人乳頭瘤病毒（human papilloma vires，HPV）是一種DNA病毒，目前已鑒定出100多種HPV亞型，根據(jù)其致病力分為高危型和低危型，而高危型HPV持續(xù)感染是宮頸癌的主要致病因素。HPV感染的檢測及基因分型是處理宮頸病變的重要依據(jù)，通過定期進(jìn)行高危型HPV篩查，有助于預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)宮頸癌。在用HPV基因芯片檢測時，采用生物素標(biāo)記引物對少量待測的樣本DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增后的產(chǎn)物和固定在硝酸纖維素膜上的特異性探針進(jìn)行雜交，雜交后經(jīng)過相應(yīng)的顯色反應(yīng)便顯現(xiàn)出藍(lán)色的信號點(diǎn)，依據(jù)雜交點(diǎn)的信號值來對HPV的感染情況進(jìn)行分型。目前HPV基因芯片檢測結(jié)果是依靠人工肉眼判讀，但人工判讀效率低下，且沒有數(shù)字化處理，無法為患者提供完善的數(shù)據(jù)分析。

HPV基因芯片檢測裝置照明系統(tǒng)是HPV基因芯片檢測裝置的重要組成部分，照明系統(tǒng)應(yīng)有好的光照均勻性，這樣可以降低后續(xù)圖像處理算法的難度與提高算法的可靠性。常見的可見光源主要有熒光燈、鹵素?zé)艉蚅ED光源。由于LED光源有快速可調(diào)和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，許多基因芯片檢測儀逐漸采用LED燈作為照明光源。為解決單顆LED無法實(shí)現(xiàn)大面積均勻照明的問題，通常采用多顆LED組成照明光源，并以矩形陣列形式排布所有單顆LED，使被照場景獲得均勻照，進(jìn)而為后續(xù)獲取優(yōu)質(zhì)的圖像創(chuàng)造好的條件。因此，本文結(jié)合HPV基因芯片照明范圍的實(shí)際需求，通過優(yōu)化矩形LED陣列的排布和配置勻光擴(kuò)散板來實(shí)現(xiàn)檢測裝置的均勻照明。

1基本原理

1.1HPV基因芯片檢測原理

HPV基因芯片檢測裝置如圖1所示，主要由HPV基因芯片、模組相機(jī)、矩形LED陣列光源和計算機(jī)等組成。矩形LED陣列光源提供均勻照明，模組相機(jī)采集HPV基因芯片圖像并通過USB數(shù)據(jù)線傳給計算機(jī)，計算機(jī)通過圖像處理算法提取出雜交點(diǎn)的信號值。LED陣列面到HPV芯片表面的距離與模組相機(jī)的工作距離都為60mm，模組相機(jī)的鏡頭直徑為14mm。HPV芯片為65 mmx10mm的長條形區(qū)域，相機(jī)的拍攝范圍需大于HPV芯片的尺寸。因此，光源的照射范圍需要覆蓋整個拍攝范圍，由此確定矩形LED陣列光源的照射區(qū)域為70mmx20mm。

HPV基因芯片探針點(diǎn)排列如圖2所示，雜交點(diǎn)信號值反映的是雜交點(diǎn)的積分光密度（IOD）。圖中，PC為聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）擴(kuò)增反應(yīng)控制點(diǎn)，CC為顯色反應(yīng)控制點(diǎn)，其他的為各型別檢測點(diǎn)。如果PC點(diǎn)、CC點(diǎn)和型別檢測點(diǎn)的IOD分別大于或等于相應(yīng)的參考臨界值（cutoff值），那么就感染了相應(yīng)型別的HPV病毒。例如，假設(shè)圖2中PC、CC和16型檢測區(qū)存在雜交信號點(diǎn)，并且它們的IOD分別大于或等于相應(yīng)的cutoff值，說明其感染了HPV16型病毒。

采用5點(diǎn)測量法進(jìn)行均勻度測試，分別測出區(qū)域中5點(diǎn)的照度值，然后將其中的最小照度值除以最大照度值即得到目標(biāo)被照面的照度均勻性。從圖5可以得到，在矩形LED陣列的照明區(qū)域中，沿x軸方向從-35mm至+35mm，沿y軸方向從-10mm至+10mm歸一化的最小照度為0.88，最大照度為0.99，照度均勻性至少為88.9%。

3實(shí)驗測試

根據(jù)圖1所示的HPV基因芯片檢測裝置搭建實(shí)驗測試平臺。為了去除環(huán)境光對圖像質(zhì)量的影響，整個測試在啞光亞克力做成的暗盒當(dāng)中進(jìn)行。HPV基因芯片選自泰普生物科學(xué)（中國）有限公司的人乳頭瘤病毒（23個型）基因分型檢測試劑盒。模組相機(jī)使用深圳市金乾象科技有限公司的可調(diào)焦CMOS相機(jī)，相機(jī)的型號為KS5A00、像素為500萬以及鏡頭直徑為14mm。光源采用自行設(shè)計的4行8列矩形LED陣列。電源采用普源精電科技有限公司的DP83 1A直流電源。

由于HPV芯片材質(zhì)為尼龍膜，其大部分區(qū)域為白色背景，因而測試時采用與其材質(zhì)接近的白色紙板。通過上位機(jī)拍攝白色紙板圖像并截取70mm×20mm的待測區(qū)域，如圖6所示，該圖片像素大小為1 547×411。

網(wǎng)格測量法是通過測試每個網(wǎng)格的平均照度來評價照度均勻性的方法，在一定條件下照度和灰度之間存在線性關(guān)系，并且需要測量的是均勻性而不是網(wǎng)格中具體的照度值。因此，本文采用圖像處理的方法得到待測區(qū)域中每個網(wǎng)格的平均灰度，并用灰度均勻度來評價照明均勻性。首先，將灰度化后的待測區(qū)域圖像劃分為M×N個網(wǎng)格;然后，在每個網(wǎng)格中心處取50×50的像素塊并對該像素塊的灰度值取平均，得到M×N個灰度值;最后，用M×N個灰度值中的最小值Gmin除以M×N個灰度值的平均值Gav，即得到灰度均勻度，其表達(dá)式為

按照上述均勻度測試的方法將均勻度待測圖像劃分為30個網(wǎng)格，如圖7所示。每個網(wǎng)格中截取的50×50像素塊的灰度平均值如表1所示，由式（7）可得所設(shè)計的矩形LED陣列光照均勻度為89.4%，與仿真結(jié)果基本一致。為了實(shí)現(xiàn)更加均勻和柔和的照射效果，在矩形LED陣列下方加入勻光擴(kuò)散板，如圖8所示。保持相機(jī)的曝光參數(shù)不變，調(diào)節(jié)直流電源的測試電壓，從而產(chǎn)生不同的光照強(qiáng)度，分別計算在不同光照強(qiáng)度下被照面的灰度均勻度并記錄到表2。從表2可以得到被照面的灰度均勻度為95.6%，滿足HPV芯片檢測裝置的均勻度要求。

在環(huán)境光下采集到的HPV基因芯片如圖9所示，從圖中可以看到，左邊的光照強(qiáng)度大于右邊的光照強(qiáng)度。在該環(huán)境光下拍攝白色紙板得到的圖像如圖10所示，采用同樣的均勻度測試方法得到灰度均勻度為77.7%。采用本文設(shè)計的光源系統(tǒng)照射HPV基因芯片，相機(jī)采集到的圖像如圖11所示。對比圖9與圖11可以得出，HPV芯片圖像光照均勻，藍(lán)色雜交信號點(diǎn)明顯，便于后續(xù)對HPV芯片圖像進(jìn)行處理。

4結(jié)論

本文設(shè)計了由矩形LED陣列與勻光擴(kuò)散板組成的照明系統(tǒng)，解決了HPV基因芯片檢測裝置的照明均勻性問題。通過Tracepro軟件，仿真了LED矩形陣列在被照面上所要求范圍內(nèi)的照度分布，并通過照度分布圖來評價照明的均勻性。對排布為4行8列的LED矩形陣列光源進(jìn)行了實(shí)驗測試，結(jié)果表明，在被照面上灰度均勻度可達(dá)89.4%，如在矩形LED陣列下方加入勻光擴(kuò)散板，則被照面上的灰度均勻度可達(dá)95.6%。與用環(huán)境光照明HPV基因芯片效果相比較，本照明系統(tǒng)具有更好的照明均勻度，因而能獲得更好的成像效果，給后續(xù)圖像的處理帶來了便利。