图形编码微悬浮芯片显微成像分析系统研发

论文摘要

在医疗诊断领域,通过对抗原和抗体等生物小分子的定量检测,可以获取具有指导性意义的临床诊断信息,从而完成疾病的诊断。以酶联免疫法和化学发光免疫法为代表的传统生物检测技术成熟度高、稳定性强,但是在同一时间内,它们只能完成单份样品中单种生物分子的定量检测。如果用它们对单份样品中的多重生物分子进行检测,那么只能通过增加检测时间的方式来完成检测任务。荧光编码悬浮芯片技术为解决传统生物检测技术面临的问题提供了一个可行的方案。它利用荧光编码实现了单份样品中100种生物分子的同时检测,并且具有更高的灵敏度和准确度。但是在该种检测技术中,荧光编码容易丢失,影响了检测结果的稳定性。为了解决荧光编码悬浮芯片技术在编码问题上存在的不足,本文开发了基于图形编码悬浮芯片的检测系统。它利用二维图形进行编码,实现了128种生物分子的同时检测。根据设计原理,系统需要实现以下功能模块。首先,利用光学显微成像设备采集悬浮芯片的明场和荧光图像,为此需要实现显微移动平台、相机和光源等光学成像设备的自动化控制和针对悬浮芯片的自动对焦算法。然后,识别明场图像中悬浮芯片的编码信息,主要包括图像预处理、芯片定位及有效性验证、悬浮芯片倾斜矫正和编码识别四个过程。在这四个过程中,运用了图像二值化、形态学运算、区域填充、轮廓提取、直线检测、仿射变换、模板匹配在内的多个数字图像处理技术。最后,提取荧光图像中悬浮芯片表面的荧光信号并进行标准曲线拟合。在实现以上功能的基础上,完成整个系统的开发。该系统的成功研制将实现蛋白质、核酸分子等生物小分子的高通量自动化检测,推动我国生物分子检测技术的进一步发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文研究内容
•   1.4 论文组织结构
• 第二章 系统总体设计
•   2.1 系统需求分析
•     2.1.1 功能需求
•     2.1.2 性能需求
•     2.1.3 运行需求
•   2.2 系统总体结构
•   2.3 系统硬件平台搭建
•   2.4 悬浮芯片结构设计
•   2.5 本章小结
• 第三章 图像采集模块的实现
•   3.1 图像采集流程
•   3.2 硬件控制模块的实现
•     3.2.1 显微移动平台驱动模块和相机驱动模块实现
•     3.2.2 光源驱动模块实现
•   3.3 自动对焦
•     3.3.1 自动对焦原理
•     3.3.2 自动对焦实现流程
•     3.3.3 清晰度评价函数
•     3.3.4 对焦搜索策略
•   3.4 图像采集与存储
•   3.5 本章小节
• 第四章 悬浮芯片编码识别算法的实现
•   4.1 特征描述
•     4.1.1 悬浮芯片几何特征
•     4.1.2 干扰物特征
•   4.2 编码识别算法流程
•   4.3 预处理
•     4.3.1 图像二值化
•     4.3.2 形态学运算
•     4.3.3 区域填充
•   4.4 定位及有效性验证
•     4.4.1 算法流程
•     4.4.2 连通区域外轮廓提取
•     4.4.3 外接正矩形
•     4.4.4 有效性验证
•   4.5 芯片的倾斜矫正
•     4.5.1 倾斜角计算方法
•     4.5.2 结果比较
•     4.5.3 旋转和切割
•   4.6 模板匹配
•     4.6.1 寻找定位块
•     4.6.2 解码
•   4.7 本章小结
• 第五章 数据分析模块的实现
•   5.1 荧光信号提取与数据统计
•     5.1.1 单孔数据提取
•     5.1.2 全部样品孔荧光数据提取
•   5.2 标准曲线拟合
•     5.2.1 Nelder-Mead单纯形法
•     5.2.2 算法流程
•     5.2.3 L4P模型
•   本章小结
• 第六章 系统实现与测试
•   6.1 系统开发工具
•   6.2 其余模块设计与实现
•     6.2.1 数据库模块
•     6.2.2 图像存储模块与日志模块
•     6.2.3 系统初始化模块
•   6.3 系统测试
•     6.3.1 系统参数设置
•     6.3.2 芯片编码识别与荧光数据提取结果
•     6.3.3 标准曲线拟合和待测物定量检测结果
•   6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘立罗

导师: 於文雪,胡轶宁,刘庭华

关键词: 生物分子检测,悬浮芯片,自动对焦,编码识别,标准曲线

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 东南大学

分类号: Q503;TP391.41;TN40

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002193

总页数: 72

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