HPV基因芯片裝置的勻光照明設(shè)計研究
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摘要：人乳頭瘤病毒(hpv)基因芯片檢測裝置可讀取與分析HPV芯片的雜交點信號值，進而區(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。為實現(xiàn)均勻照明，優(yōu)化了矩形LED陣列排布并配置勻光擴散板。首先，分析單個LED燈珠的輻射強度分布，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行實驗測試。實驗結(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
引言
人乳頭瘤病毒(humanpapillomavirus，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[1]。HPV感染的檢測及基因分型是處理宮頸病變的重要依據(jù)，通過定期進行高危型HPV篩查，有助于預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)宮頸癌[2]。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進行PCR擴增，擴增后的產(chǎn)物和固定在硝酸纖維素膜上的特異性探針進行雜交，雜交后經(jīng)過相應(yīng)的顯色反應(yīng)便顯現(xiàn)出藍色的信號點，依據(jù)雜交點的信號值來對HPV的感染情況進行分型。目前HPV基因芯片檢測結(jié)果是依靠人工肉眼判讀[3]，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，許多基因芯片檢測儀逐漸采用LED燈作為照明光源[4]。為解決單顆LED無法實現(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明[5]，進而為后續(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際需求，通過優(yōu)化矩形LED陣列的排布和配置勻光擴散板來實現(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，主要由HPV基因芯片、模組相機、矩形LED陣列光源和計算機等組成。矩形LED陣列光源提供均勻照明，模組相機采集HPV基因芯片圖像并通過USB數(shù)據(jù)線傳給計算機，計算機通過圖像處理算法提取出雜交點的信號值。LED陣列面到HPV芯片表面的距離與模組相機的工作距離都為60mm，模組相機的鏡頭直徑為14mm。HPV芯片為65mm×10mm的長條形區(qū)域，相機的拍攝范圍需大于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70mm×20mm。HPV基因芯片探針點排列，雜交點信號值反映的是雜交點的積分光密度(IOD)。圖中，PC為聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）擴增反應(yīng)控制點，CC為顯色反應(yīng)控制點，其他的為各型別檢測點。如果PC點、CC點和型別檢測點的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，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。1.2單個LED光源模型單個LED光源并非都是理想的朗伯體，其光強分布為發(fā)光角度余弦值的多次方函數(shù)[6-9]。如果LED所發(fā)出的光線照射到與其光軸方向垂直的平面上，該平面上光強的表達式為I(θ)=I0cosmθ(1)θI0(θ=0)θ1/2式中：為光線與光軸間的夾角；為沿軸向方向與LED距離為r的光強；m為光輻射模式。當(dāng)發(fā)光強度值為軸向強度值一半時，光線與光軸間的夾角定義為LED的半光強角，那么m值由其半光強角確定[7]。
1.2單個LED光源模型
單個LED光源并非都是理想的朗伯體，其光強分布為發(fā)光角度余弦值的多次方函數(shù)[6-9]。如果LED所發(fā)出的光線照射到與其光軸方向垂直的平面上，該平面上光強的表達式為I(θ)=I0cosmθ(1)θI0(θ=0)θ1/2式中：為光線與光軸間的夾角；為沿軸向方向與LED距離為r的光強；m為光輻射模式。當(dāng)發(fā)光強度值為軸向強度值一半時，光線與光軸間的夾角定義為LED的半光強角，那么m值由其半光強角確定[7]，假設(shè)單顆LED在xy平面上的坐標(biāo)為，z表示LED到平面之間的距離，被照面上有一觀測點，則該LED在H點處的照度[9]
2矩形LED陣列均勻照明設(shè)計
由于單個LED無法滿足HPV基因芯片檢測裝置的照明要求，為了達到照明范圍為70mm×20mm的需求，最常用的照明方式就是優(yōu)化矩形LED陣列，假設(shè)矩形陣列中LED為P×Q顆，由于LED為非相干光源，那么被照面上的照度為單個LED照度的疊加，根據(jù)斯派羅法則求解最大限度平坦條件[8,10]，可以解決目標(biāo)被照面上的均勻性照明問題。因x=0y=0∂2E/∂x2=0z=60mm此，對式(5)中的x變量求二階偏導(dǎo)，在、處，令，并且LED陣列面到HPV芯片被照面的距離，只要確定參數(shù)P，Q，m的值，就可以得到關(guān)于d的最大限度平坦條件，然后通過MATLAB編程求解d的值。θ1/2m=20P=4Q=8假定矩形陣列使用32顆(4行8列)半光強角為15°的LED，其位置排布如圖4所示。由式(2)可得，已知、，那么由式(6)可得d=19.1mm。在Tracepro軟件中對上述設(shè)計的矩形LED陣列進行仿真，根據(jù)表面光源特性生成器工具構(gòu)建光源模型。當(dāng)LED矩形陣列模型中、Q=8、m=20、z=60mm、d=19.1mm時，追跡3.2×106條光線，得到結(jié)果如圖5所示。采用5點測量法進行均勻度測試，分別測出區(qū)域中5點的照度值，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[10]，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實驗測試
HPV基因芯片檢測裝置搭建實驗測試平臺。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。模組相機使用深圳市金乾象科技有限公司的可調(diào)焦CMOS相機，相機的型號為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DP831A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。通過上位機拍攝白色紙板圖像并截取70mm×20mm的待測區(qū)域，該圖片像素大小為1547×411。
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[11-13]，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GminGavM×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除以M×N個灰度值的平均值，即得到灰度均勻度。
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散板。保持相機的曝光參數(shù)不變，調(diào)節(jié)直流電源的測試電壓，從而產(chǎn)生不同的光照強度，分別計算在不同光照強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，從圖中可以看到，左邊的光照強度大于右邊的光照強度。在該環(huán)境光下拍攝白色紙板得到的，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，相機采集到的圖像。
4結(jié)論
本文設(shè)計了由矩形LED陣列與勻光擴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矩形陣列光源進行了實驗測試，結(jié)果表明，在被照面上灰度均勻度可達89.4%，如在矩形LED陣列下方加入勻光擴散板，則被照面上的灰度均勻度可達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。
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作者：劉憶惠 陳建國 甘振華 杜民 高躍明 單位：福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院