HPV基因芯片裝置的勻光照明設計研究
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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，進而區分不同的HPV病毒類型，而檢測裝置照明的均勻性關系到HPV芯片圖像處理算法的可靠性與難度。為實現均勻照明，優化了矩形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。實驗結果表明，該照明系統能使70mm×20mm的目標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，根據其致病力分為高危型和低危型，而高危型HPV持續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，通過定期進行高危型HPV篩查，有助于預防和早期發現宮頸癌[2]。在用HPV基因芯片檢測時，采用生物素標記引物對少量待測的樣本DNA進行PCR擴增，擴增后的產物和固定在硝酸纖維素膜上的特異性探針進行雜交，雜交后經過相應的顯色反應便顯現出藍色的信號點，依據雜交點的信號值來對HPV的感染情況進行分型。目前HPV基因芯片檢測結果是依靠人工肉眼判讀[3]，但人工判讀效率低下，且沒有數字化處理，無法為患者提供完善的數據分析。
HPV基因芯片檢測裝置照明系統是HPV基因芯片檢測裝置的重要組成部分，照明系統應有好的光照均勻性，這樣可以降低后續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、鹵素燈和LED光源。由于LED光源有快速可調和節能等優點，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]，進而為后續獲取優質的圖像創造好的條件。因此，本文結合HPV基因芯片照明范圍的實際需求，通過優化矩形LED陣列的排布和配置勻光擴散板來實現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數據線傳給計算機，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（PCR）擴增反應控制點，CC為顯色反應控制點，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的參考臨界值(cutoff值)，那么就感染了相應型別的HPV病毒。例如，假設圖2中PC、CC和16型檢測區存在雜交信號點，并且它們的IOD分別大于或等于相應的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，其光強分布為發光角度余弦值的多次方函數[6-9]。如果LED所發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。當發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，其光強分布為發光角度余弦值的多次方函數[6-9]。如果LED所發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。當發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]，假設單顆LED在xy平面上的坐標為，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化矩形LED陣列，假設矩形陣列中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，根據斯派羅法則求解最大限度平坦條件[8,10]，可以解決目標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，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P，Q，m的值，就可以得到關于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軟件中對上述設計的矩形LED陣列進行仿真，根據表面光源特性生成器工具構建光源模型。當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被照面的照度均勻性[10]，在矩形LED陣列的照明區域中，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。為了去除環境光對圖像質量的影響，整個測試在啞光亞克力做成的暗盒當中進行。HPV基因芯片選自泰普生物科學(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芯片材質為尼龍膜，其大部分區域為白色背景，因而測試時采用與其材質接近的白色紙板。通過上位機拍攝白色紙板圖像并截取70mm×20mm的待測區域，該圖片像素大小為1547×411。
網格測量法是通過測試每個網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系[11-13]，并且需要測量的是均勻性而不是網格中具體的照度值。因此，本文采用圖像處理的方法得到待測區域中每個網格的平均灰度，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域圖像劃分為GminGavM×N個網格；然后，在每個網格中心處取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個網格，如圖7所示。每個網格中截取的50×50像素塊的灰度平均值如表1所示，由式(7)可得所設計的矩形LED陣列光照均勻度為89.4%，與仿真結果基本一致。為了實現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不變，調節直流電源的測試電壓，從而產生不同的光照強度，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%。采用本文設計的光源系統照射HPV基因芯片，相機采集到的圖像。
4結論
本文設計了由矩形LED陣列與勻光擴散板組成的照明系統，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%。與用環境光照明HPV基因芯片效果相比較，本照明系統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：福州大學物理與信息工程學院 福建工程學院信息科學與工程學院