基于ARM的新型凝胶成像系统

1 引         学实验的凝胶成像系统就显的必不可少
              。本文给出的基
凝胶成像系统在科学研究 生物分子检验 医学鉴定等 ARM 的凝胶成像系统,在满足自身实验需求的条件下,
               
很多方面已日益成为必不可少的仪器设备。尤其是近几年 实现了对凝胶图像的采集功能,并且在该凝胶成像系统中,
以来 凝胶成像系统日趋完善 功能的覆盖面也越来越广 支持对所采集图像的预览、保存和反转,实现了系统自动定
        时关机功能。而且在该凝胶系统中设计有网络接口模块,
但是已有产品也存在一定的缺陷 没有定时自动关机功能  
                 
无形中浪费了能源 图像采集系统采用 Windows 系统 成 实现了对采集到的凝胶图像的网络传输,可以将采集到的
      图像传输到远程上位机上,方便了实验人员对凝胶图像进
本高 尚未采用成本低 专用性更强的嵌入式系统    
             

 
行分析和后处理。
 
2 凝胶成像系统总体设计
 
凝胶成像系统包含多个模块,CMOS 摄像头采集模块、LCD显示模块、嵌入式控制模块、网络接口模块和光路模块[2]。凝胶成像系统可以获得系统产生的凝胶图像、对
 
凝胶图像进行保存,还可以通过网络传输,输送到远端的PC对图像做进一步处理与分析[3]。系统总体布局如图
 
所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
荧光灯;CMOS摄像头;USB采集卡;
 
④控制电路CPUSamsungS5PV210温度传感器18B20外接收头:2RM3638);显示屏;U-盘;紫外灯(ZSZ8WUVB);
滤波片(两种紫外滤镜);凝胶样品;上位机(PC)
 
图1 凝胶系统总体布局
 
图中,紫外灯部分由多个并联的302nm的紫外灯管组成,这7个灯光均匀放置,保证了紫外光的均匀性,为得到更高质量的凝胶图像奠定了基础。
 
2.1 CMOS摄像头
 
CCD是用时序电压输入邻近电容把电荷从积累处迁移到放大器里[4-5],因此这种电荷迁移过程导致了一些根本缺点:
 
1)**一次性读出整行或整列的像素值,不能提供随
 
机访问;
 
2)需要复杂的时钟芯片来使时序电压同步,需要多种非标准化的高压时钟和电压偏置;
 
3)CCD的硅处理专用制作工艺与现今微电子器件的主流制作工艺不同,无法低成本的把控制处理电路集成在同一图像芯片上。这就造成了基于CCD 的图像系统体积庞大和功耗大。
 
综上所述,本设计采用CMOS工艺的摄像头,它的工作原理基于电荷存储原理,即PN结反向充电,然后在光照条件下放电,放电速度随光强度的不同而不同。经过一定时间的放电,每个像素保留的电荷不一样,这样就实现了光电转换。

2.2 曝光时间和图像灰度的关系研究凝胶成像系统是为了获得一幅亮度适中、细节表现清
 
晰的凝胶电泳图像。
 
电泳图像的灰度与环境光照度(入射光强度)、信号增益、曝光时间、光圈大小、成曝光函数关系,即:
 

式中: 为曝光函数, 为图像亮度, 为入射光强度, 为

 
曝光时间, 为光圈大小, 为信号增益。
 
在相同的场景光强和光通量(光圈大小不变)下,曝光时间 越大,图像越亮;曝光时间越小,则图像越暗。因此,为了得到比较清晰可见的具有电泳条带的凝胶图像,本设计需要研究曝光时间和电泳图像灰度之间的关系[6]
 
由于在测试曝光时间与灰度值的线性度时,需要考虑信号增益的影响。在测试时,保持某一信号增益不变,改变曝光时间,拍摄一组图像,计算出各幅图像的灰度值,然后将信号增益换成另外一个值再改变曝光时间拍摄一组图像,计算各幅图像的灰度值。按此方法,拍摄多组图像,研究曝光时间与灰度均值的线性度。实验结果如表1所示。
 
表1 测试曝光时间与灰度值关系的实验数据
 
曝光时 信号增 信号增 信号增
间/ =1.26 =2.00 =4.00
ms      
0.5      
     
      11
  11   11   16
  12   15   26
  14   18   32
10   24   30   56
12   42   56   104
14   79   100   134
16   127   137   157
18   152   157   170
20   162   167   177
22   162   164   179
24   173   180   180
 
根据实验数据,用 MATLAB绘制图像灰度均值在某一信号增益下随曝光时间变化的曲线如图2所示
 
 
 
 
 
 
 
图2 灰度均值随曝光时间变化
 
在图2中,红色带圈曲线的信号增益为1.26,绿色带点的曲线的信号增益为2.00,蓝色带加号的曲线信号增益

.

我们采用某公司的凝胶成像系统和我们自行设计的系统做了比对,在相同实验条件下,某公司的产品采集到的凝胶图像如图10所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图10 标准图像比对
 
从图8的图像可以看出,本文设计的凝胶成像系统和某公司出产的产品采集到的图像边缘基本一致,在精度上落差不大。说明凝胶成像系统成功的采集到了电泳分子比较清晰的图像,有效地保留了实验人员所需的必要信息,实
 
现了对凝胶图像采集的目的。
 
5 结 论
 
通过系统研究以往凝胶成像系统的原理和使用方法,设计了一款简单、轻便,并实现了凝胶图像采集和进一步处理的简易凝胶成像系统。这种凝胶成像系统的实现为DNA/RNA等物质的分离纯化提供了方便,为进一步基于嵌入式处理系统组成的凝胶成像仪器上的优化和改进做好了准备工作。本凝胶成像系统在精度和稳定性上还存在一定缺陷,还需采取有效措施提高系统精度和增加系统稳定性。