HPV基因芯片装置的匀光照明设计研究

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了HPV基因芯片装置的匀光照明设计研究范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

摘要：人乳头瘤病毒(hpv)基因芯片检测装置可读取与分析HPV芯片的杂交点信号值，进而区分不同的HPV病毒类型，而检测装置照明的均匀性关系到HPV芯片图像处理算法的可靠性与难度。为实现均匀照明，优化了矩形LED阵列排布并配置匀光扩散板。首先，分析单个LED灯珠的辐射强度分布，建立矩形LED阵列的理论模型；然后，在仿真软件中建立4行8列的矩形LED阵列模型；最后，搭建HPV基因芯片检测装置进行实验测试。实验结果表明，该照明系统能使70mm×20mm的目标被照面的灰度均匀度达到95.6%，满足了HPV基因芯片检测装置均匀照明的要求。

关键词：HPV基因芯片；矩形LED阵列；匀光照明；灰度均匀度

引言

人乳头瘤病毒(humanpapillomavirus，HPV)是一种DNA病毒，目前已鉴定出100多种HPV亚型，根据其致病力分为高危型和低危型，而高危型HPV持续感染是宫颈癌的主要致病因素[1]。HPV感染的检测及基因分型是处理宫颈病变的重要依据，通过定期进行高危型HPV筛查，有助于预防和早期发现宫颈癌[2]。在用HPV基因芯片检测时，采用生物素标记引物对少量待测的样本DNA进行PCR扩增，扩增后的产物和固定在硝酸纤维素膜上的特异性探针进行杂交，杂交后经过相应的显色反应便显现出蓝色的信号点，依据杂交点的信号值来对HPV的感染情况进行分型。目前HPV基因芯片检测结果是依靠人工肉眼判读[3]，但人工判读效率低下，且没有数字化处理，无法为患者提供完善的数据分析。

HPV基因芯片检测装置照明系统是HPV基因芯片检测装置的重要组成部分，照明系统应有好的光照均匀性，这样可以降低后续图像处理算法的难度与提高算法的可靠性。常见的可见光源主要有荧光灯、卤素灯和LED光源。由于LED光源有快速可调和节能等优点，许多基因芯片检测仪逐渐采用LED灯作为照明光源[4]。为解决单颗LED无法实现大面积均匀照明的问题，通常采用多颗LED组成照明光源，并以矩形阵列形式排布所有单颗LED，使被照场景获得均匀照明[5]，进而为后续获取优质的图像创造好的条件。因此，本文结合HPV基因芯片照明范围的实际需求，通过优化矩形LED阵列的排布和配置匀光扩散板来实现检测装置的均匀照明。

1基本原理

1.1HPV基因芯片检测原理

HPV基因芯片检测装置，主要由HPV基因芯片、模组相机、矩形LED阵列光源和计算机等组成。矩形LED阵列光源提供均匀照明，模组相机采集HPV基因芯片图像并通过USB数据线传给计算机，计算机通过图像处理算法提取出杂交点的信号值。LED阵列面到HPV芯片表面的距离与模组相机的工作距离都为60mm，模组相机的镜头直径为14mm。HPV芯片为65mm×10mm的长条形区域，相机的拍摄范围需大于HPV芯片的尺寸。因此，光源的照射范围需要覆盖整个拍摄范围，由此确定矩形LED阵列光源的照射区域为70mm×20mm。HPV基因芯片探针点排列，杂交点信号值反映的是杂交点的积分光密度(IOD)。图中，PC为聚合酶链反应（PCR）扩增反应控制点，CC为显色反应控制点，其他的为各型别检测点。如果PC点、CC点和型别检测点的IOD分别大于或等于相应的参考临界值(cutoff值)，那么就感染了相应型别的HPV病毒。例如，假设图2中PC、CC和16型检测区存在杂交信号点，并且它们的IOD分别大于或等于相应的cutoff值，说明其感染了HPV16型病毒。1.2单个LED光源模型单个LED光源并非都是理想的朗伯体，其光强分布为发光角度余弦值的多次方函数[6-9]。如果LED所发出的光线照射到与其光轴方向垂直的平面上，该平面上光强的表达式为I(θ)=I0cosmθ(1)θI0(θ=0)θ1/2式中：为光线与光轴间的夹角；为沿轴向方向与LED距离为r的光强；m为光辐射模式。当发光强度值为轴向强度值一半时，光线与光轴间的夹角定义为LED的半光强角，那么m值由其半光强角确定[7]。

1.2单个LED光源模型

单个LED光源并非都是理想的朗伯体，其光强分布为发光角度余弦值的多次方函数[6-9]。如果LED所发出的光线照射到与其光轴方向垂直的平面上，该平面上光强的表达式为I(θ)=I0cosmθ(1)θI0(θ=0)θ1/2式中：为光线与光轴间的夹角；为沿轴向方向与LED距离为r的光强；m为光辐射模式。当发光强度值为轴向强度值一半时，光线与光轴间的夹角定义为LED的半光强角，那么m值由其半光强角确定[7]，假设单颗LED在xy平面上的坐标为，z表示LED到平面之间的距离，被照面上有一观测点，则该LED在H点处的照度[9]

2矩形LED阵列均匀照明设计

由于单个LED无法满足HPV基因芯片检测装置的照明要求，为了达到照明范围为70mm×20mm的需求，最常用的照明方式就是优化矩形LED阵列，假设矩形阵列中LED为P×Q颗，由于LED为非相干光源，那么被照面上的照度为单个LED照度的叠加，根据斯派罗法则求解最大限度平坦条件[8,10]，可以解决目标被照面上的均匀性照明问题。因x=0y=0∂2E/∂x2=0z=60mm此，对式(5)中的x变量求二阶偏导，在、处，令，并且LED阵列面到HPV芯片被照面的距离，只要确定参数P，Q，m的值，就可以得到关于d的最大限度平坦条件，然后通过MATLAB编程求解d的值。θ1/2m=20P=4Q=8假定矩形阵列使用32颗(4行8列)半光强角为15°的LED，其位置排布如图4所示。由式(2)可得，已知、，那么由式(6)可得d=19.1mm。在Tracepro软件中对上述设计的矩形LED阵列进行仿真，根据表面光源特性生成器工具构建光源模型。当LED矩形阵列模型中、Q=8、m=20、z=60mm、d=19.1mm时，追迹3.2×106条光线，得到结果如图5所示。采用5点测量法进行均匀度测试，分别测出区域中5点的照度值，然后将其中的最小照度值除以最大照度值即得到目标被照面的照度均匀性[10]，在矩形LED阵列的照明区域中，沿x轴方向从−35mm至+35mm，沿y轴方向从−10mm至+10mm归一化的最小照度为0.88，最大照度为0.99，照度均匀性至少为88.9%。

3实验测试

HPV基因芯片检测装置搭建实验测试平台。为了去除环境光对图像质量的影响，整个测试在哑光亚克力做成的暗盒当中进行。HPV基因芯片选自泰普生物科学(中国)有限公司的人乳头瘤病毒(23个型)基因分型检测试剂盒。模组相机使用深圳市金乾象科技有限公司的可调焦CMOS相机，相机的型号为KS5A00、像素为500万以及镜头直径为14mm。光源采用自行设计的4行8列矩形LED阵列。电源采用普源精电科技有限公司的DP831A直流电源。由于HPV芯片材质为尼龙膜，其大部分区域为白色背景，因而测试时采用与其材质接近的白色纸板。通过上位机拍摄白色纸板图像并截取70mm×20mm的待测区域，该图片像素大小为1547×411。

网格测量法是通过测试每个网格的平均照度来评价照度均匀性的方法，在一定条件下照度和灰度之间存在线性关系[11-13]，并且需要测量的是均匀性而不是网格中具体的照度值。因此，本文采用图像处理的方法得到待测区域中每个网格的平均灰度，并用灰度均匀度来评价照明均匀性。首先，将灰度化后的待测区域图像划分为GminGavM×N个网格；然后，在每个网格中心处取50×50的像素块并对该像素块的灰度值取平均，得到M×N个灰度值；最后，用M×N个灰度值中的最小值除以M×N个灰度值的平均值，即得到灰度均匀度。

按照上述均匀度测试的方法将均匀度待测图像划分为30个网格，如图7所示。每个网格中截取的50×50像素块的灰度平均值如表1所示，由式(7)可得所设计的矩形LED阵列光照均匀度为89.4%，与仿真结果基本一致。为了实现更加均匀和柔和的照射效果，在矩形LED阵列下方加入匀光扩散板。保持相机的曝光参数不变，调节直流电源的测试电压，从而产生不同的光照强度，分别计算在不同光照强度下被照面的灰度均匀度并记录到表2。从表2可以得到被照面的灰度均匀度为95.6%，满足HPV芯片检测装置的均匀度要求。在环境光下采集到的HPV基因芯片，从图中可以看到，左边的光照强度大于右边的光照强度。在该环境光下拍摄白色纸板得到的，采用同样的均匀度测试方法得到灰度均匀度为77.7%。采用本文设计的光源系统照射HPV基因芯片，相机采集到的图像。

4结论

本文设计了由矩形LED阵列与匀光扩散板组成的照明系统，解决了HPV基因芯片检测装置的照明均匀性问题。通过Tracepro软件，仿真了LED矩形阵列在被照面上所要求范围内的照度分布，并通过照度分布图来评价照明的均匀性。对排布为4行8列的LED矩形阵列光源进行了实验测试，结果表明，在被照面上灰度均匀度可达89.4%，如在矩形LED阵列下方加入匀光扩散板，则被照面上的灰度均匀度可达95.6%。与用环境光照明HPV基因芯片效果相比较，本照明系统具有更好的照明均匀度，因而能获得更好的成像效果，给后续图像的处理带来了便利。

参考文献：

杜宏,索兰草,刘红贤,等.甘肃地区女性宫颈HPV感染的现状研究[J].暨南大学学报(自然科学与医学版),2015,36(1):40–45.

[1]张达衡,陈红玲,杨春媚,等.宫颈组织病变与检测HPV基因分型的意义[J].国际检验医学杂志,2013,34(13):1664–1665.

[2]张满娥,黄文蓉,张洪彬.1456例女性HPV基因分型结果的回顾分析[J].分子诊断与治疗杂志,2013,5(1):32–35.

[3]涂思聪,刘威.适用于着色标定基因芯片的杂交检测仪[J].自动化与仪表,2013,28(7):11–13.

[4]肖韶荣,李曼.一种LED照明光源均匀度设计[J].应用光学,2015,36(4):600–605.

[5]陈新睿,韩敬华,李洪儒,等.基于近场均匀照明的LED阵列的优化设计[J].应用光学,2014,35(1):122–127.

[6]甘振华,杜民,高跃明,等.单芯大功率LED匀光照明阵列的设计[J].光学仪器,2016,38(6):505–511.

[7]肖韶荣,杨丽,吴群勇,等.紫外LED圆环阵列均匀照明的实现方法[J].应用光学,2013,34(5):742–747.

[8]侯启真,薛荣荣,王洁宁.LED阵列发光特性仿真和对比分析[J].液晶与显示,2017,32(12):961–967.

[9]张宁.LED面光源均匀化设计[D].南京:南京信息工程大学,2012.

[10]刘璐,郑继红,李道萍,等.基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计[J].光学技术,2017,43(3):243–247.

[11]王钧,朱继红,冯醒,等.基于CCD和MATLAB的等照度线绘制方法[J].照明工程学报,2013,24(4):40–43.

[12],王峥,李敏.基于菌群算法的飞机铆钉表面缺陷检测系统光源优化控制[J].液晶与显示,2017,32(11):895–904.

[13]，王峥，李敏. 基于菌群算法的飞机铆钉表面缺陷检测系统光源优化控制 [J]. 液晶与显示, 2017,32(11): 895 – 904.

作者：刘忆惠 陈建国 甘振华 杜民 高跃明 单位：福州大学物理与信息工程学院 福建工程学院信息科学与工程学院