一种PCR检测荧光强度数据处理系统

技术领域

本发明涉及PCR数据检测技术领域，尤其涉及一种PCR检测荧光强度数据处理系统。

背景技术

PCR技术通过荧光染料标记DNA片段，实时监测反应过程，获取荧光强度数据。传统的数据处理方式复杂，实时性差。因此，开发一种基于计算机技术的荧光强度数据处理系统，实现实时、自动、快速的数据处理和分析，提高检测的准确性和效率。

中国专利公开号：CN106596489A公开了一种用于荧光液滴检测中荧光强度数据的处理方法，包括以下步骤：1)获取所有荧光液滴的荧光强度的数据，并进行预处理；2)对数据进行首次分类，3)根据首次分类的结果得出阴性液滴和阳性液滴荧光强度分布；4)计算最终判决阈值t；5)利用所述判决阈值t对数据进行二次分类；6)计算样品浓度。该发明实现了对荧光液滴的荧光强度的检测，未实现对荧光强度检测中对异常数据的分析判断，存在对荧光强度数据分析效率低，处理不准确的问题。

发明内容

为此，本发明提供一种PCR检测荧光强度数据处理系统，用以克服现有技术中对荧光强度数据分析效率低，处理不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种PCR检测荧光强度数据处理系统，包括：

信息获取模块，用以根据预设分析周期周期性获取PCR检测时的初始数据、荧光信息、环境温度和反应周期数；

图像分析模块，用以根据荧光信息、反应周期数和初始数据对图像分子数量进行分析，并根据图像分子数量对第一扩增参数进行分析；

荧光分析模块，用以根据荧光信息和反应周期数对荧光阈值进行分析，并根据荧光阈值对CT值进行分析，还用以根据荧光信息和初始数据对第二扩增参数进行分析；

温度分析模块，用以根据环境温度和荧光信息对峰值参数进行分析，并根据峰值参数对峰值数量和峰值特征进行分析；

特征分析模块，用以根据第一扩增参数、第二扩增参数和峰值数量对数据特征进行分析；

调整优化模块，用以根据CT值对数据特征的分析过程进行调整，还用以根据峰值特征对数据特征的调整过程进行优化；

数据处理模块，用以根据数据特征对荧光强度数据进行分类并存储。

进一步地，所述图像分析模块设有初始分析单元，其用以根据初始图像通过第一灰度分析公式计算初始灰度，所述初始分析单元设有第一灰度分析公式如下：

其中，L1表示初始灰度，f表示初始图像的平均灰度值，F(x,y)表示初始图像中各像素点的灰度值，n1表示初始图像中像素点的数量。

进一步地，所述图像分析模块还设有第一扩增分析单元，其用以根据图像分子数量通过第一扩增分析公式计算第一扩增参数，所述第一扩增分析单元设有第一扩增分析公式如下：

E1(i,j)=N(i,j)/N(i,1)-1

其中，E1(i,j)表示第一扩增参数，i表示反应周期数，j表示分析周期编号，N(i,j)表示当前反应周期内当前分析周期的图像分子数量，N(i,1)表示当前反应周期内第一个分析周期的图像分子数量。

进一步地，所述荧光分析模块设有阈值分析单元，其用以将反应周期数与周期阈值进行比对，并根据比对结果和荧光信号强度对荧光阈值进行分析，所述阈值分析单元统计满足i≤p的荧光信号强度作为阈值信号强度，在i=p且j=N

其中，h表示荧光阈值，p表示周期阈值，H(i)表示各反应周期的平均荧光信号强度，H(i,j)表示各反应周期内各分析周期的荧光信号强度，N

进一步地，所述荧光分析模块还设有CT值分析单元，其用以根据荧光阈值和荧光信号强度对CT值进行分析，其中：

当H(i)≤h＜H(i+1)时，所述CT值分析单元将当前分析的平均荧光信号强度对应的反应周期数作为CT值，记做CT=i；

当H(i)＞h时，所述CT值分析单元不对CT值进行分析；

其中，H(i+1)表示当前分析的反应周期的下一反应周期的平均荧光信号强度，CT表示CT值。

进一步地，所述荧光分析模块还设有第二扩增分析单元，其用以根据初始目标分子数、背景信号强度和荧光信号强度通过第二扩增分析公式计算第二扩增参数，所述第二扩增分析单元设有第二扩增分析公式如下：

其中，E2(i,j)表示第二扩增参数，H

进一步地，所述温度分析模块根据环境温度和荧光信息通过峰值分析公式计算峰值参数，所述温度分析模块设有峰值分析公式如下：

K(i,T)=[H(i,T)-H(i,T-1)]/T(i)

P1(i,T)=-d[K(i,T)]/d[T(i)]

P2(i,T)=d[P1(i,T)]/d[T(i)]

其中，K(i,T)表示当前反应周期内环境温度为T时的斜率参数，H(i,T)表示当前反应周期内环境温度为T时的荧光信号强度，H(i,T-1)表示当前反应周期内环境温度为T-1时的荧光信号强度，T(i)表示当前反应周期内的环境温度，P1(i,T)表示第一峰值参数，P2(i,T)表示第二峰值参数，-d[K(i,T)]/d[T(i)]表示-K(i,T)对T(i)求导，d[P1(i,T)]/d[T(i)]表示是P1(i,T)对T(i)求导；

所述温度分析模块根据峰值参数对峰值数量进行分析，所述温度分析模块统计当前反应周期内满足P1(i,T)=0且P2(i,T)＞0的第一峰值参数的数量作为当前反应周期的峰值数量，记做NP(i)，其中，NP(i)表示各反应周期的峰值数量；

所述温度分析模块根据峰值参数通过峰值特征分析公式计算峰值特征，所述温度分析模块设有峰值特征分析公式如下：

其中，U表示峰值特征，u(i)表示峰值特征参数，K(i,T

进一步地，所述特征分析模块根据第一扩增参数、第二扩增参数和峰值数量通过特征分析公式计算数据特征，所述特征分析模块设有特征计算公式如下：

其中，S(i)表示数据特征，d[E1(i,j)]/d[E2(i,j)]表示E1(i,j)对E2(i,j)求导。

进一步地，所述调整优化模块设有特征调整单元，其用以将CT值与比对阈值进行比对，并根据比对结果对数据特征的分析过程进行调整，其中：

当CT≥ct时，所述特征调整单元判定CT值符合阈值，不对数据特征的分析过程进行调整；

当CT＜ct时，所述特征调整单元判定CT值不符合阈值，对数据特征的分析过程进行调整，调整后的数据特征为S1(i)，设定S1(i)=S(i)×log

其中，ct表示比对阈值；

所述调整优化模块还设有特征优化单元，其用以根据峰值特征对数据特征的调整过程进行优化，其中：

当U≤1时，所述特征优化单元判定峰值特征符合阈值，不对数据特征的调整过程进行优化；

当U＞1时，所述特征优化单元判定峰值特征不符合阈值，对数据特征的调整过程进行优化，优化后的峰值特征为S2(i)，设定S2(i)=S1(i)×U。

进一步地，所述数据处理模块根据数据特征对荧光强度数据进行分类，其中：

当S≥1时，所述数据处理模块将荧光强度数据分类为异常数据；

当S＜1时，所述数据处理模块将荧光强度数据分类为正常数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过所述信息获取模块对初始数据、荧光信息、环境温度和反应周期数的获取，以提高信息获取的准确度，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述图像分析模块对荧光信息、反应周期数和初始数据的分析，以分析出第一扩增参数，用第一扩增参数表示出图像分析中分子数变化与初始数据的关系，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述荧光分析模块对荧光信息、初始数据和反应周期的分析，以分析出CT值和第二扩增参数，用第二扩增参数表示荧光强度信息在反应周期内的变化情况，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述温度分析模块对环境温度和荧光信息的分析，以分析出峰值数量和峰值特征，用峰值特征表示出在反应周期内荧光强度变化量与温度的关系，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述特征分析模块对第一扩增参数、第二扩增参数和峰值数量的分析，以分析出数据特征，用数据特征表示出在PCR检测中荧光强度和环境温度之间关系，增加系统分析多样性，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述调整优化模块对CT值的分析，以对数据特征的分析过程进行调整，增加系统分析精度，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述调整优化模块对峰值特征的分析，以对数据特征分析调整过程进行优化，实现整体数据波动特征对数据特征的影响，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度，通过所述数据处理模块对数据特征的分析，以对荧光强度数据进行分析存储，实现对荧光强度数据中异常数据的判断，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

附图说明

图1为本实施例PCR检测荧光强度数据处理系统的结构框图；

图2为本实施例图像分析模块的结构框图；

图3为本实施例荧光分析模块的结构框图；

图4为本实施例调整优化模块的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本实施例一种PCR检测荧光强度数据处理系统，包括：

信息获取模块，用以根据预设分析周期周期性获取PCR检测时的初始数据、荧光信息、环境温度和反应周期数，所述初始数据包括初始目标分子数和初始图像，所述荧光信息包括背景信号强度、荧光信号强度和荧光图像，所述背景信息强度为反应周期数为1时的初始时刻的荧光强度，所述初始图像为反应周期数为1时的初始时刻的PCR检测图像，所述初始目标分子数的获取方式为用户交互输入，所述初始图像、荧光信息和环境温度的获取方式为通过PCR仪检测获取，所述反应周期数为PCR反应完成一个循环的次数，反应周期为PCR反应完成一个循环所用的时长，本实施例中预设分析周期为1分钟，本实施例中不对预设分析周期的设置作具体限定，本领域技术人员可自由设置，如还可设置为0.5分钟、3分钟和5分钟等，预设分析周期的设置应满足反应周期内可进行至少4次数据的获取且预设分析周期与反应周期存在整数倍关系；

图像分析模块，用以根据荧光信息、反应周期数和初始数据对图像分子数量进行分析，并根据图像分子数量对第一扩增参数进行分析，图像分析模块与所述信息获取模块连接；

荧光分析模块，用以根据荧光信息和反应周期数对荧光阈值进行分析，并根据荧光阈值对CT值进行分析，还用以根据荧光信息和初始数据对第二扩增参数进行分析，荧光分析模块与所述信息获取模块连接；

温度分析模块，用以根据环境温度和荧光信息对峰值参数进行分析，并根据峰值参数对峰值数量和峰值特征进行分析，温度分析模块与所述信息获取模块连接；

特征分析模块，用以根据第一扩增参数、第二扩增参数和峰值数量对数据特征进行分析，特征分析模块与所述图像分析模块、荧光分析模块和温度分析模块连接；

调整优化模块，用以根据CT值对数据特征的分析过程进行调整，还用以根据峰值特征对数据特征的调整过程进行优化，调整优化模块与所述特征分析模块连接；

数据处理模块，用以根据数据特征对荧光强度数据进行分类并存储，数据处理模块与所述调整优化模块连接。

请参阅图2所示，所述图像分析模块包括：

初始分析单元，用以根据初始图像对初始灰度进行分析；

图像分析单元，用以根据荧光图像和初始灰度对图像分子数量进行分析，图像分析单元与所述初始分析单元连接；

第一扩增分析单元，用以根据图像分子数量对第一扩增参数进行分析，第一扩增分析单元与所述图像分析单元连接。

请参阅图3所示，所述荧光分析模块包括：

阈值分析单元，用以根据荧光信号强度和反应周期数对荧光阈值进行分析；

CT值分析单元，用以根据荧光阈值和荧光信号强度对CT值进行分析，CT值分析单元与所述阈值分析单元连接；

第二扩增分析单元，用以根据初始目标分子数、背景信号强度和荧光信号强度对第二扩增参数进行分析，第二扩增分析单元与所述CT值分析单元连接。

请参阅图4所示，所述调整优化模块包括：

特征调整单元，用以根据CT值对数据特征的分析过程进行调整；

特征优化单元，用以根据峰值特征对数据特征的调整过程进行优化，特征优化单元与所述特征调整单元连接。

具体而言，本实施例中在对图像进行分析时，将各图像左下角像素点作为坐标原点，将与坐标原点相邻的两条边作为x轴和y轴，建立平面直角坐标系，x轴从左向右依次增大，y轴由下向上依次增大，用坐标点表示图像中各像素点的位置。

具体而言，本实施例中所述初始分析单元根据初始图像通过第一灰度分析公式计算初始灰度，所述初始分析单元设有第一灰度分析公式如下：

其中，L1表示初始灰度，f表示初始图像的平均灰度值，F(x,y)表示初始图像中各像素点的灰度值，n1表示初始图像中像素点的数量。

具体而言，本实施例中通过所述初始分析单元对初始图像的分析，以分析出初始灰度，用初始灰度表示出系统中初始时刻图像的灰度特征，实现对荧光图像背景色标准的构建，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述图像分析单元根据荧光图像和初始灰度对荧光区域进行分析，其中：

当G(x,y)≥L1时，所述图像分析单元将当前分析像素点作为荧光区域；

当G(x,y)＜L1时，所述图像分析单元不对荧光区域进行分析；

其中，G(x,y)表示荧光图像中各像素点的灰度值。

具体而言，本实施例中所述图像分析单元根据荧光区域对图像分子数量进行分析，所述图像分析单元将荧光区域中各坐标点存在上下相邻或左右相邻的相邻关系的坐标点作为一个分子区域，并统计分子区域的数量作为图像分子数量，例如：现有荧光区域坐标点为(1,1),(1,2),(2,1),(2,2),(4,2),(4,3),(5,3)，其中坐标点(1,1)与坐标点(1,2)上下相邻，坐标点(1,1)与坐标点(2,1)左右相邻，其中坐标点(2,1)与坐标点(2,2)上下相邻，其中坐标点(4,2)与坐标点(4,3)上下相邻，坐标点(4,3)与坐标点(5,3)左右相邻，将存在相邻关系的坐标点(1,1),(1,2),(2,1),(2,2)作为一个分子区域，将存在相邻关系的坐标点(4,2),(4,3),(5,3)作为一个分子区域。

可以理解的是，本实施例中不对图像分析数量的分析过程作具体限定，本领域技术人员可自由设置，如还可设置为对荧光图像进行形态学分析，将荧光图像与预设分子轮廓进行比对，以提取出荧光图像中的分子区域，从而统计图像分子数量。

具体而言，本实施例中通过所述图像分析单元对荧光图像的分析，以提取出荧光图像中的荧光区域，从而分析出图像分子数量，用图像分子数量表示出荧光图像中发光点的数量，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述第一扩增分析单元根据图像分子数量通过第一扩增分析公式计算第一扩增参数，所述第一扩增分析单元设有第一扩增分析公式如下：

E1(i,j)=N(i,j)/N(i,1)-1

其中，E1(i,j)表示第一扩增参数，i表示反应周期数，j表示分析周期编号，N(i,j)表示当前反应周期内当前分析周期的图像分子数量，N(i,1)表示当前反应周期内第一个分析周期的图像分子数量。

具体而言，本实施例中通过所述第一扩增分析单元对图像分子数量的分析，以分析出第一扩增参数，用第一扩增参数表示出图像分子数量变化情况，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述阈值分析单元将反应周期数与周期阈值进行比对，并根据比对结果和荧光信号强度对荧光阈值进行分析，所述阈值分析单元统计满足i≤p的荧光信号强度作为阈值信号强度，在i=p且j=N

其中，h表示荧光阈值，p表示周期阈值，10≤p≤15，H(i)表示各反应周期的平均荧光信号强度，H(i,j)表示各反应周期内各分析周期的荧光信号强度，N

具体而言，本实施例中通过所述阈值分析单元对反应周期数的分析，以统计出阈值信号强度，实现对样本数据的统计，从而分析出荧光阈值，进而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述CT值分析单元根据荧光阈值和荧光信号强度对CT值进行分析，其中：

当H(i)≤h＜H(i+1)时，所述CT值分析单元将当前分析的平均荧光信号强度对应的反应周期数作为CT值，记做CT=i；

当H(i)＞h时，所述CT值分析单元不对CT值进行分析；

其中，H(i+1)表示当前分析的反应周期的下一反应周期的平均荧光信号强度，CT表示CT值。

具体而言，本实施例中通过所述CT值分析单元对荧光阈值和信号强度的分析，以分析出CT值，用CT值表示荧光信号强度等于荧光阈值的反应周期数，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述第二扩增分析单元根据初始目标分子数、背景信号强度和荧光信号强度通过第二扩增分析公式计算第二扩增参数，所述第二扩增分析单元设有第二扩增分析公式如下：

其中，E2(i,j)表示第二扩增参数，H

具体而言，本实施例中通过所述第二扩增分析单元对初始目标分子数、背景信号强度和荧光信号强度的分析，以计算出第二扩增参数，用第二扩增参数表示荧光强度信息在反应周期内的变化情况，实现系统对获取的荧光信号强度的分析，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述温度分析模块根据环境温度和荧光信息通过峰值分析公式计算峰值参数，所述温度分析模块设有峰值分析公式如下：

K(i,T)=[H(i,T)-H(i,T-1)]/T(i)

P1(i,T)=-d[K(i,T)]/d[T(i)]

P2(i,T)=d[P1(i,T)]/d[T(i)]

其中，K(i,T)表示当前反应周期内环境温度为T时的斜率参数，H(i,T)表示当前反应周期内环境温度为T时的荧光信号强度，H(i,T-1)表示当前反应周期内环境温度为T-1时的荧光信号强度，T(i)表示当前反应周期内的环境温度，P1(i,T)表示第一峰值参数，P2(i,T)表示第二峰值参数，-d[K(i,T)]/d[T(i)]表示-K(i,T)对T(i)求导，d[P1(i,T)]/d[T(i)]表示是P1(i,T)对T(i)求导。

具体而言，本实施例中所述温度分析模块根据峰值参数对峰值数量进行分析，所述温度分析模块统计当前反应周期内满足P1(i,T)=0且P2(i,T)＞0的第一峰值参数的数量作为当前反应周期的峰值数量，记做NP(i)，其中，NP(i)表示各反应周期的峰值数量。

具体而言，本实施例中所述温度分析模块根据峰值参数通过峰值特征分析公式计算峰值特征，所述温度分析模块设有峰值特征分析公式如下：

其中，U表示峰值特征，u(i)表示峰值特征参数，K(i,T

具体而言，本实施例中所述特征分析模块根据第一扩增参数、第二扩增参数和峰值数量通过特征分析公式计算数据特征，所述特征分析模块设有特征计算公式如下：

其中，S(i)表示数据特征，d[E1(i,j)]/d[E2(i,j)]表示E1(i,j)对E2(i,j)求导。

具体而言，本实施例中所述特征调整单元将CT值与比对阈值进行比对，并根据比对结果对数据特征的分析过程进行调整，其中：

当CT≥ct时，所述特征调整单元判定CT值符合阈值，不对数据特征的分析过程进行调整；

当CT＜ct时，所述特征调整单元判定CT值不符合阈值，对数据特征的分析过程进行调整，调整后的数据特征为S1(i)，设定S1(i)=S(i)×log

其中，ct表示比对阈值，p＜ct≤18。可以理解的是，本实施例中不对比对阈值的取值作具体限定，本领域技术人员可自由设置，只需满足对数据特征的调整即可，比对阈值的最佳取值为ct=18。

具体而言，本实施例中通过所述特征调整单元对CT的分析，以对数据特征的分析过程进行调整，在CT值较小的情况下，增大数据特征，实现CT值大小判断数据特征异常的影响，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述特征优化单元根据峰值特征对数据特征的调整过程进行优化，其中：

当U≤1时，所述特征优化单元判定峰值特征符合阈值，不对数据特征的调整过程进行优化；

当U＞1时，所述特征优化单元判定峰值特征不符合阈值，对数据特征的调整过程进行优化，优化后的峰值特征为S2(i)，设定S2(i)=S1(i)×U。

具体而言，本实施例中通过所述特征优化单元对峰值特征的分析，以对数据特征的调整过程进行优化，使数据特征与荧光信号强度和温度变化波动相关，在峰值特征较大时增大数据特征，从而提高系统对荧光强度数据的分析效率，提高数据处理的准确度。

具体而言，本实施例中所述数据处理模块根据数据特征对荧光强度数据进行分类，其中：

当S≥1时，所述数据处理模块将荧光强度数据分类为异常数据；

当S＜1时，所述数据处理模块将荧光强度数据分类为正常数据。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。