JPH0740014B2 - Ｄｎａパターン読取り装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はDNAパターン読取り装置に係り、特にDNAシーケ
ンスフィルムの画像を読取り、遺伝子の塩基配列を自動
的に決定する装置において、A,G,C,Tの４つの塩基に対
応する帯（レーン）の境界を認別するのに好適なDNAパ
ターン読取り装置に関する。

〔従来の技術〕

放射性同位体等で標識し、電気泳動を行った結果のフィ
ルム（DNAシーケンスフィルム）の画像から遺伝子の塩
基配列を認識する装置において、電気泳動の方向に展開
したA,G,C,Tの４つの塩基に対応する帯（レーン）の境
界の識別は、遺伝子の塩基配列の認識精度を決定する最
も基本的な要因である。従来のこの種の装置は、例えば
特願昭60−241548号（特開昭62−102375号公報）のよう
に、DNAシーケンスフィルムの画像データを電気泳動を
行った方向に単純に加算を行い、該電気泳動の方向と垂
直方向にこの種の変化を検出することで４つの塩基に対
応する帯（レーン）の境界を識別していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

DNAシーケンスフィルム上で、個々の塩基の画像（バン
ド）は、電気泳動の方向と垂直に細長いコロニー状をな
し、各塩基ごとのスロット間では互い違いとなって現わ
れる。従来技術では、この点について配慮がされておら
ず、単純に泳動方向に画像データを加算しているため、
バンドのコロニーの量がほゞ等しい塩基レーン間の境界
検出が困難となるという問題があった。

本発明の目的は、バンドのコロニーのずれの情報を積極
的に利用し、バンドのコロニーの量が近くても塩基レー
ン間の断層を明確に検出し、より高い認識精度を実現す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、DNAシーケンスフィルムの画像を取得、加
工する段階において、電気泳動方向（Ｙ軸方向）に対し
て垂直方向（Ｘ軸方向）の画像データについて、その隣
り合う画素間の変化分（差分）の絶対値を求め、該絶対
値をＸ軸の各座標に対してＹ軸方向に加算し、該加算結
果（差分絶対値和）が極大となるＸ座標位置をA,G,C,T
の各塩基に対応する帯（レーン）の境界と認識すること
により、達成される。

〔作 用〕

差分絶対値和を求める回路は、例えばディジタル化した
画像データをコンピュータ等の二次元メモリに送る動作
と並行して動作せしめる。これによりメモリ上の画像デ
ータにソフトウェアを適用して塩基レーン間の境界を求
める場合と比べて余分な処理時間が全く不要であり、画
像読取り装置の効率を低下させることはない。また、DN
Aシーケンスフィルム上の画像濃度には個々のばらつき
があるが、装置に組込んだ回路が効率良く多数の点につ
いて和を取るため、統計的な結果として、レーンの境界
にピークを持つ分布となり、ノイズ部分は除去されるの
で、誤認識の率は低くなり、また、ノイズが重なった特
異なピークが出た場合も間隔を見ることでソフトウェア
的にリカバリができるので誤動作することがない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面により説明する。

初め、第２図により本発明による各塩基に対応するレー
ンの境界認識の原理を説明する。第２図において、10が
放射性同位体等で標識し電気泳動を行った結果のフィル
ム（DNAシーケンスフィルム）であり、101〜104がA,G,
C,Tの４つの塩基に対応する帯（レーン）、105が放射性
同位体等による塩基の像影（バンド）である。

走査は、DNAシーケンスフィルム10の電気泳動方向と垂
直方向（Ｘ軸方向）を主走査として行われ、順次、副走
査すなわち電気泳動方向（Ｙ軸方向）に移動していく。
ここで、フィルム10上のバンド105は分子量の異なるヌ
クレオチドを電気泳動した結果の画像で、それぞれＸ軸
方向に細長い形状をし、その画像濃度は、バンドの中央
部ではほ均一で、両端部で大きく変化する。そこで、走
査して得られ主走査方向（Ｘ軸方向）の各隣り合う画素
間の画像濃度（画像データ）の差の絶対値（差分絶対
値）をとると、その値は、バンド105の中央部ではほぼ
零、両端付近で大となる。この差分絶対値を、各主走査
ラインについて、同一のＸ軸座標ごとに、Ｙ軸方向に加
算した値を差分絶対値和と呼ぶことにする。この差分絶
対値和は、フィルム10上の塩基画素（バンド105）のＸ
軸方向の変化を表わす特性量を示し、第２図の下方のグ
ラフ106に示すように各塩基のレーン101〜104の境界107
で極大となる。レーン101〜104はそれぞれA,G,C,Tの４
つの塩基に対応しており、その境界を正確に検出できれ
ば、フィルム10上の各バンド105の配列（塩基配列）が
一義的に決定できる。本発明では、レーン101〜104の各
境界107を、上記差分絶対値和が極大となる各Ｘ座標と
して正確に検出することができる。

第１図は本発明方式の一実施例のブロック図を示したも
のである。これは、DNAシーケンスフィルム10の画像を
読取るための１次元イメージセンサ11、その出力をアナ
ログからディジタルに変換するためのアナログ・ディジ
タル変換回路12、Ｘ軸方向（主走査方向）の各画素間に
おける画像データの変化分（差分）の絶対値（差分絶対
値）をとる差分絶対値回路13、同一のＸ座標ごとに、Ｙ
軸方向に誤差分絶対値の和（差分絶対値和）を求める加
算処理部14などから構成される。アナログ・ディシタル
変換回路12の画像データ（バンド105の画像データ）と
加算処理14の差分絶対値和データはコンピュータ本体の
入力となり、ディジタル処理による最終的に遺伝子の塩
基配列が決定される。

DNAシーケンスフィルム10の画像は、第２図に示したよ
うに、Ｘ軸方向を主走査方向、Ｙ軸方向を副走査方向と
して走査され、Ｘ軸方向１ライン分ごとに１次元イメー
ジセンサ11で読取られる。このイメージセンサ11で読取
られた画像データは、画素毎に、アナログ・ディジタル
変換回路12においてアナログ値からディジタル値に変換
される。こゝで、１画素の濃度を８ビットのディジタル
値で表わすとする。このディジタル値に変換された１ラ
イン分の画像データは差分絶対値回路13に入力される。

第３図は差分絶対値回路13の詳細図で、遅延回路131と
差分絶対値演算回路132から構成される。遅延回路131は
入力画像データを１画素分だけ遅延する回路、差分絶対
値演算回路132は遅延されない元の入力画像データと１
画素分遅延された画像データとの差の絶対値を求める回
路でるあ。アナログ・ディジタル変換回路12から直列に
順次送られてくる１ライン分の画像データは、そのまゝ
差分絶対値演算回路132へ入力されると共に、遅延回路1
31により１画素分だけ遅延されて差分絶対値演算回路13
2へ入力され、順次、その隣り合う画素間の変化分の絶
対値（差分絶対値）が求められる。

第４図は差分絶対値回路13の動作を説明するタイミング
チャートである。第４図の上段はアナログ・ディジタル
変換回路12から送られてくる入力画像データで、ｄ_i,j
はｘ座標がｉ、ｙ座標がｊ点の１画素のデータを示す。
この入力画像データは遅延回路131を通ることにより１
画素分だけ遅延され、遅延回路131からは第４図の中段
に示す画像データが出力される。差分絶対値演算回路13
2では、入力画像データ（第４図の上段データ）と１画
素分遅延された画像データ（第４図の中段データ）との
差の絶対値を求め、第４図の下段に示す差分絶対値デー
タを出力する。こゝで、差分絶対値Ｄ_i,jは、 Ｄ_i,j＝|d_i,j−ｄ_i,j−１｜ で表わされる。

このようにして、Ｘ軸方向の隣り合う画素間の変化分の
絶対値（差分絶対値）は、DNAシーケンスフィルム10の
走行と平行して、ほゞ同時に求められる。この差分絶対
値回路13で求まった差分絶対値データは加算処理部14に
入力され、Ｘ軸方向の各座標ごとに、そのＹ軸方向の差
分絶対値和が算出される。

第５図は加算処理部14の詳細図で、加算基141とアドレ
スカウンタ142と累積値メモリ143から構成される。累積
値メモリ143の各アドレスはＸ軸方向の各座標に対応し
ており、各アドレスごとに、それまで算出された当該座
標の差分絶対値和（部分和）データを格納している。加
算器141は、差分絶対値回路13からの入力差分絶対値と
累積値メモリ143のそれまでの差分絶対値を加算する回
路である。アドレスカウンタ142は累積値メモリ143の読
み書きアドレスを指定するもので、クロックにより順次
カウントアップされ、最大値（最大Ｘ座標値）に達する
と０に戻る動作を繰返す。第５図では、Ｘ座標は０〜2
¹³まであるとしているため（Ｘ軸方向の画素数＝
2¹³）、アドレスカウンタ142は14ビット構成である。

差分絶対値回路13で求った１ライン分の各画素（各Ｘ座
標）に対応する差分絶対値データは、順次、クロックに
同期して加算器141に入力される。クロックはアドレス
カウンタ142に入力され、累積値メモリ143のアドレス生
成に利用される。このアドレスカウンタ142により、累
積値メモリ143からは、同じくクロックに周期して、順
次、各Ｘ座標に対応するそれまでの差分絶対値和データ
が読出され、加算器141に入力される。加算器141の加算
結果は、累積値メモリ143における当該Ｘ座標に対応す
るアドレスに再書込まれる。これを各ラインについて繰
返すことにより、DNAシーケンスフィルム10の画像を全
て読終ると、累積値メモリ143内には、第２図に106で示
したようなＸ軸方向の画像変化の大きさを表わす特性量
（差分絶対値和）が各Ｘ座標ごとにディジタル値で得ら
れる。

なお、第５図では、累積値メモリ143内の差分絶対値和
データは16ビット構成をとるとしている。これに対し、
差分絶対値回路13で求まる差分絶対値データは８ビット
構成である。従って、加算器141では、入力される１ラ
イン分の各差分絶対値データについて、８ビット・オー
ルゼロのデータを上位桁に付加した後、累積値メモリ14
3から読出される16ビット構成の差分絶対値和データと
加算することになる。

第１図では省略したが、加算処理器14における累積値メ
モリ143の各Ｘ座標の差分絶対値和データはコンピュー
タ本体に入力される。このコンピュータ本体には、アナ
ログ・ディジタル変換回路12の出力としてDNAシーケン
スフィルム10の画像データも入力され、フィルム10と類
似イメージの二次元メモリに格納される。コンピュータ
本体では、この二次元メモリの画像データについて、加
算処理部14で求めたＸ軸方向の差分絶対値和を参照し
て、それが極大とするＸ座標を各塩基に対応する帯（レ
ーン）の境界と認識し、塩基配列を決めていくことにな
る。

なお、実施例では、画像データをディジタル化して差分
値の絶対値を求めたが、アナログ信号を用いて演算させ
ることも可能なことは明らかである。また、差分値の絶
対値の代りに、差の２乗値等を用いることも同様の効果
を持つことは明らかである。

第３図における遅延回路131では１画素相当分の遅れで
示したが、２画素以上の遅延を加えることでも同様の効
果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如く、本発明によれば、DNAシ
ーケンスフィルム上で、個々の塩基の像影（バンド）が
泳動方向に対して垂直に互い違いとなって現われる特性
を積極的に利用することにより、A,G,C,Tの各塩基に対
応する帯（レーン）の境界を明確に検出することがで
ぎ、塩基配列の自動認識装置において、様々なパターン
に対して安定した認識率を確保できる。また、各塩基に
対応するレーンの境界に対してピークを持つ特性量は、
DNAシーケンスフィルム上の画像の読取りとほゞ同時に
並行して得られるため、該特性量を得るための余分な処
理時間はほとんど必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明による各塩基レーン間の境界認識を説明する図、第３
図は第１図における差分絶対値回路の詳細図、第４図は
差分絶対値回路の動作タイミングチャートを示す図、第
５図は第１図における加算処理部の詳細図である。 10……DNAシーケンスフィルム、 11……１次元イメージセンサ、 12……アナログ・ディジタル変換回路、 13……差分絶対値回路、14……加算処理部、 101〜104……レーン、105……バンド。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−99841（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−102375（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−85861（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遺伝子の塩基配列を放射性同位体等で標識
   し、電気泳動を行った結果のフィルム（以下、DNAシー
   ケンスフィルムという）上の塩基配列の画像を、各塩基
   に対応する帯と関連づけて読み取るDNAパターン読取り
   装置において、 前記DNAシーケンスフィルム上の塩基配列の画像を、電
   気泳動方向（Ｙ軸方向とする）を副走査、該電気泳動方
   向に対して垂直方向（Ｘ軸方向とする）を主走査として
   順次読み取る手段と、 前記読み取られた各主走査ラインの画像データについ
   て、Ｘ軸方向の各隣り合う画素間の画像データの差分絶
   対値を求める手段と、 前記求めた各主走査ラインのＸ軸方向の各差分絶対値
   を、同一Ｘ座標ごとに、Ｙ軸方向について加算し、該加
   算結果が極大となる複数のＸ座標位置を求め、該求めた
   各Ｘ座標位置の隣り合う組のものをそれぞれ各塩基に対
   応する帯の境界とする手段と、 を有することを特徴とするDNAパターン読取り装置。