可変長積分時間サンプリングを用いるダイナミックレンジ拡張のためのシステムおよび方法
光検出器１２２によって生成された信号１２５は、ロング信号およびショート信号を含むサンプルセット１９２として測定される。ショート信号は、ロング信号が、光検出器１２２に関連したダイナミックレンジ１３１を超えるとき、ロング信号の値までスケーリングされる。１つの実施形態において、ショート信号は、ショートおよびロング時間間隔が、共通の中央時間値をシェアするように、ロング時間間隔のほぼ中央であるショート時間間隔中に取得される。このような対称性を考えると、ほぼ線形的な信号１９０は、ロングおよびショート信号との間の比例パラメータをもたらし、これによって、ショート信号がスケーリングされ得る。比例パラメータは、スケーリングの前に測定されたロングおよびショート信号から除去されるべき光検出器信号の積分独立コンポーネントの決定を容易にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（分野）
本教示は、概して信号処理に対して有用な方法、ソフトウェアおよび装置に関し、さまざまな実施形態において、電荷結合素子によって生成される信号を分析するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来技術）
電荷結合素子（ＣＣＤ）といった多くの光検出器は、発光を検出し、観察された光度を定量化するために分析され得る信号を生成するように設計されている。一般的に、従来のＣＣＤは、わずか２、３個の光電子を検出するために十分感応であり得る１つ以上の光検出エレメントを含む。ＣＣＤデバイスが、検出さえ得る光電子の数に関して数個のオーダの大きさに広がるダイナミックレンジの検出を有することがしばしば所望される。ダイナミックレンジを増加させることに対する従来の解決は、ＣＣＤに関連したアナログ―デジタル変換器（ＡＤＣ）のビットの数を増加させることを含み得る。ビットの数におけるこの増加は、しかしながら、またＣＣＤの製造のコストおよび処理時間を増加させる。ダイナミックレンジを拡張する別の方法は、選択されたエレメントから信号をハードウェアによって分析される複数の信号に分離することを伴い得る。各信号は、さらに、異なる利得を提供されて、これによって、分離された信号が、単一の信号のダイナミックレンジより広いダイナミックレンジを集合的にカバーすることを可能にする。ダイナミックレンジエンハンスメントのためのこのようなハードウェアの適合は、しばしば機器の費用のかかる、後からの取り付けを必要し、現存のデバイスともにインプリメントすることは実用的ではないかもしれない。先述から、ＣＣＤまたは他の光検出器デバイスのダイナミックレンジが改善され得る代替の方法の必要性があることが理解される。さらに、著しいハードウェアの変更の必要なしに現存のシステムとともに用いられるために適合され得るダイナミックレンジ拡張手法の必要性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（要旨）
さまざまな実施形態において、本教示は、可変長積分時間サンプリングアプローチを用いてＣＣＤによって生成される信号のための検出のダイナミックレンジを改善するシステムおよび方法を開示する。１つの局面において、所定のサンプリングパターンを有する存在する信号は、追加的な専用のハードウェアの必要性なしに、より広いダイナミックレンジ信号に再構成される。１つ以上の構成が利用され得、各構成は、特定のサンプリングインプリメンテーションに対して性能上の利点を提供し得る。各構成は、さらに、核酸シーケンス分析システムのいくつかとともに用いられるといったシャッター付きの、またはシャッターなしのＣＣＤデバイスのいずれかとともに用いられるために適合され得る。
【０００４】
さまざまな実施形態において、ダイナミックレンジの検出を改善する構成は、フレームごとの分析アプローチを用いて信号コンポーネントにアクセスする。各フレームは、部分的には、入射光から信号が生成される時間の持続期間によって決定されるロングおよび／またはショートサンプリングを含み得る。スケーリングの特性に基づいて、信号の積分独立（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ―ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）コンポーネント（オフセット）は、信号のサケーリングを容易にするために除去され得る。
【０００５】
１つの局面において、本発明は、光検出器によって取得された信号の処理中のダイナミックレンジ拡張のための方法を含む。方法は、光検出器から第１の信号コンポーネントおよび第２の信号コンポーネントを取得することであって、第１の信号コンポーネントは、第１の時間間隔中に光検出器信号の積分を含み、第２の信号コンポーネントおよび第１の信号コンポーネントは、第１および第２の時間間隔によって区分された選択された期間中に光検出器信号の取得された値を表すように第２の信号コンポーネントは、第２の時間間隔中に光検出器信号の積分を含み、第２の時間間隔は、第１の間隔に一時的に近接し、かつ、該第１の時間間隔より短い、ことと、第２の信号コンポーネントと第１の信号コンポーネントとの間のスケーリングファクターを決定することと、第１の信号コンポーネントが選択されたダイナミックレンジを超えるかどうかを決定し、従って、第１の信号コンポーネントがダイナミックレンジを超えるとき、スケーリングファクターによって第２の信号コンポーネントをスケーリングすることにより、第１の信号コンポーネントに近似させることと、その後、スケーリングされた第２の信号コンポーネントを用いることにより、選択された期間中の信号の値を表すこととを包含する。
【０００６】
別の局面において、本発明は、光検出器信号プロセッサによって生成される信号をスケーリングする方法を含む。方法は、サンプルセットに対して第１の信号値Ｌおよび第２の信号値Ｓを決定することであって、第１の信号値は、第１の間隔中に取得された信号に対応し、第２の信号値は、第２の間隔中に取得された信号に対応し、第２の信号値は、第１の信号値より小さく、該第１の信号は、特定されたレンジを超える、ことと、第１の信号値と第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定することと、第２の信号値をスケーリングすることにより、第１の信号値が特定されたレンジを超えている分近似させることとを包含する。
【０００７】
さらなる別の局面において、本発明は、光検出器信号の一連の積分を実行することであって、該一連は、交互するロングおよびショート積分間隔を包含する、ことと、
複数のオーバーラップするサンプルセットを形成することであって、各サンプルセットは、第１の信号値を産出する少なくとも１つの間隔中に、および第２の信号値産出するに少なくとも１つのショート間隔中に実行される積分を包含し、各サンプルセットは、該ロングまたはショート間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップする、こととを包含する。
【０００８】
さらなる別の局面において、本発明は、電気信号に変換されるラベル付けされたサンプル信号を検出する光検出器と、電気信号に関連した１つ以上のサンプルセットを取得する電気信号プロセッサとを備え、各サンプルセットは、第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを含み、第１の信号値は、第１の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、第２の信号値は、第１の間隔より小さい第２の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、信号プロセッサは、第２の信号値が、第１の信号値までスケーリングされるように、第１の信号値と第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定するために構成されており、プロセッサは、第１および第２の信号値に基づいて該サンプルセットを表す処理された信号を出力する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本教示のこれらの、および他の局面、利点、新規性のある特徴は、下記の詳細な記載を読むことにより、また添付の図面を参照することより明らかになる。図面において、同様のエレメントは、同様の参照番号を有する。
【００１０】
図１は、核酸サンプルのためのシーケンス決定またはフラグメント分析が可能であるアナライザ９０に対する例示的な概略図を示す。さまざまな実施形態において、アナライザ９０は、自動シーケンス分析を実行することによるサンプルのラベル付けおよび識別のために用いられる１つの以上のコンポーネントまたはデバイスを含み得る。アナライザ９０のさまざまなコンポーネントは、下記に詳述されるが、別々のコンポーネントまたは単一の一体化システムを含み得る。本教示は、さらに、自動および半自動シーケンス分析システムの両方に適用されるとともに自動および半自動シーケンス分析方法に適用される。シーケンス分析オペレーションのいくつかは手動で実行される。
【００１１】
ダイナミックレンジエンハンスメント方法は、多くの異なるタイプの光および信号検出方法に適用され得、かつ、ＣＣＤ信号検出および分析に必ずしも限定されないことがされに理解される。追加的に、本教示は、シンケーンス分析との文脈で、さまざまな実施形態において記載されるが、これらの方法は、他のデバイス／機器に直ちに適合され得、シーケンス分析以外の目的のために用いられ得る。例えば、本教示は、これらの機器のダイナミックレンジおよび信号雑音比（ＳＮＲ）を改善するＣＣＤといった光検出デバイスを利用する電子望遠鏡および顕微鏡に適用され得る。
【００１２】
ダイナミックレンジエンハンスト方法は、さまざまな用途のための光検出器に一般的に適用され得ることがまた理解される。用途のいくつかは、上記に例として記載される。一般的に、光検出器は、入射光子を電気信号に変換し、例えば、ＣＣＤ、光電子増倍管、またはフォトダイオードといった半導体ベースのデバイスを含み得る。
【００１３】
シーケンス分析の文脈において、例示的なシーケンスアナライザ９０は、反応コンポーネント９２を含み得る。サンプルのＰＣＲ増幅またはサイクルシーケンスが実行される。これらの増幅技術を用いて、蛍光性または、放射性のジデオキシ―ヌクレオチドといったラベルがサンプルに導入されて、可変長シーケンスの多くのフラグメントが製造される結果になる。
【００１４】
この分野で、既知であるように、１つ以上のラベルまたはダイ（ｄｙｅ）は、増幅ステップ中に用いられて、その後に続いて識別されるべき各ベースに対して識別可能なフラグメントの集合体を生成し得る。増幅後に、フラグメントは、それから、分離コンポーネント９４を用いる分離オペレーションを受ける。１つの局面において、分離コンポーネント９４は、フラグメントを識別可能な集合体に分離するジェルベースの、またはキャピラリー電気泳動法装置を含む。このアプローチを用いて、電流は、分離マトリックス（例えば、ポリアクリルアミドまたはアガロースゲル）にロードされた増幅したサンプルフラグメントを通過され得る。電流の適用は、マトリックス中にわたるサンプルを移送する結果になる。サンプルの移送が進行するにつれて、ラベル付けされたフラグメントは、分離され、検出器９６を介して通過される。ラベル付けされたフラグメントの分析が実行される。
【００１５】
１の局面において、検出器９６は、取り込まれたラベルの存在に基づいてフラグメントに対してさまざまなサイズまたは異なる組成を識別し得る。１つの例示的に実施形態において、フラグメント検出が、ラベルの吸収波長にチューニングされたレーザによって励起される蛍光性ラベルによって生成される、検出され得る信号の生成によって実行され得る。ラベルによって吸収されるエネルギーは、各フラグメントに対して測定された信号に対応する蛍光発光の結果を招く。フラグメントに取り込まれるラベルのタイプとともに蛍光信号の発生の順序の記録を取っておくことにより、サンプルのシーケンスは識別され得る。シーケンシン処理のより詳細な説明が、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ―Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ―Ｂａｓｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ」と題目された同一出願による米国特許第６，０４０，５８６号に提供される。
【００１６】
図１Ｂは、さらに、複数のラベル付けされたフラグメント１００に関連した信号を取得するために用いられ得る検出器９６に対する例示的なコンポーネントを示す。上述されるように、ラベル付けされたフラグメント１００は、そのフラグメント１００が、適切な波長およびエネルギー（例えば、チューニングされたレーザ）の励起ソース１１４を受けるとき生成される蛍光または放射エネルギーの品質を測定することよって分析され得る。フラグメント１００に関連したラベル１１６によって生成されるエネルギー放射１２０は、フラグメント１００が、検出ウインドウ１２３を通過するとき、電荷結合素子（ＣＣＤ）１２２を用いて検出され得る。検出ウインドウ１２３で、複数のエネルギー検出エレメント１２４は、ラベル１１６から放射されたエネルギーの少なくともいくつかを獲得し得る。１つの局面において、電気信号１２５は、エネルギー獲得時に検出ウインドウ１２３を通過するフラグメント１００の相対存在量におよそ比例しているＣＣＤ１２２によって生成され、フラグメント１００が検出ウインドウ１２３に現れる順序は、お互いに対してそれぞれの相対的な長さを示し得る。
【００１７】
信号プロセッサ１２６は、フラグメント１００に応答してＣＣＤ１２２によって生成される電気信号を取得するために信号サンプリングオペレーションを実行するようにさらに構成される。さまざまな実施形態において、信号プロセッサ１２６は、選択された間隔にわたる信号取得による所定の態様でこれらのサンプリングオペレーションを実行するために構成される。多くの従来の信号プロセッサにおいて、信号取得のパターンまたはタイミングは、信号の分析における柔軟性を制限するソフトウェアおよび／またはハードウェアが課した制限によって限定される。このことは、さらに、信号取得のダイナミックレンジの制限する結果になる。以下にさらに詳細に記載されるように、この教示は、いくつかのサンプリングの制限を克服することを助け、信号分析における増加した柔軟性を提供し得る。本教示のさまざまな実施形態によって提供される１つの所望される特徴は、システムのダイナミックレンジを改善するための態様で現存の信号情報を利用する能力であり、これによってその機能性を潜在的に増加させる。
【００１８】
さまざまな実施形態において、ＣＣＤ１２２によって出力される信号１２５は、サンプルフラグメント１００との間で著しく変化し得る。これは、相補測定が取られない場合には、信号１２５が、ＣＣＤ１２２に関連した信号プロセッサ１２６のダイナミックレンジを超えるので、従来のシステムにおいて潜在的な問題を呈する。図１Ｃに示される簡略化された電気フェログラム１２９に示されるように、信号１２５は、１つ以上の信号強度「ピーク」を含む信号分配を形成して取得され得る。各ピークは、さらに、検出されたフラグメント１００を示し得る。電気フェログラム１２７は、さらに、理論的な、または実験的なダイナミックレンジリミット１３１を含み得る。この限界１３１を超えるピーク強度は、定量化において減少した正確さを被る。この概念は、ダイナミックレンジリミット１３１を超える、示される例示的なピーク１３３によって示される。１つの局面において、このような発生が軽減されずに残されるとき、ピーク１３３から起こる定量化およびシーケンス分析情報は損なわれ得る。さまざまな実施形態において、本教示は、標準的な信号プロセッサの許容範囲を超え得、利用可能な信号情報とともに実行されるべき、より正確な計算を可能にする新しいダイナミックレンジを確立し得るピーク強度の分析を容易にする。
【００１９】
さまざまな実施形態において、信号分析およびピーク識別を介して決定され得る情報のいくつかは、各フラグメントの集合体の相対存在量または品質の決定を含み得る。信号の評価は、さらに、さまざまな既知のベースシーケンス分析技術を用いてサンプルのシーケンスまたは組成を決定するために用いられ得る。さらに、例示された信号分配は、各フラグメントの相対存在量が、部分的には、各ピークに関連した相対領域の決定に基づいて決定され得る１つ以上の核酸フラグメントを表し得ることが当業者には理解される。本教示は、従って、ピーク評価およびシーケンス分析に一般的に関連したその後に続く積分オペレーションを容易にするために、現存の分析アプローチに統合され得る。
【００２０】
さまざまな実施形態において、電気フェログラム１２７の分析は、信号プロセッサ１２６によって有利に実行され得る。信号プロセッサ１２６は、さらに、１つ以上のプロセッサ上で実行するように構成され得る。信号プロセッサのコンポーネントは、これに限定されないが、ソフトウェアまたはハードウェアコンポーネントと、ソフトウェアモジュールといったモジュールと、オブジェクト指向のソフトウェアコンポーネントと、クラスコンポーントと、タスクコンポーネントと、処理方法と、機能と、属性と、処理手順と、サブルーチンと、プログラムコードのセグメントと、ドライバと、ファームウェアと、マイクロコードと、回路データと、データと、データベースと、データ構造と、テーブルと、アレイと、変数とを含み得る。さらに、信号プロセッサ１２６は、処理された信号または分析結果をさらなる処理が起こり得る他のデバイスまたは機器に出力し得る。
【００２１】
図２は、図１Ａ―Ｃを参照して上述される信号プロセッサ１２６によってインプリメントされ得る信号処理の１つの局面を示す。さまざまな実施形態において、ソフトウェア制御のサンプリング方法は、一連の交互するロングサンプル１３４とショートサンプル１３６とを含む。これらのサンプル１３４は、ＣＣＤ１２２から情報が活発に取得される期間を反映する。一般的に、アイドル時間間隔（また、「デット時間」と称される時間間隔）が、近接したサンプリング間隔間に存在する。図２に示されるサンプリング例において、アイドル間隔は、ロングおよびショート間隔との間に一次的に位置し得る。さまざまな実施形態において、アイドル間隔は、ショートまたはロングサンプリング間隔と比較されたとき、実質的にごくわずかである。他の実施形態において、アイドル間隔は、十分であり得、サンプリング時間のかなりの量を考慮し得る。下記により詳細に記載されるように、信号処理オペレーションを実行するとき、信号サンプリング間のアイドル時間考慮することが所望され得る。１つの局面において、アイドル時間の識別は、ダイナミックレンジの信号検出を改善することにおいて有用であり得る。
【００２２】
さまざまな実施形態において、ロングサンプル１３４は、ＴＬの時間間隔中の信号１２５の積分を表し得る。ＣＣＤ１２２からの信号１２５のこのような積分は、実際の信号ＡＬおよび積分独立コンポーネントＣ（オフセット）を含む信号Ｌが測定される結果になる。積分独立コンポーネントＣは、これに限定されないが、オンチップ増幅器バイアスおよびＣＣＤ１２２に関連した偽（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）電荷を含む。同様に、ショートサンプル１３６は、Ｔｓの時間間隔中の信号１２５の積分を表し得る。ＣＣＤ１２２からの信号１２５のこのような積分は、実際の信号ＡｓおよびオフセットＣを含む信号Ｓが測定される結果になる。従って、測定された信号ＬおよびＳは以下のように表され得る。
【００２３】
Ｌ＝ＡＬ＋Ｃ （１）
Ｓ＝ＡＳ＋Ｃ （２）
さらに、実際の信号ＡＬとＡＳ間の関係は、以下のように表され得る。
【００２４】
【数１】
【００２５】
ここで、Ｋは、それぞれの積分間隔ＴＬ、ＴＳ中の実際の信号ＡＬ、ＡＳの性質に依存する比例パラメータである。
【００２６】
１つの局面において、測定された信号Ｌ、ＳそれぞれからオフセットＣを減算することにより実際の信号ＡＬ、ＡＳを決定することが所望される。オフセットＣは、以下の等式をもたらすために等式１〜３組み合わせることによって決定され得る。
【００２７】
【数２】
【００２８】
従って、ＬおよびＳの所定値に対して、信号の独立比例パラメータＫを決定することによって、オフセットＣは、等式４を用いて決定され得る。それから、結果生じたオフセットＣは、実際の信号ＡＬ、ＡＳそれぞれをもたらすために測定された信号ＬおよびＳから減算され得る。実際の信号ＡＬ、ＡＳが決定されると、それらは、下記の詳細な様態で、直接的に分析、またはスケーリングされ得る。
【００２９】
１つの局面において、サンプルセットは、少なくとも１つのロングサンプル１３４と、少なくとも１つのロングサンプル１３４に一時的に近接した１つのショートサンプル１３６とを含む。下記に詳細に記載されるように、ロングサンプルとショートサンプルのさまざまな組み合わせが、このようなサンプルセットを取得するために形成され得る。
【００３０】
１つの実施形態において、測定された信号Ｌ、Ｓは、ＣＣＤ信号１２５を電荷積分ＡＤＣに方向付けされ、ＴＬ、ＴＳを積分することによって取得され得る。１つの局面において、積分された信号は、ＣＣＤ１２２によって生成される光電子（Ｎ）の数に依存し得る。ここで、Ｎはポアソン統計に従う。理解されるように、ポアソン統計に関連した相対固有誤差（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｅｒｒｏｒ）は、
【００３１】
【数３】
【００３２】
として表され得る。この関係は、ＡＤＣのダイナミックレンジの内の可能な限り大きく積分された信号に対して通常好まれることを示す。このようにして、１つの局面において、サンプルセットを作るロングおよびショート測定は、選択的にスケーリングされ得る。一般的に、ＣＣＤ信号１２５が比較的強くない所定のサンプルセットに対して、ロング測定は、通常、より高い信号雑音比を有する信号を産出するので、ロング信号ＬがＡＤＣのダイナミックレンジの内であるとき、信号分析に対して用いられることが好まれる。所定のサンプルセットに対するロング信号Ｌが、ダイナミックレンジを超えるとき、ショート信号Ｓは、ロング信号Ｌ値がなんであるかを推定または近似するために、下記に記載される態様で、スケーリングされ得る。この例において、ショート信号Ｓのスケーリングされた値は、それから、その後に続く分析に対して用いられる。
【００３３】
図３は、上述の選択的スケーリングアプローチをインプリメントするために用いられ得る信号スケーリング処理１４０を示す。処理は、下記に記載されるスタート状態１４２で始まり、ループ１４８に入る。１つの局面において、ループ１４８は、サンプルのＣＣＤ分析中に所得されたＬおよびＳに対する値とともにロードされたアレイまたはデータ構造を循環する。あるいは、ループ１４８は分析が起こるとき、リアルタイムで進行し得る。ループ１４８の状態１４４において、サンプルセットのＬおよびＳの測定された積分値が決定される。その後に続く決定状態１４６は、Ｌの値がオフスケールかまたは計測器のダイナミックレンジを超えるかどうかを決定するために用いられ得る。ダイナミックレンジが超えられない例において、Ｌは、上述されるように、この後に続く分析のために用いられ得る。このようにして、状態１５０において、オフセットＣの値は、比例パラメータＫの信号特定値とともに、ＬおよびＳの測定された値から、（等式４に従って）決定され得る。この後に続く状態１５２において、オフセットＣは、Ｌの測定された値から減算され得て、実際の信号ＡＬを産出する。この後に続く状態１５４において、その後に続く分析のために用いられるべきスケーリングされた信号値は、実際の信号ＡＬのスケーリングされていない値を割り与えられ得る。処理１４０は、それから、決定状態１５６で、ループ１４８が継続するべきかどうかを決定する。ループ１４８が継続するとき、処理は、状態１４４に戻って、別の循環を開始する。ループ１４８が完了するとき、処理は、ストップ状態１６０で、終了する。
【００３４】
状態１４６において、測定された信号Ｌがスケーリングリミットを超えるとされる決定がなされるとき、測定された信号Ｌの有用性が潜在的に限定されることが観測され得、測定された信号Ｓは、実際のロング信号ＡＬが、どこに存在するかに関して推定するために処理され、スケーリングされる。この推定処理を開始するとき、測定された信号Ｓそれ自身がダイナミックレンジを超えるかどうかを決定する別の決定状態１６２に入り得る。１つの局面において、測定された信号がダイナミックレンジ内のとき、それは、下記の様態で処理され、スケーリングされ得る。
【００３５】
状態１６４において、オフセットＣに対する値が決定される。１つの局面において、測定された信号Ｌは、等式４を用いて決定されるＣの値は、オフスケールの結果を生成し得るので、現在のサンプルセットために用いられ得ない。従って、処理の１つのインプリメンテーションにおいて、Ｃの値は、以前の、または最近のサンプルから所得され得る。このようにして、オフセット決定は、多くのＣＣＤシステムにおいて、オフセットＣは実質的に変動しないので、所望される。このことは、温度といった動作条件が、制御されるとき一般的に当てはまる。このようにして、状態１６４における概算方法は、Ｃの値を決定する１つの方法である。この後に続く状態１６６において、オフセットＣは、測定された信号Ｓから減算され得て、実際の信号ＡＳを生成する。続く状態１７０において、実際の信号ＡＳは、Ｋ分スケーリングされ、この後に続く分析に用いられるべきスケーリングされた信号値として割り与えられ得る。パラメータＫを決定する１つの方法が記載される。処理１４０は、それから、ループ１４８が継続すべきかどうかを決定する上述された決定状態１５６に進む。
【００３６】
状態１６２において、信号Ｓがオフスケールとであると決定されるとき、測定された信号ＬおよびＳはともに、ダイナミックレンジに対してオフスケールと考えられ得る。この例において、処理は、現在のサンプルセットに対して制限された有用性を有する各信号を識別し得る。処理の１つのインプリメンテーションにおいて、このようなオフスケールの測定された信号は、状態１７２において、この後に続く分析中に、容易に認識できるように選択された値によって「キャプ」され得、つまりフラグが立てられ得る。１つの例示的な実施形態において、「実際」のショート信号ＡＳは、Ｍの値を割り与えられ得る。ここで、Ｍは、ダイナミックレンジの上限値（例えば、１３ビットＡＤＣは、０―８１９１のダイナミックレンジ有し、Ｍ＝８１９２）である。このようにして、キャップされた信号値は、スケール内（ｗｉｔｈｉｎ―ｓｃａｌｅ）で測定された信号から導出されたスケーリングされた信号より、大きくなり得る。オフスケール信号のこのような容易な識別は、この後に続く分析中に、適切態様で処理される。
【００３７】
１つの局面において、サンプルセットは、交互するショートおよびロングのサンプルの異なる組み合わせを含み得る。図４〜６は、サンプルセットおよび信号分配特性のさまざまな実施形態を示す。下記に記載されるサンプルセットのそれぞれにおいて、測定された信号Ｌ、Ｓは、サンプリングの特性に依存するサンプルセット特定の態様で取得され得る。さらに、各サンプルセットは、下記に記載されるように特定の信号タイプ分析に対して適し得る。このようにして、比例パラメータＫは、選択されたサンプルセットに関連付けられて、信号情報を処理することにおいて動作的に有用な値を産出し得る。１つの局面において、サンプルセット特定のＬ、Ｓ、Ｋの決定は、図３を参照して一般化された処理において上述されるスケーリングされた信号値の決定を可能にする。
【００３８】
図４に示されているように、サンプルセット１８２の１つの実施形態は、ロングサンプルと近接したショートサンプルとの組み合わせを含む。あるいは、サンプルセット１８６は、ロングサンプルが後に続くショートサンプルを含み得る。サンプルセット１８２、１８６は、信号１８０、１８４それぞれが、概して平坦であるか、サンプルセットに関連した時間間隔中に比較的遅く変化するとき、用いられ得る。このような信号に対して、実際の信号ＡＬ、ＡＳの積分された値は、それらのそれぞれの積分時間ＴＬおよびＴＳに正比例する。従って、ＴＬ／ＴＳ＝ＡＬ／ＡＳである。ここで、ＡＬ／ＡＳ比は、比例パラメータＫ（等式３）の定義である。積分時間間隔は、ＴＬは、ｎ倍分だけＴＳより大きいように選択され得、以下の等式をもたらす。
【００３９】
Ｋ＝ｎ （５ａ）
【００４０】
【数４】
【００４１】
従って、オフセットＣは、等式５ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は上述の態様で決定されることが可能である。
【００４２】
図５に示されているように、サンプルセット１９２の別の実施形態は、対応する測定された信号Ａ１、Ａ２、Ａ３を有するロング―ショート―ロングサンプリング時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３シーケンスを含む。ショートサンプルは、時間間隔ＴＳ＝Ｔ２中にされた測定を含む。ロングサンプルは、時間間隔ＴＬ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３中になされた測定を含む。このようにして、図５に示されるように、測定された信号ＬおよびＳを決定する処理２００は、時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３中にＡ１、Ａ２、Ａ３を決定することと、測定された信号Ｌ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３および測定された信号Ｓ＝Ａ２と決定することを含む。
【００４３】
さまざまな実施形態において、サンプル１９２は、Ｔ１-＝Ｔ３、Ｔ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ２＝ｎのように構成され得る。ここで、ｎは、定数値である。このような構成が与えられており、サンプルセット１９２で覆われている信号１９０の一部分が、図５に示されているように線形的であるとき、共通の中央値１９４は、ショートおよびロングサンプルの両方によって一時的に、また信号値の点でシェアされる。このような対照性から、以下のことが実証される。
【００４４】
【数５】
【００４５】
【数６】
【００４６】
従って、オフセットＣは、等式６ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は、上記の態様で決定されることが可能である。図５に示されるサンプル１９２は、ＣＣＤ信号がサンプルセットに囲まれている間隔中に少なくとも、ほぼ線形的であるとき、用いられ得ることが理解される。ＣＣＤ信号が実質的に線形的でないとき、体系的分散が生成され得るが、この分散は、所定の測定および分析の受容され得るレンジ内であり得る。
【００４７】
さまざまな実施形態において、ロング間隔Ｔ１、Ｔ３のそれぞれは、「標準」的な非セグメント化された積分時間のほぼ半分であるように選択される。ショート間隔Ｔ２は、一般的に、Ｔ１またはＴ３より実質的に小さく、下記に開示される方法によって、所望のダイナミックレンジを達成するために選択される。ロングおよびショート間隔の持続時間が、シーケンス分析システムに用いられる現存のハードウェアによって決定され得ることが理解される。これらの持続時間は、用いられる機器のタイプに依存して、変更、または固定され得る。本教示の１つの利点は、開示された方法がダイナミックレンジを改善するためにハードウェアの修正を必要なしに未加工の形で大半の従来のシステムによって生成される信号情報に適用され得ることである。
【００４８】
図６は、アイドル時間間隔を考慮する別のサンプルセット２１２を示す。いくつかの局面において、サンプル２１２は、アイドル時間間隔が２つの近接したサンプリング間隔との間に挿入されることを除いて、図５のサンプルセット１９２と同様である。従って、サンプルセット２１２は、時間間隔（Ｔ１〜Ｔ５）のシーケンスを含む。Ｔ１は、測定された信号Ａ１を有する第１のロングサンプルに対応し、Ｔ２は、第１のアイドル時間間隔に対応し、Ｔ３は、測定された信号Ａ３を有するショートサンプルに対応し、Ｔ４は、第２のアイドル時間間隔に対応し、Ｔ５は、測定された信号Ａ５を有する第２のロングサンプルに対応する。さまざまな実施形態において、サンプルセット２１２によって覆われる信号２１０の一部分が図６に示されるように線形的であるとき、Ｔ１＝Ｔ５、Ｔ２＝Ｔ４である。従って、共通の中央値２１４は、ショートおよびロングサンプルの両方によって一時的に、および／または信号値の点でシェアされ得る。このような対照性を用いて、それは、ＡＬ／ＡＳ＝（Ｔ１＋Ｔ３＋Ｔ５）／Ｔ３比で示され得る。
【００４９】
１つのインプリメンテーションにおいて、サンプルセット２１２は、Ｔ１／Ｔ３＝Ｔ５／Ｔ３＝ｎであるように構成され得る。ここで、ｎは定数値である。従って、
【００５０】
【数７】
【００５１】
【数８】
【００５２】
従って、オフセットＣは、等式７ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は、上記の態様で決定されることが可能になる。図６に示されるサンプルセット２１２は、ＣＣＤ信号１２５がサンプルセットに覆われている間隔中に少なくとも、ほぼ線形的であるとき、用いられ得ることが理解される。ＣＣＤ信号１２５が実質的に線形的でないとき、これによって体系的分散を生成するが、この分散は、所定の測定および分析の受容され得るレンジ内であり得る。
【００５３】
第１および第２のアイドルの時間間隔Ｔ２、Ｔ４は、ロングおよびショートサンプルの対照性を保存するために所望されるように同様であり、従って、共有の中央値２１４を確立することを容易にすることが理解される。１つの実施形態において、アイドルの間隔は、ＣＣＤ１２２およびほぼ１〜１０ミリ秒のレンジを有するその関連した信号処理デバイスの関数であり得る。１つの局面において、アイドル間隔Ｔ２、Ｔ４は、カメラのハードウェアおよび／または制御ファームウェアによって、通常、制限されることによってできるだけ短く選択される。ロング間隔Ｔ１、Ｔ５およびそれらの間のショート間隔Ｔ３は、図５を参照して上述される同様な態様で選択され得る。
【００５４】
上述されるＣＣＤ信号スケーリング処理のさまざまなインプリメンテーションは、一般的に、所定のサンプルに対するフラグメント１００の測定中に複数のサンプルセットに対して繰り返される。１つの局面において、サンプリング方法は、下記に記載される態様でサンプルセットのオーバーラップを含み得る。図７は、ロングおよびショート積分間隔との間に挿入されるアイドル間隔を有する一連の交互するロングおよびショート積分間隔を示す。図７のサンプリング方法が、アイドル間隔を有するという文脈で記載されている一方で、サンプリング方法はアイドル間隔が比較的小さい、または実質的にわずかであるいずれかの状況に同等に適用されることが理解される。
【００５５】
さまざまな実施形態において、オーバーラップサンプリング方法２４０は、各サンプルセットが、２つのロング間隔の間に挿入されるショート間隔を有する複数のサンプルセットを含む。このようなサンプルセットは、図６を参照して上述される。ＣＣＤ信号サンプリングの例示的なセグメントは、ロング間隔２４２と、ショート間隔２４４と、ロング間隔２４６と、ショート間隔２５０と、ロング間隔２５２と、ショート間隔２５４とのシーケンスを含む。
【００５６】
第１の例示的なサンプルセット２６０は、ショート間隔２４４中に積分することによって取得される測定されたショート信号Ｓ１と、間隔（２４２、２４４、２４６）中に積分することによって取得される測定されたロング信号Ｌ１とを含む。第２の例示的なサンプルセット２６２は、ショート間隔２５０中に積分することによって取得される測定されたショート信号Ｓ２と、間隔（２４６、２５０、２５２）中に積分することによって取得される測定されたロング信号Ｌ２とを含む。従って、第１および第２のサンプルセット２６０および２６２は、ロング間隔２４６においてオーバーラップする。このようなオーバーラップは、サンプルセット（データポイント）の数が、所定の測定パスに対して増加することを可能にする。測定パスが、Ｎ個のオーバーラップしないシーケンシャルサンプルセットを有する総時間間隔を含むとき、オーバーラップは、サンプルセットの数が、ほぼ２Ｎ個にまで増加することを可能にする。
【００５７】
１つの局面において、図５〜図７を参照して上述にされるさまざまなロング―ショート―ロング積分方法は、ＣＣＤカメラに関連したノイズの作用を減少させ（これによって、信号雑音比を増加させ）るために適合され得る。図５〜図７において、ショート積分時間間隔は、２つのロング積分時間間隔との間に挿入され、測定されたロング信号は、ロング―ショート―ロング間隔（ｌｓｌ方法）中に積分された値の合計である。下記により詳細に記載されるように、ロング信号が代わりに、２つのロング積分時間間隔を含み、ショート間隔（ｌｌ方法）を除外するとき、測定の信号雑音比（ＳＮＲ）は増加し得る。
【００５８】
図５を参照して、このような図式は、上述と同様の態様で、Ｌ＝Ａ１＋Ａ３、Ｓ＝Ａ２、Ｋ＝２ｎ、Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）をもたらす。図６に示される構成に適用されるとき、この図式は、Ｌ＝Ａ１＋Ａ５、Ｓ＝Ａ３、Ｋ＝２ｎ、Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）をもたらす。
【００５９】
ロング信号Ｌにおけるサンプリングの数を減少する（３個の代わり２個）ことによって達成される１つの利点は、ＣＤＤに関連したノイズσに関する。一般的に理解されるように、ノイズσは、ＣＣＤ上の信号を定量化する処理中に導入される固有不確実性を引用し、多くの場合には、その主なコンポーネント（リードノイズσＲおよびショットノイズσＳ）の求積法の平方根として推定され得る。ＳＮＲにおける増加は特に有用である弱い信号を含むオンスケール(ｏｎ―ｓｃａｌｅ）の信号に対して、ＳＮＲは、以下のように表され得る。
【００６０】
【数９】
【００６１】
ここでＡＬは、実際の信号を表し、σは、測定中の全体のノイズを表す。ショットノイズσＳは、ポワソン統計に従うので以下のとおりになる。
【００６２】
【数１０】
【００６３】
図５〜図７に示されるｌｓｌおよびｌｌ方法に対して、２つのロング間隔のそれぞれは、ショート間隔よりほぼｎ倍長い。従って、
【００６４】
【数１１】
【００６５】
ここで、Ａｌｓｌは、ｌｓｌ方法に対する実際の信号であり、Ａｌｌは、ｌｌ方法に対する実際の信号である。さらに、ｌｓｌ方法は、３つの別々の時間間隔中に積分する。従って、個々の間隔ノイズは、求積法で増加し、
【００６６】
【数１２】
【００６７】
をもたらす。同様に、ｌｌ方法は、２つの別々の時間間隔中に積分し、
【００６８】
【数１３】
【００６９】
をもたらす。このようにして、ｌｌおよびｌｓｌ構成に対するＳＮＲの比は、以下のように表され得る。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
ｎ＝２０、Ａｌｌ＝８０００個の電子、σＲ＝８０電子実効値（ｒｍｓ値）である一般的な動作構成に対して、ＳＮＲｌｌ／ＳＮＲｌｓｌ比＝１．１２であり、信号雑音比においておよそ１２％の増加を示す。図９に示されるように、ＳＮＲｌｌ／ＳＮＲｌｓ比は、異なる値ｎ、ＡＬ、σＲ、またはそれらの組み合わせを選択することによってさらに増加され得る。
【００７２】
本発明の上記に開示される実施形態が、その上記に開示される実施形態に適用されるもととして本発明の基本的な新規性のある特徴を示し、記載し、かつ、指摘しているが、示されるデバイス、システムおよび／または方法の詳細な形でさまざまな省略、代用、変更が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者には理解されるべきである。従って、本発明の範囲は、先述の記載に限定されるべきではなく、添付の請求項によって定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】ＣＣＤラベル検出コンポーネントを含む例示的なシーケンス分析システム示す。
【図２】一連のロングおよびショート間隔を含む信号のソフトウェアサンプリングのための例示的な方法を示す。
【図３】サンプルセットからのロングおよびショート間隔を利用する一般化された信号スケーリング処理を示す。
【図４】近接したロングおよびショート間隔を含むサンプルセットの分析の実施形態を示す。
【図５】ショート信号がショート間隔から取得され、ロング信号がロング―ショート―ロング間隔から取得されるようにロング間隔との間に挿入されるショート間隔を含むサンプルセットの分析の別の実施形態を示す。
【図６】積分間隔間に挿入されるアイドル間隔を含むサンプルセットの別の実施形態を示す。
【図７】隣接するサンプルセットの部分が、サンプルセットの数を増加するようにオーバーラップする、オーバーラップしているサンプリング方法を示す。
【技術分野】
【０００１】
（分野）
本教示は、概して信号処理に対して有用な方法、ソフトウェアおよび装置に関し、さまざまな実施形態において、電荷結合素子によって生成される信号を分析するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（従来技術）
電荷結合素子（ＣＣＤ）といった多くの光検出器は、発光を検出し、観察された光度を定量化するために分析され得る信号を生成するように設計されている。一般的に、従来のＣＣＤは、わずか２、３個の光電子を検出するために十分感応であり得る１つ以上の光検出エレメントを含む。ＣＣＤデバイスが、検出さえ得る光電子の数に関して数個のオーダの大きさに広がるダイナミックレンジの検出を有することがしばしば所望される。ダイナミックレンジを増加させることに対する従来の解決は、ＣＣＤに関連したアナログ―デジタル変換器（ＡＤＣ）のビットの数を増加させることを含み得る。ビットの数におけるこの増加は、しかしながら、またＣＣＤの製造のコストおよび処理時間を増加させる。ダイナミックレンジを拡張する別の方法は、選択されたエレメントから信号をハードウェアによって分析される複数の信号に分離することを伴い得る。各信号は、さらに、異なる利得を提供されて、これによって、分離された信号が、単一の信号のダイナミックレンジより広いダイナミックレンジを集合的にカバーすることを可能にする。ダイナミックレンジエンハンスメントのためのこのようなハードウェアの適合は、しばしば機器の費用のかかる、後からの取り付けを必要し、現存のデバイスともにインプリメントすることは実用的ではないかもしれない。先述から、ＣＣＤまたは他の光検出器デバイスのダイナミックレンジが改善され得る代替の方法の必要性があることが理解される。さらに、著しいハードウェアの変更の必要なしに現存のシステムとともに用いられるために適合され得るダイナミックレンジ拡張手法の必要性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
（要旨）
さまざまな実施形態において、本教示は、可変長積分時間サンプリングアプローチを用いてＣＣＤによって生成される信号のための検出のダイナミックレンジを改善するシステムおよび方法を開示する。１つの局面において、所定のサンプリングパターンを有する存在する信号は、追加的な専用のハードウェアの必要性なしに、より広いダイナミックレンジ信号に再構成される。１つ以上の構成が利用され得、各構成は、特定のサンプリングインプリメンテーションに対して性能上の利点を提供し得る。各構成は、さらに、核酸シーケンス分析システムのいくつかとともに用いられるといったシャッター付きの、またはシャッターなしのＣＣＤデバイスのいずれかとともに用いられるために適合され得る。
【０００４】
さまざまな実施形態において、ダイナミックレンジの検出を改善する構成は、フレームごとの分析アプローチを用いて信号コンポーネントにアクセスする。各フレームは、部分的には、入射光から信号が生成される時間の持続期間によって決定されるロングおよび／またはショートサンプリングを含み得る。スケーリングの特性に基づいて、信号の積分独立（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ―ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）コンポーネント（オフセット）は、信号のサケーリングを容易にするために除去され得る。
【０００５】
１つの局面において、本発明は、光検出器によって取得された信号の処理中のダイナミックレンジ拡張のための方法を含む。方法は、光検出器から第１の信号コンポーネントおよび第２の信号コンポーネントを取得することであって、第１の信号コンポーネントは、第１の時間間隔中に光検出器信号の積分を含み、第２の信号コンポーネントおよび第１の信号コンポーネントは、第１および第２の時間間隔によって区分された選択された期間中に光検出器信号の取得された値を表すように第２の信号コンポーネントは、第２の時間間隔中に光検出器信号の積分を含み、第２の時間間隔は、第１の間隔に一時的に近接し、かつ、該第１の時間間隔より短い、ことと、第２の信号コンポーネントと第１の信号コンポーネントとの間のスケーリングファクターを決定することと、第１の信号コンポーネントが選択されたダイナミックレンジを超えるかどうかを決定し、従って、第１の信号コンポーネントがダイナミックレンジを超えるとき、スケーリングファクターによって第２の信号コンポーネントをスケーリングすることにより、第１の信号コンポーネントに近似させることと、その後、スケーリングされた第２の信号コンポーネントを用いることにより、選択された期間中の信号の値を表すこととを包含する。
【０００６】
別の局面において、本発明は、光検出器信号プロセッサによって生成される信号をスケーリングする方法を含む。方法は、サンプルセットに対して第１の信号値Ｌおよび第２の信号値Ｓを決定することであって、第１の信号値は、第１の間隔中に取得された信号に対応し、第２の信号値は、第２の間隔中に取得された信号に対応し、第２の信号値は、第１の信号値より小さく、該第１の信号は、特定されたレンジを超える、ことと、第１の信号値と第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定することと、第２の信号値をスケーリングすることにより、第１の信号値が特定されたレンジを超えている分近似させることとを包含する。
【０００７】
さらなる別の局面において、本発明は、光検出器信号の一連の積分を実行することであって、該一連は、交互するロングおよびショート積分間隔を包含する、ことと、
複数のオーバーラップするサンプルセットを形成することであって、各サンプルセットは、第１の信号値を産出する少なくとも１つの間隔中に、および第２の信号値産出するに少なくとも１つのショート間隔中に実行される積分を包含し、各サンプルセットは、該ロングまたはショート間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップする、こととを包含する。
【０００８】
さらなる別の局面において、本発明は、電気信号に変換されるラベル付けされたサンプル信号を検出する光検出器と、電気信号に関連した１つ以上のサンプルセットを取得する電気信号プロセッサとを備え、各サンプルセットは、第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを含み、第１の信号値は、第１の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、第２の信号値は、第１の間隔より小さい第２の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、信号プロセッサは、第２の信号値が、第１の信号値までスケーリングされるように、第１の信号値と第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定するために構成されており、プロセッサは、第１および第２の信号値に基づいて該サンプルセットを表す処理された信号を出力する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本教示のこれらの、および他の局面、利点、新規性のある特徴は、下記の詳細な記載を読むことにより、また添付の図面を参照することより明らかになる。図面において、同様のエレメントは、同様の参照番号を有する。
【００１０】
図１は、核酸サンプルのためのシーケンス決定またはフラグメント分析が可能であるアナライザ９０に対する例示的な概略図を示す。さまざまな実施形態において、アナライザ９０は、自動シーケンス分析を実行することによるサンプルのラベル付けおよび識別のために用いられる１つの以上のコンポーネントまたはデバイスを含み得る。アナライザ９０のさまざまなコンポーネントは、下記に詳述されるが、別々のコンポーネントまたは単一の一体化システムを含み得る。本教示は、さらに、自動および半自動シーケンス分析システムの両方に適用されるとともに自動および半自動シーケンス分析方法に適用される。シーケンス分析オペレーションのいくつかは手動で実行される。
【００１１】
ダイナミックレンジエンハンスメント方法は、多くの異なるタイプの光および信号検出方法に適用され得、かつ、ＣＣＤ信号検出および分析に必ずしも限定されないことがされに理解される。追加的に、本教示は、シンケーンス分析との文脈で、さまざまな実施形態において記載されるが、これらの方法は、他のデバイス／機器に直ちに適合され得、シーケンス分析以外の目的のために用いられ得る。例えば、本教示は、これらの機器のダイナミックレンジおよび信号雑音比（ＳＮＲ）を改善するＣＣＤといった光検出デバイスを利用する電子望遠鏡および顕微鏡に適用され得る。
【００１２】
ダイナミックレンジエンハンスト方法は、さまざまな用途のための光検出器に一般的に適用され得ることがまた理解される。用途のいくつかは、上記に例として記載される。一般的に、光検出器は、入射光子を電気信号に変換し、例えば、ＣＣＤ、光電子増倍管、またはフォトダイオードといった半導体ベースのデバイスを含み得る。
【００１３】
シーケンス分析の文脈において、例示的なシーケンスアナライザ９０は、反応コンポーネント９２を含み得る。サンプルのＰＣＲ増幅またはサイクルシーケンスが実行される。これらの増幅技術を用いて、蛍光性または、放射性のジデオキシ―ヌクレオチドといったラベルがサンプルに導入されて、可変長シーケンスの多くのフラグメントが製造される結果になる。
【００１４】
この分野で、既知であるように、１つ以上のラベルまたはダイ（ｄｙｅ）は、増幅ステップ中に用いられて、その後に続いて識別されるべき各ベースに対して識別可能なフラグメントの集合体を生成し得る。増幅後に、フラグメントは、それから、分離コンポーネント９４を用いる分離オペレーションを受ける。１つの局面において、分離コンポーネント９４は、フラグメントを識別可能な集合体に分離するジェルベースの、またはキャピラリー電気泳動法装置を含む。このアプローチを用いて、電流は、分離マトリックス（例えば、ポリアクリルアミドまたはアガロースゲル）にロードされた増幅したサンプルフラグメントを通過され得る。電流の適用は、マトリックス中にわたるサンプルを移送する結果になる。サンプルの移送が進行するにつれて、ラベル付けされたフラグメントは、分離され、検出器９６を介して通過される。ラベル付けされたフラグメントの分析が実行される。
【００１５】
１の局面において、検出器９６は、取り込まれたラベルの存在に基づいてフラグメントに対してさまざまなサイズまたは異なる組成を識別し得る。１つの例示的に実施形態において、フラグメント検出が、ラベルの吸収波長にチューニングされたレーザによって励起される蛍光性ラベルによって生成される、検出され得る信号の生成によって実行され得る。ラベルによって吸収されるエネルギーは、各フラグメントに対して測定された信号に対応する蛍光発光の結果を招く。フラグメントに取り込まれるラベルのタイプとともに蛍光信号の発生の順序の記録を取っておくことにより、サンプルのシーケンスは識別され得る。シーケンシン処理のより詳細な説明が、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ―Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ―Ｂａｓｅｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ」と題目された同一出願による米国特許第６，０４０，５８６号に提供される。
【００１６】
図１Ｂは、さらに、複数のラベル付けされたフラグメント１００に関連した信号を取得するために用いられ得る検出器９６に対する例示的なコンポーネントを示す。上述されるように、ラベル付けされたフラグメント１００は、そのフラグメント１００が、適切な波長およびエネルギー（例えば、チューニングされたレーザ）の励起ソース１１４を受けるとき生成される蛍光または放射エネルギーの品質を測定することよって分析され得る。フラグメント１００に関連したラベル１１６によって生成されるエネルギー放射１２０は、フラグメント１００が、検出ウインドウ１２３を通過するとき、電荷結合素子（ＣＣＤ）１２２を用いて検出され得る。検出ウインドウ１２３で、複数のエネルギー検出エレメント１２４は、ラベル１１６から放射されたエネルギーの少なくともいくつかを獲得し得る。１つの局面において、電気信号１２５は、エネルギー獲得時に検出ウインドウ１２３を通過するフラグメント１００の相対存在量におよそ比例しているＣＣＤ１２２によって生成され、フラグメント１００が検出ウインドウ１２３に現れる順序は、お互いに対してそれぞれの相対的な長さを示し得る。
【００１７】
信号プロセッサ１２６は、フラグメント１００に応答してＣＣＤ１２２によって生成される電気信号を取得するために信号サンプリングオペレーションを実行するようにさらに構成される。さまざまな実施形態において、信号プロセッサ１２６は、選択された間隔にわたる信号取得による所定の態様でこれらのサンプリングオペレーションを実行するために構成される。多くの従来の信号プロセッサにおいて、信号取得のパターンまたはタイミングは、信号の分析における柔軟性を制限するソフトウェアおよび／またはハードウェアが課した制限によって限定される。このことは、さらに、信号取得のダイナミックレンジの制限する結果になる。以下にさらに詳細に記載されるように、この教示は、いくつかのサンプリングの制限を克服することを助け、信号分析における増加した柔軟性を提供し得る。本教示のさまざまな実施形態によって提供される１つの所望される特徴は、システムのダイナミックレンジを改善するための態様で現存の信号情報を利用する能力であり、これによってその機能性を潜在的に増加させる。
【００１８】
さまざまな実施形態において、ＣＣＤ１２２によって出力される信号１２５は、サンプルフラグメント１００との間で著しく変化し得る。これは、相補測定が取られない場合には、信号１２５が、ＣＣＤ１２２に関連した信号プロセッサ１２６のダイナミックレンジを超えるので、従来のシステムにおいて潜在的な問題を呈する。図１Ｃに示される簡略化された電気フェログラム１２９に示されるように、信号１２５は、１つ以上の信号強度「ピーク」を含む信号分配を形成して取得され得る。各ピークは、さらに、検出されたフラグメント１００を示し得る。電気フェログラム１２７は、さらに、理論的な、または実験的なダイナミックレンジリミット１３１を含み得る。この限界１３１を超えるピーク強度は、定量化において減少した正確さを被る。この概念は、ダイナミックレンジリミット１３１を超える、示される例示的なピーク１３３によって示される。１つの局面において、このような発生が軽減されずに残されるとき、ピーク１３３から起こる定量化およびシーケンス分析情報は損なわれ得る。さまざまな実施形態において、本教示は、標準的な信号プロセッサの許容範囲を超え得、利用可能な信号情報とともに実行されるべき、より正確な計算を可能にする新しいダイナミックレンジを確立し得るピーク強度の分析を容易にする。
【００１９】
さまざまな実施形態において、信号分析およびピーク識別を介して決定され得る情報のいくつかは、各フラグメントの集合体の相対存在量または品質の決定を含み得る。信号の評価は、さらに、さまざまな既知のベースシーケンス分析技術を用いてサンプルのシーケンスまたは組成を決定するために用いられ得る。さらに、例示された信号分配は、各フラグメントの相対存在量が、部分的には、各ピークに関連した相対領域の決定に基づいて決定され得る１つ以上の核酸フラグメントを表し得ることが当業者には理解される。本教示は、従って、ピーク評価およびシーケンス分析に一般的に関連したその後に続く積分オペレーションを容易にするために、現存の分析アプローチに統合され得る。
【００２０】
さまざまな実施形態において、電気フェログラム１２７の分析は、信号プロセッサ１２６によって有利に実行され得る。信号プロセッサ１２６は、さらに、１つ以上のプロセッサ上で実行するように構成され得る。信号プロセッサのコンポーネントは、これに限定されないが、ソフトウェアまたはハードウェアコンポーネントと、ソフトウェアモジュールといったモジュールと、オブジェクト指向のソフトウェアコンポーネントと、クラスコンポーントと、タスクコンポーネントと、処理方法と、機能と、属性と、処理手順と、サブルーチンと、プログラムコードのセグメントと、ドライバと、ファームウェアと、マイクロコードと、回路データと、データと、データベースと、データ構造と、テーブルと、アレイと、変数とを含み得る。さらに、信号プロセッサ１２６は、処理された信号または分析結果をさらなる処理が起こり得る他のデバイスまたは機器に出力し得る。
【００２１】
図２は、図１Ａ―Ｃを参照して上述される信号プロセッサ１２６によってインプリメントされ得る信号処理の１つの局面を示す。さまざまな実施形態において、ソフトウェア制御のサンプリング方法は、一連の交互するロングサンプル１３４とショートサンプル１３６とを含む。これらのサンプル１３４は、ＣＣＤ１２２から情報が活発に取得される期間を反映する。一般的に、アイドル時間間隔（また、「デット時間」と称される時間間隔）が、近接したサンプリング間隔間に存在する。図２に示されるサンプリング例において、アイドル間隔は、ロングおよびショート間隔との間に一次的に位置し得る。さまざまな実施形態において、アイドル間隔は、ショートまたはロングサンプリング間隔と比較されたとき、実質的にごくわずかである。他の実施形態において、アイドル間隔は、十分であり得、サンプリング時間のかなりの量を考慮し得る。下記により詳細に記載されるように、信号処理オペレーションを実行するとき、信号サンプリング間のアイドル時間考慮することが所望され得る。１つの局面において、アイドル時間の識別は、ダイナミックレンジの信号検出を改善することにおいて有用であり得る。
【００２２】
さまざまな実施形態において、ロングサンプル１３４は、ＴＬの時間間隔中の信号１２５の積分を表し得る。ＣＣＤ１２２からの信号１２５のこのような積分は、実際の信号ＡＬおよび積分独立コンポーネントＣ（オフセット）を含む信号Ｌが測定される結果になる。積分独立コンポーネントＣは、これに限定されないが、オンチップ増幅器バイアスおよびＣＣＤ１２２に関連した偽（ｓｐｕｒｉｏｕｓ）電荷を含む。同様に、ショートサンプル１３６は、Ｔｓの時間間隔中の信号１２５の積分を表し得る。ＣＣＤ１２２からの信号１２５のこのような積分は、実際の信号ＡｓおよびオフセットＣを含む信号Ｓが測定される結果になる。従って、測定された信号ＬおよびＳは以下のように表され得る。
【００２３】
Ｌ＝ＡＬ＋Ｃ （１）
Ｓ＝ＡＳ＋Ｃ （２）
さらに、実際の信号ＡＬとＡＳ間の関係は、以下のように表され得る。
【００２４】
【数１】
【００２５】
ここで、Ｋは、それぞれの積分間隔ＴＬ、ＴＳ中の実際の信号ＡＬ、ＡＳの性質に依存する比例パラメータである。
【００２６】
１つの局面において、測定された信号Ｌ、ＳそれぞれからオフセットＣを減算することにより実際の信号ＡＬ、ＡＳを決定することが所望される。オフセットＣは、以下の等式をもたらすために等式１〜３組み合わせることによって決定され得る。
【００２７】
【数２】
【００２８】
従って、ＬおよびＳの所定値に対して、信号の独立比例パラメータＫを決定することによって、オフセットＣは、等式４を用いて決定され得る。それから、結果生じたオフセットＣは、実際の信号ＡＬ、ＡＳそれぞれをもたらすために測定された信号ＬおよびＳから減算され得る。実際の信号ＡＬ、ＡＳが決定されると、それらは、下記の詳細な様態で、直接的に分析、またはスケーリングされ得る。
【００２９】
１つの局面において、サンプルセットは、少なくとも１つのロングサンプル１３４と、少なくとも１つのロングサンプル１３４に一時的に近接した１つのショートサンプル１３６とを含む。下記に詳細に記載されるように、ロングサンプルとショートサンプルのさまざまな組み合わせが、このようなサンプルセットを取得するために形成され得る。
【００３０】
１つの実施形態において、測定された信号Ｌ、Ｓは、ＣＣＤ信号１２５を電荷積分ＡＤＣに方向付けされ、ＴＬ、ＴＳを積分することによって取得され得る。１つの局面において、積分された信号は、ＣＣＤ１２２によって生成される光電子（Ｎ）の数に依存し得る。ここで、Ｎはポアソン統計に従う。理解されるように、ポアソン統計に関連した相対固有誤差（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｅｒｒｏｒ）は、
【００３１】
【数３】
【００３２】
として表され得る。この関係は、ＡＤＣのダイナミックレンジの内の可能な限り大きく積分された信号に対して通常好まれることを示す。このようにして、１つの局面において、サンプルセットを作るロングおよびショート測定は、選択的にスケーリングされ得る。一般的に、ＣＣＤ信号１２５が比較的強くない所定のサンプルセットに対して、ロング測定は、通常、より高い信号雑音比を有する信号を産出するので、ロング信号ＬがＡＤＣのダイナミックレンジの内であるとき、信号分析に対して用いられることが好まれる。所定のサンプルセットに対するロング信号Ｌが、ダイナミックレンジを超えるとき、ショート信号Ｓは、ロング信号Ｌ値がなんであるかを推定または近似するために、下記に記載される態様で、スケーリングされ得る。この例において、ショート信号Ｓのスケーリングされた値は、それから、その後に続く分析に対して用いられる。
【００３３】
図３は、上述の選択的スケーリングアプローチをインプリメントするために用いられ得る信号スケーリング処理１４０を示す。処理は、下記に記載されるスタート状態１４２で始まり、ループ１４８に入る。１つの局面において、ループ１４８は、サンプルのＣＣＤ分析中に所得されたＬおよびＳに対する値とともにロードされたアレイまたはデータ構造を循環する。あるいは、ループ１４８は分析が起こるとき、リアルタイムで進行し得る。ループ１４８の状態１４４において、サンプルセットのＬおよびＳの測定された積分値が決定される。その後に続く決定状態１４６は、Ｌの値がオフスケールかまたは計測器のダイナミックレンジを超えるかどうかを決定するために用いられ得る。ダイナミックレンジが超えられない例において、Ｌは、上述されるように、この後に続く分析のために用いられ得る。このようにして、状態１５０において、オフセットＣの値は、比例パラメータＫの信号特定値とともに、ＬおよびＳの測定された値から、（等式４に従って）決定され得る。この後に続く状態１５２において、オフセットＣは、Ｌの測定された値から減算され得て、実際の信号ＡＬを産出する。この後に続く状態１５４において、その後に続く分析のために用いられるべきスケーリングされた信号値は、実際の信号ＡＬのスケーリングされていない値を割り与えられ得る。処理１４０は、それから、決定状態１５６で、ループ１４８が継続するべきかどうかを決定する。ループ１４８が継続するとき、処理は、状態１４４に戻って、別の循環を開始する。ループ１４８が完了するとき、処理は、ストップ状態１６０で、終了する。
【００３４】
状態１４６において、測定された信号Ｌがスケーリングリミットを超えるとされる決定がなされるとき、測定された信号Ｌの有用性が潜在的に限定されることが観測され得、測定された信号Ｓは、実際のロング信号ＡＬが、どこに存在するかに関して推定するために処理され、スケーリングされる。この推定処理を開始するとき、測定された信号Ｓそれ自身がダイナミックレンジを超えるかどうかを決定する別の決定状態１６２に入り得る。１つの局面において、測定された信号がダイナミックレンジ内のとき、それは、下記の様態で処理され、スケーリングされ得る。
【００３５】
状態１６４において、オフセットＣに対する値が決定される。１つの局面において、測定された信号Ｌは、等式４を用いて決定されるＣの値は、オフスケールの結果を生成し得るので、現在のサンプルセットために用いられ得ない。従って、処理の１つのインプリメンテーションにおいて、Ｃの値は、以前の、または最近のサンプルから所得され得る。このようにして、オフセット決定は、多くのＣＣＤシステムにおいて、オフセットＣは実質的に変動しないので、所望される。このことは、温度といった動作条件が、制御されるとき一般的に当てはまる。このようにして、状態１６４における概算方法は、Ｃの値を決定する１つの方法である。この後に続く状態１６６において、オフセットＣは、測定された信号Ｓから減算され得て、実際の信号ＡＳを生成する。続く状態１７０において、実際の信号ＡＳは、Ｋ分スケーリングされ、この後に続く分析に用いられるべきスケーリングされた信号値として割り与えられ得る。パラメータＫを決定する１つの方法が記載される。処理１４０は、それから、ループ１４８が継続すべきかどうかを決定する上述された決定状態１５６に進む。
【００３６】
状態１６２において、信号Ｓがオフスケールとであると決定されるとき、測定された信号ＬおよびＳはともに、ダイナミックレンジに対してオフスケールと考えられ得る。この例において、処理は、現在のサンプルセットに対して制限された有用性を有する各信号を識別し得る。処理の１つのインプリメンテーションにおいて、このようなオフスケールの測定された信号は、状態１７２において、この後に続く分析中に、容易に認識できるように選択された値によって「キャプ」され得、つまりフラグが立てられ得る。１つの例示的な実施形態において、「実際」のショート信号ＡＳは、Ｍの値を割り与えられ得る。ここで、Ｍは、ダイナミックレンジの上限値（例えば、１３ビットＡＤＣは、０―８１９１のダイナミックレンジ有し、Ｍ＝８１９２）である。このようにして、キャップされた信号値は、スケール内（ｗｉｔｈｉｎ―ｓｃａｌｅ）で測定された信号から導出されたスケーリングされた信号より、大きくなり得る。オフスケール信号のこのような容易な識別は、この後に続く分析中に、適切態様で処理される。
【００３７】
１つの局面において、サンプルセットは、交互するショートおよびロングのサンプルの異なる組み合わせを含み得る。図４〜６は、サンプルセットおよび信号分配特性のさまざまな実施形態を示す。下記に記載されるサンプルセットのそれぞれにおいて、測定された信号Ｌ、Ｓは、サンプリングの特性に依存するサンプルセット特定の態様で取得され得る。さらに、各サンプルセットは、下記に記載されるように特定の信号タイプ分析に対して適し得る。このようにして、比例パラメータＫは、選択されたサンプルセットに関連付けられて、信号情報を処理することにおいて動作的に有用な値を産出し得る。１つの局面において、サンプルセット特定のＬ、Ｓ、Ｋの決定は、図３を参照して一般化された処理において上述されるスケーリングされた信号値の決定を可能にする。
【００３８】
図４に示されているように、サンプルセット１８２の１つの実施形態は、ロングサンプルと近接したショートサンプルとの組み合わせを含む。あるいは、サンプルセット１８６は、ロングサンプルが後に続くショートサンプルを含み得る。サンプルセット１８２、１８６は、信号１８０、１８４それぞれが、概して平坦であるか、サンプルセットに関連した時間間隔中に比較的遅く変化するとき、用いられ得る。このような信号に対して、実際の信号ＡＬ、ＡＳの積分された値は、それらのそれぞれの積分時間ＴＬおよびＴＳに正比例する。従って、ＴＬ／ＴＳ＝ＡＬ／ＡＳである。ここで、ＡＬ／ＡＳ比は、比例パラメータＫ（等式３）の定義である。積分時間間隔は、ＴＬは、ｎ倍分だけＴＳより大きいように選択され得、以下の等式をもたらす。
【００３９】
Ｋ＝ｎ （５ａ）
【００４０】
【数４】
【００４１】
従って、オフセットＣは、等式５ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は上述の態様で決定されることが可能である。
【００４２】
図５に示されているように、サンプルセット１９２の別の実施形態は、対応する測定された信号Ａ１、Ａ２、Ａ３を有するロング―ショート―ロングサンプリング時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３シーケンスを含む。ショートサンプルは、時間間隔ＴＳ＝Ｔ２中にされた測定を含む。ロングサンプルは、時間間隔ＴＬ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３中になされた測定を含む。このようにして、図５に示されるように、測定された信号ＬおよびＳを決定する処理２００は、時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３中にＡ１、Ａ２、Ａ３を決定することと、測定された信号Ｌ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３および測定された信号Ｓ＝Ａ２と決定することを含む。
【００４３】
さまざまな実施形態において、サンプル１９２は、Ｔ１-＝Ｔ３、Ｔ１／Ｔ２＝Ｔ３／Ｔ２＝ｎのように構成され得る。ここで、ｎは、定数値である。このような構成が与えられており、サンプルセット１９２で覆われている信号１９０の一部分が、図５に示されているように線形的であるとき、共通の中央値１９４は、ショートおよびロングサンプルの両方によって一時的に、また信号値の点でシェアされる。このような対照性から、以下のことが実証される。
【００４４】
【数５】
【００４５】
【数６】
【００４６】
従って、オフセットＣは、等式６ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は、上記の態様で決定されることが可能である。図５に示されるサンプル１９２は、ＣＣＤ信号がサンプルセットに囲まれている間隔中に少なくとも、ほぼ線形的であるとき、用いられ得ることが理解される。ＣＣＤ信号が実質的に線形的でないとき、体系的分散が生成され得るが、この分散は、所定の測定および分析の受容され得るレンジ内であり得る。
【００４７】
さまざまな実施形態において、ロング間隔Ｔ１、Ｔ３のそれぞれは、「標準」的な非セグメント化された積分時間のほぼ半分であるように選択される。ショート間隔Ｔ２は、一般的に、Ｔ１またはＴ３より実質的に小さく、下記に開示される方法によって、所望のダイナミックレンジを達成するために選択される。ロングおよびショート間隔の持続時間が、シーケンス分析システムに用いられる現存のハードウェアによって決定され得ることが理解される。これらの持続時間は、用いられる機器のタイプに依存して、変更、または固定され得る。本教示の１つの利点は、開示された方法がダイナミックレンジを改善するためにハードウェアの修正を必要なしに未加工の形で大半の従来のシステムによって生成される信号情報に適用され得ることである。
【００４８】
図６は、アイドル時間間隔を考慮する別のサンプルセット２１２を示す。いくつかの局面において、サンプル２１２は、アイドル時間間隔が２つの近接したサンプリング間隔との間に挿入されることを除いて、図５のサンプルセット１９２と同様である。従って、サンプルセット２１２は、時間間隔（Ｔ１〜Ｔ５）のシーケンスを含む。Ｔ１は、測定された信号Ａ１を有する第１のロングサンプルに対応し、Ｔ２は、第１のアイドル時間間隔に対応し、Ｔ３は、測定された信号Ａ３を有するショートサンプルに対応し、Ｔ４は、第２のアイドル時間間隔に対応し、Ｔ５は、測定された信号Ａ５を有する第２のロングサンプルに対応する。さまざまな実施形態において、サンプルセット２１２によって覆われる信号２１０の一部分が図６に示されるように線形的であるとき、Ｔ１＝Ｔ５、Ｔ２＝Ｔ４である。従って、共通の中央値２１４は、ショートおよびロングサンプルの両方によって一時的に、および／または信号値の点でシェアされ得る。このような対照性を用いて、それは、ＡＬ／ＡＳ＝（Ｔ１＋Ｔ３＋Ｔ５）／Ｔ３比で示され得る。
【００４９】
１つのインプリメンテーションにおいて、サンプルセット２１２は、Ｔ１／Ｔ３＝Ｔ５／Ｔ３＝ｎであるように構成され得る。ここで、ｎは定数値である。従って、
【００５０】
【数７】
【００５１】
【数８】
【００５２】
従って、オフセットＣは、等式７ｂに従って決定され得、これによって、スケーリングされた信号値は、上記の態様で決定されることが可能になる。図６に示されるサンプルセット２１２は、ＣＣＤ信号１２５がサンプルセットに覆われている間隔中に少なくとも、ほぼ線形的であるとき、用いられ得ることが理解される。ＣＣＤ信号１２５が実質的に線形的でないとき、これによって体系的分散を生成するが、この分散は、所定の測定および分析の受容され得るレンジ内であり得る。
【００５３】
第１および第２のアイドルの時間間隔Ｔ２、Ｔ４は、ロングおよびショートサンプルの対照性を保存するために所望されるように同様であり、従って、共有の中央値２１４を確立することを容易にすることが理解される。１つの実施形態において、アイドルの間隔は、ＣＣＤ１２２およびほぼ１〜１０ミリ秒のレンジを有するその関連した信号処理デバイスの関数であり得る。１つの局面において、アイドル間隔Ｔ２、Ｔ４は、カメラのハードウェアおよび／または制御ファームウェアによって、通常、制限されることによってできるだけ短く選択される。ロング間隔Ｔ１、Ｔ５およびそれらの間のショート間隔Ｔ３は、図５を参照して上述される同様な態様で選択され得る。
【００５４】
上述されるＣＣＤ信号スケーリング処理のさまざまなインプリメンテーションは、一般的に、所定のサンプルに対するフラグメント１００の測定中に複数のサンプルセットに対して繰り返される。１つの局面において、サンプリング方法は、下記に記載される態様でサンプルセットのオーバーラップを含み得る。図７は、ロングおよびショート積分間隔との間に挿入されるアイドル間隔を有する一連の交互するロングおよびショート積分間隔を示す。図７のサンプリング方法が、アイドル間隔を有するという文脈で記載されている一方で、サンプリング方法はアイドル間隔が比較的小さい、または実質的にわずかであるいずれかの状況に同等に適用されることが理解される。
【００５５】
さまざまな実施形態において、オーバーラップサンプリング方法２４０は、各サンプルセットが、２つのロング間隔の間に挿入されるショート間隔を有する複数のサンプルセットを含む。このようなサンプルセットは、図６を参照して上述される。ＣＣＤ信号サンプリングの例示的なセグメントは、ロング間隔２４２と、ショート間隔２４４と、ロング間隔２４６と、ショート間隔２５０と、ロング間隔２５２と、ショート間隔２５４とのシーケンスを含む。
【００５６】
第１の例示的なサンプルセット２６０は、ショート間隔２４４中に積分することによって取得される測定されたショート信号Ｓ１と、間隔（２４２、２４４、２４６）中に積分することによって取得される測定されたロング信号Ｌ１とを含む。第２の例示的なサンプルセット２６２は、ショート間隔２５０中に積分することによって取得される測定されたショート信号Ｓ２と、間隔（２４６、２５０、２５２）中に積分することによって取得される測定されたロング信号Ｌ２とを含む。従って、第１および第２のサンプルセット２６０および２６２は、ロング間隔２４６においてオーバーラップする。このようなオーバーラップは、サンプルセット（データポイント）の数が、所定の測定パスに対して増加することを可能にする。測定パスが、Ｎ個のオーバーラップしないシーケンシャルサンプルセットを有する総時間間隔を含むとき、オーバーラップは、サンプルセットの数が、ほぼ２Ｎ個にまで増加することを可能にする。
【００５７】
１つの局面において、図５〜図７を参照して上述にされるさまざまなロング―ショート―ロング積分方法は、ＣＣＤカメラに関連したノイズの作用を減少させ（これによって、信号雑音比を増加させ）るために適合され得る。図５〜図７において、ショート積分時間間隔は、２つのロング積分時間間隔との間に挿入され、測定されたロング信号は、ロング―ショート―ロング間隔（ｌｓｌ方法）中に積分された値の合計である。下記により詳細に記載されるように、ロング信号が代わりに、２つのロング積分時間間隔を含み、ショート間隔（ｌｌ方法）を除外するとき、測定の信号雑音比（ＳＮＲ）は増加し得る。
【００５８】
図５を参照して、このような図式は、上述と同様の態様で、Ｌ＝Ａ１＋Ａ３、Ｓ＝Ａ２、Ｋ＝２ｎ、Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）をもたらす。図６に示される構成に適用されるとき、この図式は、Ｌ＝Ａ１＋Ａ５、Ｓ＝Ａ３、Ｋ＝２ｎ、Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）をもたらす。
【００５９】
ロング信号Ｌにおけるサンプリングの数を減少する（３個の代わり２個）ことによって達成される１つの利点は、ＣＤＤに関連したノイズσに関する。一般的に理解されるように、ノイズσは、ＣＣＤ上の信号を定量化する処理中に導入される固有不確実性を引用し、多くの場合には、その主なコンポーネント（リードノイズσＲおよびショットノイズσＳ）の求積法の平方根として推定され得る。ＳＮＲにおける増加は特に有用である弱い信号を含むオンスケール(ｏｎ―ｓｃａｌｅ）の信号に対して、ＳＮＲは、以下のように表され得る。
【００６０】
【数９】
【００６１】
ここでＡＬは、実際の信号を表し、σは、測定中の全体のノイズを表す。ショットノイズσＳは、ポワソン統計に従うので以下のとおりになる。
【００６２】
【数１０】
【００６３】
図５〜図７に示されるｌｓｌおよびｌｌ方法に対して、２つのロング間隔のそれぞれは、ショート間隔よりほぼｎ倍長い。従って、
【００６４】
【数１１】
【００６５】
ここで、Ａｌｓｌは、ｌｓｌ方法に対する実際の信号であり、Ａｌｌは、ｌｌ方法に対する実際の信号である。さらに、ｌｓｌ方法は、３つの別々の時間間隔中に積分する。従って、個々の間隔ノイズは、求積法で増加し、
【００６６】
【数１２】
【００６７】
をもたらす。同様に、ｌｌ方法は、２つの別々の時間間隔中に積分し、
【００６８】
【数１３】
【００６９】
をもたらす。このようにして、ｌｌおよびｌｓｌ構成に対するＳＮＲの比は、以下のように表され得る。
【００７０】
【数１４】
【００７１】
ｎ＝２０、Ａｌｌ＝８０００個の電子、σＲ＝８０電子実効値（ｒｍｓ値）である一般的な動作構成に対して、ＳＮＲｌｌ／ＳＮＲｌｓｌ比＝１．１２であり、信号雑音比においておよそ１２％の増加を示す。図９に示されるように、ＳＮＲｌｌ／ＳＮＲｌｓ比は、異なる値ｎ、ＡＬ、σＲ、またはそれらの組み合わせを選択することによってさらに増加され得る。
【００７２】
本発明の上記に開示される実施形態が、その上記に開示される実施形態に適用されるもととして本発明の基本的な新規性のある特徴を示し、記載し、かつ、指摘しているが、示されるデバイス、システムおよび／または方法の詳細な形でさまざまな省略、代用、変更が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者には理解されるべきである。従って、本発明の範囲は、先述の記載に限定されるべきではなく、添付の請求項によって定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】ＣＣＤラベル検出コンポーネントを含む例示的なシーケンス分析システム示す。
【図２】一連のロングおよびショート間隔を含む信号のソフトウェアサンプリングのための例示的な方法を示す。
【図３】サンプルセットからのロングおよびショート間隔を利用する一般化された信号スケーリング処理を示す。
【図４】近接したロングおよびショート間隔を含むサンプルセットの分析の実施形態を示す。
【図５】ショート信号がショート間隔から取得され、ロング信号がロング―ショート―ロング間隔から取得されるようにロング間隔との間に挿入されるショート間隔を含むサンプルセットの分析の別の実施形態を示す。
【図６】積分間隔間に挿入されるアイドル間隔を含むサンプルセットの別の実施形態を示す。
【図７】隣接するサンプルセットの部分が、サンプルセットの数を増加するようにオーバーラップする、オーバーラップしているサンプリング方法を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器よって取得された信号の処理中のダイナミックレンジ拡張のための方法であって、
光検出器から第１の信号コンポーネントと、第２の信号コンポーネントとを取得することであって、該第１の信号コンポーネントは、第１の時間間隔中に該光検出器信号の積分を含み、該第２の信号コンポーネントは、第２の時間間隔中に該光検出器信号の積分を含み、該第２の信号コンポーネントおよび該第１の信号コンポーネントは、該第１および第２の時間間隔によって区分された、選択された期間中に該光検出器信号の該取得された値を表すように該第２の時間間隔は、該第１の時間間隔に一時的に近接し、かつ、該第１の時間間隔より短い、ことと、
該第２の信号コンポーネントと該第１の信号コンポーネントとの間のスケーリングファクターを決定することと、
該第１の信号コンポーネントが選択されたダイナミックレンジを超えるかどうかを決定することと、
該第１の信号コンポーネントが該ダイナミックレンジを超えるとき、該スケーリングファクターによって該第２の信号コンポーネントをスケーリングすることにより、該第１の信号コンポーネントに近似させることと、
該スケーリングされた第２の信号コンポーネントを用いることにより、該選択された期間中の該信号の該値を表すことと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記第２の信号をスケーリングすることは、前記スケーリングファクターによるスケーリングの前に前記第２の信号コンポーネントから積分独立オフセットコンポーネントを減算することさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択された期間は、前記第１の時間間隔に近接して実質的に存在する前記第２の時間間隔を包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記期間は、一連のロング―ショート―ロング積分時間を包含し、ショート積分時間は、２つのロング積分時間との間に挿入され、前記第１の時間間隔は、少なくとも２つのロング積分時間を包含し、前記ショートおよびロング時間間隔は、時間において共通の中央値をシェアし、これによって時間においてほぼ線形的に変化する信号のスケーリングを可能にする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記選択された期間は、前記第２の時間間隔が後に続く前記第１の時間間隔を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
中間の時間間隔は、前記第１および前記第２の時間間隔との間に存在する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記選択された期間は、前記第１の時間間隔を実質的に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の時間間隔は、前記第１の時間間隔内に存在する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記選択された時間間隔は、前記第１の時間間隔と前記第２の時間間隔とを包含し、それぞれは、お互いに近接して実質的に存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
光検出器信号プロセッサによって生成される信号をスケーリングする方法であって、
サンプルセットに対して第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを決定することであって、該第１の信号値は、第１の間隔中に取得された信号に対応し、該第２の信号値は、第２の間隔中に取得された信号に対応し、該第２の信号値は、該第１の信号値より小さく、該第１の信号は、特定されたレンジを超える、ことと、
該第１の信号値と該第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定することと、
該第２の信号値をスケーリングすることにより、該第１の信号値が該特定されたレンジを超えている分を近似することと
を包含する、方法。
【請求項１２】
前記特定されたレンジは、前記光検出器信号プロセッサのコンポーネントのダイナミックを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光検出器信号プロセッサの前記コンポーエントは、アナログ―デジタル変換器を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記サンプルセットに対してオフセットコンポーネントを決定することと、
前記第１と、第２の信号値とを調整することにより、該オフセットコンポーネントを考慮すること
をさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１および第２の信号値に基づいて前記サンプルセットに対してスケーリングされた信号値を割り当てることをさらに包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記オフセットコンポーネントは、前記第１および第２の信号値から減算される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記オフセットコンポーネントは、積分独立信号Ｃを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（Ｋ−１）に従って決定される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記サンプルセットに対して前記スケーリングされた信号値を割り当てることは、
前記第１の信号値が前記特定されたレンジ内であるとき、オフセット調整済の第１の信号値を該スケーリングされた信号値であるように選択することと、
該第１の信号値が、該特定されたレンジを超え、前記スケーリングされていない第２信号値が該特定されたレンジ内であるとき、該オフセット調整済の第２の信号値を該第１の信号までスケーリングし、該スケーリングされオフセット調整済の第２の信号値を該サンプルセットに対して該スケーリングされた信号値であるように割り当てることと、
該第１および第２の信号値が該特定された範囲を超えるとき、デフォルト値を該サンプルセットに対して該スケーリングされた信号値に割り当てることと
を包含する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スケーリングされた第２の信号値は、前記比例パラメータＫで前記オフセットＣ調整済の第２の信号値を乗算することにより取得される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の間隔は、ロング間隔を包含し、前記第２の間隔は、該ロング間隔に実質的に近接したショート間隔を包含する、請求項１８の方法。
【請求項２２】
遅く変化する信号に対して、前記比例パラメータＫが、ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットＣが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（ｎ−１）に従って決定されるように、ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の間隔は、ロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように該第１の間隔のロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショートコンポーネントを包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫは、２ｎ＋１にほぼ等しく、オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、ほぼｎ倍分だけ前記ショート間隔より長い、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の間隔は、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１の間隔の該ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショート間隔を包含し、前記アイドルコンポーネントは、デット時間に対応する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１および第２の間隔は、前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１にほぼ同等であり、かつ、オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の間隔は、ロング―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記信号は、前記２つのロングコンポーネント間に挿入されるショートコンポーネントを排除し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように前記ショートコンポーネントを包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットＣが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
複数のサンプルセットをさらに包含し、各サンプルセットは、前記第１または第２の間隔の少なくとも１つ分、隣接するサンプルセットにオーバーラップする、請求項１１に記載の方法。
【請求項３２】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項３３】
光検出器信号をサンプリングする方法であって、
該光検出器信号の一連の積分を実行することであって、該一連は、交互するロングおよびショート積分間隔を包含する、ことと、
複数のオーバーラップするサンプルセットを形成することであって、各サンプルセットは、第１の信号値を産出する少なくとも１つの間隔中に、および第２の信号値産出する少なくとも１つのショート間隔中に実行される積分を包含し、各サンプルセットは、該ロングまたはショート間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップする、ことと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記サンプルセットは、前記ロング間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップするようにロング―ショート―ロング時間間隔のシーケンス中に実行される積分を包含し、それによって、前記一連の積分から取得されるサンプルセットの数を増加させる、請求項３３の方法。
【請求項３５】
前記サンプルセットは、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロング―間隔のシーケンスを産出するためにアイドル間隔をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１の信号値は、前期ロング―ショート―ロング間隔中に実行される前記光検出器信号の積分の合計を包含し、前記第２の信号値は、該第１および第２の信号値が、共通の中央時間値をシェアするように前記ショート間隔中に実行される該光検出器の該積分を包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記第１および第２の信号値の前記共通の中央時間値は、該第１の信号値が、特定されたダイナミックレンジを超えるとき、該第２の信号が該第１の信号値までスケーリングされることを可能にする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の信号値は、前記２つのロング間隔中に実行される前記光検出器信号の積分の合計を含み、一方で、前記ショート間隔を除外し、前記第２の信号値は、該第１および第２の信号値は、共通の中央時間値をシェアするように該ショート間隔中に実行される該光検出器信号の前記積分を包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記光検出器信号は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
シーケンス装置に関連した光検出器を処理するシステムであって、
電気信号に変換されるラベル付けされたサンプル信号を検出する光検出器と、
該電気信号に関連した１つ以上のサンプルセットを取得する電気信号プロセッサと
を備え、
各サンプルセットは、第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを含み、該第１の信号値は、第１の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、該第２の信号値は、該第１の間隔より小さい第２の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、
前記信号プロセッサは、該第２の信号値は、該第１の信号値までスケーリングされるように、該第１の信号値と該第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定するために構成されており、該プロセッサは、該第１および第２の信号値に基づいて該サンプルセットを表す処理された信号を出力する、システム。
【請求項４２】
前記信号プロセッサは、識別されたオフセットを明らかにするために前記第１および第２の信号値をさらに調整する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
識別されたオフセットは、前記第１および第２の信号値から減算される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記オフセットは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（Ｋ−１）によって決定される積分独立信号コンポーエントＣを備えた、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記処理された信号は、
前記第１の信号値が、該光検出器に関連したダイナミックレンジ内にあるときの前記オフセット調整済の第１の信号値と、
該第１の信号値が、該ダイナミックレンジを超え、かつ、前記第２の信号値が該ダイナミックレンジ内にあるときのスケーリングされた第２の信号値と、
該第１および第２の信号がともに、該ダイナミックレンジを超えるときの特定された値と、
を備えた、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記スケーリングされた第２の信号値は、前記比例パラメータＫで乗算される前記オフセット調整済の第２の信号値を備えた、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記第１の間隔は、ロング間隔を備え、前記第２の間隔は、該ロング間隔実質的に近接するショート間隔を備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４８】
遅く変化する光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（ｎ−１）によって与えられるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記第１の間隔は、ロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように該第１の間隔のロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショートコンポーネントを包含する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５０】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１に近似され、かつ、前記オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔のそれぞれは、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５１】
前記第１の間隔は、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスを備え、前記第２の間隔は、該第１の間隔の該ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショート間隔を備え、前記アイドルコンポーネントは、前記光検出器に関連したデット時間に対応し、該第１および第２の間隔は、該ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアする、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５２】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１に近似され、かつ、前記オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔のそれぞれは、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記第１の間隔は、ロング―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第１の信号は、前記２つのロングコンポーネントとの間に挿入されるショートコンポーネント中に取得されず、前記第２の間隔は、該第１のおよび第２の間隔は、前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように前記ショートコンポーネントを備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５４】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫは、２ｎにほぼ等しく、オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍だけ該ショート間隔より長い、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを備えた、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５７】
前記信号プロセッサは、複数のサンプルセットを取得し、各サンプルセットは、前記第１または第２の間隔の少なくとも１つ分、隣接するサンプルセットにオーバーラップする、請求項４１に記載のシステム。
【請求項１】
光検出器よって取得された信号の処理中のダイナミックレンジ拡張のための方法であって、
光検出器から第１の信号コンポーネントと、第２の信号コンポーネントとを取得することであって、該第１の信号コンポーネントは、第１の時間間隔中に該光検出器信号の積分を含み、該第２の信号コンポーネントは、第２の時間間隔中に該光検出器信号の積分を含み、該第２の信号コンポーネントおよび該第１の信号コンポーネントは、該第１および第２の時間間隔によって区分された、選択された期間中に該光検出器信号の該取得された値を表すように該第２の時間間隔は、該第１の時間間隔に一時的に近接し、かつ、該第１の時間間隔より短い、ことと、
該第２の信号コンポーネントと該第１の信号コンポーネントとの間のスケーリングファクターを決定することと、
該第１の信号コンポーネントが選択されたダイナミックレンジを超えるかどうかを決定することと、
該第１の信号コンポーネントが該ダイナミックレンジを超えるとき、該スケーリングファクターによって該第２の信号コンポーネントをスケーリングすることにより、該第１の信号コンポーネントに近似させることと、
該スケーリングされた第２の信号コンポーネントを用いることにより、該選択された期間中の該信号の該値を表すことと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記第２の信号をスケーリングすることは、前記スケーリングファクターによるスケーリングの前に前記第２の信号コンポーネントから積分独立オフセットコンポーネントを減算することさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択された期間は、前記第１の時間間隔に近接して実質的に存在する前記第２の時間間隔を包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記期間は、一連のロング―ショート―ロング積分時間を包含し、ショート積分時間は、２つのロング積分時間との間に挿入され、前記第１の時間間隔は、少なくとも２つのロング積分時間を包含し、前記ショートおよびロング時間間隔は、時間において共通の中央値をシェアし、これによって時間においてほぼ線形的に変化する信号のスケーリングを可能にする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記選択された期間は、前記第２の時間間隔が後に続く前記第１の時間間隔を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
中間の時間間隔は、前記第１および前記第２の時間間隔との間に存在する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記選択された期間は、前記第１の時間間隔を実質的に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の時間間隔は、前記第１の時間間隔内に存在する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記選択された時間間隔は、前記第１の時間間隔と前記第２の時間間隔とを包含し、それぞれは、お互いに近接して実質的に存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
光検出器信号プロセッサによって生成される信号をスケーリングする方法であって、
サンプルセットに対して第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを決定することであって、該第１の信号値は、第１の間隔中に取得された信号に対応し、該第２の信号値は、第２の間隔中に取得された信号に対応し、該第２の信号値は、該第１の信号値より小さく、該第１の信号は、特定されたレンジを超える、ことと、
該第１の信号値と該第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定することと、
該第２の信号値をスケーリングすることにより、該第１の信号値が該特定されたレンジを超えている分を近似することと
を包含する、方法。
【請求項１２】
前記特定されたレンジは、前記光検出器信号プロセッサのコンポーネントのダイナミックを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記光検出器信号プロセッサの前記コンポーエントは、アナログ―デジタル変換器を包含する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記サンプルセットに対してオフセットコンポーネントを決定することと、
前記第１と、第２の信号値とを調整することにより、該オフセットコンポーネントを考慮すること
をさらに包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１および第２の信号値に基づいて前記サンプルセットに対してスケーリングされた信号値を割り当てることをさらに包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記オフセットコンポーネントは、前記第１および第２の信号値から減算される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記オフセットコンポーネントは、積分独立信号Ｃを包含する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（Ｋ−１）に従って決定される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記サンプルセットに対して前記スケーリングされた信号値を割り当てることは、
前記第１の信号値が前記特定されたレンジ内であるとき、オフセット調整済の第１の信号値を該スケーリングされた信号値であるように選択することと、
該第１の信号値が、該特定されたレンジを超え、前記スケーリングされていない第２信号値が該特定されたレンジ内であるとき、該オフセット調整済の第２の信号値を該第１の信号までスケーリングし、該スケーリングされオフセット調整済の第２の信号値を該サンプルセットに対して該スケーリングされた信号値であるように割り当てることと、
該第１および第２の信号値が該特定された範囲を超えるとき、デフォルト値を該サンプルセットに対して該スケーリングされた信号値に割り当てることと
を包含する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スケーリングされた第２の信号値は、前記比例パラメータＫで前記オフセットＣ調整済の第２の信号値を乗算することにより取得される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の間隔は、ロング間隔を包含し、前記第２の間隔は、該ロング間隔に実質的に近接したショート間隔を包含する、請求項１８の方法。
【請求項２２】
遅く変化する信号に対して、前記比例パラメータＫが、ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットＣが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（ｎ−１）に従って決定されるように、ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の間隔は、ロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように該第１の間隔のロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショートコンポーネントを包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫは、２ｎ＋１にほぼ等しく、オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、ほぼｎ倍分だけ前記ショート間隔より長い、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の間隔は、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１の間隔の該ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショート間隔を包含し、前記アイドルコンポーネントは、デット時間に対応する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１および第２の間隔は、前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアする、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１にほぼ同等であり、かつ、オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の間隔は、ロング―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記信号は、前記２つのロングコンポーネント間に挿入されるショートコンポーネントを排除し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように前記ショートコンポーネントを包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットＣが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを包含する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
複数のサンプルセットをさらに包含し、各サンプルセットは、前記第１または第２の間隔の少なくとも１つ分、隣接するサンプルセットにオーバーラップする、請求項１１に記載の方法。
【請求項３２】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項３３】
光検出器信号をサンプリングする方法であって、
該光検出器信号の一連の積分を実行することであって、該一連は、交互するロングおよびショート積分間隔を包含する、ことと、
複数のオーバーラップするサンプルセットを形成することであって、各サンプルセットは、第１の信号値を産出する少なくとも１つの間隔中に、および第２の信号値産出する少なくとも１つのショート間隔中に実行される積分を包含し、各サンプルセットは、該ロングまたはショート間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップする、ことと
を包含する、方法。
【請求項３４】
前記サンプルセットは、前記ロング間隔の少なくとも１つ分、その隣接するサンプルセットとオーバーラップするようにロング―ショート―ロング時間間隔のシーケンス中に実行される積分を包含し、それによって、前記一連の積分から取得されるサンプルセットの数を増加させる、請求項３３の方法。
【請求項３５】
前記サンプルセットは、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロング―間隔のシーケンスを産出するためにアイドル間隔をさらに包含する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１の信号値は、前期ロング―ショート―ロング間隔中に実行される前記光検出器信号の積分の合計を包含し、前記第２の信号値は、該第１および第２の信号値が、共通の中央時間値をシェアするように前記ショート間隔中に実行される該光検出器の該積分を包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記第１および第２の信号値の前記共通の中央時間値は、該第１の信号値が、特定されたダイナミックレンジを超えるとき、該第２の信号が該第１の信号値までスケーリングされることを可能にする、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の信号値は、前記２つのロング間隔中に実行される前記光検出器信号の積分の合計を含み、一方で、前記ショート間隔を除外し、前記第２の信号値は、該第１および第２の信号値は、共通の中央時間値をシェアするように該ショート間隔中に実行される該光検出器信号の前記積分を包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記光検出器信号は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを包含する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
シーケンス装置に関連した光検出器を処理するシステムであって、
電気信号に変換されるラベル付けされたサンプル信号を検出する光検出器と、
該電気信号に関連した１つ以上のサンプルセットを取得する電気信号プロセッサと
を備え、
各サンプルセットは、第１の信号値Ｌと、第２の信号値Ｓとを含み、該第１の信号値は、第１の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、該第２の信号値は、該第１の間隔より小さい第２の間隔中に取得された積分された光検出器信号に対応し、
前記信号プロセッサは、該第２の信号値は、該第１の信号値までスケーリングされるように、該第１の信号値と該第２の信号値との間の比例パラメータＫを決定するために構成されており、該プロセッサは、該第１および第２の信号値に基づいて該サンプルセットを表す処理された信号を出力する、システム。
【請求項４２】
前記信号プロセッサは、識別されたオフセットを明らかにするために前記第１および第２の信号値をさらに調整する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
識別されたオフセットは、前記第１および第２の信号値から減算される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記オフセットは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（Ｋ−１）によって決定される積分独立信号コンポーエントＣを備えた、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記処理された信号は、
前記第１の信号値が、該光検出器に関連したダイナミックレンジ内にあるときの前記オフセット調整済の第１の信号値と、
該第１の信号値が、該ダイナミックレンジを超え、かつ、前記第２の信号値が該ダイナミックレンジ内にあるときのスケーリングされた第２の信号値と、
該第１および第２の信号がともに、該ダイナミックレンジを超えるときの特定された値と、
を備えた、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記スケーリングされた第２の信号値は、前記比例パラメータＫで乗算される前記オフセット調整済の第２の信号値を備えた、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記第１の間隔は、ロング間隔を備え、前記第２の間隔は、該ロング間隔実質的に近接するショート間隔を備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項４８】
遅く変化する光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、ｎにほぼ同等であり、かつ、オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（ｎ−１）によって与えられるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記第１の間隔は、ロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第２の間隔は、該第１および第２の間隔が前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように該第１の間隔のロング―ショート―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショートコンポーネントを包含する、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５０】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１に近似され、かつ、前記オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔のそれぞれは、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５１】
前記第１の間隔は、ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスを備え、前記第２の間隔は、該第１の間隔の該ロング―アイドル―ショート―アイドル―ロングコンポーネントシーケンスの前記ショート間隔を備え、前記アイドルコンポーネントは、前記光検出器に関連したデット時間に対応し、該第１および第２の間隔は、該ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアする、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５２】
ほぼ線形的な光検出器信号に対して、前記比例パラメータＫが、２ｎ＋１に近似され、かつ、前記オフセットが、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ）に従って決定されるように、前記ロング間隔のそれぞれは、前記ショート間隔のほぼｎ倍分だけ該ショート間隔より長い、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記第１の間隔は、ロング―ロングコンポーネントシーケンスを包含し、前記第１の信号は、前記２つのロングコンポーネントとの間に挿入されるショートコンポーネント中に取得されず、前記第２の間隔は、該第１のおよび第２の間隔は、前記ショート間隔のほぼ中央に位置する共通の中央時間値をシェアするように前記ショートコンポーネントを備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５４】
ほぼ線形的な信号に対して、前記比例パラメータＫは、２ｎにほぼ等しく、オフセットＣは、等式Ｃ＝Ｓ−（Ｌ−Ｓ）／（２ｎ−１）に従って決定されるように、前記ロング間隔は、前記ショート間隔のほぼｎ倍だけ該ショート間隔より長い、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記第１の信号の信号雑音比は、前記ショートコンポーネント中に前記光検出器に関連したノイズを除外することにより改善され、該ノイズは、ショットノイズと、リードノイズとを備えた、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
前記光検出器は、ＣＣＤ、光電子増倍管、または半導体ベースのデバイスを備えた、請求項４１に記載のシステム。
【請求項５７】
前記信号プロセッサは、複数のサンプルセットを取得し、各サンプルセットは、前記第１または第２の間隔の少なくとも１つ分、隣接するサンプルセットにオーバーラップする、請求項４１に記載のシステム。
【図３】
【図４】
【図６】
【図１】
【図２】
【図５】
【図７】
【図４】
【図６】
【図１】
【図２】
【図５】
【図７】
【公表番号】特表２００６−５０３２８８（Ｐ２００６−５０３２８８Ａ）
【公表日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５４４８３５（Ｐ２００４−５４４８３５）
【出願日】平成１５年１０月８日（２００３．１０．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３２０８１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３６１９６
【国際公開日】平成１６年４月２９日（２００４．４．２９）
【出願人】（５０００６９０５７）アプレラ コーポレイション (120)
【住所又は居所原語表記】８５０ Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｃｅｎｔｒｅ Ｄｒｉｖｅ Ｆｏｓｔｅｒ Ｃｉｔｙ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ ９４４０４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年１０月８日（２００３．１０．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０３２０８１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３６１９６
【国際公開日】平成１６年４月２９日（２００４．４．２９）
【出願人】（５０００６９０５７）アプレラ コーポレイション (120)
【住所又は居所原語表記】８５０ Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｃｅｎｔｒｅ Ｄｒｉｖｅ Ｆｏｓｔｅｒ Ｃｉｔｙ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ ９４４０４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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