技术摘要：
本发明属于肠道微生物检测技术领域，公开了一种非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测方法及检测系统，所述非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测系统包括：取样模块、微观图像采集模块、图像特征提取模块、中央控制模块、基因提取模块、扩增模块、测序模块、分析模块  全部
背景技术：
目前，肠道微生物指动物肠道中存在的数量庞大的微生物，这群微生物依靠动物 的肠道生活，同时帮助寄主完成多种生理生化功能。肠道不仅是人体消化吸收的重要场所， 同时也是最大的免疫器官，在维持正常免疫防御功能中发挥着极其重要的作用。人体肠道 为微生物提供了良好的栖息环境，具有人体自身不具备的代谢功能。作为人体最庞大、最复 杂的微生态系统，肠道微生物本身及其代谢产物不仅能调节人体健康，更在膳食和宿主之 间起到了重要的桥梁作用。正如诺贝尔奖获得者Joshua  Lederberg曾指出的，人体与人体 共生微生物构成了超级生物体(superorganism)。然而，现有非诊断目的的肠道微生物定性 与定量的检测方法DNA提取效率普遍偏低，且稳定性差；同时，对肠道微生物信息分析不直 观，工作量大。 综上所述，现有技术存在的问题及缺陷是：现有非诊断目的的肠道微生物定性与 定量的检测方法DNA提取效率普遍偏低，且稳定性差；同时，对肠道微生物信息分析不直观， 工作量大。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非诊断目的的肠道微生物定性与定 量检测方法及检测系统。 本发明是这样实现的，一种非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测方法，所述 非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测方法包括以下步骤： 步骤一，通过取样模块利用样本提取设备采集所述肠道微生物的粪菌检测样品， 对装有粪菌样本的离心管进行灭菌处理，获得待检测菌体，并对粪菌的基因组DNA进行提取 和纯化处理。 步骤二，通过微观图像采集模块利用显微设备从抽取的肠道微生物样品中采集肠 道微生物的微观图像。 步骤三，通过图像特征提取模块利用提取程序将采集的肠道微生物微观图像通过 不同大小的分块法进行均分，每个分块法下得到多个大小相同的子图像。 步骤四，对同一大小分块法下得到的每个子图像分别进行空间结构处理，得到同 一大小分块法下每个子图像的梯度值和每个子图像的像素均值。 步骤五，根据步骤四得到的梯度值和像素均值，采用局部差分二进制来得到同一 分块法下的待处理图像的二进制序列Bn。 步骤六，将不同分块法下的待处理图像的二进制序列Bn按照同样顺序进行排列即 可得到待处理图像的选取特征FD。 6 CN 111575358 A 说　明　书 2/8 页 步骤七，利用遗传算法提取选取特征FD中的最优个体，得到的最优个体的集合即 为最终提取得到的肠道微生物图像特征。 步骤八，通过中央控制模块利用主控机控制所述非诊断目的的肠道微生物定性与 定量检测系统各个模块的正常工作。 步骤九，通过基因提取模块利用基因提取设备提取肠道微生物基因组DNA；通过扩 增模块利用PCR扩增技术对肠道微生物进行扩展处理；通过测序模块利用测序设备对扩展 处理后的肠道微生物进行测序操作。 步骤十，通过分析模块利用分析程序根据提取的肠道微生物的图像特征及基因序 列对测序完成后的样本下机数据进行拆分和过滤，得到过滤后的肠道微生物样本序列。 步骤十一，对过滤后的样本序列进行聚类比对和物种注释分类；对物种注释分类 的结果进行谱分析，所述谱分析包括alpha多样性分析、beta多样性分析以及益生菌含量和 病原菌含量分析。 步骤十二，根据菌群功能及疾病关联数据库对谱分析的结果进行自动解读，并生 成分析报告；将自动解读的结果和谱分析的结果自动提交给可视化平台进行可视化展示和 审核。 步骤十三，通过数据存储模块利用存储器存储采集的肠道微生物图像、图像特征、 基因组DNA、测序结果及分析报告。 步骤十四，通过显示模块利用显示器显示采集的肠道微生物图像、图像特征、基因 组DNA、测序结果及分析报告的实时数据。 进一步，步骤一中，所述对装有粪菌样本的离心管进行灭菌处理，获得待检测菌体 的方法，包括： (I)采集粪菌样本，并对离心管进行灭菌处理； 取样时手带一次性无菌手套，持灭菌后的离心管，探入粪便排泄物中，打开离心管 盖，将粪便样本装入离心管中，离心管充满后立刻盖严，并迅速取出，做好标记和记录，直接 投入干冰中冻存，之后置于-80℃的环境中保存； (II)菌体获得； 取粪菌样品，然后向粪菌样品中加入经4℃预冷的PBS缓冲液，其中，加入的比例为 每3克粪菌中加入10ml的PBS缓冲液，待样品融化后涡旋振荡1min，然后在4℃下采用1000r/ min的速度离心5min，吸取上清液；样品重复震荡、离心、取上清液三次； 将四次融化洗涤后所得上清液在4℃下采用12000r/min的速度离心10min，弃掉离 心管上层清液，向每管底部沉淀均加入TE缓冲液，其中，TE缓冲液的体积与之前加入的PBS 缓冲液的体积比为100：17；混匀后吸取液体至同一个灭菌离心管中，充分震荡混匀，形成细 胞悬液。 进一步，步骤一中，所述对粪菌的基因组DNA进行提取和纯化处理的方法，包括： 取细胞悬液置于无菌管中加入经4℃预冷的PBS缓冲液，其中细胞悬液、PBS缓冲液 的体积比为1：50； 加入与细胞悬液等体积的无菌玻璃小珠、裂解液、酚氯仿，借助10ul枪头将细胞悬 浮，然后涡旋震荡1min，放在冰上1min，重复四次；采用12000r/min的速度离心5min，吸取上 清液，并在上清液中加入等体积的酚氯仿，颠倒混匀，去蛋白，再次采用12000r/min的速度 7 CN 111575358 A 说　明　书 3/8 页 离心5min；加入溶菌酶和异硫氰酸胍，其中，每1ul的细胞悬液加入15ug的溶菌酶和0.5ul的 异硫氰酸胍，混匀后于37℃孵育1h；加入蛋白酶K，混匀后于37℃孵育1h； 加入等体积的氯仿/异戊醇混合液，抽提2次，在4℃下采用12000r/min的速度离心 10min；收集上清液，加入等体积的苯酚/氯仿/异戊醇混合液，混匀，在4℃下采用12000r/ min的速度离心3min； 吸取上清液，加入等体积的异丙醇，室温放置10min，采用12000r/min的速度离心 10min；弃上清液，留取沉淀物，在沉淀物中加入70％冰乙醇洗涤2次，自然干燥；加入DEPC 水，加入的DEPC水与取的细胞悬液的体积比为1：4；然后将产物置于-20℃的环境中保存。 进一步，步骤四中，所述同一大小分块法下每个子图像的梯度值和每个子图像的 像素均值的获得方法，包括： 通过分块法将待处理图像均分为分辨率大小相同的多个子图像，即将待处理图像 划分为n×n块，得到n2个图像，Ii表示第i块图像，i∈[1,n2]； 将待处理图像在同一大小分块法下均分得到的子图像进行空间结构处理，得到子 图像在空间结构内不同划分区域内的像素均值，根据子图像在不同划分区域内的像素均值 得到子图像在空间结构内的梯度值。 进一步，步骤十中，所述对测序完成后的样本下机数据进行拆分和过滤，得到过滤 后的肠道微生物样本序列的方法，包括： 对原始输入文件进行文件分割，所述原始输入文件包含有测序完成后的样本下机 数据； 根据设定的过滤参数对文件分割后的文件进行数据拆分和数据过滤，得到过滤后 的样本序列。 进一步，步骤十一中，所述对过滤后的样本序列进行聚类比对和物种注释分类的 方法，包括： 根据序列相似性对过滤后的样本序列进行聚类，得到最小分类单元； 从每一个最小分类单元随机挑选1条序列作为代表序列，使用基因数据库中已有 的数据作为参考与该代表序列进行比对和分类注释；其中，基因数据库用于存储序列及其 对应的属性信息。 进一步，步骤十一中，所述对物种注释分类的结果进行谱分析的方法，包括： (1)对物种注释分类后的结果进行假阳性去除处理，以去除物种注释分类的结果 中只分到一个序列的文件； (2)对假阳性去除处理后的文件进行均一化处理，得到均一化处理后的文件； (3)采用稀疏法对均一化处理后的文件进行alpha多样性分析，得到样本的丰富度 指数、多样性指数、测序深度指数和观察到的物种个数； (4)根据设定的健康参考集采用Unifrac算法对均一化处理后的文件进行beta多 样性分析，得到样本与健康参考集间的weightedunifrac距离和unweightedunifrac距离； (5)根据设定的健康参考集对均一化处理后的文件进行益生菌含量和病原菌含量 分析，得到样本与健康参考集间的益生菌含量和病原菌含量差异；其中，益生菌包括双歧杆 菌属、普拉梭菌、乳酸菌属、罗氏菌属、拟杆菌属和芽孢杆菌属。 本发明的另一目的在于提供一种应用所述的非诊断目的的肠道微生物定性与定 8 CN 111575358 A 说　明　书 4/8 页 量检测方法的非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测系统，所述非诊断目的的肠道微生 物定性与定量的检测系统包括： 取样模块、微观图像采集模块、图像特征提取模块、中央控制模块、基因提取模块、 扩增模块、测序模块、分析模块、数据存储模块、显示模块。 取样模块，与中央控制模块连接，用于通过样本提取设备采集所述肠道微生物的 粪菌检测样品； 微观图像采集模块，与中央控制模块连接，用于通过显微设备从抽取的肠道微生 物样品中采集肠道微生物的微观图像； 图像特征提取模块，与中央控制模块连接，用于通过提取程序从采集的肠道微生 物微观图像中提取肠道微生物图像特征； 中央控制模块，与取样模块、微观图像采集模块、图像特征提取模块、基因提取模 块、扩增模块、测序模块、分析模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过主控机控制各 个模块正常工作； 基因提取模块，与中央控制模块连接，用于通过基因提取设备提取肠道微生物基 因组DNA； 扩增模块，与中央控制模块连接，用于通过PCR扩增技术对肠道微生物进行扩展处 理； 测序模块，与中央控制模块连接，用于通过测序设备对扩展处理后的肠道微生物 进行测序操作； 分析模块，与中央控制模块连接，用于通过分析程序根据提取的肠道微生物的图 像特征及基因序列对肠道微生物信息进行分析，并生成分析报告； 数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储采集的肠道微生物图 像、图像特征、基因组DNA、测序结果及分析报告； 显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示采集的肠道微生物图像、图 像特征、基因组DNA、测序结果及分析报告的实时数据。 本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包 括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的非诊断目的 的肠道微生物定性与定量检测方法。 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令 在计算机上运行时，使得计算机执行所述的非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测方 法。 结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过基因 提取模块减少了有机溶剂的使用，成本低廉且提取的微生物总DNA纯度较高；异硫氰酸胍可 以迅速破碎细胞并抑制细胞释放出的核酶，得到的DNA质量高；能得到更加丰富的DNA种群 信息，可更加全面地反映肠道微生物的多样性和群落结构组成，操作步骤较少，稳定性好。 本发明提供过的图像特征提取模块通过将待处理图像均分为多个子图像，对每个 子图像分别进行空间结构处理，得到每个子图像的梯度值和每个子图像的像素均值，然后 根据得到每个子图像的梯度值和像素均值，采用局部差分二进制来得到待处理图像的二进 制序列，采用多重局部差分二进制表示网格单元强度和梯度的差异和纹理信息，而且可以 9 CN 111575358 A 说　明　书 5/8 页 捕获更丰富的细节纹理信息，提高图像局部特征识别率，将不同分块大小下待处理图像的 二进制序列按照同样顺序进行排列即可得到待处理图像的选取特征，利用遗传算法提取选 取特征中的最优个体，得到的最优个体的集合即为最终提取得到的图形特征，降低了局部 特征噪声影响。 同时，通过分析模块能在分析结果中自动给出细菌功能以及与疾病关联的相关信 息，降低了人工解读工作量；在自动解读与可视化展示模块中增设了将自动解读的结果和 谱分析的结果自动提交给可视化平台进行可视化展示和审核的过程，能直观地对结果进行 处理和审核，更加直观和方便。 附图说明 图1是本发明实施例提供的非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测方法流程 图。 图2是本发明实施例提供的非诊断目的的肠道微生物定性与定量检测系统结构框 图； 图中：1、取样模块；2、微观图像采集模块；3、图像特征提取模块；4、中央控制模块； 5、基因提取模块；6、扩增模块；7、测序模块；8、分析模块；9、数据存储模块；10、显示模块。 图3是本发明实施例提供的通过提取程序从采集的肠道微生物微观图像中提取肠 道微生物图像特征的方法流程图。 图4是本发明实施例提供的通过分析程序根据提取的肠道微生物的图像特征及基 因序列对肠道微生物信息进行分析，并生成分析报告的方法流程图。 图5是本发明实施例提供的对物种注释分类的结果进行谱分析的方法流程图。