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检测型基因芯片信息处理关键技术及应用系统研究

作　者: 白志军
导　师: 谢红卫；王升启
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 基因芯片 探针设计 遗传算法 小波去噪 广义高斯分布 变形模板
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


基因芯片技术是一种新兴的生物技术,在医药、环保、农业和畜牧业生产以及军事和司法实践中具有极其重要的意义。检测型基因芯片是基因芯片技术在微生物检测领域的应用,为全面快速准确地分析鉴定环境中的各种微生物提供了一种崭新的技术工具和平台。本文结合“十五”国家科技攻关项目“新发传染病防治技术的研究与应用”,从检测型基因芯片信息处理技术着手,研究了信息处理中探针优化设计、图象去噪和芯片样点识别等关键技术。首先介绍了检测型基因芯片信息处理过程中的若干关键技术,对现有的信息处理技术进行了归纳和总结。描述了检测型基因芯片引物选择和探针设计的思想和规则,建立了探针筛选的理论模型,将探针设计问题转化为多目标优化问题。运用序列比对算法对序列的相似性进行了评估,在保证序列差异性足够大的基础上,综合与检测实验密切相关的设计指标建立了适应度函数,采用基于小生境技术的遗传算法搜索最优的探针组合,实现了探针的自动优化设计。在对基因芯片图象分析的基础上,研究了基因芯片的图象去噪方法。在空间域,依据高斯噪声的概率分布,基于图象灰度值相似度和空间临近度设计自适应加权均值滤波器实现了对基因芯片图象的去噪,在小波域,研究了基因芯片图象子带小波系数的广义高斯分布模型,在此基础上运用了一种基于贝叶斯估计的小波阈值去噪算法,实现了对基因芯片的图象去噪。通过分析基因芯片的图象特征,提出了基于变形模板技术的基因芯片杂交样点自动识别方法。以芯片设计点样阵列为模板,建立了芯片杂交样点的变形模板模型,用多个参数表征了模板的平移、旋转和缩放。结合图象的特征设计了变形模板的能量函数,采用遗传算法搜索变形模板,实现了变形模板与杂交样点的最佳匹配。在检测型基因芯片信息处理关键技术的研究基础上,结合863重点项目个体化医疗系统,实现了个体化医疗信息系统中的基因芯片扫描分析子系统,可用于对个体化医疗芯片的扫描、分析和判读,以得到个人的个体化医疗信息。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 基因芯片技术及其应用  8
  1.2 检测型基因芯片信息处理中的关键技术  8-12
  1.3 论文的研究内容、组织结构和贡献  12-15
    1.3.1 论文研究的主要问题  12
    1.3.2 论文的研究内容和组织结构  12-14
    1.3.3 论文的主要贡献  14-15
第二章 检测型基因芯片探针的优化设计  15-31
  2.1 探针设计的理论模型  15-17
    2.1.1 引物选择与探针设计问题描述  15-16
    2.1.2 探针筛选的理论模型  16-17
  2.2 核苷酸序列的相似性评估  17-20
  2.3 基于遗传算法的探针组合筛选  20-30
    2.3.1 遗传算法的基本原理  20-23
    2.3.2 基于遗传算法的探针组合筛选  23-28
    2.3.3 基于小生境技术的探针组合筛选  28-30
  2.4 小结  30-31
第三章 基因芯片的图象去噪  31-45
  3.1 基因芯片图象的加权均值滤波  31-35
    3.1.1 均值滤波的基本原理  31-32
    3.1.2 加权均值滤波算法  32-35
  3.2 基因芯片图象的小波去噪  35-42
    3.2.1 小波变换的基本原理  35-36
    3.2.2 芯片图象小波系数的广义高斯分布及其参数估计  36-40
    3.2.3 基于广义高斯分布的小波阈值去噪算法  40-42
  3.3 实验结果与分析  42-44
    3.3.1 去噪性能评价  42-43
    3.3.2 实际图象验证  43-44
  3.4 小结  44-45
第四章 基于变形模板技术的杂交样点自动识别  45-57
  4.1 变形模板技术简介  45-46
  4.2 基于变形模板技术的杂交样点特征提取  46-47
  4.3 变形模板能量函数的定义  47-49
  4.4 基于遗传算法的变形模板参数优化搜索  49-54
    4.4.1 变形模板参数的遗传优化搜索算法  49-51
    4.4.2 实验结果与分析  51-54
  4.5 杂交样点信息提取与模式判定  54-55
  4.6 小结  55-57
第五章 芯片图象处理技术在个体化医疗信息系统中的应用  57-61
  5.1 个体化医疗信息系统的体系结构  57-58
  5.2 基因芯片扫描分析系统  58-60
  5.3 小结  60-61
第六章 总结和展望  61-63
  6.1 论文工作总结  61-62
  6.2 研究课题的展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-67
附录:作者在攻读硕士期间撰写的主要论文和参与的研究工作  67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 通信理论 > 信号处理
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