內容簡介
本書是一本比較全面和系統研究基因晶片製備、圖像處理和數據分析技術及其套用的學術專著。本書在介紹基因晶片技術基本原理的基礎上，簡要闡述了基因晶片點樣、核酸擴增、雜交、清洗等製備技術的實現方法。同時，重點針對核酸擴增熱循環控制、螢光靶點聚焦成像、晶片圖像掃描與拼接、基因晶片圖像處理、數據分析等關鍵技術中存在的問題，給出了改進方法或提出了新型控制和計算模型，提高了控制品質和數據分析處理效率。本書可供基因晶片分析設備設計開發人員、生物信息學領域科研人員使用，也可供測控技術與儀器、信號與信息處理和自動化等有關專業高年級本科生和研究生學習、研究和參考。
目錄
第1章 引言 1
1.1 研究背景和選題意義 1
1.2 基因晶片設計、製備、檢測及分析關鍵技術綜述 4
1.2.1 基因晶片設計及製備關鍵技術 4
1.2.2 基因晶片雜交信號圖像檢測與採集關鍵技術 5
1.2.3 基因晶片圖像和數據分析關鍵技術 6
1.3 研究課題在國內外發展現狀 7
1.3.1 基因晶片製備檢測分析設備的研究現狀與進展 7
1.3.2 基因晶片PCR熱循環控制技術的研究現狀與進展 9
1.3.3 基因晶片雜交信號圖像檢測技術的研究現狀與進展 11
1.3.4 基因晶片圖像和數據分析技術的研究現狀與進展 13
1.4 本書主要內容 18
第2章 基因晶片PCR熱循環溫度控制技術研究 20
2.1 基因晶片製備PCR方案的確定 20
2.1.1 PCR的基本特點和控制性能要求 20
2.1.2 常用PCR方法及各自特點 21
2.1.3 PCR 方案比較和確定 21
2.2 PCR熱循環溫控方案及風浴爐加熱結構改進研究 22
2.2.1 基於溫控試驗和性能比較分析的PCR溫控方案改進 22
2.2.2 基於溫控試驗的PCR爐加熱結構改進 24
2.3 基於MATLAB的PCR熱循環溫度控制算法仿真研究 26
2.3.1 PCR熱循環溫度常規PID控制算法仿真 26
2.3.2 PCR熱循環溫度預測控制算法仿真 28
2.3.3 不同PCR熱循環溫度控制算法仿真實驗性能比較 31
2.4 PCR熱循環溫度控制算法試驗研究 31
2.4.1 基於常規PID和風門開關控制溫度的快速跟蹤算法 31
2.4.2 基於常規PID和風門開度調節溫度的快速跟蹤算法 35
2.4.3 基於模糊自整定PID的PCR溫度控制算法 36
2.4.4 不同PCR熱循環溫度跟蹤控制算法溫控試驗性能比較 39
2.5 本章小結 39
第3章 基因晶片靶點陣列圖像CCD自動掃描採集系統研究及算法實現 40
3.1 引言 40
3.2 基因晶片靶點陣列圖像CCD自動掃描採集系統概述 40
3.3 基因晶片螢光靶點檢測識別 42
3.3.1 螢光靶點圖像獲取、預處理及分割 42
3.3.2 改進前的螢光靶點檢測識別算法 43
3.3.3 改進後的螢光靶點檢測識別算法 44
3.3.4 螢光靶點識別試驗結果分析 44
3.4 基於圖像處理和粗精結合原則的顯微自動調焦方法 45
3.4.1 顯微調焦自動控制系統 45
3.4.2 聚焦清晰度評價函式及計算公式 46
3.4.3 基於粗精結合原則和清晰度評價函式的調焦方法 46
3.4.4 顯微成像自動調焦試驗 47
3.5 晶片圖像預掃描 48
3.6 基因晶片靶點陣列圖像掃描與圖像拼接 48
3.6.1 圖像掃描 48
3.6.2 圖像拼接 48
3.7 本章小結 50
第4章 基因晶片圖像預處理和格線定位方法研究及其算法實現 51
4.1 引言 51
4.2 基因晶片圖像預處理方法及試驗研究 52
4.2.1 常規圖像預處理方法簡介 52
4.2.2 基於數學形態學的圖像預處理方法及試驗研究 56
4.2.3 基於偏微分方程的圖像預處理方法及試驗研究 60
4.3 基於投影變換和功率譜分析的格線定位方法 63
4.3.1 方法原理 63
4.3.2 算法實現 64
4.3.3 格線定位分析試驗及結果分析 65
4.4 基於投影差分序列分析和局部極值搜尋的格線定位方法 68
4.4.1 方法原理 68
4.4.2 算法實現 68
4.4.3 格線定位分析試驗及結果分析 69
4.5 基於固定半徑圓模板匹配的格線定位方法 71
4.5.1 方法原理 71
4.5.2 算法實現 71
4.5.3 格線定位分析試驗及結果分析 72
4.6 基於螢光靶點圖像分割、標記和識別的格線定位方法 73
4.6.1 算法基本思想 73
4.6.2 算法實現及處理結果 74
4.6.3 格線定位試驗結果 74
4.7 格線定位算法性能比較和選擇 75
4.8 本章小結 75
第5章 基因晶片靶點圖像分割及數據抽取方法研究 76
5.1 基因晶片靶點圖像分割及數據抽取技術概述 76
5.2 基於閾值的圖像分割方法及試驗 77
5.2.1 全局閾值圖像分割方法 77
5.2.2 最佳閾值圖像分割方法 79
5.2.3 動態閾值圖像分割方法 79
5.2.4 基於一維最大熵的圖像分割方法 81
5.3 基於區域生長的圖像分割方法 81
5.4 基於邊緣檢測運算元的圖像分割方法 83
5.4.1 圖像邊緣檢測運算元 83
5.4.2 邊界跟蹤與邊界鏈碼 84
5.5 基於偏微分方程的圖像分割方法 85
5.5.1 變分原理與梯度下降流 85
5.5.2 變分水平集方法 88
5.5.3 基於Chan-Vese模型的變分水平集圖像分割方法 90
5.6 曲線演化的水平集方法 93
5.6.1 曲線幾何演化的一般方程式 93
5.6.2 求解演化方程的質點標註法 94
5.6.3 水平集方法 94
5.6.4 水平集方法的優點 97
5.7 圖像分割方法對靶點數據抽取質量影響試驗及分析 97
5.8 基因晶片螢光靶點數據抽取方法研究 98
5.8.1 螢光靶點數據抽取 98
5.8.2 數據修正處理方法簡介 99
5.9 基因晶片數據表達方法 101
5.9.1 數據數值表達方法 101
5.9.2 數據可視化表達方法 101
5.10 基因晶片表達分析技術研究展望 102
5.11 本章小結 103
第6章 核酸擴增雜交基因晶片檢測分析系統實現 104
6.1 核酸擴增雜交基因晶片檢測系統的基本功能和性能指標 104
6.1.1 核酸擴增雜交基因晶片檢測儀的基本功能 104
6.1.2 核酸擴增雜交基因晶片檢測儀的性能指標 105
6.2 系統的機械結構 105
6.3 系統的工作流程 107
6.4 系統電氣控制原理 108
6.5 系統軟體設計 109
6.6 與國內外同類系統的比較 111
6.7 本章小結 112
第7章 基因晶片數據分析技術 113
7.1 基因表達數據的獲取 113
7.1.1 cDNA 微陣列 114
7.1.2 寡核苷酸晶片 116
7.1.3 基因表達數據的網路資源 116
7.2 基因表達數據預處理 118
7.3 基因表達差異的顯著性分析 121
7.3.1 倍數分析 121
7.3.2 t檢驗 121
7.3.3 貝葉斯分析 122
7.4 基因表達譜聚類分析 123
7.4.1 相似性度量函式 124
7.4.2 聚類方法 125
7.4.3 基於模型的聚類方法 131
7.4.4 支持向量機 131
7.4.5 聚類結果的可視化 133
7.4.6 聚類結果的定量評價 135
7.5 基因表達數據的分類分析 137
7.5.1 樸素貝葉斯分類法 138
7.5.2 k-近鄰法 138
7.5.3 其他分類法 138
7.6 主成分分析PCA 139
7.7 基於基因表達譜的基因調控網路研究 147
7.7.1 布爾網路模型 148
7.7.2 線性組合模型 149
7.7.3 加權矩陣模型 150
7.7.4 數據整合分析 150
第8章 結論與展望 152
8.1 結論 152
8.2 展望 153
8.2.1 基因晶片技術領域的發展趨勢和發展前景 153
8.2.2 未來的研究工作 154
參考文獻 156
與本專著研究工作相關的學術論文 172
致 謝 173
