专利名称：微束装置遍历细胞敏感点路径优化技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及著名的非多项式NP(None-Polynomial)完全问题和最优哈密尔顿回路问题。
在MatrixVB环境下实现了一种通用求解次最优化哈密尔顿回路算法，并基于该算法提出并实现微束装置的遍历细胞敏感点路径的优化方案。
背景技术：
荷电单粒子微束(Charged-Single-Particle Microbeam)是一种将粒子束斑的直径限制在微米量级，并将预定数目的离子注入细胞中某一特定位置的一种辐射装置。作为辐射生物学发展的前沿，微束已经成为当今世界上用来研究离子束生物工程中的离子束介导转基因、离子束诱变育种、细胞间信息传递、低剂量辐射效应等领域的强有力手段，在世界上普遍受到高度重视。到目前为止，世界上已建成的用于细胞生物学实验的微束装置有美国哥伦比亚大学的微束装置(Columbia University RARAF Microbeam，以下简称RARAF微束)、英国Gray实验室的微束装置(Gray Laboratory Cancer Research Trust Microbeam，以下简称Gray微束)。中科院等离子体物理研究所离子束生物工程学重点实验室率先在国内建立了微束装置(以下简称ASIPP微束)。
微束系统的通量是微束装置的重要技术指标之一。在细胞辐射实验中，一方面实验过程中使用的是离体细胞，其成活时间是有限的；另一方面我们不仅应该尽量减少非离子辐射(细胞识别时来自显微镜的荧光辐射等)所引起的细胞变异机会，而且应该尽量降低细胞在辐射过程中的分裂、修复等效应，因此提高单位时间内所能处理细胞的数量就显得尤为重要。而建立较好的数学模型，如优化细胞定位、细胞辐射过程中遍历细胞的路径等，可以较大幅度地提高微束系统的通量。RARAF微束采用的是行扫描的方法(即line scan/raster-like revisiting)(Randers-Pehrson，G.，Geard，C.R.，Johnson，G.，et al.The Columbia University Single-Ion Microbeam.Radiat.Res.，156，210-214，2001)，其遍历效率较低；Gray微束采用近邻法(即nearest neighbour algorithms)(Gray Cancer Institute Reseach Report1996)，其效率虽比RARAF微束提高近30％左右，但仍非理想方案。
寻求遍历细胞敏感点的最短路径的问题，这类最优化问题(OptimizationProblem)涉及到一类著名的非多项式(NP)完全问题。在现实生活中，最典型的实例莫过于旅行推销员问题(TSP)即一个旅行推销员想走遍某个国家的所有选定城市，而且每个城市不能去两遍或以上，最后回到出发地，如何设计路径，可以使得他走过的路径最短！到目前为止，人们仍未找到一种经典的算法解决这一问题。目前，由于其时间域是非多项式问题，关于最优化哈密尔顿回路算法的探讨仅限于理论探讨。尽管如此，哈密尔顿回路问题在行程安排、时序规划等领域有着广泛的应用。1859年，爱尔兰数学家威廉·洛旺·哈密尔顿(Hamilton WilliamRowan)爵士制作了一个“环球周游”的数学玩具——哈密尔顿回路问题(Hamiltonian Cycle Problem)他用一个正十二面体的20个顶点代表世界上20个大城市，要求你沿着正十二面体的棱，从某个顶点(城市)出发，经过每个顶点(城市)恰好一次，然后回到出发点。具有最小总长度的哈密尔顿回路称之为最优哈密尔顿回路(Optimization Hamiltonian Cycle)，也是推销员问题的最优解。但是，实际上解决这类哈密尔顿回路NP完全问题并没有解析解。对于旅行商问题，当所选定的城市很多时也没有最优解。既使能找到最优解，如果太费时，在工程上则形成新的瓶颈，并不可取！针对本技术涉及NP问题，其时间域不确定的现状，从工程角度考虑，本发明提出次最优化哈密尔顿回路的概念，即在最短的时间内寻求ASIPP微束遍历细胞敏感点的次最优化路径。发明内容本发明采取的技术方案是利用现有的离子微束装置，由计算机控制微束系统，并在MatrixVB环境下实现通用求解次最优化哈密尔顿回路算法。本发明结合随机理论、整数线性规划、非线性规划及动态规划，以N个顶点为例，计算方法采用下列步骤(1)启动计算机控制系统，对微束设备相关部件初始化①对细胞样品消毒、加膜、单层化；②束线准备和瞄准器准直；③启动程序控制样本架回到统一的初始零点(逻辑参考点)；④对辐射的细胞样品进行回访，记录其坐标参数；(2)采集细胞图像，并进行平滑、降噪、二值化，增强对比度，并获取细胞个数N和记录描述每个细胞的相关参数；(3)获取遍历这N个细胞敏感点的次最优化路径a按照原始的数据顺序计算相邻细胞顶点间距离的总长度，并形成初始遍历细胞路径；b产生两个1至N之间的随机整数int1、int2，将序号为min(int1，int2)至max(int1，int2)之间位置上的结点倒序排列，形成新的遍历路径；c重新计算新的遍历路径的总长度，若比原来的遍历路径短，则替换之，否则保留原来的遍历路径；d产生一个1至N之间的随机整数int3、int4，再产生一个1至N-1之间的随机整数，将序号为max(int3，int4)位置上的结点插在序号为min(int3，int4)位置上的结点后面，形成新的遍历路径；e从(a)至(d)循环，到达设定的循环次数，即得到遍历细胞敏感点过程中的路径次最优解。
(4)开始辐照每个细胞，待离子记数到达预定数目后，关闭束开关，样本架将位于次最优化路径中下一个结点处的细胞敏感点移至瞄准器出口，等待辐照；如此反复，直至辐照完所有细胞为止。
本发明与RARAF微束的对照实验结果表明与RARAF微束采用行扫描方式来遍历细胞敏感点的数学模型相比，ASIPP微束采用的寻求遍历细胞敏感点过程中路径次最优解的数学模型存在明显的优势——在循环500次时，平均提高的优化效率为41.78％；在循环1000次时，平均提高的优化效率为50.54％；在循环2000次时，平均提高的优化效率为56.33％。同样，与Gray微束所采用的近邻法相比也具有很大的优越性。考虑到时间因素，循环次数为500至1000时，耗时约为1～2秒，既不会造成新的瓶颈，又能达到优化的目的。因此，不仅能够减少非离子辐射(细胞识别时来自显微镜的荧光辐射等)所引起的细胞变异机会，而且能够大大降低细胞在辐射过程中的分裂、修复等效应。
另外，本发明提出并实现的求解次最优化哈密尔顿回路算法具有良好的通用性，在行程安排、时序规划等领域有着广泛的应用，如城市规划(地下网管的合理化布局、交通路线的合理规划)、商务物流(配送中心及仓储中心的合理分布)等。
图1，ASIPP微束装置控制系统示意图。标号1-是计算机控制与图像处理模块(PC Control and Image Processing)；2-是图像增强仪和电荷耦合器件(Intensifier & CCD)；3-是离子计数器(Particle Counter) 4-光电倍增管(Photomultiplier tube)；5-是扫描样本架(Microscope Stage)；6-是束流开关(Shutter)；7-是加速粒子(Accelerated particles)； 8-是细胞盘(Cell dish)；9-是显微镜(Microscope objective)；10-是闪烁体(Thin scintillator)；11-是瞄准器(Micro-collimator)； 12-是偏转磁铁(Magnet)。
图2，本发明程序流程图。
图3，计算机与多功能控制器MC2000及样本架之间通信结构示意图。
图4，未经处理的细胞图像。
图5，处理后的细胞图像。
图6，RARAF微束遍历细胞敏感点数学模型。
图7，对30个细胞，循环次数为1000，遍历所有细胞敏感点次最优化路径的图形。
图8，随循环次数变化在行扫描方式基础上微束装置提高的优化效率变化示意图。
图9，细胞个数不同时在行扫描方式基础上微束装置提高的优化效率变化示意图。
图10，细胞敏感点分布图。
具体实施例方式
ASIPP微束装置计算机控制系统，逻辑上可分为三大功能模块计算机控制(细胞数据采集)和图像处理模块1、样本架控制模块5、离子计数和束线开关的控制模块3。ASIPP微束装置计算机控制过程由计算机发出指令，打开束流开关6，加速粒子7经过偏转磁铁12进入瞄准器11，透过超薄闪烁体10进入细胞盘8对细胞进行辐射。由程序通过计算机串行口通过多功能控制器MC2000驱动样本架5移动，实现对细胞的精确定位。由显微镜9与图像增强仪&CCD2完成对细胞图像的采集和处理。加速粒子7辐射细胞后由光电倍增管4产生计数脉冲，当离子计数器3计数达到设定值，产生关闭信号，将束流开关6关闭。计算机控制样本架把下一个细胞移动到辐射位置后，重新打开束流开关6，进行辐射，如此反复，直至辐射完全部细胞。
ASIPP微束装置中所采用的部分器件如下显微镜(Microscope，OlympusBX2-FLB，Taiyo Koeki Co.，Ltd，Japan)、图像增强仪ITF(Intensifier，Dage-MTI Inc.，Michigan City，IN)、CCD(CCD-72E，Dage-MTI Inc.，MichiganCity，IN)、图像处理卡(Matrox Genesis，Matrox Electronic Systems，Dorval，Canada)、样本架(Microscope Stage SCAN l00mm×100mm，M RZH USER WetzlarGmbH，Germany)、多功能控制器MC 2000(MultiControl 2000-3)。MC 2000与计算机的串口相连接。结合数据文件(细胞敏感点的定位坐标等)，计算机通过向MC 2000发送Venus-1语言(一种类似于Forth和Postscript等面向堆栈的语言)命令并析解其返回值，对样本架的移动进行控制，以实现对细胞的精确定位。
离子计数和束线开关的控制是通过一块10通道定时/计数器TMC-10E来完成的。离子探测系统每探测到一个离子，就会产生一个脉冲信号，提供给TMC-10E进行计数。当计数值达到设定值后，TMC-10E的一个数字输出端输出高电平，将束开关关闭。当样本架把下一个细胞移动到辐射位置后，TMC-10E输出低电平，打开束开关，进行辐射……。如此反复，直到辐射完全部细胞。
从处理后的细胞图像(图5)中经过平滑处理、降噪、二值化增强对比度、Open操作分离边缘上相互接触的细胞、标定细胞敏感点，最后获得图像中细胞敏感点坐标分布(图10)。其坐标信息如下表
其中(0，0)是一个逻辑点，用来表示样本架的起始点。我们的目的是寻求遍历细胞敏感点的最短路径，即样本架在辐射过程中辐射所有的细胞时，所移动的距离最短、效率最高。
次最优化哈密尔顿回路算法中循环次数的确定由于问题复杂性的局限，上述哈密尔顿回路算法的时间域仍是不确定的，因此如何选择合理的循环次数成为问题的关键。在实际工程中，我们所研究的顶点的个数和取值范围往往都是相对确定的，而上述算法是建立在随机数的基础上的，因此可以用取值范围内的随机数来模拟实际的顶点，与此同时，用行扫描法、最近链接法(The Shorest-Link Algorithm)遍历同样的顶点，通过比较其效率寻求最佳的循环次数。
RARAF微束采用的遍历细胞敏感点的数学模型采用从Y轴负方向到Y轴正方向的行扫描方式来遍历细胞，同时采用一定的优化策略(在样本架移动时，X方向上采用较大的初速度和加速度，而在Y方向上采用较小的初速度和加速度)。最优化的行扫描的方式来遍历细胞在于首先将所得到的细胞敏感点的坐标根据Y方向的按从小到大的顺序来排序，然后再根据排序后的坐标来确定其遍历路线。采用上表内细胞敏感点的数据，用最优化的行扫描的方式来遍历细胞敏感点的数学模型。
显然，RARAF微束采用的遍历细胞敏感点的行扫描模型存在自身的缺陷——在X轴方向上浪费了大量的时间，尤其是在细胞分布稀疏时更为明显。
为了进一步地说明本发明微束优化方案的优势性，同时寻求合理的循环次数。为此，我们以前面提到的从细胞数据采集和图像处理模块采集并处理过的细胞图像中的细胞为对象，进行了与RARAF微束的对照实验。由于对行扫描方式来说其最优化路径是固定的，因此我们可以设置一个循环次数，比较经过我们的优化算法计算的结果与之相比(图7)，其优化效率提高了多少。
为了寻求合理的的循环次数，我们分别做了循环次数为20、50、100、200、500、1000、2000、5000和10000等九组实验。随循环次数变化在行扫描方式基础上该算法提高的优化效率变化示意图(图8)。实验结果表明对30个左右的细胞，循环次数为500～1000即可。
为了使这一实验结果更具普遍意义和说服力，我们又进行了大量的对照性实验。由于我们使用的CCD优化后的分辨率为768×576pixels，因此，我们通过产生大量随机数的办法来模拟细胞的分布，其X轴坐标在-384～384之间、Y轴坐标在-288～288之间。细胞个数不同时在行扫描方式基础上本发明微束提高的优化效率也随之变化。
考虑到时间因素，循环次数为1000时，耗时约为1～2秒。因此，我们认为当细胞个数为10～100个左右，循环次数为500～1000是合理的。
发明效果本发明与RARAF微束的对照实验结果表明与RARAF微束采用行扫描方式来遍历细胞敏感点的数学模型相比，本发明采用的寻求遍历细胞敏感点过程中路径次最优解的数学模型存在明显的优势——在循环500次时，平均提高的优化效率为41.78％；在循环1000次时，平均提高的优化效率为50.54％；在循环2000次时，平均提高的优化效率为56.33％。同样，与Gray微束所采用的近邻法相比也具有很大的优越性。
权利要求
1.一种微束遍历细胞敏感点路径优化技术，利用现有微束设备，由计算机控制全部操作过程，其特征在于采用下列步骤(1)启动计算机控制系统，对微束设备相关部件初始化①对细胞样品消毒、加膜、单层化；②束线准备和瞄准器准直；③启动程序控制样本架回到统一的初始零点(逻辑参考点)；④对辐射的细胞样品进行回访，记录其坐标参数；(2)采集细胞图像，并进行平滑、降噪、二值化，增强对比度，并获取细胞个数N和记录描述每个细胞的相关参数；(3)获取遍历这N个细胞敏感点的次最优化路径a按照原始的数据顺序计算相邻细胞顶点间距离的总长度，并形成初始遍历细胞路径；b产生两个1至N之间的随机整数int1、int2，将序号为min(int1，int2)至max(int1，int2)之间位置上的结点倒序排列，形成新的遍历路径；c重新计算新的扁历路径的总长度，若比原来的遍历路径短，则替换之，否则保留原来的遍历路径；d产生一个1至N之间的随机整数int3、int4，再产生一个1至N-1之间的随机整数，将序号为max(int3，int4)位置上的结点插在序号为min(int3，int4)位置上的结点后面，形成新的遍历路径；e从(a)至(d)循环，到达设定的循环次数，即得到遍历细胞敏感点过程中的路径次最优解；(4)开始辐照每个细胞，待离子记数到达预定数目后，关闭束开关，样本架将位于次最优化路径中下一个结点处的细胞敏感点移至瞄准器出口，等待辐照；如此反复，直至辐照完所有细胞为止。
全文摘要
本发明公开一种微束装置遍历细胞敏感点路径优化技术。利用现有微束装置，在MatrixVB环境下实现通用求解次最优化哈密尔顿回路算法。在寻求遍历细胞敏感点路径存在明显优势在循环500次，平均提高的优化效率为41.78％；循环1000次时，平均提高的优化效率为50.54％；在循环2000次时，平均提高的优化效率为56.33％。考虑时间因素，循环500至1000次，耗时约为1－2秒，不会造成新的瓶颈。
文档编号G06F7/58GK1567191SQ03131938
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月17日 优先权日2003年6月17日
发明者胡智文, 余增亮 申请人:中国科学院等离子体物理研究所