基于蚁群算法的数字微流控生物芯片在线测试路径优化

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1、摘要摘要微流控技术是一门新兴的科学技术，而由该技术衍生的数字微流控生物芯片已经发展成为片上实验室(Lab-on-a-chip)系统中具有广阔应用前景的系统平台。数字微流控生物芯片主要应用于生物医学等安全苛求领域，因此可靠性是该系统十分重要的性能参数。为保证系统工作的稳定可靠，需要不断对芯片进行全面和严格的测试，而在线测试是其中较为关键的步骤之一。所以研究有效的在线测试方法对于数字微流控生物芯片的广泛应用具有十分重要的理论价值和现实意义。本文首先介绍数字微流控生物芯片的基本概念和芯片测试的相关技术，并在此

2、基础上针对芯片的结构故障，建立数字微流控生物芯片的在线测试数学模型。通过该模型，本文提出一种基于蚁群算法的测试路径优化方案，实现对数字微流控生物芯片的在线测试优化目标。该方案利用Floyd算法将芯片阵列单元转化为动态TSP问题模型。在不影响实验液滴正常工作下，建立最大最小蚁群系统的选择策略、禁忌判断规则与信息素更新机制，实现测试路径的寻优遍历，完成芯片的在线测试研究。最后本文以经典的多元体液检测实验为实验对象，并对其进行模拟仿真，验证算法的有效性。将基于蚁群算法的数字微流控生物芯片在线测试方案与欧拉回路

3、测试法、并行扫描式测试法等测试策略进行比较分析。实验结果表明，该测试方案能够有效减少芯片的在线测试时间，提高测试和工作效率，并能兼容规则与不规则形状阵列的数字微流控生物芯片。关键词：数字微流控生物芯片；在线测试；路径优化；最大最小蚁群系统-I-AbstractAbstractMicrofluidicsystemstechnologyhasbeenreceivingmuchattentioninrecentyearsanddigitalmicrofluidicbiochipshavebeendevelop

4、edasapromisingplatformforLab-on-a-chipsystems.Sincedigitalmicrofluidicbiochipsaremostlyusedforsafety-criticalapplications,dependabilityemergesasanimportantparameterofthesystemperformance.Therefore,inordertoguaranteethesystemstableandreliablework,thebioch

5、ipsshouldbetestedcomprehensivelyandstrictly,especiallyon-linetestismorecritical.Ithasaveryimportantrealisticmeaningandtheoreticalvaluethatanefficienttestschemeisproposedwhichcanensurethesafetyofwideapplicationofdigitalmicrofluidicbiochips.Thispaperfirstl

6、yintroducedthebasicconceptandrelatedtestingtechniqueofdigitalmicrofluidicbiochips.Afterthat,aimingatthestructurefaultofthebiochips,wesetupthemathematicalmodelofthesystemon-linetestingpathoptimizationonthatbasis.Weproposedaconcurrentteststrategybasedonmax

7、-minantsystemalgorithmfordigitalmicrofluidicbiochips.Thisapproachallowedtheon-linetestandwascompatiblewithregularornon-regulararrayofthesystem.FirstlythemethodologytransformedtheelectrodearrayofbiochipsintodynamicTSPmodelwithFloydalgorithm.Thenweredefine

8、dthetransitionprobability,taburulesandthetrailupdatingofthemax-minantsystemalgorithmtooptimizethetestpathinon-linescenariosofdigitalmicrofluidicbiochips.Atlast,classicalmultiplexedbioassayswassimulatedasexperimentplatformt