基于數(shù)字圖像處理的DNA指紋圖譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與算法研究.pdf

1、IMAGE package作為最早的DNA指紋圖譜自動(dòng)分析軟件包,具有良好的用戶界面,同時(shí)其圖像處理和顯示也很強(qiáng),但不足之處是其分析過(guò)程許多地方需要人工的干預(yù),降低了易用性;另外,該軟件設(shè)計(jì)的初衷是為了分析end-labeledDNA片段在丙稀酰胺凝膠上指紋圖譜,而end-labeled片段通常來(lái)講僅僅只能代表克隆DNA中的一部分,現(xiàn)在普遍采用的瓊脂凝膠方法則能將所有來(lái)源一個(gè)克隆的限制性片段全部顯示出來(lái),所以該軟件很多重要環(huán)節(jié)需要人為的

2、干預(yù)以保證結(jié)果的正確性,這就降低了軟件的自動(dòng)化程度.另外一個(gè)不足之處是IMAGE只能在Solaris,Linux平臺(tái)上運(yùn)行,目前還沒(méi)有提供可以在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的版本.這對(duì)于目前絕大部分使用Windows操作系統(tǒng)的中國(guó)用戶而言極不方便.本研究受國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃"作物分子虛擬設(shè)計(jì)育種研究"項(xiàng)目的資助,對(duì)DNA指紋圖譜自動(dòng)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及其算法,展開(kāi)研究和討論,構(gòu)建了DNA指紋圖譜自動(dòng)分析系統(tǒng)框架,發(fā)展了一種基于閾值的圖

3、像分割算法——置信區(qū)間法.在對(duì)上述軟件充分分析和對(duì)數(shù)字圖像處理方法進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上,作者設(shè)計(jì)了DNA指紋圖譜分析系統(tǒng)(DNA FingerprintAnalysis System,FAS),完善了DNA指紋圖譜的數(shù)學(xué)模型,該模型表達(dá)了圖譜中限制性片斷大小和其位移之間的函數(shù)關(guān)系.DNA指紋圖譜分析系統(tǒng)(FAS)數(shù)字圖像處理的具體步驟包括:1)預(yù)處理.目的主要是去除噪聲和圖像增強(qiáng),具體手段包括直方圖均衡化、圖像銳化和中值濾波等;2)泳道

4、分割.目的是將圖譜中不同的泳道分割開(kāi)來(lái),形成一個(gè)個(gè)邏輯上相對(duì)獨(dú)立的實(shí)體便于下一步分別進(jìn)行分析.根據(jù)DNA指紋圖譜的特點(diǎn),作者采用了利用兩個(gè)譜帶(band)間灰度值之和最大的原理進(jìn)行自動(dòng)分割的模型,并發(fā)展出相應(yīng)的算法.實(shí)驗(yàn)證明,該方法效果良好;3)譜帶分析.這是DNA指紋圖譜數(shù)字圖像分析的最后一步,主要的任務(wù)是將DNA限制性片斷形成的譜帶從背景中分離出來(lái).為有效的對(duì)DNA指紋圖譜數(shù)字圖像進(jìn)行分割,作者提出了"置信區(qū)間法".其基本思路是將譜

5、帶亮度灰度值視為一個(gè)具有某個(gè)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的總體,根據(jù)平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的大小,以及選取一個(gè)合理的置信度求出一個(gè)臨界值,這個(gè)臨界值就是閾值.實(shí)驗(yàn)證明"置信區(qū)間法"求得的閾值與目前常用的最大方差法求得的閾值相比,在對(duì)DNA指紋圖譜數(shù)字圖像進(jìn)行分割時(shí),有效的避免了最大方差法求解帶來(lái)的譜帶"粘合"問(wèn)題,提高了譜帶分析的準(zhǔn)確性.DNA指紋圖譜自動(dòng)化分析軟件目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的不多,其數(shù)學(xué)模型和算法的研究仍然處在起步階段,本文在DNA指紋圖譜自動(dòng)分析系統(tǒng)的