面向可视化纳米操作的DNA运动学建模及误差实时校正方法

摘要

DNA承载着重要的生命信息和意义，在生命科学领域有着至关重要的作用。AFM（原子力显微镜）是一重要的纳米操作工具，在DNA操作当中有着举足轻重的作用。AFM是微纳米领域主要的扫描成像和操作工具。正常的操作流程是扫描——操作——再扫描，即首先扫描一副图像然后再在图中进行操作，最后再进行扫描验证，效率比较低。为了提高效率，出现了AFM沉浸式操作系统。该系统拥有视觉和力反馈，其过程是:以物体的运动模型基础，根据受力分析，预先估计其操作后的位置并显示出来，同时探针开始扫描，并及时更新操作界面，以达到实时视觉反馈的目的。但是这些运动学模型主要针对的是纳米颗粒和纳米棒等刚性物体，缺乏对柔性物体如DNA的模型的建立。
　　本论文共分为五章。第二章节在基于前人工作基础上对DNA的模型进一步研究和仿真。通过DNA拉伸曲线将其简化成弹簧一质点模型，并进行相应的受力分析和讨论，使用matlab程序进行了相应的仿真，验证了其有效性。在本章的附录中列出了相应的matlab仿真源程序。建立模型后需要将DNA在操作界面中仿真出来，以达到视觉反馈的效果，因此需要重新建立DNA。第三章和第四章主要是进行了DNA图像的重构工作。第三章重点进行DNA的预处理。在扫描过程中，由于探针的几何形状，会出现一定的展宽效应。在这一章节里，运用数学形态学的一些基本运算和方法，对DNA扫描图像膨胀过程进行了详细的数学解释，并进行了相应的腐蚀操作，得到了满意的腐蚀结果。第四章主要讲了DNA的图像学处理。在这里运用了图像预处理、平滑、滤波、二值化分割、边缘提取、骨骼线分割等相应的图像处理方法，最终得到了DNA的几何特征图形和数据。通过这些数据可以重新构建相应的DNA图像。由于数学模型的不准确性，在实际中可能会遇到很多误差，因此需要一个合适的校正反馈进行实时的校正。在第五章建立了DNA操作的软件界面程序，使用了局部扫描校正方法来进行在线更新。分别列出了关键的程序设计流程，以及各个操作的实验结果。
　　本文主要提出了在基于DNA模型基础上进行了局部扫描的校正的方法的解决方案，以达到较高可信度的可视化仿真，为当前柔性物体如DNA分子的高效率操作提供一种积极的思路，具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 原子力显微镜

1．3 基于AFM纳米操作研究现状

1．4 本文的研究目标与主要研究内容

1．5 本文的结构安排

第2章 DNA运动模型的建立和仿真

2．1 引言

2．2 DNA分子的物理特性及其数学表达

2．3 DNA运动学模型建立

2．4 仿真结果

2．5 本章小结

第3章 AFM图像预处理

3．1 引言

3．2 数学形态学基础知识

3．3 AFM扫描图像与数学形态学关系

3．4 AFM图像表面的重建结果与分析

3．5 本章小结

第4章 基于AFM图像的DNA重构

4．1 引言

4．2 DNA图像预处理

4．2．1 灰度处理和颜色分量处理

4．2．2 图像平滑处理

4．2．3 图像增强

4．3 DNA图像分割

4．4 DNA分子图像几何特征提取

4．4．1 边缘检测

4．4．2 骨骼线提取

4．5 DNA重构

4．6 本章小结

第5章 DNA操作软件的设计及功能实现

5．1 引言

5．2 基于运动学建模的DNA软件设计

5．2．1 基于DNA运动模型控制模块

5．2．2 DNA识别模块

5．2．3 局部扫描校正算法

5．2．4 上位机与扫描控制器通信

5．3 DNA操作软件的建立

5．4 实验结果与分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢

附录