【《多指标融合诊断电路的搭建分析案例》3800字】

多指标融合诊断电路的搭建分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3642多指标融合诊断电路的搭建分析案例 1192631.1诊断电路模块搭建 1282771.1.1电路逻辑原理 1216191.1.2诊断电路模型 3225991.1.3仿真分析结果 7320871.2连接模块搭建 8180961.2.1基因电路元件延迟分析 888231.2.2连接电路模型 98581.2.3仿真分析结果 101.1诊断电路模块搭建1.1.1电路逻辑原理多指标诊断电路选择的标志物为独立标志物HCY、FT3、T3、FT4、TG和联合标志物组MCP-1、vWF、MMP-9、VCAM-1、S100β[26]。检测逻辑为：其中5种独立标志物各不相关，任一种标志物水平超过阈值则诊断结果为阳性，5种联合标志物组中任意3个及以上标志物水平超过阈值则诊断结果为阳性。根据该逻辑，构建5种独立标志物和5种联合标志物融合诊断电路模块。构建该模块的基本思路为：以标志物检测基因电路为前端和信号输入，建立多指标融合诊断基因电路，对检测电路输出信号进行特定的逻辑处理，得到输出信号，即为诊断结果。首先，该诊断电路模块分为5种独立标志物的诊断电路模块和5种联合标志物诊断电路模块。独立标志物诊断电路模块前端接入5种独立标志物检测基因电路的输入信号，独立标志物检测电路由上文已构建好的反相器模型来构成，对于不同标志物的检测电路，由上文中研究的输入输出阈值的关系，通过对模型对应参数进行调整，即可获得对各个标志物适用的检测电路，其输出阈值也可以调整为统一值。设该检测基因电路输出结果分别为A0~A4,同时这也是5种独立标志物诊断电路模块的输入信号。对于5种联合检测物，由于任意三种达到检测阈值则判定为阳性，设这5种联合标志物分别为D0~D4,对其进行任意三种组合，可得到十种组合，故使用10个上述三输入与门作为联合标志物检测电路，每一种标志物组合对应的检测电路输出信号设为B0~B9，当输出信号B为高水平时，表明对应的三种标志物中至少一种输入水平高于阈值。标志物的输入情况和输出信号的对应关系如下： 标志物组合输出信号D0D1D2B0D0D1D3B1D0D1D4B2D0D2D3B3D0D2D4B4D0D3D4B5D1D2D3B6D1D2D4B7D1D3D4B8D2D3D4B9表7标志物与输出信号关系设S0~S4为5种独立标志物的控制信号，分别对应独立标志物为A0~A4,控制信号输入为1，即高水平时，表明需对该控制信号对应的独立标志物进行检测，则对应的独立标志物检测基因电路工作。信号为0时，表明不检测，对应的独立标志物检测基因电路不工作，默认输出信号为低水平，即为0。对于联合标志物检测模块，设各个联合标志物D0~D4,分别对应控制信号为U0~U4，控制信号为1时，表明需对该控制信号对应的联合标志物进行检测，反之同理。由于联合标志物任意三种达到检测阈值则判定为阳性，则少于三种的联合标志物输入信号没有诊断价值，故控制信号至少应有三个为1，少于时控制信号无意义，为非法输入。根据以上规则，独立标志物诊断模块的输入信号为控制信号S0~S4和独立标志物检测基因电路的输出信号A0~A4，该模块对输入信号进行反相操作后，进行或门逻辑运算，输出设为Z0，则当Z0为1，代表存在至少一种独立标志物超过阈值，诊断为阳性。同理，对于联合标志物诊断电路模块，输入信号为控制信号U0~U4,联合标志物诊断基因电路B0~B9。根据输入控制信号，设置一个电路模块判断需检测的联合标志物种类数为3、4或5种。对于每种情况建立一个电路模块对联合标志物检测电路的输出信号B0~B9进行不同的处理，例如，对于需检测标志物种类数为3种的模块，需先判断需检测哪三种标志物，然后选择对应的检测电路输出信号进行判断即可，其余模块逻辑与之相似。设这三个模块输出结果分别为Z1、Z2、Z3。最后，将两个模块的输出进行或逻辑处理，即可得到最终输出信号Z，Z为高水平输出，即Z=1时判定为阳性，即患病，Z为低水平输出，即Z=0时判定为阴性，即未患病。1.1.2诊断电路模型根据上文的分析，建立独立标志物和联合标志物多指标融合诊断电路模块，其结构如下图所示：图6多指标融合诊断电路模块下面对该诊断电路进行详细分析，该诊断电路可分为G2-G10九个模块，其中包括：独立标志物检测模块、3种、4种和5种联合标志物检测模块以及最后的综合处理模块。图7G2模块模块G2为5种独立标志物诊断模块，S0-S4为控制信号输入端口，A0-A4是5种独立标志物检测电路输出信号端，也是该模块的基因电路信号输入端。输入信号与对应的控制信号构成与门逻辑，对5种独立标志物的输入水平进行判断，输出信号再进行或门逻辑运算得到Z0。Z0为该模块输出信号端口，高电平为诊断结果呈阳性,低电平为诊断结果呈阴性。图8G3模块图9G4模块模块G3和G4组成5种联合标志物检测模块。G3为控制模块，U0-U4是控制信号输入端口，作用为判断输入联合标志物物种类数是否为5种，若判断结果为是，则G4模块工作。G4为主模块，B0-B9为5种联合标志物检测电路输出信号端。当5种标志物均需要检测时，则只需对十个检测电路输出信号B0~B9均进行检测，建立十个输入信号的或逻辑运算即可，设输出结果为Z3，高电平为诊断结果呈阳性,低电平为诊断结果呈阴性。图10G5模块图11G6模块图12G7模块模块G5、G6和G7组成4种联合标志物检测模块。G5为控制模块1，输入信号为控制信号U0~U4,输出信号为控制信号K0~K4，该模块的作用是对控制信号U0~U4进行处理，判断输入的4种联合标志物信号具体种类，G6为控制模块2，作用为控制G7模块的工作与否。G7为主模块，作用为对4种联合标志物进行检测,输出信号为Z2，高电平表示诊断结果呈阳性,低电平表示诊断结果呈阴性。图13G8模块图14G9模块模块G8和G9组成3种联合标志物检测模块G8为控制模块，输入信号为控制信号U0~U4，输出信号为控制信号b0~b9，表示5种联合标志物组中任意3种联合标志物的十种组合，其对应关系与B0~B9的对应关系是一致。该模块作用是判断输入的3种联合标志物信号具体种类，G9模块输入信号为B0~B9和控制信号b0~b9，输出信号为Z1，该模块作用为对3种联合标志物进行检测。G10模块结构较简单，作用为将各个模块结果汇得到整个模块总输出Z，Z为高电平表示诊断结果呈阳性,低电平表示诊断结果呈阴性。1.1.3仿真分析结果经仿真，该电路模块能实现功能：输入需检测标志物对应控制信号，电路只对需求标志物进行检测，诊断输出结果为1，则判断患病；输出为0判断为不患病。对该电路输入特定的标志物检测基因电路信号和控制信号，得到的Verilog仿真结果如下图所示：图15诊断电路模块仿真结果对于以上仿真结果，设S=01100,即需检测独立标志物为S1、S2,设检测输出结果A=10011，S0、S3、S4高于阈值,模块输出Z0为0，设U=01111，即需检测联合标志物为U1~U4，任意三个高于阈值最终输出结果为1。设检测输出结果为B=1101001000，即联合标志物U0、U1、U2、U3高于阈值，故Z2输出应为1，最终结果Z=1。仿真结果符合设计要求，能实现电路预期功能。1.2连接模块搭建考察基因电路反相器模型、与门和或门模型可知，基因电路信号存在有延迟的问题，不同基因电路模块信号延迟存在差异，而且可能出现信号衰减的现象。因此需使用触发器对信号进行保存并对不同时延进行同步并将标志物检测基因电路和后端诊断电路模块连接。为同步时延，需先对基因电路模块信号的延迟进行考察。1.2.1基因电路元件延迟分析对于基因电路反相器模型，响应时间主要与反相器生化反应方程组中的反应SBML模型示意图中的反应(3.15)的反应速度有关。下表为经仿真测试得到的反应参数与响应时间的关系：反应参数反应参数反应参数反应参数反应参数3.1510.28872.28870.28872.28872.28873.1628.8728.8728.8738.8718.87响应时间（S）7.08.09.08.08.0表8反应参数与响应时间的关系对于与门基因电路模块，响应时间也主要与其中的反相器模块的反应(3.15)的响应时间有关。下表为经仿真测试得到的反应参数与响应时间的关系：反应参数反应参数反应参数3.1510.28872.28870.2887响应时间（S）7.08.09.0表9反应参数与响应时间的关系根据不同模块的不同信号时延现象，拟采用电平触发的SR触发器来实现保存标志物检测基因电路输出信号，并对信号不同时延进行同步。对于独立标志物检测基因电路，建立一个电平触发的5位寄存器模块接在其后，该模块可对输出的5个检测基因电路信号的高电平进行保存，防止当基因电路信号衰减时，其输出水平变为低电平，导致诊断结果出现错误。同理，对于联合标志物检测基因电路，建立电平触发的10位寄存器模块，接在其后，从而对输出的10个检测基因电路信号的高电平进行保存，防止当基因电路信号衰减时，其输出水平变为低电平，导致诊断结果出现错误。另外，由于独立标志物检测基因电路响应时间通常小于联合检测物电路，在SRtriggerA后接入一与之结构完全相同的寄存器C，根据基因电路模块的响应时间来设置各自时延，从而使延迟消除，实现两部分基因电路信号同时进入后端电路模块。1.2.2连接电路模型对独立标志物检测电路建立电平触发5位寄存器模块SRtriggerA，由5个电平触发SR触发器构成，触发器结构如下：图16SR触发器结构同理，对于联合标志物检测电路，则建立电平触发的10位寄存器模块SRtriggerB。在SRtriggerA模块后接入一相同的寄存器模块SRstrigger，设置各自时延以适应响应时间，可使两部分基因电路信号同时进入后端电路模块。加入连接电路部分后，最终的多指标融合诊断电路模块结构如下图所示：图17整体电路结构1.2.3仿真分析结果对上述整体电路进行仿真，输入特定的标志物检测基因电路信号和控制信号，得到的Verilog仿真结果如下图所示：图SEQ图表\*ARABIC1整体电路仿真结果该仿真结果显示，独立标志物检测基因电路的输入信号L3比联合标志