本發(fā)明涉及一種基于禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法，屬于數(shù)字微流控芯片故障測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微流控芯片是一種以在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等試驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，因此又被稱為芯片試驗(yàn)室。由于其在生物化學(xué)分析領(lǐng)域展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，微流控芯片技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，數(shù)字微流控芯片已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于dna分析，pcr反應(yīng)，環(huán)境檢測(cè)，藥品篩選等國民生活與經(jīng)濟(jì)安全領(lǐng)域。在現(xiàn)階段，微流控芯片的主流形式是通過控制芯片上形成的通道網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)流體控制以完成生物化學(xué)試驗(yàn)的各種功能。但近年來，由于對(duì)片上試驗(yàn)的復(fù)雜度與集成度的要求不斷提高，出現(xiàn)了能夠模塊靈活組合與規(guī)模集成程度更高的的數(shù)字微流控芯片。

數(shù)字微流控芯片對(duì)以離散形式在平面上自由運(yùn)動(dòng)的微小液滴進(jìn)行操縱，是一種與傳統(tǒng)的基于連續(xù)流道的微流控芯片不同的新的控制模式。該芯片的典型結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，一般采用玻璃基底或者pcb基底，在頂層制作連續(xù)的公共電極，底層則被分割為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的電極單元，兩層電極的中間層作為微小液滴和包容介質(zhì)的活動(dòng)空間。對(duì)離散液滴的控制基于介電潤濕原理，通過改變液滴與介電層之間表面張力的大小來驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。芯片底層的每個(gè)獨(dú)立電極單元分別連接不同的引腳，通過對(duì)引腳施加不同的電壓序列，可以完成液滴分離，運(yùn)輸，混合等各種操作?；跀?shù)字微流控芯片的液滴控制方式技術(shù)簡單，與基于流道的微流控芯片“一旦完成設(shè)計(jì)與制作，通道網(wǎng)絡(luò)模式便固定下來”不同，通過施加不同的、合理的電壓驅(qū)動(dòng)序列，在同一片數(shù)字微流控芯片上可以設(shè)計(jì)完成不同的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)芯片功能的重構(gòu)，也利于更多功能模塊的后續(xù)集成。另外，與傳統(tǒng)的通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單、試驗(yàn)復(fù)雜度小等不足相比，數(shù)字微流控芯片可以提供更加多樣的液滴控制模式，在芯片規(guī)模增大時(shí)，控制難度也并沒有顯著增加，能夠適應(yīng)更高復(fù)雜度與更大集成度片上試驗(yàn)的需求，是未來微流控芯片的重要發(fā)展方向。

由于數(shù)字微流控芯片多被用于安全苛責(zé)領(lǐng)域，對(duì)可靠性的要求很高，因此，對(duì)芯片進(jìn)行充分測(cè)試是保證芯片正常使用中的重要一環(huán)。芯片的故障產(chǎn)生方式可以分為兩種，一部分來源于芯片生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工藝限制導(dǎo)致的參數(shù)錯(cuò)誤，兩層電極之間不平行或間距不適宜，或者制作過程導(dǎo)致的電極缺陷等；另一部分則會(huì)在芯片的使用過程中產(chǎn)生，這些故障有些在使用前表現(xiàn)為隱性，但卻會(huì)在芯片的使用過程中表征出來，另一部分是由于使用過程中操作不當(dāng)，例如驅(qū)動(dòng)電壓過大導(dǎo)致或者電極老化引起的電極短路或短路故障，試劑中的有機(jī)物例如核酸和蛋白質(zhì)引入的污染，導(dǎo)致電極阻塞等等。不管是哪種原因?qū)е碌碾姌O故障，最終都會(huì)表征為試驗(yàn)液滴運(yùn)動(dòng)失常，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。因此，在片上試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，利用空閑的電極單元，同步地對(duì)芯片進(jìn)行在線測(cè)試具有十分重要的意義。數(shù)字微流控芯片上的試驗(yàn)通常是快速、高通量的反應(yīng)與檢測(cè)過程，對(duì)結(jié)果的可靠性要求較高，通過在線檢測(cè)的結(jié)果，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)芯片產(chǎn)生的故障，從而可以在發(fā)現(xiàn)故障后及時(shí)中斷試驗(yàn)過程，節(jié)省珍貴的試劑資源并且避免得到錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在線測(cè)試路徑優(yōu)化的目標(biāo)是盡可能的找到更短的測(cè)試路徑，從而縮短測(cè)試時(shí)間，更早的發(fā)現(xiàn)芯片產(chǎn)生的故障。

對(duì)于數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法的研究，由于存在試驗(yàn)液滴的動(dòng)態(tài)約束限制，測(cè)試模型變得復(fù)雜，無法再使用簡單的掃描式方法，雖然通過多個(gè)液滴同步對(duì)芯片進(jìn)行行列掃描，能夠有效地縮短測(cè)試時(shí)間，但是這種方法卻并不適用于在線測(cè)試范疇，因?yàn)椋绻捎孟嗤臏y(cè)試策略將引入大量附加的等待時(shí)間，使測(cè)試時(shí)間增加而失去了對(duì)芯片進(jìn)行在線測(cè)試的意義。目前，只有少數(shù)研究人員進(jìn)行了芯片在線測(cè)試方法的研究，但大多數(shù)方法都針對(duì)具有特殊電極布局的定制芯片，或者結(jié)合特殊的實(shí)驗(yàn)流程對(duì)芯片進(jìn)行在線測(cè)試，并不適用于具有規(guī)則的長方形電極單元布局的數(shù)字微流控芯片測(cè)試領(lǐng)域。

目前，存在一種將數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試問題轉(zhuǎn)化為圖論中的旅行商問題，利用蟻群算法進(jìn)行在線測(cè)試路徑優(yōu)化的方法。該方法具有一定的普適性，并能夠達(dá)到較好的優(yōu)化效果，但是由于芯片規(guī)模的限制，需要較大的螞蟻種群數(shù)量和較多的迭代次數(shù)才能達(dá)到比較好的尋優(yōu)效果，導(dǎo)致測(cè)試路徑優(yōu)化時(shí)間過長，限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)下數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法存在的一些問題，而提出了一種基于禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法。

一種基于禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法，所述方法用于生成測(cè)試液滴在數(shù)字微流控芯片上的移動(dòng)路徑，所述移動(dòng)路徑通過節(jié)點(diǎn)序列表示；所述節(jié)點(diǎn)用于表示數(shù)字微流控芯片上的電極；所述方法包括如下步驟；

步驟一、建立數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建禁忌表；

步驟二、構(gòu)建鄰接列表；

步驟三、設(shè)置禁忌搜索算法以及人工勢(shì)場(chǎng)法的初始參數(shù)；

步驟四、根據(jù)人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的可選鄰域內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)所受到的合力值，根據(jù)所述合力值以及禁忌表選擇下一節(jié)點(diǎn)；

步驟五、更新禁忌表；

步驟六、判斷路徑是否完整，若否，則跳轉(zhuǎn)至步驟四；

步驟七、判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的值，若否，則跳轉(zhuǎn)至步驟三；若是，則輸出最優(yōu)路徑。

本發(fā)明通過簡化芯片在線測(cè)試模型，引入人工勢(shì)場(chǎng)法中的斥力函數(shù)來適應(yīng)試驗(yàn)液滴在芯片上的軌跡變化，避免了復(fù)雜模型和大量循環(huán)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，并引入禁忌搜索思想來避免路徑搜索陷入局部搜索，從而得到近似最優(yōu)方案。仿真試驗(yàn)表明，所提出的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法有效地縮短了測(cè)試時(shí)間，滿足一般電極布局?jǐn)?shù)字微流控芯片的測(cè)試需求，并且將測(cè)試路徑規(guī)劃時(shí)間縮短5％左右，使該方法不僅能夠適應(yīng)一般的在線測(cè)試需求，還能夠滿足片資源重構(gòu)條件下的在線測(cè)試應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法的流程圖；

圖2(a)為數(shù)字微流控芯片的側(cè)視示意圖；

圖2(b)為數(shù)字微流控芯片的俯視示意圖；

圖3(a)為數(shù)字微流控芯片的物理模型示意圖；

圖3(b)為數(shù)字微流控芯片抽象為圖的表示形式示意圖；

圖4(a)為合并區(qū)域的示意圖，其中陰影部表示合并區(qū)域，黑色圓形表示液滴；

圖4(b)為干涉區(qū)域的示意圖，其中陰影部表示合并區(qū)域，黑色圓形表示一個(gè)液滴；灰色圓形表示即將進(jìn)入合并區(qū)域的另一個(gè)液滴；

圖5為基于多元體液檢測(cè)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?/p>

圖6為3×3芯片鄰接列表示意圖；

圖7為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面簡要介紹本發(fā)明需要使用到的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試的相關(guān)原理。

1、數(shù)字微流控芯片結(jié)構(gòu)與故障模型

數(shù)字微流控芯片技術(shù)的發(fā)展得益于微電子微機(jī)械制造工藝的成熟，可以將整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境集成在玻璃基底或者pcb基底上，在幾平方厘米的尺度下完成一系列生物化學(xué)試驗(yàn)。芯片的一般結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，頂層中制作相連的公共電極，底層則分割為一個(gè)個(gè)規(guī)則的電極單元，每個(gè)電極單元可以用與其相連的引腳單獨(dú)控制，離散的液滴可以按照設(shè)計(jì)的軌跡在中間層的平面空間自由移動(dòng)。下面，需要對(duì)離散液滴的驅(qū)動(dòng)原理作簡要說明，如圖2(b)所示，當(dāng)前時(shí)刻，在中心電極施加正電壓，這一控制電極就被激活，根據(jù)介電潤濕原理，此時(shí)液滴與介質(zhì)層之間的表面張力減小，液滴變?yōu)闈櫇駹顟B(tài)，就覆蓋在被激活的電極上。在下一時(shí)刻，撤銷當(dāng)前電極的電壓，激活臨近的單元，由于液滴與介質(zhì)層之間表面張力的改變導(dǎo)致液滴受力不平衡，液滴就會(huì)向相應(yīng)的方向移動(dòng)，這就是對(duì)離散液滴最基本的一個(gè)移動(dòng)操作。設(shè)計(jì)不同的電極激活序列，還可以操縱液滴完成分離，混合等操作，在此基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)反應(yīng)的過程。

由于制作工藝的復(fù)雜性和多能域耦合潛在的未知的缺陷，芯片可能會(huì)出現(xiàn)各種類型的故障，比如電極間的短路和短路，頂層和不平行導(dǎo)致液滴移動(dòng)速率受到影響，芯片被細(xì)菌污染導(dǎo)致通路堵塞等等，這些微觀尺度下的故障無法用肉眼觀察，只能通過故障的表征加以判斷。研究人員已經(jīng)通過試驗(yàn)證實(shí)，芯片的各類故障最終都表征為相鄰電極之間的通路受阻，導(dǎo)致液滴受困在某個(gè)故障相關(guān)的單元。因此，通過設(shè)計(jì)合理的電壓驅(qū)動(dòng)序列，可以操縱測(cè)試液滴從蓄液池出發(fā)，遍歷所有可能故障點(diǎn)，再回到廢液池，完成整個(gè)測(cè)試過程。

芯片是否存在故障，通過在廢液池安裝一個(gè)簡易的電容檢測(cè)電路來輔助判斷，液滴的存在會(huì)改變電極之間的電容值，如果有液滴達(dá)到廢液池，電容檢測(cè)電路會(huì)輸出一個(gè)脈沖。因此，如果芯片不存在故障，在廢液池能夠檢測(cè)到測(cè)試液滴的到達(dá)，反之就可以判斷芯片存在故障。

2、數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試模型

數(shù)字微流控芯片的在線測(cè)試還涉及到一些概念的定義，首先介紹一下對(duì)芯片物理模型的抽象方法。

由于芯片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及故障的表征方式，對(duì)其用圖論中的方法加以表示有利于在線測(cè)試模型的建立，本發(fā)明的測(cè)試方法針對(duì)這種長方形電極布局的數(shù)字微流控芯片進(jìn)行。如圖3所示，將電極單元抽象成圖中的點(diǎn)v，相鄰電極單元之間的通路抽象為圖中的邊e，由此可以構(gòu)建出一個(gè)無向非完全連通圖g＝(v,e)，測(cè)試路徑的搜索基于圖g進(jìn)行。在對(duì)電極單元表示方法的選擇上，可以結(jié)合坐標(biāo)法和編號(hào)法兩種方式，利用編號(hào)法可以方便地得到圖g中頂點(diǎn)與邊的關(guān)系，從而在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)，而利用坐標(biāo)法則便于表示約束及優(yōu)化條件，并且，兩種表示方法可以很容易相互轉(zhuǎn)化。假設(shè)芯片具有m×n個(gè)電極單元陣列，v＝(1,2,……,m·n)是圖模型中的頂點(diǎn)集，編號(hào)為i的電極單元對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為(xi,yi)，則編號(hào)與坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

i＝m·(yi-1)+xi(1)

從圖4中可以看出，由于離散液滴可以沿著相鄰單元進(jìn)行水平方向或者垂直方向的移動(dòng)，定義這些相鄰頂點(diǎn)為頂點(diǎn)i的鄰域，記為n(i)。非邊界位置頂點(diǎn)的鄰域內(nèi)都有四個(gè)相鄰頂點(diǎn)，可通過下面的公式獲得：

n(i)＝{i+m,i-m,i+1,i-1}(2)

在計(jì)算機(jī)中，可以將數(shù)字微流控芯片抽象出的圖的結(jié)構(gòu)用鄰接矩陣的形式表示，將該鄰接矩陣記為a，則有a(i,j)＝1,j∈n(i)。基于矩陣a，可以進(jìn)行在線測(cè)試路徑的搜索工作。若在時(shí)刻t-1，測(cè)試液滴位于頂點(diǎn)i，而在時(shí)刻t移動(dòng)到頂點(diǎn)j所在的單元，則記在線測(cè)試路徑的規(guī)劃過程中，離散液滴之間的流體約束條件也是一個(gè)需要考慮的問題，下面結(jié)合圖4對(duì)兩種流體約束情況加以說明。

如圖4(a)所示，在時(shí)刻t，電極單元i是當(dāng)前被試驗(yàn)液滴占據(jù)的位置。由于流體約束條件的限制，距離過近的兩個(gè)離散液滴會(huì)產(chǎn)生融合，因此在被試驗(yàn)液滴占用的單元周圍存在一個(gè)合并區(qū)域(mergingregion)，記為mr(i,t)，在同一時(shí)刻，測(cè)試液滴不能位于這些位置。另外，由于試驗(yàn)液滴和測(cè)試液滴都處于動(dòng)態(tài)過程中，兩種液滴之間也存在動(dòng)態(tài)約束條件，如圖4(b)所示，若在時(shí)刻t-1，測(cè)試液滴需要選擇下一位置，那么根據(jù)流體約束條件，時(shí)刻t試驗(yàn)液滴的合并區(qū)域mr(i,t)是測(cè)試液滴不能選擇的區(qū)域，稱為干涉區(qū)域(interferenceregion)，記為ir(i,t)。合并區(qū)域和干涉區(qū)域共同構(gòu)成了某一時(shí)刻由于流體約束條件形成的禁止區(qū)域，記為tabu(t)。

有了上述定義，數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試路徑優(yōu)化問題可以抽象為以下模型。首先，測(cè)試液滴需要遍歷所有頂點(diǎn)及其鄰域。

滿足流體約束條件，i為測(cè)試液滴所在頂點(diǎn)位置，j為試驗(yàn)液滴所在位置。

te是試驗(yàn)進(jìn)行所需的最大時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，芯片上的實(shí)驗(yàn)液滴的存在會(huì)對(duì)測(cè)試液滴產(chǎn)生流體約束條件的限制。

路徑優(yōu)化的目標(biāo)是獲得更短的測(cè)試時(shí)間，由于測(cè)試時(shí)間與測(cè)試路徑成正比，所以數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試優(yōu)化問題的目標(biāo)就是搜索到更短的測(cè)試路徑，即：

3、禁忌搜索算法理論概述：

禁忌搜索是從局部鄰域搜索發(fā)展而來的，但與之相區(qū)別的是，禁忌搜索融入了智能。事實(shí)上，讓迭代搜索沿著有希望的方向前進(jìn)一直是人們追求的目標(biāo)。這不僅需要方向的選擇，還需要目標(biāo)函數(shù)值的優(yōu)化，另外，對(duì)問題本身知識(shí)的考慮與利用，應(yīng)貫穿于整個(gè)搜索過程中，才使得搜索不會(huì)陷入局部最優(yōu)?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，禁忌搜索從模擬人的智力過程入手，在算法中引入記憶裝置。算法從一個(gè)初始可能解出發(fā)，選擇一系列的特定搜索方向作為試探，選擇實(shí)現(xiàn)使目標(biāo)達(dá)成最可能的移動(dòng)。為了避免陷入局部最優(yōu)解，禁忌搜索中采用一種靈活的記憶技術(shù)，即對(duì)已經(jīng)搜索過的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄和選擇，指導(dǎo)下一步的移動(dòng)，凡是處在禁忌表中的移動(dòng)，在當(dāng)前迭代過程中是不允許實(shí)現(xiàn)的，這樣可以避免算法重新訪問在若干次移動(dòng)中已經(jīng)訪問過的節(jié)點(diǎn)，從而防止了循環(huán)，幫助算法擺脫局部搜索中。另外，為了盡可能不錯(cuò)過最優(yōu)解的移動(dòng)，禁忌搜索還采用藐視準(zhǔn)則的策略。

針對(duì)數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試最優(yōu)化路徑的搜索過程，本發(fā)明利用禁忌搜索算法的下列思想指導(dǎo)測(cè)試路徑的搜索過程。在禁忌搜索算法中，建立禁忌表記錄最近進(jìn)行的幾次移動(dòng)，每個(gè)采納的移動(dòng)在禁忌表中滯留若干步，及次移動(dòng)在以下時(shí)間內(nèi)的搜索中將被視為禁忌對(duì)象；如果禁忌表中對(duì)應(yīng)移動(dòng)的適配值優(yōu)于當(dāng)前選擇，則無視其禁忌屬性而采納其為當(dāng)前選擇，成為特設(shè)準(zhǔn)則。在本問題的模型中，禁忌表中的禁忌節(jié)點(diǎn)分為兩部分，一部分由禁止區(qū)域?qū)?yīng)時(shí)刻的tabu(t)組成，這部分禁忌表會(huì)根據(jù)時(shí)間的變化進(jìn)行更新(相當(dāng)于禁忌步數(shù)為1)，這部分節(jié)點(diǎn)始終不允許進(jìn)行選擇；對(duì)應(yīng)地，另一部分為禁忌搜索算法意義里的禁忌表tabulist(t)，記錄測(cè)試液滴最近幾步移動(dòng)，將禁忌步數(shù)設(shè)置為合理的值，可以避免重復(fù)選擇相同的路徑，妨礙測(cè)試液滴對(duì)芯片其他區(qū)域的探索。同樣地，本方法為禁忌表中的元素設(shè)立特赦準(zhǔn)則，如果測(cè)試液滴當(dāng)前已經(jīng)沒有可選擇的未走路徑，則釋放出禁忌表中禁忌步數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前選擇。

下面說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式提供了基于禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試方法，本發(fā)明的方法用于生成測(cè)試液滴在數(shù)字微流控芯片上的移動(dòng)路徑，移動(dòng)路徑通過節(jié)點(diǎn)序列表示；節(jié)點(diǎn)用于表示數(shù)字微流控芯片上的電極；

本發(fā)明的方法包括如下步驟；

步驟一、建立數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建禁忌表。

其中，測(cè)試任務(wù)可以描述為：

測(cè)試液滴從起點(diǎn)出發(fā)，按照一定的選擇機(jī)制依次訪問圖中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，在搜索路徑的過程中需要避開相應(yīng)時(shí)刻內(nèi)試驗(yàn)液滴的合并與干涉區(qū)域，并在完成了所有邊的遍歷之后回到終點(diǎn)。為了模型的簡單起見，可將起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置為相同位置，位于芯片的左下方。所以，測(cè)試液滴最后會(huì)生成一個(gè)以編號(hào)為1開始并以編號(hào)1結(jié)束的訪問序列l(wèi)＝{x¹,x²,……,x^z}。規(guī)定離散從一個(gè)位置移動(dòng)到相鄰位置的時(shí)間是單位時(shí)間，因?yàn)闇y(cè)試液滴搜索過程中的每一步總是訪問一個(gè)相鄰的電極單元構(gòu)建路徑，因此測(cè)試路徑的長度可以用l的長度來表征，序列長度越短，所需的測(cè)試時(shí)間也就越少。

其次，由于在線測(cè)試過程中芯片上要同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)過程，試驗(yàn)液滴的活動(dòng)對(duì)測(cè)試液滴的搜索過程會(huì)產(chǎn)生影響，是影響在線測(cè)試時(shí)間的重要因素，因此，需要考慮實(shí)用的試驗(yàn)過程來驗(yàn)證本發(fā)明提出的方法。在這里選擇如圖5所示的多元體液檢測(cè)芯片的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行在線測(cè)試方法的驗(yàn)證，試驗(yàn)液滴路徑如圖5所示，試驗(yàn)過程主要分為以下幾個(gè)步驟：

1)樣本1和試劑1向混合器移動(dòng)

2)樣本1和試劑1到達(dá)混合器，進(jìn)行混合操作

3)混合過程中途試劑2和樣本2開始向混合器移動(dòng)

4)樣本1和試劑1完成混合，向檢測(cè)區(qū)1移動(dòng)，樣本2和試劑2開始在混合器中混合

5)樣本2和試劑2完成混合，向檢測(cè)區(qū)2移動(dòng)

6)試驗(yàn)結(jié)果1進(jìn)行閉塞檢測(cè)

7)試驗(yàn)結(jié)果1檢測(cè)結(jié)束，向廢液池移動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果2繼續(xù)檢測(cè)

8)試驗(yàn)結(jié)果2結(jié)束檢測(cè)，向廢液池移動(dòng)。

試驗(yàn)流程以單位個(gè)時(shí)間周期為基準(zhǔn)來計(jì)算，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，混合、檢測(cè)需要花費(fèi)較長時(shí)間，混合操作需要執(zhí)行12個(gè)周期，檢測(cè)操作需要執(zhí)行243個(gè)周期，整個(gè)試驗(yàn)過程共需要412個(gè)周期。

在數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試模型的建立過程中，首先輸入芯片規(guī)模，例如該芯片為15×15陣列，得到各電極單元編號(hào)，之后，根據(jù)試驗(yàn)過程，得到各時(shí)刻試驗(yàn)液滴的單元坐標(biāo)，并依據(jù)圖3所示的在流體約束條件下的合并區(qū)域和干涉區(qū)域，將區(qū)域內(nèi)的電極單元加入禁區(qū)列表。由于試驗(yàn)過程比較復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)路徑和禁區(qū)單元時(shí)刻表不做詳細(xì)敘述。

步驟二、構(gòu)建鄰接列表。

按照本發(fā)明中芯片模型的構(gòu)建方法，每個(gè)非邊界電極單元的鄰域內(nèi)最多有四個(gè)頂點(diǎn)，作為下一步的路徑選擇空間，為了存儲(chǔ)與搜索的方便，將各頂點(diǎn)的鄰域設(shè)置為規(guī)模為m·n規(guī)模的矩陣，依次加入左右和上下相鄰的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于邊界位置節(jié)點(diǎn)不存在的鄰接位置使用元素0占位。圖6列出了依據(jù)上述規(guī)則構(gòu)造的3×3陣列數(shù)字微流控芯片的鄰接列表。鄰接列表作為本方法中測(cè)試液滴搜索路徑的基礎(chǔ)，按照一定的決策機(jī)制逐步構(gòu)建出整個(gè)測(cè)試路徑。

步驟三、設(shè)置禁忌搜索算法以及人工勢(shì)場(chǎng)法的初始參數(shù)。初始參數(shù)包括：禁忌步數(shù)k，斥力參數(shù)ko，引力參數(shù)kg。

步驟四、根據(jù)人工勢(shì)場(chǎng)法計(jì)算從當(dāng)前頂點(diǎn)的可選鄰域內(nèi)各個(gè)頂點(diǎn)所受到的合力值，根據(jù)所述合力值以及禁忌表選擇下一頂點(diǎn)。

步驟五、更新禁忌表。

步驟六、判斷路徑是否完整，若否，則跳轉(zhuǎn)至步驟四。

步驟七、判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的值，若否，則跳轉(zhuǎn)至步驟三；若是，則輸出最優(yōu)路徑。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：

步驟一中，建立數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試的數(shù)學(xué)模型具體為：

建立測(cè)試液滴遍歷所有頂點(diǎn)及其鄰域的模型，表達(dá)式為：

其中，t為時(shí)刻，j為試驗(yàn)液滴所在的頂點(diǎn)，i為測(cè)試液滴所在的頂點(diǎn)，n(i)為頂點(diǎn)i的鄰域；為用于記錄在t時(shí)刻測(cè)試液滴是否從位置i移動(dòng)到位置j情況的值，若是，則的值為1，若否，則的值為0。

測(cè)試液滴的移動(dòng)路徑需要滿足如下流體約束條件：

其中，mr(j,t)表示在同一時(shí)刻與位置j的液滴能夠發(fā)生融合的液滴存在的區(qū)域，記為合并區(qū)域；ir(j,t)表示下一時(shí)刻的位置將進(jìn)入合并區(qū)域mr(j,t)，記為干涉區(qū)域；te為片上實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間。

所述表達(dá)式的優(yōu)化目標(biāo)為：

其中z表示測(cè)試的總時(shí)間。表達(dá)式的含義為：t是時(shí)刻的序列，在每一個(gè)時(shí)刻，測(cè)試液滴都會(huì)從一個(gè)頂點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)頂點(diǎn)，x值被置為1，乘以對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t會(huì)得到一個(gè)時(shí)刻值，滿足在線測(cè)試路徑條件之后，根據(jù)表達(dá)式會(huì)得到一個(gè)最大時(shí)刻(相當(dāng)于訪問最后一條邊的時(shí)間)，z需要滿足大于等于這個(gè)最大時(shí)刻，在此條件下再取最小值。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：

步驟二中，鄰接列表的頭結(jié)點(diǎn)為數(shù)字微流控芯片中的一個(gè)電極；鄰接列表的表節(jié)點(diǎn)為m·n行4列的矩陣，用于表示與其頭結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電極相鄰的四個(gè)電極的編號(hào)；其中m和n分別為數(shù)字微流控芯片上電極的行數(shù)和列數(shù)。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：

步驟四中，下一個(gè)頂點(diǎn)的表達(dá)式為

其中，allowed(i)表示編號(hào)為i的節(jié)點(diǎn)鄰域內(nèi)不在禁忌表中的節(jié)點(diǎn)組成的集合；f(x)為合力值，通過如下公式確定：

f(x)＝fg(x)+fo(x)x∈allowed(i)

其中fo(x)為人工勢(shì)場(chǎng)法中的斥力；fg(x)為人工勢(shì)場(chǎng)法中的引力；ko為用于表示試驗(yàn)液滴間的距離對(duì)斥力大小影響的參數(shù)；kg為用于表示圖模型中某條邊被訪問次數(shù)對(duì)引力大小的影響的參數(shù)；d(x,tabu(t))為頂點(diǎn)x到禁忌區(qū)域時(shí)刻表tabu(t)中的所有頂點(diǎn)的距離中最小的一個(gè)距離。r為用于記錄路徑(i,x)被訪問次數(shù)的矩陣。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是，步驟一中：

禁忌表包含禁忌區(qū)域時(shí)刻表tabu(t)以及禁忌搜索表tabulist(t)。

禁忌區(qū)域時(shí)刻表tabu(t)用于存儲(chǔ)試驗(yàn)液滴流體約束條件限制下的禁止區(qū)域；tabu(t)滿足tabu(t)＝ir(j,t)∪mr(j,t)，其中j為某一時(shí)刻試驗(yàn)液滴的位置對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)。

禁忌搜索表tabulist(t)用于存儲(chǔ)測(cè)試液滴最近特定步數(shù)的電極區(qū)域。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：步驟五中，當(dāng)測(cè)試液滴在當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)沒有可選擇的未走路徑，則釋放出禁忌表中禁忌步數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前選擇。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：

步驟五中，更新禁忌表具體為：

禁忌區(qū)域時(shí)刻表tabu(t)隨時(shí)刻t進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新；

將tabulist(t)表內(nèi)的頂點(diǎn)禁忌步數(shù)減1；將此時(shí)禁忌步數(shù)為0的頂點(diǎn)移出該表；將測(cè)試液滴下一時(shí)刻將要選擇的頂點(diǎn)j加入tabulist(t)表；再將禁忌步數(shù)設(shè)置為k。其中k為禁忌步數(shù)的初始值，用于表示最近一個(gè)加入禁忌搜索表tabulist(t)的頂點(diǎn)的禁忌步數(shù)，k隨著路徑搜索過程進(jìn)行更新。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式五或六相同。

<實(shí)施例>

在本發(fā)明的仿真結(jié)果中，使用圖5所示的多元體液檢測(cè)芯片作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并將該?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼{(diào)整到9×9、11×11、13×13和15×15四種規(guī)格的數(shù)字微流控芯片上進(jìn)行方法驗(yàn)證。其中，檢測(cè)和混合模塊保持不變，樣本和試劑的路徑按照芯片規(guī)模做相應(yīng)尺度下的對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)流程如4.5中所述，由于混合和檢測(cè)操作在整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中占據(jù)大多數(shù)時(shí)間，所以實(shí)際規(guī)劃出的實(shí)驗(yàn)路徑在不同規(guī)模的數(shù)字微流控芯片上并沒有太大的變化。對(duì)不同規(guī)模的芯片，本實(shí)施例都采用本發(fā)明涉及的方法進(jìn)行了多次仿真，由于篇幅原因，下面只列出仿真結(jié)果中每種規(guī)模下得到的平均的測(cè)試路徑長度值，并且與利用蟻群算法優(yōu)化在線測(cè)試路徑的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。

表1在線測(cè)試路徑優(yōu)化仿真結(jié)果

數(shù)字微流控生物芯片的在線測(cè)試就是要遍歷圖g中所有的邊，因此，如果我們能夠找到一條經(jīng)過所有邊一次且僅一次的路徑，那么這條路徑應(yīng)該是理論上最短的在線測(cè)試路徑。但是，歐拉回路的理論表明，在根據(jù)數(shù)字微流控芯片模型構(gòu)建的圖g中，是無法找到這樣的歐拉回路的，只有重復(fù)訪問某些邊才能得到完成的測(cè)試路徑。從表2中可以看到，我們所得到的測(cè)試路徑長度都比對(duì)應(yīng)規(guī)模芯片邊的數(shù)目有所增加，增加的邊數(shù)與芯片規(guī)模大致成正比，側(cè)面說明結(jié)果的合理性。

另外，還需要對(duì)測(cè)試液滴的路徑是否滿足流體約束條件進(jìn)行驗(yàn)證。在芯片上任何的移動(dòng)路線的路徑序列都可以按照時(shí)間順序拆分，如果兩條路徑在特定的時(shí)間內(nèi)均不存在重疊的電極單元，這兩條路徑就是兼容的。在得到最優(yōu)路徑之后，截取測(cè)試時(shí)間內(nèi)的禁區(qū)單元列表，將對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)測(cè)試液滴所在的頂點(diǎn)與禁區(qū)單元列表內(nèi)的各個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行比較，如果在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)兩部分均沒有交集，說明在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)測(cè)試液滴都沒有進(jìn)入禁區(qū)列表中，證明測(cè)試路徑與實(shí)驗(yàn)液滴的路徑能夠兼容。比對(duì)結(jié)果說明，本課題算法規(guī)劃的測(cè)試路徑滿足流體約束條件，克服了已知的一些方法無法解決在線測(cè)試中的流體約束問題的缺點(diǎn)，能夠適應(yīng)數(shù)字微流控芯片在線測(cè)試的需求。

仿真結(jié)果表明，本課題設(shè)計(jì)的算法具有較好的路徑規(guī)劃效果，相比另一種基于改進(jìn)的蟻群算法的在線測(cè)試方法，本方法能夠獲得更優(yōu)化的在線測(cè)試路徑，將測(cè)試時(shí)間縮短了大約5％，能夠更快的發(fā)現(xiàn)芯片出現(xiàn)的故障。另外，與另一種方法相比，本課題設(shè)計(jì)的算法只需要較短的時(shí)間就能得到路徑規(guī)劃結(jié)果，在某些應(yīng)用中，數(shù)字微流控芯片上的試驗(yàn)需要重新規(guī)劃，試驗(yàn)路徑隨之改變，也就需要規(guī)劃新的測(cè)試路徑，這種條件下，顯然快速的獲得新的測(cè)試路徑有利于保障芯片正常使用，及時(shí)完成測(cè)試任務(wù)。由此可見，通過應(yīng)用本發(fā)明提出的禁忌搜索與人工勢(shì)場(chǎng)法相結(jié)合的在線測(cè)試路徑優(yōu)化方法，可以獲得更短的測(cè)試時(shí)間，節(jié)約測(cè)試的時(shí)間成本。并且由于基于局部搜索算法的思想進(jìn)行路徑構(gòu)造，具有運(yùn)算量小，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此本發(fā)明尤其適合應(yīng)用于某些快速檢測(cè)或體外診斷芯片的在線測(cè)試路徑規(guī)劃中。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。