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1、单细胞 拉曼 光谱 系统控制软件 V1.0 1 单细胞 拉曼 光谱 系统 控制 软件 单细胞拉曼光谱系统控制软件 是针对 拉曼 光谱系统的 具体功 能要求并结合硬件系统来进行 设计和实现 。根据硬件系统 待实现的功能来对相应器件进行二次开发，以达到系统 原位、实时、连续 、自动获取 单细胞 拉曼光谱 的目的。 1 单细胞拉曼光谱系统控制软件 总体设计 1.1 开发环境 本 套 系统软件主要 基于 Visual Studio 2008集成开发环境，以 C+语言开发完成。 C+是一种静态数据类型检查的、支持多重编程范式的通用程序设计语言。它支持过程化程序设计、数据抽象、面向对象程序设计、制作图标
2、等等泛型程序设计等多种程序设计风格。 Visual Studio 2008是 Microsoft公司开发的一种具有高度综合性能的软件开发工具，采用面向对象的程序设计 (OOP)方法，将数据及对数据操作方法封装在一起，作为一个相互依存、不可分离的整体 对象。对同类型对象抽象出其共性形成类。类的大多数据只能用本类的方法进行处理。类 (Class)通过一个简单的外部接口与外界发生关系，对象与对象之间通过消息进行通讯。这样，程序模块间的关系简单，程序模块的独立性、数据的安全性就具有良好的保障。同时，通过继承与多态性，使程 序具有很高的可重用性，使软件的开发和维护更为方便。 MFC( Microsoft
3、 Foundation Class )类库封装大部分 Windows API( Application Programming Interface )函数，所包含的功能涉及到整个 Windows操作系统。 MFC不仅提供了 Windows 环境下应用层的框架，还提供了创建应用程序的组件。使用 MFC类库和 Visual Studio 2008程序开发工具，可以简化应用程序的设计，缩短开发周期。开发出的程序有着运行速度快、可移植能力强等优点。因 此，我们采用 Visual Studio 2008进行 激光拉曼光谱仪系统软件 开发。 (1) Win32API Microsoft Win32 API
4、是 Windows的应用编程接口，包括窗口信息、窗口管理函数、图形设备接口函数、系统服务函数、应用程序资源等。 Win32API 是Microsoft 32位 Windows操作系统的基础，所有 32位 Windows应用程序都运行在 Win32 API之上，其功能是由系统的动态连接库提供的。 (2) MFC MFC( Microsoft Foundation Class )是 Microsoft公司用 C+语言开发的一套基单细胞 拉曼 光谱 系统控制软件 V1.0 2 础类库。直接利用 Win32 API的大部分内容，并提供了一个应用程序框架用于简化和标准化 Windows程序的设计。 MF
5、C是 Visual Studio 2008的重要组成部分，并且以最理想的方式与其集成为一体。主要包括以下各部分： Win32API的封装、应用程序框架、 OLE支持、数据库支持、通用类等。 1.2 软件功能模块设计 单细胞拉曼光谱系统控制软件 根据 单细胞采集的 实际需要， 对不同功能模块进行 开发 ， 实现的功能主要有： (1) 仪器控制，包括光谱仪、激光器、三维平台以及微流控相关仪 器参数设置等功能 。 (2) 单细胞图像分析，包括图像处理及保存等功能 。 (3) 单细胞拉曼光谱采集、保存及分析等功能。 (4) 光谱处理，包括滤波、平滑、 FFT等功能 。 (5) 数据库创建、数据增加及删
6、除等功能。 单细胞拉曼 光谱 系统控制软件 提供了整个系统与操作用户之间唯一的交互接口。它所提供的显示平台是否直观，提供的控制平台是否便捷，直接关系到整个 软件 系统的可靠性和可操作性，从而影响到整个系统的性能。因此，人性化的界面设计和良好的程序框架构建是整个 单细胞拉曼 光谱 系统控制软件设计 部分的核心。 2 仪器控制模块 仪器控制模块实现了 对光谱仪、激光器、三维平台以及微流控 等器件 参数设置 及控制 等功能 。通过对仪器参数进行设置及控制，实现对单细胞拉曼光谱进行自动采集功能。 参数设置和微流控控制界面如图 1所示。 单细胞 拉曼 光谱 系统控制软件 V1.0 3 图 1 参数设置和
7、微流控控制界面 3 图像分析模块 图像分析模块通过对细胞图像进行灰度变换、边界检测、深度优先搜索等处理后， 获取 每个细胞的 位置，从而方便后续的单细胞自动拉曼 光谱 采集等操作。工作流程 如图 2所示。 图 2 图像处理流程 4 光谱采集及分析模块 光谱的实时采集是系统的主要工作 ， 由于光谱仪提供了相应的 DLL 文件和开发 包，所以在开发过程中可以很方便的实现光谱的采集。 采集过程为首先对光谱仪初始化，然后对光谱仪相关参数进行设置 ，最后 控制三维平台定位到每一个细胞的位置，并控制激光器打开激光，从而 获取 细胞 的 拉曼 光谱数据。 采集的光谱数据以 txt的 格式保存 在 C盘根目录
8、下以当前日期 命名的 文件夹 中 ， 文件名 以当前系统时间 而命名 。 5 光谱处理 模块 拉曼 光谱信号处理研究，对于 激光拉曼光谱仪 的成功研究十分重要，关系到系统是否能达到实用化的关键。从各子系统的结构和工作原理等方面出发，分析了 影响光谱信号的主要因素主要有以下几个方面： (1) 来自光学系统 和探测物 的干扰信号 光学系统对光谱信号的干扰信号主要是系统的杂散光、象差和无用的次级光谱级引起的假信号等。对于传统的大型光谱仪，光学系统的干扰信号主要是从系统结构和相关的光学元件来进行消除。而 激光拉曼光谱仪 光谱仪的结构、光学元件和系统集成等方面受到很大的限制，传统方法不可行。只能 通过
9、研究这些干扰信号的基本特点，然后再寻求解决的方法。 单细胞 拉曼 光谱 系统控制软件 V1.0 4 (2) 来自电路系统和电源的噪声信号 信号采集处理电路的漂移和波动信号，电源噪声信号 也 是干扰信号的主要来源。特别是以上干扰信号在信号微弱的情况下影响极大，有时可能将 有用信号完全淹没，严重影响 系统 的检测性能。这部分信号的处理，首先是尽可能地提高电路系统和电源的性能，再从信号处理技术方面考虑。 光谱信号预处理的常用方法有平滑滤波、傅里叶变换滤波、小波变换滤波等 。其中 傅里叶变换滤波 是本系统后期光谱处理用到的主要方法，通过调用ORIGIN8.0软件提供的 光谱处理 DLL文件 ， 来进行
10、光谱数据的后期处理工作。 数字傅里叶滤波 (Digital Fourier filtering)预处理方法可以有效地滤除高频噪声和由仪器背景杂噪或基线漂移等原因引起的低频噪声 ， 增加光谱信噪比。数字傅里叶 滤波首先将数据进行快速傅里叶变换 (FFT)， 在频率空间与高斯窗函数作用 ， 然后反快速傅里叶变换 (IFFT)， 得到经带通滤波后的光谱数据。高斯函数的均值和标准差分别确定带通滤波器的中心频率和带宽，滤波参数的确定通常采用数值优化方法来实现 ， 以获得最佳滤波效果。其中 ， 对信号进行傅里叶变换的处理方法如 图 3所示。 图 3 傅里叶滤波 流程图 通过调用 OFFT.dll 文件中的相关函数， 对受噪声调制的弱信号 拉曼光谱进行变换得到其频谱图。采用低通、高通、带通、带阻、门限等滤波方式进行信号的滤波处理。 6 数据库 控制 模块 数据库控制模块实现了数据库创建、数据增加及删除等功能。 数据库中存放着细胞相关信息，包括光谱数据、图像、细胞位置、采集时间、细胞种类、温湿度情况、细胞培养条件等信息。 单细胞拉曼 光谱 系统控制软件 将获取到的拉曼光谱数据和细胞图像自动存入数据库中，方便数据调用及查看。 数据库结构如图 4所示。 单细胞 拉曼 光谱 系统控制软件 V1.0 5 图 4 数据库结构 图
