CN113534862B - 培养腔的气体浓度控制系统以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种培养腔的气体浓度控制系统以及方法。该方法包括：获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔排除的气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的气体输入开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述气体输入开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。通过本发明实施例的技术方案，实现了培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到设置平衡态，同时可以满足多个用户同时培养需求，提高了培养腔的培养效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种培养腔的气体浓度控制系统以及方法。
背景技术
辅助生殖技术，又称医学助孕，是指利用现代医学的最新成果通过人工的手段代替自然生殖过程的一部分或全部的技术。目前的辅助生殖技术胚胎着床成功率低于60％。在体外，配子/胚胎自身不具备任何屏障和保护功能，可能暴露于含有害气体的空气中，面临温度、渗透压、pH等变化的应激，削弱胚胎的发育潜能。为了解决胚胎暴露于环境的问题，Time-lapse培养腔得到了越来越多的关注，该培养腔不仅能将胚胎体外培养过程中暴露于环境中的风险降到最低，还能记录胚胎体外发育的整个过程，为胚胎学家研究胚胎发育过程、挑选可移植胚胎都提供了重要的依据。
以胚胎细胞培养为例，胚胎的培养对环境要求十分严格，特别是气体环境，包括N2、CO2、O2,最适宜的浓度值如下：5％ CO2、5％ O2、90％N2。这里需要补充说明的是：1)CO2为了调节培养环境的PH值；2)因为体内环境的O2浓度远低于体外环境，N2主要为了调节空气中O2的浓度。环境中，一般气路有CO2传感器，通常为红外传感器(IR)或热导传感器(TCD)，CO2传感器用来检测腔体内CO2浓度，将检测结果传递给控制电路及电磁阀等控制器件，如果检测到CO2浓度偏低，则电磁阀打开，CO2进入腔体，直到CO2浓度达到所设置浓度，此时电磁阀关闭，腔内CO2切断，达到稳定状态。同理，类似于CO2浓度的控制方式，气路中接有N2源，通过气路中的控制器件来进行调控N2的浓度从而调控氧气浓度。
现有基于规则的控制技术方法简单，具有明显缺点，具体表现在以下两点：1)达到设置的气体平衡状态所需调控时间长；2)三气浓度波动幅度较大，难以满足胚胎培养的苛刻环境要求；3)三气比例平衡问题属于强耦合问题，单一气体浓度到平衡后不一定其它气体也到平衡。
发明内容
本发明提供一种培养腔的气体浓度控制系统以及方法，以实现多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率，降低了培养成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种培养腔的气体浓度控制系统，该系统包括：系统控制模块、开关组件、气体预处理模块、至少一个培养腔以及气体检测模块；
其中，所述开关组件包括至少一个第一开关，各所述第一开关分别设置于各类气体对应的各气体通道上，所述第一开关的开关状态用于控制对应气体通道内气体的流通状态，各气体通道与所述气体预处理模块连接，所述气体预处理模块用于将进入各所述培养腔之前的各类气体进行预处理，并将处理后的气体输入至各所述培养腔；
所述气体检测模块包括至少一个气体检测单元，各所述气体检测单元分别与培养腔连接，用于对培养腔排除的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；
所述系统控制模块分别与所述开关组件的各第一开关和所述气体检测模块连接，用于获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的气体输入开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述气体输入开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关；
所述培养腔用于接收和输出各类气体，并在所述各类气体的目标气体浓度下培养目标对象。
可选的，所述系统控制模块包括气体浓度调节单元；其中，
所述气体浓度调节单元用于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度，并根据预先训练好的气体浓度调节模型，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括各类气体对应的各第一开关的控制指令。
可选的，各所述培养腔的输入端和输出端分别设置有气体输出开关和气体输出开关，所述控制系统模块分别与各所述培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关连接，用于根据各所述培养腔的选择信息控制各所述培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关。
可选的，所述气体预处理模块包括气体过滤单元和气体分压单元；其中，
所述气体过滤单元用于将经过气体通道输入的各类气体进行气体过滤处理；
所述气体分压单元用于将向各所述培养腔输入同等压力和流量的气体；其中，所述气体为经过过滤的气体，各所述培养腔的气体输入开关的开关状态为打开状态。
可选的，所述气体通道包括外部输入的气体对应的气体通道以及所述气体检测模块输出的循环气体对应的气体通道。
可选的，所述系统还包括气体消毒模块；其中，
所述气体消毒模块分别与所述气体检测模块和各所述培养腔的输出端连接，用于对各所述培养腔输出的各类气体进行消毒杀菌处理，以使所述输出的各类气体可以继续循环输入。
第二方面，本发明实施例还提供了一种培养腔的气体浓度控制方法，该方法应用于上述任一实施例提供的培养腔的气体浓度的控制系统，具体的该方法包括：
获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；
基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。
可选的，基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，包括：
将所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度输入至预先训练好的气体浓度调节模型，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括各类气体对应的各第一开关的控制指令。
可选的，所述方法还包括：
若所述培养腔的选择信息发生变化，基于变化后的培养腔的实时气体浓度调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令。
可选的，在所述调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令之前，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持关闭状态；
相应的，在所述调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令之后，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持打开状态。
可选的，所述方法还包括：
获取预先训练好的调节评价结果模型对气体浓度调节模型输出结果的评价结果，基于所述评价结果对所述气体浓度调节模型进行优化训练，得到训练好的气体浓度调节模型。
可选的，所述调节结果评价子模型在训练中的损失函数包括：L(θi)＝r(st,at)+γQ(st+1,μ(st+1|θμ)|θQ)-Q(st,at|θQ)；其中，r(st,at)为所述奖惩函数，Q为所述调节结果评价子模型输出的评价结果，γ表示调节系数；θu表示气体浓度调节模型的模型参数；θQ表示结果调节模型的模型参数；μ表示气体浓度调节模型的输出。
本发明实施例的结构具体包括：系统控制模块、开关组件、气体预处理模块、至少一个培养腔以及气体检测模块；其中，所述开关组件包括至少一个第一开关，各所述第一开关分别设置于各类气体对应的各气体通道上，所述第一开关的开关状态用于控制对应气体通道内气体的流通状态，各气体通道与所述气体预处理模块连接，所述气体预处理模块用于将进入各所述培养腔之前的各类气体进行预处理，并将处理后的气体输入至各所述培养腔；所述气体检测模块包括至少一个气体检测单元，各所述气体检测单元分别与培养腔连接，用于对培养腔排除的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；所述系统控制模块分别与所述开关组件的各第一开关和所述气体检测模块连接，用于获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的气体输入开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述气体输入开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关；所述培养腔用于接收和输出各类气体，并在所述各类气体的目标气体浓度下培养目标对象。本发明实施例的技术方案中系统控制模块通过获取各培养腔的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块输出的各类气体的实时气体浓度进行各类气体的气体浓度调节，并基于调节结果确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，所述开关组件中的各第一开关，实现了多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率，降低了培养成本。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图；
图4是本发明实施例四提供的培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图；
图5是本发明实施例四涉及的另一种培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图；
图6是本发明实施例五提供的培养腔的气体浓度控制方法的流程示意图；
图7是本发明实施例六提供的培养腔的气体浓度控制方法的流程示意图；
图8是本发明实施例六涉及的培养腔的气体浓度控制训练方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图，本实施例可适用于对各培养腔中的细胞进行培养的情况，更具体的，适用于对各培养腔中的各类气体的气体浓度进行控制，以使培养腔中的各类气体的气体浓度达到目标要求，并在目标气体浓度下对各培养腔中的细胞进行培养的情况。
在对本实施例的技术方案进行介绍之前，先对本实施例的应用场景进行示例性的介绍，当然下述应用场景只是作为可选应用场景，本实施例的技术方案还可以应用于其他应用场景，本实施例对此不加以限制。具体的，示例性介绍的应用场景包括：在胚胎培养过程中对培养腔的气体环境要求尤其严格，培养腔中的气体类型以及各类气体的气体浓度都有严格的比例要求。培养腔中的气体类型大多包括N2、CO2、O2,最适宜的浓度值如下：5％CO2、5％ O2、90％N2。这里需要补充说明的是：1)CO2为了调节培养环境的PH值；2)因为体内环境的O2浓度远低于体外环境，所以N2主要为了调节空气中O2的浓度，以达到比例要求。现阶段的培养腔中控制气体的方式为通过气体通路中设置的气体浓度检测器获取各类气体的气体浓度，并检测结果传递给控制电路及电磁阀等控制器件，如果检测到气体的浓度偏低，则该类气体对应的电磁阀打开，使气体进入腔体，直到各类气体的浓度达到所设置浓度，此时电磁阀关闭，使腔内的各类气体的气体浓度达到稳定状态。
现有的培养腔的气体浓度的控制技术方法简单，但是具有明显缺点，具体表现在以下两点：1)达到设置的气体平衡状态所需调控时间长；2)三气浓度波动幅度较大，难以满足胚胎培养的苛刻环境要求；3)三气比例平衡问题属于强耦合问题，单一气体浓度到平衡后不一定其它气体也到平衡。因此一般将所有气体经浓度调控后混合放在预混舱内，再进入培养腔室内。随着培养腔室增多，预混舱也得相应增大，使得培养腔体积变得很大。即便如此，气体环境的稳定性和精度仍然有提高空间。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案通过系统控制模块获取各培养腔的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块输出的各类气体的实时气体浓度进行各类气体的气体浓度调节，并基于调节结果确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，所述开关组件中的各第一开关，实现了多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率，省去了原有的预混舱室装置，降低了培养成本。
参见图1，该培养腔140的气体浓度控制系统的具体结构包括：系统控制模块110、开关组件120、气体预处理模块130、至少一个培养腔140以及气体检测模块150；
其中，所述开关组件120包括至少一个第一开关，各所述第一开关分别设置于各类气体对应的各气体通道上，所述第一开关的开关状态用于控制对应气体通道内气体的流通状态，各气体通道与所述气体预处理模块130连接，所述气体预处理模块130用于将进入各所述培养腔140之前的各类气体进行预处理，并将处理后的气体输入至各所述培养腔140；
所述气体检测模块150包括至少一个气体检测单元，各所述气体检测单元分别与培养腔140连接，用于对培养腔140输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；
所述系统控制模块110分别与所述开关组件120的各第一开关和所述气体检测模块150连接，用于获取培养腔140的各类气体的目标气体浓度，并基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件120的各第一开关；
所述培养腔140用于接收和输出各类气体，并在所述各类气体的目标气体浓度下培养目标对象。
在本发明实施例中，开关组件120中的第一开关可以是用于控制对应气体通道上的气体流通。可选的，第一开关的材质可以是基于继电器控制的电磁阀，以实现接收系统控制模块110发送的该第一开关对应的控制指令，并对该第一开关进行控制。具体的，第一开关的材质还可以根据实际情况进行具体选择，即实现可接受控制指令并进行开关控制即可，本实施例对具体材质不加以限制。第一开关的数量与本发明实施例中提供的气体通道的数量对应的。在本实施例中气体通道包括外部输入的气体对应的气体通道以及所述气体检测模块150输出的循环气体对应的气体通道。具体的，外部输入的各类气体分别为：O2、CO2、N2，循环气体为O2、CO2和N2的混合气体。
具体的，本实施中开关组件120的各第一开关在收到系统控制模块110发送的控制指令时，根据控制指令中各第一开关的开关状态以及开关持续时长对各第一开关进行控制，即控制各第一开关对应的气体通道中流通的各类气体；将经过气体通道的各类气体输入至与各气体通道连接的气体预处理模块130，对各类气体进行预处理。
在本发明实施例中，气体预处理模块130与各培养腔140连接，用于将经过预处理的气体输入至各培养腔140中，以实现对各培养腔140中的各目标对象进行培养；同时，培养腔140中的气体也在不间断的输入和输出，以保证培养腔140内的各类气体的气体浓度满足目标气体浓度要求。
需要说明的是在本发明实施例中，各所述培养腔140的输入端和输出端分别设置有气体输出开关和气体输出开关，所述控制系统模块分别与各所述培养腔140对应的气体输入开关和气体输出开关连接，用于根据各所述培养腔140的选择信息控制各所述培养腔140对应的气体输入开关和气体输出开关。
在本实施例中，气体检测模块150分别与各培养腔140的输出端以及开关组件120连接，用于将培养腔140输出的气体进行气体浓度检测，并将检测后的循环气体经过开关组件120的第一开关控制输入至气体预处理模块130，实现气体的循环利用，从而节约了培养成本。可选的，气体检测模块150中包括至少一个气体检测单元，分别用于对各类气体的气体浓度进行检测。气体检测单元设置的数量可以与培养腔140中的气体类型的数量保持一致，即当培养腔140中的气体类型为O2、CO2和N2时，气体检测单元设置的数量也为三个，以便于快速确定各类气体的实时气体浓度；当然，气体单元设置的数量还可以比培养腔140中的气体类型的数量减少一个，即同样以培养腔140中的气体类型为O2、CO2和N2为例，气体检测单元设置的数量为两个，例如检测O2和CO2的气体浓度，然后N2的气体浓度通过O2和CO2的气体浓度计算得到。上述设置数量的有益效果在于减少培养腔140的气体浓度控制系统的部件数量，以实现降低培养成本。
在本实施例中，将气体检测模块150确定的各类气体的实时气体浓度输入至系统控制模块110，以便于系统控制模块110后续根据各气体的实时气体浓度确定各气体通道上的各第一开关的控制指令。进一步的，系统控制模块110获取培养腔140的各类气体的目标气体浓度，并基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件120的各第一开关，以实现将将各类气体经过气体通道流通至气体预处理模块130。
本发明实施例提供的气体浓度控制的结构具体包括：系统控制模块110、开关组件120、气体预处理模块130、至少一个培养腔140以及气体检测模块150；其中，所述开关组件120包括至少一个第一开关，各所述第一开关分别设置于各类气体对应的各气体通道上，所述第一开关的开关状态用于控制对应气体通道内气体的流通状态，各气体通道与所述气体预处理模块130连接，所述气体预处理模块130用于将进入各所述培养腔140之前的各类气体进行预处理，并将处理后的气体输入至各所述培养腔140；所述气体检测模块150包括至少一个气体检测单元，各所述气体检测单元分别与培养腔140连接，用于对培养腔140排除的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；所述系统控制模块110分别与所述开关组件120的各第一开关和所述气体检测模块150连接，用于获取培养腔140的各类气体的目标气体浓度，并基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的气体输入开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述气体输入开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件120的各第一开关；所述培养腔140用于接收和输出各类气体，并在所述各类气体的目标气体浓度下培养目标对象。本发明实施例的技术方案中系统控制模块110通过获取各培养腔140的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块150输出的各类气体的实时气体浓度进行各类气体的气体浓度调节，并基于调节结果确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，控制所述开关组件120中的各第一开关，实现了多个培养腔140中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔140的培养效率，降低了培养成本。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，本培养腔的气体浓度控制系统中的控制系统模块包括气体浓度调节单元211；其中与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
参见图2，本培养腔的气体浓度控制系统中的系统控制模块210包括气体浓度调节单元211；其中，
所述气体浓度调节单元211用于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度，并根据预先训练好的气体浓度调节模型，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括各类气体对应的各第一开关的控制指令。
在本实施例中，系统控制模块210包括气体浓度调节单元211，用户获取系统控制模块210获取的培养腔240的各类气体的目标气体浓度以及实时气体浓度，并将该气体浓度输入至预先训练好的气体浓度调节模型中进行调节，得到该气体调节模型的输出结果；其中，输出结果为各第一开关的控制指令，具体的包括各第一开关的状态控制指令，以及时长控制指令。在本实施例中，气体浓度调节模型的输出结果为多标签输出，其中，一组为数字量表示开关状态，可以用softmax神经元表示；另一组为连续量表示开关持续时间，可以用线性神经元表示：。例如本实施例中输出结果可以表示为：/>式中/>分别表示O2、CO2、N2以及循环气体的气体通道对应的开关是否保持开启状态，/>分别表示控制O2、CO2、N2和循环气体的气体通道对应的开关的开启时间。
本发明实施例的技术方案中系统控制模块210中的气体浓度调节单元211通过获取各培养腔240的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块250输出的各类气体的实时气体浓度，并采用深度强化学习的方法确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，控制所述开关组件220中的各第一开关，实现了多个培养腔240中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔240的培养效率，降低了培养成本。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的一种培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，本培养腔的气体浓度控制系统中的控气体预处理模块330包括气体过滤单元331和气体分压单元332；其中与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
参见图3，本培养腔的气体浓度控制系统中的气体预处理模块330包括气体过滤单元331和气体分压单元332；其中，
所述气体过滤单元331用于将经过气体通道输入的各类气体进行气体过滤处理；
所述气体分压单元332332用于将向各所述培养腔340340输入同等压力和流量的气体；其中，所述气体为经过过滤的气体，各所述培养腔340340的气体输入开关的开关状态为打开状态。
在本实施例中，气体预处理模块330包括气体过滤单元331和气体分压单元332；其中，气体过滤单元331与配置有个第一开关的各气体通道连接，用于接收各气体通道输入的各类气体，并将各类气体进行气体过滤，去除气体中的空气为例以及不利于培养腔340中的目标对象培养的有害气体等气体；气体分压单元332分别与气体过滤单元331的输出端和各培养腔340的输入端连接，用于将过滤后的各类气体等流量等压力的输入至各培养腔340，以保证各培养腔340中的各类气体的气体浓度和气体流量一致，当然上述操作是因为各培养腔340中培养的目标对象需要的各类气体的目标气体浓度一致；当培养腔340内的目标对象不一致时，还可以对讲过分压单元向各培养腔340中输入各培养腔340内的各类气体的目标气体浓度。
本实施例的技术方案，通过采用气体过滤单元331将各气体通道输入的各类气体进行气体过滤，以及采用气体分压单元332将过滤后的气体等流量等压力的输入至各培养腔340，以使流入各培养腔340的各类气体以及气体浓度达到培养要求，以便于培养腔340对目标对象进行培养。
实施例四
图4为本发明实施例四提供的一种培养腔的气体浓度控制系统的结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，本培养腔的气体浓度控制系统还包括气体消毒模块460；其中与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
参见图4，本培养腔的气体浓度控制系统还包括气体消毒模块460；其中，
所述气体消毒模块460分别与所述气体检测模块450和各所述培养腔440的输出端连接，用于对各所述培养腔440输出的各类气体进行消毒杀菌处理，以使所述输出的各类气体可以继续循环输入。
本实施例的技术方案，通过气体消毒模块460对各所述培养腔440输出的各类气体进行消毒杀菌处理，以使培养腔440输出的各类气体可以继续经气体通道继续流通至培养腔440进行循环利用，降低了培养成本。
在上述各实施例的基础上，本实施例还包括可选实施例，对上述的技术方案进行示例性的介绍，如图5所示：
获取浓度检测点输出的O2、CO2和N2的实时气体浓度，并将该实时气体浓度输入至气体浓度调节单元即智能体中，进一步的获取经系统控制模块输入至气体浓度调节单元的各类气体的目标气体浓度，并将各类气体的实时气体浓度和目标气体浓度经过气体浓度调节单元中预先训练好的气体浓度调节模型中，得到个第一开关的控制指令；将各控制指令发送至开关组件中各气体通道对应的各开关，即开关组件中的各开关，用于控制各开关的开关状态以及开关持续时长；其中，各气体通道包括外部输入的气体对应的气体通道以及所述气体检测模块输出的循环气体对应的气体通道。将各气体通道流通的各类气体输入至气体过滤单元，以过滤掉气体中的微粒以及有害气体；气体分压单元将过滤后的气体等压力等流量的输入至各培养腔，其中，各培养腔为根据各所述培养腔的选择信息控制各所述培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态为打开的培养腔。各培养腔中的各类气体的输出端与气体消毒单元连接，用于将培养腔中输出的气体进行消毒杀菌处理，以使消毒杀菌后的气体可以循环输入至培养腔，以降低培养腔的培养成本，本实施例的技术方案通过气体浓度调节单元直接控制各气体通道对应的各开关，直接将各类气体输入至培养腔中，减少了预混舱部件的安装，在实现多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率的同时降低了培养成本。
值得注意的是，上述培养腔的气体浓度控制装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以下是本发明实施例提供的培养腔的气体浓度控制方法的实施例，该方法与上述各实施例的培养腔的气体浓度控制系统属于同一个发明构思，在培养腔的气体浓度控制方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述培养腔的气体浓度控制系统的实施例。
实施例五
图6为本发明实施例五提供的一种培养腔的气体浓度控制方法的流程图，本实施例可适用于对各培养腔中的细胞进行培养的情况，更具体的，适用于对各培养腔中的各类气体的气体浓度进行控制，以使培养腔中的各类气体的气体浓度达到目标要求，并在目标气体浓度下对各培养腔中的细胞进行培养的情况。该方法可以由培养腔的气体浓度控制装置来执行，本发明实施例所提供的培养腔的气体浓度控制方法可由本发明任意实施例所提供的培养腔的气体浓度控制系统执行，具备执行系统相应的功能模块和有益效果。
如图6所示，该方法具体包括以下步骤：
S510、获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度。
S520、基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。
本发明实施例提供的气体浓度控制方法的具体包括：获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；进一步的，基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。本发明实施例的技术方案中系统控制模块通过获取各培养腔的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块输出的各类气体的实时气体浓度进行各类气体的气体浓度调节，并基于调节结果确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，所述开关组件中的各第一开关，实现了多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率，降低了培养成本。
在上述实施例的基础上，基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，包括：
将所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度输入至预先训练好的气体浓度调节模型，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括各类气体对应的各第一开关的控制指令。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
若所述培养腔的选择信息发生变化，基于变化后的培养腔的实时气体浓度调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令。
在上述实施例的基础上，在所述调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令之前，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持关闭状态；
相应的，在所述调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令之后，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持打开状态。
实施例六
图7为本发明实施例六提供的一种培养腔的气体浓度控制方法的流程图，本实施例在上述各实施例的基础上，增加了“获取预先训练好的结果调节模型对气体浓度调节模型输出结果的评价结果，基于所述评价结果对所述气体浓度调节模型进行优化训练，得到训练好的气体浓度调节模型”其中与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。参见图7，本实施例提供的培养腔的气体浓度控制方法包括：
S610、获取预先训练好的结果调节模型对气体浓度调节模型输出结果的评价结果，基于所述评价结果对所述气体浓度调节模型进行优化训练，得到训练好的气体浓度调节模型。
在本实施例中，对气体浓度调节模型采用线上控制线下训练的方法进行模型训练。可选的如图8所示，采用预先训练好的结果调节模型对气体浓度调节模型进行优化训练。即获取培养腔的各气体的状态即目标气体浓度以及实时气体浓度，基于训练中的气体浓度调节模型得到各第一开关的控制指令；并将目标气体浓度、实时气体浓度以及各第一开关的控制指令输入至预先训练好的结果调节模型，得到对训练中的气体浓度调节模型的调节结果，基于该调节结果对训练中的气体浓度调节模型进行优化调节，直至得到训练好的气体浓度调节模型。
具体的，结果调节模型的训练方法包括：将气体浓度调节模型输出的初始结果作为待训练的结果调节模型的输入样本数据。基于样本输入数据得到待训练的结果调节模型的计算预测值和真实值，并计算预测值和真实值之间的误差L(θi)＝r(st,at)+γQ(st+1,μ(st+1|θμ)|θQ)-Q(st,at|θQ)，其中，r(st,at)为奖惩函数，Q为所述结果调节模型输出的评价结果，γ表示调节系数；θu表示气体浓度调节模型的模型参数；θQ表示结果调节模型的模型参数；μ表示气体浓度调节模型的输出。
具体的，奖惩函数r(st,at)表达式如公式下述所示：
其中，M1,M2,M3,M4,M5,M6为各约束项的惩罚系数，用于评估各个约束项对模型进化的重要性。
基于上述计算预测值和真实值之间的误差对训练中的结果调节模型进行重复训练，直到模型在训练样本中收敛，即模型的损失值趋于零或者长时间趋于稳定不再随着训练次数的增加而改变，确定此时的结果调节模型满足训练停止条件，即完成模型训练，得到训练完成的结果调节模型。进一步的，基于预先训练好的结果调节模型对气体浓度调节模型输出结果的评价结果，基于所述评价结果对所述气体浓度调节模型进行优化训练，得到训练好的气体浓度调节模型。
当然，在一些其他实施例中，对所述气体浓度调节模型进行优化训练方法还可以是基于下述目标优化函数对气体浓度调节模型进行优化训练。具体的，目标优化函数如下述公式1所示，其目标优化函数在本实施例中的含义为最小化CO2和N2气体消耗和最快达到稳定状态所用的时间t0。其约束条件如公式2所示，含义为三气浓度到达设置平衡位置后波动范围小于设置的阈值。该平衡后波动范围可以根据具体培养要求去设置，适当改变网络容量重新训练即可。
因为空气中的O2约占20％，N2约占80％，因此当系统工作时三气实时浓度为以下公式3：
式中Φ1(t)、Φ4(t)分别为O2、循环气体的输气泵实时流量。λ1(t)、λ2(t)、λ3(t)分别为O2、N2、CO2在循环气体中实时百分比，且λ1(t)+λ2(t)+λ3(t)＝1。其具体表达式如公式4所示：
式中Φ1、Φ2、Φ3、Φ4表示O2、N2、CO2、循环气体在单位时间流量。PWM1(t)、PWM2(t)、PWM3(t)、PWM4(t)代表着各个气体通道实际导通时间。
其中，各个气体通道实际导通时间由训练中的气体浓度调节模型输出的各第一开关的控制指令确定。
S620、获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度。
S630、基于各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。
本发明实施例的技术方案中系统控制模块通过获取各培养腔的各类气体的目标气体浓度以及气体检测模块输出的各类气体的实时气体浓度进行各类气体的气体浓度调节，并基于调节结果确定各类气体对应的各第一开关的控制指令，所述开关组件中的各第一开关，实现了多个培养腔中的各类气体的气体浓度快速且准确地达到目标平衡状态，提高了培养腔的培养效率，降低了培养成本。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种培养腔的气体浓度控制系统，其特征在于，包括：系统控制模块、开关组件、气体预处理模块、至少一个培养腔以及气体检测模块；
其中，所述开关组件包括至少一个第一开关，所述各第一开关分别设置于各类气体对应的各气体通道和循环气体对应的气体通道上，所述第一开关的开关状态用于控制对应气体通道内气体的流通状态，所述各气体通道与所述气体预处理模块连接，所述气体预处理模块用于将进入各所述培养腔之前的各类气体进行预处理，并将处理后的气体输入至各所述培养腔；其中，所述各类气体包括O2、CO2和N2；所述各气体通道包括外部输入的气体对应的气体通道以及所述气体检测模块输出的所述循环气体对应的气体通道；
所述气体检测模块包括至少一个气体检测单元，各所述气体检测单元分别与培养腔连接，用于对培养腔输出的各类气体进行气体浓度检测，得到各类气体的实时气体浓度；
所述系统控制模块分别与所述开关组件的各第一开关和所述气体检测模块连接，用于获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定所述各类气体对应的各第一开关和所述循环气体对应的第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关；其中，所述系统控制模块包括气体浓度调节单元；所述气体浓度调节单元用于获取各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度，并根据预先训练好的气体浓度调节模型，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括所述各类气体对应的各第一开关和所述循环气体对应的第一开关的控制指令；
所述培养腔用于接收和输出各类气体，并在所述各类气体的目标气体浓度下培养目标对象；
其中，所述气体浓度调节模型基于目标优化函数进行优化训练；所述目标优化函数用于最小化CO2和N2气体消耗和最快达到稳定状态所用的时间；所述目标优化函数的约束条件为三气浓度到达设置平衡位置后波动范围小于设置的阈值；其中，所述三气为O2、CO2和N2；
其中，所述目标优化函数为：其中，t0表征达到稳定状态所用的时间；
其中，所述目标优化函数的约束条件为：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各所述培养腔的输入端和输出端分别设置有气体输出开关和气体输出开关，所述控制系统模块分别与各所述培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关连接，用于根据各所述培养腔的选择信息控制各所述培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体预处理模块包括气体过滤单元和气体分压单元；其中，
所述气体过滤单元用于将经过气体通道输入的各类气体进行气体过滤处理；
所述气体分压单元用于将向各所述培养腔输入同等压力和流量的气体；其中，所述气体为经过过滤的气体，各所述培养腔的气体输入开关的开关状态为打开状态。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气体消毒模块；其中，
所述气体消毒模块分别与所述气体检测模块和各所述培养腔的输出端连接，用于对各所述培养腔输出的各类气体进行消毒杀菌处理，以使所述输出的各类气体可以继续循环输入。
5.一种培养腔的气体浓度控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述的气体浓度控制系统，包括：
获取培养腔的各类气体的目标气体浓度，并基于气体检测单元对培养腔排出的所述各类气体进行气体浓度检测，得到所述各类气体的实时气体浓度；
基于所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定所述各类气体对应的各第一开关和循环气体对应的第一开关的控制指令，其中，所述控制指令包括所述各第一开关的开关状态以及持续时长，用于控制所述开关组件的各第一开关。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度确定所述各类气体对应的各第一开关和循环气体对应的第一开关的控制指令，包括：
将所述各类气体的目标气体浓度和实时气体浓度输入至预先训练好的气体浓度调节模型，对所述各类气体的气体浓度进行调节，得到所述气体浓度调节模型的输出结果；其中，所述输出结果包括所述各类气体对应的各第一开关和所述循环气体对应的第一开关的控制指令。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述培养腔的选择信息发生变化，基于变化后的培养腔的实时气体浓度调整所述各类气体对应的各第一开关和所述循环气体对应的第一开关的控制指令。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在调整所述各类气体对应的各第一开关的控制指令之前，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持关闭状态；
相应的，在所述调整所述各类气体对应的各第一开关和所述循环气体对应的第一开关的控制指令之后，还包括：
将未发生变化的培养腔对应的气体输入开关和气体输出开关的开关状态保持打开状态。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取预先训练好的结果调节模型对气体浓度调节模型输出结果的评价结果，基于所述评价结果对所述气体浓度调节模型进行优化训练，得到训练好的气体浓度调节模型。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，结果调节模型在训练过程中的损失函数包括：L(θi)＝r(st,at)+γQ(st+1,μ(st+1|θμ)|θQ)-Q(st,at|θQ)；其中，r(st,at)为奖惩函数，Q为所述结果调节模型输出的评价结果，γ表示调节系数；θu表示气体浓度调节模型的模型参数；θQ表示结果调节模型的模型参数；μ表示气体浓度调节模型的输出。
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