AIDT 온디바이스 STEM 다중 오류 견고 형광 교잡(MERFISH) 공간 전사체 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Merfish
{
    public readonly ref struct MerfishSpotState
    {
        public readonly int DecodedGeneId;           // 디코딩된 유전자 고유 ID
        public readonly int HammingDistance;         // 최근접 바코드와의 해밍 거리
        public readonly bool IsErrorCorrected;       // 1비트 에러 정정 여부
        public readonly double ConfidenceScore;      // 디코딩 신뢰도 점수 (0.0~1.0)
        public readonly double SpotIntensitySum;     // 16라운드 누적 형광 강도
        public readonly double SpatialDensityPerUm2; // 단위 면적당 전사체 밀도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MerfishSpotState(int geneId, int dist, bool corrected, double conf, double intensity, double density)
        {
            DecodedGeneId = geneId;
            HammingDistance = dist;
            IsErrorCorrected = corrected;
            ConfidenceScore = conf;
            SpotIntensitySum = intensity;
            SpatialDensityPerUm2 = density;
        }
    }

    public ref struct MerfishDecoderEngine
    {
        private const int TotalRounds = 16;
        private const int OnBitsPerCode = 4; // MHD4 코드: 16비트 중 정확히 4개의 1을 가짐

        private readonly ushort[] _codebook;         // 140개 유전자 MHD4 코드북 (16비트 정수)
        private double _intensityThreshold;          // 형광 판별 강도 문턱값

        public MerfishDecoderEngine(ushort[] codebook, double initThreshold = 500.0)
        {
            _codebook = codebook;
            _intensityThreshold = initThreshold;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MerfishSpotState StepServo(ReadOnlySpan roundIntensities, double driftXNm, double driftYNm, double dtSec)
        {
            // 1. 16비트 형광 강도로부터 이진 단어 구성
            ushort measuredWord = 0;
            double sumIntensity = 0.0;

            for (int bit = 0; bit < TotalRounds && bit < roundIntensities.Length; bit++)
            {
                float intensity = roundIntensities[bit];
                sumIntensity += intensity;
                if (intensity >= _intensityThreshold)
                {
                    measuredWord |= (ushort)(1 << bit);
                }
            }

            // 2. 코드북 내 최소 해밍 거리 탐색 (MHD4 디코딩)
            int bestGeneId = -1;
            int minHamming = 16;

            for (int i = 0; i < _codebook.Length; i++)
            {
                ushort diff = (ushort)(measuredWord ^ _codebook[i]);
                int hDist = System.Numerics.BitOperations.PopCount(diff);

                if (hDist < minHamming)
                {
                    minHamming = hDist;
                    bestGeneId = i;
                    if (hDist == 0) break; // 완벽 일치
                }
            }

            // 3. 1비트 에러 정정 및 유효성 판정
            bool isCorrected = (minHamming == 1);
            bool isValid = (minHamming <= 1);
            double confidence = isValid ? (1.0 - minHamming * 0.25) : 0.0;
            int finalGeneId = isValid ? bestGeneId : -1;

            double density = Math.Clamp(sumIntensity / 8000.0, 0.01, 100.0);

            return new MerfishSpotState(
                geneId: finalGeneId,
                dist: minHamming,
                corrected: isCorrected,
                conf: confidence,
                intensity: sumIntensity,
                density: density
            );
        }
    }
}