基于视觉定位的斑马鱼幼鱼心脏全自动显微注射系统

发布时间：2019-07-21 14:58

【摘要】：斑马鱼幼鱼是研究生理和病理过程最佳的模式动物,以往的研究大多关注在胚胎注射或细胞注射方面,而像药物筛选、疾病模型、生殖内分泌及神经科学等研究方向的斑马鱼幼鱼注射研究尚少。本课题以此为背景,借助视觉定位、图像处理、运动控制等手段对全自动斑马鱼幼鱼心脏的显微注射进行了研究。以往显微注射的对象,如动物细胞或胚胎等皆属于球形结构,在固定和定位相对幼鱼注射在实现上较为容易。同时,由于斑马鱼幼鱼表皮有很多色素沉积,在图像轮廓识别上又比细胞或胚胎注射拥有更大的难度。与细胞相比,斑马鱼幼鱼形态不规则并且已经分化完全,对注射目标、注射方位等都提出了更高的要求。机械平台是全自动显微注射的基础,为了能快速地、稳定地、可靠地进行显微操作过程,那么就需要机械平台具有快速的响应速度、可靠的稳定性、较高的定位精度。本文设计了一个较为精密的三维微动显微机械平台和一个用于幼鱼姿态调整的旋转机构,配合系统视觉模块、光学立式显微镜、显微注射泵、上位机等模块共同完成了对斑马鱼幼鱼的全自动显微注射过程。在视觉处理部分,本文采用光学体式显微镜CCD所采集到的图像信息在上位机中进行处理。对采集到的图像进行了灰度化、二值化以及中值滤波等预处理,方便后续处理。为了对多条幼鱼分别进行注射,采用模板匹配与K均值聚类算法获得了培养皿中幼鱼的数量和每条幼鱼的重心位置。利用洪水填充算法和图像链码等技术获取了幼鱼身体的姿态。根据当前幼鱼的姿态,配合系统的运动控制部分,就可以很方便地将幼鱼调整到预期的姿态。根据幼鱼的轮廓和姿态,可以估计出其心脏的位置,并很方便地进行心脏的显微注射。系统的运动控制部分主要用于对微动三维平台的控制,使注射针针尖按照视觉位置反馈按照预设好的轨迹运动。在这部分采用了自适应滑模控制器跟踪针尖轨迹,并进行仿真。仿真结果表明系统输出可以很好地跟随期望的输出轨迹,这证明了控制系统设计的有效性。最后,开展了对斑马鱼幼鱼的心脏显微注射实验的研究,分析了系统的综合性能,验证了系统的合理性。
【图文】：
几种常见动物的基因与人的基因类似度对比

1-1 几种常见动物的基因与人的基因类似度对rerio) 作为最为常见的模式动物之一，仅鱼每周可产卵一次，产卵数量极多，达生物科技工作者极大地节省了时间成本通体透明，是进行胚胎发育过程和基因短，与人类具有高度相似的基因组（大病理过程最佳的模式动物，如图 1-1 所实验室研究中得到了广泛的关注和应用
PID控制对斑马鱼胚胎自动注射[8]

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文台安装在一个倒置的显微台上。通过显微吸持泵的吸持和喷的固定和释放。同时，结合卡尔曼视频目标跟踪和 PID 运动子尾部跟踪和对斑马鱼胚胎的自动注射。如图 1-3，以 CMO反馈，通过 PID 控制对两个显微操作臂进行控制，，从而实现中注射荧光物质，并通过荧光观察斑马鱼从胚胎开始逐渐发 1-4 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41

【参考文献】