微纳操作机器人细胞三维组装方法研究

发布时间：2017-10-26 23:09

  本文关键词：微纳操作机器人细胞三维组装方法研究

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【摘要】：人体功能器官的衰竭与组织缺失是当前发病率最高且最具威胁性的医疗难题,其治疗费用高昂且治疗过程风险性高。组织工程通过在体外构建与人体组织与器官相似的功能替代品,有效解决了异体组织器官移植中免疫排斥与供源不足等诸多问题。然而,目前人工组织器官的构建方法大多仅能实现功能简单、形状单一的结构,难以真实模拟人体组织器官的运作过程。本文针对新型人工组织需要兼顾三维细胞结构宏观构型与内部微结构特性的要求,提出了一种基于跨尺度微纳操作机器人系统协同操作的自动化组装方法。通过宏微跨尺度运动与多探针自动化协同操作,能够有效兼顾细胞组装中对异构外形及精密内部微结构的需求,为提供200?m尺度微结构且具有生物学意义的人工三维组织的开发提供新理论,也为微纳机器人与生物医学相融合提供了可供借鉴的新思路。主要研究内容和成果如下:首先,针对当前人工组织体外构建中对宏观构型与内部微结构特性的需求,特别是构建能够实现组织内循环的微血管结构,搭建了一套导轨微纳操作机器人系统,提出了基于多探针自动协调操作的三维细胞微结构组装方法。通过导轨子系统、微纳操作子系统与视觉反馈系统的融合,有效保证了人工三维组织体外构建的高效性与精密性。其次,基于组织工程自下而上型三维细胞结构的构建理论,提出了一种细胞化二维微结构组装单元的片上加工方法,通过使用生物兼容水凝胶与细胞混合溶液,以紫外曝光的形式在微流道芯片中实现了水凝胶的光交联反应,并将细胞群嵌入固化后的微结构单元中,为三维组装提供了必要的异构型二维微组装单元。第三,针对微纳操作机器人系统多探针协同的微组装特点,设计了基于微操作器末端探针与细胞化微组装单元接触交互的组装策略。提出了基于重复单步按压式操作的组装单元拾取方法。通过在轨微操作器的对心运动实现了末端探针姿态的灵活变换,为三维细胞结构的组装提供了全新的多操作器协同组装方法。第四,针对显微视觉反馈中低对比度、图像特征信息单一的特点,提出了一种新的用于解决接触式微操作探针尖端图像遮挡情况下实时跟踪的视觉算法。通过结合角点检测与曲线拟合算法,有效实现了图像遮挡下微纳操作机器人末端探针的轮廓重建与图像分割。基于水平集与粒子滤波融合算法,实现了多探针实时定位与跟踪,为三维细胞结构自动化协同组装提供了必要的图像信息反馈。最后,对本文提出的三维细胞微结构组装方法进行了验证。在可变显微观测环境下对微纳操作机器人视觉反馈系统的鲁棒性与精度进行了测试。通过对类血管三维细胞微结构的自动化组装,对微纳操作机器人协同组装的稳定性与效率进行了评估。验证了该系统平台能够有效完成细胞三维微结构的自动化组装,能够为组织工程与再生医疗开发更为复杂的精密三维组织提供新的方法。
【关键词】：微纳操作机器人 自动化微操作 细胞组装 图像处理 组织工程
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-36
• 1.1 本论文研究的目的和意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-33
• 1.2.1 组织工程的研究现状18-26
• 1.2.2 微操作技术的发展现状26-30
• 1.2.3 微纳操作机器人系统的发展现状30-33
• 1.3 本文主要研究内容33-36
• 第2章 跨尺度微纳操作机器人系统36-49
• 2.1 概述36-37
• 2.2 微纳操作导轨机器人系统37-45
• 2.2.1 机器人系统参数配置37-38
• 2.2.2 微纳操作机器人系统运动学分析38-41
• 2.2.3 微纳操作器的加工41-45
• 2.3 细胞样品准备45-48
• 2.3.1 真实组织细胞结构45-46
• 2.3.2 标准化的细胞株管理与培养方法46-48
• 2.4 面向微血管三维细胞结构组装的集成微纳操作导轨机器人系统48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 二维细胞微结构设计与片上加工49-60
• 3.1 概述49-50
• 3.2 微流道芯片设计与加工50-53
• 3.2.1 微流道芯片的设计原理50-51
• 3.2.2 面向二维细胞组装单元加工的微流道芯片设计51-53
• 3.3 细胞组装单元设计53-59
• 3.3.1 系统硬件搭建53-54
• 3.3.2 微结构片上加工54-56
• 3.3.3 细胞化二维微结构组装单元设计56-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 微纳机器人细胞微结构组装方法60-84
• 4.1 概述60-62
• 4.2 微纳操作机器人二维细胞结构拾取策略62-74
• 4.2.1 机器人末端探针交互原理分析62-65
• 4.2.2 微操作器拾取操作动力学仿真65-66
• 4.2.3 微操作器二维组装单元拾取成功率测试66-74
• 4.3 微纳操作机器人三维微结构协同组装方法74-79
• 4.3.1 多操作器协同组装策略设计74-76
• 4.3.2 协同组装效率评估76-79
• 4.4 改进型多操作器协同组装方法79-82
• 4.4.1 基于微纳操作导轨机器人快速编组的协同操作79-81
• 4.4.2 导轨机器人群协同操作优化81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第5章 基于显微视觉反馈的自动化生物操作84-107
• 5.1 概述84-85
• 5.2 二维微结构组装单元识别与过滤85-89
• 5.2.1 微纳操作机器人图像坐标系的建立与转换85-87
• 5.2.2 二维微结构组装单元的识别与优化87-89
• 5.3 微纳操作机器人末端探针三维定位89-95
• 5.3.1 末端探针平面坐标获取89-90
• 5.3.2 基于接触检测的微操作器垂直位置识别与跟踪90-93
• 5.3.3 微纳操作导轨机器人初始化93-95
• 5.4 微操作器视觉跟踪95-102
• 5.4.1 基于基本特征点曲线拟合的微操作器跟踪96-97
• 5.4.2 基于角点检测曲线拟合的微操作器跟踪97-102
• 5.5 微纳操作机器人多操作器识别与跟踪102-106
• 5.5.1 基于粒子滤波的多目标运动预测与跟踪算法102-103
• 5.5.2 基于粒子滤波与水平集的多操作器识别跟踪103-106
• 5.6 本章小结106-107
• 第6章 细胞化微血管结构三维自动组装107-121
• 6.1 概述107
• 6.2 微纳操作导轨机器人视觉反馈系统评估107-113
• 6.2.1 接触检测评估107-111
• 6.2.2 微操作器跟踪精度评估111-113
• 6.3 类血管三维细胞微结构协同组装113-120
• 6.3.1 荧光类血管三维微结构组装113-116
• 6.3.2 类血管细胞三维微结构组装116-120
• 6.4 本章小结120-121
• 结论121-124
• 参考文献124-137
• 攻读学位期间发表论文与研究成果137-139
• 致谢139-141
• 作者简介141

【共引文献】

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本文编号：1100854