基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究

发布时间：2016-11-19 02:44

  本文关键词：基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华南理工大学》 2015年

基于微型机器人的自动化显微注射系统关键技术研究

秦传波  

【摘要】：传统的细胞显微注射依赖操作装置并辅以熟练的手动操作,成本高且操作难度大,要求操作人员需经过长期培训,且具备良好生理条件和稳定心理素质,然而主观上仍无法避免操作过程中的心理波动和生理疲劳,从而导致实验可重复性差和成功率低。为克服人工操作带来的缺点,研究一种体积小、低成本、易操作的小型显微注射微操作机器人(以下简称微操机器人),代替传统的手动细胞显微注射,实现细胞显微注射的自动化,具有重大研究意义。针对微操机器人自动化细胞注射问题,首先,需要设计一款适合细胞注射的多自由度的微小型机器人;其次,在细胞注射前,要求对注射针运动进行建模与分析,同时实现细胞的位姿调整;最后,通过图像分割方法对细胞注射过程的每个阶段进行分割,使用分割结果来引导微操机器人完成自动化细胞注射操作。因此,针对上述研究步骤,本文从四个方面展开了研究:微操机器人设计、显微针运动分析与非接触式细胞姿态调整、显微注射过程中卵母细胞的细胞质边缘分割、显微注射过程中卵母细胞质和极体与注射针的分割。主要研究内容和创新点如下:1.基于混合驱动的3自由度微操作机器人设计与研究针对传统细胞显微注射中手动操作难度大、重复性差和效率低等问题,研究开发了一套面向细胞操作的混合驱动型微小机器人自动化系统。该系统通过多台微小机器人的协调运动来共同完成对细胞的操作,如注射、切割等,其中的微小机器人装置是基于压电陶瓷和音圈电机混合驱动的原理设计而成,具有1个垂直移动自由度和2个平面转动自由度,从而可实现细胞操作所需要的平面直线行走、左右转向、原地旋转和垂直方向上的显微针微位移运动等基本功能。通过实验证明,该系统具备很高的可行性和有效性。2.注射针运动分析和基于微流体的细胞位姿调整研究针对细胞注射前的两项准备工作,即注射针的运动和细胞位姿调整问题,首先,对显微针进行运动学建模仿真,并对模型参数进行最小二乘辨识,设计了线性二次型最优控制器,实现了显微针在显微视场下位置控制;其次,建立了细胞的受力模型,使用Fluent的动网格技术对微流场及细胞的旋转运动进行了仿真,研究了影响流场的三个因素:微管距离、微管内径、喷射速度,并设计了细胞搬移和姿态调整的方案和装置。3.基于边缘约束水平集方法的细胞质分割研究为了实现通过图像信息引导微小型机器人的细胞自动化注射,提出一种基于边缘约束水平集方法的细胞质边缘分割模型。针对显微注射过程中卵母细胞的细胞质边缘的分割,首先,进行图像预处理。依据形状差异性特点,根据图像增强滤波和形态学方法,提取细胞和注射针的整体轮廓,并用作水平集演化的初始位置;其次,建立基于边缘约束的变分水平集分割模型。利用细胞质边缘的局部灰度分布特征建立边缘约束条件,并结合变分水平集理论,改进能量泛函模型;最后,对于细胞注射过程中各个发生形变的细胞质的边缘进行分割,即对接触细胞、临界穿刺、显微注射和退针四个阶段分别进行分割研究。4.结合模糊聚类和水平集方法的卵细胞穿刺过程分割研究为了实现微小型机器人细胞穿刺过程的自动化,需解决卵母细胞穿刺过程中细胞质、第一极体、注射针难以分割和穿刺状态的判断问题,提出了一种结合模糊聚类和水平集方法的卵细胞穿刺过程分割模型。首先,根据分割目标的形状差异性,采用骨架形态学算子提取感兴趣目标;其次,采用改进的模糊聚类方法,依据局部灰度和局部方差特征对边界模糊和噪声较大的预处理图像进行粗分类;然后,在模糊聚类的基础上设定水平集初始化位置和演化控制参数,实现细胞质、第一极体和细胞质内的注射针分割;最后,针对细胞质内的部分注射针图像,采用直接拟合,标记出完整注射针图像。

【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R714.8;TP242
【目录】：

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1 袁平庆;张哲欢;罗琛;全松;褚庆军;赵善超;;计算机辅助精液分析精子运动参数在体外受精中的应用[J];南方医科大学学报;2013年03期

2 宗光华;孙明磊;毕树生;董代;;显微视觉自动聚焦的小波测度研究(英文)[J];Chinese Journal of Aeronautics;2006年03期

3 马立;荣伟彬;孙立宁;龚振邦;;面向光学精密装配的微操作机器人[J];机械工程学报;2009年02期

4 李杨民;汤晖;徐青松;贠远;;面向生物医学应用的微操作机器人技术发展态势[J];机械工程学报;2011年23期

5 赵新;孙明竹;卢桂章;余斌;;基于显微图像处理的微操作工具深度信息提取方法[J];自动化学报;2007年09期

6 卢桂章,张建勋,赵新;面向生物工程实验的微操作机器人[J];南开大学学报(自然科学版);1999年03期

7 朱玉龙;陈瑞华;朱军辉;朱猛;汝长海;;基于显微视觉的旋转定位方法[J];机械设计;2014年08期

8 ;Medical image segmentation using improved FCM[J];Science China(Information Sciences);2012年05期

9 赵启立;崔茂盛;孙明竹;秦岩丁;赵新;;基于运动学模型的细胞拨动方法[J];机器人;2014年04期

10 赵启立;赵新;王一了;孙明竹;崔茂盛;冯建忠;卢桂章;;核移植中的卵母细胞自动拨动研究(英文)[J];控制工程;2012年03期

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1 韩江义;带力觉反馈的主从式遥微操作系统研制与实验研究[D];南京航空航天大学;2010年

2 孙明竹;面向复杂作业的微操作机器人系统视觉反馈与定位研究[D];南开大学;2009年

3 陶阳宇;贝叶斯边缘结构模型及其在物体分割中的应用[D];中国科学技术大学;2009年

4 郁生阳;基于能量最小化图割的图像与视频目标精确分割研究[D];上海交通大学;2009年

5 鞠涛;机器人辅助生物细胞光学操作中运动规划[D];中国科学技术大学;2013年

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1 罗亚宁;单精子卵母细胞浆内显微注射技术的临床应用研究及相关影响因素分析[D];第四军医大学;2006年

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1 田桂中;陈涛;王淑妍;刘志强;;生物工程中自动化显微注射技术研究进展[J];微纳电子技术;2011年08期

2 李皓;梁元勋;;浅议计算机辅助外科技术的应用[J];北方药学;2011年11期

3 李旭东,宗光华,毕树生,赵玮;生物工程微操作机器人视觉系统的研究[J];北京航空航天大学学报;2002年03期

4 孙明磊;石晶欣;董代;宗光华;;远焦区聚焦性能分析与改善[J];北京航空航天大学学报;2008年09期

5 黄大刚;微操作机器人系统三维标定的研究与实现[J];传感技术学报;2002年02期

6 谢少荣,彭商贤,赵新,卢桂章;基于虚拟显微镜技术的微操作工具Z方向定位方法研究[J];高技术通讯;2001年09期

7 陈立国,孙立宁,荣伟彬;基于显微视觉与微力觉柔顺混合控制的微操作机器人[J];高技术通讯;2003年12期

8 孙立宁,陈立国,刘品宽,荣伟斌;微操作机器人显微视觉系统若干问题[J];光学精密工程;2002年02期

9 张连明,杨宜民;转基因超微量注射控制器的研究[J];广东自动化与信息工程;2004年01期

10 王宇;宋爱国;徐效农;;基于任务空间双模式结合的遥操作机器人系统[J];电子测量技术;2014年01期

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1 孙明竹;赵新;卢桂章;;微操作工具深度信息提取实验研究[A];2005年中国智能自动化会议论文集[C];2005年

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1 邓仕超;光学显微镜图像处理技术及应用研究[D];天津大学;2010年

2 叶果;面向生物工程的精密定位机构及其动力学特性研究[D];中国矿业大学;2011年

3 金舟;图像着色关键技术分析及其应用[D];天津大学;2011年

4 姜成山;转基因微细作业系统中超微量注射及双目时分立体成像技术的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2002年

5 张灵;DNA超微注射量精密控制技术的研究[D];广东工业大学;2004年

6 刘天军;数字化细胞微注射技术及其应用研究[D];南京理工大学;2004年

7 石晓龙;用于DNA计算的微流控制系统中三维检测问题的研究[D];华中科技大学;2004年

8 王化明;智能制造中的微操作/微装配系统基础技术研究[D];南京航空航天大学;2005年

9 何乐生;基于肌电信号的人机接口技术的研究[D];东南大学;2006年

10 岳龙旺;外科手术机器人缝合打结研究[D];天津大学;2006年

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1 王林;微小型零件的夹持技术及微应力装配研究[D];大连理工大学;2010年

2 习俊梅;稀土超磁致伸缩驱动微动夹钳研究[D];南昌大学;2010年

3 李雪梅;屈曲型微驱动器的设计与分析[D];西安电子科技大学;2011年

4 唐照军;自动化细胞微注射中器件制作及微注射实验研究[D];南京理工大学;2011年

5 苏刚;基于微流体的非接触型细胞位姿调节方法的研究[D];华南理工大学;2011年

6 吴志斌;用于显微操作的微小型机器人关键技术的研究[D];华南理工大学;2011年

7 刘技;基于图割的CT影像分割算法研究[D];天津医科大学;2011年

8 王健;微夹钳技术的研究及系统设计[D];华中科技大学;2009年

9 俞松松;多尺度微/纳米定位系统的设计、分析及试验研究[D];重庆大学;2011年

10 许红梅;用于微装配的显微视觉系统标定技术的研究[D];重庆大学;2011年

【二级参考文献】

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1 田桂中;陈涛;王淑妍;刘志强;;生物工程中自动化显微注射技术研究进展[J];微纳电子技术;2011年08期

2 赵玮,于靖军,毕树生,宗光华;串并联微操作机器人系统的研究[J];北京航空航天大学学报;2001年06期

3 毕树生,宗光华;Delta并联微操作手运动学的矢量法分析[J];北京航空航天大学学报;2003年04期

4 曾庆化,刘建业,赖际舟,熊智;环形激光陀螺的最新发展[J];传感器技术;2004年11期

5 宫金良,张彦斐,周玉林,高峰;一种新型六维鼠标在虚拟现实技术中的应用[J];传感器技术;2005年09期

6 颜化冰;吉爱红;沈辉;戴振东;;用于昆虫足力测试的三维微力传感器[J];传感器与微系统;2006年04期

7 庄乾霞,孙宝元,董维杰;自感知压电微夹钳研究[J];大连理工大学学报;2004年06期

8 单伟;孟正大;;基于改进A~*算法的平滑路径设计[J];东南大学学报(自然科学版);2010年S1期

9 黄惟一，宋爱国;力觉临场感遥控作业系统的研究进展[J];东南大学学报;1995年S1期

10 聂斌,刘照军,韩忠东,胡冬梅;医学显微图像的自动拼接方法[J];第四军医大学学报;2005年06期

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1 叶果;面向生物工程的精密定位机构及其动力学特性研究[D];中国矿业大学;2011年

2 王化明;智能制造中的微操作/微装配系统基础技术研究[D];南京航空航天大学;2005年

3 倪涛;有力觉及视觉临场感的遥操作机器人系统研究[D];吉林大学;2006年

4 陈燕平;景深延拓波前编码系统理论及其应用研究[D];浙江大学;2007年

5 邓乐;电液力反馈操纵杆及其双向伺服控制技术研究[D];吉林大学;2007年

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1 运红丽;3支链6自由度并联结构力/力矩反馈装置的关键技术研究[D];燕山大学;2005年

2 陶壹;基于并联微动台的微力传感器系统研究[D];合肥工业大学;2008年

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1 杨晓霜;汪源源;王涌;王怡;;基于改进变分水平集法提取超声图像乳腺肿瘤边缘[J];航天医学与医学工程;2008年06期

2 鲍征烨;周卫平;舒华忠;;一种基于水平集的骨架提取方法[J];生物医学工程研究;2007年02期

3 杨玲;侯小叶;王中科;饶妮妮;;局部信息约束的形状导向水平集算法对下颌管的分割[J];中国生物医学工程学报;2012年02期

4 任晓颖;喻大华;;一种基于ITK脑部MRI混合分割方法的设计与实现[J];中国组织工程研究;2012年39期

5 李海云,李光颖,王筝;一种基于水平集的脊柱MRI图像分割算法的研究[J];北京生物医学工程;2004年03期

6 杨昌俊;杨新;;基于图割与快速水平集的腹部CT图像分割[J];CT理论与应用研究;2011年03期

7 金大年;陈卫东;韦秋菊;;一种基于快速混合型K均值的水平集图像分割方法[J];中国医学物理学杂志;2011年01期

8 郑彩仙;许修;王成;叶秀霞;;MRI-UTE牙齿图像分割的分层约束矫正的改进水平集算法[J];中国医疗器械杂志;2013年04期

9 冯艳玲;陈真诚;何继善;张阳德;钱盛友;;基于水平集的HIFU损伤区域三维重建技术[J];医疗卫生装备;2007年11期

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2 田昊;杨剑;李国辉;;基于变分水平集的遥感影像建筑物检测[A];第18届全国多媒体学术会议（NCMT2009）、第5届全国人机交互学术会议（CHCI2009）、第5届全国普适计算学术会议（PCC2009）论文集[C];2009年

3 曹晓光;崔林艳;;基于阈值和水平集的尿沉渣图像分割组合算法[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（1）[C];2008年

4 王斐;赵杰煜;;基于多重网格的水平集图像分割方法[A];第十四届全国图象图形学学术会议论文集[C];2008年

5 梅立超;姜慧研;张柳青;刘洪娟;;基于GPU和水平集的肝脏快速分割方法的研究[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年

6 凌和良;邬冬华;刘瑞霞;;变测度的积分型全局优化算法[A];中国运筹学会第七届学术交流会论文集（下卷）[C];2004年

7 程俊霞;;水平集方程在四边形网格上的数值离散方法[A];中国工程物理研究院科技年报(2008年版)[C];2009年

8 金小礼;雷作胜;张浩斌;邓康;任忠鸣;;气泡在不互溶两相流体界面行为的数值模拟[A];第十三届（2009年）冶金反应工程学会议论文集[C];2009年

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3 杨红喆;水平集理论及其在医学图像分割中的应用[D];北京理工大学;2014年

4 李梦;图像分割的变分水平集模型研究[D];重庆大学;2011年

5 方江雄;基于变分水平集的图像分割方法研究[D];上海交通大学;2012年

6 庄春刚;基于水平集的多材料结构拓扑优化设计方法与应用[D];上海交通大学;2007年

7 徐杨;面向视频监控的动态目标检测、跟踪与识别关键技术研究[D];东北大学;2012年

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9 李传龙;基于水平集和模糊聚类方法的图像分割技术研究[D];大连海事大学;2012年

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2 刘晓婧;基于显著区域的水平集图像分割算法研究[D];辽宁大学;2015年

3 张暐;基于动量水平集模型的虹膜定位算法研究[D];兰州大学;2015年

4 张旭梅;水平集理论及其在医学图像分割中的应用研究[D];陕西师范大学;2015年

5 刘采薇;一种自动的三维软骨分割方法的研究与实现[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 杨焜;实现全局优化的支撑区域水平集算法[D];上海交通大学;2009年

7 金大年;基于水平集的医学图像分割算法研究[D];第一军医大学;2005年

8 于广婷;基于水平集的图像分割方法研究[D];西南交通大学;2014年

9 阳曙光;用于多核平台的并行水平集内核设计与分析[D];汕头大学;2009年

10 王楠;扭曲刚性方程解的水平集的凸性估计[D];曲阜师范大学;2014年

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