發(fā)布時(shí)間：2016-11-19 02:44

  本文關(guān)鍵詞：基于微型機(jī)器人的自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華南理工大學(xué)》 2015年

基于微型機(jī)器人的自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

秦傳波  

【摘要】：傳統(tǒng)的細(xì)胞顯微注射依賴操作裝置并輔以熟練的手動(dòng)操作,成本高且操作難度大,要求操作人員需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期培訓(xùn),且具備良好生理?xiàng)l件和穩(wěn)定心理素質(zhì),然而主觀上仍無(wú)法避免操作過(guò)程中的心理波動(dòng)和生理疲勞,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性差和成功率低。為克服人工操作帶來(lái)的缺點(diǎn),研究一種體積小、低成本、易操作的小型顯微注射微操作機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱微操機(jī)器人),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)細(xì)胞顯微注射,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞顯微注射的自動(dòng)化,具有重大研究意義。針對(duì)微操機(jī)器人自動(dòng)化細(xì)胞注射問(wèn)題,首先,需要設(shè)計(jì)一款適合細(xì)胞注射的多自由度的微小型機(jī)器人;其次,在細(xì)胞注射前,要求對(duì)注射針運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模與分析,同時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的位姿調(diào)整;最后,通過(guò)圖像分割方法對(duì)細(xì)胞注射過(guò)程的每個(gè)階段進(jìn)行分割,使用分割結(jié)果來(lái)引導(dǎo)微操機(jī)器人完成自動(dòng)化細(xì)胞注射操作。因此,針對(duì)上述研究步驟,本文從四個(gè)方面展開(kāi)了研究:微操機(jī)器人設(shè)計(jì)、顯微針運(yùn)動(dòng)分析與非接觸式細(xì)胞姿態(tài)調(diào)整、顯微注射過(guò)程中卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)邊緣分割、顯微注射過(guò)程中卵母細(xì)胞質(zhì)和極體與注射針的分割。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.基于混合驅(qū)動(dòng)的3自由度微操作機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究針對(duì)傳統(tǒng)細(xì)胞顯微注射中手動(dòng)操作難度大、重復(fù)性差和效率低等問(wèn)題,研究開(kāi)發(fā)了一套面向細(xì)胞操作的混合驅(qū)動(dòng)型微小機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)多臺(tái)微小機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)共同完成對(duì)細(xì)胞的操作,如注射、切割等,其中的微小機(jī)器人裝置是基于壓電陶瓷和音圈電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的原理設(shè)計(jì)而成,具有1個(gè)垂直移動(dòng)自由度和2個(gè)平面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,從而可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞操作所需要的平面直線行走、左右轉(zhuǎn)向、原地旋轉(zhuǎn)和垂直方向上的顯微針微位移運(yùn)動(dòng)等基本功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)具備很高的可行性和有效性。2.注射針運(yùn)動(dòng)分析和基于微流體的細(xì)胞位姿調(diào)整研究針對(duì)細(xì)胞注射前的兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作,即注射針的運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞位姿調(diào)整問(wèn)題,首先,對(duì)顯微針進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模仿真,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行最小二乘辨識(shí),設(shè)計(jì)了線性二次型最優(yōu)控制器,實(shí)現(xiàn)了顯微針在顯微視場(chǎng)下位置控制;其次,建立了細(xì)胞的受力模型,使用Fluent的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)微流場(chǎng)及細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真,研究了影響流場(chǎng)的三個(gè)因素:微管距離、微管內(nèi)徑、噴射速度,并設(shè)計(jì)了細(xì)胞搬移和姿態(tài)調(diào)整的方案和裝置。3.基于邊緣約束水平集方法的細(xì)胞質(zhì)分割研究為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)圖像信息引導(dǎo)微小型機(jī)器人的細(xì)胞自動(dòng)化注射,提出一種基于邊緣約束水平集方法的細(xì)胞質(zhì)邊緣分割模型。針對(duì)顯微注射過(guò)程中卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)邊緣的分割,首先,進(jìn)行圖像預(yù)處理。依據(jù)形狀差異性特點(diǎn),根據(jù)圖像增強(qiáng)濾波和形態(tài)學(xué)方法,提取細(xì)胞和注射針的整體輪廓,并用作水平集演化的初始位置;其次,建立基于邊緣約束的變分水平集分割模型。利用細(xì)胞質(zhì)邊緣的局部灰度分布特征建立邊緣約束條件,并結(jié)合變分水平集理論,改進(jìn)能量泛函模型;最后,對(duì)于細(xì)胞注射過(guò)程中各個(gè)發(fā)生形變的細(xì)胞質(zhì)的邊緣進(jìn)行分割,即對(duì)接觸細(xì)胞、臨界穿刺、顯微注射和退針?biāo)膫�(gè)階段分別進(jìn)行分割研究。4.結(jié)合模糊聚類和水平集方法的卵細(xì)胞穿刺過(guò)程分割研究為了實(shí)現(xiàn)微小型機(jī)器人細(xì)胞穿刺過(guò)程的自動(dòng)化,需解決卵母細(xì)胞穿刺過(guò)程中細(xì)胞質(zhì)、第一極體、注射針難以分割和穿刺狀態(tài)的判斷問(wèn)題,提出了一種結(jié)合模糊聚類和水平集方法的卵細(xì)胞穿刺過(guò)程分割模型。首先,根據(jù)分割目標(biāo)的形狀差異性,采用骨架形態(tài)學(xué)算子提取感興趣目標(biāo);其次,采用改進(jìn)的模糊聚類方法,依據(jù)局部灰度和局部方差特征對(duì)邊界模糊和噪聲較大的預(yù)處理圖像進(jìn)行粗分類;然后,在模糊聚類的基礎(chǔ)上設(shè)定水平集初始化位置和演化控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、第一極體和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的注射針?lè)指?最后,針對(duì)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的部分注射針圖像,采用直接擬合,標(biāo)記出完整注射針圖像。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R714.8;TP242
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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4 王斐;趙杰煜;;基于多重網(wǎng)格的水平集圖像分割方法[A];第十四屆全國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

5 梅立超;姜慧研;張柳青;劉洪娟;;基于GPU和水平集的肝臟快速分割方法的研究[A];第九屆全國(guó)信息獲取與處理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集Ⅱ[C];2011年

6 凌和良;鄔冬華;劉瑞霞;;變測(cè)度的積分型全局優(yōu)化算法[A];中國(guó)運(yùn)籌學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（下卷）[C];2004年

7 程俊霞;;水平集方程在四邊形網(wǎng)格上的數(shù)值離散方法[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)(2008年版)[C];2009年

8 金小禮;雷作勝;張浩斌;鄧康;任忠鳴;;氣泡在不互溶兩相流體界面行為的數(shù)值模擬[A];第十三屆（2009年）冶金反應(yīng)工程學(xué)會(huì)議論文集[C];2009年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 韓明;基于水平集表示和均值漂移的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤研究[D];燕山大學(xué);2015年

2 秦傳波;基于微型機(jī)器人的自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2015年

3 楊紅喆;水平集理論及其在醫(yī)學(xué)圖像分割中的應(yīng)用[D];北京理工大學(xué);2014年

4 李夢(mèng);圖像分割的變分水平集模型研究[D];重慶大學(xué);2011年

5 方江雄;基于變分水平集的圖像分割方法研究[D];上海交通大學(xué);2012年

6 莊春剛;基于水平集的多材料結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2007年

7 徐楊;面向視頻監(jiān)控的動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤與識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東北大學(xué);2012年

8 謝強(qiáng)軍;變分水平集理論及其在醫(yī)學(xué)圖像分割中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2009年

9 李傳龍;基于水平集和模糊聚類方法的圖像分割技術(shù)研究[D];大連海事大學(xué);2012年

10 張偉;一類橢圓偏微分方程解的水平集的高斯曲率估計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 詹新玲;基于FLICM模糊聚類和水平集算法的醫(yī)學(xué)圖像分割[D];河北大學(xué);2015年

2 劉曉婧;基于顯著區(qū)域的水平集圖像分割算法研究[D];遼寧大學(xué);2015年

3 張暐;基于動(dòng)量水平集模型的虹膜定位算法研究[D];蘭州大學(xué);2015年

4 張旭梅;水平集理論及其在醫(yī)學(xué)圖像分割中的應(yīng)用研究[D];陜西師范大學(xué);2015年

5 劉采薇;一種自動(dòng)的三維軟骨分割方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 楊焜;實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化的支撐區(qū)域水平集算法[D];上海交通大學(xué);2009年

7 金大年;基于水平集的醫(yī)學(xué)圖像分割算法研究[D];第一軍醫(yī)大學(xué);2005年

8 于廣婷;基于水平集的圖像分割方法研究[D];西南交通大學(xué);2014年

9 陽(yáng)曙光;用于多核平臺(tái)的并行水平集內(nèi)核設(shè)計(jì)與分析[D];汕頭大學(xué);2009年

10 王楠;扭曲剛性方程解的水平集的凸性估計(jì)[D];曲阜師范大學(xué);2014年

  本文關(guān)鍵詞：基于微型機(jī)器人的自動(dòng)化顯微注射系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：181820