基于微操作机器人的细胞核移植自动化视觉反馈控制研究

细胞核移植技术是动物克隆的主要手段，在动物育种、基因治疗、器官移植等方面具有重要作用。目前，核移植操作主要由实验人员借助显微操作设备在显微镜下手动完成，操作难度大、成功率低，长时间的重复操作还容易造成人员疲惫。本项目致力于核移植自动化工作，从分析手动核移植操作入手，将其细化为若干步，进而从流程自身自动化和单步操作自动化两个方面展开研究，逐渐从手动操作向自动操作过渡。在流程自身自动化方面，本项目通过显微图像处理实现操作对象和操作工具的位置检测，在此基础上，判断每步操作是否达到预定的关键状态。在单步操作自动化方面，本项目从流程中提炼出最困难的两个部分：控制移植针在细胞内做精确运动和控制注射器进行定量的抽取和注射，分别通过实验建立相关模型，在线调整模型参数并基于视觉实现被控对象的控制。在此基础上，本项目将进行细胞核移植自动化实验，验证图像处理技术和视觉反馈控制的有效性。

细胞核移植技术是动物克隆的主要手段，手动核移植依赖于实验人员的操作水平，操作难度大、成功率低。本项目基于微操作机器人系统进行核移植自动化工作，主要包括以下四项研究内容：基于视觉的核移植关键状态判断研究、移植针细胞内运动建模与控制研究、定量的显微抽取和注射建模与控制研究、细胞核移植自动化实验研究。本项目取得如下研究成果：. 首先，针对细胞核移植流程自动化，分别提出了基于扫描线的吸持针针尖定位算法、基于模板匹配的移植针针尖定位算法、基于图像增强的卵母细胞轮廓检测算法、基于Snake的卵母细胞质膜检测算法、基于SVM的极体定位算法和基于纹理分割的体细胞定位算法，实现了吸持针与移植针针尖位置、卵母细胞及质膜轮廓、卵母细胞极体位置和体细胞位置的检测；完成了卵母细胞固定、极体拨动到位、移植针刺入卵母细胞、针尖接近质膜、极体已完全抽出、体细胞进入移植针和体细胞进入卵母细胞等核移植关键状态的判断，解决了核移植自动化中的视觉检测问题。. 其次，针对单步操作自动化，一方面，将移植针细胞内运动分解为移植针刺破透明带进入卵母细胞和移植针后撤到细胞质膜附近两个步骤，建立了移植针刺入过程中刺入深入与刺入压力之间的关系，分别完成了移植针刺入过程和移植针后撤过程的控制，实现了移植针在细胞内的精确运动；另一方面，提出了一种基于集总参数模型的注射流量建模方法，对于不同针管，设计自适应控制器实现了针管的模型参数逼近和目标流量的跟踪。. 最后，基于上述成果，开展细胞核移植自动化实验研究，分别实现了机器人化的卵母细胞拨动、卵母细胞去核和卵母细胞注核，成功完成了多次核移植实验。实验结果显示，基于微操作机器人的自动化核移植实验总体操作时间略小于手动操作或与手动操作相当，成功率略高于手动操作，大大减轻了实验人员的工作强度。. 本项目取得的科研成果包括：发表学术论文12篇，其中，SCI检索论文2篇，EI检索论文9篇；录用学术论文3篇，其中两篇被SCI期刊录用。培养博士研究生2名，其中1名已毕业；培养硕士研究生8名，其中4人已毕业。