本文關(guān)鍵詞：基于光鑷的斑馬魚體內(nèi)單細胞自動運輸系統(tǒng)研究　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 體內(nèi)細胞運輸 光鑷 斑馬魚 閉環(huán)控制 擾動補償 避障

【摘要】：體內(nèi)生物學(xué)研究,特別是活體體內(nèi)研究,對觀察生物體整體生命活動、驗證體外研究結(jié)果至關(guān)重要。開發(fā)一種可以在體內(nèi)捕獲并操縱單細胞的工具可以極大地促進對生物體內(nèi)活動的研究。體內(nèi)單細胞運輸作為體內(nèi)細胞操作的基礎(chǔ),可以控制在體內(nèi)實驗中細胞的數(shù)目與位置,有助于觀察在體內(nèi)特殊環(huán)境中目標細胞的特性。光鑷的手動操作實驗證明了它有能力進行活體體內(nèi)單一細胞操作。然而人工操控的能力有限,特別是在多擾動高不確定性的體內(nèi)環(huán)境中進行生物微粒操控存在著很大的難度。本文采用機器人與光鑷技術(shù)相結(jié)合的方法開發(fā)出了一種自動細胞運輸系統(tǒng),旨在自動識別、捕獲和運輸體內(nèi)環(huán)境中的單細胞。本論文研究從以下三個方面展開。第一,為了實現(xiàn)體內(nèi)目標細胞的自動識別與跟蹤,建立了一套體內(nèi)細胞跟蹤系統(tǒng)。通過利用諸如背景分割、閾值分割和霍夫變換等圖像處理技術(shù),系統(tǒng)可以對復(fù)雜體內(nèi)環(huán)境中細胞的位置進行辨識,然后基于細胞運動的位置相關(guān)性跟蹤被辨識出的細胞,可實現(xiàn)目標細胞的實時跟蹤。第二,為了實現(xiàn)體內(nèi)單個目標細胞的自動運送,構(gòu)建了一套自動細胞運輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將檢測到的細胞位置作為反饋信息,采用抗飽和比例控制器對光鑷位置進行控制,實現(xiàn)了體內(nèi)細胞的自動運輸。在此基礎(chǔ)上,進一步開發(fā)了一種擾動補償控制器,以減小血液流動所產(chǎn)生的粘滯阻力對細胞運輸所造成的影響。這種控制方法具有細胞運輸軌跡可調(diào)、軌跡矯正、最小化穩(wěn)態(tài)誤差、消除超調(diào)等優(yōu)點,適用于復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境。仿真和實驗證明了所提方法可以有效地對斑馬魚體內(nèi)單個血紅細胞進行運輸。第三,開發(fā)了一種具有避障功能的擾動補償控制器,以處理在體內(nèi)細胞運輸過程中的碰撞問題。碰撞是體內(nèi)運輸任務(wù)失敗的主要原因之一。本文提出了一種碰撞規(guī)避矢量法,并結(jié)合擾動補償控制器實現(xiàn)了細胞運輸過程中的避障。這種方法可以在一個單一步驟中實現(xiàn)障礙物檢測和碰撞規(guī)避策略制定,以此減少了在線運算量,同時提高了避障的效率。該方法可以使用不同的避障策略來適應(yīng)不同的運輸環(huán)境。仿真和實驗驗證了所提出的控制器的有效性。綜上所述,本文提出了一種體內(nèi)單細胞自動運輸控制系統(tǒng),實現(xiàn)了斑馬魚體內(nèi)單細胞的精確跟蹤,控制與避障。本研究可以應(yīng)用于諸多生物學(xué)研究中,如藥物靶向遞送,體內(nèi)細胞提取和癌癥轉(zhuǎn)移機制的探索等,為這些領(lǐng)域的研究發(fā)展提供了新的研究工具與手段。
[Abstract]:In vivo biological studies, especially in vivo studies, to observe the overall life activities of organisms. The development of a tool that can capture and manipulate single cells in vivo can greatly facilitate the study of biological activities in vivo. In vivo single cell transport is the basis of cell operation in vivo. The number and location of cells can be controlled in vivo. It is helpful to observe the characteristics of target cells in a special environment in vivo. The experiment of manual operation of optical tweezers proves that it has the ability to operate single cell in vivo. However, the ability of manual manipulation is limited. In particular, it is very difficult to control biological particles in the environment with high uncertainty. In this paper, an automatic cell transportation system is developed by combining robot with optical tweezers. The purpose of this paper is to automatically recognize, capture and transport single cells in vivo. The research in this paper is carried out from the following three aspects. First, in order to achieve automatic recognition and tracking of target cells in vivo. By using image processing techniques such as background segmentation, threshold segmentation and Hough transform, the system can identify the location of cells in complex internal environment. Then tracking the identified cells based on the position correlation of cell motion can realize the real-time tracking of target cells. Secondly, in order to realize the automatic transport of single target cells in the body. A set of automatic cell transportation system is constructed, which takes the detected cell position as feedback information and uses anti-saturation proportional controller to control the position of optical tweezers. On the basis of this, a disturbance compensation controller is developed. In order to reduce the effect of viscous resistance caused by blood flow on cell transport, this control method has the advantages of cell transport trajectory adjustable, trajectory correction, minimization of steady-state error, elimination of overshoot and so on. Simulation and experiments show that the proposed method can effectively transport a single red blood cell in zebrafish. Thirdly, a disturbance compensation controller with obstacle avoidance function is developed. In order to deal with the problem of collision in the process of cell transport in vivo, collision is one of the main reasons for the failure of transportation in vivo. In this paper, a collision avoidance vector method is proposed. This method can realize obstacle detection and collision avoidance strategy in a single step, thus reducing the amount of online operation. At the same time, the efficiency of obstacle avoidance is improved. In this method, different obstacle avoidance strategies can be used to adapt to different transportation environments. Simulation and experiments verify the effectiveness of the proposed controller. In this paper, a single cell automatic transportation control system in vivo is proposed, which can accurately track, control and avoid obstacles in zebrafish. This study can be used in many biological studies, such as drug targeting delivery. In vivo cell extraction and the exploration of cancer metastasis mechanism provide new tools and means for the research and development of these fields.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：Q2-33

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本文編號：1375203