本文關鍵詞：微納操作機器人細胞三維組裝方法研究

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【摘要】：人體功能器官的衰竭與組織缺失是當前發(fā)病率最高且最具威脅性的醫(yī)療難題,其治療費用高昂且治療過程風險性高。組織工程通過在體外構建與人體組織與器官相似的功能替代品,有效解決了異體組織器官移植中免疫排斥與供源不足等諸多問題。然而,目前人工組織器官的構建方法大多僅能實現功能簡單、形狀單一的結構,難以真實模擬人體組織器官的運作過程。本文針對新型人工組織需要兼顧三維細胞結構宏觀構型與內部微結構特性的要求,提出了一種基于跨尺度微納操作機器人系統(tǒng)協(xié)同操作的自動化組裝方法。通過宏微跨尺度運動與多探針自動化協(xié)同操作,能夠有效兼顧細胞組裝中對異構外形及精密內部微結構的需求,為提供200?m尺度微結構且具有生物學意義的人工三維組織的開發(fā)提供新理論,也為微納機器人與生物醫(yī)學相融合提供了可供借鑒的新思路。主要研究內容和成果如下:首先,針對當前人工組織體外構建中對宏觀構型與內部微結構特性的需求,特別是構建能夠實現組織內循環(huán)的微血管結構,搭建了一套導軌微納操作機器人系統(tǒng),提出了基于多探針自動協(xié)調操作的三維細胞微結構組裝方法。通過導軌子系統(tǒng)、微納操作子系統(tǒng)與視覺反饋系統(tǒng)的融合,有效保證了人工三維組織體外構建的高效性與精密性。其次,基于組織工程自下而上型三維細胞結構的構建理論,提出了一種細胞化二維微結構組裝單元的片上加工方法,通過使用生物兼容水凝膠與細胞混合溶液,以紫外曝光的形式在微流道芯片中實現了水凝膠的光交聯反應,并將細胞群嵌入固化后的微結構單元中,為三維組裝提供了必要的異構型二維微組裝單元。第三,針對微納操作機器人系統(tǒng)多探針協(xié)同的微組裝特點,設計了基于微操作器末端探針與細胞化微組裝單元接觸交互的組裝策略。提出了基于重復單步按壓式操作的組裝單元拾取方法。通過在軌微操作器的對心運動實現了末端探針姿態(tài)的靈活變換,為三維細胞結構的組裝提供了全新的多操作器協(xié)同組裝方法。第四,針對顯微視覺反饋中低對比度、圖像特征信息單一的特點,提出了一種新的用于解決接觸式微操作探針尖端圖像遮擋情況下實時跟蹤的視覺算法。通過結合角點檢測與曲線擬合算法,有效實現了圖像遮擋下微納操作機器人末端探針的輪廓重建與圖像分割�；谒郊c粒子濾波融合算法,實現了多探針實時定位與跟蹤,為三維細胞結構自動化協(xié)同組裝提供了必要的圖像信息反饋。最后,對本文提出的三維細胞微結構組裝方法進行了驗證。在可變顯微觀測環(huán)境下對微納操作機器人視覺反饋系統(tǒng)的魯棒性與精度進行了測試。通過對類血管三維細胞微結構的自動化組裝,對微納操作機器人協(xié)同組裝的穩(wěn)定性與效率進行了評估。驗證了該系統(tǒng)平臺能夠有效完成細胞三維微結構的自動化組裝,能夠為組織工程與再生醫(yī)療開發(fā)更為復雜的精密三維組織提供新的方法。
【關鍵詞】：微納操作機器人 自動化微操作 細胞組裝 圖像處理 組織工程
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-36
• 1.1 本論文研究的目的和意義16-18
• 1.2 國內外研究現狀18-33
• 1.2.1 組織工程的研究現狀18-26
• 1.2.2 微操作技術的發(fā)展現狀26-30
• 1.2.3 微納操作機器人系統(tǒng)的發(fā)展現狀30-33
• 1.3 本文主要研究內容33-36
• 第2章 跨尺度微納操作機器人系統(tǒng)36-49
• 2.1 概述36-37
• 2.2 微納操作導軌機器人系統(tǒng)37-45
• 2.2.1 機器人系統(tǒng)參數配置37-38
• 2.2.2 微納操作機器人系統(tǒng)運動學分析38-41
• 2.2.3 微納操作器的加工41-45
• 2.3 細胞樣品準備45-48
• 2.3.1 真實組織細胞結構45-46
• 2.3.2 標準化的細胞株管理與培養(yǎng)方法46-48
• 2.4 面向微血管三維細胞結構組裝的集成微納操作導軌機器人系統(tǒng)48
• 2.5 本章小結48-49
• 第3章 二維細胞微結構設計與片上加工49-60
• 3.1 概述49-50
• 3.2 微流道芯片設計與加工50-53
• 3.2.1 微流道芯片的設計原理50-51
• 3.2.2 面向二維細胞組裝單元加工的微流道芯片設計51-53
• 3.3 細胞組裝單元設計53-59
• 3.3.1 系統(tǒng)硬件搭建53-54
• 3.3.2 微結構片上加工54-56
• 3.3.3 細胞化二維微結構組裝單元設計56-59
• 3.4 本章小結59-60
• 第4章 微納機器人細胞微結構組裝方法60-84
• 4.1 概述60-62
• 4.2 微納操作機器人二維細胞結構拾取策略62-74
• 4.2.1 機器人末端探針交互原理分析62-65
• 4.2.2 微操作器拾取操作動力學仿真65-66
• 4.2.3 微操作器二維組裝單元拾取成功率測試66-74
• 4.3 微納操作機器人三維微結構協(xié)同組裝方法74-79
• 4.3.1 多操作器協(xié)同組裝策略設計74-76
• 4.3.2 協(xié)同組裝效率評估76-79
• 4.4 改進型多操作器協(xié)同組裝方法79-82
• 4.4.1 基于微納操作導軌機器人快速編組的協(xié)同操作79-81
• 4.4.2 導軌機器人群協(xié)同操作優(yōu)化81-82
• 4.5 本章小結82-84
• 第5章 基于顯微視覺反饋的自動化生物操作84-107
• 5.1 概述84-85
• 5.2 二維微結構組裝單元識別與過濾85-89
• 5.2.1 微納操作機器人圖像坐標系的建立與轉換85-87
• 5.2.2 二維微結構組裝單元的識別與優(yōu)化87-89
• 5.3 微納操作機器人末端探針三維定位89-95
• 5.3.1 末端探針平面坐標獲取89-90
• 5.3.2 基于接觸檢測的微操作器垂直位置識別與跟蹤90-93
• 5.3.3 微納操作導軌機器人初始化93-95
• 5.4 微操作器視覺跟蹤95-102
• 5.4.1 基于基本特征點曲線擬合的微操作器跟蹤96-97
• 5.4.2 基于角點檢測曲線擬合的微操作器跟蹤97-102
• 5.5 微納操作機器人多操作器識別與跟蹤102-106
• 5.5.1 基于粒子濾波的多目標運動預測與跟蹤算法102-103
• 5.5.2 基于粒子濾波與水平集的多操作器識別跟蹤103-106
• 5.6 本章小結106-107
• 第6章 細胞化微血管結構三維自動組裝107-121
• 6.1 概述107
• 6.2 微納操作導軌機器人視覺反饋系統(tǒng)評估107-113
• 6.2.1 接觸檢測評估107-111
• 6.2.2 微操作器跟蹤精度評估111-113
• 6.3 類血管三維細胞微結構協(xié)同組裝113-120
• 6.3.1 熒光類血管三維微結構組裝113-116
• 6.3.2 類血管細胞三維微結構組裝116-120
• 6.4 本章小結120-121
• 結論121-124
• 參考文獻124-137
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果137-139
• 致謝139-141
• 作者簡介141

【共引文獻】

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本文編號：1100854