[发明专利]一种微操作机器人系统批量细胞重定位方法

说明书

技术领域

本发明属于微操作机器人技术领域，是机器人技术的一种，特别涉及一种微操作机器人系统批量细胞重定位方法。

背景技术

微操作机器人系统是机器人技术在微细操作领域的延伸^[1]，微操作是指对微小物体的整体或部分进行的操作和处理，它处理问题的尺度一般在几微米到几百微米之间^[2，3]。近年来，随着微操作研究的不断深入，面向单目标的微操作技术日趋完善和成熟，多目标操作和批量目标操作已逐渐成为微操作的研究重点。

在利用微操作机器人系统进行如批量细胞显微注射的生物实验时，通常需要在操作完成后，将细胞培养一段时间，再拿回显微镜下观察。由于批量细胞分布广泛且数量众多，当培养皿再次置于显微镜下时，很难在显微视野中将培养前后的细胞一一对应起来，无法具有针对性地观察操作结果，对于实验结果的定量统计与分析也无从展开。因此，当生物微操作进入批量操作阶段后，批量细胞的重定位成为一个非常重要的问题。

目前，与生物微操作相关的定位研究大都集中于细胞定位，主要工作为使用各种图像处理方法或人工辅助方法实现批量细胞自动、半自动的定位，从而加大微操作的自动化程度。例如，文献[4]实现了一种果蝇胚胎的自动注射系统，操作目标置于特制的玻璃滑块上，每次注射前，需要对整个滑块进行扫描，获取批量胚胎的全局位置。在该系统进行全局定位时，首先对图像进行二值化，获取果蝇胚胎所在的候选区域，接下来，计算候选区域面积，如果该面积与果蝇胚胎大小匹配，则认为该区域为果蝇胚胎。文献[5]提出了一种用于自动显微注射的卵母细胞定位方法，该方法选择一个卵母细胞的图像作为模板，并通过计算模板与对应图像的差方和，获取图像中卵母细胞的位置。文献[6]利用微操作机器人系统进行了半自动的批量贴壁细胞注射，在注射过程中，首先需要操作者通过鼠标点击的方式定位出当前视野中的所有注射目标，接下来，系统根据最短路径算法自动计算出目标的操作顺序，然后依次完成细胞注射。当前视野范围内的目标注射完毕后，系统控制平台自动移动到下一个待操作的视野范围，重复上述过程。

另一方面，对于一些体积较大的悬浮细胞，如胚胎或卵细胞等，可通过专用的细胞固定设备使细胞的分布具有结构化特征。例如，文献[7]采用的胚胎固定设备如附图1所示，该设备上均匀分布着小孔，每个小孔内固定一枚胚胎。实验中，微操作机器人系统驱动胚胎固定设备运动，沿最优序列完成胚胎注射。这样，在细胞培养后观察实验结果时，也可同样借助这些专用固定设备实现批量细胞的重定位。

然而，对于绝大多数的细胞，如贴壁细胞或体积较小的悬浮细胞，它们随机分布在培养液中，无法形成结构化的操作空间，此时只能依靠人观察实验结果并进行粗略地对比，很难针对某些特定细胞分析操作结果。因此，如何充分利用微操作机器人系统的特点，快速准确的实现批量细胞的重定位是现今微操作中亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是解决生物微操作中的批量细胞重定位问题，针对培养前后细胞相对位置保持不变的情况，提出一种基于邻近目标构型的多分辨率微操作机器人系统批量细胞重定位方法，该方法为利用微操作机器人系统分析生物实验结果提供了前提条件。

本发明提供的微操作机器人系统批量细胞重定位方法，所述细胞主要考虑细胞自身位置基本不动的情况(例如具有粘着性质的悬浮细胞或绝大多数贴壁细胞等)，在细胞培养前和培养后的两次观察中，考虑到一些细胞会在培养过程中由于死亡而消失，将培养前的视野定义为初始视野，将培养后的视野定义为当前视野，从当前视野中选取细胞，在初始视野中寻找其对应细胞，这些细胞必然存在于初始视野中；考虑到众多细胞相对位置的复杂性，以及定位误差的影响，本发明将批量细胞重定位方法分为以下两步：

第1、邻近细胞的局部匹配：