一种单自由度细胞姿态角调控方法与流程

本发明涉及细胞的姿态角控制领域，具体涉及一种单自由度细胞姿态角调控方法。

背景技术：

细胞的姿态角控制在生物医学和基础研究中具有广泛的应用，如细胞注射技术，细胞内组织的活检，细胞器提取与修复等。在胚胎细胞极体提取实验中，需要定位胚胎细胞的姿态角，这样显微镜才能捕捉到待提取的细胞极体位点，同时也可以避免对细胞内其他不相关部位的损伤。综合看来，细胞姿态角控制是细胞操作过程中的一项关键技术。

目前已经有一些方法可以实现细胞的姿态角控制，如电磁场方法，介电电泳方法，流体法，微机电方法，激光镊子法(光镊)等。但是目前的这些技术方法普遍存在以下的缺陷和不足：这些方法普遍采用开环手动方法实现，操作精度低；对操作熟练度要求很高，因此需要花费大量的时间进行操作练习培训，实验可重复性差；另外，由于在开环环境中进行操作，容易对生物样品造成污染，会导致实验数据可靠性变得非常低。因此，很有必要开发一套设备实现细胞姿态角自动化操作与精密控制，提高操作精度和吞吐量。

技术实现要素：

本发明针对上述不足，提供一种单自由度细胞姿态角调控方法，自动化实现细胞单自由度旋转操控，解决传统操作方法精度低、可重复性差、吞吐量小和实验结果可靠性差等问题。

一种单自由度细胞姿态角调控方法，包括步骤：

步骤1，通过ccd相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞；其中，目标细胞的位姿预先已知；

步骤2，利用对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；

步骤3，通过细胞旋转控制算法获得下一帧图像时所述对偶光镊相对于目标细胞的位置；

所述细胞旋转控制算法如下：

a)建立光镊捕获细胞像平面内单自由度旋转动力学模型：

以基于光镊捕获细胞广义动力学方程为基础，细胞在单光镊捕获作用下受到光捕获力和力矩为：

fcm＝r(t)fb+fd(1)

tcm＝r(t)tb+u(t)×fcm+r(t)tr(2)

其中，fb和tb是在体坐标系o-xyz下光镊施加给细胞的力和力矩；fcm和tcm是在惯性坐标系o-xyz下光镊施加在细胞上面的力和力矩；fd和tr分别表示平动和转动的粘滞阻力，分别与细胞的速度和角速度ω(t)成线性关系；是体坐标系和惯性坐标系的变换矩阵；u(t)为细胞相对于光镊的位置；

得出广义的细胞动力学运动方程：

其中，和分别是细胞位置坐标和角速度；m是细胞的质量，是相对于惯性坐标系的转动惯量；

b)建立细胞单自由度旋转控制动力学模型：利用t矩阵数值计算方法标定出光镊施加在捕获细胞上的力和力矩与其相对于细胞的坐标关系，得到利用对偶光镊进行单自由度细胞像平面内旋转控制动力学简化模型；

其中，i是细胞的转动惯量，kr是对偶光镊的旋转刚度，r是所施加的光镊相对于细胞的位置，dr是旋转粘滞阻力系数，θz是细胞在像平面内的旋转角度；

c)采用光流场方法实时获取目标细胞在像平面内的姿态角，在目标细胞中标记特征点，得到在采样时间t内目标细胞的旋转角度：

其中，n表示特征点总数，i-1表示第i-1帧图像，i表示第i帧图像；

d)根据步骤c)，建立细胞旋转控制算法；

其中，θe＝θd-θz是角度误差,θd为期望的细胞旋转角度，k3和k4为控制增益；

步骤4，重新分配所述对偶光镊的位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；

步骤5，通过图像处理算法实时获取目标细胞的姿态角，判断目标细胞是否旋转到期望位置；若是，则结束；若否，则返回步骤3。

通过改变两个光镊相对于目标细胞的位置来调整细胞姿态角。

有益效果：本发明提供的单自由度细胞姿态角调控方法可自动化实现细胞单自由度旋转操控。

附图说明

图1为单光镊施加给细胞的捕获力和力矩以及相应的坐标系统；

图2为利用光流场方法提取细胞像平面内旋转角度；图2a和图2b分别表示第j个特征点在转到不同角度时的示意图；

图3为自动化实现单自由度细胞调控方法的流程图；

图4为利用对偶光镊进行像平面内细胞旋转控制过程示意图；

图5为利用对偶光镊进行像平面内细胞旋转控制过程中不同时刻细胞的姿态角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

a)建立光镊捕获细胞像平面内单自由度旋转动力学模型：

首先以基于光镊捕获细胞广义动力学方程为基础，建立如图1所示的坐标系统，其中惯性坐标系o-xyz坐标原点固定于空间一点，体坐标系o-xyz坐标原点为细胞质心。细胞在单光镊捕获作用下受到光捕获力和力矩为：

fcm＝r(t)fb+fd(1)

tcm＝r(t)tb+u(t)×fcm+r(t)tr(2)

其中fb和tb是在体坐标系o-xyz下光镊施加给细胞的力和力矩；fcm和tcm是在惯性坐标系o-xyz下光镊施加在细胞上面的力和力矩；fd和tr分别表示平动和转动的粘滞阻力，分别与细胞的速度和角速度ω(t)成线性关系；是体坐标系和惯性坐标系的变换矩阵；u(t)为细胞相对于光镊的位置。

进一步可以得出广义的细胞动力学运动方程：

其中和分别是细胞位置坐标和角速度；m是细胞的质量，是相对于惯性坐标系的转动惯量；从广义动力学模型可以看出，细胞在单光镊捕获作用下存在着平动和转动耦合情况。

b)建立细胞单自由度旋转控制动力学模型：利用t矩阵数值计算方法标定出光镊施加在捕获细胞上的力和力矩与其相对于细胞的坐标关系，得到利用对偶光镊进行单自由度细胞像平面内旋转控制动力学简化模型；

其中，i是细胞的转动惯量，kr是对偶光镊的旋转刚度，r是所施加的光镊相对于细胞的位置(作为控制输入)，dr是旋转粘滞阻力系数，θz是细胞在像平面内的旋转角度(角位移)。由于利用对偶光镊施加到细胞上，使得细胞广义动力学模型(3)和(4)可简化得到如(5)模型。

c)像平面内细胞姿态角提取：为了设计基于视觉反馈的控制策略，自主实现细胞姿态角控制，就必须要实时获取到细胞的姿态角信息。拟采用光流场方法实时获取目标细胞在像平面内的姿态角，在目标细胞中标记特征点，通过特征点的转动，可以知道细胞的转动。如图2所示，图2a和图2b分别表示第j个特征点在转到不同角度时的示意图。利用公式(6)可得到在采样时间t内细胞旋转的角度，即目标细胞的旋转角度计算公式如下：

n表示特征点总数，i-1表示第i-1帧图像，i表示第i帧图像，fj(i)表示第j个特征点在第i帧图像时的位置坐标。

d)视觉反馈控制算法设计：利用图2所示的细胞姿态角提取算法，建立了细胞旋转控制算法；

其中θe＝θd-θz是角度误差，θd为期望的细胞旋转角度，k3和k4为控制增益。

本发明的单自由度细胞姿态角控制操作流程图，如图3所示，其包括：

步骤1，通过ccd(chargecoupleddevice，电荷耦合器件)相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出目标细胞，其中，目标细胞的位姿预先已知；

步骤2，利用对偶光镊作用到目标细胞上，使得目标细胞旋转；在本发明中，通过改变两束光镊相对于目标细胞的位置来调整细胞姿态角。

图4为利用对偶光镊进行像平面内细胞旋转控制示意图。如图4所示，两个光镊(对偶光镊)焦点关于细胞质心对称分布。当细胞需要转动时，打开光镊，激光照射到细胞上，在激光的作用下，细胞旋转。通过特征点的转动，可以知道细胞的转动。

步骤3，通过细胞旋转控制算法获得下一帧图像时对偶光镊相对于目标细胞的位置；步骤4，重新分配对偶光镊位置，使得目标细胞旋转到新的姿态角；

步骤5，通过图像处理算法实时获取目标细胞的姿态角，判断目标细胞是否旋转到期望位置，若是，则结束；若否，则接着进行步骤3。

通过该方法，可以使得目标细胞自动的旋转到期望位置。图5为利用对偶光镊进行像平面内细胞旋转控制过程中不同时刻细胞的姿态角。如图5所示，图5a为起始细胞捕获的位姿，旋转角度为θz＝0；图5b为细胞旋转θz＝π/2后的位姿；图5c为细胞旋转θz＝3π/2后的位姿；图5d为最终旋转θz＝2π后细胞的位姿。

在优选的实施方式中，所述目标细胞的旋转精度小于2度。通过该方法，可以使得目标细胞的旋转精度较高。

在优选的实施方式中，通过对偶光镊可实现细胞位置和姿态角解耦控制，进而实现可靠的单自由度细胞姿态角精确调控。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。