专利名称：一种卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法
技术领域：
本发明涉及卵胞浆内单精子注射技术，特别涉及一种卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法。
背景技术：
细胞注射是生物技术、基因工程中不可或缺的微操作。由于手动的细胞操作容易受操作人员的熟练程度、疲劳情况等因素影响，所以难以保持稳定的成功率，同时也成为生物工程产业化的一个瓶颈。近年来，自动的细胞注射系统逐渐成为国内外的研究热点。由于显微镜下的细胞注射的环境是非结构化的，所以目前对于细胞的位置和姿态的检测只能通过显微视觉来实现。Wenhui Wang 在论文《High-Throughput Automated Injection of IndividualBiological Cells)) (IEEE Transactions on automation science and engineering, 2009 :16(2) :209-219)里运用图像处理技术对斑马鱼的胚胎细胞进行结构分析，用snake算法找出细胞质的轮廓后，通过判断闭合轮廓的外凸性缺陷，从中划分出卵黄部分。Leonardo Mattos 在论文《Semi—Automated BlastocystMicroinjection》 (Proceedings of the 2006 IEEE International Conference onRobotics and Automation. Orlando, Florida, USA :May，2006. 1780-1785)中提出在进行囊胚的自动显微注射时，用Hough变换来对囊胚进行检测，并用八等份的圆覆盖囊胚，通过计算各等份中像素值的总和，来得到适合注射针穿刺的囊胚壁区域。Xinyu Liu在论文《Visually Servoed Orientation Control ofBiological Cells in Microrobotic Cell Manipulation)) (Proceedings of the 2008International Symposium on Experimental Robotics. Athens, Greece :2008. 180-187)中设计了一个装置，不但可以同时固定多个细胞，而且可以通过转动该装置实现细胞的转动。他们通过对胚胎细胞外轮廓图像的凸包分析出极体的位置，然后采用3-D0F的闭环控制方法实现细胞的姿态调节，但仅考虑了细胞的极体位于细胞膜图像边缘的情形，没有考虑极体位于细胞膜图像内部的情况。不同的细胞注射过程 (原核注射、囊胚注射等)中细胞的外形和结构不同，需要采用的视觉技术也有所区别。卵胞浆内单精子注射技术(ICSI)的原理是借助显微操作系统将单一精子注射入卵子内使其受精。该技术仅需数条精子可以达到受精、妊娠，是严重男性因素不育患者的最有效治疗方法。卵胞浆内单精子注射的自动化操作过程需要获得目标卵胞的准确的位置和姿态信息， 而目前文献中还没有关于卵胞位姿准确定位方法的相关报道。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点和不足，本发明专利旨在提供一种卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法，该方法可准确地确定卵母细胞的位置和姿态，为自动注射过程提供条件。本发明通过下述技术方案实现一种卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法，包括如下步骤
(1)、抓取每一帧实时彩色图像并将其转化为灰度图像；O)、将步骤(1)中灰度图像进行中值滤波处理，去除噪声，再用模板匹配的方法识别微吸附针和微注射针的位置，其中，识别范围由微吸附针和微注射针的运动估计来限定；(3)、确定微吸附针和微注射针的位置后，确定卵胞的位置和姿态。上述步骤C3)确定卵胞的位置和姿态，具体步骤如下(1-1)、用Otsu自适应阈值法对灰度图像进行二值化处理；(1-2)、在二值图像中根据已识别出的微吸附针和微注射针的位置，把微吸附针和微注射针的区域作为背景区域处理；(1-3)、对二值图像进行二值图像形态学闭操作，并且去掉图像中的小面积区域， 以便连通破碎边缘，去除玻片的污损和溶液中的杂质对成像影响，填充各区域中的孔洞；(1-4)、求取各连通区域轮廓所围成区域的圆度和面积参数；(1-5)、根据圆度和面积参数识别出卵胞区域；(1-6)、依次以卵胞区域的轮廓上各像素点作为中心，建立一个mXm的小邻域；(1-7)、用局部阈值法对灰度图像再做一次二值化，精确分割出卵胞区域；(1-8)、分割出卵胞区域后，找出该区域的中心位置坐标(X。，y。)，并以此为原点建立卵胞局部直角坐标系，把区域的平均半径作为卵胞半径r。；(1-9)、依次沿卵胞区域的轮廓的各像素点，往该区域的中心方向取η个像素点求均值，形成序列S，求序列S的均值SOTg。(1-10)、判断S中各点的值是否均在区间Bavg-Ts, Savg+Ts]中，若否，则求取S中的最大值对应的点的坐标，便是极体的位置的图像坐标，将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为Ov yp)，并将俯仰角El赋予0值，再通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标(x。，y。)和姿态坐标(Αζ，Ε1)，其中(x。，y。)是图像全局坐标，(Αζ,ΕΙ)是卵胞局部坐标。若是，则在卵胞区域内部用Hough圆检测方法检测半径为rp的圆，圆心位置即可判断为极体的位置，将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为Up，yp)，通过空间三角关系计算卵胞俯仰角E1，通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标(X。，y。)和姿态坐标(Az，E1)，其中(χ。，yc)是图像全局坐标，(Az，El)是卵胞局部坐标。本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果本发明专利可实现仅根据视觉信息即可准确地得到卵母细胞的位置和姿态信息，解决卵胞浆内单精子自动注射过程中的重要技术问题。
图1是本发明卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法主流程图。图2是本发明中卵胞位置和姿态的具体确定方法流程图。图3是本发明应用在卵胞浆内单精子注射过程中的应用效果例一，该图显示了极体的位置在卵胞膜的边缘时的情形；其中(a)是源图像，(b)是卵胞姿态的三维模拟图。图4是本发明中应用在卵胞浆内单精子注射过程中的应用效果例二，该图显示了极体的位置在卵胞膜的内部时的情形；其中(a)是源图像，(b)是卵胞姿态的三维模拟图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图1所示，本发明卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法，包括如下步骤(1)、抓取每一帧实时彩色图像并将其转化为灰度图像；O)、将步骤(1)中灰度图像进行中值滤波处理，去除噪声，再用模板匹配的方法识别微吸附针和微注射针的位置，其中，识别范围由微吸附针和微注射针的运动估计来限定；(3)、确定微吸附针和微注射针的位置后，确定卵胞的位置和姿态。如图2所示，上述步骤C3)确定卵胞的位置和姿态，具体可采用如下步骤(1-1)、用Otsu自适应阈值法对灰度图像进行二值化处理；(1-2)、在二值图像中根据已识别出的微吸附针和微注射针的位置，把微吸附针和微注射针的区域作为背景区域处理；(1-3)、对二值图像进行二值图像形态学闭操作，并且去掉图像中的小面积区域， 以便连通破碎边缘，去除玻片的污损和溶液中的杂质对成像影响，填充各区域中的孔洞；(1-4)、求取各连通区域轮廓所围成区域的圆度和面积参数；(1-5)、根据圆度和面积参数识别出卵胞区域；(1-6)、依次以卵胞区域的轮廓上各像素点作为中心，建立一个mXm的小邻域；(1-7)、用局部阈值法对灰度图像再做一次二值化，精确分割出卵胞区域；(1-8)、分割出卵胞区域后，找出该区域的中心位置坐标(χ。，y。)，并以此为原点建立卵胞局部直角坐标系，把区域的平均半径作为卵胞半径r。；(1-9)、依次沿卵胞区域的轮廓的各像素点，往该区域的中心方向取η个像素点求均值，形成序列S，求序列S的均值SOTg。(1-10)、判断S中各点的值是否均在区间[Savg-Ts, Savg+Ts]中若否，则求取S中的最大值对应的点的坐标，便是极体的位置的图像坐标，再将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为Up，yp)，最后将俯仰角El赋予0值， 再通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标(χ。，yc)和姿态坐标(Az， E1)，其中U。，y。)是图像全局坐标，(Αζ，Ε1)是卵胞局部坐标；若是，则在卵胞区域内部用Hough圆检测方法检测半径为rp的圆，圆心位置即可判断为极体的位置，将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为Up，yp)，通过空间三角关系计算卵胞俯仰角E1，通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标(X。，y。)和姿态坐标(Az，E1)，其中(χ。，yc)是图像全局坐标，(Az，El)是卵胞局部坐标。图3是本发明应用在卵胞浆内单精子注射过程中的应用效果例一，该图显示了极体的位置在卵胞膜的边缘时的情形；其中(a)是源图像，(b)是卵胞姿态的三维模拟图。
图4是本发明中应用在卵胞浆内单精子注射过程中的应用效果例二，该图显示了极体的位置在卵胞膜的内部时的情形；其中(a)是源图像，(b)是卵胞姿态的三维模拟图。运动估计的基本思想是将图像序列的每一帧分成许多互不重叠的宏块，并认为宏块内所有象素的位移量都相同，然后对每个宏块到参考帧某一给定特定搜索范围内根据一定的匹配准则找出与当前块最相似的块，即匹配块，匹配块与当前块的相对位移即为运动矢量。根据运动矢量的大小和方向可以预测下一帧中的搜索范围。如上所述便可较好的实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法，其特征在于包括如下步骤 (1)、抓取每一帧实时彩色图像并将其转化为灰度图像；(2)、将步骤(1)中灰度图像进行中值滤波处理，去除噪声，再用模板匹配的方法识别微吸附针和微注射针的位置，其中，识别范围由微吸附针和微注射针的运动估计来限定； (3)、确定微吸附针和微注射针的位置后，确定卵胞的位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的卵胞位姿确定方法，其特征在于，所述步骤(3)确定卵胞的位置和姿态，具体步骤如下(1-1)、用Otsu自适应阈值法对灰度图像进行二值化处理；(1-2)、在二值图像中根据已识别出的微吸附针和微注射针的位置，把微吸附针和微注射针的区域作为背景区域处理；(1-3)、对二值图像进行二值图像形态学闭操作，并且去掉图像中的小面积区域，以便连通破碎边缘，去除玻片的污损和溶液中的杂质对成像影响，填充各区域中的孔洞； (1-4)、求取各连通区域轮廓所围成区域的圆度和面积参数； (1-5)、根据圆度和面积参数识别出卵胞区域；(1-6)、依次以卵胞区域的轮廓上各像素点作为中心，建立一个mXm的小邻域； (1-7)、用局部阈值法对灰度图像再做一次二值化，精确分割出卵胞区域； (1-8)、分割出卵胞区域后，找出该区域的中心位置坐标(χ。，y。)，并以此为原点建立卵胞局部直角坐标系，把区域的平均半径作为卵胞半径r。；(1-9)、依次沿卵胞区域的轮廓的各像素点，往该区域的中心方向取η个像素点求均值，形成序列S，求序列S的均值Savg。(1-10)、判断S中各点的值是否均在区间[Savg-Ts, Savg+Tj中 若否，则求取S中的最大值对应的点的坐标，便是极体的位置的图像坐标，再将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为(xp，yp)，最后将俯仰角El赋予0值，再通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标0c。，y。)和姿态坐标(Αζ，Ε1)， 其中(χ。，y。)是图像全局坐标，(Az, El)是卵胞局部坐标；若是，则在卵胞区域内部用Hough圆检测方法检测半径为rp的圆，圆心位置即可判断为极体的位置，将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为(xp，yp)，通过空间三角关系计算卵胞俯仰角E1，通过空间三角关系计算卵胞方位角Az，并输出卵胞的位置坐标(x。，y。)和姿态坐标(Αζ，Ε1)，其中(x。，y。)是图像全局坐标，(Αζ,ΕΙ)是卵胞局部坐标。
全文摘要
本发明公开了卵胞浆内单精子自动注射中的卵胞位姿确定方法，将彩色图像转化为灰度图像并中值滤波处理等步骤，确定微吸附针和微注射针的位置、确定卵胞的位置和姿态，用Otsu自适应阈值法对灰度图像进行二值化处理等步骤，依次沿卵胞区域轮廓的各像素点，往该区域的中心方向取n个像素点求均值，形成序列S，求序列S的均值Savg，判断S中各点的值是否均在区间[Savg-Ts，Savg+Ts]中若是，则在卵胞区域内部用Hough圆检测方法检测半径为rp的圆，将该坐标从图像坐标系映射到卵胞局部坐标系中，坐标为(xp，yp)，通过空间三角关系计算卵胞俯仰角El和卵胞方位角Az，输出卵胞的位置坐标(xc，yc)和姿态坐标(Az，El)。
文档编号C12Q1/02GK102184407SQ20111002612
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者张勤, 杜启亮, 田联房, 青山尚之 申请人:华南理工大学