一种心肌细胞操作手的制作方法

本发明涉及一种心肌细胞操作手，具体是一种依靠检测心肌细胞搏动图像和生物电信号进行算法预测以同步振动的操作手。

背景技术：

心肌细胞又称心肌纤维，有横纹，属于有横纹的不随意肌，具有兴奋收缩的能力。心肌细胞原代培养，采用组织块法、酶消化法和离体心脏灌注法等进行体外培养。在体外培养过程中，心肌细胞经常会出现自发搏动现象，而且同一个细胞培养皿中心肌细胞的搏动往往是同步的。心肌细胞在搏动的时候，搏动频率一般不是恒定的，在环境不同时，搏动频率常常出现变化，造成搏动不齐。

目前，对于心肌细胞等搏动细胞的操作还依赖人工操作。由于存在搏动现象，人工操作接触细胞时，末端常常对细胞造成很大的划伤。在对心肌细胞进行剥离、注射、转移等操作时，由于心肌细胞搏动的影响，常常会造成对细胞的损坏，且效率不高。尤其是在注射时，细胞表面与操作末端摩擦影响操作精度和细胞活性。依靠人眼判断心肌细胞搏动频率和幅度，费时费力精度低。为了提高操作的精度和效率，避免心肌细胞搏动和搏动不齐造成的影响，需要一种针对活性心肌细胞进行操作的操作手。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种心肌细胞操作手，实现对心肌细胞搏动频率的预测，控制机械手同频振动，使操作手末端和心肌细胞表面保持相对静止，进而对操作手在振动基础上进行运动，对心肌细胞实现注射、剥离、转移等操作。

为达到上述目的，本发明的设计思路是：

细胞培养皿中的心肌细胞会自主搏动，同时会释放微弱生物电信号。根据生理学中心肌细胞搏动原理，心肌细胞出现动作电位后，钙离子通道打开，引起肌纤维的移动，形成心肌细胞的搏动现象。生物电信号和搏动信号是相对应的，即产生一个生物电信号，对应一个物理搏动。首先，将操作末端移动到待操作心肌细胞表面附近，调节垂直指向心肌细胞边缘，利用倒置显微镜采集待操作心肌细胞物理搏动图像，得出焦平面细胞边缘轮廓的物理搏动频率和幅度。根据采集到的物理搏动信号，利用RBF神经网络等算法，可以在已知搏动信号基础上，得到预测的边缘轮廓搏动信号。启动压电陶瓷控制器驱动压电陶瓷组振动，使得操作末端以预测频率和幅度进行振动。这样操作末端就能以一定频率和幅度振动，与心肌细胞搏动保持最大限度的同步，从而达到相对静止的目的，有利于对心肌细胞进行剥离、注射、转移等操作，减小心肌细胞搏动造成的影响，测得的生物电信号，可以对预测的搏动信号进行校准检测。

物理搏动可以通过倒置显微镜进行观测，对心肌细胞轮廓图像处理得出。生物电信号可以用专用仪器电路进行检测，例如锁相放大器、惠更斯电桥等。同时，倒置显微镜可以对压电陶瓷组、精密电机等驱动元件进行校准，提高操作手末端的控制精度。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种心肌细胞操作手，包括压电陶瓷控制器、精密电机控制器、精密电机、压电陶瓷组、操作末端、显示器、细胞培养皿、倒置显微镜、微电极阵列、导线、锁相放大器、平台和主控制器，所述压电陶瓷控制器和精密电机控制器安装在平台上，所述精密电机由精密电机控制器控制其运动，实现操作手的快速运动；所述压电陶瓷组安装在精密电机上，并由压电陶瓷控制器控制其运动，实现三个方向的精密运动；所述操作末端位于压电陶瓷组末端位置，弯曲一定角度，安装后悬臂呈水平；所述显示器安装在平台上，同步显示倒置显微镜的拍摄图像，便于操作人员观察；所述倒置显微镜安装在平台上，平台在倒置显微镜上方位置处开有一个透明玻璃窗口，所述细胞培养皿底部透明，置于平台的透明玻璃窗口上；所述微电极阵列位于细胞培养皿中，导线一端连接微电极阵列，另一端连接锁相放大器；所述主控制器分别连接压电陶瓷控制器、精密电机控制器、显示器、倒置显微镜和锁相放大器。

在主控制器中，处理采集的图像信息，并预测心肌细胞搏动频率和幅度，控制压电陶瓷组振动频率和幅度，保持操作末端与心肌细胞保持同步振动。

在主控制器中，处理采集生物电信号的频率，并预测心肌细胞搏动频率，得出由生物电信号计算出的预测搏动频率，进而可以对由图像处理预测的错误频率进行修正，从而确保预测搏动频率的准确性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

该操作手依靠采集的图像信息，利用RBF神经网络等算法预测心肌细胞搏动频率和幅度，控制压电陶瓷组振动频率和幅度，能够保持操作末端与心肌细胞保持同步振动，即保持操作末端和心肌细胞表面相对静止，具有精度高，结构紧凑，操作方便，对心肌细胞伤害小的优点。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图。

图2为本发明培养皿内部结构示意图。

图3为本发明搏动信号预测示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，一种心肌细胞操作手，包括压电陶瓷控制器1、精密电机控制器2、精密电机3、压电陶瓷组4、操作末端5、显示器6、细胞培养皿7、倒置显微镜8、微电极阵列9、导线10、锁相放大器11、平台12和主控制器13，所述压电陶瓷控制器1和精密电机控制器2安装在平台12上，所述精密电机3由精密电机控制器2控制其运动，实现操作手的快速运动；所述压电陶瓷组4安装在精密电机3上，并由压电陶瓷控制器1控制其运动，实现三个方向的精密运动；所述操作末端5位于压电陶瓷组4末端位置，弯曲一定角度，安装后悬臂呈水平，且可以更换为注射器等其他操作设备；所述显示器6安装在平台12上，同步显示倒置显微镜8的拍摄图像，便于操作人员观察；所述倒置显微镜8安装在平台12上，平台12在倒置显微镜8上方位置处开有一个透明玻璃窗口，所述细胞培养皿7底部透明，置于平台12的透明玻璃窗口上；倒置显微镜8用于获取细胞培养皿7中细胞的物理搏动图像信息；所述微电极阵列9位于细胞培养皿7中，导线10一端连接微电极阵列9，另一端连接锁相放大器11；所述主控制器13分别连接压电陶瓷控制器1、精密电机控制器2、显示器6、倒置显微镜8和锁相放大器11。

本发明系统的使用过程如下：

将具有活性的离体心肌细胞放到细胞培养皿7中，加入适量的培养液，使微电极阵列9和心肌细胞可以稳定接触。

首先进行系统校正：打开倒置显微镜8观察操作末端5情况，启动精密电机控制器2和压电陶瓷控制器1，通过精密电机3的工作将操作末端5快速运动到细胞培养皿7底部附近，再由压电陶瓷组4将操作末端5精确运动，移向细胞培养皿7底部，并且调节倒置显微镜8实时观察操作末端5的图像情况，当视野中操作末端5的形状发生变化时，说明操作末端5触底弯曲，再抬起操作末端5，重复下移触底过程。多次重复取平均值，记录下细胞培养皿7底的高度。然后，调节倒置显微镜8观察心肌细胞顶部形状，抬起操作末端5去触碰心肌细胞顶部，当视野中心肌细胞顶部形状明显与未接受触碰时不同时，说明操作末端5触碰到心肌细胞顶部，多次重复去平均值，记录下心肌细胞顶部高度。

调节倒置显微镜8的焦平面，找寻要操作的心肌细胞的表面位置，找到合适位置后，记录焦平面位置。再移动操作末端5到刚才的焦平面处，等待下一步的操作。此时，心肌细胞被操作表面和操作末端5处在同一平面上。

在此焦平面内，利用倒置显微镜8获取心肌细胞边缘轮廓图像信息，在主控制器13中，对图像进行处理得出预测搏动信号。如图3所示，心肌细胞的搏动频率和幅度拟合过程如下：

1)获取一帧图像；

2)对图像做高斯滤波处理，去除图像噪声点；

3)利用Canny算子进行边缘检测；

4)提取检测到的边缘轮廓信息；

5)计算当前图像边缘轮廓信息，包括轮廓内面积S和轮廓的长度L;

6)重复步骤1)-5)采集1000帧数据信息；

7)构建RBF神经网络，利用数据S和L对心跳频率和幅度进行拟合；

8)得到预测的心肌细胞搏动频率和幅度。

将预测的心肌细胞搏动频率和幅度，传输给压电陶瓷控制器1，根据压电陶瓷组4和操作末端5的几何位置关系，控制操作末端5以预测频率和幅度振动。

这样操作末端5就与心肌细胞保持了同步运动，即保持了相对静止。在接近心肌细胞表面进行操作时，对心肌细胞造成的伤害最小。在对心肌细胞进行注射等操作时，只要在操作末端5振动基础上叠加需要的运动即可。

细胞培养器皿7中的微电极阵列9可以检测心肌细胞的生物电信号，经导线10传至锁相放大器11，从而检测出微弱的生物电信号，经放大后传至主控制器13。在主控制器13中，对生物电信号的频率，利用RBF神经网络算法预测心肌细胞搏动频率，得出由生物电信号计算出的预测搏动频率，进而可以对由图像处理预测的错误频率进行修正，从而确保预测搏动频率的准确性。