一种在体动态荧光成像控制建模方法

本发明属于膜片钳，特别涉及一种在体动态荧光成像控制建模方法。

背景技术：

1、一直以来，膜片钳技术被称为研究离子通道功能的“金标准”。膜片钳中必不可少的一部分是玻璃电极，其内部填充导电离子液和一根接触导电离子液的银丝电极。膜片钳工作的流程概述如下：首先玻璃电极尖端与细胞膜接触，之后，在玻璃电极另一端施加一个缓慢增大的负压，这样尖端与细胞膜形成了一个封接，当封接阻值达到千兆级别时，这个封接被认为可以很好的过滤外界的电磁干扰。在这样的情况下，在玻璃电极两端施加电压钳或电流钳就可以测得细胞膜的电流或电压。

2、自1976年德国科学家neher和sakmann发明了膜片钳技术，该技术在体外脑科学研究中取得了重大进展。然而由于活体脑中环境复杂性和差透光性，以视觉为基础的在体膜片钳技术发展一直受限。近年来随着双光子成像技术的发展，在体双光子膜片钳逐渐发展起来。其工作原理为：在玻璃电极中额外添加荧光物质，当在玻璃电极一端施加正压时，玻璃管内部的荧光物质被注出，在脑环境中进行扩散，在激光照射下，荧光物质发射荧光形成荧光场照亮黑暗的在体环境。由于荧光物质不会侵入活细胞，因此细胞在视觉中以阴影的形式存在。

3、目前为止，注射荧光主要依赖人工操作。操作者通过观察显微镜下的荧光成像情况，实时调整吹出荧光物质的力度，以形成稳定的荧光光强进行后续操作。这不仅需要操作者丰富的经验，对于操作者的体力也是一种考验。因此亟需一种精度高，鲁棒性好的自动化注射系统代替人工完成这项工作。为了验证自动化系统的可行性，首先需对控制器下的荧光成像进行建模与仿真，在原理上验证控制器的可行性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种在体动态荧光成像控制建模方法，将建模和有限元分析方法引入到控制器设计的可行性分析中，通过仿真结果的收敛性，判断控制器设计原理上的可行性。

2、本发明采用的技术方案是：一种在体动态荧光成像控制建模方法，包括以下步骤：

3、s1：确定注射电极微管的几何参数；

4、s2：确定电极内液和活体脑环境的物理参数；

5、s3：根据s1和s2的参数建立在体注射模型；

6、s4：对在体注射模型采用四边形划分网格；

7、s5：判断微管是否处于运动状态，如果是，进入s6，否则，进入s7；

8、根据仿真目标要求，设定正压从微管尖端吹出荧光物质，荧光物质形成的光场照亮微管尖端周围，若在光场中存在目标细胞，目标细胞表现为适当面积的阴影，微管靠近目标细胞，同时维持目标细胞周围区域荧光强度的稳定；否则，微管处于运动状态，微管需在维持尖端周围荧光强度前提下，在在体脑环境中运动以寻找目标细胞；

9、s6：启动动网格设置，微管移动，直至微管尖端周围的光场中出现目标细胞，进入s7；

10、s7：adrc控制器基于目标细胞周围区域的荧光物质质量分数，实时控制微管尖端荧光物质的吹出压强值，从微管尖端以该压强值吹出荧光物质以维持目标细胞周围区域荧光强度的稳定。

11、进一步的，s1中，微管的几何参数包括：微管的尖端直径、微管的尖端开口角和微管壁厚。

12、进一步的，s2中，电极内液的物理参数包括：电极内液的密度、分子量和粘度；活体脑环境的物理参数包括：脑环境的密度、分子量和粘度。

13、进一步的，s3中，在体注射模型为活体脑环境视为一个长方形的区域，微管位于该长方形的区域内，所述微管内充满含有荧光物质的电极内液。

14、进一步的，荧光物质质量分数与荧光强度之间存在线性关系，满足如下公式：

15、

16、其中，k为荧光分子产率，i0为激发光强度，ε为摩尔消光系数，l为液池厚度，m为总质量，ρ为溶液浓度，m为荧光物质质量分数，f为荧光强度。

17、进一步的，adrc控制器包括td跟踪微分器、eso线性扩张观测器和lsef线性控制器，所述td跟踪微分器、eso线性扩张观测器均与所述lsef线性控制器连接，

18、所述td跟踪微分器接收目标区域的荧光物质质量分数设定值v0，输出变量x1来跟踪设定值v0，输出变量x2来跟踪设定值的微分值；

19、所述eso扩张状态观测器根据目标区域中荧光质量分数反馈值、吹出压强值的反馈值，输出变量来估计目标区域中荧光质量分数反馈值，输出变量来估计目标区域中荧光质量分数反馈值的微分，输出变量来估计扰动；

20、所述lsef线性控制器根据变量x1、变量的差值，以及变量x2、变量的差值，输出变量u0，变量u0经过变量补偿，形成吹出压强值u。

21、进一步的，所述td跟踪微分器设置为一个二阶系统，系统公式为：

22、

23、其中，r为加速度参数。

24、进一步的，所述adrc控制器对象设计为一个二阶系统，状态方程为：

25、

26、其中，f(x1,x2,t)为整个系统所受到的干扰，t为时间，y为目标区域中荧光质量分数反馈值；b0是控制器可调参数；

27、状态方程简写为：

28、

29、其中，c＝[1 0 0]，以及

30、所述eso扩张状态观测器用于估计被控对象的状态，输出为被控对象的x的估计值，

31、

32、其中l＝[3ω0 3ω02 ω03]t，ω0为可调节的参数。

33、进一步的，所述lsef线性控制器的计算公式为：

34、

35、其中，k1，k2和b0是控制器可调参数，是系统总干扰的估计。

36、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明将adrc控制器与有限元建模仿真结合，大大降低了实验成本，为在体定荧光强度荧光注射实验的adrc控制器设计以及双光子膜片钳自动化荧光注射奠定了基础。

技术特征：

1.一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，s1中，微管的几何参数包括：微管的尖端直径、微管的尖端开口角和微管壁厚。

3.如权利要求1所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，s2中，电极内液的物理参数包括：电极内液的密度、分子量和粘度；活体脑环境的物理参数包括：脑环境的密度、分子量和粘度。

4.如权利要求1所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，s3中，在体注射模型是活体脑环境视为一个长方形的区域，微管位于该长方形的区域内，所述微管内充满含有荧光物质的电极内液。

5.如权利要求1所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，荧光物质质量分数与荧光强度之间存在线性关系，满足如下公式：

6.如权利要求5所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，adrc控制器包括td跟踪微分器、eso线性扩张观测器和lsef线性控制器，所述td跟踪微分器、eso线性扩张观测器均与所述lsef线性控制器连接，

7.如权利要求6所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，所述td跟踪微分器设置为一个二阶系统，系统公式为：

8.如权利要求6所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，所述adrc控制器对象设计为一个二阶系统，状态方程为：

9.如权利要求6所述的一种在体动态荧光成像控制建模方法，其特征在于，所述lsef线性控制器的计算公式为：

技术总结
本发明提供了一种在体动态荧光成像控制建模方法，属于膜片钳技术领域，包括以下步骤：确定注射电极微管的几何参数；确定电极内液和活体脑环境的物理参数；根据参数建立在体注射模型；对在体注射模型采用四边形划分网格；判断微管是否处于运动状态，如果是，启动动网格设置，微管移动，直至微管尖端周围的光场中出现目标细胞；ADRC控制器基于目标细胞周围区域的荧光物质质量分数，实时控制微管尖端荧光物质的吹出压强值，以维持目标细胞周围区域荧光强度的稳定。本发明将ADRC控制器与有限元建模仿真结合，大大降低了实验成本，为在体定荧光强度荧光注射实验的ADRC控制器设计以及双光子膜片钳自动化荧光注射奠定了基础。

技术研发人员：赵启立,赵新,李瑞敏,邱金禹,李明慧
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15