[发明专利]一种单自由度细胞姿态角调控方法

说明书

本发明公开了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；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；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。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。

技术领域

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。

发明内容

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：

F_CM＝R(t)F_b+F_d (1)

T_CM＝R(t)T_b+u(t)×F_CM+R(t)T_r (2)

其中，F_b和T_b是在体坐标系o-xyz下光镊施加给细胞的力和力矩；F_CM和T_CM是在惯性坐标系O-XYZ下光镊施加在细胞上面的力和力矩；F_d和T_r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；