[发明专利]一种单自由度细胞姿态角调控方法

摘要

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。

主权项

1.一种单自由度细胞姿态角调控方法，其特征在于：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，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；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；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；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，fj(i)表示第j个特征点在第i帧时的位置坐标；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。