[发明专利]一种多目复合单细胞微操作系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种多目复合单细胞微操作系统及控制方法，包括二自由度操作平台：用于放置培养皿；三自由度操作器：用于安装吸附或注射用的毛细针，设置在二自由度操作平台的一侧；五自由度操作器：用于安装吸附或注射用的毛细针，设置在二自由度操作平台的另一侧；远心双目相机：用于获得三自由度操作器及五自由度操作器毛细针针尖图像；倒置显微相机：用于获得毛细针和培养皿内细胞的图像；上位计算机，与上述各部分连接。这种控制形式可以充分利用双目远心视觉和倒置显微视觉的优点，并解决一般细胞注射平台缺少深度信息的缺陷。

技术领域

本发明涉及自动显微注射领域，具体涉及一种多目复合单细胞微操作系统及控制方法。

背景技术

细胞显微注射是生物工程中最基础、最常用的技术。这项技术可以简单总结为使用直径为10微米左右的玻璃毛细针穿过细胞膜，向细胞内直接注入外源物质。其主要特点有：1)对细胞的伤害小；2)外源物质注入量可控；3)用途广泛，包括细胞浆内注射受精和药物验证等。现有的细胞注射平台多以一般的生物显微镜为基础，包含两个三自由度操作器，可分别控制细胞的吸附和注射用的毛细针。除此之外，使用专门设计的细胞放置器皿以取代吸附用的毛细针、只安装一个操作器的细胞微注射平台也非常受欢迎。

但细胞微注射平台的自动化需要解决一个长久以来就存在于该项技术中的难题。生物显微镜作为基础只能提供一个视角，因此操作者(或计算机)基本无法从其他角度观察两边毛细针之间的对准情况。两根毛细针之间不能有效对准，其后果便是毛细针在细胞的表面滑开，或是毛细针与细胞以错误的角度接触，使细胞脱离吸附针。这个困境可以总结为单目显微视觉所带来的约束不足，无法求解毛细针的深度信息，从而导致了针与针之间、针与细胞之间的相对位置的错误估计。针对双操作器的系统，常用的方法是利用生物显微镜景深小的特点，以毛细针的聚焦程度来确认两侧毛细针的相对深度。这种方法的缺点是显微镜的景深直接变成了深度的误差区间。而针对有专用放置器皿的系统有类似于间接测量的处理方法：1)控制系统先将针沿相机光轴的方向移动，直到针尖触碰到培养皿底部并发生形变；2)发生形变的瞬间，针尖在图像中沿针尖轴线“向前”移动，控制系统可通过观测针尖形变的时机，确定当前的位置是运动控制的参考深度；3)此时控制系统记录操作器中配套的位置反馈，记为参考位置；4)操作器操控毛细针进行空间运动时，控制系统读取任意时刻操作器的反馈信息，与参考位置比对，比对结果可被认为是针尖点当前的位置(包含深度)。这种方法的最大缺点是会造成针尖的物理损伤。而以上的两个方法都只能得出点与点之间的相对深度，无法实际解决毛细针的姿态调整问题。为了完整解决毛细针的对准问题，有必要提出一个具有多目视觉、有三自由度以上的操作器的细胞微注射系统。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种多目复合单细胞微操作系统及控制方法，本发明采用双目远心视觉完成毛细针的姿态控制和采用单目倒置显微视觉完成毛细针尖点的精确导航，该系统能够完整还原工作空间内各空间特征的深度信息的前提下，提升毛细针定位和对准的效果，从而实现细胞微注射的自动化。

本发明采用如下技术方案：

一种多目复合单细胞微操作系统，包括：

二自由度操作平台：用于放置培养皿；

三自由度操作器：用于安装吸附或注射用的毛细针，设置在二自由度操作平台的一侧；

五自由度操作器：用于安装吸附或注射用的毛细针，设置在二自由度操作平台的另一侧；

远心双目相机：用于获得三自由度操作器及五自由度操作器毛细针针尖图像；

倒置显微相机：用于获得毛细针和培养皿内细胞的图像；

上位计算机：用于获取毛细针针尖图像及毛细针和培养皿内细胞的图像，并进行处理后得到控制量，分别驱动二自由度操作平台、三自由度操作器及五自由度操作器完成细胞注射操作。

进一步，所述五自由度操作器包括一个三自由度平动微动台及两个旋转关节。