發(fā)布時間：2017-10-26 23:09

  本文關(guān)鍵詞：微納操作機(jī)器人細(xì)胞三維組裝方法研究

  更多相關(guān)文章： 微納操作機(jī)器人 自動化微操作 細(xì)胞組裝 圖像處理 組織工程

【摘要】：人體功能器官的衰竭與組織缺失是當(dāng)前發(fā)病率最高且最具威脅性的醫(yī)療難題,其治療費(fèi)用高昂且治療過程風(fēng)險性高。組織工程通過在體外構(gòu)建與人體組織與器官相似的功能替代品,有效解決了異體組織器官移植中免疫排斥與供源不足等諸多問題。然而,目前人工組織器官的構(gòu)建方法大多僅能實(shí)現(xiàn)功能簡單、形狀單一的結(jié)構(gòu),難以真實(shí)模擬人體組織器官的運(yùn)作過程。本文針對新型人工組織需要兼顧三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)宏觀構(gòu)型與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特性的要求,提出了一種基于跨尺度微納操作機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同操作的自動化組裝方法。通過宏微跨尺度運(yùn)動與多探針自動化協(xié)同操作,能夠有效兼顧細(xì)胞組裝中對異構(gòu)外形及精密內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的需求,為提供200?m尺度微結(jié)構(gòu)且具有生物學(xué)意義的人工三維組織的開發(fā)提供新理論,也為微納機(jī)器人與生物醫(yī)學(xué)相融合提供了可供借鑒的新思路。主要研究內(nèi)容和成果如下:首先,針對當(dāng)前人工組織體外構(gòu)建中對宏觀構(gòu)型與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)特性的需求,特別是構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)組織內(nèi)循環(huán)的微血管結(jié)構(gòu),搭建了一套導(dǎo)軌微納操作機(jī)器人系統(tǒng),提出了基于多探針自動協(xié)調(diào)操作的三維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)組裝方法。通過導(dǎo)軌子系統(tǒng)、微納操作子系統(tǒng)與視覺反饋系統(tǒng)的融合,有效保證了人工三維組織體外構(gòu)建的高效性與精密性。其次,基于組織工程自下而上型三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的構(gòu)建理論,提出了一種細(xì)胞化二維微結(jié)構(gòu)組裝單元的片上加工方法,通過使用生物兼容水凝膠與細(xì)胞混合溶液,以紫外曝光的形式在微流道芯片中實(shí)現(xiàn)了水凝膠的光交聯(lián)反應(yīng),并將細(xì)胞群嵌入固化后的微結(jié)構(gòu)單元中,為三維組裝提供了必要的異構(gòu)型二維微組裝單元。第三,針對微納操作機(jī)器人系統(tǒng)多探針協(xié)同的微組裝特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于微操作器末端探針與細(xì)胞化微組裝單元接觸交互的組裝策略。提出了基于重復(fù)單步按壓式操作的組裝單元拾取方法。通過在軌微操作器的對心運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了末端探針姿態(tài)的靈活變換,為三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組裝提供了全新的多操作器協(xié)同組裝方法。第四,針對顯微視覺反饋中低對比度、圖像特征信息單一的特點(diǎn),提出了一種新的用于解決接觸式微操作探針尖端圖像遮擋情況下實(shí)時跟蹤的視覺算法。通過結(jié)合角點(diǎn)檢測與曲線擬合算法,有效實(shí)現(xiàn)了圖像遮擋下微納操作機(jī)器人末端探針的輪廓重建與圖像分割�；谒郊c粒子濾波融合算法,實(shí)現(xiàn)了多探針實(shí)時定位與跟蹤,為三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)自動化協(xié)同組裝提供了必要的圖像信息反饋。最后,對本文提出的三維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)組裝方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在可變顯微觀測環(huán)境下對微納操作機(jī)器人視覺反饋系統(tǒng)的魯棒性與精度進(jìn)行了測試。通過對類血管三維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)的自動化組裝,對微納操作機(jī)器人協(xié)同組裝的穩(wěn)定性與效率進(jìn)行了評估。驗(yàn)證了該系統(tǒng)平臺能夠有效完成細(xì)胞三維微結(jié)構(gòu)的自動化組裝,能夠?yàn)榻M織工程與再生醫(yī)療開發(fā)更為復(fù)雜的精密三維組織提供新的方法。
【關(guān)鍵詞】：微納操作機(jī)器人 自動化微操作 細(xì)胞組裝 圖像處理 組織工程
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-36
• 1.1 本論文研究的目的和意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-33
• 1.2.1 組織工程的研究現(xiàn)狀18-26
• 1.2.2 微操作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀26-30
• 1.2.3 微納操作機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀30-33
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容33-36
• 第2章 跨尺度微納操作機(jī)器人系統(tǒng)36-49
• 2.1 概述36-37
• 2.2 微納操作導(dǎo)軌機(jī)器人系統(tǒng)37-45
• 2.2.1 機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)配置37-38
• 2.2.2 微納操作機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析38-41
• 2.2.3 微納操作器的加工41-45
• 2.3 細(xì)胞樣品準(zhǔn)備45-48
• 2.3.1 真實(shí)組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)45-46
• 2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)胞株管理與培養(yǎng)方法46-48
• 2.4 面向微血管三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)組裝的集成微納操作導(dǎo)軌機(jī)器人系統(tǒng)48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 二維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與片上加工49-60
• 3.1 概述49-50
• 3.2 微流道芯片設(shè)計(jì)與加工50-53
• 3.2.1 微流道芯片的設(shè)計(jì)原理50-51
• 3.2.2 面向二維細(xì)胞組裝單元加工的微流道芯片設(shè)計(jì)51-53
• 3.3 細(xì)胞組裝單元設(shè)計(jì)53-59
• 3.3.1 系統(tǒng)硬件搭建53-54
• 3.3.2 微結(jié)構(gòu)片上加工54-56
• 3.3.3 細(xì)胞化二維微結(jié)構(gòu)組裝單元設(shè)計(jì)56-59
• 3.4 本章小結(jié)59-60
• 第4章 微納機(jī)器人細(xì)胞微結(jié)構(gòu)組裝方法60-84
• 4.1 概述60-62
• 4.2 微納操作機(jī)器人二維細(xì)胞結(jié)構(gòu)拾取策略62-74
• 4.2.1 機(jī)器人末端探針交互原理分析62-65
• 4.2.2 微操作器拾取操作動力學(xué)仿真65-66
• 4.2.3 微操作器二維組裝單元拾取成功率測試66-74
• 4.3 微納操作機(jī)器人三維微結(jié)構(gòu)協(xié)同組裝方法74-79
• 4.3.1 多操作器協(xié)同組裝策略設(shè)計(jì)74-76
• 4.3.2 協(xié)同組裝效率評估76-79
• 4.4 改進(jìn)型多操作器協(xié)同組裝方法79-82
• 4.4.1 基于微納操作導(dǎo)軌機(jī)器人快速編組的協(xié)同操作79-81
• 4.4.2 導(dǎo)軌機(jī)器人群協(xié)同操作優(yōu)化81-82
• 4.5 本章小結(jié)82-84
• 第5章 基于顯微視覺反饋的自動化生物操作84-107
• 5.1 概述84-85
• 5.2 二維微結(jié)構(gòu)組裝單元識別與過濾85-89
• 5.2.1 微納操作機(jī)器人圖像坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換85-87
• 5.2.2 二維微結(jié)構(gòu)組裝單元的識別與優(yōu)化87-89
• 5.3 微納操作機(jī)器人末端探針三維定位89-95
• 5.3.1 末端探針平面坐標(biāo)獲取89-90
• 5.3.2 基于接觸檢測的微操作器垂直位置識別與跟蹤90-93
• 5.3.3 微納操作導(dǎo)軌機(jī)器人初始化93-95
• 5.4 微操作器視覺跟蹤95-102
• 5.4.1 基于基本特征點(diǎn)曲線擬合的微操作器跟蹤96-97
• 5.4.2 基于角點(diǎn)檢測曲線擬合的微操作器跟蹤97-102
• 5.5 微納操作機(jī)器人多操作器識別與跟蹤102-106
• 5.5.1 基于粒子濾波的多目標(biāo)運(yùn)動預(yù)測與跟蹤算法102-103
• 5.5.2 基于粒子濾波與水平集的多操作器識別跟蹤103-106
• 5.6 本章小結(jié)106-107
• 第6章 細(xì)胞化微血管結(jié)構(gòu)三維自動組裝107-121
• 6.1 概述107
• 6.2 微納操作導(dǎo)軌機(jī)器人視覺反饋系統(tǒng)評估107-113
• 6.2.1 接觸檢測評估107-111
• 6.2.2 微操作器跟蹤精度評估111-113
• 6.3 類血管三維細(xì)胞微結(jié)構(gòu)協(xié)同組裝113-120
• 6.3.1 熒光類血管三維微結(jié)構(gòu)組裝113-116
• 6.3.2 類血管細(xì)胞三維微結(jié)構(gòu)組裝116-120
• 6.4 本章小結(jié)120-121
• 結(jié)論121-124
• 參考文獻(xiàn)124-137
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果137-139
• 致謝139-141
• 作者簡介141

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1100854