CN113313073A - 一种对显微操作生物样本吸持控制方法及*** - Google Patents

一种对显微操作生物样本吸持控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***。该方法包括获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理；根据二值化图像确定更新后的感兴趣区域；根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。本发明能够实现显微操作生物样本吸持的动态调节。

Description

一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***
技术领域
本发明涉及生物样本自动显微注射及显微操作领域，特别是涉及一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***。
背景技术
近几十年，生命科学领域取得了迅猛的发展。世界上很多国家(如欧洲诸国，美国，日本，中国等)都在不断加大对生命科学方向的支持。如今，生命科学成为21世纪最重要的自然及应用科学，也是比例最大的学科。显微操作则是生命科学领域中实验验证的重要手段。显微操作是指对微小物体的整体或部分进行的操作和处理。它处理问题的尺度一般在几微米到几百微米之间，如染色体(<10μm)切割、细胞(10～50μm)注射、微机电***(MEMS)零部件(10～100μm)装配、光纤(<125μm)对接、微电子集成电路制造、显微外科手术等等。由于操作对象微小，许多常规条件下人们所认知的规律和定理此时都变得不可预知。因此，显微操作具有很多常规尺度操作不具备的特点，如尺度效应、操作精度、显微视觉反馈以及显微操作的针对性等。
实例以斑马鱼幼鱼为例，其是目前作重要的有脊椎模式生物之一。所谓模式生物，是指易于饲养、繁殖，具有与人类或希望研究的对象接近的特性，可以用于帮助科研人员观察、揭示一些生物现象或问题的一类生物。斑马鱼具有几点非常重要的特性，如繁殖能力强、与人类基因相似度高(超过70％)、生长速度快、体外生长、从胚胎到幼鱼时期身体透明(这便于对其处在不同发育阶段的器官进行观察)等。
目前手动操作中，操作人员可以通过显微镜判断幼鱼是否吸持稳定，可以通过手动对吸持进行动态调节。然而在自动的***中，常会出现过度吸持或吸持不足的情况出现，在极端情况下会造成幼鱼死亡或脱落，以至于实验失败。因此，一个可以动态调节吸持程度的控制算法十分关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***，能够实现显微操作生物样本吸持的动态调节。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种对显微操作生物样本吸持控制方法，包括：
获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；
对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像；
根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；
根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置；
根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
可选地，所述利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置，具体包括：
利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
可选地，所述根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制，具体包括：
根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断所述误差是否处于死区区间内；
若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
可选地，所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，具体包括：
利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
可选地，所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，还包括：
当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值。
一种对显微操作生物样本吸持控制***，包括：
图像获取模块，用于获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
吸持针针尖的位置定位模块，用于利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
感兴趣区域提取模块，用于根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；
二值化图像确定模块，用于对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像；
感兴趣区域更新模块，用于根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；
表皮位置确定模块，用于根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置；
生物样本吸持控制模块，用于根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
可选地，所述吸持针针尖的位置定位模块具体包括：
模板匹配单元，用于利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
可选地，所述生物样本吸持控制模块具体包括：
误差确定单元，用于根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断单元，用于判断所述误差是否处于死区区间内；
PID控制器未触发单元，用于若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
PID控制器触发单元，用于若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
可选地，所述PID控制器触发单元具体包括：
生物样本吸持控制子单元，用于利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
可选地，所述PID控制器触发单元还包括：
第一控制子单元，用于当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
第二控制子单元，用于当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***，可以稳定、柔顺的将生物样本保持吸持状态，不会出现过度吸持或吸持不足，从而避免了不希望的结果。除此之外，本发明重复性高，一致性好，由于死区的设置，不会出现吸持方向的突然改变。在满足稳定吸持的前提下，对幼鱼不会造成不必要的损害。本发明可以拓展应用于细胞、胚胎、线虫等显微操作及显微注射的***中，大大简化了实验过程中对生物样本吸持的操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制方法流程示意图；
图2为显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
图3为吸持针针尖模板示意图；
图4为更新后的感兴趣区域；
图5为表皮位置与期望位置示意图；
图6为本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制***结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种对显微操作生物样本吸持控制方法及***，能够实现显微操作生物样本吸持的动态调节。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制方法，包括：
S101，获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像如图2所示，吸持针针尖模板如图3所示。
S102，利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
S102具体包括：
利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
S103，根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；其中，感兴趣区域为图2中面积最大的长方形框。
S104，对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像。
S105，根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；如图4和图2所示，图2中的感兴趣区域中的长方形框的位置为更新后的感兴趣区域，具体如图4所示。
S106，根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置。如图4所示，根据矩形框最右端边线的位置结合经验，可以给出由于躯干相对针尖的位置。
S107，根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
其中表皮位置为检测位置，并如图5所示，其中，因为幼鱼被吸持针吸持在针尖末端，于是幼鱼躯干相对吸持针针尖的位置可以确定，因此可以根据幼鱼躯干的检测位置和期望位置之差，进行PID控制。
S107具体包括：
根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断所述误差是否处于死区区间内；
若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，具体包括：
利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，还包括：
当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值，具体通过实验进行确定。
本发明通过模板匹配的方法可以找到吸持针针尖，模板匹配通过OpenCV中现有函数matchTemplate完成，用以后续判断吸持针对幼鱼的吸持程度。因为模板匹配后可以得出匹配结果的位置信息，因此根据此位置信息选取针尖一定区域内作为研究对象，区域大小略大于模板，视具体情况而定，并将该区域作为感兴趣区域(ROI)进行灰度转换。计算该区域的平均灰度值，作为二值化操作的阈值，处理结果如下图所示。通过平均灰度值作为阈值而非某一恒定常数，可以减小由于光照条件变化而产生的干扰。
图6为本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制***结构示意图，如图6所示，本发明所提供的一种对显微操作生物样本吸持控制***，包括：
图像获取模块601，用于获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
吸持针针尖的位置定位模块602，用于利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
感兴趣区域提取模块603，用于根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；
二值化图像确定模块604，用于对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像；
感兴趣区域更新模块605，用于根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；
表皮位置确定模块606，用于根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置；
生物样本吸持控制模块607，用于根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
所述吸持针针尖的位置定位模块602具体包括：
模板匹配单元，用于利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
所述生物样本吸持控制模块607具体包括：
误差确定单元，用于根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断单元，用于判断所述误差是否处于死区区间内；
PID控制器未触发单元，用于若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
PID控制器触发单元，用于若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
所述PID控制器触发单元具体包括：
生物样本吸持控制子单元，用于利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
所述PID控制器触发单元还包括：
第一控制子单元，用于当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
第二控制子单元，用于当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种对显微操作生物样本吸持控制方法，其特征在于，包括：
获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；
对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像；
根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；
根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置；
根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
2.根据权利要求1所述的一种对显微操作生物样本吸持控制方法，其特征在于，所述利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置，具体包括：
利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
3.根据权利要求1所述的一种对显微操作生物样本吸持控制方法，其特征在于，所述根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制，具体包括：
根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断所述误差是否处于死区区间内；
若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
4.根据权利要求3所述的一种对显微操作生物样本吸持控制方法，其特征在于，所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，具体包括：
利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
5.根据权利要求4所述的一种对显微操作生物样本吸持控制方法，其特征在于，所述若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制，还包括：
当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值。
6.一种对显微操作生物样本吸持控制***，其特征在于，包括：
图像获取模块，用于获取吸持针针尖模板以及显微操作中的吸持针与生物样本的操作图像；
吸持针针尖的位置定位模块，用于利用所述吸持针针尖模板对所述操作图像进行模板匹配，定位吸持针针尖的位置；
感兴趣区域提取模块，用于根据所述吸持针针尖的位置以及所述吸持针针尖模板提取感兴趣区域；所述感兴趣区域的范围大于所述吸持针针尖模板的范围；
二值化图像确定模块，用于对所述感兴趣区域进行灰度以及二值化处理，确定二值化图像；
感兴趣区域更新模块，用于根据所述二值化图像确定更新后的感兴趣区域；
表皮位置确定模块，用于根据更新后的感兴趣区域确定生物样本的表皮位置；所述表皮位置为更新后的感兴趣区域中黑白交界的位置；
生物样本吸持控制模块，用于根据所述表皮位置与期望位置，利用PID控制器进行生物样本吸持控制。
7.根据权利要求6所述的一种对显微操作生物样本吸持控制***，其特征在于，所述吸持针针尖的位置定位模块具体包括：
模板匹配单元，用于利用OpenCV中的matchTemplate函数进行模板匹配。
8.根据权利要求6所述的一种对显微操作生物样本吸持控制***，其特征在于，所述生物样本吸持控制模块具体包括：
误差确定单元，用于根据所述表皮位置与期望位置确定误差；
判断单元，用于判断所述误差是否处于死区区间内；
PID控制器未触发单元，用于若处于，则不触发PID控制器进行生物样本吸持控制；
PID控制器触发单元，用于若不处于，则触发PID控制器进行生物样本吸持控制。
9.根据权利要求8所述的一种对显微操作生物样本吸持控制***，其特征在于，所述PID控制器触发单元具体包括：
生物样本吸持控制子单元，用于利用公式y＝p·(xd-x)进行生物样本吸持控制；
其中，xd为期望位置，x为表皮位置，xd-x为误差，y为控制输入，p为PID比例系数，具体值通过对控制器设计确定，lup>xd–x>c或ldown<xd–x<-c，[-c，c]为死区区间，且c<lup，-c>ldown，lup为误差上界，ldown为误差下界。
10.根据权利要求9所述的一种对显微操作生物样本吸持控制***，其特征在于，所述PID控制器触发单元还包括：
第一控制子单元，用于当所述误差大于所述误差上界时，利用公式y＝a进行生物样本吸持控制；
第二控制子单元，用于当所述误差小于所述误差下界时，利用公式y＝-a进行生物样本吸持控制；
其中，a和-a为通过控制器确定的输入值。
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