传统的细胞显微注射依赖操作装置并辅以熟练的手动操作,成本高且操作难度大,要求操作人员需经过长期培训,且具备良好生理条件和稳定心理素质,然而主观上仍无法避免操作过程中的心理波动和生理疲劳,从而导致实验可重复性差和成功率低。为克服人工操作带来的缺点,研究一种体积小、低成本、易操作的小型显微注射微操作机器人(以下简称微操机器人),代替传统的手动细胞显微注射,实现细胞显微注射的自动化,具有重大研究意义。针对微操机器人自动化细胞注射问题,首先,需要设计一款适合细胞注射的多自由度的微小型机器人;其次,在细胞注射前,要求对注射针运动进行建模与分析,同时实现细胞的位姿调整;最后,通过图像分割方法对细胞注射过程的每个阶段进行分割,使用分割结果来引导微操机器人完成自动化细胞注射操作。因此,针对上述研究步骤,本文从四个方面展开了研究:微操机器人设计、显微针运动分析与非接触式细胞姿态调整、显微注射过程中卵母细胞的细胞质边缘分割、显微注射过程中卵母细胞质和极体与注射针的分割。主要研究内容和创新点如下:1.基于混合驱动的3自由度微操作机器人设计与研究针对传统细胞显微注射中手动操作难度大、重复性差和效率低等问题,研究开发了一套面向细胞操作的混合驱动型微小机器人自动化系统。该系统通过多台微小机器人的协调运动来共同完成对细胞的操作,如注射、切割等,其中的微小机器人装置是基于压电陶瓷和音圈电机混合驱动的原理设计而成,具有1个垂直移动自由度和2个平面转动自由度,从而可实现细胞操作所需要的平面直线行走、左右转向、原地旋转和垂直方向上的显微针微位移运动等基本功能。通过实验证明,该系统具备很高的可行性和有效性。2.注射针运动分析和基于微流体的细胞位姿调整研究针对细胞注射前的两项准备工作,即注射针的运动和细胞位姿调整问题,首先,对显微针进行运动学建模仿真,并对模型参数进行最小二乘辨识,设计了线性二次型最优控制器,实现了显微针在显微视场下位置控制;其次,建立了细胞的受力模型,使用Fluent的动网格技术对微流场及细胞的旋转运动进行了仿真,研究了影响流场的三个因素:微管距离、微管内径、喷射速度,并设计了细胞搬移和姿态调整的方案和装置。3.基于边缘约束水平集方法的细胞质分割研究为了实现通过图像信息引导微小型机器人的细胞自动化注射,提出一种基于边缘约束水平集方法的细胞质边缘分割模型。针对显微注射过程中卵母细胞的细胞质边缘的分割,首先,进行图像预处理。依据形状差异性特点,根据图像增强滤波和形态学方法,提取细胞和注射针的整体轮廓,并用作水平集演化的初始位置;其次,建立基于边缘约束的变分水平集分割模型。利用细胞质边缘的局部灰度分布特征建立边缘约束条件,并结合变分水平集理论,改进能量泛函模型;最后,对于细胞注射过程中各个发生形变的细胞质的边缘进行分割,即对接触细胞、临界穿刺、显微注射和退针四个阶段分别进行分割研究。4.结合模糊聚类和水平集方法的卵细胞穿刺过程分割研究为了实现微小型机器人细胞穿刺过程的自动化,需解决卵母细胞穿刺过程中细胞质、第一极体、注射针难以分割和穿刺状态的判断问题,提出了一种结合模糊聚类和水平集方法的卵细胞穿刺过程分割模型。首先,根据分割目标的形状差异性,采用骨架形态学算子提取感兴趣目标;其次,采用改进的模糊聚类方法,依据局部灰度和局部方差特征对边界模糊和噪声较大的预处理图像进行粗分类;然后,在模糊聚类的基础上设定水平集初始化位置和演化控制参数,实现细胞质、第一极体和细胞质内的注射针分割;最后,针对细胞质内的部分注射针图像,采用直接拟合,标记出完整注射针图像。