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[博士论文] 李霄剑
控制科学与工程 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:体内生物学研究,特别是活体体内研究,对观察生物体整体生命活动、验证体外研究结果至关重要。开发一种可以在体内捕获并操纵单细胞的工具可以极大地促进对生物体内活动的研究。体内单细胞运输作为体内细胞操作的基础,可以控制在体内实验中细胞的数目与位置,有助于观察在体内特殊环境中目标细胞的特性。光镊的手动操作实验证明了它有能力进行活体体内单一细胞操作。然而人工操控的能力有限,特别是在多扰动高不确定性的体内环境中进行生物微粒操控存在着很大的难度。本文采用机器人与光镊技术相结合的方法开发出了一种自动细胞运输系统,旨在自动识别、捕获和运输体内环境中的单细胞。本论文研究从以下三个方面展开。
  第一,为了实现体内目标细胞的自动识别与跟踪,建立了一套体内细胞跟踪系统。通过利用诸如背景分割、阈值分割和霍夫变换等图像处理技术,系统可以对复杂体内环境中细胞的位置进行辨识,然后基于细胞运动的位置相关性跟踪被辨识出的细胞,可实现目标细胞的实时跟踪。
  第二,为了实现体内单个目标细胞的自动运送,构建了一套自动细胞运输系统。该系统将检测到的细胞位置作为反馈信息,采用抗饱和比例控制器对光镊位置进行控制,实现了体内细胞的自动运输。在此基础上,进一步开发了一种扰动补偿控制器,以减小血液流动所产生的粘滞阻力对细胞运输所造成的影响。这种控制方法具有细胞运输轨迹可调、轨迹矫正、最小化稳态误差、消除超调等优点,适用于复杂的体内环境。仿真和实验证明了所提方法可以有效地对斑马鱼体内单个血红细胞进行运输。
  第三,开发了一种具有避障功能的扰动补偿控制器,以处理在体内细胞运输过程中的碰撞问题。碰撞是体内运输任务失败的主要原因之一。本文提出了一种碰撞规避矢量法,并结合扰动补偿控制器实现了细胞运输过程中的避障。这种方法可以在一个单一步骤中实现障碍物检测和碰撞规避策略制定,以此减少了在线运算量,同时提高了避障的效率。该方法可以使用不同的避障策略来适应不同的运输环境。仿真和实验验证了所提出的控制器的有效性。
  综上所述,本文提出了一种体内单细胞自动运输控制系统,实现了斑马鱼体内单细胞的精确跟踪,控制与避障。本研究可以应用于诸多生物学研究中,如药物靶向递送,体内细胞提取和癌症转移机制的探索等,为这些领域的研究发展提供了新的研究工具与手段。
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