面向細(xì)胞行為辨識(shí)的計(jì)算機(jī)視覺研究與應(yīng)用.pdf

1、細(xì)胞是生命體結(jié)構(gòu)與功能的基本單位，在生命的整個(gè)過程中都伴隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝、衰老和死亡。因此，細(xì)胞多維信息的獲取與研究對(duì)理解生命體生理現(xiàn)象至關(guān)重要。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM）作為利用“觸覺”力的手段來獲取細(xì)胞生理信息的方法之一，能對(duì)細(xì)胞進(jìn)行微納尺度成像的同時(shí)，可以通過力的作用，操作、測(cè)量細(xì)胞膜機(jī)械特性等方面的信息。不管是通過顯微鏡直接對(duì)細(xì)胞進(jìn)行觀察還是通過AFM進(jìn)行掃描、操作和測(cè)量，都

2、需要通過光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋。目前的視覺反饋?zhàn)詣?dòng)化處理方面有著很大的不足，更多的是依靠人為手工操作，精度、效率比較低，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此本文圍繞細(xì)胞多維信息辨識(shí)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)方法與應(yīng)用開展了兩個(gè)方面的研究：細(xì)胞幾何形態(tài)的自動(dòng)化識(shí)別、測(cè)量系統(tǒng)和AFM微納操作機(jī)器人系統(tǒng)下顯微鏡圖像三維場(chǎng)景估計(jì)與誤差測(cè)量方法。
　　本文針對(duì)面向細(xì)胞行為辨識(shí)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)方法，開展了關(guān)于細(xì)胞識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究，主要包括以下的方面：<

3、br>　　針對(duì)光誘導(dǎo)介電泳技術(shù)（Optically-induced dielectrophoresis，ODEP）對(duì)生物材料PEGDA水凝膠圖形化基底上培養(yǎng)的細(xì)胞群體，提出了一整套對(duì)細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別與測(cè)量的方法。通過預(yù)處理初始條件，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃改進(jìn)后的主動(dòng)輪廓模型對(duì)細(xì)胞輪廓進(jìn)行快速、準(zhǔn)確識(shí)別，并對(duì)細(xì)胞幾何特征進(jìn)行特征設(shè)計(jì)與提取，其中包括細(xì)胞面積、細(xì)胞周長(zhǎng)、細(xì)胞重心位置、細(xì)胞半長(zhǎng)軸、細(xì)胞生長(zhǎng)角。在剔除了異常數(shù)據(jù)之后，分析了正確識(shí)別的細(xì)胞的幾何

4、特性與圖形化基底特征之間的關(guān)系。
　　在2D顯微鏡圖像中，通過圖像邊緣模糊度的度量對(duì)3D空間深度進(jìn)行估計(jì)。首先運(yùn)用高斯濾波器平滑圖像噪聲，然后通過度量圖像邊緣模糊度的方法對(duì)圖像邊緣模糊度進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。在透鏡小孔成像模型中，根據(jù)獲取的邊緣模糊度的，計(jì)算圖像整個(gè)成像場(chǎng)景的景深深度；最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性、有效性和高分辨率。
　　根據(jù)AFM探針懸臂梁的特殊幾何結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了基于探針懸臂梁邊緣特征與控制點(diǎn)特征的探針匹配方

5、法，能夠準(zhǔn)確將探針懸臂梁在顯微鏡下的圖像與標(biāo)定的懸臂梁圖像之間進(jìn)行匹配，獲取準(zhǔn)確定位AFM探針位置，并且能夠測(cè)量探針逼近樣本前后的圖像移動(dòng)誤差，獲取逼近位移誤差。最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　總之，本文圍繞細(xì)胞行為辨識(shí)的計(jì)算機(jī)覺技術(shù)和方法為研究目標(biāo)，提出了針對(duì)光誘導(dǎo)介電泳技術(shù)（ODEP）圖形化PEGDA水凝膠基底上培養(yǎng)的細(xì)胞群體的快速識(shí)別與精確測(cè)量方法，并且改進(jìn)單目單圖像模糊邊緣的估計(jì)方法，提出AFM探針成像場(chǎng)景