精子自动制动与吸取方法及系统

技术领域

本发明涉及显微细胞操作技术领域，尤其涉及一种基于单一定位器的精子自动制动与吸取方法及系统。

背景技术

胞浆内单精子注射 (ICSI) 是是体外受精中的重要程序，其主要步骤包括精子操作（精子制动及精子吸取）与细胞注射。传统上，通过人工操作实现精子操作，但该技能的学习周期较长，且成功率受制于操作者的熟练程度。在过去的十年间，精子操作自动化得到了广泛研究，但是现有的精子操作技术大多依赖于多种定位器的联合操作，使得精子操作系统的成本高昂，且与当前多数医院所配备的仪器设备具有较大差异。如若简化精子操作系统，仅使用单一的定位器，用于控制精子操作工具，则该问题可以得到明显改善。

将现有的精子操作技术应用于上述简化精子操作系统主要存在以下缺陷：

（1）精子选取过程未考虑精子脱离图像采集设备视野的问题。在操作过程中，精子于液态基底中始终保持运动。因此，那些在视野边缘或距离操作工具末端较远的精子有较大可能在操作过程中脱离视野范围致使操作失败。

（2）目前多数精子操作方法首先将待操作精子与操作工具末端调整至图像平面的同一位置，然后在图像平面法向执行制动操作。然而，在操作工具末端追踪精子的过程中，操作工具末端在包含精子的液态基底中快速运动。由于液态基底的粘滞性，工具末端的运动对基底及其中的精子造成扰动，使它们产生了不期望的运动，导致精子跟踪误差。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单一定位器的精子自动制动与吸取方法及系统，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种精子自动制动与吸取方法，其包括以下步骤：

S1、将容纳精子的液态基底置于工作台上，并使其位于图像数据显示单元的成像范围内，使用图像数据获取单元采集精子操作工具尖端与精子及液态基底的图像并传输至主机单元；

S2、主机单元根据图像中精子操作工具尖端与精子之间的距离，通过控制定位器操纵精子操作工具，使其尖端在平行于图像平面的方向追踪移动精子，直至精子操作工具尖端与精子在图像平面内处于同一位置；

S3、使用定位器，使精子操作工具尖端与移动精子在图像平面保持相对静止，并于图像平面法向运动，通过精子操作工具尖端与移动精子物理交互实现精子制动；

S4、调整精子操作工具腔内压力，自动吸取并定位制动精子。

作为本发明方法的改进，所述步骤S1还包括系统自动或操作者主动选取待操作精子的步骤。

作为本发明方法的改进，所述方法还包括通过精子与液态基底的视觉反馈，根据各精子预期运动轨迹、各精子朝向以及各精子与视野中心的距离生成各精子分数，以实现系统自动或辅助操作者主动选取待操作精子。

作为本发明方法的改进，所述方法还包括：

根据由各精子运动导致的朝向、距离与预期运动轨迹的变化，实时更新各精子分数，并在此操作过程中考虑更换精子所产生的操作目标切换成本，进而在在必要时更换待操作的精子；

所述方法还包括：

在自动选取与更换待操作精子的过程考虑操作目标切换成本，以避免频繁更换待操作精子。

作为本发明方法的改进，所述步骤S2还包括在图像平面追踪精子的步骤，其包括：

开环方法：首先根据精子操作工具尖端的图像反馈确定其在图像平面中的位置，然后使用定位器在图像平面法向抬升其尖端，并根据移动精子实时图像开环控制精子操作工具尖端位置实现精子追踪；或者：

闭环方法：在焦平面实时观察精子操作工具尖端与精子位置并进行闭环运动控制，同时补偿因运动的精子操作工具扰动液态基底所导致的待操作精子被动运动的过程，以加快精子操作工具尖端追踪待操作精子。

作为本发明方法的改进，所述步骤S3还包括：

预测并补偿移动精子的运动，以减小跟踪移动精子的相对误差，并通过在图像平面法向运动精子操作工具尖端，使其与液态基底底部接触并挤压移动精子，从而制动待操作精子的步骤。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于实现如上所述的精子自动制动与吸取方法的系统，其包括：工作台、图像数据显示单元、图像数据获取单元、微量移液单元以及主机单元；

所述工作台设置于所述图像数据显示单元的成像范围内；

所述图像数据获取单元与所述图像数据显示单元通过光路进行图像传输；

所述微量移液单元包括一个定位器，所述定位器与一精子操作工具相连接；

所述精子操作工具的操作端延伸至所述工作台的上方；

所述主机单元与所述图像数据获取单元数据传输，并对所述图像数据获取单元发送的图像数据进行处理，以获得所述图像数据中精子与精子操作工具操作端之间的距离，所述主机单元根据所述距离控制所述定位器带动所述精子操作工具进行制动及吸取动作。

作为本发明系统的改进，所述精子操作工具为一尖端为空心针状的微量移液管。

作为本发明系统的改进，所述微量移液单元还包括压力机构，所述压力机构通过管道与所述精子操作工具相连通，且所述压力机构由所述主机单元控制以使得所述精子操作工具进行吸取动作。

作为本发明系统的改进，所述压力机构为压力泵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首次提出了通过操纵微量移液管即可执行精子自动制动与吸取的方法，无需使用可控的精子液态基底工作台。得益于本发明的精子评分机制与运动控制策略，本发明能够自主选择或辅助操作者快速选择视野中适于进行操作的精子；能够避免或补偿精子操作工具运动对于含精子的液态基底的扰动。本发明简化了精子操作系统的构成，更加贴近当前多数医院的设备条件，降低了精子操作系统的开发成本。

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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种精子自动制动与吸取方法的方法流程示意图；

图2为本发明实施例中精子评分方法图；

图3为本发明实施例提供的一种精子自动制动与吸取系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示，本实施例提供一种使用单一定位器实现自动精子制动与吸取的方法。本实施例的自动精子制动与吸取方法具体包括如下步骤：

S1、将容纳精子的液态基底置于工作台上的显微镜可视范围内，并使用图像数据获取单元采集精子操作工具尖端与精子及液态基底的图像并传输至主机单元。

具体实施过程中，对于图像数据获取单元所采集的精子及液态基底图像通过采用判别相关滤波方法跟踪精子，并计算精子的位置，运动学及形态学等参数。

在跟踪精子的过程中，需要手动或自动选取适合操作的精子，因此本发明提供一种为屏幕中的各精子评分的方法，其评分标准包括各精子的运动轨迹，各精子距离视野中心和微量移液器尖端的距离，以及个精子的朝向，其评分方式如图2所示。其中各精子的预期运动轨迹基于扩展卡尔曼滤波方法计算。各精子的总评分分别由上述四项指标的子评分加权平均计算，各项指标的子评分分别为对应参数呈非线性关系。评分方法为：

其中，

S2、主机单元根据图像中精子操作工具尖端与精子之间的距离，通过控制定位器操纵精子操作工具，使其尖端在平行于图像平面的方向追踪移动精子，直至精子操作工具尖端与精子在图像平面内处于同一位置。

具体实施过程中，首先需要选取待操作的精子。在追踪移动精子的过程中，既可以使用开环控制策略，也可以使用闭环控制策略，以使微量移液器尖端能够快速、准确、稳定地在图像平面跟踪精子。

其中，在开环控制策略中，首先根据微量移液器尖端的图像反馈确定其在图像平面中的位置，然后使用定位器在图像平面法向抬升其尖端，并根据移动精子的实时位置开环调整微量移液器尖端位置以实现精子追踪；在闭环策略中，在焦平面实时观察微量移液器尖端与精子位置并进行闭环运动控制，同时补偿因运动的精子操作工具扰动液态基底所导致的待操作精子被动运动，以加快精子操作工具尖端追踪待操作精子的过程。

针对液体基底扰动对微量移液器尖端的运动补偿具体实现为：

其中，

S3、使用定位器，使精子操作工具尖端与移动精子在图像平面保持相对静止，并于图像平面法向运动，通过精子操作工具尖端与移动精子物理交互实现精子制动。

具体实施方式为，通过扩展卡尔曼滤波算法预测精子在当前时刻的运动速度与运动方向，并基于该预测通过定位器控制微量移液器尖端的运动，使其与移动精子在图像平面保持相对静止。

同时，通过定位器控制微量移液器尖端在图像平面法向以2000微米每秒的速度朝向液态基底底部运动，直至与液态基底底部接触。此时，由于微量移液器尖端的按压，精子尾部的马达蛋白失活，使精子无法运动，从而达到精子制动的效果。

S4、使用压力装置，调整精子操作工具腔内压力，自动吸取并定位制动精子。

具体实施方式为，将微量移液器尖端置于已制动的精子处，通过压力装置调整微量移液器腔内至负压，从而吸取包含已制动精子的液态基底。当待操作精子进入微量移液器后，若其尚未到达指定位置，则通过压力装置将保持微量移液器内为负压，从而吸取更多的液态基底，并使得已制动精子朝向指定位置运动。反之，当已制动精子越过微量移液器的指定位置时，压力装置将调整微量移液器的腔内压力为正压，从而在排出多余液态基底的同时使已制动精子移动并保持于微量移液器内的指定位置。

如图3所示，基于相同的发明构思，本发明还提供一种用于实现如上所述精子自动制动与吸取方法的系统，该系统包括：工作台10、图像数据显示单元20、图像数据获取单元30、微量移液单元40、主机单元50以及底座60。工作台10、图像数据显示单元20、图像数据获取单元30、微量移液单元40、主机单元50设置于底座60上。

其中，工作台10设用于放置容纳精子的液态基底，该工作台10置于图像数据显示单元20的成像范围内。

图像数据显示单元20用于对精子进行成像，该图像数据获取单元30与图像数据显示单元20通过光路进行图像传输。一个实施方式中，图像数据显示单元20为显微镜，显微镜的焦距可由主机单元50进行控制。

图像数据获取单元30用于采集图像数据显示单元20成像的精子图像，并可将采集的图像数据发送给主机单元50进行处理。一个实施方式中，图像数据获取单元30为CCD相机。

微量移液单元40用于执行精子操作，其包括一个定位器41，定位器41与一精子操作工具42相连接，精子操作工具42的操作端延伸至工作台10的上方。精子操作工具42为一尖端为空心针状的微量移液管。夹持微量移液管的定位器41与主机单元50可操作地连接，而支持包含精子的液态基底的工作台10则无需与主机单元50可操作地连接。

此外，为了执行精子操作，微量移液单元40还包括连接管道43和压力泵44；压力泵44通过连接管道43与微量移液器相连接，从而压力泵44可调节微量移液器腔内的压力。如此，压力泵44工作时，可通过连接管道43使得微量移液器吸取精子。

主机单元50与图像数据获取单元30数据传输，并对图像数据获取单元30发送的图像数据进行处理，以获得图像数据中精子与微量移液器之间的距离，主机单元50根据距离控制定位器41带动精子操作工具42进行制动及吸取动作。

综上所述，本发明首次提出了通过操纵微量移液管即可执行精子自动制动与吸取的方法，无需使用可控的精子液态基底工作台。得益于本发明的精子评分机制与运动控制策略，本发明能够自主选择或辅助操作者快速选择视野中适于进行操作的精子；能够避免或补偿精子操作工具运动对于含精子的液态基底的扰动。本发明简化了精子操作系统的构成，更加贴近当前多数医院的设备条件，降低了精子操作系统的开发成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。