自动精子操作系统的操作方法

技术领域

本发明涉及显微细胞操作技术领域，尤其涉及一种自动精子操作系统的操作方法。

背景技术

胞浆内单精子注射 (ICSI) 过程对体外受精效果有重要影响，其主要包括精子制动，精子吸取与细胞注射三个步骤，前两个步骤被统称为精子操作。手动精子操作的过程对操作员的技能熟练度要求较高，且难以实现操作过程的标准化。因此，自动化精子操作技术收到了广泛关注和研究。

但是现有的自动精子操作系统的构成复杂度较高，自动精子操作依赖于多种操作机的联合作用。复杂的精子操作系统与当前多数医疗机构所具有的设备条件不具有良好的兼容性，且高昂的系统成本增加了体外辅助生殖患者的治疗费用。如若设计一套与当前多数医疗机构设备条件更具兼容性的自动精子操作系统，则可以明显改善该问题。

将现有的自动精子操作技术应用于上述自动精子操作系统主要存在以下缺陷：

三维移动台的运动会导致待操作精子在惯性坐标系中产生位移，如果没有相应的三维移动台的控制策略和对应的显微镜焦距的联合控制方法，则会导致精子失焦且不再显示于图像平面中，使精子自动操作方法失效。

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自动精子操作系统的操作方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种自动精子操作系统的操作方法，其包括：三维移动台、图像成像装置、图像采集装置、微量移液装置以及主机；

所述三维移动台设置于所述图像成像装置的成像范围内；

所述图像采集装置与所述图像成像装置通过光路传输数据；

所述微量移液装置包括微量移液器，所述微量移液器一端延伸至所述三维移动台的上方；

所述主机与所述图像采集装置传输数据，并对所述图像采集装置发送的图像数据进行处理，以获得所述图像数据中精子与微量移液器之间的距离，所述主机根据所述距离控制所述微量移液器进行精子操作；

所述操作方法包括如下步骤：

S1、使得所述三维移动台位于所述图像成像装置的成像范围内；

S2、所述主机通过调焦的方式，使得精子所在平面与焦平面重合，以使得所述图像成像装置清晰显示精子图像；

S3、所述主机控制所述三维移动台动作并调整所述图像成像装置的焦距，使得所述微量移液器的末端与焦平面重合，确保所述末端在所述精子图像中清晰可视；

S4、移动所述三维移动台，调整待操作精子位置，使其与所述微量移液器在精子图像中保持相对静止；

S5、移动所述三维移动台，使得所述微量移液器的末端按压所述待操作精子尾部至所在培养皿底，实现精子制动；

S6、所述主机控制所述微量移液器吸取精子，并调整其在微量移液器腔内的位置。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S2还包括选取适合操作的精子；其包括：移动所述三维移动台以扩大可视的精子范围，并根据精子运动学与形态学选取适合操作的精子。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S2中，通过如下方法步骤确定所述图像成像装置清晰显示精子图像：

所述主机对所述图像采集装置发送的图像数据进行处理，并检测图像中存在的精子数量，若该数量大于预设的阈值，视为精子清晰可视且显微镜焦平面与精子平面重合；否则，向焦平面方向调整所述图像采集装置的焦距。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S3还包括：所述主机同步控制所述三维移动台在精子图像平面法向的运动以及所述图像成像装置的焦距，并使二者以相同速度变化，以避免精子失焦。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S4还包括在调整精子位置过程中避免操作工具扰动液态培养基底与精子的步骤，其包括：

S41、记录微量移液器末端在精子图像平面中的位置；

S42、在精子图像平面法向移动三维移动台并调节显微镜焦距，在待操作精子不失焦的前提下，使微量移液器末端脱离液面并于精子图像平面失焦；

S43、在与精子图像平面平行方向移动三维移动台，调整待操作精子的位置，使其保持于微量移液器末端失焦前在精子图像平面中所处位置。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S5还包括调节显微镜焦距的步骤，其包括：同步控制图像成像装置的焦距与三维移动台，直至微量移液器末端清晰可视后，固定图像成像装置的焦距，保持图像成像装置的焦平面静止，使其与微量移液器末端所处平面保持相对静止。

作为本发明操作方法的改进，所述步骤S6还包括控制三维移动台实现精子制动的步骤，其包括：

在精子图像平面法向移动三维移动台，直至精子图像平面中的微量移液器末端投影发生形状变化，完成精子制动，并反向移动三维移动台。

作为本发明操作方法的改进，所述三维移动台包括：三维移动台基座及位于所述三维移动台基座上的三维移动台定位装置。

作为本发明操作方法的改进，所述图像成像装置为显微镜，所述显微镜的焦距由所述主机进行控制；所述图像采集装置为CCD相机；所述微量移液装置还包括连接管道和压力泵；所述压力泵通过所述连接管道与所述微量移液器相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过仅控制三维移动台以实现自动精子制动与自动精子吸取，无需使用额外附加的定位器与操作手。得益于本发明的三维移动台与显微镜焦距的联合控制方法，本发明能够基于单一三维移动台快速准确地实现自动精子操作。本发明对精子操作系统进行简化，减小精子操作系统的构成复杂度，降低精子操作系统的研发成本，使自动精子操作系统构成更加贴近当前多数医疗机构的主流设施。

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为本发明自动精子操作系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中培养皿及三维移动台的平面放大示意图；

图3为本发明自动精子操作系统的操作方法的方法流程示意图；

图4为本发明实施例提供的精子选取过程中的视野扫描方式示意图。

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，本发明一实施例提供一种自动精子操作系统，该自动精子操作系统包括：三维移动台10、图像成像装置20、图像采集装置30、微量移液装置40以及主机50。

其中，三维移动台10用于承载培养皿100，该三维移动台10设置于图像成像装置20的成像范围内，以便于图像成像装置20对培养皿中的精子图像进行成像。一个实施方式中，如图2所示，三维移动台10包括：三维移动台基座11及位于三维移动台基座11上的三维移动台定位装置12。其中，三维移动台基座11不可移动和操作，三维移动台定位装置12可进行三维运并用于固定盛放有精子的培养皿以及定位精子。相应的，三维移动台定位装置12集成有三维模组，例如XYZ轴直线电机和/或XYZ轴气缸等。

图像成像装置20用于对精子进行成像，该图像采集装置30与图像成像装置20通过光路传输图像。一个实施方式中，图像成像装置20为显微镜，显微镜的焦距可由主机50进行控制。

图像采集装置30用于采集图像成像装置20成像的精子图像，并可将采集的图像数据发送给主机50进行处理。一个实施方式中，图像采集装置30为CCD相机。

微量移液装置40用于执行精子操作，其包括微量移液器41，微量移液器41一端延伸至三维移动台10的上方。此外，为了执行精子操作，微量移液装置40还包括连接管道42和压力泵43；压力泵43通过连接管道42与微量移液器41相连接，从而压力泵43可调节微量移液器41腔内的压力。如此，压力泵43工作时，可通过连接管道42使得微量移液器41吸取精子。

主机50与图像采集装置30传输数据，并对图像采集装置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41之间的距离，主机50根据距离控制微量移液器41进行精子操作。

如图3所示，基于如上所述的自动精子操作系统，本发明另一实施例还提供一种自动精子操作系统的操作方法，其包括如下步骤：

S1、将三维移动台置于水平平台上，使其处于显微镜视野内，并将含移动精子的培养皿置于三维移动台上，保证显微镜可视范围与液态精子分布范围存在交集。

具体实施过程中，首先将可拆卸的三维移动台置于显微镜正上方，确保其可操作性的同时，保证其不会因外界扰动而产生意外滑动。然后将载有移动精子的培养皿置于三维移动台的恰当位置，使得部分移动精子在垂直方向的投影位于显微镜的视野内。

S2、使用图像获取装置采集视野内的精子图像，并传输于主机进行处理。

具体实施过程中，主机通过串行接口打开CCD相机，采集显微镜视野内焦平面的实时图像，并通过图像处理算法，提取图像平面内可能存在的精子与微量移液器末端，计算其位置，并在不同图像帧间基于判别相关滤波方法跟踪各精子。

S3、主机控制三维移动台动作并调整图像成像装置的焦距，使得微量移液器的末端与焦平面重合，确保末端在精子图像中清晰可视。

具体实施过程中，首先根据实时图像反馈的处理结果，计算焦平面内可视的精子数量，若该数量小于预先设定的阈值，则在垂直方向，也即图像平面法向，调节显微镜焦距，并在调节后更新实时图像反馈及重新计算当前焦平面内的精子数量。重复上述过程，直至在显微镜调整至恰当焦距，使得其焦平面内的精子数量大于预先设定的阈值。在调节显微镜焦距后，在水平面方向，也即与图像平面平行的方向，按照如图4所示的矩形轨迹对焦平面进行扫描，直至选取到适合操作的移动精子。

S4、使用定位器与主机，在图像平面法向移动三维移动台并调节显微镜焦距，直至焦平面与微量移液器末端所处水平面重合，使微量移液器末端在图像中清晰可视。

具体实施过程中，首先标定显微镜焦距的调节速度与三维移动台在垂直方向的运动速度，然后通过主机控制三维移动台按照指定速度在垂直方向沿靠近微量移液器末端的方向运动，同时操纵显微镜以相同的速度调节焦距，以保持焦平面与待操作精子所在水平平面相对静止，从而避免在三维移动台移动过程中待操作精子失焦引起的跟踪失效。在调节显微镜焦距与操纵三维移动台的过程中，不断更新实时图像反馈，直至在连续若干帧（帧数大于预设阈值）中均检测到微量移液器末端，结束对显微镜焦距的调节与对三维移动台的操纵。

S5、使用定位器，移动三维移动台，调整待操作精子位置，使其与微量移液器在图像平面中保持相对静止。

具体实施过程中，首先记录微量移液器末端在图像平面内的位置，然后在垂直方向控制三维移动台以指定速度运动，并同时以相同速度调节显微镜焦距，直至运动足够距离使得微量移液器末端离开液面。然后，操纵三维移动台在水平面方向运动，并根据前述记录的微量移液器末端离开液面前在图像平面内所处位置与待操作精子间的距离计算三维移动台的运动量。

S6、使用定位器与主机，在图像平面法向移动三维移动台并调节显微镜焦距，使微量移液器按压精子尾部至液态培养皿底，实现精子制动。

具体实施过程中，首先操纵三维移动台以指定速度在垂直方向运动，并同时以相同速度调节显微镜焦距，直至微量移液器末端在图像反馈中清晰可视。然后，继续操纵三维移动台以指定速度在垂直方向运动，但保持显微镜焦距不变，直至微量移液器末端在图像平面中的投影发生形状变化。最后，操纵三维移动台在垂直方向反向运动指定距离。

S7、使用主机，通过压力装置调节微量移液器腔内压力，吸取精子并调整其在工具腔内位置。

具体实施过程中，使用压力装置改变微量移液器内部压力为负压，从而使已制动精子随液态培养基质流入微量移液器，然后通过改变微量移液器内部压力大小，从而调整已制动精子在微量移液器内部位置，直至其达到预先设定的理想位置，完成精子的吸取与定位。

综上所述，本发明通过仅控制三维移动台以实现自动精子制动与自动精子吸取，无需使用额外附加的定位器与操作手。得益于本发明的三维移动台与显微镜焦距的联合控制方法，本发明能够基于单一三维移动台快速准确地实现自动精子操作。本发明对精子操作系统进行简化，减小精子操作系统的构成复杂度，降低精子操作系统的研发成本，使自动精子操作系统构成更加贴近当前多数医疗机构的主流设施。

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。