自适应微针定位取样系统控制软件设计与实现

作     者：郭敏敏 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁菁

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 071007[理学-遗传学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：空间组学 微量取样 系统控制 软件开发 爬山搜索算法 

摘      要：近些年,研究者试图利用空间组学技术解密细胞状态和命运调控的分子机制。从生物组织中获取特定位置的纯净、无污染的微量组织或单细胞是空间组学研究的基础。课题组发展出的自适应微针定位取样系统旨在实现单细胞尺度的原位取样,但目前该系统为手动控制方式,人工操作取样不仅耗费大量体力、取样效率低,还极易在取样过程中引入污染。开发自动化程度更高的微量取样技术,提高微量取样的质量和效率,是目前多组学研究中亟待解决的问题。本文工作即开发适用于自适应微针定位取样系统的控制软件,实现对取样系统各硬件的控制,提高取样系统的自动化程度以此实现精准、高效的生物组织微量取样。基于自适应微针定位取样系统硬件特性和取样功能需要,提出了控制软件的设计需求,设计了控制软件整体框架,实现了对自适应微针定位取样系统各硬件的基本控制功能。针对图像显示效果不佳的问题,提出对图像进行直方图均衡化处理的方案。通过异常捕获并自动重启机制优化了控制软件的运行稳定性,为了保证取样参数一致性设计了取样参数自动保存与恢复方案。分别对Thy1-GFP鼠脑样本和m T/m G小鼠肾脏样本进行单次取样实验,验证控制软件取样效果。从图像扫描拼接、样本与取样微针对焦和目标检测三个方面出发,提出自适应微针定位取样系统取样效率优化策略。用基于SURF的图像配准算法和线性渐变融合方法实现扫描图像实时拼接。用基于图像处理的方法实现自动对焦功能,将二分查找与普通爬山搜索算法相结合对普通爬山算法进行了改进。用YOLOv5算法实现了对肾小球和神经元胞体的自动检测,对Thy1-GFP鼠脑样本进行目标检测与连续取样实验验证目标检测对取样效率提升的效果。分析小鼠肾脏完整三维数据中肾小球数量和分布情况,制定肾小球取样策略。获取m T/m G小鼠肾脏完整三维数据,在肾脏三维空间中统计肾小球大小、数量和分布情况。根据分析结果确定取样策略,通过目标检测结果对肾小球尺寸进行筛选,用动态规划算法计算肾小球连续取样最优路径。对m T/m G小鼠肾脏样本进行连续取样实验,验证了目标检测及最优路径戳取方案对连续批量取样效率提升的有效性。综上所述,本文开发了基于Qt的自适应微针定位取样系统控制软件,能够控制取样系统实现快速、高效的取样操作,对后续批量化的微量取样及空间组学研究具有重要意义。