机器人辅助的压电卵泡穿刺术与胞浆内精子注射技术

《IEEE Transactions on Reliability》：Robotic Piezo-Assisted Oocyte Penetration and Intracytoplasmic Sperm Injection

卵子渗透与胞内注射的机器人系统研究：提出集成深度神经网络分层分割与模型预测控制技术，有效降低细胞损伤（存活率82.8%），实现±5像素精度的精子定位，渗透变形控制在±2.34μm。

　　

摘要：

细胞穿透和细胞内注射是许多细胞操作中不可或缺的步骤。由于卵细胞的复杂分层结构，传统的压电辅助穿透方法往往会导致不可避免的细胞损伤。此外，单个细胞体积较小以及注射过程中涉及的非线性动力学特性，使得在细胞质内精确且快速地输送注射物质变得非常具有挑战性。本文介绍了一种集成的机器人系统，用于自动化卵细胞穿透和精子细胞内注射，该系统能够提高精度并减少细胞损伤。深度神经网络能够在低对比度和部分遮挡的条件下实现对卵细胞结构层的准确分割，为穿透过程的优化提供可靠的反馈。同时开发了一个动态模型来描述泵的运动与流体响应之间的相互作用，并设计了一个基于模型预测的控制器来补偿延迟和压力偏差，从而确保精子的平稳和精确输送。实验验证表明，所提出的系统可以实现4.76 ± 2.34 μm的穿透深度以及精度达到±5像素的精子定位（超调量小于8像素），并且注射后的存活率为82.8%。