CN105303180A - 线虫捕捉系统及线虫捕捉方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种线虫捕捉系统及线虫捕捉方法，其中，线虫捕捉系统包括有线虫定位装置、线虫捕捉装置、以及控制终端，在线虫捕捉时，由数码显微镜获取所观察到的关于线虫培养皿中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至控制终端，由控制终端根据图像信息而输出控制指令并通过控制板来控制三维运动机构以调整数码显微镜和线虫培养皿的相对位置，使得通过数码显微镜获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息，根据线虫定位图像信息来控制线虫捕捉装置捕捉定位到的线虫。相较于现有技术，本发明线虫捕捉系统及线虫捕捉方法具有定位快速且准确，线虫捕捉效率高效等优点。

Description

线虫捕捉系统及线虫捕捉方法

技术领域

本发明属于生物医学领域，特别地，涉及一种线虫捕捉系统及线虫捕捉方法。

背景技术

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)是一种无毒无害、非寄生(可以独立生存的)的线虫，其成虫长度约为一毫米，通身透明，纤细身躯。作为第一个完成了全基因组测序的多细胞生物，秀丽隐杆线虫(以下简称线虫)在生物学研究中被广泛作为模式生物使用。

线虫对于生物学研究的意义也意味着对于捕捉线虫这一操作的需求，目前很多实验室还是依靠借助数码显微镜来手工捕捉，例如通过纤细的挑丝挑出线虫。手工捕捉线虫一方面非常耗费精力，另一方面效率也并不算高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线虫捕捉系统及线虫捕捉方法，以解决现有技术中线虫捕捉方式定位不准、费时费力及捕捉效率不佳等问题。

为解决上述技术问题及其他技术问题，本发明在一方面提供一种线虫捕捉系统，包括：线虫定位装置，包括：机架，设于所述机架内、用于置放线虫培养皿的载物台，设于所述机架内且位于所述载物台上方的数码显微镜，设于所述机架内、用于调整所述数码显微镜和所述载物台相对位置关系的三维运动机构，以及与所述三维运动机构连接的控制板；线虫捕捉装置，固定于所述数码显微镜；以及控制终端，与所述线虫定位装置中的所述数码显微镜和所述控制板通信连接，用于：接收从所述数码显微镜处传送来的关于所述数码显微镜所观察到的图像信息，向所述控制板输出用于控制所述三维运动机构的控制指令来识别并定位所述线虫培养皿中的线虫以供利用所述线虫捕捉装置捕捉定位的所述线虫。

于本发明的一实施方式中，所述线虫捕捉系统还包括作用于所述线虫培养皿的观测光源，所述观测光源位于所述线虫培养皿的底部或周边以提供朝向所述线虫培养皿的观测光线。

于本发明的一实施方式中，所述观测光源为LED多点光源，所述LED多点光源置放于所述载物台上，所述LED多点光源上配置有一毛玻璃，所述线虫培养皿置放于所述毛玻璃上。

于本发明的一实施方式中，所述三维运动机构包括：驱动所述数码显微镜沿X轴运动的X轴运动装置；驱动所述数码显微镜沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及驱动所述载物台沿Z轴运动的Z轴运动装置。

于本发明的一实施方式中，所述X轴运动装置包括：X轴导向杆、X轴丝杆、X轴导向块、以及X轴电机，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆沿着X轴并行设置，所述数码显微镜固定于所述X轴导向块且所述X轴导向块套设于所述X轴导向杆，所述X轴电机套设于所述X轴丝杆且与所述X轴导向块连接；所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆、Y轴丝杆、Y轴导向块、以及Y轴电机；Y轴导向杆为两个，沿着Y轴方向分列于所述机架的顶部的相对两侧；所述Y轴丝杆与一个所述Y轴导向杆并行设置；Y轴导向块为两个，分别套设于两个所述Y轴导向杆，且，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆的相对两端分别插设于两个所述Y轴导向块；所述Y轴电机套设于一个所述Y轴丝杆且与一个所述Y轴导向块连接；以及所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆、Z轴丝杆、以及Z轴电机，所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆沿着Z轴并行设置，所述载物台套设于所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆，所述Z轴电机套设于所述Z轴丝杆且与所述载物台连接。

于本发明的一实施方式中，所述X轴运动装置包括：X轴导向杆、X轴同步传送带、X轴导向块、以及X轴电机，所述X轴导向杆和所述X轴同步传送带沿着X轴并行设置，所述数码显微镜固定于所述X轴导向块且所述X轴导向块套设于所述X轴导向杆，所述X轴电机套设于所述X轴同步传送带且与所述X轴导向块连接；所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆、Y轴同步传送带、Y轴导向块、以及Y轴电机；Y轴导向杆为两个，沿着Y轴方向分列于所述机架的顶部的相对两侧；所述Y轴同步传送带与一个所述Y轴导向杆并行设置；Y轴导向块为两个，分别套设于两个所述Y轴导向杆，且，所述X轴导向杆的相对两端分别插设于两个所述Y轴导向块；所述Y轴电机套设于一个所述Y轴同步传送带且与一个所述Y轴导向块连接；以及所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆、Z轴丝杆、以及Z轴电机，所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆沿着Z轴并行设置，所述载物台套设于所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆，所述Z轴电机套设于所述Z轴丝杆且与所述载物台连接。

于本发明的一实施方式中，所述数码显微镜是通过一显微镜安装架而固定于所述X轴导向块。

于本发明的一实施方式中，所述数码显微镜通过无线蓝牙、无线WiFi、或者有线传输技术与所述控制终端建立通信连接。

于本发明的一实施方式中，所述载物台为矩形台面或三角台面，所述载物台的一个侧边作为与所述Z轴运动装置连接的连接侧边；以及在所述Z轴运动装置中，包括两个所述Z轴导向杆和一个所述Z轴丝杆，所述Z轴丝杆居中，两个所述Z轴导向杆位于所述Z轴丝杆的相对两侧。

于本发明的一实施方式中，所述X轴电机、所述Y轴电机、以及所述Z轴电机均为步进电机。

于本发明的一实施方式中，所述线虫捕捉装置为线虫吸取器，包括：固定于所述数码显微镜上的真空吸笔和位于所述真空吸笔端部的吸针。

于本发明的一实施方式中，所述真空吸笔是通过一连接件固定于所述数码显微镜上，所述连接件具有与所述真空吸笔连接的第一连接端和与所述数码显微镜连接的第二连接件。

于本发明的一实施方式中，所述吸针为4.5号注射器针头。

本发明提供的线虫捕捉系统，包括有线虫定位装置、线虫捕捉装置、以及控制终端，利用线虫定位装置中的三维运动机构调整数码显微镜和线虫培养皿的相对位置，使得数码显微镜能对线虫培养皿中的线虫进行定位并将线虫定位图像信息发送至控制终端，在线虫定位装置和控制终端的配合下，即可控制线虫捕捉装置捕捉定位到的线虫。相较于现有技术，本发明线虫捕捉系统具有定位快速且准确，线虫捕捉效率高效等优点。

本发明在另一方面提供一种基于线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，包括：将培养有线虫的线虫培养皿置放于载物台；由所述数码显微镜获取所观察到的关于所述载物台上所述线虫培养皿中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至控制终端，由所述控制终端根据所述图像信息而输出控制指令并通过控制板来控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，使得通过所述数码显微镜获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息；对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别；对识别出的线虫进行定位；以及由线虫捕捉装置捕捉定位的线虫。

于本发明的一实施方式中，控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，包括：调整所述数码显微镜在X轴和Y轴所构成的平面内的运动；以及调整所述载物台在Z轴上的运动。

于本发明的一实施方式中，控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，包括：调整所述数码显微镜在X轴、Y轴以及Z轴的三维运动机构。

于本发明的一实施方式中，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，包括：对所述线虫定位图像信息进行灰度处理；对灰度处理后的所述线虫定位图像信息进行平滑处理；以及对平滑处理后的所述线虫定位图像信息进行阈值化处理，以识别出所述线虫定位图像信息中的线虫。

于本发明的一实施方式中，所述平滑处理包括中值滤波或高斯滤波。

于本发明的一实施方式中，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，采用自适应阈值和轮廓提取相结合的识别方式。

于本发明的一实施方式中，对识别出的线虫进行定位，包括：在线虫识别中通过图像二值化来识别出以连通域为单位的线虫；圈定出包围所述连通域的矩形标识，以所述矩形标识的长边作中垂线，将所述中垂线与所述连通域相交线段的中点作为线虫的定位重心，以供所述线虫捕捉装置临近所述定位重心来捕捉所述线虫。

本发明提供的线虫捕捉方法，由数码显微镜获取所观察到的关于线虫培养皿中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至控制终端，由控制终端根据图像信息而输出控制指令并通过控制板来控制三维运动机构以调整数码显微镜和线虫培养皿的相对位置，使得通过数码显微镜获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息，根据线虫定位图像信息来控制线虫捕捉装置捕捉定位到的线虫。相较于现有技术，本发明线虫捕捉方法具有定位快速且准确，线虫捕捉效率高效等优点。

附图说明

图1为本发明线虫捕捉系统的在一实施方式中整体结构示意图。

图2为图1中载物台上置放线虫培养皿的示意图。

图3为图1中用于将数码显微镜固定于X轴导向块上的显微镜安装架的结构示意图。

图4为本发明线虫捕捉方法在一实施方式中的流程示意图。

元件标号说明

101机架

102载物架

103载物台

104底座

105数码显微镜

106观察口

107显微镜安装架

108箍架

111X轴导向杆

113X轴同步传送带

115X轴导向块

119Y轴导向杆

121Y轴导向块

127Z轴导向杆

129Z轴丝杆

20安装线虫捕捉装置

201真空吸笔

203吸针

30控制终端

40线虫培养皿

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1至图3，显示了本发明线虫捕捉系统在一个实施方式中的结构示意图，其中，图1为本发明线虫捕捉系统的整体结构示意图，图2为图1中载物台上置放线虫培养皿的示意图，图3为图1中用于将数码显微镜固定于X轴导向块上的显微镜安装架的结构示意图。

需说明的是，本发明线虫捕捉系统中所捕捉的线虫是以秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)为例进行说明的，秀丽隐杆线虫是一种无毒无害、非寄生(可以独立生存的)的线虫，其成虫长度约为一毫米，通身透明，纤细身躯。作为第一个完成了全基因组测序的多细胞生物，秀丽隐杆线虫(以下简称线虫)在生物学研究中被广泛作为模式生物使用。

如图1所示，本发明线虫捕捉系统，包括：线虫定位装置、线虫捕捉装置、以及控制终端。

以下对上述各个组件进行详细说明。

提供的线虫定位装置包括：机架101，设于机架101内、用于置放线虫培养皿40的载物台103，设于机架101内且位于载物台103上方的数码显微镜105，设于机架101内、用于调整数码显微镜105和载物台103相对位置关系的三维运动机构，以及与所述三维运动机构连接的控制板(未在图式中显示)。

机架101为长方体状(也包括立方体状)的外框式骨架结构，内部中空，其中，机架101的顶框和若干个侧框开设有开口，便于观察和取用物品。

所述三维运动机构主要是用于调整数码显微镜105和载物台103相对位置关系，从而使得数码显微镜105能更清晰地获得载物台103上线虫培养皿40中线虫的图像信息以利于观察、定位及捕捉。在一种优选实施方式中，所述三维运动机构包括：用于驱动数码显微镜105沿X轴运动的X轴运动装置；用于驱动数码显微镜105沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及用于驱动载物台103沿Z轴运动的Z轴运动装置。而在可选的其他实施方式中，所述三维运动机构也可包括：用于驱动数码显微镜105沿X轴运动的X轴运动装置；用于驱动数码显微镜105沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及用于驱动数码显微镜105沿Z轴运动的Z轴运动装置。

针对上述优选实施方式，在第一实施例中，所述X轴运动装置包括：X轴导向杆111、X轴同步传送带113、X轴导向块115、以及X轴电机(未在图式中标识)，X轴导向杆111和X轴同步传送带113沿着X轴并行设置，X轴导向块115套设于所述X轴导向杆，数码显微镜105固定于X轴导向块115上，X轴电机套设于X轴同步传送带113且与X轴导向块115连接。所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆119、Y轴同步传送带(未在图式中标识)、Y轴导向块121、以及Y轴电机(未在图式中标识)；Y轴导向杆119为两个，沿着Y轴方向分列于机架101的顶部的相对两侧；Y轴同步传送带是与Y轴导向杆119并行设置；Y轴导向块121为两个，分别套设于两个Y轴导向杆119，且，X轴导向杆111的相对两端分别插设于两个Y轴导向块121；Y轴电机是套设于Y轴同步传送带且与Y轴导向块121连接。在上述实施例中，所述Y轴运动装置中的Y轴同步传送带和Y轴电机配套的，即，Y轴同步传送带和Y轴电机可以是一个或两个：若是一个(一个Y轴同步传送带和一个Y轴电机)，这一个Y轴同步传送带设于机架101的顶部的一侧且与那一侧中的那一个Y轴导向杆119并行设置，与这一个Y轴同步传送带配套的这一个Y轴电机套设于这一个Y轴同步传送带且与那一侧中的那一个Y轴导向块121连接；若是两个(两个Y轴同步传送带x和两个Y轴电机)，这两个Y轴同步传送带分列于机架101的顶部的相对两侧，并分别与两个Y轴导向杆119并行设置，两个Y轴电机套分别设于这两个Y轴同步传送带且分别对应的那一个Y轴导向块121连接。所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆127、Z轴丝杆129、以及Z轴电机(未在图式中标识)，Z轴导向杆127和Z轴丝杆129沿着Z轴并行设置，载物台103套设于Z轴导向杆127和Z轴丝杆129，Z轴电机套设于Z轴丝杆129且与载物台103连接。另外，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均优选为步进电机。

针对上述优选实施方式，所述三维运动机构中的X轴运动装置、Y轴运动装置、以及Z轴运动装置仍可作其他变化。例如，在第二实施例中，所述X轴运动装置包括：X轴导向杆、X轴丝杆、X轴导向块、以及X轴电机，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆沿着X轴并行设置，所述数码显微镜固定于所述X轴导向块且所述X轴导向块套设于所述X轴导向杆，所述X轴电机套设于所述X轴丝杆且与所述X轴导向块连接；所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆、Y轴丝杆、Y轴导向块、以及Y轴电机；Y轴导向杆为两个，沿着Y轴方向分列于所述机架的顶部的相对两侧；所述Y轴丝杆为一个或两个，且与对应的所述Y轴导向杆并行设置；Y轴导向块为两个，分别套设于两个所述Y轴导向杆，且，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆的相对两端分别插设于两个所述Y轴导向块；所述Y轴电机为与所述Y轴丝杆对应的一个或两个，套设于对应的所述Y轴丝杆且与所述Y轴导向块连接；所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆、Z轴丝杆、以及Z轴电机，所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆沿着Z轴并行设置，所述载物台套设于所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆，所述Z轴电机套设于所述Z轴丝杆且与所述载物台连接。另外，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均优选为步进电机。

控制板，与所述三维运动机构连接，用于控制所述三维运动机构中X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机。在本发明中，所述电路板可采用基于STM32F103芯片的YXRL_001电路控制板，一方面，该电路控制板可通过杜邦线与所述三维运动机构中X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机电性连接，另一方面，该电路控制板可通过一串口转USB的转换接头而与控制终端30连接，如此，该电路控制板就能够接收来自控制终端30传来的控制命令，以控制所述三维运动机构中X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机。需特别说明的是，为了使该电路控制板能够接收并执行来自控制终端30传来的控制命令，必要的时候，还需要对该电路控制板的固件进行相应的修改，并且需要控制终端30的通信支持。

以下针对基于STM32F103芯片的YXRL_001电路控制板的固件操作进行详细说明：

该电路控制板所用的固件来源于STMicroelectronics(意法半导体公司)所提供的STM32F10x芯片标准固件模板。为了让芯片能够响应从电脑串行接口发来的移动指令，需对固件模板进行修改，首先我们定义了控制指令，定义的控制指令长度统一为5，而且编码形式均为ASCII码(见下表一)。

表一控制指令

控制指令	指令效果
		uXXXX	控制Z轴的电机正转XXXX单位，载物台向上移动
dXXXX	控制Z轴的电机反转XXXX单位，载物台向下移动
		rXXXX	控制X轴的电机正转XXXX单位，喷头平台向右移动
lXXXX	控制X轴的电机反转XXXX单位，喷头平台向左移动
		f XXXX	控制Y轴的电机正转XXXX单位，喷头平台向前移动
bXXXX	控制Y轴的电机反转XXXX单位，喷头平台向后移动

其中，XXXX为0000--9999，表示步进电机转动多少个单位

在定义了控制指令之后，需要修改固件模板，使得其能够接收从控制终端30发出的指令。由于串行通信接口发送数据时是采取逐位发送的方式，我们改编固件使得其每收到5位消息进行一次处理。经过简单的字符串处理计算出电机(X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机)转动的单位数之后，令电机向相应方向进行相应单位的转动即可。固件的改编完成之后，通过相应的软件，利用烧录器将改编后的固件写入到该电路控制板中。

针对上述的载物台103，载物台103较多采用矩形台面或三角台面，载物台103的一个侧边作为与所述Z轴运动装置连接的连接侧边。在一优选实施例中：在所述Z轴运动装置中，包括两个Z轴导向杆127和一个Z轴丝杆129，其中，Z轴丝杆129居中，两个Z轴导向杆127位于Z轴丝杆129的相对两侧；载物台103优选为三角台面，则载物台103的一边作为连接侧边，所述连接侧边的两端套设于两个Z轴导向杆127，所述连接侧边的中部则套接于那一个Z轴丝杆129。另外，载物台103是置放于一载物架102上的，载物架102的形状是与载物台103的形状相一致，如前所述，载物台103优选为三角台面，载物架102也优选为三角架，作为载物架102的三角架的三个角部均设有可调旋钮，所述可调旋钮由旋紧螺钉和弹簧组成，旋紧螺钉锁附于角部处连接凸板，弹簧套设于所述旋紧螺钉且顶触于上方的载物台103，旋紧螺钉的底部还设有旋钮，如此，通过旋紧和松开所述旋钮即可对载物台103进行调平。

载物台103上置放有培养有线虫的线虫培养皿40，在一优选实施例中，线虫培养皿40可通过一定的方式或工具定位于载物台103上。

数码显微镜105固定于X轴导向块115上，可随着X轴导向块115而在X轴和Y轴进行二维移动，另外，数码显微镜105可通过有线传输技术(例如USB传输线)、无线蓝牙或无线WiFi传输技术与控制终端30(例如个人电脑PC、笔记本型电脑Notebook、或工作站等)建立通信连接。数码显微镜105位于载物台103上方，通过内置的摄像机能将正下方观测到的线虫培养皿40中的线虫的显微效果保存下来而形成图像信息，经过模数转换，将模数转换后图像信息传送至控制终端30并在控制终端的显示屏幕上予以显示，通过控制终端30上安装的显微图像分析软件进行追踪分析，进行图像识别处理来完成线虫的识别及定位，从而获得一系列有价值的定性定量数据。另外，为使得数码显微镜105固定于X轴导向块115上更稳固，在一优选实施例中，数码显微镜105是通过一显微镜安装架107(如图3所示)而固定于X轴导向块115上的。由图3可知，显微镜安装架107包括底座104，底座104上开设有观察口106，用于装配数码显微镜105的镜头，以使得所述镜头可透过观察口104观察其下的载物台103上线虫培养皿40中的线虫，底座104上还包括透过支撑架架设的箍架108，用于箍住数码显微镜105，起到限位和稳固数码显微镜105的作用。

需说明的是，在本实施例中，数码显微镜105固定于X轴导向块115并可透过所述三维运动机构而调整与载物台103的相对位置以对载物台103上线虫培养皿40中的线虫进行观察及定位。为提升观察效果，在本发明中，还特别为线虫培养皿40提供了观测光源，所述观测光源位于所述线虫培养皿的底部或周边以提供朝向线虫培养皿40的观测光线。在一优选实施例中，所述观测光源(未在图式中予以显示)为LED多点光源，所述LED多点光源置放于所述载物台上，在所述LED多点光源上置放一毛玻璃，将线虫培养皿40置放于所述毛玻璃上，如此，由LED多点光源配合毛玻璃的组合，可达到近似平行光的效果，从而使得数码显微镜105能够清晰地观测到线虫培养皿40中线虫。

线虫捕捉装置20，用于对定位好的线虫进行捕捉。在一优选的实施例中，线虫捕捉装置为线虫吸取器，包括：固定于数码显微镜105上的真空吸笔201和位于真空吸笔201端部的吸针203。真空吸笔201可例如采用电动式真空吸笔，直接采用220V电源或直流电源，且自带有真空产生器的气源，位于真空吸笔201端部的吸针203则优选为与线虫体型适配的4.5号注射器针头。为使得利用线虫捕捉装置20的真空吸笔201能更有效地捕捉线虫，较佳地，线虫捕捉装置20与数码显微镜105的位置保持相对固定，具体到真空吸笔201，真空吸笔201是通过一连接件(未在图式中标识)固定于数码显微镜105上，所述连接件具有与真空吸笔201连接的第一连接端和与数码显微镜105连接的第二连接件，当然，上述固定方式也仅为一种推荐方式，但并非用于限制本发明，在其他可选方式中，真空吸笔201也可采用黏胶黏贴或卡扣卡固等方式而固定于数码显微镜105上。

控制终端30，与线虫定位装置中的数码显微镜105和控制板(未在图式中予以显示)通信连接。在一优选实施例中，控制终端30例如为个人电脑PC、笔记本型电脑Notebook、或工作站等。控制终端30接收从数码显微镜105处传送来的关于数码显微镜105所观察到的图像信息并通过对图像进行相应的识别处理后显示在显示屏幕上，根据显示的图像信息，控制终端30向所述控制板输出用于控制所述三维运动机构的控制指令，以令所述三维运动机构调整对应的数码显微镜105和载物台103之间的相对位置，使得数码显微镜105来识别并定位线虫培养皿40中的线虫，以供后续利用线虫捕捉装置20捕捉定位的所述线虫。

提到线虫捕捉，在实际应用中，当识别到有线虫距离线虫捕捉装置20中的针头针尖足够近的时候，进行一次捕捉(将驱动Z轴电机向下移动以使得针尖靠近线虫，将其吸起)。

本发明还提供了一种基于上述线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，请参阅图4，显示了本发明线虫捕捉方法在一实施方式中的流程示意图。结合图1至图4，本发明线虫捕捉方法包括如下步骤：

步骤S401，预先调试线虫捕捉系统。在一优选实施例中，调试线虫捕捉系统可包括但不限于以下内容：安装数码显微镜105，安装线虫捕捉装置20，数码显微镜105和控制板的线路连接，对所述控制板进行固件操作，调试三维运动机构。

在本发明中，所述三维运动机构主要是用于调整数码显微镜105和载物台103相对位置关系，从而使得数码显微镜105能更清晰地获得载物台103上线虫培养皿40中线虫的图像信息以利于观察、定位及捕捉。在一种优选实施方式中，所述三维运动机构包括：用于驱动数码显微镜105沿X轴运动的X轴运动装置；用于驱动数码显微镜105沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及用于驱动载物台103沿Z轴运动的Z轴运动装置。针对上述优选实施方式，所述X轴运动装置包括：X轴导向杆111、X轴同步传送带113、X轴导向块115、以及X轴电机，X轴导向杆111和X轴同步传送带113沿着X轴并行设置，X轴导向块115套设于所述X轴导向杆，数码显微镜105固定于X轴导向块115上，X轴电机套设于X轴同步传送带113且与X轴导向块115连接。所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆119、Y轴同步传送带、Y轴导向块121、以及Y轴电机；Y轴导向杆119为两个，沿着Y轴方向分列于机架101的顶部的相对两侧；Y轴同步传送带是与Y轴导向杆119并行设置；Y轴导向块121为两个，分别套设于两个Y轴导向杆119，且，X轴导向杆111的相对两端分别插设于两个Y轴导向块121；Y轴电机是套设于Y轴同步传送带且与Y轴导向块121连接。在上述实施例中，所述Y轴运动装置中的Y轴同步传送带和Y轴电机配套的，即，Y轴同步传送带和Y轴电机可以是一个或两个：若是一个(一个Y轴同步传送带x和一个Y轴电机)，这一个Y轴同步传送带设于机架101的顶部的一侧且与那一侧中的那一个Y轴导向杆119并行设置，与这一个Y轴同步传送带配套的这一个Y轴电机套设于这一个Y轴同步传送带且与那一侧中的那一个Y轴导向块121连接；若是两个(两个Y轴同步传送带x和两个Y轴电机)，这两个Y轴同步传送带分列于机架101的顶部的相对两侧，并分别与两个Y轴导向杆119并行设置，两个Y轴电机套分别设于这两个Y轴同步传送带且分别对应的那一个Y轴导向块121连接。所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆127、Z轴丝杆129、以及Z轴电机，Z轴导向杆127和Z轴丝杆129沿着Z轴并行设置，载物台103套设于Z轴导向杆127和Z轴丝杆129，Z轴电机套设于Z轴丝杆129且与载物台103连接。另外，X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机均优选为步进电机。

安装数码显微镜105，指的是将数码显微镜105位于载物台103上方，在一优选实施例中，是将数码显微镜105固定于载物台103上方的X轴导向块115上，这样，数码显微镜105即可随着X轴导向块115而在X轴和Y轴进行二维移动。为使得数码显微镜105固定于X轴导向块115上更稳固，在一优选实施例中，数码显微镜105是通过一显微镜安装架107而固定于X轴导向块115上的。显微镜安装架107包括底座104，底座104上开设有观察口106，用于装配数码显微镜105的镜头，以使得所述镜头可透过观察口106观察其下的载物台103上线虫培养皿40中的线虫，底座104上还包括透过支撑架架设的箍架108，用于箍住数码显微镜105，起到限位和稳固数码显微镜105的作用。

安装线虫捕捉装置20，指的是将线虫捕捉装置20固定于数码显微镜105上。在一优选的实施例中，线虫捕捉装置为线虫吸取器，包括：固定于数码显微镜105上的真空吸笔201和位于真空吸笔201端部的吸针203。真空吸笔201可例如采用电动式真空吸笔，直接采用220V电源或直流电源，且自带有真空产生器的气源，位于真空吸笔201端部的吸针203则优选为与线虫体型适配的4.5号注射器针头。为使得利用线虫捕捉装置20的真空吸笔201能更有效地捕捉线虫，较佳地，线虫捕捉装置20与数码显微镜105的位置保持相对固定，具体到真空吸笔201，真空吸笔201是通过一连接件(未在图式中标识)固定于数码显微镜105上，所述连接件具有与真空吸笔201连接的第一连接端和与数码显微镜105连接的第二连接件，当然，上述固定方式也仅为一种推荐方式，但并非用于限制本发明，在其他可选方式中，真空吸笔201也可采用黏胶黏贴或卡扣卡固等方式而固定于数码显微镜105上。

数码显微镜105和控制板的线路连接，指的是针对数码显微镜105的线路连接和控制板的线路连接。数码显微镜105的线路连接具体包括通过数据线(例如USB传输线)与控制终端30(例如个人电脑PC、笔记本型电脑Notebook、或工作站等)建立通信连接，当然，线路连接也并不仅限于数据线，也可以无线蓝牙或无线WiFi等传输技术与控制终端30建立通信连接。控制板的线路连接具体包括通过杜邦线与所述三维运动机构中X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机电性连接以及通过一串口转USB的转换接头与控制终端30连接。

对所述控制板进行固件操作：为了使所述控制板能够接收并执行来自控制终端30传来的控制命令，必要的时候，还需要对该电路控制板的固件进行相应的修改，并且需要控制终端30的通信支持。在一优选实施例中，所述控制板可采用基于STM32F103芯片的YXRL_001电路控制板，针对基于STM32F103芯片的YXRL_001电路控制板的固件操作说明可详见前述的相关描述，在此不再赘述。

调试三维运动机构：在控制终端30上提供针对三维运动机构的图形化操控界面，所述图形化操控界面显示有对应三维运动机构中X轴的“左”和“右”、对应Y轴的“前”和“后”、以及对应Z轴的“上”和“下”等参数，由用户在图形化操控界面上相应的参数栏位中输入所需的移动距离数值，控制终端30即可根据这些参数及其对应的移动距离数值而输出相应的控制指令并传送至所述控制板，以令所述控制板据此控制所述三维运动机构中的X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机中的一个或多个进行相应运转而实现相应移动距离数值的移动。另外，如前所述，数码显微镜105是固定于所述X轴导向块上的，因此，还可通过控制所述三维运动机构来实现数码显微镜的自动对焦功能，具体地：在控制终端30的显示屏幕上开启新的显示窗口显示数码显微镜105的图像，通过控制所述三维运动机构中的Z轴电机来实现自动对焦的功能。

步骤S403，将培养有线虫的线虫培养皿40置放于载物台103。在实际应用中，线虫培养皿40可通过一定的方式或工具定位于载物台103上。如前所述，载物台103优选为三角台面，载物台103的一个侧边作为与所述Z轴运动装置连接的连接侧边。在一优选实施例中：在所述Z轴运动装置中，包括两个Z轴导向杆127和位于两个Z轴导向杆127之间的一个Z轴丝杆129，所述连接侧边的两端套设于两个Z轴导向杆127，所述连接侧边的中部则套接于那一个Z轴丝杆129。另外，载物台103是置放于一载物架102上的，载物架102的形状是与载物台103的形状相一致，优选为三角架，作为载物架102的三角架的三个角部均设有可调旋钮，所述可调旋钮由旋紧螺钉和弹簧组成，旋紧螺钉锁附于角部处连接凸板，弹簧套设于所述旋紧螺钉且顶触于上方的载物台103，旋紧螺钉的底部还设有旋钮，如此，通过旋紧和松开所述旋钮即可对载物台103进行调平。

为提升观察效果，在本发明中，还特别为线虫培养皿40提供了观测光源，所述观测光源位于所述线虫培养皿的底部或周边以提供朝向线虫培养皿40的观测光线。在一优选实施例中，所述观测光源(未在图式中予以显示)为LED多点光源，所述LED多点光源置放于所述载物台上，在所述LED多点光源上置放一毛玻璃，将线虫培养皿40置放于所述毛玻璃上，如此，由LED多点光源配合毛玻璃的组合，可达到近似平行光的效果，从而使得数码显微镜105能够清晰地观测到线虫培养皿40中线虫。

因此，在步骤S403中，将培养有线虫的线虫培养皿40置放于载物台103之后，还可根据观测要求而利用作为载物架102的三角架的三个角部的可调旋钮来对载物台103进行调平操作以及根据光源的照射效果而调整LED多点光源的出光位置和出光强度。

步骤S405，利用数码显微镜105观察载物台103上线虫培养皿40中的线虫，并结合三维运动机构来调整数码显微镜105和载物台103的相对位置，获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息。在实际应用中：利用所述三维运动机构将数码显微镜105调整到载物台103上线虫培养皿40的正上方，以供数码显微镜105对线虫培养皿40中的线虫进行观测；由数码显微镜105获取所观察到的关于载物台103上线虫培养皿40中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至所述控制终端，由所述控制终端的显示屏幕在显示窗口中显示出所述图像信息；由所述控制终端根据所述图像信息而输出控制指令(例如:在图形化操控界面上相应的参数栏位中输入所需的移动距离数值)并通过所述控制板来控制所述三维运动机构中的X轴电机、Y轴电机、以及Z轴电机中的一个或多个进行相应运转以调整数码显微镜105和载物台103的相对位置，通过这样的观测图像--三维运动机构调整--观测图像--三维运动机构调整的循环步骤，最终使得通过数码显微镜105获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息。在该步骤中，优选地，所述三维运动机构包括：驱动数码显微镜105沿X轴运动的X轴运动装置，驱动数码显微镜105沿Y轴运动的Y轴运动装置，以及驱动载物台沿Z轴运动的Z轴运动装置，因此，控制所述三维运动机构以调整数码显微镜105和载物台103的相对位置指的是：调整数码显微镜105在X轴和Y轴所构成的平面内的运动以及调整载物台103在Z轴上的运动。当然并不以此为限，在其他实施例中，若所述三维运动机构包括：用于驱动数码显微镜105沿X轴运动的X轴运动装置；用于驱动数码显微镜105沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及用于驱动数码显微镜105沿Z轴运动的Z轴运动装置，则，控制所述三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，包括：调整所述数码显微镜在X轴、Y轴以及Z轴的三维运动。

步骤S407，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别。在一可选实施例中，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，包括：a-1、对所述线虫定位图像信息进行灰度处理。将所述线虫定位图像信息进行灰度处理可以使得图像更加容易被处理和计算，以OpenCV(OpenSourceComputerVisionLibrary)为例，因为在OpenCV中将彩色图片以8位3通道的形式存储在矩阵当中，即每个像素点都保存为0到255之间的3个整数，分别对应R，G，B三种颜色，在进行灰度处理之后，每个像素会保存为0到255之间的一个整数，图像则变为8位单通道的图像。a-2、对灰度处理后的所述线虫定位图像信息进行平滑处理。线虫识别的目标是识别出视野中的大线虫，大线虫的长度一般在1mm至2mm，在识别时，将图像中的小线虫视作噪声，先对图像进行平滑处理(也称作模糊处理)，比较常用的平滑处理方法有中值滤波和高斯滤波，相对而言，相比于高斯滤波，中值滤波滤波的速度相对更快。a-3、对平滑处理后的所述线虫定位图像信息进行阈值化处理，以识别出所述线虫定位图像信息中的线虫。为了区分出所述线虫定位图像信息中的线虫，将经过平滑处理后的颜色较深的区域区分出来进行阈值化处理。可以先预设一阈值，将高于该阈值的像素设定为255，而将低于该阈值的像素设定为0，这样，经过阈值化处理过的图像就变成了“二值”图像。经过以上的简单操作，我们只需要对图像中黑色的像素点进行检测就可以找出图像中的线虫了，这种方法具有操作简单和运行速度快等优点。

针对前一可选实施例中阈值需要手动测试且会因为视野中亮度不均或者有杂菌导致无法达到理想的识别效果等缺失，在另一可选实施例中，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，采用自适应阈值和轮廓提取相结合的识别方式，具体包括：提供一种自动计算阈值的算法，并且需要这个阈值能在不同颜色和亮度的区域取值不同。简单地说，这里使用的算法是对以每个像素点为中心，对其周围2121的正方形内区域内的像素求平均值然后减去7来确定这一点处的自适应阈值，处理时，将高于该自适应阈值的像素设定为0，而将低于该自适应阈值的像素设定为255(需说明的是，在确定自适应阈值之前，仍需要对图像进行中值滤波来进行平滑处理)。在获得自适应阈值的结果后，通过提取图像中最外面的外轮廓来找到所有白色区域的边界的像素，计算每个外轮廓所包含的面积并找出那些面积超过1000的轮廓，这样就删掉了不是线虫的小的白色区域，对于面积大于1000的白色区域，画出其矩形边界框和外接圆来在图像中标出它们的位置。

步骤S407，对识别出的线虫进行定位。在一优选实施例中，对识别出的线虫进行定位，包括：b-1、在线虫识别中通过图像二值化以黑色部分(识别为线虫)连通域来代表线虫；b-2、圈定出包围所述连通域的矩形标识，以所述矩形标识的长边作中垂线，将所述中垂线与所述连通域相交线段的中点作为线虫的定位重心，以供所述线虫捕捉装置临近所述定位重心来捕捉所述线虫。

步骤S409，由线虫捕捉装置捕捉定位的线虫。在一优选的实施例中，线虫捕捉装置为线虫吸取器，包括：固定于数码显微镜105上的真空吸笔201和位于真空吸笔201端部的吸针203。真空吸笔201可例如采用电动式真空吸笔，位于真空吸笔201端部的吸针203则优选为与线虫体型适配的4.5号注射器针头。在实际应用中，由线虫捕捉装置捕捉定位的线虫，包括：当识别到有线虫距离线虫捕捉装置20中的针头针尖足够近的时候，进行一次捕捉(将驱动Z轴电机向下移动以使得针尖靠近线虫，将其吸起)。由于线虫的尺寸微小，因此当针尖靠近线虫时，针尖会阻挡线虫，因此，只要线虫的一部分在针尖附近，就做出捕捉的尝试，这样错过的捕捉机会就会大大减少，例如，每次捕捉重复至多5次或者针尖附近没有识别到线虫为止，然后进行一次随机的移动，再次开始捕捉下一条线虫。

本发明提供的线虫捕捉系统及线虫捕捉方法，其中，线虫捕捉系统包括有线虫定位装置、线虫捕捉装置、以及控制终端，在线虫捕捉时，由数码显微镜获取所观察到的关于线虫培养皿中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至控制终端，由控制终端根据图像信息而输出控制指令并通过控制板来控制三维运动机构以调整数码显微镜和线虫培养皿的相对位置，使得通过数码显微镜获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息，根据线虫定位图像信息来控制线虫捕捉装置捕捉定位到的线虫。相较于现有技术，本发明线虫捕捉系统及线虫捕捉方法具有定位快速且准确，线虫捕捉效率高效等优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种线虫捕捉系统，其特征在于，包括：

线虫定位装置，包括：机架，设于所述机架内、用于置放线虫培养皿的载物台，设于所述机架内且位于所述载物台上方的数码显微镜，设于所述机架内、用于设于所述机架内、用于调整所述数码显微镜和所述载物台相对位置关系的三维运动机构，以及与所述三维运动机构连接的控制板；

线虫捕捉装置，固定于所述数码显微镜；以及

控制终端，与所述线虫定位装置中的所述数码显微镜和所述控制板通信连接，用于：接收从所述数码显微镜处传送来的关于所述数码显微镜所观察到的图像信息，向所述控制板输出用于控制所述三维运动机构的控制指令来识别并定位所述线虫培养皿中的线虫以供利用所述线虫捕捉装置捕捉定位的所述线虫。

2.如权利要求1所述的线虫捕捉系统，其特征在于，还包括作用于所述线虫培养皿的观测光源，所述观测光源位于所述线虫培养皿的底部或周边以提供朝向所述线虫培养皿的观测光线。

3.如权利要求2所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述观测光源为LED多点光源，所述LED多点光源置放于所述载物台上，所述LED多点光源上配置有一毛玻璃，所述线虫培养皿置放于所述毛玻璃上。

4.如权利要求1所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述三维运动机构包括：

驱动所述数码显微镜沿X轴运动的X轴运动装置；

驱动所述数码显微镜沿Y轴运动的Y轴运动装置；以及

驱动所述载物台沿Z轴运动的Z轴运动装置。

5.如权利要求4所述的线虫捕捉系统，其特征在于，

所述X轴运动装置包括：X轴导向杆、X轴丝杆、X轴导向块、以及X轴电机，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆沿着X轴并行设置，所述数码显微镜固定于所述X轴导向块且所述X轴导向块套设于所述X轴导向杆，所述X轴电机套设于所述X轴丝杆且与所述X轴导向块连接；

所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆、Y轴丝杆、Y轴导向块、以及Y轴电机；Y轴导向杆为两个，沿着Y轴方向分列于所述机架的顶部的相对两侧；所述Y轴丝杆与一个所述Y轴导向杆并行设置；Y轴导向块为两个，分别套设于两个所述Y轴导向杆，且，所述X轴导向杆和所述X轴丝杆的相对两端分别插设于两个所述Y轴导向块；所述Y轴电机套设于一个所述Y轴丝杆且与一个所述Y轴导向块连接；以及

所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆、Z轴丝杆、以及Z轴电机，所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆沿着Z轴并行设置，所述载物台套设于所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆，所述Z轴电机套设于所述Z轴丝杆且与所述载物台连接。

6.如权利要求4所述的线虫捕捉系统，其特征在于，

所述X轴运动装置包括：X轴导向杆、X轴同步传送带、X轴导向块、以及X轴电机，所述X轴导向杆和所述X轴同步传送带沿着X轴并行设置，所述数码显微镜固定于所述X轴导向块且所述X轴导向块套设于所述X轴导向杆，所述X轴电机套设于所述X轴同步传送带且与所述X轴导向块连接；

所述Y轴运动装置包括：Y轴导向杆、Y轴同步传送带、Y轴导向块、以及Y轴电机；Y轴导向杆为两个，沿着Y轴方向分列于所述机架的顶部的相对两侧；所述Y轴同步传送带与一个所述Y轴导向杆并行设置；Y轴导向块为两个，分别套设于两个所述Y轴导向杆，且，所述X轴导向杆的相对两端分别插设于两个所述Y轴导向块；所述Y轴电机套设于一个所述Y轴同步传送带且与一个所述Y轴导向块连接；以及

所述Z轴运动装置包括：Z轴导向杆、Z轴丝杆、以及Z轴电机，所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆沿着Z轴并行设置，所述载物台套设于所述Z轴导向杆和所述Z轴丝杆，所述Z轴电机套设于所述Z轴丝杆且与所述载物台连接。

7.如权利要求5或6所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述数码显微镜是通过一显微镜安装架而固定于所述X轴导向块。

8.如权利要求7所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述数码显微镜通过无线蓝牙、无线WiFi、或者有线传输技术与所述控制终端建立通信连接。

9.如权利要求5或6所述的线虫捕捉系统，其特征在于，

所述载物台为矩形台面或三角台面，所述载物台的一个侧边作为与所述Z轴运动装置连接的连接侧边；以及

在所述Z轴运动装置中，包括两个所述Z轴导向杆和一个所述Z轴丝杆，所述Z轴丝杆居中，两个所述Z轴导向杆位于所述Z轴丝杆的相对两侧。

10.如权利要求5或6所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述X轴电机、所述Y轴电机、以及所述Z轴电机均为步进电机。

11.如权利要求1所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述线虫捕捉装置为线虫吸取器，包括：固定于所述数码显微镜上的真空吸笔和位于所述真空吸笔端部的吸针。

12.如权利要求11所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述真空吸笔是通过一连接件固定于所述数码显微镜上，所述连接件具有与所述真空吸笔连接的第一连接端和与所述数码显微镜连接的第二连接件。

13.如权利要求11所述的线虫捕捉系统，其特征在于，所述吸针为4.5号注射器针头。

14.一种基于如权利要求1至13中任一项所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，包括：

将培养有线虫的线虫培养皿置放于载物台；

由所述数码显微镜获取所观察到的关于所述载物台上所述线虫培养皿中线虫的图像信息，将所述图像信息传送至控制终端，由所述控制终端根据所述图像信息而输出控制指令并通过控制板来控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，使得通过所述数码显微镜获取能满足图像识别要求的线虫定位图像信息；

对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别；

对识别出的线虫进行定位；以及

由线虫捕捉装置捕捉定位的线虫。

15.如权利要求14所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，包括：

调整所述数码显微镜在X轴和Y轴所构成的平面内的运动；以及

调整所述载物台在Z轴上的运动。

16.如权利要求14所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，控制三维运动机构以调整所述数码显微镜和所述载物台的相对位置，包括：

调整所述数码显微镜在X轴、Y轴以及Z轴的三维运动。

17.如权利要求14所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，包括：

对所述线虫定位图像信息进行灰度处理；

对灰度处理后的所述线虫定位图像信息进行平滑处理；以及

对平滑处理后的所述线虫定位图像信息进行阈值化处理，以识别出所述线虫定位图像信息中的线虫。

18.如权利要求17所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，所述平滑处理包括中值滤波或高斯滤波。

19.如权利要求14所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，对所述线虫定位图像信息进行图像识别处理来完成线虫的识别，采用自适应阈值和轮廓提取相结合的识别方式。

20.如权利要求14所述的线虫捕捉系统的线虫捕捉方法，其特征在于，对识别出的线虫进行定位，包括：

在线虫识别中通过图像二值化来识别出以连通域为单位的线虫；

圈定出包围所述连通域的矩形标识，以所述矩形标识的长边作中垂线，将所述中垂线与所述连通域相交线段的中点作为线虫的定位重心，以供所述线虫捕捉装置临近所述定位重心来捕捉所述线虫。