CN114950587A - 一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，包括用户接口、与用户接口通信连接的控制系统、与控制系统通信连接的可调焦相机以及与控制系统通信连接的三轴位移系统，三轴位移系统搭载有微流控芯片和移液器，可调焦相机拍摄微流控芯片的图像，并将拍摄到的微流控芯片图像反馈至控制系统，控制系统将接收到的微流控芯片图像传输至用户接口。本发明能代替实验人员完成微流控芯片加样、采样的操作，过程简单快捷，提高使用效率。本发明无需附加标记，无需微流控芯片的整体布局信息。本发明能够自动化操作，省时省力，可以降低污染风险，提高实验可重复性。

Description

一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，更具体地涉及一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统。

背景技术

微流控芯片是一种能把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一起的微米级器件，对微流控芯片的加样、采样操作是在微流控芯片的研究和使用过程中最常用的操作之一。目前，对微流控芯片加样、采样的难点在于是否能够快速适应不同类型的微流控芯片的加样、采样位置和流程，以及是否能够自动化地进行操作。

传统的加样、采样操作依靠实验人员的手工操作，具体为：将移液枪对准百微米直径的微流控芯片外部接口，将特定的液体材料注入芯片或者从芯片中吸取液体材料。这种方法的缺点是需要人工操作，操作难度高，容易出错，效率低，污染风险高。

新兴的加样、采样方法能够克服传统手工操作方法的缺点。目前，在微流控领域最常见的是移液工作站。移液工作站通常由多通道移液器、滑轨以及配套的控制系统组成。移液工作站能根据用户定义的程序批量吸取、释放液体，移动移液器。移液工作站具有自动化、高通量、重复性好、准确、高速等优点。然而，移液工作站在用于微流控芯片时存在一些不足之处。移液工作站通常基于市面上常见的多孔板设计，具有为常见多孔板定制的卡槽。移液工作站基于卡槽位置和多孔板孔间距预定义原点位置与步进距离。通常，每一种微流控芯片的外部接口都具有不同的位置，外部接口的间距各不相同，芯片的尺寸都有差异。这使得移液工作站在用于微流控芯片时需要手工校准原点位置和每一次移动的距离，需要在使用同一程序时保证芯片对于设备的相对位置没有发生变化，具有校准复杂、需要频繁校准的问题。因此，需要设计一种适合微流控芯片加样、采样的自动化系统。

机器视觉是基于图像分析的计算机视觉技术，通过对图像的分析，为设备执行提供操作指导，主要分为成像和图像处理分析。当前，机器视觉在医疗领域、工业领域的自动化操作中都已有一些应用，例如，Houzhu Ding博士团队研制的皮肤修复系统，北京奥特恒业电气设备有限公司的高精度封帽机，Cognex(康耐视)公司的In-Sight机器视觉系统。

Houzhu Ding博士团队研制的皮肤修复系统通过机器视觉技术获得烧伤伤口的位置形状和大小，进行边缘检测，进行打印喷头的路径规划，从而打印出伤口覆盖物对烧伤处的皮肤进行修复。北京奥特恒业电气设备有限公司的高精度封帽机从料盘中取出供给的管座和管帽，采用机器识别系统定位实施焊接，可以实现中心对位精度100％在5um以内，90％在2um以内。Cognex公司的In-Sight机器视觉系统包括图案、像素计数、亮度、对比度和边线工具，能够解决简单的定位、存在/不存在、测量和计数应用问题，高性能型号配有非线性校准工具，其安装角度可达45度。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，能够自动校准微流控芯片的相对位置，无需频繁校准，整个过程简单便捷。

本发明提供的一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，包括：用户接口、与所述用户接口通信连接的控制系统、与所述控制系统通信连接的可调焦相机以及与所述控制系统通信连接的三轴位移系统，其中，所述三轴位移系统搭载有微流控芯片和移液器，所述可调焦相机设置为拍摄微流控芯片的图像，并将拍摄到的微流控芯片图像反馈至所述控制系统，所述控制系统将接收到的微流控芯片图像传输至所述用户接口。

进一步地，所述用户接口包括：图像显示模块，设置为：显示所述可调焦相机拍摄到的所述微流控芯片的图像；接口定义模块，设置为：定义所述微流控芯片的外部接口为加样口或采样口，并获取加样口或采样口的编号；运动控制模块，设置为：对所述三轴位移系统进行实时控制，以将所述微流控芯片的加样口或采样口移动至所述可调焦相机的视野中心。

进一步地，所述三轴位移系统包括底座、安装在所述底座上的水平支撑台和竖直支撑柱、设于所述水平支撑台上的水平滑台以及设于所述竖直支撑柱上的竖直滑台。

进一步地，所述微流控芯片放置在所述水平滑台上，所述移液器安装在所述竖直滑台上。

进一步地，所述水平滑台和所述竖直滑台通过滑轨分别与所述水平支撑台和竖直支撑柱连接。

进一步地，所述可调焦相机倒置于所述水平支撑台的正下方，并固定在所述底座上。

进一步地，所述控制系统设置为：根据所述可调焦相机拍摄到的微流控芯片的图像，检测所述微流控芯片的加样口或采样口的位置，并根据所述加样口或采样口的位置判断加样口或采样口是否需要移动到所述可调焦相机的视野中心，若是，则计算所述加样口或采样口到所述视野中心的距离，将所述距离转换为第一控制信号传输至所述三轴位移系统，以驱动所述微流控芯片进行水平移动；当所述微流控芯片移动到位后，所述控制系统向所述三轴位移系统传输第二控制信号，以驱动所述移液器的吸头插入所述加样口或采样口。

进一步地，所述竖直滑台上设有上接近传感器和下接近传感器。

进一步地，所述上接近传感器设于所述移液器远离所述微流控芯片时应停止的位置，下接近传感器设于移液器的吸头插入微流控芯片时应停止的位置。

本发明通过相机获取微流控芯片的图像，对加样、采样接口边缘进行检测以确定加样、采样接口的位置；通过用户界面将微流控芯片表面图像实时反馈给用户，允许用户基于图像定义加样、采样操作的流程；通过控制三轴位移系统将微流控芯片移动到指定位置，在移动中对加样、采样接口位置进行实时检测以修正运动路径。

本发明能代替实验人员完成微流控芯片加样、采样的操作，过程简单快捷，提高使用效率。本发明能够直接基于加样、采样口实现定位，无需附加标记；并能够基于加样、采样口间的相对位置区分不同接口，无需微流控芯片的整体布局信息。同时，本发明能够自动化操作，省时省力，可以降低污染风险，提高实验可重复性。

附图说明

图1是按照本发明的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统的结构示意图。

图2是按照本发明的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统的结构框图。

图3是图1中三轴位移系统的运动过程图。

图4是使用按照本发明的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统进行加样采样的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明提供的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，包括用户接口1、与用户接口1通信连接的控制系统2、与控制系统2通信连接的可调焦相机3以及与控制系统2通信连接的三轴位移系统4。其中，用户接口1用于将微流控芯片的图像反馈给用户，并使用户能够定义工作流程，提供多种实时控制功能。控制系统2用于按照用户定义的工作流程，控制三轴位移系统4的运动。可调焦相机3用于拍摄微流控芯片5的图像，并将拍摄到的微流控芯片图像反馈至控制系统2，控制系统2再将接收到的微流控芯片图像传输至用户接口1。三轴位移系统4用于搭载微流控芯片5和移液器6，以将移液器6插入微流控芯片5上任意位置的接口中。

如图2所示，用户接口1包括图像显示模块、接口定义模块和运动控制模块。其中，图像显示模块设置为：显示可调焦相机3拍摄到的微流控芯片5的表面结构的图像。接口定义模块设置为：定义微流控芯片5的一个外部接口为加样口或采样口，并获取加样口或采样口的编号。接口定义模块包括加样口的定义按钮、采样口的定义按钮以及工作流程脚本(即图2中的控制脚本)的输入窗口，用户在将微流控芯片5的加样口或采样口移动至可调焦相机3的视野中心时点击加样口的定义按钮或采样口的定义按钮(点击定义按钮的时间为：可调焦相机3手动完成调焦后，点击自动对准，采样口或加样口准确移动到图像中心之后)，此时可调焦相机3的视野中心所对应的微流控芯片5的位置将被定义为加样口或采样口的位置，并得到加样口或采样口的编号(按下定义按钮后，即可得到该口的唯一编号)。用户在工作流程脚本中需给出加样口或采样口的编号，以判断在该口进行加样还是采样。并且，在定义微流控芯片5的下一个外部接口的过程中，系统会自动记录下一个外部接口和当前的外部接口之间的相对位置，从而区分不同的加样口或者采样口。运动控制模块设置为：对三轴位移系统4进行实时控制，以将微流控芯片5的加样口或采样口移动至可调焦相机3的视野中心。例如，用户输入距离值来控制三轴位移系统4运动，点击拍摄到的微流控芯片5的图像中的加样口或采样口来将其移动到可调焦相机3的视野中心。

三轴位移系统4包括底座41、安装在底座41上的水平支撑台42和竖直支撑柱43、设于水平支撑台42上的水平滑台44以及设于竖直支撑柱43上的竖直滑台45，水平滑台44和竖直滑台45通过滑轨分别与水平支撑台42和竖直支撑柱43连接，水平滑台44上放置微流控芯片5，竖直滑台45上安装有移液器6。可调焦相机3倒置于水平支撑台42的正下方，其视野中心对准移液器6后，固定在底座41上。可调焦相机3可通过调节焦距，来使拍摄到的微流控芯片5上表面的结构更加清晰。

水平滑台44在控制系统2的控制下带动微流控芯片5水平运动，以将微流控芯片5的外部接口移动至移液器6的正下方；竖直滑台45在控制系统2的控制下带动移液器6竖直运动，以将移液器6的吸头插入微流控芯片5的外部接口中。具体地，如图3所示，控制系统2设置为：根据可调焦相机3拍摄到的微流控芯片5的图像，检测微流控芯片5的加样口或采样口的位置，并根据加样口或采样口的位置判断加样口或采样口是否需要对准，即移动到可调焦相机3的视野中心，若是，则计算微流控芯片5的加样口或采样口到可调焦相机3的视野中心的距离(即图像中的加样口到视野中心的距离)，将该距离转换为第一控制信号传输至三轴位移系统4的水平滑台44，以驱动微流控芯片5进行水平移动。当微流控芯片5移动到位后，控制系统2向竖直滑台45传输第二控制信号，以驱动移液器6的吸头插入微流控芯片5的加样口或采样口。

再次参照图1，为限定移液器6的行程，竖直滑台45上设有上接近传感器7和下接近传感器8。上接近传感器7设于移液器6远离微流控芯片5时应停止的位置，下接近传感器8设于移液器6的吸头插入微流控芯片5时应停止的位置。移液器6沿竖直方向向上或向下运动时，当接近传感器7或8感应到移液器6到达附近时，即向控制系统2发送停止信号，以停止移液器6的运动。

本发明在加样口/采样口的定义过程中和自动加样/采样工作过程中利用了机器视觉，可以便捷地记录加样口、采样口的准确位置，可以自动修正因滑台移动、移液器碰撞等原因产生的微小偏移，避免了因人的视觉误差产生的误差，降低了人工操作的复杂度。

本发明提供的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统的操作流程如下：

1)将微流控芯片5固定在水平滑台44上。

2)根据需要的加样采样顺序，通过用户接口1中的运动控制模块控制水平滑台44移动到第一个需要操作的加样口/采样口附近。

3)点击用户接口1中的自动定位按钮，将微流控芯片5加样口/采样口调整到视野中心。

4)点击用户接口1中的接口定义按钮，定义3)中的加样口/采样口并获得编号。

5)通过用户接口1中的运动控制模块控制水平滑台44移动到下一个需要操作的芯片外部接口附近，重复3)、4)，直到完成芯片所有外部接口的定义。

6)输入用于定义芯片外部接口操作顺序的脚本并运行。

为更好地理解，以下通过一具体示例来说明本发明的采样系统的工作流程。

对图4所示的微流控芯片，使用本发明实现自动化的加样采样。该器官芯片为非标准化的实验室自研芯片，可以在球面底微腔培养阵列中培养细胞球。芯片右侧为试剂加样口，左侧为试剂采样口。用户基于本发明对该芯片的自动加样采样的过程如下：

步骤1，将芯片固定到水平滑台44上。

步骤2，通过用户接口1中的运动控制模块控制水平滑台44移动，使得加样口X1位于图像显示模块显示的图像的中心的附近。

步骤3，点击用户接口1中的自动定位按钮，使加样口X1的中心对准图像的中心。

步骤4，点击用户接口1中的加样口定义按钮。此时，程序会返回该加样口的编号，用户记录下该编号。

步骤5，按照步骤2到步骤4依次定义剩余加样口和采样口。

步骤6，编写控制脚本。控制脚本的一种情况如下：

循环10次

{

对【X1的编号】进行加样

对【X3的编号】进行加样

延时5分钟

对【X2的编号】进行采样

对【X4的编号】进行采样

延时30分钟

}

步骤7，运行控制脚本。

本发明提供的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统能代替实验人员完成微流控芯片加样、采样的操作。该系统直接基于加样、采样口实现定位，无需附加标记。该系统基于加样、采样口间相对位置区分不同口，无需芯片的整体布局信息。同时，通过机器视觉的闭环反馈达到所需的精度，基于图像的工作流程定义过程简单快捷。并且，自动化操作更加省力，降低污染风险，提高实验可重复性。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，包括用户接口、与所述用户接口通信连接的控制系统、与所述控制系统通信连接的可调焦相机以及与所述控制系统通信连接的三轴位移系统，其中，所述三轴位移系统搭载有微流控芯片和移液器，所述可调焦相机设置为拍摄微流控芯片的图像，并将拍摄到的微流控芯片图像反馈至所述控制系统，所述控制系统将接收到的微流控芯片图像传输至所述用户接口。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述用户接口包括：

图像显示模块，设置为：显示所述可调焦相机拍摄到的所述微流控芯片的图像；

接口定义模块，设置为：定义所述微流控芯片的外部接口为加样口或采样口，并获取加样口或采样口的编号；

运动控制模块，设置为：对所述三轴位移系统进行实时控制，以将所述微流控芯片的加样口或采样口移动至所述可调焦相机的视野中心。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述三轴位移系统包括底座、安装在所述底座上的水平支撑台和竖直支撑柱、设于所述水平支撑台上的水平滑台以及设于所述竖直支撑柱上的竖直滑台。

4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述微流控芯片放置在所述水平滑台上，所述移液器安装在所述竖直滑台上。

5.根据权利要求3所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述水平滑台和所述竖直滑台通过滑轨分别与所述水平支撑台和竖直支撑柱连接。

6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述可调焦相机倒置于所述水平支撑台的正下方，并固定在所述底座上。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述控制系统设置为：根据所述可调焦相机拍摄到的微流控芯片的图像，检测所述微流控芯片的加样口或采样口的位置，并根据所述加样口或采样口的位置判断加样口或采样口是否需要移动到所述可调焦相机的视野中心，若是，则计算所述加样口或采样口到所述视野中心的距离，将所述距离转换为第一控制信号传输至所述三轴位移系统，以驱动所述微流控芯片进行水平移动；当所述微流控芯片移动到位后，所述控制系统向所述三轴位移系统传输第二控制信号，以驱动所述移液器的吸头插入所述加样口或采样口。

8.根据权利要求3所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述竖直滑台上设有上接近传感器和下接近传感器。

9.根据权利要求8所述的基于机器视觉的微流控芯片自动加样采样系统，其特征在于，所述上接近传感器设于所述移液器远离所述微流控芯片时应停止的位置，下接近传感器设于移液器的吸头插入微流控芯片时应停止的位置。

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