Microinjections such as intracytoplasmic sperm injection (ICSI) have been widely performed in transgenics and in biomedical and pharmaceutical researches. Most users manipulate biological cells manually through an optical microscope. As a result, a low success rate and low reproducibility have been reported. In order to alleviate these problems, a few injection systems with haptic feedback have been recently studied and developed.
This thesis focuses mainly on developing of a haptic rendering algorithm for cellular manipulation using image processing techniques and physically based models. The interaction forces between a micropipette and cellular tissues are predicted based on biomechanical models of cells, which consist of boundary element model and prior knowledge of the cell’s mechanical properties. These models are used to allow users to feel amplified reaction forces during cell injection tasks through a haptic device in real time. The experimental system, equipped with a micro-injection system and a commercial haptic display, was developed and tested using zebrafish embryos. The proposed haptic rendering algorithm could be used to improve success rates for cellular manipulation tasks.
최근 생물의학이나 유전학분야 등에서 난자세포질내 정자주입이나 동물 수정란내의 유전자물질주입 같은, 단일 세포내에 특정물질을 주입해서 발현 과정이나 성장과정을 관찰하는 주입 시술이 많이 이루어지고 있다. 그러나 현재 수행되고 있는 주입시술은 시술자가 현미경과 모니터를 통한 시각정보만을 이용하여 메니퓰레이터를 수동으로 조작하고 있기 때문에 작업간에 상당한 집중력과 시술자의 숙련된 기술을 요구하고 있어 주입시술 후에 세포의 수정률과 생존률이 낮은 수치로써 보고되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하고 주입시술의 능률을 높이기 위해서 본 논문은 햅틱장치를 통해 세포 조작시 발생하는 힘을 작업자에게 느끼게 하여 정밀하고 안정적인 작업을 구현하기 위한 햅틱렌더링 알고리즘 개발에 관해 제안하며, 이를 위해 영상처리기술과 물리기반 모델링을 이용한 영상정보기반의 힘 추정 알고리즘을 개발하였다.
마이크로 메니퓰레이터와 연동되는 햅틱장치를 조종하여 주입작업을 수행하게 되면 CCD카메라를 통해 이차원 영상이 얻어지고, 파이펫의 위치와 세포의 외형정보를 추출하기 위해 영상처리알고리즘이 사용된다. 실험으로부터 측정된 세포의 물성치(탄성계수, 프아송비)와 추출된 세포의 외형정보를 이용하여 세포에 대한 생체역학모델이 만들어지고 파이펫의 삽입깊이를 모델의 경계조건으로 적용하여 반력값이 계산된다. 반력값을 계산하기 위해서 경계면에서의 물리적 변화만을 미지수로 설정하여 해석하는 방법인 경계요소법을 사용하였다. 실제 세포는 비균질성, 비등방성 및 비선형탄성의 특성을 가지기 때문에 모델링이 매우 복잡하고 실시간 해석이 어려운 문제가 있으며 일반적으로 햅틱 피드백을 위한 반력값은 1초에 약 500번 이상의 빠른속도로 계산되어야 하기 때문에, 본 연구에서는 세포를 선형탄성의 균질한 물질로 가정하고 모델링 하였으며 전처리 과정에서 경계요소법을 통해 계산된 기준경계치문제에 대한 해를 이용하는 capacitance matrix 알고리즘을 이용하여 실시간으로 반력값을 계산하였다. 또한 세포막이 뚫리는 순간에 발생하는 파이펫의 오버슛을 측정하여 사용자에게 막이 뚫리는 느낌을 제공하였다.
제안된 햅틱렌더링 알고리즘은 영상정보를 이용하여 힘 값을 계산하였으므로 미세한 단위의 움직임을 요하는 실제 세포조작에서의 응용시 반향하기 어려운 마이크로 스케일의 반력을 원격조작자에게 적절히 느끼게 하여 거시적인 작업공간에서 신뢰성있는 작업을 할 수 있으며, 힘 측정을 위한 별도의 측정장치들의 설계를 고려할 필요 없이 이미 사용되고 있는 영상장비들을 이용할 수 있는 장점이 있다. 향후에는 다양한 형상과 비선형 특성을 가지는 세포 모델구현 및 넓은 속도범위의 조작성, 깊이정보 제공 등의 추가 연구가 진행되어, 이차원의 제한된 시야의 영상정보만을 이용하여 미세하게 세포를 조작하는 기존의 세포조작시스템에 도움이 될 수 있는 시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
