CN102960265A - 一种非侵入式蛋胚存活状态检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于种蛋筛选与胚胎成活性检测技术，为一种能够在禽类孵化过程中透过完整蛋壳非侵入式地检测胚胎存活状态的成像方法及其装置。将近红外激光光束为光源照明被测种蛋，由光电成像系统连续采集若干帧的被激光束照明的种蛋图像。对采集的各帧图像，计算同一象素上光强随时间变化的统计量C；遍历所有的象素，最后分别以每个象素对应的C值为灰度，构建胚蛋成活性图像。装置包括激光光束、种蛋、光电成像系统和计算机。本发明可透过完整的蛋壳对蛋内胚胎存活状态进行实时、动态及高时间、空间分辨率的监测，无需拨开或刺破蛋壳。本发明具有无损伤、早期检测、便于自动判读蛋胚成活性的优点。

Description

一种非侵入式蛋胚存活状态检测方法及装置

技术领域

本发明涉及种蛋筛选与胚胎成活性检测，具体为一种能够在禽类孵化过程中非侵入地检测胚胎存活状态的成像方法及其装置。它适用于工业种蛋孵化过程中蛋胚存活状态的监测，及时剔除无精蛋和死胚蛋，为现代孵化工业提供一种自动化检测蛋内胚胎生命状况的技术。

背景技术

传统养鸡场每一批次孵化的鸡蛋多达十万至数百万枚，种蛋筛选以及种蛋孵化过程中胚胎成活性检测是孵化工作的重要技术环节，是生产优良禽蛋的前提和经济效益的保障。目前孵化场均采用传统人工照蛋方式进行检测，但是人工检测劳动强度大，效率低，准确性差，已不能满足现代的工业化孵化的需求。而且光照法只能在第五天进行头照，剔出无精蛋。但是新鲜蛋孵化72小时后，品质降为乙级以下，浪费大量食用蛋，增加生产成本，而且不能及时剔除的无精蛋、死胚蛋还会滋生细菌污染周围正常的胚蛋。当前利用种蛋的光特性、电特性和基于机器视觉技术等非人工检测方法也不能实现更早期的检测。

发明内容

该发明的目的在于提供一种能够在禽类孵化过程中非侵入地检测种蛋胚胎成活性的成像方法及装置。该方法采用近红外激光照明，对蛋内胚胎生命状态自动检测，从而实现种蛋筛选和胚胎成活性的检测。特别地，本发明能对入孵24小时后的种蛋进行早期检测。

为解决上述技术问题，本发明提供的检测蛋内胚胎活性的激光成像方法，其步骤包括：

（1）以激光光束照明被测种蛋，用光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的种蛋图像；

（2）对采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(I)计算该像素集灰度值的统计量C，

$C=\frac{\mathrm{\σ}}{\stackrel{\‾}{I}}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N-1}}}{\stackrel{\‾}{I}}=\frac{\sqrt{\frac{N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{I}_i^2-{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i\right)}^2}{N(N-1)}}}{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i}{N}}---\left(I\right)$

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，

为这N个像素灰度的平均值；

（3）利用所得C值计算该象素处的蛋胚成活性值V(i，j)，公式如下：

$V(i,j)=\frac{c}{C^2(i,j)},$ 其中c为校正系数；

（4）按步骤（2）-（3）遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i，j)。分别以每个像素对应的V值为灰度，构建二维的蛋胚成活性图像。

蛋胚成活性图像中具有明显的血管结构，或整体蛋胚成活性平均值大于或等于活性阈值的蛋胚为成活蛋胚；蛋胚成活性图像中不具有明显的血管结构，且整体蛋胚成活性平均值小于阈值的为死亡蛋胚。

优选的，所述激光光束为近红外波段的激光。

所述光电成像系统采用透射成像方式采集种蛋图像。

实现上述方法的装置，其结构为：激光光源、种蛋依次位于照明光路上；光电成像系统位于透射成像光路上；计算机通过图像采集卡与光电成像系统相连，用于数据采集和处理。对采集的各帧图像，计算同一象素上光强随时间变化的统计量C；遍历所有的象素，以所得C值计算该象素处的蛋胚成活性值V(i，j)，分别以每个象素对应的V值为灰度，构建胚蛋成活性图像。

所述激光光源为近红外波段的激光光源。

本发明基于同一象素上光强随时间变化的统计特性分析，透过蛋壳直接对蛋内胚胎生命状态进行高空间分辨率成像。与其它现有禽蛋胚胎孵化成活性检测技术相比，本发明所提供的检测蛋内胚胎活性成像方法的优点在于：可直接透过完整的鸡蛋无损伤地获取蛋内胚胎的高分辨二维蛋胚成活性图像，对种蛋生命状态变化进行实时、动态、高时间、空间分辨率的监测。只要蛋胚存活，就能检测并得到蛋胚存活状态图像，而无精蛋和死胚蛋则不会有生命状态，因此能够准确地将正常胚蛋和无精蛋、死胚蛋区分开来。由于在入孵的最初24小时内，胚胎心脏和血管已经开始发育，胚胎血管和卵黄囊血管连接，开始了血液循环，具有了明显的生命状态特性，因此本发明在种蛋入孵24小时后就能检测蛋胚的存活状态。本发明可及时检测并剔除无精蛋和劣质胚蛋，有效地节省时间、空间和劳动力，避免浪费大量的蛋，节约蛋源，并且避免坏死的胚蛋滋生细菌污染周围的胚蛋，可保证孵化环境的卫生和高效的生产质量。其应用范围广泛，可用于研究生理和病理状态下的禽类胚胎发育的变化、工业孵化中种蛋筛选和蛋胚成活性的检测以及疫苗生产企业蛋胚制备疫苗过程中的坏死胚蛋的监控和检测。

附图说明

图1是本发明公开的种蛋胚胎成活性成像装置。

图2是本发明公开的自动检测蛋胚成活性的激光成像方法，实现活性检测的图像采集控制软件流程图。

图3是将本发明公开的非侵入式检测蛋胚活性的方法和装置应用于种蛋存活状态成像的实验结果之一。其中，图3(a)是入孵前的种蛋胚胎成活性图；图3(b)是入孵24小时的种蛋胚胎成活性图；图3(c)是入孵48小时的种蛋胚胎成活性图；图3（d）是入孵72小时的种蛋胚胎成活性图。标尺为1厘米。

图4是将本发明公开的非侵入式检测蛋胚活性的方法和装置应用于种蛋存活状态成像的实验结果之二。其中，图4(a)是正常孵育第二天的种蛋胚胎成活性图，图4（b）至4（d）分别是将种蛋置于5℃环境下冷冻50分钟、60分钟和70分钟后的胚胎成活性图；图4（e）至图4（h）是分别对应于图4(a)-4(d)利用传统照蛋方法所得的图像。标尺为1厘米。

具体实施方式

本发明提出的自动化非侵入式检测蛋胚成活性的激光成像方法和装置，采取如附图1所示的成像装置，其结构为：激光光源1发射波长在700～950nm范围的近红外激光光束2从种蛋3的椭圆端水平入射，光电成像系统4位于种蛋的正上方的透射成像区域，在计算机5中相应图像采集软件的控制下由光电成像系统4成像，并通过图像采集卡将所得激光图像输入计算机5，其中光电成像系统4可为带电荷耦合器件相机的显微镜、带摄影镜头的电荷耦合器件相机、模拟摄像机或数码摄像机。

对采集得到的激光照明图像序列进行操作的流程图如附图2所示。其步骤包括：

（1）以激光光束照明被测种蛋，用光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的种蛋图像；

（2）对采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(I)计算该像素集灰度值的统计量C，

$C=\frac{\mathrm{\σ}}{\stackrel{\‾}{I}}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N-1}}}{\stackrel{\‾}{I}}=\frac{\sqrt{\frac{N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{I}_i^2-{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i\right)}^2}{N(N-1)}}}{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i}{N}}---\left(I\right)$

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，

为这N个像素灰度的平均值；

（3）利用所得C值计算该象素处的蛋胚成活性值V(i，j)，公式如下：

$V(i,j)=\frac{c}{C^2(i,j)},$ 其中c为校正系数；

（4）按步骤（2）-（3）遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i，j)。分别以每个像素对应的V值为灰度，构建二维的蛋胚成活性图像。

蛋胚成活性图像中具有明显的血管结构，或整体蛋胚成活性平均值大于或等于活性阈值的蛋胚为成活蛋胚；蛋胚成活性图像中不具有明显的血管结构，且整体蛋胚成活性平均值小于阈值的为死亡蛋胚。

本发明提出的蛋胚活性检测方法直接对种蛋胚胎的生命状态进行成像，直接反映胚胎的生理状态，克服了其他依赖于形态学检测方法容易误判、漏判的缺点。只要蛋胚存活，就能检测并得到存活状态分布图，而无精蛋和死胚蛋则不会显示生命状态特征，因此能够准确地将正常胚蛋和无精蛋、死胚蛋区分开来。由于在入孵的最初24小时内，胚胎心脏和血管已经开始发育，胚胎血管和卵黄囊血管连接，并开始了血液循环，有了明显生命状态特性，因此本发明在种蛋入孵24小时后就能检测蛋胚的存活状态。

动物实验

实验对象为受精的鸡蛋种蛋，采取如附图1的装置进行成像，以780nm的半导体激光器为光源，准直扩束后的激光光束从蛋的气室端照入。在种蛋的上表面形成的激光图像由带宏视镜头的电荷耦合器件相机构成的光电成像系统4成像，光学系统放大倍数设为0.5倍。曝光时间5ms，帧间隔时间25ms，连续采集500帧激光照明图像。利用所采集的500帧激光图像，按本发明所述方法计算统计值C，并进一步重建二维蛋胚活性图像，所得结果如图3和图4所示。图中成活性值越高的位置意味着该处胚胎血流越快，活性越强。

从图3中可以看出该方法能够成功地透过蛋壳获取蛋胚活性图像，且能清晰地分辨出入孵24小时后的胚胎血管形态（图3b），而未受精或未入孵的种蛋则检测不到生命状态特征（图3a）。将种蛋继续孵育到第三、第四天后，成活性值变得越来越高，显示胚胎活性越来越强（图3c-d）。

将入孵第二天的种蛋放置于5℃环境冷冻50-60分钟后，所得胚胎活性图像的成活性值越来越低，显示胚胎活性越来越弱（图4a-c）；冷冻70分钟致死后，则检测不到胚胎存活状态图像（图4d）。由此可见，本发明提出的蛋胚活性检测方法和装置能够有效地区分正常种蛋、无精蛋和死胚蛋，并且将检测时间提前到入孵24小时的时间段，而传统的人工照蛋方法在此阶段还无法判断种蛋的好坏，如图4e至4h所示。本发明可及时检测并剔除无精蛋和劣质胚蛋，有效地节省时间、空间和劳动力，避免浪费大量的蛋，节约蛋源，并且避免坏死的胚蛋滋生细菌污染周围的胚蛋，可保证孵化环境的卫生和高效的生产质量。其应用范围广泛，可用于研究生理和病理状态下的禽类胚胎发育的变化、工业孵化中种蛋筛选和蛋胚成活性的检测以及疫苗生产企业蛋胚制备疫苗过程中的坏死胚蛋的监控和检测。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法，其步骤为：

（1）以激光光束照明被测种蛋，用光电成像系统连续采集N帧被激光束照明的种蛋图像；

（2）对采集所得N帧图像，取出各帧图像中相同位置处对应的像素，组成大小为N个像素的像素集，利用公式(I)计算该像素集灰度值的统计量C，

$C=\frac{\mathrm{\σ}}{\stackrel{\‾}{I}}\frac{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{(I_i-\stackrel{\‾}{I})}^2}{N-1}}}{\stackrel{\‾}{I}}=\frac{\sqrt{\frac{N{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{I}_i^2-{\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i\right)}^2}{N(N-1)}}}{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{I}_i}{N}}---\left(I\right)$

其中N为所采集的图像帧数，I_i代表N帧图像中同一位置处对应N个像素中第i个像素的灰度值，

为这N个像素灰度的平均值；

（3）利用所得C值计算该象素处的蛋胚成活性值V(i，j)，公式如下：

$V(i,j)=\frac{c}{C^2(i,j)},$ 其中c为校正系数；

（4）按步骤（2）-（3）遍历图像中所有的像素，获得所有像素对应的V(i，j)，分别以每个像素对应的V(i，j)值为灰度，构建二维的蛋胚成活性图像。

2.根据权利要求1所述的非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法，其特征在于所述激光光束为近红外波段的激光。

3.根据权利要求1所述的非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法，其特征在于，所述光电成像系统采用透射成像方式采集种蛋图像。

4.根据步骤权利要求1至3之一所述的非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法，其特征在于，根据所构建的二维蛋胚成活性图像判别种蛋是否成活，具体判别方法为：蛋胚成活性图像中具有明显的血管结构，或整体蛋胚成活性平均值大于或等于活性阈值的蛋胚为成活蛋胚；蛋胚成活性图像中不具有明显的血管结构，且整体蛋胚成活性平均值小于阈值的为死亡蛋胚。

5.一种实现上述非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法的装置，其特征在于，包括激光光源，光电成像系统，图像采集卡和计算机，所述激光光源、种蛋依次位于照明光路上，所述光电成像系统位于透射成像光路上，所述计算机通过图像采集卡与光电成像系统相连，用于数据采集和处理。

6.根据权利要求5所述的实现上述非侵入式种蛋内胚胎成活性激光检测方法的装置，其特征在于，所述激光光源为近红外波段的激光光源。

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