CN104655546B - 一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法及系统，其方法包括采样处理，对待测牛奶试样进行牛奶体细胞的标记处理；诱导荧光放大处理，对标记处理的牛奶体细胞进行荧光增强；采用移动设备获取细胞图像并作计数算法处理，以对牛奶体细胞识别与数量统计，并进行显示、传输或打印；其中，所述移动设备通过拍照获取图片并进行图片的牛奶体细胞计数处理，其处理方法依次包括：将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、广搜计数、显示计数结果。具有体积小巧、轻便易携带、分析效率高、精度好、可用于奶厂现场检测等特点。

Description

一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法及系统

技术领域

本发明属于涉及荧光牛奶体细胞检测技术，具体涉及一种基于移动设备的现场荧光牛奶体细胞计数的方法及系统。

背景技术

牛奶体细胞数(somatic cell count，scc)，是指每毫升牛奶中的体细胞总数。奶牛乳房炎是引起牛奶体细胞数升高的主要原因，研究表明，奶牛乳房炎和牛奶体细胞数有密切的相关性。当奶牛发生乳房炎时，体细胞数一般都超过50万/mL，且产奶量下降到原来的约十分之一，这是造成乳制品企业损失最严重的疾病之一。目前，牛奶体细胞数已成为诊断奶牛奶房炎的一个国际性指标，我国规定每毫升生鲜牛奶中体细胞数小于等于50万。有资料显示，中国以及世界奶牛的乳房炎、隐形乳房炎发病率达到75%，成为世界难题。因此，对牛奶体细胞数进行检测具有重要的现实意义，可以用以监控奶牛是否发生乳房炎以及是否感染病原菌，有效地控制奶制品安全。同时，体细胞计数检测系统也可用于癌细胞的计数以及多种通过细胞计数来检测的领域。

在世界各个奶业发达国家，牛奶体细胞数的测定已成为日常工作，常见的测定方法有化学法、电导率法和体细胞计数法。化学法虽然简单但需要专业培训，人为操作存在主观判断误差并对早期隐性乳房炎不能判断；电导率法，如库尔特细胞分析仪，让体细胞通过电极狭缝(即感应区)时，每一个细胞均会取代与其相等体积的电解质液导致感应区电阻暂时增加，从而导致电压上升，产生一个相当于体细胞大小的电脉冲，而脉冲的数量则表示了通过狭缝的粒子数量，此方法前期处理麻烦而且时间较长；体细胞计数法，由于荧光检测具有灵敏度高、选择性良好等优点，基于荧光标记的体细胞计数方法得到广泛应用，但市面上现有的体细胞检测仪都价格均很昂贵。又如，CN201210174266.9公开的“基于计算机视觉的牛奶体细胞计数装置”，包括玻片运动装置，取像装置。本装置通过控制运动平台的运动从而控制对玻片的运动，在运动过程中采集牛奶体细胞的放大图像，然后对图像进行分析得出牛奶体细胞数量。但是，它需要专门的图像处理装置，并不能实现快速、简便的检测。

随着我国乳业的发展，体细胞的检测工作将逐渐变成一项日常工作，而现有的检测技术和研究还无法做到快速、简便、准确、低成本。因此，研究体细胞的现场、快速、低成本的检测方法对我国乳业的发展有着重要的现实意义。

近年来，微流控技术的发展为牛奶体细胞检测系统小型化、低成本的实现成为可能。微流控芯片是“微”而“全”的分析技术平台，其正向生命科学研究领域大范围地发展。在微流控芯片内进行的样品处理量都在µL，nL，甚至pL级，使开展的微量实验操作在物质消耗方面显示出了很大的优势。结合微流控技术和通用的移动终端设备，可以开发出便携的、低成本的牛奶体细胞检测系统，而这样的系统将使我国体细胞的检测工作日常化成为可能，研究系统具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有检测技术存在检测系统体积大、成本高，不方便现场实地检测等问题，本发明的目的是提供一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法。

本发明还提供实现上述方法的系统，实现检测设备体积小、方便携带、成本低，并且分析效率高、精度好的效果，方便用于奶厂现场检测，避免人为因素的影响。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采样处理，对待测牛奶试样进行牛奶体细胞的标记处理；

2）诱导荧光放大处理，对标记处理的牛奶体细胞进行荧光增强；

3）采用智能移动设备获取细胞图像并作计数算法处理，以对牛奶体细胞识别与数量统计，并进行显示、传输或打印；

其中，所述移动设备为手机、平板电脑等智能移动设备，通过拍照获取图片并进行图片的牛奶体细胞计数处理；其处理方法依次包括：将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数显示计数结果。

进一步，本发明还提供一种微流控取样器，包括设有微流通道的本体，所述本体上设有依次连通的取样头、微流通道、微流控检测区和抽空活塞；所述微流通道设有用于标记牛奶体细胞的蛇形或回折形部，蛇形或回折曲部上固化有PI染色剂；抽空活塞用于抽出微流通道中的空气，将牛奶吸入的微流通道中与固化在蛇形或回折曲部上的PI染色剂混合，再进入微流控检测区。

本发明还提供一种基于移动设备的牛奶体细胞计数系统，其特征在于，具体包括：

1）微流控取样器，用于取样并标记牛奶体细胞，采用上述微流控取样器结构；

2）诱导荧光放大检测装置，用于增强荧光检测效果；

包括暗盒、诱导荧光的激光光源；所述暗盒设有用于所述微流控取样器的插入口和检测试样的透光口，所述激光光源的发射光正对微流控取样器的微流控检测区，微流控检测区的出光口与透光口光线在一直线上；透光口的光路上设有用于放大和滤光的光学透镜组合；

3）移动设备，用于对牛奶体细胞的图像获取、识别与数量统计；

所述移动设备包括摄像头和细胞计数软件；摄像头用于获取细胞图像，细胞计数软件将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数、显示计数结果和进行信息传输。

进一步，还设有手机托架，手机托架对应手机摄像头的底部设有与暗盒上透光口匹配的导光筒。所述导光筒中设置光学透镜组合。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明方法采用现有成熟的移动设备作为牛奶体细胞图片的数字处理终端，只需安装相应的软件对采集的图像进行分析处理，即可即时显示检测样本的体细胞数，并通过无线网络传输和下载相应信息，大大降低了使用专用设备的成本的同时增强了便携性，大大增强了广泛应用性，使用者众多。尤其适于现场即时检测使用。

2、本发明系统设计一次性微流控取样器，结构简单，其上固化有碘化丙啶染色剂消除了人工染色的复杂过程，简化了操作工程，细胞捕捉效率高且样品的消耗量少。并采用一次性用于标记牛奶体细胞，更加方便现场实地检测。

3、本发明系统中设计诱导荧光放大检测装置，并提供有黑暗的环境，利于荧光检测、消除背景光的干扰，保证了获得荧光图片的质量，起放大作用的光学透镜组合良好的完成放大作用，并且放大倍数较高，大大增强荧光检测效果。通过微流控取样装置、诱导荧光放大检测装置和移动设备的组合构成完整的系统，实现检测设备体积小、方便携带、成本低，并且分析效率高、精度好的效果，方便用于养殖场、奶厂现场检测，避免人为因素的影响。

附图说明

图1为本发明基于移动设备的牛奶体细胞计数系统的结构示意图。

图2为图1中微流控取样器的结构示意图。

图3为图1中诱导荧光放大检测装置的结构示意图。

图4为图1中移动设备托架的结构示意图。

图5为本发明的细胞图像获取与计数算法的细胞计数流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一、一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法，包括如下步骤：

1）采样处理，对待测牛奶试样进行牛奶体细胞的标记处理；

2）诱导荧光放大处理，对标记处理的牛奶体细胞进行荧光增强；

3）采用移动设备获取细胞图像并作计数算法处理，以对牛奶体细胞识别与数量统计，并进行显示、传输或打印；

其中，所述移动设备为手机、平板电脑等智能移动设备，通过拍照获取图片并进行图片的牛奶体细胞计数处理，其处理方法依次包括：将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数显示计数结果。

其中，步骤1）和步骤2）可以采用常规方法进行。本发明创新之一在于，采用现有成熟的移动设备作为牛奶体细胞图片的数字处理终端，只需安装相应的软件对采集的图像进行分析处理，即可即时显示，并通过无线网络进行传输和下载相应的信息，大大降低了使用专用设备的成本和方便携带，大大增强了广泛应用性，使用者众多。

二、一种基于移动设备的牛奶体细胞计数系统，参见图1，包括微流控取样器1、诱导荧光放大检测装置2、移动设备3、移动设备托架4等。具体结构和功能如下：

1）微流控取样器1，用于取样并标记牛奶体细胞；

参见图2，该微流控取样器包括设有微流通道的本体1（为薄板状结构），所述本体1上设有依次连通的取样头10、微流通道11、微流控检测区域14和抽空活塞13；所述取样头10和抽空活塞13设于本体1的同一端面；所述微流通道11设有用于标记牛奶体细胞的蛇形或回折形部12，蛇形或回折曲部12上固化有PI染色剂；抽空活塞13用于抽出微流通道11中的空气，将牛奶吸入的微流通道11中与固化在蛇形或回折曲部12上的PI染色剂混合，再进入微流控检测区域。

2）诱导荧光放大检测装置2，用于增强荧光检测效果；

参见图3，诱导荧光放大检测装置2包括暗盒（2）、诱导荧光的激光光源21；所述暗盒（2）上设有用于微流控取样装置的插入口20和检测试样的透光口22，所述激光光源21的发射光正对微流控取样器的微流控检测区14，微流控检测区14射出的光线与所述透光口22出光光线在一直线上；透光口22设有用于放大和滤光的光学透镜组合23；还设有为激发荧光的激光光源提供动力的电源系统（图中省略）；

3）移动设备3，用于对牛奶体细胞的图像获取、识别与数量统计；

所述移动设备3采用成熟的手机、平板电脑或手持式移动设备，包括摄像头和细胞计数软件；摄像头用于获取细胞图像，细胞计数软件将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数显示计数结果和进行信息传输。

参见图5，所述细胞图像获取与计数算法包括图像获取、图像处理和结果显示三部分。图像可通过软件控制移动设备摄像头拍照获取或者调取内存中的已有图片进行处理，图像处理包括将RGB图片转化为灰度图，再由灰度图转为二值图像，用广搜的方法对二值图像进行数字图像处理获取牛奶体细胞的个数，将得到的结果转化为可读数据，最后将结果显出在屏幕中。

参见图4，为了方便使用，还设有一个移动设备（手机或平板电脑等）托架4，托架4对应手机摄像头的底部设有与暗盒2上透光口22匹配的光路筒41，所述光路筒41中可设置光学透镜组合42。

本发明从整体机构安排上，微流控取样器插入暗盒之中，暗盒下布置有激光光源与检测区域呈15⁰斜角，用以保证激励光源尽量少的进入光学放大部分，减少背景光的干扰，激光器的后边放置电源。暗盒上方配合光学放大组件对荧光图像进行放大，而光学放大组件的上方固定移动机，将移动机的移动设备摄像头部件与光学透镜的物镜检测区域对准。

本发明的创新之二在于，通过微流控取样器、诱导荧光放大检测装置和移动设备的组合构成完整的系统，实现检测设备体积小、方便携带、成本低，并且分析效率高、精度好的效果，方便用于奶厂现场检测，避免人为因素的影响。

本发明的创新之三在于，设计一次性使用微流控取样器，结构简单，其上固化有碘化丙啶染色剂消除了人工染色的复杂过程，简化了操作工程，细胞捕捉效率高且样品的消耗量少。微流控取样装置可为一次性使用，用于标记牛奶体细胞，更加方便现场实地检测。并配合诱导荧光放大检测装置，提供有黑暗的环境，利于荧光检测、消除背景光的干扰，保证了获得荧光图片的质量，起放大作用的光学透镜组合良好的完成放大作用，并且放大倍数较高，大大增强荧光检测效果。

三、原理和操作方法：

基本原理：操作压活塞排除取样管道中的空气，新鲜牛奶沿着微流通道11道进入检测区域，在这期间，固化在蛇形或回折形部12内壁的PI试剂溶剂对牛奶体细胞进入染色。绿色激光光源发出的光子对荧光物质进行激发，荧光物质吸收激发光放射出波长较长的荧光，经滤光片滤去短波波长通过长波波长，再经过光学组合透镜放大，荧光被移动机的移动设备摄像头采集并在所生成的图片中形成亮点，亮点即对应牛奶体细胞，生成的荧光图片被细胞图像获取与计数算法处理计算出图片中含有的体细胞个数，多个样本单元以相同的方式被检测出牛奶体细胞个数，从而可以较为精准的得到所检测的新鲜牛奶中牛奶体细胞的浓度，用以判断产奶奶牛是否可能患有乳房炎。

具体步骤为：首先，使用微流控取样装置的抽空活塞，抽出微流通道中的空气，将牛奶吸入微流通道11中与固化在微流通道蛇形或回折曲部12中的PI染色剂混合，再进入微流控检测区域；此时，牛奶体细胞已被PI试剂染色。然后，将微流控取样装置放入诱导荧光放大检测装置暗盒2中，打开诱导荧光的激光光源21的电源；检测光通过透光口22，经过放大和滤光光学透镜组合23射出；激光发出绿色光源用于激励被PI试剂染色的牛奶体细胞发出荧光，在绿光的激励下染色的体细胞发出红色的荧光，滤光片滤去背景光，只通过红色波段，在透镜的组合下发出荧光的牛奶体细胞被放大。最后，采用移动设备的摄像头获取光信号分辨出体细胞，并通过软件检测牛奶中的体细胞个数。

为了方便使用和携带，在诱导荧光放大检测装置设置外壳，将电源和激光器以及微流控取样装置的插槽集合在暗盒之中。暗盒上设有电源开关来控制激光工作，与光学放大组件配合的凹槽来固定光学放大器件与微流控取样检测部位的位置，而光学放大组件与移动机的移动设备摄像头采集部位的位置也有相应的外壳加以固定，使移动设备摄像头能够精确对焦，拍摄出清晰的荧光图片。

最后说明的是，以上实施例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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种微流控取样器，其特征在于，包括设有微流通道的本体（1），所述本体（1）内设有依次连通的取样头（10）、微流通道（11）、微流控检测区（14）和抽空活塞（13）；所述微流通道（11）设有用于标记牛奶体细胞的蛇形或回折曲部（12），蛇形或回折曲部（12）上固化有PI染色剂；抽空活塞（13）用于抽出微流通道（11）中的空气，将牛奶吸入的微流通道（11）中与固化在蛇形或回折曲部（12）上的PI染色剂混合，再进入微流控检测区（14）。

2.一种基于移动设备的牛奶体细胞计数系统，其特征在于，具体包括：

1）微流控取样器，用于取样并标记牛奶体细胞，采用权利要求1所述结构；

2）诱导荧光放大检测装置，用于增强荧光检测效果；包括暗盒（2）、诱导荧光的激光光源（21）；所述暗盒（2）设有用于所述微流控取样器的插入口（20）和检测试样的透光口（22），所述激光光源（21）的发射光正对微流控取样器的微流控检测区（14），微流控检测区（14）的出光口与透光口（22）的光线在一直线上；透光口（22）的光路上设有用于放大和滤光的光学透镜组合（23）；

3）移动设备，用于对牛奶体细胞的图像获取、识别与数量统计；

所述移动设备包括摄像头和细胞计数软件；摄像头用于获取细胞图片，细胞计数软件将图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数、显示计数结果和进行信息传输。

3.根据权利要求2所述基于移动设备的牛奶体细胞计数系统，其特征在于，设有移动设备托架（4），移动设备托架（4）对应手机摄像头的底部设有与暗盒（2）上透光口（22）匹配的光路筒（41）。

4.根据权利要求3所述基于移动设备的牛奶体细胞计数系统，其特征在于，所述光路筒（41）中可设置第二光学透镜组合（42）。

5.一种基于移动设备的牛奶体细胞计数方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采样权利要求2所述基于移动设备的牛奶体细胞计数系统处理，对待测牛奶试样进行牛奶体细胞的标记处理；

2）诱导荧光放大处理，对标记处理的牛奶体细胞进行荧光增强；

3）采用智能移动设备获取细胞图像并作计数算法处理，以对牛奶体细胞识别与数量统计，并进行显示、传输或打印；

其中，所述移动设备为手机，通过拍照获取图片并进行图片的牛奶体细胞计数处理；其处理方法依次包括：将所述图片进行RGB转灰度处理、灰度图转二值图、8临域广搜法计数显示计数结果。