CN105809682A - 精子分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种精子分析装置。该精子分析装置包括：图像采集模块，用于利用精液样本采集精子图像；以及微处理器，连接至图像采集模块，用于根据精子图像分析精液样本中的精子的质量，其中，微处理器采用嵌入式微处理器实现。根据本发明实施例的精子分析装置，由于采用嵌入式微处理器实现对精子图像的处理和分析，因此本发明提供的精子分析装置是便携化、高性能的，能够满足大众对日常健康检查以及隐私保护的需求。

Description

精子分析装置

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，更具体地涉及一种精子分析装置。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，生存环境的日益污染和人们生活方式的改变，同时伴随着一些精神因素，人类的精子质量正在悄然下降。例如，计算机在工作时会产生电磁辐射，长时间地接触计算机会对睾丸造成伤害。目前，不育症存在于全球约8％左右的育龄夫妇中。从临床得到的数据来看，男方导致的不育约占不育因素的30％～40％左右。另一方面，统计显示，在中国，不孕不育的发病率接近12.5％～15％，换句话说中国平均每8对育龄夫妇中就有1对面临生育的难题，这个数据已经接近发达国家的水平。目前我国男性不育症的发生率正呈现上升的趋势。对精子的受精能力进行分析发现，精子运动能力(即精子活动力)是一个重要的评测指标。检验精子活动力的一种方式是精液质量分析，它是评价男性生育能力和精子质量的一种重要检测项目。

精液质量分析在医学研究领域也有着重要的应用。有研究表明，精子质量与试管婴儿术有着密切的关系，它的活动力水平关系着后者的成功率。常规试管婴儿术也称体外受精-胚胎移植技术，应用中，人们往往更加注重卵子的质量，而忽略精子质量这一个重要的影响因素。实际上，精子的活动力会直接影响胚胎的质量。对精子进行质量检测，根据需要优化精子运动参数，对提高试管婴儿术的成功率有很大的帮助。评价男性生育能力，评价精子质量的一项基本检查是精液的常规分析，它在男性不育的诊断中占有重要地位。常规分析中的精子密度、精子活率及精子活动力是男性生育检测中的重要参考指标。

常规精液分析方法(SpermRoutineAnalysis,SRA)主要使用物理化学的手段实现，需要大量的人为操作，虽然具有直观和检测面广的优点，但是由于检测结果受到操作员的熟练程度、经验等因素的影响，不可避免导致结果具有很强的主观性，误差大，可重复性也比较差。比如，对同一个精液样本，不同的观察者可能由于评判标准的不同，对评估的结果就会存在差异。同样，对分送到不同实验室的冻融后精液样本进行精子运动能力分析也会存在很大的评估差异，不能客观地反映细胞的自然运动。

计算机辅助精子分析(computer-assistedsemenanalysis,CASA)系统是一种能够对精子的密度、活率、活动力和运动特点进行自动分析的系统。CASA系统主要利用现代化计算机技术和图像处理技术，采集精子的实时图像，然后利用各种算法对精子动(静)态图像进行全面的特性分析，为临床和研究提供包括精子形态等各项有关精子质量的准确数据，除此之外还能够定量分析细胞头部、中段甚至主段的形态。

然而，以上两种精子检测方法均需要患者本人到医疗机构进行专业的细胞采样与分析，为想要快速了解病情的患者带来不便，而且传统的精子分析仪器体积庞大，成本高。随着生活水平的提高，人们越来越关注自身的健康。去医院或者体检中心，虽然能够获得较为全面可靠的检查结果，但是还是存在诸多问题，例如花费相对较大，时间成本相对较高，隐私性并不理想，而且如果需要进行身体的连续监测，上述途径就显得更加无法满足需求。

因此，需要提供一种便携式的精子分析装置，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。

根据本发明一方面，提供了一种精子分析装置。该精子分析装置包括：图像采集模块，用于利用精液样本采集精子图像；以及微处理器，连接至图像采集模块，用于根据精子图像分析精液样本中的精子的质量，其中，所述微处理器采用嵌入式微处理器实现。

根据本发明实施例的精子分析装置，由于采用嵌入式微处理器实现对精子图像的处理和分析，因此本发明提供的精子分析装置是便携化、高性能的，能够满足大众对日常健康检查以及隐私保护的需求。

在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1示出根据本发明一个实施例的精子分析装置的示意性框图；

图2示出根据本发明另一个实施例的精子分析装置的示意性框图；

图3示出根据本发明一个实施例的显微模块的部分结构示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的舵机的输出轴的位置与调焦控制信号的脉宽之间的关系示意图；

图5示出根据本发明另一个实施例的显微模块的部分结构示意图；

图6示出根据本发明一个实施例的精子图像的清晰度与舵机的输出轴的位置之间的关系曲线；

图7示出精子的识别过程的示意图；以及

图8示出根据本发明一个实施例的精子分析装置的硬件结构的示意性框图。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

本发明的目的在于针对目前传统人工精子检测和利用CASA系统进行精子检测的方法存在的上述问题，开发一种高性能、高便携性的精子分析装置，从而满足大众对日常健康检查以及隐私保护的需求。

根据本发明一方面，提供一种精子分析装置。图1示出根据本发明一个实施例的精子分析装置100的示意性框图。如图1所示，精子分析装置100包括图像采集模块110和微处理器120。

图像采集模块110用于利用精液样本采集精子图像。微处理器120连接至图像采集模块110，用于根据精子图像分析精液样本中的精子的质量，其中，所述微处理器120采用嵌入式微处理器实现。

精液样本可以是来自任意待检测人员的含有精子的样本。例如，可以利用微控流芯片技术对原始获得的精液进行优选，获得用于进行精子质量分析的精液样本。

在图像采集模块110采集到精子图像之后，微处理器120可以根据精子图像分析精子的质量，例如分析精子的密度、活率及活动力等各项需要的参数。可以理解，由于微处理器120采用嵌入式微处理器实现，因此与微处理器120搭配使用的各种电路模块也需要设计为小型化的、便携式的。

图像采集模块110是可以进行光电转换的电路模块，是后端的图像处理系统(包括微处理器120的电路部分)的输入部分。根据一个示例，图像采集模块110可以采用互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器实现。传统的精子分析系统通常采用电荷耦合元件(CCD)图像传感器采集精子图像。CCD图像传感器可以将光信号转化为模拟信号输出，但是由于没有集成模数转换模块，因此需要外接模块进行转换。CMOS图像传感器中的每个单元除了感光元器件外还包括放大器和模数转换电路，因此其产生的电荷能够直接放大并进行模数转换。此外，CMOS传感器的生产工艺相对简单，因而制造成本较低。因此，与传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器结构简单，易于集成，可以大大简化精子分析装置的硬件结构。因此，采用CMOS图像传感器可以进一步提高精子分析装置100的集成度，进而提高精子分析装置100的便携性。

例如，图像采集模块110可以采用OV2710图像传感器实现。OV2710图像传感器是一款光学尺寸大、性能高的适合检测细胞快速运动的图像传感器，该图像传感器最高可以采集每秒30帧1080P的全高清图像。OV2710图像传感器具有以下几个突出的性能指标：(1)、光学尺寸与传统精子分析系统的CCD图像传感器相同，能够为便携式精子分析系统提供良好的硬件基础；(2)、拥有1920x1080全高清像素点阵列，像素点尺寸为3微米；(3)、在低光量情况下，能够提供3300毫伏/勒克斯秒的瞬间反应电压，最小暗电压值为6毫伏/秒；(4)、采样动态范围为69分贝；(5)、可以提供10位采样精度的图像。

示例性地，图像采集模块110与微处理器120之间可以利用CAMERALink接口进行通信。例如，图像传感器可以通过CAMERALink接口与集成微处理器的开发板相连。当图像采集模块110采用OV2710图像传感器实现时，其采集到的数据为每秒30帧的1080P原始(RAW)数据，数据量最高可达到60兆位每秒(MB/s)。常规的通用串行总线接口USB2.0的极限传输速度为480兆比特每秒(Mbps)，即60MB/s，实际应用中不能满足OV2710图像传感器的数据传输速率的要求。因此，可以选用CAMERALink接口来实现OV2710图像传感器的数据传输。CAMERALink是一种为视频应用而设计的串行通信协议标准，其极限传输速度为4.8Gbps，即600MB/s，可以满足OV2710图像传感器的数据传输速率要求。

微处理器120采用嵌入式微处理器实现，例如其可以采用DM3730处理器实现，DM3730处理器是由ARMCortex-A8和TMS320C64x+DSP两部分组成的异构双核处理器。在一个实施例中，可以采用开发板主芯片TMS320DM3730作为控制和处理电路，实现精子分析装置中的控制和图像处理等功能。

TMS320DM3730是包含ARMCortex-A8和TMS320C64x+DSP的异构双核处理器芯片。ARM处理器具有低成本、高性能、低功耗和实时可操作性等特性，但是由于没有对应的硬件计算模块，计算复杂算法不占优势。DSP(数字信号处理)处理器是一种专门用于进行数字信号处理运算的微处理器，能够快速实现各种数字信号处理算法。因此，通过结合ARM处理器和DSP处理器，使得DM3730处理器在数字媒体处理以及普通应用程序运行两方面均具有优异的性能。

根据本发明实施例，在应用协议设计方面，可以不在DSP核中运行操作系统，只将它当作具备运算能力的外设。ARM端可以对DSP核进行管理，还可以与DSP核进行通信和同步。根据本发明实施例，在使用DM3730处理器的异构双核结构的情况下，可以通过邮箱(Mailbox)机制进行核间中断和通信，可以在核间传输32位长的数据。使用Mailbox机制之前需要对其进行初始化，核间中断的操作只需要向Mailbox内的MESSAGE_BOX寄存器写入任意数值，就会触发核间中断。

根据一个实施例，可以在Mailbox的核间32位数据传输基础上进一步添加轻量化的应用协议设计。例如，可以添加JavaScript对象命名(JSON)协议。可扩展标记语言(XML)和JSON都是异构系统之间的数据交换应用协议。基于XML语言的信息交换具有很好的可读性和扩展性，但是需要大量的冗余标签进行数据的描述，造成异构系统间的数据传输效率低下。JSON是一种能够代替XML的轻量级数据交换应用协议，能够有效地减少XML数据冗余的缺点。

根据本发明实施例的精子分析装置，由于采用嵌入式微处理器实现对精子图像的处理和分析，因此本发明提供的精子分析装置是便携化、高性能的，能够满足大众对日常健康检查以及隐私保护的需求。

精子分析装置100可以进一步包括其他部件，例如包括显微模块。图2示出根据本发明另一个实施例的精子分析装置200的示意性框图。

在图2中，示出了精子分析装置200包括图像采集模块210和微处理器220，除此以外，还包括显微模块230、存储模块240和显示模块250。本领域技术人员可以理解，图2所示的精子分析装置200的结构及其中的部件仅是示例而非对本发明的限制，精子分析装置可以不包括图2中所示的某些部件或者进一步包括图2所示部件以外的其他部件。

存储模块240用于存储精子检测和质量分析过程中的各种中间或结果数据，包括但不限于精子图像、精子目标识别数据、精子跟踪数据、精子轨迹数据、以及精子密度、活率及活动力等各项参数。例如，存储模块240可以采用安全数码(SD)卡实现，其可自由更换。

显示模块250用于显示精子图像。当精子图像组成动态序列时，可以形成视频。显示模块250也可以显示动态的视频。精子分析装置200的用户可以利用显示模块250查看精子的动态变化。例如，显示模块250可以采用电容式触摸显示屏实现。

另外，精子分析装置可以进一步包括输入装置，用户可以经由输入装置输入指令，以指示精子分析装置对精子进行识别、跟踪和质量分析等处理。例如，输入装置可以采用外接鼠标实现，方便操作。

显微模块230可以包括舵机、第一齿轮、第二齿轮和显微镜等部件。显微镜用于放大精液样本，图像采集模块210进一步用于针对经放大的精液样本采集图像以获得精子图像。图3示出根据本发明一个实施例的显微模块230的部分结构示意图。

如图3所示，显微模块230包括舵机、第一齿轮(齿轮1)、第二齿轮(齿轮2)和显微镜(图3仅示出了显微镜的一部分)。图3所示微调转轴是指显微镜的微调旋钮的转轴。本文所述的焦距调节旋钮可以包括显微镜的粗调旋钮和/或微调旋钮。下面将结合图3描述利用显微镜的微调旋钮实现显微镜自动调焦的方法，但是可以理解的是，同样可以对显微镜的粗调旋钮进行类似的设计，以通过对粗调旋钮的调节实现自动调焦。

如图3所示，舵机具有输出轴。第一齿轮连接至输出轴，以由输出轴带动其旋转。第二齿轮与第一齿轮啮合，以将第一齿轮的旋转传递至第二齿轮。显微镜的焦距调节旋钮的转轴连接至第二齿轮，以由第二齿轮带动焦距调节旋钮旋转。

图3所示的显微模块230包括常规的光学显微镜系统(由镜座、镜筒、物镜转换器、载物台、粗调旋钮和微调旋钮、目镜、物镜、聚光器、光源等组成)，舵机(MG995)，传动装置(即齿轮1和齿轮2)。由以上部件组成的显微模块230是一种可进行自动调焦的光学系统。

使用显微镜进行观察时，如果采用手动聚焦，一方面效率低，另一方面容易由于人为振动等因素导致拍摄到的图像产生误差。因此，实现自动聚焦是提高效率和实现自动化的一种重要手段。显微模块230可以通过对常规的光学显微镜进行改装实现。根据一个实施例，使用常规的单目显微镜作为显示模块230中的显微镜。为了实现自动聚焦，可以对常规的单目显微镜进行下列改装：(1)在舵机的转轴上外接一个齿轮(齿轮1)；(2)将显微镜的微调旋钮外侧的胶套卸下，暴露转轴部分；(3)在齿轮1和微调旋钮的转轴之间用一个齿轮(齿轮2)连接，衔接处通过磨砂加工以后增加摩擦力，再用螺丝旋紧(如图3所示)，这样就不容易造成移位现象。

根据上述显微模块230的结构，由于将显微镜的微调旋钮与舵机通过齿轮进行耦合，因此可以利用舵机带动显微镜的微调旋钮旋转，从而实现精确地在垂直方向上的自动控制，即可以实现自动聚焦。舵机可以由微处理器220控制，如下文所述。当然，舵机也可以由任何其他合适的控制模块来控制，本发明不对此进行限制。

可以理解的是，图3所示的显微模块230的结构并非对本发明的限制，显微模块230中也可以不包括自动调焦部分。

下面举例描述显微模块230的自动调焦原理。

根据一个实施例，微处理器220可以与所述舵机相连接，微处理器220可以进一步用于通过以下操作调节显微镜的焦距：生成调焦控制信号，将所述调焦控制信号输入所述舵机以控制所述输出轴旋转。

当舵机的输出轴旋转时，会带动第一齿轮、第二齿轮和显微镜的微调旋钮旋转。当显微镜的微调旋钮旋转时，显微镜的镜筒会相应地在垂直方向上移动，从而可以改变显微镜的焦距。由于微处理器220运算速度和反应速度快，因此通过微处理器220来间接改变显微镜的焦距是一种高自动化的、快捷的调焦方式。示例性地，微处理器220可以基于精子图像的清晰度，利用调焦控制信号控制输出轴旋转，这将在下文中加以描述。

根据一个实施例，舵机可以包括基准电路和比较器。基准电路用于生成基准信号，例如生成周期为20毫秒，脉宽为1.5毫秒的基准信号。比较器用于接收上述调焦控制信号和基准信号，将调焦控制信号与基准信号进行比较并根据比较结果生成动力信号，所述动力信号用于驱动所述输出轴旋转。

调焦控制信号也可以称为脉宽调制(PWM)信号。比较器通过将输入的调焦控制信号与基准信号比较，可以产生相应的动力信号，该动力信号决定舵机的输出轴的旋转角度。本文所述的舵机是一种伺服电机。输出轴的旋转角度和调焦控制信号的脉宽有关，调焦控制信号的脉宽的范围可以为0.5毫秒～2.5毫秒，输出轴的旋转角度的范围可以为0～180度。

图4示出根据本发明一个实施例的舵机的输出轴的位置与调焦控制信号的脉宽之间的关系示意图。如图4所示，输出轴的位置(以角度表示)与调焦控制信号的脉宽呈线性关系。假设输出轴的初始位置是-90度处。当调焦控制信号的脉宽为0.5毫秒时，输出轴的位置仍然为-90度，即其仍然处于初始位置处，因此旋转角度为0度。当调焦控制信号的脉宽为2.5毫秒时，输出轴的位置为90度，因此旋转角度为180度。对于脉宽一定的调焦控制信号，舵机的输出轴会保持在相应的位置处，直到提供具有另外一个脉宽的调焦控制信号，舵机的输出轴才会旋转，稳定在一个新的位置处。基准信号的周期为20毫秒，脉宽为1.5毫秒，因此调焦控制信号的脉宽与输出轴的位置的关系可以写成如下表达式：

输出轴的位置＝(调焦控制信号的脉宽－基准信号的脉宽)/1毫秒×90度。

根据一个实施例，第一齿轮和第二齿轮的理论传动比可以为1：4。在这种情况下，理论上来说，如果舵机的输出轴的旋转角度的范围为0～180度，则显微镜的微调旋钮的转轴对应旋转范围为0～720度，即转动两圈。由于显微镜的微调旋钮每旋转一圈，镜筒将垂直移动0.1毫米，所以镜筒在垂直方向上的移动范围为0～0.2毫米。舵机在控制死区范围内的控制精度为1024个等级，相当于舵机的控制角度精度为0.18度，所以镜筒在垂直方向上移动的最小步长为0.2微米。0.2毫米的行程和0.2微米的步长能够满足观察精子时对于微调的要求。

可选地，在利用调焦控制信号控制输出轴旋转时，可以基于第一齿轮和第二齿轮的理论传动比计算使显微镜的镜筒移动期望距离所对应的舵机的输出轴的旋转角度，进而计算应当生成的调焦控制信号的脉宽大小。另外，也可以预先通过测试确定第一齿轮和第二齿轮的实际传动比，并基于实际传动比计算使显微镜的镜筒移动期望距离所对应的舵机的输出轴的旋转角度及应当生成的调焦控制信号的脉宽大小，这样，可以提高角度控制精度，减少调焦误差。

根据本发明实施例，显微模块230可以进一步包括光电编码器，所述光电编码器连接至微处理器220，所述光电编码器的转轴连接至焦距调节旋钮的转轴。微处理器220可以进一步用于生成测试控制信号，将测试控制信号输入舵机以控制输出轴旋转至预定位置，并根据测试控制信号和由光电编码器传送的电信号确定第一齿轮和第二齿轮之间的实际传动比；光电编码器用于将焦距调节旋钮的旋转角度转换为电信号并将电信号传送到微处理器，其中，微处理器基于实际传动比生成调焦控制信号。

图5示出根据本发明另一个实施例的显微模块230的部分结构示意图。在一个示例中，舵机部分和光电编码器部分可以分别位于显微镜的两侧，也就是说，显微镜的焦距调节旋钮的转轴的一端连接至第二齿轮，焦距调节旋钮的转轴的另一端连接至光电编码器的转轴，如图3和图5所示。在图3和图5所示的显微模块中，从图片的观察者的角度看，舵机部分位于显微镜左侧，光电编码器部分位于显微镜右侧。

光电编码器可以是欧姆龙E6B2-CWZ6C光电编码器，用于测试和矫正自动调焦的精度。光电编码器是一种可以将机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。基于此特性，可以将微调旋钮的转轴与光电编码器的转轴相连，微调旋钮的转轴的旋转角度即为光电编码器的转轴的旋转角度。另外，可以通过编程实现对光电编码器输出的脉冲信号(即上述电信号)进行计数。微处理器220可以按照一定规律依次输出具有不同占空比(即不同脉宽)的测试控制信号，用来控制舵机的输出轴的位置，经过齿轮传动系统使微调旋钮相应旋转。测试控制信号的脉宽与舵机的输出轴的位置之间的关系和上文所述的调焦控制信号的脉宽与舵机的输出轴的位置之间的关系类似，因此本领域技术人员可以参考上文描述理解采用测试控制信号控制输出轴旋转的方式，不再赘述。微处理器220可以对光电编码器的输出脉冲进行计数，并可以根据测试控制信号和光电编码器输出的脉冲信号确定第一齿轮和第二齿轮之间的实际传动比。可以比较实际测得的脉冲个数和理论计算所得的脉冲个数来测试角度控制精度并进行矫正。例如，假设第一齿轮与第二齿轮的理论传动比为1：4，光电编码器旋转一周输出1000个脉冲，因此理论脉冲个数可以通过以下公式计算：

$n_1=\frac{90\mathrm{\Δ}t\×4}{360}\×1000=1000\mathrm{\Δ}t,$

其中，n₁为理论脉冲个数，Δt为前后两个测试控制信号的脉宽之差/1毫秒。

如上文所述可知，测试第一齿轮和第二齿轮之间的实际传动比并基于实际传动比进行自动调焦，可以提高角度控制精度，减少调焦误差。

根据本发明实施例，微处理器220可以进一步用于通过以下操作调节显微镜的焦距：输出调焦控制信号以控制输出轴旋转至第一特定数目的位置，分析分别在输出轴旋转至第一特定数目的位置时所采集的第一特定数目的精子图像的清晰度，根据第一特定数目的精子图像的清晰度判断图像清晰度是否处于峰值范围内，如果图像清晰度处于峰值范围内，则输出调焦控制信号以控制输出轴旋转至第二特定数目的位置并从分别在输出轴旋转至第二特定数目的位置时所采集的第二特定数目的精子图像中选择清晰度最高的精子图像作为目标精子图像，输出调焦控制信号以控制输出轴旋转到目标精子图像所对应的目标位置，如果图像清晰度处于峰值范围外，则根据第一特定数目的精子图像的清晰度的变化趋势确定输出轴的预测旋转方向并输出调焦控制信号以控制输出轴沿着预测旋转方向旋转。示例性地，第二特定数目的位置和与图像清晰度处于峰值范围内的情况相关联的第一特定数目的精子图像所对应的第一特定数目的位置之间的差距较小，例如小于某预定阈值。

在精子分析装置分析精子质量之前，需要先获取较为清晰的精子图像。为了获取清晰度合格的精子图像，可以调节显微镜的焦距。如上文所述，可以基于精子图像的清晰度调节显微镜的焦距。例如，微处理器220可以首先输出具有若干不同脉宽的调焦控制信号，以使得舵机的输出轴旋转到不同位置处。假设舵机的输出轴的初始位置为0度，当调焦控制信号的脉宽是1.51毫秒时，舵机的输出轴旋转到1度，当调焦控制信号的脉宽是1.52毫秒时，舵机的输出轴旋转到2度，当调焦控制信号的脉宽是1.53毫秒时，舵机的输出轴旋转到3度，因此可以连续改变三次调焦控制信号的脉宽，使其依次从1.51毫秒改变到1.53毫秒。这样，舵机的输出轴依次旋转到1度、2度和3度这三个位置处。在每次舵机的输出轴旋转到一个位置处时，采集一张精子图像，一共可以采集到三张精子图像。分析这三张精子图像的清晰度。在该示例中，第一数目是三个，但是，可以理解，第一数目也可以是其他任何合适的数目，例如两个、五个、十个等，其可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。

图像清晰度可以以这三张精子图像的清晰度的平均值来表示，也可以以这三张精子图像中的某两张精子图像的清晰度的平均值来表示，或者还可以以三张精子图像中的某一张精子图像的清晰度来表示。也就是说，衡量图像清晰度是否处于峰值范围内，并不一定需要第一数目的精子图像中的所有精子图像的清晰度均处于峰值范围内，也可以仅考虑其中一部分的精子图像的清晰度或其中一部分的精子图像的清晰度的平均值是否处于峰值范围即可。

峰值范围可以是经验值，即预先经过测试获得的值。图6示出根据本发明一个实施例的精子图像的清晰度与舵机的输出轴的位置之间的关系曲线。图6中的横坐标表示舵机的输出轴的位置，纵坐标表示归一化后的清晰度评价值。需要理解，图6所示的输出轴的位置是相对位置，并非上文所述的角度。例如，假设舵机的输出轴的初始位置为-90度，终止位置为90度，也就是可以旋转180度。相对应地，在图6的横坐标上用0表示舵机的输出轴的初始位置，用25表示舵机的输出轴的终止位置。可以理解，在测试过程中，可以将舵机的输出轴从其初始位置旋转到终止位置，一边旋转一边采集精子图像并分析每张精子图像的清晰度，最终形成图6所示的曲线。对于图6来说，可以将峰值范围设定为例如0.99～1。在分析精子图像的清晰度时，可以参考该关系曲线。例如，如果采集到的上述三张精子图像的清晰度差距较大并且是逐渐增大的，说明此时图像清晰度对应于图6中曲线的上升位置处，说明继续顺时针旋转舵机的输出轴的话图像清晰度会越来越高，也就是越接近峰值。因此，接下来，可以沿着之前的旋转方向继续旋转舵机的输出轴，例如旋转到10度、11度和12度，然后在这三个位置处分别采集三张精子图像，根据这三张精子图像分析此时的图像清晰度，然后根据此时的图像清晰度确定接下来的操作，即是否需要继续旋转输出轴以及如何旋转。与上述情况相反的是，如果采集到的上述三张精子图像的清晰度差距较大并且是逐渐减小的，说明此时图像清晰度对应于图6中曲线的下降位置处，说明继续顺时针旋转舵机的输出轴的话图像清晰度会越来越低，也就是越远离峰值。因此，接下来，可以逆着之前的旋转方向旋转舵机的输出轴，例如旋转到-10度、-11度和-12度，然后在这三个位置处分别采集三张精子图像，根据这三张精子图像判断此时的图像清晰度，然后根据此时的图像清晰度确定接下来的操作。以上操作是重复执行的直至根据采集到的精子图像确定图像清晰度处于峰值范围内为止。可以理解，每次旋转输出轴时旋转到的位置的数目及对应采集的精子图像的数目可以相同或不同，即不一定每次都是三张，其可以根据需要而定。另外，在采集每张精子图像时，可以同时记录该精子图像对应的输出轴的位置。

如果上述三张精子图像的清晰度差距很小并且基本都接近峰值，可以认为此时图像清晰度处于峰值范围内，此时焦距接近对准状态。在这种情况下，可以在小范围对显微镜进行微调，即小幅度地改变输出轴的旋转角度，并且多采集一些精子图像。例如，可以在十度范围内以一度为步长改变输出轴的位置并在每次改变位置时采集一张精子图像，共采集十张精子图像。然后可以从这十张精子图像中选出清晰度最高的那张精子图像，即目标精子图像，认为采集该目标精子图像时显微镜的焦距对得最准，图像清晰度最高。然后，可以将舵机的输出轴旋转到采集目标精子图像时输出轴所处的位置，即目标位置处。此时调焦完成。接下来，可以采集清晰的精子图像或精子图像序列，根据精子图像对精子进行静态或动态参数分析。

根据精子图像的清晰度进行自动调焦的方式是一种高智能化、高效率的调焦方式，通过这种方式可以快速准确地将显微镜调节到合适的位置，从而快速获取高清晰度的精子图像，方便后续的精子检测和质量分析操作。

根据本发明实施例，微处理器220可以利用小波评价函数分析精子图像的清晰度，例如，利用以下小波评价函数分析精子图像的清晰度：

$G=\frac{{M_H}^j}{{M_L}^j},$

其中，j是小波分解的层数，M_H ^j是对应的高频子带LH^j、HL^j、HH^j能量的和，ML^j是低频子带能量。

利用频谱函数可以实现对图像的清晰度的评价。图像中的高频成分的多少决定了图像的锐化程度和细节的丰富程度，相对于模糊的图像，对焦成功的图像拥有更丰富的细节，反映在频域上就是高频分量多。因此，在频域内，高频分量的多少可以用来判断图像的清晰水平。最常见的频域变换有傅立叶变换(FastFourierTransformation,FFT)和离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)。当图像传感器的镜头偏离对焦位置时，图像高频段的能量会越来越少，对正交小波来说，高频系数的变化与此类似。可以综合考虑高频和低频系数的变化特点，设计综合两者变化特性的清晰度评价函数，用以获得良好的调焦精度和分辨力。

与coiflets(COIF小波)、Symlets(对称小波)相比，Daubechies(多贝西小波)具有最高的精度和分辨力。Daubechies小波系，记为DBN，其中N为小波函数消失矩。消失矩决定了小波逼近光滑函数的能力，消失矩较大时，评价函数具有较高的聚焦精度和分辨率，但是相应的计算量也会增大。因此，选择什么样的消失矩和分解层数，是设计小波评价函数的关键因素。综合考虑运行时间与评价函数曲线，可以选取消失矩为6的多贝西小波构造清晰度评价函数。

根据本发明实施例，微处理器可以进一步用于利用训练好的卷积神经网络分析精子图像，以从精液样本中识别精子。

根据本实施例，可以在精子识别检测时采用卷积神经网络来实现。卷积神经网络是利用深度学习方法训练获得。当前多数分类、回归等学习方法为浅层结构算法，其局限性在于在样本和计算单元有限的情况下对复杂函数的表示能力有限，针对复杂分类问题其泛化能力受到一定制约。深度学习可通过学习一种深层非线性网络结构，实现复杂函数逼近，表征输入数据分布式表示，并具有强大的从少数样本集中学习数据集本质特征的能力。深度学习的实质，是通过构建具有很多隐层的机器学习模型和海量的训练数据，来学习更有用的特征，从而最终提升分类或预测的准确性。区别于传统的浅层学习，深度学习的不同在于：1)强调了模型结构的深度，通常具有5层、6层，甚至10多层的隐层节点；2)明确突出了特征学习的重要性，也就是说，通过逐层特征变换，将样本在原空间的特征表示变换到一个新特征空间，从而使分类或预测更加容易。与人工规则构造特征的方法相比，利用大数据来学习特征，更能够刻画数据的丰富内在信息。

图7示出精子的识别过程的示意图。如图7所示，精子的识别算法采用卷积神经网络实现。该卷积神经网络可以由三个卷积层(convolutionlayer)，两个全连接层(fullyconnectedlayer)构成。卷积神经网络的输入层(inputlayer)是归一化为41*41的精子图像，经过2*2的卷积核卷积后，再采用最大池(maxpooling)层来降采样，第二层卷积层用3*3的卷积核来卷积，第三层卷积层用2*2的卷积核来卷积，每层卷积后都采用最大池层来降采样，之后连接两层全连接层，最终输出精子识别的分类结果。

图8示出根据本发明一个实施例的精子分析装置的硬件结构的示意性框图。如图8所示，精子分析装置可以包括开发板主芯片TMS320DM3730，OV2710图像传感器，液晶显示屏(LCD)，鼠标(mouse)，以太网媒体接入控制器(MAC)DM9000，电源管理芯片TPS65930，舵机(MOTOR)，SD卡，易失性存储器和非易失性存储器等。易失性存储器可以包括但不限于双倍速率同步动态随机存储器(DDRSDRAM)。非易失性存储器可以包括但不限于NOR闪存、NAND闪存等。本系统工作时，可以由OV2710图像传感器采集当前的精液样本的图像并传输至DM3730开发板，DM3730开发板中的微处理器根据一定的图像处理算法对当前的图像清晰度进行评价，判断当前承载精液样本的微流控芯片与显微镜的焦平面的相对位置，通过微处理器将控制指令(即调焦控制信号)发送给舵机来控制舵机的输出轴的位置，并通过传动装置来调节显微镜的物镜在垂直方向上的位置，达到聚焦的目的。当采集到清晰的精子图像之后，可以进行精子的检测识别和质量分析。

在搭建好精子分析装置的硬件结构之后，可以针对其硬件结构进行系统软件设计。软件设计的主要内容可以包括但不限于嵌入式Linux开发环境的搭建，嵌入式内核配置与移植，引导程序移植，根文件系统制作，视频采集驱动程序设计，视频采集程序设计，双核的调用与实现，QT界面设计与实现等。嵌入式Linux开发环境的搭建包括交叉编译环境搭建和网络文件系统(NFS)服务配置。嵌入式内核配置与移植是将嵌入式内核不需要的部分进行裁剪，然后重新编译下载到内存中。

软件部分可以采用嵌入式Linux作为操作系统，采用QT开发软件的交互界面，采用C++完成算法的实现，图像采集的驱动可以在V4L2框架下实现。关于ARM+DSP双核的调用，可以利用共享内存的方式实现异构核间的同步和通信。示例性的软件系统的工作流程如下：

(1)、系统初始化：加载X-loader、U-Boot、根文件系统、视频设备驱动程序以及内存驱动程序。

(2)、调用视频采集处理应用程序采集图像序列：通过采集程序可以将视频数据暂时存在内存当中，当采集完自动调焦所需的帧数时，放在内存中的视频数据可以转存到SD卡中，以节省空间。调用清晰度评价算法实现自动调焦，调焦成功后采集清晰的精子图像序列。

(3)、将采集到的清晰的精子图像序列显示在图形用户界面中：用户界面可以实现帧回放和录像(即采集精子图像序列)以及精子目标识别、精子计数、精子跟踪、精子轨迹和参数显示等功能。通过操作可以将存储在SD卡中的视频提取到内存中，然后实现帧回放、图像分析等功能。

随着科学技术的不断发展，一些医疗设备逐渐小型化、便携化，利用这些设备，人们在家就可以了解自身的基本健康状况，例如血压、心率、血糖等，这为人们提供了低廉便捷的健康检测方式。医疗设备的家庭化、便携化是当今医疗市场的一个重要趋势。因此，本发明提供的便携式精子分析装置具有很重要的研究意义和应用价值。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者装置的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (10)

1.一种精子分析装置，包括：

图像采集模块，用于利用精液样本采集精子图像；以及

微处理器，连接至所述图像采集模块，用于根据所述精子图像分析所述精液样本中的精子的质量，

其中，所述微处理器采用嵌入式微处理器实现。

2.如权利要求1所述的精子分析装置，其中，所述图像采集模块采用互补金属氧化物半导体图像传感器实现。

3.如权利要求1所述的精子分析装置，其中，所述精子分析装置进一步包括显微模块，所述显微模块包括：

舵机，所述舵机具有输出轴；

第一齿轮，所述第一齿轮连接至所述输出轴，以由所述输出轴带动其旋转；

第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合，以将所述第一齿轮的旋转传递至所述第二齿轮；以及

显微镜，所述显微镜的焦距调节旋钮的转轴连接至所述第二齿轮，以由所述第二齿轮带动所述焦距调节旋钮旋转，

其中，所述显微镜用于放大所述精液样本，所述图像采集模块进一步用于针对经放大的精液样本采集图像以获得所述精子图像。

4.如权利要求3所述的精子分析装置，其中，所述第一齿轮和所述第二齿轮的理论传动比是1：4。

5.如权利要求3或4所述的精子分析装置，其中，所述微处理器与所述舵机相连接，

所述微处理器进一步用于通过以下操作调节所述显微镜的焦距：生成调焦控制信号，将所述调焦控制信号输入所述舵机以控制所述输出轴旋转。

6.如权利要求5所述的精子分析装置，其中，所述显微模块进一步包括光电编码器，所述光电编码器连接至所述微处理器，所述光电编码器的转轴连接至所述焦距调节旋钮的转轴，

所述微处理器进一步用于生成测试控制信号，将所述测试控制信号输入所述舵机以控制所述输出轴旋转至预定位置，并根据所述测试控制信号和由所述光电编码器传送的电信号确定所述第一齿轮和所述第二齿轮之间的实际传动比；

所述光电编码器用于将所述焦距调节旋钮的旋转角度转换为所述电信号并将所述电信号传送到所述微处理器，

其中，所述微处理器基于所述实际传动比生成所述调焦控制信号。

7.如权利要求5所述的精子分析装置，其中，所述微处理器进一步用于通过以下操作调节所述显微镜的焦距：输出所述调焦控制信号以控制所述输出轴旋转至第一特定数目的位置，分析分别在所述输出轴旋转至所述第一特定数目的位置时所采集的第一特定数目的精子图像的清晰度，根据所述第一特定数目的精子图像的清晰度判断图像清晰度是否处于峰值范围内，如果所述图像清晰度处于所述峰值范围内，则输出所述调焦控制信号以控制所述输出轴旋转至第二特定数目的位置并从分别在所述输出轴旋转至所述第二特定数目的位置时所采集的第二特定数目的精子图像中选择清晰度最高的精子图像作为目标精子图像，输出所述调焦控制信号以控制所述输出轴旋转到所述目标精子图像所对应的目标位置，如果所述图像清晰度处于所述峰值范围外，则根据所述第一特定数目的精子图像的清晰度的变化趋势确定所述输出轴的预测旋转方向并输出所述调焦控制信号以控制所述输出轴沿着所述预测旋转方向旋转。

8.如权利要求7所述的精子分析装置，其中，所述微处理器利用小波评价函数分析精子图像的清晰度。

9.如权利要求5所述的精子分析装置，其中，所述舵机包括相互连接的基准电路和比较器，

所述基准电路用于生成基准信号；

所述比较器用于接收所述调焦控制信号和所述基准信号，将所述调焦控制信号与所述基准信号进行比较并根据比较结果生成动力信号，所述动力信号用于驱动所述输出轴旋转。

10.如权利要求1所述的精子分析装置，其中，所述微处理器进一步用于利用训练好的卷积神经网络分析所述精子图像，以从所述精液样本中识别所述精子。