豬精液品質(zhì)智能檢測(cè)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)

雷正達(dá) 莊斌 稅丹 張益書(shū) 景南鑫 李莉 龔洋

摘要：通過(guò)微流控技術(shù)與透射式技術(shù)的比較研究，將公豬精液檢測(cè)設(shè)計(jì)為加樣超微芯片和數(shù)據(jù)分析處理的主機(jī)組成，以及大數(shù)據(jù)、人工智能平臺(tái)的整合，完善了豬精液品質(zhì)快速檢測(cè)的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了豬精液品質(zhì)檢測(cè)的智能化、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)豬業(yè)的深度融合。

關(guān)鍵詞：豬精液;品質(zhì)檢測(cè);超微芯片;大數(shù)據(jù)云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：S828.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095-9737（2018）10-0006-03

1 背景

我國(guó)生豬養(yǎng)殖量居世界第一，出欄肥豬占世界的50.6%，母豬存欄達(dá)4423萬(wàn)頭[1]，占全球總量的60%以上。由于豬肉是我國(guó)消費(fèi)量最大的肉類食品，約占肉類消費(fèi)總量的65%左右，因此豬肉的品質(zhì)、產(chǎn)量等都會(huì)直接影響國(guó)民生活水平[2]。人工授精技術(shù)（AI）是一種有著重要實(shí)踐意義的生殖輔助技術(shù)。豬的人工授精技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，目前中國(guó)每年大約有3000萬(wàn)頭母豬進(jìn)行人工授精，受孕率達(dá)80%～90%，與自然交配的產(chǎn)仔率和產(chǎn)仔數(shù)相差無(wú)幾，甚至更高[3]。由于其不僅可以充分發(fā)揮優(yōu)秀種公豬的遺傳潛力，還可以減少種公豬的飼養(yǎng)數(shù)量、降低飼養(yǎng)成本、減少性傳播疾病、提高母豬的受胎率和窩產(chǎn)仔數(shù)、提高生產(chǎn)效率、獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益等，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集約化、規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的大型養(yǎng)殖場(chǎng)和家庭農(nóng)場(chǎng)。

在豬的人工授精過(guò)程中，公豬精液的品質(zhì)是關(guān)系到母豬受精率和產(chǎn)仔數(shù)的關(guān)鍵因素。精子密度越大、活力越強(qiáng)、畸形精子越少，說(shuō)明公豬精液質(zhì)量越好，配種后母豬的受精率和產(chǎn)仔數(shù)越高，反之越低。因此在人工授精前，首先要評(píng)定精液的質(zhì)量，從而才能保證有足夠數(shù)量和活力的精子。同時(shí)，通過(guò)對(duì)精液質(zhì)量評(píng)定還能監(jiān)控公豬健康狀況和繁殖潛力，從而可優(yōu)化個(gè)體遺傳潛力，發(fā)揮最大繁殖能力。

目前我國(guó)公豬精液檢測(cè)90%以上采用“生物顯微鏡檢測(cè)法”，雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定也是以此方法為參照，但此法具有較大的局限性。除了檢測(cè)主要采用量筒、顯微鏡等儀器進(jìn)行，每一指標(biāo)單獨(dú)檢測(cè)，對(duì)設(shè)備要求低但檢測(cè)步驟繁瑣之外，更為突出的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：①檢測(cè)過(guò)程是靠人的肉眼分辨計(jì)數(shù)，人為因素影響較大，準(zhǔn)確性差;②從采精到精液稀釋，再到檢測(cè)結(jié)果出來(lái)，時(shí)間需30～50min，不能實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，耗工耗時(shí);③由于公豬精液中的營(yíng)養(yǎng)有限，精液原液超過(guò)30min，精子因營(yíng)養(yǎng)不足，其活力顯著下降，在實(shí)際檢測(cè)中有很大的局限性，也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性;④不能實(shí)現(xiàn)采精和配種前現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);⑤不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和大數(shù)據(jù)的累存和精液質(zhì)量跟蹤。

國(guó)外已有公司研發(fā)公豬精液智能檢測(cè)設(shè)備，其原理是經(jīng)染色（與傳統(tǒng)顯微鏡染色原理相同）圖像識(shí)別法。該方法通過(guò)監(jiān)測(cè)活動(dòng)精子被收集區(qū)域的熒光強(qiáng)度，可以同時(shí)分析活動(dòng)精子密度和活動(dòng)力。熒光染色一段時(shí)間之后，其熒光強(qiáng)度被用來(lái)量化活動(dòng)精子的密度。此外，精子的運(yùn)動(dòng)也有助于積累熒光信號(hào)。但其也有如下局限性：①進(jìn)口價(jià)格昂貴，每臺(tái)售價(jià)在30萬(wàn)元以上，養(yǎng)豬場(chǎng)很難接受;②不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速分析;③不能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存;④不能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的快速調(diào)閱和數(shù)據(jù)跟蹤;⑤設(shè)備體積較大，現(xiàn)場(chǎng)使用不便等。

隨著精液保存技術(shù)的發(fā)展，以及國(guó)外凍精液引入，傳統(tǒng)的精液品質(zhì)檢測(cè)評(píng)估方法和手段已經(jīng)不能夠滿足豬人工授精的需要。我國(guó)母豬平均產(chǎn)仔數(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比具有較大差距，這與我國(guó)對(duì)公豬精液沒(méi)有實(shí)行每批次檢測(cè)，精液解凍后、配種前沒(méi)有實(shí)行檢測(cè)和質(zhì)量監(jiān)控有很大關(guān)系。因此我國(guó)急需更先進(jìn)的公豬精液品質(zhì)檢測(cè)評(píng)估的先進(jìn)儀器，以進(jìn)一步提高人工授精在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的作用，從而提高生產(chǎn)成績(jī)和效率。

2 智能檢測(cè)系統(tǒng)研究方法與路線的探索

2.1 前端信息采集的微流控技術(shù)路線

目前，基于微流控芯片技術(shù)的精液品質(zhì)智能檢測(cè)設(shè)備在人類精液方面的研究較為深入，并已形成產(chǎn)品，以此為參考選擇微流控技術(shù)中較為主流的兩種分析方法進(jìn)行研究，即跑道式的阻抗脈沖信號(hào)分析法和透射式的高速拍攝圖像視覺(jué)分析法。微流控芯片是微型全分析系統(tǒng)的一種，可在微納尺度上集成多種功能單元，且能提供相對(duì)封閉的接近生理狀態(tài)的生長(zhǎng)微環(huán)境。由于能夠?qū)崿F(xiàn)在整體可控的微小平臺(tái)上將多種單元操作技術(shù)規(guī)模集成、靈活組合，微流控芯片已成為一種最具發(fā)展?jié)摿Φ募?xì)胞研究平臺(tái)[4]。微流控裝置主要由三部分組成：玻璃基片，刻有微通道的PDMS，三個(gè)儲(chǔ)液池以及保持在不同的液面高度的液柱。圖1（a）顯示的為微流控裝置的細(xì)節(jié)圖。儲(chǔ)液池的橫截面面積（20mm×20mm）選擇要盡可能的大以減小每個(gè)裝載液柱高度的變化（最多5%的變化）。流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力由三個(gè)液柱高度的差異產(chǎn)生，在儲(chǔ)液池A中是10mm高的緩沖試劑溶液，儲(chǔ)液池B中是4mm高的純精液，儲(chǔ)液池C中是1mm高的緩沖試劑溶液。交界處的放大圖片如圖1（b）所示，通道B和C與通道A相交成45度角。精子流通道B的設(shè)計(jì)是7mm長(zhǎng)，500μm寬。其他尺寸細(xì)節(jié)如圖1（c）所示。

以跑道式的阻抗脈沖信號(hào)分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)，則在生物芯片中設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)的微流道，當(dāng)精液樣本被滴人充滿試劑的芯片之后，精液中的精子細(xì)胞就在微通道中游動(dòng)，利用精子的逆流特性O(shè)SS分離判定活動(dòng)精子，根據(jù)庫(kù)爾特電阻抗原理令精子通過(guò)特定位置傳感器，此時(shí)電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生電脈沖。精子通過(guò)孔道期間電壓降低的時(shí)間追蹤包含豐富的信息：感應(yīng)脈沖的振幅呈現(xiàn)精子的體積，持續(xù)時(shí)間可評(píng)估出游過(guò)速度，疊加在脈沖信號(hào)的電壓波動(dòng)可以計(jì)算出拍頻，利用這一原理和信息測(cè)算精子數(shù)量和活力。

這一研究成果應(yīng)用到豬精液品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域，則出現(xiàn)較難克服的問(wèn)題，如豬精子個(gè)頭較大，活動(dòng)能力較強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度更快，容易在跑道人口處堵塞等。雖然可再通過(guò)改變介質(zhì)密度和黏度等的手段改善這個(gè)問(wèn)題，但還需進(jìn)一步更深入地探索研究。

2.2 前端信息采集的透射式技術(shù)路線

以透射式的高速拍攝圖像視覺(jué)分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)，則當(dāng)精液樣本滴人芯片進(jìn)樣口后，精液中的精子細(xì)胞在微通道中游動(dòng)，均勻填滿精子計(jì)數(shù)板采樣區(qū)域，通過(guò)光學(xué)超清顯微鏡頭組和配套的高清攝像頭，運(yùn)用全智能電控進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦自動(dòng)尋軌，拍攝樣本圖片及短視頻采集精子的外觀信息及運(yùn)動(dòng)信息，使用機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征。通過(guò)CCD采集圖像;進(jìn)行除噪、平滑等預(yù)處理;進(jìn)行圖像分割，二值化處理;進(jìn)行邊緣檢測(cè)來(lái)提取特征。同時(shí)，正態(tài)高斯動(dòng)態(tài)圖像智能算法，精準(zhǔn)識(shí)別精子運(yùn)動(dòng)軌跡。從而對(duì)精子進(jìn)行密度、活力、運(yùn)動(dòng)性分析、形態(tài)學(xué)分析。通過(guò)設(shè)置多個(gè)進(jìn)樣池，每個(gè)進(jìn)樣池檢測(cè)時(shí)為定點(diǎn)拍照、短視頻拍攝，逐幀分析，判斷精子活力。這一方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬原精液、稀釋后的精液、解凍后配種前精液的快速檢測(cè)、智能分析、操作便捷、快速高效之目的。

2.3 大數(shù)據(jù)分析和人工智能云平臺(tái)搭建

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的迅速發(fā)展，開(kāi)啟了據(jù)庫(kù)技術(shù)的成熟和普及、高內(nèi)存高性能的存儲(chǔ)設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)的出現(xiàn)，大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、云端儲(chǔ)存、快速調(diào)閱成為可能。我們研發(fā)的豬精液智能檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)新統(tǒng)計(jì)分析方法和數(shù)學(xué)模型的建立，對(duì)每頭公豬精液檢測(cè)數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)檢測(cè)的全部數(shù)據(jù)）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)分析判斷結(jié)果，數(shù)據(jù)永久儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)溯源跟蹤，實(shí)時(shí)快速查閱。

該系統(tǒng)平臺(tái)原理是通過(guò)國(guó)內(nèi)基于Nginx改進(jìn)的前端代理服務(wù)器Tengine，集成創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的socket集群，該socket集群采用基于Java開(kāi)發(fā)socket server，集成開(kāi)源的Zookeeper做服務(wù)注冊(cè)，服務(wù)配置和服務(wù)選擇，提供高可用的，高吞吐的后端socket數(shù)據(jù)服務(wù)，保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。同時(shí)，采用的是開(kāi)源mysql搭配開(kāi)源NOSQL redis和mongodb，通過(guò)定義三層數(shù)據(jù)熱區(qū)（常用，一般，歸檔）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速訪問(wèn)和大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)平衡。由于該移動(dòng)應(yīng)用通過(guò)采用HTML5框架，加入Jquery mobile等組件，共同搭建可以同時(shí)運(yùn)行在蘋果iOS和安卓Android應(yīng)用程序，使得用戶可以得到統(tǒng)一應(yīng)用的界面和操作習(xí)慣。整個(gè)云平臺(tái)的運(yùn)行流程見(jiàn)圖2。

3 豬精液品質(zhì)智能檢測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)品性能

通過(guò)不同技術(shù)路線的探索研究，采用前端信息采集的透射式技術(shù)路線和大數(shù)據(jù)分析和人工智能云平臺(tái)組合，實(shí)現(xiàn)了豬精液品質(zhì)檢測(cè)的智能化、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)豬業(yè)的深度融合。

該系統(tǒng)的檢測(cè)參數(shù)如表1所示，能達(dá)到的性能技術(shù)指標(biāo)如表2所示。整個(gè)系統(tǒng)全智能運(yùn)行，減少人為誤差，提高數(shù)據(jù)精確度，減少測(cè)試樣本浪費(fèi)，做到精準(zhǔn)檢測(cè);智能分析，分析報(bào)告詳細(xì)，全面反映精子質(zhì)量，把握公豬生產(chǎn)性能，提高母豬產(chǎn)仔率;快捷高效，操作便捷，無(wú)需專業(yè)人員;智能聯(lián)合，全網(wǎng)通數(shù)據(jù)模塊，無(wú)縫對(duì)接農(nóng)場(chǎng)管理軟件，構(gòu)建質(zhì)量回溯通道。

4 結(jié)論

通過(guò)微流控技術(shù)與透射式技術(shù)的比較研究，將公豬精液檢測(cè)設(shè)計(jì)為加樣超微芯片和數(shù)據(jù)分析處理的主機(jī)組成，采用直接圖像法，當(dāng)精液樣本滴人芯片進(jìn)樣口后，精液中的精子細(xì)胞在微通道中游動(dòng)，均勻填滿精子計(jì)數(shù)板采樣區(qū)域，通過(guò)光學(xué)超清顯微鏡頭組和配套的高清攝像頭拍攝樣本短視頻，從而對(duì)精子進(jìn)行密度、活力、運(yùn)動(dòng)性分析、形態(tài)學(xué)分析的技術(shù)路線，以及大數(shù)據(jù)、人工智能平臺(tái)的整合，完善了豬精液品質(zhì)快速檢測(cè)的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了豬精液品質(zhì)檢測(cè)的智能化、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與養(yǎng)豬業(yè)的深度融合。

這一系統(tǒng)的建立，不僅提高公豬精液品質(zhì)檢測(cè)的精度，且快捷高效，還能實(shí)現(xiàn)公豬原精液、稀釋精液、配種精液（配種前精液）每批次、每頭份檢測(cè)，這必將提高母豬的產(chǎn)仔數(shù)和生產(chǎn)成績(jī)，無(wú)疑對(duì)我國(guó)養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)是一大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]2014年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)

[2]李小金，錢坤，劉林清，等.基于RNA-seq技術(shù)對(duì)不同品種豬背最長(zhǎng)肌差異表達(dá)基因的篩選與注釋[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（6）：1-8.

[3]王佳輝，黃宣凱，秦曉文.目前國(guó)內(nèi)外豬人工授精新技術(shù)及新產(chǎn)品[J].現(xiàn)代畜牧科技，2016（3）：52.

[4]Laws M J，Taylor R N，Sidell N，et al.Gap junction communica-tion between uterine stromal cells plays a critical role in pregnan-cy-associated neovascularization and embryo survival[J].De-velopment.2008，135（15）：2659-2668.