一種基于微流控芯片的圖像自動(dòng)化分析平臺(tái)設(shè)計(jì)*

張曉娟，樊東燕

(山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 太原 030619)

生物實(shí)驗(yàn)中,如果要對(duì)細(xì)胞的狀態(tài)和細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)化檢測和統(tǒng)計(jì),通常使用的是圖像流式細(xì)胞儀。但是,市場上圖像流式細(xì)胞儀的價(jià)格比較昂貴,而且體積較大,不太適合于一般的實(shí)驗(yàn)室對(duì)通過微流控芯片獲得的細(xì)胞圖像進(jìn)行自動(dòng)化檢測和分類計(jì)數(shù)[1]。本文設(shè)計(jì)了一種新的便捷的適用于對(duì)微流控芯片圖像進(jìn)行自動(dòng)化分析的圖像流式細(xì)胞儀,使用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微流控芯片的樣品平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng),結(jié)合普通顯微鏡和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)微流控芯片圖像中細(xì)胞圖像的輪廓檢測、自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)計(jì)數(shù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)、顯微鏡、攝像頭、計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成。工作時(shí),微流控芯片置于機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)上,實(shí)驗(yàn)人員將樣品放入微流控芯片中,單片機(jī)帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到合適位置對(duì)微流控芯片利用顯微鏡進(jìn)行觀察,攝像頭將觀察到的圖像送入計(jì)算機(jī)中使用軟件進(jìn)行圖像內(nèi)容處理,對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行輪廓檢測、識(shí)別和自動(dòng)計(jì)數(shù)[2]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制單元

系統(tǒng)選用的STM32單片機(jī)功能強(qiáng)大,價(jià)格雖然有點(diǎn)高,但是STM32豐富的引腳為未來系統(tǒng)擴(kuò)展打下了基礎(chǔ),作為一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)符合使用過程中反應(yīng)靈敏、適用范圍廣、不容易壞,能夠承受偶爾的不恰當(dāng)操作和較強(qiáng)的可擴(kuò)展性[1]。

STM32使用高性能的內(nèi)核,擁有連接不同外設(shè)(自帶兩條APB總線)和多種類的加強(qiáng)型I/O口。最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的電源、時(shí)鐘、復(fù)位等部件,能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行。因STM32的內(nèi)置核心為ARM,故STM32與各類ARM工具和軟件兼容。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的這款步進(jìn)電機(jī)是常用的四相步進(jìn)電機(jī),供電要求低,可以使用直流電源供電。當(dāng)各相繞組合理通電時(shí),步進(jìn)電機(jī)就可以正常進(jìn)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。

圖3 電機(jī)工作示意圖

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí),步進(jìn)電機(jī)的開關(guān)SB接通電源,剩余開關(guān)斷開,最下面的相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,轉(zhuǎn)自對(duì)應(yīng)的輪齒就和C、D相繞組的磁極相互構(gòu)成錯(cuò)位,A、D與對(duì)應(yīng)的相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒[3]。

步進(jìn)電機(jī)可以將角位移和線性位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置不會(huì)受到負(fù)載的影響,脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定了當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置,在電機(jī)接收到一個(gè)或多個(gè)脈沖信號(hào)時(shí),電機(jī)會(huì)根據(jù)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)過一定的角度。即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和脈沖信號(hào)存在一定的線性關(guān)系,而且步進(jìn)電機(jī)周期性的誤差極小,不存在累積誤差等原因,非常適合該系統(tǒng)使用。

系統(tǒng)使用STM32f103zet6單片機(jī)的PWM脈沖控制信號(hào)控制ULN2003步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng),這樣可以使步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)受單片機(jī)的控制,從而使得移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整,并且可以保持穩(wěn)定的速度,這樣就可以使得系統(tǒng)在實(shí)際使用中穩(wěn)定性強(qiáng)、易于調(diào)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于采集到的細(xì)胞圖像中的細(xì)胞邊界信息并不是清晰的,這就需要對(duì)圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理,將預(yù)處理過的粘連細(xì)胞圖像進(jìn)行分割,按照細(xì)胞圖像的特征進(jìn)行提取,最后進(jìn)行細(xì)胞圖像的自動(dòng)化計(jì)數(shù),完成最終的統(tǒng)計(jì)與結(jié)果輸出。

3.1 圖像預(yù)處理

使用熒光材料染色后的細(xì)胞圖像為彩色圖像,表示為m*n*a的三維矩陣,其中:m、n為分辨率,a為顏色深度。使用二值化方法將圖像轉(zhuǎn)化為m*n的二維矩陣,并采用直方圖方法對(duì)圖像增強(qiáng)后的效果如圖4所示。

3.2 輪廓提取

圖像增強(qiáng)后的細(xì)胞圖像依然存在部分粘連,需要對(duì)細(xì)胞圖像進(jìn)行合理的分隔[3]。采用改進(jìn)的分水嶺算法基于歐幾里德距離變換實(shí)現(xiàn)對(duì)備份粘連細(xì)胞的分隔。

對(duì)源圖像M,將變換后的圖像中小于分割后的平均細(xì)胞面積1/4的像素塊進(jìn)行刪除,獲得二值圖像A(A={Aij∣(i,j)∈M});對(duì)源圖像N進(jìn)行同樣的處理后得到二值圖像B(B={Bmn∣(m,n)∈N});然后對(duì)兩幅圖像A和B進(jìn)行與運(yùn)算,即可獲得最終處理后的二值細(xì)胞圖像K,即K=A&B。

3.3 細(xì)胞計(jì)數(shù)

在采用改進(jìn)的分水嶺變換算法對(duì)細(xì)胞圖像實(shí)現(xiàn)成功的分塊后,即可得到分水嶺算法邊界。將分水嶺邊界和源圖像的預(yù)處理后灰度圖進(jìn)行相與運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)圖像中的細(xì)胞分割,分割后最后對(duì)分割區(qū)域進(jìn)行編號(hào),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像中細(xì)胞的自動(dòng)化計(jì)數(shù)。如圖5所示。

圖4 預(yù)處理圖像圖5 最終處理圖像

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于微流控芯片的圖像自動(dòng)化分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了微流控芯片中細(xì)胞圖像的自動(dòng)分割和計(jì)數(shù)。采用的自動(dòng)計(jì)數(shù)方法速度快,一定程度上可以替代人工計(jì)數(shù),同時(shí),未來可以與微流控系統(tǒng)結(jié)合形成便攜式產(chǎn)品,進(jìn)而推動(dòng)微流控芯片細(xì)胞檢測計(jì)數(shù)在日常生活中的使用。