CN114926506A - 精子活力检测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种精子活力检测方法、装置、设备及存储介质，获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，根据该图像获得精子进行圆周运动的角速率，根据角速率确定精子的活力检测结果。由于光镊光束是利用光阱力捕获精子头部的，不会对精子造成影响，精子的尾部鞭毛仍可不断运动，从而带动精子进行圆周运动，无需对精子进行复杂处理即可得到精子的圆周运动图像，该图像获取简便迅速，为精子活力的实时检测与精子在线挑选提供了可能；通过根据精子的圆周运动图像获得精子活力的衡量指标——角速率，定量的表征了单个精子的活力情况，实现了单个精子活力的定量检测，为辅助生殖技术的实践提供了一定的依据。

Description

精子活力检测方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本申请涉及检测领域，更具体的说，是涉及一种精子活力检测方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

近年来，不孕症发病率逐年上升，全球不孕症患病率约为8％至12％，其中我国的不孕症发病率约为10％至12％，辅助生殖技术的重要性也随之增加。辅助生殖技术，是指通过医疗辅助手段使患有不孕症的夫妇妊娠的技术，此外，还是提高人类生殖健康水平的重要手段。辅助生殖技术，作为一项新兴的技术，在近几十年间飞速发展。随着辅助生殖技术的不断更新和进步，成功率已显著提高，自1978年世界第一例试管婴儿路易斯·布朗诞生以来，经过众多专家学者的共同努力，其成功率已从上世纪的26％上升至现如今的40％至60％。

按照辅助手段的不同，辅助生殖技术可以分为人工授精和体外受精-胚胎移植及其衍生技术两大类。但是，不论使用何种辅助手段，都需要人为的挑选精子，所挑选的精子的质量关系到辅助生殖技术的成功与否、受精卵的质量以及胚胎的发育情况。因此，对精子的质量进行评估对于辅助生殖技术的实现具有重要意义，而精子活力是表征精子质量的重要参数。

当前的精子活力检测方法主要是利用精子群体的总趋向，如进行前向运动的精子的比例等，来衡量精子的活力情况，而缺乏对单个精子活力情况的定量检测方法。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供了一种精子活力检测方法、装置、设备及存储介质，以实现单个精子活力的定量检测。具体方案如下：

第一方面，提供了一种精子活力检测方法，包括：

获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张在时间上连续的单帧图像；

根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

上述的方法，可选的，所述根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率包括：

按照预设的方向标准分别获得两张所述单帧图像上的所述精子的方向向量；

计算两个所述方向向量的夹角，用所述夹角除以采集所述两张单帧图像的时间间隔，得到所述精子的角速率。

上述的方法，可选的，所述预设的方向标准是所述方向向量的起点是所述精子的头部，终点是尾根部，或所述方向向量的起点是所述精子的尾根部，终点是头部。

上述的方法，可选的，所述计算两个所述方向向量的夹角包括：

根据两个所述方向向量利用数量积公式计算所述夹角的余弦值；

根据所述余弦值利用反余弦函数计算所述夹角。

上述的方法可选的，所述根据所说角速率确定所述精子的检测结果包括：

在正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库中，获取所述预设功率下的基准角速率；

比较所述精子的角速率和所述基准角速率，根据比较结果，确定所述精子的检测结果。

上述的方法，可选的，所述正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库是通过测定大量正常精子和弱精症精子在不同功率的光镊光束捕获下进行圆周运动的角速率构建的。

第二方面，提供了一种精子活力检测装置，包括：

运动图像获取单元，被配置为执行获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张单帧图像；

角速率确定单元，被配置为执行根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

检测结果确定单元，被配置为执行根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

第三方面，提供了一种精子活力检测设备，包括：存储器和处理器；

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述程序，以实现上述的任一种精子活力检测方法的各个步骤。

9、一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的任一种精子活力检测方法的各个步骤。

借由上述技术方案，本申请获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，根据该图像确定精子进行圆周运动的角速率，根据角速率确定精子的活力检测结果。由于光镊光束是利用光阱力捕获精子头部的，不会对精子造成影响，精子的尾部鞭毛仍可不断运动，并带动精子进行圆周运动，故而无需对精子进行复杂处理即可得到精子的圆周运动图像，该图像获取简便，为精子的实时检测与挑选提供了可能；通过根据精子的圆周运动图像获得精子活力的衡量指标——角速率，定量的表征了单个精子的活力情况，实现了单个精子活力的定量检测，并为辅助生殖技术的实践提供了一定的依据。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1(a)是根据一示例性实施例示出的精子在光镊光束捕获下做圆周运动的示意图；

图1(b)是根据一示例性实施例示出的精子在光镊光束捕获下做圆周运动的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种精子活力检测方法的流程图；

图3是根据一示例性实施例示出的夹角θ示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种精子活力检测装置的结构示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种精子活力检测设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种精子活力检测方案，可以适用于解决单个精子活力的定量检测问题。

本申请方案可以基于具备数据处理能力的终端实现，该终端可以是手机、电脑、服务器、云端等。

下面对本申请提及的基本概念进行解释说明：

光镊技术，是以光的力学效应为基础，利用强会聚激光光束与微粒相互作用形成的三维势阱来捕获微粒(可捕获的微粒大小范围是几微米到几十微米)，使得微粒在光束的纵向和轴向均被捕获，进而实现对微粒的操控。光镊技术被广泛地应用于生物学、生物物理学、化学等众多领域，与生物医学的集合也十分普遍。发明人经研究发现，由于人类的精子头部是几个微米，故而可以被光镊发射的激光光束捕获，从而可以通过计算精子被光镊光束捕获后、进行圆周运动的角速率，来实现单个精子活力的定量检测，进而为辅助生殖技术的实践提供一定依据。

光镊光束，是由光镊发射出的一定功率的激光光束，若使用光镊光束照射精子样本，由于光镊具有良好的空间分辨能力，故而可以实现空间中单个精子的捕获。并且还需要根据精子的情况来选择适当功率的的光镊光束，原因在于，一般来说精子的游动速率越快，该精子的活力越强，捕获该精子所需的光阱力也越大，故而需要选择更高功率的光镊光束来保证该精子不会逃逸。

在精子的头部被光镊光束捕获后，若光镊发射的激光光束的功率足够，即被捕获的精子的活力不足以逃离光镊光束的捕获，则该精子会在光镊光束的捕获下做圆周运动。圆周运动产生的原因在于，精子的头部被所述光镊光束捕获，相当于精子的头部被困于一个小范围的井中，由于光镊不会对精子造成影响，故而精子的活力不会受到影响，且其尾部鞭毛还可以不断运动。至少在一个垂直于光镊光束的平面内，精子可以呈现出在尾部鞭毛的推动下围绕光镊光束的圆周运动。对于活力越强的精子，其尾部摆动的力也就越大，运动速度也就越快，这样就将精子的游动转换成圆周运动，进而可以用圆周运动的角速率衡量该精子的活力。

需要说明的是，角速率是指精子在一段时间内的平均角速率，选择的时间间隔越小计算得到的平均角速率越接近瞬时角速率。此外，由于本方案是用角速率，具体来说是用一段时间内的角度变化，来衡量精子的活力情况，故而无需关注精子的运动方向；并且在一段时间内，若精子的运动方向没有改变，所对应的运动图像起点和终点的选择也可以与时间的先后不对应。

精子的圆周运动图像可以被显微成像装置采集到，由所述显微成像装置采集的所述精子在光镊光束捕获下的圆周运动示意图如图1所示。该圆周运动图像的采集，可以是自动触发的，也可以是人工决定的，例如，在精子的头部被光镊光束捕获到的情况下，自动触发显微成像装置进行一段时间的视频图像采集并存储；或在人工通过显微成像装置观察到精子的头部被捕获的情况下，人工决定开始采集图像。该视频图像可以由显微成像装置直接上传给执行精子活力检测的装置，也可以被处理后上传给精子活力检测装置，该处理可以是将一段时间的视频图像拆分成一个由多张单帧图像构成的图像集，其中，每一张单帧图像都具备对应的被采集时刻的信息。

接下来，结合图2所示，本申请提供的精子活力检测方法可以包括如下步骤：

步骤S1、获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像。

其中，所述图像包括至少两张单帧图像。如果将两张图像构成的图像对作为进行一次角速率计算的对象，则在获取了多张单帧图像的情况下，可以构成多个图像对，并且不同图像对的采集时间间隔可以是相同的，也可以是不同的，组成各图像对的两张单帧图像需要满足下述要求：

两张单帧图像对应的采集时刻间的时间间隔至少是视频图像采集的帧率分之一；

在两张单帧图像对应的采集时刻之间，精子进行所述圆周运动带来的角度变化没有超过后续计算可利用的范围，例如，若后续计算利用了数量积公式，则该可利用的范围为0°至180°；若利用向量积公式，则该可利用的范围为0°至90°。

步骤S2、根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率。

其中，在步骤S1获取的是多张单帧图像的情况下，本步骤可以计算得到多个角速率，在后续的步骤中可以是用一个角速率作为精子的活力判断依据，比如选择其中一个或多个角速率的平均值作为本步骤最终获得的角速率，用于后续的精子活力检测，该平均值可以是算数平均值，也可以是其他形式的平均值；在后续的步骤中也可以是用多个角速率作为所述判断依据。后续以一个角速率作为判断依据进行示例性说明。

步骤S3、根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

其中，检测结果是通过比较该精子的角速率与其他精子的角速率确定的。

基于光镊技术，本发明公开了一种通过精子进行圆周运动的图像计算确定精子的角速率，从而确定精子的活力情况的精子活力检测方法，因为光镊技术不会对所捕获的精子造成影响，即不会影响所述精子的活力，所以不会影响精子活力的确定结果；通过计算精子在一定功率的光镊光束的捕获下的圆周运动角速率，用于表征精子的活力，实现了精子活力的定量检测；此外，由于是根据精子被光镊光束捕获后的若干帧图像，进行的精子角速率计算，本方法还具备无需对精子样本进行复杂处理的特点，操作简便从而降低了检测成本，并且图像获取简便迅速，为实时检测与挑选精子提供了可能，为辅助生殖技术的实践提供了一定的依据。

下面对实现精子活力检测的各个步骤进行示例性说明，首先将对根据圆周运动图像确定精子角速率的相关步骤进行阐述。

在本申请提供的一些实施例中，上述的步骤S2、根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率，可以包括：

S201、按照预设的方向标准分别获得两张所述单帧图像上的所述精子的方向向量。

在一种可能的实现方式中，所述预设的方向标准可以是所述方向向量的起点是所述精子的头部，终点是尾根部，也可以是所述方向向量的起点是所述精子的尾根部，终点是头部。

其中，所述方向向量可以是用坐标表示的，故而在获取所述方向向量之前，需要在两张所述单帧图像上按照相同的坐标系建立规则建立坐标系，可以通过编写程序，使用算法实现自动识别所述精子的头部坐标和尾部坐标，两坐标相减得到所述方向向量。

使用相同的方向标准和使用相同的坐标系建立规则，都是为了能够用从两张单帧图像上获取的方向向量的夹角来描述在相应的时间段上精子的角度变化，此外，其他可以实现上述目标的方式也是可行的，例如，增加一张图片的透明度，按照对应的长宽、方向关系将两张图片合成成一张可以显示精子在两个时刻的姿态的图片，在这张图片上建立坐标系、获取两个所述方向向量。

S202、计算两个所述方向向量的夹角，用所述夹角除以采集所述两张所述单帧图像的时间间隔，得到所述精子的角速率。

其中，在所述图像是两张相邻的单帧图像的情况下，所述时间间隔与所述视频图像采集的帧率有关，标记所述帧率为f，则所述时间间隔t＝1/f。

在一种可能的实现方式中，所述步骤S202中的计算两个所述方向向量的夹角的过程，可以包括：

S1、根据两个所述方向向量利用数量积公式计算所述夹角的余弦值；

S2、根据所述余弦值利用反余弦函数计算所述夹角。

在一次所述角速率计算过程中，所述夹角的示意图如图3所示，其中，对所涉及到的两个所述方向向量，标记初始方向向量为

终止方向向量为

所述夹角为θ，利用公式(1)进行如下计算：

为所述方向向量标记初始和终止的目的仅在于便与描述，可以标记由一对图像中的任一图像得到的所述方向向量为初始方向向量，则另一向量为终止方向向量。

此外，也可以通过使用或不使用方向向量的其他方式获得一定时间内的所述精子的角速率。例如，在所述夹角不超过90°的情况下，可以利用方向向量、向量积公式和反正弦函数计算所述夹角；若不使用方向向量，则可以采取下述方法获得所述夹角：以点的形式标记所述单帧图像上的所述精子的头部和尾部，并连接得到线段，修改所述单帧图像的透明度，将两张单帧图像按照对应关系重叠合成一张图像，测量两个所述线段间的夹角。

接下来，将对根据角速率确定精子活力检测结果的步骤进行阐述。

在本申请提供的一些实施例中，上述的步骤S3、根据所述角速率确定所述精子的检测结果，可以包括：

S301、在正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库中，获取所述预设功率下的基准角速率；

S302、比较所述精子的角速率和所述基准角速率，根据比较结果，确定所述精子的检测结果。

其中，所述正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库是通过测定大量正常精子和弱精症精子在不同功率的光镊光束捕获下进行圆周运动的角速率构建的；所述预设功率下的基准角速率可以是由所述正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库中的不同精子在预设功率的光镊光束捕获下的圆周运动角速率的阈值确定的，在该阈值中，较为重要的是正常精子圆周运动速率库中的对应功率下的的圆周运动角速率的最小值。

通过比较该精子的角速率和基准角速率的大小关系，来衡量精子的活力情况，即用精子的角速率来表征其活力情况，实现了精子活力的定量检测；此外，也可以较为直观地分析不同活力的精子的运动情况，从而实现对不同活力的精子的分类研究。

下面对本申请实施例提供的精子活力检测装置进行描述，下文描述的文本处理装置与上文描述的文本处理方法可相互对应参照。

参见图4，图4为本申请实施例公开的一种精子活力检测装置的结构示意图。

如图4所示，该装置可以包括：

运动图像获取单元401，被配置为执行获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张在时间上连续的单帧图像；

角速率确定单元402，被配置为执行根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

检测结果确定单元403，被配置为执行根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

在一种可能的实现方式中，所述角速率确定单元402，可以包括：

方向向量获取单元，被配置为执行按照预设的方向标准分别获得两张所述单帧图像上的所述精子的方向向量；

夹角计算单元，被配置为执行根据两个所述方向向量确定所述夹角；

角速率计算单元，被配置为执行用所述夹角除以采集所述两个相邻的单帧图像的时间间隔，得到所述精子的角速率。

在一种可能的实现方式中，所述方向向量获取单元，可以包括：

图像识别单元，被配置为执行识别所述精子的头部和尾根部坐标；

方向向量计算单元，被配置为执行按照预设的方向标准将所述头部坐标和尾部坐标作差得到所述方向向量。

在一种可能的实现方式中，所述夹角计算单元，可以包括：

第一计算单元，被配置为执行根据两个所述方向向量利用数量积公式计算所述夹角的余弦值；

第二计算单元，被配置为执行根据所述余弦值利用反余弦函数计算所述夹角；

在一种可能的实现方式中，所述检测结果确定单元403，可以包括：

基准角速率获取单元，被配置为执行在正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库中，获取所述预设功率下的基准角速率；

比较单元，被配置为执行比较所述精子的角速率和所述基准角速率；

结果确定单元，被配置为执行根据比较结果，确定所述精子的检测结果。

本发明实施例提供的精子活力检测装置，可以通过根据所述精子的圆周运动图像计算其角速率，将所述角速率与基准角速率进行比较，来确定精子的活力检测结果，实现了单个精子活力的定量检测。

本申请实施例提供的精子活力检测装置可应用于精子活力检测设备，如终端：手机、电脑等。可选的，图5示出了精子活力检测设备的硬件结构框图，参照图5，精子活力检测设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器1，至少一个通信接口2，至少一个存储器3和至少一个通信总线4；

在本申请实施例中，处理器1、通信接口2、存储器3、通信总线4的数量为至少一个，且处理器1、通信接口2、存储器3通过通信总线4完成相互间的通信；

处理器1可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等；

存储器3可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器；

其中，存储器存储有程序，处理器可调用存储器存储的程序，所述程序用于：

获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张单帧图像；

根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：

获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张在时间上连续的单帧图像；

根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种精子活力检测方法，其特征在于，包括：

获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张单帧图像；

根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率包括：

按照预设的方向标准分别获得两张所述单帧图像上的所述精子的方向向量；

计算两个所述方向向量的夹角，用所述夹角除以采集所述两个相邻的单帧图像的时间间隔，得到所述精子的角速率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设的方向标准是所述方向向量的起点是所述精子的头部，终点是尾根部，或所述方向向量的起点是所述精子的尾根部，终点是头部。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算两个所述方向向量的夹角包括：

根据两个所述方向向量利用数量积公式计算所述夹角的余弦值；

根据所述余弦值利用反余弦函数计算所述夹角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述角速率确定所述精子的检测结果包括：

在正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库中，获取所述预设功率下的基准角速率；

比较所述精子的角速率和所述基准角速率，根据比较结果，确定所述精子的检测结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述正常精子和弱精症精子的圆周运动速率库是通过测定正常精子和弱精症精子在不同功率的光镊光束捕获下进行圆周运动的角速率构建的。

7.一种精子活力检测装置，其特征在于，包括：

运动图像获取单元，被配置为执行获取精子在被预设功率的光镊光束捕获到头部后进行圆周运动的图像，所述图像包括至少两张单帧图像；

角速率确定单元，被配置为执行根据所述图像确定所述精子进行所述圆周运动的角速率；

检测结果确定单元，被配置为执行根据所述角速率确定所述精子的检测结果。

8.一种精子活力检测设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述程序，实现如权利要求1至6中任一项所述的精子活力检测方法的各个步骤。

9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6中任一项所述的精子活力检测方法的各个步骤。

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