基于智能平臺的低成本細胞計數系統

金克 劉昭 唐俊杰 曾昱錦 翟燕升

摘 要：針對傳統細胞計數儀體積龐大，價格昂貴等問題，文中設計了一款基于智能平臺的低成本細胞計數系統與面向牛奶體細胞計數的微流控芯片。系統依靠微米級功能化模塊，借助微通道、微反應器形成微流體網絡，實現目標細胞的檢測、處理和分析，以統計、圖像處理算法為基礎，以更加友好的方式向用戶提供信息。經驗證，系統性能穩定，可滿足準確計數的要求。

關鍵詞：智能平臺；細胞計數

1 作品簡介

本團隊設計制作了一套基于智能平臺的低成本細胞計數系統。隨著物聯網、智能家居和移動醫療的興起，本系統通過智能終端的高性能傳感器和互聯網實現低成本細胞計數，可為移動醫療檢測提供一種可靠的初步健康診斷方法，監控人或動物的健康狀態。本文設計研究制作了一種基于智能平臺的低成本顯微成像透鏡陣列，使其滿足目標細胞（如血紅細胞、牛奶體細胞等）和智能終端對光路放大的需求，同時創新設計了一套面向牛奶體細胞計數的微流控芯片系統，依靠微米級功能化模塊，借助微通道、微反應器形成微流體網絡，實現目標細胞的檢測、處理和分析。開發相應的智能控制系統和APP應用程序，以相關統計、圖像處理等算法為基礎，在智能終端上實現細胞計數功能，以更便攜、快速、友好的方式直接向用戶提供信息。基于智能平臺的低成本細胞計數系統實物如圖1所示，系統包含的顯微成像透鏡陣列觀察效果如圖2所示。

2 工作原理

基于智能平臺的低成本細胞技術系統包括細胞計數裝置和細胞計數軟件，由Android操作系統貫穿兩部分。細胞計數裝置主要由基于微流控芯片的細胞檢測分析系統、低成本顯微成像陣列和移動終端組成，細胞計數軟件為一款結合圖像獲取、處理、分析等功能的基于智能Android平臺的細胞計數APP。基于智能平臺的低成本細胞計數系統（面向牛奶體細胞）技術路線圖如圖3所示。

2.1 光學成像原理

本研究基于智能手機自帶的微型光學鏡頭和電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device，CCD），開發出一種低成本顯微成像透鏡陣列，用于對微米尺度細胞、粉塵或其他形狀組織等顆粒物進行顯微成像。將設計的低成本顯微成像透鏡陣列以一定方式連接到手機自帶的鏡頭上，載玻片安裝于低成本顯微成像透鏡陣列下方，通過手機屏幕觀察樣品，能夠將原有物體放大約203倍。低成本顯微成像透鏡陣列實物如圖4所示。

本團隊選擇球型透鏡，推導計算公式如下：

此球透鏡理論上可以將視野中的成像最大放大到510倍，但由于本實驗圖像需要根據手機完成最終成像，同時還受其他光學條件的影響（球型透鏡材質含有雜質，影響折射率），實際中的有效焦距約為1.5，故實際放大倍數遠低于此（約為203倍）。

查閱文獻可知，將小球固定在裝置上時，在邊界會產生光學誤差（導致邊界視野模糊）。根據基礎光學公式，推導得出最終適應本顯微成像透鏡的算法公式。消除誤差后得到的能使目標圖像放大相應倍數（203倍）的最優孔大小公式為：

其中：nOAR為最優孔半徑，曲面透鏡的半徑為r，折射率為n，入射波長為λ，求出孔徑nOAR，λ=0.55 mm，k1=0.932 1（k1為光學常數），得到nOAR=177 μm。

基于智能平臺的低成本顯微成像透鏡陣列原理圖如圖5所示。

2.2 微流控芯片的細胞檢測系統原理

微流控芯片采用類似半導體的微機電加工技術在芯片上構建微流路系統，將實驗與分析過程轉載到由彼此聯系的路徑和液相小室組成的芯片結構上，加載生物樣品和反應液后，采用微機械泵、電水力泵和電滲流等方法驅動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進行一種或連續多種反應，快速、準確地對樣品進行高通量分析。

本系統最大的特點是在一個芯片上可以形成多功能集成體系和數目眾多的復合體系的微全分析系統。微型反應器是芯片實驗室中常用的用于生物化學反應的結構，如毛細管電泳、聚合酶鏈反應、酶反應和DNA雜交反應的微型反應器等。其中電壓驅動的毛細管電泳（Capillary Electrophoresis，CE） 比較容易在微流控芯片上實現，它在芯片上蝕刻毛細管通道，在電滲流作用下，樣品液在通道中泳動，完成對樣品的檢測分析。

本產品設計的微流控芯片細胞檢測系統以面向牛奶的微流控芯片為基礎研究內容，考慮牛奶樣品在微流控芯片內部的流場分布、對流與擴散，同時綜合分析牛奶體細胞在微流控芯片的運動行為，提出微流控芯片和SCC牛奶體細胞篩選實驗的優化方案。

其中編號1，2，3，4，5為樣品監測點，A，B，C，D，E為五路樣本流通陣列，結合手機APP對樣本細胞的數量進行統計，實現對多種生物醫學指標的動態監測。經過優化微流控芯片技術可把流體進樣、預處理、反應、分離、檢測等基本功能集成到一塊大小為微米的芯片上，具有快速高效、節省試劑和易于集成等優點。面向牛奶體細胞計數的微流控芯片檢測系統如圖6所示。

2.3 基于智能Android平臺的細胞計數APP開發設計原理

隨著現代科技的發展，互聯網已經由Wintel聯盟統治下的PC時代邁進移動時代，移動設備的操作系統越發強大，各種軟件也能夠陸續移植其中。計算平臺、開發框架、編程語言和操作系統之間的競爭在移動設備間激烈上演。

ZDC在線互聯網消費研究對2014至2015年中國智能手機市場研究報告顯示，根據對市場中常有的三大移動終端操作系統的分析，考慮到Android操系統平臺開放、資源豐富和使用者眾多等優點，本課題選用具有Android 操作系統的移動終端作為軟件開發平臺。

牛奶體細胞計數軟件具有良好的人機交互功能，擁有良好的界面，可調用攝像頭或相冊獲取圖像，處理圖像并計數，之后輸出結果。其中圖像處理部分為軟件的技術核心，包括對彩色圖像的預處理、圖像分割及計數算法研究等。該圖像處理部分充分運用于實驗得到的具體體細胞圖像中，而非處理的體細胞圖像具有良好的實用性，算法的選擇也充分考慮了現實要求。Matlab 軟件具有強大的功能，是工程應用領域仿真應用最為廣泛的軟件之一，其的圖像處理功能尤為突出，擁有強大的圖像處理工具箱，可為圖像處理算法仿真提供穩定、寬廣的平臺。本軟件中的圖像處理算法是在Matlab平臺中仿真、檢驗后，再用Java編程語言移植到Android軟件中。智能終端細胞計數分析APP軟件系統機構框架如圖7所示。

本系統實現計數功能的方式有手動計數和自動計數兩種。

（1）手動計數：通過手工點擊屏幕記錄細胞的個數，每點擊一次，屏幕顯示被點擊的細胞，細胞累加。同時可以根據細胞的大小和顏色進行定向選取與定量分析。

（2）自動計數：以圖像灰度處理為基礎，自然界中的顏色轉化為數字圖像中的顏色時，通常可以使用三基色來表示，國際上規定的三基色分別為紅（R）、綠（G）、藍（B）。一幅彩色圖像每個像素點的色彩由R，G，B分別從0～255中取值組合構成，共有1.86×107種色彩。如果一幅圖中所有像素點的R=G=B，也就是紅、綠、藍分量值相同，那么這幅圖像呈現為灰度圖像，灰度圖的灰度（gray）取值范圍為0～255，共256個級別。將一幅彩色圖像轉化為灰度圖像稱為圖像的灰度化；而將一幅灰度圖像轉化為彩色圖像稱為圖像的偽彩色化。若直接對彩色圖像進行處理，運算量大，影響軟件的運行速度，因此選擇將其轉化為灰度圖像以減小運算量和存儲空間。考慮到本課題中得到的彩色數字圖像顏色單一，將其轉化為灰度圖像不會影響數字圖像信息的完整性，因此圖像處理的預處理部分首先將彩色圖像灰度化。

RGB圖像轉化為灰度圖需使用均值法、最大分量法和加權值法。具體而言，首先對圖片進行灰度處理，依據多次實驗結果把RGB圖像轉化為灰度圖像。

灰度值=0.3×R+0.59×G+0.11×B。把灰度圖像轉化為二值化圖像，并用Seekbar控制二值化圖像的閾值，之后將Bitmap圖像轉化為Byte[]數組，便于聯通區域的計算。計算8聯通區域的個數。4連通或8連通是圖像處理中的基本感念。8連通是指一個像素如果和其他像素在上、下、左、右、左上角、左下角、右上角或右下角相連接，則認為它們是聯通的；4連通是指如果像素的位置在其他像素相鄰的上、下、左或右，則認為它們相連接，是連通的，在左上角、左下角、右上角或右下角連接，則不認為它們連通（請注意“或”字的含義，就是滿足其中一個條件就認為是連通的）。

最后用Java重寫Matlab中的bwlabel函數：遍歷圖像，并記下每一行（或列）中連續的團（run）和標記的等價對，然后通過等價對對原來的圖像重新標記。對聯通區域的面積進行篩選，只有面積大于最大聯通區域面積一半的聯通區域才會被計數，以進一步降低噪聲的干擾。

圖8所示的智能終端細胞計數分析APP軟件結構圖顯示了牛奶體細胞計數軟件的整體結構，打開軟件首先進入Loading界面，后臺運行結束后進入主界面，通過按鈕控件可以選擇獲取圖像的方式：

（1）調取相冊中已存在的牛奶體細胞圖像；

（2）調取終端攝像頭配合前置牛奶體細胞計數裝置直接獲取牛奶體細胞圖像。

獲取圖像后，截取其中光照良好的部分作為軟件后續算法處理的初始圖像，在SD卡中建立圖像文件夾用于存儲截取圖像，將截取圖像縮略顯示在主界面的圖像顯示控件中，供用戶預覽。

軟件界面應當簡單明了，方便用戶獲得良好的人機交互體驗。面向牛奶體細胞計數與濃度分析軟件界面圖如圖9所示。

3 創新點

本產品適應于移動醫療和互聯網智能家居、智能醫療潮流的時代大背景，特色和創新之處在于開發了一套便攜式、低成本顯微成像透鏡陣列，將其與智能終端APP有機結合，實現了便捷有效的細胞計數。現有細胞計數檢測方法由于儀器昂貴、操作復雜、檢測成本高，不利于疾病診療的普及與推廣。相比之下，本作品具有顯著特點，基于智能平臺的顯微成像透鏡陣列設計使低成本、便攜的光學放大系統具有極大的靈活性和可行性，此外還具有多重特色功能的細胞計數APP的設計與開發，容易實現本產品整體功能的整合、移植與升級，創新性設計的微流控芯片智能檢測系統可以實現對細胞的處理、檢測與分析的快速化、自動化與微型化。其中，微流控芯片技術在生物化學檢測領域目前已初步取得成果，基于智能手機等移動終端的移動醫療技術也是國家“十二五”“十三五”規劃所重點支持的創新領域。本項目將微流控芯片技術與智能手機等移動終端結合，擬實現對人或動物的體細胞計數和對相關疾病的預警，是移動互聯時代醫療與食品安全檢測手段的一種新嘗試和本項目的創新所在。

此系統不受地域和環境限制，具有低成本、安全操作、方便攜帶等優點，結合智能手機和醫療診斷平臺，本產品將在現場檢測（POCT）和體外診斷（IVD）領域展現一系列傳統方法不具有的功能與特點。這在一定程度上改善了人們的醫療條件，尤其對于基層人民和動物的醫療診斷環境而言具有顯著意義和重要價值。

本產品通過APP功能設計實現與智能終端無縫對接，其低成本的細胞計數檢測對于降低檢測成本、簡化檢測過程、完善大數據系統、構建云醫療平臺等具有重要的現實意義。而且其應用移植、升級前景廣闊，利用手機平臺提供的地理信息可以方便國家醫療機構對相關疾病患者的區域分布信息及其變化趨勢進行有效記錄，對疾病的流行與傳播實施更加有效的監控。

本系統潛在的創新性應用背景如下：

（1）血細胞計數：用于貧血等的初步診斷；

（2）牛奶體細胞技術：用于牛奶質量等食品安全檢測；

（3）飲用水細菌濃度檢測：用于生活用水質量檢驗；

（4）其他需要借助細胞計數的檢測或健康診療領域的應用。

4 市場前景

4.1 產業背景

移動醫療（Mobile Health）即通過移動設備提供與醫療相關的服務，如通過PDA、移動終端和衛星通信來提供醫療信息和醫療服務等。智慧醫療作為新興的專有醫療名詞，指利用最先進的物聯網技術打造健康檔案區域醫療信息平臺，實現患者與醫務人員、醫療設備之間的互動，逐步實現信息化。兩者相輔相成，都積極應用互聯網、物聯網、云計算等信息化技術來轉變衛生服務模式，成為醫療事業新的發展愿景。

政策層面上，伴隨著“十三五”規劃建議落地，健康中國正式升級至“國家戰略”，以互聯網醫療為核心的健康中國建設將成為“十三五”期間深化醫療衛生體制改革的重頭戲。其中“互聯網+”將成為深化醫改，推進健康中國建設的重要技術手段，且歷經兩年的模式創新、商業試錯、資本逐鹿，互聯網醫療產業終于步入黃金時代，作為其組成部分的移動醫療、智慧醫療產業也將進入快速發展期。

同時，2015年3月30日，國務院辦公廳在印發的《全國醫療衛生服務體系規劃綱要（2016-2022年）》中，提出“健康中國云計劃”，成為“互聯網+”在醫療衛生服務體系領域具體的實踐指導，為細分領域的移動醫療、智慧醫療設計了一個理想的發展藍圖，并預測其將迎來五年的黃金發展期。

政策助力。在醫療信息化進程加快的背景下，互聯網公司與傳統醫療機構積極開啟醫療產業新的市場空間，百度、騰訊、阿里等國內IT巨頭紛紛扎堆進軍智慧醫療領域，傳統醫療機構也在該領域尋求創新發展道路。巨大的市場空間吸引著越來越多創投資金涌入。

4.2 市場需求

細胞計數技術廣泛應用于血液細胞檢測、細菌濃度檢測、疾病診斷與預測等醫療健康領域。隨著物聯網、智能家居和移動醫療的興起，在家居環境下獲取人體自身細胞的有效信息，利用智能終端和網絡，足不出戶地實現初步醫療診斷和檢測，是提高全民健康意識和提升國民健康水平的有效手段。

目前市場對于細胞計數系統的需求主要體現在臨床診斷方面，主要用于醫院、診所以及科研實驗室。致力于幫助實驗室向醫生、患者提供精準的檢驗數據，協助醫生做出正確的診斷。在生命科學市場中，用于生物技術公司、制藥公司、研究機構以及高校，科學家使用我們的產品進行各種科學研究，如藥物開發、遺傳分析等。在過去多年間，細胞計數儀已被世界各地醫務人員和科研工作者普遍接受和認可。

由于移動醫療的蓬勃發展，普通民眾對于智能醫療硬件的需求急劇增加。現場檢測以其方便快捷的特點正吸引著越來越多的關注。低成本的細胞計數系統迎合廣闊的市場需求，結合醫療行業“互聯網+”的迅猛發展勢頭，在移動終端應用領域利用信息技術優化醫院流程以及其他移動醫療應用成為當下的熱門。移動通信聯盟研究報告預計，從2013年到2017年，移動醫療應用的年均增速在50%以上。

基于智能平臺的低成本細胞計數系統無論在智能硬件還是醫療應用領域均有較大的需求量。尤其微流控芯片與智能終端相結合，使其具有便攜、快捷的特點，市場前景廣闊。

更為重要的是，在保證基本功能與精度的前提下，其極低的制作成本更能使其為大多數消費者接受。根據有關統計信息，低成本的細胞計數儀在未來五年的需求量可達27 000套。

4.3 行業概況

目前我國正處在“移動醫療”向“智慧醫療”轉變的過程中，整個產業已經整合了移動醫療服務商、醫療設備制造商、IT巨頭、風險資本、移動運營商、應用開發商、數據公司和保險企業等眾多參與者，形成了以智能健康設備和在線醫療為主的產業格局。2014年中國移動醫療市場規模達到32.6億元，同比增長39%。2017年底，其市場規模已達125.3億元。同時，智慧醫療正保持高速增長的態勢。2014年中國智慧醫療的投資規模已達304.2億元，比2013年增長26.9%，細分領域中，智慧醫院的投資比例為63.9%，區域衛生的投資比例為26.7%。同時，智慧醫療的應用情況也在快速推進，醫療衛生、醫院、養老、醫療保健以及社區醫療等領域均在探索智慧醫療的應用模式，該行業的市場空間不斷擴大。

2014年，以BAT巨頭為代表的互聯網企業開始加速布局移動醫療領域。此外，傳統醫藥公司也紛紛布局拓展醫療產品。2015年以來，國內智慧醫療的投資延續了2014年的火熱勢頭，資本方對移動醫療的興趣更是有增無減。顯而易見，資本市場的進入正推動著整個行業的快速發展。

目前，細胞計數檢測主要由流式細胞儀完成，在發達國家或發展中國家的發達地區已較普及。但因其配套儀器價格高昂、操作復雜、檢測成本高、操作環境要求高等因素，難以在發展中國家或欠發達及偏遠地區進行普及檢測，不利于細胞計數相關的病程周期監測與抗逆轉錄病毒治療效果的評估。為了緩解“看病難，看病貴”的問題，在全世界范圍內，人們正在積極研究尋找新型、易操作、低成本、全自動的細胞計數檢測方法與技術。作為體外診斷的一個重要組成部分，現場檢測以其成本低、方便、快捷等特點，正成為改善醫療條件，尤其是基層醫療環境的重要手段之一。

未來移動技術將在全球醫療保健服務領域發揮重要作用。對于移動運營商、醫療設備制造商、芯片企業、應用開發商等通信產業鏈中的各個環節來說，無論是“移動醫療”還是“智慧醫療”，都可謂是一座“金礦”，是一項潛力極大的朝陽產業。未來，隨著互聯網技術的快速發展、新產品開發的加速和企業運營實力與創新能力的不斷增強，其產業鏈將向縱深方向發展。

5 競爭分析

分別從橫向和縱向分析現有的競爭情況：

目前市場上具有生產和銷售細胞計數儀能力的廠家數量少，產品價格較高，使用范圍有限，使得現有行業不景氣，且以外國技術為主，可根據功能與原理的區別分選出高中低不同檔次。直接鏡檢法是體細胞計數的標準方法，將均勻涂覆于基板的細胞用亞甲基藍染色并干燥后在顯微鏡下直接計數，折算體細胞數，也可熒光染色后在熒光顯微鏡下讀數。該方法準確度高，但過程復雜費時，不適于現場快速檢測。CMT方法源于加州，體細胞在遇到表面活性劑時收縮，凝集效應明顯，根據凝集現象來判斷體細胞的相對含量，該方法價格便宜，但不能得到體細胞的具體數值。上海、杭州、西北農林科技大學等提出的SMT，HMT和YMT方法由CMT改良得到。庫爾特計數器基于電阻抗原理，當牛奶中的顆粒物通過電極時產生脈沖，根據脈沖數目和閾值可讀出牛奶的體細胞數，但此方法需對牛奶進行15小時以上的預處理來破壞脂肪顆粒提高信噪比。丹麥Fossomatic5000系列、荷蘭Delta體細胞計數儀、美國Bently等高速體細胞計數儀的出現雖大大提高了檢測通量，但設備昂貴。為此，對牛奶體細胞等細胞的檢測技術研究應力求開發一種相對準確、成本適中的快速檢測方法。本產品以低成本、方便、快捷為主要出發點，行業在發展初期，面臨的競爭壓力小，市場容量大。

以智能終端為載體進行移動醫療的同類產品主要以血壓、心跳等指標為檢測對象，以智能手環、智能血壓計、智能血糖儀、智能電子秤等設備為主要形式，可隨時檢測自己的心率、血壓、睡眠等。但對于細胞水平的分析與診斷在一定程度上仍處于空白階段。

本產品是基于智能平臺的低成本細胞計數系統，面臨的行業橫向與縱向的競爭壓力較小。