豬精液品質智能檢測和大數據平臺

雷正達 莊斌 稅丹 張益書 景南鑫 李莉 龔洋

摘要：通過微流控技術與透射式技術的比較研究，將公豬精液檢測設計為加樣超微芯片和數據分析處理的主機組成，以及大數據、人工智能平臺的整合，完善了豬精液品質快速檢測的智能系統，實現了豬精液品質檢測的智能化、大數據、互聯網技術與養豬業的深度融合。

關鍵詞：豬精液;品質檢測;超微芯片;大數據云平臺

中圖分類號：S828.3 文獻標識碼：B 文章編號：2095-9737（2018）10-0006-03

1 背景

我國生豬養殖量居世界第一，出欄肥豬占世界的50.6%，母豬存欄達4423萬頭[1]，占全球總量的60%以上。由于豬肉是我國消費量最大的肉類食品，約占肉類消費總量的65%左右，因此豬肉的品質、產量等都會直接影響國民生活水平[2]。人工授精技術（AI）是一種有著重要實踐意義的生殖輔助技術。豬的人工授精技術始于20世紀30年代，目前中國每年大約有3000萬頭母豬進行人工授精，受孕率達80%～90%，與自然交配的產仔率和產仔數相差無幾，甚至更高[3]。由于其不僅可以充分發揮優秀種公豬的遺傳潛力，還可以減少種公豬的飼養數量、降低飼養成本、減少性傳播疾病、提高母豬的受胎率和窩產仔數、提高生產效率、獲得更高的經濟效益等，現已廣泛應用于集約化、規模化、標準化的大型養殖場和家庭農場。

在豬的人工授精過程中，公豬精液的品質是關系到母豬受精率和產仔數的關鍵因素。精子密度越大、活力越強、畸形精子越少，說明公豬精液質量越好，配種后母豬的受精率和產仔數越高，反之越低。因此在人工授精前，首先要評定精液的質量，從而才能保證有足夠數量和活力的精子。同時，通過對精液質量評定還能監控公豬健康狀況和繁殖潛力，從而可優化個體遺傳潛力，發揮最大繁殖能力。

目前我國公豬精液檢測90%以上采用“生物顯微鏡檢測法”，雖然國家標準的制定也是以此方法為參照，但此法具有較大的局限性。除了檢測主要采用量筒、顯微鏡等儀器進行，每一指標單獨檢測，對設備要求低但檢測步驟繁瑣之外，更為突出的問題有以下幾點：①檢測過程是靠人的肉眼分辨計數，人為因素影響較大，準確性差;②從采精到精液稀釋，再到檢測結果出來，時間需30～50min，不能實現快速檢測，耗工耗時;③由于公豬精液中的營養有限，精液原液超過30min，精子因營養不足，其活力顯著下降，在實際檢測中有很大的局限性，也會影響檢測結果的準確性;④不能實現采精和配種前現場檢測;⑤不能實現互聯和大數據的累存和精液質量跟蹤。

國外已有公司研發公豬精液智能檢測設備，其原理是經染色（與傳統顯微鏡染色原理相同）圖像識別法。該方法通過監測活動精子被收集區域的熒光強度，可以同時分析活動精子密度和活動力。熒光染色一段時間之后，其熒光強度被用來量化活動精子的密度。此外，精子的運動也有助于積累熒光信號。但其也有如下局限性：①進口價格昂貴，每臺售價在30萬元以上，養豬場很難接受;②不能實現數據的快速分析;③不能實現平臺的數據儲存;④不能實現歷史數據的快速調閱和數據跟蹤;⑤設備體積較大，現場使用不便等。

隨著精液保存技術的發展，以及國外凍精液引入，傳統的精液品質檢測評估方法和手段已經不能夠滿足豬人工授精的需要。我國母豬平均產仔數與發達國家相比具有較大差距，這與我國對公豬精液沒有實行每批次檢測，精液解凍后、配種前沒有實行檢測和質量監控有很大關系。因此我國急需更先進的公豬精液品質檢測評估的先進儀器，以進一步提高人工授精在養豬生產中的作用，從而提高生產成績和效率。

2 智能檢測系統研究方法與路線的探索

2.1 前端信息采集的微流控技術路線

目前，基于微流控芯片技術的精液品質智能檢測設備在人類精液方面的研究較為深入，并已形成產品，以此為參考選擇微流控技術中較為主流的兩種分析方法進行研究，即跑道式的阻抗脈沖信號分析法和透射式的高速拍攝圖像視覺分析法。微流控芯片是微型全分析系統的一種，可在微納尺度上集成多種功能單元，且能提供相對封閉的接近生理狀態的生長微環境。由于能夠實現在整體可控的微小平臺上將多種單元操作技術規模集成、靈活組合，微流控芯片已成為一種最具發展潛力的細胞研究平臺[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，三個儲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節圖。儲液池的橫截面面積（20mm×20mm）選擇要盡可能的大以減小每個裝載液柱高度的變化（最多5%的變化）。流場的驅動力由三個液柱高度的差異產生，在儲液池A中是10mm高的緩沖試劑溶液，儲液池B中是4mm高的純精液，儲液池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的設計是7mm長，500μm寬。其他尺寸細節如圖1（c）所示。

以跑道式的阻抗脈沖信號分析法進行設計，則在生物芯片中設計一個長的微流道，當精液樣本被滴人充滿試劑的芯片之后，精液中的精子細胞就在微通道中游動，利用精子的逆流特性OSS分離判定活動精子，根據庫爾特電阻抗原理令精子通過特定位置傳感器，此時電阻發生變化，產生電脈沖。精子通過孔道期間電壓降低的時間追蹤包含豐富的信息：感應脈沖的振幅呈現精子的體積，持續時間可評估出游過速度，疊加在脈沖信號的電壓波動可以計算出拍頻，利用這一原理和信息測算精子數量和活力。

這一研究成果應用到豬精液品質檢測領域，則出現較難克服的問題，如豬精子個頭較大，活動能力較強，運動速度更快，容易在跑道人口處堵塞等。雖然可再通過改變介質密度和黏度等的手段改善這個問題，但還需進一步更深入地探索研究。

2.2 前端信息采集的透射式技術路線

以透射式的高速拍攝圖像視覺分析法進行設計，則當精液樣本滴人芯片進樣口后，精液中的精子細胞在微通道中游動，均勻填滿精子計數板采樣區域，通過光學超清顯微鏡頭組和配套的高清攝像頭，運用全智能電控進行自動對焦自動尋軌，拍攝樣本圖片及短視頻采集精子的外觀信息及運動信息，使用機器視覺和圖像處理技術進行各種運算來抽取目標的特征。通過CCD采集圖像;進行除噪、平滑等預處理;進行圖像分割，二值化處理;進行邊緣檢測來提取特征。同時，正態高斯動態圖像智能算法，精準識別精子運動軌跡。從而對精子進行密度、活力、運動性分析、形態學分析。通過設置多個進樣池，每個進樣池檢測時為定點拍照、短視頻拍攝，逐幀分析，判斷精子活力。這一方案實現了對豬原精液、稀釋后的精液、解凍后配種前精液的快速檢測、智能分析、操作便捷、快速高效之目的。

2.3 大數據分析和人工智能云平臺搭建

隨著移動互聯網、物聯網和云計算的迅速發展，開啟了據庫技術的成熟和普及、高內存高性能的存儲設備和存儲介質的出現，大量檢測數據的統計分析、云端儲存、快速調閱成為可能。我們研發的豬精液智能檢測設備系統通過創新統計分析方法和數學模型的建立，對每頭公豬精液檢測數據（實時檢測的全部數據）實現了自動生成統計分析判斷結果，數據永久儲存，數據溯源跟蹤，實時快速查閱。

該系統平臺原理是通過國內基于Nginx改進的前端代理服務器Tengine，集成創新開發的socket集群，該socket集群采用基于Java開發socket server，集成開源的Zookeeper做服務注冊，服務配置和服務選擇，提供高可用的，高吞吐的后端socket數據服務，保證數據不會丟失。同時，采用的是開源mysql搭配開源NOSQL redis和mongodb，通過定義三層數據熱區（常用，一般，歸檔）來實現數據快速訪問和大數據量的存儲平衡。由于該移動應用通過采用HTML5框架，加入Jquery mobile等組件，共同搭建可以同時運行在蘋果iOS和安卓Android應用程序，使得用戶可以得到統一應用的界面和操作習慣。整個云平臺的運行流程見圖2。

3 豬精液品質智能檢測系統的產品性能

通過不同技術路線的探索研究，采用前端信息采集的透射式技術路線和大數據分析和人工智能云平臺組合，實現了豬精液品質檢測的智能化、大數據、互聯網技術與養豬業的深度融合。

該系統的檢測參數如表1所示，能達到的性能技術指標如表2所示。整個系統全智能運行，減少人為誤差，提高數據精確度，減少測試樣本浪費，做到精準檢測;智能分析，分析報告詳細，全面反映精子質量，把握公豬生產性能，提高母豬產仔率;快捷高效，操作便捷，無需專業人員;智能聯合，全網通數據模塊，無縫對接農場管理軟件，構建質量回溯通道。

4 結論

通過微流控技術與透射式技術的比較研究，將公豬精液檢測設計為加樣超微芯片和數據分析處理的主機組成，采用直接圖像法，當精液樣本滴人芯片進樣口后，精液中的精子細胞在微通道中游動，均勻填滿精子計數板采樣區域，通過光學超清顯微鏡頭組和配套的高清攝像頭拍攝樣本短視頻，從而對精子進行密度、活力、運動性分析、形態學分析的技術路線，以及大數據、人工智能平臺的整合，完善了豬精液品質快速檢測的智能系統，實現了豬精液品質檢測的智能化、大數據、互聯網技術與養豬業的深度融合。

這一系統的建立，不僅提高公豬精液品質檢測的精度，且快捷高效，還能實現公豬原精液、稀釋精液、配種精液（配種前精液）每批次、每頭份檢測，這必將提高母豬的產仔數和生產成績，無疑對我國養豬產業是一大貢獻。

參考文獻：

[1]2014年國家統計局數據

[2]李小金，錢坤，劉林清，等.基于RNA-seq技術對不同品種豬背最長肌差異表達基因的篩選與注釋[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2016，44（6）：1-8.

[3]王佳輝，黃宣凱，秦曉文.目前國內外豬人工授精新技術及新產品[J].現代畜牧科技，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.