便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法及系统

1.本发明属于精子活性检测技术领域，具体涉及一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法及系统。


背景技术：

2.精子的活力和形态等作为人类精液检查中的关键部分，对于优生优育和科学备孕来说具有十分重要的意义。现有的精子检测是需要去医院完成，其中，由实验员对精液标本的进行精液的性状，是否存在液化，是黏稠形态或稀稠形态，以及其颜色、有没有白细胞、有没有红细胞等进行大致的判断后，由计算机进行辅助分析，获得精液标本的精子密度、精子的每毫升的数量以及精子活力的结论；其中，精子活力又分为快速向前、慢速向前以及不动精子的分类和精子畸形率。但是，由医院进行的精子活性检测需要完成检查前准备、取精、精液分析、读取分析报告这四个步骤，进行一次检测最少需要一周的时间；且存在对检测仪器和医生经验要求较高的弊端。
3.现有技术中存在利用精子活力密度检测试纸进行精子活性检测的方法；但是，精子活力密度检测试纸只能检测精子的数量，且大约有10％待检测者因其精子数量未达到精子活力密度检测试纸的临界值被判定为阴性，但是其仍然具有一定的生育能力；所以，精子活力密度检测试纸并不能作为待检测者是否具有生育能力的判定方法。
4.因此，亟需一种便捷、高效地精子活性检测方法及系统。


技术实现要素：

5.本发明提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法、系统、电子设备及存储介质，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，方法包括：将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；
7.通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；
8.将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
9.进一步的，优选的方法为，cm-dil生物衍生物活化染色液的获取方法包括：
10.将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；
11.然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；
12.将活化的溶液在37℃下进行摇床反应6小时后，进行反应产物纯化获得cm-dil生物衍生物活化染色液。
13.进一步的，优选的方法为，hbss缓冲液包括：0.1-0.5mol/l的氯化钠、0.2-2mmol/l
的乙二胺四乙酸、0.01-0.05mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.05-0.2mol/l柠檬酸和0.1-0.5mol/l磷酸氢二钠。
14.进一步的，优选的方法为，将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息的方法包括：
15.将荧光光谱信息利用预设的精子活力检测模型进行预处理获得去噪后的荧光光谱信息；
16.将去噪后的荧光光谱信息通过光谱分析仪进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
17.进一步的，优选的方法为，光谱分析仪通过色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需的波长区域，并在选定的波长上进行强度测定；波长区域包括：蓝光的波长区域为435～450nm；绿光的波长区域为495～580nm；红光的波长区域为645～760nm。
18.进一步的，优选的方法为，当精子活性荧光生物染色剂还包括吖啶橙染料时，在获得精液样本的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息之外，还能获得精子的dna碎片率信息。
19.为了解决上述问题，本发明还提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统，包括：检测单元，用于将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；
20.光谱信息获取单元，用于通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；
21.数据分析单元，用于将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
22.为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，电子设备包括：
23.至少一个处理器；以及，
24.与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
25.所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法中的步骤。
26.本发明还保护一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法。
27.本发明的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法、系统、电子设备以及存储介质，将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。本发明具有有益效果如下：解决了现有技术中存在的精子活性检测方法存在的检测时间长且对检测仪器和医生经验要求较高的问题；通过本发明的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法和系统，待检测者不用去医院，仅通过将精液样本放入检测试剂盒就可以自助完成精子活性检测；且检测结果包含对精子的精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息，可以对待检测者是否具有生育能力进行准确地判定。
附图说明
28.图1为根据本发明实施例的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的流程示意图；
29.图2为根据本发明实施例的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的应用场景示意图；
30.图3为根据本发明实施例的荧光强度分析图；
31.图4为根据本发明实施例的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统的精子活性指标统计图；
32.图5为根据本发明实施例的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统的结构示意图；
33.图6根据本发明实施例的实现一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的电子设备的内部结构示意图。
34.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.本技术实施例可以基于人工智能技术和计算机视觉技术对相关的数据进行获取和处理。其中，人工智能(artificial intelligence，ai)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。人工智能技术是一门综合学科，涉及领域广泛，既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。人工智能基础技术一般包括如传感器、专用人工智能芯片、云计算、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。人工智能软件技术主要包括计算机视觉技术、语音处理技术、自然语言处理技术以及机器学习/深度学习等几大方向。
37.具体的，作为示例，图1为本发明一实施例提供的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的流程示意图。参照图1所示，本发明提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，该方法可以由一个装置执行，该装置可以由软件和/或硬件实现。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，包括步骤s110～s130。s110、将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液。s120、通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息。s130、将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
39.图2为本发明一实施例提供的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的应用场景示意图。一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的实现依靠光谱分析系统(即用于光谱分析的服务器)、采集终端和显示终端；其中，在本实施例中用于光谱分析的服务器可以包括但不限制于精子活力检测模型以及光谱分析仪，具体可以用独立的服务器或
者是多个服务器组成的服务器集群来实现。其中，待识别的荧光光谱信息可以是采集终端上传的；例如，采集终端将待检测的精液样本的荧光光谱信息发送至用于光谱分析的服务器。然后，用于光谱分析的服务器确定对精液样本的精子的活性识别结果。其中，对精液样本的精子的活性识别结果可以用于推送至对应的显示终端；以供显示终端对应的待检测人员进行查看。显示终端是指具有图像、文字等显示功能的电子设备，该电子设备可以是智能手机、平板电脑或者计算机等。
40.在本实施例中，光谱分析仪又称分光仪、光学多道分析仪(oma)，广泛为人知的为直读光谱仪，以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上进行强度测定。在本发明所述实施案例中，波长范围为蓝光(435～450nm)，绿光(495～580nm)，红光(645～760nm)。借助色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的光谱线条，即光谱图。系借助于摄谱仪器的分光和检测装置来实现。它符合郎珀-比尔定律a＝-lg i/i o＝-lgt＝kcl式中i为透射光强度，i0为发射光强度，t为透射比，l为光通过原子化器光程由于l是不变值所以a＝kc。它集信息采集、处理和存储诸功能于一体。由于oma不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用oma分析光谱，测量准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测。
41.具体地说，采集终端最少包括远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件；其中，显微光学信息采集组件包括ccd/cmos集成组件，ccd集成组件能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的成像元件，ccd集成组件具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等优势，cmos是互补性金属氧化物半导体，coms上有n带负电，和p带正电级的半导体，两个互补效应所成生电流解读成图片显示在芯片上所得图像，cmos集成组件成本低，更省电。本实施例采用的远场生物荧光显微成像主要是通过荧光染料标记物体，利用短波长的光源去激发物体内部的标记，使其发射出荧光，从而提高物体在成像中的对比度，同时还提供了特异性标记，便于在大规模族群中的追踪和识别。相差对比显微成像是利用光学干涉的原理，将入射光通过透明物体产生的光程差转变为光强差，体现在ccd检测器中，突出透明物体的内部细节，便于观测物体内部的细微结构。检测光源采用led光源，其光谱范围为445～475nm。检测光源内部可设置有多组led，包括蓝色led、红色led和白色led等每组led，各种颜色光源由不同的开关独立控制，从而选择不同波长范围的光源。例如，蓝色led灯的中心波长为453nm,可适用于激发例如srby、breen、i/ik、syto、(cy3)、calcein等红色荧光染料/荧光蛋白gfp。
42.如图2所示，采集终端还可以包括用于承载检测盒的载物台、led光源和滤光器；进一步地说，为了进一步增加荧光光谱信息的采集的准确性，为远场光学荧光显微镜配置有全自动校准单元，全自动校准系统可以但不仅限于包括dsp和用于实现荧光显微镜自动调节的步进电机；其中，dsp(digital singnal processor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
43.具体地说，s110、将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液。
44.cm-dil为dii的一种衍生物，通过与膜结构的脂质分子结合而发出稳定的红色荧光(ex/em＝553/570nm)，适合监测细胞运动以及细胞定位分析，cm-dil可自由穿透质膜进入细胞，从而产生不具有膜渗透性的反应产物。工作浓度下，此染料无细胞毒性，不会影响细胞活力以及增殖能力。研究证实，cm-dii标记后荧光在胞内表达稳定，阳性标记率达98％以上，标记细胞形态良好。
45.cm-dil携带的cm基团(即氯甲基替代基团)能与多肽及蛋白上的巯基反应从而使该分子在醛类物质中保持稳定。与其他膜染料如dii和pkh26不同，一些细胞经cm-dil细胞染色剂染色后，可在后续的固定，透化和处理中维持稳定的标记，因此，特别适用于同时做细胞膜标记或染色质标记的过程。具有良好的染料维持性，可用以追踪细胞的运动特性。因其有着强而稳定的红色荧光(ex/em＝653/670nm)，可与绿色荧光染料以及蛋白具有良好的荧光分辨性，适合做多重指标染色。本发明的检测试剂盒采用无毒性的cm-dil生物衍生物，通过读取活精子荧光得到的总荧光强度，即可快速、准确获得精子的存活率，这种利用荧光光谱强度检测精子存活率的方式比手工检测方法(即显微镜区块估算)准确而且快得多。
46.作为本实施例的改进，当精子活性荧光生物染色剂还包括吖啶橙染料时，在获得精液样本的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息之外，还能获得精子的dna碎片率信息；也就是说，应用于多重指标染色场景。
47.具体地说，吖啶橙是精子染色质结构分析(scsa过程)常用的一种染料，可用来检测dna的完整性，用于检测精子亚临床损伤，评估男性生育能力。其特点为：正常染色质的精子保持完整的dna双链结构，双链dna与吖啶橙结合会发出绿色荧光；异常染色质的精子易受算变性成单链dna，单链dna与吖啶橙结合会发出红色荧光(715nm)，从而通过光谱分析仪采集红色和绿色荧光即可计算出dna碎片率。吖啶橙染料透过活细胞，坏死和凋亡细胞的细胞膜的程度不同，对细胞中的染色质进行染色时，展现出不同波长的荧光，因此，scsa检测可以呈现所有精子细胞(精子活细胞、坏死细胞、凋亡细胞)的存活率。综上，cm-dil为dii的一种衍生物，通过与膜结构的脂质分子结合而发出稳定的红色荧光，适合监测细胞运动以及细胞定位分析，通过分析荧光光谱可轻易得出精子的存活率信息、精子所处发育状态信息和活力分级信息。而吖啶橙与完整的dna双链结合发出绿色荧光，遇dna单链会发出特定红光，能够进行精子染色质结构分析(scsa过程)，通过分析荧光光谱可得到dna碎片率和存活率；换句话说，cm-dil生物衍生物有着强而稳定的红色荧光(ex/em＝553/570nm)，与吖啶橙绿色荧光染料以及蛋白具有良好的荧光分辨性，适合做多重指标染色。
48.实验例1
49.精子活性荧光生物染色剂仅包括cm-dil生物衍生物活化染色液时的获取方法包括以下步骤：s1111、将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；其中，hbss缓冲液包括：0.1mol/l的氯化钠、0.2mmol/l的乙二胺四乙酸、0.01mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.05mol/l柠檬酸和0.1mol/l磷酸氢二钠；s1112、然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；s1113、将活化的溶液在37℃下进行摇床反应6小时后，进行反应产物纯化获得cm-dil生物衍生物活化染色液。
50.实验例2
51.精子活性荧光生物染色剂的获取方法包括以下步骤：s1111、将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；其中，hbss缓冲液包括：0.5mol/l的氯化钠、2mmol/l的乙二胺四乙酸、0.05mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.2mol/l柠檬酸和0.5mol/l磷酸氢二钠；s1112、然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；s1113、将活化的溶液在37℃下进行摇床反应6小时后，进行反应产物纯化获得cm-dil生物衍生物活化染色液。
52.实验例3
53.精子活性荧光生物染色剂的获取方法包括以下步骤：s1111、将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；其中，hbss缓冲液包括：0.3mol/l的氯化钠、1.7mmol/l的乙二胺四乙酸、0.03mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.15mol/l柠檬酸和0.3mol/l磷酸氢二钠。s1112、然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；s1113、将40mg的吖啶橙染料加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解，获得吖啶橙染料混合溶液；其中，hbss缓冲液包括：0.3mol/l的氯化钠、1.7mmol/l的乙二胺四乙酸、0.03mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.15mol/l柠檬酸和0.3mol/l磷酸氢二钠。s1114、在吖啶橙染料混合溶液中加入已经活化的cm-dil生物衍生物染色液，37℃下进行摇床反应3小时，反应产物纯化后得到精子活性荧光生物染色剂的复合物溶液；s1115、加入dmf，dmso储存液，配置获得2mmol/l浓度的精子活性荧光生物染色剂。
54.实验例4
55.精子活性荧光生物染色剂的获取方法包括以下步骤：s1111、将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；其中，hbss缓冲液包括：0.4mol/l的氯化钠、0.8mmol/l的乙二胺四乙酸、0.02mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.09mol/l柠檬酸和0.2mol/l磷酸氢二钠。s1112、然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；s1113、将40mg的吖啶橙染料加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解，获得吖啶橙染料混合溶液；其中，hbss缓冲液包括：0.4mol/l的氯化钠、0.8mmol/l的乙二胺四乙酸、0.02mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.09mol/l柠檬酸和0.2mol/l磷酸氢二钠。s1114、在吖啶橙染料混合溶液中加入已经活化的cm-dil生物衍生物染色液，37℃下进行摇床反应3小时，反应产物纯化后得到精子活性荧光生物染色剂的复合物溶液；s1115、加入dmf，dmso储存液，配置获得1mmol/l浓度的精子活性荧光生物染色剂。
56.实验例5
57.精子活性荧光生物染色剂的获取方法包括以下步骤：s1111、将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；其中，hbss缓冲液包括：0.1mol/l的氯化钠、0.2mmol/l的乙二胺四乙酸、0.02mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.06mol/l柠檬酸和0.4mol/l磷酸氢二钠。s1112、然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；s1113、将40mg的吖啶橙染料加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解，获得吖啶橙染料混合溶液；其中，hbss缓冲液包括：0.1mol/l的氯化钠、0.2mmol/l的乙二胺四乙酸、0.02mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.06mol/l柠檬酸和0.4mol/l磷酸氢二钠。s1114、在吖啶橙染料混合溶液中加入已经活化的cm-dil生物衍生物染色液，37℃下进行摇床反应3小时，反应产物纯化后得到精子活性荧光生物染色剂的复合物溶液；s1115、加入dmf，dmso储存液，配置获得1.5mmol/l浓度的精子活性荧光生物染色剂。
58.其中，二甲基甲酰胺(dmf)是一种透明液体，能和水及大部分有机溶剂互溶。dmso是二甲基亚砜(dimethylsulfoxide或dmso)，无色液体，重要的极性非质子溶剂，可与许多有机溶剂及水互溶。edc是水体系碳二亚胺，主要用于活化羧基，使水体系中的羧基、氨基、羟基在室温甚至低温条件下能够发生偶联反应。nhs是n-羟基硫代琥珀酰亚胺的化学物质。thermo scientific pierce nhs是将羧基转化为胺反应性nhs酯的化学修饰试剂，用于生物偶联、交联、标记和固定方法。可控制和修饰涉及与伯胺(—nh2)偶联的羧酸盐(—cooh)活化的碳二亚胺交联反应。实施例中未注明具体技术或者条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商，均可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
59.综上，本发明公开了一种用于精子活性检测的染色剂即cm-dil生物衍生物活化染色液。本发明公开了一种用于精子活性检测的检测试剂盒，检测试剂盒内承载有含有cm-dil生物衍生物活化染色液，或包括cm-dil生物衍生物活化染色液和吖啶橙染料的精子活性荧光生物染色剂。
60.将待检测的精液样本放入检测试剂盒中，分别加入利用上述实验例1和实验例2制备获得的精子活性荧光生物染色剂进行染色；然后利用远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息，通过分析荧光光谱均能轻易得出精子的存活率，精子所处发育状态和活力分级信息。分别加入利用上述实验例3-实验例5制备获得的精子活性荧光生物染色剂进行染色；然后利用远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息，通过分析荧光光谱均能轻易得出精子的存活率、dna碎片率、精子所处发育状态和活力分级信息。
61.本发明通过采用无毒性的dil衍生物，其通过与膜结构的脂质分子结合而标记细胞，并有着强而稳定的红色荧光，适合细胞定量分析，因此通过读取活精子荧光发出的特异性荧光(绿515nm)的总强度，即可快速、准确获得精子的存活率。这是一种基于荧光峰值的统计学计算方式，相比于显微镜区块检测的估算方式，这种利用荧光光谱的检测方式明显更加准确而且快得多。
62.s120、通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息。
63.在具体的实施过程中，为远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件配置的检测光源采用led光源，其光谱范围为445～475nm。检测光源内部可设置有多组led，包括蓝色led、红色led和白色led等每组led，各种颜色光源由不同的开关独立控制，从而选择不同波长范围的光源。例如，蓝色led灯的中心波长为453nm，可适用于激发例如srby、breen、i/ik、syto、(cy3)、calcein等红色荧光染料/荧光蛋白gfp。在对含有上述荧光染料/荧光蛋白的被检测物进行检测之前，需要按荧光染料/荧光蛋白或其它荧光物质来确定检测光源、检测滤光片和滤光镜片的型号。具体而言，若针对红色荧光物质，检测滤光片的透光光谱范围为325nm～500nm，滤光镜片的透光光谱范围为500nm～2500nm。例如，若检测光源为蓝色检测光源，蓝色波长为476～495nm，相应的滤光镜片可选择的型号是jb470(xtj470
±
10nm)；若检测光源为绿色检测光源，绿光波长一般为495～570nm，相应的滤光镜片可选择的型号是金黄色截止型玻璃(jb510，xtj510
±
10nm)或jb490(入tj490
±
10nm)，可以滤除500nm以下波长的杂光，配合蓝色led灯可用于检测绿色荧光染料/荧光蛋白；若检测光源为黄色检测
光源，黄光波长一般为570～590nm，相应的滤光镜片可选择的型号是cb565(xtj565
±
10nm)或cb580(xtj580
±
10nm)；红光波为620～750nm，相应滤光片可选择hb610/620/630。
64.s130、将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
65.光谱分析仪通过色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需的波长区域，并在选定的波长上进行强度测定；波长区域包括：蓝光的波长区域为435～450nm；绿光的波长区域为495～580nm；红光的波长区域为645～760nm。
66.在一个具体的实施例中，将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息的方法包括：将荧光光谱信息利用预设的精子活力检测模型进行预处理获得去噪后的荧光光谱信息；将去噪后的荧光光谱信息通过光谱分析仪进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、密度信息和活力分级信息。
67.也就是说，为了进一步提升精子活性检测的精准度，为减少基底荧光干扰(蓝435～450nm)和模式荧光损失(红和绿)；本发明引入一种模拟映射优化模型。生成模型的输入为收集到的荧光光谱信息，荧光光谱信息通过生成器内部网络结构映射到某个新的数据空间(无底噪)，得到生成的概率分布模型g(z)在最优化生成器和最优化判别器的动态抗衡中达到平衡，从而获得最优的生成模型，即精子活力检测模型。精子活力检测模型所采用的模型目标函数如下：
[0068][0069]
其中，g为生成器，d为判别器。判别器的判别结果会反馈给生成器，生成器根据判别结果对生成器的结构进一步调整以得到更好的生成器结构。同时生成器将优化的概率分布模型送至判别器处理，判别器对自身参数进行优化从而最大化区分模拟分布和真实分布。整个过程不断迭代，达到动态平衡，实现了判别器和生成器的最优结构。最终生成一个和真实分布类似的模拟分布。具体地说，本发明将精子密度高低和精子活动的强弱以荧光光谱信息的形式接收后，进行去噪处理，并为进一步的数字化处理和自动转算为相应的精子运动量化数据提供更准确的原始依据。
[0070]
需要说明的是，进行光谱分析时，通过读取活精子荧光(dil衍生物的红色荧光，ex/em＝653/670nm)得到的总荧光强度，即可快速、准确获得精子的存活率。通过分别读取采集红色荧光(715nm)和绿色荧光的荧光强度即可计算出dna碎片率。
[0071]
将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息之后，还要通过显示终端进行显示。
[0072]
光谱分析系统中的数据处理模块可以包括本地数据处理模块和远程数据处理模块；其中，本地数据处理模块可操作地耦合，例如通过有线或无线通信链路，到远程处理模块和远程数据储存库(互联网)，使得这些远程模块可操作地彼此耦合并且可用作本地处理和数据模块的资源。在一个实施例中，远程数据储存库可以包括相对大规模的数字数据存储设施，其可以通过互联网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一个实施例中，所有数据都被存储并且所有计算都在本地处理和数据模块中执行，从而允许从任何远程模块完
全自主使用。具体地说，数据处理模块可以管理精子质量分析的数据、报告检测结果数据、病人信息数据和质控的设置结果数据；可以用来设定分析系统的控制和系统默认，可依据用户实验室习惯采用不同版本的标准。另外，在作为显示终端的pc屏幕上，待检测者可以“实时”观察精液样品，实现视频信号在pc上的重现，截图和截取视频；另外，光谱分析系统中将荧光数值与样本浓度绘制标准曲线，可以直接观测到不同活力的精子反映的不同分立光谱信息；利用先进的光谱分析技术，可将光谱信息经数字转化后得到评估精子活性的活力分级直方图，可以包括但不仅限于精子活力分级直方图、精子浓度直方图、精子曲线运动统计直方图以及精子曲线运动统计直方图。对于每一种图都分别示出前向运动精子、非前向运动精子、超活化精子和不活动精子四种精子类型的具体活力数据。
[0073]
精子成熟过程中膜结构中的磷脂、脂肪酸及硫基等的改变均意味精子的成熟发育状态的改变，不同成熟状态下脂质分子的组成是不同的。因此，通过能与膜结构上脂质分子结合的cm-dil荧光染剂，根据不同发育状态发出的特异性光谱，可以监测精子所处的发育状态。进行细胞定量分析，可以得到视野范围内，各种成熟发育状态精子的数量和比例信息。精子在附睾中运动方式有规则性的改变，根据其特异性变化，精子成熟的过程可分为6个阶段，先出现原地摆动，然后转圈状运动，之后会迎来精子的完全成熟，并有螺旋式的向前运动。此后，精子会在经过一段时间前进疲软期后失去活力。所以观察精子的运动方式是衡量精子成熟的一个指标，并因此将精子活力分为abcd四个等级(who标准)，a级表示精子活力非常好，最关键的是能够快速的直线运动，也就意味着可以非常快速的和卵子进行结合；b级表示精子活力还好，能构成向前运动，但是运动的速度一般；c级表示精子活力一般，只能呈现曲线运动，但也可以进行受孕；d级表示男性的精子活力非常差，几乎只能原地蠕动，甚至原地无活力。精液中如果cd级精子数超过50％，a级精子少于25％就属于精子活力低下。
[0074]
在一个具体的实施例中，将本发明的便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统置于医院生殖检验科或生殖检验中心。待检测人员采集自己的精液样本后，将精液样本留取于一次性采集杯中。将样品放入检测试剂盒中，即加入cm-dil衍生物进行染色，静止半分钟，使其充分反应。将浆液样本放在采集终端的载物台的样本架上，利用显微视像系统进行信息采集。根据荧光强度和分立光谱信息得到精子存活率和精子运动活力分级指标，比对参照信息，即可得到自己的精子活性情况。待检测结束后，检测结果在显示终端中显示，并可出示检测报告。分析部检测得到的荧光数值与样本浓度绘制标准曲线，得到线性回归方程，可以直接观测到不同活力的精子反映的不同分立光谱信息。
[0075]
图3出示了一个实施例中的荧光强度分析图。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上进行强度测定。借助色散分光，按波长顺序记录在感光板上，就可呈现出有规则的光谱线条。在本实施中，波长范围435～450nm的蓝光是由缓冲液成分引起的基底荧光干扰，波长范围495～580nm的绿光是吖啶橙染剂进行scsa过程发出的荧光，其光谱分立信息包含dna碎片率和存活率等信息。借助荧光信息，适合细胞定量分析，因此通过读取活精子荧光发出的特异性荧光(绿515nm)的总强度，即可快速、准确获得精子的存活率。总之，这是一种基于荧光峰值的统计学计算方式，相比于显微镜区块检测的估算方式，这种利用荧光光谱的检测方式明显更加准确而且快得多。
[0076]
波长范围645～760nm的红光主要是是cm-dil生物染剂与某些如脂质分子结合而
发出稳定的红色荧光，适合监测细胞运动以及细胞定位分析，通过分析荧光光谱可轻易得出精子所处发育状态和活力分级信息。
[0077]
进一步的，图4为根据本发明实施例的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统的精子活性指标统计图。其中，a为精子活力分级直方图(未量化)、b为精子浓度直方图、c为精子曲线运动统计直方图以及d为精子曲线运动统计直方图；其中，pr为前向运动精子、np为非前向运动精子、spr为超活化精子和im为不活动精子四种精子类型。如图5所示，根据直方图所示参数的分级情况，根据who第五版精液分析手册，可以判断本精液样本中精子总活力(pr+np)≥40％，前行运动≥32％，精子浓度≥25，精子运动分级为一级。
[0078]
本发明利用先进的光谱分析技术，可以直接观测到不同活力的精子反映的不同分立光谱信息，因此可根据光谱信息得到精子运动活力分级的直方图。可以定量分析精子活细胞和监测精子细胞的运动特性，具有高效、客观、高精度的特点，同时多种精子运动参数、速度和活力分级的直方图可为精子活性判断提供依据。
[0079]
综上，本发明的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，将无细胞毒性的生物衍生物荧光染剂与现代化的计算机技术和先进的光谱分析技术相结合，提出了一种荧光光谱精子活性检测系统，其具有高效、客观、高精度的特点，同时多种精子运动参数、速度和活力分级的直方图可为精子活性判断提供依据。主要应用于居家检测或者社区医院等场景，检测试剂与检测仪器相结合的方式来进行精子活性检测，为人们在备孕期间提供了更加便捷、快速、高效的检测服务。
[0080]
如图5所示，本发明提供的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统500可以安装于电子设备中。根据实现的功能，所述一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统500可以包括检测单元510、光谱信息获取单元520和数据分析单元530。
[0081]
在本实施例中，关于各模块/单元的功能如下：检测单元510，用于将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液。
[0082]
光谱信息获取单元520，用于通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息。
[0083]
数据分析单元530，用于将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。本发明所述单元也可以称之为模块，指的是一种能够被电子设备的处理器所执行，并且能够完成某一固定功能的一系列计算机程序段，其存储在电子设备的存储器中。
[0084]
本发明所提供的上述一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统的更为具体的实现方式，均可以参照上述对一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的实施例表述，在此不再一一列举。
[0085]
本发明所提供的上述一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统，将无细胞毒性的生物衍生物荧光染剂与现代化的计算机技术和先进的光谱分析技术相结合，提出了一种荧光光谱精子活性检测系统，其具有高效、客观、高精度的特点，同时多种精子运动参数、速度和活力分级的直方图可为精子活性判断提供依据。主要应用于居家检测或者社区医院等场景，检测试剂与检测仪器相结合的方式来进行精子活性检测，为人们在备孕期间提供了更加便捷、快速、高效的检测服务。
[0086]
如图6所示，本发明提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法的电子设备6。
[0087]
该电子设备6可以包括处理器60、存储器61和总线，还可以包括存储在存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序，如精子活性检测程序62。
[0088]
其中，所述存储器61至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、移动硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如：sd或dx存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。所述存储器61在一些实施例中可以是电子设备6的内部存储单元，例如该电子设备6的移动硬盘。所述存储器61在另一些实施例中也可以是电子设备6的外部存储设备，例如电子设备6上配备的插接式移动硬盘、智能存储卡(smart media card，smc)、安全数字(secure digital，sd)卡、闪存卡(flash card)等。进一步地，所述存储器61还可以既包括电子设备6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61不仅可以用于存储安装于电子设备6的应用软件及各类数据，例如精子活性检测程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0089]
所述处理器60在一些实施例中可以由集成电路组成，例如可以由单个封装的集成电路所组成，也可以是由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成，包括一个或者多个中央处理器(central processing unit，cpu)、微处理器、数字处理芯片、图形处理器及各种控制芯片的组合等。所述处理器60是所述电子设备的控制核心(control unit)，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器61内的程序或者模块(精子活性检测程序等)，以及调用存储在所述存储器61内的数据，以执行电子设备6的各种功能和处理数据。
[0090]
所述总线可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。所述总线被设置为实现所述存储器61以及至少一个处理器60等之间的连接通信。
[0091]
图6仅示出了具有部件的电子设备，本领域技术人员可以理解的是，图6示出的结构并不构成对所述电子设备6的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
[0092]
例如，尽管未示出，所述电子设备6还可以包括给各个部件供电的电源(比如电池)，优选地，电源可以通过电源管理装置与所述至少一个处理器60逻辑相连，从而通过电源管理装置实现充电管理、放电管理、以及功耗管理等功能。电源还可以包括一个或一个以上的直流或交流电源、再充电装置、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态指示器等任意组件。所述电子设备6还可以包括多种传感器、蓝牙模块、wi-fi模块等，在此不再赘述。
[0093]
进一步地，所述电子设备6还可以包括网络接口，可选地，所述网络接口可以包括有线接口和/或无线接口(如wi-fi接口、蓝牙接口等)，通常用于在该电子设备6与其他电子设备之间建立通信连接。
[0094]
可选地，该电子设备6还可以包括用户接口，用户接口可以是显示器(display)、输入单元(比如键盘(keyboard))，可选地，用户接口还可以是标准的有线接口、无线接口。可选地，在一些实施例中，显示器可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled
(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。其中，显示器也可以适当的称为显示屏或显示单元，用于显示在电子设备6中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面。
[0095]
应该了解，所述实施例仅为说明之用，在专利申请范围上并不受此结构的限制。
[0096]
所述电子设备6中的所述存储器61存储的精子活性检测程序62是多个指令的组合，在所述处理器60中运行时，可以实现：将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
[0097]
具体地，所述处理器60对上述指令的具体实现方法可参考图1对应实施例中相关步骤的描述，在此不赘述。需要强调的是，为进一步保证上述精子活性检测程序的私密和安全性，上述精子活性检测程序存储于本服务器集群所处区块链的节点中。
[0098]
进一步地，所述电子设备6集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)。
[0099]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质可以是非易失性的，也可以是易失性的，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现：将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。
[0100]
具体地，所述计算机程序被处理器执行时具体实现方法可参考实施例一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法中相关步骤的描述，在此不赘述。
[0101]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
[0102]
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0103]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
[0104]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。
[0105]
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的
含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附关联图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0106]
本发明所指区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(blockchain)，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。区块链可以包括区块链底层平台、平台产品服务层以及应用服务层等。
[0107]
此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0108]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，方法包括：将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；所述精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；将所述荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得所述精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。2.如权利要求1所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，所述cm-dil生物衍生物活化染色液的获取方法包括：将10mg的cm-dil细胞染色剂加入到10mlhbss缓冲液中，搅拌溶解；然后加入250ul浓度为2mg/ml的edc和60ul浓度为2mg/ml的nhs，37℃下活化30min；将活化的溶液在37℃下进行摇床反应6小时后，进行反应产物纯化获得cm-dil生物衍生物活化染色液。3.如权利要求2所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，所述hbss缓冲液包括：0.1-0.5mol/l的氯化钠、0.2-2mmol/l的乙二胺四乙酸、0.01-0.05mol/l十二烷基肌氨酸钠、0.05-0.2mol/l柠檬酸和0.1-0.5mol/l磷酸氢二钠。4.如权利要求1所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，将所述荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得所述精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息的方法包括：将所述荧光光谱信息利用预设的精子活力检测模型进行预处理获得去噪后的荧光光谱信息；将去噪后的荧光光谱信息通过光谱分析仪进行数据分析，获得所述精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。5.如权利要求1中所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，所述光谱分析仪通过色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需的波长区域，并在选定的波长上进行强度测定；所述波长区域包括：蓝光的波长区域为435～450nm；绿光的波长区域为495～580nm；红光的波长区域为645～760nm。6.如权利要求1中所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法，其特征在于，当所述精子活性荧光生物染色剂还包括吖啶橙染料时，在获得所述精液样本的存活率、发育状态信息和活力分级信息之外，还能获得精子的dna碎片率信息。7.一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测系统，其特征在于，包括：检测单元，用于将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；所述精子活性荧光生物染色剂包括cm-dil生物衍生物活化染色液；光谱信息获取单元，用于通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；数据分析单元，用于将所述荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得所述精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至6中任一所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法中的步骤。9.一种计算机可读存储介质，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中任一所述的一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法。

技术总结
本发明提供一种便携性全自动荧光光谱精子活性检测方法及系统，属于精子活性检测技术领域，方法包括：将待检测的精液样本放入添加有精子活性荧光生物染色剂的检测试剂盒中；精子活性荧光生物染色剂包括CM-Dil生物衍生物活化染色液；通过远场光学荧光显微镜和显微光学信息采集组件获取待检测的精液样本的荧光光谱信息；将荧光光谱信息通过光谱分析系统进行数据分析，获得精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息。本发明实现了待检测者不用去医院就可以自助完成精子活性检测；且检测结果包含对精子的精液样本的精子的存活率信息、发育状态信息和活力分级信息，可以对待检测者是否具有生育能力进行准确地判定。地判定。地判定。


技术研发人员：聂修辰 陆华 李登旺 程晨 黄浦 李思琦 刘正豪 王培 黄龙海
受保护的技术使用者：山东师范大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/5