基于智能平台的低成本细胞计数系统

金克 刘昭 唐俊杰 曾昱锦 翟燕升

摘 要：针对传统细胞计数仪体积庞大，价格昂贵等问题，文中设计了一款基于智能平台的低成本细胞计数系统与面向牛奶体细胞计数的微流控芯片。系统依靠微米级功能化模块，借助微通道、微反应器形成微流体网络，实现目标细胞的检测、处理和分析，以统计、图像处理算法为基础，以更加友好的方式向用户提供信息。经验证，系统性能稳定，可满足准确计数的要求。

关键词：智能平台；细胞计数

1 作品简介

本团队设计制作了一套基于智能平台的低成本细胞计数系统。随着物联网、智能家居和移动医疗的兴起，本系统通过智能终端的高性能传感器和互联网实现低成本细胞计数，可为移动医疗检测提供一种可靠的初步健康诊断方法，监控人或动物的健康状态。本文设计研究制作了一种基于智能平台的低成本显微成像透镜阵列，使其满足目标细胞（如血红细胞、牛奶体细胞等）和智能终端对光路放大的需求，同时创新设计了一套面向牛奶体细胞计数的微流控芯片系统，依靠微米级功能化模块，借助微通道、微反应器形成微流体网络，实现目标细胞的检测、处理和分析。开发相应的智能控制系统和APP应用程序，以相关统计、图像处理等算法为基础，在智能终端上实现细胞计数功能，以更便携、快速、友好的方式直接向用户提供信息。基于智能平台的低成本细胞计数系统实物如图1所示，系统包含的显微成像透镜阵列观察效果如图2所示。

2 工作原理

基于智能平台的低成本细胞技术系统包括细胞计数装置和细胞计数软件，由Android操作系统贯穿两部分。细胞计数装置主要由基于微流控芯片的细胞检测分析系统、低成本显微成像阵列和移动终端组成，细胞计数软件为一款结合图像获取、处理、分析等功能的基于智能Android平台的细胞计数APP。基于智能平台的低成本细胞计数系统（面向牛奶体细胞）技术路线图如图3所示。

2.1 光学成像原理

本研究基于智能手机自带的微型光学镜头和电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device，CCD），开发出一种低成本显微成像透镜阵列，用于对微米尺度细胞、粉尘或其他形状组织等颗粒物进行显微成像。将设计的低成本显微成像透镜阵列以一定方式连接到手机自带的镜头上，载玻片安装于低成本显微成像透镜阵列下方，通过手机屏幕观察样品，能够将原有物体放大约203倍。低成本显微成像透镜阵列实物如图4所示。

本团队选择球型透镜，推导计算公式如下：

此球透镜理论上可以将视野中的成像最大放大到510倍，但由于本实验图像需要根据手机完成最终成像，同时还受其他光学条件的影响（球型透镜材质含有杂质，影响折射率），实际中的有效焦距约为1.5，故实际放大倍数远低于此（约为203倍）。

查阅文献可知，将小球固定在装置上时，在边界会产生光学误差（导致边界视野模糊）。根据基础光学公式，推导得出最终适应本显微成像透镜的算法公式。消除误差后得到的能使目标图像放大相应倍数（203倍）的最优孔大小公式为：

其中：nOAR为最优孔半径，曲面透镜的半径为r，折射率为n，入射波长为λ，求出孔径nOAR，λ=0.55 mm，k1=0.932 1（k1为光学常数），得到nOAR=177 μm。

基于智能平台的低成本显微成像透镜阵列原理图如图5所示。

2.2 微流控芯片的细胞检测系统原理

微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种反应，快速、准确地对样品进行高通量分析。

本系统最大的特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统。微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA杂交反应的微型反应器等。其中电压驱动的毛细管电泳（Capillary Electrophoresis，CE） 比较容易在微流控芯片上实现，它在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流作用下，样品液在通道中泳动，完成对样品的检测分析。

本产品设计的微流控芯片细胞检测系统以面向牛奶的微流控芯片为基础研究内容，考虑牛奶样品在微流控芯片内部的流场分布、对流与扩散，同时综合分析牛奶体细胞在微流控芯片的运动行为，提出微流控芯片和SCC牛奶体细胞筛选实验的优化方案。

其中编号1，2，3，4，5为样品监测点，A，B，C，D，E为五路样本流通阵列，结合手机APP对样本细胞的数量进行统计，实现对多种生物医学指标的动态监测。经过优化微流控芯片技术可把流体进样、预处理、反应、分离、检测等基本功能集成到一块大小为微米的芯片上，具有快速高效、节省试剂和易于集成等优点。面向牛奶体细胞计数的微流控芯片检测系统如图6所示。

2.3 基于智能Android平台的细胞计数APP开发设计原理

随着现代科技的发展，互联网已经由Wintel联盟统治下的PC时代迈进移动时代，移动设备的操作系统越发强大，各种软件也能够陆续移植其中。计算平台、开发框架、编程语言和操作系统之间的竞争在移动设备间激烈上演。

ZDC在线互联网消费研究对2014至2015年中国智能手机市场研究报告显示，根据对市场中常有的三大移动终端操作系统的分析，考虑到Android操系统平台开放、资源丰富和使用者众多等优点，本课题选用具有Android 操作系统的移动终端作为软件开发平台。

牛奶体细胞计数软件具有良好的人机交互功能，拥有良好的界面，可調用摄像头或相册获取图像，处理图像并计数，之后输出结果。其中图像处理部分为软件的技术核心，包括对彩色图像的预处理、图像分割及计数算法研究等。该图像处理部分充分运用于实验得到的具体体细胞图像中，而非处理的体细胞图像具有良好的实用性，算法的选择也充分考虑了现实要求。Matlab 软件具有强大的功能，是工程应用领域仿真应用最为广泛的软件之一，其的图像处理功能尤为突出，拥有强大的图像处理工具箱，可为图像处理算法仿真提供稳定、宽广的平台。本软件中的图像处理算法是在Matlab平台中仿真、检验后，再用Java编程语言移植到Android软件中。智能终端细胞计数分析APP软件系统机构框架如图7所示。

本系统实现计数功能的方式有手动计数和自动计数两种。

（1）手动计数：通过手工点击屏幕记录细胞的个数，每点击一次，屏幕显示被点击的细胞，细胞累加。同时可以根据细胞的大小和颜色进行定向选取与定量分析。

（2）自动计数：以图像灰度处理为基础，自然界中的颜色转化为数字图像中的颜色时，通常可以使用三基色来表示，国际上规定的三基色分别为红（R）、绿（G）、蓝（B）。一幅彩色图像每个像素点的色彩由R，G，B分别从0～255中取值组合构成，共有1.86×107种色彩。如果一幅图中所有像素点的R=G=B，也就是红、绿、蓝分量值相同，那么这幅图像呈现为灰度图像，灰度图的灰度（gray）取值范围为0～255，共256个级别。将一幅彩色图像转化为灰度图像称为图像的灰度化；而将一幅灰度图像转化为彩色图像称为图像的伪彩色化。若直接对彩色图像进行处理，运算量大，影响软件的运行速度，因此选择将其转化为灰度图像以减小运算量和存储空间。考虑到本课题中得到的彩色数字图像颜色单一，将其转化为灰度图像不会影响数字图像信息的完整性，因此图像处理的预处理部分首先将彩色图像灰度化。

RGB图像转化为灰度图需使用均值法、最大分量法和加权值法。具体而言，首先对图片进行灰度处理，依据多次实验结果把RGB图像转化为灰度图像。

灰度值=0.3×R+0.59×G+0.11×B。把灰度图像转化为二值化图像，并用Seekbar控制二值化图像的阈值，之后将Bitmap图像转化为Byte[]数组，便于联通区域的计算。计算8联通区域的个数。4连通或8连通是图像处理中的基本感念。8连通是指一个像素如果和其他像素在上、下、左、右、左上角、左下角、右上角或右下角相连接，则认为它们是联通的；4连通是指如果像素的位置在其他像素相邻的上、下、左或右，则认为它们相连接，是连通的，在左上角、左下角、右上角或右下角连接，则不认为它们连通（请注意“或”字的含义，就是满足其中一个条件就认为是连通的）。

最后用Java重写Matlab中的bwlabel函数：遍历图像，并记下每一行（或列）中连续的团（run）和标记的等价对，然后通过等价对对原来的图像重新标记。对联通区域的面积进行筛选，只有面积大于最大联通区域面积一半的联通区域才会被计数，以进一步降低噪声的干扰。

图8所示的智能终端细胞计数分析APP软件结构图显示了牛奶体细胞计数软件的整体结构，打开软件首先进入Loading界面，后台运行结束后进入主界面，通过按钮控件可以选择获取图像的方式：

（1）调取相册中已存在的牛奶体细胞图像；

（2）调取终端摄像头配合前置牛奶体细胞计数装置直接获取牛奶体细胞图像。

获取图像后，截取其中光照良好的部分作为软件后续算法处理的初始图像，在SD卡中建立图像文件夹用于存储截取图像，将截取图像缩略显示在主界面的图像显示控件中，供用户预览。

软件界面应当简单明了，方便用户获得良好的人机交互体验。面向牛奶体细胞计数与浓度分析软件界面图如图9所示。

3 创新点

本产品适应于移动医疗和互联网智能家居、智能医疗潮流的时代大背景，特色和创新之处在于开发了一套便携式、低成本显微成像透镜阵列，将其与智能终端APP有机结合，实现了便捷有效的細胞计数。现有细胞计数检测方法由于仪器昂贵、操作复杂、检测成本高，不利于疾病诊疗的普及与推广。相比之下，本作品具有显著特点，基于智能平台的显微成像透镜阵列设计使低成本、便携的光学放大系统具有极大的灵活性和可行性，此外还具有多重特色功能的细胞计数APP的设计与开发，容易实现本产品整体功能的整合、移植与升级，创新性设计的微流控芯片智能检测系统可以实现对细胞的处理、检测与分析的快速化、自动化与微型化。其中，微流控芯片技术在生物化学检测领域目前已初步取得成果，基于智能手机等移动终端的移动医疗技术也是国家“十二五”“十三五”规划所重点支持的创新领域。本项目将微流控芯片技术与智能手机等移动终端结合，拟实现对人或动物的体细胞计数和对相关疾病的预警，是移动互联时代医疗与食品安全检测手段的一种新尝试和本项目的创新所在。

此系统不受地域和环境限制，具有低成本、安全操作、方便携带等优点，结合智能手机和医疗诊断平台，本产品将在现场检测（POCT）和体外诊断（IVD）领域展现一系列传统方法不具有的功能与特点。这在一定程度上改善了人们的医疗条件，尤其对于基层人民和动物的医疗诊断环境而言具有显著意义和重要价值。

本产品通过APP功能设计实现与智能终端无缝对接，其低成本的细胞计数检测对于降低检测成本、简化检测过程、完善大数据系统、构建云医疗平台等具有重要的现实意义。而且其应用移植、升级前景广阔，利用手机平台提供的地理信息可以方便国家医疗机构对相关疾病患者的区域分布信息及其变化趋势进行有效记录，对疾病的流行与传播实施更加有效的监控。

本系统潜在的创新性应用背景如下：

（1）血细胞计数：用于贫血等的初步诊断；

（2）牛奶体细胞技术：用于牛奶质量等食品安全检测；

（3）饮用水细菌浓度检测：用于生活用水质量检验；

（4）其他需要借助细胞计数的检测或健康诊疗领域的应用。

4 市场前景

4.1 产业背景

移动医疗（Mobile Health）即通过移动设备提供与医疗相关的服务，如通过PDA、移动终端和卫星通信来提供医疗信息和医疗服务等。智慧医疗作为新兴的专有医疗名词，指利用最先进的物联网技术打造健康档案区域医疗信息平台，实现患者与医务人员、医疗设备之间的互动，逐步实现信息化。两者相辅相成，都积极应用互联网、物联网、云计算等信息化技术来转变卫生服务模式，成为医疗事业新的发展愿景。

政策层面上，伴随着“十三五”规划建议落地，健康中国正式升级至“国家战略”，以互联网医疗为核心的健康中国建设将成为“十三五”期间深化医疗卫生体制改革的重头戏。其中“互联网+”将成为深化医改，推进健康中国建设的重要技术手段，且历经两年的模式创新、商业试错、资本逐鹿，互联网医疗产业终于步入黄金时代，作为其组成部分的移动医疗、智慧医疗产业也将进入快速发展期。

同时，2015年3月30日，国务院办公厅在印发的《全国医疗卫生服务体系规划纲要（2016-2022年）》中，提出“健康中国云计划”，成为“互联网+”在医疗卫生服务体系领域具体的实践指导，为细分领域的移动医疗、智慧医疗设计了一个理想的发展蓝图，并预测其将迎来五年的黄金发展期。

政策助力。在医疗信息化进程加快的背景下，互联网公司与传统医疗机构积极开启医疗产业新的市场空间，百度、腾讯、阿里等国内IT巨头纷纷扎堆进军智慧医疗领域，传统医疗机构也在该领域寻求创新发展道路。巨大的市场空间吸引着越来越多创投资金涌入。

4.2 市场需求

细胞计数技术广泛应用于血液细胞检测、细菌浓度检测、疾病诊断与预测等医疗健康领域。随着物联网、智能家居和移动医疗的兴起，在家居环境下获取人体自身细胞的有效信息，利用智能终端和网络，足不出户地实现初步医疗诊断和检测，是提高全民健康意识和提升国民健康水平的有效手段。

目前市场对于细胞计数系统的需求主要体现在临床诊断方面，主要用于医院、诊所以及科研实验室。致力于帮助实验室向医生、患者提供精准的检验数据，协助医生做出正确的诊断。在生命科学市场中，用于生物技术公司、制药公司、研究机构以及高校，科学家使用我们的产品进行各种科学研究，如药物开发、遗传分析等。在过去多年间，细胞计数仪已被世界各地医务人员和科研工作者普遍接受和认可。

由于移动医疗的蓬勃发展，普通民众对于智能医疗硬件的需求急剧增加。现场检测以其方便快捷的特点正吸引着越来越多的关注。低成本的细胞计数系统迎合广阔的市场需求，结合医疗行业“互联网+”的迅猛发展势头，在移动终端应用领域利用信息技术优化医院流程以及其他移动医疗应用成为当下的热门。移动通信联盟研究报告预计，从2013年到2017年，移动医疗应用的年均增速在50%以上。

基于智能平台的低成本细胞计数系统无论在智能硬件还是医疗应用领域均有较大的需求量。尤其微流控芯片与智能终端相结合，使其具有便携、快捷的特点，市场前景广阔。

更为重要的是，在保证基本功能与精度的前提下，其极低的制作成本更能使其为大多数消费者接受。根据有关统计信息，低成本的细胞计数仪在未来五年的需求量可达27 000套。

4.3 行业概况

目前我国正处在“移动医疗”向“智慧医疗”转变的过程中，整个产业已经整合了移动医疗服务商、医疗设备制造商、IT巨头、风险资本、移动运营商、应用开发商、数据公司和保险企业等众多参与者，形成了以智能健康设备和在线医疗为主的产业格局。2014年中国移动医疗市场规模达到32.6亿元，同比增长39%。2017年底，其市场规模已达125.3亿元。同时，智慧医疗正保持高速增长的态势。2014年中国智慧医疗的投资规模已达304.2亿元，比2013年增长26.9%，细分领域中，智慧医院的投资比例为63.9%，区域卫生的投资比例为26.7%。同时，智慧医疗的应用情况也在快速推进，医疗卫生、医院、养老、医疗保健以及社区医疗等领域均在探索智慧医疗的应用模式，该行业的市场空间不断扩大。

2014年，以BAT巨头为代表的互联网企业开始加速布局移动医疗领域。此外，传统医药公司也纷纷布局拓展医疗产品。2015年以来，国内智慧医疗的投资延续了2014年的火热势头，资本方对移动医疗的兴趣更是有增无减。显而易见，资本市场的进入正推动着整个行业的快速发展。

目前，细胞计数检测主要由流式细胞仪完成，在发达国家或发展中国家的发达地区已较普及。但因其配套仪器价格高昂、操作复杂、检测成本高、操作环境要求高等因素，难以在发展中国家或欠发达及偏远地区进行普及检测，不利于细胞计数相关的病程周期监测与抗逆转录病毒治疗效果的评估。为了缓解“看病难，看病贵”的问题，在全世界范围内，人们正在积极研究寻找新型、易操作、低成本、全自动的细胞计数检测方法与技术。作为体外诊断的一个重要组成部分，现场检测以其成本低、方便、快捷等特点，正成为改善医疗条件，尤其是基层医疗环境的重要手段之一。

未来移动技术将在全球医疗保健服务领域发挥重要作用。对于移动运营商、医疗设备制造商、芯片企业、应用开发商等通信产业链中的各个环节来说，无论是“移动医疗”还是“智慧医疗”，都可谓是一座“金矿”，是一项潜力极大的朝阳产业。未來，随着互联网技术的快速发展、新产品开发的加速和企业运营实力与创新能力的不断增强，其产业链将向纵深方向发展。

5 竞争分析

分别从横向和纵向分析现有的竞争情况：

目前市场上具有生产和销售细胞计数仪能力的厂家数量少，产品价格较高，使用范围有限，使得现有行业不景气，且以外国技术为主，可根据功能与原理的区别分选出高中低不同档次。直接镜检法是体细胞计数的标准方法，将均匀涂覆于基板的细胞用亚甲基蓝染色并干燥后在显微镜下直接计数，折算体细胞数，也可荧光染色后在荧光显微镜下读数。该方法准确度高，但过程复杂费时，不适于现场快速检测。CMT方法源于加州，体细胞在遇到表面活性剂时收缩，凝集效应明显，根据凝集现象来判断体细胞的相对含量，该方法价格便宜，但不能得到体细胞的具体数值。上海、杭州、西北农林科技大学等提出的SMT，HMT和YMT方法由CMT改良得到。库尔特计数器基于电阻抗原理，当牛奶中的颗粒物通过电极时产生脉冲，根据脉冲数目和阈值可读出牛奶的体细胞数，但此方法需对牛奶进行15小时以上的预处理来破坏脂肪颗粒提高信噪比。丹麦Fossomatic5000系列、荷兰Delta体细胞计数仪、美国Bently等高速体细胞计数仪的出现虽大大提高了检测通量，但设备昂贵。为此，对牛奶体细胞等细胞的检测技术研究应力求开发一种相对准确、成本适中的快速检测方法。本产品以低成本、方便、快捷为主要出发点，行业在发展初期，面临的竞争压力小，市场容量大。

以智能终端为载体进行移动医疗的同类产品主要以血压、心跳等指标为检测对象，以智能手环、智能血压计、智能血糖仪、智能电子秤等设备为主要形式，可随时检测自己的心率、血压、睡眠等。但对于细胞水平的分析与诊断在一定程度上仍处于空白阶段。

本产品是基于智能平台的低成本细胞计数系统，面临的行业横向与纵向的竞争压力较小。