猪精液品质智能检测和大数据平台

雷正达 庄斌 税丹 张益书 景南鑫 李莉 龚洋

摘要：通过微流控技术与透射式技术的比较研究，将公猪精液检测设计为加样超微芯片和数据分析处理的主机组成，以及大数据、人工智能平台的整合，完善了猪精液品质快速检测的智能系统，实现了猪精液品质检测的智能化、大数据、互联网技术与养猪业的深度融合。

关键词：猪精液;品质检测;超微芯片;大数据云平台

中图分类号：S828.3 文献标识码：B 文章编号：2095-9737（2018）10-0006-03

1 背景

我国生猪养殖量居世界第一，出栏肥猪占世界的50.6%，母猪存栏达4423万头[1]，占全球总量的60%以上。由于猪肉是我国消费量最大的肉类食品，约占肉类消费总量的65%左右，因此猪肉的品质、产量等都会直接影响国民生活水平[2]。人工授精技术（AI）是一种有着重要实践意义的生殖辅助技术。猪的人工授精技术始于20世纪30年代，目前中国每年大约有3000万头母猪进行人工授精，受孕率达80%～90%，与自然交配的产仔率和产仔数相差无几，甚至更高[3]。由于其不仅可以充分发挥优秀种公猪的遗传潜力，还可以减少种公猪的饲养数量、降低饲养成本、减少性传播疾病、提高母猪的受胎率和窝产仔数、提高生产效率、获得更高的经济效益等，现已广泛应用于集约化、规模化、标准化的大型养殖场和家庭农场。

在猪的人工授精过程中，公猪精液的品质是关系到母猪受精率和产仔数的关键因素。精子密度越大、活力越强、畸形精子越少，说明公猪精液质量越好，配种后母猪的受精率和产仔数越高，反之越低。因此在人工授精前，首先要评定精液的质量，从而才能保证有足够数量和活力的精子。同时，通过对精液质量评定还能监控公猪健康状况和繁殖潜力，从而可优化个体遗传潜力，发挥最大繁殖能力。

目前我国公猪精液检测90%以上采用“生物显微镜检测法”，虽然国家标准的制定也是以此方法为参照，但此法具有较大的局限性。除了检测主要采用量筒、显微镜等仪器进行，每一指标单独检测，对设备要求低但检测步骤繁琐之外，更为突出的问题有以下几点：①检测过程是靠人的肉眼分辨计数，人为因素影响较大，准确性差;②从采精到精液稀释，再到检测结果出来，时间需30～50min，不能实现快速检测，耗工耗时;③由于公猪精液中的营养有限，精液原液超过30min，精子因营养不足，其活力显著下降，在实际检测中有很大的局限性，也会影响检测结果的准确性;④不能实现采精和配种前现场检测;⑤不能实现互联和大数据的累存和精液质量跟踪。

国外已有公司研发公猪精液智能检测设备，其原理是经染色（与传统显微镜染色原理相同）图像识别法。该方法通过监测活动精子被收集区域的荧光强度，可以同时分析活动精子密度和活动力。荧光染色一段时间之后，其荧光强度被用来量化活动精子的密度。此外，精子的运动也有助于积累荧光信号。但其也有如下局限性：①进口价格昂贵，每台售价在30万元以上，养猪场很难接受;②不能实现数据的快速分析;③不能实现平台的数据储存;④不能实现历史数据的快速调阅和数据跟踪;⑤设备体积较大，现场使用不便等。

随着精液保存技术的发展，以及国外冻精液引入，传统的精液品质检测评估方法和手段已经不能够满足猪人工授精的需要。我国母猪平均产仔数与发达国家相比具有较大差距，这与我国对公猪精液没有实行每批次检测，精液解冻后、配种前没有实行检测和质量监控有很大关系。因此我国急需更先进的公猪精液品质检测评估的先进仪器，以进一步提高人工授精在养猪生产中的作用，从而提高生产成绩和效率。

2 智能检测系统研究方法与路线的探索

2.1 前端信息采集的微流控技术路线

目前，基于微流控芯片技术的精液品质智能检测设备在人类精液方面的研究较为深入，并已形成产品，以此为参考选择微流控技术中较为主流的两种分析方法进行研究，即跑道式的阻抗脉冲信号分析法和透射式的高速拍摄图像视觉分析法。微流控芯片是微型全分析系统的一种，可在微纳尺度上集成多种功能单元，且能提供相对封闭的接近生理状态的生长微环境。由于能够实现在整体可控的微小平台上将多种单元操作技术规模集成、灵活组合，微流控芯片已成为一种最具发展潜力的细胞研究平台[4]。微流控装置主要由三部分组成：玻璃基片，刻有微通道的PDMS，三个储液池以及保持在不同的液面高度的液柱。图1（a）显示的为微流控装置的细节图。储液池的横截面面积（20mm×20mm）选择要尽可能的大以减小每个装载液柱高度的变化（最多5%的變化）。流场的驱动力由三个液柱高度的差异产生，在储液池A中是10mm高的缓冲试剂溶液，储液池B中是4mm高的纯精液，储液池C中是1mm高的缓冲试剂溶液。交界处的放大图片如图1（b）所示，通道B和C与通道A相交成45度角。精子流通道B的设计是7mm长，500μm宽。其他尺寸细节如图1（c）所示。

以跑道式的阻抗脉冲信号分析法进行设计，则在生物芯片中设计一个长的微流道，当精液样本被滴人充满试剂的芯片之后，精液中的精子细胞就在微通道中游动，利用精子的逆流特性OSS分离判定活动精子，根据库尔特电阻抗原理令精子通过特定位置传感器，此时电阻发生变化，产生电脉冲。精子通过孔道期间电压降低的时间追踪包含丰富的信息：感应脉冲的振幅呈现精子的体积，持续时间可评估出游过速度，叠加在脉冲信号的电压波动可以计算出拍频，利用这一原理和信息测算精子数量和活力。

这一研究成果应用到猪精液品质检测领域，则出现较难克服的问题，如猪精子个头较大，活动能力较强，运动速度更快，容易在跑道人口处堵塞等。虽然可再通过改变介质密度和黏度等的手段改善这个问题，但还需进一步更深入地探索研究。

2.2 前端信息采集的透射式技术路线

以透射式的高速拍摄图像视觉分析法进行设计，则当精液样本滴人芯片进样口后，精液中的精子细胞在微通道中游动，均匀填满精子计数板采样区域，通过光学超清显微镜头组和配套的高清摄像头，运用全智能电控进行自动对焦自动寻轨，拍摄样本图片及短视频采集精子的外观信息及运动信息，使用机器视觉和图像处理技术进行各种运算来抽取目标的特征。通过CCD采集图像;进行除噪、平滑等预处理;进行图像分割，二值化处理;进行边缘检测来提取特征。同时，正态高斯动态图像智能算法，精准识别精子运动轨迹。从而对精子进行密度、活力、运动性分析、形态学分析。通过设置多个进样池，每个进样池检测时为定点拍照、短视频拍摄，逐帧分析，判断精子活力。这一方案实现了对猪原精液、稀释后的精液、解冻后配种前精液的快速检测、智能分析、操作便捷、快速高效之目的。

2.3 大数据分析和人工智能云平台搭建

随着移动互联网、物联网和云计算的迅速发展，开启了据库技术的成熟和普及、高内存高性能的存储设备和存储介质的出现，大量检测数据的统计分析、云端储存、快速调阅成为可能。我们研发的猪精液智能检测设备系统通过创新统计分析方法和数学模型的建立，对每头公猪精液检测数据（实时检测的全部数据）实现了自动生成统计分析判断结果，数据永久储存，数据溯源跟踪，实时快速查阅。

该系统平台原理是通过国内基于Nginx改进的前端代理服务器Tengine，集成创新开发的socket集群，该socket集群采用基于Java开发socket server，集成开源的Zookeeper做服务注册，服务配置和服务选择，提供高可用的，高吞吐的后端socket数据服务，保证数据不会丢失。同时，采用的是开源mysql搭配开源NOSQL redis和mongodb，通过定义三层数据热区（常用，一般，归档）来实现数据快速访问和大数据量的存储平衡。由于该移动应用通过采用HTML5框架，加入Jquery mobile等组件，共同搭建可以同时运行在苹果iOS和安卓Android应用程序，使得用户可以得到统一应用的界面和操作習惯。整个云平台的运行流程见图2。

3 猪精液品质智能检测系统的产品性能

通过不同技术路线的探索研究，采用前端信息采集的透射式技术路线和大数据分析和人工智能云平台组合，实现了猪精液品质检测的智能化、大数据、互联网技术与养猪业的深度融合。

该系统的检测参数如表1所示，能达到的性能技术指标如表2所示。整个系统全智能运行，减少人为误差，提高数据精确度，减少测试样本浪费，做到精准检测;智能分析，分析报告详细，全面反映精子质量，把握公猪生产性能，提高母猪产仔率;快捷高效，操作便捷，无需专业人员;智能联合，全网通数据模块，无缝对接农场管理软件，构建质量回溯通道。

4 结论

通过微流控技术与透射式技术的比较研究，将公猪精液检测设计为加样超微芯片和数据分析处理的主机组成，采用直接图像法，当精液样本滴人芯片进样口后，精液中的精子细胞在微通道中游动，均匀填满精子计数板采样区域，通过光学超清显微镜头组和配套的高清摄像头拍摄样本短视频，从而对精子进行密度、活力、运动性分析、形态学分析的技术路线，以及大数据、人工智能平台的整合，完善了猪精液品质快速检测的智能系统，实现了猪精液品质检测的智能化、大数据、互联网技术与养猪业的深度融合。

这一系统的建立，不仅提高公猪精液品质检测的精度，且快捷高效，还能实现公猪原精液、稀释精液、配种精液（配种前精液）每批次、每头份检测，这必将提高母猪的产仔数和生产成绩，无疑对我国养猪产业是一大贡献。

参考文献：

[1]2014年国家统计局数据

[2]李小金，钱坤，刘林清，等.基于RNA-seq技术对不同品种猪背最长肌差异表达基因的筛选与注释[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2016，44（6）：1-8.

[3]王佳辉，黄宣凯，秦晓文.目前国内外猪人工授精新技术及新产品[J].现代畜牧科技，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.