一种基于微流控芯片的图像自动化分析平台设计*

张晓娟，樊东燕

(山西工程科技职业大学,山西 太原 030619)

生物实验中,如果要对细胞的状态和细胞的数量进行自动化检测和统计,通常使用的是图像流式细胞仪。但是,市场上图像流式细胞仪的价格比较昂贵,而且体积较大,不太适合于一般的实验室对通过微流控芯片获得的细胞图像进行自动化检测和分类计数[1]。本文设计了一种新的便捷的适用于对微流控芯片图像进行自动化分析的图像流式细胞仪,使用单片机控制步进电机带动微流控芯片的样品平台进行移动,结合普通显微镜和PC机实现微流控芯片图像中细胞图像的轮廓检测、自动识别和自动计数。

1 系统方案设计

该系统由单片机、步进电机、机械移动平台、显微镜、摄像头、计算机等部分构成。工作时,微流控芯片置于机械移动平台上,实验人员将样品放入微流控芯片中,单片机带动步进电机控制机械移动平台移动到合适位置对微流控芯片利用显微镜进行观察,摄像头将观察到的图像送入计算机中使用软件进行图像内容处理,对细胞图像进行轮廓检测、识别和自动计数[2]。系统的整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构图

2 系统硬件设计

2.1 控制单元

系统选用的STM32单片机功能强大,价格虽然有点高,但是STM32丰富的引脚为未来系统扩展打下了基础,作为一个优秀的系统应当符合使用过程中反应灵敏、适用范围广、不容易坏,能够承受偶尔的不恰当操作和较强的可扩展性[1]。

STM32使用高性能的内核,拥有连接不同外设(自带两条APB总线)和多种类的加强型I/O口。最小系统包括单片机及其所需的电源、时钟、复位等部件,能使单片机始终处于正常的运行。因STM32的内置核心为ARM,故STM32与各类ARM工具和软件兼容。单片机最小系统原理如图2所示。

图2 单片机最小系统原理框图

2.2 步进电机电路设计

系统使用的这款步进电机是常用的四相步进电机,供电要求低,可以使用直流电源供电。当各相绕组合理通电时,步进电机就可以正常进行步进转动。图3是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图3 电机工作示意图

当系统开始工作时,步进电机的开关SB接通电源,剩余开关断开,最下面的相磁极和转子0、3号齿对齐,转自对应的轮齿就和C、D相绕组的磁极相互构成错位,A、D与对应的相绕组磁极产生错齿[3]。

步进电机可以将角位移和线性位移转变为电脉冲信号。电机的转速、停止的位置不会受到负载的影响,脉冲信号的频率和脉冲数决定了当前电机的转速和位置,在电机接收到一个或多个脉冲信号时,电机会根据脉冲信号转过一定的角度。即电机转动的角度和脉冲信号存在一定的线性关系,而且步进电机周期性的误差极小,不存在累积误差等原因,非常适合该系统使用。

系统使用STM32f103zet6单片机的PWM脉冲控制信号控制ULN2003步进电机的移动,这样可以使步进电机的移动受单片机的控制,从而使得移动平台的移动速度可以根据实际需要调整,并且可以保持稳定的速度,这样就可以使得系统在实际使用中稳定性强、易于调速。

3 系统软件设计

由于采集到的细胞图像中的细胞边界信息并不是清晰的,这就需要对图像进行图像预处理,将预处理过的粘连细胞图像进行分割,按照细胞图像的特征进行提取,最后进行细胞图像的自动化计数,完成最终的统计与结果输出。

3.1 图像预处理

使用荧光材料染色后的细胞图像为彩色图像,表示为m*n*a的三维矩阵,其中:m、n为分辨率,a为颜色深度。使用二值化方法将图像转化为m*n的二维矩阵,并采用直方图方法对图像增强后的效果如图4所示。

3.2 轮廓提取

图像增强后的细胞图像依然存在部分粘连,需要对细胞图像进行合理的分隔[3]。采用改进的分水岭算法基于欧几里德距离变换实现对备份粘连细胞的分隔。

对源图像M,将变换后的图像中小于分割后的平均细胞面积1/4的像素块进行删除,获得二值图像A(A={Aij∣(i,j)∈M});对源图像N进行同样的处理后得到二值图像B(B={Bmn∣(m,n)∈N});然后对两幅图像A和B进行与运算,即可获得最终处理后的二值细胞图像K,即K=A&B。

3.3 细胞计数

在采用改进的分水岭变换算法对细胞图像实现成功的分块后,即可得到分水岭算法边界。将分水岭边界和源图像的预处理后灰度图进行相与运算,从而实现图像中的细胞分割,分割后最后对分割区域进行编号,进而实现图像中细胞的自动化计数。如图5所示。

图4 预处理图像图5 最终处理图像

4 结论

本文设计了一种新的基于微流控芯片的图像自动化分析平台,实现了微流控芯片中细胞图像的自动分割和计数。采用的自动计数方法速度快,一定程度上可以替代人工计数,同时,未来可以与微流控系统结合形成便携式产品,进而推动微流控芯片细胞检测计数在日常生活中的使用。