一种基于能量梯度的精子活力评价方法技术

本发明专利技术涉及一种基于能量梯度的精子活力评价方法，基于随机化二值互补掩模策略，生成二值互补掩模板和多个用于生成单个光斑的光栅相位图，合成得到单个用于生成点阵光学陷阱的全息图；将所得全息图加载至空间光调制器上，对出射光场进行相位调控，得到具有能量梯度的光学陷阱阵列；根据所得具有能量梯度的光学陷阱阵列，对微流体通道中的一批精子进行捕获，观测并追踪每个被捕获精子在各能量梯度光学陷阱中的逃脱过程，从而完成基于能量梯度的精子活力评价。本发明专利技术能够定量、快速、简易测量精子运动活力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量梯度的精子活力评价方法
本专利技术涉及检测体外精子质量、体外辅助生殖领域和人工授精技术，特别涉及一种基于能量梯度的精子活力评价方法，在大批量精子活力检测中应用。
技术介绍
在养殖产业或辅助生殖等领域，筛选出高质量的精子是提高人工授精效率的关键。精子质量的评估依赖于诸多生物标记物，包括精子比容、精子密度、渗透浓度、精浆pH值、精浆化学组分、酶活力、ATP浓度、运动活力、形态和超微结构、受精能力等。而精子运动活力由于易于评估而常被作为精子质量衡量的重要参数。精子运动活力的评价分为主观法、半定量法和定量计算机辅助法。其中，主观法是根据视野内运动精子的百分比，将精子运动活力分为5个等级：1)0级，即无运动状态；2)1级，即多达25％的精子在移动；3)2级，即多达50％的精子在移动；4)3级，即多达75％的精子在移动；5)4级，即超过75％的精子在移动。由此可见，主观法依赖于经验丰富的评价者，无法得到统计结果，而且测量并不可靠。为了增加精子运动活力测量的准确性，可以通过两个或多个独立观察者对精子运动能力进行半定量分析，具体而言，记录的精子运动录像在具有网格的屏幕上以低速播放，从而测量初始运动精子的百分比，然而此法极为耗时。定量计算机辅助法则是由计算机辅助精子分析系统(Computer-AidedSpermAnalysis,CASA)组成，通过计算机对精子图片可视化和数字化，并处理和分析精子图像，该方式尽管具有很高的重复性，然而设备复杂，且价格不菲。因此，有必要发展一种定量、快速、简易的方法来测量精子运动活力。>
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于能量梯度的精子活力评价方法，通过生成具有能量梯度的多个光学陷阱阵列来对大批量精子的运动活力进行准确、快速、简易的定量表征，从而克服传统表征方式的不准确、耗时、复杂等缺陷，并且摆脱对经验丰富的专业人员的需求，降低精子活力表征的操作要求和费用。本专利技术的技术解决方案：一种基于能量梯度的精子活力评价方法，如图1所示，实现步骤为：第一步，基于随机化二值互补掩模策略，使用计算机生成二值互补掩模板和多个用于生成单个光斑的光栅相位图，合成得到单个用于生成点阵光学陷阱的全息图，即合成相位。第二步，根据第一步所得合成相位，将其加载至图4所示的空间光调制器上，对出射光场进行相位调控，得到具有N个能量梯度的光学陷阱阵列。第三步，基于第二步所得具有N个能量梯度的光学陷阱阵列，对微流体通道中的一批精子进行捕获，观测并追踪每个被捕获精子在各能量梯度光学陷阱中的逃脱过程，从而完成基于能量梯度的精子活力评价。所述第一步，具体实现过程为：基于随机化二值互补掩模策略，即根据N个陷阱的能量比r1:r2:…:rN，通过归一化计算得N-1个阈值th1,th2,…,thN-1，再将计算机生成的初始矩阵M与所有阈值(th1,th2,…,thN-1)比较，获得N个二值互补掩模板R1,R2,…,RN，例如，当M中某位置的元素值属于[0,th1]时，R1中相应位置的元素值设置为1，而其余位置的值被设置为0；当M中某位置的元素值属于[th1,th2]时，R2中相应位置的元素值设置为1，而其余位置的值被设置为0；当M中某位置的元素值属于[thN-1,1]时，RN中相应位置的元素值设置为1，而其余位置的值被设置为0；基于此方式获得N个二值互补掩模板。最后将多个用于生成单个点状光学陷阱的光栅相位P1,P2,…,PN与二值互补掩模板R1,R2,…,RN对应相乘并求和，得到合成相位P。所述第二步，具体实现过程为：打开激光光源，其出射的柱状光束被准直扩束后照射至空间光调制器上，然后将第一步生成的合成相位P加载至空间光调制器上，出射光场相位由于空间光调制器的相位调控作用而被改变，调节物镜轴向位置并将焦点聚焦至微流体通道下表面处，则在焦平面能够产生具有N个能量梯度的光学陷阱阵列。所述第三步，具体实现过程为：在微流体通道入口端注入精子溶液，由于光学陷阱的吸引作用，活力最弱的精子则能被各能量梯度的光学陷阱捕获，而活力最大的精子则只能被光强最强的光学陷阱捕获；而且可以在精子溶液注射后，开始在不同阶段以不同的恒定速度注射培养液，以期加快每个被能量梯度光学陷阱所捕获精子的逃脱过程。通过视频成像观测和追踪大批量被捕获精子的逃脱情况，完成精子活力的评估过程。本专利技术相较于现有技术的优点：光镊技术赋予了研究者微纳操控的本领，能够以非接触的方式对研究对象进行捕获、操控和定量探测。同时作为灵敏的力传感探针，光镊却少有见于精子活力的表征。本专利技术提出一种通过生成的具有能量梯度的光学陷阱来评估精子运动活力的方法，能够快速准确地确定精子的运动活力，由于结合了微流体的恒速流动来加快评估过程和定量评估精子活力，其优点在于：1)测量准确，且重复性高，理论能达到100％；2)既能定性，也能定量测量精子活力；3)降低对操作人员的专业和经验要求；4)操作简便，且检测费用可以做到相当低廉。附图说明图1为本专利技术一种基于能量梯度的精子活力评价方法的实现流程图；图2为本专利技术实施能量梯度光学陷阱对精子活力进行评价的具体实施案例图；图3为获取合成相位用于生成具有能量梯度光学陷阱的原理图；图4为生成能量梯度光学陷阱的光路示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细说明。如图2所示，本专利技术方法实现步骤为：第一步，基于随机化二值互补掩模策略，如图3所示，生成二值互补掩模板R1,R2,R3,R4和四个用于生成单个光斑的光栅相位图P1,P2,P3,P4，其中不同空间频率的光栅相位P1,P2,P3,P4能在相机视场中四个不同的指定位置生成点状光斑；将二值互补掩模板R1,R2,R3,R4与光栅相位图P1,P2,P3,P4对应相乘后求和，最终得到单个用于生成具有能量梯度的光学陷阱阵列的合成相位P。具体实施步骤如下：1)根据空间光调制器或相位板的分辨率，生成大小为m×n的随机化初始矩阵M,且M中元素服从[0,1]之间的均匀分布；2)设置光陷阱数量N＝4，且陷阱之间的能量比r1:r2:…:rN,通过归一化操作，计算N个阈值thi，即i＝1,2,3；3)如图3所示，比较随机化初始矩阵M与上一步获得的各阈值thi，可以确定N个二值互补掩模板Ri，维度与随机化初始矩阵M相同，且Ri之间无交集，其并集的结果为全一矩阵(元素值全为1的矩阵)。例如，当随机化初始矩阵M中某位置的元素值属于[0,th1]时，R1对应位置的元素值被设定为1，而其他位置的元素值被设定为0；当随机化初始矩阵M中某位置的元素值属于[th1,th2]时，R2对应位置的元素值被设定为1，而其他位置的元素值被设定为0；当随机化初始矩阵M中某位置的元素值属于[th2,th3]时，R3对应位置的元素值被设定为1，而其他位置的元素值被设定为0；当随机化初始矩阵M中某位置的元素值属于[th3,1]时，R4对应位置的元素值被设定为1，而其他位置的元素值被设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量梯度的精子活力评价方法，其特征在于实现步骤为：/n第一步，基于随机化二值互补掩模策略，生成二值互补掩模板和多个用于生成单个光斑的光栅相位图，合成得到单个用于生成点阵光学陷阱的全息图，即合成相位；/n第二步，将第一步所得合成相位加载至空间光调制器上，对出射光场进行相位调控，得到具有N个能量梯度的光学陷阱阵列；/n第三步，根据第二步所得具有N个能量梯度的光学陷阱阵列，对微流体通道中的一批精子进行捕获；具体实现如下：/n采用相机记录微流体通道中的一批精子的捕获和逃脱过程，再通过粒子追踪算法，获取其中每个精子在相机视场中的位置，比对N个能量梯度光学陷阱的位置与每个精子的位置，获取每个精子在光学陷阱中的停留时间，若视场中每个精子在设定的N个能量梯度光学陷阱处均有停留，表明相机视场中这一批精子能够被光学陷阱捕获，若其中单个精子能够被各能量梯度的光学陷阱捕获，则评估精子活力最弱，标记该精子活力等级为1，若单个精子只能被最强能量的光学陷阱捕获，则标记该精子活力等级为N，从而定性表征视场中每个精子活力，其中N取值原则上依据相机视场中精子数量和空间光调制器的分辨率来设定；另外，通过外部注射培养液的恒速流动，确定相机视场中每个精子逃脱的速度阈值，以此速度阈值作为这些精子活力表征的定量依据，若单个精子在设定的速度最小值v...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量梯度的精子活力评价方法，其特征在于实现步骤为：
第一步，基于随机化二值互补掩模策略，生成二值互补掩模板和多个用于生成单个光斑的光栅相位图，合成得到单个用于生成点阵光学陷阱的全息图，即合成相位；
第二步，将第一步所得合成相位加载至空间光调制器上，对出射光场进行相位调控，得到具有N个能量梯度的光学陷阱阵列；
第三步，根据第二步所得具有N个能量梯度的光学陷阱阵列，对微流体通道中的一批精子进行捕获；具体实现如下：
采用相机记录微流体通道中的一批精子的捕获和逃脱过程，再通过粒子追踪算法，获取其中每个精子在相机视场中的位置，比对N个能量梯度光学陷阱的位置与每个精子的位置，获取每个精子在光学陷阱中的停留时间，若视场中每个精子在设定的N个能量梯度光学陷阱处均有停留，表明相机视场中这一批精子能够被光学陷阱捕获，若其中单个精子能够被各能量梯度的光学陷阱捕获，则评估精子活力最弱，标记该精子活力等级为1，若单个精子只能被最强能量的光学陷阱捕获，则标记该精子活力等级为N，从而定性表征视场中每个精子活力，其中N取值原则上依据相机视场中精子数量和空间光调制器的分辨率来设定；另外，通过外部注射培养液的恒速流动，确定相机视场中每个精子逃脱的速度阈值，以此速度阈值作为这些精子活力表征的定量依据，若单个精子在设定的速度最小值v1下能够从光学陷阱中逃脱，则以此速度作为精子活力的评估指标；而若单个精子在设定的速度最...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，徐探，吴尚犬，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34