一種提高卵子成活率輔助裝置的研制

黃欣（第一作者），倪少石（第一作者）

聯(lián)勤保障部隊(duì)第九〇〇醫(yī)院 1 婦產(chǎn)科生殖醫(yī)學(xué)中心， 2 醫(yī)學(xué)工程科 （福建福州 350025）

輔助生殖和細(xì)胞生物工程等技術(shù)在對(duì)精子、卵子、受精卵、早期胚胎、培養(yǎng)細(xì)胞及離體活組織、活的小寄生蟲和微生物等樣品的處理過(guò)程中，有其共同的特點(diǎn)，即在離開活體的情況下，均需置于顯微鏡下一定溫度范圍（35～37 ℃）內(nèi)進(jìn)行觀察和處理，才可使被檢樣品維持正常生理活動(dòng)，從而獲得正確的判定結(jié)果。輔助生殖技術(shù)發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外尚未出現(xiàn)過(guò)系統(tǒng)、全過(guò)程、全方位的卵子受精前恒定溫度控制裝置（覆蓋取卵和撿卵全過(guò)程）。現(xiàn)有的恒溫試管架和恒溫載物臺(tái)僅可解決取卵和撿卵過(guò)程中部分環(huán)節(jié)和局部的控溫要求，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)、全過(guò)程和全方位的精準(zhǔn)控溫[1]。

本研究設(shè)計(jì)了一種可提高卵子成活率的輔助裝置，通過(guò)環(huán)形加熱片對(duì)培養(yǎng)皿立壁四周進(jìn)行加熱，利用PID 控制算法，輸出PWM 信號(hào)對(duì)培養(yǎng)皿環(huán)形加熱器的加熱功率進(jìn)行高精度、低延遲的控制，進(jìn)而保持卵子在檢測(cè)過(guò)程中的恒定溫度，達(dá)到提高卵子成活率的目的。本設(shè)計(jì)為2017年醫(yī)院醫(yī)學(xué)科研計(jì)劃臨床應(yīng)用研究專項(xiàng)，即輔助生殖技術(shù)卵-冠-丘復(fù)合物收集顯微操作中恒定溫度控制裝置的研制。本設(shè)計(jì)已獲得實(shí)用新型專利，專利名稱為可提高卵子成活率的輔助裝置。

1 硬件設(shè)計(jì)

為保持承載卵子的試管的恒溫控制，通過(guò)環(huán)形加熱片對(duì)培養(yǎng)皿立壁四周進(jìn)行加熱，并通過(guò)比較采集到的溫度，進(jìn)而精確控制系統(tǒng)的輸出溫度。該裝置主要包括電源電路、晶振電路、加熱器驅(qū)動(dòng)電路、溫度采集電路、復(fù)位電路、按鍵電路、顯示電路、報(bào)警電路等，如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電源采用5 V 供電，市電通過(guò)變壓后輸出電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片ASM1117輸出穩(wěn)定的5 V 電壓，見(jiàn)圖2。芯片1腳接地，2腳為電源輸出端，3腳為電源輸入端，電容C6、C7起到穩(wěn)壓濾波作用。

圖2 5 V 電源電路

1.2 主控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用AT89C52作為主控制芯片，其屬于兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash 存儲(chǔ)單元。主控制電路中，主控制芯片的XTAL1腳和XTAL2腳用于連接晶振電路，RST 腳用于連接復(fù)位電路，P1.0腳用于連接溫度采集電路，P1.1腳用于連接工作指數(shù)電路，P1.2腳用于連接加熱驅(qū)動(dòng)電路，P1.3腳用于連接報(bào)警電路，P0.0～P0.7腳和P2.0～P2.7腳用于連接上拉電阻排，P00～P27用于連接按鍵電路和數(shù)碼管顯示電路，見(jiàn)圖3。

圖3 主控制電路

1.3 加熱器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的加熱器驅(qū)動(dòng)電路是為了將試管加熱至所需溫度，為達(dá)到精確控溫的目的，加熱過(guò)程中采用PWM 模式。如圖4所示，當(dāng)P1.2腳輸出高電平時(shí)，三極管Q1接通，光電耦合器MOC3061導(dǎo)通，晶閘管BTA16導(dǎo)通，進(jìn)而加熱器開始加熱。C4和R8為阻容耦合的吸收電路，用于保護(hù)晶閘管，電阻R6起到限流作用。

圖4 加熱驅(qū)動(dòng)電路

1.4 溫度采集電路設(shè)計(jì)

為精確控制輔助裝置的輸出溫度，本設(shè)計(jì)的溫度采集傳感器采用DS18B20,其電路圖見(jiàn)圖5。DS18B20的I/O 連接主控制芯片用于采集數(shù)據(jù)通信，VCC 腳用于連接5 V 電壓，電阻R10起到穩(wěn)定電平作用。

圖5 溫度采集電路

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PWM 模式通過(guò)晶閘管控制輸出電壓，進(jìn)而精確控制輔助裝置的加熱過(guò)程，達(dá)到提高卵子成活率的目的。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化和按鍵掃描，進(jìn)入溫度采集子程序，若監(jiān)測(cè)溫度未達(dá)到設(shè)置溫度，啟動(dòng)加熱驅(qū)動(dòng)子程序開啟加熱模塊，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警子程序，主程序設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 主程序設(shè)計(jì)

3 討論

在輔助生殖技術(shù)卵子的收集和識(shí)別過(guò)程中，胚胎學(xué)家將取卵人員收集的卵泡液輕輕倒入10 cm 培養(yǎng)皿中，卵泡液平鋪于培養(yǎng)皿表面，液體厚度一般為5 mm；然后將培養(yǎng)皿放置于解剖顯微鏡配套的恒溫載物臺(tái)上，利用10倍鏡識(shí)別出卵子。此操作期間不能在卵泡液上覆蓋礦物油，也不可蓋上培養(yǎng)皿蓋。此時(shí)的卵泡液完全暴露在外界環(huán)境中，溫度變化、pH 改變或光線照射等環(huán)境因素均會(huì)對(duì)卵子造成損害，影響其受精能力和受精后的發(fā)育潛力[2]。

卵子在室溫內(nèi)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，若室溫低于37 ℃，會(huì)導(dǎo)致卵子內(nèi)紡錘體變小，甚至造成紡錘體的微管解聚，最后導(dǎo)致紡錘體消失[3]。有研究結(jié)果顯示，在室溫下放置10 min，72%的卵子內(nèi)會(huì)發(fā)生紡錘體斷裂，56%發(fā)生染色體的解聚分離，復(fù)溫之后其損傷不能恢復(fù)[4]；當(dāng)溫度冷卻至室溫，僅10 min，卵子內(nèi)紡錘體便會(huì)變小，或紡錘體內(nèi)微管解體甚至完全消失，中期染色體也呈無(wú)序分布[5]；將室溫放置10 min 或30 min 的卵子再次放回37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 h 或4 h，僅不到一半的卵子可恢復(fù)至未受降溫處理前的狀態(tài)。由于卵子恢復(fù)的時(shí)間較長(zhǎng)，若細(xì)胞周期在此過(guò)程中發(fā)生變化，將會(huì)導(dǎo)致染色體數(shù)目異常，進(jìn)而可能導(dǎo)致非整倍體胚胎的產(chǎn)生[6]。

現(xiàn)有的顯微鏡配套恒溫載物臺(tái)可保證培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度，避免卵子發(fā)生紡錘體斷裂等一系列不良事件。根據(jù)輔助生殖技術(shù)指南和實(shí)驗(yàn)室操作專家共識(shí)指出[7-10]，顯微鏡配套恒溫載物臺(tái)的溫度應(yīng)設(shè)置為37 ℃，環(huán)境溫度一般設(shè)置為23～25 ℃。實(shí)際應(yīng)用中，卵泡液鋪開在10 cm 的培養(yǎng)皿內(nèi)，液體熱量散失過(guò)快，實(shí)際測(cè)量卵泡液的溫度均會(huì)較設(shè)置溫度低5～6 ℃；若設(shè)置溫度高于37 ℃，則會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)皿內(nèi)局部溫度過(guò)高?！度祟愺w外受精-胚胎移植實(shí)驗(yàn)室操作專家指南（2016）》指出，取卵時(shí)卵泡液溫度超出36.4～36.9 ℃范圍，將影響胚胎囊胚形成率、著床率及活產(chǎn)率[10-15]。

本研究設(shè)計(jì)一種提高卵子成活率輔助裝置，使用成熟穩(wěn)定的PID 溫度控制算法和AT89C52主控制芯片，配套高精度的溫度采集傳感器和加熱驅(qū)動(dòng)電路，并配備了超溫報(bào)警裝置，可以精確控制培養(yǎng)皿的溫度，使培養(yǎng)皿內(nèi)的卵泡液達(dá)到恒定的37 ℃，模擬人體溫度，滿足卵子的基礎(chǔ)環(huán)境要求，進(jìn)而提高體外卵子成活率。在臨床運(yùn)用過(guò)程中，能夠滿足醫(yī)務(wù)人員取卵過(guò)程中的恒溫控制，對(duì)于提高醫(yī)療質(zhì)量具有重大的臨床意義。