一种提高卵子成活率辅助装置的研制

黄欣（第一作者），倪少石（第一作者）

联勤保障部队第九〇〇医院 1 妇产科生殖医学中心， 2 医学工程科 （福建福州 350025）

辅助生殖和细胞生物工程等技术在对精子、卵子、受精卵、早期胚胎、培养细胞及离体活组织、活的小寄生虫和微生物等样品的处理过程中，有其共同的特点，即在离开活体的情况下，均需置于显微镜下一定温度范围（35～37 ℃）内进行观察和处理，才可使被检样品维持正常生理活动，从而获得正确的判定结果。辅助生殖技术发展至今，国内外尚未出现过系统、全过程、全方位的卵子受精前恒定温度控制装置（覆盖取卵和捡卵全过程）。现有的恒温试管架和恒温载物台仅可解决取卵和捡卵过程中部分环节和局部的控温要求，无法达到系统、全过程和全方位的精准控温[1]。

本研究设计了一种可提高卵子成活率的辅助装置，通过环形加热片对培养皿立壁四周进行加热，利用PID 控制算法，输出PWM 信号对培养皿环形加热器的加热功率进行高精度、低延迟的控制，进而保持卵子在检测过程中的恒定温度，达到提高卵子成活率的目的。本设计为2017年医院医学科研计划临床应用研究专项，即辅助生殖技术卵-冠-丘复合物收集显微操作中恒定温度控制装置的研制。本设计已获得实用新型专利，专利名称为可提高卵子成活率的辅助装置。

1 硬件设计

为保持承载卵子的试管的恒温控制，通过环形加热片对培养皿立壁四周进行加热，并通过比较采集到的温度，进而精确控制系统的输出温度。该装置主要包括电源电路、晶振电路、加热器驱动电路、温度采集电路、复位电路、按键电路、显示电路、报警电路等，如图1所示。

图1 硬件设计

1.1 电源电路设计

本设计的电源采用5 V 供电，市电通过变压后输出电压经过稳压芯片ASM1117输出稳定的5 V 电压，见图2。芯片1脚接地，2脚为电源输出端，3脚为电源输入端，电容C6、C7起到稳压滤波作用。

图2 5 V 电源电路

1.2 主控制电路设计

本设计采用AT89C52作为主控制芯片，其属于兼容标准MCS-51指令系统的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器和Flash 存储单元。主控制电路中，主控制芯片的XTAL1脚和XTAL2脚用于连接晶振电路，RST 脚用于连接复位电路，P1.0脚用于连接温度采集电路，P1.1脚用于连接工作指数电路，P1.2脚用于连接加热驱动电路，P1.3脚用于连接报警电路，P0.0～P0.7脚和P2.0～P2.7脚用于连接上拉电阻排，P00～P27用于连接按键电路和数码管显示电路，见图3。

图3 主控制电路

1.3 加热器驱动电路设计

本设计的加热器驱动电路是为了将试管加热至所需温度，为达到精确控温的目的，加热过程中采用PWM 模式。如图4所示，当P1.2脚输出高电平时，三极管Q1接通，光电耦合器MOC3061导通，晶闸管BTA16导通，进而加热器开始加热。C4和R8为阻容耦合的吸收电路，用于保护晶闸管，电阻R6起到限流作用。

图4 加热驱动电路

1.4 温度采集电路设计

为精确控制辅助装置的输出温度，本设计的温度采集传感器采用DS18B20,其电路图见图5。DS18B20的I/O 连接主控制芯片用于采集数据通信，VCC 脚用于连接5 V 电压，电阻R10起到稳定电平作用。

图5 温度采集电路

2 软件设计

本设计采用PWM 模式通过晶闸管控制输出电压，进而精确控制辅助装置的加热过程，达到提高卵子成活率的目的。软件设计过程中，首先进行系统初始化和按键扫描，进入温度采集子程序，若监测温度未达到设置温度，启动加热驱动子程序开启加热模块，当系统出现异常时，启动报警子程序，主程序设计见图6。

图6 主程序设计

3 讨论

在辅助生殖技术卵子的收集和识别过程中，胚胎学家将取卵人员收集的卵泡液轻轻倒入10 cm 培养皿中，卵泡液平铺于培养皿表面，液体厚度一般为5 mm；然后将培养皿放置于解剖显微镜配套的恒温载物台上，利用10倍镜识别出卵子。此操作期间不能在卵泡液上覆盖矿物油，也不可盖上培养皿盖。此时的卵泡液完全暴露在外界环境中，温度变化、pH 改变或光线照射等环境因素均会对卵子造成损害，影响其受精能力和受精后的发育潜力[2]。

卵子在室温内转移过程中，若室温低于37 ℃，会导致卵子内纺锤体变小，甚至造成纺锤体的微管解聚，最后导致纺锤体消失[3]。有研究结果显示，在室温下放置10 min，72%的卵子内会发生纺锤体断裂，56%发生染色体的解聚分离，复温之后其损伤不能恢复[4]；当温度冷却至室温，仅10 min，卵子内纺锤体便会变小，或纺锤体内微管解体甚至完全消失，中期染色体也呈无序分布[5]；将室温放置10 min 或30 min 的卵子再次放回37 ℃培养箱中培养1 h 或4 h，仅不到一半的卵子可恢复至未受降温处理前的状态。由于卵子恢复的时间较长，若细胞周期在此过程中发生变化，将会导致染色体数目异常，进而可能导致非整倍体胚胎的产生[6]。

现有的显微镜配套恒温载物台可保证培养皿内的温度，避免卵子发生纺锤体断裂等一系列不良事件。根据辅助生殖技术指南和实验室操作专家共识指出[7-10]，显微镜配套恒温载物台的温度应设置为37 ℃，环境温度一般设置为23～25 ℃。实际应用中，卵泡液铺开在10 cm 的培养皿内，液体热量散失过快，实际测量卵泡液的温度均会较设置温度低5～6 ℃；若设置温度高于37 ℃，则会导致培养皿内局部温度过高。《人类体外受精-胚胎移植实验室操作专家指南（2016）》指出，取卵时卵泡液温度超出36.4～36.9 ℃范围，将影响胚胎囊胚形成率、着床率及活产率[10-15]。

本研究设计一种提高卵子成活率辅助装置，使用成熟稳定的PID 温度控制算法和AT89C52主控制芯片，配套高精度的温度采集传感器和加热驱动电路，并配备了超温报警装置，可以精确控制培养皿的温度，使培养皿内的卵泡液达到恒定的37 ℃，模拟人体温度，满足卵子的基础环境要求，进而提高体外卵子成活率。在临床运用过程中，能够满足医务人员取卵过程中的恒温控制，对于提高医疗质量具有重大的临床意义。