一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：1)根據(jù)分割目標(biāo)形狀差異性，采用骨架形態(tài)學(xué)算子提取感興趣目標(biāo)ROI；2)采用改進(jìn)的模糊聚類方法，依據(jù)局部灰度和局部方差特征對(duì)邊界模糊和噪聲較大的預(yù)處理圖像進(jìn)行粗分類；3)在模糊聚類的基礎(chǔ)上設(shè)定水平集初始化位置和演化控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、極體和注射針的分割；4)針對(duì)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的部分注射針圖像，采用直接擬合，標(biāo)記出完整注射針圖像。在ICSI即卵胞漿內(nèi)單精子顯微注射過程中，用本發(fā)明方法能有效實(shí)現(xiàn)人類卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)、極體和注射針的分割問題，有助于自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)和成功率的提高，并減少對(duì)人工操作的高難度要求和依賴。
【專利說明】一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)圖像處理及應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞顯微注射是生物基因工程中的重要技術(shù)手段。本發(fā)明主要研究在ICSI (IntraCytoplasmic Sperm Injection)即卵胞衆(zhòng)內(nèi)單精子顯微注射過程中，人類卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)、極體和注射針的分割問題。從卵母細(xì)胞中分割出細(xì)胞質(zhì)和極體，不但能夠幫助專家分析卵母細(xì)胞成熟度(如直徑、顆粒度、透明帶的厚度、極體直徑、卵周隙尺寸等)，而且有助于ICSI自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)和成功率的提高，并減少對(duì)人工操作的高難度要求和依賴。
[0003]ICSI注射的情景如圖6所示。主要分為卵細(xì)胞、注射針和吸附針三個(gè)對(duì)象。其中，卵細(xì)胞周邊模糊區(qū)域?yàn)榉派涔冢派涔趦?nèi)側(cè)黑色曲線帶為透明帶，透明帶所包圍的物質(zhì)為細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞質(zhì)的上方圓形顆粒狀物質(zhì)為細(xì)胞的極體；左側(cè)的吸附針用來吸附和固定卵細(xì)胞；右邊長細(xì)條狀的注射針實(shí)現(xiàn)精子的運(yùn)輸和注射。在ICSI過程中需要確保注射針正確刺入細(xì)胞的位置，同時(shí)不損害細(xì)胞的極體，并判斷是否真正刺穿細(xì)胞質(zhì)。所以，實(shí)現(xiàn)上述分割至為重要。
[0004]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，近年來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞顯微注射的自動(dòng)化是當(dāng)前的重點(diǎn)研究方向。在實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)上，國內(nèi)外已有學(xué)者展開基礎(chǔ)研究工作Ladjal H等人在論文〈〈Micro-to-Nano biomechanical modeling for assisted biological cellinjection)) (IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2013, (60) 9: 2461-2471)，以及田桂中等人在論文《顯微注射中細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究》(中國機(jī)械工程，2009, 20(4):500-503)中，分別介紹了所搭建的基于光學(xué)顯微的注射平臺(tái)。
[0005]而在卵母細(xì)胞的選擇方面，Manna等人在論文《Artificial intelligencetechniques for embryo and oocyte classification》 (Reproductive biomedicineonline, 2013, 26(1):42-49)中，使用紋理特征實(shí)現(xiàn)對(duì)卵母細(xì)胞的分類和選擇，為下一步ICSI提高成功率做準(zhǔn)備。Basile等人在論文《A texture-based image processingapproach for the description of human oocyte cytoplasm》 (Instrumentation andMeasurement, IEEE Transactions on, 2010, 59 (10):2591-2601)中，通過圖像預(yù)處理從細(xì)胞質(zhì)中心開辟出一塊矩形區(qū)域，經(jīng)Har小波變換后提取卵母細(xì)胞的多個(gè)統(tǒng)計(jì)紋理特征，再用FCM(Fuzzy C-Means)聚類實(shí)現(xiàn)不同程度顆粒度的卵母細(xì)胞分類。Caponetti等人分別在論文((Multiresolution texture analysis for human oocyte cytoplasm description))(Medical Measurements and Applications, 2009.MeMeA2009.1EEE InternationalWorkshop on.1EEE, 2009:150-155)和 論 文《Fuzzy mathematical morphology forbiological image segmentation》(Applied Intelligence.2014:1-11)中，先用模糊數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)分割，并結(jié)合紋理特征實(shí)現(xiàn)卵母細(xì)胞分類。但Basile和Caponetti的預(yù)處理均運(yùn)用Hough變換實(shí)現(xiàn)圓形細(xì)胞質(zhì)的預(yù)分割，無法應(yīng)用到細(xì)胞形變的情況，并且沒有分割出細(xì)胞的極體。BoMak 等人在論文《Elevated active contour with global image
energy based on electrostatic force)) (Zeszyty Naukowe Politechniki Bialostockiej.1nformatyka, 2010:5-21)中提出了一種基本外部靜電力驅(qū)動(dòng)的全局活動(dòng)輪廓蛇模型，雖然分割出了細(xì)胞質(zhì)的輪廓，但要手動(dòng)初始化演化輪廓，且沒有實(shí)現(xiàn)細(xì)胞極體的分割。
[0006]對(duì)于注射針的運(yùn)動(dòng)控制，Zhang等人在論文《Controlled aspiration andpositioning of biological cells in a micropipette)) (IEEE Transactions on BiomedicalEngineering, 2012, 59 (4): 1032-1040)中，基于顯微視覺研究了對(duì)注射針移動(dòng)的閉環(huán)控制方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)注射針內(nèi)的精子運(yùn)動(dòng)的定位和跟蹤。
[0007]綜上所述，ICSI的各種實(shí)驗(yàn)裝置和卵母細(xì)胞的特征分析吸引了學(xué)者的關(guān)注，但是對(duì)于細(xì)胞顯微注射過程中卵母細(xì)胞的分割和定位問題卻少有研究，而這又是細(xì)胞顯微注射自動(dòng)化關(guān)鍵所在。故本文重點(diǎn)研究ICSI過程中細(xì)胞質(zhì)、注射針和卵細(xì)胞極體分割。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種有效、可靠的在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，能在普通硬件條件下實(shí)現(xiàn)人類卵細(xì)胞分割。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0010]I)根據(jù)分割目標(biāo)形狀差異性，采用骨架形態(tài)學(xué)算子提取感興趣目標(biāo)ROI ；
[0011]2)采用改進(jìn)的模糊聚類方法，依據(jù)局部灰度和局部方差特征對(duì)邊界模糊和噪聲較大的預(yù)處理圖像進(jìn)行粗分類；
[0012]3)在模糊聚類的基礎(chǔ)上設(shè)定水平集初始化位置和演化控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、極體和注射針的分割；
[0013]4)針對(duì)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的部分注射針圖像，采用直接擬合，標(biāo)記出完整注射針圖像。
[0014]在步驟I)中，結(jié)合形態(tài)學(xué)算子和骨架提取對(duì)細(xì)胞質(zhì)圖像進(jìn)行預(yù)分割，其過程為:首先，用OTSU方法得到完整二值圖像，而后做膨脹運(yùn)算，再經(jīng)二值骨架化，完整地提取細(xì)胞質(zhì)、卵母細(xì)胞的極體和吸附針的輪廓，其輪廓寬度為一個(gè)像素，同時(shí)將吸附針骨架化為單像素直線，骨架化的圖像只有細(xì)胞質(zhì)是連通的，易于填充和標(biāo)記；其次，通過區(qū)域填充和標(biāo)記，而后使用規(guī)則濾波器，把卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)從周邊的對(duì)象背景中分開出來；最后，提取出感興趣目標(biāo)ROI。
[0015]在步驟2)中，所述改進(jìn)的模糊聚類方法是加入局部灰度和方差信息，使得當(dāng)前中心點(diǎn)像素的分類由其近鄰域內(nèi)的像素的分類標(biāo)記共同決定，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、極體和細(xì)胞內(nèi)注射針的粗分類，其過程如下:
[0016]假設(shè)采集到的實(shí)際圖像y由真實(shí)圖像X和偏置域b組成，且b在局部范圍內(nèi)是緩
慢變化的，圖像I共計(jì)有N個(gè)像素，則有:
[0017]
y, =xk+bk,/ke{l,2,...,N}(I)
[0018]那么，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的FCM目標(biāo)代價(jià)函數(shù)整改如下:
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)分割目標(biāo)形狀差異性，采用骨架形態(tài)學(xué)算子提取感興趣目標(biāo)ROI； 2)采用改進(jìn)的模糊聚類方法，依據(jù)局部灰度和局部方差特征對(duì)邊界模糊和噪聲較大的預(yù)處理圖像進(jìn)行粗分類； 3)在模糊聚類的基礎(chǔ)上設(shè)定水平集初始化位置和演化控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、極體和注射針的分割； 4)針對(duì)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的部分注射針圖像，采用直接擬合，標(biāo)記出完整注射針圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:在步驟I)中，結(jié)合形態(tài)學(xué)算子和骨架提取對(duì)細(xì)胞質(zhì)圖像進(jìn)行預(yù)分割，其過程為:首先，用OTSU方法得到完整二值圖像，而后做膨脹運(yùn)算，再經(jīng)二值骨架化，完整地提取細(xì)胞質(zhì)、卵母細(xì)胞的極體和吸附針的輪廓，其輪廓寬度為一個(gè)像素，同時(shí)將吸附針骨架化為單像素直線，骨架化的圖像只有細(xì)胞質(zhì)是連通的，易于填充和標(biāo)記；其次，通過區(qū)域填充和標(biāo)記，而后使用規(guī)則濾波器，把卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)從周邊的對(duì)象背景中分開出來；最后，提取出感興趣目標(biāo)ROI。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:在步驟2)中，所述改進(jìn)的模糊聚類方法是加入局部灰度和方差信息，使得當(dāng)前中心點(diǎn)像素的分類由其近鄰域內(nèi)的像素的分類標(biāo)記共同決定，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、極體和細(xì)胞內(nèi)注射針的粗分類，其過程如下: 假設(shè)采集到的實(shí)際圖像I由真實(shí)圖像X和偏置域b組成，且b在局部范圍內(nèi)是緩慢變化的，圖像I共計(jì)有N個(gè)像素，則有: >/ =X1 +bk,/k(I) 那么，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的FCM目標(biāo)代價(jià)函數(shù)整改如下: Jm =25? Iixk~vi H2 +^ΣΣ<(Σι-^.ιι2)^ Ijjk=I^k ⑵
k=lNr i=\ k=\ xel^kJ=I 其中，P是模糊隸屬度加權(quán)指數(shù)，影響最終分類的模糊程度；Nk表示以Xk為中心的近鄰域；NK表示Nk中像素的個(gè)數(shù)；α是近鄰域的控制參數(shù)，取值反比于圖像的信噪比，將上式(I)代入有: J = ΣΣ<Il^-K\\2+^~ΣΣ<( Σ Wyr-K-ViW2)⑶
i=\ k=\lyR i=l k=l yreNk 使用Lagrange乘子求上式的最優(yōu)問題:F+(4) /二I k二I?+:1
其中，Dik = Il yk-bk-Vi I 12，^ Il >v ~br-vi Il 分別對(duì)uik、vik求一階偏導(dǎo)數(shù)并令結(jié)果為0，可得隸屬度和聚類中心vl，同理，對(duì)偏置域bk估計(jì)，求一階偏導(dǎo)數(shù)并令其結(jié)果為O，可以求得:

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在光學(xué)顯微注射過程中人類卵細(xì)胞分割實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:在步驟3)中，結(jié)合模糊聚類結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水平集位置的初始化和設(shè)置水平集演化參數(shù)，將模糊聚類的結(jié)果用作無需初始化的變分水平集演化的方向和速度參數(shù)，使得在輪廓邊界可以自動(dòng)決定演化方向，準(zhǔn)確跟蹤邊界位置，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的正確分割；變分方程如下:
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK104008545SQ201410214660
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】田聯(lián)房, 秦傳波, 杜啟亮, 張勤 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)