專利名稱：一種多光譜細胞涂片自動分析儀及其用于宮頸細胞的分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多光譜細胞涂片自動分析儀及其用于宮頸細胞的分析方法，屬于分析檢測儀器類，尤其涉及宮頸細胞涂片自動分析的醫(yī)學(xué)檢查儀器。
背景技術(shù)：
宮頸癌的發(fā)病率居婦科惡性腫瘤的首位，我國的宮頸癌發(fā)病率居世界第二位。巴氏宮頸抹片檢查是宮頸癌早期診斷的重要內(nèi)容，作為一種成功的宮頸癌篩選方法，它能提供有無癌變，炎癥的種類及嚴(yán)重程度的大量有用信息，該法使用以來，使得我國的宮頸癌死亡率明顯下降。但目前宮頸抹片的應(yīng)用仍停留在人工識別階段將宮頸抹片用巴氏染色法染色，在光鏡下對細胞進行逐個人工的肉眼檢診，按巴氏五級分類法對女性生殖道的惡性腫瘤進行診斷。該法工作量大，每張片子平均有幾十萬個細胞，全憑手工機械移動顯微鏡，肉眼觀察，非常的煩瑣和勞累；醫(yī)院為此耗費大量的人力，而且由于醫(yī)師的疲勞和主觀經(jīng)驗的限制等，誤判和漏診仍不可避免，存在較高的假陰性率和假陽性率。
國外已有的細胞自動判讀系統(tǒng)存在以下一些問題1＞，由于細胞涂片中，上皮細胞胞難以避免重疊而造成細胞核和細胞漿的分割不準(zhǔn)確。2＞，檢出率與假陽性率之間的矛盾。由于采用了計算機掃描處理和新的細胞分類方法，檢測的假陰性率的確降低了，但假陽性率并未大幅下降。從美國計算機檢診的五千萬例來看，敏感性為90-97％，而檢測的有效率仍在72-78％之間徘徊。3＞，對于檢出的細胞，系統(tǒng)并不能判斷是否真正異常，仍須人工檢測確認(rèn)。這些問題的產(chǎn)生均和計算機獲取的圖像信息過少相關(guān)。
生物醫(yī)學(xué)上的多光譜成像技術(shù)可用來加大獲取的信息，加強計算機對細胞的識別能力。從原理上講，當(dāng)正常細胞的性質(zhì)發(fā)生改變時，其細胞核中的一些物質(zhì)，如脫氧核糖核酸(DNA)的含量亦隨之而變，導(dǎo)致細胞核的形態(tài)、大小及核漿比例發(fā)生變化，并且變化的類型根據(jù)細胞的種類及惡性程度而有所不同；因而對一般細胞圖像灰度和形態(tài)學(xué)的分析，最多只能得到細胞60％-70％的識別信息；遠不如多光譜圖像在觀察細胞形態(tài)的同時，通過成像光譜分析，得到細胞中組成變化的信息，這些細胞化學(xué)成分定量分析信息，使得原有的計算機圖像分析方法有了很廣泛的應(yīng)用前景。從現(xiàn)有應(yīng)用光譜研究腫瘤的文獻來看，將光譜成像系統(tǒng)和細胞顯微分析系統(tǒng)結(jié)合，借助光譜來判斷細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)及成分是否異常來解決系統(tǒng)目前的問題，也是可行的。
光譜成像源于80年代中期的遙感技術(shù)。星載(機載)推帚式光譜成像系統(tǒng)使我們能根據(jù)地物的特征光譜直接識別出遙感圖像上地表大多數(shù)的物質(zhì)，因此在地質(zhì)找礦、植被和農(nóng)作物普查乃至軍事上都有著廣泛的用途。
國外較早開始細胞涂片計算機診斷研究，且已有一些實用系統(tǒng)商業(yè)化。如美國的PAPNET計算機數(shù)字化玻片檢查儀該裝置是大型電腦自動化掃描系統(tǒng)，能模仿人工智能對高難度的影像進行分析。整個系統(tǒng)由檢測中心和中間細胞室組成，可分別建在兩個不同的地方。在檢測中心有一臺電腦顯微掃描儀及高敏顯像管，中間細胞室有一套電腦解像系統(tǒng)及顯微鏡；PAPNET的檢診分兩步進行，先在檢測中心由計算機對抹片上的每個細胞進行初步的辨認(rèn)篩選，從每張片子上找出最可疑的128個細胞，將含有該細胞的視野用高敏顯像管拍攝紀(jì)錄，然后在中間細胞室，由細胞學(xué)家對記錄的資料進行復(fù)驗，遇可疑之處，再在顯微鏡下進行肉眼檢查；該系統(tǒng)按TBS分類法來區(qū)分細胞，比傳統(tǒng)的光鏡篩選準(zhǔn)確率高出很多。
國內(nèi)在這方面的研究也有一定進展。如1997年天津大學(xué)與天津薊縣婦幼保健院合作開發(fā)了計算機顯微圖像處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)重點放在光學(xué)信號的處理和顯微鏡載物臺的計算機控制方面，在宮頸細胞圖像的分割和識別方面的研究較少，因而系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性都存在一些問題，實際應(yīng)用較少，僅檢診過幾百例宮頸細胞涂片。在湖北省，孫小蓉引進加拿大BC腫瘤研究所的全自動細胞圖像分析儀成立了武漢蘭丁腫瘤早期診斷檢測中心，開展細胞學(xué)定量分析檢查的癌癥早期檢查的工作，引進的系統(tǒng)采用福爾根染色，主要以細胞的DNA含量為檢測依據(jù)。
目前國內(nèi)外尚未見到將多光譜成像技術(shù)應(yīng)用到宮頸細胞顯微圖像分析識別的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種細胞涂片的自動分析儀和多光譜宮頸涂片自動分析方法。該自動分析儀方法可以增加細胞檢測的精度和提高異常細胞檢測的準(zhǔn)確率，可以滿足臨床細胞學(xué)檢查自動化的需要。
本發(fā)明提供的一種多光譜細胞涂片自動分析儀的技術(shù)方案是它包括顯微鏡1，自動上片裝置3，自動上片控制系統(tǒng)4，照明系統(tǒng)5，計算機10，顯示器12，面陣CCD15及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14；它還有a、一個變焦裝置2，用于實現(xiàn)對低倍可疑或感興趣區(qū)域檢測和高倍對可疑細胞作是否屬異常細胞檢測；b、一個自動載物臺6及三維移動控制系統(tǒng)7和自動上片裝置3，用于實現(xiàn)細胞涂片的自動掃描和聚焦；c、一個配置在顯微鏡1上的電調(diào)諧濾光器16及電調(diào)諧濾光器控制器8和面陣CCD15，用于實現(xiàn)顯微光譜圖像的快速采集；所述的電調(diào)諧濾光器16一端安裝在顯微鏡1上，另一端與面陣CCD15連接，染色涂片細胞像經(jīng)過電調(diào)諧濾光器16后成像在面陣CCD15上，計算機10則通過控制濾光器控制器8調(diào)節(jié)加在電調(diào)諧濾光器16上的電信號，改變其通頻帶的中心頻率，面陣CCD15檢測出的圖像信號通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存貯在計算機10中，供計算機10進行圖像處理和分析。
本發(fā)明一種將多光譜細胞涂片自動分析儀用于宮頸細胞的分析方法的技術(shù)方案，具體說，是系統(tǒng)的程序；它包括下述步驟a、采集多光譜圖象；b挑選、分析多光譜圖象；c、測量細胞參數(shù)；d、對細胞進行模式識別；e、綜合整理分析結(jié)果；所述步驟體現(xiàn)在系統(tǒng)的程序中，包括a、一個采集多光譜圖像的程序，它是將細胞涂片的每一個局部區(qū)域經(jīng)過顯微鏡1放大后再通過電調(diào)諧濾光器16分別取出不同光譜波段的圖像，經(jīng)過面陣CCD15送入計算機后得到該區(qū)域、即視場的分析所需光譜圖像；b、一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序，它是對多光譜圖像進行反復(fù)篩選，挑選感興趣的圖像，進行準(zhǔn)確分割出細胞的胞核和胞漿，測量細胞參數(shù)，進行模式識別，最后綜合整個分析結(jié)果；它其中包括一個低倍和高倍圖像的獲取程序，一個低倍和高倍處理單核、多核、和重疊核細胞的程序，一個低倍細胞圖像和高倍細胞圖像進行分割的程序。
本發(fā)明的效果最大特點之一是充分、合理利用了細胞的光譜特性，使得對于細胞漿和細胞核的分割更加準(zhǔn)確，速度更快，同時擺脫了染色時間對分析參數(shù)和結(jié)果的影響，細胞的光譜參數(shù)為細胞識別提供了更豐富的信息；模仿醫(yī)生對細胞涂片的分析過程，系統(tǒng)首先在低倍下進行預(yù)處理，除掉雜質(zhì)，氣泡，邊緣對分析的影響，找到可疑的區(qū)域，然后在高倍下分析，加速分析速度，是本發(fā)明的另外一個特點。本發(fā)的技術(shù)效果還在于自動化程度高，分析結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性強，充分利用顯微多光譜對宮頸細胞進行光譜識別和分類，為宮頸疾病診斷提供了新的光譜學(xué)依據(jù)。


附圖1是自動分析儀系統(tǒng)的組成示意圖。圖中1-顯微鏡，2-變焦裝置，3-自動上片裝置，4-自動上片控制系統(tǒng)，5-照明系統(tǒng)，6-自動載物臺，7-三維移動控制系統(tǒng)，8-電調(diào)諧濾光器控制器，9-打印機及其它的外設(shè)，10-計算機，11-數(shù)據(jù)備份恢復(fù)系統(tǒng)，12-顯示器，13-圖像監(jiān)視器，14-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，15-面陣CCD，16-電調(diào)諧器件。
附圖2是系統(tǒng)中利用電調(diào)諧采集多光譜的程序圖。
附圖3是一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序圖，是系統(tǒng)總的處理程序，由100開始，移動到所需低倍視場102，采集低倍多光譜圖像104，低倍分析106，結(jié)束條件108，移動到低倍視場定位的子區(qū)域視場110，采集高倍多光譜圖像112，高倍分析114，結(jié)束條件116，綜合處理118，完成120組成。概括的說系統(tǒng)由低倍處理，高倍處理，綜合處理完成。
附圖4是系統(tǒng)中低倍圖像處理程序，由移動到低倍視場122，視場滿意度評價124，圖像分割126，特征計算128，目標(biāo)分類130，輸出信息132組成。
附圖5是系統(tǒng)中高倍圖像處理程序，高倍處理由移動到滿意高倍視場140，圖像分割142，特征計算144，目標(biāo)分類146，輸出信息148，結(jié)束條件150，轉(zhuǎn)到下一低倍視場152組成。
附圖6是系統(tǒng)將細胞分成三類，以及對其處過程序示意圖。
附圖7是系統(tǒng)中圖像分過程序示意圖。
附圖8是系統(tǒng)中采用多光譜分割的效果圖。
具體實施例方式
附圖1是本發(fā)明一種多光譜細胞涂片自動分析儀系統(tǒng)組成示意圖。它有一個顯微鏡1，自動上片裝置3，自動上片控制系統(tǒng)4，照明系統(tǒng)5，計算機10，顯示器12，面陣CCD15及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14；還有一個變焦裝置2，用于實現(xiàn)對低倍可疑或感興趣區(qū)域檢測和高倍對可疑細胞作是否屬異常細胞檢測；一個自動載物臺6及三維移動控制系統(tǒng)7和自動上片裝置3，用于實現(xiàn)細胞涂片的自動掃描和聚焦；一個配置在顯微鏡1上的電調(diào)諧濾光器16及電調(diào)諧濾光器控制器8和面陣CCD15，用于實現(xiàn)顯微光譜圖像的快速采集；所述的電調(diào)諧濾光器16一端安裝在顯微鏡1上，另一端與面陣CCD15連接，染色涂片細胞像經(jīng)過電調(diào)諧濾光器16后成像在面陣CCD15上，計算機10則通過控制濾光器控制器8調(diào)節(jié)加在電調(diào)諧濾光器16上的電信號，改變其通頻帶的中心頻率，面陣CCD15檢測出的圖像信號通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存貯在計算機10中，供計算機10進行圖像處理和分析；計算機10控制自動上片控制系統(tǒng)4，自動上片控制系統(tǒng)控制自動上片裝置使波片上載到自動載物臺6，自動上片控制系統(tǒng)4檢測到波片上載到載物臺后給計算機10信號，計算機10控制自動載物臺三維移動控制系統(tǒng)7，自動載物臺三維移動控制系統(tǒng)7通過控制自動載物臺6使波片處于顯微鏡1要求的位置，并且進行自動聚焦。計算機10控制電調(diào)諧濾光器控制器8，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14采集多光譜圖像。計算機10通過控制變焦裝置2使得顯微鏡1在低倍和高倍下自動切換。計算機10對采集到的圖像依據(jù)先低倍處理，后高倍處理，最后綜合處理的方法，從而對波片上的標(biāo)本做出適當(dāng)?shù)脑u價；本發(fā)明自動分析儀在上述實施基礎(chǔ)上具有下述附加技術(shù)特征的實施例為變焦裝置2其變焦倍數(shù)為在分析開始時顯微鏡1的物鏡轉(zhuǎn)動范圍為4-20倍的低倍，低倍分析完成后，顯微鏡1的物鏡轉(zhuǎn)動范圍為20-100倍的高倍；自動上片裝置3，通過自動上片控制系統(tǒng)4與計算機10連接，由計算機10控制自動上片裝置3裝載細胞涂片到自動載物臺6上和從自動載物臺6卸載已分析完成的細胞涂片；自動載物臺6通過自動載物臺三維移動控制系統(tǒng)7與計算機10連接，由計算機10通過面陣CCD15采集的圖像計算聚焦控制自動載物臺6上下移動進行自動聚焦，控制自動載物臺6水平移動實現(xiàn)涂片掃描；電調(diào)諧濾光器16的帶寬為2-30nm，優(yōu)選聲光調(diào)諧濾光器。本發(fā)明一種將多光譜細胞涂片自動分析儀用于宮頸細胞的分析方法的實施例如圖1～圖8所示，它由下述步驟組成a、采集多光譜圖象；b挑選、分析多光譜圖象；c、測量細胞參數(shù)；d、對細胞進行模式識別；e、綜合整理分析結(jié)果；所述步驟體現(xiàn)在系統(tǒng)的程序中a、一個采集多光譜圖像的程序，它是將細胞涂片的每一個局部區(qū)域經(jīng)過顯微鏡1放大后再通過電調(diào)諧濾光器16分別取出不同光譜波段的圖像，經(jīng)過面陣CCD15送入計算機后得到該區(qū)域、即視場的分析所需光譜圖像；b、一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序，它是對多光譜圖像進行反復(fù)篩選，挑選感興趣的圖像，進行準(zhǔn)確分割出細胞的胞核和胞漿，測量細胞參數(shù)，進行模式識別，最后綜合整個分析結(jié)果；其中有一個低倍和高倍圖像的獲取程序，一個低倍和高倍處理單核、多核、和重疊核細胞的程序，一個低倍細胞圖像和高倍細胞圖像進行分割的程序；測量細胞的參數(shù)，包括核和漿的形態(tài)參數(shù)、紋理參數(shù)、以及光譜參數(shù)，進行模式識別是依據(jù)細胞漿和細胞核間的關(guān)系；分三種情況測量細胞的參數(shù)1、單核細胞，一塊細胞漿里面只含有一個細胞核，細胞漿和細胞核都有很好的分類效果；2、多核細胞，一塊細胞漿里面至少含有兩個細胞核，但是細胞核之間相互不粘連，細胞核有很好的分離效果；3、重疊核細胞；一塊細胞漿里面至少含有兩個相互粘連重疊的細胞核；附圖2是采集多光譜圖像的程序由于對光譜圖像是由一系列的單色圖像組合而成的，因此，在每個視場下需要在每一個我們選定的波長下采集一幅圖像。打開光源和電調(diào)諧濾光器控制器，約半小時光源穩(wěn)定后，把宮頸涂片放在載物臺，把光源調(diào)節(jié)到一個合適的位置，對于相同的放大倍率以后每次都放到相同的位置，使照明強度相同。調(diào)節(jié)顯微鏡到科勒照明，以保證視場的亮度均勻。
采集多光譜圖像的程序是a、在每一個視場下，首先將電調(diào)諧濾光器16的透射波長定位到要采集的波長的中間波長，在計算機10的控制下利用圖像處理算法進行自動聚焦，使視場最清晰；b、通過計算機10控制電調(diào)諧濾光器16切換到一個未采集而選定的波段下；c、用計算出的積分時間采集一幅圖像；d、對采集到的圖像進行灰度校正；e、當(dāng)所選波段末掃描完時，然后再切換到下一個選定的波段，再采集一幅圖像，再進行灰度校正，如此循環(huán)，直到所有所選的波段全部采集完畢；f、最后再進行彩色合成、處理分析和數(shù)據(jù)存儲。
灰度校正的程序是聚焦涂片，使細胞最佳清晰。a、移動涂片到空白區(qū)域，在一個空視場下，略微散焦，通過計算機10控制電調(diào)諧濾光器16和面陣CCD15，用一個相同的積分時間在每一個所選定的波段采集一幅圖像；b、再根據(jù)這些圖像算出每個波段下一個合適的積分時間，對于灰度值比較低的波段可以給一個長的積分時間，對于灰度值高的波段給一個短的積分時間，以對整個波段范圍進行平衡補償；c、根據(jù)計算出的積分時間再在每個選定的波段下重新采集一幅圖像，得到增強的背底光譜圖像；d、以后對于每一個波段的圖像，都用與增強的背底光譜圖像相同的積分時間進行采集，對灰度值進行提升，保證背底區(qū)域在不同的波段都有一致的灰度值，便于圖像處理和分析。由于對背底的校正是以象素為單位進行處理的，所以不僅可以有效去除成像系統(tǒng)對不同波段靈敏度不同的影響，也可一對藍光波段進行補償提升，有效的消除一些輕微的視場不均勻性以及面陣CCD15各象素感光靈敏度差異。
附圖3是一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序圖，是系統(tǒng)總的處理程序，系統(tǒng)總的處理由低倍處理，高倍處理，綜合處理完成。a、系統(tǒng)的計算機10首先保證從面陣CCD15獲得的圖像能夠真實或者接近真實反映宮頸涂片的多光譜信息。由于傳統(tǒng)醫(yī)師在檢驗宮頸涂片遵循首先在低倍顯微鏡下面視察，找到可疑的區(qū)域，然后轉(zhuǎn)到高倍顯微鏡下對可疑的區(qū)域每一個細胞進行仔細的篩查，找到可疑的細胞，從而對切片作出合符診斷學(xué)的判斷。依照同樣的原理，本系統(tǒng)對涂片的處理也遵循低倍處理和高倍處理相結(jié)合的原理；b、對于面陣CCD15檢測的到的每一張低倍圖像，系統(tǒng)計算機10控制系統(tǒng)計算機的算法軟件對其處理，判斷該圖像是否含有可疑的目標(biāo)，在低倍處理的過程種可疑的目標(biāo)包括可疑異常單核細胞，可疑的多核細胞；c、一旦檢測到該圖像中存在可疑的目標(biāo)，系統(tǒng)計算機將控制顯微鏡轉(zhuǎn)到高倍，對存在可疑目標(biāo)的子區(qū)域進行精細的篩選；d、一旦檢測到低倍圖像不含有感興趣的可疑目標(biāo)或者不存在感興趣的視場，系統(tǒng)計算機將對涂片進行下一場的低倍圖像獲取處理；依上敘的方法，計算機在低倍下對涂片上所有的目標(biāo)進行掃描處理，直到一定條件滿足，例如檢測到的細胞數(shù)達到一定上限；檢測到可疑細胞數(shù)達到一定的數(shù)目；系統(tǒng)檢測的總時間達到一定的上限；一旦系統(tǒng)處理在低倍視場找到可疑的目標(biāo)，系統(tǒng)計算機將保存可疑目標(biāo)的位置并且將顯微鏡轉(zhuǎn)到高倍下對可疑目標(biāo)進行精確的處理進行處理；由于顯微鏡在低倍處理下所獲得的視場和在高倍下所獲得的視場之間存在差異，簡單的說低倍視場所掃描的區(qū)域要比高倍所掃描的區(qū)域要大，所以系統(tǒng)把含有可疑目標(biāo)的低倍視場近似的等分成一定數(shù)目的子區(qū)域；在高倍下，系統(tǒng)依據(jù)一定的優(yōu)先次序，例如子區(qū)域含有可疑目標(biāo)的多少；子區(qū)域含有目標(biāo)的多少；等等，先后掃描這些子區(qū)域；如果子區(qū)域不含有感興趣的目標(biāo)，系統(tǒng)計算將轉(zhuǎn)到下一次序的子區(qū)域；e、計算機在高倍下對所有子視場進行掃描處理，直到滿足一定條件，例如滿足系統(tǒng)處理完成條件，滿足所有的子區(qū)域掃描完條件等等，f、在綜合處理階段118，系統(tǒng)將綜合利用低倍分析結(jié)果106，高倍分析結(jié)果114，對涂片進行評估。評估的結(jié)果包括正?；蛘咝枰匦聮呙琛?br> 附圖4是低倍圖像處理的程序。傳統(tǒng)上對于宮頸細胞的處理要么是基于灰度圖像，要么是彩色RGB三通道圖像，但是實踐表明對于復(fù)雜的宮頸細胞圖像而言，傳統(tǒng)圖像提供的信息太少。在方法上，一般利用閾值的方法，利用三值化對宮頸細胞圖像進行分割處理。高閾值提供圖像的背景信息，中閾值提供的細胞的漿信息，低閾值提供圖像的核信息。然而采用此方法是建立在理想的情況基礎(chǔ)上，即宮頸細胞圖像中的漿、背景、核受雜質(zhì)、噪聲等實際情況干擾很低。事實上受實際工作條件的影響，上敘的理想情況很難出現(xiàn)，對于大多數(shù)的宮頸細胞圖像而言，背景、漿、核之間對比度差異對于采用閾值處理的方法遠遠不夠?；趫D像分割的精確性和一致性將決定后期的工作的精度性和一致性原因，本系統(tǒng)利用多光譜圖像的特征對宮頸圖像進行分割。在低倍處理過程中系統(tǒng)將對每一幅圖像進行分割，分割出感興趣目標(biāo)。感興趣目標(biāo)包括單核細胞、多核細胞。實踐上由于醫(yī)生判定一個涂片正常與否，往往是綜合微觀細節(jié)和宏觀大局信息，醫(yī)生既要對單個細胞進行準(zhǔn)確的判斷，也要考慮成組成塊細胞的情況。在對涂片評估過程中，雖然單核細胞對評估起到最重要的作用，但是也不能忽視多核細胞和重疊核細胞提供的輔助作用。所以本系統(tǒng)對于成組成塊細胞也給予了足夠的重視。系統(tǒng)首先對低倍視場進行評估124。對于低倍處理視場可能會出現(xiàn)以下一些情況(a)該視場是一空白，也就是說該視場不含有任何目標(biāo)；(b)該視場含有氣泡現(xiàn)象，由于氣泡對于宮頸圖像處理而言完全屬于雜質(zhì)和干擾，氣泡出現(xiàn)是由于對宮頸涂片不正當(dāng)預(yù)處理而造成，屬于預(yù)處理的問題，所以在視場中必須排除氣泡現(xiàn)象；(c)由于光照不均勻所造成的成條區(qū)域視場。對于以上三中可能出現(xiàn)的情況，系統(tǒng)計算機在低倍處理時候必須先排除掉。由于低倍處理主要的作用是確定感興趣可疑的區(qū)域以及提供一些全局的信息，所以系統(tǒng)在低倍處理的時候僅僅利用了總共36個波段的小部分。這樣在低倍處理的時候節(jié)約了大量的采樣的時間，處理時間。在圖像分割階段126，系統(tǒng)將充分利用多光譜特征對宮頸細胞進行準(zhǔn)確的分割，詳細的描敘見附圖7以及其說明。對于分割開的細胞漿和核，特征計算128將計算一系列特征值。這些特征值既包括圖像的形態(tài)特征(從覆蓋層得到)，也包括目標(biāo)內(nèi)容特征(覆蓋層所覆蓋區(qū)域目標(biāo)得到)，同時一系列圖像全局特征也將計算到。由于低倍顯微鏡所獲得的圖像特別小，所以對其精確測量不可能，這時候?qū)τ谀繕?biāo)的紋理，上下文的測量就顯得特別重要。在目標(biāo)分類130階段，依據(jù)先驗知識系統(tǒng)對于圖像中可能出現(xiàn)的各種細胞進行訓(xùn)練，訓(xùn)練的細胞有正常的單核細胞、異常的單核細胞、可疑多核細胞、正常多核細胞、各種雜質(zhì)。訓(xùn)練的結(jié)果使得系統(tǒng)能夠很好的分辨出異常單核細胞、可疑多核細胞。依據(jù)訓(xùn)練的結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)計出一套分層判別器，每層都包含排除正常的單核細胞、雜質(zhì)、正常的多核細胞。分層判別器，每下一層都比上一層要精確，當(dāng)然每下一層測量的特征也比上一層都要多。本系統(tǒng)設(shè)計了三層的判別器。最終系統(tǒng)將能夠識別那些含有潛在的異常單核細胞，潛在的異常多細胞。在信息輸出階段132，低倍分析將對每一處理過的低倍視場進行信息評價。這些評價包括可疑目標(biāo)區(qū)域的位置信息、視場宏觀信息、各種細胞信息。依據(jù)可疑目標(biāo)區(qū)域信息，系統(tǒng)將控制顯微鏡轉(zhuǎn)到高倍處理。詳細描敘見附圖5及其說明。
附圖5是高倍圖像處理的程序。高倍處理類似低倍處理。由于低倍處理時候，所獲得的圖像比較小，所以相對而言其處理精度不高；而高倍處理的時候，所獲得圖像相對比較大，各種目標(biāo)也相對比較大，所以其相對精度要高。首先系統(tǒng)依據(jù)低倍處理獲得可疑目標(biāo)區(qū)域位置信息，計算機控制顯微鏡轉(zhuǎn)到高倍下，對目標(biāo)區(qū)域的子區(qū)域自動聚焦，獲得多光譜圖像。圖像分割階段142，系統(tǒng)將充分利用多光譜信息對宮頸細胞分割，具體過程見附圖7以及其說明。在特征計算階段，系統(tǒng)將獨立對三種類型的細胞進行各種特征測量，這些測量既包括目標(biāo)各種形態(tài)特征，也包括目標(biāo)的內(nèi)容特征。目標(biāo)分類階段146，系統(tǒng)依據(jù)特征提取142，對三類細胞進行分類正常單核細胞、異常單核細胞、正常多核細胞、異常多核細胞、正常重疊核細胞、異常重疊核細胞。設(shè)置結(jié)束條件150，以判斷高倍掃描是否完成，以及適當(dāng)?shù)臅r候回到低倍下一視場進行處理。結(jié)束條件例如所有高倍視場處理完；系統(tǒng)處理完成。輸出信息148將保存(以文件或者其他方式)高倍視場各種有用信息，這些信息包括異常單核信息、異常多核細胞信息、異常重疊核細胞信息以及視場信息。
附圖6是低倍處理以及高倍處理對三種細胞的處理程序示意圖在宮頸涂片制作過程中，常常會出現(xiàn)細胞重疊現(xiàn)象，雖然運用一定的制片技術(shù)(例如ThinPrep)可以在一定程度上減輕重疊程度，但是想徹底消除制片過程種細胞重疊是不可能的。基于細胞中漿和核的關(guān)系，本系統(tǒng)將細胞分成三中類型，單核細胞，多核細胞，重疊核細胞。將細胞分成三種類型的理由是1＞，對于單核細胞而言，由于細胞漿和核都是分離狀態(tài)，和同種類型之間不存在粘連情況，有非常準(zhǔn)確的分割效果，提供最精確細胞信息。2＞，對于多核細胞，由于細胞漿之間存在重疊，每塊細胞漿中不存在粘連的細胞核，每一細胞漿進行精確的分割是不可能，細胞漿的信息不能完全反映細胞真實的情況，本系統(tǒng)將這些粘連的細胞漿當(dāng)作一整體進行處理，但是細胞核都有很好的分離效果，可以提供比較準(zhǔn)確的真實信息。3＞，對于重疊核細胞，由于漿和核都存在粘連，所以無論對于漿還是對于核的分割處理都不可能完全反映其真實情況，這時系統(tǒng)將粘連的細胞漿以及其中包含的核當(dāng)作一個整體。依據(jù)上面所描敘三類細胞的特點，顯然這三類細胞擁有不同的分割精度和測量精度，以及由此而產(chǎn)生的不同的測量特征并對系統(tǒng)的貢獻不同的作用，所以系統(tǒng)將細胞分為三類從而充分合理的利用細胞信息。對于每一類細胞，系統(tǒng)將獨立進行參數(shù)測量，模式識別，細胞評價。對于單核細胞，細胞評價包括正常的單核細胞數(shù)、異常的單核細胞數(shù)。對于多核細胞，細胞評價包括可以檢測到的所有多核細胞數(shù)、可以檢測到的可疑異常多核細胞數(shù)。對于重疊核細胞，細胞評價包括可以檢測到的重疊核細胞數(shù)、可以檢測到可疑異常重疊核細胞數(shù)。在綜合評價的時候，系統(tǒng)將綜合三種評價結(jié)果，運用判別分析(discriminatory analysis)對細胞進行綜合評價。從而對涂片給出評價。
附圖7是系統(tǒng)中對于低倍細胞圖像以及高倍細胞圖像進行分割的程序圖，是利用多波段圖像對宮頸細胞進行分割，包括a、從多波段圖像中挑選一些感興趣的波段圖像；b、利用挑選的波段圖像的對數(shù)比值或比值產(chǎn)生新的圖像；c、分割包括對細胞漿的分割，細胞核的分割；d、分割產(chǎn)生細胞核的覆蓋層，細胞漿覆蓋層；e、排除不感興趣的目標(biāo)或區(qū)域；分割方法包括使用下述公式IN=e-ρN]]>公式中I----為目標(biāo)的光強度；IN-----新生成的圖像；ρN----目標(biāo)的吸收率。下面詳細說明其原理以及分割方法。依據(jù)朗伯定律I＝I0e-ρd其中I為目標(biāo)的光強度(目標(biāo))，I0為入射光強度(背景)，ρ為目標(biāo)的吸收率，d為目標(biāo)的厚度。結(jié)合多光譜信息，推導(dǎo)出IN=e-ρN]]>公式6-1由公式6-1說明，新生成的圖像IN僅僅和ρN吸收率有關(guān)，與入射光強度，目標(biāo)的厚度無關(guān)。顯然由公式6-8新生成的圖像可以排除入射光的干擾(I0)，目標(biāo)重疊(d)現(xiàn)象的干擾。新生成的圖像IN由ρ1和ρ2決定，而ρ和物質(zhì)成分，濾波波長相關(guān)，對于固定目標(biāo)(物質(zhì)成分固定)，IN僅僅和λ相關(guān)。應(yīng)用公式6-1對宮頸細胞圖像進行分割是本發(fā)明一大特色。由公式6-1，系統(tǒng)首先依據(jù)訓(xùn)練和數(shù)理統(tǒng)計方法選擇若干波段圖像，對這些選擇的波段圖像進行對數(shù)變化，對數(shù)變化后的圖像進行組合產(chǎn)生新的灰度圖像，新的灰度圖像大大增強了背景和目標(biāo)的對比度，排除了光照的影響，細胞重疊的影響。在新的圖像基礎(chǔ)上系統(tǒng)利用閾值的方法進行分割，由于新的圖像大大增強了背景和目標(biāo)的對比度(效果示意圖見附圖8a、8b)，所以系統(tǒng)可以利用一個閾值很好低分割開目標(biāo)和背景。本系統(tǒng)設(shè)計的分割不是依據(jù)傳統(tǒng)的方法，僅僅將圖像分割成0-1圖像，而是產(chǎn)生一系列覆蓋層，利用覆蓋層唯一表示目標(biāo)。系統(tǒng)將產(chǎn)生細胞核覆蓋層，單核細胞覆蓋層，多核細胞覆蓋層，重疊核細胞覆蓋層。產(chǎn)生覆蓋層的好處是(a)覆蓋層能夠放映目標(biāo)的形態(tài)特征；(b)覆蓋層能夠放映細胞內(nèi)容特征。而單純的傳統(tǒng)0-1圖像僅僅能夠反映的是細胞的形態(tài)特征。利用閾值分割的背景和目標(biāo)圖像將產(chǎn)生細胞漿覆蓋層，此覆蓋層將唯一標(biāo)識細胞漿。由于宮頸細胞漿往往會出現(xiàn)漿不致密的情況，漿成蜘蛛網(wǎng)形態(tài)。本系統(tǒng)利用了一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，例如膨脹、腐蝕、開運算、閉運算對漿進行平滑封閉處理，處理后漿將產(chǎn)生致密的覆蓋層。同樣的方法，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練和數(shù)理統(tǒng)計選擇若干波段，對這些選擇的波段圖像進行對數(shù)變化，注意到此時選擇的波段和對漿處理的波段并不一致。采用類似的方法可以將核和其他目標(biāo)分割開來，類似的方法對于細胞核覆蓋層，本系統(tǒng)也采用一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，處理后細胞核將產(chǎn)生致密的細胞核覆蓋層。最后系統(tǒng)將細胞漿覆蓋層，細胞核覆蓋層疊加起來完成目標(biāo)的初步分割。初步分割的覆蓋層僅僅能夠唯一標(biāo)識細胞核核細胞漿的信息，此時系統(tǒng)將對每一細胞漿含有核的情況進行考慮，如果細胞漿僅僅含有一個細胞核，那么系統(tǒng)認(rèn)為此細胞為單核細胞，此時系統(tǒng)將重新分配覆蓋層，覆蓋層唯一標(biāo)識單核細胞胞漿和胞核的信息。如果細胞漿含有多個核，那么系統(tǒng)將認(rèn)為此細胞多核細胞，同樣系統(tǒng)將重新分配新的覆蓋層，此覆蓋層將唯一標(biāo)識多核細胞胞漿和胞核的信息，注意到多核細胞覆蓋層和單核細胞覆蓋層顏色并不相同。
權(quán)利要求
1.一種多光譜細胞涂片自動分析儀，它包括顯微鏡(1)，自動上片裝置(3)，自動上片控制系統(tǒng)(4)，照明系統(tǒng)(5)，計算機(10)，顯示器(12)，面陣CCD(15)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(14)；其特征在于，a、有一個變焦裝置(2)，用于實現(xiàn)對低倍可疑或感興趣區(qū)域檢測和高倍對可疑細胞作是否屬異常細胞檢測；b、一個自動載物臺(6)及三維移動控制系統(tǒng)(7)和自動上片裝置(3)，用于實現(xiàn)細胞涂片的自動掃描和聚焦；c、一個配置在顯微鏡(1)上的電調(diào)諧濾光器(16)及電調(diào)諧濾光器控制器(8)和面陣CCD(15)，用于實現(xiàn)顯微光譜圖像的快速采集；所述的電調(diào)諧濾光器(16)一端安裝在顯微鏡(1)上，另一端與面陣CCD(15)連接，染色涂片細胞像經(jīng)過電調(diào)諧濾光器(16)后成像在面陣CCD(15)上，計算機(10)則通過控制濾光器控制器(8)調(diào)節(jié)加在電調(diào)諧濾光器(16)上的電信號，改變其通頻帶的中心頻率，面陣CCD(15)檢測出的圖像信號通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存貯在計算機(10)中，供計算機(10)進行圖像處理和分析。
2.按權(quán)利要求1所述的自動分析儀，其特征在于變焦裝置(2)其變焦倍數(shù)為在分析開始時顯微鏡(1)的物鏡轉(zhuǎn)動范圍為4-20倍的低倍，低倍分析完成后，顯微鏡(1)的物鏡轉(zhuǎn)動范圍為20-100倍的高倍。
3.按權(quán)利要求1所述的自動分析儀，其特征在于自動上片裝置(3)，通過自動上片控制系統(tǒng)(4)與計算機(10)連接，由計算機(10)控制自動上片裝置(3)裝載細胞涂片到自動載物臺(6)上和從自動載物臺(6)卸載已分析完成的細胞涂片。
4.按權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，自動載物臺(6)通過自動載物臺三維移動控制系統(tǒng)(7)與計算機(10)連接，由計算機(10)通過面陣CCD(15)采集的圖像計算聚焦控制自動載物臺(6)上下移動進行自動聚焦，控制自動載物臺(6)水平移動實現(xiàn)涂片掃描。
5.按權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，電調(diào)諧濾光器(16)的帶寬為2-30nm，優(yōu)選聲光調(diào)諧濾光器。
6.一種將權(quán)利要求1所述多光譜細胞涂片自動分析儀用于宮頸細胞的分析方法，其特在于，它包括下述步驟a、采集多光譜圖象；b挑選、分析多光譜圖象；c、測量細胞參數(shù)；d、對細胞進行模式識別；e、綜合整理分析結(jié)果；所述步驟體現(xiàn)在系統(tǒng)的程序中，包括a、一個采集多光譜圖像的程序，它是將細胞涂片的每一個局部區(qū)域經(jīng)過顯微鏡(1)放大后再通過電調(diào)諧濾光器(16)分別取出不同光譜波段的圖像，經(jīng)過面陣CCD(15)送入計算機后得到該區(qū)域、即視場的分析所需光譜圖像；b、一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序，它是對多光譜圖像進行反復(fù)篩選，挑選感興趣的圖像，進行準(zhǔn)確分割出細胞的胞核和胞漿，測量細胞參數(shù)，進行模式識別，最后綜合整個分析結(jié)果；其中包括一個低倍和高倍圖像的獲取程序，一個低倍和高倍處理單核、多核、和重疊核細胞的程序，一個低倍細胞圖像和高倍細胞圖像進行分割的程序。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，采集多光譜圖像程序為a、在每一個視場下，首先將電調(diào)諧濾光器(16)的透射波長定位到要采集的波長的中間波長，在計算機(10)的控制下利用圖像處理算法進行自動聚焦，使視場最清晰；b、通過計算機(10)控制電調(diào)諧濾光器(16)切換到一個未采集而選定的波段下；c、用計算出的積分時間采集一幅圖像；d、對采集到的圖像進行灰度校正；e、當(dāng)所選波段末掃描完時，然后再切換到下一個選定的波段，再采集一幅圖像，再進行灰度校正，如此循環(huán)，直到所有所選的波段全部采集完畢；f、最后再進行彩色合成、處理分析和數(shù)據(jù)存儲。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述灰度校正的程序包括a、移動涂片到空白區(qū)域，在一個空視場下，略微散焦，通過計算機(10)控制電調(diào)諧濾光器(16)和面陣CCD(15)，用一個相同的積分時間在每一個所選定的波段采集一幅圖像；b、再根據(jù)這些圖像算出每個波段下一個合適的積分時間，對于灰度值比較低的波段可以給一個長的積分時間，對于灰度值高的波段給一個短的積分時間，以對整個波段范圍進行平衡補償；c、根據(jù)計算出的積分時間再在每個選定的波段下重新采集一幅圖像，得到增強的背底光譜圖像；d、以后對于每一個波段的圖像，都用與增強的背底光譜圖像相同的積分時間進行采集，對灰度值進行提升，保證背底區(qū)域在不同的波段都有一致的灰度值，便于圖像處理和分析。
9.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對細胞涂片進行由低倍到高倍處理，最后進行綜合處理程序包括a、計算機(10)首先保證從面陣CCD(15)獲得的圖像能夠真實或者接近真實反映宮頸涂片的多光譜信息；b、對于面陣CCD(15)檢測得到的每一張低倍圖像，由計算機(10)對其處理，判斷該圖像是否含有可疑的目標(biāo)，包括可疑異常單核細胞，可疑的多核細胞；c、一旦檢測到該圖像中存在可疑的目標(biāo)，系統(tǒng)計算機(10)將控制顯微鏡(1)轉(zhuǎn)到高倍，對存在可疑目標(biāo)的子區(qū)域進行精細的篩選；d、一旦檢測到低倍圖像不含有感興趣的可疑目標(biāo)或者不存在感興趣的視場，系統(tǒng)計算機(10)將對涂片進行下一場的低倍圖像獲取處理；e、計算機(10)在高倍下對所有子視場進行掃描處理，直到滿足一定條件，可以是滿足系統(tǒng)處理完成條件，或滿足所有的子區(qū)域掃描完條什；f、在綜合處理階段，系統(tǒng)將綜合利用低倍分析結(jié)果和高倍分析結(jié)果對涂片進行評估，評估的結(jié)果包括正?；蛘咝枰匦聮呙?。
10.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)中對于低倍細胞圖像以及高倍細胞圖像進行分割處理程序是利用多波段圖像對宮頸細胞進行分割，包括a、從多波段圖像中挑選一些感興趣的波段圖像；b、利用挑選的波段圖像的對數(shù)比值或比值產(chǎn)生新的圖像c、分割包括對細胞漿的分割，細胞核的分割；d、分割產(chǎn)生細胞核的覆蓋層，細胞漿覆蓋層；e、排除不感興趣的目標(biāo)或區(qū)域；分割方法包括使用公式IN=e-ρN]]>公式中I---為目標(biāo)的光強度；IV-----新生成的圖像；ρN----目標(biāo)的吸收率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多光譜細胞涂片自動分析儀及其用于宮頸涂片的分析方法。它包括顯微鏡，自動上片裝置，自動上片控制系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，計算機，顯示器，面陣CCD及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；還有a.一個變焦裝置b.一個自動載物臺及三維移動控制系統(tǒng)和自動上片裝置；c.一個配置在顯微鏡上的電調(diào)諧濾光器及電調(diào)諧濾光器控制器和面陣CCD；面陣CCD檢測出的圖像信號通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存貯在計算機中，供計算機進行圖像處理和分析。其方法是一個系統(tǒng)程序，包括a.一個采集多光譜圖像的程序，包括一個對涂片進行由低倍到高倍處理和綜合處理程序；b.一個由低倍到高倍最后到綜合處理、分析所獲取光譜圖像的程序。本發(fā)明自動化程度高，分析結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性強，充分利用顯微光譜對宮頸細胞進行光譜識別和分類，為宮頸疾病診斷提供了新的光譜學(xué)依據(jù)。
文檔編號G01N21/25GK1553165SQ200310111610
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者曾立波, 雷峻峰, 高細見, 劉均堂, 吳瓊水 申請人:武漢大學(xué)