本發(fā)明涉及細(xì)胞成像技術(shù)研究領(lǐng)域，尤其是一種癌細(xì)胞細(xì)胞軌跡跟蹤與關(guān)聯(lián)方法。

背景技術(shù)：

細(xì)胞軌跡追蹤就是結(jié)合視頻前后幀的信息以及細(xì)胞分裂生長(zhǎng)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)幀間細(xì)胞生命軌跡的追蹤和關(guān)聯(lián)。而本發(fā)明的目標(biāo)對(duì)象是受藥物抑制的癌細(xì)胞，其分裂生長(zhǎng)過(guò)程較正常細(xì)胞具有特殊性，復(fù)雜性。傳統(tǒng)的單一的細(xì)胞追蹤方法并不適用。

從目前已有的多種目標(biāo)跟蹤方法來(lái)看，近年來(lái)研究較多的多目標(biāo)的細(xì)胞跟蹤主要分為兩類。第一類基于幀間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的算法，即通過(guò)前一幀信息來(lái)估計(jì)當(dāng)前幀細(xì)胞情況，如此循環(huán)迭代。第二類是通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的多目標(biāo)跟蹤方法，利用更大的時(shí)間窗口獲得更多的信息，通過(guò)全局軌跡長(zhǎng)期的檢測(cè)，在給定時(shí)間段內(nèi)全局的解決軌跡連接問(wèn)題。這些方法在處理樹形層級(jí)軌跡關(guān)聯(lián)時(shí)(即母細(xì)胞分裂到子細(xì)胞的情況)仍有一定的問(wèn)題，需要我們?cè)诩?xì)胞分類后連續(xù)觀測(cè)幾幀細(xì)胞的情況以對(duì)細(xì)胞關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)目標(biāo)對(duì)象的跟蹤門限中量測(cè)數(shù)據(jù)可能不止一個(gè)(即量測(cè)數(shù)據(jù)可能來(lái)自于正確目標(biāo)對(duì)象，也有可能來(lái)自于其他目標(biāo)對(duì)象，也可能來(lái)自于雜波)的問(wèn)題、精度較低，本發(fā)明提出了一種精度較高的顯微圖像序列中癌細(xì)胞軌跡追蹤與關(guān)聯(lián)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種顯微圖像序列中癌細(xì)胞軌跡追蹤與關(guān)聯(lián)方法，所述細(xì)胞軌跡追蹤與關(guān)聯(lián)方法包括如下步驟：

1)基于最近鄰法的癌細(xì)胞軌跡片段形成，即將檢測(cè)到的癌細(xì)胞區(qū)域前后幀關(guān)聯(lián)，形成可信的軌跡片段，過(guò)程如下：

首先，設(shè)置跟蹤波門限r(nóng)，落到跟蹤波門中的量測(cè)作為候選回波，即目標(biāo)的量測(cè)值z(mì)_i(k)是否能夠滿足公式：

${\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]}^T{S}^{-1}\left(k\right)\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]\≤r$

其中是跟蹤波門的中心，如果波門中只有一個(gè)量測(cè)，該量測(cè)值則直接被用于軌跡的更新中，形成連續(xù)的軌跡段；如若有一個(gè)以上的候選回波，則應(yīng)根據(jù)距離計(jì)算方式，找到距離最近的候選回波，來(lái)用于軌跡的更新；其中，z_i(k)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)距離為：

$d^2\left(z_i\right(k\left)\right)={\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]}^T{S}^{-1}\left(k\right)\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]$

接著，考慮當(dāng)跟蹤波門中只有一個(gè)量測(cè)，或是距離最近的候選回波距離前一幀目標(biāo)的距離d足夠近的情況下，將其連接到細(xì)胞軌跡中，形成細(xì)胞軌跡片段；而當(dāng)最近量測(cè)值距離超過(guò)某一閾值，或是有兩個(gè)及以上候選回波距離前一幀目標(biāo)的距離d都比較近的情況下，細(xì)胞軌跡片段斷裂，重新開始新的軌跡；

2)基于細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征的全局軌跡關(guān)聯(lián)；

由于細(xì)胞在生長(zhǎng)、分裂、融合的過(guò)程中形態(tài)不斷發(fā)生改變，僅依靠單一的特征難以正確區(qū)分，因此結(jié)合細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特征匹配，將再次斷裂的細(xì)胞軌跡片段關(guān)聯(lián)。

細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征參數(shù)包括以下4種：運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)E_displacement、運(yùn)動(dòng)偏斜參數(shù)E_skewness、面積變化參數(shù)E_area以及形狀變化參數(shù)E_deformation；

細(xì)胞u和v的運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)E_displacement定義如下：

$E_{displacement}(u,v)=\frac{\left|\right|c_u^n{c}_v^{n+1}\left|\right|}{\sqrt{H^2+W^2}}$

其中，c_u，c_v分別是細(xì)胞u、v在第n幀和第n+1幀的位置，H和W分別指當(dāng)前幀圖像的長(zhǎng)和寬；

運(yùn)動(dòng)偏斜參數(shù)E_skewness定義如下：

這里c_t，c_u，c_v分別是細(xì)胞t，u，v在第n-1幀，第n幀以及第n+1幀時(shí)的中心位置；這個(gè)參數(shù)是用了測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向的偏移。

面積變化參數(shù)E_area用于測(cè)量細(xì)胞u和v的重疊程度，定義如下：

$E_{area}(u,v)=\{1-\frac{s_c^{n,n+1^2}}{s_u^n{s}_v^{n,n+1}}\}$

其中，指細(xì)胞u在第n幀的面積，值細(xì)胞v在第n+1幀中的面積，指兩細(xì)胞的重疊程度；這個(gè)公式表明，兩細(xì)胞重疊面積越多，兩者就更傾向于是同一個(gè)細(xì)胞。

對(duì)于形狀變化參數(shù)參數(shù)E_deformation，使用匹配細(xì)胞u和v面積的橢圓離心率，橢圓離心率公式Q＝P²/(4π×A²),這里P和A分別表示橢圓的周長(zhǎng)和面積，形變參數(shù)E_deformation定義如下：

$E_{deformation}(u,v)=\frac{\left|Q_u^n-Q_v^{n+1}\right|}{\sqrt{{\left(Q_u^n\right)}^2+{\left(Q_u^{n+1}\right)}^2}}$

使用4個(gè)參數(shù)來(lái)估計(jì)軌跡片段間的相似程度，另外，使用一個(gè)基于雙邊權(quán)值匹配的全局最優(yōu)技術(shù)來(lái)最小化總代價(jià)，函數(shù)定義如下：

E(c_i,c_j)＝α₁E_displacement+α₂E_skewness+α₃E_area+α₄E_deformation

其中，E(c_i,c_j)就是第n幀中的細(xì)胞i與第n+1幀中的細(xì)胞j的代價(jià)函數(shù)，α_i限定在0到1之間，且

通過(guò)計(jì)算各個(gè)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特征，得到代價(jià)函數(shù)的值之后，值最小的就是正確匹配的細(xì)胞，即可將此處斷裂的細(xì)胞軌跡片段正確關(guān)聯(lián)起來(lái)。

3)基于分類檢測(cè)的軌跡關(guān)聯(lián)，過(guò)程如下：

在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中，無(wú)論是基于最近鄰法的癌細(xì)胞軌跡片段形成還是基于動(dòng)態(tài)特征的全局軌跡關(guān)聯(lián)，都是一對(duì)一的匹配過(guò)程。如若涉及到細(xì)胞分裂的情況，則需要根據(jù)分裂的具體狀況進(jìn)行分類檢測(cè)以關(guān)聯(lián)軌跡。

首先，根據(jù)細(xì)胞分裂時(shí)候的特征判斷是否屬于分裂事件；

再者，因?yàn)楸景l(fā)明研究對(duì)象為受藥物抑制的癌細(xì)胞，正常細(xì)胞的分裂檢測(cè)事件判斷對(duì)本數(shù)據(jù)集并不適用。根據(jù)癌細(xì)胞分裂特征，判斷是否將未關(guān)聯(lián)的軌跡片段關(guān)聯(lián)到母細(xì)胞，并標(biāo)記分裂事件。

4)基于軌跡關(guān)聯(lián)的狀態(tài)檢測(cè)糾正；

在癌細(xì)胞生命軌跡關(guān)聯(lián)之后，即觀測(cè)細(xì)胞都已形成連續(xù)的軌跡后，根據(jù)前后幀細(xì)胞的狀態(tài)對(duì)于誤檢測(cè)的細(xì)胞狀態(tài)進(jìn)行修正；

從第一幀開始，記錄下待監(jiān)測(cè)癌細(xì)胞所處的階段，在該細(xì)胞的整個(gè)軌跡過(guò)程中，向后逐步檢測(cè)，記錄下與前一幀狀態(tài)不同的時(shí)刻；若所記錄的時(shí)刻為突變點(diǎn)，即相對(duì)整個(gè)序列的異常點(diǎn)，則根據(jù)前后細(xì)胞狀態(tài)修正誤檢測(cè)的情況；

另外，由于細(xì)胞生長(zhǎng)遵循分裂間期、分裂中期和分裂后期這四個(gè)階段，細(xì)胞軌跡中的狀態(tài)一定也是按此順序出現(xiàn)，由于各個(gè)癌細(xì)胞所處階段不同，起始狀態(tài)可能是分裂間期、分裂前期或是分裂中期，但在分裂后期之前，都遵循正常的規(guī)律。分裂后期之后，即受藥物抑制癌細(xì)胞掙扎后的狀態(tài)可能會(huì)有所不同；

遵循如上兩個(gè)原則以修正癌細(xì)胞細(xì)胞跟蹤軌跡。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的癌細(xì)胞細(xì)胞軌跡追蹤方法，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)癌細(xì)胞細(xì)胞軌跡的關(guān)聯(lián)，同時(shí)利用分類檢測(cè)和軌跡關(guān)聯(lián)的狀態(tài)檢測(cè)又能更好的關(guān)聯(lián)軌跡片段及對(duì)其加以修正。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

一種顯微圖像序列中癌細(xì)胞軌跡追蹤與關(guān)聯(lián)方法，所述追蹤與關(guān)聯(lián)方法包括如下步驟：

1)基于最近鄰法的癌細(xì)胞軌跡片段形成，即將檢測(cè)到的癌細(xì)胞區(qū)域前后幀關(guān)聯(lián)，形成可信的軌跡片段，過(guò)程如下：

首先，設(shè)置跟蹤波門限r(nóng)，落到跟蹤波門中的量測(cè)作為候選回波，即目標(biāo)的量測(cè)值z(mì)_i(k)是否能夠滿足公式：

${\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]}^T{S}^{-1}\left(k\right)\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]\≤r$

其中是跟蹤波門的中心，如果波門中只有一個(gè)量測(cè)，該量測(cè)值則直接被用于軌跡的更新中，形成連續(xù)的軌跡段；如若有一個(gè)以上的候選回波，則應(yīng)根據(jù)距離計(jì)算方式，找到距離最近的候選回波，來(lái)用于軌跡的更新；其中，z_i(k)對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)距離為：

$d^2\left(z_i\right(k\left)\right)={\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]}^T{S}^{-1}\left(k\right)\[z_i\left(k\right)-\hat{z}\left(k\right|k-1)\]$

接著，考慮當(dāng)跟蹤波門中只有一個(gè)量測(cè)，或是距離最近的候選回波距離前一幀目標(biāo)的距離d足夠近的情況下，將其連接到細(xì)胞軌跡中，形成細(xì)胞軌跡片段。而當(dāng)最近量測(cè)值距離超過(guò)某一閾值，或是有兩個(gè)及以上候選回波距離前一幀目標(biāo)的距離d都比較近的情況下，細(xì)胞軌跡片段斷裂，重新開始新的軌跡；

2)基于細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征的全局軌跡關(guān)聯(lián)；

由于細(xì)胞在生長(zhǎng)、分裂、融合的過(guò)程中形態(tài)不斷發(fā)生改變，僅依靠單一的特征難以正確區(qū)分，因此結(jié)合細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特征匹配，將再次斷裂的細(xì)胞軌跡片段關(guān)聯(lián)；

細(xì)胞動(dòng)態(tài)特征參數(shù)包括以下4種：運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)(E_displacement)、運(yùn)動(dòng)偏斜參數(shù)(E_skewness)、面積變化參數(shù)(E_area)、以及形狀變化參數(shù)(E_deformation)。

細(xì)胞u和v的運(yùn)動(dòng)位移參數(shù)E_displacement定義如下：

$E_{displacement}(u,v)=\frac{\left|\right|c_u^n{c}_v^{n+1}\left|\right|}{\sqrt{H^2+W^2}}$

其中，c_u，c_v分別是細(xì)胞u、v在第n幀和第n+1幀的位置，H和W分別指當(dāng)前幀圖像的長(zhǎng)和寬。

運(yùn)動(dòng)偏斜參數(shù)E_skewness定義如下：

其中，c_t，c_u，c_v分別是細(xì)胞t，u，v在第n-1幀，第n幀以及第n+1幀時(shí)的中心位置，運(yùn)動(dòng)偏斜參數(shù)是用了測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向的偏移；

面積變化參數(shù)E_area用于測(cè)量細(xì)胞u和v的重疊程度，定義如下：

$E_{area}(u,v)=\{1-\frac{s_c^{n,n+1^2}}{s_u^n{s}_v^{n,n+1}}\}$

其中，指細(xì)胞u在第n幀的面積，值細(xì)胞v在第n+1幀中的面積，指兩細(xì)胞的重疊程度。這個(gè)公式表明，兩細(xì)胞重疊面積越多，兩者就更傾向于是同一個(gè)細(xì)胞。

對(duì)于形狀變化參數(shù)E_deformation，使用匹配細(xì)胞u和v面積的橢圓離心率，橢圓離心率公式Q＝P²/(4π×A²),這里P和A分別表示橢圓的周長(zhǎng)和面積，形狀變化參數(shù)E_deformation定義如下：

$E_{deformation}(u,v)=\frac{\left|Q_u^n-Q_v^{n+1}\right|}{\sqrt{{\left(Q_u^n\right)}^2+{\left(Q_u^{n+1}\right)}^2}}$

使用4個(gè)參數(shù)來(lái)估計(jì)軌跡片段間的相似程度，另外，使用一個(gè)基于雙邊權(quán)值匹配的全局最優(yōu)技術(shù)來(lái)最小化總代價(jià)，函數(shù)定義如下：

E(c_i,c_j)＝α₁E_displacement+α₂E_skewness+α₃E_area+α₄E_deformation

這里的E(c_i,c_j)就是第n幀中的細(xì)胞i與第n+1幀中的細(xì)胞j的代價(jià)函數(shù)。這里α_i限定在0到1之間，且

通過(guò)計(jì)算各個(gè)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特征，得到代價(jià)函數(shù)的值之后，值最小的就是正確匹配的細(xì)胞，即可將此處斷裂的細(xì)胞軌跡片段正確關(guān)聯(lián)起來(lái)；

3)基于分類檢測(cè)的軌跡關(guān)聯(lián)

在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中，無(wú)論是基于最近鄰法的癌細(xì)胞軌跡片段形成還是基于動(dòng)態(tài)特征的全局軌跡關(guān)聯(lián)，都是一對(duì)一的匹配過(guò)程。如若涉及到細(xì)胞分裂的情況，則需要根據(jù)分裂的具體狀況進(jìn)行分類檢測(cè)以關(guān)聯(lián)軌跡。

首先，根據(jù)細(xì)胞分裂時(shí)候的特征判斷是否屬于分裂事件，特征如下：

正常細(xì)胞發(fā)生分裂時(shí)，在下一刻會(huì)有兩個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞產(chǎn)生，這兩個(gè)細(xì)胞距離前一時(shí)刻的母細(xì)胞距離較近；

母細(xì)胞在一份為二之前，細(xì)胞形狀變圓，周圍發(fā)亮；

兩個(gè)子細(xì)胞之間相距很近；

獨(dú)立的兩個(gè)子細(xì)胞面積相對(duì)較小，二者面積和近似于前一幀中母細(xì)胞的面積。

再者，因?yàn)楸景l(fā)明研究對(duì)象為受藥物抑制的癌細(xì)胞，正常細(xì)胞的分裂檢測(cè)事件判斷對(duì)本數(shù)據(jù)集并不適用。首先，癌細(xì)胞若發(fā)生分裂，未必是一分為二，可能分裂為兩個(gè)或是兩個(gè)以上子細(xì)胞；其次，母細(xì)胞形狀變圓，變圓發(fā)亮這個(gè)階段，藥物抑制下的癌細(xì)胞也會(huì)經(jīng)歷(即第三個(gè)階段)，但通常在這一階段后癌細(xì)胞會(huì)與藥物對(duì)抗做掙扎，若有分裂也是在掙扎失敗之后發(fā)生，因此變圓發(fā)亮這一特征無(wú)法作為判別依據(jù)；此外，癌細(xì)胞在受藥物作用掙扎的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)劇烈，與之前相比可能有較大的位移偏差。根據(jù)癌細(xì)胞的這些分裂特征，對(duì)于在時(shí)空序列中途出現(xiàn)的未能與前幀關(guān)聯(lián)起來(lái)的癌細(xì)胞軌跡片段在前一幀中該細(xì)胞附近尋找是否有處于第四階段的細(xì)胞存在，若有，將未關(guān)聯(lián)的軌跡片段關(guān)聯(lián)到母細(xì)胞，并標(biāo)記分裂事件。若未找到合適的匹配，則認(rèn)為該細(xì)胞為由外部進(jìn)入的新出現(xiàn)細(xì)胞；

4)基于軌跡關(guān)聯(lián)的狀態(tài)檢測(cè)糾正

在癌細(xì)胞生命軌跡關(guān)聯(lián)之后，即觀測(cè)細(xì)胞都已形成連續(xù)的軌跡后，根據(jù)前后幀細(xì)胞的狀態(tài)對(duì)于誤檢測(cè)的細(xì)胞狀態(tài)進(jìn)行修正。

從第一幀開始，記錄下待監(jiān)測(cè)癌細(xì)胞所處的階段，在該細(xì)胞的整個(gè)軌跡過(guò)程中，向后逐步檢測(cè)，記錄下與前一幀狀態(tài)不同的時(shí)刻。若所記錄的時(shí)刻為突變點(diǎn)，即相對(duì)整個(gè)序列的異常點(diǎn)，則根據(jù)前后細(xì)胞狀態(tài)修正誤檢測(cè)的情況。

另外，由于細(xì)胞生長(zhǎng)遵循分裂間期、分裂中期和分裂后期這四個(gè)階段，細(xì)胞軌跡中的狀態(tài)一定也是按此順序出現(xiàn)。由于各個(gè)癌細(xì)胞所處階段不同，起始狀態(tài)可能是分裂間期、分裂前期或是分裂中期，但在分裂后期之前，都遵循正常的規(guī)律。分裂后期之后，即受藥物抑制癌細(xì)胞掙扎后的狀態(tài)可能會(huì)有所不同。

遵循如上兩個(gè)原則，選取異常檢測(cè)方法，如常見(jiàn)的基于統(tǒng)計(jì)的方法，基于距離的方法，基于密度的方法，基于偏離的方法，基于聚類的方法等以修正癌細(xì)胞細(xì)胞跟蹤軌跡。