圖像自適應(yīng)的生理上可信的顏色分離的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本題述公開內(nèi)容設(shè)及用于醫(yī)學(xué)診斷的成像。更具體地，本題述公開內(nèi)容設(shè)及識別 化驗物內(nèi)的生理上可信的染色劑矢量。
【背景技術(shù)】
[0002] 在諸如組織區(qū)段、血液、細胞培養(yǎng)等等之類的生物樣品的分析中，利用一個或多個 巧光團或色原對生物樣品進行染色，并且隨后對生物樣品進行掃描或拍照W用于分析。觀 察從掃描生成的信號實現(xiàn)了多種過程，包括疾病的診斷、對治療的響應(yīng)的評價W及抗擊疾 病的新藥物的開發(fā)?；炍锇ㄉ飿悠?，諸如利用包含與綁定到蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)片段或樣 品中的其它目標的抗體結(jié)合的巧光團或色原的染色劑而處理的來自人類主體的組織區(qū)段。 當掃描化驗物時，導(dǎo)出包括顏色通道的圖像數(shù)據(jù)的多個通道，其中每一個所觀察到的通道 包括多個信號的混合物。
[0003] -般地，顏色分離(或光譜解混（unmixing))被用于確定化驗物的所觀察到的一個 或多個通道內(nèi)的特定染色劑的濃度。運還可W被稱為顏色去卷積。經(jīng)掃描的圖像的每一個 像素由圖像值的矢量或顏色矢量表示，并且每一個染色劑對應(yīng)于還被稱為參考光譜的參考 矢量。染色劑的局部濃度由參考矢量的縮放因子表示。因此，針對包含具有不同濃度的多個 協(xié)同定位的染色劑的像素的顏色矢量是所有目前染色劑的參考光譜的線性組合。典型地， 巧光成像顏色通道直接提供圖像矢量和參考光譜。在明場(透射）成像中，將由經(jīng)染色的組 織發(fā)射的光強度變換成光學(xué)密度空間，其中不同染色劑的混合由做出貢獻的參考光譜的線 性加權(quán)組合表示。
[0004] 解混過程使用對于標準類型的組織和染色劑組合而言眾所周知的參考光譜來提 取染色劑特定通道W確定各個染色劑的局部濃度。然而，用于純?nèi)旧珓┑膮⒖脊庾V往往隨 組織類型、染色期間的受控和不受控過程參數(shù)W及隨年齡而變化。例如，總是存在基于組織 年齡、染色劑年齡、組織被如何存儲、脫水、固定、嵌入、切割等的組織類型內(nèi)的變化。運些變 化可能影響染色劑將看起來如何，并可能導(dǎo)致解混過程的結(jié)果中的不想要的偽像?，F(xiàn)有方 法不能在沒有人類指導(dǎo)的情況下處置運樣的錯誤，并且，沒有可靠的參考光譜可用于運樣 的變化。因此，不正確的分離和在生理或物理上不可信的結(jié)果繼續(xù)出現(xiàn)。而且，關(guān)于包含3 個顏色通道的明場圖像，不能對大于3個染色劑的任何協(xié)同定位進行解混，或者沒有明確 的數(shù)學(xué)解存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 題述公開內(nèi)容提出了用于通過基于特定于正在成像的化驗物的信息自動且自適 應(yīng)地調(diào)節(jié)參考矢量來分離圖像中的顏色的系統(tǒng)和方法，從而導(dǎo)致提供在物理和生理上可信 的染色劑信息的經(jīng)優(yōu)化的解混過程。迭代地對參考矢量進行優(yōu)化，應(yīng)用不受約束的顏色去 卷積或解混，并且使所得到的顏色通道與基于關(guān)于化驗物的信息而應(yīng)用的多個規(guī)則相關(guān)。 該多個規(guī)則包括例如最小化負面顏色貢獻、背景貢獻、特定于背景的顏色通道中的高頻或 不想要的巧光、來自已知免疫組織化學(xué)標記物的信號w及被已知w承載生理上獨立的信息 的染色劑對。該相關(guān)可W用于確定結(jié)果的總體質(zhì)量。如果質(zhì)量是不可接受的，則可W調(diào)節(jié) 參考矢量，并且可W利用經(jīng)調(diào)節(jié)的參考矢量迭代地解混顏色通道，直到滿足所有規(guī)則并且 獲得具有可接受質(zhì)量的結(jié)果?？蒞在基于測量來自多個輸入圖像的染色劑參考矢量預(yù)先確 定的范圍內(nèi)允許對參考矢量的調(diào)節(jié)。
[0006] 在附加實施例中，可W不僅針對特定圖像而且針對特定圖像內(nèi)的指定區(qū)(包括各 個像素）確定經(jīng)優(yōu)化的參考矢量。參考光譜調(diào)節(jié)和基于規(guī)則的對應(yīng)質(zhì)量度量可W在空間上 遍及圖像而變化。另外，可W從圖像或圖像的區(qū)確定染色劑的強度，并且可W在解混之前對 應(yīng)地調(diào)節(jié)參考矢量。此外，可W使用化驗物信息來解混包括Ξ個通道但具有多于3種染色 劑的明場圖像。可W將圖像中的包括Ξ個或更多顏色的光學(xué)密度空間分區(qū)成預(yù)定義的協(xié)同 定位系統(tǒng)?；炍镄畔ㄅc手頭上的化驗物、利用化驗物而染色的生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)、染色劑 和復(fù)染劑的類型和數(shù)目及其線性混合物有關(guān)的細節(jié)、W及諸如化驗物的年齡、組織類型和 年齡等之類的附加元數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0007] 圖1示出根據(jù)本題述公開內(nèi)容的示例性實施例的用于優(yōu)化參考矢量的系統(tǒng)。
[000引圖2示出根據(jù)本題述公開內(nèi)容的示例性實施例的用于優(yōu)化參考矢量的方法。
[0009] 圖3A和3B示出根據(jù)本題述公開內(nèi)容的示例性實施例的光學(xué)密度空間中的參考矢 量的調(diào)節(jié)。
[0010] 圖4A-4D示出根據(jù)本題述公開內(nèi)容的示例性實施例的被分區(qū)成針對協(xié)同定位的 染色劑的區(qū)段的光學(xué)密度空間。
[0011] 圖5示出根據(jù)題述公開內(nèi)容的示例性實施例的基于協(xié)同定位的染色劑的層級而 被分區(qū)成區(qū)段的光學(xué)密度圖。
[0012] 圖6A-6B示出根據(jù)題述公開內(nèi)容的示例性實施例的圖像數(shù)據(jù)的直方圖。
[0013] 圖7A-7B示出根據(jù)題述公開內(nèi)容的示例性實施例的使用圖像數(shù)據(jù)的直方圖上的 多邊形擬合的參考矢量的優(yōu)化。
【具體實施方式】
[0014] 所公開的系統(tǒng)和方法處理圖像W使用迭代優(yōu)化的參考矢量來分離或"解混"圖像 的分量信號。使來自化驗物的圖像數(shù)據(jù)與特定于化驗物特性的預(yù)期或理想結(jié)果相關(guān)W確定 質(zhì)量度量。在與理想結(jié)果成對照的低質(zhì)量圖像或較差相關(guān)性的情況下，調(diào)節(jié)一個或多個參 考矢量，并且使用經(jīng)調(diào)節(jié)的參考矢量來迭代地重復(fù)解混，直到相關(guān)性示出與生理學(xué)和解剖 學(xué)要求匹配的良好質(zhì)量圖像。解剖學(xué)、生理學(xué)和化驗物信息可W用于定義被應(yīng)用于所測量 的圖像數(shù)據(jù)W確定質(zhì)量度量的規(guī)則。該信息包括：組織被如何染色；意圖/不意圖染色組織 內(nèi)的什么結(jié)構(gòu)；W及特定于正在處理的化驗物的結(jié)構(gòu)、染色劑和標記物之間的關(guān)系。迭代過 程導(dǎo)致可生成下述圖像的染色劑特定矢量：該圖像精確地標識感興趣的結(jié)構(gòu)和生物上相關(guān) 的信息，沒有任何噪聲或不想要的光譜，且因此適合用于分析。將參考矢量調(diào)節(jié)到捜索空間 內(nèi)。捜索空間定義了參考矢量可取得W表示染色劑的值的范圍?？蒞通過掃描包括已知或 普遍發(fā)生的問題的多種代表性訓(xùn)練化驗物并確定針對訓(xùn)練化驗物的參考矢量的高質(zhì)量集 合來確定捜索空間。
[0015] 在W下描述內(nèi)，對光譜解混、顏色去卷積和顏色分離的任何引用是同義的，且設(shè)及 從包含運些染色劑的混合物的圖像數(shù)據(jù)獲得圖像中的染色劑的局部濃度或量的過程。該混 合物最常被假定為是線性的，并且利用線性解混方法。然而，非線性方法也可W被應(yīng)用W執(zhí) 行解混。對于明場成像，化驗物導(dǎo)致從光源透射通過經(jīng)染色的樣品的光的吸收和衰減。一 種用于解混該圖像數(shù)據(jù)的示例性方法利用光學(xué)密度空間，其中參考顏色和圖像數(shù)據(jù)被變換 成光衰減信號，例如使用朗伯-比爾化amb&rt-Beer)定律。如本文所使用的圖像數(shù)據(jù)和混 合物模型的分析（即，圖像數(shù)據(jù)和染色劑效果的數(shù)學(xué)描述）不必受限于已知方法，而是可W 包括組織樣本內(nèi)的光散射的附加模型，包括可能衍射的建模，W及用于確定由檢測器(例如 巧光顯微鏡中的明場顯微鏡中的CCD或CMOS傳感器，或者整個載玻片掃描儀）檢測的光如 何與在化驗物中吸收或由化驗物發(fā)射的光的量相關(guān)的其它方法。
[0016] 對于W下描述，可W假定，跨各圖最為對應(yīng)地加標簽的結(jié)構(gòu)(例如132和232等)擁 有相同的特性并服從相同的結(jié)構(gòu)和功能。如果在對應(yīng)地加標簽的元件之間存在未指出的差 異，并且該差異導(dǎo)致針對特定實施例的元件的非對應(yīng)結(jié)構(gòu)或功能，則針對該特定實施例而 給出的該沖突描述應(yīng)當起支配作用。
[0017]圖1示出根據(jù)本題述公開內(nèi)容的示例性實施例的用于優(yōu)化參考矢量的系統(tǒng)。系統(tǒng) 100包括用于生成化驗物信息的源101。例如，源101可W是光譜相機、掃描儀中的CCD或 CMOS傳感器、明場顯微鏡、巧光顯微鏡、或用于對包括諸如利用一個或多個巧光或色原染色 劑和標記物染色的生物樣品之類的材料樣本的化驗物進行成像的整個載玻片掃描儀。源 101與存儲器110通信，存儲器110包括由禪合到計算機120的處理器125執(zhí)行的多個處 理模塊或邏輯指令。例如，諸如生物樣品之類的樣本可W被安裝在載玻片或其它襯底或設(shè) 備上W用于通過源101進行成像的目的，其中依照本公開內(nèi)容，樣本的圖像的分析通過處 理器125執(zhí)行存儲在存儲器110上的多個模塊中的一個或多個而執(zhí)行。分析可W出于樣本 的識別和研究的目的。例如，生物學(xué)或病理學(xué)系統(tǒng)可W針對其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、W及指示癌癥或 其它疾病的細胞、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)片段或其它標記物的存在和組織構(gòu)成、或者出于其它目的 (例如基因組DNA檢測、信使RNA檢測、蛋白質(zhì)檢測、病毒的檢測、基因的檢測或其它)而分析 樣本。
[0018] 樣本可W借助于包含一個或多個不同標記物、巧光團或色原染色劑的染色劑的應(yīng) 用而染色。巧光團可W包括一個或多個納米晶半導(dǎo)體巧光團（即，量子點)，每一個產(chǎn)生不同 波長范圍中的峰值發(fā)光響應(yīng)。量子點是眾所周知的，且可W從InvitrogenCo巧.、Evident Technologies等等商業(yè)上可得到。被應(yīng)用于樣本的一個或多個巧光團可W是有機巧光團 14 (例如DAPI、德克薩斯紅)，其在本領(lǐng)域中是眾所周知的，且在至少共同所有