[发明专利]基于色原分离的图像分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像分析，更具体地涉及基于色原分离的图像分析方法，其涉及用于细胞生物学和病理学应用中的定量视频显微技术。

背景技术

对组织的评估和分析属于病理学领域。在近来的时间，方法和技术上的发展已经使数字图像分析成为辅助病理学家更准确解释图像的最有效工具之一。尽管这样的图像分析技术根本上有助于给细胞学家提供准确的、重复性和客观的细胞分析，组织学解释技术仍倾向于依赖对样品的主观分析。这样的组织学解释技术还可能受制于观察者自身以及观察者之间一致性的变化，这进一步趋向提供较低准确性、较低重复性和较少客观性的结果。由于这些原因，组织的图像分析一开始就受限于开发用来分析细胞学样品的技术。

随着高性能计算机、局域和广域通信、低成本数据库方案、存储技术的改进和低成本高分辨率数码相机和/或扫描仪的发展和应用，这种局势已经得到改变。先前由于缺乏CPU处理能力，在常规环境中较复杂的算法先前不能应用于组织切片。然而，现在可以应用这样的算法来评估和量化组织特异性特征，其涉及标志物量化和亚细胞定位。与此同时，基于图像分析的初始步骤，即生成和管理数字图像，对于组织切片的重复性和更标准化的视觉评估的更广泛的支持已经可以获得。这在质量控制、质量保证和标准化领域中是尤其如此。可以通过远程病理学方式在会诊病理学家之间交换疑难病例的数字图像，从而获得另外的观点。这些图像还可以有效地应用于能力验证(proficiency testing)。数字图像还可以作为可通过网络访问的强大的图像参考数据库的基础，并且在病例和评估结果的文档化中尤其是在全面电子或打印报告中扮演越来越重要的角色。

制备好组织切片后，病理学家在显微镜下视觉检查组织样品。如果图像分析要应用于切片，显微镜必需至少配备有照相机或者其它图像采集装置，其通过接口与计算机系统连接。照相机通过显微镜采集组织样品的光学显微图像。作为结果，将数字图像收集在计算机的存储器中，并且可以在其监视器上显示。然而，获得的这些数字图像必须使得存储数据仍然恰当地表现光学图像的重要细节。

通常，定量评价数字化图像的下一步骤是分割(segmentation)，其有时包括额外的预处理中间步骤。在分割期间，使细胞相互之间分离以及从图像背景中分开。在一些情况中，算法的进步已经使得有可能向下分割细胞至亚细胞组分水平(即，核、细胞质和膜)。尽管看上去它可能是容易的任务，但是分割在图像分析中经常是困难的和易错的步骤。对于以在数字化图像中显示良好对比的方式而使细胞被精细地分开和染色的切片来说，在许多情况中可以非常可靠地完成分割。然而一旦上述条件之一未得到满足，就必须应用极复杂的和费时的分割算法，其中应用另外的关于细胞及其相互关系或者关于标志物和复染亚细胞定位的已有知识。例如，对于浸润肿瘤的组织切片正是如此，此时切片中大部分细胞不能清楚地被分开，而是趋向于相互接触和重叠。

使用基于标志物的算法，能够自动地确定感兴趣区域的范围，并且让病理学家应用他自己的主观经验来决定所呈现的区域是否适当或者需要手动改善。一旦确定了图像的有意义的区域，就开始特征提取。对于每个细胞(及其亚细胞组分)而言，为了尽可能全面地表征单个细胞及其相互作用，可以测量一组密度计量的、形态度量的、构造的和相互间关系的特征。

最后的步骤是呈现原始数据以及将其汇编成有意义的结果和/或得分。理想情况下，图像分析系统得到的输出结果应匹配已由病理学家使用的视觉和/或半定量的分级系统的形式，从而有助于一致性、容易应用或者能够以常规应用来解释。

通过图像分析来评估组织样品的平台越来越多地从通用型图像分析仪转至为日常工作而配置的专门的和专用的“病理学工作站”。这样的工作站组合向病理学家提供必要信息所需的工具，从而实现尽可能最佳的结果。这种工作站的核心是显微镜，其可配备有自动化部件，包括电动载物台(motorized stage)、自动对焦装置、物镜转换器和光强度调节装置。不同的输入装置与工作站相连，比如能够快速自动对焦和获取高分辨率图像的照相机。工作站可以是局域网络(LAN)的一部分。工作站还可以支持不同的通讯协议，从而可以使用现有的通信信道与世界其它地方的工作站相连(广域网或者WAN)。

当工作站整合入LAN和/或WAN时，可以授权该工作站访问现存的参考数据库和医院信息系统(Hospital Information Systems，HIS)，从而可以将任何待检验的新病例与长时间积累的参考病例的图像和所附信息进行比较。此外，从待检切片获得的图像可以补充患者和病例历史。