[发明专利]一种细胞图像跟踪智能算法

摘要

本发明公开了一种细胞图像跟踪智能算法，实现对斑马鱼胚胎内中性粒细胞的三维跟踪。采集速度达到相机帧速率、对生物样本光辐射小。将各种图像处理和识别算法用于斑马鱼胚胎内中性粒细胞的检测与识别，得到细胞的位置变化和形态学特征。为下一步数据分析奠定基础。并分析中性粒细胞结构、形态学特征、运动轨迹与炎症和药物作用的相互关系，为研究疾病变化和药物机理奠定实验与理论基础。

主权项

一种细胞图像跟踪智能算法，其特征在于，包含以下：步骤一、图像采集：斑马鱼胚胎放置在旋转台上开始旋转，在旋转的同时，通过瞬时正交的光学成像系统对所述斑马鱼胚胎中细胞对象进行图像采集；经过完整的所述图像采集后得到投影图像对，对所述投影图像对进行图像增强，图像去噪和图像分割，通过数学形态学平滑和尺寸筛选进行所述图像分割，得到多个中性粒细胞图像，通过跟踪所述多个中性粒细胞图像中的所有中性粒细胞的运动轨迹，设定分割所述多个中性粒细胞图像的面积小于一特定值；并用分水岭算法进行分割相互接触和重叠的情况；采集所述多个中性粒细胞图像中都有记录着当前时刻所述所有中性粒细胞的坐标位置；采集所述多个中性粒细胞图像时相隔两帧图像拍摄时间间隔为一固定时间；步骤二、跟踪算法：分析所述多个中性粒细胞图像，并把分析出的对象中的其中一个中性粒细胞作为目标；任意给定的时间点k经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+1；所述时间点k+1经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+2；将所述时间点k时的所述目标与在所述时间点k+1时离得最近的所述目标联系起来，通过比较预测位置与实际位置的几何距离差值，判断是否列入所述目标的轨迹列表；步骤三、细胞形态学特征、运动速度和方向的测量：重构跟踪所述目标的轨迹后，计算以下特征：所述目标的轨迹总的长度，为所述一个中性粒细胞总的移动距离；所述目标的轨迹总位移，为所述一个中性粒细胞的起点和终点的距离；所述目标的平均速度值和运动方向；跟踪时间间隔；根据所述目标判断运动方向：从所述目标在所述时间点k时，所述时间点k+1时，所述时间点k+2时的三个位置进行连线后，计算相邻两个位移增量的夹角余弦值，得到运动方向；所述夹角余弦值若为1则运动方向方向值为1；称为单方向性运动方向；所述夹角余弦值若为0则运动方向方向值为0；称为完全无序性运动方向；距离伤口近的所述目标会受到影响是具有所述单方向性运动方向，距离伤口远的所述目标不会受到影响就是所述完全无序性运动方向，用于判断所述目标是否会朝着所述斑马鱼胚胎的伤口移动；步骤四、细胞检测与识别：定义测量投影坐标系的X轴，Y轴，Z轴；所述Z轴是垂直坐标；所述X轴是横坐标从所述多个中性粒细胞图像的左边开始测量，所述Y轴是另一个横坐标，与所述Y轴正交；所述投影图像以所述Z轴分成XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像；在每个所述一固定时间时在所述XZ轴上的投影图像和所述YZ轴上的投影图像各采集一幅图像，以减少对所述斑马鱼胚胎进行三维跟踪时的光辐射，并在0到所述时间点k之间的时间段里得到k个投影图像对，通过图像分割和三角测量，所述目标在所述时间点k时的测定坐标为Xk，Yk，Zk，其中：Xk、Yk、Zk分别为所述目标在所述时间点k时在所述X轴上，所述Y轴上，所述Z轴上的测定坐标；Xk+1、Yk+1分别为所述目标在所述时间点k+1时在所述X轴上，所述Y轴上的测定坐标值；所述目标在所述时间点k时的预测坐标为P(xk，yk，zk)，其中：P(xk)、P(yk)、P(zk)分别为所述目标在所述时间点k时在所述X轴上，所述Y轴上，所述Z轴上的测定坐标值；利用公式(1)进行坐标预测；且Pk(zk+1)＝Zk+1  公式(1)公式(1)中的Pk(zk+1)＝Zk+1中的Pk(zk+1)为所述目标在所述时间点k+1时在所述Z轴上的预测坐标值；Zk+1为所述目标在所述时间点k+1时在所述Z轴上的测定坐标值；Pk(zk+1)＝Zk+1表示所述目标在所述时间点k+1时在所述Z轴上的预测坐标值，与所述目标在所述时间点k+1时在所述Z轴上的测定坐标值相等；公式(1)中的·为点乘符号公式(1)中的θ是旋转采集时每个所述时间点k中任意相邻采集的图像帧的角度步长，XAOR，YAOR是旋转轴在投影坐标系中的XY轴的坐标位置；在所述XZ轴上的投影图像和所述YZ轴上的投影图像检测单个所述目标，采用大小可调、非线性高帽函数图像处理算法进行识别所述目标；根据多个所述目标大小经验值分割判定单个所述目标的有效区域，拟合(拟合就是把平面上一系列的点，用一条光滑的曲线连接起来)计算出多个所述目标的几何中心，在XZ坐标系的坐标为(x，z)，在YZ坐标系的坐标为(y，z)；在对所述k对投影图像对中的所述目标进行识别时，如果有相近的Z坐标值则认为是同一所述目标；在XZ坐标系和YZ坐标系中存在2个或以上所述目标有相近的Z坐标值，随着所述旋转台转动，如果是不同所述目标，接下来的图像中的Z坐标值的变化不满足设定的边界条件从而排除掉；步骤五、重构来自所述测量投影坐标系的分割所述目标的运动轨迹：在任意给定帧的每个所述目标与下一帧最近的所述目标联系起来；所有识别的所述目标在第k个时间点的检测的坐标Xk，Yk，Zk坐标列表变换到第k+1个时间点的坐标系统P(xk+1，yk+1，zk+1)，P(xk+1，yk+1，zk+1)与在第k+1个时间点检测的坐标Xk+1，Yk+1，Zk+1进行比较，所述目标的空间距离在某一个范围内时认为是同一个所述目标，每个所述目标只能加入一个轨迹；P(xk+1，yk+1，zk+1)是所述目标在是根据识别的所述目标在第k个时间点的坐标Xk，Yk，Zk在第k+1个时间点的预测坐标；如果相应的所述目标在第k+1个时间点没有被识别，利用合适的变换将第k+2个时间点的预测坐标与第k+2个时间点的坐标进行比较；如果相应的所述目标仍然没有被识别，则所述目标的跟踪在第k个时间点终止。