Сегментация изображений гистологических объектов (стр. 2 из 4)

- алгоритм морфологической сегментации отдельных клеток;

- алгоритм сегментации клеток со сложным фоном, основанный на объединении областей;

- алгоритм определения клеток на бинарном изображении, полученном с помощью пороговой сегментации;

- координаты описания цвета, предназначенные для работы методов математической морфологии и других сложных полутоновых операций на изображениях гистологических препаратов.

Личный вклад соискателя

Все предлагаемые алгоритмы были разработаны и программно реализованы лично автором. Научный руководитель принимал участие в постановке задач, определении возможных путей решения и их предварительном анализе.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах: научно-технической конференции по компьютерной графике и анимации (Минск, 1993), 8^thInternational Symposium on Diagnostic Quantitative Pathology. (Amsterdam, The Netherlands, 1994), Третей научной конференции по распознаванию и анализу изображений (Минск, 1995), I конгрессе Международной ассоциации патологоанатомов (г.Москва, 1995), республиканской научной конференции молодых ученых и студентов “Актуальные проблемы современной медицины” (Минск, 1997), System and signals in Intelligent Technologies (Минск, 1998), V международной конференции “Компьютерный анализ данных и моделирование” (8-12 июня 1998, Минск), Fifth International Conference Pattern Recognition and Information Processing PRIP99 (Минск, 18 - 20 мая 1999).

Опубликованность результатов

По материалам проведённых исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе:

1 статья в научном журнале;

3 статьи в сборниках научных трудов;

8 докладов на международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы из 152 наименований. Диссертация изложена на 121 странице, включая 72 иллюстрации.

Во введении обоснована актуальность темы, кратко излагается состояние предметной области, нерешенные задачи и даётся краткая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ состояния предметной области: дано описание гистологических объектов и особенностей их изображений, обзор существующих методов систем обработки медицинских изображений, а также описание основных направлений развития алгоритмов сегментации объектов. По результатам проведённого анализа можно сделать следующие выводы.

1. Большинство объектов на гистологических препаратах представлены слабоконтрастными изображениями и характеризуются большой вариабельностью геометрических и оптических характеристик, в связи с чем при анализе подобных изображений возникают определенные трудности. Поэтому для выбора эффективных методов сегментации требуется дополнительная классификация этих объектов.

2. Автоматический анализ изображений гистологических объектов слабо освещён в литературе.

3. Гистологические объекты характеризуются слабой контрастностью, широким спектром форм и размеров. Поэтому их специфика вносит определенные особенности на этапе сегментации.

4. Можно определить три основных класса методов сегментации объектов на гистологических изображениях: пороговые, морфологические, методы наращивания областей. Хотя существует ещё ряд частных методов сегментации, не относящихся к ним.

5. Тема сегментации медицинских изображений в настоящее время является актуальной и очень важна в диагностических и научных исследованиях.

На основе результатов анализа выдвигается гипотеза: для каждого класса объектов можно определить алгоритм сегментации, позволяющий получить результат, удовлетворяющий исследователей гистологических препаратов.

Вторая глава посвящена сегментации гистологических объектов на полутоновых изображениях.

Глава начинается с классификации гистологических объектов для определения наиболее эффективного метода сегментации. В ходе классификации определяются три основных класса объектов: площадные (клетки, ядра клеток, сосуды и волокна в поперечном срезе), протяженные объекты (сосуды и волокна в продольном срезе), мелкие контрастные объекты (ядрышки, клеточные включения, артефакты) (табл. 1).

Таблица 1

Таблица классификации гистологических объектов и методов их сегментации для каждого класса

Вид объекта	Характеристика изображения	Равномерный фон	Неравномерный фон
Площадные	Отдельно лежащие объекты одного типа	Пороговая сегментация	Методы математической морфологии
Объекты	Объекты, сопровождаемые объектами другого типа	Пороговая сегментация	Методы объединения областей
Протяженные объекты	Произвольное изображение	Пороговая сегментация	Морфологическая сегментация, основанная на утоньшении
Мелкие контрастные объекты	Произвольное изображение	Пороговая сегментация	Пороговая сегментация

Используя характеристику протяженных объектов, для получения результата можно применять методы математической морфологии. Для выделения средней линии, соответствующей протяжённым объектам, чаще всего применяется полутоновое утоньшение изображения. Поэтому в диссертации был разработан алгоритм полутонового утоньшения, ориентированный на обработку изображений гистологических препаратов со сложным фоном, у которых на разных участках изображения меняются полутоновые характеристики.

Утоньшение изображения осуществляется за четыре прохода, а именно для верхнего, нижнего, правого и левого края. За каждый из четырех проходов значение пикселя изменяется по условиям:

1) p2<x ANDp6³x AND (p1<x ANDp4³x ORp3<x ANDp0³x ORp0³x ANDp4³x);

2) p6<x AND p2³x AND (p5<x ANDp0³x ORp7<x ANDp4³x ORp4³x ANDp0³x);

3) p4<x AND p0³x AND (p3<x AND p6³x ORp5<x AND p2³x ORp2³x AND p6³x);

4) p0<x AND p4³x AND (p7<x AND p2³x ORp1<x AND p6³x ORp6³x ANDp2³x),

где номера пикселей соответствуют рис. 1.

P3	P2	p1
p4	Х	p0
p5	P6	p7

Рис. 1 Окрестность пикселя X

В работе предлагаются три варианта изменения пикселя, удовлетворяющего вышеуказанным условиям:

1. Последовательная обработка полутоновых слоёв: последовательное утоньшение каждого полутонового уровня как бинарного изображения от максимального к минимальному.

2. Одновременная обработка полутоновых слоёв: изменяемый пиксель уменьшается на единицу (рис. 2).

3. Одновременная обработка с максимизацией значения пикселя: значению изменяемого пикселя присваивается значение максимального соседа из его окружения, полутоновая величина которого не превышает величину изменяемого пикселя.

Способ изменения пикселя зависит от контрастности изображения. Первым способом достигается идеальный результат для любых изображений, но он медленный. Третий способ – быстрый, но результат корректен только для контрастных изображений. Для большинства изображений более эффективно использовать второй способ (рис. 2).

Бинаризация скелета проводится за один проход изображения. Если обрабатываемый пиксель имеет хотя бы одного из четырёх соседей (p0, p2, p4, p6) меньше его или всех диагональных восьмисоседей меньше его, то значение пикселя приравнивается к 1 , в противном случае – к 0:

If (X>p0 OR X>p4 OR X>p2 OR X>P6) OR (X>p1 AND X>p3 AND X>p5 AND X>p7) THEN X=1ELSE X=0.

Учитывая особенности протяжённых объектов при слабом оптическом увеличении, бинаризированный скелет соответствует выделяемым сосудам или волокнам.

При больших увеличениях толщина протяженных объектов начинает играть существенную роль, поэтому для этого случая был разработан отдельный алгоритм сегментации. Особенность алгоритма заключается в наличии двух параллельных ветвей: обработка самого изображения и его градиента. В результате утоньшения градиента изображения получаются области для обработки, соответствующие либо фону, либо объекту. По соответствию полученного скелета изображения областям определяются протяженные объекты (рис 3).

В качестве развития этого алгоритма предлагается алгоритм идентификации сосудов или волокон, который использует области и скелет, полученные с помощью предыдущего алгоритма. Он выполняется с помощью отслеживания протяженного объекта и классификации областей на три класса (пересечения, разветвления и продолжения), которая проводится с помощью анализа точек пересечения скелета с границами области.

Выбор метода сегментации для площадных объектов зависит от соотношения фона и полутоновых характеристик объектов. Для контрастных изображений лучше всего использовать алгоритмы пороговой сегментации, но в случае слабоконтрастных изображений они не позволяют получить качественный результат. Если фон неравномерен, а изображение включает отдельно лежащие объекты одного типа, и, кроме того, полутоновая величина для пикселей фона меняется равномерно и не делает резких скачков, хорошие результаты получаются при применении морфологической сегментации. В основе разработанного алгоритма лежит полутоновое утоньшение морфологического градиента, сопровождаемое операцией обрезания хвостов на каждую итерацию, которая позволяет получить замкнутые контуры, ограничивающие области, соответствующие объектам. Результаты, полученные с помощью этого метода, соответствуют выделяемым гистологическим объектам (рис. 4).