专利名称：细胞定量分析中细胞核dna物质含量的准确测量方法
技术领域：
本发明涉及一种细胞定量分析中细胞核DNA物质含量的准确测量方法，属于生物医学工程领域。
背景技术：
细胞核DNA物质含量的测定是细胞定量分析的核心，同时也是利用定量细胞分析方法诊断与筛査早期癌症和研究细胞核DNA物质含量的变化与各种病变的关系的必要前题与最重要依据。DNA物质含量测量的准确性，直接关系到癌症筛査的准确性和稳定性，也直接影响着定量细胞学研究结果的真实性，具有十分重要的意义。
一般，细胞核DNA物质含量无法直接的测量到，而是通过测量染色后细胞核的积分光学密度值(IOD值)，从而测量出细胞核内DNA物质的光学吸收，间接的得到细胞核内DNA物质含量。
但是由于图像采集设备的精度、设备的光学特性以及照明设备与情况的复杂等客观原因，利用IOD值计算DNA物质含量会有比较大的误差，并不能完全真实的反映细胞核内DNA物质含量的多少。所以，对细胞核的IOD值进行校正，得到准确的DNA物质含量成为十分重要而且必要的工作。
专利US 6,026,174和US 7,274,908中，利用细胞核的IOD值计算DNA含量，给出了相应的DNA含量计算方法，但是没有给出相应的校正方法。在实际应用过程中，DNA含量的计算容易受外界各种客观因素的影响，使得计算出来的DNA含量值不准确，从而影响肿瘤诊断的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种细胞定量分析中细胞核DNA物质含量的准确测量方法，利用图像形态学与支持向量回归SVR的非线性校正方法对DNA含量值进行校正，能够有效的消除外界因素对DNA含量测量的影响，提高DNA含量值的准确性和客观性，从而提高肿瘤诊断的准确性，同时对于研究DNA含量的变化与各种病症的关系也有十分重大的意义。
本发明的技术方案是细胞定量分析中细胞核DNA物质含量的准确测量方法，其特征在于包括下列步骤a、利用数学形态学中的膨胀算法，对细胞核的掩码图进行膨胀运算；并利用膨胀后的掩码图和原细胞核图像计算扩展积分光学密度EIOD值；b、对标本中G0/G1期的细胞核的EIOD进行统计，得到EIOD标准值，并利用该EIOD标本值和细胞核自身的EIOD值，计算各细胞核的校正系数；c、细胞核的校正系数作为输出，特征参数向量作为输入，通过支持向量回归SVR训练程序，得到细胞核校正系数关于其特征参数向量的回归模型；d、特征参数向量作为输入，细胞核校正系数关于其特征参数向量的回归模型作为模型，通过SVR训练程序回归重建细胞核的校正系数，并利用该校正系数和细胞核本身的EIOD值，计算校正后积分光学密度CIOD值；e、统计G0/G1期的正常细胞的细胞核CIOD值，得到参照CIOD值，并利用该值和细胞核自身的CIOD值计算DNA物质含量。
本发明的工作原理是本发明有以下四个技术关键点利用数学形态学的膨胀算法求取EIOD值；利用统计方法得到EIOD标准值，并由此计算单个细胞核的IOD校正系数；利用细胞核的特征参数和校正系数，通过SVR算法，训练校正系数回归模型，并利用该模型和SVR算法回归重建细胞的CIOD值；利用参照细胞核的CIOD值，换算各细胞核的DNA物质含量值。
本发明的有益效果是(1)提高了 DNA物质含量测量的准确性。由于种种客观原因的限制，传统直接利用测量IOD值來得到DNA物质含量的方法有比较大的误差。本发明利用细胞核的各种光学、纹理、形态特征对EIOD进行校正，能够有效的将各种误差产生的原因考虑进计算中，对各种误差进行非线性校正，大大提高了 DNA物质含量测量的准确性。(2)提高了 DNA物质含量测量的抗干扰性。简单利用IOD值得到DNA物质含量的方法，受图像分割算法的影响较大。本发明利用细胞核的EIOD值代替IOD值进行DNA物质含量计算的依据，EIOD值有效的补偿了图像分割算法不准确造成的测量误差，同时保留了原算法的简单特征。(3)本发明利用SVR算法进行校正系数的回归与估计，并利用细胞核的各种特征参数。各种特征参数中蕴含各种误差产生的条件信息，利用SVR算法进行校正系数的估计与盲检测，同时考虑各种线性和非线性误差，得到准确客观的校正。(4)本发明的DNA物质含量的换算方法，能够得到易于理解和利用的DNA物质含量，与医学上的表达相一致，便于运用于诊断或者研究。
图1为本发明实施例细胞核EIOD值回归重建模型训练过程示意图。 图2为本发明实施例细胞核EIOD值回归重建过程示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一歩的说明。
本发明要解决以下几个问题
(1) 提供一个准确测量细胞核内DNA物质含量的方法，提高测量细胞核 DNA物质含量的准确性、搞干扰性等。
(2) 提供一个对IOD值进行校正的方法，使校正后的IOD值能够更加准确 的反映细胞核内DNA物质含量的多少。
(3) 能够提供一种细胞核DNA物质含量的准确换算方法，换算出来的DNA 物质含量值，能够在本样本内部提供不同细胞核DNA物质含量的可比性。
本发明实施例具体实施如下主要包括三个方面的内容求取扩展积分光学 密度(EIOD)、校正积分光学密度(CIOD)以及换算DNA物质含量。 一、扩展积分光学密度(EIOD)的求取
首先，本发明实施例设计了一个应用数学形态学算法求取膨胀细胞掩码图， 并求取扩展积分光学密度(EIOD)的方法。
在使用图像分割算法对细胞核进行了分割后，可以得到单个细胞核的掩码图 JQi,j，其中x和y表示象素的坐标值，Q"4表示该象素属于这个细胞核内部， Qw =0表示该象素在这个细胞核之外。
利用数学形态学的膨胀算法，对该掩码图进行膨胀，得到膨胀掩码图(Q:J 。 其中，Q^为膨胀掩码。当0^^或者象素(x,^的任意一个8邻域象素(r,y) 的Q. =1，则0^,=1;否则。:，=0。经过膨胀后的掩码图中，细胞核的大小
;c',y a'少 j'少
实际上比原来大了一圈。
利用公式(l)可以计算得到扩展积分光学密度
￡/0￡ = 21]叫凡 (1)其中OD^表示象素的光学密度值，可以利用公式(2)计算得到:
其中g^表示该象素的灰度值，g。表示背景光照的灰度值。
由此可以看出，与传统的IOD计算方法相比，该方法将原细胞核外的近邻 区域也考虑到计算中来。如果该区域包含有细胞核的DNA物质，则会将该部分 光学密度也计算进来，如果该部分区域没有DNA物质，则其光学密度值为0， 不会影响计算结果的准确性。可见，它能够更加准确的表示细胞核内DNA物质 的含量。该方法有效的避免了由于分割不准确给积分光学密度的计算带来的影 响，提高了结果的稳定性和准确性。
二、校正积分光学密度(CIOD)的计算
其次，本发明实施例还设计了--种利用支持向量回归算法对EIOD进行校正 重建的方法。
该方法分为两个部分，训练和回归重建。训练是在系统开发过程中，利用标 准的校正系数和细胞核的各种光学、形态和纹理特征，通过SVR训练程序得到 回归模型；回归重建过程是在实际的应用过程中，利用训练得到的回归模型和细 胞核实际测量的各种光学、形态和纹理特征参数，通过SVR回归程序得到校正 系数，并利用这个校正系数和实际计算的EIOD值，最终计算出校正后的积分光 学密度值CIOD。训练过程如图l，回归重建过程如图2。
在训练过程中，选取同一样本中处于G0./G1细胞核，计算出它们的EIOD 值。通过统计的方法，找出标准的EIOD值，作为校正的归一化标准值。它可以 是这些细胞核EIOD值的均值，也可以是这些细胞核EIOD值的众值。校正系数 计算方法为
其中，￡/OD。为EIOD标准值，为该细胞核的EIOD值。
同时，通过细胞核的灰度图和掩码图，可以计算出细胞核的光学、形态、纹 理等众多特征值，它们都可以用浮点数表示。计算的特征参数越多，回归结果越
亂祭據准确。这里用f,.表示该细胞核的特征值向量。
利用这些校正系数和细胞核特征向量f(^fi》，通过支持向量回归程序，可 以得到校正系数的回归模型。
在重建过程中，对于每个细胞，同时计算其特征参数向量fj和校正前的EIOD
值￡/0/),，利用特征参数向量fi和校正系数回归模型，可以得到校正系数y,。利 用下面的公式，可以得到校正后的细胞核EIOD值。
其中，￡/(9Z),为该细胞核的EIOD值，C7(9Z),为该细胞核校正后的CIOD值。
经过校正后的EIOD值能够更加准确的反应DNA物质含量的多少，在同一
标本中也更具有可比性。
三、DNA物质含量的换算
最后，本发明实施例提出了利用校正后CIOD值计算DNA物质含量的换算 方法。
对于校正后的DNA物质含量，选取稳定的G0/G1期细胞作为比照，计算它 们的CIOD众值C70/)，,^作为换算标准。通过如下的公式，可以得到DNA物质
换算后的DNA物质含量与医学认为的DNA物质含量相同，单位为c。 一般 的G0/G1期细胞的DNA物质含量为2c。
本发明利用细胞核的不同光学、形态、纹理等特征，通过支持向量回归算法， 得到不同细胞核的校正系数，对每个细胞核的IOD值进行校正。由于校正考虑 了细胞的不同光照强度、纹理分布以及形态大小等方面的特点，使得校正后的 IOD值更加统一、准确，能够更加真实的反映细胞核内DNA物质含量的多少。 同时，在同一标本中，不同细胞核的DNA物质含量具有可比性，为诊断与研究 提供了重要依据。
辦游
权利要求
1、细胞定量分析中细胞核DNA物质含量的准确测量方法，其特征在于包括下列步骤a、利用数学形态学中的膨胀算法，对细胞核的掩码图进行膨胀运算；并利用膨胀后的掩码图和原细胞核图像计算扩展积分光学密度EIOD值；b、对标本中G0/G1期的细胞核的EIOD进行统计，得到EIOD标准值，并利用该EIOD标本值和细胞核自身的EIOD值，计算各细胞核的校正系数；c、细胞核的校正系数作为输出，特征参数向量作为输入，通过支持向量回归SVR训练程序，得到细胞核校正系数关于其特征参数向量的回归模型；d、特征参数向量作为输入，细胞核校正系数关于其特征参数向量的回归模型作为模型，通过SVR训练程序回归重建细胞核的校正系数，并利用该校正系数和细胞核本身的EIOD值，计算校正后积分光学密度CIOD值；e、统计G0/G1期的正常细胞的细胞核CIOD值，得到参照CIOD值，并利用该值和细胞核自身的CIOD值计算DNA物质含量。
全文摘要
本发明提供了一种细胞定量分析中细胞核DNA物质含量的准确测量方法，包括以下步骤利用数学形态学的膨胀算法求取EIOD值；利用统计方法得到EIOD标准值，并由此计算单个细胞核的IOD校正系数；利用细胞核的特征参数和校正系数，通过SVR算法，训练校正系数回归模型，并利用该模型和SVR算法回归重建细胞的CIOD值；利用参照细胞核的CIOD值，换算各细胞核的DNA物质含量值。本发明提高了DNA物质含量测量的准确性和抗干扰性，本发明的DNA物质含量的换算方法，能够得到易于理解和利用的DNA物质含量，与医学上的表达相一致，便于运用于诊断或者研究。
文档编号C12Q1/68GK101492740SQ20091006084
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者庞宝川, 徐端全 申请人:武汉兰丁医学高科技有限公司