检测细胞受人类乳头瘤病毒(HPV)感染的装置及其检测方法与流程

本发明关于一种检测细胞受人类乳头瘤病毒(humanpapillomavirus，简称hpv)感染的装置及方法，特别是关于利用图像分析技术检测细胞是否受人类乳头瘤病毒(hpv)感染。

背景技术：

人类乳头瘤病毒(hpv)是一种乳头瘤病毒科乳头瘤病毒属的dna病毒。该类病毒主要感染人体的表皮与黏膜组织。目前约有170种类型的hpv被鉴定出来，其中有些类型的hpv入侵人体后会引起疣或癌症，但其他则没有任何症状。

hpv病毒能引起人类及动物的感染，主要感染宿主的上皮细胞和组织内层。依感染组织形态可区分为表皮型和黏膜型两种：1.表皮型主要是引起手、脚上皮感染；2.黏膜型则造成口腔、喉咙、呼吸道及生殖泌尿道感染。hpv引起手、脚皮肤疣的产生(如：扁平疣、凸狀疣、皮肤疣...等)，其机制主要是引起皮肤角质增生，通常一到五年后患处会自然缓解，但部份受感染的脸部也会引起皮肤癌，有些也会引起口腔鳞状细胞癌。

大约有30到40种类型的hpv透过性行为传染到生殖器及周边皮肤，其中又有些hpv会引起性器疣。若反复感染某些高危险性且又没有疣等症状的hpv类型，将可能发展成为癌前病变，甚至是侵袭性癌症。hpv的感染是造成子宫颈癌的主因之一，其感染途径普遍是通过性行为引起，然而经由母体的垂直感染也是造成hpv感染的途径之一。经研究，99.7％的子宫颈癌都是因感染hpv所造成。

目前常用之细胞受人类乳头瘤病毒感染的检测方法包括早期细胞学检查、薄层细胞学检查等，此属于传统人工鉴定方式，但面临有准确率与时效性等问题。近期因dna技术的突破而发展出dna检测方法，例如原位杂交反应法、hpvdna直接侦测法、增幅杂交反应法、hpvmrna检测与微阵列分析(microarray)。目前大多使用分子诊断技术来检测hpv，但大部分需自费且所费不赀，虽然美国fda在2014年4月批准使用roche药厂的cobashpvtest作为第一线筛检工具，但目前在美国不论任何年龄层还没有出现被癌症学会等学会接受作为法定建议的第一线筛检工具。另外，澳洲虽然也于2015年在某些地区批准hpvtest做第一线筛检工具，但并非极力推荐。因此，科学界还是将hpv检测方法回归到图像细胞学检测，并使用人工判读方式，但仍有无法迅速及准确的判断细胞是否被hpv感染的问题。

此外，子宫颈抹片筛检是透过病理师以人力进行一片一片的检查判断，进行病兆特征圈选与分类。但病理师人数扩增速度却远远跟不上抹片待检测的成长量，致使过高工作量成为影响子宫颈抹片辨识正确率的隐忧之一。从此可看出，需要数字病理筛检诊断设备来提供hpv感染细胞(如子宫颈抹片)一个数字化的筛检诊断功能，辅助病理师进行特征分析与辨识比对，不仅能缩短抹片筛检时间，更能维持正确率与可靠度。

本案申请人鉴于公知技术中的不足，经过悉心试验与研究，并一本锲而不舍之精神，终于构思出本案，能够克服先前技术之不足，以下为本案之简要说明。

技术实现要素：

为了构思出更快速、准确与可靠的判断细胞是否被hpv病毒感染，本发明提出一种经由数字病理筛检诊断设备直接判断细胞是否被hpv病毒感染，以缩短人力分辨抹片筛检时间，并维持检测的正确率与可靠度。

因此，本发明提供一种用于检测细胞是否被人类乳头瘤病毒(hpv)感染的装置，该装置包括：色彩转换单元，用于通过将细胞图像中每个像素从红、绿与蓝(rgb)色彩坐标转换成色调、饱和度与明度值(hue,saturation,value,hsv)色彩坐标，而将细胞图像转换为hsv图像；细胞轮廓捕获单元，用于从hsv图像中捕获细胞之细胞轮廓；轮廓像素点捕获单元，用于从细胞轮廓中选择至少一轮廓像素点；辨识单元，用于辨识至少一轮廓像素点在细胞轮廓上之切线，以定义切线的第一侧及相对于该第一侧的第二侧，其中第一侧指示细胞的胞外区域，且第二侧指示细胞的胞内区域；计算单元，用于计算第一侧及第二侧各自之多个像素点的明度平均值或色调平均值；以及判断单元，用于当第一侧的明度平均值小于第二侧的明度平均值或第一侧的色调平均值大于第二侧的色调平均值时，判断细胞被hpv感染，且当第一侧的明度平均值大于或等于第二侧的明度平均值或第一侧的色调平均值小于或等于第二侧的色调平均值时，判断细胞未被hpv感染。

本发明另提出一种检测细胞是否被病毒感染的方法，该方法包括：(a)捕获该细胞之图像的细胞轮廓，并从细胞轮廓中选择至少一轮廓像素点；(b)辨识至少一轮廓像素点在细胞轮廓上之切线，以定义切线的第一侧及相对于第一侧的第二侧，其中第一侧指示细胞的胞外区域，且第二侧指示细胞的胞内区域；(c)计算第一侧及第二侧各自之多个像素点的明度平均值或色调平均值；以及(d)当第一侧的明度平均值小于第二侧的明度平均值或第一侧的色调平均值大于第二侧的色调平均值时，判断细胞被病毒感染，且当第一侧的明度平均值大于或等于第二侧的明度平均值或第一侧的色调平均值小于或等于第二侧的色调平均值时，判断细胞未被病毒感染。

本发明另提出一种检测细胞是否被病毒感染的方法，该方法包括：(a)捕获该细胞之图像的细胞轮廓，细胞轮廓具轮廓像素点；(b)辨识轮廓像素点在细胞轮廓上之切线，以定义切线的第一侧及相对于该第一侧的第二侧，其中第一侧指示细胞的胞外区域，且第二侧指示细胞的胞内区域；(c)计算第一侧及第二侧各自之多个像素点的光学参数平均值；以及(d)依第一侧的光学参数平均值是否小于第二侧的光学参数平均值，判断细胞是否被病毒感染。

为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下，但非用以限制本发明之实施例范围。

附图说明

图1为本发明之检测细胞是否被人类乳头瘤病毒(hpv)感染的系统之示意图；

图2为本发明之检测细胞是否被人类乳头瘤病毒(hpv)感染的方法之示意图；

图3为本发明之索贝尔算子中的两个5×5矩阵；

图4为本发明之人工类神经网络所辨识出的8个方向；

图5为本发明之利用人工类神经网络辨识轮廓像素点在细胞边缘轮廓上的切线方向之示意图；

图6为本发明之计算切线两边像素点的明度平均值或色调平均值的示意图。

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明之详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明之技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露之内容、权利要求及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关之目的及优点。以下之实施例进一步详细说明本发明之观点，但非以任何观点限制本发明之范围。

本发明的各种实施例中，提出一种检测细胞是否被hpv感染的方法及装置。本发明利用检测系统来捕获细胞形态变异之特征，计算细胞内与细胞外的明度平均值或色调平均值的大小，再以两边明度平均值或色调平均值判断细胞是否已被hpv感染。

请参阅图1及图2，其分别为本发明之检测细胞是否被人类乳头瘤病毒(hpv)感染的检测系统及方法之示意图。本发明的检测系统100包括细胞图像捕获装置110及图像检测装置120，其中图像检测装置120包括色彩转换单元121、细胞轮廓捕获单元122、轮廓像素点捕获单元123、辨识单元124、计算单元125及判断单元126。

细胞图像捕获装置110用于拍摄已处理过的细胞样品(图2之步骤201)，所拍摄出的细胞样品图像仅有一个细胞。在一实施例中，细胞样品可为子宫颈抹片及其他细胞样品，且细胞图像捕获装置110可以是显微摄影装置。细胞样品经采样后，利用一般公知常规方式进行处理，再利用显微摄影装置拍摄经处理之细胞样品，得到单细胞的细胞图像。

接着色彩转换单元121对单细胞的细胞图像中每个像素的红、绿与蓝(rgb)色彩坐标转换成色调、饱和度与明度值(hue,saturation,value,hsv)(图2之步骤202)色彩坐标，以得到hsv图像，并保留每个像素的色调值或明度值。

取得hsv图像后，细胞轮廓捕获单元122利用索贝尔算子(sobeloperator)对细胞质进行边缘侦测，再利用细线化(thinning)方法捕获该细胞轮廓(图2之步骤203)，其中细胞轮廓为细胞边缘轮廓。在一实施例中，hsv图像是利用索贝尔算子中的两个5×5矩阵(如图3，分别为x轴及y轴)对细胞质进行边缘侦测。

轮廓像素点捕获单元123在辨识后的细胞边缘轮廓上取n个轮廓像素点(图2之步骤204)。在一实施例中，n为1-100，较佳为10-100，且n值越大，准确度越高。在另一实施例中，如图5所示，轮廓像素点捕获单元123在细胞边缘轮廓504上取20个轮廓像素点502，每个轮廓像素点之间在细胞边缘轮廓有相互间隔。

辨识单元124以这n个轮廓像素点为中心点，取一正方矩阵(图2之步骤205)。在一实施例中，此正方矩阵为等于或大于5×5的矩阵，较佳为7×7矩阵。辨识单元124再利用人工类神经网络(ann)对中心点进行方向性(即为中心点在细胞边缘轮廓上的切线方向)的辨识(图2之步骤206)。其中，人工类神经网络为一个运用各种形态之边缘图像训练得到的训练参数，以7×7矩阵为例，每个训练将7×7矩阵中的49个像素作为输入值，于预先定义7×7矩阵中心点的方向值为人工类神经网络的输出值。将矩阵中的49个像素作为类神经网络的输入值，经人工类神经网络计算后，会输出8个方向中的其中一个方向(如图4所示)，其中8个方向为0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°及157.5°。在另一实施例中，如图5所示，在细胞图像501上的轮廓像素点502取一7×7矩阵503，经由人工类神经网络辨识后，轮廓像素点502在细胞边缘轮廓504上的切线505方向为135°(方向7)。

辨识出轮廓像素点502在细胞边缘轮廓504上的切线505后，辨识单元124辨识出切线505的左边或右边为细胞内或细胞外，并在切线两边选m个像素点(图2之步骤207)。在一实施例中，如图6所示，辨识单元124取垂直于切线505且通过轮廓像素点502的两边取m个像素点，即为细胞内的像素点601与细胞外的像素点602。其中，m的数量依据细胞图像捕获装置110的分辨率而定，m可为任何正整数。较佳地，m为1000-3000。m的数量可由使用者自行定义。

计算单元125计算细胞内的m个像素点的光学参数平均值(图2之步骤208)，及细胞外的m个像素点的光学参数平均值(图2之步骤209)。其中，光学参数包括色调及/或明度。

判断单元126根据细胞内与细胞外的像素点之色调平均值及/或明度平均值(图2之步骤210)，以判断细胞是否被hpv感染(图2之步骤211)。其中，当细胞外的明度平均值小于细胞内的明度平均值或细胞外的色调平均值大于细胞内的色调平均值时，判断细胞被hpv感染，而当细胞外的明度平均值大于或等于细胞内的明度平均值或细胞外的色调平均值小于或等于细胞内的色调平均值时，判断细胞未被hpv感染。

实施例

1.一种用于检测一细胞是否被人类乳头瘤病毒(hpv)感染的装置，该装置包括：

色彩转换单元，用于通过将一细胞图像中每个像素从红、绿与蓝(rgb)色彩坐标转换成色调、饱和度与明度值(hue,saturation,value,hsv)色彩坐标，而将该细胞图像转换为一hsv图像；

一细胞轮廓捕获单元，用于从该hsv图像中捕获该细胞的一细胞轮廓；

一轮廓像素点捕获单元，用于从该细胞轮廓中选择至少一轮廓像素点；

一辨识单元，用于辨识该至少一轮廓像素点在该细胞轮廓上的一切线，以定义该切线的一第一侧及相对于该第一侧的一第二侧，其中该第一侧指示该细胞的胞外区域，且该第二侧指示该细胞的胞内区域；

一计算单元，用于计算该第一侧及该第二侧各自之多个像素点的明度平均值或色调平均值；以及

一判断单元，用于当该第一侧的明度平均值小于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值大于该第二侧的色调平均值时判断该细胞被hpv感染，且当该第一侧的明度平均值大于或等于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值小于或等于该第二侧的色调平均值时判断该细胞未被hpv感染。

2.如实施例1所述之装置，其中该细胞图像为一单细胞的图像，且该单细胞与该细胞为同一种细胞。

3.如实施例1所述之装置，其中该细胞轮廓捕获单元经由一索贝尔算子(sobeloperator)侦测该图像中的该细胞，再利用一细线化演算规则捕获该细胞轮廓。

4.如实施例1所述之装置，该计算单元是计算与该切线垂直且通过该中心点的一直线的多个像素点的明度平均值或色调平均值。

5.一种检测一细胞是否被病毒感染的方法，该方法包括：

(a)捕获该细胞的一图像的一细胞轮廓，并从该细胞轮廓中选择至少一轮廓像素点；

(b)辨识该至少一轮廓像素点在该细胞轮廓上的一切线，以定义该切线的一第一侧及相对于该第一侧的一第二侧，其中该第一侧指示该细胞的胞外区域，且该第二侧指示该细胞的胞内区域；

(c)计算该第一侧及该第二侧各自之多个像素点的明度平均值或色调平均值；以及

(d)当该第一侧的明度平均值小于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值大于该第二侧的色调平均值时，判断该细胞被该病毒感染，且当该第一侧的明度平均值大于或等于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值小于或等于该第二侧的色调平均值时，判断该细胞未被该病毒感染。

6.如实施例5所述之方法，其中该病毒为人类乳头瘤病毒(hpv)，且该细胞图像是经由显微摄影方式捕获。

7.如实施例5所述之方法，其中被捕获的该细胞图像中每个像素从红、绿与蓝(rgb)色彩坐标转换成色调、饱和度与明度值(hue,saturation,value,hsv)色彩坐标，而成为带有该细胞轮廓的一hsv图像。

8.如实施例5所述之方法，其中该步骤(a)还包括：

(a1)利用一索贝尔算子(sobeloperator)的各自的x轴及y轴5×5矩阵侦测该细胞图像中的该细胞轮廓；以及

(a2)利用一细线化演算规则捕获该细胞轮廓。

9.如实施例5所述之方法，其中该步骤(a)是选择复数轮廓像素点，且该等轮廓像素点之间相互间隔。

10.如实施例5所述之方法，其中该切线利用一人工类神经网络(artificialneuralnetwork,ann)进行辨识。

11.如实施例5所述之方法，其中该步骤(c)是计算与该切线垂直且通过该中心点的一直线的多个像素点的明度平均值或色调平均值。

12.一种检测一细胞是否被病毒感染的方法，该方法包括：

(a)捕获该细胞的一图像的一细胞轮廓，该细胞轮廓具一轮廓像素点；

(b)辨识该轮廓像素点在该细胞轮廓上的一切线，以定义该切线的一第一侧及相对于该第一侧的一第二侧，其中该第一侧指示该细胞的胞外区域，且该第二侧指示该细胞的胞内区域；

(c)计算该第一侧及该第二侧各自之多个像素点的一光学参数平均值；以及

(d)依该第一侧的该光学参数平均值是否小于该第二侧的该光学参数平均值，判断该细胞是否被该病毒感染。

13.如实施例12所述之方法，其中该光学参数平均值包含明度平均值及色调平均值至少其中之一，且当该第一侧的明度平均值小于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值大于该第二侧的色调平均值时，判断该细胞被该病毒感染，且当该第一侧的明度平均值大于或等于该第二侧的明度平均值或该第一侧的色调平均值小于或等于该第二侧的色调平均值时，判断该细胞未被该病毒感染。

本发明实属难能的创新发明，深具产业价值，援依法提出申请。此外，本发明可以由本领域技术人员做任何修改，但不脱离如所附权利要求书所要保护的范围。

【符号说明】

100检测系统

110细胞图像捕获装置

120图像检测装置

121色彩转换单元

122细胞轮廓捕获单元

123轮廓像素点捕获单元

124辨识单元

125计算单元

126判断单元

s201-s211步骤

501细胞图像

502轮廓像素点

5037×7矩阵

504细胞边缘轮廓

505切线

601细胞内的像素点

602细胞外的像素点