宫颈细胞满意度自动评价方法研究（已处理）

宫颈细胞满意度自动评价方法研究（已处理） 宫颈细胞满意度自动评价方法研究 摘要 宫颈癌的早期发现对降低宫颈癌的死亡率具有重大意义,但我国的液基宫颈 细胞学诊断水平处于落后状态,具体表现在取材的不确定性、判断证据的片面性 及依赖诊断者的经验。而且技术人员只能通过人眼进行临床细胞学诊断,致使大 量不规范的报告出现,甚至出现错误诊断无人复检的现象,会造成临床上的过诊 断及医疗事故的发生。 因此,对于液基宫颈细胞制片图像早期的研究就显得相当的重要,根据 Bethesda 2001 会议制定的名词术语,建议将涂片测试分为“标本评估满意”或 “标本评估不满意”两种类别。提出炎症细胞覆盖模型,判断液基宫颈细胞是否 被炎症细胞覆盖。并根据炎症细胞这一干扰因素,提出满意度评价模型,将利用 炎症细胞覆盖模型下的液基宫颈细胞进行统计并判读其满意度。本课的研究重 点是建立炎症细胞覆盖模型来进行判读液基宫颈细胞是否被盖、并通过建立 满意 度评价模型来判读满意度、并在DSP开发板上实现满意度评价达到更快速的图像 处理。本综合应用了边缘检测算法、形态学去除杂质、颜色空间分割方法等。 针对该系统的研究,着重做了如下几方面的工作: (一)炎症细胞覆盖模型的建立:通过对液基宫颈细胞图像本身的研究分析,确 定一种行之有效的分割方法,再建立炎症细胞覆盖模型实现液基宫颈细胞是否被 覆盖,并能在 matlab仿真中初步实现。 (二)满意度评价模型的建立:对液基宫颈细胞图像满意度评价进行优化,将液 基宫颈细胞受感染程度进行了深入研究,通过建立满意度评价模型对其进行满意 度评价。 (三)通过分析液基宫颈细胞的特点,考虑到炎症细胞等杂质的影响,提出基于 HSB颜色空间的分割方法与基于形态学相结合的智能处理方法,来解决满意度评 价的判读问题,最后利用容错技术来优化满意度评价系统。 (四)通过上面的理论,将满意度评价系统应用到实践中,实现便携式功能。 本论文从理论和应用两方面对该系统的关键技术进行了深入的探讨研究,实 验结果表明,一幅液基宫颈细胞制片满意度图像的处理时间不超过 500 ms, 而且 准确率能够达到 95%以上。该方法应用在快速评价液基宫颈细胞制片满意度 上能 够取得比较好的效果,可以在工程上应用。 关键字:液基宫颈细胞图像,炎症细胞覆盖模型,满意度评价模型,智能处理, DSPIAbstract The early detection of cervical cancer is of great significance in reducing cervical cancer mortality.Liquid-based cervical cytology diagnosis level is in a backward state in our country,which specific performance in the drawn uncertainties determine the one-sidedness of the evidence, and rely on the experience of the diagnostician. And technical personnel only by the human eye cytologically, resulting in a large number of non-standard reports appear, even unmanned re-examination of the phenomenon, causing over treatment on clinical and medical accidentsIt is very important for early cervical cell producer image. According to the Bethesda 2001 meeting, smear test is divided into the "specimen assess satisfied" or "specimens assessment unsatisfactory" two categories. Proposed inflammation cell coverage model, the specimens screened out whether satisfaction. According to the interference factors of the inflammation cells, proposed satisfaction evaluation model, using the liquid-based cervical cells statistics and interpretation of their satisfaction on the inflammation cell coverage model. The research focuses on the establishment of inflammation cells coverage model to satisfaction rating, and by establishing the satisfaction evaluation model to interpret the satisfaction, to achieve satisfaction evaluation faster image processing on the DSP development board. This thesis is applied to the edge detection algorithm, removing impurities by morphological, color space segmentation method. For the research of the system, mainly to do the work of the following aspects: 1 The creation of inflammation cell coverage model :Through analysis the cervical cell image, determined an effective segmentation method, established inflammation cell coverage model to achieve whether the liquid-based cervical cells is covered, can initial realization for matlab simulation; 2The creation of satisfaction evaluation model: To optimize the evaluation of cervical cell image satisfaction, to be in-depth study of the satisfaction cervical cells infected extent, through the establishment of satisfaction evaluation model; 3 Taking into account the influence of impurities such as inflammation cells ,by analyzing the characteristics of the liquid-based cervical cells, proposed segmentation method based on the HSB color space and the impurity processing method based onIImorphology, solved the problem of interpretation of satisfaction evaluation. Finally, the use of fault-tolerant technology to optimize the satisfaction evaluation system4 Through the theory that mentioned, the author applied the satisfaction evaluation system to the practice, can achieve portable function in the futureThe paper makes an in-depth research to the key technologies of the system from both theoretical and applied aspects , the research results show that dealing with the image of a liquid-based cervical cell producer satisfaction time less than 500 ms, and the accuracy rate of more than 90%. The application of this method can achieve good results in the rapid evaluation of liquid-based cervical cell producer satisfaction, it is feasible in engineering applications Keywords: Liquid-based Cervical Cell Images,Inflammation Cell Coverage Model, Satisfaction Evaluation Model, Intelligent Processing, DSP III 南昌航空大学硕士学位论文 目 录 摘要.I Abstract..IVI 目 录 IV 第 1章 绪论1 1.1课题研究的背景和意义..1 1.2国内外研究现状..2 1.2.1 国外的现状..3 1.2.2 国内的现状..3 1.3 课题的来源4 1.4本课题的主要任务.5 1.4.1 研究的主要内容5 1.4.2 本文的创新点.6 1.4.3 论文的结构安排6 1.5本章小结..7 第 2章 炎症细胞覆盖模型..8 2.1液基宫颈细胞制片满意度的判读依据..8 2.2 炎症细胞覆盖模型.10 2.2.1 炎症细胞覆盖模型建立的假设条件..10 2.2.2 炎症细胞覆盖模型的建立10 2.2.3 炎症细胞覆盖模型的缺点11 2.2.4 设计流程图12 2.2.5 实验步骤.13 2.3 实验结果及分析..14 2.4 结论.16 2.5本章小结16 第 3章 满意度评价模型.17 3.1在干扰因素下的判读依据..17 3.2 满意度评价模型..18 3.2.1 满意度评价模型建立的假设条件18 3.2.2 炎症细胞与液基宫颈细胞覆盖比率数学表达式的建立18 3.2.3 满意度评价模型的建立.19 3.2.4 满意度评价模型的缺点.20 3.2.5 设计流程图21 3.2.6 实验步骤.23 3.3 试验结果23 3.4 结论..26 3.5 本章小结26IV 南昌航空大学硕士学位论文 目录 第 4章 满意度评价过程中的智能处理方法..27 4.1液基宫颈细胞的图像分割过程27 4.2基于 HSB颜色空间的分割方法.28 4.2.1 HSB颜色空间概述28 4.2.2 实验步骤..28 4.2.3 实验数据分析29 4.2.4 实验结果..29 4.3基于形态学的杂质处理方法.30 4.3.1 形态学理论.30 4.3.2 去杂质步骤.32 4.3.3 实验结果..33 4.4基于时间复杂度模型的液基宫颈细胞快速检测方法34 4.4.1 时间复杂度模型建立的假设条件.34 4.4.2 时间复杂度模型的建立..34 4.4.3 实验结果..35 4.5容错技术在宫颈细胞图像处理中的应用..36 4.5.1 容错技术概念36 4.5.2 原因分析..36 4.5.3 容错技术的应用..38 4.6整体实验验证.38 4.6.1 实验条件..38 4.6.2 实验结果及分析..38 4.7总结..39 4.8本章小结40 第 5章 基于 DSP的液基宫颈细胞满意度评价算法实现.41 5.1 DSP技术的概况..41 5.1.1 DSP技术的发展历史41 5.2 DSP技术的应用..41 5.3 DSP技术的理论基础42 5.3.1 TMS320C6713原理..42 5.3.2 CCD摄像机原理.43 5.3.3 网卡 RTL8019AS原理43 5.4 系统总体方案设计..43 5.4.1 系统结构..43 5.4.2 工作流程..44 5.4.3 物理结构..45 5.4.4 上位机设计.45 5.4.5 下位机设计.46 5.5 算法设计47 5.6 实验步骤49 5.7 实验结果51V 南昌航空大学硕士学位论文 目录 5.8 结论..51 5.9本章小结52 第 6章 总结及展望53 6.1总结..53 6.2展望..53 参考文献55 攻读硕士期间发表的论文..59 致谢..59 VI 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 第 1章 绪论 1.1课题研究的背景和意义 [1] 我国妇女的宫颈癌发病率及病死率占全世界的 33%左右 。从近几年的统计 [2] 数据来看,子宫颈癌发病率的患者在逐年增长,并逐渐出现年轻化的趋势 。究 其原因,第一,技术的缺陷。早期传统巴氏人工阅片的使用,虽然为早期诊断宫 [3] 颈癌、降低死亡率起到了重要作用 。但该方法出现的假阴性或假阳性概率较高, 因此,在临床应用上传统巴氏人工阅片技术受到了严重限制。第二,由于偏远山 区没有得到重视以及宣传,等发现时已经为时已晚。第三,妇女自身没有经常做 必要的体检导致。为保护广大妇女的健康,让她们有一个健康的身体,迫切需要 在我国广泛开展液基宫颈细胞学的新技术,为了在初期发现宫颈癌或癌前期病变 [4][5][6] 。目前用液基宫颈细胞学现代新技术及 TBS分类法来代替传统巴氏阅片。 巴氏阅片法在过去半个多世纪为降低子宫颈癌的发病率发挥了重大的作 用,当时被公认为肿瘤防治学上的最重大成就之一。现在的 TBS分类法与传统 的巴氏涂片检查的诊断有明显不同,它对病变和良性细胞改变没有具体描 述和明确的区分,在取材的时候有些有用的细胞会被取材器丢弃,有可能出现 质量不好的情况,正常宫颈细胞被炎症细胞覆盖,或是被一些粘液或血液覆盖, 这些粘液或血液不均匀的分部在宫颈细胞中,有时还会出现过厚或过多的现象, 所以会影响正确的诊断而降低宫颈病变或宫颈癌变的检出率,所以不能适应现 代临床细胞诊断的要求。 由于传统巴氏涂片阅片法会出现 2%-50%的假阴性率,需要一种新的技术来 取代传统涂片的阅片方法。因此,液基薄层细胞学诞生了,它是细胞制片技术的 [7][8][9] 重大革新,该技术是目前国际上最先进的一种宫颈癌细胞学检查技术 。它 采用液基薄层细胞检测系统对液基宫颈细胞进行检测,通过 TBS细胞学分类诊 断出结果。与传统的巴氏涂片相比,标本满意度以及异常细胞检出率都得到了显 著的提高。国内外资料显示,TCT检查阳性比传统巴氏涂片的阳性率增加近 1/4, 对宫颈不典型增生、癌前病变的提高尤为明显。与传统的巴氏涂片检查技术比较, TCT克服了传统的巴氏涂片所固有的局限性,有效解决了巴氏涂片在细胞丢失、 涂片质量差等方面的因素。 TCT所采用的取样方法与传统的取样方法有明显的不 1 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 同,包括特殊的取样刷,可以对宫颈各个部位细胞样本进行刷取,标本取出后即 放入细胞保存液中,这样就完全保留了取材器上所得全部标本。 液基宫颈细胞学使用巴氏的五级分类法已经有 50余年之久,1988年提出了 新的分类报告系统,但在 1994年的时候对 TBS分类报告系统做了改进,出版了 新的 TBS分类报告系统。最后在 2001年又出版了新的版本,而且更准确。到目 前为止,一直沿用到至今,这个分类有以下几个特点: (1)对标本满意度的评估。一个满意标本是准确诊断的基础。 (2)去除了巴氏涂片检查的五级分类法,使用两级分类法,其分类细,对 号入座,能够对各种病因所引起的细胞学改变进行分类,而且分类更准确。 (3)对癌前病变提出两个概念:低度病变和高度病变,确定其界限。 (4)将诊断的不确定因素减小到最低程度。对模糊和不确定诊断因素的数 量范围作了统一规定。强调了细胞学在确定中度和重度非典型增生方面重复 性差 [10] 的问题。划定了更高级别的病变范围 。 本文需要解决的关键问题是液基宫颈细胞制片图像进行智能图像处理,通过 建立的炎症细胞覆盖模型,对标本中的每个液基宫颈细胞进行筛查,判断各个液 基宫颈细胞是否被覆盖,为下面的满意度评价模型打下基础;以及建立满意度评 价模型来统计液基宫颈细胞在显微镜视野下的个数,最后判读该液基宫颈细胞制 片图像是否属于满意样本;并计算炎症细胞覆盖液基宫颈细胞的比率,判读该液 基宫颈细胞制片的受感染程度。液基宫颈细胞制片的满意度自动评价系统对液基 宫颈细胞能够准确判读,操作简便,省时省力,必将逐步替代人工阅片法。该满 意度评价系统能够自动判读液基宫颈细胞满意度,为后期诊断奠定了基础。 1.2国内外研究现状 目前国内外对液基宫颈细胞涂片判读系统的产品如:美国新柏氏 TCT液基 [11][12] 薄层细胞检测系统 。它是目前最先进的宫颈细胞检查技术,检出率极高。南 宁松景天伦生物科技有限公司开发的迈朗液基薄层细胞检测系统,是我国出 现的 比较全面的对液基宫颈细胞的检测系统,但它对满意度评价没有做比较系统的研 究,只是用人工来阅片,这样使医生有可能产生视觉疲劳,对判读结果较大的误 差。2 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 1.2.1国外的现状 美国新柏氏 TCT液基薄层细胞检测系统,如图 1-1,是由美国赛迪公司在九 十年代末期研制的,该系统对液基宫颈细胞进行详细的检测,并利用 TBS细胞 学分类法进行诊断,是一种目前在国际上最先进的宫颈癌细胞学检查技术,与传 统的巴氏涂片检查相比,标本满意度与宫颈异常细胞检出率都得到了显著的提 高,TCT检查对宫颈癌细胞的检出率更是接近 100%,同时还能发现癌前病变, 微生物感染等。 图 1-1 美国新柏氏 TCT液基薄层细胞检测仪 此系统是目前国外最先进的液基宫颈细胞检测技术,已经在美国和一些欧洲 地区得到广泛应用,其有效的解决了传统涂片在细胞丢失、涂片质量差等原因造 成的漏诊或诊断不准确问题。早前癌前病变及霉菌感染、细菌感染等精确筛 选。 最早期宫颈癌前病变、早期宫颈癌、各种微生物感染检出率达 100%!受到了医 院的广泛信赖。但其高昂的价格迫使国内需要研发出速度更快、更有效的液基宫 颈细胞检测系统。 1.2.2国内的现状 目前我国比较有代表性的液基宫颈细胞检测系统由南宁松景天伦生物科技 有限公司开发的迈朗液基薄层细胞(TCT)检测系统,如图 1-2所示。其高分辩 显微成像,与现代计算机应用技术相结合,可以对宫颈糜烂宫颈癌、慢性宫颈炎、 宫颈肥大等一系列疾病进行检测。适用对女性宫颈癌的早期诊断,是一项值得推 广应用的临床检验技术。其软件特点有 MDO病理细胞图文报告、实时图像采集 3 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 和图像传送功能、图像自动分析功能、操作方便、符合国际标准规范,还有专家 [13][14] 辅助诊断系统 。 图 1-2 迈朗液基薄层细胞(TCT)检测系统 该系统主要的缺点是不能自动评价液基宫颈细胞的满意度,只能用人工来 计数,这样使得速度慢,可重复性差,精度不高,而且只能粗略估计,这样的结 果会导致误差比较大。 1.3 课题的来源 目前国内外虽然有一些同类的产品是对宫颈细胞进行检测的,但是这些产品 都没有专门针对满意度评价进行预处理的产品。本课题旨在研究一种便携式的液 基宫颈细胞制片满意度自动评价系统。该系统通过对北京协和检验洛奇临床检验 所提供的标本进行采集到的液基宫颈细胞制片,利用显微镜设备并通过 CCD进 行采集图像数据到 PC机上,并将采集到的图像数据发送到 DSP开发板上进行图 像处理,最后将处理结果显示出来。 由于研究人员对液基宫颈细胞满意度评价没有做比较详细的研究,因此本文 利用 Bethesda 2001 会议制定的标本质量评估来检验液基宫颈细胞的满意度,提 出炎症细胞覆盖模型和满意度评价模型来对标本质量评估进行满意度评价。为今 后的研究提供理论基础。4 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 1.4本课题的主要任务 1.4.1研究的主要内容 [15] 虽然在细胞图像的定量分析和分类识别方面已经有很多的研究成果 。因为 取样部位不一致性、取样方式的多样性、所采取的染色方法不确定性以及细胞类 型的多样性,导致这些定量分析和自动识别技术只适用某类或某几类细胞。从近 几年的发展来看,我国的液基细胞制片技术发展得还比较成熟,但是对液基宫颈 细胞图像的分割和识别研究还不深入,没有开发出与之相配套的液基宫颈细胞制 片的满意度评价系统。本文根据前人的研究以及对宫颈液基细胞涂片图像的分析 [16][17][18] 。提出并研究宫颈涂片满意度自动判读系统,主要的工作包括如下几点: (1) 液基宫颈细胞满意度评价系统的研究 为了能正确的对液基宫颈细胞制片标本进行诊断,标本内必须包含有足够数 量的鳞状上皮细胞,如果没有足够多的话,那会当成不满意样本被舍弃掉。根据 Bethesda 2001 会议制定的名词术语,建议将涂片测试分为“标本评估满意”或 [19] “标本评估不满意”两种类别 。为此,根据 TBS分类系统中的判读依据,本 文设计对液基宫颈细胞制片的满意度评价系统。主要内容如下: 1)炎症细胞覆盖模型的建立:根据判读依据,要想标本评估为满意标本, 通常需要至少 5,000 个清晰可见/保存良好的鳞状细胞。首先提出炎症细胞覆盖 模型,对每个液基宫颈细胞进行判读,判断某个视野中液基宫颈细胞是否炎症细 胞覆盖。为接下来的满意度评价模型打下理论基础。 2)满意度评价模型的建立:由于液基宫颈细胞可能会受到炎症细胞的感染, 因此单靠炎症细胞覆盖模型不能说明该液基宫颈细胞制片是否是满意标本,只能 说明有液基宫颈细胞被覆盖,还不足以进行满意度评价。再根据炎症细胞感染液 基宫颈细胞的程度进行分析,提出满意度评价模型,根据前面提出炎症细胞覆盖 模型对每个液基宫颈细胞进行判读其是否被覆盖,但未进行统计个数,最后进行 满意度评价模型进行判读其满意度,这样得到的判读结果就更准确、更有说服力。 3)液基宫颈细胞的智能图像处理:根据液基宫颈细胞制片的染色特点,提 出基于 HSB颜色空间分割方法对液基宫颈细胞制片图像进行分割处理。为了去 除杂质,比如由于噪声引起的,或是由于采集图像时曝光时间的影响所带来 的噪 声等杂质,本文采用数学形态学的方法来去除噪声产生的影响。通过对图像进行 膨胀、腐蚀操作使杂质去除的更彻底而不影响原来液基宫颈细胞的大小,为满意 5 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 度评价系统的判读更准确。为了提高满意度评价系统的处理速度,本文还提出基 于时间复杂度模型来快速检测液基宫颈细胞。这样为满意度评价系统的快速处理 提供依据。最后为了让满意度评价系统更加的灵活,本文利用了容错的概念对液 基宫颈细胞做了简要的介绍。这样就保证了系统的稳定性。 (2) 液基宫颈细胞制片图像的满意度评价在 DSP上的实现 通过对液基宫颈细胞的理论研究,提出的炎症细胞覆盖模型和满意度评价模 型,以及对液基宫颈细胞进行预处理,图像分割、去杂质等一系列处理,得到液 基宫颈细胞满意度评价结果。根据这些理论研究,本文希望该满意度评价系统能 应用到实际中去,为我国的宫颈癌诊断提供更多的技术支持,因此提出基于 DSP 开发板的满意度评价系统的研究。随着 DSP技术的发展,本文利用 TI生产 的 TMS320C6713芯片的处理速度快,精确度高等特点,将其应用到液基宫颈细 胞 满意度评价系统的研究上,向便携式方面发展。 1.4.2本文的创新点 本文为了解决液基宫颈细胞的满意度评价问题,有如下两个创新点: (1)建立炎症细胞覆盖模型:通过建立该模型,对液基宫颈细胞是否被覆 盖做出判断,为接下来的满意度评价模型打下基础; (2)建立满意度评价模型:通过建立该模型,为液基宫颈细胞满意度评价 提供理论基础。 1.4.3论文的结构安排 本文共分为六章,具体内容安排如下: 第一章是绪论部分,介绍的是满意度评价系统的研究背景和意义,以及国内 外现状,并对课题来源、本论文的主要内容以及创新点做了简要的介绍。 第二章主要根据液基宫颈细胞制片满意度的判读依据,提出炎症细胞覆盖模 型。 第三章主要根据液基宫颈细胞制片在受干扰因素下的判读依据,提出满意度 评价模型。 第四章主要介绍液基宫颈细胞制片去除杂质的方法,包括形态学处理方法, 以及颜色空间分割方法。还利用基于时间复杂度模型来快速检测液基宫颈细 胞, 6 南昌航空大学硕士学位论文 第 1章 绪论 并根据炎症细胞覆盖模型和满意度评价模型的一些缺陷进行容错处理。 第五章主要介绍基于 DSP开发板的液基宫颈细胞图像制片的满意度评价方 法,包括上位机设计和下位机算法实现。 第六章是对研究工作的总结以及展望。 1.5本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义,对满意度评价系统的国内外现状 进行了分析,最后介绍了论文的研究内容、创新点和结构安排。7 南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 第 2章 炎症细胞覆盖模型 2.1液基宫颈细胞制片满意度的判读依据 标本质量评估是 Bethesda 系统中最重要的单项质量保证内容。1994年出版 的Bethesda系的对标本质量评估分为3个级别:第一个级别为“满意”,第二个级 [20][21] 别为 “不满意”,以及第三个级别为“尚可” 。第三个级别开始称为“不 太满意”,1991年后又把这个级别变为“满意,但存在不足”。2001年Bethesda 系统取消了“尚可”的这个级别,其中部分原因是这个级别会让临床医生感到困 惑,不知该对这种情况怎么处理,而且检验室对报告为“满意,但存在不足”的 判断不一样,因此提出更明确的标本质量评估意见。目前将标本质量评估明 确分 为“满意”或“不满意”这两个级别,去除了“满意,但存在不足”这个级别。 该标准被确定为判读液基宫颈细胞制片满意度的唯一标准。但目前我国的液基宫 [22] 颈细胞学诊断水平还处于发展状态,不是很先进的状况 。 并且,液基宫颈细 胞学诊断是一项病理诊断技术,也是一项还不完善的学科,具体表现在取材的未 知性、判断证据的不全面性及可能还要依靠诊断者的经验来判断。技术人员也只 可以利用肉眼来进行临床诊断,导致出现很多不规范的报告,更有甚者,还有可 能出现错误诊断或是没有人来复检的现象,这是对患者的极大的不负责任态度, 这种情况是非常危险的,会造成临床上的过诊断及医疗事故的发生。事实证明, 细胞学的病理诊断的科学性、诊断的敏感度、可重复性以及临床应用的可操作性 均是无可质疑的。因此,提出一种更安全、更科学、更准确的判读液基宫颈细胞 制片的方法是很有必要的,也是很有研究前景的,这是智能处理液基宫颈细胞制 片图像的基础,也是宫颈细胞学诊断的基础。 液基宫颈细胞制片的判读依据有以下几点: 1判读为满意样本的标准:同时描述有或无子宫颈管或移行区成分。以及液 基宫颈细胞制片数量的最低标准见表2-1,满足这一标准要求的判读为满意样本。 2判读为不满意样本的标准: 1由于人为因素或者在某些条件受限的情况下 而没有办法进行判读的,样本中的血液或过多的炎症细胞被覆盖,超过75%的鳞 状上皮细胞被炎症细胞覆盖则被判读为不满意样本。2鳞状细胞数量过少。 液基宫颈细胞制片中液基宫颈细胞数量的最低标准:每张制片不少于5000个 8 南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 形态不仅清晰而且还要完整的鳞状上皮细胞。在评估细胞结构时,并不需要对每 个标本的细胞量进行计数。如果细胞学技师认为清晰可见/保存良好的鳞状细胞 的存在数量不足 5000,则可按照以下内容对细胞量进行计数。 对于任何带有异常细胞的标本,均按照标本评估满意进行定义。 如果有必 [23][24][25] 要对 ThinPrep 玻片上的鳞状细胞量进行计数 。满意标本的最低标准是每 个显微视野的平均细胞量应达到 5000,但由于目镜与物镜的倍数不一样,所以 导致不同物镜下所满足最低标准的判读依据的液基宫颈细胞数量也不一样,如表 2-1所示: 表 2-1 显微镜视野下的平均细胞量 涂片直径 mm 20 面积 314.2 FN20 目镜/10X 物镜视野区域的数量@FN20 10X 100 细胞数量/显微视野(共 5000 个) 50.0 FN20 目镜/20X 物镜 视野区域的数量@FN20 20X 400 细胞数量/显微视野(共 5000 个) 12.5 FN20 目镜/40X 物镜 视野区域的数量@FN20 40X 1600 细胞数量/显微视野(共 5000 个) 3.1 FN22 目镜/10X 物镜 视野区域的数量@FN22 10X 82.6 细胞数量/显微视野(共 5000 个) 60.5 FN22 目镜/40X 物镜 视野区域的数量@FN22 40X 1322 细胞数量/显微视野(共 5000 个) 3.8 图 2-1表示的是不同显微视野液基宫颈细胞制片,这些细胞来自 ThinPrep [26][27][28] 玻片 。若被判读为满意样本,则需要满足表 2-1所制定的液基宫颈细胞制 片数量的最低标准。否则,则被判读为不满意样本。a b c 图 2-1 不同显微镜视野下的液基宫颈细胞制片9 南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 2.2 炎症细胞覆盖模型 2.2.1 炎症细胞覆盖模型建立的假设条件 为了准确的建立炎症细胞覆盖模型,首先必须满足以下几个假设条件: (1)假设宫颈细胞接近圆形:因为炎症细胞覆盖模型是根据细胞核与细胞核 的 距离来建立起来的,所以细胞核到整个细胞膜的距离要相等; (2)假设宫颈细胞的面积大小相等:这样能够保证模型建立的准确性; (3)假设视野图像中不出现重叠宫颈细胞; (4)假设炎症细胞与宫颈细胞的细胞核大小相等。 2.2.2 炎症细胞覆盖模型的建立 要想正确的评价液基宫颈细胞的满意度,必须统计视野中液基宫颈细胞的个 数,以及看该液基宫颈细胞有没有被炎症细胞覆盖这两项技术指标。为此, 根据 2.2.1节所提供的假设条件,建立炎症细胞覆盖模型,为评价液基宫颈细胞 满意度 提供技术研究。其基本模型如图2-2所示。 建立炎症细胞覆盖所需要的距离计算公式如下: 22 d x2-x1+- yy 2 1;xy 1,1,xy 2,2 为细胞核质心 2-1 1, d 细胞的半径 细胞核的个数N 2, d2*细胞的半径 说明:如果细胞核与细胞核之间距离小于一个细胞半径的大小,则表示该细 胞群的细胞核个数为1;同样的道理,如果细胞核与细胞核之间的距离大于或等 于2倍的细胞半径的大小,则表示该细胞群为两个细胞核。 10南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型ab 图 2-2 炎症细胞覆盖模型 从图 2-2可以看出,图 2-2(a)中表示的是两个细胞没有被覆盖;图 2-2(b) 中表示的是该细胞被炎症细胞覆盖。 为了说明炎症细胞覆盖模型,本文从北京协和检验洛奇临床检验所提供的标 本收集到的一些实际的液基宫颈细胞制片图像可以看出,图(a)和图(b)表示 有被炎症细胞覆盖,图(c)、图(d)、图(e)、图(f)和图(g)表示没有被炎 症细胞覆盖,视野中的某些液基宫颈细胞可以用炎症细胞覆盖模型来表示,具有 一般性,而且比较通俗易懂。 abcd e fg 图 2-3 实际图像 2.2.3 炎症细胞覆盖模型的缺点从问题的实际出发,炎症细胞覆盖模型也会出现一些缺点,主要表现在以下 几个方面:11 南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 (1) 出现重叠细胞的现象:这样会对炎症细胞覆盖的判读出现误判的情况, 如 图 2-4所示;a b cd 图 2-4 重叠细胞图像 (2) 实际采集到的液基宫颈细胞图像大小相差比较大,如图 2-5所示; a bc d 图 2-5 大小不一致图像 (3) 实际采集到的液基宫颈细胞图像形状不规则,不太接近圆形,这样也会对 判读炎症细胞覆盖有一定的误差,如图 2-6所示; ab cd 图 2-6 形状不规则图像 2.2.4 设计流程图上一节根据 TBS分类报告系统的满意度评价的判读依据,建立了炎症细胞 覆盖模型,为接下来判读满意度评价的统计宫颈细胞个数提供理论依据。 下面为了能够实现通过炎症细胞覆盖模型来判读液基宫颈细胞制片图像中 宫颈细胞的是否被覆盖,本文设计了建立炎症细胞覆盖模型来判断宫颈细胞是否 [29][30][31][32] 被覆盖的算法流程图 。如图 2-7所示12南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 液基宫颈细胞图像HSB空间分割rg yb rg还是 yb?否 否 是否有细胞群 是否有细胞群是 是 单细胞 单细胞 形态学处理 形态学处理否 否 是否单细胞 是否单细胞 是 是 炎症细胞覆盖模型 炎症细胞覆盖模型 否 否 处理完成? 处理完成? 是 是结束图 2-7 算法流程图 2.2.5 实验步骤 (1)将RGB颜色空间转换到HSB颜色空间进行分割,得到rg分量和yb分量, 然 后分别用最大类间法得到二值图像; (2)对提取出来的最大面积区域进行分割,首先将对其进行梯度变换,使其轮 廓更加清晰;13 … … … 南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 (3)然后运用Canny算子提取边缘,最后将利用细胞的面积特征将小面积的分割 [33] 出来 ; (4)运用形态学的方法将细胞核填充,去除杂质,得到细胞核; (5)将(1)中得到的二值图像减去最大面积区域,然后再进行(2),直到没 有细胞群为止; (6)将rg分量和yb分量得到的每一个液基宫颈细胞进行判读; (7)利用炎症细胞覆盖模型判读该液基宫颈细胞群或单个液基宫颈细胞是否被 炎症细胞覆盖。 2.3 实验结果及分析 在FN20目镜/20×物镜下,从北京协和检验洛奇临床检验所提供的标本采集 到的100幅液基宫颈细胞图像,进行仿真试验得到的结果如表2-2所示。软件条件 是MATLAB 6.5以上;硬件条件是在计算机内存2 GB,Window xp操作系统下完 成的。通过炎症细胞覆盖模型对每个液基宫颈细胞图像进行实验,其自动判读结 果的数据,得到的结果如表2-2所示; 表2-2 实验结果 实验组序号 判读结果 客观判读结果 1 未覆盖 未覆盖 2 覆盖 覆盖 3 未覆盖 未覆盖 4 未覆盖 未覆盖 98 覆盖 未覆盖 99 未覆盖 未覆盖 100 覆盖 覆盖 从表2-2的试验结果可以看出,从采集到的这些液基宫颈细胞图像中,有70 幅判读为未覆盖,准确率最低为94.5%,准确率最高为96.7%,平均准确率为 95.6%。 图2-8,图2-9和图2-10这三组图像数据是根据炎症细胞覆盖模型来进行的 处 理过程,通过建立的炎症细胞覆盖模型进行对液基宫颈细胞核的计算,通过 距离 14南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 计算,得到是否被覆盖,对满意度评价系统提供理论依据与实验数据。 a bc d ef 图2-8 液基宫颈细胞核获取试验(第一组) a b cde 图2-9 液基宫颈细胞核获取试验(第二组) a b c d 图2-10 液基宫颈细胞核获取试验(第三组) 从试验结果分析,该炎症细胞覆盖模型通过对标准液基宫颈细胞制片图像是 否被覆盖,为接下来的满意度评价模型的准确判读打下较好的基础,该模型能够 15南昌航空大学硕士学位论文第2章 炎症细胞覆盖模型 取得较理想的效果。 2.4 结论液基宫颈细胞满意度评价的准确率高低会对将来宫颈癌的诊断产生直接的 影响,如果在判读过程中出现失误,势必会发生比较严重的后果。因此,可以说, 液基宫颈细胞满意度评价在病变初期的诊断有重要的意义。本章通过提出炎症细 胞覆盖模型来对液基宫颈细胞图像的覆盖与否做了判断,不仅在现有仅靠人工或 只能进行半自动判读的情况下做了改进,为将来在这方面做研究的学者可以在此 基础上研究出更精确、更快速的方法来。 从本章的试验结果看,由于在制片过程中产生的不确定因素,采集到的图像 会由于曝光因素而使产生的图片出现亮度不均,利用一般的阈值法进行分割是很 难产生比较好的效果的;但由于在染色的过程中,液基宫颈细胞制片出现了蓝、 红等比较明显的颜色,因此在设计过程中采用HSB颜色空间的分割方法,背景对 分割结果不会产生影响,这样很容易就将目标分割出来。对每个目标得到其细胞 核,然后跟根据炎症细胞覆盖模型提供的距离计算公式,能够对该宫颈细胞做出 正确的判读。当然还能计算出整个视野中宫颈细胞的个数,根据Bethesda 2001会 议所制定的评判标准作为判读依据,并根据下一章提出的满意度评价模型做出更 准确的判读。但有一个比较关键的问题是,炎症细胞的大小跟液基宫颈细胞的细 胞核大小比较相似,所以对统计细胞个数就不可避免的会产生误差,但是如果对 判读结果不会产生影响,则我们通过容错,将其忽略不计。通过分析容易得出, 统计细胞个数的关键是建立满意度评价模型,也是对液基宫颈细胞满意度自动评 价系统的重要环节。本章只是能够初步对液基宫颈细胞的覆盖与否做了评价,但 接下来还有很多工作需要研究,比如干扰因素对满意度评价的影响,但该模型能 为将来的液基宫颈细胞检查学提供理论依据。 2.5本章小结 本章通过液基宫颈细胞图像制片满意度评价的判读依据,提出炎症细胞覆盖 模型,通过该模型,能够对液基宫颈细胞有没有被炎症细胞覆盖做出正确的判读, 最后通过实验进行了验证。 16南昌航空大学硕士学位论文 第 3章 满意度评价模型 第 3章 满意度评价模型 3.1在干扰因素下的判读依据 上一章根据TBS分类法对液基宫颈细胞制片满意度评价做了比较详细的介 绍,通过其判读标准,提出了炎症细胞覆盖模型,但还不够完善。根据实际应用 中的液基宫颈细胞制片在采集过程中会出现一系列问题,比如主观因素的影响, 像操作不当引起的液基宫颈细胞制片不清晰;还有可能是客观的一些因素,比如 说曝光时间的影响,会导致图像太亮或太暗;本章主要介绍液基宫颈细胞在受到 炎症细胞干扰因素下,其它干扰因素不考虑的情况下,提出的满意度评价模型来 [34][35][36] 分析液基宫颈细胞的满意度评价 。其在干扰因素下液基宫颈细胞制片的 满意度评价判读依据如下: (1)若判读为满意样本:必须同时说明是否有宫颈管或者移行区成分,或 液基宫颈细胞制片中不少于5 000个比较清晰而且完整的鳞状上皮细胞。 (2)判读为不满意样本:由于人为因素或者在某些条件受限的情况下而没 有办法进行判读的,样本中的血液或过多的炎症细胞被覆盖,如果超过75%的鳞 状上皮细胞被遮盖则也可以被判读为不满意样本。 本文考虑液基宫颈细胞受到炎症细胞干扰因素的影响时采取的判读依据。其 判读依据是炎症细胞覆盖超过75%的鳞状上皮细胞则被判读为不满意样本,而且 是被认定为重度炎症。如果炎症细胞数量小于液基宫颈细胞数量的50%,则被认 定为轻度炎症;如果炎症细胞数量是液基宫颈细胞数量的50%~75%,则被认定为 中度炎症。 表3-1表示的是在干扰因素下液基宫颈细胞制片图像的判读依据,通过该判 读依据,能够很清楚的判别某液基宫颈细胞制片图像的受感染程度,并在此基础 上,判读宫颈细胞的满意度评价,这样能够使该满意度评价系统更准确,更完整, 更有说服力。 表 3-1 干扰因素下的判读依据 炎症细胞与液基宫颈细胞覆盖比率η 理论判读结果 η?75% 重度炎症(不满意) 75%η?50% 中度炎症 η50% 轻度炎症17南昌航空大学硕士学位论文 第 3章 满意度评价模型 3.2 满意度评价模型 3.2.1 满意度评价模型建立的假设条件 为了准确的建立满意度评价模型,首先必须满足以下几个假设条件: (1)不考虑其它的干扰因素,比如滴虫、微生物、病毒等; (2)假设显微镜放大倍数是 20倍下采集的。 (3)假设视野图像中不出现重叠宫颈细胞; (4)假设炎症细胞与宫颈细胞的细胞核大小相差不大; 3.2.2炎症细胞与液基宫颈细胞覆盖比率数学表达式的建立 炎症细胞与液基宫颈细胞覆盖比率表示在某一视野中炎症细胞感染液基宫 颈 细胞所占的比例。其数学表达式表示如下: N fx i i0f x iN 0,1, 2,,3-1 AB + A其中f x表示炎症细胞感染液基宫颈细胞的比例, x表示炎症细胞, 表示 单个未被炎症细胞覆盖的液基宫颈细胞,B表示单个被炎症细胞覆盖的液基宫颈 细胞。当f x越大,表示炎症细胞感染液基宫颈细胞越严重;反之,则表示受感 染程度更小。 fx 函数表示炎症细胞覆盖液基宫颈细胞所占的总数。其数学表达式为: 00 x fx 3-2 B x? 0且xB 其中 x表示炎症细胞,B表示单个被炎症细胞覆盖的液基宫颈细胞。 通过这个数学模型能更好的说明炎症细胞对液基宫颈细胞的感染情况,也为 满意度评价模型提供数学模型。18南昌航空大学硕士学位论文 第 3章 满意度评价模型 3.2.3 满意度评价模型的建立 由上一章表 2-1所示,介绍了满意度评价系统在不同物镜下显微镜视野中所 需要的液基宫颈细胞数量的最低标准。从表 2-1中看出,若将视野放大 20倍以 后,每个视野的平均最低液基宫颈细胞数量为 12.5个。因此,根据这一原理, 建立的满意度评价模型表示如图 3-1所示:ab c e f图 3-1 满意度评价模型 下面对图 3-1所建立的满意度评价模型进行详细说明如下: (1)