КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ СПЕРМАТОЗОИДОВ

*Г.М. Попова, *Ю.О. Дружинин, **Н.П. Гончаров, **А.Д. Добрачева

* Институт Проблем Управления Ран
Москва, Профсоюзная Ул., 65;
Тел. 334-9061, E-Mail: Gmpopova@Ipu.Rssi.Ru
**Эндокринологический Научный Центр Рамн,
Москва, Ул. Дмитрия Ульянова, 11

Морфометрический анализ сперматозоидов по мнению врачей - специалистов в области андрологии является надежным и высокоинформативным тестом, позволяющим оценить и дать прогноз их оплодотворяющей способности, причем для прогноза и лечения очень важны результаты “строгой” морфометрии, не зависящие от субъективных оценок врачей [1]. Морфологически аномальные сперматозоиды теряют ряд биологических свойств, и это ведет к понижению их способности к оплодотворению. В связи с этим точная морфологическая дифференциация нормальных и аномальных сперматозоидов приобретает большое значение для прогноза вероятности оплодотворения.

Совершенствование морфологической диагностики в компьютерной системе достигается за счет объективизации исследований и получения принципиально новой количественной информации (морфометрии), недоступной врачу при обычном визуальном анализе изображений под микроскопом.

Для компьютеризации анализов и исследований спермы необходимо автоматизировать процессы морфометрического анализа, идентификации и классификации всех форменных элементов сперматозоидов, которые в свою очередь требуют формализации и структурирования знаний врачей - андрологов о разнообразных типах клеток и параметризации их [2, 3].

Методология, используемая для формализация знаний врачей заключается:
  • в создании компьютерного визуального банка изображений образцов всех типов сперматозоидов,
  • в построении структурной модели обобщенного описания изображений сперматозоидов на базе знаний врачей,
  • в построении параметризованной модели обобщенного описания изображений нормальных и аномальных сперматозоидов на базе их метрических измерений.

Результаты анализа, созданного в компьютерной системе визуального банка изображений образцов всех типов клеток спермы, показали, что все сперматозоиды являются сложными составными объектами, содержащими простые форменные элементы сl: головку (г), шейку (ш), среднюю часть (сч), хвост (х), на границе шейки и средней части у незрелых форм сперматозоидов возможна цитоплазматическая капля (цк). Сама головка должна иметь акросомальную область (ао), хроматиновую темную область (хо), возможны и вакуоли (в). Заметим, что при патологии возможно появление двух головок (2г) и двух хвостов (2х).

Для определения и формирования характерных признаков каждого сперматозоида введем определение понятия структуры клетки.

Структура клетки (str) - это "объединение"-“u” множества одноименных и/или разноименных форменных элементов сl, образующих клетку. Так, структурная модель обобщенного описания сперматозоида будет иметь вид:

(1) STR = U Сl = U {Г, Ш, СЧ, Х, ЦК}, где Г = U {АО, ХО, В},

l =1, d=1

L, D – максимальное количество разноименных форменных элементов сl, определяющее сперматозоид.

"Объединение" может быть представлено в виде логического выражения, где литералы - разноименные элементы, образующие структуру клетки, могут быть связаны любым из логических операторов: И, ИЛИ, НЕ (Ù, v, -). В дальнейшем для описания и распознавания используется как утверждение, так и отрицание. Например, есть головка и отсутствует хвост - Г Ù; есть (головка состоит) акросомальная область (АО) и хроматиновая область (ХО), при этом в головке возможно присутствие либо отсутствие вакуолей – (АО Ù ХО) v В.

В дальнейшем по числу разноименных сочетаний элементов сl , входящих в структуру клетки, будем определять состав сперматозоидов. Структурная модель изображения нормального сперматозоида будет иметь вид:

(2) STRн= [Г Ù Ш Ù Сч Ù Х] Ù, где Гн = [АО Ù ХО] Ù;

Структурная модель изображения патологически измененного сперматозоида, вызванная структурой (составом элементов Сl ), будет иметь вид:

(3) STRп = [(Г Ù ЦК) v 2Г] v (v 2Х) v v ,

(4) Гп = [АО Ù] v [ÙХО] v В

В выражениях (2, 3) предполагается, что площади цк и в превышают норму.

Любые отклонения параметров элементов сl от нормы по форме и/или размерам, а также отсутствие каких-либо элементов сl в strн приводят к аномалии клеток. Например, цк и в могут отсутствовать либо присутствовать в нормальном сперматозоиде, но, если они присутствуют, то должны выполняться условия : sцк< 0,3sг, sв< 0,2sг, иначе аномалия и т. Д.

Каждый элемент сl сперматозоида определяется своим цветом coll и характеризуется своими индивидуальными существенными признаками, а следовательно, описывается множеством атрибутов в виде Аl = {А1, а1, ..., Аi, аi , ..., Аn, аn}, где каждый элемент множества - это упорядоченная пара атрибутов (Аi, аi), Аl - имя атрибута, аi - его значение. Значение любого атрибута задается интервалом. Тогда каждая клетка сk соответственно своей структуре (2-3) будет описываться совокупностью аl атрибутов:

(4) Аk = { Аi, аi }l = {А1, а1, ..., Аn, аn}l

В качестве атрибутов кроме основных информативных признаков СОL и SТR, формирующих клетку, будут выступать как количественные, так и качественные её признаки. В качестве базовых количественных признаков – параметров элементов Сl, которые используются для идентификации и классификации сперматозоидов, приняты, например: площадь головки (Sг), площадь акросомальной области (SАО), длина головки (Lг), ширина головки (Bг), площадь цитоплазматической капли (Sцк), длина хвоста (Дх) и ряд других параметров, необходимых для идентификации и классификации сперматозоидов.

Таким образом, для каждого типа клеток Сk и всех составляющих их структуру элементов Сl формируется своя совокупность количественных и качественных признаков - атрибутов Аl, например:

(А)г = {Sг, SАО / Sг, Lг, Bг, Lг / Dг, Sцк / Sг, Sв / Sг, Sш / Sг, … },

(А)цк = { Sцк, Sцк / Sг, RОUцк, … }

(А)х = {Дх, Дх / Дг, Ðα } θ т.д.

Полученная совокупность обобщенных признаков каждого элемента Сl - модели элементов клеток сперматозоидов, образует их морфометрическое описание:

МОRl = (СОLl ,{Аi, аi }l), где l = 1, ... , L, i= 1, ... ,n.

Тогда каждая разноименная "К" клетка, в соответствии со сложностью своей структуры, описывается совокупностью морфологических описаний каждого элемента Сl :

МОRK = {МОR}l = {СОL, {Аi, аi } }l ,

Отобразив изображение сперматозоида на экране дисплея и сформировав в результате анализа изображений структуру клетки (SТR), а также морфологическое описание всех ее элементов Сl, система в автоматическом либо в интерактивном режиме определит имя клетки - NАМ, тем самым заменяя предварительную идентификацию элементов клеток на окончательную.

Таким образом, в результате анализа исходных изображений сперматозоидов сформируем модель его обобщенного описания:

МОD m = {NАМ, SТR, МОR} m , где m = 1,2, ... , М,

STR = U Сl = U {Г, Ш, СЧ, Х, ЦК}, где Г = U {АО, ХО, В},

l =1, d

МОR = U {СОL, {Аi, аi} }l , где l = 1,2, ... , L, i= 1 – n,

l=1
М - количество разноименных клеток сперматозоидов, которые подлежат анализу.

Заметим, что число атрибутов, характеризующих клетку, разнообразно и велико, но поскольку некоторые из них оказались неинформативными при классификации, то для каждого типа сперматозоида было определено минимальное количество параметров, необходимое для их идентификации.

В заключении отметим, что предлагаемая методология формализации знаний врачей о диагностируемых сперматозоидах (путем построения модели обобщенного описания и параметризации их изображений) позволяет оперативно и “строго” подходить к изучению клеточных структур при компьютеризации анализов и исследований.

Морфометрический анализ изображений нормальных и аномальных сперматозоидов, статистическая обработка их параметров позволили установить норму и аномалию всех существенных признаков сперматозоидов, уточнить какие из параметров наиболее информативны для изучения патологии. Все это позволяет повысить надежность, качество и темпы проводимых анализов и исследований в компьютерных системах.

Cписок литературы
  1. Воробьева O.A., Cкрипкина O.A., Kорсак B.C. методы оценки морфологии сперма-тозоидов и их прогностическое значение в программе эко (обзор литературы)./ Проблемы репродукции, 3, 1995, с.71 - 76
  2. Попова Г.М. Информационная технология описания изображений клеточных структур / Автоматизация процессов анализа изображений медико-биологических микрообъектов. Сб. трудов. Вып. 7. М.: ИПУ. 1998. С. 47 - 56.
  3. Дружинин Ю.О., Краснов А.Е. Информационные средства обработки и морфометри- ческого анализа изображений клеток/ Автоматизация процессов анализа изображе-ний медико-биологических м икрообъектов. Сб. трудов. Вып.7. М.: ИПУ. 1998.

Содержание конференции | Секция5