Разработка автоматизированной системы обработки оптических изображений для количественной оценки ферментативных и структурных изменений в тканях экcпериментальных животных Жабко, Виктор Петрович

Введение к работе

Актуальность темы. Современные исследования в области теоретической и экспериментальной медицины требуют проведения большого количества цитологических и гистологических исследований, при этом требуется измерение морфометрических, денситомет-рических и колориметрических характеристик объекта, построение профилей яркости, распознавание образов (например, распознавание изображений хромосом) и др. Вместе с тем, количественный анализ микрообьектов вызывает серьезные затруднения, так как получение параметров для количественной оценки базируется на трудоемких приемах исследования. Для решения перечисленных задач должны быть использованы системы, ориентированные на ввод, обработку и проведение измерений различных параметров изображений. Однако при их использовании сталкиваются со следующими проблемами:

существующие системы в основном ориентированы на обработку монохромных, а не цветных изображений. Системы, в которых заявлена возможность обработки цветных изображений, решают задачи преобразования информации из формата RGB в формат HSL, HSV и т.п., но не решают задачи идентификации цвета, фильтрации, сегментации, контрастирования цветных изображений;

программное обеспечение существующих систем чрезвычайно дорого и недоступно для большинства исследователей.

И наши исследования, и исследования других авторов показали, что разнообразие объектов обработки не "позволяет создать универсальные методы обработки изображений, в связи с чем возникает необходимость в разработке нового алгоритмического, программного и методического обеспечения (т.е. новой технологии обработки изображений) для решения поставленных медико-биологических задач.'

Учитывая актуальность данной тематики, по ней был выполнен ряд научно-исследовательских работ. В частности, результаты данной работы были использованы при проведении региональной научно-технической программы "Компьютерная система для оценки цитоге-нетических последствий аварии на ЧАЭС и других неблагоприятных факторов у детского населения Рязанской.области "ХРОМОСКАН", "Оценка неблагоприятного влияния экологических и профессиональных факторов на генетический аппарат детского и взрослого населения Рязанской области "ХРОМОСКАН-2", "Разработка распределенной автоматизированной системы для измерения колориметрических, денситометрических и морфометрических параметров медико-

биологических объектов". НИР "Разработка распределенной автоматизированной системы..." включена в программу информатизации здравоохранения Российской Федерации в 1998-2001 гг. (протокол №18 Ученого Совета Минздрава РФ от 05.12.1997 г.).

Целью работы является разработка системы для проведения колориметрических, морфометрических и денситометрических измерений параметров оптических медико-биологических объектов, разработка алгоритмов и программ обработки изображений хромосом и хромосомных аберраций, внедрение данных разработок в практику. Стоимость разработанной системы должна быть доступной для медицинских учреждений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

проанализировать возможности существующих систем;

провести анализ существующих моделей описания цвета и соответствующих систем координат;

провести анализ алгоритмов сегментации изображений по цвету;

разработать математическую модель описания цвета и соответствующую систему координат, позволяющую решать задачи колориметрического анализа с помощью системы обработки оптических изображений;

разработать алгоритм сегментации цветных изображений;

разработать алгоритмы, программы и методики оценки степени повреждения миокарда при экспериментальном инфаркте;

разработать алгоритм, программу и методику оценки активности кислой фосфатази в клетках человека и животных;

- разработать алгоритмы, программы и методики оценки уровня
" хромосомных аберраций, появляющихся при радиационном за
грязнении окружающей среды.

Методы исследования основываются на теоретической колориметрии, теории воспроизведения цвета, уравнениях преобразования координат основных систем определения цвета и на моделировании RGB координат основных цветов.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработана система, позволяющая одновременно проводить мор-фометрические, денситометрические и колориметрические измерения параметров любых медико-биолОгических объектов, видимых на оптическом уровне.

1. Разработана математическая модель описания цвета, опирающаяся на психофизические параметры цвета (яркость, длина волны цвета, насыщенность) и упрощающая переход к психологическим параметрам (цветовой тон).

2. Разработаны цилиндрические системы координат URYxyz> URY_Luv, URY_Lab, позволяющие решать задачи колориметрического анализа изображений более точно по сравнению с описанными преобразованиями и за время меньшее в 10-100 раз, описывающие как основные цвета, так и дополнительные; данные системы координат позволяют создать стандарт цвета для задач компьютерной графики, упрощают алгоритмы сегментации, фильтрации и контрастирования цветных изображений.

3. Разработан алгоритм сегментации изображений по цвету, нечувствительный к изменению уровня освещенности в диапазоне 10%-90% от уровня максимальной освещенности.

5. Разработана методика тестирования систем координат описания цвета, позволяющая сравнивать их точностные характеристики.

6. Разработан интерактивный алгоритм сегментации по контуру изображения с сильно изрезанными границами, позволяющий выделять только один объект в отличие от алгоритмов высокочастотной фильтрации.

7. Выполнение работы по компьютерной обработке изображений хромосом показало возможность создания принципиально нового направления в цитогенетике - количественного оптического цитогенети-ческого анализа, позволяющего определить точные количественные значения параметров хромосом и их разброс, численные значения параметров при хромосомных аберрациях, видимых на оптическом уровне, создать стандарт хромосомного набора, используемый для компьютерной обработки изображений, выявлять любые аберрации, видимые на оптическом уровне, либо имеющие отклонения в гистограммах распределения оптической плотности, диагностировать некоторые заболевания.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработана распределенная аппаратно-независимая система ввода, обработки и измерения параметров оптических изображений, позволяющая значительно снизить стоимость исследований и перейти к более широкому использованию количественных методов при проведении цитологических и гистологических исследований.

2. Теоретически разработаны и экспериментально подтверждены алгоритмы измерения параметров цвета.

3. На основе разработанных алгоритмов обработки цветных и монохромных изображений создана распределенная автоматизированная система ввода, обработки и измерения параметров оптических медико-биологических изображений, которая была использована при проведении работ по экспериментальному инфаркту миокарда и по изучению влияния неблагоприятной окружающей среды на хромосомный аппарат детей, проживающих в районах, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС.

4. Научные результаты, изложенные в диссертации, используются при проведении научно-исследовательских работ на кафедре биохимии и в Центральной научно-исследовательской лаборатории Рязанского государственного медицинского университета, а также в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской конференции "Компьютерные системы в медицине КОСМ-93" 25-29 мая 1993 г. в городе Переславль-Залесский; международной конференции «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации МФЙ-93», 15-18 сентября 1993 г. в г.Рязани; областной научно-практической конференции "Медицинские последствия аварии на Чернобыльской АЭС для детского населения Рязанской области", 23-24 мая 1996 г., п.Солотча Рязанской области; международном конгрессе "Медицинские технологии на рубеже веков: медицина - биология - техника - экономика (МБТЭ-97)", 9-31 декабря 1997 года, г.Тула.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 152 страницах машинописного текста, списка литературы из 120 наименований, приложения, содержит 42 рисунка и 69 таблиц.