宮頸細(xì)胞學(xué)涂片自動(dòng)判讀方法研究.pdf

1、宮頸癌是嚴(yán)重威脅女性健康的惡性腫瘤之一,是發(fā)病率最高的三種癌癥之一。據(jù)GLOBOCAN2012報(bào)告,全球2012年新增宮頸癌病例52.7萬,約有26.5萬婦女死于宮頸癌。中國2012年新增宮頸癌病例達(dá)6.2萬,死亡病例達(dá)2.9萬。宮頸癌有較長(zhǎng)的病變期,如果能在早期發(fā)現(xiàn)并及時(shí)治療,治愈率較高,因而宮頸癌篩查對(duì)女性健康非常重要?；趯m頸細(xì)胞學(xué)涂片的檢查技術(shù)是目前醫(yī)學(xué)上普遍采用的篩查技術(shù),能夠有效發(fā)現(xiàn)宮頸癌前病變和早期宮頸癌。然而基于人工判讀

2、的傳統(tǒng)宮頸細(xì)胞學(xué)篩查方式存在工作量大、成本高、可靠性與準(zhǔn)確性受到醫(yī)師專業(yè)技術(shù)和主觀情緒的影響等問題,因此開發(fā)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的宮頸細(xì)胞學(xué)涂片自動(dòng)判讀系統(tǒng)對(duì)于宮頸癌的防治有著重要意義。
　　本文以宮頸細(xì)胞學(xué)涂片判讀自動(dòng)化為研究目標(biāo),將模擬細(xì)胞學(xué)醫(yī)師判讀宮頸細(xì)胞學(xué)涂片的方法作為自動(dòng)判讀的研究思路,結(jié)合宮頸細(xì)胞病理學(xué)知識(shí),運(yùn)用圖像處理、本體建模、語義推理等技術(shù),研究宮頸細(xì)胞學(xué)涂片自動(dòng)判讀的部分關(guān)鍵技術(shù)。論文的主要內(nèi)容包括:宮

3、頸細(xì)胞學(xué)涂片圖像的粗分割、重疊細(xì)胞分割、單細(xì)胞精確分割;細(xì)胞圖像的輪廓特征、染色質(zhì)特征提取;細(xì)胞的圖像特征、細(xì)胞學(xué)特征的本體建模與語義映射;宮頸細(xì)胞學(xué)涂片語義推理判讀模型和相關(guān)判讀規(guī)則構(gòu)建。論文突破以分類器作為判讀工具的傳統(tǒng)方法,提出基于語義推理的宮頸細(xì)胞學(xué)涂片判讀方法,為實(shí)現(xiàn)宮頸細(xì)胞學(xué)涂片判讀自動(dòng)化提出了一種新途徑。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、偬岢龌谇实闹丿B細(xì)胞輪廓分離點(diǎn)檢測(cè)方法和基于橢圓曲線擬合的重疊細(xì)胞分割方法。前者首先通

4、過分析輪廓曲線曲率的正負(fù)值檢測(cè)到凹區(qū);然后根據(jù)曲率大小篩選出候選的重疊凹區(qū),根據(jù)凹區(qū)寬度和凹區(qū)間距判定細(xì)胞重疊凹區(qū);最后通過查找重疊凹區(qū)的曲率極點(diǎn)得到最終的細(xì)胞重疊接觸點(diǎn)(即分離點(diǎn))。后者首先將相鄰分離點(diǎn)間的輪廓曲線上的點(diǎn)作為擬合數(shù)據(jù),應(yīng)用基于最小二乘法的橢圓擬合方法得到擬合橢圓,再過濾掉面積過大和過小的擬合橢圓,得到用以提取分離線的擬合橢圓;然后提取擬合橢圓上分離點(diǎn)間的弧線段作為分離線,據(jù)此分離重疊的細(xì)胞;最后分析細(xì)胞面積與細(xì)胞重疊區(qū)

5、域面積的關(guān)系以確定分離是否有效。該方法能保持細(xì)胞的原有形態(tài),同時(shí)降低了欠分離和過分離的概率。
　?、谔岢龌跇O坐標(biāo)系的梯度矢量流活動(dòng)輪廓模型(PGVF Snake)。PGVF Snake首先把經(jīng)過預(yù)處理的細(xì)胞圖像從笛卡爾坐標(biāo)系變換到極坐標(biāo)系,計(jì)算基于極坐標(biāo)系的邊緣圖;然后提出“浪沙抑制”算法優(yōu)化 PGVF模型中的邊緣圖,以消除細(xì)胞內(nèi)部雜質(zhì)對(duì)邊緣圖的干擾;最后使用邊緣圖作為活動(dòng)輪廓模型中的外力,控制活動(dòng)輪廓演化并收斂到細(xì)胞的真實(shí)邊緣

6、。與 RGVF活動(dòng)輪廓模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,論文提出的方法在保證分割準(zhǔn)確度的前提下,分割速度提高了五倍以上。
　?、厶岢龌诰€性幾何熱流演化的細(xì)胞輪廓不規(guī)則度特征提取方法。該方法首先把細(xì)胞輪廓曲線進(jìn)行幾何熱流演化,直到細(xì)胞輪廓演化為完全凸性為止,以此輪廓作為度量細(xì)胞輪廓不規(guī)則度的參考;然后比較演化后的輪廓曲線和原始輪廓曲線,提出不重疊區(qū)域總面積比、不重疊區(qū)域平均面積比等細(xì)胞輪廓不規(guī)則度特征描述子。在Herlev宮頸細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)集

7、上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,論文所提方法提取的不規(guī)則度特征與宮頸細(xì)胞病變有明顯的相關(guān)性。
　?、芴岢龌跀?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的染色質(zhì)顆粒特征提取方法。該方法首先使用受限自適應(yīng)直方圖均衡方法增強(qiáng)細(xì)胞核圖像的對(duì)比度;然后使用不同尺度的形態(tài)學(xué)基本結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行開運(yùn)算,計(jì)算累積尺度分布,通過對(duì)累積尺度分布求導(dǎo),得到染色質(zhì)顆粒尺度分布,并將顆粒尺度分布最大值所對(duì)應(yīng)的尺度作為染色質(zhì)顆粒特征描述子。在Herlev宮頸細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,論文所提方法提取的

8、細(xì)胞染色質(zhì)顆粒特征與宮頸細(xì)胞病變有明顯的相關(guān)性。
　?、莼诒倔w與語義邏輯推理的宮頸細(xì)胞學(xué)涂片自動(dòng)判讀方法。該方法模擬細(xì)胞學(xué)醫(yī)師判讀宮頸細(xì)胞學(xué)涂片的過程,結(jié)合圖像處理、知識(shí)表示、邏輯推理的相關(guān)理論,構(gòu)建宮頸細(xì)胞學(xué)涂片推理判讀模型。該方法首先建立與判讀相關(guān)的細(xì)胞本體、圖像特征本體、細(xì)胞學(xué)特征本體;然后提出基于語義規(guī)則的圖像特征到語義特征的映射方法;最后建立基于本體與語義邏輯推理的宮頸細(xì)胞學(xué)涂片自動(dòng)判讀系統(tǒng)模型,并闡述了模型的原理。在