專利名稱：精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法及精子質(zhì)量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助的人體外精液分析方法，特別是涉及計(jì)算機(jī)輔助精液分析 中精子路徑交叉時(shí)的自動(dòng)識別方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)的精液分析是由經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)學(xué)人員進(jìn)行觀察判斷，包括顯微鏡檢測、精液 體積測定以及精子密度、存活率的顯微鏡檢測。常規(guī)分析結(jié)果可以診斷一些嚴(yán)重的男性不 育癥，包括無精癥、死精癥以及所有精子都存在相同的結(jié)構(gòu)畸形，例如沒有頂體的圓頭精子 的男性不育癥，但上述不育癥只是男性不育中的少部分。臨床上發(fā)現(xiàn)的大部分不育患者具 有正常或輕微異常的常規(guī)精液分析結(jié)果。傳統(tǒng)的人工精液分析方法往往帶有很大的主觀 性，由于精子密度大、運(yùn)動(dòng)速度快，檢驗(yàn)人員在顯微鏡下很難做到準(zhǔn)確分析，且長時(shí)間的觀 察極易造成操作者視力疲勞，實(shí)驗(yàn)室條件、檢驗(yàn)人員水平及經(jīng)驗(yàn)不等，都會造成檢測結(jié)果的 誤差，同時(shí)也降低了報(bào)告的客觀性和可比性。例如，有數(shù)據(jù)表明，單單對活動(dòng)精子百分率的 監(jiān)測結(jié)果在技術(shù)人員之間的差異范圍至少達(dá)到20%，甚至40%。由于常規(guī)精液分析主觀性強(qiáng)，準(zhǔn)確率低，重復(fù)性差，對生育能力預(yù)測存在明顯的局 限性，計(jì)算機(jī)輔助的精液分析(CASA)系統(tǒng)需求應(yīng)運(yùn)而生，可參見如下文獻(xiàn)的記載[1]肖松 山，范世福，李彥芳，曹興午，曹育愛，計(jì)算機(jī)輔助精子運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)的研究，JOU RNAL 0 F T IANJ IN UN IV ERSITY Vol.33 No. 6 Nov. 2000 ； [2]龐增拴，精子運(yùn)動(dòng)能力檢測系統(tǒng)中圖 像分割方法的選取與算法實(shí)現(xiàn)，河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，21 (3)，2004。CASA系統(tǒng)是將現(xiàn)代的計(jì)算 機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的圖像處理技術(shù)運(yùn)用在精子質(zhì)量的分析上，操作簡便、分析直觀、數(shù)據(jù)可靠。 CASA精子運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)框圖如圖1所示，在現(xiàn)有的CASA系統(tǒng)中，精子路徑識別的基本原理 是將精子樣本放置在樣品臺上，利用載玻片和蓋玻片加以固定；利用微機(jī)控制圖像采集 卡，對精子動(dòng)態(tài)顯微圖像進(jìn)行連續(xù)抓拍，將獲取的圖像序列存貯在計(jì)算機(jī)中，對每一幅精子 圖像進(jìn)行預(yù)處理消除噪聲，利用閾值分割方法進(jìn)行精子目標(biāo)識別，根據(jù)不同圖像序列的精 子位置，以路程、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向?yàn)閰⒖?，求出精子的運(yùn)動(dòng)路徑，并對這些路徑進(jìn)行篩選 處理，最后根據(jù)運(yùn)動(dòng)路徑計(jì)算出精子運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，供精子質(zhì)量分析使用?，F(xiàn)有的CASA 系統(tǒng)的基本流程請參閱圖2所示。在現(xiàn)有的CASA系統(tǒng)中精子路徑識別時(shí)，多利用路程、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向進(jìn)行多 幀圖像間的精子關(guān)聯(lián)，當(dāng)存在2個(gè)及以上的精子路徑交叉時(shí)，在交叉的時(shí)間段中，多個(gè)精子 將重疊在一起，這段時(shí)間內(nèi)對圖像進(jìn)行閾值分割只能得到一個(gè)精子目標(biāo)，從而導(dǎo)致在精子 關(guān)聯(lián)生成路徑這個(gè)步驟中多個(gè)精子的路徑產(chǎn)生中斷或者分析錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響了識別正確率 的提高。精子路徑交叉時(shí)的路徑識別問題已成為目前精子路徑分析中的難點(diǎn)問題。可參 見如下文獻(xiàn)所述[1]肖松山，范世福，李彥芳，曹興午，曹育愛，計(jì)算機(jī)輔助精子運(yùn)動(dòng)分析 系統(tǒng)的研究，JOU RNAL OFT IANJ IN UN IV ERS ITYVol. 33 No. 6 Nov. 2000 ； [2]龐增 拴，精子運(yùn)動(dòng)能力檢測系統(tǒng)中圖像分割方法的選取與算法實(shí)現(xiàn)，河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，21 (3)， 2004; [3]于江有，王知衍，張艷青，精子多目標(biāo)檢測和跟蹤算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2076，31 (9)，2010。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種對CASA系統(tǒng)中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng) 識別方法，實(shí)現(xiàn)多精子交叉時(shí)準(zhǔn)確的路徑識別，提高精子識別與分析的正確率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)輔助精液分析中精子路徑交叉時(shí)的 路徑自動(dòng)識別方法，包括精子路徑交叉時(shí)的路徑識別步驟，其特征在于，精子路徑交叉時(shí)路 徑識別步驟為當(dāng)N個(gè)精子交叉時(shí)，虛擬出位置與交叉處精子完全相同但編號不同的N-I個(gè)克隆 精子；所述N大于等于2;N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子與交叉處的這個(gè)精子以及N-I個(gè)克隆精子進(jìn)行一一對應(yīng)關(guān) 聯(lián)，為N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子更新運(yùn)動(dòng)速度大小、方向以及加速度；N個(gè)精子游離交叉區(qū)時(shí)，根據(jù)其速度大小和方向的變化，找出N個(gè)精子各自的游離 路徑。精子路徑交叉時(shí)的路徑識別步驟包括在T時(shí)刻，N個(gè)精子共同達(dá)到精子Q所在的位置；對精子Q的遍歷次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初始次數(shù)為0 ；為交叉處的每個(gè)精子逐一尋找其在下一幀圖像中的位置時(shí)，均探測到精子Q，使得 精子Q的每被探測到一次就將遍歷次數(shù)加1 ；對遍歷次數(shù)超過1次的精子進(jìn)行“克隆”，得到N-I個(gè)所述克隆精子。在N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子與交叉處的這個(gè)精子以及N-I個(gè)克隆精子進(jìn)行一一對應(yīng) 關(guān)聯(lián)之后，為N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子更新運(yùn)動(dòng)速度大小、方向以及加速度，計(jì)算方法為精子的運(yùn)動(dòng)方向利用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位
置距離，利用公式tana = $求解角度并求平均；
Δχ精子的運(yùn)動(dòng)速度用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位置 距離，利用公式ν = ^Ay2+Ax2 / 求解路程并求平均，速度單位是像素/幀；精子的運(yùn)動(dòng)加速度前后2幀的速度變化的絕對值。找出N個(gè)精子各自的游離路徑的方法是根據(jù)交叉處各精子的運(yùn)動(dòng)速度的大小、 方向以及加速度，利用最小運(yùn)動(dòng)速度與方向變化準(zhǔn)則，分別從精子Q和克隆精子的位置出 發(fā)，找到其在下一幀圖像中的位置。所述精子路徑交叉時(shí)的路徑識別步驟為1)當(dāng)有N個(gè)精子P (i)路徑交叉，交叉處精子為Q，設(shè)定初始值i = 1，精子Q的遍 歷次數(shù)j = 0;其中，i為1到N;2)取精子 P(i);3)判斷是否遍歷次數(shù)j彡1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)不是j彡1，則關(guān)聯(lián)P(i)與Q ；并為j加1，j = j+1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)是j彡1，則克隆Q得到Q (j)，關(guān)聯(lián)P⑴與Q (j)，并為j加1，j = j+1 ；4)更新P(i)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度；
5)然后判斷P (i)是否還在交叉區(qū)，當(dāng)P(i)還在交叉區(qū)，繼續(xù)更新其運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度；當(dāng)P(i)不在交叉區(qū)，則為P(i)尋找下一個(gè)位置，并通過速度大小和方向的變化來 計(jì)算出p(i)的游離路徑；p(i)的路徑提取完成；6)然后判斷是否i > N，如果是，則所有交叉精子的路徑提取完成；如果不是，則返回步驟2)，再次執(zhí)行步驟2)至步驟6)。同時(shí)，本發(fā)明還提供一種精子質(zhì)量分析方法，包括利所述的計(jì)算機(jī)輔助精液分析 中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法。本發(fā)明綜合考慮精子交叉時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度和方向及其變化，采用克隆(虛擬)精子 的方法實(shí)現(xiàn)多精子交叉時(shí)的路徑識別，在多個(gè)精子交叉時(shí)，精子關(guān)聯(lián)生成路徑這個(gè)步驟中 多個(gè)精子的路徑不再中斷，使得路徑識別更加準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高了精子識別與分析的正確 率。采用本發(fā)明的方法在2個(gè)精子交叉時(shí)，正確識別率從0提高至達(dá)到80%，3個(gè)精子交叉 時(shí)，正確識別率達(dá)到70%。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明圖1是背景技術(shù)的精子運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)框圖。圖2是背景技術(shù)的精子路徑識別的基本流程圖。圖3是本發(fā)明多精子交叉時(shí)路徑識別方法中的程序框圖。圖4是當(dāng)兩個(gè)精子路徑交叉時(shí)路徑識別方法示意圖圖如表示精子路徑交叉時(shí)的 狀態(tài)，圖4b表示在交叉處虛擬克隆了一個(gè)精子；圖如表示精子從交叉處離開時(shí)的路徑狀 態(tài)。其中，精子C與精子D是重合的。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明計(jì)算機(jī)輔助精液分析中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法為當(dāng)兩個(gè)以 上精子交叉時(shí)，在交叉發(fā)生的位置，克隆(虛擬)出處于同一位置的多個(gè)精子目標(biāo)；在該位 置，多個(gè)同時(shí)進(jìn)入的精子與虛擬出的精子進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)，保證了各自路徑的完整性，可計(jì)算 多個(gè)精子進(jìn)入交叉處的運(yùn)動(dòng)速度大小、方向和加速度；當(dāng)精子游離交叉區(qū)時(shí)，通過速度大小 與方向的變化來得出各自的游離路徑，從而完成精子交叉路徑的識別。多個(gè)精子與2個(gè)精子交叉情況下的識別算法具有共性，下面以2個(gè)精子路徑交叉 的情況進(jìn)行說明。如圖4所示，是列舉的兩個(gè)精子路徑交叉時(shí)路徑識別方法示意。如圖如中，存在 精子A與精子B，1)在T時(shí)刻，A和B共同達(dá)到精子Q所在的位置，如圖如所示。注意，Q是精子A 與精子B路徑交叉的結(jié)果。2)對精子C的遍歷次數(shù)(即使用次數(shù))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初始次數(shù)為0。為A精子尋找 其在下一幀圖像中的位置時(shí)，探測到Q，使得Q的遍歷次數(shù)加1。為B精子尋找在下一幀圖 像中的位置時(shí)，同樣將探測到Q，使得Q的遍歷次數(shù)為2。
3)對遍歷次數(shù)超過1次的精子進(jìn)行“克隆”。即計(jì)算機(jī)虛擬一個(gè)位置與Q完全相 同但是編號不同的精子D，如圖4b所示。建立精子A與Q，B與D的路徑關(guān)聯(lián)，利用建立的 關(guān)聯(lián)更新精子A與B的運(yùn)動(dòng)速度的大小、方向以及加速度。計(jì)算公式為精子的運(yùn)動(dòng)方向利用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位
置距離，利用公式tana = $求解角度并求平均。
Δχ精子的運(yùn)動(dòng)速度用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位置 距離，利用公式ν = ^Ay2+Ax2 / 求解路程并求平均，速度單位是像素/幀。精子的運(yùn)動(dòng)加速度前后2幀的速度變化的絕對值。4) A與B交叉持續(xù)一段時(shí)間后開始離開，離開發(fā)生時(shí)，根據(jù)步驟3)得到的精子Α、Β 的運(yùn)動(dòng)速度的大小，方向以及加速度，利用最小運(yùn)動(dòng)速度與方向變化準(zhǔn)則，分別從Q和D位 置出發(fā)，找到其在下一幀圖像中的位置，分別為F和Ε，如圖如所示。從而完成了精子Α、Β兩個(gè)精子路徑交叉時(shí)，精子Α、Β的路徑識別。當(dāng)拍攝圖像的噪聲太大，或者精子A與B交叉角度較小或者部分黏合時(shí)，本算法識 別率下降。具體步驟如圖3所示，結(jié)合該流程圖將步驟描述如下1)當(dāng)有N個(gè)精子P(i) (i為1，2，...，N)路徑交叉，交叉處精子為Q，為變量i，j設(shè) 定初始值i = 1，精子Q的遍歷次數(shù)j = 0。2)取精子 P(i);3)判斷是否遍歷次數(shù)j彡1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)不是j彡1，則關(guān)聯(lián)P(i)與Q ；并為j加1，j = j+1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)是j彡1，則克隆(虛擬)Q得到Q (j)，關(guān)聯(lián)P (i)與Q (j)，并為j加1， j = j+1 ；4)更新P(i)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度；5)然后判斷P (i)是否還在交叉區(qū)，當(dāng)P(i)還在交叉區(qū)，繼續(xù)更新其運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度，當(dāng)P(i)不在交叉區(qū)(即游離交叉區(qū))，則為P(i)尋找下一個(gè)位置，并通過速度大 小和方向的變化來計(jì)算出p(i)的游離路徑；p(i)的路徑提取完成；6)然后判斷是否i > N，如果是，則所有交叉精子的路徑提取完成；如果不是，則返回步驟2)，再次執(zhí)行步驟2) 步驟6)。即取P (i)，為下一個(gè)精子 提取路徑，直到i > N，意味著交叉的N個(gè)精子的路徑提取已全部完成。該方法意味著，當(dāng)取精子P(I)，遍歷次數(shù)為0，關(guān)聯(lián)P(I)與Q，這時(shí)，j =0+1 = 1 ； 更新P(I)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度，直到P(I)游離交叉區(qū)，則尋找P(I)的下一個(gè) 位置，并通過速度大小和方向的變化來計(jì)算出P(I)的游離路徑；P(I)的路徑提取完成。當(dāng) 有兩個(gè)或以上精子交叉，第二個(gè)精子P (2)，遍歷次數(shù)為1，關(guān)聯(lián)P (2)與克隆出的Q (1)，并j =1+1 = 2，更新P(2)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度，直到P(2)游離交叉區(qū)，則尋找P(2) 的下一個(gè)位置，并通過速度大小和方向的變化來計(jì)算出PO)的游離路徑；PO)的路徑提取 完成。第三個(gè)精子P(3)，遍歷次數(shù)為2，關(guān)聯(lián)P(3)與克隆出的(K2)，并j = 2+1 = 3，更新P(3)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度，直到P(3)游離交叉區(qū)，則尋找P(3)的下一個(gè)位置， 并通過速度大小和方向的變化來計(jì)算出P(3)的游離路徑；P(3)的路徑提取完成....以此 類推，直到交叉的精子的路徑提取全部完成。 本發(fā)明的計(jì)算機(jī)輔助精液分析中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法可應(yīng)用于 人體外精子質(zhì)量分析中。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算機(jī)輔助精液分析中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，包括精子路徑交 叉時(shí)的路徑識別步驟，其特征在于，精子路徑交叉時(shí)路徑識別步驟為當(dāng)N個(gè)精子交叉時(shí)，虛擬出位置與交叉處精子完全相同但編號不同的N-I個(gè)克隆精子； 所述N大于等于2;N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子與交叉處的這個(gè)精子以及N-I個(gè)克隆精子進(jìn)行一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)， 為N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子更新運(yùn)動(dòng)速度大小、方向以及加速度；N個(gè)精子游離交叉區(qū)時(shí)，根據(jù)其速度大小和方向的變化，找出N個(gè)精子各自的游離路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，其特征在于，精子路 徑交叉時(shí)的路徑識別步驟包括在T時(shí)刻，N個(gè)精子共同達(dá)到精子Q所在的位置； 對精子Q的遍歷次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，初始次數(shù)為0 ；為交叉處的每個(gè)精子逐一尋找其在下一幀圖像中的位置時(shí)，均探測到精子Q，使得精子 Q的每被探測到一次就將遍歷次數(shù)加1 ；對遍歷次數(shù)超過1次的精子進(jìn)行“克隆”，得到N-I個(gè)所述克隆精子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，其特征在于，在N個(gè)進(jìn) 入交叉處的精子與交叉處的這個(gè)精子以及N-I個(gè)克隆精子進(jìn)行一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)之后，為N個(gè) 進(jìn)入交叉處的精子更新運(yùn)動(dòng)速度大小、方向以及加速度，計(jì)算方法為精子的運(yùn)動(dòng)方向利用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位置距離，利用公式tana = #求解角度并求平均； Δχ精子的運(yùn)動(dòng)速度用連續(xù)3幀圖像中的坐標(biāo)，求出幀與幀之間的水平和垂直位置距離， 利用公式ν = ^Ay2 + Ax2 / 求解路程并求平均，速度單位是像素/幀； 精子的運(yùn)動(dòng)加速度前后2幀的速度變化的絕對值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，其特征在于，找出N個(gè) 精子各自的游離路徑的方法是根據(jù)交叉處各精子的運(yùn)動(dòng)速度的大小、方向以及加速度，利 用最小運(yùn)動(dòng)速度與方向變化準(zhǔn)則，分別從精子Q和克隆精子的位置出發(fā)，找到其在下一幀 圖像中的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，其特征在 于，所述精子路徑交叉時(shí)的路徑識別步驟為1)當(dāng)有N個(gè)精子P(i)路徑交叉，交叉處精子為Q，設(shè)定初始值i = 1，精子Q的遍歷次 數(shù)j=0;其中，i為1到N;2)取精子P(i)；3)判斷是否遍歷次數(shù)j> 1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)不是j彡1，則關(guān)聯(lián)P(i)與Q ；并為j加1，j = j+1 ；當(dāng)遍歷次數(shù)是j彡1，則克隆Q得到Q (j)，關(guān)聯(lián)P (i)與Q (j)，并為j加1，j = j+1 ；4)更新P(i)的運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度；5)然后判斷P(i)是否還在交叉區(qū)，當(dāng)P(i)還在交叉區(qū)，繼續(xù)更新其運(yùn)動(dòng)速度的方向、大小、加速度；當(dāng)p(i)不在交叉區(qū)，則為p(i)尋找下一個(gè)位置，并通過速度大小和方向的變化來計(jì)算 出p(i)的游離路徑；p(i)的路徑提取完成； 6)然后判斷是否i > N， 如果是，則所有交叉精子的路徑提取完成； 如果不是，則返回步驟2)，再次執(zhí)行步驟2)至步驟6)。
6. 一種精子質(zhì)量分析方法，其特征在于，包括利要求1-5任一項(xiàng)所述的計(jì)算機(jī)輔助精 液分析中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法。
全文摘要
一種計(jì)算機(jī)輔助精液分析中精子路徑交叉時(shí)的路徑自動(dòng)識別方法，包括精子路徑交叉時(shí)的路徑識別步驟當(dāng)N個(gè)(N≥2)精子交叉時(shí)，虛擬出位置與交叉處精子完全相同的N-1個(gè)克隆精子；N個(gè)精子與交叉處的精子以及N-1個(gè)克隆精子進(jìn)行一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，為N個(gè)進(jìn)入交叉處的精子更新運(yùn)動(dòng)速度大小、方向、加速度；N個(gè)精子游離交叉區(qū)時(shí)，據(jù)其速度大小和方向變化，找出N個(gè)精子各自的游離路徑。本發(fā)明采用克隆精子的方法，在精子關(guān)聯(lián)生成路徑中，多個(gè)精子的路徑不再中斷，使得路徑識別更加準(zhǔn)確，應(yīng)用于人體外精子質(zhì)量分析中，進(jìn)一步提高了精子識別與分析的正確率。2個(gè)精子交叉時(shí)，正確識別率從0提高到80％，3個(gè)精子交叉時(shí)，正確識別率達(dá)到70％。
文檔編號G06K9/62GK102142092SQ20111009565
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者尹力, 張會生, 李喬亮, 程錦軍, 胡勇華 申請人:深圳市博銳德生物科技有限公司