一種精子形態(tài)異常檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種精子形態(tài)異常檢測方法，該方法不但有良好的客觀性，易于核實(shí)驗(yàn)證，同時(shí)提高了檢測效率，有很大的應(yīng)用前景。它的包括步驟：1)采取經(jīng)過化學(xué)試劑處理后的精子的圖像；2)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度化處理、對(duì)比度增強(qiáng)處理、圖像平滑去噪和二值化處理；3)對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像分割處理：對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行雜質(zhì)的濾除、目標(biāo)的提?。?)進(jìn)行輪廓識(shí)別：得到精確的精子整體目標(biāo)輪廓和頭部輪廓；5)求取各個(gè)參數(shù)值：得出能夠直接判斷精子形態(tài)的相關(guān)參數(shù)。
【專利說明】一種精子形態(tài)異常檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精子形態(tài)異常檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常的形態(tài)檢測的基本過程是醫(yī)務(wù)工作者將精液利用染色劑處理后，再通過100 倍顯微鏡觀測，人為進(jìn)行形態(tài)分類及計(jì)數(shù)。常規(guī)的檢測方法受檢測環(huán)境、檢驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)和水 平等條件的影響很大，并且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、準(zhǔn)確率不高，容易造成檢測結(jié)果的誤差，給臨床治療 和科研工作帶來困難。
[0003] 計(jì)算機(jī)輔助精子形態(tài)分析是通過染色劑對(duì)精子進(jìn)行染色，使精子失去活性，再通 過圖像采集系統(tǒng)對(duì)靜止的精子圖像進(jìn)行采集，最終利用算法實(shí)現(xiàn)對(duì)精子形態(tài)的檢測。該方 法的檢測參數(shù)主要有精子形態(tài)、畸形分類、其他細(xì)胞類別等。
[0004] 精子的形態(tài)分析是在染色后進(jìn)行的。染色后，精子失去了原有的活性，所以精子的 形態(tài)分析也稱為靜態(tài)分析。首先，利用100倍的顯微鏡對(duì)染色后的精子進(jìn)行圖像采集，然后 通過相應(yīng)的算法進(jìn)行精子識(shí)別以及精子各部分參數(shù)的計(jì)算。其中核心的步驟是從100倍精 子圖像中精確地分割出精子目標(biāo)及其各個(gè)形態(tài)部分，而這方面應(yīng)用比較廣泛的算法是基于 主動(dòng)輪廓模型的邊緣檢測方法。
[0005] 基于Snake模型的分割方法從產(chǎn)生之初到現(xiàn)在已經(jīng)有了很多的改進(jìn)，并且在醫(yī)學(xué) 圖像分割上已經(jīng)有了很多成功的應(yīng)用。但分割方法局限于邊界分割，缺少頭部頂體、中段的 邊界檢測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種精子形態(tài)異常檢測方法，包括步驟：
[0008] 1)采集經(jīng)過化學(xué)試劑處理后的精子的圖像；
[0009] 2)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括包括灰度化處理、對(duì)比度增強(qiáng)處理、圖像平滑 去噪和二值化處理；
[0010] 3)對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像分割處理：對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行雜質(zhì)的濾除、目 標(biāo)的提??；
[0011] 4)進(jìn)行輪廓識(shí)別：得到精確的精子整體目標(biāo)輪廓和頭部輪廓；
[0012] 5)求取各個(gè)參數(shù)值：得出能夠直接判斷精子形態(tài)的相關(guān)參數(shù)。
[0013] 所述的步驟3)的具體操作步驟為：
[0014] 3a)根據(jù)圖像中的目標(biāo)平均面積進(jìn)行濾除面積闕值設(shè)定；
[0015] 3b)對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行濾除；
[0016] 3c)通過區(qū)域增長法初步確定精子目標(biāo)的整體二值區(qū)域和頭部二值區(qū)域。
[0017] 所述步驟4)的具體操作步驟為：
[0018] 4a)求取對(duì)精子目標(biāo)二值區(qū)域進(jìn)行初始輪廓序列；
[0019] 4b)利用上述輪廓序列進(jìn)行基于Snake模型的輪廓檢測；
[0020] 4c)根據(jù)梯度矢量流場外力，精確的分割出精子整體目標(biāo)輪廓和頭部輪廓。
[0021] 所述步驟5)中所述的相關(guān)參數(shù)包括：
[0022] 頭部參數(shù)：包括頭部面積、頭部周長、頭部長度、頭部寬度以及通過這些參數(shù)計(jì)算 得到的相關(guān)頭部參數(shù)；
[0023] 中段參數(shù)：包括中段的面積、中段的寬度、距離、角度。
[0024] 所述頭部面積是通過最終的頭部輪廓進(jìn)行連通域構(gòu)造，形成頭部連通域，再進(jìn)一 步利用邊界序列的成員函數(shù)進(jìn)行面積的求??；
[0025] 所述面積周長是通過對(duì)頭部輪廓點(diǎn)遍歷，按照鏈碼的原則進(jìn)行求解。
[0026] 所述中段面積為精子整體面積與頭部面積之差；
[0027] 所述中段寬度的求解過程是首先確定頭部與中段的交界區(qū)域，再求該交界區(qū)域的 覽度；
[0028] 所述距離通過角度和頭部長軸進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算得到；
[0029] 所述角度是指頭部長軸與中段角度之差，通過獲得的長軸端點(diǎn)和中段端點(diǎn)分別求 得長軸角度和中段角度即可。
[0030] 所述步驟1)中采集的圖像為通過顯微鏡獲得的100倍染色精子圖像。
[0031] 本發(fā)明的有益效果為：該方法不但有良好的客觀性，易于核實(shí)驗(yàn)證，同時(shí)提高了檢 測效率，有很大的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1為染色后待圖像預(yù)處理的精子形態(tài)；
[0033] 圖2為精子形態(tài)檢測流程圖；
[0034] 圖3為預(yù)處理后的100倍精子圖像；
[0035] 圖4為精子的二值圖像；
[0036] 圖5為精子整體邊界圖像，其中（a)為精子目標(biāo)初始邊界圖，（b)基于Snake模型 的檢測邊界；
[0037] 圖6為精子頭部邊界圖，其中（a)為精子頭部初始邊界，（b)為基于Snake模型檢 測到的頭部邊界；
[0038] 圖7為頂體邊界圖，其中（a)頂體初始邊界，（b)為頂體Snake模型分割結(jié)果；
[0039] 圖8為精子頭部參數(shù)示意圖；
[0040] 圖9為鏈碼示意圖；
[0041] 圖10為精子中段參數(shù)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0043] 精子經(jīng)過化學(xué)試劑染色處理后，失去活性，再通過0LMPUS顯微鏡可拍攝到100倍 鏡下的精子形態(tài)學(xué)圖像，經(jīng)采集得到待處理精子形態(tài)圖如圖1。
[0044] 待處理精子形態(tài)圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像分割后可以得到各個(gè)精子的粗略輪廓 及位置。然后經(jīng)過精子輪廓序列初始化后進(jìn)行基于Snake模型的輪廓識(shí)別，得到精子的精 確輪廓。最后，利用精子的精確輪廓進(jìn)行進(jìn)一步的頭部分割、頸部分割及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。 具體流程如圖2 :
[0045] 1.圖像預(yù)處理
[0046] 精子形態(tài)檢測中的圖像預(yù)處理同精子運(yùn)動(dòng)軌跡檢測相似，主要包括圖像的灰度 化、增強(qiáng)、平滑去噪、二值化等。預(yù)處理后的圖像如圖3所示。
[0047] 2.圖像分割
[0048] 該過程主要是對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行雜質(zhì)的濾除、目標(biāo)的提取。首先根據(jù)圖像中 目標(biāo)平均面積進(jìn)行濾除面積閾值設(shè)定，再對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行濾除，最后通過區(qū)域增長法初步確定 精子目標(biāo)的整體二值區(qū)域和頭部二值區(qū)域。
[0049] 3.輪廓識(shí)別
[0050] 輪廓識(shí)別過程利用上一過程中得到的精子目標(biāo)二值區(qū)域進(jìn)行初始輪廓序列的求 取，并利用該輪廓序列進(jìn)行基于Snake模型的輪廓檢測，得到精確的精子整體目標(biāo)輪廓和 頭部輪廓。采用基于Snake模型的輪廓檢測方法，根據(jù)梯度矢量流場外力，對(duì)項(xiàng)目中的100 倍精子圖像做精確地輪廓分割。
[0051] 4.各參數(shù)求。
[0052] 該過程主要是利用前面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的加工，最終得出能夠直接判斷精 子形態(tài)的各種參數(shù)，以便醫(yī)生能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)精子性能作出判斷。
[0053] 圖3為預(yù)處理后的100倍精子圖像。
[0054] 圖4是精子的二值圖像。由于前期處理后的圖片中目標(biāo)區(qū)域和背景的對(duì)比度等相 關(guān)參數(shù)較好，容易進(jìn)行二值化，所以此過程使用比較常用的最大類間差法（一種自適應(yīng)的 閾值確定的方法，又叫大津法，簡稱0TSU。它是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和目 標(biāo)2部分）確定閾值灰度閾值。然后進(jìn)行圖像二值化，即將圖像的灰度值歸類為兩類，一種 為大于灰度閾值的，設(shè)定為1 (或255)，另一種為小于灰度閾值的，設(shè)定為0。
[0055] 圖5為精子整體邊界圖像，圖5中（a)為一般檢測方法得到的精子整體輪廓。對(duì) 整個(gè)精子目標(biāo)進(jìn)行邊界序列求解需要直接利用邊界函數(shù)對(duì)局部二值圖像中的目標(biāo)連通域 處理，處理結(jié)果即為整個(gè)連通域的邊界序列。邊界序列求解完畢后可以進(jìn)行序列繪制，更直 觀的觀測到邊界序列的準(zhǔn)確程度。圖中的白色邊界能基本反映精子的輪廓，能夠作為基于 Snake模型的初始邊界進(jìn)行進(jìn)一步的精確邊界檢測。
[0056] 圖5中（b)為基于Snake模型的檢測方法得到的精子整體輪廓。其中b圖是以a 中的精子整體邊界序列作為初始序列進(jìn)行基于snake模型檢測后得到的結(jié)果。
[0057] 圖6為精子頭部邊界圖。圖6中（a)為一般檢測方法得到的精子頭部輪廓。精子 頭部的分割方法與整體類似，只是去掉了初始邊界序列中的中段部分。該過程主要是利用 形態(tài)學(xué)的腐蝕膨脹運(yùn)算將整個(gè)目標(biāo)中纖細(xì)的尾部和中段進(jìn)行腐蝕，從而只保留精子頭部的 部分。
[0058] 圖6中（b)為基于snake模型的檢測方法得到的精子頭部輪廓。其中b圖是以a 中的精子頭部邊界序列作為初始序列進(jìn)行基于snake模型檢測后得到的結(jié)果。
[0059] 圖7為頂體邊界圖。圖7中（a)為一般檢測方法得到的精子頂體輪廓。頂體的邊 界序列構(gòu)造除了用到頭部邊界序列外，還要借助頭部短軸來構(gòu)造封閉的頂體初始序列。整 個(gè)頂體的初始序列是利用頭部的頂部邊緣輪廓和短軸連接，形成封閉的初始邊界序列。頭 部短軸的獲取是通過在長軸兩側(cè)分別查找距離質(zhì)心最近的點(diǎn)獲得的。這個(gè)過程依賴長軸的 位置，需要第一步獲得長軸的坐標(biāo)。在頭部邊界序列中，距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)被選定為長軸的 端點(diǎn)。該過程需要遍歷頭部所有的序列點(diǎn)進(jìn)行最長距離的查找。得到頭部的短軸后，利用 短軸和頭部頂部的邊緣序列構(gòu)造頂體的初始序列。
[0060] 圖7 (a)中白色的點(diǎn)是長軸端點(diǎn)，灰色點(diǎn)為短軸端點(diǎn)，圖7(b)白色閉合曲線為連接 短軸和頭部頂部構(gòu)造的頂體邊緣序列。
[0061] 圖7中（b)為基于snake模型的檢測方法得到的精子頂體輪廓。其中b圖是以a 中的精子頭部邊界序列作為初始序列進(jìn)行基于snake模型檢測后的結(jié)果。
[0062] 頭部參數(shù)
[0063] 由圖8可以看出，對(duì)于頭部形態(tài)學(xué)參數(shù)來說，最基本的只有四個(gè)：面積、周長、長 度、寬度，其他的參數(shù)可以依據(jù)這四個(gè)基本參數(shù)計(jì)算得到。這四個(gè)基本參數(shù)中，長度為求解 到的頭部的長軸長度，寬度為求解到的頭部的短軸長度。另外兩個(gè)參數(shù)計(jì)算過程稍微復(fù)雜， 具體過程如下：
[0064] 面積求解：求取面積的基本思想是通過最終的頭部輪廓進(jìn)行連通域構(gòu)造，形成頭 部連通域，再進(jìn)一步利用邊界序列的成員函數(shù)進(jìn)行面積的求取。
[0065] 周長求解：周長是通過對(duì)頭部輪廓點(diǎn)遍歷，按照鏈碼的原則進(jìn)行求解。
[0066] 頭部面積的計(jì)算，首先需要根據(jù)實(shí)際采集圖像所用顯微鏡倍數(shù)計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn) 所占多少μ m，獲取邊界序列后即可計(jì)算連通域的實(shí)際面積。
[0067] 頭部周長是通過對(duì)頭部輪廓點(diǎn)遍歷，按照鏈碼的原則進(jìn)行求解。
[0068] 鏈碼的具體表示意義如圖9所示：
[0069] 圖中包含四連通方向系數(shù)和八連通方向系數(shù)兩部分，其中在四連通方向中，分為 0、1、2、3四個(gè)方向，每個(gè)方向的長度均為1 ;在八連通方向中，有八個(gè)方向：0、1、2、3、4、5、6、 7,其中奇數(shù)方向?qū)?yīng)的長度為

【權(quán)利要求】
1. 一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是，包括步驟： 1) 采集經(jīng)過化學(xué)試劑處理后的精子的圖像； 2) 對(duì)所采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括包括灰度化處理、對(duì)比度增強(qiáng)處理、圖像平滑去噪 和二值化處理； 3) 對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像分割處理：對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行雜質(zhì)的濾除、目標(biāo)的 提?。? 4) 進(jìn)行輪廓識(shí)別：得到精確的精子整體目標(biāo)輪廓和頭部輪廓； 5) 求取各個(gè)參數(shù)值：得出能夠直接判斷精子形態(tài)的相關(guān)參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是，所述的步驟3)的具體 操作步驟為： 3a)根據(jù)圖像中的目標(biāo)平均面積進(jìn)行濾除面積闕值設(shè)定； 3b)對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行濾除； 3c)通過區(qū)域增長法初步確定精子目標(biāo)的整體二值區(qū)域和頭部二值區(qū)域。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是，所述步驟4)的具體操 作步驟為： 4a)求取對(duì)精子目標(biāo)二值區(qū)域進(jìn)行初始輪廓序列； 4b)利用上述輪廓序列進(jìn)行基于Snake模型的輪廓檢測； 4c)根據(jù)梯度矢量流場外力，精確的分割出精子整體目標(biāo)輪廓和頭部輪廓。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是，所述步驟5)中所述的 相關(guān)參數(shù)包括： 頭部參數(shù)：包括頭部面積、頭部周長、頭部長度、頭部寬度以及通過這些參數(shù)計(jì)算得到 的相關(guān)頭部參數(shù)； 中段參數(shù)：包括中段的面積、中段的寬度、距離、角度。
5. 如權(quán)力要求4所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是， 所述頭部面積是通過最終的頭部輪廓進(jìn)行連通域構(gòu)造，形成頭部連通域，再進(jìn)一步利 用邊界序列的成員函數(shù)進(jìn)行面積的求??； 所述面積周長是通過對(duì)頭部輪廓點(diǎn)遍歷，按照鏈碼的原則進(jìn)行求解。
6. 如權(quán)利要求4所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是， 所述中段面積為精子整體面積與頭部面積之差； 所述中段寬度的求解過程是首先確定頭部與中段的交界區(qū)域，再求該交界區(qū)域的寬 度； 所述距離通過角度和頭部長軸進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算得到； 所述角度是指頭部長軸與中段角度之差，通過獲得的長軸端點(diǎn)和中段端點(diǎn)分別求得長 軸角度和中段角度即可。
7. 如權(quán)利要求1-6任一所述的一種精子形態(tài)異常檢測方法，其特征是，所述步驟1)中 采集的圖像為通過顯微鏡獲得的100倍染色精子圖像。
【文檔編號(hào)】G06K9/34GK104268515SQ201410478600
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】劉伯強(qiáng), 劉忠國, 劉廣宇, 邊京華, 李衛(wèi)賓, 劉肖肖 申請(qǐng)人:山東大學(xué)