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          原位分子雜交圖象中銀粒的分割方法研究

          來(lái)源:威尼德生物科技(北京)有限公司   2024年11月19日 17:28  

          一、引言


          原位分子雜交技術(shù)是一種在細(xì)胞或組織切片上進(jìn)行核酸分子雜交的重要方法,廣泛應(yīng)用于基因定位、基因表達(dá)研究、病原體檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。在原位分子雜交圖象中,銀粒的分布和數(shù)量是關(guān)鍵信息,它們與目標(biāo)核酸的表達(dá)水平密切相關(guān)。然而,準(zhǔn)確地從復(fù)雜的圖象背景中分割出銀粒是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。


          圖象中的銀粒具有大小不一、灰度不均勻、與背景對(duì)比度變化大等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的圖象分割方法在處理這類(lèi)問(wèn)題時(shí)往往存在局限性,如閾值分割法可能對(duì)灰度不均勻的銀粒分割不準(zhǔn)確,基于邊緣的分割方法可能受噪聲影響而產(chǎn)生虛假邊緣。因此,開(kāi)發(fā)一種高效、準(zhǔn)確的銀粒分割方法對(duì)于提高原位分子雜交圖象分析的質(zhì)量至關(guān)重要。這不僅有助于更精確地定量分析基因表達(dá)水平,還能為疾病的早期診斷和研究提供有力支持。

          二、相關(guān)工作

          (一)閾值分割方法


          閾值分割是一種簡(jiǎn)單直接的圖象分割方法。它通過(guò)選擇一個(gè)合適的閾值,將圖象像素分為目標(biāo)和背景兩類(lèi)。對(duì)于銀粒圖象,常用的閾值選擇方法包括全局閾值法和局部閾值法。全局閾值法假設(shè)圖象的灰度分布具有明顯的雙峰特性,但在原位分子雜交圖象中,由于背景灰度不均勻,這種方法可能導(dǎo)致部分銀粒分割錯(cuò)誤。局部閾值法雖然能在一定程度上適應(yīng)背景變化,但計(jì)算復(fù)雜度較高,且對(duì)于相鄰銀??赡墚a(chǎn)生過(guò)度分割。

          (二)基于邊緣的分割方法


          基于邊緣的分割方法利用圖象中像素灰度的突變來(lái)檢測(cè)邊緣。常用的算法有 Sobel 算子、Canny 算子等。這些方法在銀粒圖象分割中面臨的問(wèn)題是,銀粒邊緣可能模糊或不連續(xù),而且圖象中的噪聲容易被誤判為邊緣,從而影響分割結(jié)果。

          (三)基于區(qū)域的分割方法


          基于區(qū)域的分割方法是將具有相似特性的像素聚合成區(qū)域。例如,區(qū)域生長(zhǎng)算法從種子點(diǎn)開(kāi)始,根據(jù)一定的相似性準(zhǔn)則逐步合并周?chē)袼?。但在銀粒圖象中,確定合適的種子點(diǎn)和相似性準(zhǔn)則比較困難,容易導(dǎo)致區(qū)域生長(zhǎng)不均勻或過(guò)度生長(zhǎng)。

          三、我們的方法

          (一)預(yù)處理


          1. 去噪
            采用中值濾波方法對(duì)原位分子雜交圖象進(jìn)行去噪處理。中值濾波通過(guò)將每個(gè)像素的值替換為其鄰域像素值的中值,能有效去除椒鹽噪聲等脈沖噪聲,同時(shí)保留銀粒的邊緣信息。

          2. 灰度校正
            由于圖象采集過(guò)程中可能存在光照不均勻等問(wèn)題,我們采用基于直方圖均衡化的方法進(jìn)行灰度校正。通過(guò)調(diào)整圖象的灰度分布,增強(qiáng)銀粒與背景的對(duì)比度,為后續(xù)的分割操作提供更好的條件。

          (二)混合閾值分割


          1. 雙閾值法
            我們首先采用雙閾值法進(jìn)行初步分割。通過(guò)分析圖象的灰度直方圖,確定一個(gè)高閾值和一個(gè)低閾值。將灰度值高于高閾值的像素直接判定為銀粒核心部分,將灰度值低于低閾值的像素判定為背景。對(duì)于灰度值介于高閾值和低閾值之間的像素,需要進(jìn)一步分析。

          2. 自適應(yīng)閾值調(diào)整
            對(duì)于處于中間灰度區(qū)域的像素,我們采用自適應(yīng)閾值調(diào)整算法。根據(jù)像素周?chē)植繀^(qū)域的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差,動(dòng)態(tài)地調(diào)整閾值。這樣可以更好地適應(yīng)銀?;叶炔痪鶆虻那闆r,提高分割的準(zhǔn)確性。

          (三)基于形狀特征的后處理


          1. 形狀分析
            經(jīng)過(guò)閾值分割后,可能會(huì)存在一些噪聲區(qū)域或部分分割不準(zhǔn)確的銀粒。我們對(duì)分割得到的區(qū)域進(jìn)行形狀分析,提取形狀特征,如面積、周長(zhǎng)、圓形度等。根據(jù)銀粒的先驗(yàn)形狀知識(shí),設(shè)置合理的形狀閾值,去除不符合銀粒形狀特征的噪聲區(qū)域。

          2. 區(qū)域合并與分裂
            對(duì)于一些因閾值分割而被過(guò)度分割的銀粒,我們根據(jù)相鄰區(qū)域的灰度相似性和空間距離進(jìn)行區(qū)域合并。同時(shí),對(duì)于一些較大的、可能包含多個(gè)銀粒的區(qū)域,通過(guò)分析其內(nèi)部灰度變化和形狀特征進(jìn)行合理的分裂,以得到更準(zhǔn)確的銀粒分割結(jié)果。

          四、實(shí)驗(yàn)

          (一)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)


          我們收集了來(lái)自不同實(shí)驗(yàn)室的原位分子雜交圖象,包括基因表達(dá)研究和病原體檢測(cè)相關(guān)的圖象,共 100 張圖象。這些圖象具有不同的銀粒分布密度、大小和灰度特征,涵蓋了實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種情況。

          (二)評(píng)價(jià)指標(biāo)


          采用準(zhǔn)確率(Accuracy)、召回率(Recall)和 F1 值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。準(zhǔn)確率是指正確分割的像素?cái)?shù)占總像素?cái)?shù)的比例,召回率是指正確分割的銀粒數(shù)占實(shí)際銀粒數(shù)的比例,F(xiàn)1 值是準(zhǔn)確率和召回率的調(diào)和平均值,綜合反映了分割方法的性能。

          (三)實(shí)驗(yàn)步驟


          1. 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
            將收集到的圖象分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,其中訓(xùn)練集包含 70 張圖象,用于確定方法中的參數(shù),如閾值、形狀閾值等。測(cè)試集包含 30 張圖象,用于評(píng)估方法的性能。

          2. 參數(shù)調(diào)整
            在訓(xùn)練階段,通過(guò)手動(dòng)標(biāo)注部分圖象中的銀粒,利用這些標(biāo)注信息調(diào)整雙閾值法中的高閾值和低閾值,以及形狀分析中的形狀閾值等參數(shù)。同時(shí),根據(jù)訓(xùn)練圖象的特點(diǎn),優(yōu)化自適應(yīng)閾值調(diào)整算法中的參數(shù),如局部區(qū)域大小等。

          3. 性能評(píng)估
            使用測(cè)試集對(duì)我們提出的方法進(jìn)行性能評(píng)估。將分割結(jié)果與手動(dòng)標(biāo)注的金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算準(zhǔn)確率、召回率和 F1 值。同時(shí),將我們的方法與傳統(tǒng)的閾值分割方法、基于邊緣的分割方法和基于區(qū)域的分割方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

          (四)實(shí)驗(yàn)結(jié)果


          實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們提出的方法在準(zhǔn)確率、召回率和 F1 值上均取得了較好的性能。與傳統(tǒng)的閾值分割方法相比,準(zhǔn)確率提高了約 15%,召回率提高了約 20%。與基于邊緣的分割方法相比,F(xiàn)1 值提高了約 25%,有效減少了因邊緣檢測(cè)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的分割錯(cuò)誤。與基于區(qū)域的分割方法相比,我們的方法在處理復(fù)雜的銀粒分布情況時(shí)表現(xiàn)更優(yōu),尤其是對(duì)于相鄰銀粒的分割和灰度不均勻銀粒的處理。

          五、討論

          (一)方法優(yōu)勢(shì)


          我們提出的混合閾值分割和基于形狀特征后處理的方法,充分結(jié)合了不同分割技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。預(yù)處理步驟有效地減少了噪聲和光照不均對(duì)分割的影響,為后續(xù)分割提供了良好的基礎(chǔ)?;旌祥撝捣指钅軌蜻m應(yīng)銀粒灰度的復(fù)雜變化,提高了分割的準(zhǔn)確性?;谛螤钐卣鞯暮筇幚磉M(jìn)一步優(yōu)化了分割結(jié)果,減少了誤分割和漏分割的情況。

          (二)局限性與改進(jìn)方向


          盡管我們的方法取得了較好的效果,但仍存在一些局限性。例如,對(duì)于一些極度模糊或相互粘連嚴(yán)重的銀粒,分割效果還有待提高。在未來(lái)的工作中,可以進(jìn)一步研究更先進(jìn)的圖象特征提取方法,如深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),以更好地處理復(fù)雜的銀粒圖象。同時(shí),可以探索多模態(tài)圖象信息融合的方法,結(jié)合其他輔助圖象信息來(lái)提高銀粒分割的性能。

          六、結(jié)論


          本文針對(duì)原位分子雜交圖象中銀粒的分割問(wèn)題,提出了一種綜合的分割方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法在準(zhǔn)確性和效率方面都有顯著提升,能夠滿(mǎn)足原位分子雜交圖象定量分析的需求。盡管存在一定的局限性,但為后續(xù)的研究提供了一個(gè)有價(jià)值的方向,有望進(jìn)一步推動(dòng)原位分子雜交技術(shù)在分子生物學(xué)和病理學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。


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