АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

на тему:

"РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КЛЕТОК, ПОСТРОЕННОЙ НА ЭНТРОПИЙНЫХ МЕТОДАХ"

Выполнил магистрант группы КСД-98

Коков Андрей Александрович

Руководитель: доц., к.т.н. Адамов В.Г.

Донецк - 2003г.

1. Научная новизна

    Обработаны реальные снимки клеток крови. Убрана зашумленность и выделен контур клетки. Для чего был разработан гистограмный пороговый фильтр и адаптирован метод активных контуров. Исследован метод энтропийных коэффициентов. Проводены исследования по выявлению информативности результатов НСТ-теста в определении степени активизации нитрофилов. Выявлены параметры контура клетки наиболее сильно влияющие на значение энтропийных характеристк. Выявлены зависимости жизненной стадии клеток нитрофилов от энтропийных характеристик контуров клеток. Оценена степень жизненной активности клетки в числовом эквиваленте.

2. Практическая ценность

    На основе проведенных исследований разработан программный комплекс расчета яркостных и контурных характеристик клетки. После экспертной обработки диагностических характеристик клетки делается вывод об активности и жизненной стадии клеток крови. Комплекс может быть использован в лабораториях по статистическому анализу крови. 100¼ нахождение клетки крови на снимке и

3. Содержание работы

1. ПРИЗНАКИ И ПРИЧИНЫ ГИБЕЛИ КЛЕТОК.

   Фрагментация, как ядра, так и самой клетки, а также обесцвечивания первого - являются первейшими признаками разрушения клетки. Но при этом не стоит забывать, что не каждая клетка после разрушения ядра погибает или обесцвечивание ядра типично для данного типа клеток. Большинство ученых полагает, что в ядре имеется специальная программа, запустив которую ядро уничтожает себя и клетку. Хотя в последнем случае не всегда. Например эритроциты крови ядра не имеют. В процессе образования этих клеток цитоплазма наполняется всеми компонентами, необходимыми для успешного функционирования эритроцита, при этом увеличивается цитиоплазматическое пространство, клетка становиться более мобильной, выполняя сугубо специфическую роль. Т.е. клетка может довольно долго жить в отсутствии ядра.
    Надежным цитологическим критерием смерти клетки принято считать диффузную окраску цитоплазмы и ядра витальными красителями (нейтральным красным, метиленовым синим и т.п.). В живой клетке эти красители накапливаются в четко очерченных гранулах или вакуолях, тогда как после смерти происходит интенсивное и диффузное прокрашивание цитоплазмы и ядра.
    При проведении исследования спектрального содержимого изображения клетки предполагается выявить зависимость энтропийного коэффициента и уровня жизнеспособности клетки. Задача численного представления степени жизненной активности и нестабильности посредством оценки неравномерности ее окрашенности и энтропийных характеристик является новаторской в данной области. Представляет огромный интерес и то, что исследования можно положить в основу клеток любых тканей лишь незначительно адаптировав метод и коэффициенты.

2. ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КЛЕТКИ

    На практике первичной задачей становится определение параметров отдельных клеток, что в свою очередь ставит вопрос о поиске клетки на изображении и выделение ее контура. Также необходимо проанализировать разные параметры клетки на их коррелированность с жизненным состоянием клетки. Параметры клетки рассчитываются на базе полученного контура с использованием энтропийных характеристик объекта исследований.
    Целью первичной обработки является улучшение качества полученного изображения. Улучшить четкость и контрастность изображения можно аппаратными методами, но целесообразнее воспользоваться программными методами улучшения качества изображения, реализовав специальный модуль. Метод пороговой фильтрации основан на анализе яркостных характеристик, но по реальным снимкам выделить объект на снимке возможно только при рассмотрении его в RGB формате. Для этих целей был применен гистограммный пороговый фильтр. Метод основан на построении гистограммы интенсивностей по значениям интенсивности каждой составляющей цвета, выявления пиков, удовлетворяющих условиям заданного порога. Результатом данного метода являются три битовые матрицы (для каждого из цветов с), построенная из условия(1):

(1)

где
G[k, c] - значение пика с интенсивностью k для цвета с,
f[i, j, c] - значение интенсивности i, j пикселя изображения для цвета с,
maxG[0..255, c] - максимальное значение на гистограмме для цвета с,
- величина порога по гистограмме для цвета с,
por - пороговое значение, задаваемое в диапазоне [1..99].
    Дальнейшая обработка изображения клетки сводится к выделению ее границ. Одним из перспективных и современных методов выделения контура объекта на изображении является метод активных контуров. Точки в контуре стремятся к границе объекта при минимизации энергии контура. Для каждой отметки в окрестностях v_i, значение энергии находится как:

Ei = * Eint(vi) + *Eext(vi),

(3)

где E_int(v_i) является функцией энергии, зависящей от формы контура, и E_ext(v_i) является функцией энергии, зависящей от свойств изображения и типа градиента в окрестности точки v_i. и являются константами, обеспечивающими относительную коррекцию величин энергии.
    Данный метод был адаптирован к выбранному типу изображений. Т.о. выбраны эмпирические коэффициенты, входящие в формулы расчета энергии контура. Аналитически определена нецелесообразность использования градиентной составляющей. Это связано с размытостью контура, различным значением градиента на границах клетки, а также высокочастотной составляющей границы объекта на начальной стадии обработки. Вышеописанные факторы не позволяют использовать эту составляющую без потери точности в определении границ контура. Использование же ее с малым коэффициентом не рационально из-за значительной вычислительной мощности требуемой для ее расчета. Та же высокочастотная составляющая не позволяет в должной степени воспользоваться и энергией "воздушного шара", которая также использует вектор нормали к рассматриваемой точке. Практически эти составляющие показали наименьшую информативность и отсутствие стабильности количественного выражения по отношению к различным изображениям клеток.
    Опытным путем были подобраны коэффициенты энергии описывающей форму контура и спектральное содержимое объекта. Исследования проводились из расчета найденного контура после прохождения гистограммным пороговым фильтром и деформированным контуром после метода активных контуров. Целью исследования было нахождение оптимальных эмпирических коэффициентов и , а также окна окрестности для расчета энергии контура, количества проходов по контуру и точек его составляющих.
    Дальнейшие исследования продолжились в области адаптации метода энтропийных коэффициентов к вышеописанной задаче. Метод основан на оценке степени динамической нестабильности контура.
    Было предложено несколько способов формирования исходной выборки. Наибольшая погрешность и стабильность показателей на настоящий момент отмечена при обработке длин т.н. радиусов клетки (расстояние от центроида до границы клетки). Продолжается работа по усовершенствованию специализированного ПО. Полученные с ее помощью данные подвергаются статистической обработке и делаются выводы о дальнейшем направлении исследований.

3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ

    Дальнейшая обработка данных сводится к группировке и анализу их экспертной системой. Экспертная система производит анализ жизнедеятельности клеток крови (нейтрофилов), выдает заключение по выборке данных об индексе активации нейтрофилов и уровень нестабильности клетки по ее форме. Выводит результат по каждому из рассчитанных параметров.
    База фактов представляет входные наборы параметров клеток и начальные значения расчетных выборок. База правил сопоставляет имеющиеся факты с предпосылками и, при соответствии с последним, выполняет описанные в правиле действия.

4. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ПОИСКА И АНАЛИЗА

    Методика, по которой производились исследования и практическая диагностика на их основе, отличается своей простотой, дешевизной и скоростью получения результата, что разительно отличает ее от других работ в этой области. Также преимуществом системы можно назвать помехоустойчивость и высокую чувствительность, т.к. материал, с которым приходится работать оставляет желать лучшего - т.е. более современной (читай - "более дорогой") техники.

5. ЛИТЕРАТУРНЫЕ ИСТОЧНИКИ

В начало