原位分子雜交圖象中銀粒的分割方法研究
瀏覽次數(shù)：74 發(fā)布日期：2024-11-19
來源：威尼德生物科技
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)極具挑戰(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問題時(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
閾值分割是一種簡單直接的圖象分割方法。它通過選擇一個(gè)合適的閾值，將圖象像素分為目標(biāo)和背景兩類。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)域生長算法從種子點(diǎn)開始，根據(jù)一定的相似性準(zhǔn)則逐步合并周圍像素。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)域生長不均勻或過度生長。
三、我們的方法
（一）預(yù)處理
- 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。
- 灰度校正
由于圖象采集過程中可能存在光照不均勻等問題，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
- 雙閾值法
我們首先采用雙閾值法進(jìn)行初步分割。通過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。
- 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)像素周圍局部區(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
- 形狀分析
經(jīng)過閾值分割后，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、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。
- 區(qū)域合并與分裂
對(duì)于一些因閾值分割而被過度分割的銀粒，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
- 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。
- 參數(shù)調(diào)整
在訓(xùn)練階段，通過手動(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。
- 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)。混合閾值分割能夠適應(yīng)銀�；叶鹊膹�(fù)雜變化，提高了分割的準(zhǔn)確性。基于形狀特征的后處理進(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題，提出了一種綜合的分割方法。通過實(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。
