一种脑梗塞面积及体积的自动测量方法

葛卫红, 孙凤艳

2000年10月18日

2000年3月21日

2000年3月21日

上海医科大学

A61B5/00GK1270005SQ0011501

脑梗塞 体积 测量 自动 面积

1.一种测量脑梗塞面积及体积的方法，其特征在于采用基于脑图象灰度特征的分割方法，区分脑的深染组织和浅染的正常组织及梗塞灶，然后，分别用人工编辑法、直接相减法和间接相减法计算得脑梗塞面积及体积2.按权利要求1所述的测量脑梗塞面积及体积的方法，其特征在于所述的基于脑图象灰度特征的分割及计算方法是按下列步骤进行的(1)首先用无自动增益的CCD及适配器获取各Bregma平面的脑片图像(2)作脑片图象的灰度分布直方图，用谷底法取阈值，将脑片从背景中提取出来，完成第一次分割(3)人工细分脑片左右两侧，检测脑片正常侧灰度的均值M和标准差SD，以T＝M+δ*SD(其中δ为比例系数，0＜δ＜1)为阈值对整张脑片进行二次分割，以区分深染组织和浅染的正常组织及梗塞灶(4)分别用人工编辑法、直接相减法、间接相减法将浅染正常组织和梗塞灶区别开来，完成第三次分割(5)得到脑组织各Bregma平面的梗塞面积后，用梯形公式计算梗塞体积，公式为T=Σi=1n[Ai-12(Al+An)]×h]]>3.按权利要求1和2所述的测量脑梗塞面积及体积的方法，其特征在于所述的基于图象灰度特征的分割方法适用于其他具有对称性结构的组织形态学分析4.按权利要求1和2所述的测量脑梗塞面积及体积的方法，其特征在于所述的基于脑图象灰度特征的分割方法的参数δ可根据不同组织的形态学特征而定

本发明涉及一种生物组织的形态学测量方法脑梗塞面积(或体积)作为缺血后脑损伤程度的主要形态学标志，被广泛应用于实验室研究和临床诊疗中，而脑梗塞灶复杂的形状及不甚清晰的边界，常常给测量带来困难，为此，人们进行了各种尝试，如鼠脑标准图谱誊画法、覆盖网格计数法、照片裁剪称重法近十几年来，基于计算机的图象分析系统(IAS)的普及和应用，使该检测有了质的飞跃IAS通过摄象头或扫描仪将组织学染色后的脑片输入计算机，并在屏幕上成像，待操作员确定梗塞灶后，由IAS给出梗塞灶的面积目前，国内外常用的确定梗塞灶的方法有两种一种是人工勾画法，即用由鼠标或键盘控制的光标直接在屏幕上人工勾画梗塞灶，这种方法非常繁琐，在精确性、可重复性和客观性方面存在较大局限另一种是人工阈值法，即由操作者根据染色后正常组织和梗塞灶的灰度值的不同，选取一个阈值区分两者但是，由于染色深浅或切片厚薄等原因，使同一阈值不可能适用于所有脑片，且阈值设定的变化会引起梗塞灶面积的相应变化，从而使人工阈值法虽然在速度上优于人工勾画法，但在可重复性和客观性等方面无明显改善本发明的目的是提供一种不依赖于操作者经验的、自动随染色深浅而变的阈值生成法测量技术，使梗塞灶面积的直接、间接计算法建立在更具精确性、简捷性、可重复性、客观性的基础上，从而为脑缺血等医学研究中各种干预手段的评估提供更客观的指标本发明采用基于脑图象灰度特征的分割方法，区分脑的深染组织和浅染的正常组织及梗塞灶，然后，用人工编辑法、直接相减法和间接相减法计算脑梗塞面积及体积为临床脑缺血的诊疗研究提供客观依据一般脑片经焦油紫等常规组织学染色后，某一部位的染色深浅和该部位所含正常神经元胞体数正相关，例如，富含正常神经元胞体的灰质(如皮质)呈深染，主要由神经纤维组成的白质(如胼胝体、内囊)呈浅染，而梗塞灶由于神经元坏死缺失亦呈浅染大鼠大脑中动脉缺血再灌后的梗塞灶可从Bregma(一种鼠脑冠状切面的国际定位标准)1.6延伸至Bregma-3.6随着Bregma平面的不同，同一鼠脑正常浅染组织和梗塞灶的形态、位置差异甚大，而且在不同鼠脑的同一Bregma平面，随实验设计和动物个体差异，梗塞灶的形状、位置、纹理特征及和周围正常组织的边缘都有很大不同本发明采用基于图象灰度特征的分割方法对脑梗塞的面积和体积进行测量首先用黑白的无自动增益的CCD及适配器获取各Bregma平面的脑片图像，(也可用具透射光源的扫描仪获取脑片图像)，而后对脑片图像进行三次分割(1)作脑片图象的灰度分布直方图，用谷底法取阈值，将脑片从背景中提取出来，完成第一次分割(2)人工细分脑片左右两侧，检测脑片正常侧灰度的均值M和标准差SD，以T＝M+δ*SD(其中δ为比例系数，0＜δ＜1)为阈值对整张脑片进行二次分割，以区分深染组织和浅染的正常组织及梗塞灶(3)经过二次分割后，脑片的浅染组织被提取出来为将浅染正常组织和梗塞灶区别开来，完成第三次分割，可分别用人工编辑法(手动分割可能相互粘连的正常浅染组织和梗塞灶，以确定后者范围)、直接相减法(将同侧浅染组织和对侧浅染组织的面积之差作为梗塞灶面积)、间接相减法(将对侧正常组织和同侧正常组织的面积之差作为梗塞灶面积，得到去除水肿影响后的梗塞面积)得到鼠脑各Bregma平面的梗塞面积后，用梯形公式计算梗塞体积，公式为T=Σi=1n[Ai-12(Al+An)]×h]]>实施例一脑片制作取缺血再灌后的鼠脑，在Bregma1.6至-3.6之间作冰冻冠状切片，片厚30μ，用焦油紫染色后用于缺血灶面积测定图像获取选用0.7倍的物镜(由上海光学仪器厂定制)、600线黑白电荷耦合元件CCD(台湾MINTRON公司，型号MTV-1802-CB)、CCD适配器(中国恒大图象器件公司，型号ATV-1802)作为图像摄入设备获取图像前调节并固定适配器上的增益控制，将CCD置于无自动增益控制状态同时测定定标系数，此例中为0.035mm/pixel图像分析在德国Leica公司图象分析系统中用QUIPS语言编写应用程序，程序运行情况如下首先，打开图像文件，此例中为b34-9，用鼠标设定测量框大小；由程序对测量框内图像作直方图；并取右起第一谷底值145为阈值对原图第一次分割；用鼠标人工细分脑片左右两侧后，由程序对脑片正常侧(Sc)及缺血侧(Si)的总面积进行计算，得Sc＝35.1mm2，Si＝35.8mm2，而后对脑片正常侧作灰度分析，求得阈值92对原图作二次分割；接着进行结构开操作两次以去除杂散颗粒的影响，并计算脑片正常侧及缺血侧深染面积之差，即得间接相减法的梗塞灶面积Sinf＝8.64mm2，最后在二次分割的轮廓图上用鼠标分割相互粘连的正常浅染组织和梗塞灶，完成人工编辑法的第三次分割从而得相应的梗塞灶面积Sdi＝9.02mm2实施例二用不同方法对12只大鼠的75张脑片进行梗塞面积测量，并对结果进行比较先用人工勾画法对75张脑片作精细勾画，各两次，取其均值作为各脑片梗塞面积的近似标准数据，再以此对各种方法的检测结果作相关分析，结果如下自动阈值-编辑法的相关分析(n＝75)γ＝0.966；其中染色正常组(n＝41)γ＝0.988；手动阈值-编辑法的相关分析(n＝75)γ＝0.977；其中染色正常组(n＝41)γ＝0.989；自动阈值-直接相减法的相关分析染色正常组(n＝41)γ＝0.940以上所有相关系数均具有极其显著意义说明各方法具有较好的替代性另外，随着检测方法自动化程度的提高，单次测量所需时间减少实施例三由三位操作者用不同方法对正常染色的两张脑片进行重复测量结果如表1所示表1、由不同操作者用不同方法对脑片进行八次重复测量的结果(均数±标准差) 随着检测方法自动化程度的提高，逐行数据分析方差不齐的结果提示同一操作者对同一脑片多次测量结果的离散程度呈明显下降趋势；且同一脑片逐列方差齐性及均数标准误的结果提示不同操作者测量结果的离散程度亦呈下降趋势且在手动阈值法中，操作者经验对结果有很大影响，专业人员所得结果的离散程度小于人工勾画法，而对普通操作者，其离散程度和人工勾画法相当，甚至超过人工勾画法，而在自动阈值法中，所有操作者所得结果的离散程度均明显下降实验结果说明，自动阈值法所得结果和标准数据拟合程度良好，检测的可重复性明显优于手动阈值法和人工勾画法，对操作者经验的依赖程度也较低