Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток для выявления информативных параметров на электронно-микроскопических изображениях ультраструктуры белого вещества головного мозга человека | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №21 (155) май 2017 г.

Дата публикации: 30.05.2017

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Нигай Е. Р. Разработка и исследование алгоритма текстурного анализа клеток для выявления информативных параметров на электронно-микроскопических изображениях ультраструктуры белого вещества головного мозга человека // Молодой ученый. — 2017. — №21. — С. 139-142. — URL https://moluch.ru/archive/155/43903/ (дата обращения: 18.02.2019).



Проблема шизофрении интенсивно разрабатывается во многих странах мира. По данным ВОЗ она входит в десятку ведущих причин инвалидности, ее называют «наихудшим заболеванием, поражающим человека». Это связано не только с большой распространенностью заболевания (21 млн. по данным ВОЗ на 2016г), вызываемым им высоким уровнем инвалидизации и соответственно значительным экономическим бременем для общества, но и невыясненностью этиологии и патогенеза этого страдания [1].

На сегодняшний день существует множество подтверждений, что при патологии наблюдаются морфологические изменения в ультраструктуре белого вещества головного мозга человека. Однако на данный момент нет полного количественно-морфологического описания клинической картины.

Важными патогенными факторами, по предположительным данным, полученным в исследованиях, являются генетическая предрасположенность, условия жизни в раннем детстве, нейробиологические нарушения, психологические и социальные взаимодействия. В настоящее время активно изучаются нейробиологические механизмы заболевания.

Одной из гипотез является то, что в белом веществе головного мозга человека при шизофрении происходит изменение нейронных связей и нарушение процессов миелинизации. Качественные исследования показали, что ультраструктура миелинизированных нервных волокон хорошо сохраняется у больных шизофренией и в контрольной группе. Таким образом, важно выделить наиболее информативные морфологические показатели изменений белого вещества головного мозга, сопряженные с заболеванием, а также возрастом больных [2]. Для этого необходимо разработать алгоритм сегментации миелиновых оболочек и текстурного анализа клеток.

Пример анализируемого изображения приведен на рисунке 1. Исследуемые изображения имеют разрешение 12,1 нм/пиксель.

1049310

Рис. 1. Пример исходного изображения

Разрабатываемый алгоритм можно условно разделить на следующие этапы:

  1. Этап текстурного анализа изображения ивыделение внутренних областей.
    1. Вычисление текстурных параметров изображений;
    2. Выделение внутренних областей;
    3. Оценка различий между тремя параметрами на основании расчета ошибок первого и второго рода.
  2. Этап выявления информативных признаков.

2.1. вычисление локальных параметров изображения;

2.2. вычисление параметров отдельных аксонов и их количества;

2.3. оценка распределения изображений и аксонов по рассчитанным параметрам;

2.4. количественная оценка различий между двумя группами изображений по уровням рассматриваемых параметров с помощью статистических критериев.

Для сегментации осевых цилиндров и цитоплазматических набуханий был произведен расчет локальных характеристик. Размеры окна были выбраны эмпирически таким образом, чтобы наблюдалось визуально хорошее качество сегментации. В качестве основных характеристик были рассчитаны локальные СКО, среднее значение, энтропия, гладкость и однородность.

Для уменьшения времени вычисления в качестве исходного изображения была использована его часть, содержащая в себе одну клетку.

1049

Рис. 2. Изображение клетки

Далее по каждой из характеристик строилось бинарное изображение. В качестве порога выбиралось значение, подобранное вручную. В результате наиболее удовлетворительными оказались изображения, полученные по локальным СКО, среднему значению и гладкости.

Рис. 3. Бинарные изображения, полученные по трем характеристикам: а) по параметру СКО, б) по среднему значению, в) по параметру гладкости

Рис. 4. Серые изображения с выделенными на них цитоплазматическими набуханиями

В качестве «проверки» алгоритма был произведен расчет ошибок первого и второго рода следующим образом:

  1. Были получены маски размеченных изображений
  2. Были получены маски неразмеченных изображений
  3. Из одной маски вычиталась другая, в результате были получены областями «истинных» пикселей принятых за «ложные» и «ложных» пикселей принятых за «истинные»
  4. Производился подсчет количества пикселей каждой из областей и расчет ошибок первого и второго рода для метода, основанного на параметре средней яркости
  5. Результаты расчета ошибок I и II рода представлены в Таблице 1:

Таблица 1

Результаты расчета ошибок Iи II рода для 3 параметров

Параметр

СКО

0.09

0.73

0

0.63

0.36

0.19

Среднее

0.02

0.37

0

0.50

0.16

0.08

Гладкость

0.20

0.84

0

0.59

0.44

0.16

В результате анализа трех методов сегментации с визуальной точки зрения был выбран метод сегментации на основе параметра средней яркости. В результате вычисления ошибок первого и второго рода (определение «истинных» пикселей как «ложных» и «ложных пикселей как «истинных») выяснилось, что у выбранного метода они являются минимальными, что является ключевым требованием для выбора алгоритма.

Под интегральными параметрами изображения подразумеваются показатели, рассчитываемые в целом для всего изображения, а именно:

  1. плотность миелинового волокна;
  2. плотность аксонов.

Под плотностью, как миелинового волокна, так и аксонов подразумевается отношение площади этих областей на всем изображении к общей площади изображения. Плотность аксона учитывает, как его внутреннюю область, так и миелиновую оболочку. Расчёт параметров производится для аксонов, чьи внутренние области не находятся на границе изображения. Под параметрами аксонов подразумеваются:

  1. толщина миелиновой оболочки;
  2. отношение площади миелиновой оболочки к площади аксона;
  3. степень округлости аксона;
  4. эксцентриситет аксона.

Таблица 2

Параметр

U-критерий

T-критерий

Толщина миелиновой оболочки

6.67

7.23

Доля миелина на изображении

12.21

12

Степень округлости аксона

3.25

3.25

Эксцентриситет

1.52

2.05

Количество аксонов

0.45

0.42

Плотность аксонов

1.13

1.03

Плотность миелина

0.23

0.12

Критическое значение обоих критериев при уровне значимости 0,05 составляет 1,960

Гипотезы об отсутствии различий в распределениях толщины миелиновой оболочки, отношения площади миелиновой оболочки аксона к площади всего аксона и степени округлости аксонов в двух группах отклоняются с уровнем значимости 0,05. Гипотезы об отсутствии различий в распределениях эксцентриситета аксонов, количества аксонов, плотности аксонов и плотности миелина в двух группах принимаются с уровнем значимости 0,05. Таким образом, с помощью разработанного алгоритма возможно анализировать изображения препаратов белого вещества головного мозга человека, рассчитывать параметры этих изображений, а также параметры отдельных аксонов, выявляя при этом информативные для шизофрении признаки.

Литература:

  1. Уранова Н. А. Дофаминергическая система мозга при шизофрении: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. д-ра мед. наук. М.:1995. — 32 с.
  2. Шашин А. Е. Разработка и исследование алгоритмов анализа ультраструктуры белого вещества головного мозга человека по электронно-микроскопическим изображениям // Молодежный научно-технический вестник. — 2012. — № 7. — С. 1–2.
  3. Самородова О. А., Самородов А. В. Разработка алгоритма автоматической сегментации флуоресцентно-микроскопических изображений препаратов клеточных культур для задач микробиологии // Молодежный научно-технический вестник. — 2013. — № 6. — С. 5–6.
Основные термины (генерируются автоматически): миелиновая оболочка, белое вещество, плотность аксонов, параметр, отношение площади, аксон, изображение, головной мозг человека, уровень значимости, исходное изображение.


Похожие статьи

Морфология изменений в структурах головного мозга при...

В работе изучены морфологические изменения в коре и белом веществе лобных долей головного мозга при сосудистой деменции.

Патоморфологической основой лейкоареоза является разрушение миелина и потеря аксонов, микроинфаркты, астроглиоз, ангионекроз...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

Рассеянный склероз (РС) — хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон

Оценка диффузного поражения белого вещества головного мозга с помощью компьютерной томографии при хронической ишемии мозга.

Роль компьютерной томографии при диффузном изменении...

Сосудистые заболевания головного мозга в клинической неврологии по праву считаются проблемой номер один, что объясняется высокими уровнями

Степень снижения плотности белого вещества позволяло судить о выраженности структурных изменений.

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Импульсы передаются толчками от одного узла аксона (синапса) к другому

Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений. Под ред. А. И. Галушкина и Ю. В. Гуляева — Москва, Изд-во ИРПЖР.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Рассеянный склероз ‒ актуальная неврологическая проблема XXI...

Магнитно–резонансная спектроскопия выявляет заметное снижение уровня основного маркера сохранности аксонов и нейронов — N–ацетиласпартата (NAA) как в очагах, так и в «нормально выглядящем» при МРТ–исследовании белом и сером веществе головного мозга.

Исследование возможностей использования нейронных сетей

Пример изображения показан на рисунке 4

В медицинской практике бывают случаи, когда, в следствие повреждений головного мозга

График на рис. 14 показывает зависимость от разных значений параметра a. Параметр характеризует степень крутизны функции.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Определение температуры вещества основано на резисторных и термопарных датчиков, которым влияние внешних электромагнитных полей существенно снижает точность и скорости

Изучая отношение интенсивности этих компонентов можно определить температуру образца.

Роль магнитно-резонансной томографии головного мозга...

Время исследования (мин.) МР-параметры импульсных последовательностей.

Основные термины (генерируются автоматически): головной мозг, новорожденный, белое вещество, уровень отверстия, аксиальная плоскость, внутренняя капсула, высокая частота, заднее бедро...

Применение метода многопараметрического распознавания...

Структурные характеристики применяют для описания изображений сложных объектов.

Сформируем эталонные оценки многомерных условных плотностей вероятности, которые

Реальные параметры исследуемого оборудования  x. Значения параметров приведены в...

Морфология изменений в структурах головного мозга при...

В работе изучены морфологические изменения в коре и белом веществе лобных долей головного мозга при сосудистой деменции.

Патоморфологической основой лейкоареоза является разрушение миелина и потеря аксонов, микроинфаркты, астроглиоз, ангионекроз...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

Рассеянный склероз (РС) — хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон

Оценка диффузного поражения белого вещества головного мозга с помощью компьютерной томографии при хронической ишемии мозга.

Роль компьютерной томографии при диффузном изменении...

Сосудистые заболевания головного мозга в клинической неврологии по праву считаются проблемой номер один, что объясняется высокими уровнями

Степень снижения плотности белого вещества позволяло судить о выраженности структурных изменений.

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Импульсы передаются толчками от одного узла аксона (синапса) к другому

Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений. Под ред. А. И. Галушкина и Ю. В. Гуляева — Москва, Изд-во ИРПЖР.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Рассеянный склероз ‒ актуальная неврологическая проблема XXI...

Магнитно–резонансная спектроскопия выявляет заметное снижение уровня основного маркера сохранности аксонов и нейронов — N–ацетиласпартата (NAA) как в очагах, так и в «нормально выглядящем» при МРТ–исследовании белом и сером веществе головного мозга.

Исследование возможностей использования нейронных сетей

Пример изображения показан на рисунке 4

В медицинской практике бывают случаи, когда, в следствие повреждений головного мозга

График на рис. 14 показывает зависимость от разных значений параметра a. Параметр характеризует степень крутизны функции.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Определение температуры вещества основано на резисторных и термопарных датчиков, которым влияние внешних электромагнитных полей существенно снижает точность и скорости

Изучая отношение интенсивности этих компонентов можно определить температуру образца.

Роль магнитно-резонансной томографии головного мозга...

Время исследования (мин.) МР-параметры импульсных последовательностей.

Основные термины (генерируются автоматически): головной мозг, новорожденный, белое вещество, уровень отверстия, аксиальная плоскость, внутренняя капсула, высокая частота, заднее бедро...

Применение метода многопараметрического распознавания...

Структурные характеристики применяют для описания изображений сложных объектов.

Сформируем эталонные оценки многомерных условных плотностей вероятности, которые

Реальные параметры исследуемого оборудования  x. Значения параметров приведены в...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Морфология изменений в структурах головного мозга при...

В работе изучены морфологические изменения в коре и белом веществе лобных долей головного мозга при сосудистой деменции.

Патоморфологической основой лейкоареоза является разрушение миелина и потеря аксонов, микроинфаркты, астроглиоз, ангионекроз...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

Рассеянный склероз (РС) — хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон

Оценка диффузного поражения белого вещества головного мозга с помощью компьютерной томографии при хронической ишемии мозга.

Роль компьютерной томографии при диффузном изменении...

Сосудистые заболевания головного мозга в клинической неврологии по праву считаются проблемой номер один, что объясняется высокими уровнями

Степень снижения плотности белого вещества позволяло судить о выраженности структурных изменений.

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Импульсы передаются толчками от одного узла аксона (синапса) к другому

Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений. Под ред. А. И. Галушкина и Ю. В. Гуляева — Москва, Изд-во ИРПЖР.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Рассеянный склероз ‒ актуальная неврологическая проблема XXI...

Магнитно–резонансная спектроскопия выявляет заметное снижение уровня основного маркера сохранности аксонов и нейронов — N–ацетиласпартата (NAA) как в очагах, так и в «нормально выглядящем» при МРТ–исследовании белом и сером веществе головного мозга.

Исследование возможностей использования нейронных сетей

Пример изображения показан на рисунке 4

В медицинской практике бывают случаи, когда, в следствие повреждений головного мозга

График на рис. 14 показывает зависимость от разных значений параметра a. Параметр характеризует степень крутизны функции.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Определение температуры вещества основано на резисторных и термопарных датчиков, которым влияние внешних электромагнитных полей существенно снижает точность и скорости

Изучая отношение интенсивности этих компонентов можно определить температуру образца.

Роль магнитно-резонансной томографии головного мозга...

Время исследования (мин.) МР-параметры импульсных последовательностей.

Основные термины (генерируются автоматически): головной мозг, новорожденный, белое вещество, уровень отверстия, аксиальная плоскость, внутренняя капсула, высокая частота, заднее бедро...

Применение метода многопараметрического распознавания...

Структурные характеристики применяют для описания изображений сложных объектов.

Сформируем эталонные оценки многомерных условных плотностей вероятности, которые

Реальные параметры исследуемого оборудования  x. Значения параметров приведены в...

Морфология изменений в структурах головного мозга при...

В работе изучены морфологические изменения в коре и белом веществе лобных долей головного мозга при сосудистой деменции.

Патоморфологической основой лейкоареоза является разрушение миелина и потеря аксонов, микроинфаркты, астроглиоз, ангионекроз...

Нейротрофические эффекты лития, актуальные для снижения...

Рассеянный склероз (РС) — хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон

Оценка диффузного поражения белого вещества головного мозга с помощью компьютерной томографии при хронической ишемии мозга.

Роль компьютерной томографии при диффузном изменении...

Сосудистые заболевания головного мозга в клинической неврологии по праву считаются проблемой номер один, что объясняется высокими уровнями

Степень снижения плотности белого вещества позволяло судить о выраженности структурных изменений.

От биологических процессов мозга к нейровычислителям

Импульсы передаются толчками от одного узла аксона (синапса) к другому

Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений. Под ред. А. И. Галушкина и Ю. В. Гуляева — Москва, Изд-во ИРПЖР.

Управление мобильным роботом посредством сигналов головного мозга.

Рассеянный склероз ‒ актуальная неврологическая проблема XXI...

Магнитно–резонансная спектроскопия выявляет заметное снижение уровня основного маркера сохранности аксонов и нейронов — N–ацетиласпартата (NAA) как в очагах, так и в «нормально выглядящем» при МРТ–исследовании белом и сером веществе головного мозга.

Исследование возможностей использования нейронных сетей

Пример изображения показан на рисунке 4

В медицинской практике бывают случаи, когда, в следствие повреждений головного мозга

График на рис. 14 показывает зависимость от разных значений параметра a. Параметр характеризует степень крутизны функции.

Определение физических параметров радиационных процессов...

Определение температуры вещества основано на резисторных и термопарных датчиков, которым влияние внешних электромагнитных полей существенно снижает точность и скорости

Изучая отношение интенсивности этих компонентов можно определить температуру образца.

Роль магнитно-резонансной томографии головного мозга...

Время исследования (мин.) МР-параметры импульсных последовательностей.

Основные термины (генерируются автоматически): головной мозг, новорожденный, белое вещество, уровень отверстия, аксиальная плоскость, внутренняя капсула, высокая частота, заднее бедро...

Применение метода многопараметрического распознавания...

Структурные характеристики применяют для описания изображений сложных объектов.

Сформируем эталонные оценки многомерных условных плотностей вероятности, которые

Реальные параметры исследуемого оборудования  x. Значения параметров приведены в...

Задать вопрос