一种细胞图像跟踪智能算法制造技术

本发明专利技术公开了一种细胞图像跟踪智能算法，实现对斑马鱼胚胎内中性粒细胞的三维跟踪。采集速度达到相机帧速率、对生物样本光辐射小。将各种图像处理和识别算法用于斑马鱼胚胎内中性粒细胞的检测与识别，得到细胞的位置变化和形态学特征。为下一步数据分析奠定基础。并分析中性粒细胞结构、形态学特征、运动轨迹与炎症和药物作用的相互关系，为研究疾病变化和药物机理奠定实验与理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种细胞图像跟踪智能算法
本专利技术涉及光学成像系统与图像处理模式识别领域，涉及一种瞬时正交光学投影层析成像系统。
技术介绍
揭示生命的本质、关注人类健康是当代科技发展的主线。通过对生物样本进行成像来研究样本的结构特点和生理功能，可达到为医学临床诊断提供客观依据的目的。光学投影层析成像(OpticalProjectionTomography，OPT)技术将CT技术和显微技术相结合，能对荧光和非荧光物质进行三维成像的新技术。OPT具有比核磁共振更高的分辨率，可达微米量级；具有比共焦显微成像更大的成像深度，能够对厚达十几毫米的样品进行成像，也可以利用彩色或荧光染料对样本进行组织特异性或基因特异性着色处理。OPT成像时，先采集样品不同断层在不同角度下的投影数据，再由计算机对这些数据运用Radon逆变换来重组图像。OPT在组织发育、基因表达、以及医疗诊断等方面的研究中具有重要价值。了解生物系统不仅需要研究细胞的空间分布，还需要研究它们随时间的动态变化。研究细胞的动态即细胞的移动情况，这对研究疾病变化、癌症转移是极为重要的。组织中被迫坏地方会有炎症反应，免疫细胞会发生变化，这时白细胞会增多。细胞移动情况可以依据组织内的三维模型展开。在染病的模型中，研究活体生物体内细胞移动，这对生物医药机理研究具有重要的现实意义。利用瞬时正交成像技术(在相互垂直的CCD同时采集两幅图像)来定位和跟踪细胞的运动。研究细胞检测与识别算法，提取细胞的多参量形态学特征。为生物组织研究和医药运行机理提供新的技术手段和思路。
技术实现思路
有鉴于此，为了达到上述技术方案的效果，本专利技术提供一种解决或部分解决上述问题的一种细胞图像跟踪智能算法：步骤一、图像采集：斑马鱼胚胎放置在旋转台上开始旋转，在旋转的同时，通过瞬时正交的光学成像系统对斑马鱼胚胎中细胞对象进行图像采集；经过完整的图像采集后得到投影图像对，对投影图像对进行图像增强，图像去噪和图像分割，通过数学形态学平滑和尺寸筛选进行图像分割，得到多个中性粒细胞图像，通过跟踪多个中性粒细胞图像中的所有中性粒细胞的运动轨迹，设定分割多个中性粒细胞图像的面积小于一特定值；并用分水岭算法进行分割相互接触和重叠的情况；采集多个中性粒细胞图像中都有记录着当前时刻所有中性粒细胞的坐标位置；采集多个中性粒细胞图像时相隔两帧图像拍摄时间间隔为一固定时间；步骤二、跟踪算法：分析多个中性粒细胞图像，并把分析出的对象中的其中一个中性粒细胞作为目标；任意给定的时间点k经过一固定时间后的下一时间点为时间点k+1；时间点k+1经过一固定时间后的下一时间点为时间点k+2；将时间点k时的目标与在时间点k+1时离得最近的目标联系起来，通过比较预测位置与实际位置的几何距离差值，判断是否列入目标的轨迹列表；步骤三、细胞形态学特征、运动速度和方向的测量：重构跟踪目标的轨迹后，计算以下特征：目标的轨迹总的长度，为一个中性粒细胞总的移动距离；目标的轨迹总位移，为一个中性粒细胞的起点和终点的距离；目标的平均速度值和运动方向；跟踪时间间隔；根据目标判断运动方向：从目标在时间点k时，时间点k+1时，时间点k+2时的三个位置进行连线后，计算相邻两个位移增量的夹角余弦值，得到运动方向；夹角余弦值若为1则运动方向方向值为1；称为单方向性运动方向；夹角余弦值若为0则运动方向方向值为0；称为完全无序性运动方向；距离伤口近的目标会受到影响是具有单方向性运动方向，距离伤口远的目标不会受到影响就是完全无序性运动方向，用于判断目标是否会朝着斑马鱼胚胎的伤口移动；步骤四、细胞检测与识别：定义测量投影坐标系的X轴，Y轴，Z轴；Z轴是垂直坐标；X轴是横坐标从多个中性粒细胞图像的左边开始测量，Y轴是另一个横坐标，与Y轴正交；投影图像以Z轴分成XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像；在每个一固定时间时在XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像各采集一幅图像，以减少对斑马鱼胚胎进行三维跟踪时的光辐射，并在0到时间点k之间的时间段里得到k个投影图像对，通过图像分割和三角测量，目标在时间点k时的测定坐标为Xk，Yk，Zk，其中：Xk、Yk、Zk分别为目标在时间点k时在X轴上，Y轴上，Z轴上的测定坐标；Xk+1、Yk+1分别为目标在时间点k+1时在X轴上，Y轴上的测定坐标值；目标在时间点k时的预测坐标为P(xk，yk，zk)，其中：P(xk)、P(yk)、P(zk)分别为目标在时间点k时在X轴上，Y轴上，Z轴上的预测坐标值；利用公式(1)进行坐标预测；且Pk(zk+1)＝Zk+1公式(1)公式(1)中的Pk(zk+1)＝Zk+1中的Pk(zk+1)为目标在时间点k+1时在Z轴上的预测坐标值；Zk+1为目标在时间点k+1时在Z轴上的测定坐标值；Pk(zk+1)＝Zk+1表示目标在时间点k+1时在Z轴上的预测坐标值，与目标在时间点k+1时在Z轴上的测定坐标值相等；公式(1)中的·为点乘符号公式(1)中的θ是旋转采集时每个时间点k中任意相邻采集的图像帧的角度步长，XAOR，YAOR是旋转轴在投影坐标系中的XY轴的坐标位置；在XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像检测单个目标，采用大小可调、非线性高帽函数图像处理算法进行识别目标；根据多个目标大小经验值分割判定单个目标的有效区域，拟合(拟合就是把平面上一系列的点，用一条光滑的曲线连接起来)计算出多个目标的几何中心，在XZ坐标系的坐标为(x，z)，在YZ坐标系的坐标为(y，z)；在对k对投影图像对中的目标进行识别时，如果有相近的Z坐标值则认为是同一目标；在XZ坐标系和YZ坐标系中存在2个或以上目标有相近的Z坐标值，随着旋转台转动，如果是不同目标，接下来的图像中的Z坐标值的变化不满足设定的边界条件从而排除掉；步骤五、重构来自测量投影坐标系的分割目标的运动轨迹：在任意给定帧的每个目标与下一帧最近的目标联系起来；所有识别的目标在第k个时间点的检测的坐标Xk，Yk，Zk坐标列表变换到第k+1个时间点的坐标系统P(xk+1，yk+1，zk+1)，P(xk+1，yk+1，zk+1)与在第k+1个时间点检测的坐标Xk+1，Yk+1，Zk+1进行比较，目标的空间距离在某一个范围内时认为是同一个目标，每个目标只能加入一个轨迹；P(xk+1，yk+1，zk+1)是目标在是根据识别的目标在第k个时间点的坐标Xk，Yk，Zk在第k+1个时间点的预测坐标；如果相应的目标在第k+1个时间点没有被识别，利用合适的变换将第k+2个时间点的预测坐标与第k+2个时间点的坐标进行比较；如果相应的目标仍然没有被识别，则目标的跟踪在第k个时间点终止。附图说明图1为细胞跟踪智能算法的技术路线图图2为细胞跟踪智能算法的跟踪算法流程图图3为正交光学投影层析成像系统的焦平面(显示了正交成像系统对于交叉位面在旋转轴的聚焦)(FP焦平面，旋转轴)图4为细胞跟踪智能算法的另一种技术路线图图5为正交光学投影层析成像系统的俯视图(显示了正交成像系统对于交叉位面在旋转轴的聚焦)(FP焦平面，旋转轴)具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，能实现同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细胞图像跟踪智能算法，其特征在于，包含以下：步骤一、图像采集：斑马鱼胚胎放置在旋转台上开始旋转，在旋转的同时，通过瞬时正交的光学成像系统对所述斑马鱼胚胎中细胞对象进行图像采集；经过完整的所述图像采集后得到投影图像对，对所述投影图像对进行图像增强，图像去噪和图像分割，通过数学形态学平滑和尺寸筛选进行所述图像分割，得到多个中性粒细胞图像，通过跟踪所述多个中性粒细胞图像中的所有中性粒细胞的运动轨迹，设定分割所述多个中性粒细胞图像的面积小于一特定值；并用分水岭算法进行分割相互接触和重叠的情况；采集所述多个中性粒细胞图像中都有记录着当前时刻所述所有中性粒细胞的坐标位置；采集所述多个中性粒细胞图像时相隔两帧图像拍摄时间间隔为一固定时间；步骤二、跟踪算法：分析所述多个中性粒细胞图像，并把分析出的对象中的其中一个中性粒细胞作为目标；任意给定的时间点k经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+1；所述时间点k+1经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+2；将所述时间点k时的所述目标与在所述时间点k+1时离得最近的所述目标联系起来，通过比较预测位置与实际位置的几何距离差值，判断是否列入所述目标的轨迹列表；步骤三、细胞形态学特征、运动速度和方向的测量：重构跟踪所述目标的轨迹后，计算以下特征：所述目标的轨迹总的长度，为所述一个中性粒细胞总的移动距离；所述目标的轨迹总位移，为所述一个中性粒细胞的起点和终点的距离；所述目标的平均速度值和运动方向；跟踪时间间隔；根据所述目标判断运动方向：从所述目标在所述时间点k时，所述时间点k+1时，所述时间点k+2时的三个位置进行连线后，计算相邻两个位移增量的夹角余弦值，得到运动方向；所述夹角余弦值若为1则运动方向方向值为1；称为单方向性运动方向；所述夹角余弦值若为0则运动方向方向值为0；称为完全无序性运动方向；距离伤口近的所述目标会受到影响是具有所述单方向性运动方向，距离伤口远的所述目标不会受到影响就是所述完全无序性运动方向，用于判断所述目标是否会朝着所述斑马鱼胚胎的伤口移动；步骤四、细胞检测与识别：定义测量投影坐标系的X轴，Y轴，Z轴；所述Z轴是垂直坐标；所述X轴是横坐标从所述多个中性粒细胞图像的左边开始测量，所述Y轴是另一个横坐标，与所述Y轴正交；所述投影图像以所述Z轴分成XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像；在每个所述一固定时间时在所述XZ轴上的投影图像和所述YZ轴上的投影图像各采集一幅图像，以减少对所述斑马鱼胚胎进行三维跟踪时的光辐射，并在0到所述时间点k之间的时间段里得到k个投影图像对，通过图像分割和三角测量，所述目标在所述时间点k时的测定坐标为X...

【技术特征摘要】
1.一种细胞图像跟踪智能算法，其特征在于，包含以下：步骤一、图像采集：斑马鱼胚胎放置在旋转台上开始旋转，在旋转的同时，通过瞬时正交的光学成像系统对所述斑马鱼胚胎中细胞对象进行图像采集；经过完整的所述图像采集后得到投影图像对，对所述投影图像对进行图像增强，图像去噪和图像分割，通过数学形态学平滑和尺寸筛选进行所述图像分割，得到多个中性粒细胞图像，通过跟踪所述多个中性粒细胞图像中的所有中性粒细胞的运动轨迹，设定分割所述多个中性粒细胞图像的面积小于一特定值；并用分水岭算法进行分割相互接触和重叠的情况；采集所述多个中性粒细胞图像中都有记录着当前时刻所述所有中性粒细胞的坐标位置；采集所述多个中性粒细胞图像时相隔两帧图像拍摄时间间隔为一固定时间；步骤二、跟踪算法：分析所述多个中性粒细胞图像，并把分析出的对象中的其中一个中性粒细胞作为目标；任意给定的时间点k经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+1；所述时间点k+1经过所述一固定时间后的下一时间点为时间点k+2；将所述时间点k时的所述目标与在所述时间点k+1时离得最近的所述目标联系起来，通过比较预测位置与实际位置的几何距离差值，判断是否列入所述目标的轨迹列表；步骤三、细胞形态学特征、运动速度和方向的测量：重构跟踪所述目标的轨迹后，计算以下特征：所述目标的轨迹总的长度，为所述一个中性粒细胞总的移动距离；所述目标的轨迹总位移，为所述一个中性粒细胞的起点和终点的距离；所述目标的平均速度值和运动方向；跟踪时间间隔；根据所述目标判断运动方向：从所述目标在所述时间点k时，所述时间点k+1时，所述时间点k+2时的三个位置进行连线后，计算相邻两个位移增量的夹角余弦值，得到运动方向；所述夹角余弦值若为1则运动方向方向值为1；称为单方向性运动方向；所述夹角余弦值若为0则运动方向方向值为0；称为完全无序性运动方向；距离伤口近的所述目标会受到影响是具有所述单方向性运动方向，距离伤口远的所述目标不会受到影响就是所述完全无序性运动方向，用于判断所述目标是否会朝着所述斑马鱼胚胎的伤口移动；步骤四、细胞检测与识别：定义测量投影坐标系的X轴，Y轴，Z轴；所述Z轴是垂直坐标；所述X轴是横坐标从所述多个中性粒细胞图像的左边开始测量，所述Y轴是另一个横坐标，与所述Y轴正交；所述投影图像以所述Z轴分成XZ轴上的投影图像和YZ轴上的投影图像；在每个所述一固定时间时在所述XZ轴上的投影图像和所述YZ轴上的投影图像各采集一幅图像，以减少对所述斑马鱼胚胎进行三维跟踪时的光辐射，并在0到所述时间点k之间的时间段里得到k个投影图像对，通过图像分割和三角测量，所述目标在所述时间点k时的测定坐标为Xk，Yk，Zk，其中：Xk、Yk、Zk分...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡学娟，陈玲玲，阮双琛，彭焓，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44