一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法技术

本发明专利技术公开了一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，首先提取粘连染色体区域轮廓凹点，接着通过两两凹点形成的切割线对粘连染色体图像进行切割，最后就是对切割后的局部区域进行融合操作，选取最合适的区域作为最终的单条染色体区域。本发明专利技术实现了对粘连染色体自动化分割，提高染色体核型分析效率。

A Segmentation Method of G-banded Adhesive Chromosomes Based on Geometric Features and Region Fusion

The invention discloses a G-banding adherent chromosome segmentation method based on geometric features and region fusion. Firstly, concave points of the adherent chromosome region contour are extracted, then the adherent chromosome image is cut by cutting lines formed by two or two concave points, finally, the local region after cutting is fused, and the most suitable region is selected as the final single chromosome region. The invention realizes automatic segmentation of adherent chromosomes and improves the efficiency of chromosome karyotype analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法
：本专利技术涉及一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，属于图像处理领域。
技术介绍
：在相关生殖与遗传学专科医院中，染色体核型分析是一项重要的医疗诊断手段。目前随着计算机图像处理技术的发展，针对染色体图像各种新颖的图像处理算法层出不穷，所有的这些方法基本上都是为了改善、提高原来的主要依赖人工辅助进行染色体图像处理的软件系统。染色体核型分析前，对粘连染色体图像进行分割仍然是一项难题。由于染色体本身的柔软性、制片后的染色体具有粘连多样性。粘连染色体的基本形态大致有：轻触粘连、重度粘连、交叉、重叠以及由这些基本形态组成的多条染色体混合粘连。目前多数专科医院所使用的软件系统基本上仍需要人工辅助进行分割。对染色体粘连分割研究中，相关学者提出了不同的分割方法，有基于对染色体粘连形态进行先分类后分割的方法，这种方法先把染色体形态分成“T”型、“X”型、“H”型等粘连方式，然后逐一对不同形态进行特征提取并作分割；有基于数学形态学方法对粘连染色体进行腐蚀与膨胀操作，通过极度腐蚀得到染色体形态核，最后再反向膨胀得到单条染色体；还有结合几何形态学特征与SVM分类器对染色体进行粘连分割的方法。前人所提方法实现思路不一，但大致方向都会依赖染色体几何特征的提取。例如描述粘连染色体形态的几何特征，多数学者都是先通过提取染色体轮廓、然后根据轮廓曲线的曲率变化搜索由粘连形成的凹点。其中轮廓曲线的曲率变化计算方法大致有：Freeman链码法、曲线拟合法等。总之，依赖几何特征对粘连染色体进行分割主要取决于描述染色体特征的鲁棒性，而这些特征基本上又决定于具体的染色体成像质量以及相关的经验判断。此外上述前人研究成果针对的染色体制片类型也存在差异，例如对于极度腐蚀的方法，该方法对于Q显带染色体效果较好，而对于本专利所涉及的G显带染色体分割效果欠佳，这主要是由于G显带染色体的着丝点较明显而导致难以得到合适的染色体形态核。总之，本专利针对染色体G显带中期灰度图像，提出一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法。
技术实现思路
：为提高染色体核型分析系统智能化，解决粘连染色体分割问题成为关键。为此提出一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法。本专利技术通过以下方案实现：一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，包括如下步骤：步骤一、读入已经过噪声去除处理的染色体G显带中期灰度图像；步骤二、提取步骤一图像的所有染色体连通区域图像并保存在图像集合AR中；步骤三、创建染色体连通区域图像集合Si和Ad；图像集合Si用于存放单条染色体图像，图像集合Ad用于存放非单条染色体图像；步骤四、遍历步骤二图像集合AR中的所有染色体连通区域图像，将符合条件Ⅰ或条件Ⅱ或条件Ⅲ的区域图像视为单条染色体并存放在单条染色体图像集合Si中，否则存放在非单条染色体图像集合Ad中，其中Si与Ad如步骤三所述；其中条件Ⅰ指染色体连通区域图像的轮廓凹点个数小于参数T3；条件Ⅱ指染色体连通区域图像自身面积与其凸包面积之比大于参数T4；条件Ⅲ指染色体连通区域图像的骨架线端点个数为2个，且对骨架坐标序列进行最小二乘法直线拟合，统计骨架坐标序列的残差标准差小于参数T5；步骤五、遍历步骤四集合Si中的染色体区域图像，计算符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度W，并统计所有符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度的最大值Wmax与最小值Wmin；步骤六、遍历步骤四集合Ad中的染色体区域图像，对集合Ad中任一幅图像P而言，提取P的染色体区域轮廓坐标序列，并计算P的轮廓凹点个数N，及凹点坐标集合，用下式表示：PIT＝{(xi,yi)|i为[1,N]之间的整数}其中N为图像P的轮廓凹点个数，PIT为凹点坐标集合，并记PIT(i)为第i个凹点的坐标，这里的i为下标索引数值；xi表示第i个凹点的横坐标，yi表示第i个凹点的纵坐标；步骤七、对步骤六中图像P的轮廓凹点进行两两组合形成切割线，共有条切割线，将由这些切割线构成的集合用下式表示：CUT＝{(PIT(i),PIT(j))|i≠j，且为[1,N]之间的整数}其中N为步骤六中图像P的轮廓凹点个数，CUT为切割线集合，并记CUT(k)为第k条切割线，PIT(i)，PIT(j)为该条切割线两端凹点坐标，i，j，k均为下标索引数值。步骤八、筛选切割线，将不符合条件Ⅳ的切割线排除，并将剩余切割线集合记为CUT′，记CUT′(i)为第i条有效切割线，i为下标索引数值；条件Ⅳ为：对染色体连通区域图像的任意两个轮廓凹点需要满足这两个凹点组成的切割线段不穿过区域图像背景，且这两个凹点的直线距离的2倍小于这两个凹点沿轮廓的最短长度；步骤九、步骤六至步骤八计算了集合Ad中任一幅粘连染色体区域图像P与其有效切割线集合CUT′，对图像P执行粘连染色体分割策略；步骤十、若集合Ad不为空，继续分割下一个粘连染色体区域图像，重复步骤六～九，否则结束染色体粘连分割程序。进一步的改进，所述步骤三中，所述非单条染色体均为粘连染色体。进一步的改进，所述步骤五，染色体区域的平均宽度计算方法如下：1)初始化变量K＝5，STEP＝2；K表示索引值序号；STEP表示索引步长2)分别按顺序提取染色体区域轮廓与骨架坐标序列，骨架坐标序列记为S，记S(i)为第i个骨架点坐标；3)初始化i＝K+1；4)若骨架坐标序列S的点数小于2*K+1，则执行步骤5)，否则执行步骤6)到9)；5)利用最小二乘法对骨架坐标序列S中的所有坐标进行直线拟合得到拟合直线，计算与所述拟合直线相垂直的垂线斜率a，并计算通过S的中点且斜率为a的直线与染色体区域轮廓相交的两个点之间的距离d，将此距离作为染色体区域平均宽度W，并结束程序；6)利用最小二乘法对S中的第i-K到i+K的点进行分段直线拟合得到拟合直线，计算与所述拟合直线相垂直的垂线斜率a，并计算通过S(i)且斜率为a的直线与染色体区域轮廓相交的两个点之间的距离d，将此距离作为点S(i)处的染色体区域宽度；7)修改i为i＝i+STEP；8)重复步骤6)，直到i+K大于S的点数为止；9)最后计算染色体区域宽度的平均值W，并结束程序。进一步的改进，所述步骤六，染色体区域凹点的计算方法如下：1)如步骤六所述，对于任一幅非单条染色体区域图像P，首先提取所述非单条染色体区域轮廓坐标序列，记为B，并记第i个轮廓坐标为B(i)，i为下标索引数值；2)初始化变量K＝2，MAXSTEP＝7，i＝1；MAXSTEP表示最大步长3)按顺序遍历染色体区域轮廓坐标序列，对于第i个轮廓坐标位置，计算第i个轮廓坐标位置的凹角θ，其余弦值为：其中表示轮廓上第i个点B(i)到第i-K个点B(i-K)的向量；表示轮廓上第i个点B(i)到第i+K个点的向量；4)将凹角θ＜T1且B(i-K)与B(i+K)的中点在染色体区域之外的轮廓点标记为候选凹点；5)i＝i+1，若i大于轮廓点个数执行步骤6)，否则继续步骤3)、4)；6)K＝K+1，若K大于MAXSTEP执行步骤7)，否则重新初始化i＝1继续步骤3)、4)、5)；7)将沿轮廓距离小于5个像素的两个候选凹点之间的轮廓点均被标记为候选凹点；8)确定候选凹点段的中点：将沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、读入经过噪声去除处理的染色体G显带中期灰度图像；步骤二、提取步骤一图像的所有染色体连通区域图像并保存在图像集合AR中；步骤三、创建染色体连通区域图像集合Si和Ad；图像集合Si用于存放单条染色体图像，图像集合Ad用于存放非单条染色体图像；步骤四、遍历步骤二图像集合AR中的所有染色体连通区域图像，将符合条件Ⅰ或条件Ⅱ或条件Ⅲ的区域图像视为单条染色体并存放在单条染色体图像集合Si中，否则存放在非单条染色体图像集合Ad中，其中Si与Ad如步骤三所述；其中条件Ⅰ指染色体连通区域图像的轮廓凹点个数小于参数T3；条件Ⅱ指染色体连通区域图像自身面积与其凸包面积之比大于参数T4；条件Ⅲ指染色体连通区域图像的骨架线端点个数为2个，且对骨架坐标序列进行最小二乘法直线拟合，统计骨架坐标序列的残差标准差小于参数T5；步骤五、遍历步骤四集合Si中的染色体区域图像，计算符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度W，并统计所有符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度的最大值Wmax与最小值Wmin；步骤六、遍历步骤四集合Ad中的染色体区域图像，对集合Ad中任一幅图像P而言，提取P的染色体区域轮廓坐标序列，并计算P的轮廓凹点个数N，及凹点坐标集合，用下式表示：PIT＝{(xi,yi)|i为[1,N]之间的整数}其中N为图像P的轮廓凹点个数，PIT为凹点坐标集合，并记PIT(i)为第i个凹点的坐标，这里的i为下标索引数值；xi表示第i个凹点的横坐标，yi表示第i个凹点的纵坐标；步骤七、对步骤六中图像P的轮廓凹点进行两两组合形成切割线，共有...

【技术特征摘要】
1.一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、读入经过噪声去除处理的染色体G显带中期灰度图像；步骤二、提取步骤一图像的所有染色体连通区域图像并保存在图像集合AR中；步骤三、创建染色体连通区域图像集合Si和Ad；图像集合Si用于存放单条染色体图像，图像集合Ad用于存放非单条染色体图像；步骤四、遍历步骤二图像集合AR中的所有染色体连通区域图像，将符合条件Ⅰ或条件Ⅱ或条件Ⅲ的区域图像视为单条染色体并存放在单条染色体图像集合Si中，否则存放在非单条染色体图像集合Ad中，其中Si与Ad如步骤三所述；其中条件Ⅰ指染色体连通区域图像的轮廓凹点个数小于参数T3；条件Ⅱ指染色体连通区域图像自身面积与其凸包面积之比大于参数T4；条件Ⅲ指染色体连通区域图像的骨架线端点个数为2个，且对骨架坐标序列进行最小二乘法直线拟合，统计骨架坐标序列的残差标准差小于参数T5；步骤五、遍历步骤四集合Si中的染色体区域图像，计算符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度W，并统计所有符合条件Ⅱ或条件Ⅲ的染色体区域的平均宽度的最大值Wmax与最小值Wmin；步骤六、遍历步骤四集合Ad中的染色体区域图像，对集合Ad中任一幅图像P而言，提取P的染色体区域轮廓坐标序列，并计算P的轮廓凹点个数N，及凹点坐标集合，用下式表示：PIT＝{(xi,yi)|i为[1,N]之间的整数}其中N为图像P的轮廓凹点个数，PIT为凹点坐标集合，并记PIT(i)为第i个凹点的坐标，这里的i为下标索引数值；xi表示第i个凹点的横坐标，yi表示第i个凹点的纵坐标；步骤七、对步骤六中图像P的轮廓凹点进行两两组合形成切割线，共有条切割线，将由这些切割线构成的集合用下式表示：CUT＝{(PIT(i),PIT(j))|i≠j，且为[1,N]之间的整数}其中N为步骤六中图像P的轮廓凹点个数，CUT为切割线集合，并记CUT(k)为第k条切割线，PIT(i)，PIT(j)为切割线CUT(k)两端凹点坐标，i，j，k均为下标索引数值；步骤八、筛选切割线，将不符合条件Ⅳ的切割线排除，并将剩余切割线集合记为CUT′，记CUT′(i)为第i条有效切割线，i为下标索引数值；条件Ⅳ为：对染色体连通区域图像的任意两个轮廓凹点需要满足这两个凹点组成的切割线段不穿过区域图像背景，且这两个凹点的直线距离的2倍小于这两个凹点沿轮廓的最短长度；步骤九、步骤六至步骤八计算了集合Ad中任一幅粘连染色体区域图像P与其有效切割线集合CUT′，对图像P执行粘连染色体分割策略；步骤十、若集合Ad不为空，继续分割下一个粘连染色体区域图像，重复步骤六～九，否则结束染色体粘连分割程序。2.如权利要求1所述的一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，其特征在于，所述步骤三中，所述非单条染色体均为粘连染色体。3.如权利要求1所述的一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，其特征在于，所述步骤五，染色体区域的平均宽度计算方法如下：1)初始化变量K＝5，STEP＝2；K表示索引值序号；STEP表示索引步长2)分别按顺序提取染色体区域轮廓与骨架坐标序列，骨架坐标序列记为S，记S(i)为第i个骨架点坐标；3)初始化i＝K+1；4)若骨架坐标序列S的点数小于2*K+1，则执行步骤5)，否则执行步骤6)到9)；5)利用最小二乘法对骨架坐标序列S中的所有坐标进行直线拟合得到拟合直线，计算与所述拟合直线相垂直的垂线斜率a，并计算通过S的中点且斜率为a的直线与染色体区域轮廓相交的两个点之间的距离d，将此距离作为染色体区域平均宽度W，并结束程序；6)利用最小二乘法对S中的第i-K到i+K的点进行分段直线拟合得到拟合直线，计算与所述拟合直线相垂直的垂线斜率a，并计算通过S(i)且斜率为a的直线与染色体区域轮廓相交的两个点之间的距离d，将此距离作为点S(i)处的染色体区域宽度；7)修改i为i＝i+STEP；8)重复步骤6)，直到i+K大于S的点数为止；9)最后计算染色体区域宽度的平均值W，并结束程序。4.如权利要求1所述的一种基于几何特征与区域融合的G显带粘连染色体分割方法，其特征在于，所述步骤六，染色体区域凹点的计算方法如下：1)如步骤六所述，对于任一幅非单条染色体区域图像P，首先提取所述非单条染色体区域轮廓坐标序列，记为B，并记第i个轮廓坐标为B(i)，i为下标索引数值；2)初始化...

【专利技术属性】
技术研发人员：林戈，丰生日，卢光琇，蔡昱峰，谭跃球，穆阳，李仪，蔡自兴，
申请(专利权)人：湖南自兴智慧医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43