圖像自適應(yīng)的生理上可信的顏色分離的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本題述公開(kāi)內(nèi)容設(shè)及用于醫(yī)學(xué)診斷的成像。更具體地，本題述公開(kāi)內(nèi)容設(shè)及識(shí)別 化驗(yàn)物內(nèi)的生理上可信的染色劑矢量。
【背景技術(shù)】
[0002] 在諸如組織區(qū)段、血液、細(xì)胞培養(yǎng)等等之類的生物樣品的分析中，利用一個(gè)或多個(gè) 巧光團(tuán)或色原對(duì)生物樣品進(jìn)行染色，并且隨后對(duì)生物樣品進(jìn)行掃描或拍照W用于分析。觀 察從掃描生成的信號(hào)實(shí)現(xiàn)了多種過(guò)程，包括疾病的診斷、對(duì)治療的響應(yīng)的評(píng)價(jià)W及抗擊疾 病的新藥物的開(kāi)發(fā)。化驗(yàn)物包括生物樣品，諸如利用包含與綁定到蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)片段或樣 品中的其它目標(biāo)的抗體結(jié)合的巧光團(tuán)或色原的染色劑而處理的來(lái)自人類主體的組織區(qū)段。 當(dāng)掃描化驗(yàn)物時(shí)，導(dǎo)出包括顏色通道的圖像數(shù)據(jù)的多個(gè)通道，其中每一個(gè)所觀察到的通道 包括多個(gè)信號(hào)的混合物。
[0003] -般地，顏色分離(或光譜解混（unmixing))被用于確定化驗(yàn)物的所觀察到的一個(gè) 或多個(gè)通道內(nèi)的特定染色劑的濃度。運(yùn)還可W被稱為顏色去卷積。經(jīng)掃描的圖像的每一個(gè) 像素由圖像值的矢量或顏色矢量表示，并且每一個(gè)染色劑對(duì)應(yīng)于還被稱為參考光譜的參考 矢量。染色劑的局部濃度由參考矢量的縮放因子表示。因此，針對(duì)包含具有不同濃度的多個(gè) 協(xié)同定位的染色劑的像素的顏色矢量是所有目前染色劑的參考光譜的線性組合。典型地， 巧光成像顏色通道直接提供圖像矢量和參考光譜。在明場(chǎng)(透射）成像中，將由經(jīng)染色的組 織發(fā)射的光強(qiáng)度變換成光學(xué)密度空間，其中不同染色劑的混合由做出貢獻(xiàn)的參考光譜的線 性加權(quán)組合表示。
[0004] 解混過(guò)程使用對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)類型的組織和染色劑組合而言眾所周知的參考光譜來(lái)提 取染色劑特定通道W確定各個(gè)染色劑的局部濃度。然而，用于純?nèi)旧珓┑膮⒖脊庾V往往隨 組織類型、染色期間的受控和不受控過(guò)程參數(shù)W及隨年齡而變化。例如，總是存在基于組織 年齡、染色劑年齡、組織被如何存儲(chǔ)、脫水、固定、嵌入、切割等的組織類型內(nèi)的變化。運(yùn)些變 化可能影響染色劑將看起來(lái)如何，并可能導(dǎo)致解混過(guò)程的結(jié)果中的不想要的偽像?，F(xiàn)有方 法不能在沒(méi)有人類指導(dǎo)的情況下處置運(yùn)樣的錯(cuò)誤，并且，沒(méi)有可靠的參考光譜可用于運(yùn)樣 的變化。因此，不正確的分離和在生理或物理上不可信的結(jié)果繼續(xù)出現(xiàn)。而且，關(guān)于包含3 個(gè)顏色通道的明場(chǎng)圖像，不能對(duì)大于3個(gè)染色劑的任何協(xié)同定位進(jìn)行解混，或者沒(méi)有明確 的數(shù)學(xué)解存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 題述公開(kāi)內(nèi)容提出了用于通過(guò)基于特定于正在成像的化驗(yàn)物的信息自動(dòng)且自適 應(yīng)地調(diào)節(jié)參考矢量來(lái)分離圖像中的顏色的系統(tǒng)和方法，從而導(dǎo)致提供在物理和生理上可信 的染色劑信息的經(jīng)優(yōu)化的解混過(guò)程。迭代地對(duì)參考矢量進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用不受約束的顏色去 卷積或解混，并且使所得到的顏色通道與基于關(guān)于化驗(yàn)物的信息而應(yīng)用的多個(gè)規(guī)則相關(guān)。 該多個(gè)規(guī)則包括例如最小化負(fù)面顏色貢獻(xiàn)、背景貢獻(xiàn)、特定于背景的顏色通道中的高頻或 不想要的巧光、來(lái)自已知免疫組織化學(xué)標(biāo)記物的信號(hào)w及被已知w承載生理上獨(dú)立的信息 的染色劑對(duì)。該相關(guān)可W用于確定結(jié)果的總體質(zhì)量。如果質(zhì)量是不可接受的，則可W調(diào)節(jié) 參考矢量，并且可W利用經(jīng)調(diào)節(jié)的參考矢量迭代地解混顏色通道，直到滿足所有規(guī)則并且 獲得具有可接受質(zhì)量的結(jié)果?？蒞在基于測(cè)量來(lái)自多個(gè)輸入圖像的染色劑參考矢量預(yù)先確 定的范圍內(nèi)允許對(duì)參考矢量的調(diào)節(jié)。
[0006] 在附加實(shí)施例中，可W不僅針對(duì)特定圖像而且針對(duì)特定圖像內(nèi)的指定區(qū)(包括各 個(gè)像素）確定經(jīng)優(yōu)化的參考矢量。參考光譜調(diào)節(jié)和基于規(guī)則的對(duì)應(yīng)質(zhì)量度量可W在空間上 遍及圖像而變化。另外，可W從圖像或圖像的區(qū)確定染色劑的強(qiáng)度，并且可W在解混之前對(duì) 應(yīng)地調(diào)節(jié)參考矢量。此外，可W使用化驗(yàn)物信息來(lái)解混包括Ξ個(gè)通道但具有多于3種染色 劑的明場(chǎng)圖像。可W將圖像中的包括Ξ個(gè)或更多顏色的光學(xué)密度空間分區(qū)成預(yù)定義的協(xié)同 定位系統(tǒng)?；?yàn)物信息包括與手頭上的化驗(yàn)物、利用化驗(yàn)物而染色的生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)、染色劑 和復(fù)染劑的類型和數(shù)目及其線性混合物有關(guān)的細(xì)節(jié)、W及諸如化驗(yàn)物的年齡、組織類型和 年齡等之類的附加元數(shù)據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1示出根據(jù)本題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的用于優(yōu)化參考矢量的系統(tǒng)。
[000引圖2示出根據(jù)本題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的用于優(yōu)化參考矢量的方法。
[0009] 圖3A和3B示出根據(jù)本題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的光學(xué)密度空間中的參考矢 量的調(diào)節(jié)。
[0010] 圖4A-4D示出根據(jù)本題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的被分區(qū)成針對(duì)協(xié)同定位的 染色劑的區(qū)段的光學(xué)密度空間。
[0011] 圖5示出根據(jù)題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的基于協(xié)同定位的染色劑的層級(jí)而 被分區(qū)成區(qū)段的光學(xué)密度圖。
[0012] 圖6A-6B示出根據(jù)題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的圖像數(shù)據(jù)的直方圖。
[0013] 圖7A-7B示出根據(jù)題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的使用圖像數(shù)據(jù)的直方圖上的 多邊形擬合的參考矢量的優(yōu)化。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法處理圖像W使用迭代優(yōu)化的參考矢量來(lái)分離或"解混"圖像 的分量信號(hào)。使來(lái)自化驗(yàn)物的圖像數(shù)據(jù)與特定于化驗(yàn)物特性的預(yù)期或理想結(jié)果相關(guān)W確定 質(zhì)量度量。在與理想結(jié)果成對(duì)照的低質(zhì)量圖像或較差相關(guān)性的情況下，調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)參 考矢量，并且使用經(jīng)調(diào)節(jié)的參考矢量來(lái)迭代地重復(fù)解混，直到相關(guān)性示出與生理學(xué)和解剖 學(xué)要求匹配的良好質(zhì)量圖像。解剖學(xué)、生理學(xué)和化驗(yàn)物信息可W用于定義被應(yīng)用于所測(cè)量 的圖像數(shù)據(jù)W確定質(zhì)量度量的規(guī)則。該信息包括：組織被如何染色；意圖/不意圖染色組織 內(nèi)的什么結(jié)構(gòu)；W及特定于正在處理的化驗(yàn)物的結(jié)構(gòu)、染色劑和標(biāo)記物之間的關(guān)系。迭代過(guò) 程導(dǎo)致可生成下述圖像的染色劑特定矢量：該圖像精確地標(biāo)識(shí)感興趣的結(jié)構(gòu)和生物上相關(guān) 的信息，沒(méi)有任何噪聲或不想要的光譜，且因此適合用于分析。將參考矢量調(diào)節(jié)到捜索空間 內(nèi)。捜索空間定義了參考矢量可取得W表示染色劑的值的范圍。可W通過(guò)掃描包括已知或 普遍發(fā)生的問(wèn)題的多種代表性訓(xùn)練化驗(yàn)物并確定針對(duì)訓(xùn)練化驗(yàn)物的參考矢量的高質(zhì)量集 合來(lái)確定捜索空間。
[0015] 在W下描述內(nèi)，對(duì)光譜解混、顏色去卷積和顏色分離的任何引用是同義的，且設(shè)及 從包含運(yùn)些染色劑的混合物的圖像數(shù)據(jù)獲得圖像中的染色劑的局部濃度或量的過(guò)程。該混 合物最常被假定為是線性的，并且利用線性解混方法。然而，非線性方法也可W被應(yīng)用W執(zhí) 行解混。對(duì)于明場(chǎng)成像，化驗(yàn)物導(dǎo)致從光源透射通過(guò)經(jīng)染色的樣品的光的吸收和衰減。一 種用于解混該圖像數(shù)據(jù)的示例性方法利用光學(xué)密度空間，其中參考顏色和圖像數(shù)據(jù)被變換 成光衰減信號(hào)，例如使用朗伯-比爾化amb&rt-Beer)定律。如本文所使用的圖像數(shù)據(jù)和混 合物模型的分析（即，圖像數(shù)據(jù)和染色劑效果的數(shù)學(xué)描述）不必受限于已知方法，而是可W 包括組織樣本內(nèi)的光散射的附加模型，包括可能衍射的建模，W及用于確定由檢測(cè)器(例如 巧光顯微鏡中的明場(chǎng)顯微鏡中的CCD或CMOS傳感器，或者整個(gè)載玻片掃描儀）檢測(cè)的光如 何與在化驗(yàn)物中吸收或由化驗(yàn)物發(fā)射的光的量相關(guān)的其它方法。
[0016] 對(duì)于W下描述，可W假定，跨各圖最為對(duì)應(yīng)地加標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)(例如132和232等)擁 有相同的特性并服從相同的結(jié)構(gòu)和功能。如果在對(duì)應(yīng)地加標(biāo)簽的元件之間存在未指出的差 異，并且該差異導(dǎo)致針對(duì)特定實(shí)施例的元件的非對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)或功能，則針對(duì)該特定實(shí)施例而 給出的該沖突描述應(yīng)當(dāng)起支配作用。
[0017]圖1示出根據(jù)本題述公開(kāi)內(nèi)容的示例性實(shí)施例的用于優(yōu)化參考矢量的系統(tǒng)。系統(tǒng) 100包括用于生成化驗(yàn)物信息的源101。例如，源101可W是光譜相機(jī)、掃描儀中的CCD或 CMOS傳感器、明場(chǎng)顯微鏡、巧光顯微鏡、或用于對(duì)包括諸如利用一個(gè)或多個(gè)巧光或色原染色 劑和標(biāo)記物染色的生物樣品之類的材料樣本的化驗(yàn)物進(jìn)行成像的整個(gè)載玻片掃描儀。源 101與存儲(chǔ)器110通信，存儲(chǔ)器110包括由禪合到計(jì)算機(jī)120的處理器125執(zhí)行的多個(gè)處 理模塊或邏輯指令。例如，諸如生物樣品之類的樣本可W被安裝在載玻片或其它襯底或設(shè) 備上W用于通過(guò)源101進(jìn)行成像的目的，其中依照本公開(kāi)內(nèi)容，樣本的圖像的分析通過(guò)處 理器125執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器110上的多個(gè)模塊中的一個(gè)或多個(gè)而執(zhí)行。分析可W出于樣本 的識(shí)別和研究的目的。例如，生物學(xué)或病理學(xué)系統(tǒng)可W針對(duì)其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、W及指示癌癥或 其它疾病的細(xì)胞、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)片段或其它標(biāo)記物的存在和組織構(gòu)成、或者出于其它目的 (例如基因組DNA檢測(cè)、信使RNA檢測(cè)、蛋白質(zhì)檢測(cè)、病毒的檢測(cè)、基因的檢測(cè)或其它)而分析 樣本。
[0018] 樣本可W借助于包含一個(gè)或多個(gè)不同標(biāo)記物、巧光團(tuán)或色原染色劑的染色劑的應(yīng) 用而染色。巧光團(tuán)可W包括一個(gè)或多個(gè)納米晶半導(dǎo)體巧光團(tuán)（即，量子點(diǎn))，每一個(gè)產(chǎn)生不同 波長(zhǎng)范圍中的峰值發(fā)光響應(yīng)。量子點(diǎn)是眾所周知的，且可W從InvitrogenCo巧.、Evident Technologies等等商業(yè)上可得到。被應(yīng)用于樣本的一個(gè)或多個(gè)巧光團(tuán)可W是有機(jī)巧光團(tuán) 14 (例如DAPI、德克薩斯紅)，其在本領(lǐng)域中是眾所周知的，且在至少共同所有