檢測生物學樣品中的異常的系統和方法
2023-05-26 01:22:36 2
檢測生物學樣品中的異常的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及檢測包含細胞的生物學樣品中的異常的方法或系統。所述方法或細胞分別包括至少以下步驟，或能夠執行至少以下步驟，和/或包括能夠執行至少以下步驟的器件：a)通過數字圖像採集獲取所述樣品的圖像；b)任選地進行數字圖像處理；c)選擇觀察區域；d)通過數字圖像處理，確定在所述觀察區域內是否存在細胞聚集體；並且e1)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為陰性，則選擇新的區域並且執行步驟c)；或者e2)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為肯定，則執行進一步的處理步驟。
【專利說明】檢測生物學樣品中的異常的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及對包含細胞的生物學樣品中的異常進行顯微檢測的領域。
【背景技術】
[0002]產生於宮頸的癌症對於許多工業化國家和新興國家的女性來說是第一位的癌症。例如在印度，大約30%的女性癌症為宮頸癌，每年診斷出超過100,000的新病例。宮頸癌病例的估計複合年增長率(CAGR)是2.56%，並且在這種增長率下於2012年將診斷出大約175，000個宮頸癌的新病例。
[0003]一種推薦的檢查宮頸癌的工具是在帕帕尼科拉烏(Papanicolaou)測試(也稱為巴氏塗片、巴氏測試、宮頸塗片或塗片測試)中檢測癌症的細胞學前體，其為用於婦科學的篩選測試以檢測頸管中的癌變和惡性過程，特別是在轉變區內。
[0004]在取巴氏塗片時，陰道鏡用於從子宮宮頸的外部開口和宮頸內膜收集細胞。將細胞在顯微鏡下檢查以發現異常。測試的目的在於檢測潛在的癌症前變化，其為通過性傳播的人乳頭瘤病毒。該測試仍然是有效、廣泛使用的用於癌前期和宮頸癌的早期檢測的方法。該測試還可以檢測宮頸內膜和子宮內膜的感染和異常。
[0005]此過程已經有效的減低了發達國家的宮頸癌的發生率。然而，巴氏塗片具有10-29%的假陰性率。造成假陰性結果的原因是多樣的，並且包括樣品收集錯誤(載片上沒有在表現傳染區的細胞中獲得充分多的細胞)、篩選錯誤(沒有在載片上找到異常細胞)、解讀錯誤(沒有正確的解讀異常細胞)和混雜的實驗室誤差，其與著色問題、誤貼標籤等有關。
[0006]挑戰病理學家的一個主要因素為仔細檢查載片上的每一個細胞。每個巴氏塗片上有超過10，000個細胞，其具有不同的形態學特徵。根據癌症的階段，樣品中可能只有小部分細胞(例如<< 1% )是異常的。該異常通過細胞的形態學特徵的變化來檢測，例如細胞核特徵、核膜、核質比率等。因而，對每個細胞特徵的仔細觀察是防止假陰性缺陷所必須的。這是一項具有挑戰性的任務，考慮到本領域合格的病例學家的有限數量，他們工作的巨大經濟壓力，對於每個病人的有限的時間預算和他們面臨的巨大工作量。
【發明內容】
[0007]根據本發明的第一方面，提供了一種檢測包含細胞的生物學樣品中的異常的方法。所述方法或系統分別地包括至少以下步驟、或者能夠執行至少以下步驟和/或包括能夠執行至少以下步驟的器件:
[0008]a)通過數字圖像採集獲得所述樣品的圖像
[0009]b)任選地進行數字圖像處理
[0010]c)選擇觀察區域
[0011]d)通過數字圖像處理，確定在所述觀察區域內是否存在細胞聚集體，並且
[0012]el)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為陰性，則選擇新的觀察區域並執行步驟C)，或者
[0013]e2)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為肯定，則執行進一步的處理步驟。
[0014]本文所用的術語「細胞聚集體」指至少兩個細胞的組，其彼此處於物理接觸狀態並形成二維或三維的簇。
[0015]本文所用的術語「細胞聚集體的確定為陰性」指在當前的觀察區域中沒有找到細胞聚集體。本文所用的術語「細胞聚集體的確定為肯定」指在當前的觀察區域中已經找到細胞聚集體，表示當前的觀察區域中可能包含異常細胞。
[0016]本發明的方法自動掃描觀察區域的樣品，其可能包括異常細胞的圖像，其通常為細胞以簇或聚集體形式出現的情況。因而所述方法執行預選擇，其中僅僅將那些包含細胞聚集體圖像的觀察區域進行進一步分析，而棄去那些不包含細胞聚集體圖像的區域，因為它們不可能包含異常細胞的圖像。這再一次節約了時間和減少了計算工作。
[0017]進一步地，所述方法包括反饋迴路，其顯著地減少了複雜圖像處理算法的計算時間，也簡化了檢查樣品中發現的每個細胞的繁重任務，即減少了評估時間。所述方法沒有分析獲得的整個圖像，而是選擇所述圖像的子集，其在本文中稱為「觀察區域」，用於圖像處理。所述方法的概況如附圖1中所示。
[0018]通常地，具有最高癌變風險的細胞是宮頸外細胞，而宮頸內細胞具有較小的癌變風險(在這樣的情況下形成了腺癌)。宮頸外細胞也稱為鱗狀細胞，宮頸內細胞也稱為柱狀細胞。
[0019]然而，已經觀察到僅有小癌變風險的細胞也傾向於形成聚集體，其在特殊環境下可能產生混淆。在優選實施方案中，本發明的方法因而還包括以下步驟:
[0020]f)確定所述觀察區域內的至少兩個細胞的至少一種給定形態學特徵的變異程度，並且
[0021]gl)如果所述形態學特徵的變異程度超過預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含異常細胞」，或者
[0022]g2)如果所述形態學特徵的變異程度低於預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含正常細胞」。
[0023]術語「將所述樣品分類為可能包含異常細胞」等同於「懷疑樣品為異常」，如附圖2所示。術語「將所述樣品分類為可能包含正常細胞」等同於「懷疑樣品為正常宮頸內細胞」，如附圖8所示。或者，儘管有臨床上的不準確性，等同於「懷疑樣品為宮頸內細胞」，如附圖2所示。
[0024]本文所用的術語「異常細胞」指處於癌變或惡性化過程的細胞，或已經癌變或惡性化的細胞。
[0025]優選地，所述形態學特徵為選以下的組中的至少一種
[0026]細胞核大小或面積
[0027]細胞和/或細胞核形狀的整齊度
[0028]指定細胞內的細胞質與細胞核的大小比率，和/或
[0029]指定細胞內的細胞質與細胞核的面積比率。
[0030]在該輔助方法中，所述形態學特徵的變化可以用於進一步區分的特徵，因為在異常的細胞聚集體中細胞核大小廣泛變化，而在正常細胞聚集體內細胞核大小則保持一致。
[0031]該輔助方法因而用於區分異常細胞，特別是在那些感興趣的區域內，其通過細胞聚集分析早已識別為可疑的。如果在觀察區域內的形態學特徵的變化統計學上超過給定閾值，則樣品可以分類為「可能包含異常細胞」。
[0032]觀察區域內的細胞核大小可以例如通過計算各自的圖像面積來確定,例如,通過在各自區域內計數像素數量。觀察區域內的細胞核大小的變化可以例如表示為這些面積的標準偏差，或通過確定環繞這些區域的橢圓的長軸或短軸的變化，或這些值的比率。當細胞核大小的變化不存在固定的閾值時，閾值可以使用地面實況數據確定先驗值，其也可能根據其他因素而改變，例如圖像的放大率、解析度等。
[0033]本文所用的術語「形狀」指觀察區域內的細胞核圖像的二維形狀。當細胞核的圖像形狀為圓形或接近圓形時，其形狀被認為具有高整齊度。確定細胞的形狀的標準為通過使用例如波形因數、周長、長軸、短軸細胞膜圖像這樣的性質。
[0034]如果細胞核形狀的整齊度統計上低於給定閾值，則樣品也可以分類為可能包含異常細胞。
[0035]在給定的細胞內，細胞質大小或面積和細胞核的大小或面積的比率是另一指標，其可以用於本發明的範圍內。雖然正常的細胞具有大的細胞質和小的細胞核時，但是異常細胞傾向於具有大的細胞核和小的細胞質。
[0036]在癌症前期和癌變細胞中細胞核帶有最明顯的變化。因而，自動識別細胞核可以是檢測宮頸塗片中的異常細胞的有用方法。但是，細胞核的分段是挑戰性的工作，這是由於變化的形態學外觀伴有結塊和假象(見附圖15)。此外，在一些情況下，巴氏塗片圖像是模糊的並且受不希望的噪音高度影響，例如，血、空氣假象(氣泡)或陰道排洩物。在一些情況中，當使用分段算法分析時，這類巴氏塗片圖像可以導致錯誤警報的提高。已有的技術無法解決所有這些問題。因而快速且準確的細胞核分段技術是解決這些問題所必須的。
[0037]根據一特定優選實施方案，細胞核因此通過光學技術檢測，其包含多級閾值。圖像柱狀圖通常為閾值的基礎。如果有一個峰則柱狀圖為單峰的，如果有兩個峰則柱狀圖為雙峰的，如果有多個峰則為多峰的。實際上巴氏塗片圖像的柱狀圖為多峰的(例如見附圖11A)。根據此實施方案，引入多級閾值以定位細胞核分段的初始種子。這是以上四個方法共同的最初和首要步驟。
[0038]在更優選的實施方案中，所述包括多級閾值的光學技術為選自以下的至少一種
[0039]IGMT (基於信息獲取的多級閾值技術)
[0040]IEMT (基於信息獲取和彩色邊緣的多級閾值技術)
[0041]IRMT (基於信息獲取的遞歸多級閾值技術)，和/或
[0042]IGTMT (基於信息和圖論的多級閾值技術)。
[0043]在IGMT中，基於信息獲取的局部區域細化在多級閾值後引入以分段出細胞核區域。在IEMT中，色彩邊緣分析與信息獲取一起引入以提高分段的準確度。然而，基於整體多閾值水平的區域增長會導致核分段的不足/過量的可能性。
[0044]IRMT可以基於局部多級閾值來用於細分區域，雖然它可能無法解決邊界洩漏問題。因而，需要局部邊界調整來解決這個問題。IGTMT可以用於微調巴氏塗片核的邊界區域。不同的方法將在以下具體討論:[0045]基於信息獲取的多級閾值(IGMT)
[0046]在該方法中，信息獲取與聚類技術一起實施以分段巴氏塗片核。巴氏塗片圖像的柱狀圖實際上是多峰的。因而在第一步(整個過程)中引入多級閾值以確定細胞核分段的初始種子。接下來的步驟裡，引入基於信息獲取的局部區域選擇和細分技術以微調和分離核區域(見附圖10(A))。如果對於特定的感興趣的區域(ROI)的信息獲取中的多級閾值中的變化出現突然的變化，則停止使用多級閾值的區域產生。
[0047]基於信息獲取和彩色邊緣的多級閾值(IEMT)
[0048]IGMT能夠以比其他基於閾值的技術更高的準確度來分段細胞核區域。然而，由於未聚焦的巴氏塗片圖像，不正確的染色和其他以上討論的假象，信息獲取有時可能不足以進行區域細分。因而，色彩邊緣分析與信息獲取一起引入以微調和分離細胞核區域(見附圖10(B))。如果對於感興趣區域(ROI)的信息獲取和標準化色彩邊緣中的多級閾值的變化出現突然的變化，則停止使用多級閾值的區域產生。這種通過IEMT獲得的附加信息(色彩邊緣)產生比IGMT方法更高準確度的細胞核分段。
[0049]IGMT和IEMT方法能夠找到巴氏塗片圖像中的細胞核區域。然而，基於多閾值水平的ROI的區域產生可能導致核分段的不足/過量的可能性(例如見附圖11 (B))。
[0050]基於信息獲取的遞歸多級閾值(IRMT)
[0051]將基於遞歸的多級閾值引入IRMT以減少IGMT和IEMT方法中不足/過量的核分段的可能(見附圖7(A))。IRMT包括兩個主要步驟:(i)整體種子選擇，接著是(ii)局部區域細分。
[0052]在IRMT方法中實施的巴氏塗片圖像的整體種子選擇與IGMT和IEMT中一樣。在局部區域細分的情況下，IRMT方法包括兩個主要步驟:
[0053](i1.a.)對於單個區域選擇閾值的上限和下限:
[0054]首先，對於單個ROI採用信息獲取和色彩邊緣計算得到最優閾值t。此最優閾值t有時出現不足/過量的核分段。因此，選出具有介於t-1和t+i之間的灰度值且通過ROI (RtURt+1)連接的區域(Rub)以進行進一步處理(見附圖11(B))。該步驟後的觀點是準確的核邊界位於這一限制區域(Rub)之間。
[0055](i1.b.)對於區域細分的遞歸多級閾值:
[0056]同樣的多級閾值技術應用於限制區域(Rub)的柱狀圖(見附圖12(A)和(B))。由此獲得的亞閾值會提高使用基於信息獲得和色彩邊緣的區域產生方法獲得更細分的最優閾值的機會。這會有助於微調通過IGMT或IEMT方法獲得的單個ROI。
[0057]基於信息和圖論的多級閾值(IRTMT)
[0058]建議的IRMT方法有時無法解決邊緣洩漏問題。IGTMT方法後的基本觀點是使用圖像切割理論以用於確定邊界細分(見附圖14(B))。
[0059]如之前的方法，整體多級閾值是IGTMT方法的第一步，以實施細胞核的可能區域的種子初始化。這在選擇單個區域的閾值的上限和下限之後，其類似於IRMT方法。然後，為了提高分段方案的準確性，IGTMT基於圖論方法引入最小切割/最大流量。IGTMT方法使用基於Rub區域內鄰近像素的灰度等級不同的相似性測量。這種親和力測量在圖中用作權重，其中圖像像素表現為帶有預先計算的單獨的源和匯點的節點(見附圖13)。最小切割發現圖表節點的分段，其將切割邊緣的權重的總和最小化。這引入粒度概念以幫助獲得細胞核的準確邊界。
[0060]在另一個優選的實施方案中，所述方法還包括確定選自以下的至少一種特徵的步驟
[0061 ] 細胞和/或細胞核內的亮度強度變化
[0062]細胞膜的噪音
[0063]紋理，和/或
[0064]細胞核的分形尺寸
[0065]本文所用的術語「噪音」表示細胞邊緣的點與細胞中心之間的距離的變化，或者與優選地在細胞內部的固定的參考點之間的距離的變化。紋理的高噪音可以認為指示異常。
[0066]本文所用的術語「紋理」表示細胞核和細胞區域內的顏色或亮度的空間分布。紋理的高變化可以認為指示異常。
[0067]本文所用的術語「細胞核的分形尺寸」涉及統計學數目，其指示分形如何完全填充給定的細胞的空間，如一個變焦放大到更精細的比例。
[0068]
【權利要求】
1.檢測包含細胞的生物學樣品中的異常的方法，所述方法包括至少以下步驟: a)通過數字圖像採集獲取所述樣品的圖像， b)任選地進行數字圖像處理， c)選擇觀察區域， d)通過數字圖像處理，確定在所述觀察區域內是否存在細胞聚集體，並且 el)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為陰性，則選擇新的區域並且執行步驟C)，或者 e2)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為肯定，則執行進一步的處理步驟。
2.根據權利要求1的方法，所述方法還包括以下步驟: f)確定所述觀察區域內的至少兩個細胞的至少一種給定形態學特徵的變異程度，並且gl)如果所述形態學特徵的變異程度超過預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含異常細胞」，或者 g2)如果所述形態學特徵的變異程度低於預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含正常細胞」。
3.根據權利要求2的方法，其中所述形態學特徵是選自以下的至少一種: 細胞核大小或面積， 細胞和/或細胞核形狀的整齊度， 給定細胞內的細胞質與細胞核的大小比率，和/或 給定細胞內的細胞質與細胞核的面積比率。
4.根據權利要求3的方法，其中所述細胞核通過包括多級閾值的光學技術檢測。
5.根據權利要求4的方法，其中所述包括多級閾值的光學技術是選自以下的至少一種: IGMT (基於信息獲取的多級閾值技術)， IEMT (基於信息獲取和彩色邊緣的多級閾值技術)， IRMT (基於信息獲取的遞歸多級閾值技術)，和/或 IGTMT (基於信息和圖論的多級閾值技術)。
6.根據前述權利要求中任一項的方法，所述方法還包括確定選自以下的至少一種特徵的步驟: 細胞和/或細胞核內的亮度強度變化， 細胞膜的噪音， 紋理，和/或 細胞核的分形尺寸。
7.根據前述權利要求中任一項的方法，所述方法還包括選自以下的至少一個步驟: a)通過陰道鏡檢查詳細檢查宮頸； b)在所述生物學樣品中或者在具有可比較性質的新樣品中實施HPVDNA測試； c)在所述生物學樣品中或者在具有可比較性質的新樣品中實施生物標記測試；和/或 d)由合格的病理學家對所述生物學樣品或者具有可比較性質的新樣品進行視覺檢查。
8.根據前述權利要求中任一項的方法，所述方法還包括推薦通過選自以下的至少一個步驟進行進一步研究的步驟: a)通過陰道鏡檢查詳細檢查宮頸； b)在所述生物學樣品中或者在具有可比較性質的新樣品中實施HPVDNA測試； c)在所述生物學樣品中或者在具有可比較性質的新樣品中實施生物標記測試；和/或 d)由合格的病理學家對所述生物學樣品或者具有可比較性質的新樣品進行視覺檢查。
9.根據前述權利要求中任一項的方法，其中所述圖像獲取通過掃描儀實施。
10.根據前述權利要求中任一項的方法，其中所述圖像獲取通過光學放大設備實施。
11.根據前述權利要求中任一項的方法，其中在步驟a)之前，進行其中樣品的圖像在較低放大倍數下獲得的步驟，如在步驟a)的情況。
12.根據前述權利要求中任一項的方法，其中當所述數字圖像獲取和/或所述數字圖像處理仍在時進行實施步驟b)和接下來的步驟。
13.根據前述權利要求中任一項的方法，其中步驟d)包括至少以下步驟: 細胞核的分段，和 確定每個細胞的質心。
14.根據前述權利要求中任一項的方法，其中所述包含細胞的生物學樣品是宮頸樣品。
15.根據權利要求14的方法，其中所述方法還包括選自以下的至少一個步驟: 基於預定標準的集合，將可能包含正常細胞的樣品中包含的細胞分類為「正常宮頸內」或「正常宮頸外」，和/或 基於預定標準的集合，將可能包含異常細胞的樣品中包含的細胞分類為「異常宮頸內」或「異常宮頸外」。
16.根據前述權利要求中任一項的方法，所述方法還包括計數給定的細胞類型或更新其現有計數的至少一個步驟。
17.根據前述權利要求中任一項的方法，其中所述包含細胞的生物學樣品包括選自以下的至少一種樣品: 塗片樣品， 組織載片， 液體樣品，和/或 其他細胞樣品。
18.根據前述權利要求中任一項的方法，其中將所述包含細胞的生物學樣品染色。
19.根據前述權利要求中任一項的方法，其中使用光學和/或數字圖像增強方法。
20.根據前述權利要求中任一項的方法，其中當與獲得的圖像相關的數據或其部分仍然在易失存儲器內時實施步驟b)和接下來的步驟。
21.檢測包含細胞的生物學樣品中的異常的系統，所述系統能夠執行至少以下步驟，和/或包括能夠執行至少以下步驟的器件: a)通過數字圖像採集獲取所述樣品的圖像， b)任選地進行數字圖像處理， c)選擇觀察區域， d)通過數字圖像處理，確定在所述觀察區域內是否存在細胞聚集體，並且 el)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為陰性，則選擇新的觀察區域並執行步驟C)，或者 e2)如果在步驟d)中，在所述觀察區域內，細胞聚集體的確定為肯定，則執行進一步的處理步驟。
22.根據權利要求21的系統，所述系統還能夠執行以下步驟，和/或還包括能夠執行以下步驟的其他器件: f)確定所述觀察區域內的至少兩個細胞的至少一種給定形態學特徵的變異程度，並且gl)如果所述形態學特徵的變異程度超過預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含異常細胞」，或者 g2)如果所述形態學特徵的變異程度低於預定閾值，則將所述樣品分類為「可能包含正常細胞」。
23.根據權利要求21或22的系統，所述系統還能夠執行根據權利要求3-18中任一項的步驟，和/或還包括能夠執行根據權利要求3-18中任一項的步驟的器件。
24.檢測包含細胞的生物學樣品中的異常的裝置，所述裝置包括至少以下部件: 樣品接收單元，其用於接收所述生物學樣品， 數字圖像採集單元，其用於獲取所述樣品的數字圖像， 數字圖像處理單元，其 用於執行根據權利要求1-20中任一項的方法步驟的至少一個，以及 用戶界面，其包括至少一個輸出器件和一個輸入器件。
25.根據權利要求24的裝置，所述裝置還包括至少一個光學放大單元。
26.根據權利要求24-25中任一項的裝置，所述裝置還包括用於連接所述裝置與其他設備的至少一個接口。
27.根據權利要求24-26中的任一項的裝置，所述裝置還包括至少一個樣品收集器和/或至少一個其中傳遞樣品的筒，所述筒布置為放置在樣品接收單元內。
28.根據權利要求1-20中任一項的方法、根據權利要求21-23中任一項的系統和/或根據權利要求24-26中任一項的裝置用於選自以下的至少一個目的的用途: 癌症篩選， 癌症診斷， 對於給定療法的預測，和/或 給定癌症療法的伴隨監控。
【文檔編號】G01N33/487GK103907023SQ201280044762
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年9月11日 優先權日:2011年9月13日
【發明者】S·塞特, S·K·奈克, S·M·文凱特桑, S·庫馬爾, P·凱瑟沃浦, S·賈亞萬特 申請人:皇家飛利浦有限公司