Sperm analizi için bilgisayar görüsü tabanlı yeni bir yaklaşım ve uygulaması
A new approach based on computer vision and its application for sperm analysis
Yazar: FATİH OKUMUŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ADNAN FATİH KOCAMAZ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kültür balıkçılığında üreme verimini artırmak uzmanların çözüm aradığı bir konudur. Bu konu hem dişi yumurtalık hücrelerinde hem de erkek sperm hücrelerinde döllenme oranını yükselten faktörlerin tespit edilmesi hususuna dayanır. Döllenme oranını yükselten faktörlerden biri sağlıklı ve güçlü sperm üretimidir. Sperm hücrelerinin sağlıklı ve güçlü olup olmadığının anlaşılması için sperm analizi yapılmaktadır. Sperm analizi ile elde edilen bilgiler; sperm sayısı, mililitredeki sperm yoğunluğu, morfoloji ve hareketlilik gibi parametrelerdir. 
Sperm analizinde genel olarak kullanılan üç ayrı yöntem vardır. Bu yöntemler; klasik yöntemle belirleme, spektrofotometrik sistemler ve CASA (Bilgisayar Destekli Sperm Analizörü) sistemleridir. Dünya Sağlık Örgütünün de önerdiği CASA sistemleri diğer yöntemlerin yerini almaya başlamıştır. CASA, görüntü işleme tekniklerini kullanarak sperm analizi parametrelerini ortaya çıkarmayı hedefleyen bir karar destek sistemidir. İlk olarak insan sperm hücreleri için geliştirilen CASA sistemleri daha sonra diğer canlılar için de geliştirilmiştir. 
Bu tez çalışmasında, gökkuşağı alabalığı sperm hücrelerini analiz eden hızlı ve etkili bir CASA sistemi tasarlanmıştır. Çalışmada mikroskop üzerine bağlanmış video kameradan alınan sperm video görüntüleri OpenCV platformunda C++ ve C#.NET programlama dilleri kullanılarak analiz edilmiştir. Sperm hücrelerinin tespitinde adaptif eşikleme ve dairesel Hough dönüşümü metotlarından faydalanılarak sperm sayısı ve sperm konsantrasyonu tespit edilmiştir. Hücrelerin hareket parametrelerini ortaya çıkarmak için video üzerinde çoklu hedef takibi yapılmıştır. Çoklu hedef takibinde arka plan çıkarımı VIBE algoritması ile yapılmış, hedeflere etiket atama için Kalman filtresi kullanılmış, farklı hedeflerin yol kesişmesi ile oluşan atama problemleri için Macar algoritması ile çözüm üretilmiştir. Hedef takibi ile elde edilen hareket bilgileriyle sperm kalite parametreleri hesaplanmıştır. Bu parametreler içerisinde yer alan VCL ve VAP hesaplamasında Lagrange interpolasyonu kullanılarak yeni bir yaklaşım önerilmiştir.
Bu tez çalışması ile geliştirilen sistemin, sperm hücrelerinin sayımında ve kalite parametrelerinin belirlenmesinde hızlı ve etkili sonuçlar ürettiği görülmüştür.
Bu tez çalışması, TÜBİTAK (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) tarafından 1512-Girişimcilik Aşamalı Destek Programı 2140052 numaralı ve "Bilgisayar Destekli Sperm Kalite Analizörü Yazılımı Geliştirilmesi-BASA" başlıklı proje olarak desteklenmiştir.


ANAHTAR KELİMELER: Sperm Analizi, CASA, Bilgisayar Görüsü, Dairesel Hough Dönüşümü, Lagrange İnterpolasyonu

Abstract:
In aquaculture, to improve the reproductive efficiency is a matter that experts seek solutions. This matter is based on the detection of factors that increase the fertilization rate in male sperm cell and in female ovary cells. One factor that increases the fertilization rate is strong and healthy sperm production. Semen analysis is performed for determination of healthy and strong sperm cells. The informations obtained by sperm analysis are; parameters such as the number of sperm, sperm density per milliliter, morphology and motility. 
There are three methods commonly used in sperm analysis. This methods are identifying with the conventional method, spectrophotometric systems and CASA (Computer-Assisted Semen Analysis) systems. The CASA systems, that the World Health Organization also recommends, has begun to take the place of other methods. CASA is a decision support system that aiming to reveal sperm analysis parameters with image processing techniques. CASA systems, firstly developed for human sperm cells, have been developed for other living things later.
In this study, a fast and efficient CASA system, analyzing the sperm cells of Oncorhynchus Mykiss, is designed. In the study, sperm video images, taken from a video camera attached on the microscope, were analyzed in OpenCV platform using C ++ and C # .NET programming languages. Sperm count and concentration was determined by utilizing the circle Hough transform and adaptive thresholding on detection of sperm cells. To reveal the movements of sperm cell parameters, tracking multiple targets was made on the video. For Multi-target tracking, background extraction performed by VIBE algorithm, Kalman filter is used to assign labels to targets, Hungarian algorithm is used for assignment problem formed by the intersection of targets path. With the obtained informations target tracking, sperm quality parameters are calculated. For calculation of VCL and VAP, located in these quality parameters, is proposed a new approach using Lagrange interpolation.
Quick and effective results in the determination of quality parameters and count of sperm cells has been shown to be obtained with developed system in this thesis. 
This thesis is supported by TÜBİTAK (Scientific and Technological Research Council of Turkey) in 1512-Stage Entrepreneurial Assistance Program's project as numbered of 2140052 and entitled of "Computer Aided Sperm Quality Analyzer Software Development-BASA".


KEYWORDS: Sperm Analysis, CASA, Computer Vision, Circle Hough Transform, Lagrange Interpolation