СПОСОБ СКАНИРОВАНИЯ ЦЕРВИКАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА, ПОДГОТОВЛЕННОГО МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ЦИТОЛОГИИ
METHOD FOR SCANNING A CERVICAL PREPARATION PREPARED BY LIQUID CYTOLOGY METHOD

Изобретение относится к областям медицины и вычислительной техники, а именно к способам сканирования биологических препаратов, и предназначено для автоматической фокусировки при работе с препаратами, имеющими неоднородную толщину, а также при смене препаратов при потоковом сканировании, а именно - для анализа цервикальных мазков, подготовленных методом жидкостной цитологии.
Цервикальные препараты, подготовленные методом жидкостной цитологии, в отличие от гистологических, имеют большую толщину, и для оценки микроскопического препарата требуется оценивать каждое поле зрения в нескольких плоскостях оси Z. Для этого устройства для оцифровки микроскопических мазков делают изображения на различных глубинах препаратов. Проблема заключается в том, что толщина препарата в конкретной точке неизвестна, поэтому приходится выставлять заранее большой диапазон фокуса и изменять его от препарата к препарату. Такой подход позволяет получить цифровое изображение большой резкости, но отличается большими временными затратами на подготовку и непосредственное сканирование препарата.
Известен способ оцифровки мазка препарата, при котором сканируют несколько уровней глубины препарата с последующим сохранением изображений и последующей возможностью просматривать все слои (US7248282, опубл.24.07.2007). Недостатком данного способа является необходимость делать несколько снимков на оси Z каждого поля зрения и определять степень резкости каждого полученного изображения, что приводит к необходимости делать дополнительные снимки на оси Z в данном поле зрения. Известный способ приводит к большим временным затратам, так как, применительно к микроскопическим препаратам поля зрений могут исчисляться сотнями и тысячами.
Наиболее близким по технической сущности является способ точечной фокусировки (US7518652, опубл. 14.04.2009), согласно которому система располагает предметный стол в положение для измерения, передвигает объектив через заранее определенную серию значений высот мазка препарата и получает изображения на каждом значении высоты. Затем определяют значения высоты по оси Z, в которой получено наиболее контрастное изображение. Значение высоты, на которой было получено максимально контрастное изображение, устанавливают в качестве оптимальной фокусной. По полученным значениям строят плоскости, объединяемые в карту высот, в соответствии с которой осуществляют движение объектива во время сканирования микроскопического образца.
Недостатком этого способа является необходимость предварительного создания подробной карты высот и осуществление сканирования в соответствии с ней, что требует значительных временных затрат, особенно при необходимости сканирования большого количества микроскопических препаратов, имеющих неоднородную толщину, в том числе цервикального препарата, подготовленного методом жидкостной цитологии.
Техническая задача – получение сфокусированного изображения на всей области сканирования при работе с цервикальными препаратами, имеющими неоднородную толщину, а также при смене препаратов при потоковом сканировании.
Технический результат заключается в повышении точности и скорости сканирования цервикального препарата, подготовленного методом жидкостной цитологии, за счет динамического изменения необходимого диапазона фокусировки в зависимости от толщины мазка.
Технический результат достигается в результате того, что способ анализа цервикального препарата, подготовленного методом жидкостной цитологии, включает цифровое сканирование мазка препарата с использованием микроскопа, оборудованного объективом и сканирующей камерой для записи изображений.
0
j,
0
j
В отличии от прототипа предварительно задают начальные минимальные и максимальные величины глубины сканирования мазка, а также начальные минимальные и максимальные значения среднеквадратичного отклонения σ интенсивности текущего изображения от предыдущего, задают область сканирования и осуществляют фокусировку в трех опорных точках, равноудаленных от центра области сканирования, определив координаты указанных точек по осям X, Y, Z, строят усредненную плоскость    , далее делят область сканирования на размер поля зрения объектива камеры, получив количество полей зрения, и формируют очередь полей, столик с мазком перемещают на 2-е по очереди поле зрения на плоскости  и сохраняют текущее изображение F, далее вычисляют диапазон фокусировки для 1-го по очереди поля зрения, затем столик с мазком перемещают в вычисленную позицию на оси Z в 1-м поле зрения и сохраняют текущее изображение F после чего столик с мазком перемещают вдоль вычисленного диапазона по оси Z, сохраняя наиболее четкие изображения, далее вычиcляют среднеквадратичное отклонение    σ   между изображениями F и Fи строят график зависимости диапазона фокусировки  от среднеквадратичного отклонения σ, после чего столик с мазком перемещают по вычисленному диапазону, сохраняя наиболее четкие изображения для формирования цифрового изображения препарата методом расширенного фокуса, при этом указанный цикл повторяют при обработке оставшихся полей зрения в очереди.
При этом для удобства и сокращения времени очередь полей начинают с левого верхнего угла заданной области сканирования, затем - слева направо в нечетном ряду и справа налево - в четном, т.е. «меандрообразно»,
Повышение скорости сканирования достигается за счет того, что ЭВМ управляет цифровой камерой и предметным столиком микроскопа и  выполняет заданный алгоритм действий  ,согласно  которому   предварительно строит усредненную плоскость , затем в реальном времени определяет диапазон фокусировки, необходимый для каждого отдельного поля зрения путем сравнения значений среднеквадратичного отклонения σ текущего кадра от предыдущего, и определяет необходимое расстояние по оси Z, в пределах которого необходимо сканировать препарат. Отсутствие необходимости предварительного построения подробной карты высот для каждого препарата, а также сокращение пути на оси Z, в зависимости от толщины препарата, которое необходимо «проехать» предметному столу, позволяет значительно уменьшить время. необходимое для сканирование цервикального препарата.
Заявляемый способ с автоматической адаптацией под толщину препарата не ограничивает толщину мазков препарата, т.к. он позволяет «подстраиваться» под любую его величину, а наличие заданного максимального значения глубины сканирования позволяет успешно работать с любыми препаратами.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение микроскопа, где
1-моторизированный предметный столик;
2-светлопольный микроскоп;
3-объектив;
4-цифровая сканирующая камера.
На фиг. 2 показан маршрут движения предметного столика микроскопа.
Фиг. 3 - график зависимости глубины препарата от среднеквадратичного отклонения интенсивности текущего изображения от предыдущего изображения.
На фиг. 4 представлены сфокусированные изображения трех опорных точек:
а) 1-я точка; б) 2-я точка; в) 3-я точка.
Фиг. 5  - сохраненное изображение   ,фиг. 6  - сохраненное изображение .
На фиг.7 показаны оцифрованные изображения толстого цервикального мазка (а), среднего (б) и тонкого (в).
Процесс сканирования цервикальных мазков, подготовленных методом жидкостной цитологии, с автоматической адаптации под толщину препарата осуществляется следующим образом.
Перед началом сканирования предметное стекло с цервикальным мазком устанавливают на моторизированный предметный столик 1 светлопольного микроскопа 2, оборудованного объективом 3 и цифровой камерой 4 для записи изображений микроскопических препаратов. В качестве предметного стола может использоваться любой моторизированный предметный стол, обладающий возможностью перемещаться по осям X, Y и Z. В качестве светлопольного микроскопа можно использоваться любой коммерчески доступный микроскоп, оборудованный осветителем, конденсором с диафрагмой, объективом и цифровой камерой. Примером коммерчески доступного решения является микроскоп Carl Zeiss Axioscope 5 оснащенный объективом Plan-Apochromat 20x/0.8 и цифровой камерой Lumenera LT345, подключенный к персональному компьютеру с установленным программным обеспечением, которое может выполнять нижеприведенную последовательность, например, программное обеспечение семейства Vision от компании West Medica.
В качестве начальных значений задают минимальное и максимальное значение глубины сканирования препарата:
Данный диапазон значений обусловлен практикой подготовки цервикальных препаратов ведущими на рынке компаниями – Bd (www.bd.com) и Hologic (www.hologic.com).
Задают также минимальное и максимальное среднеквадратичные отклонения σ интенсивности текущего изображения от предыдущего изображения сканируемого поля зрения:
Данные были получены эмпирическим путем и позволяют получать удовлетворительные данные для определения толщины препарата и определения диапазона по оси Z при использовании данного способа.
После чего запускают сканер и начинают сканирование мазков препарата.
При этом производят фокусировку в трех равноудаленных от центра области сканирования опорных точках. Координаты опорных точек - .
На основе координат опорных точек строят усредненную плоскость  , для которой позиция по  в трех равноудаленных от центра точках, максимально приближена к позиции сфокусированного изображения. В этом случае ожидаемое значение позиции по для -го кадра будет точкой на усредненной плоскости  , зависимой  от значений
.
Формируют очередь полей зрения таким образом, чтобы все поля зрения покрывали область сканирования по координатам и находились на усредненной  плоскости по координате .
Столик перемещают на второе в очереди поле зрения в позицию на усредненной плоскости  и  сохраняют   текущее изображение   .
Вычисляют диапазон фокусировки для первого поля зрения  используя начальные значения
.
Столик перемещают  на первое в очереди поле зрения в позицию по Z, равную наибольшей координате диапазона фокусировки - . ,сохраняют текущее изображение  .
Столик «проезжает» по координате весь отрезок , сохраняя изображения для последующего формирования цифрового препарата методом расширенного фокуса.
Полученные изображения «сшивают» в один кадр, используя наиболее резкие пиксели изображений. Резкость определяется методом сумм квадратов разностей значений соседних пикселей изображения.
Далее выполняют  вычисления для следующего поля зрения:
Вычисляют  значения интенсивности потоков пикселей изображений   . Каждый пиксель в компьютерном представлении является просто числом. Числовое значение пикселя представляет его интенсивность. В цветном изображении каждый поток пикселя (красный, зеленый и синий) может изменяться в диапазоне от нуля до 255. Ноль представляет черный цвет, значение 255 представляет максимально насыщенный цвет. После анализа изображения (кадра) получают шесть выборок со значениями всех трех потоков каждого пикселя по двум изображениям (кадрам). ,, и ,,. ,где - количество пикселей на кадре.
Вычисляют среднеквадратичное отклонение  изображения текущего поля зрения. Среднеквадратическое отклонение — статистическая характеристика распределения случайной величины, показывающая среднюю степень разброса значений величины относительно математического ожидания.
— -й элемент выборки,
— количество элементов в выборке,
— математическое ожидание величины.
Для реализации алгоритма оценки диапазона фокусировки в качестве математического ожидания берут значения предыдущего кадра. После анализа кадра получают три выборки со значениями всех трех потоков каждого пикселя по текущему кадру и три выборки со значениями ожидаемых значений потоков каждого пикселя по предыдущему кадру. Следует сравнивать только потоки одного цвета. Тогда формула для среднеквадратического отклонения  текущего кадра будет следующей:
– порядковый номер пикселя;
– порядковый номер кадра;
– значение интенсивности пикселя под номером  по красному цвету на кадре под номером;
– значение интенсивности пикселя под номером  по синему цвету на кадре под номером;
– значение интенсивности пикселя под номером  по зеленому цвету на кадре под номером;
– значение интенсивности пикселя под номером  по красному цвету на предыдущем кадре;
– значение интенсивности пикселя под номером  по синему цвету на предыдущем кадре;
– значение интенсивности пикселя под номером  по зеленому цвету на предыдущем кадре;
– количество пикселей на текущем кадре.
Определяют соответствие значения глубины сканирования и вычисленного среднеквадратичного отклонения.
Для определения глубины -го кадра - , строят линейную зависимость значений глубины препарата от среднеквадратического отклонения кадра  (фиг.3). Если значение среднеквадратического отклоненияменьше минимального или больше максимального заданного значения, то программа автоматически выбирает минимальное или максимальное значение глубины фокусировки соответственно.
Вычисляют необходимый диапазон фокусировки для следующего поля зрения. Диапазон фокусировки- это отрезок со значениями в микрометрах , который проходит столик по оси  и формирует набор кадров - полей зрения в плоскостях, необходимых для формирования фокальной плоскости. Для его определения берут глубину препарата в текущем положении и ожидаемое значение по оси для сфокусированного изображения  , последнее берется как середина отрезка. Диапазон фокусировки для поля зрения под номером выражается следующим образом:
Столик  перемещают к следующему по очереди полю зрения   в позицию по оси , равную одной из координат вычисленного диапазона:
- Если текущая позиция по Z меньше или равна  .
- Если текущая позиция по Z больше .
Столик «проезжает» его, а наиболее четкие кадры сохраняют.
Если поле зрение под номеромне последнее в очереди, то сканирование продолжают, пока не будет отсканирована вся область сканирования.
После этого оцифрованный препарат окончательно сформирован. По завершению сканирования цервикального мазка результаты сканирования сохраняют в базу данных ЭВМ (не показан), они доступны для просмотра в программном обеспечении и последующего анализа на наличие патологии.
В результате сканирования цервикальных мазков, заявляемым способом получен отсканированный цифровой препарат со сфокусированным изображением на всей области сканирования, что позволит повысить точность анализа мазков и не пропустить патологию.
Пример реализации способа.
Стекло с цервикальным мазком было установлено на предметный столик микроскопа.
F
0
Были заданы начальные значения глубины сканирования цервикального мазка: минимальное – 10 мкм, максимальное – 30 мкм, а также начальные значения среднеквадратичного отклонения σ,: минимальное - 10, максимальное – 50. Затем была задана область сканирования мазка. Была произведена фокусировка в трех равноудаленных точках от области сканирования мазка и получены сфокусированные изображения (фиг.4,а,б,в). Затем была построена усреднённая плоскость  и сформирована последовательность полей зрения от 1 до  (фиг.2). Предметный столик перемещали во второе поле зрения в точку на плоскости . Сохраняли текущее изображение –  (фиг. 5). Затем рассчитывали диапазон фокусировки для первого поля зрения по формуле:
j
j
j
j
j
Δ=[υ(x,y )-30 мкм;υ(x,y )+30 мкм]
Предметный столик перемещали в первое поле зрения на высчитанную позицию по оси Z . Сохраняли текущее изображение   (фиг. 6).
j
0
j
F
F
Столик «проезжал» весь диапазон Δ,, а сканер сохранял наиболее четкие пиксели изображения для формирования изображения методом расширенного фокуса. Затем рассчитывали среднеквадратичное отклонение между изображениями  и . Было получено среднеквадратичное отклонение  =30. Производили  соответствие значения глубины сканирования от вычисленного среднеквадратичного отклонения  (фиг. 3). Получили диапазон фокусировки, равный 20 мкм. Столик перемещали на второе поле зрения (фиг.2), он «проезжал» по вычисленному диапазону, при этом сохраняли наиболее четкие пиксели для формирования изображения методом расширенного фокуса. Цикл продолжали до тех пор, пока не были обработаны все оставшиеся поля зрения в очереди.
Весь процесс сканирования зависел от толщины мазка препарата, он длился от 3-х до 12-ти минут. Полученные изображения представлены на фиг.7.