ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СЕГМЕН- ТАЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНТНО-МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРА- ЖЕНИЙ ПРЕПАРАТОВ КУЛЬТУР КЛЕТОК, ИНФИЦИРОВАННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СЕГМЕНТАЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНТНО-МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРЕПАРАТОВ КУЛЬТУР КЛЕТОК, ИНФИЦИРОВАННЫХ
ХЛАМИДИЯМИ
О.А. Артюхова, А.В. Самородов
ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана»
E-mail: artyukhova@bmstu.ru, avs@bmstu.ru
Урогенитальный хламидиоз является актуальной медико-социальной
проблемой современности, занимая первое место в общей структуре заболеваемости инфекциями, передаваемыми преимущественно половым путем [1]. Успешная организация борьбы с хламидиозом возможна лишь при
условии его своевременного выявления и правильного подбора антибиотиков. По сравнению с другими методами лабораторной диагностики хламидиоза, культуральный метод на сегодняшний день является «золотым
стандартом» диагностики хламидийной инфекции, референтным методом
при оценке эффективности антибактериального лечения, а также единственным методом, позволяющим проводить анализ резистентности хламидий к антибиотикам при подборе терапии и разработке новых антибактериальных веществ [2]. Основными задачами, решаемыми по результатам
культурального исследования, являются диагностика хламидийной инфекции и анализ степени инфицирования клеток при исследовании действия и
разработке лекарственных веществ, подборе терапии и оценке ее эффективности.
При решении задач диагностики производится констатация факта
наличия либо отсутствия хламидийных включений в культуре клеток, при
этом для постановки диагноза достаточно обнаружения одного включения
в препарате [3]. При анализе действия антибактериальных веществ по каждому препарату оценивается степень инфицирования культуры клеток, для
чего рассчитывается доля инфицированных клеток в препарате, а также
производится качественная оценка размеров хламидийных включений.
Указанные показатели позволяют охарактеризовать эффективность антибактериального вещества в зависимости от дозы и сроков его введения.
Высокая трудоемкость и большое время анализа одного препарата,
негативное воздействие на зрение проводящего исследование врачалаборанта, малый объем выборки визуально анализируемых клеток, отсутствие количественных измерений морфологических параметров хламидийных включений обуславливают необходимость автоматизации микроскопического анализа рассматриваемых препаратов.
Данная публикация посвящена исследованию ранее разработанного
алгоритма автоматической сегментации флуоресцентно-микроскопических
изображений препаратов культур клеток, инфицированных хламидиями
[4]. Данный метод заключается в локальной адаптивной пороговой бина-
ризации по методу Ниблэка изображения клеток, построенного в канале V
пространства HSV, и изображения включений внутриклеточных паразитов,
построенного по модифицированному методу цветовой деконволюции.
Апробация предложенного алгоритма сегментации изображений
культур клеток, инфицированных хламидиями, проводилась с использованием флуоресцентно-микроскопических изображений, предоставленных
лабораторией хламидиозов ФГБУ «НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи». На первом
этапе исследований осуществлялся анализ качества решения диагностической задачи, обусловленного алгоритмом сегментации, – расчет вероятностных характеристик обнаружения хламидийных включений. Для этого
по изображениям препаратов культур клеток, инфицированных хламидиями, проводился визуальный подсчет числа хламидийных включений. Также эти изображения подвергались автоматической сегментации с использованием предложенного алгоритма. По каждому изображению определялось число автоматически обнаруженных включений, ложно обнаруженных включений, пропущенных включений и истинное число включений.
Сводные результаты расчетов приведены в Таблице 1.
Таблица 1 – Результаты визуального и автоматического анализа при подсчете числа
хламидийных включений
Число хламидийных включений, шт.
Число пропущенЧисло ложно обнаЧисло автоматичеИстинное число
ных
руженных
ски найденных
5590
7
17
5600
В ходе проведенных исследований по 40 изображениям, содержащим
5590 хламидийных включений, было определено, что обусловленные
ошибками сегментации вероятность ложного обнаружения хламидийных
сегм.
включений не выше Pлож
, а вероятность обнаружения хлами. обн. хл  0,3 %
сегм.
дийных включений – не ниже Pобн
, что является приемлемым
. хл  99,9 %
для решения диагностической задачи.
Второй этап апробации был посвящен исследованию возможности
количественной оценки морфологических параметров хламидийных включений по результатам автоматической сегментации для описания степени
инфицирования культуры клеток, что является неотъемлемым этапом анализа действия антибактериальных веществ. Для этого по 50 изображениям
хламидийных включений, существенно различающихся по размерам, была
проведена их автоматическая и ручная сегментация, по результатам которой вычислялась относительная погрешность определения площади. Пример результатов данного исследования приведен в Таблице 2. Результаты
эксперимента показали, что относительная погрешность определения площади хламидийных включений не превысила 3%.
Таблица 2 – Результаты визуальной и автоматической сегментации хламидийных
включений на изображениях (фрагмент)
Площадь сегментирован- Относит. поРезультат
сегментации
Исходное
грешность
ного объекта, мкм2
изображение
определения
автоматической
ручной
автоматически вручную площади, %
783,5
804,1
2,57
219,9
217,2
1,25
36,0
35,0
2,91
Аналогичное исследование качества сегментации клеток, проведенное по 30 изображениям, показало, что относительная погрешность определения площади клеток с уровнем доверия 95% не превысила 5,2 %.
Представленные результаты экспериментальных исследований подтверждают применимость предложенного алгоритма сегментации хламидийных включений и клеток на изображении препарата для решения задачи диагностики хламидиоза и количественного анализа степени инфицирования клеток хламидиями.
1.
2.
3.
4.
Библиографический список
Якубович А.И., Корепанов А.Р. Урогенитальный хламидиоз. – Иркутск: Полиграфический центр «РИЭЛ», 2007. – 108 с.
Хламидиоз. Современные подходы к диагностике и лечению. Пособие для врачей. /
Е.Г. Бочкарев [и др.] // Электронная библиотека Института аллергологии и клинической иммунологии. URL: http://www.iaci.ru/lib/chlamydiosis/index.php (дата обращения: 15.05.2013).
Гранитов В.М. Хламидиозы. М.: Медицинская книга; Н. Новгород: Изд-во НГМА,
2002. 192 с.
Артюхова О.А., Самородов А.В. Разработка алгоритма автоматической сегментации флуоресцентно-микроскопических изображений препаратов клеточных культур для задач микробиологии // Наука и образование: электронное научнотехническое издание. Эл № ФС 77–48211. – 2013. – № 6. URL:
http://technomag.edu.ru/doc/574140.html (дата обращения: 01.07.2013 г.)
Сведения об авторах
Артюхова Ольга Александровна – к.т.н., ассистент кафедры «Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, дата рождения: 25.07.1986 г.
Самородов Андрей Владимирович – к.т.н., доцент, доцент кафедры «Биомедицинские
технические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, дата рождения: 19.11.1975 г.
Вид доклада: устный