一种精子形态异常检测方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104268515 A (43)申请公布日 2015.01.07 CN 104268515 A (21)申请号 201410478600.9 (22)申请日 2014.09.18 G06K 9/00(2006.01) G06K 9/34(2006.01) G06K 9/36(2006.01) (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923 号 (72)发明人 刘伯强 刘忠国 刘广宇 边京华 李卫宾 刘肖肖 (74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限 公司 37221 代理人 张勇 (54) 发明名称 一种精子形态异常检测方法 (。

2、57) 摘要 本发明公开了一种精子形态异常检测方法， 该方法不但有良好的客观性， 易于核实验证， 同 时提高了检测效率， 有很大的应用前景。它的包 括步骤 ： 1) 采取经过化学试剂处理后的精子的图 像 ； 2) 对所采集的图像进行预处理， 包括灰度化 处理、 对比度增强处理、 图像平滑去噪和二值化处 理 ； 3) 对预处理后的图像进行图像分割处理 ： 对 二值化后的图像进行杂质的滤除、 目标的提取 ； 4) 进行轮廓识别 ： 得到精确的精子整体目标轮廓 和头部轮廓 ； 5) 求取各个参数值 ： 得出能够直接 判断精子形态的相关参数。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页。

3、 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 104268515 A CN 104268515 A 1/1 页 2 1. 一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 包括步骤 ： 1) 采集经过化学试剂处理后的精子的图像 ； 2) 对所采集的图像进行预处理， 包括包括灰度化处理、 对比度增强处理、 图像平滑去噪 和二值化处理 ； 3) 对预处理后的图像进行图像分割处理 ： 对二值化后的图像进行杂质的滤除、 目标的 提取 ； 4) 进行轮廓识别 ： 得到精确的精子整体目标轮廓和头部轮廓 ； 5) 求取各个参。

4、数值 ： 得出能够直接判断精子形态的相关参数。 2. 如权利要求 1 所述的一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 所述的步骤 3) 的具体 操作步骤为 ： 3a) 根据图像中的目标平均面积进行滤除面积阙值设定 ； 3b) 对杂质进行滤除 ； 3c) 通过区域增长法初步确定精子目标的整体二值区域和头部二值区域。 3. 如权利要求 1 所述的一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 所述步骤 4) 的具体操 作步骤为 ： 4a) 求取对精子目标二值区域进行初始轮廓序列 ； 4b) 利用上述轮廓序列进行基于 Snake 模型的轮廓检测 ； 4c) 根据梯度矢量流场外力， 精确的分割出精子整体目标轮廓。

5、和头部轮廓。 4. 如权利要求 1 所述的一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 所述步骤 5) 中所述的 相关参数包括 ： 头部参数 ： 包括头部面积、 头部周长、 头部长度、 头部宽度以及通过这些参数计算得到 的相关头部参数 ； 中段参数 ： 包括中段的面积、 中段的宽度、 距离、 角度。 5. 如权力要求 4 所述的一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 所述头部面积是通过最终的头部轮廓进行连通域构造， 形成头部连通域， 再进一步利 用边界序列的成员函数进行面积的求取 ； 所述面积周长是通过对头部轮廓点遍历， 按照链码的原则进行求解。 6. 如权利要求 4 所述的一种精子形态异常检测方法。

6、， 其特征是， 所述中段面积为精子整体面积与头部面积之差 ； 所述中段宽度的求解过程是首先确定头部与中段的交界区域， 再求该交界区域的宽 度 ； 所述距离通过角度和头部长轴进行三角函数运算得到 ； 所述角度是指头部长轴与中段角度之差， 通过获得的长轴端点和中段端点分别求得长 轴角度和中段角度即可。 7. 如权利要求 1-6 任一所述的一种精子形态异常检测方法， 其特征是， 所述步骤 1) 中 采集的图像为通过显微镜获得的 100 倍染色精子图像。 权 利 要 求 书 CN 104268515 A 2 1/5 页 3 一种精子形态异常检测方法 技术领域 0001 本发明涉及一种精子形态异常检测方。

7、法。 背景技术 0002 通常的形态检测的基本过程是医务工作者将精液利用染色剂处理后， 再通过 100 倍显微镜观测， 人为进行形态分类及计数。 常规的检测方法受检测环境、 检验人员经验和水 平等条件的影响很大， 并且费时、 费力、 准确率不高， 容易造成检测结果的误差， 给临床治疗 和科研工作带来困难。 0003 计算机辅助精子形态分析是通过染色剂对精子进行染色， 使精子失去活性， 再通 过图像采集系统对静止的精子图像进行采集， 最终利用算法实现对精子形态的检测。该方 法的检测参数主要有精子形态、 畸形分类、 其他细胞类别等。 0004 精子的形态分析是在染色后进行的。 染色后， 精子失去了。

8、原有的活性， 所以精子的 形态分析也称为静态分析。首先， 利用 100 倍的显微镜对染色后的精子进行图像采集， 然后 通过相应的算法进行精子识别以及精子各部分参数的计算。其中核心的步骤是从 100 倍精 子图像中精确地分割出精子目标及其各个形态部分， 而这方面应用比较广泛的算法是基于 主动轮廓模型的边缘检测方法。 0005 基于 Snake 模型的分割方法从产生之初到现在已经有了很多的改进， 并且在医学 图像分割上已经有了很多成功的应用。 但分割方法局限于边界分割， 缺少头部顶体、 中段的 边界检测。 发明内容 0006 为了解决上述问题， 本发明所采用的技术方案为 ： 0007 一种精子形态。

9、异常检测方法， 包括步骤 ： 0008 1) 采集经过化学试剂处理后的精子的图像 ； 0009 2) 对所采集的图像进行预处理， 包括包括灰度化处理、 对比度增强处理、 图像平滑 去噪和二值化处理 ； 0010 3) 对预处理后的图像进行图像分割处理 ： 对二值化后的图像进行杂质的滤除、 目 标的提取 ； 0011 4) 进行轮廓识别 ： 得到精确的精子整体目标轮廓和头部轮廓 ； 0012 5) 求取各个参数值 ： 得出能够直接判断精子形态的相关参数。 0013 所述的步骤 3) 的具体操作步骤为 ： 0014 3a) 根据图像中的目标平均面积进行滤除面积阙值设定 ； 0015 3b) 对杂质。

10、进行滤除 ； 0016 3c) 通过区域增长法初步确定精子目标的整体二值区域和头部二值区域。 0017 所述步骤 4) 的具体操作步骤为 ： 0018 4a) 求取对精子目标二值区域进行初始轮廓序列 ； 说 明 书 CN 104268515 A 3 2/5 页 4 0019 4b) 利用上述轮廓序列进行基于 Snake 模型的轮廓检测 ； 0020 4c) 根据梯度矢量流场外力， 精确的分割出精子整体目标轮廓和头部轮廓。 0021 所述步骤 5) 中所述的相关参数包括 ： 0022 头部参数 ： 包括头部面积、 头部周长、 头部长度、 头部宽度以及通过这些参数计算 得到的相关头部参数 ； 00。

11、23 中段参数 ： 包括中段的面积、 中段的宽度、 距离、 角度。 0024 所述头部面积是通过最终的头部轮廓进行连通域构造， 形成头部连通域， 再进一 步利用边界序列的成员函数进行面积的求取 ； 0025 所述面积周长是通过对头部轮廓点遍历， 按照链码的原则进行求解。 0026 所述中段面积为精子整体面积与头部面积之差 ； 0027 所述中段宽度的求解过程是首先确定头部与中段的交界区域， 再求该交界区域的 宽度 ； 0028 所述距离通过角度和头部长轴进行三角函数运算得到 ； 0029 所述角度是指头部长轴与中段角度之差， 通过获得的长轴端点和中段端点分别求 得长轴角度和中段角度即可。 00。

12、30 所述步骤 1) 中采集的图像为通过显微镜获得的 100 倍染色精子图像。 0031 本发明的有益效果为 ： 该方法不但有良好的客观性， 易于核实验证， 同时提高了检 测效率， 有很大的应用前景。 附图说明 0032 图 1 为染色后待图像预处理的精子形态 ； 0033 图 2 为精子形态检测流程图 ； 0034 图 3 为预处理后的 100 倍精子图像 ； 0035 图 4 为精子的二值图像 ； 0036 图 5 为精子整体边界图像， 其中 (a) 为精子目标初始边界图， (b) 基于 Snake 模型 的检测边界 ； 0037 图 6 为精子头部边界图， 其中 (a) 为精子头部初始边。

13、界， (b) 为基于 Snake 模型检 测到的头部边界 ； 0038 图 7 为顶体边界图， 其中 (a) 顶体初始边界， (b) 为顶体 Snake 模型分割结果 ； 0039 图 8 为精子头部参数示意图 ； 0040 图 9 为链码示意图 ； 0041 图 10 为精子中段参数示意图。 具体实施方式 0042 为了更好的了解本发明的技术方案， 下面结合附图对本发明作进一步说明。 0043 精子经过化学试剂染色处理后， 失去活性， 再通过 OLMPUS 显微镜可拍摄到 100 倍 镜下的精子形态学图像， 经采集得到待处理精子形态图如图 1。 0044 待处理精子形态图像经过图像预处理、 。

14、图像分割后可以得到各个精子的粗略轮廓 及位置。然后经过精子轮廓序列初始化后进行基于 Snake 模型的轮廓识别， 得到精子的精 说 明 书 CN 104268515 A 4 3/5 页 5 确轮廓。最后， 利用精子的精确轮廓进行进一步的头部分割、 颈部分割及相关参数的计算。 具体流程如图 2 ： 0045 1. 图像预处理 0046 精子形态检测中的图像预处理同精子运动轨迹检测相似， 主要包括图像的灰度 化、 增强、 平滑去噪、 二值化等。预处理后的图像如图 3 所示。 0047 2. 图像分割 0048 该过程主要是对二值化后的图像进行杂质的滤除、 目标的提取。首先根据图像中 目标平均面积进。

15、行滤除面积阈值设定， 再对杂质进行滤除， 最后通过区域增长法初步确定 精子目标的整体二值区域和头部二值区域。 0049 3. 轮廓识别 0050 轮廓识别过程利用上一过程中得到的精子目标二值区域进行初始轮廓序列的求 取， 并利用该轮廓序列进行基于 Snake 模型的轮廓检测， 得到精确的精子整体目标轮廓和 头部轮廓。采用基于 Snake 模型的轮廓检测方法， 根据梯度矢量流场外力， 对项目中的 100 倍精子图像做精确地轮廓分割。 0051 4. 各参数求。 0052 该过程主要是利用前面的计算结果进行进一步的加工， 最终得出能够直接判断精 子形态的各种参数， 以便医生能根据经验值对精子性能作。

16、出判断。 0053 图 3 为预处理后的 100 倍精子图像。 0054 图 4 是精子的二值图像。由于前期处理后的图片中目标区域和背景的对比度等相 关参数较好， 容易进行二值化， 所以此过程使用比较常用的最大类间差法 ( 一种自适应的 阈值确定的方法 , 又叫大津法 , 简称 OTSU。它是按图像的灰度特性 , 将图像分成背景和目 标 2 部分 ) 确定阈值灰度阈值。然后进行图像二值化， 即将图像的灰度值归类为两类， 一种 为大于灰度阈值的， 设定为 1( 或 255)， 另一种为小于灰度阈值的， 设定为 0。 0055 图 5 为精子整体边界图像， 图 5 中 (a) 为一般检测方法得到的。

17、精子整体轮廓。对 整个精子目标进行边界序列求解需要直接利用边界函数对局部二值图像中的目标连通域 处理， 处理结果即为整个连通域的边界序列。 边界序列求解完毕后可以进行序列绘制， 更直 观的观测到边界序列的准确程度。图中的白色边界能基本反映精子的轮廓， 能够作为基于 Snake 模型的初始边界进行进一步的精确边界检测。 0056 图 5 中 (b) 为基于 Snake 模型的检测方法得到的精子整体轮廓。其中 b 图是以 a 中的精子整体边界序列作为初始序列进行基于 snake 模型检测后得到的结果。 0057 图 6 为精子头部边界图。图 6 中 (a) 为一般检测方法得到的精子头部轮廓。精子 。

18、头部的分割方法与整体类似， 只是去掉了初始边界序列中的中段部分。该过程主要是利用 形态学的腐蚀膨胀运算将整个目标中纤细的尾部和中段进行腐蚀， 从而只保留精子头部的 部分。 0058 图 6 中 (b) 为基于 snake 模型的检测方法得到的精子头部轮廓。其中 b 图是以 a 中的精子头部边界序列作为初始序列进行基于 snake 模型检测后得到的结果。 0059 图 7 为顶体边界图。图 7 中 (a) 为一般检测方法得到的精子顶体轮廓。顶体的边 界序列构造除了用到头部边界序列外， 还要借助头部短轴来构造封闭的顶体初始序列。整 个顶体的初始序列是利用头部的顶部边缘轮廓和短轴连接， 形成封闭的初。

19、始边界序列。头 说 明 书 CN 104268515 A 5 4/5 页 6 部短轴的获取是通过在长轴两侧分别查找距离质心最近的点获得的。 这个过程依赖长轴的 位置， 需要第一步获得长轴的坐标。 在头部边界序列中， 距离最远的两个点被选定为长轴的 端点。该过程需要遍历头部所有的序列点进行最长距离的查找。得到头部的短轴后， 利用 短轴和头部顶部的边缘序列构造顶体的初始序列。 0060 图7(a)中白色的点是长轴端点， 灰色点为短轴端点， 图7(b)白色闭合曲线为连接 短轴和头部顶部构造的顶体边缘序列。 0061 图 7 中 (b) 为基于 snake 模型的检测方法得到的精子顶体轮廓。其中 b 。

20、图是以 a 中的精子头部边界序列作为初始序列进行基于 snake 模型检测后的结果。 0062 头部参数 0063 由图 8 可以看出， 对于头部形态学参数来说， 最基本的只有四个 ： 面积、 周长、 长 度、 宽度， 其他的参数可以依据这四个基本参数计算得到。这四个基本参数中， 长度为求解 到的头部的长轴长度， 宽度为求解到的头部的短轴长度。 另外两个参数计算过程稍微复杂， 具体过程如下 ： 0064 面积求解 ： 求取面积的基本思想是通过最终的头部轮廓进行连通域构造， 形成头 部连通域， 再进一步利用边界序列的成员函数进行面积的求取。 0065 周长求解 ： 周长是通过对头部轮廓点遍历， 。

21、按照链码的原则进行求解。 0066 头部面积的计算， 首先需要根据实际采集图像所用显微镜倍数计算出每个像素点 所占多少 m， 获取边界序列后即可计算连通域的实际面积。 0067 头部周长是通过对头部轮廓点遍历， 按照链码的原则进行求解。 0068 链码的具体表示意义如图 9 所示 ： 0069 图中包含四连通方向系数和八连通方向系数两部分， 其中在四连通方向中， 分为 0、 1、 2、 3 四个方向， 每个方向的长度均为 1 ； 在八连通方向中， 有八个方向 ： 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7， 其中奇数方向对应的长度为偶数方向对应的长度为 1。可以根据具体的方向进行周 长的求解。

22、。 0070 在这一过程中， 像素作为构成周长的点， 周长的实际长度通过链码计算得到。 当链 码编号为奇数时， 长度设定为当链码编号为偶数时， 长度设定为 1。则最终的周长 C 表 示为 ： 0071 0072 式中， Ne和 No分别表示边界链码 ( 八连通方向 ) 中的奇数和偶数数量。 0073 中段参数 0074 中段参数主要有以下几个 ： 面积、 宽度、 距离、 角度， 具体表示意义如图 9 ： 0075 图 10 中的上述参数， 面积值可以根据精子头部和整体的面积进行相差得到 ； 距离 可以通过角度和头部长轴进行三角函数运算得到， 这里不再赘述。下面针对宽度和角度的 获得进行详细介绍。

23、。 0076 角度求解 0077 这里的角度指的是头部长轴角度与中段角度之差。 该过程只要通过获得的长轴端 点和中段端点分别求得长轴角度和中段角度即可。 0078 宽度求解 说 明 书 CN 104268515 A 6 5/5 页 7 0079 求解宽度的过程首先是确定头部与中段的交界区域， 再求该交界区域的宽度。本 论文中通过头部长轴下端点和尾部端点连线的 10来确定宽度求解位置， 再从精子边界中 查找到该点的两个最近点， 用这两个点的距离代替中段宽度。 0080 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述， 但并非对本发明保护范 围的限制， 所属领域技术人员应该明白， 在本发明的技术。

24、方案的基础上， 本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 说 明 书 CN 104268515 A 7 1/6 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 8 2/6 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 9 3/6 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 10 4/6 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 11 5/6 页 12 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 12 6/6 页 13 图 10 说 明 书 附 图 CN 104268515 A 13 。