基于小波描述子的染色體自動識別方法研究

王海龍，王文義

(中原工學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，河南鄭州450007)

0 引言

染色體作為主要的遺傳物質(zhì)DNA載體，研究它的結(jié)構(gòu)和功能是細(xì)胞遺傳學(xué)必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其重要性受到了越來越多科學(xué)家的關(guān)注.

對染色體的分析與識別，主要是從生物方法培養(yǎng)的細(xì)胞涂片的顯微鏡圖像出發(fā)，獲取一個細(xì)胞全部染色體的配對核型圖.傳統(tǒng)的人工染色體分析是一項非常繁重的工作:醫(yī)務(wù)人員必須把染色體的顯微圖片進(jìn)行復(fù)制，剪下每個染色體，一個一個地進(jìn)行比較、配對.近幾年來，國外相繼出現(xiàn)了一些染色體自動分析系統(tǒng)，雖然其中不乏效果較好的，但都不同程度的存在這樣那樣的問題，如對染色體重疊圖像分割，存在染色體特征提取和分類困難等等，都直接影響到了分析系統(tǒng)的效果.另外，國外的這類設(shè)備價格一般都比較昂貴，我們國內(nèi)的中、小醫(yī)院很難承受.

筆者采用區(qū)域生長法分割出單個染色體，用小波描述子刻畫單個染色體的形狀特征，最后完成染色體分類，大大縮短了染色體的分析與識別所需時間.

1 系統(tǒng)概述

典型的染色體分析系統(tǒng)［1］工作流程如圖1所示.其分析過程描述為:①染色體分割.通過分割染色體圖像來獲取單條染色體，以便進(jìn)一步分析和匹配染色體.②特征提取.染色體特征主要有:染色體的形狀特征描述(包括邊界特征和區(qū)域特征)，染色體的長、短臂長以及著絲粒指數(shù)等.③染色體配對.根據(jù)提取的染色體特征，采用合適的相似度計算方法對染色體進(jìn)行配對分類，然后再由人工交互糾正.

圖1 染色體圖像分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chromosome image analysis system structure

2 邊緣檢測的區(qū)域生長法分割染色體

由于Canny算子具有定位精度高、檢測性能好等優(yōu)點(diǎn)，筆者采用該算子來檢測單條染色體邊緣，提取獨(dú)立染色體圖像輪廓［2］.首先用3×3高斯濾波模板與原始圖像進(jìn)行卷積，以平滑圖像消除圖像噪聲.然后利用Sobel導(dǎo)數(shù)算子計算圖像灰度沿x、y方向的導(dǎo)數(shù)Gx、Gy，并求出梯度的大小和方向，尋找圖像中的可能邊緣點(diǎn).最后利用雙閾值檢測通過雙閾值遞歸尋找圖像邊緣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)邊緣提取.圖2是在光學(xué)顯微鏡下的細(xì)胞染色體圖像.圖3則是對圖2通過Canny算子得到的邊緣檢測.

對于圖像灰度值變化不明顯處，提取的邊緣不一定連續(xù)，有斷裂現(xiàn)象，不能形成封閉邊緣.筆者采用傳統(tǒng)的區(qū)域生長算法，選擇染色體像素灰度值最大的點(diǎn)作為初始種子像素點(diǎn)，利用邊緣像素點(diǎn)集合的平均灰度作為后續(xù)區(qū)域生長的判決條件來進(jìn)行染色體圖像分割［3］.

利用像素鄰域的概念，通過標(biāo)注種子像素八連通域分量進(jìn)而標(biāo)注單個染色體，實(shí)現(xiàn)染色體圖像中各條不同染色體的自動分離，還可以對較小的染色體或雜質(zhì)實(shí)行篩除，從而保留需要用于進(jìn)行識別的染色體［4］.對圖2經(jīng)過分割處理后的單條染色體圖像如圖4所示.

3 染色體邊界小波描述子提取

假設(shè)單條染色體圖像的輪廓是XY平面上一條由N個點(diǎn)組成的數(shù)字化邊界，其中每一個邊界點(diǎn)用其坐標(biāo)(xk，yk)表示.從任意點(diǎn)(x0，y0)開始，沿著逆時針方向遍歷整個邊界，依次經(jīng)過坐標(biāo)(x1，y1)，(x2，y2)，……，(xN-1，yN-1).考慮到單條染色體圖像用64個點(diǎn)描述其形狀已經(jīng)可以滿足.當(dāng)邊界點(diǎn)數(shù)大于64時，可通過等步長采樣的方法得到64個點(diǎn)予以解決，而對于邊界點(diǎn)N數(shù)小于64的情況，則需要進(jìn)行插值處理.

Haar小波基實(shí)現(xiàn)簡單，計算速度快，且濾波器更短，更容易刻畫平面閉合曲線，因此筆者選擇Haar小波基對單條染色體圖像的輪廓曲線進(jìn)行小波變換，求得小波系數(shù)可以作為服裝輪廓的小波描述符［5］.

對表示輪廓的64個點(diǎn)序列提取小波半徑描述子算法的具體描述為［6］:①求單條染色體輪廓的形心;②求各個點(diǎn)對應(yīng)形心的距離(半徑);③對半徑序列基于Haar函數(shù)進(jìn)行6層的小波分解;④對小波變換后的結(jié)果，保留尺度系數(shù)，對每層補(bǔ)充細(xì)節(jié)的小波系數(shù)進(jìn)行有選擇的截斷，作為單個染色體圖像的描述符.

如果選擇所有的小波變換系數(shù)作為半徑描述符，計算量特別龐大.在實(shí)驗中對得到的6層Haar小波變換系數(shù)，保留尺度系數(shù)，對補(bǔ)充細(xì)節(jié)的小波系數(shù)進(jìn)行有選擇的截斷，以一定精度描述了原輪廓的特征，在這里取32個系數(shù)點(diǎn)，該特征矢量定義為:M=［c1，x2，…，c32］.

4 染色體的配對

采用歐氏距離來計算單個染色體之間的相似度［7］.使用小波半徑描述子作為染色體分類的依據(jù).兩條染色體的匹配相似度計算公式如下:

式中:A，B表示任意兩條染色體;CA(i)表示A染色體小波描述矢量的第i項;CB(i)表示B染色體小波描述矢量的第i項;Similar(A，B)表示A染色體與B染色體的相似度;當(dāng) Similar(A，B)接近1時表示A染色體與B染色體越相似，匹配度越高.

通過上述公式算出每條染色體與其它染色體的匹配相似度，實(shí)驗結(jié)果如表1.從表中可以看出，染色體A1與染色體A2的匹配相似度最大，視為兩者匹配;染色體A3與A5相匹配;染色體A4與A10匹配;染色體A6與A7匹配;染色體A8與A9匹配.實(shí)驗結(jié)果表明，利用圖像處理技術(shù)提取染色體的相關(guān)特征，可以比較滿意地實(shí)現(xiàn)染色體的有效、正確匹配.

表1 圖4中染色體匹配相似度Tab.1 Chromosome matching in figure 4

4 結(jié)論

利用圖像分析技術(shù)進(jìn)行染色體圖像的自動分析和特征提取，最終實(shí)現(xiàn)染色體的自動配對.在人工作業(yè)情況下，一個熟練的工作人員完成一張染色體顯微照片的分析工作至少需要1 d時間.若用筆者提出的分析技術(shù)則僅需要10 min，大大地提高了工作效率，減少人為因素對特征提取的干擾、有效提高染色體配對的效率和準(zhǔn)確性.

筆者將小波變換運(yùn)用到染色體的輪廓特征分析上，提取染色體輪廓半徑序列，利用harr小波基對半徑序列進(jìn)行小波變換提取小波描述子作為染色體特征.結(jié)果表明:對于一幅染色體圖像，在其單條染色體不出現(xiàn)交叉的情況下，利用所開發(fā)的染色體自動識別系統(tǒng)可以使染色體的正確配對率達(dá)到90%以上.

［1］陳曉華，俞昌，袁志強(qiáng).人類染色體識別系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(10):231-233.

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［4］章毓晉.圖像分析——圖像工程:中冊［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:87-91.

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