AT504625B1 - Verfahren zur auswertung von zumindest eine symmetrieachse besitzenden digitalen bildern - Google Patents

Description

2 AT 504 625 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Auswertung von Daten bzw. Werten, die in Form von Matrizen bzw. regelmäßiger Konfiguration, insbesondere in Zeilen und Spalten angeordnet sind, ist es schwer, die tatsächliche Form dieser Daten zu rekonstruieren bzw. eine exakte Extraktion dieser Daten vorzunehmen. Dies gilt sowohl für Datenfelder, in denen numerische Datenwerte aufscheinen als auch für in digitaler Form vorliegende Bilder, z.B. von aufgenommenen Bilder, wie z.B. von den von DNA-Microarrays erhaltenen Bildern. Insbesondere wird die Erfindung im Folgenden anhand derartiger DNA-Microarrays näher erläutert; dies soll jedoch nicht eine Einschränkung auf dieses spezielle Gebiet bedeuten.

Bei DNA Microarrays (DNA-Chips) handelt es sich üblicherweise um Trägermaterialien aus Glas oder Kunststoff in vorgegebenen Dimensionen auf die in einer Punktrasteranordnung verschiedene, z.B. diagnostisch relevanten Genen entsprechende, DNA-Sequenzen aufgebracht werden. Eine zu analysierende Probe kann nun auf die Präsenz eines am Chip repräsentierten Diagnose-Markers untersucht werden. Dies geschieht indem die Probe bzw. das Pool darin enthaltener DNA- oder mRNA-Target-Moleküle fluoreszenzmarkiert und anschließend in physischen Kontakt zum DNA-Chip gebracht wird. Sofern sich ein am Chip repräsentierter Marker in der zu analysierenden Probe befindet, binden die einander entsprechenden Moleküle aufgrund des Basenpaarungsprinzips spezifisch aneinander. Dadurch kommt es zu einer Kopplung der fluoreszenzmarkierten Probe (cDNA) mit ihrer Entsprechung auf der Chipoberfläche. Diese Bindung und das durch sie gegebene Fluoreszenzsignal kann durch Auslesen des Chips in einem Laser-Scanner sichtbar gemacht und detektiert werden. Dabei wird bei entsprechender Anregungswellenlänge und Laserstärke ein Bild der Chip-Oberfläche mit allen positiven Bindungen erstellt. Bei der Verwendung zweier unterschiedlicher Farbstoffe, z.B. Cy3/Cy5 = grün/rot, zur Markierung der zu überprüfenden Proben und deren simultanem Einsatz, ergeben sich im Unterschied zu Einfarbstoff-Experimenten auch Farbüberlagerungen, die im Zuge der Bildauswertung zur Diagnose aufgelöst werden müssen.

Die Extraktion von diagnostischen Daten aus Bildern von DNA-Chips ist eine oft schwierige Aufgabe. Insbesondere das Auffinden der genauen Positionen (Gitter) und Segmentieren von möglicherweise irregulär geformten Datenbereichen (im Folgenden kurz „Spots“ genannt) vom Hintergrund kann häufig nur durch Interaktion mit einem Experten erfolgen. Da die Anzahl der Spots pro Array 104 und mehr beträgt und auch die Zahl der pro Labor und Jahr üblicherweise bearbeiteten Arrays groß ist, ist die automatische Auswertung solcher Arrays höchst wünschenswert.

In der WO 2003/060827 werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Symmetrielinien in zwei- und dreidimensionalen Bildern beschrieben. Es wird ein allgemeines Verfahren zur Bestimmung einer Symmetrielinie beschrieben, wobei die Symmetrielinie nicht nur durch ihre x-Koordinate, sondern durch zwei Koordinaten sowie ihren Neigungswinkel gegenüber der y-Achse beschrieben wird.

Die EP 1450304 A1 beschreibt ein Bildverarbeitungsgerät und Verfahren zur Verarbeitung eines Digitalbildes. Es wird dabei eine Gitterstruktur erzeugt und das bearbeitete Bild in eine Anzahl von Teilbereichen zerlegt, um einige dargestellte Merkmale zu extrahieren.

Die Auswertung umfasst dabei gegebenenfalls eine Vorverarbeitung zur Reduktion des Hintergrundrauschens, eine Gitter-Detektion (Spot-Positionsbestimmung) sowie Spot-Segmentierung und gegebenenfalls eine Spot- Intensität Bestimmung.

Die erfindungsgemäße Vorgangsweise soll auf beliebige digitale Bilder mit beliebigem Bildformat anwendbar sein. Gitter-Detektionsalgorithmen basieren oft auf via Radon-Transformation (RT) berechneten Projektionsprofilen der Bilddaten. Wenn Spots in regelmäßigen Reihen und Spalten (Gitter) angeordnet sind, ergeben sich in derartigen Profilen mehr oder weniger ausge- 3 AT 504 625 B1 prägte Maxima (peaks). Können die Positionen dieser peaks verlässlich gefunden werden, können daraus das Gitter und damit die Positionen aller Spots bestimmt werden. Das vorgeschlagene Verfahren dient zur Verbesserung der Qualität der Eingangsprofile (RT-Profile) in dem Gitterfindungsprozess. Es wird die Symmetrie des Gitters ausgenutzt, um die Symmetrieachse in den Profilen zu finden und durch Kombination der Informationen der symmetrischen Profilabschnitte eine Qualitätsverbesserung der peaks zu erreichen. Welche Daten in dem Datenfeld enthalten sind, spielt für die Rekonstruktion des Gitters keine Rolle.

Fig. 1 zeigt ein DNA-Microarray, bei dem Spots in Reihen und Spalten von Blöcken angeordnet sind. Spots, in denen eine Reaktion abgelaufen ist (cDNA Expression), sind schwarz angedeutet. Mit SA ist eine Symmetrieachse und mit PP ist ein Projektionsprofil der Datenwerte bezeichnet.

Um das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art zeitsparend bzw. mit geringem Rechenaufwand und mit entsprechender Genauigkeit abwickeln zu können, sind die Merkmale des Anspruches 1 vorgesehen. Mit dieser Vorgangsweise wird mit geringem Rechenaufwand eine Qualitätsverbesserung (erhöhtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis) von symmetrischen eindimensionalen Signalen, insbesondere von RT-Profilen die zur Analyse von DNA-Micro-arrays bzw. DNA-Chips herangezogen werden, erreicht.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorgangsweise enthalten. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 2 zeigt ein digitales Signal bzw. ein RT-Profil.

Fig. 2a zeigt ein vorverarbeitetes Signal mit egalisierten Peaks. Fig. 3 zeigt ein unter Zuhilfenahme der aufgefundenen Symmetrieachse rekonstruiertes Projektionsprofil.

Bei der erfindungsgemäßen Vorgangsweise wird von einem Datenfeld, das zumindest eine Symmetrieachse aufweist, ein Projektionsprofil PP, z.B. unter Zuhilfenahme einer Radon-Transformation, erstellt. Dieses Projektionsprofil PP, das unter einem beliebigen Winkel erstellt werden kann, gibt für jede der einzelnen Reihen oder Spalten des Datenfeldes, abhängig von den in diesen Reihen oder Spalten enthaltenen Datenwerten einen Gesamtwert wieder, kann jedoch mit Fehlern, insbesondere Verzerrungen behaftet sein.

Digitale Signale (Fig. 2) sind des weiteren üblicherweise verrauscht. Dies stellt ein Problem dar, wenn z.B. relevante Maxima (peaks) aus dem Signal extrahiert werden sollen. Wenn a priori bekannt ist, dass eine Symmetrie des Signals vorliegen muss, kann dies zur Verbesserung der Signalqualität ausgenutzt werden. Sollten in einem Teil des Signals peaks fehlen oder schwach ausgeprägt sein, in der anderen Hälfte jedoch keine Störung vorliegen (hohe peaks), so kann man diese Information nutzen um ein einheitlich gutes Signal zu erhalten.

Als erster Schritt kann - sofern erforderlich - das Signal vorverarbeitet, z.B. „peak egalisiert“ werden, d.h. sehr hohe peaks werden abgeschnitten und niedrige peaks erhöht (Fig. 2a).

Um die Position der Symmetrieachse zu berechnen wird wie folgt vorgegangen. Das digitale Signal bzw. Projektionsprofil PP mit der Länge L wird an jeder möglichen halbzahligen Position i (i = 1.5, 2.5..... L-0.5) gefaltet, d.h. an einer fiktiven Symmetrieachse SA' zerschnitten und spiegelverkehrt mit dem restlichen Signal kombiniert, insbesondere mittels Maximum Operator (Fig. 3).

Eine Faltung der Signalwerte erfolgt derart, dass die in Fig. 3 rechts von der angenommenen Symmetrieachse SA' an ganzzahligen Positionen gelegenen Signalwerte mit den Nummern 1000 ... 2500 überdeckt werden mit den gelegenen Signalwerten mit den Nummern 900 ... 0,

Claims (8)

1. 4 AT 504 625 B1 sodass z.B. auf den Signalwert Nummer 1000 der Signalwert Nummer 999, auf den Signalwert Nr. 1001 der Signalwert Nummer 998 und schließlich auf den Signalwert Nummer 1999 der Signalwert Nummer 0 zu liegen kommt, womit die Signalwerte symmetrisch zur gewählten Symmetrieachse SA' gefaltet werden können. Dadurch entstehen L neue Signale bzw. Profile. Für jeden dieser L Signalverläufe kann nun ein Qualitätsmaß berechnet werden. Als Position der Symmetrieachse wird dann die Position mit dem besten Qualitätsmaß gewählt. Als Qualitätsmaß können zum Beispiel die Standardabweichungen der derart erzeugten gefalteten Signale berechnet und als Funktionsplot F dargestellt werden. Faltungspositionen, die symmetrisch gelegene peaks aufeinander-mappen erzeugen eine kleine Standardabweichung. Die lokalen Minima des Funktionsplots werden berechnet. Die Position der Symmetrieachse ist durch jenes Minimum gegeben, an dem das Integral des entsprechenden gefalteten Signals minimal ist (entspricht bestem Überlapp). Das Ergebnis ist die Position der Symmetrieachse SA’. Mit Hilfe der gefundenen Symmetrieachse SA' lässt sich das ursprüngliche Signal bzw. Projektionsprofil „verbessern“, indem die Unterscheidbarkeit der peaks zum Hintergrund erhöht wird. Dies geschieht durch Faltung des Signals um die gefundene neue Symmetrieachse SA' und entsprechende Kombination der dadurch übereinander liegenden Teile des Signals, insbesondere durch Addition. Durch Rückfaltung erhält man den entsprechend spiegelverkehrten Anteil des Signals. Durch diese Vorgangsweise erhält man eine exakte Lage der Symmetrieachse und exakte Lagen der Reihen oder Spalten bezüglich der Symmetrieachse. Damit kann für eine weitere Auswertung der Datenfelder auf eine exakte Lage der Reihen und Spalten bezüglich der vorhandenen Symmetrieachse zurückgegriffen werden. Die Erfindung betrifft des weiteren einen Datenträger, auf dem ein Programm zur Ausführung des Verfahrens gespeichert ist. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Auswertung von zumindest eine Symmetrieachse besitzenden digitalen Bildern bzw. zur Segmentierung von Datenfeldern mit regelmäßig in Reihen und Spalten angeordneten Datenwerten, vorzugsweise von Datenfeldern mit gitterförmig angeordneten Spots, wobei für die Reihen und/oder Spalten des Datenfeldes ein eindimensionales Projektionsprofil (PP oder kurz „Signal“) der Datenwerte, z.B. durch Radon Transformation, ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, - dass zur Ermittlung der Lage der Symmetrieachse das digitale Signal der Reihe nach an jeder halbzahligen Position geteilt wird und für jede Teilung der resultierende auf der einen Seite der Symmetrieachse bzw. links liegende Signalteil (A) spiegelverkehrt mit dem resultierenden auf der anderen Seite liegenden bzw. rechts liegenden Signalteil (B) gefaltet bzw. kombiniert wird, - dass für jedes der durch die Faltung erhaltenen kombinierten Signale ein Qualitätsmaß berechnet wird, insbesondere basierend auf der besten Übereinstimmung der gefalteten Signalteile (A, B), wie z.B. der kleinsten Standardabweichung aller kombinierten Signale, - dass als Position der Symmetrieachse die Position gewählt wird, für die das beste Qualitätsmaß erhalten wurde und - dass einer weiteren Auswertung ein neues Projektionsprofil der Datenwerte zugrundegelegt wird, dessen beidseits der Symmetrieachse liegende Signalteile durch Falten bzw. Kombination, insbesondere Addition und Rückfaltung, der Signalwerte der durch die gewählte Symmetrieachse bestimmten-bzw. getrennten Signalteile erhalten werden. 5 AT 504 625 B1
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Datenbereiche digitale Bilder von DNA-Microarrays bzw. DNA-Chips ausgewertet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Teilung des Projektionsprofils eine Reduktion des Hintergrundrauschens erfolgt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-bzw. Datenwerte in den digitalen Bildern regelmäßig in zumindest eine Symmetrieachse aufweisenden Reihen und Spalten angeordnet sind.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Teilung des Projektionsprofils eine Egalisierung der Peaks bzw. Signalwerte erfolgt, wozu übermäßig hohe Peaks an einem vorgegebenen Schwellwert abgeschnitten und zu niedrige Peaks auf einen vorgegebenen Schwellwert erhöht werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der zu faltenden Profilteile (A, B) unter Anwendung eines Maximumoperators vorgenommen wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Qualitätsmaßes der gefalteten Profilteile (A, B) die Standardabweichungen der gefalteten Signalwerte berechnet wird und jenes Minimum der Standardabweichungen als bestes Qualitätsmaß angesehen wird, an dem das Integral des entsprechenden gefalteten Signals minimal ist (entspricht bestem Überlapp der symmetrischen Signalteile).
8. 8. Datenträger, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Programm zur Ausführung des in den Ansprüchen 1 bis 7 beanspruchten Verfahrens gespeichert ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen