DE102010035908A1

DE102010035908A1 - Einrichtung und Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben

Info

Publication number: DE102010035908A1
Application number: DE102010035908A
Authority: DE
Inventors: Petra Perner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US20110058728A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben mit einer Bildaufnahmeeinrichtung und einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung und Bestimmung der Zellen. Damit ist insbesondere eine einfache automatische Erfassung gegeben. Dazu sind im Datenverarbeitungssystem die Module zur a) Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes, b) Zuordnung einer Identität, c) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen, d) Erkennen der Zellen innerhalb der Rahmen mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des Folgebildes, e) paarweise Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen, f) jeweilige Zuordnung der ähnlichsten Zelle, g) Zuordnung einer neuen Identität an neu hinzukommenden Zellen, und h) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des Folgebildes, angeordnet. Die Module a) bis c) sind in Reihe und die dem Modul c) nachgeschalteten Module d) bis h) als eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft

– Einrichtungen und Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben mit einer Einrichtung zur zeitlich nacheinander folgenden Aufnahme von Bildern der Zellprobe und einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe,
– ein Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe und
– ein digitales Speichermedium, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe ausgeführt wird.

Anordnungen zur automatischen Untersuchung von Zellen, Zellkomplexen und anderen biologischen Proben sind entsprechend der zu ermittelnden Daten bekannt. Durch die Druckschrift DE 196 16 997 A1 ist ein Verfahren zur automatisierten mikroskopunterstützten Untersuchung von Gewebeproben oder Körperflüssigkeitsproben bekannt, wobei über die Anwendung von Neuronalen Netzen Gewebeproben oder Körperflüssigkeitsproben auf Zelltypen untersucht werden.
Ein automatisches Verfahren zur Erkennung von Zellmustern ist durch die Druckschrift DE 198 01 400 C2 bekannt. Dabei werden nur die Formen in den Bildern erkannt.
Diese Druckschriften beinhalten zur Untersuchung nur eines Abbildes einer entsprechenden Probe. Rückschlüsse auf eine Entwicklung der Probe selbst sind nicht vorgesehen.
Durch die Druckschrift DE 199 19 539 C1 ist ein Verfahren zur Messung der Aktivität einer biologisch wirksamen Substanz in einem histologischen Präparat bekannt.
Dabei wird das Präparat mitsamt den Reagenzien, welche auf Grund der Aktivität der zu messenden Substanz die jeweilige optische Eigenschaft des Präparats ändern, vor der Bildaufnahmevorrichtung angeordnet. Die zu messende Substanz bewirkt eine Änderung der optischen Eigenschaft in jenem Bereich des Präparats, in dem die zu messende Substanz vorhanden ist. Werden nacheinander mehrere Bilder des Präparats aufgenommen, so können die Änderungen des der optischen Eigenschaft in dem Bereich des Präparats über die Zeit erkannt werden. Die Änderungsgeschwindigkeit der optischen Eigenschaft steht in einem vorbekannten proportionalen Verhältnis zur Konzentration der Substanz. Es wird somit eine bildliche Darstellung von Substanzkonzentrationen erhalten. Ein Erkennen einzelner Objekte im Bild ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
Die Druckschrift DE 197 09 348 A1 beinhaltet ein automatisches Multi-Epitop-Ligand-Kartierungssystem. Grundlage bildet die Aufnahme eines Objekts in seinen zeitlichen Entwicklungsphasen und die Überlagerung dieser Aufnahmen des Objekts zu einem hochkomplexen molekularen Kombinationsmuster. Letzteres zeigt im Ergebnis die zeitliche Entwicklung des Objekts entsprechend vorgegebener Markierungen im Bild. Es erfolgt nur eine Bildaufnahme mittels eines Bildaufnahmegeräts.
Durch die Druckschrift DE 198 45 883 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Biotests bekannt. Diese weist Mittel zur automatischen bildanalytischen Auswertung von in Probenschalen angeordneten biologischen Proben mit und ohne Einfluss potentiell phytotoxischer Substanzen in verschiedenen Matrices und eine optische Aufnahmeeinrichtung auf, die die Probenschale mit auf- oder Durchlicht beleuchtet, die Proben gegebenenfalls mit einer Glasscheibe oder einer hoch polaren Matrix planarisiert, mit einer digitalen Kamera aufnimmt und die Daten zur Reduktion und Auswertung an ein Bildanalysesystem weitergibt. Die Realisierung, die Funktionsweise und die Merkmale des Bildanalysesystems sind nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
Die Druckschrift DE 101 28 552 A1 beinhaltet ein Verfahren zur Zellanalyse und eine Zellanalyseeinrichtung. Dazu sind die zu analysierenden Zellen auf einem Träger haftend aufgebracht und mittels eines ersten Färbemittels angefärbt. Die so gefärbten Zellen werden digital aufgenommen und gespeichert. Danach werden dieselben Zellen mit einem zweiten Färbemittel behandelt, wobei sich die optisch messbaren Eigenschaften ändern. Daraufhin wird ein zweites digitales Bild erstellt und gespeichert. Das Verfahren und die Einrichtung ist auf die Analyse von Zellen, die ihre optischen Eigenschaften durch das Einwirken von Färbemitteln ändern beschränkt.
Durch die Druckschrift DE 38 36 716 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung von Zellbildern bekannt. Dabei handelt es sich um interaktives Verfahren, wobei eine Vielzahl verschiedener aneinandergrenzender Bildfelder einer Zellkultur in zeitlicher Folge mehrfach aufgenommen und als Digitalbilder gespeichert werden. Anschließend werden die zeitlich aufeinanderfolgenden Digitalbilder eines Bildfeldes nacheinander auf dem Bildschirm dargestellt und die Zellen im Bildfeld markiert, wobei für verschiedene Zelltypen und Zellgenerationen unterschiedliche Marken vorgeshen sind. Aus der gespeicherten Anzahl und den Positionen der Marken werden anschließend statistische Kenngrößen ermittelt, die für die Zellen in den Bildfeldern bzw. der Zellkultur charakteristisch sind. Dabei handelt es sich um ein teilautomatisches Verfahren. Die auszuwertenden Zellen müssen im jeweils ersten Teilbild der zeitlichen Folge vom Benutzer markiert werden. Eine automatische Objekterkennung im Bild erfolgt nicht.
Die Druckschrift DE 42 11 904 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erstellen einer Artenliste für eine flüssige Probe. Die Vorrichtung weist eine Bildaufnahmevorrichtung zum optischen Erfassen der Probe als Folge von Bilddaten auf. Ferner ist eine Lokalisierungseinrichtung zum Erkennen und Lokalisieren der Objekte in den erfassten Bilddaten sowie eine Identifizierungseinrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Zähleinrichtung zum Zählen der identifizierten Objekte nach der jeweiligen Art sowie zum Eintragen der gezählten Objekte in die Artenliste auf. Die Identifizierungseinrichtung umfasst dabei eine Sucheinrichtung, die die lokalisierten Objekte mit einer Gruppe von Referenzobjekten vergleicht, die sich auf Grund von aus den Bilddaten gewonnenen Grobmerkmalen des lokalisierten Objektes aus einer größeren Gruppe von Referenzobjekten ergeben.
Hauptaugenmerk gilt dabei dem Feststellen der Objekte in den digitalen Bildern und deren Zuordnung in die Artenliste. Eine dynamische Bewertung von Objekten in der Probe ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.
Durch die Druckschrift US 5 914 245 A ist ein Verfahren zum Erfassen der dynamischen Prozesse in Enzymen bekannt. Ausgewertet werden einzelne Bildpunkte, die sich durch Absorption oder Fluoreszenz auszeichnen oder sich in einem Gitter befinden. Einzelne Objekte werden nicht erfasst.
Die Druckschrift WO 2007/101 706 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Molekülen oder Molekülteilen in biologischen Proben. Die Probe wird dazu mit einem lichtemittierenden Marker versehen. Die dadurch hervorgerufene Lichtemission wird nachfolgend gemessen. Inhärente Lichtemission wird mittels Bleichens verringert oder beseitigt. Einzelne Objekte werden nicht bestimmt.
Durch die Druckschrift WO 03/050 535 A2 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Einflüssen unphysiologischer Verbindungen, deren Derivate und Abbauprodukte auf Organismen, Organe und Zellen bekannt. Dazu werden optische Marker zur Markierung von Molekülen eingesetzt. Diese Marker sind entsprechend den Molekülen unterscheidbar. Hauptaugenmerk gilt dem Bleichen nach dem Einsatz eines Markers, um bei Einsatz eines neuen Markers auswertbare optische Signale zu erhalten.
Der in den Patentansprüchen 1 und 8 bis 10 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben einfach automatisch zu erfassen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 8 bis 10 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben mit einer Einrichtung zur zeitlich nacheinander folgenden Aufnahme von Bildern der Zellprobe und einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine einfache automatische Erfassung gegeben ist.
Dazu sind im Datenverarbeitungssystem

a) ein erstes Modul zur Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes,
b) ein zweites Modul zur Zuordnung einer Identität für jede der Zellen,
c) ein drittes Modul zur Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist,

Das erste Modul, das zweite Modul und das dritte Modul sind nacheinander im Datenverarbeitungssystem in Reihe geschalten.
Weiterhin sind im Datenverarbeitungssystem

d) ein viertes Modul – zur Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des Folgebildes und – zur paarweisen Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, wobei auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes jeweils die der Zelle des Vorgängers ähnlichste Zelle als Nachfolger und neu hinzukommenden Zellen jeweils eine neue Identität zugeordnet wird, und
e) ein fünftes Modul zur Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, realisiert.

Das vierte Modul und das fünfte Modul sind dem dritten Modul nachgeschaltet und sind eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder.
Das Datenverarbeitungssystem ist darüber hinaus mit einem Datenspeicher, einem Datensichtgerät oder einem Datenspeicher sowie einem Datensichtgerät für die Bilder mit den erkannten Zellen einschließlich ihrer jeweilig zugeordneten Identität, ihren Abständen, ihren Positionen und ihren Wegen zusammengeschaltet.
Das Datenverarbeitungssystem ist ein bekannter Computer. Die einzelnen Module sind durch die Datenverarbeitungseinrichtung des Computers und Bereichen von damit verbundenen Speichern ausgebildet. Damit wird auch das Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben durchgeführt.
Weiterhin ist dazu ein Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten:

a) Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes,
b) Zuordnung einer Identität für jede der Zellen,
c) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist,
d) Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des jeweiligen Folgebildes,
e) paarweise Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen,
f) jeweilige Zuordnung die der Zelle des Vorgängers ähnlichsten Zelle auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes als Nachfolger und
g) Zuordnung einer neuen Idendität an neu hinzukommenden Zellen,
h) Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des jeweiligen Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist,

Das digitale Speichermedium, das so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken kann, ist dazu vorteilhafterweise so ausgebildet, dass ein Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten:

Ähnlichkeitsmaße werden beispielsweise aus der Bestimmung der Euklidischen Distanzwerte, der Mahalanobis-Distanzwerte oder der Zamperoni-Distanzwerte ermittelt. Die Zellen sind dabei durch ihre Flächen und ihre Grauwerte oder Farbwerte bestimmt.
Durch das Computer-Programm-Produkt und das digitale Speichermedium ist ein Datenverarbeitungssystem als Einrichtung zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben realisiert.
Die Einrichtungen, Verfahren, Computer-Programm-Produkte und digitalen Speichermedien zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Entwicklungen der Zellprobe automatisch erfasst und nachverfolgt werden können. Vorteilhafterweise sind dazu die Positionen und deren Änderungen automatisch erfasst.
Die Ergebnisse werden in einem Datenspeicher abgelegt, so dass sie jederzeit wieder einer weiteren Bearbeitung, einer Weiterbearbeitung oder einer Nachbetrachtung zur Verfügung stehen. Darüber hinaus können die Ergebnisse auf einem Datensichtgerät dargestellt werden. Das erfolgt einschließlich ihrer jeweilig zugeordneten Identität, ihren Abständen, ihren Positionen und ihren Wegen. Eine zeitliche Entwicklung ist ohne Weiteres nachvollziehbar. Weiterhin ist eine Entwicklung von Zellen einbezogen. Neben einer Ortsveränderung der Zellen können auch nicht ortsveränderliche Bewegungen erfasst werden. Das sind insbesondere Drehbewegungen der Zellen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Modul zur Erkennung ein neu hinzukommenden Zellen eine neue Identität zuordnendes Modul zur Erkennung der Zellen des Folgebildes ist. Dabei werden auch am Anfang nicht sichtbare Zellen in die Untersuchung und Beobachtung der Zellprobe mit eingeschlossen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Das Modul zur Erkennung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein vollständige, fragmentierte, sich berührende und sich überlappende Zellen erkennendes Modul zur Erkennung der Zellen der Zellprobe.
Über die Größen der ermittelten Flächen der Zellen ist eine Einordnung in vollständige, fragmentierte, sich berührende und sich überlappende Zellen möglich. In Folge können somit fragmentierte, sich berührende und sich überlappende Zellen entfernt werden, so dass nur vollständige Zellen zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben einbezogen werden. Damit sind eindeutige Aussagen über die zeitliche Entwicklung der Zellprobe zu treffen.
Das Modul zur Erkennung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein sich teilende Zellen die Identität der Mutterzelle den geteilten Zellen zuordnendes Modul zur Erkennung der Zellen des Folgebildes. Die geteilten Zellen erhalten vorteilhafterweise die Identität der Mutterzelle, so dass die Teilung und die Entwicklung der geteilten Zellen zeitlich und örtlich nachvollziehbar ist.
Die Zelle ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 durch die Kontur, die Textur oder die Kontur sowie die Textur bestimmt.
Das Modul zur Erkennung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein die Ähnlichkeit der Zelle gegenüber der im Suchfenster des Vorgängerbildes ermittelten Zelle bestimmendes Modul zur Erkennung, wobei

– das Vorgängerbild der Zelle mit seiner Identität eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen ist,
– ein Gradientenbild des Nachfolgerbildes unter Beibehaltung der Identität erzeugt und in eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen überführt wird,
– das Nachfolgerbild sukzessive auf jedes Vorgängerbild des Gradientenbildes beginnend mit den höchsten Bildebenen verschoben wird, so dass das Nachfolgerbild mit jedem Vorgängerbild des Gradientenbildes verglichen wird,
– das Nachfolgerbild auf das Vorgängerbild so ausgerichtet wird, dass dabei eine Skalierung und/oder Rotation des Nachfolgerbildes ausgeführt wird,
– dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird,
– während der Berechnung der Ähnlichkeit die Ähnlichkeitsmaße entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswerte jeweils zwischen dem Nachfolgerbild und dem Vorgängerbild so lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswerte vorhanden ist, und
– der Grad der Übereinstimmung zwischen Nachfolgerbild und Vorgängerbild durch das Ähnlichkeitsmaß so bestimmt ist, dass der Grad der Übereinstimmung mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmt und das Vorgängerbild ungleicher vom Nachfolgerbild wird.

Das ausgewählte Bild der Zelle und das erzeugte Gradientenbild werden in Pyramiden mit Bildebenen überführt. Die einzelnen Bildebenen werden nacheinander miteinander verglichen, wobei mit den höchsten Bildebenen begonnen wird. Die höchsten Bildebenen sind die unschärfsten Bildebenen mit jeweils der geringsten Datenmenge, so dass beginnend mit dem geringsten Rechenaufwand der Vergleich durchgeführt wird. Während des Vergleichs zwischen dem Vorgängerbild und dem Nachfolgerbild der Zelle erfolgt eine Ausrichtung und/oder eine Skalierung und/oder Rotation des Nachfolgerbildes, wobei dabei vorteilhafterweise gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird.
Der besondere Vorteil besteht darin, dass entweder die Kontur oder die Form digital erfasst und gespeichert werden können. Mit diesen Daten können folgend Manipulationen ausgeführt werden, wobei zum Beispiel Ähnlichkeitsmaße bestimmbar und die Ähnlichkeit und/oder die Ähnlichkeit als Grad der Übereinstimmung zwischen Vorgänger- und Nachfolgerbild durch das Ähnlichkeitsmaß beschreibbar sind. Mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß ist das Nachfolgerbild ungleicher vom Vorgängerbild.
Das Modul zur Erkennung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein über eine Kantendetektion die Zelle erkennendes Modul.
Vorteilhafterweise wird dabei über eine Kantendetektion der Zelle das Gradientenbild erzeugt, wobei große Änderungen des Grauwertes sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung jeweils Gradienten und homogenen Flächen kein Gradient zugeordnet werden. Die homogenen Flächen sind schwarz. Ergebnis ist ein Bild mit weißen Kanten der Zelle, während die durch die Kanten der Zelle eingeschlossenen Flächen und die an die Kanten der Zelle angrenzenden Flächen schwarz sind. Die Datenmenge des digitalen Bildes ist dadurch wesentlich geringer als bei einem Grauwertbild des digitalen Bildes. Gleichzeitig verringert sich der Rechenaufwand beim Vergleich der Zellen über die Berechnung der Ähnlichkeiten mit der Bestimmung von Ähnlichkeitsmaßen.
Das Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein die Abstände, die Positionen und den Weg von Zellen im Bild der Zellprobe ermittelndes Datenverarbeitungssystem. Die zeitliche Entwicklung der Zellprobe einschließlich deren Zellen ist dadurch leicht nachvollziehbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben.
Nachfolgend werden eine Einrichtung und ein Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben zusammen näher erläutert.
Eine Einrichtung zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus einer Einrichtung zur zeitlich nacheinander folgenden Aufnahme von Bildern der Zellprobe und einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe.
Die Einrichtung zur Aufnahme ist dazu eine bekannte Digitalkamera, die zeitlich gesteuert Abbilder der Zellprobe erfasst. Die Abbilder der Zellprobe werden durch die Digitalkamera gleichzeitig in digitale Daten gewandelt und in einem Datenmedium unter Zuordnung der Zeit abgelegt. Zur Vergrößerung des Abbildes der Zellprobe kann vor der Einrichtung zur Aufnahme beispielsweise ein Mikroskop vorgeordnet werden.
Die Digitalkamera oder der Datenspeicher mit den Daten der Abbilder ist mit dem Datenverarbeitungssystem zur weiteren Bearbeitung der Daten verbunden. Dazu sind im Datenverarbeitungssystem

a) ein erstes Modul zur Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes,
b) ein zweites Modul zur Zuordnung einer Identität für jede der Zellen,
c) ein drittes Modul zur Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist,
d) ein viertes Modul – zur Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des Folgebildes und – zur paarweisen Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, wobei auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes jeweils die der Zelle des Vorgängers ähnlichste Zelle als Nachfolger zugeordnet wird und neu hinzukommende Zellen jeweils eine neue Identität zugeordnet wird, und
e) ein fünftes Modul zur Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, angeordnet.

Das erste Modul, das zweite Modul und das dritte Modul sind nacheinander im Datenverarbeitungssystem in Reihe geschalten. Damit werden die Zellen des ersten Bildes erkannt und den Zellen jeweils eine Identität zugeordnet. Die Identität ist dabei eine Beschreibung und/oder Nummerierung der Zelle.
Das vierte Modul und das fünfte Modul sind dem dritten Modul nachgeschaltet und sind eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder. Durch die Erkennung der Zellen sind gleichzeitig deren Anzahl und deren Positionen im Bild ermittelbar. Mittels der Rahmen, die lokal und maßbestimmt angeordnet werden, sind die Abstände und die Positionen auch der Zeilen der Folgebilder in Abhängigkeit des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelbar, so dass der Weg von Zellen im Bild der Zellprobe nachvollziehbar sind.
Das Modul zur Erkennung im Datenverarbeitungssystem ist weiterhin so ausgebildet

– dass vollständige, fragmentierte, sich berührende und sich überlappende Zellen der Zellprobe erkannt werden,
– dass sich teilende Zeilen der Identität der Mutterzelle zugeordnet werden, so dass die Teilung erkannt und die Entwicklung der geteilten Zellen nachvollziehbar ist,
– dass neu hinzukommenden Zellen jeweils eine neue Identität zugeordnet wird und
– dass die Ähnlichkeit der Zelle gegenüber der im Suchfenster des Vorgängerbildes ermittelten Zelle bestimmt wird, wobei die Ähnlichkeit auch nach Rotation und/oder der Textur der Zelle ermittelt wird.

Bei der Bestimmung der Ähnlichkeit

– ist das Vorgängerbild der Zelle mit seiner Identität eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen,
– wird ein Gradientenbild des Nachfolgerbildes unter Beibehaltung der Identität erzeugt und in eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen überführt,
– wird das Nachfolgerbild sukzessive auf jedes Vorgängerbild des Gradientenbildes beginnend mit den höchsten Bildebenen verschoben, wobei das Nachfolgerbild mit jedem Vorgängerbild des Gradientenbildes verglichen wird,
– wird das Nachfolgerbild auf das Vorgängerbild so ausgerichtet, dass dabei eine Skalierung und/oder Rotation des Nachfolgerbildes ausgeführt wird,
– wird gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet,
– werden während der Berechnung der Ähnlichkeit die Ähnlichkeitsmaße entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswerte jeweils zwischen dem Nachfolgerbild und dem Vorgängerbild so lange ermittelt, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswerte vorhanden ist, und
– ist der Grad der Übereinstimmung zwischen Nachfolgerbild und Vorgängerbild durch das Ähnlichkeitsmaß so bestimmt, dass der Grad der Übereinstimmung mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmt und das Vorgängerbild ungleicher vom Nachfolgerbild wird.

Die Zellen der Bilder der Zellen werden vorzugsweise über eine Kantendektion im Modul zur Erkennung erkannt. Neben der äußeren Kante der Zelle können auch innere Kanten der Zelle erkannt werden, so dass auch die Textur der Zelle ermittelbar ist.
Das Datenverarbeitungssystem ist weiterhin mit einem Datenspeicher, einem Datensichtgerät in Form eines Bildschirms oder einem Datenspeicher und einem Datensichtgerät für die Bilder mit den erkannten Zellen einschließlich ihrer jeweilig zugeordneten Identität verbunden. Natürlich kann auch ein Drucker angeschlossen sein.
Ein Computer-Programm-Produkt ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel ein Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten

Ein digitales Speichermedium ist in einem dritten Ausführungsbeispiel ein digitales Speichermedium, das so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken kann, dass ein Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19616997 A1 [0002]
DE 19801400 C2 [0003]
DE 19919539 C1 [0005]
DE 19709348 A1 [0007]
DE 19845883 A1 [0008]
DE 10128552 A1 [0009]
DE 3836716 A1 [0010]
DE 4211904 A1 [0011]
US 5914245 A [0013]
WO 2007/101706 A1 [0014]
WO 03/050535 A2 [0015]

Claims

Einrichtung zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben mit einer Einrichtung zur zeitlich nacheinander folgenden Aufnahme von Bildern der Zellprobe und einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit a) einem ersten Modul zur Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes, b) einem zweiten Modul zur Zuordnung einer Identität für jede der Zellen, c) einem dritten Modul zur Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, wobei das erste Modul, das zweite Modul und das dritte Modul nacheinander im Datenverarbeitungssystem in Reihe geschalten sind, d) einem vierten Modul – zur Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des Folgebildes und – zur paarweisen Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, wobei auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes jeweils die der Zelle des Vorgängers ähnlichste Zelle als Nachfolger zugeordnet wird und neu hinzukommenden Zellen jeweils eine neue Identität zugeordnet wird, e) einem fünften Modul zur Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, wobei das vierte Modul und das fünfte Modul dem dritten Modul nachgeschaltet und eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder sind, und einem Datenspeicher, einem Datensichtgerät oder einem Datenspeicher sowie einem Datensichtgerät für die Bilder mit den erkannten Zellen einschließlich ihrer jeweilig zugeordneten Identität, ihren Abständen, ihren Positionen und ihren Wegen.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul zur Erkennung ein vollständige, fragmentierte, sich berührende und sich überlappende Zellen erkennendes Modul zur Erkennung ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul zur Erkennung ein sich teilende Zellen die Identität der Mutterzelle den geteilten Zellen zuordnendes Modul zur Erkennung der Zellen des Folgebildes ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle durch die Kontur, die Textur oder die Kontur sowie die Textur bestimmt ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul zur Erkennung ein die Ähnlichkeit der Zelle gegenüber der im Suchfenster des Vorgängerbildes ermittelten Zelle bestimmendes Modul zur Erkennung ist, wobei – das Vorgängerbild der Zelle mit seiner Identität eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen ist, – ein Gradientenbild des Nachfolgerbildes unter Beibehaltung der Identität erzeugt und in eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen überführt wird, – das Nachfolgerbild sukzessive auf jedes Vorgängerbild des Gradientenbildes beginnend mit den höchsten Bildebenen verschoben wird, so dass das Nachfolgerbild mit jedem Vorgängerbild des Gradientenbildes verglichen wird, – das Nachfolgerbild auf das Vorgängerbild so ausgerichtet wird, dass dabei eine Skalierung und/oder Rotation des Nachfolgerbildes ausgeführt wird, – dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird, – während der Berechnung der Ähnlichkeit die Ähnlichkeitsmaße entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswerte jeweils zwischen dem Nachfolgerbild und dem Vorgängerbild so lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswerte vorhanden ist, und – der Grad der Übereinstimmung zwischen Nachfolgerbild und Vorgängerbild durch das Ähnlichkeitsmaß so bestimmt ist, dass der Grad der Übereinstimmung mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmt und das Vorgängerbild ungleicher vom Nachfolgerbild wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul zur Erkennung ein über eine Kantendetektion die Zelle erkennendes Modul ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem ein die Abstände, die Positionen und den Weg von Zellen im Bild der Zellprobe ermittelndes Datenverarbeitungssystem ist.
Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahme von Bildern der Zellprobe mit den folgenden Schritten: a) Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes, b) Zuordnung einer Identität für jede der Zellen, c) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, d) Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des jeweiligen Folgebildes, e) paarweise Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, f) jeweilige Zuordnung die der Zelle des Vorgängers ähnlichsten Zelle auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes als Nachfolger und g) Zuordnung einer neuen Idendität an neu hinzukommende Zellen, h) Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des jeweiligen Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, wobei die Schritte a) bis c) nacheinander und die Schritte d) bis h) eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder ist.
Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten: a) Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes, b) Zuordnung einer Identität für jede der Zellen, c) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, d) Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des jeweiligen Folgebildes, e) paarweise Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, f) jeweilige Zuordnung die der Zelle des Vorgängers ähnlichsten Zelle auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes als Nachfolger und g) Zuordnung einer neuen Idendität an neu hinzukommenden Zellen, h) Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des jeweiligen Folgebildes, sodass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, wobei die Schritte a) bis c) nacheinander und die Schritte d) bis h) eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder ist, wenn das Programm auf einem Rechner mit den damit entsprechend realisierten Modulen nach Anspruch 1 abläuft.
Digitales Speichermedium, das so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken kann, dass ein Verfahren zur automatischen Erfassung der dynamischen Prozesse von Zellen von Zellproben aus zeitlich nacheinander folgenden Aufnahmen von Bildern der Zellprobe und zur Erkennung und Bestimmung der Zellen der Zellprobe mit den folgenden Schritten: a) Erkennung der Zellen der Zellprobe des ersten Bildes, b) Zuordnung einer Identität für jede der Zellen, c) Zuordnung eines Rahmens für jede der Zellen des ersten Bildes in Form eines Suchfensters, wobei sich im Rahmen nur eine Zelle befindet, so dass der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, d) Erkennung der Zellen innerhalb der Rahmen in Form der Suchfenster mit Zuordnung der jeweiligen Identität der Zellen des jeweiligen Folgebildes, e) paarweise Bestimmung der Ähnlichkeit der Zellen gegenüber der im Suchfenster des jeweiligen Vorgängerbildes ermittelten Zellen, f) jeweilige Zuordnung die der Zelle des Vorgängers ähnlichsten Zelle auf Basis eines Ähnlichkeitsmaßes als Nachfolger und g) Zuordnung einer neuen Idendität an neu hinzukommenden Zellen, h) Zuordnung eines Rahmens in Form eines Suchfensters für jede der Zellen des jeweiligen Folgebildes, so dass sich im Rahmen nur eine Zelle befindet und der Rahmen und damit die Größe des Suchfensters durch benachbarte Zellen bestimmt ist, wobei die Schritte a) bis c) nacheinander und die Schritte d) bis h) eine Schleife für alle dem ersten Bild folgenden Bilder ist, in einer damit realisierten Einrichtung nach Anspruch 1 ausgeführt wird.