DE2253946A1

DE2253946A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen auswahl von bildern von chromosomen waehrend der metaphase

Info

Publication number: DE2253946A1
Application number: DE2253946A
Authority: DE
Inventors: Charles Favier; Roland Lego; Edmond Tournier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-11-03
Filing date: 1972-11-03
Publication date: 1973-06-14
Also published as: GB1413150A; FR2159570A5; US3879706A; IT988363B

Description

41O-19-. 627P 3· II¹. 1972

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE. Paris

(Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Auswahl von Bildern von Chromosomen während der Metaphase

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Auswahl von Bildern von Chromosomen während der Metaphase.

Die Chromosomen-Analysen stellen gegenwärtig eine wichtige Untersuchung in einer großen Anzahl von Humanwissenschaften und biologischen Disziplinen dar (z. B. in der klinischen Genetik, in der Karzinologie, Radiopathologie» Pädiatrie usw.). Die Chromosomen-Analysen beim Menschen beruhen auf einer Technik, die eine Kultur von Blut-Lymphocyten verwendet, die 48 h in Gegenwart des Antigens pHA

-Hd-r (8)

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(Phytohaemagglutin) unterhalten und am Ende dieser Periode durch Einführung von Colchicin gestoppt wird. Ein hypotonischer Schock erlaubt dann das Aufblasen dieser Zellen während der Teilung (im Metaphase-Siadium der Mitose), so daß sehr gut ihre Chromosomen voneinander getrennt werden.

Während ihres Ausbringens werden einige Tropfen der Kultur auf den plättchenförmigen Objektträger aufgebracht, und die in ihnen enthaltenen Zellen verteilen ihre Chromosomen an der Oberfläche des Objektträgers. Bezogen auf die gesamte Oberfläche eines so hergestellten Präparats ist jedoch der Prozentsatz der Metaphasen, deren Chromosomen gut verteilt sind, äußerst niedrig im Verhältnis zur Gesamtheit der nicht interessierenden Bilder, die insbesondere durch die Kerne der ungeteilten Zellen und die unfertigen Mitosen gebildet werden.

Eine erste Arbeit des Biologen besteht daher in einer Untersuchung der verschiedenen Proben, um diejenigen auszuwählen, die eine Metaphase aufweisen, deren Chromosomen gut verteilt sind. Diese Auswahl von geeigneten Bildern vollzieht sich unter dem Mikroskop in zwei Schritten: einer ersten Grobauswahl und einer darauffolgenden feineren Auswahl. Eine derartige Untersuchung ist äußerst zeitraubend und langwierig.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Vollautomatisierung der Auswahl von Chromosomen-Bildern der Metaphase gestatten, um daraus die auswertbaren zu ermitteln, d. h. diejenigen, die eine ausreichende Verteilung der Chromosomen zeigen.

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Es. gibt allerdings bereits Verfahren zur automatischen Erfassung von Metaphase-Bildern» Dazu gehören insbesondere die beiden folgenden Verfahren!

Das erste Verfahren ist in Fig. 1 und 1b gezeigt. In Fig. 1 ist dargestellt ein Metaphase-Bild 2 und ein spezielles Chromosom 4. Die Chromosomen zeigen sdch schematisch in Form eines X« Wenn man das Bild 2 mittels eines Fühlers entlang horizontaler Verschiebungslinien 6a, 6b usw. abtastet, trifft der Fühler zunächst euf eine helle Zone, danach auf eine dunklere Zone D, von neuem auf eine helle Zone, wiederum auf eine dunklere Zone E und von neuem auf eine helle Zone. Die Zonen D und E entsprechen genau den Armen eines X, das das Chromosom bildet. Xm vom Fühler aufgenommenen Signal (vgl. Fig. 1b) sind zwei Impulse D und E vorhanden, die charakteristisch für das Auftreten eines gut von den anderen Chromosomen getrennten Chromosoms sind. Bei diesem Verfahren gelangt man zu einem Bild einer richtig verteilten Metaphaee, wenn man eine bestimmte Anzahl oft das charakteristische Signal abnimmt. Die Nachteile dieses Y&rtahrens liegen auf d©r Hand. Wenn z. B. alle Chromosomen e±ne Lage parallel zur Abtastriehtung der Bilder einnehmen, erhält taan in keimen! Zeitpunkt das. charakteristische Signal, und das Bild wird laicht ausgewählt, obwohl die Chromosome eine brauchbare Verteilung zeigen.

Ein anderes Verfahren besteht darin, das Präparat einem Laserstrahl auszusetzen. Man erhält die Informationen in der Fourier-Ebene. Das heißt, daß man die empfangenen Signale direkt in Form der Fourier-Transforraierten verar-

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beiten kann. Dieses Verfahren erfordert einen Digitalrechner, der die Verarbeitung der Signale vornehmen kann. Daher ist die Anwendung dieses Verfahrens zugleich komplex und aufwendig.

Demgegenüber ist es - präzisierte - Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Auswahl von Metaphasen anzugeben, die die Unzulänglichkeiten der eben beschriebenen Verfahren vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß schrittweise jedes Bild des zu untersuchenden Präparats in nebeneinanderliegende Rechtecke gerastert wird, die entlang Zeilen und Spalten angeordnet sind, daß die optische Dichte jedes Rechtecks gemessen und jedem Rechteck der Binärwert 1 zugeordnet wird, wenn seine optische Dichte zwischen zwei vorgegebenen Schwellenwerten liegt, ansonsten der Binärwert 0, und daß ein Algorithmus angewendet wird, durch den unter den Rechtecken mit dem Binärwert 1 eine charakteristische räumliche Verteilung feststellbar ist.

Genauer gesagt, man mißt die optische Dichte Jedes Rasterrechtecke, und man vergleicht diese optische Dichte mit einem maximalen Schwellenwert und einem minimalen Schwel· lenwert. Denjenigen Rechtecken, deren optische Dichte zwischen den beiden Schwellenwerten liegt, ordnet man den binären Wert 1 zu, wobei jedoch die Lage dieses Rechtecke auf dem Bild eingespeichert wird. Man vergleicht nun die Anordnung der Rechtecke, denen der Wert 1 zugeordnet ist, mit einem vorgegebenen Entscheidungsalgorithmus. Dieser Entscheidungsalgorithmus, der aufgrund von vorhergehenden ex-

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perimentellen Ergebnissen geschaffen worden ist,, erlaubt die Auswahl von Metaphase-Bildern mit einer guten Verteilung, d. ho von auswertbaren Metaphase-Bildern,,

Es ist also ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig davon anwendbar ist, wie die optische Dichte jedes Rechtecks gemessen wird. Man. kann also sehr gut nacheinander die optische Dichte jedes Rechtecks messen oder gleichzeitig-die optische Dichte der Rechtecke ein und derselben Spalte oder ein einziges Mal die optische Dichte aller Rechtecke des Metaphase-Bilds messen« Falls man gleichzeitig die optische Dichte der Rechtecke ein und derselben Spalte mißt, können eich die Bilder schrittweise verschieben, wobei jeder Schritt der Breite einer Spalte entspricht;, oder kontinuierlich, in welchem Fall .man eine Spalte von einer anderen aufgrund eines Taktsignals unter-■ scheidet, das so die Breite einer Spalte angibt..

Eine erste,spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß

a) eine Zeile mit der vorhergehenden Zeile verglichen und eine Zeile gespeichert wird, wenn diese eine vorbestimmte Anzahl r oft ein Rechteck mit dem Wert 1 in einer Spalte hat, wo die vorhergehende Zeile bereits ein. Rechteck mit dem' Wert 1 hat, daß eine Spalte mit der vorhergehenden Spalte verglichen und diese Spalte gespeichert wird, wenn sie eine vorbestimmte Anzahl s oft eine 1 in einer Zeile hat, wo die vorhergehende Spalte schon eine 1 hat; und

b) ein Bild* ausgewählt wird, wenn eine vorbestimmte Anzahl M von Spalten oder vorbestimmte Anzahl N von Zeilen dieses Bilds gespeichert worden ist.

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Eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich dadurch, daß der Entscheidungs-Algorithmus darin besteht, daß die Verteilung der Rechtecke mit dem Wert 1 mit einer Elementarkonfiguration verglichen wird, die aus einem den gemeinsamen Abschnitt von aufeinanderfolgenden ρ Zeilen und q Spalten bedeckenden Rechteck gebildet ist, und daß ein Bild ausgewählt wird, wenn es eine vorbestimmte Anzahl R oft die Elementarkonfiguration enthält.

Diese Elementarkonfiguration kann z. B. ein Rechteck sein, das den gemeinsamen Teil von ρ Zeilen und q Spalten bedeckt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Spalte mit η optischen Fühlern, die eine optische Dichte in eine elektrische Größe umsetzen, wobei jeder Fühler ein Rechteck der Spalte erfaßt bzw. überdeckt und die η Fühler eine ganze Bildspalte erfassen; eine Einrichtung zur ReIatiwerSchiebung des Bildes gegenüber den Fühlern in einer Richtung senkrecht zur Spalte der Fühler, d. h. In Zeilen-Richtung; eine Einrichtung zur Verstärkung der von den η Fühlern abgegebenen η Signale; η Vergleicher für den Vergleich jedes Signals mit einem maximalen und einem minimalen Schwellenwert; einen binären Codierer, der jedem Signal den Binärwert 1 zuordnet, wenn es zwischen den beiden Schwellenwerten liegt, und den Binärwert 0, wenn es außerhalb des durch die beiden Schwellenwerte begrenzten Intervalls liegt; und eine Entscheidungslogik.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat also im wesentlichen eine Spalte von η Fühlern, die das Bild entlang deren Richtung parallel zur Fühler-Spalte überdecken, wobei diese Fühler die Lichtintensität in eine elektrische Größe umsetzen. Die biologischen Präparate werden auf einen Probenträger aufgebracht, der kontinuierlich vor den Fühlern vorbeiläuft ο Die Ausgangssignale der optischen Fühler werden verstärkt und danach mit dem maximalen und minimalen Schwellenwert verglichen. Den Signalen zwischen, diesen beiden Schwellenwerten wird die Binärzahl 1 zugeordnet. Diese η Binärsignale werden durch eine Entscheidungslogik verarbeitet, die den einen oder anderen Entscheidungsalgorithmus anwendet. Diese Vorrichtungen haben im wesentlichen logische Verkntipfungsglieder oder Gatter, Speicher und Zählregister.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 a und 1 b ein vor der Erfindung entwickeltes Verfahren;

Fig. 2 & ein Ausführungsbeispiel der erχIndungsgeraäßen Vorrichtung, das den zweiten Entscheidungsalgorithmus anwendet;

Fig. 2 b eine Skizze, die den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem zweiten Algorithmus erläutert;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Steuersignale der Vorrichtung von Fig. 2; und

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Fig. h ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das den ersten Entscheidungsalgorithmus anwendet»

In der folgenden Beschreibung wird unter Metaphase das die Chromosomen enthaltende biologische Präparat verstanden, ferner unter Metaphase-Bild das Bild dieses Präparats unter einem Mikroskop.

Um die Homogenität einer Metaphase zu kontrollieren, zerfällt das erfindungsgemäße Verfahren in zwei Schritte. Beim ersten Schritt testet man grob die Homogenität der optischen Dichte eines Elementarrechtecks des Präparats, genauer gesagt, des Bildes dieses Rechtecks, das man davon im Mikroskop erhält» Venn dieses Elementarrechteck einer guten Verteilung entspricht, d. h. wenn seine optische Dichte zwischen einem maximalen und einem minimalen Schwellenwert liegt, wird das Elementarrechteck im Gedächtnis behalten bzw. gespeichert. Bei einem zweiten Schritt vergleicht man die Konfiguration der gespeicherten Elementarrechtecke mit einem Entscheidungsalgorithmus. Es versteht sich, daß die Schwellenwerte sowie der Algorithmus vorgegeben sind, damit die durch dieses Auswahlverfahren erhaltenen Ergebnisse mit der vom Menschen vorgenommenen Auswahl übereinstimmen.

Beim ersten Entscheidungs-Algorithmus definiert man zwei Homogenitäts-Parameter: die Zahl der "Korrespondenzen" und die Zahl der "Ähnlichkeiten". Unter der "Korrespondenz" einer Zeile mit der vorhergehenden Zeile versteht man, daß in ein und derselben Spalte der Binärwert fUr die den beiden

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Zeilen entsprechenden Rechtecke 1 ist. Während die Anzahl der "Korrespondenzen" zeilenweise definiert wird, definiert man in derselben Weise spaltenweise die Anzahl der "Ähnlichkeiten" gemäß einer identischen Definition. Das heißt, eine Spalte besitzt eine "Ähnlichkeit" mit der vorhergehenden Spalte, wenn in ein und derselben Zeile der Wert 1 ist für die beiden Rechtecke, die den beiden Spalten entsprechen.

Man speichert eine Zeile, wenn sie mindestens r "Korrespondenzen" mit der vorhergehenden Zeile aufweist. Ebenso speichert man eine Spalte, wenn sie mindestens s "Ähnlichkeiten" mit der vorhergehenden Spalte hat. Schließlich speichert man ein Bild, wenn die Anzahl der gespeicherten Zeilen größer oder gleich einer vorgegebenen Anzahl N oder wenn die Anzahl der gespeicherten Spalten größer oder gleich einer vorgegebenen Anzahl M ist.

Der zweite Entscheidungsalgorithmus wird folgendermaßen

gebildet:

Wenn man die Binärmatrix betrachtet, die durch die Gesamtheit der Rechtecke geschaffen wird, denen der binäre Wert 0 oder 1 zugeordnet ist, wählt man als Kriterium der Homogenität des Bilds die Erfassung eines in der anfänglichen Binärmatrix vorhandenen Motivs, das ein Entscheidungsnetz oder -raster darstellt, d. h. einer bestimmten Konfiguration von 1. Dieses Entscheidungsraster kann z. B. ein Quadrat mit den Seiten 3x3 sein, oder ganz allgemein ein Rechteck mit den Seiten ρ χ q. Wenn dieses Motiv in der Binärmatrix vorhanden ist, beweist es an dieser Stelle

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("Ort") eine Homogenität der optischen Dichte. Man speichert dieses Bild, wenn die Anzahl der "Orte" auf der gesamten Binärmatrix, wobei alle überdeckungen zugelassen sind, größer als eine vorgegebene Zahl R ist.

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Teilen:

einem ersten Teil, in dem man die optische Dichte jedes Rechtecks des zu untersuchenden Bildes mißt und in dem man diese optische Dichte mit einem größeren und kleineren Schwellenwert vergleicht, um das Bild zu speichern oder zurückzuweisen; und

einem zweiten Teil, in dem man diese Information verarbeitet, um sie mit dem Entscheidungsalgorithmus zu vergleichen.

Der erste Teil ist den beiden Ausführungsformen entsprechend den beiden Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemeinsam. Im Gegensatz dazu ist der zweite Teil unterschiedlich, je nachdem, ob man die erste oder zweite Ausführung des Verfahrens betrachtet.

Die zu untersuchenden biologischen Präparate« d. h. die Metaphasen, befinden sich auf einem Proben- oder Objektträger, der sich kontinuierlich vor dem Objektiv eines Mikroskops verschiebt, wobei dieser Probenträger durch eine Einheit von Motor und Untersetzungsgetriebe mit konstanter, jedoch regelbarer Drehzahl angetrieben wird;

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In der Bildebene des Mikroskops ordnet man eine lineare Matrix von Photodioden an, wobei das Mikroskop ein Bild des zu prüfenden Präparats erzeugt» Diese Photodioden-Matrix besteht aus η Photodioden 8a, 8b ..., 8n, die so nebeneinanderliegen, daß die Zeile der Mittelpunkte dieser Photodioden 8 parallel zur Ebene des Probenträgers und senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Probenträgers liegt» Außerdem ist die Anzahl η der Photodioden 8 so groß, daß die η Photodioden im wesentlichen das gesamte Bild der Metaphase in Richtung senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Probenträgers abdecken. Im folgenden sei "Spalte" derjenige Teil des Bildes genannt, der durch zwei Parallelen zur Photödiodenmätrix begrenzt ist, und "Zeile" derjenige Teil des Bilds, der durch zwei Parallelen zur Verschiebungsrichtung des Probenträgere begrenzt ist und sich im Feld einer Photodiode befindet. Die Breite d einer Spalte wird später definiert werden, wobei die i-te Zeile und die j-te Spalte somit ein Rechteck Rj definieren.

Jede der η Photodioden, die in ein elektrisches Signal die optische Dichte des in ihr Gesichtsfeld gebrachten Bilds umsetzt, ist an einen an sich bekannten Verstärker 10 angeschlossen, der eine entsprechende Regelung der Verstärkung der Photodiode 8 erlaubt. Jedes verstärkte Signal wird in ein logisches Schwellenwertglied 12 eingespeist, das den Pegel des verstärkten Signale mit einem maximalen Schwellenwert und einem minimalen Schwellenwert vergleicht und die ein Binärsignal 1 abgibt, wenn das verstärkte Signal sich zwischen den beiden Schwellenwerten befindet, und das binäre Signal Q in den übrigen Fällen.

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Man kann selbstverständlich die Photodioden durch Phototransistoren ersetzen, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen»

Eine derartige Einrichtung ist nicht in allen Einzelheiten dargestellt, da sie im übrigen wohl bekannt ist. Sie kann z. B. mitteis zweier Schwellenwert-Gatter und eines UND-Glieds realisiert werden.

Der eben beschriebene Teil der Auswahlvorrichtung ist beiden Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemeinsam, d. h. dieser Teil der Vorrichtung hängt nicht von dem verwendeten Entscheidungsalgorithmus ab.

In Fig. 2a ist ein Aueführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführung abgebildet. In diesem AusfUhrungsbeispiel ist ein "Ort" ein Quadrat mit den Abmessungen 3 x 3» d. h. man spricht von einem "Ort", wenn neun Rechtecken Rj, die eine Fläche überdecken, die sich über den gemeinsamen Teil von drei benachbarten Zeilen und drei benachbarten Spalten erstreckt, der Binärwert 1 zugeordnet ist. Und das Bild wird gespeichert, wenn die Vorrichtung R "Orte" zählt.

Jedes logische Schwellenwertglied 12 ist an einen ersten Speicher 1U angeschlossen. Jeder Speicher 1Ί wird durch ein sogenanntes Spaltenwechsel-Signal gesteuert. Dieses Signal wird durch eine einzige Foigesteuereinrichtung 16 erzeugt. Das Spaltenwechsel-Signal A wird durch eine Folge von Impulsen gebildet, die durch ein Zeitintervall getrennt sind, das gleichzeitig von der Transport-

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geschwindigkeit des Probenträgers und. der Breite abhängt, die man den Spalten geben will, so wie sie vorher definiert worden sind. Genauer gesagt, wenn man mit ν die Transportgeschwindigkeit der Metaphase-Bilder und d die Breite einer Spalte bezeichnet, ergibt sich die Periode T des Spaltenwechsel-Signals zus

T = ^.
ν

Jeder der η Speicher Tk ist an einem zweiten Speicher 18 angeschlossen, der dem Speieher 14 identisch ist und durch das Spaltenwechsel-Signäl A gesteuert wird. Jeder Speicher 18 ist mit einem UND-Glied 20 verbunden. Jedes UND-Glied 20 ist außerdem an den Ausgang des logischen Schwellenwertglieds 12 und an den Ausgang des entsprechenden Speichers 14 angeschlossen. UND-Glieder 22 empfangen an jedem ihrer drei Eingänge das Ausgangssignal von einem von drei aufeinanderfolgenden UND-Gliedern 20.,Zum Beispiel ist das UND-Glied 22.. angeschlossen an die Ausgänge der UND-Glieder 2O₁, 20p und 20„, während das UND-Glied 22„ an die UND-Glieder 2O_, 20„und 20^ angeschlossen ist usw. Man hat also n-2 UND-Glieder 22.

Jedes UND-Glied 22 ist mit einer Zelle Zk eines Schieberegisters 26 von an sich bekanntem Aufbau verbunden. Der Zugang zum Schieberegister 25 wird durch ein Lade-Signal B gesteuert, das dieselbe Periode wie das Spaltenwechsel-Signal A hat, jedoch gegenüber diesem etwas voreilt. Der Transport der im Schieberegister 26 gespeicherten Informationen in den Zähler 28 vollzieht sich unter Steuerung durch ein Takt-Signal C, das durch Gruppen von n-2 identischen Im-

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pulsen gebildet wird, wobei die ersten Impulse jeder Gruppe mit dem Impuls des Spaltenwechsel-Signals zusammenfallen und das Zeitintervall, das zwei aufeinanderfolgende Impulse trennt, kleiner als T/n ist, wenn T die Periode des Lade-Signals B bezeichnet«, In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der drei Steuersignale abgebildet. Die Kurve 3a zeigt das Lade-Signal, die Kurve 3b das Takt-Signal und die Kurve 3c das Spaltenwechsel-Signal. Die Folgesteuereinrichtung 16 kann vorzugsweise durch einen Pulsgenerator gebildet sein, wobei die Einzelimpulse des Pulses in ihrer Periode gleich der Periode des Tgkt-Signals C sind; die Signale A und B können in an sich bekannter Weise mittels Untersetzern bzw. Teilern hergestellt werden. Die Ausgänge der n-2 UND-Glieder 22 sind auch an n-2 Eingänge eines logischen Verknüpfungsglieds 30 angeschlossen, das das Rücksetzen auf 0 oder Löschen des Zählers 28 steuert, wenn die n-2 in die Eingänge des Verknüpfungsglieds 30 eingespeisten Signale den Binärwert 0 haben.

Der Zähler 28 hat außerdem an seinem Ausgang einen Vergleicher, durch den sein Zustand mit einer vorgegebenen Anzahl R verglichen wird.

Die in Fig. 2a abgebildete Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die optische Dichte jeder Zeile wird durch die entsprechende Photodiode 8 gemessen und in ein elektrisches Signal umgesetzt; dieses wird verstärkt und mit den beiden Schwellenwerten verglichen, wonach es entsprechend seiner Lage zu den beiden Schwellenwerten in ein Binärsignal umgewandelt wird, das dann in den Speicher \h und das entsprechende UND-Glied 20 gespeist wird. Solange kein Impuls

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des Spaltenwechsel-Signals in die Steuereingänge der Speicher 14 eingespeist wird, geben die UND-Glieder 20 das Binärsignal 0 ab.

Es sei nun angenommen, daß die Matrix der Photodioden 8 die Spalte k abtastet, wobei dann die Signale entsprechend der Spalte k - 1 in den Speichern 14 und die entsprechend der Spalte k -2 in den Speichern 18 gespeichert sind. Bei dem folgenden Spaltenwechsel-Signal -wird jedes UND-Glied 20 durch die Signale entsprechend den Spalten k - 2, k - 1 und k angesteuert. Man hat also am Ausgang des UND-Glieds 20. (entsprechend der Zeile i) das Signal 1 nur, wenn die Spalten k - 2, k - 1 und k sich im Zustand 1 befinden, d. h. wenn die Rechtecke R.,« , R. . _Λ und R, . _ eine passende Homogenität aufweisen. Am Ausgang des UND-Glieds 22,, das an die UND-Glieder 20. ^, 20. und 20. .. angeschlossen ist, erhält man das Signal 1, wenn die vorhergehenden UND-Glieder 20 ebenfalls an ihrem Ausgang das Signal 1 zeigen. Man hat also am Ausgang des UND-Glieds 22. das Signal 1, wenn alle Signale entsprechend den Rechtecken R₄ _Λ , ,, ^Rj1lc1» ^Rj1k' ^R

d,k-2» ^Rj,k-1· ^Hj,k*

und R₄ ., . den Vert 1 haben. Dies entspricht genau einem j+ι »κ

"Ort" der Abmessungen 3x3· In Fig. 2b sind di© Rechtecke R₁ . dargestellt, die den Spalten k-2, k-1, k und den Zeilen j-1, Jj und j+1 entsprechen. Es versteht sich, daß die Konturen der in dieser Figur .abgebildeten Rechtecke nicht wirklich existieren, d. h. daß sie nur dazu dienen, die Figur besser zu erläutern. Die Zustände der Ausgänge der UND-Glieder 22 werden in den Zellen 2k des Schieberegisters 26 gespeichert, wonach die im Schieberegister enthaltenen Zustände 1 in den Zähler 28 durch das Takt-Signal C weitergeleitet werden. ■ .

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Während des folgenden Spaltenwechsel-Signals werden die Zustände der Signale entsprechend den Spalten k und k-1 in den Speicher "\k bzw. 18 gespeichert, und der Zyklus beginnt von neuem.

Wenn der Zähler 28 R Zustände 1 gezählt hat, wird das Bild gespeichert.

Die Präparate, die sich auf dem Probenträger befinden, sind um ein bestimmtes Intervall getrennt» Wenn also die Photodioden-Matrix von einem Bild zum folgenden gelangt, erfaßt sie eine bestimmte Anzahl von "weißen" Spalten. Diese "weißen" Spalten geben für jede Photodiode 8 das Signal 0. Das Verknüpfungsglied 30 hat den Wert 0 an jedem seiner n-2 Eingänge, so daß der Zähler 28 gelöscht wird.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird jeder "prt" durch ein Quadrat mit den Abmessungen 3x3 gebildet, es versteht sich jedoch, daß man bei geringer Abänderung der Entscheidungslogik ganz allgemein dem "Ort" die Form eines Rechtecks mit den Abmessungen ρ χ q geben kann.

In diesem Fall hat man anstatt zwei Speichern für die Photodioden 8 q - 1, ähnlich hat jedes der η UND-Glieder 20 9 Eingänge anstatt der drei Eingänge, und jedes UND-Glied 22 hat ρ Eingänge, wobei die UND-Glieder 22 in einer Anzahl von n-p+1 vorhanden sind.

In Fig. k ist ein AusfUhrungsbeiepiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der ersten Ausführung des Verfahrens abgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine

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Spalte gespeichert, wenn sie r "Ähnlichkeiten" aufweist, und eine Zeile, wenn sie s "Korrespondenzen" hat. Schließlich wird ein Bild als homogen betrachtet und daher gespeichert, wenn man für dieses Bild bereits M Zeilen oder N Spalten gespeichert hat.

In Fig« h sind η Photodioden 8 zu sehen, ferner η Verstärker 10 und η logische Schwellenwertglieder 12. Die Ausgänge der η Schwellenwertglieder 12 sind an η Speicher 32 angeschlossen, die durch das Spaltenwechsel-Signal gesteuert· werden. Der Ausgang jedes Speichers 32 ist an einen der beiden Eingänge der η UND-Glieder 3^ angeschlossen, deren anderer Eingang mit dem Ausgang des entsprechenden Speichers 32 verbunden ist. Die Ausgänge der η UND-Glieder 3^ sind mit den η Eingängen eines Zählers 36 verbunden, der auf den Wert r voreingestellt ist und an seinem Ausgang das Signal 1 abgibt, wenn er r Zustände 1 gezählt hat.

Der Zähler 36 kann vorzugsweise realisiert werden, indem wie in Fig. k ein Zähler 28, ein Schieberegister 26 und eine Vorrichtung zum Vergleich des Zählerstands des Zählers 28 mit der Zahl r zusammengeschaltet werden. Jedes der n-1 UND-Glieder 38 wird angesteuert einerseits durch das Signal vom entsprechenden logischen Schwellenwertglied 12 und andererseits vom Signal, das vom unmittelbar folgenden logischen Schwellenwertglied 12 abgegeben wird.

Die Ausgangssignale der n-1 UND-Glieder 38 werden in die n-1 Eingänge des Zählers 39 eingespeist, der identisch mit dem Zähler 36, jedoch auf den Wert s voreingestellt ist. Der Ausgang des Zählers 36 ist mit dem Eingang eines Zählers kO verbunden, der auf den Wert M voreingestellt ist, und

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der Ausgang des Zählers 39 ist mit dem Eingang eines Zählers 42 verbunden, der auf den Wert N voreingestellt ist. Der Ausgang des Zählers 40 gibt also das Signal 1 ab, wenn er M Impulse gezählt hat, und der Ausgang des Zählers 42 das Signal 1, wenn er N Impulse gezählt hat.

Die Ausgänge des Zählers 40 und 42 werden in ein ODER-Glied 44 eingespeist, das das Ausgangssignal der Vorrichtung abgibt. Außerdem steuern die Ausgangssignale der η UND-Glieder 34 und der n-1 UND-Glieder 38 ein UND-Glied mit 2n-1 Eingängen an, dessen Ausgang an die Löscheingänge der Zähler 40 und 42 angeschlossen ist.

Das in Fig. 4 abgebildete Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt:

Es sei angenommen, daß die Photodiode-Matrix die k-te Spalte untersucht, wobei die Zustände der Signale entsprechend der (k-i)-ten Spalte in den Speichern 32 gespeichert sind.

Das UND-Glied 34_± gibt das Signal 1 ab, wenn die Signale entsprechend den Spalten k und k-1 1 betragen, d. h. wenn eine "Korrespondenz" vorliegt. Der Zähler 36 zählt die Anzahl der UND-Glieder 34 mit dem Zustand 1. Wenn die Anzahl der Glieder gleich oder größer r ist, gibt der Zähler 36 das Signal 1 ab. Das UND-Glied 38 gibt das Signal 1 ab,

wenn die logischen Schwellenwertglieder 12. und 12 , ₁ ebenfalls das Signal 1 abgeben, d. h. wenn eine "Ähnlichkeit" in der Spalte k vorliegt. Der Zähler 39 zählt die Anzahl der UND-Glieder 38, die das Signal 1 abgeben. Wenn diese

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Anzahl den Wert s erreicht, gibt er seinerseits einen Impuls ab.

Wenn ein neuer "Spaltenwechsel"~Impuls in die Steuereingänge des Speichers 32 eingespeist wird, beginnt derselbe Prozeß von neuem mit den Spalten k+1 und k.

Wenn der Zähler 40 M Impulse gezählt hat, gibt er ein Signal 1 ab, ebenso der Zähler 42, wenn er N Impulse gezählt hat. Die Ausgangssignale der beiden Zähler werden in das ODER-Glied 44 eingespeiste Wenn dieses das Signal t abgibt, hat das entsprechende Bild eine gute Homogenität und wird gespeichert oder zurückbehalten«

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann außerdem eine Einrichtung haben, die den ausgewählten Bildern Koordinaten zuordnet. Wenn die Photodioden sich von einem Bild zum anderen bewegen, erzeugt ein Codierer ein Signal, das charakteristisch für die Abszisse oder Ordinate des Bilds relativ zum Probenträger ist, und diese beiden Signale werden in den Eingang eines Pufferspeichers eingespeist.

Im Fall des Ausführungsbeispiels von Fig. 4 ist der Steuereingang mit dem Ausgang des ODER-Glieds 44 verbunden. Wenn das Signal 1 am Ausgang dieses Glieds auftritt, werden die X- und Y-Koordinaten des Bilds im Pufferspeicher gespeichert. Im Fall des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 1st der Steuereingang des Pufferspeichers mit dem Ausgang des Zählere 28 verbunden.

Die beiden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen

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Vorrichtung sind praktisch erprobt worden unter Vornahme einer Simulation auf einen Digitalrechner. Die einzelnen Ergebnisse sowie die mit 200 Bildern gewonnenen Ergebnisse stimmten vollständig mit den Ergebnissen überein, die von einer Gruppe von fünf Biologen gewonnen wurden.

Es versteht sich, daß die Erfindung über die Offenbarung der Ausführungsbexspiele hinausgeht. Insbesondere können die Photodioden durch andere optische Fühler oder Aufnehmer ersetzt werden, die ein elektrisches Signal proportional zur optischen Dichte eines Bilds abgeben (z. B. Phototransistoren).

Außerdem ist es möglich, anstatt die Präparate vor einem ortsfesten Objektiv des Mikroskops vorbeilaufen zu lassen, das Mikroskop an den zu kontrollierenden Präparaten auf einem ortsfesten Probenträger vorbeizubewegen.

Für andere Anwendungszwecke kann das Motiv, das das Entscheidungsnetz bildet, irgendeine Form haben. Es wird gebildet durch eine Anordnung von Elementarrechtecken, die eine definierte Figur erzeugen, die mit dem auszuwählenden Bild korreliert ist, wobei diese Form z. B. ein Druckbuchstabe sein kann.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur automatischen Auswahl von Metaphase-Bildern eines Präparats, dadurch gekennzeichnet, daß schrittweise jedes Bild des zu untersuchenden Präparats in nebeneinanderliegende Rechtecke gerastert wird, die entlang Zeilen und Spalten angeordnet sind, daß die optische Dichte jedes Rechtecks gemessen und jedem Rechteck der Binärwert 1 zugeordnet wird, wenn seine optische Dichte zwischen zwei vorgegebenen Schwellenwerten liegt, ansonsten der Binärwert 0, und daß ein Algorithmus angewendet wird, durch den' unter den Rechtecken mit dem Binärwert 1 eine charakteristische räumliche Verteilung feststellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß-das Rastern der zu untersuchenden Fläche vorgenommen wird durch deren kontinuierliches Abtasten, indem eine gleichmäßige Verschiebung entlang den Zeilen erfolgt, wobei die Zuordnung des Binärwerts 0 oder 1 zu jedem Rechteck der Fläche entsprechend für alle Rechtecke ein und derselben Spalte vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entscheidungsalgorithmus darin besteht?

a) daß eine Zeile mit der vorhergehenden Zeile verglichen und eine Zeile gespeichert wird, wenn diese eine vorbestimmte Anzahl r oft ein Rechteck mit dem Wert 1 in einer Spalte hat, wo die vorhergehende Zeile bereits ein

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Rechteck mit dem Wert 1 hat, daß eine Spalte mit der vorhergehenden Spalte verglichen und diese Spalte gespeichert wird, wenn sie eine vorbestimmte Anzahl s oft eine 1 in einer Zeile hat, wo die vorhergehende Spalte schon eine 1 hat; und

b) daß ein Bild ausgewählt wird, wenn eine vorbestimmte Anzahl M von Spalten oder vorbestimmte Anzahl N von Zeilen dieses Bilds gespeichert worden ist.

k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entscheidungs-Algorithmus darin besteht, daß die Verteilung der Rechtecke mit dem Wert 1 mit einer Elementarkonfiguration verglichen wird, die aus einem den gemeinsamen Abschnitt von aufeinanderfolgenden ρ Zeilen und q Spalten bedeckenden Rechteck gebildet ist, und daß ein Bild ausgewählt wird, wenn es eine vorbestimmte Anzahl R oft die Elementarkonfiguration enthält.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Spalte mit η optischen Fühlern (8a - 8n), die eine optische Dichte in eine elektrische Größe umsetzen, wobei jeder Fühler ein Rechteck der Spalte erfaßt bzw. überdeckt und die η Fühler eine ganze Bildspalte erfassen;

eine Einrichtung zur Relativverschiebung des Bilds gegenüber den Fühlern in einer Richtung senkrecht zur Spalte der Fühler, d. h. in Zeilen-Richtung.

eine Einrichtung (1O) zur Verstärkung der von den η Fühlern abgegebenen η Signale;

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η Vergleicher (12) für den Vergleich jedes Signals mit einem maximalen und einem minimalen Schwellenwert;

einen binären Codierer (12), der jedem Signal den Binärwert 1 zuordnet, wenn es zwischen den beiden Schwellenwerten liegt, und den Binärwert O, wenn es außerhalb des durch die beiden Schwellenwerte begrenzten Intervalls liegt; und

eine Entscheidungslogik.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungslogik mit η Eingängen aufweist?

η Speicher.(32), die durch ein Spaltenwechsel-Signal (a)
gesteuert sind;

η Einrichtungen zum Vergleich des in jedem Speicher gespeicherten Signals mit dem von der entsprechenden Schwellenwerteinrichtung (12) abgegebenen Signals;

einen ersten Zähler (36) mit η Eingängen, der auf den Wert r voreingestellt ist und von dem jeder Eingang an eine der
Vergleichseinrichtungen angeschlossen ist, wobei der Ausgang des ersten Zählers mit dem Eingang ©ines zweiten Zählers (ho) verbunden ist, der auf den Wert M voreingestellt ist;

n-1 zweite Einrichtungen (38) zum Vergleich des von der
i-ten logischen Schwellenwerteinrichtung (12) abgegebenen
Signals mit dem Signal von der (i+i)-ten logischen Schwel-1enwertβinri chtung;

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-Zk-

einen zweiten Zähler (39) mit n-1 Eingängen, der auf den Wert s voreingestellt ist und von dem jeder Eingang mit den n-1 zweiten Vergleichseinrichtungen (38) verbunden ist, wobei der Ausgang des zweiten Zählers an den Eingang eines dritten Zählers (h2) angeschlossen ist, der auf den Wert N voreingestellt ist; und

ein ODER-Glied (kk), von dem ein Eingang mit dem Ausgang des auf den Wert M voreingestellten ersten Zählers (4o) und der andere Eingang mit dem Ausgang des auf den Wert N voreingestellten dritten Zählers (^2) verbunden ist, wobei der Ausgang des ODER-Glieds den Ausgang der Vorrichtung bildet (Fig. k).

7· Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungslogik mit η Eingängen aufweist:

η Gruppen von q-1 in Reihe geschalteten Speichern (i4, 18), wobei jede Gruppe an einen der Eingänge der Enteeheidungslogik angeschlossen ist und jeder Speicher durch ein Spaltenwechsel-Signal (A) gesteuert wird;

η Einrichtungen (20) zum Vergleich an q Eingängen der in den q-1 Speichern gespeicherten q-1 Signale mit dem Signal von dem entsprechenden Schwellenwertglied; und

n-p+1 Vergleichseinrichtungen (22) mit ρ Eingängen, deren jeder mit dem Ausgang von einer von ρ aufeinanderfolgenden der Vergleichseinrichtungen (20) mit q Eingängen verbunden ist, wobei der Ausgang jeder der n-p+1 Vergleichseinrichtungen (22) mit ρ Eingängen an einen Eingang einer von n-p+1 Zellen (2k) eines Schieberegisters (26) angeschlossen ist,

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dessen Ausgang mit dem Eingang eines auf den Wert R voreingestellten Zählers (28) verbunden ist (Fig. 20).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte der optischen Fühler (8a - 8n) in der Bildebene eines ortsfesten Mikroskops angeordnet 1st, dessen Objektträger, der die zu untersuchenden Präparate trägt, in eine Translationsbewegung durch ein von einem Motor konstanter Drehzahl angetriebenes Untersetzungsgetriebe versetzt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fühler Photodi.oden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 h±s 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fühler Phototransistoren sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 - 10» dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtungen (20, 22; 3k, 38) UND-Glieder sind (Fig. 2a, 4).

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