DE2253946A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen auswahl von bildern von chromosomen waehrend der metaphase - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur automatischen auswahl von bildern von chromosomen waehrend der metaphaseInfo
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Description
41O-19-. 627P 3· II1. 1972
(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)
30982WI(K 3
(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
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. ■ .
309824/1CH3
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
309824/1043
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.
309824/ 1 043
Claims (1)
- PatentansprücheVerfahren 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 ein309824/10432253948Rechteck 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; undb) 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 durcheine 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;309824/ 1043η 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; undeine 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;309824/1043-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; undein 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; undn-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,30982 A/1043dessen 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).309824/1Q43Lee r s ei te
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