DE2717917C2 - Verfahren zur optischen Bildverarbeitung von Präparaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bildverarbeitung von Präparaten, wobei die Präparate mit Licht bestrahlt und das von ihnen beeinflußte Licht durch optische Eingriffe untersucht, das beeinflußte Licht in Teilstrahlen mit jeweils gleichem Bildinformationsgehalt aufgeteilt, die Teilstrahlen mittels der optischen Eingriffe gleichzeitig auf ein oder mehrere Teilbildinformationen untersucht und diese Teilbildinformationen zu einem Meßergebnis zusammengesetzt werden.

Der Einsatz der digitalen Bildverarbeitung in der biologisch-medizinischen Forschung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Eine vollautomatische Computeranalyse von biologischen Präparaten ist jedoch nur dann mit vertretbarem Zeitaufwand durchführbar, wenn auf eine hochauflösende Abtastung verzichtet werden kann. In vielen Fällen ist diese Bedingung nicht erfüllt, z. B. dann, wenn auch die Information über die Zellkernstruktur zur Auswertung herangezogen werden soll. Dann muß die Präparatabtastung mit einem Auflösungsvermögen von mindestens 1 μιτι erfolgen. Wenn nicht a priori bekannt ist, wo die interessanten Zellen zu finden sind, werden dann leicht einige 10' Meßpunkte pro Präparat benötigt. Hier können optische Methoden, mit denen sehr schnell eine große Datenmenge verarbeitet wird, sinnvoll einsetzbar sein.

Eine Anlags zur optischen Informationsverarbeitung ist aus »Applied Optics, Vol. 15, No. 2 (February 1976), Seiten 510 bis 515« bekannt. Mit ihr werden Objekte mit bestimmten Merkmalen aus einer Reihe von ähnlichen Objekten ausgesucht wobei mehrere Filter in der Beugungsbildebene eingesetzt und das Ergebnis der Filterung (helle Lichtflecke) in der Ausgabebildebene ausgewertet wird. Die Eingabe der Objekte erfolgt jedoch über eine Vergrößerung auf Film und die Filter werden zeitlich nacheinander eingeschaltet so daß keine Echtzeitverarbeitung vorliegt.

Zudem ist eine kohärente Beleuchtung mit Laser erforderlich. Weiterhin müssen die holographischen Filter

ίο in der Fourierebene sehr genau justiert werden und sprechen nur auf nahezu gleiche Objekte an, d. h. sie sind nicht einsetzbar, wenn die Objekte starke Variationen aufweisen. Schließlich können mit den holographischen Filtern nur ähnliche Objekte detektiert werden, aber keine Objekteigenschaften wie Größe, Berandung und/oder Granulation.

Im Hinblick auf eine anzustrebende automatische Bildanalyse von Präparaten, z. B. zytologischen Präparaten zur Früherkennung von Tumoren, durch optische Verfahren zur Informationsreduktion und Informationsselektsors von Abstrichen, ist die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt darin zu sehen, ein Verfahren für eine parallel arbeitende optische Echtzeit-Informationsverarbeitung zu bieten, das zur Beschleunigung ζ. B. einer Zellerkennung benutzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs I beschrieben.
Vorteilhafte Weiterführung des erfindungsgemäßeri Verfahrens sind in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Einer der wesentlichsten Vorteile des erfindungsgcmäßen Verfahrens liegt darin, daß es bei medizinischen Auswerteproblemen zur Scharfstellung der Bildebene im Mikroskop, zur direkten Auswertung der Information in den Fourierebenen und zur Parametermessung an detektierten Teilchen Verwendung finden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figur nSher erläutert, wobei die Figur eine optische Anordnung zeigt, welche nur schematisch ist und bei der die optischen Elemente durch äquivalente Elemente ersetzbar sind.

Das Präparat 4 zwischen Kondensor 6 und Objektiv 7 wird wahlweise mit Laserlicht 5, inkohärentem Licht oder partiell kohärentem Licht (z. B. einer spektral gefilterten Xenonlampe) beleuchtet Letzteres hat den Vorteil, daß der kohärente Rauschuntergrund weitgehend unterdrückt werden kann und z. B. in einer ersten Bildebene ein vergrößertes Bild erhalten wird, das kaum von inkohärenten Vergrößerungen unterschieden werden kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit durch Veränderung der Wellenlänge des Lichtes 5 den Kontrast für spezielle Präparate 4 zu optimieren. Die Fourierebene 8, die noch innerhalb des Objektivs 7 liegt, wird mit einer Linse 9 in der Zwischenbildebene in Filterebenen abgebildet. In der gezeigten Anordnung wird der beeinflußte Lichtstrahl 1 mittels äquivalenter Strahlteiler 10 und 11 in drei Teilstrahler. 2 zerlegt. Die Linse 9 in der Zwischenbildebene bildet daher die Fourierebene 8 in die Filterebenen 3 (ebenfalls Fourierebenen) ab. Aus jedem Teilstrahl 2 werden durch ein bestimmtes Filter in den Fourierebenen 3 Teilbildinformationen entnommen, welche in den Strahlen 12, 13 und 14 enthalten sind. Ob nun die gefilterten Bilder 12,13 und 14 über die weiteren Linsen 15 in die entsprechenden Bildebenen 16, 17, 18 abgebildet werden, hängi von der gewünschten Anwendung ab. Die Linsen 15 sind also Hilfslinsen, die nur bei Bedarf eingesetzt und entsprc-

chend dimensioniert werden. Die Teilbildinformatipnen 12, 13 und 14 werden dann zu einem Computer einer Datenverarbeitungsanlage 19 geführt und dort zu dem gewünschten Meßergebnis zusammengefaßt.

Bevor nun der Computer 19 in Aktion tritt, werden im vorliegenden Fall z. B. folgende Schritte durchgeführt:

1. Eine Informationsselektion (Teilbildinformationsstrahlen 12, t3 bzw. 14),

2. die Suche nach Zellen mit einem bestimmten Merkmal im Bildausschnitt und

3. eine Betonung der Zellgrenzen zur Optimierung der späteren Verarbeitung durch den Computer 19.

10 konnte. Es konnte weiterhin experimentell gezeigt werden, daß sowohl die Transparenz als auch die Phase iß die intensität der Ausgabeebenen 16, 17 oder 18 eingeht.

Auch bei der optischen Vorverarbeitung gemäß der Erfindung kommt der Reproduzierbarkeit der Färbemethode große Bedeutung zu. Die erfindungsgemäße Methode ist weiterhin sowohl bei Papanikolav- als auch bei Fluoreszenzanfärbung einsetzbar. Mit beiden Anfärbemethoden lassen sich analoge Ergebnisse erzielen, solange die Reproduzierbarkeit der Verarbeitung der Abstriche gewährleistet ist.

Im speziellen vorliegenden Fall wird das dadurch erreicht, daß ein Bandpaßfilter 20 in die Fourierebene 3 des ersten Teilstrahls 2 eingebracht und die für das Auffinden anormaler Zellen unnötige Information unterdrückt wird. Durch das Abschneiden der hohen Frequenzen wird alle Information vernichtet, die von kiel·· nen Objekten herrührt, also z. B. von Leukozyten und pyknotischen Kernen. Das Tiefpaßfilter unterdi tickt die Information des großflächigen Plasmas der SupeFficial- und Intermediärzellen des Präparates 4. Je nach der Dimensionierung des Bandpasses 20 ergibt sich also in der Ausgabeebene 16 nur bei solchen Objekten eine Information, die einer bestimmten Größe entsprechen. Beim Auftreten solcher Intensitätspeaks in der Ausgabeebene 16 wird der Transport des Präparates 4 unterbrochen und der Probenausschnitt mit inkohärenter Beleuchtung 5 abgetastet Der Computer 19 tritt also erst dann in Aktion, wenn ein Objekt bestimmter Größe im Objektfeld ist

Gleichzeitig kann dem Computer 19 Information über die Struktur des Zellkernes vermittelt werden. Dazu wird in einem zweiten parallelen Kanal 2 ein ausgedehntes Hochpaßfilter 21 in die Fourierebene 3 eingebracht. Dieses unterdrückt die Bilder aller Objekte, die größer sind als Leukozyten; lediglich die feine Struktur des Chromatingerüstes der Kerne bleibt erhalten und ist aus der Bildebene 17 ersichtlich.

Zusätzlich kann in einem dritten Teilstrahl 2 — ebenfalls gleichzeitig — das Bild des Präparates 4 richtungsunabhängig differenziert werden. Hierzu wird ein weiteres Filter 22 in die Fourierebene 3 des dritten Teilstrahls 2 eingebracht Diese Maßnahme führt zu einer Betonung der Obergänge Untergrund/Plasma und Plasma/ Kern.

Der Ablauf der Informationsvorverarbeitung ist nun folgender;

Tritt eine Zelle mit vergrößertem Kern in das Objektfeld, wird das Präparat 4 gestoppt. Für den Computer 19 werden nunmehr folgende Daten abgespeichert:
Das herkömmliche inkohärente Originalbild der Zelle,
die Position dieser Zelle, die Daten über die Chromatinstruktur des Kernes sowie das differenzierte Bild, das das Auffinden der Zellgrenzen erleichtert, was wiederum die Rechenzeit des Computers 19 verkürzt

Darüber hinaus kann bei einem kohärent-optischen Realtimeverfahren gemäß der Erfindung nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase (und z. B. auch deren Auswertung) des Objektes (Präparat 4) als Informationsquelle herangezogen werden. Wie experimentell festgestellt wurde, besitzen anormale Zellen mit verklei- 6S nerter Plasmafläche eine verglichen mit Intermediärzellen, .signifikant erhöhte Phasendicke, so daß hiermit ein völlig neuer Merkmalssektor erschlossen werden Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur optischen Bildverarbeitung von Präparaten, wobei die Präparate mit Licht bestrahlt und das von ihnen beeinflußte Licht durch optische Eingriffe untersucht, das beeinflußte Licht in Teilstrahlen mit jeweils gleichem Bildinformationsgehalt aufgeteilt die Teilstrahlen mittels der optischen Eingriffe gleichzeitig auf ein oder mehrere Teilbildinformationen untersucht und diese Teilbildinformationen zu einem Meßergebnis zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Informationsselektion aus den Präparaten (4) optische Filter (20—22) in die Fourierebenen (3) eines Teils der Teilstrahlen (2, 12—14) eingeschaltet und aus den gefilterten Bildern die Größenverteilung, Richtungsverteilung, Periodizitäten, die Feinstruktur, die Phasen- und Amplitudeninformation oder die Kem- und Zellberaruiung entnommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der volle Bildinformationsgehalt aus einem der Teilstrahlen (2) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Verwendbarkeit zu medizinischen, biologischen und technologischen Auswerteproblemen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teilinformationen in den Fourierebenen (3) entnommen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung des Meßergebnisses zur Scharfeinstellung der Bildebene im Mikroskop.