JP2019195304A - 画像解析方法、装置、コンピュータプログラム、及び深層学習アルゴリズムの生成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の第1の実施形態は、細胞形態を解析する画像の解析方法に関する。前記画像の解析方法は、解析対象の細胞に関する情報を含む解析データを、ニューラルネットワーク構造を有する深層学習アルゴリズムを含む識別器(Classifier)に入力する。前記識別器は、前記所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類の各々について、前記解析対象の細胞が属する確率を算出する。好ましくは、画像解析方法は、前記確率に基づいて、前記解析対象の細胞が、所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類のいずれかを識別することをさらに含む。
図1を用いて、画像の解析方法の概要を説明する。
画像の解析方法において使用される識別器は、ニューラルネットワーク構造を有する複数の深層学習アルゴリズム(単に「アルゴリズム」と呼ぶこともある)を含む。好ましくは、第1の深層学習アルゴリズム(50)と、第2の深層学習アルゴリズム(51)を含み、第1の深層学習アルゴリズム(50)は細胞の特徴量を抽出し、第2の深層学習アルゴリズム(51)は、第1の深層学習アルゴリズムが抽出した特徴量に基づいて、前記解析対象の細胞を識別する。より好ましくは、識別器は、図1に示すように第1の深層学習アルゴリズムの下流に、第2の深層学習アルゴリズムの他、識別の目的に応じて訓練された複数種の深層学習アルゴリズム(第2、第3、第4、第5・・・・第iとナンバリングすることがある)を含んでいてもよい。例えば、第2の深層学習アルゴリズムは、上述した形態学的な分類に基づく細胞の種類を識別する。また、例えば第3の深層学習アルゴリズムは、上述した形態学的な分類に基づく細胞の特徴を、特徴ごとに識別する。好ましくは、第1の深層学習アルゴリズムは、コンボリューションコネクトのニューラルネットワークであり、第1の深層学習アルゴリズムの下流に位置する第2以降の深層学習アルゴリズムは、フルコネクトのニューラルネットワークである。
深層学習アルゴリズムを訓練するために使用される訓練用画像70は、前記解析対象の細胞に対応した形態学的な分類に基づく細胞の種類や細胞の特徴が既知である細胞を撮像した画像である。訓練用画像70を撮像するための標本は、解析対象の細胞と同種の細胞を含む試料から、解析対象の細胞を含む標本と同様の標本作成方法と染色方法で作成されることが好ましい。また、訓練用画像70は、解析対象の細胞の撮像条件と同様の条件で撮像されることが好ましい。
図3にラベル値77の例を示す。ラベル値は、細胞の種類及び各細胞の特徴の有無に応じて異なるラベル値77が付与される。
図2を例として、ニューラルネットワークの訓練の概要を説明する。第1のニューラルネットワーク50及び第2のニューラルネットワーク51共に、畳み込みニューラルネットワークであることが好ましい。第1のニューラルネットワーク50における入力層50aのノード数は、入力される訓練データ75の画素数と画像に含まれる輝度と色相の数(例えば上記例では、輝度72y、第1の色相72cb、及び第2の色相72crの3つ)との積に対応している。色調ベクトルデータ74はその集合76として第1のニューラルネットワーク50の入力層50aに入力される。訓練データ75の各画素のラベル値77を、第1のニューラルネットワークの出力層50bとして、第1のニューラルネットワーク50を訓練する。
図2の符号50c及び51cは、中間層を示す。
図4に画像の解析方法の例を示す。画像の解析方法では、解析対象の細胞を撮像した解析用画像78から解析データ81を生成する。解析用画像78は、解析対象の細胞を撮像した画像である。解析用画像78は、例えば公知の光学顕微鏡、又はバーチャルスライドスキャナ等の撮像装置を用いて、取得することができる。図4に示す例では、Sysmex DI−60を用いて解析用画像78は、訓練用画像70と同様に、360画素×365画素で撮像された生画像を、255画素×255画素に縮小しているが、この縮小は必須ではない。訓練用画像70の画素数は、解析ができる限り制限されないが、一辺が100画素を超えていることが好ましい。また、図4に示す例では、分葉核好中球を中心とした周囲に赤血球が存在しているが、目的の細胞のみが入るように画像をトリミングしてもよい。少なくとも、1枚の画像の中に、訓練しようとする細胞を1細胞含み(赤血球、及び正常サイズの血小板は含まれていてもよい)、訓練しようとする細胞に該当する画素が画像全体画素の1/9程度以上存在していれば解析用画像78として使用することができる。
図4の符号60c及び61cは、中間層を示す。
<画像解析システム1の構成>
本開示における第2の実施形態は、画像解析システムに関する。
図5を参照すると、第2の実施形態に係る画像解析システムは、深層学習装置100Aと、画像解析装置200Aとを備える。ベンダ側装置100は深層学習装置100Aとして動作し、ユーザ側装置200は画像解析装置200Aとして動作する。深層学習装置100Aは、ニューラルネットワーク50に訓練データを使って学習させ、訓練データによって訓練された深層学習アルゴリズム60をユーザに提供する。学習済みのニューラルネットワーク60から構成される深層学習アルゴリズムは、記録媒体98又はネットワーク99を通じて、深層学習装置100Aから画像解析装置200Aに提供される。画像解析装置200Aは、学習済みのニューラルネットワーク60から構成される深層学習アルゴリズムを用いて解析対象の画像の解析を行う。
撮像装置300,400には、標本を撮像する機能を有する、公知の光学顕微鏡又はバーチャルスライドスキャナ等を用いることができる。
<深層学習装置のハードウェア構成>
図7を参照すると、ユーザ側装置200(画像解析装置200A,画像解析装置200B,画像解析装置200C)は、処理部20(20A,20B,20C)と、入力部26と、出力部27とを備える。
(深層学習処理)
図8を参照すると、本実施形態に係る深層学習装置100Aの処理部10Aは、訓練データ生成部101と、訓練データ入力部102と、アルゴリズム更新部103とを備える。これらの機能ブロックは、コンピュータに深層学習処理を実行させるプログラムを、処理部10Aの記録部13又はメモリ12にインストールし、このプログラムをCPU11が実行することにより実現される。訓練データデータベース(DB)104と、アルゴリズムデータベース(DB)105とは、処理部10Aの記録部13又はメモリ12に記録される。
図9を用いて、処理部10Aが行う深層学習処理の例について説明する。
(ニューラルネットワークの構造)
図10(b)は、各ノードにおける演算を示す模式図である。各ノード89では、複数の入力を受け取り、1つの出力(z)を計算する。図10(b)に示す例の場合、ノード89は4つの入力を受け取る。ノード89が受け取る総入力(u)は、以下の(式1)で表される。
実施形態に係る画像解析方法では、活性化関数として、正規化線形関数(rectified linear unit function)を用いる。正規化線形関数は以下の(式5)で表される。
ニューラルネットワークを用いて表現される関数をy(x:w)とおくと、関数y(x:w)は、ニューラルネットワークのパラメータwを変化させると変化する。入力xに対してニューラルネットワークがより好適なパラメータwを選択するように、関数y(x:w)を調整することを、ニューラルネットワークの学習と呼ぶ。ニューラルネットワークを用いて表現される関数の入力と出力との組が複数与えられているとする。ある入力xに対する望ましい出力をdとすると、入出力の組は、{(x1,d1),(x2,d2),・・・,(xn,dn)}と与えられる。(x,d)で表される各組の集合を、訓練データと呼ぶ。具体的には、図2(b)に示す、R、G、B各色の単一色画像における画素ごとの色濃度値と真値像のラベルとの組、の集合が、図2(a)に示す訓練データである。
ニューラルネットワークの学習とは、どのような入出力の組(xn,dn)に対しても、入力xnを与えたときのニューラルネットワークの出力y(xn:w)が、出力dnになるべく近づくように重みwを調整することを意味する。誤差関数(error function)とは、ニューラルネットワークを用いて表現される関数と訓練データとの近さ
各クラスをC1,・・・,CKと表すと、出力層Lのノードkの出力yK(すなわちuk (L))は、与えられた入力xがクラスCKに属する確率を表す。以下の(式8)を参照されたい。入力xは、(式8)で表される確率が最大になるクラスに分類される。
図11に、解析対象画像78から、細胞の形態に関するデータ83を生成するまでの画像解析処理を行う画像解析装置200Aの機能ブロック図を示す。画像解析装置200Aの処理部20Aは、解析用データ生成部201と、解析用データ入力部202と、解析部203と、細胞核領域検出部204とを備える。これらの機能ブロックは、本発明に係るコンピュータに画像解析処理を実行させるプログラムを、処理部20Aの記録部23又はメモリ22にインストールし、このプログラムをCPU21が実行することにより実現される。訓練データデータベース(DB)104と、アルゴリズムデータベース(DB)105とは、記録媒体98又はネットワーク99を通じて深層学習装置100Aから提供され、処理部20Aの記録部23又はメモリ22に記録される。
図11に示す各機能ブロックを用いて説明すると、ステップS21及びS22の処理は、解析用データ生成部201が行う。ステップS23、S24、S25及びS27の処理は、解析用データ入力部202が行う。ステップS26の処理は、解析部203が行う。
本開示には、ステップS11〜S17及び/又はS21〜S27の処理をコンピュータに実行させる、細胞の形態を解析する画像解析するためのコンピュータプログラムを含む。
<画像解析システム2の構成>
画像解析システムの別の態様について説明する。
図13に第2の画像解析システムの構成例を示す。第2の画像解析システムは、ユーザ側装置200を備え、ユーザ側装置200が、統合型の画像解析装置200Bとして動作する。画像解析装置200Bは、例えば汎用コンピュータで構成されており、上記画像解析システム1で説明した深層学習処理及び画像解析処理の両方の処理を行う。つまり、第2の画像解析システムは、ユーザ側で深層学習及び画像解析を行う、スタンドアロン型のシステムである。第2の画像解析システムは、ユーザ側に設置された統合型の画像解析装置200Bが、第1の実施形態に係る深層学習装置100A及び画像解析装置200Aの両方の機能を担う。
画像解析装置200Bのハードウェア構成は、図7に示すユーザ側装置200のハードウェア構成と同様である。
図14に、画像解析装置200Bの機能ブロック図を示す。画像解析装置200Bの処理部20Bは、訓練データ生成部101と、訓練データ入力部102と、アルゴリズム更新部103と、解析用データ生成部201と、解析用データ入力部202と、解析部203と、細胞核検出部204とを備える。これらの機能ブロックは、コンピュータに深層学習処理及び画像解析処理を実行させるプログラムを、処理部20Bの記録部23又はメモリ22にインストールし、このプログラムをCPU21が実行することにより実現される。訓練データデータベース(DB)104と、アルゴリズムデータベース(DB)105とは、処理部20Bの記録部23又はメモリ22に記憶され、どちらも深層学習時及び画像解析処理時に共通して使用される。訓練済みの第1のニューラルネットワーク60及び第2のニューラルネットワーク61は、例えば解析対象の細胞が属する形態学的な分類に基づく細胞の種類や細胞の特徴と対応付けられて、アルゴリズムデータベース105に予め格納されている。深層学習処理により結合重みwが更新されて、深層学習アルゴリズム60として、アルゴリズムデータベース105に格納される。なお、訓練用画像70は、撮像装置400によって予め撮像され、訓練データデータベース(DB)104又は処理部20Bの記録部23若しくはメモリ22に予め記憶されていることとする。解析対象の標本の解析対象画像78は、撮像装置400によって予め撮像され、処理部20Bの記録部23又はメモリ22に予め記憶されていることとする。
<画像解析システム3の構成>
画像解析システムの別の態様について説明する。
図15に第3の画像解析システムの構成例を示す。第3の画像解析システムは、ベンダ側装置100と、ユーザ側装置200とを備える。ベンダ側装置100は統合型の画像解析装置100Bとして動作し、ユーザ側装置200は端末装置200Cとして動作する。画像解析装置100Bは、例えば汎用コンピュータで構成されており、上記画像解析システム1で説明した深層学習処理及び画像解析処理の両方の処理を行う、クラウドサーバ側の装置である。端末装置200Cは、例えば汎用コンピュータで構成されており、ネットワーク99を通じて、解析対象の画像を画像解析装置100Bに送信し、ネットワーク99を通じて、解析結果の画像を画像解析装置100Bから受信する、ユーザ側の端末装置である。
画像解析装置100Bのハードウェア構成は、図6に示すベンダ側装置100のハードウェア構成と同様である。端末装置200Cのハードウェア構成は、図7に示すユーザ側装置200のハードウェア構成と同様である。
<機能ブロック及び処理手順>
図16に、画像解析装置100Bの機能ブロック図を示す。画像解析装置100Bの処理部10Bは、訓練データ生成部101と、訓練データ入力部102と、アルゴリズム更新部103と、解析用データ生成部201と、解析用データ入力部202と、解析部203と、細胞核領域検出部204とを備える。これらの機能ブロックは、コンピュータに深層学習処理及び画像解析処理を実行させるプログラムを、処理部10Bの記録部13又はメモリ12にインストールし、このプログラムをCPU11が実行することにより実現される。訓練データデータベース(DB)104と、アルゴリズムデータベース(DB)105とは、処理部10Bの記録部13又はメモリ12に記憶され、どちらも深層学習時及び画像解析処理時に共通して使用される。第1のニューラルネットワーク50及び第2のニューラルネットワーク51は、例えば解析対象の細胞が属する形態学的な分類に基づく細胞の種類や細胞の特徴と対応付けられて、アルゴリズムデータベース105に予め格納されており、深層学習処理により結合重みwが更新されて、第1の深層学習アルゴリズム60及び第2の深層学習アルゴリズム61として、アルゴリズムデータベース105に格納される。
以上、本発明を概要及び特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した概要及び各実施形態に限定されるものではない。
深層学習アルゴリズムの効果を検証するため、従来行われている機械学習を用いた細胞識別方法と本開示における深層学習アルゴリズムを用いた細胞識別法による細胞の識別精度の比較を行った。
末梢血塗抹標本は、塗抹標本作製装置SP-1000iで作成し、血液像自動分析装置 DI-60により、細胞の撮像を行った。染色は、メイギムザ染色である。
従来の機械学習による細胞の識別は、血液像自動分析装置 DI-60で行った。また、バリデーションは、医師及び熟練した検査技師を含む3名により画像を観察することで行った。
図17に、血球分類精度の比較結果を示す。深層学習アルゴリズムを使用した場合、従来法よりも高い精度で判別を行うことができた。
10 処理部
50,51 訓練前の深層学習アルゴリズム
50a,51a 入力層
50b,51b 出力層
60,61 訓練済み深層学習アルゴリズム
75 訓練データ
80 解析データ
83 細胞の形態に関するデータ
Claims (23)
- ニューラルネットワーク構造を有する深層学習アルゴリズムを用いて、細胞の形態を解析する画像解析方法であって、
解析対象の細胞に関する情報を含む解析データを、前記深層学習アルゴリズムに入力し、
前記深層学習アルゴリズムによって、所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類の各々について前記解析対象の細胞が属する確率を算出して画像を解析する、
画像解析方法。 - 算出した前記確率に基づいて、前記解析対象の細胞が、所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類のいずれかを識別する、
請求項1に記載の画像解析方法。 - 前記所定の細胞群は、血中細胞の群である、請求項1又は2に記載の画像解析方法。
- 前記所定の細胞群は、所定の細胞系統に属する細胞の群である、請求項1又は2に記載の画像解析方法。
- 前記所定の細胞系統は、造血系である、請求項4に記載の画像解析方法。
- 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の種類の識別である、請求項1から5のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- 前記複数の細胞の形態分類が、分葉核好中球、桿状核好中球、後骨髄球、骨髄球、芽球、リンパ球、異型リンパ球、単球、好酸球、好塩基球、赤芽球、巨大血小板、血小板凝集塊、及び巨核球よりなる群から選択される複数の細胞を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の異常所見の識別である、請求項1から7のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- 前記複数の細胞の形態分類が、形態核異常、空胞の存在、顆粒形態異常、顆粒分布異常、異常顆粒の存在、細胞の大きさ異常、封入体の存在及び裸核よりなる群から選択される少なくとも一つの細胞を含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- 前記深層学習アルゴリズムが、
所定の細胞群に属する複数の細胞の第1の形態分類の各々について、前記解析対象の細胞が属する確率を算出する第1のアルゴリズムと、
所定の細胞群に属する複数の細胞の第2の形態分類の各々について、前記解析対象の細胞が属する確率を算出する第2のアルゴリズムと、
を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の画像解析方法。 - 前記第1の形態分類は、前記解析対象の細胞の種類であり、
前記第2の形態分類は、前記解析対象の細胞の異常所見である、
請求項10に記載の画像解析方法。 - 前記解析データが、染色された血中細胞を撮像した画像のデータである、請求項1から11のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- 前記染色が、ライト染色、ギムザ染色、ライトギムザ染色及びメイギムザ染色から選択される、請求項12に記載の画像解析方法。
- 前記解析データが、解析対象画像の輝度に関する情報と、少なくとも2種の色相に関する情報を含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の画像解析方法。
- ニューラルネットワーク構造を有する深層学習アルゴリズムを用いて、細胞の形態を解析する画像解析装置であって、
解析対象の細胞に関する情報を含む解析データを、前記深層学習アルゴリズムに入力し、前記深層学習アルゴリズムによって、前記所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類の各々について、前記解析対象の細胞が属する確率を算出して画像を解析する処理部を備える、
画像解析装置。 - 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の種類の識別である、請求項15に記載の画像解析装置。
- 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の異常所見の識別である、請求項15又は16に記載の画像解析装置。
- ニューラルネットワーク構造を有する深層学習アルゴリズムを用いて、細胞の形態を解析する画像解析するためのコンピュータプログラムであって、
解析対象の細胞に関する情報を含む解析データを、前記深層学習アルゴリズムを含む判別器に入力し、前記深層学習アルゴリズムによって、前記所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類の各々について、前記解析対象の細胞が属する確率を算出して画像を解析する
処理をコンピュータに実行させる、
コンピュータプログラム。 - 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の種類の識別である、請求項18に記載のコンピュータプログラム。
- 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の異常所見の識別である、請求項18又は19に記載のコンピュータプログラム。
- 訓練済みの深層学習アルゴリズムの生成方法であって、
細胞に関する情報を含む訓練データをニューラルネットワークの入力層に入力し、
所定の細胞群に属する複数の細胞の形態分類に紐付けられたラベル値を出力層として入力する、
訓練済み深層学習アルゴリズムの生成方法。 - 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の種類の識別である、請求項21に記載の訓練済み深層学習アルゴリズムの生成方法。
- 前記形態分類が、前記解析対象の細胞の異常所見の識別である、請求項21又は22に記載の訓練済み深層学習アルゴリズムの生成方法。
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