JP5387146B2 - 病理組織画像解析装置、病理組織画像解析方法、病理組織画像解析プログラム - Google Patents
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Description
例えば、病理組織画像内の腺管、および異なる複数の腺管からなる腺管領域を、細胞核領域に囲まれた閉領域に基づき検出する手段と、腺腔領域の周囲一定幅内の細胞核の数に基づき腺管の検出を行う手段を備え、これら手段により検出された腺管に含まれる細胞核における核の大きさの均一性、形状の均一性、および極性の乱れを評価することにより病理組織画像の解析を行う手法が考えられる。
さらに、腺管領域の細胞核の偽重層が目立ち、このため、細胞核の重層部分が基底側に配列していなく不規則な分布をしており、この傾向が顕著である。
この関連技術では、上記細胞核の構築情報を抽出するのに、まず細胞核領域の分離のため輝度成分による判別分析法を用い閾値を求め、この閾値をわずかにずらすことによって細胞核構築領域を検出している。
そして、細胞質の面積に対して細胞核構築領域が占める面積占有率と、細胞核構築領域の平均面積を細胞核構造特徴量として類似検索法を提供している。尚、細胞核構築領域は、腺管領域を示している。
このため、NC比によって測定できる癌細胞の特徴は、核の腫大などに限られ、腺管を評価するにあたっては、NC比の情報では不十分であり、正確に評価することができないという不都合があった。
更には、腺腔が閉領域であり、等距離線は閉曲線を前提とした手法であるため、実際の腺管のように突起した構造や輪状ひだ状の構造を有する場合や、腺腔が閉領域でない場合には適用できないという不都合があった。
さらに、この特許文献3に開示の技術では、ヘマトキシリン・エオジン(HE:Hematoxylin−Eosin stain)染色により薄く染まる、腺管領域内に存在するゴブレットセルを、背景領域とみなして扱っており、このため、腺管領域の検出が不正確となってしまう不都合が生じ得る。
さらには、腺管を特徴付ける量が比率であり、比率だけの一次統計量では腺管を評価するのには不十分であった。
本発明は、上記関連技術の有する不都合を改善し、病理組織画像解析による病理診断における癌の鑑別精度を有効に向上させる病理組織画像解析装置、病理組織画像解析方法、病理組織画像解析プログラムを提供することを、その目的とする。
次に、本発明の実施形態について、その基本的構成内容を説明する。
尚、本実施形態における画像データは、HE染色処理されたものであり、各細胞の核(細胞核)が青紫色に、細胞質や間質成分がピンク色に染色されたものとする。
図2は、入力手段101に入力された画像データの一例を示す。この画像データは、大腸生検画像例を示し、HE染色により染色されたものである。尚、図3は、図2の一部領域を拡大表示した図を示す。
又、画像色調調整手段102は、色調の調整を行った画像データを組織領域抽出手段103に送る。
また、組織領域抽出手段103は、予め設定された閾値面積より小さい白色の孔を埋める画像処理を施すことにより、大きい塊の組織として組織領域を抽出する。
これにより、組織領域抽出手段103は、空泡状の核(例えば、図3の302領域)で白色抜けしている部分、白色に近いゴブレットセル(例えば、図3の303領域)、および、間質の白色抜けしている部分を含めた組織領域を設定することができる。
まず、腺管候補領域抽出手段105は、生体画像における色相に基づき紫色領域(purplearea)を抽出する。
ここで、生体画像における紫色は腺管を構成する上皮細胞を示す。この紫色を抽出する処理では、予め設定されたHSV値(色相(H;hue)、彩度(S;saturation)、明度(V;value))の色相Hの色範囲内である画素の検出の検出を行うものとする。
ここで、腺管候補領域抽出手段105は、上記円形度について、円形度(=(4π×面積)/(周囲長×周囲長))や、形状を楕円近似して扁平度(=(長径―短径)/長径)や、離心率(=焦点間の距離/長径)等により測定するものとする。
ここで、この腺管上皮細胞候補領域(epitheliarea)は、以下の[式1]に示す、紫色領域(purplearea)とゴブレット領域(gobletarea)との和集合として設定される。
[式1]
epitheliarea = purplearea ∪ gobletarea
この細胞核領域抽出機能では、ヘマトキシリンシグナルのグレースケール画像にガウスフィルタをかけ、予め設定された閾値に基づき2値画像に変換し、細胞核相当の大きさのクラスタを選択すると共に、一定値の孔画像より小さい孔を埋める処理を施し、細胞核領域とする。
[式2]
ductarea = epitheliarea ∪ nucleiarea
更に、腺管候補領域抽出手段105は、上記設定された腺管候補領域(ductarea)に囲まれる面積の小さい孔を埋め、埋めた孔は上皮細胞領域(epitheliarea)に含め、腺管候補領域(ductarea)を更新設定する。
尚、本実施形態では、上記細胞核抽出機能における、ヘマトキシリンシグナルがある閾値間である領域を細胞核領域(nucleiarea)とする。
[式3]
epitheliarea = ductarea ∩ ¬nucleiareaとする。
ここで、例えば、算出された異型度が予め設定された基準異型度値より、低ければ通常の腺管または良性の癌、異型度が高ければ悪性の癌だと判断できる。
尚、例えば、組織領域中の管状腺腫は、細胞核がきれいに配列しているため、細胞核領域は連結して(つながって)検出される。このため、設定された細胞核のクラスタ数が、クラスタ判定閾値より少なくなる傾向がある。
一方、高分化腺癌の場合は、細胞核の配列が乱れているため、一つの細胞核であっても空泡状の細胞核は連結して検出されない。このため、設定された細胞核のクラスタ数がより多く検出される。
ここで、管状腺腫の細胞核の面積は、基底側から上皮の1/2程度であるため、腺管に対する核の面積比は1/2を大幅には超えないものと考えられる。
ここで、高分化腺癌の細胞核は通常腫大しているため、腺管形成評価手段108は、細胞核の大きさについての評価を行うこともできる。
また、正常な腺管は細胞核の面積が小さいため、この条件(条件3)に基づく判定により、腺管形成評価手段108は、正常な腺管(管状腺腫)と高分化腺癌とをより正確に判別することができる。
ここで、腺管形成評価手段108は、腺管の形状を判定するために、予め2値化された画像データ中の各腺管に対して縮退処理(縮退画像処理)を行う縮退処理機能を備えている。
尚、図12(a)は管状の腺管を、図12(b)は線状の腺管を模式的に示したものである。
ここで、例えば図12(a)の1201の領域は、上記縮退画像処理により除去された領域であり、図12(a)の1202は、この縮退画像処理後も残った領域を示している。
ここで、腺管形成評価手段108は、縮退画像処理を行うことにより除去した領域(例えば図12(a)の1201)を管状腺管における基底部領域として、この基底側領域側における細胞核の占有面積率を算出する。
この場合、出力手段109は、この腺管を異型腺管として出力する。
この細線化画像は、例えば図14(a)に示すように、細線化された線状腺管の画像であって、細線化領域(=1)および背景領域(=0)の画素により構成される。
尚、細線化画像の細線化領域は、線状腺管の長手方向に沿って、線状腺管の幅を2分する位置に設定されるものとする。
ここで、腺管形成評価手段108は、細線化領域の画素における、シフトした画素のビットがシフト前の元の画素のビットと重複しない画素の数を算出し、重複しない画素の数が最大となる方向を決定する(シフト方向決定機能)。
また、図14(c)は細線化画像の細線化領域(1)を下に、また、図14(d)は細線化画像の細線化領域(1)を右下にそれぞれ一画素分シフトした場合に、元の細線化画像における細線化領域(1)が重複しない画素(グレーの領域)をそれぞれ示す。
ここでは、右下にシフトした図14(d)が重複しない画素の数が最大となるため、重複しない画素の数が最大となる方向は「右下」と決定される。
これを、線状腺管における一方の長手方向の輪郭まで連続して行うと共に、シフト抽出画素と腺管領域との和集合をとる(基底部領域設定機能)。
これにより、予め細線化領域が設定された位置から線状腺管の輪郭までの領域、つまり線状腺管における長手方向を縦とした場合の線状腺管内の縦半分領域を、基底部領域として抽出することができる。
ここで抽出された基底部領域は、例えば、図15の斜線部1501に示すように、線状腺管の縦(長手方向)半分領域となる。
ここで、算出された専有面積率が予め設定された一定値範囲以内である場合、つまり、細胞核が腺管のどちらかの縦半分領域の一方に片寄っていないと判定される場合、出力手段109は、この腺管を異型腺管として出力する。
尚、出力手段109は、この出力表示機能により、画像解析装置100の有する任意の手段によって算出された結果、および処理結果をディスプレイに対して出力するものとする。
次に、本実施形態における全体の動作について、その概略を説明する。
まず、間質領域・腺管領域検出手段106が、組織領域内における腺管の特徴を示す予め設定された腺管特徴情報に基づき前記画像から前記腺管領域を検出し(腺管領域検出工程)、腺管内の細胞核検出手段107が、検出された腺管領域内に含まれる細胞核を予め設定された色素基準に基づき抽出し(細胞核抽出工程)、腺管形成評価手段108が、各腺管における予め設定された基底部領域に対する前記抽出された細胞核の分布状態に基づき前記腺管の異型度を算出する(腺管異型度算出工程)。
ここで、上記腺管領域検出工程、細胞核抽出工程、および腺管異型度算出工程については、その実行内容をプログラム化し、コンピュータに実行させるように構成してもよい。
ここで、予めホワイト色の色相値域と青紫色の色相値域とを設定しておき、この色相をずらすことにより、設定した範囲に調整する。
ここで、上記組織領域抽出処理では、組織領域抽出手段103は、上記白色に近似する色に対して、予め設定された彩度と明度に基づき(閾値処理)を行うことにより、生体画像における、ある面積以下大きさの孔を埋める処理を行う。
また、組織領域抽出手段103は、小片組織やノイズを除去するため、予め設定された一定面積以上の大きな組織領域を、評価対象の組織領域として抽出する。
上記間質候補領域抽出手段104により行われる
病理組織画像データ等の生体画像から間質候補領域を抽出する動作(間質候補領域検出行程)について、図7のフローチャートに基づき詳説する。
ここで、上記ピンク色領域を抽出する色処理(ピンク色領域抽出処理)では、エオジンによって染められた色として、予め定められたHSV値の色相Hの色範囲内である画素を検出するものとする。
尚、本実施形態では、エオジンによって染められた色としてHSV値に基づく色範囲を利用しているが、RGB(赤(R)・緑(G)・青(B))値やCMY(藍色(Cyan)、深紅色(Magenta)、黄色(Yellow))値を利用する設定としてもよい。
尚、ヘマトキシリンは細胞核を染めるが、リンパ球もよく染める。また、ヘマトキシリンで染められたリンパ球の色は濃青色で、細胞核が染められる青紫色よりも明度が高い。
この明度強調処理では、間質候補領域抽出手段104は、青色の明度のヒストグラム(図8の(b))を、例えばシグモイド曲線(図8の(a))を用いて、明度を強調したヒストグラム(図8の(c))に変換して、ヘマトキシリンシグナルとして算出する。
この間質候補領域(stromaarea)は、以下の[式4]で示す、ピンク色領域(pinkarea)とリンパ球領域(lympharea)との和集合として設定される。
[式4]
storomaarea = pinkarea ∪ lympharea
ここで、この生体画像から腺管候補領域を抽出する動作について、図9に示すサブステップ(ステップS901〜905)のフローチャートに基づき説明する。
[式5]
ductarea = ductarea ∩ (¬stromaarea) ∩ tissuearea)
[式6]
stromaarea = stromaarea ∩ tissuearea
腺管内における細胞核の分布状態(配列状態)の規則性を評価する(細胞核分布評価行程)
ここで、例えば、管状腺腫は、細胞核がきれいに配列しているため、細胞核領域は連結して(つながって)検出される。このため、設定された細胞核のクラスタ数が、クラスタ判定閾値より少なくなる傾向がある。
一方、高分化腺癌の場合は、細胞核の配列が乱れているため、一つの細胞核であっても空泡状の細胞核は連結して検出されない。このため、設定された細胞核のクラスタ数がより多く検出される。
ここで、管状腺腫の細胞核の面積は、基底側から上皮の1/2程度であるため、腺管に対する核の面積比は1/2を大幅には超えないものと考えられる。
ここで、高分化腺癌の細胞核は通常腫大しているため、腺管形成評価手段108は、細胞核の大きさについての評価を行うこともできる。
また、正常な腺管は細胞核の面積が小さいため、この条件(条件3)に基づく判定により、腺管形成評価手段108は、正常な腺管(管状腺腫)と高分化腺癌とをより正確に判別することができる。
ここで、腺管形成評価手段108は、腺管の形状を判定するために、2値画像として表現された各腺管に縮退画像処理を施す。尚、図12(a)は管状の腺管を、図12(b)は線状の腺管を模式的に示す。
ここで、例えば図12(a)の1201の領域は、縮退画像処理により除去された領域であり、図12(a)の1202は、この縮退画像処理後も残った領域を示している。
ここで、腺管形成評価手段108は、ステップS1102で縮退画像処理を行われることにより除去された領域(例えば図12(a)の1201)を腺管における基底部領域として、この基底側領域側における細胞核の占有面積率を算出する。
ここで、腺管形成評価手段108は、細胞核の占有面積率が予め設定された一定値より小さい場合には、細胞核は基底部領域側に分布(配列)していないと判定し、この腺管を
異型腺管として出力する。
この細線化画像は、例えば図14(a)に示すように、細線化された線状腺管の画像であって、細線化領域(=1)および背景領域(=0)の画素により構成される。
尚、細線化画像の細線化領域は、線状腺管の長手方向に沿って、線状腺管の幅を2分する位置に設定されるものとする。
ここで、腺管形成評価手段108は、細線化領域の画素における、シフトした画素のビットがシフト前の元の画素のビットと重複しない画素の数を算出すると共に、重複しない画素の数が最大となる方向を決定する(ステップS1302:シフト方向決定工程)。
また、図14(c)は細線化画像の細線化領域(1)を下に、また、図14(d)は細線化画像の細線化領域(1)を右下にそれぞれ一画素分シフトした場合に、元の細線化画像における細線化領域(1)が重複しない画素(グレーの領域)をそれぞれ示す。
ここでは、右下にシフトした図14(d)が重複しない画素の数が最大となるため、重複しない画素の数が最大となる方向は「右下」と決定される。
ここで、算出された専有面積率が予め設定された一定値範囲以内である場合、つまり、細胞核が腺管のどちらかの縦半分領域の一方に片寄っていないと判定される場合、腺管形成評価手段108は、この腺管を異型腺管として送出する(ステップS1304)。
次いで、腺管形成評価手段108は、腺管毎に上述の評価処理を行う(ステップS1102へ)。
このため、病理医は、腺管領域内の細胞核分布の定量的な情報を用いて、腺管における癌の良性度、または悪性度をより精度よく診断すること、つまり、病理診断における癌の鑑別精度を向上させることが可能となる。
101 入力手段
102 画像色調調整手段
103 組織領域抽出手段
104 間質候補領域抽出手段
105 腺管候補領域抽出手段
106 間質領域・腺管領域検出手段
107 腺管内の細胞核検出手段
108 腺管形成評価手段
109 出力手段
Claims (10)
- 外部から入力された生体組織画像の解析を行い、この解析の結果に基いて前記生体組織画像の組織領域内に含まれる腺管を抽出すると共に当該腺管を含む腺管領域から一定の異型度を有した腺管を抽出する画像解析本体部を備えた病理組織画像解析装置であって、
前記画像解析本体部は、
前記組織領域内における腺管の特徴を示す予め設定された腺管特徴情報に基づき前記組織領域から前記腺管領域を検出する腺管領域検出手段と、
前記検出された腺管領域内に含まれる細胞核を予め設定された色素基準に基づき抽出する細胞核抽出手段と、
前記腺管における予め設定された基底部領域に対する前記抽出された細胞核の分布状態に基づき前記腺管の異型度を算出する腺管異型度算出手段と、
を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項1に記載の病理組織画像解析装置において、
前記組織領域内における予め設定されたテクスチャ特徴に基づき前記組織領域内に含まれる間質からなる間質領域を検出する間質領域検出手段を有し、
前記腺管領域検出手段が、前記組織領域内で前記間質領域および前記腺管領域を相互排他的に決定することにより前記腺管領域を抽出する領域決定抽出機能を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項1に記載の病理組織画像解析装置において、
前記腺管異型度算出手段は、
前記抽出された腺管領域に含まれる前記各腺管に対して縮退処理を行い前記各腺管の形状を強調表示する縮退処理機能と、
前記腺管の形状を検知すると共に当該各腺管の形状が管状であるか線状であるかの判定を行う腺管形状検知判定機能と、
を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項1に記載の病理組織画像解析装置において、
前記組織領域内における予め設定されたテクスチャ特徴に基づき前記組織領域内に含まれる間質からなる間質領域を検出する間質領域検出手段を有し、
前記腺管領域検出手段が、前記組織領域内で前記間質領域および前記腺管領域を相互排他的に決定することにより前記腺管領域を抽出する領域決定抽出機能を備え、
前記腺管異型度算出手段が、
前記抽出された腺管領域に含まれる前記各腺管に対して縮退処理を行い前記各腺管の形状を強調表示する縮退処理機能と、
前記腺管の形状を検知すると共に当該各腺管の形状が管状であるか線状であるかの判定を行う腺管形状検知判定機能と、
を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項2、4に記載の病理組織画像解析装置において、
前記腺管内の前記各細胞核の大きさを検知すると共に、当該細胞核の大きさが予め設定された細胞核基準サイズより小さい場合に前記腺管を管状腺管と判定する管状腺管判定機能を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項2、4、5に記載の病理組織画像解析装置において、
前記腺管内の前記細胞核の数を計測すると共に、当該細胞核の数が予め設定された細胞核基準計測数に基づきより小さい場合に前記腺管を管状腺管と判定する管状腺管判定機能を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項3、4に記載の病理組織画像解析装置において、
前記腺管異型度算出手段は、
前記管状と判定された各腺管内における縮退処理が行われた領域を管状基底部領域として設定する管状基底部領域設定機能と、
前記管状腺管における細胞核が前記管状基底部領域内に分布している割合に基づき前記腺管の異型度を算出する管状腺管異型度算出機能を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 前記請求項3、4に記載の病理組織画像解析装置において、
前記線状と判定された各腺管に対して細線化処理を行うことにより細線化画像を生成する細線化画像生成機能と、
前記腺管の輪郭線における一方側の長手方向の輪郭線と前記細線化画像との間の領域を線状基底部領域として設定する線状基底部領域設定機能と、
前記線状腺管内の細胞核が前記線状基底部領域内に分布している割合に基づき前記腺管の異型度を算出する線状腺管異型度算出機能を備えたことを特徴とする病理組織画像解析装置。 - 外部から入力された生体組織画像の解析を行い、この解析の結果に基き前記生体組織画像における組織領域内に含まれる腺管から一定の異型度を有した腺管を抽出する病理組織画像解析方法であって、
前記組織領域内における腺管の特徴を示す予め設定された腺管特徴情報に基づき前記組織領域から前記腺管領域を検出し、
前記検出された腺管領域内に含まれる細胞核を予め設定された色素基準に基づき抽出し、
前記腺管における予め設定された基底部領域に対する前記抽出された細胞核の分布状態に基づき前記腺管の異型度を算出することを特徴とした病理組織画像解析方法。 - 外部から入力された生体組織画像の解析を行い、この解析の結果に基き前記生体組織画像における組織領域内に含まれる腺管から一定の異型度を有した腺管を抽出するための病理組織画像解析プログラムであって、
前記組織領域内における腺管の特徴を示す予め設定された腺管特徴情報に基づき前記組織領域から前記腺管領域を検出する腺管領域検出機能、
前記検出された腺管領域内に含まれる細胞核を予め設定された色素基準に基づき抽出する細胞核抽出機能、
前記腺管における予め設定された基底部領域に対する前記抽出された細胞核の分布状態に基づき前記腺管の異型度を算出する腺管異型度算出機能、
を予め設定されたコンピュータに実行させることを特徴とした病理組織画像解析プログラム。
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