JP7259844B2 - 画像処理方法、画像処理装置及びプログラム - Google Patents
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Description
近年、蛍光物質を用いて特定の生体物質を染色する蛍光染色技術、例えば蛍光 in situハイブリダイゼーション(fluorescent in situ hybridization:FISH)によって得られた蛍光画像と、既存の免疫染色技術を用いて細胞を染色して得られた細胞形態画像と、を組み合わせて、細胞レベルのタンパク質発現量解析や分子導体解析を行う技術が開発されている。これには、細胞形態画像から細胞の種類の同定を正確に行う必要があるため、病理医などの専門家による判断が不可欠であった。しかし、人手によって組織切片から膨大な数の細胞を観察し、その種類を同定するのには時間を要するものであった。
例えば、特許文献1には、核に対する標識特異的結合パートナーと、細胞膜に対する標識特異的結合パートナーとによって多重染色された細胞を同一の視野について撮影した、核染色画像と細胞膜染色画像を用いて、細胞の輪郭を自動的に抽出する方法が開示されている。このように、画像認識技術によって人手によらず自動的に細胞識別等を行うことで、医療現場での負担が大幅に軽減されることとなる。
例えば、マクロファージは、がんの微小環境を形成する細胞であり、マクロファージの一部は、癌の微小環境において抗腫瘍性のM1型から腫瘍促進性のM2型へとシフトすることが知られている。これらは腫瘍関連マクロファージ(Tumor-associated macrophages:TAM)と呼ばれ、腫瘍治療において有望な標的と考えられている。組織切片上のTAMの存在を識別するため、M1型マクロファージに特異的に発現するタンパク質と、M2型マクロファージに特異的に発現するタンパク質と、をそれぞれ標的とした多重染色を行うことで、染色状態の違いからその同定を行うことができる。
発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理方法において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別工程と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成工程と、を備え、
前記染色情報識別工程は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
ことを特徴とする。
前記組織標本は、複数の異なる生体物質が、各々発色の異なる染料によって染色された細胞を含む
ことを特徴とする。
前記領域形成工程は、前記所定の領域形成処理として、前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対する小面積領域の削除及び/又は欠損領域の補間を行う
ことを特徴とする。
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域を所定の領域ごとに分割するための分割基準を識別する分割情報識別工程を含み、
前記分割情報識別工程は、
前記多重染色画像上の各位置について、前記複数の染料間の空間的相関及び細胞の構成要素間の相対的な位置関係に基づいて、前記分割基準の存在確率を算出し、当該存在確率を空間的につなぎ合わせた分割基準の確率マップを生成する
ことを特徴とする。
前記分割基準は、前記染料による染色領域の内部に配置された核である
ことを特徴とする。
前記分割基準は、前記細胞候補領域の内部であって、前記染料による染色領域に包囲された非染色領域である
ことを特徴とする。
前記領域形成工程は、前記所定の領域形成処理として、前記染色情報識別工程によって出力された前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域を、前記分割情報識別工程によって出力された分割基準を基準として分割する、分割工程を含む
ことを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の画像処理方法において、
前記染色情報識別工程は、前記第1の染料と前記第2の染料とが互いに異なる部位を染色し、前記第1の染料の発色位置と前記第2の染料の発色位置が近接して確認される領域を、第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域とする
ことを特徴とする。
請求項9に記載の画像処理方法は、
発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理方法において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色されず前記第2の染料によって染色された第3の細胞が存在する第3の細胞候補領域とを識別する染色情報識別工程と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域と前記第3の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域と第3の細胞が同定された第3の細胞領域を形成する領域形成工程と、を備え、
前記染色情報識別工程は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞と前記第2の細胞と前記第3の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率と前記第3の細胞の存在確率を算出し、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率と前記第3の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
ことを特徴とする。
発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理装置において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別部と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成部と、を備え、
前記染色情報識別部は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
ことを特徴とする。
発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理装置のコンピューターを、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別部、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成部、として機能させるためのプログラムであって、
前記染色情報識別部に、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別させるとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力させる。
以下、図を参照して本発明を実施するための第1実施形態について説明する。
図1に、本発明に係る画像処理システム100の全体構成例を示す。画像処理システム100は、所定の染料で染色された組織標本の顕微鏡画像を取得し、取得された顕微鏡画像を解析することにより、組織標本上の細胞の種類を同定して出力するシステムである。
顕微鏡画像取得装置1Aは、照射手段、結像手段、撮像手段、通信I/F等を備えて構成されている。照射手段は、光源、フィルター等により構成され、スライド固定ステージに載置されたスライド上の組織標本に光を照射する。結像手段は、接眼レンズ、対物レンズ等により構成され、照射した光によりスライド上の組織標本から発せられる透過光、反射光を結像する。撮像手段は、CCD(Charge Coupled Device)センサー等を備え、結像手段により結像面に結像される像を撮像して顕微鏡画像のデジタル画像データを生成する顕微鏡設置カメラである。通信I/Fは、生成された顕微鏡画像の画像データを画像処理装置2Aに送信する。本実施の形態において、顕微鏡画像取得装置1Aは、明視野観察に適した照射手段及び結像手段を組み合わせた明視野ユニットを備えている。なお、顕微鏡画像取得装置1Aは、蛍光観察に適した照射手段及び結像手段を組み合わせた蛍光ユニットが備えられており、ユニットを切り替えることにより明視野/蛍光を切り替え可能な構成としてもよい。
図2に、画像処理装置2Aの機能構成例を示す。図2に示すように、画像処理装置2Aは、制御部21、操作部22、表示部23、通信I/F24、記憶部25等を備えて構成され、各部はバス26を介して接続されている。
その他、画像処理装置2Aは、LANアダプターやルーター等を備え、LAN等の通信ネットワークを介して外部機器と接続される構成としてもよい。
本実施形態における画像処理装置2Aは、顕微鏡画像取得装置1Aから送信された組織標本の染色画像、特に発色の異なる複数の染料によって、複数種類の生体物質が染色された多重染色画像を用いて解析を行う。
本実施形態における多重染色画像は、たとえばマクロファージに特異的に発現する2種以上のタンパク質が、複数の染料によって可視化された組織標本を、顕微鏡画像取得装置1Aによって撮像して得られた画像である。タンパク質および遺伝子から任意に選ばれた2種類を用いてもよく、生体物質が染色体や小胞体などが染料によって可視化された組織標本であってもよい。
ここで、多重染色画像の取得方法について、この多重染色画像の取得に際して用いられる染料、及び当該染料による組織標本の染色方法等も含めて詳細に説明する。
タンパク質は、たとえばマクロファージにおいて特異的に発現されるタンパク質から任意に選択することができ、例えば、PD-1、CD163、CD204、CD68、Iba1、CD11c、CD206、CD80、CD86、CD163、CD181、CD197、iNOS、Arginase1、CD38、Egr2等が挙げられる。
なお、染色の対象とする2種以上のマクロファージタンパク質のうち、少なくとも一つが、M2マクロファージに特異的に発現するタンパク質(例えば、CD163、CD204等)であることが好ましく、組織標本として腫瘍組織を用いる場合には、腫瘍関連マクロファージ(TAM)に特異的に発現するタンパク質であることが好ましい。
また、がん細胞などにおいて発現・分泌される生体物質から任意に選択することができ、例えば、PDL1、CTLA4、CD8、CD30、CD48、CD59、IDO、TDO、CSF-1R、HDAC、CXCR4、FLT-3、TIGIT、INF-α、INF-β、INF-ω、INF-ε、INF-κ、INF-γ、INF-λCSF、EPO、EGF、FGF、PDGF、HGF、TGF、CD3、CD4、CD25、CD28、CD80、CD86、CD160、CD57、OX40(CD134)、OX40L(CD252)、ICOS(CD278)、ICOSL(CD275)、CD155、CD226、CD112、CD27、CD70、4-1BB(CD137)、4-1BBL(CD137L)、GITR(CD357)、GITRL、BTLA(CD272)、HVEM(CD270)、TIM-3、ガレクチン-9(Galectin-9)、LAG-3(CD223)、B7-H3(CD276)、B7-H4、B7-H5、CD40、CD40L、PD-1、PD-L2、2B4(CD244)、KLRG-1、E-Cadherin、N-Cadherin、R-Cadherin、CD68、CD163およびCSF1-Rを挙げることができる。
さらに、遺伝子としてはDNAであってもよいし、mRNA、tRNA、miRNA(miR4717等)、siRNA、non-cording-RNAなどのRNAであってもよい。
本実施形態においては、M1マクロファージ及びM2マクロファージの両方に発現するタンパク質としてCD68を、M2マクロファージ(あるいはTAM)に特異的に発現するタンパク質としてCD163を、それぞれ下記の染料を用いて染色するものとする。したがって、CD68及びCD163がともに発現している細胞はM2マクロファージ(あるいはTAM)であり、CD68のみが発現している細胞はM1マクロファージであると判定することができる。
組織標本の染色は、組織標本と標識物質とを接触させることにより、染色の目的となるマクロファージタンパク質に標識物質を直接的または間接的に結合させて行うことが好ましく、例えば、マクロファージタンパク質に直接的または間接的に結合する抗体に標識物質を結合させた標識化抗体を、組織標本と反応させて行う免疫染色であることが好ましい。
例えば、標的となるタンパク質と直接的または間接的に結合する抗体に酵素を結合させた標識化抗体をあらかじめ反応させた組織標本に、当該酵素の基質である色素を添加することで行う、免疫染色であることが好ましい。酵素としてはペルオキシダーゼ、アルカリフォスファターゼが、色素としては3,3’-ジアミノベンジジン(DAB)、HistoGreen、TMB、BetazoidDAB、Cardassian DAB、Bajoran Purple、Vina Green、Romulin AEC、Ferangi Blue、VulcanFast Red、Warp Red等が挙げられる。なお、色素の安定性の観点から、DABによる染色を行う場合には、他の染料による染色の前に行うことが好ましい。
本実施形態においては、CD68及びCD163を、それぞれDAB及びHistoGreenによって染色する。
組織標本とは、被験体から採取された組織切片や、被験体から採取された組織に含まれる細胞を培養した細胞であって、本実施形態においては腫瘍組織から採取した組織切片を用いるものとする。組織標本は、一般的には、免疫染色法により目的タンパク質の発現量を評価する場合などで慣用されているような、組織切片や細胞を載置した標本スライドの形態をとる。
組織標本の作製法は特に限定されず、一般的には、例えば、被験体から採取した組織切片を、ホルマリン等を用いて固定し、アルコールで脱水処理した後、キシレン処理を行い、高温のパラフィン中に浸すことでパラフィン包埋を行うことで作製した組織試料を3~4μmの切片にすることで得ることができ、当該組織切片をスライドガラス上に載置して乾燥することで標本スライドを作製することができる。
以下、組織標本の染色方法について述べる。以下に説明する染色方法は組織切片に限定されず、細胞染色にも適用可能である。
キシレンを入れた容器に組織標本を浸漬させ、パラフィンを除去する。温度は特に限定されるものではないが、室温で行うことができる。浸漬時間は、3分以上30分以下であることが好ましい。また、必要により浸漬途中でキシレンを交換してもよい。
次いで、エタノールを入れた容器に組織標本を浸漬させ、キシレンを除去する。温度は特に限定されるものではないが、室温で行うことができる。浸漬時間は、3分以上30分以下であることが好ましい。また、必要により浸漬途中でエタノールを交換してもよい。
次いで、水を入れた容器に組織標本を浸漬させ、エタノールを除去する。温度は特に限定されるものではないが、室温で行うことができる。浸漬時間は、3分以上30分以下であることが好ましい。また、必要により浸漬途中で水を交換してもよい。
公知の方法にならい、目的とする生体物質の賦活化処理を行う。賦活化条件に特に定めはないが、賦活液としては、0.01M クエン酸緩衝液(pH6.0)、1mM EDTA溶液(pH8.0)、5% 尿素、0.1M トリス塩酸緩衝液等を用いることができる。加熱機器は、オートクレーブ、マイクロウェーブ、圧力鍋、ウォーターバス等を用いることができる。温度は特に限定されるものではないが、室温で行うことができる。温度は50-130℃、時間は5-30分で行うことができる。
次いで、リン酸緩衝生理食塩水(Phosphate Buffered Saline:PBS)を入れた容器に、賦活化処理後の組織標本を浸漬させ、洗浄を行う。温度は特に限定されるものではないが、室温で行うことができる。浸漬時間は、3分以上30分以下であることが好ましい。また、必要により浸漬途中でPBSを交換してもよい。
賦活化処理の後、各染色を行う前にバックグラウンドノイズの低減等を目的として、必要に応じてブロッキング等の処理を行うことが好ましい。例えば、BSA(ウシ血清アルブミン)含有PBSやTween20などの界面活性剤をブロッキング剤として滴下することで抗体の組織標本への非特異的な吸着を抑制することがでる。また、例えば、色素染色においてペルオキシダーゼの酵素基質反応を用いる場合などにおいては、内因性ペルオキシダーゼによる非特異的な呈色反応を防ぐために過酸化水素によるペルオキシダーゼブロック等の処理を行うことが好ましい。
これらの処理を行った後にはPBS等により洗浄を行うことが好ましい。洗浄条件は行った処理に応じて適宜調節することができ、例えば、室温で、3分以上30分以下で行うことができる。
洗浄後の組織標本に対して、色素染色を行う。
免疫染色では、検出の目的となるマクロファージタンパク質に直接的または間接的に結合しうる抗体と標識物質とを直接的間接的に結合させた標識化抗体を適当な媒体に分散させ、組織切片等の組織標本に載せ、目的とする生体物質と反応させることで、目的のマクロファージタンパク質を染色する。
一次抗体に標識物質を結合させたものを標識化抗体としてもよいし、二次抗体に標識物質を結合させたものを標識化抗体としてもよい。一次抗体に標識物質を結合させたものを標識化抗体とした場合には、標識化抗体は組織標本中のマクロファージタンパク質と直接結合することによりそれらを染色する。二次抗体に標識物質を結合させたものを標識化抗体とした場合には、標識化抗体は、組織標本中のマクロファージタンパク質に予め結合させておいた一次抗体に結合することにより、組織標本中のマクロファージタンパク質を染色する。
“…”は抗原抗体反応により結合していることを表し、“-”は必要に応じてリンカー分子を介していてもよい共有結合により結合していることを表し、“/”はアビジン・ビオチン反応により結合していることを表す。)となる実施形態が挙げられる。このような染色は、例えば、最初に一次抗体の溶液に組織標本を浸漬し、次に二次抗体-ビオチン結合体の溶液に組織標本を浸漬し、最後にアビジン-標識物質の溶液に組織切片を浸漬することによって行うことができる。
二次抗体には、一次抗体を抗原として特異的に認識して結合する抗体(IgG)を用いることができる。
一次抗体および二次抗体はいずれも、ポリクローナル抗体であってもよいが、定量の安定性の観点から、モノクローナル抗体が好ましい。抗体を産生する動物(免疫動物)の種類は特に限定されるものではなく、従来と同様、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、ヤギ、ヒツジなどから選択すればよい。
染色工程を終えた組織標本は、上述したシグナル計測のための撮影等に適したものとなるよう、固定化・脱水、透徹、封入などの処理を行うことが好ましい。
固定化・脱水処理は、組織標本を固定処理液(ホルマリン、パラホルムアルデヒド、グルタールアルデヒド、アセトン、エタノール、メタノール等の架橋剤)に浸漬すればよい。透徹は、固定化・脱水処理を終えた標本スライドを透徹液(キシレン等)に浸漬すればよい。封入処理は、透徹処理を終えた標本スライドを封入液に浸漬すればよい。これらの処理を行う上での条件、たとえば標本スライドを所定の処理液に浸漬する際の温度および浸漬時間は、従来の免疫染色法に準じて、適切なシグナルが得られるよう適宜調整することができる。
以下、画像処理システム100において、上記説明した多重染色画像を取得して解析を行う動作について説明する。
その後、顕微鏡画像取得装置1Aにおいて、(a1)~(a3)の手順により多重染色画像が取得される。
(a1)操作者は、組織標本をスライドに載置し、そのスライドを顕微鏡画像取得装置1Aのスライド固定ステージに設置する。
(a2)明視野ユニットに設定し、撮影倍率、ピントの調整を行い、組織上の観察対象の領域を視野に納める。
(a3)撮像手段で撮影を行って多重染色画像の画像データを生成し、画像処理装置2Aに画像データを送信する。
なお、組織標本に対して色素染色に加えて蛍光染色を行う場合には、(a3)の手順の後に、(a4)及び(a5)の手順により蛍光画像を取得する。
(a4)ユニットを蛍光ユニットに変更する。
(a5)視野及び撮影倍率を変えずに撮像手段で撮影を行って蛍光画像の画像データを生成し、画像処理装置2Aに画像データを送信する。
図3に、画像処理装置2Aにおいて実行される細胞識別処理1のフローチャートを示す。なお、図3に示す細胞識別処理1は、制御部21と記憶部25に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
図4に、ステップS12における染色情報識別処理の詳細フローを示す。なお、ステップS12の処理は、制御部21と記憶部25に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
一方で、DAB単陽性領域及びHistoGreen単陽性領域は、それぞれDABとHistoGreenの一方の発色のみが確認される領域であって、それぞれDAB単陽性細胞、HistoGreen単陽性細胞を含む可能性が高い。
確率マップは、例えば、予め定められた大きさの局所領域を含む画像パッチをもとに訓練された畳み込みニューラルネットワーク(convolutional neural network:CNN)の出力として生成される。
ここで、染料間の空間的相関とは、ある色の染料の近くに、他の色の染料が存在している等の、染料同士の位置関係を指す。例えば、2重陽性細胞は2種類の染料によって染色されるため、注目細胞を含む局所領域内において双方の染料による着色が確認されれば、その細胞は2重陽性細胞である可能性が高い。あるいは、注目細胞を含む局所領域内において単一の染料による着色しか確認されなければ、その細胞は単陽性細胞である可能性が高い。また、細胞の構成要素間の位置関係とは、細胞核の周りに細胞質、その更に外側に細胞膜が存在するといった、細胞の構成要素間の自明な包含関係を指す。
抽出された特徴に基づいて、図5Bに示す2重陽性細胞の確率マップM1及びDAB単陽性細胞の確率マップM2のような、細胞種毎の確率マップが白黒のマスクとして出力される。図中bは、フィルターaがかけられた領域における存在確率に対応する。これらが多重染色画像の全体に亘って空間的につなぎ合わされることによって、確率マップが生成される。
ここで、確率マップ上においては、算出された存在確率は色によって表現される。その表現方法はどのようなものであってもよい。例えば、確率マップは、1/0の2値で細胞内外を表したマップであってもよく、あるいは、細胞中心からの距離を色の濃さに変換したもの、又は細胞境界からの距離を色の濃さに変換したもの等、直接的に実在する物体以外の概念に応じたマップであってもよい。なおこれらはあくまで一例であり、上記した例によって限定されるものではなく、任意に設計可能である。
領域の統合と再割り当て処理においては、まず、ステップS1201~ステップS1206において、それぞれ算出された2重陽性領域、DAB単陽性領域及びHistoGreen単陽性領域を統合する。このとき、各領域の確率マップに対してステップS1204~ステップS1206の閾値処理を施したのみでは、確率マップ同士に重なり合う部分が生じてしまう。このような共通部分を切り分けるため、それぞれの細胞候補領域の出力が排他的になるように領域の形成を行う。これには、細胞候補領域に順位づけを行うことが有効であり、例えば2重陽性細胞を単陽性細胞よりも優先的に表示させるなどの方法を用いることができる。
図6に、ステップS13における処理の詳細フローを示す。なお、ステップS13の処理は、制御部21と記憶部25に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
以上の処理によって細胞領域上のノイズや欠損等が削除され、最終的な細胞領域の識別結果が出力され(ステップS1303)、領域形成処理が完了する。
領域形成処理を完了すると、図3の細胞識別処理1が完了する。
以下、図を参照して本発明を実施するための第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
染色情報識別処理においては、2重陽性細胞、DAB単陽性細胞及びHistoGreen単陽性細胞のそれぞれの候補領域が出力されるが、各領域内で複数の細胞が近接して配置されていると、これらの細胞がつながって一つの領域として出力される場合がある。そこで、本実施形態における細胞識別処理は、このような複数の細胞がつながって形成された細胞候補領域を一細胞ごとに分割して出力するための分割処理を実行するとともに、当該分割処理の基準となる分割基準を特定するための分割情報識別処理を含むことを特徴とする。
以下、画像処理システム100において、上記説明した多重染色画像を取得して解析を行う動作について説明する。なお、操作者による多重染色画像のデータの取得方法は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図8に、ステップS23における処理の詳細フローを示す。なお、ステップS23の処理は、制御部21と記憶部25に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
ここで、分割基準とは、一つにつながった領域を複数の領域へ分割する際に基準となる物体や領域を指す。具体的には細胞核、細胞質及び細胞膜等の細胞の構成要素が分割基準として好適であり、これらを分割基準として用いる場合には、別個の染料によってこれら染色することも可能である。
ただし、分割基準はこのような細胞の特定の構成要素に限定されない。分割基準は、生物学的構造、即ち細胞膜によって細胞同士が隔てられていること、細胞膜の内側に細胞質及び細胞核が存在すること、あるいは細胞質によって細胞核が内包されていること、などといった細胞の構成要素間の位置関係、及びこれらを染色する染料間の空間的相関を考慮して設定されることが好ましく、染料による染色領域に包囲された非染色領域、即ち、細胞核等が存在すると考えられる領域を、分割基準として設定することも可能である。
なお、領域境界の確率マップは、例えば、多重染色画像から分割基準の領域境界を識別可能に訓練されたCNNによって算出することが可能である。
次いで、補正された分割基準の確率マップに閾値処理を施すと(ステップS2304)、最終的な分割基準の領域が出力されて(ステップS2305)、分割情報識別処理が完了する。
図9に、ステップS24における処理の詳細フローを示す。なお、ステップS24の処理は、制御部21と記憶部25に記憶されているプログラムとの協働により実行される。
本実施形態において、分割情報識別処理で特定されたDAB染色領域(分割基準)をマーカーとするマーカーコントロール付きwatershedアルゴリズムによって各細胞候補領域を分割する場合、DAB染色領域を複数含む細胞候補領域のエッジ部分を山に見立て、当該細胞候補領域に対して、水位が画像全体で等しくなるように保ちながら浸水させるように、輝度の低い画素を除去していき、各細胞核の候補領域が一つの細胞候補領域の断片に含まれる状態となるまで、細胞候補領域を縮小する。次いで、細胞候補領域の断片を縮小開始前の細胞候補領域まで拡大させ、拡大された細胞候補領域同士がぶつかる画素を境界とすることで、細胞候補領域内の個々の細胞を分離することができる。
領域形成処理を完了すると、図7の細胞識別処理2が完了する。
図10に示すように、染色情報識別処理により、多重染色画像から2重陽性領域の細胞候補領域が粗抽出される。一方で、分割情報識別処理により、DAB染色領域を分割基準として抽出する。これらに基づいて、領域形成処理により、つながって出力された一細胞ごとに分割されて、最終的な細胞領域が出力される。
なお、上記実施形態における記述内容は、本発明の好適な一例であり、これに限定されるものではない。
2A 画像処理装置
21 制御部(染色情報識別部、領域形成部)
22 操作部
23 表示部
24 通信I/F
25 記憶部
26 バス
3A ケーブル
100 画像処理システム
Claims (11)
- 発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理方法において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別工程と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成工程と、を備え、
前記染色情報識別工程は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
画像処理方法。 - 前記組織標本は、複数の異なる生体物質が、各々発色の異なる染料によって染色された細胞を含む
請求項1に記載の画像処理方法。 - 前記領域形成工程は、前記所定の領域形成処理として、前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対する小面積領域の削除及び/又は欠損領域の補間を行う
請求項1又は2に記載の画像処理方法。 - 前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域を所定の領域ごとに分割するための分割基準を識別する分割情報識別工程を含み、
前記分割情報識別工程は、
前記多重染色画像上の各位置について、前記複数の染料間の空間的相関及び細胞の構成要素間の相対的な位置関係に基づいて、前記分割基準の存在確率を算出し、当該存在確率を空間的につなぎ合わせた分割基準の確率マップを生成する
請求項1から3のいずれか一項に記載の画像処理方法。 - 前記分割基準は、前記染料による染色領域の内部に配置された核である
請求項4に記載の画像処理方法。 - 前記分割基準は、前記細胞候補領域の内部であって、前記染料による染色領域に包囲された非染色領域である
請求項4に記載の画像処理方法。 - 前記領域形成工程は、前記所定の領域形成処理として、前記染色情報識別工程によって出力された前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域を、前記分割情報識別工程によって出力された分割基準を基準として分割する、分割工程を含む
請求項4から6のいずれか一項に記載の画像処理方法。 - 前記染色情報識別工程は、前記第1の染料と前記第2の染料とが互いに異なる部位を染色し、前記第1の染料の発色位置と前記第2の染料の発色位置が近接して確認される領域を、第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域とする
請求項1記載の画像処理方法。 - 発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理方法において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色されず前記第2の染料によって染色された第3の細胞が存在する第3の細胞候補領域とを識別する染色情報識別工程と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域と前記第3の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域と第3の細胞が同定された第3の細胞領域を形成する領域形成工程と、を備え、
前記染色情報識別工程は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞と前記第2の細胞と前記第3の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率と前記第3の細胞の存在確率を算出し、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率と前記第3の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
画像処理方法。 - 発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理装置において、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別部と、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成部と、を備え、
前記染色情報識別部は、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別するとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力する
画像処理装置。 - 発色の異なる複数の染料によって多重に染色された組織標本を撮像して得られた多重染色画像から、細胞の染色状態の違いに基づいて細胞の種類を同定する画像処理装置のコンピューターを、
前記多重染色画像において、第1の染料及び第2の染料によって染色された第1の細胞が存在する第1の細胞候補領域と、前記第1の染料によって染色され前記第2の染料によって染色されなかった第2の細胞が存在する第2の細胞候補領域とを識別する染色情報識別部、
前記第1の細胞候補領域と前記第2の細胞候補領域に対して所定の領域形成処理を行うことにより、前記第1の細胞が同定された第1の細胞領域と前記第2の細胞が同定された第2の細胞領域とを形成する領域形成部、として機能させるためのプログラムであって、
前記染色情報識別部に、
前記第1の染料による染色が検出されたピクセルの近傍に位置するピクセルに前記第2の染料による染色が検出されたか否かを表す、染料間の空間的相関と、細胞の構成要素間の相対的な位置関係と、に基づいて、前記多重染色画像上の前記第1の細胞及び前記第2の細胞の染色状態を識別させるとともに、
前記多重染色画像上の各位置について、前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を算出し、少なくとも前記第1の細胞の存在確率と前記第2の細胞の存在確率を含む複数の細胞の存在確率を空間的につなぎ合わせた確率マップを出力させる
ためのプログラム。
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