一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统及方法

本发明涉及数字病理图像分析、人工智能辅助医学图像分析和空间肿瘤组学，具体涉及一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统及方法。

背景技术：

1、肿瘤微环境的空间异质性对胃癌预后和治疗响应具有重要影响。多重免疫荧光、多重免疫组化以及codex等空间分子病理学技术能够在单细胞层次刻画肿瘤细胞、免疫细胞和基质细胞之间的空间相互作用。然而，上述技术成本较高，难以适配临床海量存档的常规病理切片。

2、常规苏木精-伊红染色切片具有存量大、成本低、临床可及性高等优势，但现有基于常规h&e切片的肿瘤微环境空间分析方法仍存在以下技术问题：第一，现有方法不能反映细胞沿组织厚度方向，即z轴方向的连续分布特性。由于连续切片之间存在取材位置差异，二维方法得到的细胞邻域和空间特征对切片位置高度敏感，跨切片重复性差。第二，现有细胞邻域聚类方法通常仅使用轮廓系数等单一聚类质量指标选择聚类数，未同时考虑聚类结果的重复稳定性以及沿z轴方向的空间连续性，导致所得细胞邻域在连续切片之间出现碎片化。第三，现有空间病理特征主要面向二维平面拓扑关系，缺少适配三维组织的量化指标。尤其是缺少跨切片细胞相互作用量化指标，也缺少能够刻画肿瘤细胞与免疫细胞之间基质阻隔关系的三维屏障指标，导致沿组织厚度方向的重要微环境交互信息丢失。

3、因此，如何利用临床常规h&e连续切片构建三维细胞图，获得跨切片稳定的三维细胞邻域，并提取包含跨切片交互和三维屏障信息的拓扑特征，是数字病理空间分析领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统及方法，以解决现有二维病理空间分析方法中跨切片一致性差、聚类评价单一、缺乏三维专属微环境量化指标等技术问题。

2、本发明实施例提供的系统及方法以离体病理切片图像为处理对象，用于候选生物标志物的自动筛选和空间特征分析，不以有生命的人体或动物体为直接对象，不以获得疾病诊断结果为直接目的。

3、本发明提供一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，包括数据采集模块、数据预处理模块、三维细胞图构建模块、三维邻域与拓扑特征提取模块以及候选生物标志物排序模块。

4、所述数据采集模块，用于获取同一胃癌组织标本的连续苏木精-伊红染色全切片图像序列以及切片配准信息。所述切片配准信息包括各切片之间的配准变换参数和配准依赖关系。

5、所述数据预处理模块，用于基于所述切片配准信息重建所述全切片图像序列的物理z轴顺序，并对各切片执行组织掩膜生成、染色归一化、细胞核检测和细胞类型分派，得到包含细胞二维坐标、物理z轴序号和细胞类型的单细胞数据。

6、所述三维细胞图构建模块，用于以所述单细胞数据中的细胞为节点构建异质无向三维细胞图。所述异质无向三维细胞图包括同一切片内的切片内邻接边，以及所述物理z轴顺序中相邻切片之间的跨切片匹配边。所述切片内邻接边和所述跨切片匹配边通过边类型标签区分。

7、所述三维邻域与拓扑特征提取模块，用于基于每个细胞在所述异质无向三维细胞图中的邻域组成向量进行聚类，并通过由轮廓系数、戴维森-堡尔丁指数、双随机种子k均值聚类一致性指标、z轴连续游程长度四个分量加权融合得到的联合评分确定最优细胞邻域数量；

8、基于所述最优细胞邻域数量对应的细胞邻域划分提取多个三维拓扑特征，所述多个三维拓扑特征至少包括：基于细胞类型标签置换检验得到z分数的跨切片细胞相互作用特征，以及表征肿瘤上皮细胞至免疫细胞最短路径上基质细胞占比的肿瘤-免疫基质屏障特征。

9、所述候选生物标志物排序模块，用于对每一候选特征沿所述物理z轴顺序计算跨切片稳定性指标和空间特异性指标，并基于所述跨切片稳定性指标和所述空间特异性指标确定综合评分，按所述综合评分输出候选生物标志物排序结果。

10、本发明还提供一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现方法，所述方法为非诊断目的的离体病理图像数据处理方法，包括获取连续h&e全切片图像序列及切片配准信息，重建物理z轴顺序，构建三维细胞图，确定最优细胞邻域数量，提取三维拓扑特征，并基于跨切片稳定性指标和空间特异性指标输出候选生物标志物排序结果。

11、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。

12、本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：

13、针对背景技术中指出的第一个问题，即二维方法跨切片重复性差，本发明通过构建包含切片内邻接边和跨切片匹配边的异质无向三维细胞图，使细胞邻域划分不仅依赖单张切片内的平面邻接关系，还能够表达相邻切片之间沿组织厚度方向的细胞对应关系，从而减少二维方法对切片取材位置的敏感性。

14、针对第二个问题，即单一聚类指标导致邻域碎片化，本发明在确定最优细胞邻域数量时，同时采用轮廓系数、戴维森-堡尔丁指数、双随机种子聚类一致性、z轴连续游程长度四分量加权联合评分。由此获得的细胞邻域在统计聚类稳定性和三维组织连续性方面均得到约束，减少沿z轴方向的邻域碎片化。

15、针对第三个问题，即缺乏三维专属量化指标，本发明提取的三维拓扑特征至少包括跨切片细胞相互作用特征和肿瘤-免疫基质屏障特征。其中，跨切片细胞相互作用特征通过三维细胞图上的边计数和标签置换检验量化相邻切片之间细胞类型的空间交互关系；肿瘤-免疫基质屏障特征通过计算三维细胞图上肿瘤细胞与免疫细胞之间最短路径中的基质细胞占比，量化由基质细胞形成的空间阻隔程度。

16、此外，本发明采用跨切片稳定性指标和空间特异性指标对候选特征进行排序，无需依赖外部预后标签即可筛选出既具有跨切片稳定性又具有空间特异性的候选生物标志物，适用于基础病理队列和科研数据分析。本发明可仅依赖常规h&e连续切片实现三维肿瘤微环境空间分析，无需依赖高成本多重免疫荧光染色，有利于利用临床存量病理切片开展大规模回顾性研究。

1.一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据预处理模块、三维细胞图构建模块、三维邻域与拓扑特征提取模块以及候选生物标志物排序模块；所述数据采集模块，用于获取同一胃癌组织标本的连续苏木精-伊红染色全切片图像序列以及切片配准信息；所述切片配准信息包括各切片之间的配准变换参数和配准依赖关系；所述数据预处理模块，用于基于所述切片配准信息重建所述全切片图像序列的物理z轴顺序，并对各切片执行组织掩膜生成、染色归一化、细胞核检测和细胞类型分派，得到包含细胞二维坐标、物理z轴序号和细胞类型的单细胞数据；所述细胞类型包括以下九类：肿瘤上皮细胞、正常上皮细胞、淋巴细胞、浆细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、内皮细胞以及形态不属于前述八类的未分类细胞；所述三维细胞图构建模块，用于以所述单细胞数据中的细胞为节点构建异质无向三维细胞图；所述异质无向三维细胞图包括同一切片内的切片内邻接边，以及所述物理z轴顺序中相邻切片之间的跨切片匹配边；所述切片内邻接边和所述跨切片匹配边通过边类型标签区分；所述三维邻域与拓扑特征提取模块，用于基于每个细胞在所述异质无向三维细胞图中的邻域组成向量进行聚类，并通过由轮廓系数、戴维森-堡尔丁指数、双随机种子k均值聚类一致性指标、z轴连续游程长度四个分量加权融合得到的联合评分确定最优细胞邻域数量；基于所述最优细胞邻域数量对应的细胞邻域划分提取多个三维拓扑特征，所述多个三维拓扑特征至少包括：基于细胞类型标签置换检验得到z分数的跨切片细胞相互作用特征，以及表征肿瘤上皮细胞至免疫细胞最短路径上基质细胞占比的肿瘤-免疫基质屏障特征；所述候选生物标志物排序模块，用于对每一候选特征沿所述物理z轴顺序计算跨切片稳定性指标和空间特异性指标，并基于所述跨切片稳定性指标和所述空间特异性指标确定综合评分，按所述综合评分输出候选生物标志物排序结果。

2.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述数据预处理模块基于所述切片配准信息重建所述物理z轴顺序，包括：根据所述切片配准信息构建配准有向图；其中，所述配准有向图中的每一顶点对应一张切片，每一有向边表示源切片配准到目标切片的方向；将所述配准有向图中不存在配准目标关系的切片确定为锚定切片；从所述锚定切片出发，沿所述配准有向图中的两个方向分别遍历，得到第一切片链和第二切片链；将所述第一切片链、所述锚定切片和所述第二切片链拼接，得到所述物理z轴顺序。

3.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述组织掩膜生成、所述染色归一化和所述细胞核检测包括：对每张切片，在hsv颜色空间的饱和度通道上进行otsu阈值分割，得到初始组织掩膜；对所述初始组织掩膜执行形态学开运算以去除孤立噪点，并执行形态学闭运算以填充组织区域内的小孔洞，得到组织二值掩膜；选取所述物理z轴顺序中的第一张切片作为染色参考切片；采用macenko染色归一化方法，将其余切片的染色向量向所述染色参考切片的染色矩阵进行归一化，输出苏木精通道浓度图和伊红通道浓度图；对染色归一化后的苏木精通道浓度图，采用拉普拉斯高斯算子进行斑点响应检测，得到候选细胞核响应图；对所述候选细胞核响应图进行局部极值提取，并采用分水岭分割算法分离粘连细胞核，输出每一细胞的中心二维坐标、细胞面积和偏心率。

4.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述细胞类型分派采用双阶段分派策略：第一阶段，依据细胞面积、细胞偏心率、细胞核形态参数和局部纹理统计量，将细胞粗分为上皮候选、淋巴细胞、浆细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、内皮细胞和未分类细胞；第二阶段，针对所述上皮候选，提取以细胞中心为中心的图像块，将所述图像块输入预训练的病理图像编码器，得到细胞图像嵌入向量；对所述细胞图像嵌入向量进行密度聚类；将聚类结果中满足预设异型性条件的簇标记为肿瘤上皮细胞，其余上皮候选标记为正常上皮细胞；所述预设异型性条件为：细胞核面积方差高于第一预设阈值，或者细胞形态多形性高于第二预设阈值；所述第一预设阈值和所述第二预设阈值为预先设定的固定阈值，或者基于全部上皮候选样本统计分布计算得到的自适应阈值。

5.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述切片内邻接边和跨切片匹配边通过如下方式构建：对任一切片内的任一细胞，在同一切片内检索平面距离不超过邻接半径的候选邻居细胞；按照平面距离由小到大的顺序，保留不超过最大近邻数量的候选邻居细胞；由所述任一细胞与其保留的候选邻居细胞建立切片内邻接边；所述跨切片匹配边通过如下方式构建：对所述物理z轴顺序中相邻的两张切片，在共享二维坐标系下，将第一切片上的任一细胞与第二切片上平面距离最近的细胞进行匹配；若所述平面距离不超过匹配阈值，则在所述任一细胞与其匹配细胞之间建立跨切片匹配边；所述跨切片匹配边的三维距离根据所述平面距离和切片厚度确定；所述切片内邻接边和所述跨切片匹配边通过二元边类型标签加以区分。

6.根据权利要求5所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于：所述邻接半径为40微米；所述最大近邻数量为25；所述匹配阈值为10微米；所述切片厚度为4微米；所述跨切片匹配边的三维距离满足：

7.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述三维邻域与拓扑特征提取模块包括邻域发现单元；所述邻域发现单元用于：对每个细胞，在所述异质无向三维细胞图上获取三维欧氏距离不超过三维邻域半径的邻居集合，所述三维邻域半径为50微米，所述邻居集合包括同一切片内的邻居和相邻切片上的跨切片邻居；统计所述邻居集合中各类细胞类型的数量，并将中心细胞自身计入统计，得到每一细胞的邻域组成向量；对全部细胞的邻域组成向量进行行归一化，得到归一化邻域组成矩阵；对所述归一化邻域组成矩阵进行主成分分析降维，得到降维邻域组成矩阵；在所述降维邻域组成矩阵上，对候选聚类数进行遍历，并采用k均值聚类得到每个候选聚类数下的细胞邻域划分结果；所述联合评分由四个分量加权求和得到：

8.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述多个三维拓扑特征为七族三维拓扑特征，包括：细胞组成特征；细胞多样性特征；三维ripley空间散布特征；跨切片细胞相互作用特征；三维最近邻距离特征；细胞邻域转移熵特征；肿瘤-免疫基质屏障分数特征；其中，所述跨切片细胞相互作用特征通过对细胞类型标签进行随机置换得到相互作用z分数，所述随机置换的次数取200次；所述肿瘤-免疫基质屏障分数特征通过计算肿瘤上皮细胞到免疫细胞最短路径中基质细胞占比得到。

9.根据权利要求1所述的一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现系统，其特征在于，所述候选生物标志物排序模块被配置为：对每一候选特征，沿所述物理z轴顺序逐切片计算特征取值序列；基于所述特征取值序列计算跨切片变异系数：

10.一种胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现方法，其特征在于，所述方法为非诊断目的的离体病理图像数据处理方法，包括：获取同一胃癌组织标本的连续苏木精-伊红染色全切片图像序列以及切片配准信息；基于所述切片配准信息重建所述全切片图像序列的物理z轴顺序；对各切片执行组织掩膜生成、染色归一化、细胞核检测和细胞类型分派，得到包含细胞二维坐标、物理z轴序号和细胞类型的单细胞数据；所述细胞类型包括以下九类：肿瘤上皮细胞、正常上皮细胞、淋巴细胞、浆细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、内皮细胞以及形态学特征不属于前述八类的未分类细胞；以所述单细胞数据中的细胞为节点构建异质无向三维细胞图；所述异质无向三维细胞图包括同一切片内的切片内邻接边，以及所述物理z轴顺序中相邻切片之间的跨切片匹配边；基于每个细胞在所述异质无向三维细胞图中的邻域组成向量进行聚类，并通过由轮廓系数、戴维森-堡尔丁指数、双随机种子k均值聚类一致性指标、z轴连续游程长度四个分量加权融合得到的联合评分确定最优细胞邻域数量；基于所述最优细胞邻域数量对应的细胞邻域划分提取多个三维拓扑特征，所述多个三维拓扑特征至少包括：基于细胞类型标签置换检验得到z分数的跨切片细胞相互作用特征，以及表征肿瘤上皮细胞至免疫细胞最短路径上基质细胞占比的肿瘤-免疫基质屏障特征；对每一候选特征沿所述物理z轴顺序计算跨切片稳定性指标和空间特异性指标；基于所述跨切片稳定性指标和所述空间特异性指标确定综合评分；按所述综合评分输出候选生物标志物排序结果。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求10所述胃癌三维肿瘤微环境生物标志物发现方法的全部步骤。