基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具

1.本发明属于生物组织的图像分析与疾病辅助检查技术领域，具体涉及到一种基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具。


背景技术：

2.胰腺癌是消化道常见的恶性肿瘤之一，在全世界范围内发病率居恶性肿瘤的第13位，然而死亡率却位列肿瘤相关死亡的第8位。其确诊后的五年生存率仅为10％左右，约75％的病人在确诊后一年死亡，是预后最差的恶性肿瘤之一。导致胰腺癌恶劣预后的很大原因是晚期诊断，大多人数胰腺癌病人确诊时已经失去了手术治疗的机会。胰腺癌辅助检查工具的创新是提高和改善胰腺癌预后的关键，目前，胰腺癌的辅助检查主要依赖于病理学检查，其程序包括福尔马林固定、石蜡包埋、染色与切片等环节。然而，病理学检查有着其自身的缺陷，首先，整个过程需要1-3天，需要耗费大量人力与时间；第二，由于需要对组织进行切片，病理学检查无法在胰腺组织原始的体积条件下观察其三维结构；第三，长时间的准备过程可能引入伪影，影响检查的准确性；第四，由于整个病理学检查过程是病理学家手动进行的，这将不可避免地引入人为因素影响检查的可靠性。
3.细胞外基质(主要成分为胶原纤维)结构特征的量化分析是胰腺癌辅助检查的一种全新思路。细胞外基质是由多种大分子所组成的复杂网络，具有独特的生物力学与化学机制，在许多生命过程中发挥着关键的作用。胶原纤维是细胞外基质的主要成分，并不断在诸如细胞迁移、分裂与分化等细胞-基质相互作用的影响下不断发生着自我重塑。多项研究表明，胶原纤维的机械与生化状态的改变与肿瘤演化有关，此外，胶原纤维还是胰腺组织间质最主要的蛋白质成分，这使得胶原纤维的结构特征成为了胰腺癌检查的潜在生物标记物。
4.然而，目前胶原纤维结构的量化方法与相关的胰腺癌辅助检查工具十分匮乏，并且都拥有一定的局限性。首先，这些技术只能对胶原纤维的单一结构特征进行量化，比如密度，方向与排列有序度等，但却缺乏对胶原纤维的多元结构参量进行综合分析的技术；其次，目前的大多技术都只局限于对胶原纤维进行二维分析，很少有技术能对胶原纤维的三维结构进行量化，随着成像技术的发展，胶原纤维三维结构可以被清晰地揭示出来，使得量化分析工具需要向三维扩展。第三，对胶原纤维单一结构特征进行分析的技术与相应的疾病检查工具对于病灶的检测能力有限，往往准确率较低。第四，传统的胶原纤维量化方法往往对于一整张图像仅能得到一个整体的数值结果，而无法反应局部的组织异常。综上所述，目前亟需一种对于胶原纤维的三维结构进行多维度量化的高准确率像素级分辨率分析工具，来对二维与三维胰腺组织的细胞外基质进行高精度的多元综合分析，从而实现胰腺癌微小病灶的早期检测与辅助检查。


技术实现要素：

5.本发明基于现有技术的不足，提出了一种基于胶原纤维多元融合分析的胰腺癌辅
助检查工具。该方法可以对二维/三维的胶原纤维的结构特征进行多维度的量化分析，得到胶原纤维的信号强度，方向方差，空间曲率等多元参量，并且利用这些参量对胰腺组织的疾病情况进行辅助检查。该方法可以对多种光学显微技术所得到的二维与三维的胶原纤维图像进行处理与分析，结合内窥成像技术可以实现对胰腺组织健康状态的实时监测与评估。综上所述，本发明具有快速、简洁、精确、适用性强等优点。
6.本发明采用以下的技术方案实现：
7.本发明公开了一种基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具，其特征在于，所述的检查工具为融合分析胰腺组织胶原纤维的多元结构特征，建立用于表征和计算的胰腺组织胶原纤维的分析模型，所述的检查工具的构建包括以下步骤：
8.1)将待检查的胰腺组织通过二次谐波技术与双光子荧光技术对细胞外基质的胶原纤维进行成像得到微米级分辨率的光学图像；二次谐波技术与双光子荧光技术提供了微米级高分辨率与三维成像的能力，相比传统技术能够更好地揭示癌症演化所带来的组织结构变化；
9.2)提取光学图像中的胶原纤维的结构特征；
10.3)对胶原纤维的结构特征分别进行信号强度、空间取向、空间曲率与方向方差表征参量的多元结构参量的计算，得到数值结果；
11.4)对胰腺组织中进行二次谐波/双光子荧光成像的位置进行标记，接着对胰腺组织进行苏木精-伊红染色，用于病理学检查，接着根据病理学检查结果对标记区域是否含有癌症病灶进行标签；
12.5)基于步骤3)中得到的多元结构参量计算的数值结果与步骤4)中得到的标签信息，构建支持向量机模型；
13.6)在支持向量机模型中，每一个独立的样本根据其多元参量数值得到的向量为所述的多元参量包括信号强度、方向方差与空间曲率，有其中的si,vi,wi分别为步骤3)计算得到的信号强度、方向方差与空间曲率数值；
14.根据多元参量得到的决策平面的方程为：
[0015][0016]
其中为决策平面法向量，b为决策平面的截距，胰腺癌组织中是否含有癌症病灶的判断条件如下：
[0017][0018]
yi表示标签信息，yi＝1表示组织中不包含胰腺癌病灶，而yi＝-1表示组织中包含胰腺癌病灶；
[0019]
7)通过大量的多元参量与标签信息进行训练，得到k与b，具体描述为如下求条件最值的问题：
[0020][0021]
其中s.t.表示同时满足，m为样本总数；
[0022]
8)经过训练得到决策面法向量截距b；
[0023]
进而得到一个基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具。将多元参量信息连同标签信息(组织中是否含有胰腺癌的病灶)一同用于支持向量机模型的训练，得到以胶原纤维多元参量为特征的决策平面，从而进行胰腺癌病灶的检查，包括信号强度、空间曲率与方向方差等多元参量被综合考虑用于构建胰腺癌辅助检查模型，保证了不同胶原纤维结构特征的信息互补性，并且相对于单一参量检查模型对胰腺癌病灶检查有着更高的准确率。
[0024]
作为进一步地改进，本发明所述的步骤3)中，所述的信号强度量化了胶原纤维在生物组织中的含量；空间取向量化了胶原纤维的在图像中的方向，取值为0
°‑
180
°
；空间曲率量化了胶原纤维的弯曲程度，取值为0-1，其值越大代表越弯曲的胶原纤维；方向方差量化了胶原纤维的排列情况，取值区间为0-1，0值代表完全平行的胶原纤维排列，而1值则代表了完全无序的胶原纤维排列。上述参量定量地反映了胶原纤维的结构特征，避免了人为主观因素对癌症检查造成的影响。
[0025]
作为进一步地改进，本发明所述的信号强度参量通过计算图像中的胶原纤维信号的平均值来获得；所述的空间取向参量为像素级别分辨率，根据像素所在的邻域内胶原纤维信号强度沿不同方向的变化来进行量化；所述的空间曲率参量为像素级别分辨率，通过分析像素所在的邻域内的胶原纤维的空间取向的变化来进行量化；所述的方向方差参量为像素级别分辨率，通过计算像素所在的邻域内的胶原纤维的空间取向的方差来进行量化。
[0026]
作为进一步地改进，本发明所述的步骤8)中经过训练得到决策面法向量
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
[0028]
1.与传统的病理学检查相比，本发明节省了大量人力与时间成本，同时避免了长时间的准备过程可能造成的问题，结合内窥技术有望实现对于胰腺组织健康状态的实时监测与评估。具有快速、简洁、精确、适用性强等优点。
[0029]
2.与传统的病理学检查与胶原纤维分析工具相比，本发明对二维与三维的图像都可以进行分析，相对于背景技术只能分析二维图像，本发明提出的方法可以更完整地分析三维成像所提供的胶原纤维的结构信息，应用场景十分广泛，大大增强了基于胶原纤维多元融合分析的胰腺癌辅助检查技术的应用范围与潜力，本发明可以实现对于生物组织更加全面与完整的理解，对于对于胰腺癌的全自动辅助检查、生命活动与疾病演化过程的研究与分析有着深远的意义。
[0030]
3.与病理学检查相比，本发明可以得到量化的分析结果，从而根据数值结果对胰腺组织的健康状态进行客观的评估，避免了人为原因引入的主观因素。
[0031]
4.相较于传统的胶原纤维分析工具只能对单一结构参量进行分析，本发明可以对
胶原纤维进行不同维度的结构量化，并以多元参量为特征训练了支持向量机模型用来实现对胰腺癌病灶的检查，多元参量提供了相互补充的胶原纤维形态学信息，进而更加完整地对胶原纤维乃至胰腺组织进行分析，大大提高了胰腺组织胶原纤维分析的信息互补性，相比传统技术进一步提高了癌症检查的准确率；
[0032]
5.相较于传统的胶原纤维分析工具对于一张图像只能获得一个整体的数值结果，本发明所使用的空间取向、空间曲率与方向方差参量为像素别分辨率的量化信息，高分辨率的数值信息能够反映组织的局部异常，有利于微小病灶的检测。
附图说明
[0033]
图1为构建基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具的流程图；
[0034]
图2为基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具的光学成像结果，与多元参量计算的输出结果示意图：图2(a)与图2(b)为癌症胰腺组织与正常胰腺组织的二次谐波/双光子荧光代表性图像；图2(c)-(f)为通过胶原纤维多元参量计算得到的癌症胰腺组织胶原纤维的二次谐波信号强度图像、空间取向伪彩色编码图、方向方差伪彩色编码图与空间曲率伪彩色编码图；图2(g)-(j)为通过胶原纤维多元参量计算得到的正常胰腺组织胶原纤维的二次谐波信号强度图像、空间取向伪彩色编码图、方向方差伪彩色编码图与空间曲率伪彩色编码图；图2(k)癌症组织与正常组织的图像信号强度、方向方差与空间曲率等多元参量数据结果与其对比柱状图；
[0035]
图3为胰腺癌辅助检查工具的输出结果与多元参量与单参量检查工具的对比示意图：图3(a)为胰腺癌辅助检查工具输出的检查结果，该结果包含利用方向方差、空间曲率与信号强度三个参量作为坐标轴构建的检查结果三维散点图，以及组织中是否存在癌症病灶的评估结果，该结果的准确率高达96.2％；图3(b)为进行辅助检查的支持向量机模型的受试者工作特征曲线(roc)，其曲线下面积(auc)为0.965；图3(c)为利用不同的参量以坐标轴构建的检查结果的二维散点图；图3(d)显示了单独使用信号强度、方向方差与空间曲率单个参量的胰腺癌检查结果，其准确率均低于综合三者的多元参量的检查结果。
具体实施方式
[0036]
本发明公开了一种基于胶原纤维多元融合分析的胰腺癌辅助检查工具，图1为构建基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具的流程图，包括以下步骤：
[0037]
光学成像：对于胰腺组织细胞外基质中的胶原纤维进行成像。成像工具包括二次谐波成像、双光子荧光成像等。
[0038]
胶原纤维多元参量计算：对步骤1)中得到的胰腺组织的胶原纤维图像进行多元量化分析，综合计算胶原纤维的信号强度、空间取向、空间曲率与方向方差等参量。信号强度参量通过计算图像中的胶原纤维信号的平均值来获得，量化了胶原纤维在生物组织中的含量；空间取向量化了胶原纤维的在图像中的像素级别分辨率的方向，取值为0
°‑
180
°
；空间曲率可以通过胶原纤维的空间取向的变化来对胶原纤维的像素级别分辨率的弯曲程度进行量化，并得到一个归一化的量值，取值越大代表越弯曲的胶原纤维；方向方差通过计算一个邻域内的胶原纤维像素的空间取向的方差，量化了像素级别分辨率的胶原纤维的排列情况，取值区间为0-1，0值代表完全平行的胶原纤维排列，而1值则代表了完全无序的胶原纤
维排列。除了得到数值计算结果外，还可以根据像素级别分辨率的量化结果输出伪彩色编码图，从而更加清晰地展示胶原纤维结构信息。
[0039]
对胰腺组织中进行二次谐波/双光子荧光成像的位置进行标记，接着对胰腺组织进行苏木精-伊红染色，用于病理学检查，接着根据病理学检查结果对标记区域是否含有癌症病灶进行标签；
[0040]
基于得到的多元结构参量计算的数值结果与得到的标签信息，构建支持向量机模型；根据胶原纤维多元参量计算得到的信号强度、方向方差与空间曲率三个参量检查组织内是否存在潜在的癌症病灶。该模型保证了胶原纤维不同结构特征所提供的信息互补性，相较于单参量分析提高了精度，可以实现高准确率的胰腺癌辅助检查应用。
[0041]
在支持向量机模型中，每一个独立的样本根据其多元参量数值得到的向量为所述的多元参量包括信号强度、方向方差与空间曲率，有其中的si,vi,wi分别为上述步骤计算得到的信号强度、方向方差与空间曲率数值；
[0042]
胰腺癌辅助检查的实现利用了预先训练的以胶原纤维多元参量为特征的支持向量机数学模型，为了训练该模型，大量来自不同胰腺组织的样本经过成像后进行多元参量的计算，接着将多元参量信息连同标签信息(组织中是否含有胰腺癌的病灶)一同用于支持向量机模型的训练，详细步骤如下：
[0043]
设一个独立的样本根据其多元参量数值(信号强度、方向方差与空间曲率)得到的向量为有其中si,vi,wi分别该样本计算得到的信号强度、方向方差与空间曲率数值，则有决策平面的方程为
[0044][0045]
其中为决策平面法向量，b为决策平面的截距。胰腺癌组织中是否含有癌症病灶的判断条件如下：
[0046][0047]
yi表示标签信息，yi＝1表示组织中不包含胰腺癌病灶，而yi＝-1表示组织中包含胰腺癌病灶。为了得到k与b，需要利用大量的多元参量与标签信息进行训练，具体描述为如下求条件最值的问题：
[0048][0049]
其中s.t.表示同时满足，m为样本总数。经过大量样本的训练与测试最终得到决策面法向量截距b＝0.12887999。
[0050]
需要指出的是尽管本发明的胶原纤维多元参量计算涉及到信号强度、空间取向、方向方差与空间曲率四种参量的计算，但由于空间取向的数值会由于参考坐标系的改变而
发生变化，所以在胰腺癌辅助检查中所使用的数学模型中并没有使用空间取向参量；但由于方向方差与空间曲率两种参量的计算是基于空间取向进行的，其数值本身便蕴含了空间取向所提供的形态学信息，并且这两种参量的数值不受空间坐标系的影响。
[0051]
对于一个需要进行胰腺癌检查的胰腺组织，首先对组织中的胶原纤维进行二维/三维成像，接着对其各项结构参量进行计算，并将参量数值输入至胰腺癌辅助检查工具，根据判断条件:
[0052][0053]
便能够得到组织中存在潜在癌症病灶的检查结果，其中yi＝1表示组织中不包含胰腺癌病灶，而yi＝-1表示组织中包含胰腺癌病灶。
[0054]
下面结合说明书附图和具体实施例来详细说明本发明的具体实施方式，但本发明的应用不止于此。
[0055]
一种基于邻域内空间取向变化的纤维状结构空间曲率特征提取的图像分析方法，步骤如下：
[0056]
1)首先对胰腺组织细胞外基质中的胶原纤维进行光学成像。成像工具包括二次谐波成像、双光子荧光成像等。流程如图1所示，代表性的癌症胰腺组织与正常胰腺组织的二次谐波-双光子荧光图像如图2(a)与(b)所示。
[0057]
2)接着对所得的胰腺组织的胶原纤维图像进行多元参量计算的计算，分别计算胶原纤维的信号强度、空间取向、空间曲率与方向方差等参量，流程如图1所示。信号强度参量通过计算图像中的胶原纤维信号的平均值来获得，量化了胶原纤维在生物组织中的含量；空间取向量化了胶原纤维的在图像中的像素级别分辨率的方向，取值为0
°‑
180
°
；空间曲率可以通过胶原纤维的空间取向的变化来对胶原纤维的像素级别分辨率的弯曲程度进行量化，并得到一个归一化的量值，取值越大代表越弯曲的胶原纤维；方向方差通过计算一个邻域内的胶原纤维像素的空间取向的方差，量化了像素级别分辨率的胶原纤维的排列情况，取值区间为0-1，0值代表完全平行的胶原纤维排列，而1值则代表了完全无序的胶原纤维排列，多元参量的数值结果如图2(k)所示。除了多元参量结果外，还可以输出根据不同参量的数值结果生成的伪彩色编码图，以便更加清晰地对胰腺组织的结构特征进行评估，代表性伪彩色编码图如图2(c-j)所示。
[0058]
3)接着将所得到的多元参量导入至胰腺癌辅助检查工具，根据胶原纤维多元参量的数值结果形成向量其中si,vi,wi分别计算得到的信号强度、方向方差与空间曲率数值。接着利用以下的判定条件来对胰腺组织中是否含有癌症病灶进行检查：
[0059][0060]
其中b＝0.12887999，yi＝1表示组织中不包含胰腺癌病灶，而yi＝-1表示组织中包含胰腺癌病灶。除了输出正常或者癌症的检查结果外，当一次性输入多个胰腺组织图像时，该模型还可以输出散点图以便于更
好地分析胰腺癌所导致的胶原纤维的重塑情况。流程如图1所示，输出结果以及对应的散点图如图3(a)所示。
[0061]
本发明提出了一种基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具，利用二次谐波与双光子荧光等成像技术对胰腺组织的胶原纤维进行成像，并以图像为基础进行空间取向、信号强度、空间曲率方向方差等胶原纤维结构参量的量化分析。图2为基于胶原纤维多元参量分析的胰腺癌辅助检查工具的光学成像结果，与多元参量计算的输出结果示意图；图2(a)与图2(b)为癌症胰腺组织与正常胰腺组织的二次谐波/双光子荧光代表性图像；图2(c)-(f)为通过胶原纤维多元参量计算得到的癌症胰腺组织胶原纤维的二次谐波信号强度图像、空间取向伪彩色编码图、方向方差伪彩色编码图与空间曲率伪彩色编码图；图2(g)-(j)为通过胶原纤维多元参量计算得到的正常胰腺组织胶原纤维的二次谐波信号强度图像、空间取向伪彩色编码图、方向方差伪彩色编码图与空间曲率伪彩色编码图；图2(k)癌症组织与正常组织的图像信号强度、方向方差与空间曲率等多元参量数据结果与其对比柱状图。
[0062]
图2(a)与(b)分别展示了代表性的癌症与正常胰腺组织的二次谐波/双光子成像的图像。图2(c)(g)分别为图2(a)(b)的二次谐波信号强度图，图2(d)(e)(f)分别为癌症胰腺组织的胶原纤维空间取向、空间曲率与方向方差伪彩色编码图；图2(h)(i)(j)分别为正常胰腺组织胶原纤维的空间取向、空间曲率与方向方差伪彩色编码图。本发明能够以像素级别分辨率分析胶原纤维，结合伪彩色编码技术可以令使用者非常便捷地获取胶原纤维的结构特征信息，并且能够清晰地把握癌症所导致的胶原纤维重塑，并且像素级分辨率所提供的高精度信息也有利于微小病灶的检测。图2(k)(l)(m)显示了正常与癌症胰腺组织胶原纤维的信号强度，空间曲率与方向方差的数值分布。相比于正常组织，癌症胰腺组织胶原纤维的信号强度更高，空间曲率与方向方差都更低，揭示了由于癌症进展所影响的细胞外基质异常导致了胶原纤维的重新排列的情况，并显示了本发明提出的多元融合方法所带来的信息互补性。
[0063]
本发明的胰腺癌辅助检查工具为以胶原纤维多元参量(包括信号强度、方向方差与空间曲率)为特征的支持向量机模型，可以基于多元参量的数值信息对胰腺组织进行辅助检查，以检测组织中潜在的癌症病灶，图3为胰腺癌辅助检查工具的输出结果与多元参量与单参量检查工具的对比示意图。图3(a)为胰腺癌辅助检查工具输出的检查结果，该结果包含利用方向方差、空间曲率与信号强度三个参量作为坐标轴构建的检查结果三维散点图，以及组织中是否存在癌症病灶的评估结果，该结果的准确率高达96.2％；图3(b)为进行辅助检查的支持向量机模型的受试者工作特征曲线(roc)，其曲线下面积(auc)为0.965；图3(c)为利用不同的参量以坐标轴构建的检查结果的二维散点图；图3(d)显示了单独使用信号强度、方向方差与空间曲率单个参量的胰腺癌检查结果，其准确率均低于综合三者的多元参量的检查结果。
[0064]
在具体实施过程中，如果对单个胰腺组织进行检查，输入该组织的多元参量的数值结果，胰腺癌辅助检查工具可以直接输出组织中是否存在癌症病灶的结果。当一次性输入多组胰腺组织的图像时，可以根据不同的参量为坐标轴得到散点图，如图3(a)、(c)所示，以展示由于癌症演化造成的胶原纤维的重塑情况。图3(a)还展示了胰腺癌辅助检查工具输出的检查结果与实际情况的对比，准确率高达96.3％，受试者工作特征曲线(roc)如3(b)所
示，高达0.965的曲线下面积显示了本发明所提出的胰腺癌辅助检查工具的高精度、高特异性与敏感性。图3(c)为利用不同的参量以坐标轴构建的检查结果的二维散点图；图3(d)显示了单独使用信号强度、方向方差与空间曲率单个参量的胰腺癌检查结果，还展示了多元参量辅助检查与单参量辅助检查的准确率之间的对比，在对相同的一系列胰腺组织进行辅助检查的情况下，单独使用信号强度、方向方差与空间曲率时的准确率分别为88.4％，94.8％与90.7％，三者均低于综合使用多元参量的辅助检查的准确率96.2％，这样的结果表明了多元参量分析充分利用了胶原纤维不同结构特征所提供的信息互补性，从而提高了检查的精度。
[0065]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。