JP7684143B2 - IMAGE PROCESSING METHOD, PROGRAM, AND RECORDING MEDIUM - Google Patents
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Description
この発明は、細胞塊を撮像した画像を解析する画像処理方法に関するものであり、特にがん細胞スフェロイドの画像から細胞塊の領域と突起部の領域とを分離する技術に関するものである。 This invention relates to an image processing method for analyzing images of cell clusters, and in particular to a technique for separating cell cluster regions and protrusion regions from images of cancer cell spheroids.
がん研究や創薬スクリーニングの分野においては、がん細胞を人工的に培養してがん細胞スフェロイドを作製し、これを観察、評価することが行われている。特に悪性度の高いがん細胞では浸潤突起と呼ばれる突起が形成されることが知られており、生体内環境を模倣した人工的な培養環境下でも、スフェロイドから放射状に延びる浸潤突起が形成されることが観察されている。浸潤突起の数や長さの変化は、がん細胞に対する化学物質の薬効評価の指標として利用可能である。 In the fields of cancer research and drug discovery screening, cancer cells are artificially cultured to produce cancer cell spheroids, which are then observed and evaluated. It is known that highly malignant cancer cells form protrusions called invadopodia, and even in artificial culture environments that mimic the in vivo environment, the formation of invadopodia extending radially from the spheroids has been observed. Changes in the number and length of invadopodia can be used as indicators for evaluating the efficacy of chemicals against cancer cells.
これまでは、光学顕微鏡を用いて取得されたがん細胞スフェロイドの像を用いて浸潤突起の計測が行われてきたが、三次元構造を有するスフェロイドを二次元像で観察するものであるため、計測精度は十分でなかった。この問題に対応するため、例えば特許文献1では、突起部に対応する蛍光標識が付与された試料を共焦点顕微鏡で撮像することで断層画像を取得し、多数断面の断層画像から三次元像を構成して突起部の計測を行うことで、細胞の突起形成能を評価する方法が提案されている。
Until now, invadopodia have been measured using images of cancer cell spheroids obtained using an optical microscope, but because spheroids with a three-dimensional structure are observed as two-dimensional images, the measurement accuracy is insufficient. To address this issue, for example,
上記従来技術では、試料を蛍光染色するという作業が必要となる。また、がん細胞スフェロイドは通常ゲル状の培地内に包埋された状態で培養されるため、蛍光試薬を加えることでゲルの自家発光が生じることとなり、このことが観察を阻害する要因となり得る。また、染色度合いのばらつきが定量的な評価結果に影響を及ぼすおそれがある。 The above conventional techniques require the step of fluorescently staining the sample. In addition, because cancer cell spheroids are usually cultured embedded in a gel-like medium, adding a fluorescent reagent causes the gel to self-luminesce, which can be a factor that hinders observation. Furthermore, there is a risk that variations in the degree of staining may affect the quantitative evaluation results.
ここで、例えば光干渉断層撮像(Optical Coherence Tomography;OCT)技術を用いることで、試料の染色を行うことなく三次元像を取得することが可能である。これにより、染色作業が不要になり、また染色ばらつきによる評価のばらつきも抑えることができる。その一方で、OCT画像ではがん細胞スフェロイドを構成する細胞塊と突起部とが区別されない。そのため、定量的な計測を行うためには、画像からこれらの構造を相互に分離することが必要となる。 Here, for example, by using Optical Coherence Tomography (OCT) technology, it is possible to obtain a three-dimensional image without staining the sample. This eliminates the need for staining and also reduces the variation in evaluation due to staining variations. On the other hand, OCT images cannot distinguish between the cell masses and protrusions that make up the cancer cell spheroids. Therefore, in order to perform quantitative measurements, it is necessary to separate these structures from each other in the image.
例えば汎用の画像処理アプリケーションソフトウェアにも、被撮像物体からこのような樹状構造を分離し定量的に計測する機能を有するものがある。しかしながら、本願発明者の知見では、がん細胞スフェロイドの突起部を抽出するという目的に関しては、この種のアプリケーションは精度の点では十分なものとは言えない。すなわち、一般的に樹状構造の分離には画像オブジェクトの収縮と膨張とを伴うモルフォロジー処理が適用される。ここで、がん細胞スフェロイドにおける突起部は特に根元部分が太くなっており、細胞塊との境界が不明瞭である。そのため、一般的なモルフォロジー処理ではこの部分が細胞塊の一部と認識されて、突起部の数や長さに関して本来よりも低く見積もられてしまうケースがある。 For example, some general-purpose image processing application software has the function of separating such tree-like structures from the imaged object and quantitatively measuring them. However, according to the knowledge of the present inventors, this type of application is not sufficient in terms of accuracy when it comes to the purpose of extracting the protrusions of cancer cell spheroids. In other words, morphological processing involving contraction and expansion of image objects is generally applied to separate tree-like structures. Here, the protrusions in cancer cell spheroids are particularly thick at the base, and the boundary with the cell mass is unclear. For this reason, in general morphological processing, this part is recognized as part of the cell mass, and the number and length of the protrusions may be estimated lower than they actually are.
このように、がん細胞スフェロイドの三次元像から浸潤突起に相当する突起部を分離しその定量的計測を行うという目的に関して、これを可能とする画像処理技術は現時点では実用化されるに至っていない。 Thus, with regard to the goal of isolating protrusions equivalent to invadopodia from three-dimensional images of cancer cell spheroids and quantitatively measuring them, the image processing technology that makes this possible has not yet been put to practical use.
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、がん細胞スフェロイドの三次元像から細胞塊に対応する領域と突起部に対応する領域とを精度よく分離することのできる画像処理技術を提供することを目的とする。 This invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide an image processing technique that can accurately separate areas corresponding to cell masses and areas corresponding to protrusions from a three-dimensional image of a cancer cell spheroid.
この発明の一の態様は、突起部が形成されたがん細胞スフェロイドの三次元像を含む原画像から細胞塊に対応する領域と前記突起部に対応する領域とを特定するための画像処理方法であって、上記目的を達成するため、前記原画像から、前記がん細胞スフェロイドに対応するオブジェクトが占めるオブジェクト領域を抽出し、前記オブジェクト領域がそれ以外の領域よりも高輝度となるよう二値化した二値化画像を作成する工程と、前記二値化画像を距離変換して、前記オブジェクト領域内の各画素に、前記オブジェクト領域の最も近い外縁までの距離が大きい画素ほど高輝度となるように輝度値を割り当てた距離画像を作成する工程と、前記距離画像に対し最大値フィルタ処理を実行してフィルタ後画像を作成する工程と、前記フィルタ後画像内の前記オブジェクト領域のうち所定の閾値よりも高輝度の領域を前記細胞塊に対応する領域として、前記オブジェクト領域から領域分割する工程とを備えている。 One aspect of the present invention is an image processing method for identifying a region corresponding to a cell mass and a region corresponding to the protrusion from an original image including a three-dimensional image of a cancer cell spheroid on which a protrusion is formed, and in order to achieve the above object, the method includes the steps of: extracting an object region occupied by an object corresponding to the cancer cell spheroid from the original image, and creating a binary image in which the object region is binarized so that it has a higher brightness than other regions; distance-transforming the binary image to create a distance image in which each pixel in the object region is assigned a brightness value such that the pixel that is the greater the distance to the closest edge of the object region has a higher brightness; performing maximum value filtering on the distance image to create a filtered image; and segmenting the object region into regions in the filtered image that have a brightness higher than a predetermined threshold value, which corresponds to the cell mass.
このように構成された発明では、細胞塊と突起部とを精度よく分離することが可能となり、特に、従来の画像処理アプリケーションにおいて問題となる、突起部の根元の太い部分が細胞塊の一部と誤認識されることが抑制される。その理由について詳しくは後述するが、概略は以下の通りである。 The invention configured in this way makes it possible to separate cell clusters and protrusions with high accuracy, and in particular, prevents the thick base of a protrusion from being mistakenly recognized as part of a cell cluster, a problem that occurs in conventional image processing applications. The reasons for this will be described in detail later, but are outlined below.
一般的なモルフォロジー処理において用いられるエロージョン(収縮)処理は、画像中のオブジェクトの外縁を収縮させるものであり、がん細胞スフェロイドにおける浸潤突起のような太いオブジェクトの内部にはほとんど影響を与えない。したがって、外縁を相当に大きく収縮させない限り、突起部の根元部分は細胞塊の領域と一体のものとして扱われる。これに代わる処理として本発明では、距離変換処理を行う。したがって、たとえ突起部の根元の太い部分の内部領域であっても、突起部よりも十分に大きな構造体である細胞塊の中心部に近い領域に比べれば、付与される輝度値は相対的に小さくなる。 The erosion (shrinkage) process used in general morphology processing shrinks the outer edges of objects in an image, and has little effect on the interior of thick objects such as invadopodia in cancer cell spheroids. Therefore, unless the outer edges are significantly shrunk, the base of the protrusion is treated as one part of the cell mass area. As an alternative to this, the present invention performs distance conversion processing. Therefore, even if it is the internal area of the thick base of the protrusion, the brightness value assigned is relatively small compared to the area near the center of the cell mass, which is a structure much larger than the protrusion.
さらに本発明では、従来のモルフォロジー処理におけるディレーション(膨張)処理に対応する処理として最大値フィルタ処理を実行する。これにより、細胞塊の外縁部分の画素については輝度値が増大する一方で、細胞塊の中心部から遠い突起部内の画素の輝度値はそれほど大きく増大しない。その結果、各画素の輝度値は、細胞塊の内側と突起部の内側とで二極化することになる。 Furthermore, in the present invention, maximum value filtering is performed as a process corresponding to the dilation (expansion) process in conventional morphology processing. As a result, while the brightness values of the pixels on the outer edge of the cell cluster increase, the brightness values of the pixels inside the protrusions that are far from the center of the cell cluster do not increase as much. As a result, the brightness values of each pixel are polarized between the inside of the cell cluster and the inside of the protrusions.
したがって、各画素の輝度値に対し適宜の閾値を導入することで、オブジェクト領域を細胞塊に対応する領域と突起部に対応する領域とに区分することができる。太い突起部の内部であっても、細胞塊の中心部から遠ければ輝度値が低く突起部の一部として認識されるため、従来技術のような誤認識は回避される。 Therefore, by introducing an appropriate threshold value for the brightness value of each pixel, the object region can be divided into a region corresponding to a cell cluster and a region corresponding to a protrusion. Even inside a thick protrusion, if it is far from the center of the cell cluster, the brightness value is low and it is recognized as part of the protrusion, so misrecognition as occurs with conventional technology can be avoided.
このように、本発明に係る画像処理は、突起部を有するがん細胞スフェロイド特有の形態的特徴を十分に活用した構成となっており、かかる構成により、細胞塊の領域と突起部の領域とを精度よく分離することが可能である。 In this way, the image processing according to the present invention is configured to fully utilize the morphological characteristics unique to cancer cell spheroids that have protrusions, and this configuration makes it possible to accurately separate the cell mass region from the protrusion region.
また、この発明の他の一の態様は、上記した画像処理方法の各工程を、コンピューターに実行させるためのプログラムである。また、この発明の他の一の態様は、上記プログラムを非一時的に記憶したコンピューター読み取り可能な記録媒体である。このように構成された発明では、本発明の実行主体として、例えば既存のコンピューター装置を用いることが可能となる。 Another aspect of the present invention is a program for causing a computer to execute each step of the image processing method described above. Another aspect of the present invention is a computer-readable recording medium that non-temporarily stores the program. In an invention configured in this way, it is possible to use, for example, an existing computer device as the executing entity of the present invention.
上記のように、本発明によれば、がん細胞スフェロイドの三次元像、例えばOCT画像から、細胞塊の領域と突起部の領域とを精度よく分離することが可能となっている。 As described above, according to the present invention, it is possible to accurately separate the cell mass region and the protrusion region from a three-dimensional image of a cancer cell spheroid, for example, an OCT image.
図1は本発明に係る画像処理方法を実行可能なコンピューター装置の構成例を示す図である。本発明に係る画像処理は、例えば図1に示すようなハードウェア構成を有するコンピューター装置1に後述する画像処理の各処理ステップを実行するための制御プログラムを実装し、コンピューター装置1が当該制御プログラムを実行することにより実現可能なものである。
Figure 1 shows an example of the configuration of a computer device capable of executing the image processing method according to the present invention. The image processing according to the present invention can be realized by, for example, implementing a control program for executing each processing step of the image processing described below in a
コンピューター装置1は、例えばパーソナルコンピューターとして一般的なハードウェア構成を有するものであり、CPU(Central Processing Unit)10、メモリ14、ストレージ15、入力デバイス16、表示部17、インターフェース18およびディスクドライブ19などを備えている。
The
CPU10は、予め用意された制御プログラムを実行することで、後述する画像処理を実行するための機能ブロックとしての画像処理部11をソフトウェア的に実現する。なお、画像処理部11を実現するための専用ハードウェアが設けられてもよい。メモリ14はCPU10の演算過程で生成される各種データを一時的に記憶する。ストレージ15は、CPU10が実行すべき制御プログラムのほか、処理の対象となる原画像の画像データや処理後の画像データ等を長期的に記憶する。
The
入力デバイス16は、オペレータからの指示入力を受け付けるためのものであり、例えばマウス、キーボードなどを含む。また、表示部17は画像を表示する機能を有する例えば液晶ディスプレイであり、原画像や処理後の画像、オペレータへのメッセージ等種々の情報を表示する。なお、入力デバイスと表示部とが一体化されたタッチパネルが設けられてもよい。
The
インターフェース18は、電気通信回線を介して外部装置との間で各種データ交換を行う。ディスクドライブ19は、画像データや制御プログラム等各種のデータを記録した外部の記録ディスク2を受け入れる。記録ディスク2に記憶された画像データや制御プログラム等は、ディスクドライブ19により読み出され、ストレージ16に記憶される。ディスクドライブ19はコンピューター装置1内で生成されたデータを記録ディスク2に書き込む機能を備えていてもよい。
The
本実施形態の画像処理をコンピューター装置1に実行させるための制御プログラムについては、これを記録した記録ディスク2にディスクドライブ19がアクセスして読み出される態様であってもよく、インターフェース18を介して外部装置から与えられる態様であってもよい。原画像データについても同様である。
The control program for causing the
以下、コンピューター装置1により実行される画像処理方法の具体的内容について説明する。なお、このコンピューター装置1は撮像機能を有しておらず、処理対象となる画像については、別の装置で撮像されたものを例えば電気通信回線を通じて外部から取得する態様である。しかしながら、例えば撮像機能を有する装置の制御ユニットに制御プログラムを実装し、この撮像装置によって撮像と画像処理とがともに実行されるようにしてもよい。
The specific contents of the image processing method executed by the
この実施形態における画像処理は、がん細胞スフェロイドを撮像して得られた三次元像を解析して、細胞塊の領域と、その周囲に延びる浸潤突起と呼ばれる突起部の領域とを分離するための処理である。その最終的な目的は、浸潤突起の本数、長さ、太さ、枝分かれの程度などの定量的情報を取得することである。 The image processing in this embodiment is a process for analyzing the three-dimensional image obtained by imaging the cancer cell spheroid, and separating the area of the cell mass from the area of the protrusions called invadopodia that extend around it. The ultimate goal is to obtain quantitative information such as the number, length, thickness, and degree of branching of the invadopodia.
図2は本実施形態の解析対象であるがん細胞スフェロイドを例示する図である。図2(a)は、人工的に培養されたがん細胞スフェロイドの画像例である。より詳しくは、図2(a)は、生体内環境を模した培養環境下で浸潤突起が形成されるまで培養したがん細胞スフェロイドを、光干渉断層撮像(Optical Coherence Tomography;OCT)方式の撮像装置で断層撮像し、複数の断層画像からがん細胞スフェロイドの三次元像を作成した画像の例である。また、図2(b)は、がん細胞スフェロイドの構造を簡略的に示した模式図である。 Figure 2 is a diagram illustrating a cancer cell spheroid that is the subject of analysis in this embodiment. Figure 2(a) is an example image of an artificially cultured cancer cell spheroid. More specifically, Figure 2(a) is an example image of a cancer cell spheroid cultured until invadopodia are formed in a culture environment simulating an in vivo environment, which is imaged using an optical coherence tomography (OCT) imaging device, and a three-dimensional image of the cancer cell spheroid is created from multiple tomographic images. Figure 2(b) is a schematic diagram showing the structure of a cancer cell spheroid in a simplified manner.
これらの図に示されるように、がん細胞スフェロイドSでは、中央部に多数の細胞が略球状に集まった細胞塊Cと、その表面から放射状に延びる突起部Pとが形成される。さらに突起部は、多岐に枝分かれしていることがある。このように人工的に作製されたがん細胞スフェロイドは、例えばがん治療薬の開発のための創薬スクリーニングにおけるモデル細胞として用いられることがある。すなわち、がん細胞スフェロイドに薬剤候補となる化学物質を投与しその変化を調べることで、当該化学物質の薬効を評価することができる。 As shown in these figures, in a cancer cell spheroid S, a cell mass C is formed in the center, where many cells are gathered in an approximately spherical shape, and protrusions P extend radially from the surface. Furthermore, the protrusions may branch out in many different ways. Cancer cell spheroids artificially created in this way may be used, for example, as model cells in drug discovery screening for the development of cancer treatment drugs. In other words, by administering a chemical substance that is a drug candidate to the cancer cell spheroid and examining the changes that occur, the efficacy of the chemical substance can be evaluated.
がん細胞スフェロイドの変化については、例えば細胞塊や浸潤突起の大きさや形状の変化を計測することにより評価することができる。このような評価を可能とするために、がん細胞スフェロイドの三次元像から、細胞塊Cが占める領域と、突起部Pが占める領域とをそれぞれ個別に特定するというニーズがある。本実施形態の画像処理は、これを志向したものである。 Changes in cancer cell spheroids can be evaluated, for example, by measuring changes in the size and shape of cell clusters and invadopodia. To enable such evaluation, there is a need to separately identify the area occupied by the cell cluster C and the area occupied by the protrusion P from a three-dimensional image of the cancer cell spheroid. The image processing of this embodiment is aimed at this.
図3は本発明に係る画像処理方法の一実施形態を示すフローチャートである。この処理は、コンピューター装置1のCPU10が、予め記録ディスク2から読み出されてストレージ16に記録されている制御プログラムを実行することにより実現される。最初に、処理対象となる原画像として、浸潤突起が形成されたがん細胞スフェロイドの三次元像を含む画像が取得される(ステップS101)。画像は新たに撮像されてもよく、また予め撮像され保存されている画像データが呼び出される態様であってもよい。
Figure 3 is a flow chart showing one embodiment of an image processing method according to the present invention. This process is realized by the
原画像は、例えば図2(a)に示すように、OCT撮像により得られた断層画像から作成される三次元画像である。ただし、同様にがん細胞スフェロイドの三次元像を得ることができるものであればよく、撮像方法については特に限定されない。 The original image is, for example, a three-dimensional image created from a tomographic image obtained by OCT imaging, as shown in Figure 2(a). However, there are no particular limitations on the imaging method, as long as it can similarly obtain a three-dimensional image of the cancer cell spheroid.
こうして取得された原画像から、がん細胞スフェロイドに対応する画像オブジェクトが抽出され(ステップS102)、その結果に基づき原画像が、画像オブジェクトが占める領域とそれ以外の領域とで異なる輝度値を与えることで二値化される(ステップS103)。簡単には、例えば画像オブジェクトの領域に最大輝度、それ以外の領域に最小輝度(例えばゼロ)を与えることができる。 From the original image thus obtained, image objects corresponding to the cancer cell spheroids are extracted (step S102), and based on the result, the original image is binarized by assigning different brightness values to the areas occupied by the image objects and other areas (step S103). Simply put, for example, the area of the image object can be assigned maximum brightness, and the other areas can be assigned minimum brightness (for example, zero).
画像オブジェクトの抽出には、例えばセマンティックセグメンテーション法を好適に適用可能である。しかしながら、これに限定されず、画像を画素ごとの輝度値に基づいて領域分割するための各種の手法を適用することが可能である。また、各画素の輝度値に対して所定の閾値を設定し、該閾値よりも高輝度または低輝度の領域を抽出する処理を行った場合には、抽出の結果自体が二値化画像となっている。 For example, a semantic segmentation method can be suitably applied to extract image objects. However, this is not limiting, and various methods for dividing an image into regions based on the brightness value of each pixel can be applied. In addition, when a predetermined threshold value is set for the brightness value of each pixel and a process is performed to extract regions with higher or lower brightness than the threshold, the result of the extraction itself is a binarized image.
こうして二値化された画像では、細胞塊の領域と突起部の領域とが未分離である。また、試料に含まれるがん細胞スフェロイド以外の物体も含まれている可能性がある。そこで、引き続きこれらを分離するための画像処理が順次実行される。 In the binarized image, the cell cluster regions and protrusion regions are not yet separated. In addition, the sample may contain objects other than cancer cell spheroids. Therefore, further image processing is performed to separate these.
具体的には、二値化画像に対しまず距離変換処理が実行される(ステップS104)。距離変換処理は、汎用の画像処理ソフトウェアでも実行可能な一般的な画像処理であり、画像オブジェクト内の画像内の各画素を、当該画素から最も近い黒色(すなわち輝度値ゼロの)画素までの距離によって表すというものである。例えばOpenCV(Open Source Computer Vision)ライブラリに装備されているDistance Transform関数を利用して、画像の距離変換を行うことができる。 Specifically, a distance transform process is first performed on the binarized image (step S104). Distance transform process is a common image process that can be performed by general-purpose image processing software, and represents each pixel in an image in an image object by the distance from that pixel to the nearest black pixel (i.e., a pixel with a brightness value of zero). For example, the distance transform of an image can be performed using the Distance Transform function provided in the OpenCV (Open Source Computer Vision) library.
距離変換処理の性質上、変換後の画像では、大きな画像オブジェクトの中心部に近い画素ほど高い値が与えられる一方、小さな画像オブジェクト内の画素や、画像オブジェクトのエッジ部分に近い画素では値が小さくなる。画像オブジェクトの外部では値がゼロである。 Due to the nature of the distance transform process, in the transformed image, pixels closer to the center of large image objects are given higher values, while pixels within small image objects and pixels near the edges of image objects are given lower values. Outside the image objects, the value is zero.
距離変換後の画像について、輝度値に対する最大値フィルタ処理が実行される(ステップS105)。後述するように、フィルタ処理におけるウィンドウサイズは原画像中における突起部のサイズに応じて定められたものであることが好ましいが、この時点でのウィンドウサイズとしては、例えば予め設定された初期値を適用することができる。最大値フィルタ処理を実行することで、各画素の輝度値は、その周囲にある画素のうち最も高輝度の画素の輝度値に置き換えられる。 A maximum value filter process is performed on the luminance values of the image after the distance transformation (step S105). As described later, it is preferable that the window size in the filter process is determined according to the size of the protrusion in the original image, but the window size at this point can be, for example, a preset initial value. By performing the maximum value filter process, the luminance value of each pixel is replaced with the luminance value of the pixel with the highest luminance among the pixels surrounding it.
そして、最大値フィルタ処理後の画像を所定の閾値に基づき領域分割することで(ステップS106)、画像オブジェクトは細胞塊に対応する領域と突起部に対応する領域とに区分される。ここまでの処理により、画像中のオブジェクトを細胞塊に対応する領域と突起部に対応する領域とに分割することが一応可能となっている。続くステップS107以降の処理は、処理のパラメータを最適化してより良好な分割結果を得る、調整のための処理である。この処理については後で説明する。 The image after maximum value filtering is then divided into regions based on a predetermined threshold (step S106), dividing the image objects into regions corresponding to cell clusters and regions corresponding to protrusions. The processing up to this point makes it possible to divide the objects in the image into regions corresponding to cell clusters and regions corresponding to protrusions. The processing from step S107 onwards is an adjustment process that optimizes the processing parameters to obtain better segmentation results. This processing will be explained later.
図4はここまでの処理に伴う画像の変化を示す図である。なお、実際の画像処理は三次元画像データ、いわゆるボクセルデータに基づき三次元画像空間で行われるものであるが、紙面での説明をわかりやすくするために、ここでは便宜的に、三次元画像データの元となった断層画像の1つを用いて説明することとする。後出の図5、図6についても同様である。なお、以下では画像オブジェクトを単に「オブジェクト」と称することとする。 Figure 4 shows the changes in the image that accompany the processing up to this point. Note that while actual image processing is carried out in three-dimensional image space based on three-dimensional image data, or so-called voxel data, for the sake of clarity in the explanation on paper, for the sake of convenience, we will use one of the tomographic images that is the source of the three-dimensional image data for the explanation. The same applies to Figures 5 and 6 below. Note that below, image objects will simply be referred to as "objects".
図4(a)に示す画像Iaは、原画像、具体的にはがん細胞スフェロイドをOCT撮像することで得られた1つの断層画像の例である。図4(a)では、画像の中央にがん細胞スフェロイドに対応する大きなオブジェクトがある。このうち中央部の大きな領域が細胞塊に、周辺の細長く延びた領域が突起部にそれぞれ対応すると推定される。 Image Ia shown in FIG. 4(a) is an example of an original image, specifically a tomographic image obtained by OCT imaging of a cancer cell spheroid. In FIG. 4(a), there is a large object in the center of the image that corresponds to the cancer cell spheroid. It is estimated that the large central area corresponds to the cell mass, and the elongated peripheral area corresponds to the protrusion.
大きなオブジェクトの周囲に孤立した小さなオブジェクトがいくつも見られる。このような孤立したオブジェクトには、試料内で実際に孤立しているケースと、実際には中央のオブジェクトと連続した構造であるが、一の断面の画像では孤立しているように見えているケースとが含まれ得る。つまり、三次元像では細胞塊と連続した構造となっている突起部が、断面画像では孤立しているように見えているケースがあることに留意する必要がある。このことは以下の画像においても同じである。 There are a number of small isolated objects around a larger object. These isolated objects may be either actually isolated within the specimen or may be a continuous structure with the central object, but appear to be isolated in a cross-sectional image. In other words, it is important to note that there are cases where a protrusion that is a continuous structure with the cell mass in the three-dimensional image appears to be isolated in the cross-sectional image. This is also true for the following images.
図4(b)に示す画像Ibは、画像Iaを二値化処理(ステップS103)した後の画像の例である。二値化画像Ibでは、画像オブジェクトとして抽出された領域は白く(つまり高輝度で)、それ以外の領域は黒く(つまり低輝度で)表されている。 Image Ib shown in FIG. 4(b) is an example of an image after image Ia has been binarized (step S103). In binarized image Ib, areas extracted as image objects are shown in white (i.e., high brightness), and other areas are shown in black (i.e., low brightness).
また、図4(c)に示す画像Icは、画像Ibを距離変換(ステップS104)した後の画像(すなわち距離画像)の例であり、処理により与えられた値が大きいほど高輝度となる。大きなオブジェクトの中心部で特に明るく、周縁部に近いほど暗くなっている。小さなオブジェクトでは、周縁部までの距離が大きくないため、中央部分でもさほど明るくならない。 Image Ic shown in FIG. 4(c) is an example of an image (i.e., a distance image) after image Ib has been subjected to distance transformation (step S104), and the larger the value given by the process, the higher the brightness. The center of a large object is particularly bright, and the closer to the periphery, the darker it is. For small objects, the distance to the periphery is not large, so even the center does not become very bright.
二値化画像Ibと比較すると、オブジェクトが収縮し特に細かい構造を有する部分が細くなっているように見え、その意味では従来のモルフォロジー処理におけるエロージョン処理に類似している。しかしながら、オブジェクト自体を収縮させるエロージョン処理と異なり、オブジェクトのサイズは変わっておらず、単にその周縁部の輝度が低下しているだけである。 Compared to the binarized image Ib, the object appears to have shrunk, with parts with particularly fine structures appearing thinner, and in that sense it is similar to erosion processing in conventional morphological processing. However, unlike erosion processing, which shrinks the object itself, the size of the object does not change; the brightness of its peripheral areas has simply decreased.
図4(d)に示す画像Idは、距離変換後の画像Icに対し最大値フィルタ処理(ステップS105)を行った後の画像の例である。最大値フィルタ処理によって、高輝度の領域が画像Icよりも拡大されている。周縁部の低輝度の領域も、最大値フィルタ処理によってウィンドウサイズに相当する量だけ拡大されることになる。この意味において、従来のモルフォロジー処理におけるディレーション処理に代わる処理であるとも言える。 Image Id shown in FIG. 4(d) is an example of an image after maximum value filtering (step S105) is performed on image Ic after distance transformation. By maximum value filtering, high-luminance areas are enlarged compared to image Ic. Low-luminance areas on the periphery are also enlarged by an amount equivalent to the window size by maximum value filtering. In this sense, this process can be said to be an alternative to dilation processing in conventional morphology processing.
図5は本実施形態における領域分割の原理を説明するための図である。がん細胞スフェロイドを単純化したモデルとして、図5(a)に示すように、略円形の細胞塊Cから比較的細い突起部P1とこれより太い突起部P2とが互いに反対方向に延びた構造体を用い、本実施形態における領域分割の原理について説明する。 Figure 5 is a diagram for explaining the principle of region division in this embodiment. As a simplified model of a cancer cell spheroid, as shown in Figure 5(a), a structure in which a relatively thin protrusion P1 and a thicker protrusion P2 extend in opposite directions from a roughly circular cell mass C is used to explain the principle of region division in this embodiment.
図5(b)は距離変換処理後の画像における輝度分布を示しており、具体的には、図5(a)に点線で示す、細胞塊Cの中心を通り突起部P1,P2が延びる方向に沿って引いた線上における輝度分布を示している。これからわかるように、細胞塊Cの中心部で輝度が最も高く、周縁部に近いほど輝度が低くなる。突起部がなければ、図5(b)に点線で示すように、細胞塊Cの周縁部で輝度がゼロとなるまで低下するが、突起部P1,P2が存在することで、細胞塊Cの周縁部における輝度の低下は抑えられる。突起部P1,P2においても、その幅が広い部分では輝度値が高く、先端の細い部分に近づくにつれて輝度値は低下する。 Figure 5(b) shows the luminance distribution in the image after distance transformation processing, specifically, the luminance distribution on the line drawn through the center of the cell cluster C along the extension direction of the protrusions P1 and P2, shown by the dotted line in Figure 5(a). As can be seen, the luminance is highest at the center of the cell cluster C, and decreases closer to the periphery. Without the protrusions, the luminance would decrease to zero at the periphery of the cell cluster C, as shown by the dotted line in Figure 5(b), but the presence of the protrusions P1 and P2 prevents the decrease in luminance at the periphery of the cell cluster C. Even in the protrusions P1 and P2, the luminance value is high in the wider parts, and decreases as the luminance value approaches the narrower tip.
図5(c)は最大値フィルタ処理後の画像における、上記と同じ線上での輝度分布を示している。最大値フィルタ処理を実行することで、図5(b)に示される距離変換後のプロファイル(図5(c)においては点線で示す)が、実線で示すようにウィンドウサイズWに対応する幅だけ広がることになる。この図からわかるように、細胞塊Cに対応する領域では、その内部における輝度が高いため、フィルタ処理後には輝度が比較的大きく増加する。特にその周縁部において、増加が顕著である。これに比べて、細胞塊Cよりも細い構造体であるため輝度値が低い突起部P1,P2に対応する領域では、輝度の増加は僅かである。この違いが、細胞塊と突起部とを精度よく分離するための重要な要素となっている。 Figure 5(c) shows the luminance distribution on the same line as above in the image after maximum value filtering. By performing maximum value filtering, the profile after distance conversion shown in Figure 5(b) (shown by a dotted line in Figure 5(c)) expands by a width corresponding to the window size W, as shown by a solid line. As can be seen from this figure, in the region corresponding to the cell cluster C, the luminance is high inside, so there is a relatively large increase in luminance after filtering. The increase is particularly noticeable in the periphery. In comparison, there is only a slight increase in luminance in the regions corresponding to the protrusions P1 and P2, which have a thinner structure than the cell cluster C and therefore a lower luminance value. This difference is an important factor for accurately separating the cell cluster and the protrusions.
ここで、図5(d)に示すように、適宜の閾値Thを導入し、輝度値が閾値Thより高い領域を細胞塊C、輝度値が閾値Thより低い領域を突起部P1,P2に対応する領域とみなして領域分割を行うこととする。そうすると、図5(a)と図5(d)との比較から明らかなように、実際の細胞塊Cと突起部P1,P2との境界に近い位置で、これらの領域が相互に分離されることになる。当然に、分割される領域間の境界は閾値によって大きく変わるから、閾値が適切に設定されることが必要条件となる。 As shown in FIG. 5(d), an appropriate threshold value Th is introduced, and regions with brightness values higher than the threshold value Th are regarded as cell clusters C, and regions with brightness values lower than the threshold value Th are regarded as regions corresponding to protrusions P1 and P2, and region division is performed. As is clear from a comparison of FIG. 5(a) and FIG. 5(d), these regions are separated from each other at a position close to the boundary between the actual cell cluster C and protrusions P1 and P2. Naturally, the boundary between the divided regions varies greatly depending on the threshold value, so it is a prerequisite that the threshold value is set appropriately.
図5(c)からわかるように、最大値フィルタ処理を行わないプロファイル(点線)に対し閾値に基づく分割を実行すると、細胞塊Cに対応する領域が実際よりも小さく見積もられてしまう。図5(c)に実線で示すように、最大値フィルタ処理を行って、輝度値を細胞塊Cの内部、特にその周縁部において選択的に増加させておくことで、このような問題を回避することが可能である。 As can be seen from Figure 5(c), when threshold-based segmentation is performed on a profile (dotted line) that does not undergo maximum value filtering, the area corresponding to cell cluster C is estimated to be smaller than it actually is. As shown by the solid line in Figure 5(c), this problem can be avoided by performing maximum value filtering to selectively increase the brightness value inside cell cluster C, especially in its periphery.
本実施形態の画像処理では、突起部に対応する細かい構造を細胞塊に対応する領域から分離するために、距離変換処理を実行する。この方法によれば、オブジェクトの中央部に比べて周縁部の重みが相対的に小さくなるが、従来の手法におけるエロージョン処理とは異なり、オブジェクトの一部が消去されることはない。すなわち、この時点でオブジェクトの輪郭を特定するための情報は維持されている。 In the image processing of this embodiment, a distance transformation process is performed to separate the fine structures corresponding to the protrusions from the areas corresponding to the cell masses. With this method, the weight of the periphery of the object is relatively small compared to the center, but unlike the erosion process in the conventional method, no part of the object is erased. In other words, the information for identifying the contour of the object is maintained at this point.
そして、従来の手法におけるディレーション処理に相当する処理として最大値フィルタ処理を行う。これによる輝度値増加の効果は、比較的大きな構造であり距離変換処理によって高い輝度値を有するに至った細胞塊において大きい一方、より小さな構造である突起部において小さい。したがって、細胞塊の周縁部では顕著に輝度値が増加するが、突起部の周縁部では輝度値の増加は限定的である。 Then, maximum value filtering is performed as a process equivalent to the dilation process in conventional methods. The effect of this on increasing brightness values is large in cell clusters, which are relatively large structures and have high brightness values due to the distance conversion process, but is small in protrusions, which are smaller structures. Therefore, while there is a significant increase in brightness values in the periphery of the cell cluster, the increase in brightness values is limited in the periphery of the protrusions.
そのため、続く領域分割処理においては、適宜に設定された閾値より高輝度の領域を細胞塊に対応する領域とみなして抽出することができる。すなわち、細胞塊はその周縁部の画素まで比較的高い輝度値が与えられているため、最大値フィルタ処理による輝度値の増加の効果が小さい突起部との区別を、閾値との単純な比較によって実現することが可能である。なお、最大値フィルタ処理によって、突起部の周縁部はいくらか膨張することとなる。このため、閾値より低輝度の領域をそのまま突起部の領域とみなすと、実際よりも大きな領域が抽出されることになる。これを防止するためには、最大値フィルタ処理前の画像、例えば原画像または二値化画像から、細胞塊に対応する領域とみなされた領域を削除した領域を、突起部の領域として扱うことが望ましい。 Therefore, in the subsequent region segmentation process, regions with a higher brightness than an appropriately set threshold value can be regarded as regions corresponding to cell clusters and extracted. In other words, since cell clusters are given relatively high brightness values up to the pixels on their periphery, it is possible to distinguish them from protrusions, for which the effect of increasing brightness due to maximum value filter processing is small, by simply comparing them with the threshold value. Note that maximum value filter processing causes the periphery of the protrusion to expand somewhat. For this reason, if regions with a lower brightness than the threshold value are directly regarded as protrusion regions, a larger region than the actual size will be extracted. To prevent this, it is desirable to treat the region obtained by deleting the regions regarded as corresponding to cell clusters from the image before maximum value filter processing, for example the original image or the binarized image, as the protrusion region.
このように、本実施形態における距離変換処理と最大値フィルタ処理との組み合わせは、細胞塊と突起部との間の輝度のコントラストを明確にし、後続の閾値に基づく領域分割による細胞塊と突起部との分離を適切に機能させることを可能にするものである。 In this way, the combination of distance transformation processing and maximum value filter processing in this embodiment clarifies the brightness contrast between the cell clusters and the protrusions, and enables the subsequent threshold-based region segmentation to properly separate the cell clusters and the protrusions.
図5(e)は、比較例として、従来のエロージョン処理とディレーション処理との組み合わせによる領域分割におけるエロージョン処理の結果を模式的に示したものである。オブジェクトの周縁部を適当な量だけ一律に収縮させることで、比較的細い突起部P1に対応する部分をオブジェクトから消去することは比較的容易である。一方、幅の広い突起部P2についてはオブジェクトの一部として残留し、このことが前記した従来技術の問題点、すなわち、太い突起部の根元部分が細胞塊の一部とみなされてしまう問題の原因となっている。 As a comparative example, FIG. 5(e) shows a schematic diagram of the results of erosion processing in region segmentation using a combination of conventional erosion processing and dilation processing. By uniformly shrinking the periphery of the object by an appropriate amount, it is relatively easy to erase the portion corresponding to the relatively thin protrusion P1 from the object. On the other hand, the wide protrusion P2 remains as part of the object, which causes the problem with the prior art mentioned above, namely, the problem that the base of a thick protrusion is regarded as part of the cell mass.
原理的には、収縮量を大きくすればこのような突起部についても消去することは可能である。しかしながら、収縮量が大きすぎると元の形状に関する情報が大きく失われて、ディレーション処理後のオブジェクト形状の再現性が大幅に低下してしまうことになる。 In principle, it is possible to eliminate such protrusions by increasing the amount of shrinkage. However, if the amount of shrinkage is too large, a large amount of information about the original shape is lost, and the reproducibility of the object shape after dilation processing is significantly reduced.
これに対して、本実施形態の画像処理では、原画像に対し二値化処理、距離変換処理、最大値フィルタ処理を順番に実行し、最終的に閾値に基づく領域分割を行うことで、上記のような問題を抑えることが可能である。 In contrast, the image processing of this embodiment sequentially performs binarization, distance conversion, and maximum value filtering on the original image, and finally performs region segmentation based on a threshold value, thereby making it possible to mitigate the above problems.
図6は領域分割の結果の例を示す図である。図6(a)は、二値化画像Ibのうち細胞塊Cに対応する領域と判断された領域を白抜きで示す画像の例である。また図6(b)は、二値化画像Ibのうち突起部Pに対応する領域と判断された領域を白抜きで示す画像の例である。例えばこれらをマスク画像として原画像Iaに作用させることで、原画像Iaから細胞塊Cに対応する領域および突起部Pに対応する領域を抽出することが可能となる。 Figure 6 shows an example of the results of region segmentation. Figure 6(a) is an example of an image in which regions of the binarized image Ib that have been determined to correspond to cell clusters C are shown in white. Figure 6(b) is an example of an image in which regions of the binarized image Ib that have been determined to correspond to protrusions P are shown in white. For example, by applying these as mask images to the original image Ia, it is possible to extract the regions corresponding to cell clusters C and the regions corresponding to protrusions P from the original image Ia.
図3に戻って、本実施形態の画像処理についての説明を続ける。ステップS106までの処理により、オブジェクトは細胞塊Cに対応する領域と、突起部Pに対応する領域とに分割されている。ただし、処理パラメータ、具体的には最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズWおよび領域分割処理における閾値Thの設定が適切でなければ、分割の結果も良好なものとはならない。そこで、本実施形態の画像処理は、必要に応じてこれらの処理パラメータの調整を行うことができるように構成されている。 Returning to FIG. 3, the image processing of this embodiment will be described further. Through the processing up to step S106, the object has been divided into an area corresponding to the cell mass C and an area corresponding to the protrusion P. However, unless the processing parameters, specifically the window size W in the maximum value filter processing and the threshold value Th in the area division processing, are set appropriately, the division results will not be good. Therefore, the image processing of this embodiment is configured to allow these processing parameters to be adjusted as necessary.
具体的には、ステップS106までの処理により得られた結果画像を表示部17に表示してユーザーに提示し(ステップS107)、パラメータの変更に関するユーザーからの操作入力を受け付ける。ユーザーが領域分割のための閾値の設定変更を希望する場合には(ステップS108においてYES)、新たな閾値の設定入力を受け付け(ステップS211)、新たな閾値に基づき領域分割処理を実行し(ステップS106)、その結果を表示する(ステップS107)。また、ユーザーが最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズの設定変更を希望する場合には(ステップS109においてYES)、その新たな設定入力を受け付け(ステップS212)、新たなウィンドウサイズに基づき最大値フィルタ処理を再実行する(ステップS105)。さらに、領域分割処理を再実行し(ステップS106)、その結果を表示する(ステップS107)。
Specifically, the result image obtained by the processing up to step S106 is displayed on the
ユーザーがパラメータの変更を希望しない場合には(ステップS108、S109においてともにNO)、その時点の結果画像をストレージ15に記憶保存し(ステップS110)、処理は終了する。このようにしてパラメータが最適化され、ユーザーが所望する分割結果を得ることが可能となる。 If the user does not wish to change the parameters (NO in both steps S108 and S109), the result image at that point is stored in storage 15 (step S110), and the process ends. In this way, the parameters are optimized, making it possible for the user to obtain the segmentation results desired.
これらのパラメータのうちウィンドウサイズWについては、細胞塊から突起部を分離するという目的からは、突起部のサイズからその最適値をある程度見積もることが可能である。具体的には、突起部の太さの(1/2)倍ないし1倍程度が好適であることがわかっている。なお、実際の最大値フィルタ処理は三次元画像空間における球形フィルタ処理である。したがって、ここでいうウィンドウサイズWとは、球形フィルタ処理における球形ウィンドウの直径に相当する概念である。球形ウィンドウの半径がウィンドウサイズとされてもよい。 Of these parameters, the window size W can be estimated to some extent from the size of the protrusions in order to separate the protrusions from the cell mass. Specifically, it is known that a value of about 1/2 to 1 time the thickness of the protrusions is suitable. Note that the actual maximum value filter process is a spherical filter process in three-dimensional image space. Therefore, the window size W referred to here is a concept equivalent to the diameter of a spherical window in spherical filter process. The radius of the spherical window may be taken as the window size.
がん細胞スフェロイドにおいて浸潤突起は種々の太さを取り得る。この場合、ウィンドウサイズの決定に関わる「突起部の太さ」としては、例えば種々の突起部のうち最も太い部分の太さ(幅)を用いることができる。このように、最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズについては、がん細胞スフェロイドの外形が把握できる時点である程度絞り込むことが可能である。つまり、パラメータの最適化に際して、ウィンドウサイズを頻繁に変化させる必要性は生じないものと考えられる。 In cancer cell spheroids, invadopodia can have various thicknesses. In this case, the "thickness of the protrusion" related to the determination of the window size can be, for example, the thickness (width) of the thickest part of the various protrusions. In this way, the window size in maximum value filtering can be narrowed down to a certain extent at the point when the external shape of the cancer cell spheroid can be grasped. In other words, it is thought that there will be no need to frequently change the window size when optimizing parameters.
一方、閾値Thについては、細胞塊と突起部との境界を画定するのに重要なパラメータであり、微調整が必要となる。このことから、図3に示す処理では、閾値の調整に係る処理ループを、ウィンドウサイズの調整に係る処理ループの内側に設けている。また、次に示すように、ユーザーによる閾値調整作業を支援するためのユーザーインターフェース画面(Graphical User Interface;GUI)が提供される。 On the other hand, the threshold value Th is an important parameter for determining the boundary between the cell cluster and the protrusion, and requires fine adjustment. For this reason, in the process shown in FIG. 3, the processing loop for adjusting the threshold value is placed inside the processing loop for adjusting the window size. In addition, as shown below, a user interface screen (Graphical User Interface; GUI) is provided to assist the user in adjusting the threshold value.
図7は閾値を調整するのに適したGUI画面の一例を示す図である。図7(a)~図7(d)はいずれも、ステップS106における領域分割の結果画像の事例であり、画像内でオブジェクトが占める領域のうち、細胞塊に対応するとみなされた領域を、突起部とみなされた領域よりも高輝度(紙面においてはより白く)となるように色付け加工したものである。 Figure 7 shows an example of a GUI screen suitable for adjusting the threshold. All of Figures 7(a) to 7(d) are examples of images resulting from region segmentation in step S106, in which areas of the object in the image that are deemed to correspond to cell clusters have been colored to be brighter (whiter on paper) than areas that are deemed to be protrusions.
また、これらの各画像においては、上記した色付け加工が施された画像Ipに、当該画像における輝度値のヒストグラムHと、輝度値に対する閾値Thの設定値を表すゲージGとが添えられている。これらの画像の比較から、閾値Thの設定の違いにより細胞塊と突起部との境界が大きく変化することがわかる。 In addition, in each of these images, a histogram H of the luminance values in the image and a gauge G showing the setting value of the threshold value Th for the luminance values are added to the image Ip that has been colored as described above. A comparison of these images shows that the boundary between the cell mass and the protrusion changes significantly depending on the setting of the threshold value Th.
ユーザーは、入力デバイス16を介してゲージGを操作することで、閾値Thの設定を変更することができる。閾値の変更に伴い領域分割が再実行され、その都度結果画像が表示される。ユーザーは結果画像を確認しながら閾値Thの調整を行うことができ、短時間で最適な閾値Thを見出すことが可能となる。
The user can change the setting of the threshold Th by operating the gauge G via the
図8は本実施形態による領域分割の効果を示す図である。図8(a)は、本実施形態の画像処理の結果画像を元の三次元像に適用して、三次元像中において細胞塊が占める領域と突起部が占める領域とを区別した画像である。ここでは三次元画像を二次元に投影した画像を示している。具体的には、中央部分の色の濃い部分が細胞領域とみなされた領域であり、これより白っぽい領域が突起部とみなされた領域である。中央部の細胞塊の領域と、その表面から外向きに放射状に延びる突起部の領域とで的確に領域分割がなされていると言える。 Figure 8 shows the effect of region division according to this embodiment. Figure 8(a) is an image in which the image resulting from the image processing of this embodiment is applied to the original three-dimensional image to distinguish between the regions occupied by cell clusters and the regions occupied by protrusions in the three-dimensional image. Here, an image is shown in which the three-dimensional image is projected into two dimensions. Specifically, the darker colored area in the center is the region considered to be the cell region, and the lighter area is the region considered to be the protrusion. It can be said that the region has been accurately divided into the central cell cluster region and the protrusion region extending radially outward from the surface.
図8(b)は比較例として示したものであり、従来手法であるエロージョン処理とディレーション処理との組み合わせにより細胞塊の領域と突起部の領域とを分割した結果を示している。エロージョンにおける収縮量およびディレーションにおける膨張量を十分に調整しても、図に矢印を付して示すように、特に太い突起部の一部に、細胞塊と誤認識された領域が残ってしまっている。 Figure 8 (b) is a comparative example, showing the results of dividing the cell cluster region and the protrusion region by combining erosion processing and dilation processing, which are conventional methods. Even if the amount of contraction in erosion and the amount of expansion in dilation are sufficiently adjusted, there are still areas that are incorrectly recognized as cell clusters, especially in some of the thick protrusions, as shown by the arrows in the figure.
以上のように、この実施形態の画像処理では、がん細胞スフェロイドの三次元像に対し、オブジェクト抽出結果に基づく二値化処理、距離変換処理、最大値フィルタ処理、および閾値に基づく領域分割の各処理を順番に行う。これにより、従来の方法よりも精度よく、細胞塊の領域と突起部(浸潤突起)の領域とを分離することが可能である。 As described above, in the image processing of this embodiment, the following processes are sequentially performed on the three-dimensional image of the cancer cell spheroid: binarization based on the object extraction results, distance conversion, maximum value filtering, and region segmentation based on a threshold value. This makes it possible to separate the cell mass region and the protrusion (invadopodia) region with greater accuracy than conventional methods.
こうして細胞塊と浸潤突起とが精度よく分離されれば、その結果を各種の定量的評価、例えば、浸潤突起の本数、太さおよび長さや、その枝分かれの程度などの評価に役立てることが可能である。例えば、三次元像から細胞塊の像を消去し、突起部の像のみを残した画像を作成すれば、このような評価のための計測を当該画像に基づき容易に行うことが可能となる。特に、本実施形態によれば、太い浸潤突起が細胞塊とみなされるタイプの誤認識が低減されるため、浸潤突起の長さが本来より短く見積もられてしまうという問題を回避することが可能である。 If cell clusters and invadopodia can be separated with such precision, the results can be used for various quantitative evaluations, such as the number, thickness, and length of invadopodia, and the degree of branching. For example, if the image of the cell cluster is erased from the three-dimensional image, and an image is created that leaves only the image of the protrusions, measurements for such evaluations can be easily performed based on that image. In particular, this embodiment reduces the type of misrecognition in which thick invadopodia are deemed to be cell clusters, making it possible to avoid the problem of the length of the invadopodia being estimated to be shorter than it actually is.
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態のコンピューター装置1は、本発明に係る画像処理を実行するための制御プログラムが予め実装されたものである。すなわち、本発明は、上記した処理の各処理ステップをコンピューター装置に実行させるためのソフトウェアプログラムとして実施されてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the
このようなプログラムの配布は、例えばインターネット等の電気通信回線を介してダウンロードする形式によって行うことが可能であり、また当該プログラムを記録したコンピューター読み取り可能な記録媒体を配布することによっても可能である。また、例えば既存の顕微鏡撮像装置にインターフェースを介してこのプログラムを読み込ませることで、当該装置により本発明を実施することも可能となる。 Such a program can be distributed, for example, by downloading it via a telecommunications line such as the Internet, or by distributing a computer-readable recording medium on which the program is recorded. In addition, for example, by loading the program into an existing microscope imaging device via an interface, the present invention can be implemented by the device.
また例えば、上記実施形態では、処理パラメータとして、最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズと領域分割処理における閾値とを変更設定可能である。このうちウィンドウサイズに関しては、前記したように解析対象となるがん細胞スフェロイドにおける浸潤突起のサイズ(太さ)から適切な値をある程度推定することが可能である。したがって、対象物のサイズに応じて予め定められた固定値を用いたり、初期値のみをユーザー設定させたりする態様であってもよい。 For example, in the above embodiment, the window size in the maximum value filter process and the threshold value in the region segmentation process can be changed as processing parameters. As for the window size, as described above, it is possible to estimate an appropriate value to some extent from the size (thickness) of the invadopodia in the cancer cell spheroid to be analyzed. Therefore, it is also possible to use a fixed value that is predetermined according to the size of the target object, or to allow the user to set only the initial value.
また、上記実施形態の画像処理に加えて、他の画像処理、例えば解析対象物以外の微小なオブジェクトの像や画像ノイズを消去するために、ノイズ除去処理や平滑化処理等を適宜組み合わせて実行してもよい。 In addition to the image processing of the above embodiment, other image processing, such as noise removal processing and smoothing processing, may be performed in appropriate combination to eliminate images of minute objects other than the analysis target and image noise.
また上記実施形態の画像処理では、三次元像のうち画像オブジェクトの内部が高輝度、背景が低輝度となる二値化画像を用い、距離変換処理ではオブジェクトの中心部ほど高輝度となるように距離変換し、最大値フィルタ処理を行い、領域分割処理では閾値より高輝度の領域を細胞塊の領域とみなしている。しかしながら、これらの処理において輝度の関係を反転させても技術的には等価である。 In addition, in the image processing of the above embodiment, a binarized image is used in which the inside of the image object in the three-dimensional image has high brightness and the background has low brightness. In the distance transformation process, distance transformation is performed so that the center of the object has high brightness, and maximum value filtering is performed. In the region segmentation process, regions with brightness higher than a threshold value are regarded as cell mass regions. However, even if the brightness relationship is inverted in these processes, it is technically equivalent.
また、上記実施形態の画像処理は、OCT撮像されたがん細胞スフェロイドの三次元像を解析対象とするものである。しかしながら、撮像方式はこれに限定されず、解析対象物の表面の立体形状を三次元的に表現することのできる各種の撮像方式で撮像された画像について、同様に処理することが可能である。また、がん細胞スフェロイドに限らず、これと同様にまとまった細胞塊の表面から外向きに突起部が延びているような各種の細胞塊の解析にも、本実施形態の画像処理を適用可能である。 The image processing of the above embodiment is directed to analyzing a three-dimensional image of a cancer cell spheroid imaged by OCT. However, the imaging method is not limited to this, and similar processing is possible for images captured by various imaging methods that can three-dimensionally represent the three-dimensional shape of the surface of the object to be analyzed. Furthermore, the image processing of this embodiment can be applied not only to cancer cell spheroids, but also to the analysis of various cell clusters that have protrusions extending outward from the surface of a similar cluster of cells.
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る画像処理方法において、例えば距離変換では、オブジェクト領域内の各画素に、オブジェクト領域以外の画素に与えられた輝度値よりも高い輝度値を割り当てるようにしてもよい。このような処理は汎用の画像処理ソフトウェアの標準機能を用いて実現可能であり、また本発明の距離変換処理として十分に実用になるものである。 As described above by way of example of specific embodiments, in the image processing method according to the present invention, for example, in distance transformation, each pixel in an object region may be assigned a luminance value higher than the luminance value assigned to pixels outside the object region. Such processing can be realized using standard functions of general-purpose image processing software, and is fully practical as the distance transformation processing of the present invention.
また、原画像からオブジェクト領域を抽出する方法としては、例えばセマンティックセグメンテーション法を適用することができる。このような構成によれば、抽出対象ががん細胞スフェロイドのように形状が不定であるものであっても、精度よくオブジェクト領域を抽出することが可能である。 As a method for extracting object regions from an original image, for example, a semantic segmentation method can be applied. With this configuration, it is possible to extract object regions with high accuracy even when the object to be extracted is an indefinite shape such as a cancer cell spheroid.
また例えば、領域分割後の画像を表示装置に表示させる工程がさらに設けられてもよい。こうして処理の結果がユーザーに画像として提示されることで、ユーザーは処理の結果を確認することができる。例えば以下のようなパラメータの調整に利用可能である。 For example, a step of displaying the image after region division on a display device may be further provided. In this way, the results of the processing are presented to the user as an image, allowing the user to confirm the results of the processing. For example, this can be used to adjust parameters such as:
例えば、閾値がユーザー操作により変更設定可能とすることができる。閾値の設定により、細胞塊と突起部との間に画定される境界の位置が変化し、このことが両者の分離の良否に大きく影響する。閾値を変更可能なパラメータとすることで、解析対象のがん細胞スフェロイドの状態に応じてこれを調整することで、細胞塊と突起部との分離をより的確に行うことが可能となる。 For example, the threshold value can be made changeable by the user. Setting the threshold value changes the position of the boundary defined between the cell clumps and the protrusions, which greatly affects the success or failure of separation of the two. By making the threshold a changeable parameter and adjusting it according to the state of the cancer cell spheroids being analyzed, it becomes possible to separate the cell clumps and the protrusions more accurately.
同様に、最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズがユーザー操作により変更設定可能とされてもよい。最大値フィルタ処理におけるウィンドウサイズは、細胞塊と突起部との間で両者を分離するための輝度値のコントラストに関わるパラメータであり、特にそれらの分離後の形状の再現性に影響を及ぼす。これについても必要に応じて調整可能としておくことで、細胞塊と突起部との分離をより的確に行うことが可能となる。 Similarly, the window size in maximum value filtering may be changeable by user operation. The window size in maximum value filtering is a parameter related to the contrast in brightness values used to separate cell clusters and protrusions, and particularly affects the reproducibility of their shapes after separation. By making this adjustable as necessary, it becomes possible to separate cell clusters and protrusions more accurately.
また例えば、最大値フィルタ処理と領域分割とがこの順番で繰り返し実行可能に構成されてもよい。上記したように、最大値フィルタ処理に係る処理パラメータであるウィンドウサイズと、領域分割に係る処理パラメータである閾値とは、いずれも細胞塊と突起部との分離の精度に関わるものである。これらが変更された際には最大値フィルタ処理または領域分割が再実行されることが好ましく、これら2つの処理が繰り返し実行されるようにしておけば、2つのパラメータを逐次最適な値に近づけてゆくことが可能になる。 For example, the maximum value filter process and region division may be configured to be repeatedly executed in this order. As described above, the window size, which is a processing parameter related to the maximum value filter process, and the threshold value, which is a processing parameter related to the region division, are both related to the accuracy of separation between cell clusters and protrusions. When these are changed, it is preferable to re-execute the maximum value filter process or region division, and by repeatedly executing these two processes, it becomes possible to successively bring the two parameters closer to the optimal values.
また、本発明に係る画像処理方法は、例えば原画像または二値化画像から細胞塊に対応する領域を消去して突起部に対応する領域を示す画像を作成するように構成されてもよい。このような構成によれば、突起部に対応する領域だけが示された三次元像が作成される。この画像に基づいて、突起部の定量的評価を容易に行うことが可能となる。 The image processing method according to the present invention may also be configured to, for example, erase areas corresponding to cell clusters from the original image or the binarized image to create an image showing areas corresponding to protrusions. With such a configuration, a three-dimensional image is created in which only the areas corresponding to protrusions are shown. Based on this image, it becomes possible to easily perform quantitative evaluation of the protrusions.
また例えば、原画像は、光干渉断層撮像方式の撮像により取得された画像であってもよい。光干渉断層撮像(OCT)方式の撮像では細胞やスフェロイドに対し非破壊、非侵襲で撮像を行うことが可能である。そのため、例えば培養されるがん細胞スフェロイドを定期的に撮像することで、がん細胞スフェロイドの経時的変化を観察することができる。そして、OCT撮像された画像は、本発明に係る画像処理に好適に適用可能なものである。 For example, the original image may be an image acquired by imaging using an optical coherence tomography (OCT) imaging method. Optical coherence tomography (OCT) imaging allows for non-destructive and non-invasive imaging of cells and spheroids. For this reason, for example, by periodically imaging a cultured cancer cell spheroid, it is possible to observe changes in the cancer cell spheroid over time. Furthermore, images captured using OCT are suitable for use in the image processing according to the present invention.
この発明は、人工的に培養されたがん細胞スフェロイドの定量的な評価に適用可能であり、例えば医療や創薬分野に好適なものである。 This invention can be applied to the quantitative evaluation of artificially cultured cancer cell spheroids, and is suitable for use in the fields of medicine and drug discovery, for example.
1 コンピューター装置
2 記録ディスク(記録媒体)
10 CPU
15 ストレージ
16 入力デバイス
17 表示部
C 細胞塊
P,P1,P2 浸潤突起(突起部)
1
10 CPU
15
Claims (11)
前記原画像から、前記がん細胞スフェロイドに対応するオブジェクトが占めるオブジェクト領域を抽出し、前記オブジェクト領域がそれ以外の領域よりも高輝度となるよう二値化した二値化画像を作成する工程と、
前記二値化画像を距離変換して、前記オブジェクト領域内の各画素に、前記オブジェクト領域の最も近い外縁までの距離が大きい画素ほど高輝度となるように輝度値を割り当てた距離画像を作成する工程と、
前記距離画像に対し最大値フィルタ処理を実行してフィルタ後画像を作成する工程と、
前記フィルタ後画像内の前記オブジェクト領域のうち所定の閾値よりも高輝度の領域を前記細胞塊に対応する領域として、前記オブジェクト領域から領域分割する工程と
を備える、画像処理方法。 1. An image processing method for identifying an area corresponding to a cell mass and an area corresponding to a protrusion from an original image including a three-dimensional image of a cancer cell spheroid having a protrusion, the method comprising:
A step of extracting an object region occupied by an object corresponding to the cancer cell spheroid from the original image, and creating a binarized image by binarizing the object region so that it has a higher brightness than other regions;
a step of performing distance transformation on the binarized image to generate a distance image in which a luminance value is assigned to each pixel in the object region such that the luminance of a pixel increases as the pixel is closer to the nearest edge of the object region;
performing a maximum filtering process on the range image to generate a filtered image;
and segmenting an area of the object region in the filtered image that has a brightness higher than a predetermined threshold, the area corresponding to the cell mass, from the object region.
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