干細(xì)胞圖像分割及生長(zhǎng)跟蹤研究.pdf

1、從2006年生物研究學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，簡(jiǎn)稱iPS）以來(lái)，越來(lái)越多的相關(guān)技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)，并已應(yīng)用到實(shí)際醫(yī)學(xué)生物場(chǎng)景中。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞不僅可以為醫(yī)學(xué)研究者們提供體外的疾病模型，方便病理研究，也可以進(jìn)行體外細(xì)胞再分化，進(jìn)而培養(yǎng)出各種組織器官，用于各類疑難疾病的治療。如何利用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理方法以及高速信息處理技術(shù)，對(duì)誘導(dǎo)干細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助的量化處理，幫助

2、生物研究者更好的對(duì)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)以造福人類，成為一個(gè)極其重要的研究方向。
　　本課題基于相差顯微鏡拍攝的干細(xì)胞生長(zhǎng)序列圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等關(guān)鍵技術(shù)，研究干細(xì)胞圖像的預(yù)處理及分割、干細(xì)胞的有絲分裂增殖行為分析、干細(xì)胞生長(zhǎng)軌跡跟蹤等核心問(wèn)題。主要研究工作和成果如下：
　?。?）干細(xì)胞圖像去噪和細(xì)胞分割等預(yù)處理技術(shù)研究。本文研究的干細(xì)胞圖像序列來(lái)自于相差顯微鏡的跟蹤拍攝，獲到的干細(xì)胞圖像序列存在偽影、光圈等

3、干擾信息，傳統(tǒng)圖像分割技術(shù)很難獲得滿意的分割效果。本文深入研究了相差顯微鏡的成像原理以及圖像恢復(fù)技術(shù)，有針對(duì)性地消除了干細(xì)胞圖像中光學(xué)儀器產(chǎn)生的偽影和光圈等干擾，根據(jù)干細(xì)胞生長(zhǎng)的形態(tài)變換，將干細(xì)胞分為“暗”細(xì)胞和“亮”細(xì)胞兩類，通過(guò)計(jì)算細(xì)胞面積提升分割精度。
　?。?）提出了基于多模態(tài)融合的干細(xì)胞有絲分裂檢測(cè)方法。由于設(shè)備和拍攝技術(shù)等原因，即使是國(guó)內(nèi)頂尖生物實(shí)驗(yàn)室，也很難獲得少于15分鐘間隔的拍攝圖像序列，導(dǎo)致干細(xì)胞分裂過(guò)程中細(xì)胞

4、生長(zhǎng)信息大量丟失。本文嘗試了兩種較為成熟的有絲分裂檢測(cè)方法，但對(duì)長(zhǎng)時(shí)間間隔序列檢測(cè)時(shí)存在大量結(jié)果丟失現(xiàn)象。因此，本文創(chuàng)新性提出了一種基于多模態(tài)融合的干細(xì)胞有絲分裂檢測(cè)方法，將細(xì)胞分裂周期兩個(gè)階段的特征模態(tài)進(jìn)行融合后進(jìn)行有絲分裂檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能顯著提升細(xì)胞有絲分裂檢測(cè)精度。
　?。?）提出了融合干細(xì)胞有絲分裂檢測(cè)的細(xì)胞生長(zhǎng)跟蹤方法。干細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程中存在大量細(xì)胞分裂和增殖現(xiàn)象，傳統(tǒng)的多目標(biāo)跟蹤方法很難準(zhǔn)確跟蹤不斷形變生長(zhǎng)的干細(xì)