专利名称：精子路径交叉时的路径自动识别方法及精子质量分析方法
技术领域：
本发明涉及计算机辅助的人体外精液分析方法，特别是涉及计算机辅助精液分析 中精子路径交叉时的自动识别方法。
背景技术：
常规的精液分析是由经验丰富的医学人员进行观察判断，包括显微镜检测、精液 体积测定以及精子密度、存活率的显微镜检测。常规分析结果可以诊断一些严重的男性不 育症，包括无精症、死精症以及所有精子都存在相同的结构畸形，例如没有顶体的圆头精子 的男性不育症，但上述不育症只是男性不育中的少部分。临床上发现的大部分不育患者具 有正常或轻微异常的常规精液分析结果。传统的人工精液分析方法往往带有很大的主观 性，由于精子密度大、运动速度快，检验人员在显微镜下很难做到准确分析，且长时间的观 察极易造成操作者视力疲劳，实验室条件、检验人员水平及经验不等，都会造成检测结果的 误差，同时也降低了报告的客观性和可比性。例如，有数据表明，单单对活动精子百分率的 监测结果在技术人员之间的差异范围至少达到20%，甚至40%。由于常规精液分析主观性强，准确率低，重复性差，对生育能力预测存在明显的局 限性，计算机辅助的精液分析(CASA)系统需求应运而生，可参见如下文献的记载[1]肖松 山，范世福，李彦芳，曹兴午，曹育爱，计算机辅助精子运动分析系统的研究，JOU RNAL 0 F T IANJ IN UN IV ERSITY Vol.33 No. 6 Nov. 2000 ； [2]庞增拴，精子运动能力检测系统中图 像分割方法的选取与算法实现，河北省科学院学报，21 (3)，2004。CASA系统是将现代的计算 机技术和先进的图像处理技术运用在精子质量的分析上，操作简便、分析直观、数据可靠。 CASA精子运动分析系统框图如图1所示，在现有的CASA系统中，精子路径识别的基本原理 是将精子样本放置在样品台上，利用载玻片和盖玻片加以固定；利用微机控制图像采集 卡，对精子动态显微图像进行连续抓拍，将获取的图像序列存贮在计算机中，对每一幅精子 图像进行预处理消除噪声，利用阈值分割方法进行精子目标识别，根据不同图像序列的精 子位置，以路程、运行速度、运行方向为参考，求出精子的运动路径，并对这些路径进行筛选 处理，最后根据运动路径计算出精子运动的标准参数，供精子质量分析使用。现有的CASA 系统的基本流程请参阅图2所示。在现有的CASA系统中精子路径识别时，多利用路程、运行速度、运行方向进行多 帧图像间的精子关联，当存在2个及以上的精子路径交叉时，在交叉的时间段中，多个精子 将重叠在一起，这段时间内对图像进行阈值分割只能得到一个精子目标，从而导致在精子 关联生成路径这个步骤中多个精子的路径产生中断或者分析错误，严重影响了识别正确率 的提高。精子路径交叉时的路径识别问题已成为目前精子路径分析中的难点问题。可参 见如下文献所述[1]肖松山，范世福，李彦芳，曹兴午，曹育爱，计算机辅助精子运动分析 系统的研究，JOU RNAL OFT IANJ IN UN IV ERS ITYVol. 33 No. 6 Nov. 2000 ； [2]庞增 拴，精子运动能力检测系统中图像分割方法的选取与算法实现，河北省科学院学报，21 (3)， 2004; [3]于江有，王知衍，张艳青，精子多目标检测和跟踪算法的设计与实现，计算机工程与设计，2076，31 (9)，2010。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对CASA系统中精子路径交叉时的路径自动 识别方法，实现多精子交叉时准确的路径识别，提高精子识别与分析的正确率。为解决上述技术问题，本发明提供一种计算机辅助精液分析中精子路径交叉时的 路径自动识别方法，包括精子路径交叉时的路径识别步骤，其特征在于，精子路径交叉时路 径识别步骤为当N个精子交叉时，虚拟出位置与交叉处精子完全相同但编号不同的N-I个克隆 精子；所述N大于等于2;N个进入交叉处的精子与交叉处的这个精子以及N-I个克隆精子进行一一对应关 联，为N个进入交叉处的精子更新运动速度大小、方向以及加速度；N个精子游离交叉区时，根据其速度大小和方向的变化，找出N个精子各自的游离 路径。精子路径交叉时的路径识别步骤包括在T时刻，N个精子共同达到精子Q所在的位置；对精子Q的遍历次数进行统计，初始次数为0 ；为交叉处的每个精子逐一寻找其在下一帧图像中的位置时，均探测到精子Q，使得 精子Q的每被探测到一次就将遍历次数加1 ；对遍历次数超过1次的精子进行“克隆”，得到N-I个所述克隆精子。在N个进入交叉处的精子与交叉处的这个精子以及N-I个克隆精子进行一一对应 关联之后，为N个进入交叉处的精子更新运动速度大小、方向以及加速度，计算方法为精子的运动方向利用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位
置距离，利用公式tana = $求解角度并求平均；
Δχ精子的运动速度用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位置 距离，利用公式ν = ^Ay2+Ax2 / 求解路程并求平均，速度单位是像素/帧；精子的运动加速度前后2帧的速度变化的绝对值。找出N个精子各自的游离路径的方法是根据交叉处各精子的运动速度的大小、 方向以及加速度，利用最小运动速度与方向变化准则，分别从精子Q和克隆精子的位置出 发，找到其在下一帧图像中的位置。所述精子路径交叉时的路径识别步骤为1)当有N个精子P (i)路径交叉，交叉处精子为Q，设定初始值i = 1，精子Q的遍 历次数j = 0;其中，i为1到N;2)取精子 P(i);3)判断是否遍历次数j彡1 ；当遍历次数不是j彡1，则关联P(i)与Q ；并为j加1，j = j+1 ；当遍历次数是j彡1，则克隆Q得到Q (j)，关联P⑴与Q (j)，并为j加1，j = j+1 ；4)更新P(i)的运动速度的方向、大小、加速度；
5)然后判断P (i)是否还在交叉区，当P(i)还在交叉区，继续更新其运动速度的方向、大小、加速度；当P(i)不在交叉区，则为P(i)寻找下一个位置，并通过速度大小和方向的变化来 计算出p(i)的游离路径；p(i)的路径提取完成；6)然后判断是否i > N，如果是，则所有交叉精子的路径提取完成；如果不是，则返回步骤2)，再次执行步骤2)至步骤6)。同时，本发明还提供一种精子质量分析方法，包括利所述的计算机辅助精液分析 中精子路径交叉时的路径自动识别方法。本发明综合考虑精子交叉时的运动速度和方向及其变化，采用克隆(虚拟)精子 的方法实现多精子交叉时的路径识别，在多个精子交叉时，精子关联生成路径这个步骤中 多个精子的路径不再中断，使得路径识别更加准确，进一步提高了精子识别与分析的正确 率。采用本发明的方法在2个精子交叉时，正确识别率从0提高至达到80%，3个精子交叉 时，正确识别率达到70%。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明图1是背景技术的精子运动分析系统框图。图2是背景技术的精子路径识别的基本流程图。图3是本发明多精子交叉时路径识别方法中的程序框图。图4是当两个精子路径交叉时路径识别方法示意图图如表示精子路径交叉时的 状态，图4b表示在交叉处虚拟克隆了一个精子；图如表示精子从交叉处离开时的路径状 态。其中，精子C与精子D是重合的。
具体实施例方式本发明计算机辅助精液分析中精子路径交叉时的路径自动识别方法为当两个以 上精子交叉时，在交叉发生的位置，克隆(虚拟)出处于同一位置的多个精子目标；在该位 置，多个同时进入的精子与虚拟出的精子进行一一关联，保证了各自路径的完整性，可计算 多个精子进入交叉处的运动速度大小、方向和加速度；当精子游离交叉区时，通过速度大小 与方向的变化来得出各自的游离路径，从而完成精子交叉路径的识别。多个精子与2个精子交叉情况下的识别算法具有共性，下面以2个精子路径交叉 的情况进行说明。如图4所示，是列举的两个精子路径交叉时路径识别方法示意。如图如中，存在 精子A与精子B，1)在T时刻，A和B共同达到精子Q所在的位置，如图如所示。注意，Q是精子A 与精子B路径交叉的结果。2)对精子C的遍历次数(即使用次数)进行统计，初始次数为0。为A精子寻找 其在下一帧图像中的位置时，探测到Q，使得Q的遍历次数加1。为B精子寻找在下一帧图 像中的位置时，同样将探测到Q，使得Q的遍历次数为2。
3)对遍历次数超过1次的精子进行“克隆”。即计算机虚拟一个位置与Q完全相 同但是编号不同的精子D，如图4b所示。建立精子A与Q，B与D的路径关联，利用建立的 关联更新精子A与B的运动速度的大小、方向以及加速度。计算公式为精子的运动方向利用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位
置距离，利用公式tana = $求解角度并求平均。
Δχ精子的运动速度用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位置 距离，利用公式ν = ^Ay2+Ax2 / 求解路程并求平均，速度单位是像素/帧。精子的运动加速度前后2帧的速度变化的绝对值。4) A与B交叉持续一段时间后开始离开，离开发生时，根据步骤3)得到的精子Α、Β 的运动速度的大小，方向以及加速度，利用最小运动速度与方向变化准则，分别从Q和D位 置出发，找到其在下一帧图像中的位置，分别为F和Ε，如图如所示。从而完成了精子Α、Β两个精子路径交叉时，精子Α、Β的路径识别。当拍摄图像的噪声太大，或者精子A与B交叉角度较小或者部分黏合时，本算法识 别率下降。具体步骤如图3所示，结合该流程图将步骤描述如下1)当有N个精子P(i) (i为1，2，...，N)路径交叉，交叉处精子为Q，为变量i，j设 定初始值i = 1，精子Q的遍历次数j = 0。2)取精子 P(i);3)判断是否遍历次数j彡1 ；当遍历次数不是j彡1，则关联P(i)与Q ；并为j加1，j = j+1 ；当遍历次数是j彡1，则克隆(虚拟)Q得到Q (j)，关联P (i)与Q (j)，并为j加1， j = j+1 ；4)更新P(i)的运动速度的方向、大小、加速度；5)然后判断P (i)是否还在交叉区，当P(i)还在交叉区，继续更新其运动速度的方向、大小、加速度，当P(i)不在交叉区(即游离交叉区)，则为P(i)寻找下一个位置，并通过速度大 小和方向的变化来计算出p(i)的游离路径；p(i)的路径提取完成；6)然后判断是否i > N，如果是，则所有交叉精子的路径提取完成；如果不是，则返回步骤2)，再次执行步骤2) 步骤6)。即取P (i)，为下一个精子 提取路径，直到i > N，意味着交叉的N个精子的路径提取已全部完成。该方法意味着，当取精子P(I)，遍历次数为0，关联P(I)与Q，这时，j =0+1 = 1 ； 更新P(I)的运动速度的方向、大小、加速度，直到P(I)游离交叉区，则寻找P(I)的下一个 位置，并通过速度大小和方向的变化来计算出P(I)的游离路径；P(I)的路径提取完成。当 有两个或以上精子交叉，第二个精子P (2)，遍历次数为1，关联P (2)与克隆出的Q (1)，并j =1+1 = 2，更新P(2)的运动速度的方向、大小、加速度，直到P(2)游离交叉区，则寻找P(2) 的下一个位置，并通过速度大小和方向的变化来计算出PO)的游离路径；PO)的路径提取 完成。第三个精子P(3)，遍历次数为2，关联P(3)与克隆出的(K2)，并j = 2+1 = 3，更新P(3)的运动速度的方向、大小、加速度，直到P(3)游离交叉区，则寻找P(3)的下一个位置， 并通过速度大小和方向的变化来计算出P(3)的游离路径；P(3)的路径提取完成....以此 类推，直到交叉的精子的路径提取全部完成。 本发明的计算机辅助精液分析中精子路径交叉时的路径自动识别方法可应用于 人体外精子质量分析中。
权利要求
1.一种计算机辅助精液分析中精子路径交叉时的路径自动识别方法，包括精子路径交 叉时的路径识别步骤，其特征在于，精子路径交叉时路径识别步骤为当N个精子交叉时，虚拟出位置与交叉处精子完全相同但编号不同的N-I个克隆精子； 所述N大于等于2;N个进入交叉处的精子与交叉处的这个精子以及N-I个克隆精子进行一一对应关联， 为N个进入交叉处的精子更新运动速度大小、方向以及加速度；N个精子游离交叉区时，根据其速度大小和方向的变化，找出N个精子各自的游离路径。
2.根据权利要求1所述的精子路径交叉时的路径自动识别方法，其特征在于，精子路 径交叉时的路径识别步骤包括在T时刻，N个精子共同达到精子Q所在的位置； 对精子Q的遍历次数进行统计，初始次数为0 ；为交叉处的每个精子逐一寻找其在下一帧图像中的位置时，均探测到精子Q，使得精子 Q的每被探测到一次就将遍历次数加1 ；对遍历次数超过1次的精子进行“克隆”，得到N-I个所述克隆精子。
3.根据权利要求1所述的精子路径交叉时的路径自动识别方法，其特征在于，在N个进 入交叉处的精子与交叉处的这个精子以及N-I个克隆精子进行一一对应关联之后，为N个 进入交叉处的精子更新运动速度大小、方向以及加速度，计算方法为精子的运动方向利用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位置距离，利用公式tana = #求解角度并求平均； Δχ精子的运动速度用连续3帧图像中的坐标，求出帧与帧之间的水平和垂直位置距离， 利用公式ν = ^Ay2 + Ax2 / 求解路程并求平均，速度单位是像素/帧； 精子的运动加速度前后2帧的速度变化的绝对值。
4.根据权利要求1所述的精子路径交叉时的路径自动识别方法，其特征在于，找出N个 精子各自的游离路径的方法是根据交叉处各精子的运动速度的大小、方向以及加速度，利 用最小运动速度与方向变化准则，分别从精子Q和克隆精子的位置出发，找到其在下一帧 图像中的位置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的精子路径交叉时的路径自动识别方法，其特征在 于，所述精子路径交叉时的路径识别步骤为1)当有N个精子P(i)路径交叉，交叉处精子为Q，设定初始值i = 1，精子Q的遍历次 数j=0;其中，i为1到N;2)取精子P(i)；3)判断是否遍历次数j> 1 ；当遍历次数不是j彡1，则关联P(i)与Q ；并为j加1，j = j+1 ；当遍历次数是j彡1，则克隆Q得到Q (j)，关联P (i)与Q (j)，并为j加1，j = j+1 ；4)更新P(i)的运动速度的方向、大小、加速度；5)然后判断P(i)是否还在交叉区，当P(i)还在交叉区，继续更新其运动速度的方向、大小、加速度；当p(i)不在交叉区，则为p(i)寻找下一个位置，并通过速度大小和方向的变化来计算 出p(i)的游离路径；p(i)的路径提取完成； 6)然后判断是否i > N， 如果是，则所有交叉精子的路径提取完成； 如果不是，则返回步骤2)，再次执行步骤2)至步骤6)。
6. 一种精子质量分析方法，其特征在于，包括利要求1-5任一项所述的计算机辅助精 液分析中精子路径交叉时的路径自动识别方法。
全文摘要
一种计算机辅助精液分析中精子路径交叉时的路径自动识别方法，包括精子路径交叉时的路径识别步骤当N个(N≥2)精子交叉时，虚拟出位置与交叉处精子完全相同的N-1个克隆精子；N个精子与交叉处的精子以及N-1个克隆精子进行一一对应关联，为N个进入交叉处的精子更新运动速度大小、方向、加速度；N个精子游离交叉区时，据其速度大小和方向变化，找出N个精子各自的游离路径。本发明采用克隆精子的方法，在精子关联生成路径中，多个精子的路径不再中断，使得路径识别更加准确，应用于人体外精子质量分析中，进一步提高了精子识别与分析的正确率。2个精子交叉时，正确识别率从0提高到80％，3个精子交叉时，正确识别率达到70％。
文档编号G06K9/62GK102142092SQ20111009565
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者尹力, 张会生, 李乔亮, 程锦军, 胡勇华 申请人:深圳市博锐德生物科技有限公司