DE2823490A1

DE2823490A1 - Verfahren zur analyse von organismus- zellen

Info

Publication number: DE2823490A1
Application number: DE19782823490
Authority: DE
Inventors: James William Bacus
Original assignee: Rush Presbyterian St Lukes Medical Center
Current assignee: Rush Presbyterian St Lukes Medical Center
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-30
Publication date: 1978-12-14
Also published as: US4175860A; JPS53149391A; CA1109153A; DE2823490C2

Description

Verfahren zur /uialyse von Organisinus-Zol 1 (Mi

Di ο Erfindung bezieht sich auf ein Vorf aiii cn zui /uialyse von Organismus-Zellen, dio 'loil einer ZoIlpiobe, eines Abst riches odei dergleichen Hind.

In den Ui3A leben heute mehr als 70 Millionen Frauen, die; unter dem Risiko des Gebärmul t er-Ki ebncMS leben. ßt.at ist isch gesehen werden 46.000 diosser Frauen an Ki(¹I)S eiJ.ianken und 12.000 von ihnen jähilioh f; i <?2— hen. Der sogenannte Zellbrei- odei PaI)-AUiSHi ι ich-T(U3t isi in den letzten 30 Jahren dazu vorwendet woidon, die rrüheikennung dieses Krebstypes zu ermöglichen. Grundsätzlich beinhaltet dieser Test eine visuelle Betrachtung und genaue Untersuchung von ¹I aufwinden mikroskopischer Zellbilder, die von gut genchu] t ein 1oisonal durchgeführt werden, mit den üblichen subjektiven Unterschieden. Die Abstriche; müsKen abgenommen, präpariert und analysiert werden. Di(JHe Veri ahronsHclu it t ο .«sind zeitraubend und Kostspielig, haben jedoch zu einer drastischen Kedul.tion doi lodesfälle bei Frauen geführt, die diese To.'ätis regelmäßig durchführen laissen. Um die Todesrate durch Früher-Itennung weiterhin zu reduzieren, wild (-mpiohlen, daß

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alle Frauen über 18 den Test einmal und alle Frauen über 40 den Test zweimal jährlich durchführen lassen. Zur Zeit werden etwa 16 Millionen Tests jährlich durchgeführt, also wesentlich weniger als die Anzahl, die erforderlich wäre, um die 70 Millionen Frauen mit Krebsrisiko zu untersuchen.

.Wegen der großen Anzahl der notwendigen Tests wäre eine automatisierte oder halb-automatisierte Früherkennungsmethode für Gebärmutter-Krebs äußerst wünschenswert, da diese die Kosten der Tests senken würde und einen günstigeren Einsatz des Klinik-Personals erlauben würde. Eine Automatisierung würde außerdem die Genauigkeit und Arbeitsintensität erhöhen und eine Standardisierung der Test verschiedener Laboratorien möglich machen. Da eine Automatisierung so viele bedeutende Vorteile in der Analyse des Ausstrich-Testes ermöglicht, haben Forscher in den letzten 20 Jahren bereits versucht, derartige Automatisierungsvorrichtungen zu konstruieren. Dabei sind verschiedene Ansätze zur Klassifikation entwickelt worden, um die individuellen Zellkerne der Epithel-Zellen zu untersuchen und zu entscheiden, wie sich normale gegenüber abnormale Zellen unterscheiden. Diese Versuche waren jedoch nicht erfolgreich, in jüngerer Zeit haben sich die Versuche darauf konzentriert,

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die Epithel-Zellen-Präparate zu desaggregieren und die Zellen einzeln in Suspensionen zu analysieren, wenn sie durch verschiedene Meßeinrichtungen fließen. Diese Verfahrensweisen haben begrenzte Auflösungsmöglichkeiten im Sinne der mikroskopischen Morphologie. Sie messen jedoch die Eigenschaften der Zellen im Sinne von Merkmalen wie vergrößerter DNA-Gehalt, Kern-Fluoreszenz und dem Verhältnis der Größen von Kern und Cytoplasma. Diese Konzepte waren jedoch auch nicht erfolgreich. Weitere Forschungen aus jüngerer Zeit haben versucht, einzelne Zellen unter Benutzung mehrerer Eigenschaften zu klassifizieren, die sich aus einer Analyse eines hochaufgelösten Digitalbildes ergeben.

Keine dieser Forschungsstrategien, d. h. weder die Technik des niedrig auflösenden Flusses noch die der hoch aufgelösten digitalen Bilder, ist dazu geeignet, die Fehlerrate für falsch-positive oder falsch-negative Zellklassifikationen genügend klein zu halten, so daß sie in einem Uberprüfungsaystem verwendet werden kann, das in annehmbarer Weise die zur Zeit durchgeführte Untersuchung der Zellabstriche durch Laborpersonal ersetzt. Eine der Schwierigkeiten bei der Entscheidung, ob eine Probe negativ oder positiv ist, liegt in der Tatsache begründet, daß eine positive Probe die Ent-

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deckung einer sehr kleinen Subpopulation erfordert, d. h. in der Größenordnung zehn Zellen von 10.000 bis 100.000 Epithel-Zellen, die auf dem Abstrichgläschen vorhanden sind.

Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, um die Entscheidung hierüber auf ein oder zwei Kriterien zu gründen, beispielsweise Übergröße des Zellkerns, eine Korrelation zwischen der Anzahl der Leukozythen im Abstrich, Kerndichte oder das Verhältnis von Kerngröße zu Cytoplasma-Größe. Es ergab sich bei diesen Versuchen, daß ein einzelner Parameter im allgemeinen überlappend zwischen normalen und abnormalen Zellen liegt; kein einzelner Parameter ist daher ausreichend, um die erforderliche Genauigkeit für eine positive oder negative Entscheidung über die Bösartigkeit zu gewährleisten.

Wird unter Verwendung von sogenannten Digital-Techniken ein Hochauflösungsbildbereich des Kernes analysiert, so wird praktisch der Informationsgehalt der Gesamtzelle verworfen. Letztere Information, die dazu verwendet werden kann, die Abnormalität zu bestimmen, ist damit nicht mehr verfügbar. Analysiert man andererseits das gesamte Zellbild in ähnlicher Weise durch

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digitale Techniken, so ist in Bezug auf den Kern die Auflösung nicht ausreichend, um die Information zu ergeben, die eine genaue Entscheidung ermöglicht. Vorrichtungen, die entwickelt worden sind, um eine Voruntersuchung (Prescreening), Einfärbung und Identifizierung von möglicherweise verdächtigen Zellen zu ermöglichen, die dann von einem Techniker mit hoher Auflösung überprüft werden, sind nicht von Erfolg gekrönt gewesen, hauptsächlich wegen der Anwesenheit von Fremdkörpern und anderen Verschmutzungen, die als verdächtig angezeigt wurden. Außerdem tritt eine erhebliche menschliche Ermüdung auf, die auf der notwendigen Untersuchung jeder dieser Positionen beruht, um zu entscheiden, ob verdächtige Zellen oder ob ein Fremdkörper vorliegt. In einigen Systemen ist es erforderlich, daß das Laborpersonal in jeder neuen Position die Vorrichtung refocussiert. Es wird daher allgemein festgestellt, daß derartige Voruntersuchungssysteme, die immer wieder erneute Beobachtung erfordern, und die es nicht ermöglichen, Fremdkörper auszuscheiden, Schwierigkeiten bergen, die sich in starker Ermüdung des Personals und entsprechend geringer Wirtschaftlichkeit und Durchsatz bemerkbar machen.

Anders als die oben beschriebenen Apparate, die im 809850/0800

wesentlichen einzelne Parameter oder mehrere Parameter verwenden, die sich aus einem Bildbereich mit einer einzelnen bestimmten Auflösung ableiten, verwendet die vorliegende Erfindung viele Parameter, die sich aus Bildern wesentlich verschiedener Auflösungen ergeben. Außerdem werden Merkmale gemessen und analysiert, die von den Bildern verschiedener Auflösung stammen. Dies erlaubt simultane Analysen, die aus Untersuchungen oder Analog-Digital-Umwandlungsvorrichtungen nicht erhalten werden können, die bei einer einzigen optischen Auflösungsstärke arbeiten.

Bei der gegenwärtigen manuellen Einzeluntersuchungstechnik untersucht der Cytologe ein Zellenpräparat mit geringer Auflösung, um verdächtige Zellen oder Zellgruppen zu finden. Wenn er eine verdächtige bemerkt hat, stellt er das Mikroskop auf höhere Auflösung um, um ein besseres Bild von der Größe, dem Umriß und der Farbe der Zellen und insbesondere ihrer Zellkerne zu gewinnen. Die Struktur der Zellkerne, deren Größe, ihre Größe im Verhältnis zu dem zugehörigen Cytoplasma und die Farbe des Zellkernes sind die wichtigsten Daten bei dieser Analyse. Diese Analyse erfordert auch eine Verschiebung des Abstrichgläschens. Es muß allerdings bezweifelt werden, daß der Beobachter alle Zellen auf dem Gläschen sieht. Es ist daher möglich, daß er einen

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kritischen Zellbereich übersieht. Dies ist auch verständlich, da sich zwischen 10.000 und 100.000 Zellen auf dem Gläschen befinden können. Der Zellforscher untersucht ein Gläschen normalerweise in etwa fünf Minuten,und ihm steht außerdem die Krankengeschichte des Patienten zur Verfügung, die weitere Informationen enthält, um ihm bei der Analyse des Abstrichtestes zu helfen. Die genaue Irrtumsrate bei der durch Menschen durchgeführten Einzelanalyse des Abstrichtestes ist zwar unbekannt*, Forschungen deuten jedoch darauf hin, daß die Irrtumsrate sehr hoch sein könnte.

Um eine automatisierte Analyse durchzuführen, die wirtschaftlich tragbar ist, muß diese wenigstens die Leistung eines Cytologen erbringen, und zwar zumindest auf einem oder mehreren Gebieten, wie Geschwindigkeit, Kosten und Genauigkeit ohne besondere Nachteile in anderen Gebieten. Es wird angenommen, daß eine automatisierte Abstrich-Untersuchungsmethode die Zellen schneller als der Cytologe untersuchen kann, beispielsweise in einer Zeit von einer oder zwei Minuten. Dies bedeutet did Voruntersuchung, das Ableiten von Merkmalen und die Klassifizierung von zwischen 10.000 bis 100.000 Zellen in ein oder zwei Minuten. Da der Automat Im wesentlichen alle Zellen des Abstrichgläschens sehen wird, während dies

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der Cytologe nicht tut, sollte auf diesem Gebiet der Cytologe übertroffen werden. Darüber hinaus sollte die Fehlerrate für falsch-positive oder falsch-negative Ergebnisse bei dem automatischen Apparat wenigstens gleich der des mittleren Cytologen und möglichst besser sein als die subjektive Beurteilung durch den Cytologen. Außerdem sollte das automatisierte System in der Lage sein, die verschiedenen Zellklassen zu zählen, um weitere Daten, die bis jetzt nicht zugänglich waren, zu erhalten. Dieses sollte jedoch in großem Maßstab geschehen, um ein neues und wichtiges Instrument zur Analyse von Zellbrei(Pap-)Abstrichen zu erhalten.

Aus den obigen Bemerkungen kann ersehen werden, warum ein erfolgreiches automatisches Abstrich-Untersuchungssyatem bis jetzt nicht entwickelt worden ist und warum ein Bedürfnis für ein Bolches System besteht. Trotz der vielen Millionen an Dollars, die in die Forschung investiert worden sind, um ein solches System zu entwickeln, ist bisher keines so erfolgreich gewesen, daß es marktfähig ist und in kommerziell bedeutsamen Mengen in den Vereinigten Staaten von Amerika verkauft werden konnte.

Demnach ist es also Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ver-

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fügung zu stellen, um Gewebe- und Zellproben zu analysieren, insbesondere Zellbrei-Abstriche. Die Erfindung ermöglicht es, die maximal mögliche Information zu erhalten, in dem Bilder der zu untersuchenden Zellen der Proben mit verschiedenen Auflösungsgraden erzeugt werden und aus diesen Merkmalen entnommen werden, die eine genauere Klassifikation der Zellen erlauben.

Ein weiteres Ziel der Erfindung Liegt darin, das Bild mit hoher Auflösung dazu zu benutzen, Merkmale abzuleiten, die eine hohe Auflösung verlangen, d. h. Analyse der Zellstruktur von cervikalen Epithel-Zellen oder Analyse der Ümfangsgestalt von roten Blutkörperchen. Die Bilder mit niedriger Auflösung sollen dazu verwendet werden, Merkmale herauszufinden, die keine hohe Auflösung verlangen, d. h. Analyse der Größe und Dichte des Cytoplasmas und des Zellkernes von cervikalen Epithel-Zellen oder Analyse des Hämoglobin-Gehaltes von roten Blutkörperchen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen automati*- schen Zellbrei-Austrich-Analyseapparat zu bauen, der gleichzeitig mit einem opto~elektronischem Gerät die Gesamtzelle und mit einem zweiten solchen Gerät den Zellkern analysiert.

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Weiterhin ist Ziel der Erfindung die simultane und voneinander unabhängige Messung und Analyse der Bilder mit hoher und niedriger Auflösung. Dies erleichtert die Gesamtanalyse und Klassifikation der Proben.

Insbesondere ist es Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die besonders dazu geeignet ist, automatisch Abstriche zu analysieren, indem ein Bild des zu untersuchenden Zellkernes mit hoher Auflösung in digitalisierter Form angefertigt wird, das Messungen und Analysen erlaubt. Weiterhin soll Bimultan ein Bild der gesamten Zelle mit geringerer Auflösung erzeugt werden, die den Zellkern einschließt, welches andere Messungen bzw. Analysen ermöglicht. Messungen und Analysen beider Bildbereiche werden gleichzeitig ausgeführt, wobei unabhängig zu betreibende Schaltkreise verwendet werden, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit maximalisiert ist. Die Maximalisierung beruht auf der simultanen Arbeitsweise und auf der Tatsache, daß nur die notwendige Menge von Daten durch den jeweiligen Schaltkreis verarbeitet wird, um die gewünschte Merkmalsinformation zu erhalten. Dies minimalisiert die Analyse redundanter Daten.

Weitere Eigenschaften und Vorteile von Verfahren und Vorrichtung werden anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

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Figur 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß Erfindung;

Figur 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung der Schritte der Zellen-Klassifikation;

Figuren 3a und 3b zeigen Darstellungen des Zellkerns von repräsentativen normalen und abnormalen Zellen, einschließlich der sich ergebenden elektrischen Signale, die Struktur-Variationen entsprechen, die entlang der Linien a-a und b-b der jeweiligen Zellen gewonnen wurden;

Figur 4 zeigt ein Flußdiagramm mit den Schritten, die zur Messung und Analyse des Bildbereiches niedriger Auflösung durchgeführt werden; durch den Logik-Schaltkreis werden vier Merkmale der Zelle abgeleitet;

Figur 5 a zeigt ein Flußdiagramm der Schritte, die zur Messung und Analyse des Bildbereiches hoher Auflösung durchgeführt werden; es ergeben sich zwei Merkmale der Struktur des Zellkerns;

Figur 5 b stellt die Wahrscheinlichkeitsmatrix dar,

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die verwendet wird, um die beiden Merkmale zu bestimmen, die sich aus dem Logik-Schaltkreis ergeben;

Figur 6 stellt das mathematische Modell der multivarianten Gauß'sehen Verteilungstechnik dar, die durch den Klassifikationsschaltkreis durchgeführt werden kann.

Allgemein gesprochen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Messungen und Analysen von Gewebe- und Blut-Zellen zum Zwecke der genauen Klassifizierung der Zellen einer Probe. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung dazu, verdächtige oder bösartige Zellen eines Zellbrei-Ausstrich-Testes (sog. Pap-Test) zu identifizieren. Die Erfindung umfaßt die Automatisierung der Analyse und der Klassifikation von cervikalen Zell-Abstrich-Glasplättchen, die durch die üblichen Abstrich-Techniken hergestellt werden zum Zwecke der Bestimmung der Bösartigkeit. Alle Schritte werden im wesentlichen ohne visuelle Untersuchung durch das Laborpersonal durchgeführt. Die Vorrichtung umfaßt eine Bühne, auf die das Abstrichplattchen gelegt wird. Das Plättchen wird zu einer Position bewegt, in der eine Vorabtastung eine Problem- oder Verdachtszelle lokali-

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siert hatte. Die Vorabtastung bzw. Voruntersuchung, das sog. Prescreening, wird vorzugsweise mit sehr geringer Auflösung durchgeführt. Dies ermöglicht insgesamt eine höhere Geschwindigkeit der Untersuchung des gesamten Abstrichplättchens. Die Voruntersuchung wird durch optisches Abtasten (Scanning) des Plättchens vorgenommen, vorzugsweise mit Hilfe einer optoelektronischen Abtast-Einrichtung, beispielsweise mit einer Objektivlinse mit etwa zehnfacher Vergrößerung, um dunkle Objekte im Bereich einer bestimmten Wellenlänge zu finden, die einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreiten; die Position des dunklen Objektes wird dann in einem elektronischen Speicher gespeichert. Die Speicherinformation wird anschließend dazu benutzt, die Kontrollorgane für die Lageeinstellung der Bühne zu steuern, so daß die dunklen Objekte weiteren Messungen und Analysen mit Hilfe der gleichzeitigen Bilduntersuchung bei zwei Auflösungen unterworfen werden können. Eine genaue Klassifikation der dunklen Objekte kann so durchgeführt werden.

Das Plättchen oder Gläschen wird anfangs durch eine Mikroskop-Optik vergrößert, um den Zellkern auf eine Bild-Abtast-Vorrichtung oder auf eine Video-Sensor mit ausreichender Auflösung zu projizieren. Die Auflösung

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sollte beispielsweise 0,1 bis 0,2 Mikrometer in der Bildebene betragen. Auf diese Weise können verschiedene Struktur-Messungen und -Analysen durchgeführt werden. Gleichzeitig wird das Bild, das durch die Mikroskop-Optik erhalten wird, aufgeteilt und über einen zweiten Lichtweg geleitet, der eine Verkleinerungsoptik enthält, um das Gesichtsfeld zu vergrößern. Auf diese Weise können sowohl ein größerer Bereich der gesamten Zelle als auch Teile ihrer Umgebung beobachtet werden. Durch den Gebrauch einer zweiten Bildabtasteinrichtung oder eines Video-Sensors, in Verbindung mit passenden Farbfiltern, können Messungen und Analysen des vergrößerten Bildbereiches bei niedriger Auflösung durchgeführt werden, um Merkmale zu erhalten, die sich auf die gesamte Zelle beziehen. Nachdem Messung und Analyse des Bildbereiches bei niederer Auflösung durchgeführt worden sind - dies geschieht gleichzeitig und parallel mit den Messungen bei hoher Auflösung - werden die Merkmale beider Bildbereiche (hohe und niedrige Auflösung) durch eine Klassifikationslogik zusammengeführt, um die Zellen unter Verwendung aller zugänglichen Merkmale zu klassifizieren.

Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik gingen im allgemeinen davon aus, die Abtastauflösung des Bildes

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in einer solchen Größe zu halten, daß die gesamte Zelle, einschließlich des Zellkerns, einer einzigen Analyse unterworfen werden konnte. Die Schwierigkeiten der Geräte dieser Art hängen mit den unverhältnismäßig verschiedenen Größen von Cytoplasma und Zellkern bei cervikalen Epithel-Zellen zusammen. Beispielsweise bewegt sich der Durchmesser des Zellkernes in einem Bereich von 2-18 Mikrometer, während der Durchmesser des Cytoplasmas von 8-95 Mikrometer reicht. Auch sind die Beschränkungen für heutige Speichereinheiten zur digitalen Bilderfassung dergestalt, daß eine obere Grenze von 100 χ 100 oder 10.000 Speicherelementen besteht. Speicher, die größer sind, sind nicht nur sehr kostspielig, sondern haben auch eine prohibitiv große Zugriffszeit für ein individuelles Bildelement bei der Messung. Um beispielsweise eine 0,2 Mikrometer-Auflösung des Zellkerns in einem Bild zu erhalten und gleichzeitig die gesamte Ausdehnung des Cytoplasmas zu messen, wäre wenigstens eine Speichergröße von 475 χ 475 oder 225.625 Elementen erforderlich. Jedes dieser Elemente müßte einzeln abgefragt werden können, um beispielsweise eine Zellgrößenmessung durchzuführen. Auf der anderen Seite erfordert eine 0,7 Mikrometer-Auflösung nur 136 χ 136, also 18.496 Speicherelemente. In diesem Falle können Größenmessungen mit entsprechend

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- XT-

größerer Geschwindigkeit durchgeführt werden. In diesem Falle erhält man jedoch nur 14 Meßpunkte über den Durchmesser eines mittleren Zellkerns - zweifellos eine sehr weitmaschige Meßanordnung für Strukturmessungen. Es wurde gezeigt, daß die Genauigkeit in der Klassifikation der Kernstruktur nicht ausreicht, wenn die Auflösungen gröber sind als 0,25 Mikrometer. Dies wird in der Doktorarbeit von N. J. Pressman beschrieben ("Optical Texture Analysis for Automatic Cytology and Histology: A Markovian Approach", Ph. D. Thesis, Lawrence Livermore Laboratory, University of California, Livermore, October, 1976). Aus diesem Grunde wird deutlich, daß die Verfahrensweisen gemäß Stand der Technik ungeeignet waren, um aussagefähige Struktur-Messungen am Zellkern durchzuführen, falls die gesamte Zelle ebenfalls im Bildbereich berücksichtigt worden ist. Sie waren deshalb ungeeignet, da der digitalisierte Bildbereich nicht ausreichend detailliert war, um Messungen der Zellstruktur zu ermögliche. Mit der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr Bildbereiche der gesamten Zelle und des Zellkernes im wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden. Dies erlaubt eine Auflösung in Bezug auf den Zellkern von ungefähr 0,125 bis ungefähr 0,250 Mikrometer, vorzugsweise unter Benutzung einer 100 χ 100 Digital-Matrix. Die gesamte Zelle ist auf dem größeren Feld des BiId-

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bereiches dargestellt. Hierbei wird eine ähnliche Digitalmatrix verwendet, die eine Auflösung von ungefähr 0,7 bis ungefähr 2,0 Mikrometer ermöglicht.

Insbesondere in Figur 1 ist das Gerät gemäß Erfindung schematisch dargestellt. Mit 10 ist eine Bühne der eingangs beschriebenen Art bezeichnet, welche die zu untersuchenden cervikalen Zell-Abstrich-Glasplättchen trägt. Die Bühne 10 ist beweglich angebracht, so daß alle Bereiche des Plättchens zur Beobachtung unter das Mikroskop-Objektiv 12 gebracht werden können. Die Bühne 10 wird durch die X-Y-Koordinatensteuerung 14 bzw. 16 gesteuert, die vorzugsweise übliche Schrittschaltungen enthält, um die X-und Y-Koordinaten der Bühne zu ändern, so daß das gesamte Plättchen systematisch unter die Mikroskop-Optik gebracht werden kann. Während des Arbeitsvorganges wird die Lage der Bühne vorzugsweise passend indiziert, so daß alle Bereiche, die verdächtige Zellen tragen, nochmals analysiert werden können. Dies geschieht nach einem Voruntersuchungsschritt, der es ermöglicht, dunkle Objekte im Bereich einer bestimmten Wellenlänge, die einen Schwellenwert überschreiten, zu finden. Dieser Schritt eliminiert die zweifelsfrei normalen Zellen und die roten Blutkörperchen. Die Anzahl der Zellen, die genauer gemessen und

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analysiert werden müssen, wird hierdurch reduziert. Diese sogenannten Problemzellen sind grundsätzlich dunkler. Der Schwellenwert wird deshalb so eingestellt, daß die Zellen roter Blutkörperchen ausgeschlossen werden können, da diese heller sind als die dunklen Objekte, die in diesem Falle von Interesse sind. Wenn während des Voruntersuchungsschrittes ein dunkles Objekt lokalisiert wird - möglicherweise der Zellkern einer bösartigen Zelle -, so wird seine Lage in X- und Y-Koordinaten in einem elektronischen Speicher gespeichert. Diese Information wird dazu benutzt, die X-, Y-Koordinatensteuerung zu steuern, um das Objekt in optische Nähe zur Objektiv-Optik 12 zu bringen. Anschließend kann eine weitere Analyse durch die Vorrichtung gemäß Figur 1 durchgeführt werden.

Vorrichtungen, die für die Voruntersuchung verwendet werden können, sind in der Technik bekannt (vgl. US-PS 3 851 972 oder 3 970 841).

Bei der Objektivlinse 12 des Mikroskopes handelt es sich vorzugsweise um eine Linse mit starker Vergrößerung und großer Auflösung, beispielsweise um eine 10Ox Ölimmersion-Objektivlinse. Das Bild wandert von der Objektivlinse 12 über den Lichtweg 18, auf dem es

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durch einen sogenannten Strahlteiler 20 aufgeteilt wird. Anschließend gelangt es über Lichtweg (Bildpfad) 22 zu einer Bild-Abtast-Einrichtung, z. B. eine Vidikon-Kamera 24. Dieses Gerät empfängt das Bild und erzeugt elektrische Signale, die den empfangenen Bildbereich widerspiegeln. Das andere Bild auf dem Bildpfad 18 wandert vom Strahlteiler 20 durch einen optischen Verkleinerer 26, der das Bild verkleinert und demnach einen Bildbereich geringerer Auflösung mit entsprechend größerem Blickfeld erzeugt. Das Bild wird durch einen Spiegel 28 reflektiert, läuft durch eine drehbare Farbfilteranordnung 30 und wird auf eine andere Bild-Abtast-Vorrichtung projiziert, vorzugsweise auf eine Vidikon-Kamera 32, die ebenfalls ein elektronisches Ausgangssignal erzeugt, das den empfangenen Bildbereich widerspiegelt, in diesem Falle den mit dem größeren Blickfeld. Es ist anzumerken, daß die schematische Darstellung der Figur 1 geometrisch nicht genau ist und daß die Lichtwege, die von dem Objektiv 12 zu jeder der beiden Kameras führen, gleich lang sind, so daß beide Kameras das Bild gleichzeitig empfangen. Das Ausgangssignal der Vidikon-Kamera 32 läuft über die Verbindungsleitung 34 zu einem Analog-Digital-Konverter 36 und einen Video-Monitor 38. Das Ausgangssignal des A/D-Converters 36 erreicht über die Leitung 40 den Meß- und Logikschaltkreis 42. Ein

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- 2er-

Schaltkreis 44, der dazu dient, die dunklen Zellen zu lokalisieren und deren Koordinaten zu bestimmen und zu speichern, ist mit der Voruntersuchungsvorrichtung verbunden. Er steuert weiterhin über die Leitungen 46 und 48 die X-Y-Koordinatensteuerung 16 bzw. 18. Das Ausgangssignal der Vidikon-Kamera 24 läuft über die Leitung 50 bis zu einem anderen A/D-Converter 52, der das Signal digitalisiert und dieses über die Leitung einem zweiten logischen Schaltkreis 56 für die Klassifikationsanalyse zuführt. Das Ausgangssignal der Kamera 24 erreicht über die Leitung 50 ebenfalls einen anderen Video-Monitor 58. Der Schaltkreis 44 ist über die Leitung 57 auch mit den logischen Schaltkreisen 40 und 52 verbunden. Dies ermöglicht die Synchronisation des gesamten Arbeitsvorganges und stellt weiterhin die Koordinaten von interessierenden Zellen diesen Logik-Schaltkreisen zur Verfügung. Wie genauer beschrieben werden wird, werden Messung und Analyse, die an jedem der Bildbereiche durch die Logik-Schaltkreise 52 und 5 6 durchgeführt werden, anschließend über die Leitungen 62 bzw. dem Klassifikationsschaltkreis 60 zugeführt. Der Klassifikationsschaltkreis 60 führt Klassifikationsentscheidungen in Bezug auf eine interessierende Zelle durch. Dabei werden sowohl alle Eigenschaften verwendet, die aus den hoch- und niedrigaufgelösten Bildbereichen der

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Zelle gewonnen wurden, als auch die Analysen- und Messwerte, die sich aus diesen Bildbereichen ergeben.

Die Analogsignale der Kameras 24 und 32 werden von den Convertern 36 und 52 weiterverarbeitet. Der sich ergebende digitalisierte Bildbereich ist vorzugsweise wenigstens eine 100 χ 100 Digital-Matrix, die in einen Speicher, der mit den logischen Schaltkreisen 52 und 56 verbunden ist, gespeichert wird. Die Digital-Matrix enthält demnach 10.000 Bildelemente oder sogenannte Pixel. Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Geschwindigkeit, mit der Messung und Analyse durch die logischen Schaltkreise 42 und 56 durchgeführt werden. Wenn auch die Digitals-Matrix größer sein kann als 100 χ 100, so ist doch die vergrößerte Anzahl von Pixel nicht von beträchtlich größerem Wert, wegen der Zeit, die der Schaltkreis benötigt, um jedes Pixel zu verarbeiten. Eine größere Anzahl von Pixel erfordert daher auch eine größere Verarbeitungszeit, und die Geschwindigkeit wird in Wirklichkeit herabgesetzt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß der Bildbereich geringe Auflösung eine 100 χ 100 Digital-Matrix der gesamten Zelle ergibt und damit genügend Details zur Verfügung stellt, um Merkmale abzuleiten, die sich auf Farbe, Dichte und Größe des Cytoplasmas sowie auf

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Dichte und Größe des Kerns beziehen. Eine detailliertere Darstellung würde nur eine redundante Information ergeben, die insgesamt die Analyse der Merkmale verlangsamen würde. Auf der anderen Seite ermöglicht der Detailreichtum, der sich aus dem Bildbereich hoher Auflösung ergibt, eine Analyse der Zellkernstruktur. Mit anderen Worten, die gleichzeitige Messung und Analyse des Zellkerns unter Verwendung eines hochaufgelösten digitalen Bildbereiches und der gesamten Zelle unter Verwendung eines niedrig aufgelösten digitalen Bildbereiches ermöglicht insgesamt eine schnelle Arbeitsweise, da nur die Menge von Bildelementen verwendet wird, die notwendig ist, um die interessierenden Merkmale abzuleiten. Diese Arbeitsweise minimalisiert daher die verschwendete Zeit, die zur Analyse redundanter Informationen erforderlich ist.

Die Vidikon-Kamera 24 wird dazu verwendet, elektrische Signale zu erzeugen, die repräsentativ für das empfangene Bild sind, das anschließend vom A/D-Converter 52 digitalisiert und durch den logischen Schaltkreis 56 analysiert wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Bild hoher Auflösung auch auf eine Fourier-Linse projiziert und daß mit Hilfe einer Fourier-Transformation die Struktur des Zellkerns analysiert werden kann.

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Änderungen in der Struktur wären dann in der Hochfrequenz-Komponente der Transformation enthalten. Diese Analysentechnik wird in zwei Artikel beschrieben:

1. "The Use of Coherent Optical Processing Techniques for the Automatic Screening of Cervical Cytologie Samples", R. E. Kopp, J. Lisa, J. Mendelsohm, B.
Pernick, H. Stone and R. Wohlers, Jamal of Histochemistry and Cytochemistry, Vol. 22, No. 7, pp.
598-604, 1974;

2. "Coherent Optical Processing of Cervical Cytologie Samples", Jcjrnal of Histochemistry and Cytochemistry, Vol. 24, No. 1, pp. 122 - 137, 1976.

Wird angenommen, daß die Voruntersuchung durchgeführt ist und daß die Bühne 10 grundsätzlich so eingestellt ist, daß ein verdächtiges dunkles Objekt sich unterhalb der Objektivlinse 12 befindet, so wird im Rahmen des
Arbeitsverfahrens das Bild hoher Auflösung auf die
Vidikon-Kamera 24 projiziert. Hierdurch wird ein Bild des Zellkerns mit hoher Auflösung erzeugt. Der Zellkern befindet sich demnach unter dem Objektiv 12; der Video-Monitor 50 zeigt einen Bildbereich hoher Auflösung und der A/D-Converter erzeugt einen 100 χ 100
Pixel-Bildbereich in digitalisierter Form, der in dem Speicher des Schaltkreises 42 gespeichert wird. Der

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Bildbereich, der auf dem Monitor 58 gemäß Zeichnung abgebildet wird, soll einen repräsentativen Zellkern 66 zusammen mit einer gewissen Menge des umgebenden Cytoplasmas 68 der Zelle darstellen. Allerdings überdeckt der Bildbereich nicht genügend Fläche, um auch die äußeren Grenzen der Zelle zu umfassen. Die Information, die demnach aus dem Bild des Kerns bei hoher α,lösung abegeleitet werden kann, umfaßt die Struktur des Keihs, die durch verschiedene Techniken gemessen werden kann, welche im folgenden beschrieben sind. Neben der Messung und der Analyse der Kernstruktur können auch eingeschlossene Köerper entdeckt werden, die vorhanden sein können. Die Digital-Matrix wird 100 χ 100 Pixel, die von der Objektivlinse mit 100-facher Vergrößerung erzeugt wird, erlauit eine ausreichende Auflösung, so daß sichergestellt ist, daß die Struktur des Kerns in einer Weise untersucht werden kann, die vergleichbar ist mit der Untersuchungsmethode, die von Klinik-Fachpersonal durchgeführt wird. Das Bild vom Lichtweg 18, das über den Strahlteiler 20 und die Verteilungsoptik 26 läuft, ist notwendigerweise von geringerer Auflösung. Gleichzeitig vergrößert sich das Beobachtungsfeld. Wenn es also mit Hilfe des Spiegels 28 durch das Farbfilterrad 30 auf die Vidikon-Kamera 32 projiziert wird, so wird ein analoges Ausgangssignal

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erzeugt, daß diesen Bildbereich repräsentiert. Dieses Signal wird dem zugehörigen Monitor 38 und dem Converter 36 zugeführt. Damit ist die gesamte Zelle, einschließlich des Cytoplasmas beobachtbar und für verschiedene Messungen und Analysen zugänglich.

Das Farbfilterrad 30 ist vorzugsweise von dem Typ, der in Abschnitte mit verschiedenen Farbfiltern aufgeteilt ist. Es dient dazu, Licht mit verschiedenen Farben oder Wellenlängenbereichen durchzulassen, daß von verschiedenen Abschnitten auf die Vidikon-Kamera 32 projiziert wird. Verschiedene Farb-Darstellungen des gleichen Bildes ermöglichen es, Grenzschichten-Kontraste, Maskierungen und genauere Abgrenzungen von Fremdkörpern und anderen Objekten durchzuführen. Insbesondere können folgende Effekte durch die verschiedene Farbfilterung durchgeführt werden:

a) Maskieren von roten Blutkörperchen, die nicht interessieren;

b) Maskieren von Lymphozyten-Ansammlungen, die nicht interessieren;

c) genauere Abgrenzung der Grenzschicht des Cytoplasmas durch Verwendung verschieden gefärbter Bildbereiche, die größere Kontraste haben können;

d) Identifizieren von Fremdkörpern und anderen Verunreinigungen, die nicht von Interesse sind;

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e) Zellen, die sehr nahe beieinander liegen, können voneinander unterschieden werden. Hierdurch wird die genaue Festlegung der Grenzschicht des Cytoplasmas einer bestimmten Zelle ermöglicht.

Die Kamera erzeugt ein Analog-Ausgangssignal, das repräsentativ für jeden Bildbereich ist, welcher durch die Farbfilteranordnung empfangen wird. Das resultierende Signal wird auf den A/D-Converter 36 und anschließend auf den Analysen- und Meßschaltkreis 42 gegeben, der, wie in Figur 4 dargestellt ist, drei hauptsächliche Schritte vollzieht:

1. Berechnung des bivarianten Farbdichte-Histogramms;

2. Gruppieren der Daten im Farb-Dichteraum, um die Bildelemente im Bildraum aufzuteilen. Auf diese Weise werden die Positionen des Zellkerns, des Cytoplasmas und des Hintergrundes im Digital-Bild lokalisiert;

3. Berechnung der Merkmale.

!Diese Techniken sind dem Fachmann bekannt. Sie sind in folgenden drei Publikationen ausführlich beschrieben: 1. J. W. Bacus: "A Whitening Transformation for Two-Color Blood Cell Images", Journal of Pattern Recognition, 8j 53-60, 1976;

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2. J. K. Mui, Bacus, J. W. and K. S. Fu: "A Scene Segmentation Technique for Microcopic Cell Images", in proceedings of symposium on Computer-Aided Diagnosis of Medical Images, IEEE catalogue 76 CH 1170-OC, page 99 - 106, 1976;

3. R. K. Aggarwal and J. W. Bacus, "A Multi-Spectral Approach for Scene Analysis for Cervical Cytology Smears", Journal of Histochemistry and Cytochemistry, Voi. 25, 7, 1977.

Nachdem das Bild in Kern, Cytoplasma und Hintergrund aufgeteilt ist (segmentiert ist), beginnt der Schaltkreis 42 vier Merkmale zu berechnen (F1-F4). Merkmal F1 ist die Kerngrcr'ße. Sie wird ermittelt durch Summation der dem Kern zugeordneten Pixel. Merkmal F2 ist die Größe des Cytoplasmas. Sie wird ermittelt durch Summation der dem Cytoplasma zugeordneten Pixel. Merkmal F3 ist die Kerndichte. Sie wird ermittelt durch Summation der dem Kern zugeordneten sogenannten Grau-Level und Division dieser Summe durch die Kerngröße. Merkmal F4 ist die Farbe des Cytoplasmas. Sie wird berechnet durch Summation der Differenz zwischen sich entsprechenden Cytoplasma-Pixel in dem Bild einer Spektralfarbe von dem in einer anderen Spektralfarbe und Dividieren der summierten Differenzen durch die Größe des Cytoplasmas.

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Diese Berechnung der Merkmale ist in allen Einzelheiten beschrieben in der Veröffentlichung: J. W. Bacus and E. E. Goss: "Leukocyte Pattern Recognition" IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. SMC-2: Vol. 4, 513 - 526, 1972.

Das Hochauflösungsbild wird auf die Vidikon-Kamera 24 projiziert, die elektrische Signale erzeugt, die von dem A/D-Converter 52 digitalisiert werden, so daß sie durch den Klassifikationsschaltkreis 56 analysiert werden können. Dieser Bildbereich hoher Auflösung wird meßtechnisch sowohl genutzt, um die Grenze des Zellkerns zu finden als auch, um das Bild des Zellkerns selbst zu untersuchen. Diese Untersuchung dient dazu, Änderungen in der Struktur mit einer oder mehreren Techniken zu bestimmen, beispielsweise durch die sogenannte Pattern-Identifikation. Diese Methode kann darin bestehen, Grate (Spalten) oder dergleichen im Kern zu identifi-2ieren. Auch durch statistische Analysen mit Hilfe der Untersuchung der Umrißänderung des Histogramms des Zellkernes oder durch Analyse der Ubergangswahrscheinlichkeiten des Grau-Levels, oder durch andere Techniken lassen sich Variationen in der Struktur des Zellkernes feststellen. Der Hochauflösungsbildbereich läßt sich auch auf Einschlüsse analysieren, beispielsweise auf

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einen Nucleus innerhalb des Zellkernes. Der Bildbereich hoher Auflösung ist viel einfacher aufgebaut als der der geringen Auflösung, da er nur aus Pixeln des Zellkerns besteht, die oberhalb eines Schwellenwertes liegen, und aus allen überigen Pixeln, die unterhalb des Schwellenwertes liegen. Drei Schritte werden insbesondere durch den Logik-Schaltkreis 56, wie in der Figur 5a dargestellt, durchgeführt:

1. Isolation und Normierung des Zellkernes;

2. Berechnung der Abtastlinien-Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix für die Kern-Pixel;

3. Berechnung der Eigenschaften F5 und F6.

Der erste Schritt umfaßt die Berechnung des Grau-Level-Histogramms der Kern-Pixel sowie die Normierung des ursprünglichen Bildes durch eine nicht-lineare Transformation, die das Grau-Level-Histogramm in acht Grau-Levil-Bereiche unterteilt, die jeweils die gleiche Anzahl von Bildelementen enthalten. Der zweite Berechnungsschritt umfaßt Berechnung der Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix für die Kern-Pixel. Im vorliegenden Fall wird eine 8x8 Matrix berechnet, indem das Bild sequentiell entlang jeder Abtastlinie verarbeitet wird, beispielsweise wie bei der Abtastlinie a-a der Figur 3a für eine normale Zelle und Abtastlinie b-b für eine abnormale

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Zelle (vergleiche Figur 3b). Für jedes Bildelement eines bestimmten Grau-Levels i mit einem vorhergehenden Nachbarn des Grau-Levels j wird die Matrix in der Position (i, j) inkrementiert. Die Kurven unterhalb jedes Zellkernes, wie sie in Figur 3a und 3b dargestellt sind, stellen die Variationen der Grau-Level dar, die auf den Abtastlinien a-a und b-b für die jeweiligen normalen und abnormalen Zellen gemessen worden sind. Nach dem Abtasten des gesamten Zellkernes wird die Matrix normiert, indem jedes Element durch die Gesamtzahl an Bildelementen im Zellkern geteilt wird. Diese Rechnung erzeugt die Abtastlinien-Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix P (i/j). Diese beiden ersten Analysen- und Meßschritte sind dem Fachmann vertraut; sie sind beschrieben in folgender Publikation:

N. J. Pressman, "Markovian Analysis of Cervical Cell Images", Jotrnal of Histochemistry and Cytochemistry, Vol. 24, No. 1, pp. 138 - 144, 1976.

Der nächste Schritt, der durch den Logik-Schaltkreis 56 durchgeführt wird, umfaßt die Berechnung der Merkmale F5 und F6. Diese werden aus der Abtastlinien-Übergangswahrscheinlichkeitsmatrix berechnet; ein typisches Beispiel ist in Figur 5b dargestellt. Diese Merkmale werden einfach durch Summation der bezeichneten Elemente

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in dieser Matrix berechnet.

Wie bereits angedeutet, werden die Messungen gleichzeitig mit der Analyse durch den Schaltkreis 42 durchgeführt.

Nachdem beide logischen Schaltkreise 42 und 56 ihre Analysen beendet haben, werden die sich ergebenden Daten über die Leitungen 52 und 64 dem Klassifikations-Schaltkreis 60 zugeführt. Dieser logische Schaltkreis arbeitet entsprechend dem mathematischen Modell, das in Figur 6 dargestellt ist. Dieses ist dem Fachmann vertraut als die Technik der multiVarianten Gauß-Verteilung. Nach dieser Methode werden die sechs gemessenen Eigenschaften F1 bis F6, die die untersuchten Zellen beschreiben, analysiert. Diese Analyse ist eine mathematische Beschreibung der untersuchten Zelle in einem sechsdimensionalen Vektorraum, X. Jede Zellklasse hat einen Cluster in diesem Vektorraum, der durch einen mittleren Vektor und eine Kovarianz-Matrix beschrieben ist. Kenntnis des unbekannten Vektors vorausgesetzt, ist die bedingte Wahrscheinlichkeit jeder Klasse, P (j/X), entsprechend folgender Gleichung zu berechnen:

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exp /-1/2 [(X-M,)^:¹ (X-M.)]] I Q,|~^1/2 P(j) P(j/X) = !> 3 3 J—* ' 31

ΣΙ exp f-1/2 [(X-M₁)^(X-M₁

P(j/X) Wahrscheinlichkeit der Klasse j bei vorgegebenen Vektor X;
X= ^F1, F2, F3, F4, F5j
M. mittlerer Vektor der Klasse j Q. Kovarianzmatrix der Klasse j ρ(j) a-priori-Wahrscheinlichkeit der Klasse j.

Die Zelle ist klassifiziert entsprechend der höchsten Wahrscheinlichkeit, wie in Tabelle 1 dargestellt, wo acht spezifische Typen von Zellen als "normal" oder "abnormal" klassifiziert sind. Diese Klassifikationstechnik wird genauer beschrieben in folgender Publikatxoni

J. W. Bacus and E. Goss: "Leukocyte Pattern Recognition", a. a. O.

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Tabelle 1:	Klasse j	Name
	1	Superficial
	2	Intermediär
	3	Endocervical
Normal	4	Metaplastisch
	5	Parabasal
	6	Dysplastisch
	7	Carcinoma in situ
Abnormal	8	Invasives Carcinom

Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben worden sind, die viele Vorteile gegenüber Verfahren und Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik haben. Diese Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in dualer Arbeitsweise Bildbereiche verschiedener Auflösung simultan analysiert und gemessen werden können, um wichtige Merkmale abzuleiten, die sich auf das Cytoplasma und den Zellkern einer bestimmten Zelle beziehen. Dabei kann die Struktur des Kernes zusammen mit einem vergrößerten Bildbereich mit geringerer Auflösung analysiert werden. Dies erlaubt

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die Bestimmung von Größe, Dichte und Farbe des Cytoplasmas. Zusätzlich können die Größenverhältnisse von Zellkern und Cytoplasma bestimmt werden.

Durch die duale Arbeitsweise, d. h. durch die gleichzeitige Aufnahme von Bildbereichen verschiedener Auflösungen für eine einzelne Zelle, kann eine wesentlich größere Anzahl von Eigenschaften bestimmt werden, einschließlich der wichtigen Strukturanalyse des Zellkerns. Mit der Bestimmung dieser Eigenschaften können bösartige Zellen genauer klassifiziert werden, als es bisher möglich war. Darüberhinaus wird die Arbeitsgeschwindigkeit des Gerätes durch die simultane, duale Analyse beträchtlich vergrößert.

Die vorgehende Beschreibung bezog sich auf die Analyse des sogenannten Zellbrei-Ausstrich-Testes als bevorzugte Ausführungsform. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hin gewiesen, daß die duale, simultane Arbeitsweise und i.e hier beschriebene Vorrichtung auch zur Analyse andeirei Zellen verwendet werden kann.

Beispielsweise können rote Blutkörperchen ebenfalls vorteilhaft automatisch, d. h. simultan mit hoher und geringer Auflösung analysiert werden. Die geringe Auflösung

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wird dazu benutzt, Zelleigenschaften wie Zellgröße und Gesamt-Hämoglobingehalt der Zelle, zu ermittlen. Bei geringer Auflösung nimmt das Zellbild eine wesentlich kleinere Anzahl von Pixeln ein, als es bei dem Bild hoher Auflösung der gleichen Zelle der Fall wäre. Es ist daher möglich, die Zellgröße mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen, indem die Pixel, die durch die Zelle eingenommen werden, bei dem Bild geringer Auflösung summiert werden. In ähnlicher Weise kann der Gesamt-Hämoglobin-Gehalt eines roten Blutkörperchens erhalten werden, indem die Grau-Level bei niedriger Auflösung summiert werden. Das gleiche Verfahren bei hoher Auflösung erfordert notwendigerweise eine größere Anzahl von Pixeln und daraus folgend eine größere Speicherkapazität. Das letztere Verfahren ergibt jedoch keine aussagefähige Vergrößerung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Hämoglobin-Gehaltes der Zelle. Andererseits würde jedoch das Bild hoher Auflösung roter Blutkörperchen bei der Unterscheidung solcher Zellen von besonderem Wert sein, die bei niedriger Auflösung den gleichen Umriß und die gleiche Größe haben, die jedoch bei höherer Auflösung unterscheidbar sind. Beispielsweise können die sogenannten kleinen Punkte oder "Spiculae" auf sogenannten Nadelzellen leicht beobachtet und identifiziert werden, um diese

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so von den runden Normalzellen generell gleicher Größe zu unterscheiden. Auch kann es in ähnlicher Weise bei geringer Auflösung schwierig sein, das spitze Ende der Sichelzellen von stiftförmigen oder länglichen Zellen, die runde oder abgerundete Enden besitzen, zu unterscheiden. Mit der Hochauflösungstechnik für die Analyse der Zellgrenzregion ist es jedoch möglich, die spitzen Enden der Sichelzellen zu identifizieren und damit die Sichelzellen von anderen länglichen Zellen zu unterscheiden.

Die vorliegende Erfindung kann auch dazu dienen, sogenannte Neutrophile zu identifizieren und zu klassifizieren, und zwar in zwei Subklassen:

1. Band-Neutrophile

2. segmentierte Neutrophile.

Das Bild mit hoher Auflösung kann dazu benutzt werden, das Merkmal der Band- oder fingerförmigen Kernverbindungen zwischen benachbarten Kernmassen in diesen Neutrophilen darzustellen. Dieses Merkmal der Pinger- oder Band-Verbindung ist nur bei hoher Auflösung erkennbar. Es erlaubt damit die Trennung der beiden Subklassen von Neutrophilen voneinander.

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Selbst bei Verwendung der optimalen Auflösung durch die Auswahl der zu beobachtenden Eigenschaften kann in vorteilhafter Weise die Effizienz in Bezug auf Geschwindigkeit und Speicherwirtschaftlichkeit erhöht werden. Als Beispiele waren genannt die Summierung der Pixel für die Zellgrößenbestiinmung und für eine Grau-Level-Analyse, wobei das Bild geringer Auflösung gewählt wird. Um Detail-Eigenschaften darzustellen, beispielsweise die sogenannten Spiculae oder bandartigen Verbindungen oder dergleichen, ist die Hochauflösungstechnik erforderlich, da diese Merkmale oder Eigenschaften nicht messbar sind, wenn die niedrige Auflösung gewählt wird. Es wurde erläutert, daß die Technik der hier beschriebenen Erfindung (duale Arbeitsweise mit zwei verschiedenen Auflösungen), sowie die simultane Analyse beider Bildbereiche eine verlässlichere und schnellere Zellanalyse und Klassifikation erlaubt.

Es sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindungsbeispiele neben den hier als bevorzugt dargestellten Anwendungen dem Fachmann möglich sein werden. Im Sinne dieser Feststellung ist der Rahmen der Erfindung definiert durch die beigefügten A _tprüche und durch eventuell mögliche Äquivalente.

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L ο G r s e i t e

Claims

P atentansprüche ;

1. !verfahren zur Analyse von Organismus-Zellen, die Teil

einer Zellprobe, eines Abstriches oder dergleichen sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Erzeugung eines Bildes der Zelle mit hoher Auflösung und hohem Gehalt an Detailinformationen für einen bestimmten Teil der Zelle;

b) Durchführung von Messungen und Analysen anhand des Bildes mit hoher Auflösung, um Merkmale des bestimmten Teiles der Zelle festzustellen;

c) Erzeugung eines Bildes der Zelle mit geringer Auflösung, bei dem das Sichtfeld die gesamte Zelle umfaßt;

d) Durchführung von Messungen und Analysen anhand der BiLder mit geringer Auflösung, um Merkmale festzustellen, die sich aus eier gesamten ZeilIe ableiten lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zu untersuchende Zelle eine cervicale KpLthe 1-zelle und als bestimmter Teil deren Zellkern verwendet werden.

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INSPECTED

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Untersuchungsobjekt Zellabstriche des sog. Pap-Tests verwendet werden, bei dem die Struktur des Zellkerns bei hoher Auflsöung und die Zelle und ihr Zytoplasma bei geringer Auflösung gemessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes erzeugte Bild auf eine optische Abtast-(Scanning-) Vorrichtung projiziert wird und in eine Digitalmatrix mit wenigstens 10.000 Bildelementen umgewandelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, zur Untersuchung einer Zellprobe mit einer Vielzahl von Zellen, bei der maligne Zellen herausgefunden werden sollen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Einbringen der Probe in den Bereich eines ersten optischen Systems, so daß ein erstes Bild mit ausreichender Auflösung des Zellkerns einer zu untersuchenden Zelle hergestellt wird, aus dem Informationen bezüglich der Zellstruktur al)leitbar sind;

b) Projizieren des ersten Bildes auf opto-elektronische Mittel, um elektrische Signale entsprechend

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dem ersten Bild zu erzeugen;

c) Durchführung von Messungen und Analysen anhand der elektrischen Signale, um die Zellkernstruktur festzustellen;

d) Verkleinerung des ersten Bildes, um ein zweites Bild mit verkleinerter Auflösung zu erhalten, das die gesamte zu untersuchende Zelle zeigt;

e) Projizieren des zweiten Bildes auf opto-elektronische Mittel, um elektrische Signale entsprechend dem zweiten Bild zu erzeugen;

f) Durchführung von Messungen und Analysen anhand der elektrischen Signale, die sich auf die Zelle und ihr Zytoplasma beziehen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild mit hoher Auflösung mit einer etwa hundertfachen Vergrößerung der Zelle hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild mit geringer Auflösung durch Verkleinerung des Bildes mit hoher Auflösung bei gleichzeitiger Vergrößerung des Sichtfeldes hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß bei dem Bild mit hoher Auflösung diese im Bereich von etwa 0,125 bis etwa 0,250 Mikrometer liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Bild mit geringer Auflösung diese im Bereich zwischen etwa 0,7 bis 2,0 Mikrometer liegt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Einzelteile:

a) Mittel zur Erzeugung eines Bildes der Zelle mit hoher Auflösung und hohem Gehalt an Detailinformationen für einen bestimmten Teil der Zelle;

b) Mittel zur Durchführung von Messungen und Analysen anhand des Bildes mit hoher Auflösung, um Merkmale des bestimmten Teiles der Zelle festzustellen;

c) Mittel zur Erzeugung eines Bildes der Zelle mit geringer Auflösung, bei dem das Sichtfeld die gesamte Zelle umfaßt;

d) Mittel zur Durchführung von Messungen und Analysen anhand des Bildes mit geringer Auflösung, um Merkmale festzustellen, die sich aus der

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gesamten Zelle ableiten lassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Bildes mit hoher Auflösung eine optische Objektivlinse mit wenigstens hundertfacher Vergrößerung umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet weiterhin durch Mittel, mit dem eine Klassifikation der Zellen unter Berücksichtigung der Merkmale durchgeführt werden kann, die aus den genannten Messungen und Analysen ableitbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel gemäß Merkmal b) und d) folgende Einzelelemente umfassen:

- Vidio-Abtastvorrichtungen, die eines der Bilder empfangen und dafür representative elektrische Analogsignale erzeugen,

- Analog-Digital-Konverter

- logische Schaltkreise zur Durchführung von Messungen und Analysen anhand von Digital-Signalen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel gemäß Merkmal c) folgende Einzelelemente

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umfassen:

- Strahlteiler (20), die in optischer Aufreihung mit der Objektivlinse (12) liegen und das erzeugte Bild in zwei Bildpfade (18, 22) aufspalten,

- Mittel (26), die sich in einem der Bildpfade befinden und das Bild mit hoher Auflösung verkleinern und ein Bild mit geringer Auflösung, jedoch vergrößertem Blickfeld erzeugen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel gemäß Merkmalen b) und d) simultan zu betreiben sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende Einzelteile:

a) Vorrichtungen, um eine Probe im optischen Erfassungsbereich einer optischen Vorrichtung zu halten;

b) eine optische Vorrichtung, die ein Bild mit hoher Auflösung von einem Teil einer zu untersuchenden Zelle ergibt, welche für den zu untersuchenden Zellteil eine detaillierte Information ergibt;

c) Strahlteiler, um das Bild auf zwei Bildpfade aufzuspalten;

d) erste opbo-elektronische Mittel, die sich in einem

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der Bildpfade befinden und das Bild mit hoher Auflösung empfangen und elektrische Signale ergeben, die diesem Bild entsprechen;

e) ein erster elektrischer Schaltkreis, der die Ausgangssignale empfängt und Meß- und Analysenwerte ergibt, die die Bestimmung von Merkmalen gemäß den Detailinformationen der genannten Teile der Zelle ermöglicht;

f) Verkleinerungsvorrichtungen, die das Bild mit hoher Auflösung verkleinern und ein vergrößertes Blickfeld ergeben, das die gesamte zu untersuchende Zelle abbildet;

g) zweite opto-elektronische Mittel, die das zweite Bild mit geringer Auflösung empfangen und elektrische Signale ergeben, die dem zweiten Bild entsprechen;

h) ein zweiter elektrischer Schaltkreis, der die letztgenannten Ausgangssignale empfängt und Messungen und Analysen durchführt, um Merkmale, die der Gesamtzelle entsprechend, zu bestimmen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, 14 oder 16, gekennzeichnet durch Filtervorrichtungen (30), die in den Bildpfad (18) eingeschaltet sind.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtungen ein Filterrad (30) mit einem oder mehreren Filterabschnitten umfassen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die opto-elektronischen Mittel gemäß Merkmalen

d) und g) analoge Ausgangssignale erzeugen, und daß die elektrischen Schaltkreise gemäß den Merkmalen e) und h) A/D-Konverter enthalten, die die genannten Ausgangssignale in digitalsignale umwandeln.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Video-Monitor (38, 58) vorgesehen ist, der die elektrischen Ausgangssignale empfängt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenträger elektrische steuerbar innerhalb des optischen Erfassungsbereiches beweglich angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter elektrischer Schaltkreis vorgesehen ist, der Informationsdaten vom ersten und zweiten Schaltkreis empfängt und aufgrund der Informationsdaten eine Klassifikationsentscheidung durchführt.

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23. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Schaltkreis unabhängig voneinander und simultan zu betreiben sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Bild mit hoher Auflösung diese im Bereich von etwa O,125 bis etwa 0,250 Mikrometern liegt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Bild mit geringer Auflösung dieses im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 2,O Mikrometern liegt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 10 zur automatischen Analyse von Organismus-Zellen, die Teil einer Zellprobe, eines Abstriches sind, wobei maligne Zellen rasch klassifiziert werden sollen, umf-isüend folgende Einzelelemente:

a) Tragmittel, um das Probenelement im optischen Erfassungsbereich eines ho· haut lösenden optischen Vergröi3erungssystems zu halten;

b) optische Vergröi3erung£>elemente, die ein Bild mit hoher Auflösung des Zellkerne« einer zu untersuchenden Zelle ergeben;

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c) Strahlteiler, um das Bild auf wenigstens zwei optische Bildpfade aufzuteilen;

d) erste Mittel, die mit einem der Bildpfade verbunden sind und das Bild mit hoher Auflösung empfangen und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das das letztgenannte Bild repräsentiert;

e) Mittel, die mit dem Mittel gemäß Merkmal d) gekoppelt sind und das Ausgangssignal empfangen und eine erste Digitalmatrix erzeugen, die das Bild repräsentiert, wobei die Matrix in der Größenordnung wenigstens 10.000 Bildelemente umfaßt;

f) ein erster Schaltkreis, der die genannte Digitalmatrix misst und analysiert und Informationen erzeugt, die sich auf die Struktur des Zellkerns der zu untersuchenden Zelle beziehen;

cj) Mittel, die mit dem anderen Bildpfad verbunden sind zur Verkleinerung des erzeugten Bildes, um ein Bild mit kleinerer Auflösung, aber vergrößerten Bildfeld zu erzeugen, welches die gesamte Zelle umfaßt;

h) zwtiite Mittel, die sich in dem zweiten Bildpfad befinden, das Bild mit geringer Auflösung empfancjnn und elektrische Ausgangssignale erzeugen, die dem zweiten Bild entsprechen;

i) Mittel, die mit dem zweiten Mittel gem. h) verbunden

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sind und die Ausgangssignale empfangen und eine zweite Digitalmatrix erzeugen, die ebenfalls in der Größenordnung etwa 10.000 Bildelemente erzeugt;

j) ein zweiter Schaltkreis, der die zweite Matrix misst und analysiert und Informationen erzeugt, die sich auf die Dichte und die Größe des Zytoplasmas und auf den Kern der zu untersuchenden Zelle beziehen;

k) Möglichkeit, den ersten und den zweiten elektrischen Schaltkreis unabhängig und simultan zu betreiben.

27. Vorrichtung zur Analyse von Organismus-Zellen, die Teil einer Zellprobe, eines Abstriches oder dergleichen sind, wobei maligne Zellen, die in der Probe vorhanden sind, klassifiziert werden können, gekennzeichnet durch folgende Einzelelemente:

a) Halterungen für die Proben, die mit Vorrichtungen ausgestattet sind, die eine Bewegung der Probe innerhalb des optischen Erfassungsbereiches erlauben;

b) erste optische Elemente, die ein Bild mit hoher Auflösung eines Teiles der Probe erzeugen;

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c) OjJt-(J-( It ];i roni sehe Mittel, die mit den Teilen gemäß IV-i !.mal 1>) verbunden sind, das Bild hohe Auflösungen empfangen und ein el el; irisches Ausgangssignal ei zeugen, das dem Bild ent sjjiicht;

d) ein π i>i ei Scha] 1 kreis , der die Ausgangssignale

ehr oj)t o-elokt ι oni sehen Mittel aufnimmt und Messungen und Analysen in Bezug auf die Struktur des Kerns der zu unt ei .suchenden Zelle vornimmt;

e) zweite opiische Mittel, die optisch mit den ersten optischen Mitteln gekoppelt sind und das Bild mit hohen /mi Joining verkleinern, wobei sich ein Bild kleiiK'i hui lösung ergibt, das wenigstens die gesamte zu unt ei .suchende i',(!lle darstellt;

f) zweite? ο] Ά o-elel.t ronische Mittel, die optisch gekoppeli i-ind, so daß sie das Bild mit geringer /uii lösung empfangen und ein eleki ι isches Ausgangssigna] (-11(!U(JCi], da« dem Bild entsjjricht;

g) zweit ei d eki ι i scher Schaltkreis, der das Ausgangssigna] de:; -/weiten opt o-elektroni sehen Mittels emjjfänqt und Messungen und Analysen in Bezug auf die Dicht( und die Größe des Zellkerns und Zytoplaijiiinn der r.u untersuchenden Zelle durchführt;

h) ein diiit(i Schaltkreis, der mit dem ersten und zweit (Ui logischen Schaltkreis verbunden ist und die zu uni ei iHH-luniden Zellen klassifiziert, wobei

0 0 9 (J .Ι 0 / 0 8 0 0

3 -

Informationen verwendet werden, die von dem ersten und zweiten Schaltkreis stammen.

28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte opto-elektronische Vorrichtung ein Analog-AusgangssignaL erzeugt, und daß der erste und zweite Schaltkreis Vorrichtungen umfassen, um das Analog-Signal in Digitalsignale umzuwandeln und weiterhin logische Schaltelemente enthält, um die genannten Messungen und Analysen der Digitalsignale durchzuführen.

29. Automatische Vorrichtung zur Analyse von Pap-Abstrichen, gekennzeichnet durch Mittel, um ein Abstrichgläschen zu halten und weiterhin durch optoelektronische Mittel, um ein Zeilbild zu erzeugen sowie elektrische Ausgangs»ignale, die das ZelibiId repräsentieren, wobei insbeisotidcr-.! weitere optoelektronische Mittel vorgesehen sind, um simultan ein Bild de;:; Zellkernes hnr/.ustol I -n .suv/it; elnktri ■ sehe Ausganges ignale, din ;la.j uwuwX ·*. IÜld reprüsen tieren.

K), Vorrichtung nach Anspruch '), di-lif 'h jiil'a-nn'.'.eichn >t , ilaß die opto-elektronischen Μί.Π<;1 ;iii HiId de:;

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ZeLlkernes mit hoher AufLösuncj hersteLLen aLss für das BiLd der ZeLLe se Lbst vorgesehen ist.

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