E_mail: چکیده فرکتال تشخیص دهد. مقدمه متحرک[ 2 ].

Transcript

1 آنالیز کامپیوتری مسیر حرکت اسپرم و استخراج بعد فرکتال نویسندگان : ٣ ٢ ١ مریم پنجه فولادگران محمدحسن مرادی وحیدرضا نفیسی ٤ روشنک ابوترابی تهران دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات دانشکده مهندسی پزشکی E_mil: mrym_pfg@yhoo.com چکیده آنالیز مایع منی مهمترین فاکتور در تشخیص قدرت باروری مردان می باشد. خصوصیت جلوروندگی اسپرم بعنوان یک پیش بینی از قدرت باروری مردان است و در مراحل تولیدمثل به شکل مهمی شرکت می کند. آنالیز حرکتی اسپرم اساس تعیین پارامترهای جنبشی حرکت اسپرم می باشد. هدف ازاین مقاله بدست آوردن مسیر حرکت اسپرم از طریق آنالیز کامپیوتری بر روی فیلمهای میکروسکوپی می باشد. اهمیت این روش در این است که می تواند مسیر حرکت اسپرم رابا دقت خوبی صحیح تشخیص داده و در صورت آیجاد خطا در مسیر حرکت استخراج شده محل آن را با استفاده از بعد فرکتال تشخیص دهد. واژههای کلیدی: مسیریابی- اسپرم-بعد فرکتال - آنالیز کامپیوتری مقدمه آنالیز مایع منی مهمترین فاکتور در تشخیص قدرت باروری مردان می باشد. اینکه آنالیز مایع منی با دقت و صحیح انجام شود در نتیجه بسیار مو ثر است []. ارزیابی مایع منی شامل خصوصیات مورفولوژیکی و حرکتی اسپرم می باشد. خصوصیت جلوروندگی اسپرم بعنوان یک پیش بینی از قدرت باروری مردان است و در مراحل تولید مثل به شکل مهمی شرکت می کند. آنالیز حرکتی اسپرم اساس تعیین پارامترهای جنبشی حرکت اسپرم می باشد[ ]. قدرت حرکت اسپرم ها از دو جهت کلی مورد توجه است: اولا درصد اسپرم های دارای تحر ک در مایع منی و ثانیا کیفیت حرکت اسپرم از نظر نوع حرکت اسپرمهای متحرک[ ]. WHO یک ارزیابی بر اساس تعیین درصد هر یک از چهار گروه حرکتی اسپرم در نمونه بیان کرده است: دانشجوی کارشناس ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات دانشیار دانشگاه صنعتی امیرکبیر دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر استادیار دانشگاه علوم پزشکی اصفهان 3 4

2 ( حرکت جلو رونده سریع ( حرکت جلو رونده کند (3 بدون حرکت جلو رونده ( 4 ساکن[ ]. اهمیت آنالیز کامپیوتری حرکت اسپرم در دسترسی به مقادیر کم ی است. آنچه لازمه دستیابی به کمیتی صحیح است بدست آوردن یک مسیر حرکت صحیح می باشد. الگوریتم مسیریابی باید قادر به دنبال کردن اسپرم در تمامی فریم های متوالی برداشت شده توسط دوربین باشد تا جای ممکن از خطاها جلوگیری کند. اصول تعیین مسیر حرکت بر پایه دنبال کردن اسپرم در محدوده اطراف محل اسپرم در فریم قبلی می باشد. از ویژگی های خاص اسپرم از جمله مساحت سر زاویه محور اصلی که خود در مشخص کردن جهت حرکت بسیار تعیین کننده است برای یافتن مکان دقیق اسپرم و تمایز آن از دیگر اجزا استفاده می شود. اشکالاتی که اصولا در تعیین مسیر حرکت ایجادمی شود خصوصا در نمونه هایی با غلظت بالا اشتباه شدن مسیر در اثر عبور اسپرمها از روی البته در صورت است. یکدیگر بررسی کل مسیر دنبال شده می توان محل ایجاد خطا را با استفاده از خصوصیت حرکتی اسپرم بدست آورد. اسپرمها به صورت جلو رونده حرکت می کنند و نباید در زمان کوتاه انحراف شدید از مسیر داشته باشند که این خود نشان دهنده ایجاد اشتباه در الگوریتم مسیریابی است که احتمالا در اثر عبور اسپرمها از روی یکدیگر ایجاد شده است. در این مقاله برای تشخیص خطای مسیر بعد فرکتال آن محاسبه شده است که نماینده پیچیدگی مسیر است. اهمیت این روش مسیریابی به دلیل قدرت بالای آن در تشخیص مسیر حتی در نمونه هایی با غلظت بالاست. آنالیز کامپیوتری این امکان را به کاربر می دهد که در یک زمان تعداد بالایی از اسپرمها را تعیین مسیر و در پی آن دسته بندی حرکتی نماید. علاوه بر این با بدست آوردن مسیر اطلاعاتی در مورد سرعت حرکت و فرکانس ضربه ای سر و غیره بدست می آید که با آنالیز چشمی این امر کاملا غیر ممکن است[ ٣ ]. هم اکنون در کشور ما آنالیز بطور چشمی انجام شده که فقط امکان دسته بندی حرکتی اسپرم ها وجود دارد و بستگی به تجربه فرد دارد. مواد و روشها : روش ضبط فیلمهای مورد استفاده: فیلمهایی که برای این پژوهش مورد استفاده قرار گرفتند از نمونه های منی افراد مراجعه کننده به مرکز باروری- ناباروری اصفهان برداشت شده اند. روش کار به این صورت است که ابتدا نمونه اراي ه شده در انکوباکتور به مدت محدود 30 دقیقه قرار می گرفت و پس از یکنواخت سازی نمونه قطره ای به میزان 0 میکرولیتر بر روی لام قرار داده می شد. برای تولید این فیلمها از میکروسکوپ معمولی نوع ZEISS با بزرگنمایی میکروسکوپ میانی بهمراه دوربین ( 0 چشمی 40 شیي ی و بزرگنمایی دیجیتال Moticm 480 استفاده شده است. رزولوشن فیلمهای ثبت شده با نرخ فیلم برداری 30 فریم در ثانیه می باشد. شرایط محیطی ثبت فیلمها از جمله نوردهی میکروسکوپ دمای محیط نور محیط شفافیت آي ینه ها و لنزهای میکروسکوپها (بطور تصادفی در هنگام ضبط اطلاعات متفاوت بوده اند. ١ بهبودسازی تصویر : به منظور بهبود کیفیت تصویر جهت بدست آوردن نتیجه بهتر در مسیریابی ابتدا از یک روش بهبودسازی استفاده می شود. دو مسي له اصلی در الگوریتم مسیریابی اختلال ایجاد می کند[ 4 ]:. مرحله اول هدف حذف کامل قسمت های ثابت در است. این مرحله اطلاعات مربوط به فریم های مختلف برای حذف قسمت های ثابت بکار برده می شود. در اصل سطح روشنایی مربوط به هر پیکسل از تصویر در فریم های متوالی آنالیز می شود تکرار پذیری سطح روشنایی یک پیکسل در فریم های متوالی نشان دهنده جزء ثابت بودن آن می باشد. اگر هیستوگرام مربوط به یک پیکسل i j H i j ( k زیر بدست می آید: در فریم های مختلف باشد سطح روشنایی زمینه از رابطه Enhncement

3 ( ( ( B mx 0... (١ i j H i j k k L که به این ترتیب اجزا ساکن از تصویر حذف می شوند: I ( i j t f ( i j t B ( i j t... m (٢. مرحله دوم هدف حذف یا کاهش اثرات اجرایی دارای مرز مبهم است. در این قسمت عمل I انجام می شود. بهبودسازی تصویر بر روی برای این منظور از تبدیل ویولت استفاده شده است. W T{ I} (٣ W ( p q t m I ( i j t ψ( i m p j m q m i j t... m بزرگتر بودن مقدار تبدیل ویولت مربوط به تغییرات آرام در سطح روشنایی در تصویر می باشد و این تغییرات اندک در تصویر مربوط به اجزا با سرعت کم می باشد. بنابراین حذف ضرایب تبدیل ویولت در شاخص های بزرگتر اثر تغییرات کند در تصویر را کاهش می دهد. mx mx m (۴ W ( ( p q t 0 for ll p q mx (5 پس از حذف این ضرایب الگوریتم بهبودسازی با اعمال معکوس عمل ویولت به پایان می رسد: (:: t T { W (; t } I : 3 بنابراین در جهت افزایش سرعت الگوریتم فقط از دومین زمینه تصویر اول استفاده می شود: B ( i j I ( i j I ( i 3 j (6 به این ترتیب بر روی تمامی فریم ها با استفاده از رابطه زیر عمل بهبودسازی انجام می شود: تعیین درصد حرکت اسپرم ها در مایع : همانطور که درمقدمه گفته شده تعیین درصد اسپرمهای متحرک در مایع یکی از موارد مهم است. برای بدست آوردن اسپرمهای بی حرکت به صورت زیر عمل می شود: ( i j I ( i j I ( i j I 3 (٨ با توجه به رابطه بالا I ماتریس تصویر فریم اول مورد نظر برای مسیریابی و I ماتریس تصویر همان فریم پس از بهبودسازی (حذف زمینه است که در آن تصویراجزاء متحرک وجود دارد. در این صورت I 3 ماتریس اجزاء ساکن ١ می باشد با استفاده از یک الگوریتم تفکیک [5]. تمامی قسمت ها از زمینه تفکیک می شود و برای تشخیص اسپرم ها از دیگر اجزا قسمتهایی که دارای مساحتی بین 4 تا 6 پیکسل هستند اسپرم شناخته می شوند. با تعیین تعداد پیکسل های موجود در هر مرز بسته تعداد اسپرمها مشخص می شود. روش مسیریابی اسپرم : توسط این روش امکان تعیین مسیر تمامی اسپرمهای موجود در تصویر و یا اسپرمهای انتخابی توسط کاربر امکان پذیر است. در صورتیکه یک اسپرم توسط موشواره کامپیوتر در تصویر انتخاب شود. این اسپرم طبق روش[ 5 ] از زمینه تفکیک می شود. پس از جداسازی از تصویر باید یک نقطه بعنوان شاخص محل اسپرم در هر فریم در نظر گرفته شود. برای این منظور مرکز ثقل سر اسپرم (مرکز ثقل محل تلاقی محور اصلی و فرعی اسپرم تفکیک شده از زمینه است در هر فریم بصورت زیر بدست می آید: در صورتیکه ماتریس مختصات پیکسلهای روی مرز قسمت N S i باشد که هر کدام از n پیکسل مرزی دارای مختصات (ij هستند. { n ( i j n ( i j.. n ( i j } N n n n (٩ برای هر یک از پیکسل ها برداری از فاصله آن پیکسل تا دیگر پیکسل ها بدست می آید و ماکزیمم فواصل تعیین می شود: ( i j t f ( i j t B ( i j B ( i j t m I... 4 (7 Segmenttion

4 dmx d ( n n ( i i + ( j j Mxd { ( n n d( n n... d( n } n 3 n n (١٠ و به این ترتیب محور اصلی سر بدست می آید : { dmx dmx } Mjorxis Mx dmx... n n nn (١١ حال مختصات دو سر محور اصلی اسپرم ( i j n ( i j n بدست آمده است و پیکسلهای روی مرز توسط محور اصلی به دو قسمت تقسیم می شود که فاصله هر پیکسل روی مرز اصلی توسط رابطه زیر بدست می آید: m ( i m j m ( i i ( j j ( j j ( i i m m ( j j + ( i i (١٢ از محور d m همچنین مختصات نقطه محور اصلی(پای ارتفاع برابر است با ( x h. y h متناظر آن( : ( j j ( i i ( x i (١٣ روی x h µ µ i im j µ µ + µ y µ + j h h + j m مجموع فاصله دو نقطه از دو طرف محور که دارای پای ارتفاع یکسان هستند را بدست آورده حداکثر این فواصل اندازه محور فرعی را تعیین می کند. مختصات مرکز ثقل پای ارتفاع متناظر با دو نقطه مربوط به دو سر محور فرعی است. پس به این ترتیب شاخص اسپرم در فریم اول تعیین می شود که برای یافتن مکان اسپرم در فریم های بعدی مورد استفاده قرار می گیرد. بر اساس تعریف WHO حداکثر قدرت پیش روندگی یک اسپرم در هر ثانیه بیش از 5 برابر اندازه سر خود می باشد.همانطور که گفته شد فرکانس تصویر برداری 30 فریم در ثانیه بوده است. پس حداکثر مسافتی که یک اسپرم می تواند در فاصله دو فریم متوالی طی کند /6 اندازه سرخود است. حداکثر مساحت سر یک اسپرم 6 پیکسل است. پس یک اسپرم می تواند حداکثر 7 پیکسل را در زمان بین دو فریم متوالی طی کند. حال برای استخراج محل اسپرم در فریم بعدی یک مربع 6 6 به مرکزیت مرکز ثقل اسپرم در فریم قبل در نظر گرفته و عمل تفکیک در کل مربع انجام می شود (استفاده از مربع 6 6 به علت حداکثر مساحت سر اسپرم است. در صورتیکه در مربع تفکیک چندین قسمت مجزا استخراج شود با مساحتهای این صورت : { S S... } S n { S S } S Mx... mx S n (١۴ S mx اگر. 4. پیکسل باشد (در در مواردی که چندین اسپرم به طور تداخلی در یک لحظه از روی یکدیگر عبور می کنند یا اسپرم حرکت عمودی داشته باشد اتفاق می افتد و در این صورت انتخاب صحیح اسپرم مشکل است. به همین دلیل برای جلوگیری از خطا اطلاعات مربوط به فریم مورد نظر را دور ریخته و اسپرم در همین فضای مربعی در فریم بعدی جستجو انجام می شود. در غیر این S mx باید قسمتهای صورت( 4 تفکیک شده از نظر زاویه سرمورد بررسی قرار گیرند. (منظور از زاویه سر زاویه قسمت تفکیک شده با محور x محور است. اصلی به این دلیل که حرکت اسپرم یک حرکت پیش رونده است و نمی تواند انحراف شدیدی نسبت به حالت خود در فریم قبل داشته باشد و در صورتیکه زاویه سر اسپرم استخراج شده بسیار متفاوت با زاویه آن در فریم قبل باشد S i اسپرم احتمالا دیگری بوده است. به این ترتیب زاویه سر S mx تا قسمتهای تفکیک شده به ترتیب از 4 محاسبه می شود. زوایه سر از رابطه زیر بدست می آید:

5 θ Arctg ( j j ( i i (١۵ اختلاف زاویه سر در دو فریم متوالی باید کمتر از < θ i 0 باشد. به θ i + 0 درجه 0 < این ترتیب از اولین جزیی که در این S mx شرط صدق کند اسپرم مورد نظر در فریم جدید می باشد و در این صورت محل اسپرم در فریم مورد نظر مشخص شده و با تعیین مرکز ثقل آن این نقطه بعنوان مختصات نقطه ورودی الگوریتم تقطیع در فریم بعد بکار برده می شود و با انجام عمل تفکیک در مربع 6 6 به مرکز نقطه ورودی اسپرم براساس شرایط گفته شده در بالا از بین دیگر اجزا متمایز می شود. تا آخرین فریم مورد نظر مسیریابی یابد. به این ترتیب ادامه می ٣. همواره در حین مسیریابی در هر فریم محل مربع تعیین صحت تفکیک از روی مختصات آن بررسی شده که به این ترتیب با خروج اسپرم از فریم(حوزه دید روند مسیریابی قطع می گردد. مسیر توسط بعد فرکتال: بعد فرکتال میزان پیچیدگی مسیر را بیان می کند و هدف این است با بدست آوردن خطا در الگوریتم مسیریابی خطای ایجاد شده در مسیر تشخیص داده شده و قسمت صحیح مسیر متمایز شود. بعد فرکتال مسیر حرکت اسپرم از رابطه زیر [6] بدست می آید: log( n D log( n + log( d L (١۶ که در آن : D بعد فرکتال n تعداد فواصل ردیابی d حداکثر فاصله هر یک از نقطه های مسیر تا نقطه اولیه L مجموع فواصل بین هر دو نقطه متوالی در طول. حداقل تعداد نقاط مسیر برای تعیین نوع حرکت اسپرم 30 نقطه [6] است. محاسبه بعد فرکتال مسیر به علت ایجاد یک خط شکسته برای تعیین بعد از نقطه سوم آغاز می شود. هرچه طول مسیر افزایش یابد بعد فرکتال کاهش یافته و به مقدار دقیق خود نزدیکتر می شود. در برداری که از محاسبه بعد فرکتال مسیر برای هر نقطه بدست آمده همانطور که از رابطه 6 مشخص است با افزایش فاصله از نقطه اول مسیر بعد فرکتال برای هر نقطه نسبت به نقطه قبل خود کاهش می یابد. در صورتیکه در این روند کاهش بعد فرکتال برای چند نقطه متوالی افزایش یابد خطای مسیر را مشخص می سازد. به این دلیل که در بعضی موارد حرکات ضربه ای سر اسپرم به طرفین ممکن است باعث افزایش بعد در یک نقطه شود. برای تعیین دقیقتر محل خطا در صورتیکه این افزایش بعد حداقل در 4 نقطه متوالی اتفاق بیافتد خطای مسیر اعلام می شود. نتایج : الگوریتم مسیریابی برای اسپرمهای مختلف در تصاویر با غلظتهای متفاوت اجرا شده است. برای تعیین دقت الگوریتم مسیریابی فرد اپراتور توسط موشواره محل اسپرم مورد نظر را در هر فریم مشخص کرده است. همانطور که گفته شد نقطه شاخص برای مسیر در آنالیز کامپیوتری مرکز ثقل است و کیفیت نامناسب تصاویر و همچنین نداشتن درک صحیح از مرکز ثقل تعیین آن توسط اپراتور کار مشکلی است. به همین دلیل برای به حداقل رساندن اختلاف با تعیین محل اسپرم از سوی اپراتور مرکز ثقل آن توسط کامپیوتر بدست آمده و جای گزین آن می شود. برای تعیین مقدار عددی از دقت الگوریتم مسیریابی مسیر از رابطه( 7 استفاده شده است که همان فاصله محل اسپرم بدست آمده توسط اپراتور و آنالیز کامپیوتری بعنوان خطا درنظر گرفته شده است. در آن ( i j C ماتریس مرکز ثقل بدست آمده توسط آنالیز کامپیوتری ( i j C o و ماتریس مرکز ثقل بدست آمده توسط اپراتور می باشد و n تعداد فریمهای مسیریابی شده است: n MSE n k ( ( ( C i j C i j o (١٧ کوچکتر بودن مقدارMSE نشان دهنده دقت عملکرد الگوریتم می باشد.

6 علت صفر نشدن MSE به دلیل حرکت عمودی اسپرمها در بعضی از فریمهاست که در این صورت از چشم اپراتور هم ناپدید می شود و تعیین یک نقطه دقیق غیر ممکن می شود. همانطور که گفته شد در ابتدا هدف بدست آوردن درصد اسپرمهای متحرک در مایع است. در شکل تصویر سمت چپ قسمتی از یک تصویر است که 4 اسپرم در آن دیده می شود که با استفاده از الگوریتم تفکیک و در نظر گرفتن محدوده 4 تا 6 پیکسل برای تشخیص اسپرم از دیگر اجزا تفکیک شده بدست آمده است. به ترتیب تصاویر بعدی مربوط به اسپرمهای متحرک و غیرمتحرک می باشد(که در این قسمتها هم باید برای تشخیص اسپرمها سطح مجاز را درنظر گرفته شده است. پس همانطور که مشخص است درصد حرکت در این تصویر 50 درصد می باشد. در شکل نمایشی از مسیر مشخص شده توسط اپراتور و آنالیز کامپیوتری می باشدو مقدار MSE برای هرکدام بدست آمده است. بعنوان مثال برای یک اسپرم با MSE برابر 306 نشان دهنده خطای الگوریتم در انتهای مسیر است. در شکل 3 عملکرد تصحیح مسیر توسط بعدفرکتال نشان داده شده است. بخش صحیح مسیر اسپرم که توسط آنالیز کامپیوتری بدست آمده مشخص شده است. به علت تغییر مسیر افزایش متوالی بعد فرکتال ایجاد شده است و به این ترتیب توسط آنالیز کامپیوتری خطا تشخیص داده شده است. در این تحقیق بدست آوردن یک مسیر حرکت برای اسپرم مورد نظر بود که سعی شد با دقت زیاد امکان ایجاد خطا کمتر شود ولی در عین حال مشکلات بسیاری در این جهت وجود دارد از جمله کیفیت پایین تصاویر و همچنین در بعضی موارد غلظت بالای نمونه بکار رفته برای تعیین مسیر اسپرم ها می باشد. اولا استفاده از میکروسکوپ های کنتراست فاز به جای میکروسکوپ های معمولی بکار رفته در این تحقیق و ثانیا استفاده از روشهای بهتری برای حذف زمینه و بهبودسازی تصویر و همچنین بکارگیری الگوریتم تفکیک با دقت بالاتر که توانایی جداسازی محل دم اسپرم را از زمینه داشته باشد می تواند در بالا بردن دقت الگوریتم مسیریابی موثر باشد. مراجع : - Menkueld R. nd Kruger T.F. Bsic semen nlysis 996 Humn spermtozo in Assisted Reproduction nd edn (London:Prthnon section7 - Young S.T. Rel time trcing t spermtozo IEEE Engineering in medicine nd iology Novemer/Decemer Aid M.Cncel Ojective evlution of hyperctivted motility in rt spermtozo using computer-ssisted sperm nlysis Humn reproduction vol.5 no.6 pp Nfisi Vhid RezMordi Mohmmd Hsn Nsr-Esfhni Mohmmd Hosein Atemplte mtching lgorithm for sperm trcking nd clssifiction Physiologicl Mesuement.6( طیفوری نیلوفر مرادی محمدحسن نفیسی وحیدرضا -4 معرفی روشی برای تقطیع اسپرم در تصاویر یکروسکوپی یازدهمین کنفرانس مهندسی پزشکی ایران دانشگاه صنعتی امیرکبیر 38-6 Shron T.Mortimer Minimum sperm trjectory length for relile determintion of frctl dimension Reprod Fertil. Dev

7 شکل - از سمت چپ تصویر اصلی تصویر اسپرمهای متحرک تصویر اسپرمهای ساکن بدست آمده درصد تحرک 50 می باشد. ( ( (c (d شکل - مسیر بدست آمده برای اسپرم در مدت ثانیه در یک فیلم.مسیر پر مربوط به مسیر بدست آمده توسط آنالیز کامپیوتری است و مسیر نقطه چین مربوط به مسیر بدست آمده توسط اپراتور است. مقادیر MSE هر کدام درج شده است.بعنوان مثال اسپرم با مقدار MSE3.06 همانطور که مشخص است در انتهای مسیر دچار خطا شده است.

8 شکل 3 - نمایش عملکرد الگوریتم تعیین صحت مسیر. مسیر نقطه چین از آنالیز کامپیوتری بدست آمده و مسیر پر توسط اپراتور مسیر نقطه گذاری شده قسمت صحیح مسیر آنالیز کامپیوتری توسط محاسبه بعد فرکتال بدست آمده و با ستاره مشخص شده است.