ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕРКУЛОВА КАТЕРИНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 0004.04:576.08

Автоматизована система визначення життєздатності клітин (на прикладі
культивованих фібробластів)

Спеціальність 05.13.06 –

“Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні
технології”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Донецькому національному технічному університеті
Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук,
професор

Спорихін Віктор Яковлевич,

Донецький національний технічний

університет МОН України, м. Донецьк, професор кафедри автоматизованих
систем управління.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
професор

Ткаченко Валерій Миколайович,

Інститут прикладної математики та
механіки НАН України, м. Донецьк, завідувач відділу теорії керуючих
систем.

кандидат технічних наук, доцент

Литвиненко Володимир Іванович,

Херсонський національний технічний

університет МОН України, м. Херсон, доцент кафедри інформаційних
технологій.

Провідна установа: Харківський національний
університет

радіоелектроніки МОН України, м. Харків.

Захист відбудеться “_2__”__лютого_____ 2006 р. о _13__ год. _00__ хв.
на засіданні спеціалізованої вченої ради К 11.051.08 в Донецькому
національному університеті, за адресою: 83055, м. Донецьк, пр.
Театральний, 13, корп. 4, ауд. 416.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного
університету за адресою: 83055, м. Донецьк,
вул. Університетська, 24.

Автореферат розіслано “_28_”_____грудня_____2005 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради К 11.051.08,

кандидат технічних наук Д. В. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для Донбасу з його розвиненою металургійною і
гірничодобувною промисловістю кількість людей, постраждалих від опіків
на підприємствах, є досить значною. Під час лікування опікових ран усе
більше застосування отримують культивовані фібробласти, що
використовуються як стимулюючий матеріал для росту тканин. Процес
культивування фібробластів у спеціалізованих лабораторіях вимагає
проведення контролю життєздатності вирощуваних клітин. У наш час
більшість використовуваних на практиці лабораторних методів дослідження
функціонального стану клітин потребують багато часу, вони трудомісткі, а
одержувані результати значною мірою суб’єктивні. Корекція ходу процесу
культивування на основі таких результатів є малоефективною і може
призвести до одержання фібробластів з низькою життєздатністю і
непридатних для лікування.

Ефективність управління процесом культивування та визначення
функціонального стану клітин можна підвищити шляхом використання
автоматизованої системи. Для розробки автоматизованих систем необхідні
нові методики визначення життєздатності клітин, які реалізуються за
допомогою сучасних комп’ютерних технологій. Такий підхід дозволить
розробляти програмне забезпечення, побудоване на основі новітніх методів
і алгоритмів обробки й перетворення інформації про стан культивованих
фібробластів. Цей перспективний напрям розробляється рядом провідних
учених країн СНД, серед яких значних результатів досягли Грицик В.В.
(Україна), Магакян Ю.О. (Вірменія), Дудкін К.Н. (Росія), Погорелов В.М.
(Росія), Медовий В.С. (Росія) та інші.

У зв’язку з цим актуальною науковою задачею є створення автоматизованої
системи визначення життєздатності клітин на прикладі культивованих
фібробластів, що використовує сучасні методи обробки й аналізу
зображень. Застосування автоматизованої системи дозволить досліджувати
життєздатність клітин без переривання процесу культивування і вчасно
коректувати його хід. Автоматизована система підвищить оперативність і
точність прийняття рішень про життєздатність клітин, що прискорить
процес вирощування, дозволить раніше розпочинати ефективне лікування
пацієнтів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна
робота виконана в рамках держбюджетних тем Донецького національного
технічного університету Н-30-2000 “Розробка науково-методичних основ
побудови і використання комп’ютерних систем технічної і медичної
діагностики в науковій і навчальній роботі” і Д-11-04 “Розробка і
дослідження нейромережевих та еволюційних методів побудови систем
прийняття рішення” (№ державної реєстрації 0104U002394). Тема
дисертаційної роботи відповідає договору № 2 від 9.03.2004 р. про
тристороннє співробітництво Донецького національного технічного
університету, науково-дослідницького інституту медичних проблем сім’ї
Донецького державного медичного університету ім. М. Горького й
інституту невідкладної і відновлювальної хірургії ім. В. К. Гусака АМН
України, відповідно до якого ведеться спільна інформаційна і
консультативна діяльність, а також спільна розробка програмного
забезпечення комп’ютерних систем визначення життєздатності клітин.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є розробка
автоматизованої системи визначення життєздатності клітин, що забезпечує
підвищення оперативності й точності прийняття рішення про життєздатність
фібробластів за рахунок використання методів, алгоритмів і програмного
забезпечення обробки інформації з застосуванням сучасної комп’ютерної
техніки.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовано і виконано такі
задачі:

створення автоматизованої системи визначення життєздатності клітин на
прикладі культивованих фібробластів;

вибір і дослідження методу оцінки життєздатності культивованих
фібробластів на першій стадії розвитку культури;

вибір і адаптація методу обробки зображень моношарів фібробластів на
другій стадії розвитку культури;

розробка алгоритмів і програмного забезпечення автоматизованої системи
визначення життєздатності клітин, експериментальні дослідження й
апробація.

Об’єкт дослідження: процес проектування й розробки компонент
математичного забезпечення автоматизованих систем обробки
експериментальних результатів й прийняття рішень.

Предмет дослідження: автоматизована система визначення життєздатності
клітин на прикладі культивованих фібробластів.

Методи дослідження, застосовані у роботі, базуються на використанні
основних положень теорії імовірностей і математичної статистики,
модульного підходу, теорії матриць, синергетики, системного підходу, а
також використані методи цифрової обробки зображень та методи
математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

Уперше запропоновано метод оцінки життєздатності клітин на основі
ентропійного еквівалента, який використовує характеристики зображень
клітин, що дозволяє виконувати за допомогою автоматизованої системи
контроль за станом фібробластів та призводить до скорочення часу
отримання готової культури.

Набув подальшого розвитку метод побудови класифікаційних векторів
зображень моношарів фібробластів, що ґрунтується на обчисленні
логарифмічно-полярних вейвлет-сигнатур, застосування якого забезпечило
незалежність результатів класифікації від кута повороту зображень та
підвищило точність прийняття рішень.

Уперше запропоновано метод класифікації зображень моношарів фібробластів
на основі одночасного використання відстаней Махалонобіса і Евкліда для
визначення належності вектора до еталонного класу, що дозволило
підвищити точність розпізнавання зображень та ефективність використання
вирощеної культури.

Уперше розроблено структуру автоматизованої системи визначення
життєздатності клітин і підтримки прийняття рішень про стан
культивованих фібробластів на основі обробки експериментальних
результатів оцінки культури на всіх стадіях її розвитку, що дозволяє
збільшити точність й оперативність прийняття рішень.

Практичне значення роботи.

Розроблено і впроваджено автоматизовану систему визначення
життєздатності клітин на прикладі культивованих фібробластів в інституті
невідкладної і відновлювальної хірургії ім. В. К. Гусака АМН України, що
дозволило підвищити оперативність і точність прийняття рішень про
життєздатність фібробластів.

Автоматизована система визначення життєздатності клітин, за допомогою
якої проводяться дослідження функціонального стану різних видів клітин,
впроваджена в науково-дослідному інституті медичних проблем сім’ї
Донецького медичного університету ім. М. Горького.

У держбюджетній темі Н-30-2000 використані методи визначення
життєздатності клітин, включені програмні засоби аналізу зображень
клітин і розрахунок їх характеристик. У держбюджетній темі Д-11-04
застосовано алгоритми і програмне забезпечення автоматизованої системи
визначення життєздатності клітин.

Розроблені алгоритми і програмне забезпечення застосовуються в
навчальному процесі під час виконання курсових робіт, дипломних проектів
і магістерських робіт студентами спеціальностей “Інформаційні
управляючи системи і технології” і “Спеціалізовані комп’ютерні системи”
Донецького національного технічного університету.

Особистий внесок дисертанта. Всі основні положення, результати
теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист,
отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача полягає в
наступному: [1, 5, 9] – обґрунтування і вибір методу визначення
життєздатності клітин на основі ентропійного еквівалента; [2, 3, 10] –
розробка архітектури автоматизованої системи; [4] – вибір характеристик
зображень клітин для розрахунку ентропійного еквівалента.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи
доповідалися на міжнародній практичній конференції “Обчислювальна
техніка в інформаційних і керуючих системах” (ПДТУ, м. Маріуполь,
2000 р.); на третій міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні
інформаційні й електронні технології” (м. Одеса, 2002 р.); на V-VII
науково-практичних міжнародних конференціях “Інформаційні технології в
освіті та управлінні” (м. Нова Каховка, 2003-2005 рр.); на
науково-практичному симпозіумі “Інформаційні технології для клінічної
практики” (м. Харків, 2005 р.); на розширеному семінарі кафедри
автоматизованих систем управління Донецького національного технічного
університету (м. Донецьк, 2005 р.); а також на розширеному науковому
семінарі кафедри комп’ютерних технологій Донецького національного
університету (м. Донецьк, 2005 р.).

Публікації. З теми дисертації опубліковано 10 наукових праць, з них 8 –
у провідних спеціальних виданнях, що входять у перелік ВАК України, інші
– у збірниках конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5
розділів, висновку, списку літератури з 101 джерела і 7 додатків. Вона
містить 52 ілюстрації, 17 таблиць. Загальний обсяг дисертації становить
232 сторінки, у тому числі 136 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи. Сформульовано
мету і задачі дослідження. Викладено основні результати, отримані в
роботі, показано їх новизну, а також відзначено їх наукову і практичну
значимість.

Перший розділ роботи присвячений огляду наукової літератури, визначенню
напрямів досліджень. Проведено аналіз сучасних автоматизованих систем
визначення функціонального стану клітин шляхом обробки їх зображень. У
переважній більшості, основними задачами розглянутих систем є виявлення
окремих клітинних структур, отримання їх яскравісних та геометричних
характеристик та розрахунок окремих параметрів. Такі системи дозволяють
ефективно вирішувати задачу класифікації клітин після використання
певних цитохімічних методів. Однак здійснювати спостереження за
клітинами у процесі росту культури та визначати їх життєздатність такі
системи не мають можливості. Програмне забезпечення більшості сучасних
автоматизованих систем не оснащене додатками, які дозволяють формувати
оцінку функціонального стану клітин для прийняття рішення про їх
життєздатність, а додавання додаткових модулів для розширення
функціональності не передбачається.

Проведено аналіз сучасних методів дослідження функціонального стану
клітин за їх зображеннями. Існуючі методи не дозволяють виконувати
оцінку життєздатності фібробластів. Аналіз процесу культивування
фібробластів показав, що велике значення для якості вирощуваної культури
й успішного лікування мають мікробіологічний і морфологічний контролі.
Мікробіологічний контроль здійснюється візуально і встановлює
відхилення від норми зовнішніх ознак культивованих фібробластів. При
морфологічному контролі клітини досліджуються після забарвлення, для
цього потрібний тривалий час для реалізації, а одержувані результати є
суб’єктивними. Тому необхідні нові методи визначення життєздатності
клітин, які можна використовувати при розробці автоматизованої системи.

На підставі проведеного аналізу було сформульовано мету, поставлено
задачі і вибрано напрями досліджень для розробки автоматизованої системи
визначення життєздатності клітин (АСВЖК) на прикладі культивованих
фібробластів.

У другому розділі проведено аналіз об’єкта комп’ютеризації. Уперше
розроблено структуру автоматизованої системи визначення життєздатності
клітин і підтримки прийняття рішень про стан культивованих фібробластів
на основі обробки експериментальних результатів оцінки культури на всіх
стадіях її розвитку, що подано на рис.1.

Рис. 1. Структурна схема автоматизованої системи визначення
життєздатності клітин

Подана структурна схема побудована з урахуванням результатів виконаних у
роботі досліджень зображень клітин у процесі росту культури, в яких
виявлено, що процес розвитку культури можна розподілити на дві стадії.
Показано, що на першій стадії доцільно аналізувати зображення окремих
клітин, визначаючи й досліджуючи їх характеристики. Друга стадія росту
культури характеризується щільним моношаром клітин, зображення якого
запропоновано аналізувати методами дослідження текстур.

У розробленій структурі автоматизованої системи запропоновано визначати
життєздатність клітин та приймати рішення про стан культивованих
фібробластів на основі обробки експериментальних результатів оцінки
культури на першій та другій стадіях її розвитку, що дозволить збільшити
точність й оперативність прийняття рішення.

Автоматизована система виконує функції: керування процесом
культивування, визначення життєздатності клітин і керування установою
(АСУ). Для виконання функцій визначення життєздатності клітин необхідно,
по-перше, розробити математичне забезпечення автоматизованої системи
визначення життєздатності клітин. З цією метою проведено аналіз
зображень фібробластів і обрано методи для їх обробки.

На першій стадії розвитку культури вперше запропоновано метод оцінки
життєздатності клітин на основі ентропійного еквівалента (ЕЕ), який
використовує характеристики зображень клітин:

, (1)

– це елементи матриці “стану” КМ:

– коефіцієнти кореляції між і-м і j-м параметром; q – кількість
параметрів.

Елементи головної діагоналі матриці “стану” визначаються як:

, l=1.. q . (3)

Проведено аналіз характеристик зображень клітин для розрахунку

ЕЕ і показано, що доцільно використовувати тільки ті, які описують форму
та розміри зображень клітин: площу, периметр, компактність, моменти
різних порядків і різниці цих моментів, а також інтегральну оцінку
множинності дескрипторів Фур’є.

:

– дескриптори Фур’є:

, (5)

=0,1,2,…,N*-1; N*– кількість пікселів контуру; K=41 – розрахована в
роботі кількість дескрипторів; Аmax – максимальне значення отриманих
дескрипторів; Zj=xj+iyj – послідовність координат точок контуру, яка
представлена в комплексному вигляді.

Запропонований метод дозволив виконувати за допомогою автоматизованої
системи контроль за станом фібробластів, що привело до скорочення часу
отримання готової культури.

На другій стадії розвитку культури в результаті аналізу знімків
моношарів культури, установлено, що зображення моношарів фібробластів
мають довільний кут нахилу. Крім цього, масштаб одержуваних знімків
різний за рахунок настроювання мікроскопа оператором перед одержанням
кожної серії зображень моношарів. Виявлені особливості знімків моношарів
фібробластів вимагають для їх обробки методу, інваріантного до кута
повороту зображень і змін масштабу.

У результаті обробки зображень моношарів необхідно побудувати
класифікаційний вектор. Стосовно поставленої задачі було використано
метод обчислення логарифмічно-полярних вейвлет-сигнатур на основі
дискретного вейвлет-пакетного перетворення, параметри якого було обрані.
Процес обробки зображень виконувався таким чином.

Вихідне зображення конвертувалося у SxR логарифмічно-полярне, при цьому
яскравісні значення пікселів залишалися колишніми, а змінювалися тільки
координати їхнього розташування. Полярна форма p(a,r) вихідного NxN
зображення f обчислювалась в такий спосіб:

, (6)

де а=0,…,S-1;r=0,…,[N/2]-1.

Потім формувалося логарифмічно-полярне зображення:

, (7)

де i=0,…,S-1і j=0,…,R-1…

.

Для кожного рівня виходило чотири зображення:

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

.

Потім аналогічно формувалось ще чотири зображення, кожне зі зрушенням на
один ряд. З метою підвищення ефективності класифікації текстур замість
декомпозиції кожного зображення були обрані певні зображення для
розкладання (декомпозиції). Для цього досліджуване зображення
попереднього рівня й отримані в результаті його розкладання вісім
зображень наступного рівня порівнювалися за інформативністю. Таке
порівняння дозволяло оцінити доцільність переходу на наступний рівень
від цього зображення і визначалося в такий спосіб:

(12)

де М – критерій оцінки інформативності зображення, який необхідно
задати.

. У результаті логарифмічно-полярного і вейвлет-пакетного перетворення
вихідного знімка розраховується деяка кількість енергетичних сигнатур,
що формують класифікаційний вектор.

Таким чином, щодо зображень моношарів поставлена задача подальшого
розвитку методу побудови класифікаційних векторів, що ґрунтується на
обчисленні логаріфмично-полярних вейвлет-сигнатур. Для рішення цієї
задачі необхідно експериментально обрати найбільш ефективний критерій
оцінки інформативності зображень, міру енергетичної сигнатури і
визначити кількість сигнатур у класифікаційному векторі.

У третьому розділі проведено дослідження ефективності оцінки
життєздатності клітини на першій стадії розвитку культури за допомогою
ентропійного еквівалента. Побудовано графіки зміни ЕЕ при різному
функціональному стані фібробластів у процесі їхньої штучної загибелі.
Установлено, що характер зміни ЕЕ цілком узгоджується з термодинамічними
уявленнями. Показано доцільність і ефективність використання
ентропійного еквівалента для оцінки життєздатності фібробластів в АСВЖК.

Проведено аналіз і вибір найменш корельованих характеристик зображень
клітин для розрахунку ЕЕ: площі, компактності, різниці моментів третього
і першого порядків, а також інтегральної оцінки множинності дескрипторів
Фур’є. Установлено взаємозв’язок між ЕЕ і рівнем життєздатності
фібробластів. Експериментально отримані діапазони зміни ЕЕ для
класифікації культури за рівнем життєздатності клітин на відмінно –
[1,5; 2,1], задовільно – (2,1; 3,2) і незадовільно – [3,2; 4,2].

R

’ ” – ? E yooeooooaeaeaeaeaeaeaeaeaeaeOooaeaeaeo

6

f

h

j

R

????R

|#TH’ /b23O3?4oeoeniaOIA»?—???&??

&

&

`„Ae

&

AE

&

AE

uluoufueuOyoeoeoeoeoeoenaoenUeUeIoeC»®»CUe

`„A

??????Т?Т??c?????????? ?Т?Т? вейвлет-сигнатур на другій стадії розвитку
культури. Проведені експерименти дозволили отримати залежності точності
класифікації зображень моношарів фібробластів від способу розрахунку
енергетичної сигнатури. Установлено, що найкраща точність класифікації
досягнута з використанням міри енергетичної сигнатури e2 – нормованого
середнього значення яскравісних характеристик зображень:

. (13)

Проведено експерименти з метою вибору критерію оцінки інформативності
зображень моношарів клітин, які показали (рис. 2а), що найбільш точна
класифікація досягається при використанні функції М1:

, (14)

де vi – нормована яскравісна характеристика пікселів зображення.

Отримано залежності точності класифікації зображень від кількості
енергетичних сигнатур при різному способі класифікації (рис. 2б).
Показано, що найбільш точно класифіковано зображення моношарів
фібробластів, що характеризуються 96 сигнатурами.

а) б)

Рис. 2. Залежності точності класифікації від критерію інформативності
(2а) та кількості сигнатур у класифікаційному векторі (2б)

Для рішення задачі визначення належності класифікаційного вектора до
еталонного класу вперше запропоновано метод класифікації (MhE) зображень
моношарів фібробластів, який використовує відстані Махалонобіса (Мh) і
Евкліда (Е) і за яким спочатку знаходяться відстані між класифікаційним
і еталонними векторами (15, 16).

, (15)

– транспонування; V – вектор середніх значень для еталонного класу.

Евклідова відстань розраховувалась також між вектором, який належить
класифікацій та вектором середніх значень для еталонного класу:

, (16)

де nэ – кількість елементів у векторах.

Для класифікації моношарів фібробластів обрані зображення еталонних
текстур з життєздатністю клітин, яка оцінена експертами як відмінна.
Експериментально отримані пороги для класифікації за допомогою відстаней
Махалонобиса і Евкліда. Розраховані відстані Мh та Е порівнювались з
установленими порогами. Якщо водночас Мh та Е менше (більше) заданих
порогів, приймалось рішення про придатність (непридатність) культури.
Якщо хоча б одна з отриманих відстаней була більшою заданого порогу,
культура є непридатною. Запропонований метод класифікації дозволив
отримати точність розпізнавання зображень 92% (рис. 2б). При цьому для
непридатних культур ця точність склала 98,8%. Таким чином,
запропонований метод класифікації зображень моношарів фібробластів на
основі одночасного використання відстаней Махалонобіса і Евкліда для
визначення належності вектора до еталонного класу дозволив підвищити
точність розпізнавання зображень і за рахунок цього – ефективність
використання вирощеної культури.

Експериментально встановлено, що точність класифікації зображень
моношарів фібробластів не залежить від кута повороту зображень. Показано
слабку залежність точності класифікації від невеликої зміни масштабу
зображень.

Розроблено підсистему підтримки прийняття рішень про стан культивованих
фібробластів, яка враховує особливості розвитку культури та результати
визначення життєздатності клітин на всіх стадіях. Оцінка життєздатності
клітин в підсистемі виконується шляхом обчислення коефіцієнта kf:

, (17)

де kfi, – значення параметрів, що характеризують результати визначення
життєздатності клітин на першій та другій стадіях розвитку культури
(i=1,2), а також деякі особливості розвитку культури: кількість
пройдених пасажів, періодичність пасирування і наявність нестандартних
особливостей розвитку. (i=3,4,5); a,b,c,d,e – вагові коефіцієнти
значимості параметрів, визначені експертами.

Запропоновані методи використано під час розробки автоматизованої
системи визначення життєздатності клітин на прикладі культивованих
фібробластів.

У четвертому розділі проведено дослідження особливостей процесу
культивування фібробластів в умовах спеціалізованої лабораторії
клітинного і тканинного культивування інституту невідкладної і
відновлювальної хірургії ім. В. К. Гусака (ІНВХ), результати яких було
покладено в основу розробки автоматизованої системи. З використанням
прогресивних комп’ютерних технологій створене інформаційне забезпечення,
спроектована і реалізована база даних.

На основі обраних методів і виконаних у розділах 2 і 3 досліджень,
розроблено й описано алгоритми реалізації процесів обробки зображень
фібробластів для визначення життєздатності на першій та другій стадіях
розвитку культури. На рис. 3 подано блок-схему алгоритму визначення
життєздатності клітин на другій стадії розвитку культури.

Рис. 3. Блок-схема алгоритму визначення життєздатності клітин на другій
стадії розвитку культури

Розроблені алгоритми покладені в основу програмного забезпечення
автоматизованої системи, створеного з використанням середовищ Borland
C++ Builder 6 та Borland Delphi 5. Із застосуванням сучасної
комп’ютерної техніки обрано комплекс технічних засобів для реалізації
АСВЖК.

У п’ятому розділі проведено експериментальні дослідження
автоматизованої системи визначення життєздатності клітин в умовах
лабораторії клітинного і тканинного культивування ІНВХ. Описано
реалізацію основних етапів керування процесом культивування клітин,
одержання, збереження й обробки необхідної для цього інформації до
впровадження АСВЖК і після її впровадження. Проведено порівняльний
аналіз оперативності прийняття рішень про життєздатність клітин. У
результаті проведених досліджень установлено:

— час прийняття рішень на першій стадії розвитку культури без
використання автоматизованої системи становить 67 хвилин, а при
вирішенні цієї ж задачі за допомогою АСВЖК у 2,9 рази менше – 23 хвилини
3 секунди;

— на другій стадії розвитку культури витрати часу на визначення
життєздатності вирощених клітин без використання автоматизованої системи
становить 1295 хвилин (21 година 53 хвилини), а з застосуванням АСВЖК –
14 хвилин 6 секунд.

Збільшення оперативності прийняття рішення на другій стадії розвитку
культури дозволяє розпочинати ефективне лікування пацієнта раніше
практично на добу (на 21 годину 39 хвилин).

На рис. 4 подано етапи розподілу часу, що був затрачений на виконання
всіх операцій, необхідних для визначення життєздатності клітин за весь
період культивування.

а) б)

Рис. 4. Етапи розподілу часу, що був затрачений під час виконання
операції визначення життєздатності клітин за весь період культивування

Застосування розробленої автоматизованої системи підвищує точність
визначення життєздатності культивованих фібробластів у середньому на
12%. Результати впровадження дозволили підтвердити ефективність
використання ентропійного еквівалента і встановлені діапазони його зміни
для виконання класифікації культур.

На основі аналізу досвіду застосування автоматизованої системи отримані
рекомендації для підстроювання параметрів у процесі експлуатації з метою
збільшення точності класифікації зображень. Досліджено можливість
адаптації розробленої автоматизованої системи для визначення
життєздатності інших типів клітин. Запропоновано способи
перенастроювання параметрів і структури системи для вирішення цієї
задачі. Визначено напрями розвитку автоматизованої системи для вирішення
задач у медицині і деяких галузях промисловості.

У висновках викладено найбільш важливі наукові і практичні результати,
отримані в дисертаційній роботі.

У додатках подано матеріали, що містять результати експериментів,
проведених у роботі, тексти програмних модулів, розроблених і
використаних при впровадженні автоматизованої системи, а також акти
впровадження основних результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу створення
автоматизованої системи визначення життєздатності клітин (на прикладі
культивованих фібробластів). Розроблена автоматизована система дозволяє
підвищити оперативність і точність прийняття рішень про життєздатність
культивованих клітин за рахунок використання методів, алгоритмів і
програмного забезпечення обробки інформації з застосуванням сучасної
комп’ютерної техніки.

У процесі проведення досліджень отримані наступні основні результати:

1. Уперше запропоновано метод оцінки життєздатності клітин на основі
ентропійного еквівалента (ЕЕ), який використовує характеристики
зображень клітин, що дозволяє виконувати за допомогою автоматизованої
системи контроль за станом фібробластів та призводить до скорочення часу
отримання готової культури. Проведено аналіз і вибір найменш
корельованих характеристик зображень клітин для розрахунку ЕЕ: площі,
компактності, різниці моментів третього і першого порядків та
інтегральної оцінки множинності дескрипторів Фур’є.

2. Набув подальшого розвитку метод побудови класифікаційних векторів
зображень моношарів фібробластів, що ґрунтується на обчисленні
логарифмічно-полярних вейвлет-сигнатур, застосування якого забезпечило
незалежність результатів класифікації від кута повороту зображень та
підвищило точність прийняття рішень. Експериментально обрано найбільш
ефективний критерій оцінки інформативності зображень, міра енергетичної
сигнатури (нормоване середнє значення яскравісних характеристик
зображень) та кількість сигнатур у класифікаційному векторі, яка
дорівнює 96.

3. Уперше запропоновано метод класифікації зображень моношарів
фібробластів на основі одночасного використання відстаней Махалонобіса і
Евкліда для визначення належності вектора до еталонного класу, що
дозволило підвищити точність розпізнавання зображень та ефективність
використання вирощеної культури. Запропонований метод дозволив
отримати точність розпізнавання зображень моношарів фібробластів, яка
дорівнює 92%. При цьому для непридатних культур ця точність склала
98,8%.

4. Уперше розроблено структуру автоматизованої системи визначення
життєздатності клітин і підтримки прийняття рішень про стан
культивованих фібробластів на основі обробки експериментальних
результатів оцінки культури на всіх стадіях її розвитку, що дозволяє
збільшити точність й оперативність прийняття рішень. Створено
інформаційну базу автоматизованої системи. Обрано комплекс технічних
засобів з використанням сучасної обчислювальної техніки. Виконано
розробку алгоритмів і основних програмних модулів автоматизованої
системи.

5. Здійснено дослідження ентропійного еквівалента для оцінки
життєздатності клітин на першій стадії розвитку культури. Установлено,
що характер зміни ЕЕ повністю узгоджується з термодинамічними уявленнями
і показано доцільність та ефективність його використання.
Експериментально отримані діапазони зміни ЕЕ для класифікації культури
за рівнем життєздатності клітин на відмінно – [1,5; 2,1], задовільно –
(2,1; 3,2) і незадовільно – [3,2; 4,2].

6. Проведено випробування автоматизованої системи визначення
життєздатності клітин в умовах лабораторії клітинного та тканинного
культивування інституту невідкладної і відновлювальної хірургії ім. В.
К. Гусака АМН України. Установлено, що застосування розробленої
автоматизованої системи підвищує точність прийняття рішень про
життєздатність культивованих фібробластів у середньому на 12% і збільшує
оперативність прийняття рішень.

7. Результати роботи використані в лабораторії клітинного і тканинного
культивування інституту невідкладної і відновлювальної хірургії ім. В.
К. Гусака АМН України, у науково-дослідній лабораторії НДІ медичних
проблем сім’ї Донецького медичного університету ім. М. Горького, у
держбюджетних темах Н-30-2000 і Д-11-04, а також у навчальному процесі
кафедри “Автоматизовані системи управління” Донецького національного
технічного університету.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Спорыхин В.Я., Адамова Е.В., Герасимов И.Г. Выбор критерия определения
жизнеспособности клеток для автоматизированной системы диагностики //
Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 20.
– Донецьк: ДонДТУ, 2000. – С. 224–230.

Спорыхин В.Я., Адамова Е.В. Автоматизация процесса исследования
функционального состояния клеток // Наукові праці Донецького державного
технічного університету. Випуск 25. – Донецьк: ДонДТУ, 2001. – С.
110–116.

Спорыхин В.Я., Меркулова Е.В. Автоматизированная система определения
жизнеспособности клеток // Наукові праці Донецького державного
технічного університету. Випуск 38. – Донецьк: ДонДТУ, 2002. – С.
110–115.

Спорыхин В. Я., Меркулова Е. В., Коков А. И. Автоматизированная
подсистема распознавания и оконтуривания клеток // Вестник Херсонского
государственного технического университета. – Херсон: ХГТУ, 2003. – №
2(18). – С. 162–166.

Спорыхин В.Я, Меркулова Е.В, Герасимов И.Г. Оценка жизнеспособности
клеток с привлечением положений термодинамики необратимых процессов //
Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск
74. – Донецьк: ДонНТУ, 2004. – С. 147–151.

Меркулова Е.В. Создание модели процесса определения жизнеспособности
культивируемых фибробластов для автоматизированной системы // Вестник
Херсонского государственного технического университета. – Херсон: ХГТУ,
2004. – № 1(19). – С. 250 –255.

Меркулова Е.В. Исследование модели процесса определения
жизнеспособности клеток // Наукові праці Донецького національного
технічного університету. Випуск 90. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. –
С. 83–90.

Меркулова Е.В. Применение энтропийного эквивалента в автоматизированной
системе определения жизнеспособности культивированных фибробластов //
Вестник Херсонского национального технического университета. – Херсон:
ХНТУ, 2005. – № 1(21). – С. 82–87.

Спорыхин В.Я., Адамова Е.В. Автоматизация процесса отбора жизнеспособных
клеток // Труды Междунар. практической конференции “Вычислительная
техника в информационных и управляющих системах”. – Мариуполь: ПГТУ,
2000. – С. 85–86.

Спорыхин В.Я., Меркулова Е.В. Автоматизированная система определения
активности клеток // Труды III международной научно-практической
конференции “Современные информационные и электронные технологии”. –
Одесса: СИЭТ, 2002. – С. 121.

Примітка. Прізвище аспіранта Адамова було змінене на Меркулова.

АНОТАЦІЯ

Меркулова К.В. Автоматизована система визначення життєздатності клітин
(на прикладі культивованих фібробластів). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі
спеціальності 05.13.06 – “Автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології”. – Донецький національний
університет, Донецьк, 2005.

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню наукової задачі розробки
автоматизованої системи визначення життєздатності клітин на прикладі
культивованих фібробластів. Уперше розроблено структуру автоматизованої
системи визначення життєздатності клітин і підтримки прийняття рішень
про стан культивованих фібробластів. На першій стадії розвитку культури,
запропоновано метод оцінки життєздатності клітин на основі ентропійного
еквівалента. Набув подальшого розвитку метод побудови класифікаційних
векторів зображень моношарів фібробластів, що ґрунтується на обчисленні
логарифмічно-полярних вейвлет-сигнатур. Уперше запропоновано метод
класифікації зображень моношарів фібробластів. На основі запропонованих
методів і алгоритмів реалізовано програмне забезпечення автоматизованої
системи визначення життєздатності клітин на прикладі культивованих
фібробластів, яка дозволяє збільшити оперативність і підвищити точність
прийняття рішення про життєздатність клітин.

Ключові слова: автоматизована система, ентропійний еквівалент, обробка
зображень, вейвлет-перетворення, алгоритми.

АННОТАЦИЯ

Меркулова Е.В. Автоматизированная система определения жизнеспособности
клеток (на примере культивированных фибробластов). – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по
специальности 05.13.06 – “Автоматизированные системы управления и
прогрессивные информационные технологии”. – Донецкий национальный
университет, Донецк, 2005.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача создания
автоматизированной системы определения жизнеспособности клеток (на
примере культивированных фибробластов). Разработанная
автоматизи-рованная система позволяет повысить оперативность и точность
принятия решений о жизнеспособности культивированных клеток, за счет
использования методов, алгоритмов и программного обеспечения обработки
информации с применением современной компьютерной техники.

Впервые предложен метод оценки жизнеспособности клеток на первой стадии
развития культуры на основе энтропийного эквивалента, использующего
характеристики изображений клеток, что позволяет выполнять с помощью
автоматизированной системы контроль за состоянием фибробластов и
приводит к сокращению времени получения готовой культуры. Проведен
анализ и выбор наименее коррелированных характеристик изображений клеток
для расчета ЭЭ: площади, компактности, разности моментов третьего и
первого порядков и интегральной оценки множества дескрипторов Фурье.

Получил дальнейшее развитие метод построения классификационных векторов
изображений монослоев фибробластов, основанный на вычисления
логарифмически-полярных вейвлет-сигнатур, применение которого обеспечило
независимость результатов классификации от угла поворота изображений и
повысило точность принятия решений. Экспериментально выбраны наиболее
эффективный критерий оценки информативности изображений, мера
энергетической сигнатуры (нормированное среднее значение яркостных
характеристик изображений) и количество сигнатур в классификационном
векторе, равное 96.

Предложен метод классификации изображений монослоев фибробластов на
основе одновременного использования расстояний Махалонобиса и Евклидова
для определения принадлежности вектора к эталонному классу, что
позволило повысить точность распознавания изображений и эффективность
использования выращенной культуры. Предложенный метод позволил получить
точность распознавания изображений монослоев фибробластов, равную 92%.
При этом для непригодных культур эта точность составила 98,8%.

Впервые разработана структура автоматизированной системы определения
жизнеспособности клеток и поддержки принятия решений о состоянии
культивированных фибробластов на основе обработки экспериментальных
результатов оценки культуры на всех стадиях ее развития, что позволяет
увеличить точность и оперативность принятия решений. Создана
информационная база автоматизированной системы. Выбран комплекс
технических средств с использованием современной вычислительной техники.
Разработаны алгоритмы и основные программные модули автоматизированной
системы.

Выполнены исследования энтропийного эквивалента для оценки
жизнеспособности клеток на первой стадии развития культуры. Установлено,
что характер изменения ЭЭ полностью согласуется с термодинамическими
представлениями и показана целесообразность и эффективность его
использования. Экспериментально получены диапазоны изменения ЭЭ для
классификации культуры по уровню жизнеспособности клеток на отлично –
[1,5; 2,1], удовлетворительно – (2,1; 3,2) и неудовлетворительно –
[3,2; 4,2].

Проведены испытания автоматизированной системы определения
жизнеспособности клеток в условиях лаборатории клеточного и тканевого
культивирования института неотложной и восстановительной хирургии (ИНВХ)
им. В. К. Гусака АМН Украины. Установлено, что применение разработанной
автоматизированной системы повышает точность принятия решений о
жизнеспособности культивированных фибробластов в среднем на 12% и
увеличивает оперативность принятия решений.

Результаты работы использованы в лаборатории клеточного и тканевого
культивирования ИНВХ, в научно-исследовательской лаборатории НИИ
медицинских проблем семьи Донецкого медицинского университета им. М.
Горького, в госбюджетных темах Н-30-2000 и Д-11-04, а также в учебном
процессе кафедры “Автоматизированные системы управления” Донецкого
национального технического университета.

Ключевые слова: автоматизированная система, энтропийный эквивалент,
обработка изображений, вейвлет-преобразование, алгоритмы.

ANNOTATION

Merkulova E. Automatized system of definition cells viability (by the
example of cultivated fibroblasts). – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Candidate
Techical Science on a speciality 05.13.06 – “Automatized control systems
and progressive information technologies”. – Donetsk national
university, Donetsk, 2005.

Dissertational work is devoted to problem of automatized system of
definition cells viability development. At the first stage when cells
are separated, for the first time a method of an estimation of cells
viability based on entropy equivalent is offered. The mathematical
method of fibroblasts monolayers image processing for definition of
viability cells at the second stage of culture grows is got approach and
investigated. The received method differs from others by log-polar
wavlet-signatures calculation. The automatized system of definition
cells viability is developed. Application of the developed automatized
system increases efficiency and raises accuracy of decision-making on
viability of cells.

Key words: automatized system, entropy equivalent, image processing,
wavlet-transformation, algorithms.

Похожие записи