Procedimiento de visión artificial para la detección de espermatozoides con colas en ovillo.

Procedimiento de visión artificial para la detección de espermatozoides con colas en ovillo.

Se describe un procedimiento automatizado de clasificación de semen basado en la captura de imágenes digitales de la muestra a clasificar. Dicho procedimiento hace uso de técnicas de manipulación de las imágenes digitales capturadas para detectar espermatozoides con colas en ovillo.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es un procedimiento automatizado para clasificar muestras de semen de forma automática en función de la presencia de espermatozoides con colas en ovillo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La existencia de espermatozoides con colas en ovillo en una muestra de semen es una variable a tener en cuenta en el proceso de valoración debido a su gran importancia para algunas especies animales, como es el caso del ganado porcino. Esta valoración se realiza habitualmente en los centros de producción de semen o en las granjas o centros donde se realiza la inseminación artificial por un operario especializado, normalmente un veterinario. Además, es habitual que los centros de producción o de inseminación guarden un histórico de la valoración realizada para ir clasificando al donante en función de la calidad de su semen durante un periodo de tiempo.

Fundamentalmente, la valoración se lleva a cabo basándose en la cantidad de gotas citoplasmáticas presentes en la muestra. En el caso que atañe a esta invención, concretamente en las gotas que conforman colas en ovillo. El proceso consiste en detectar y contar el número de espermatozoides que presentan esta anomalía. Al tratarse de un proceso manual, se evalúan únicamente unas pocas muestras por individuo, y además el procedimiento está sujeto a los típicos errores de la inspección visual humana: errores debidos al cansancio, a la falta de atención o a la disparidad de criterio entre operarios.

El análisis digital de imagen aplicado al estudio de imágenes médicas en general, y a la valoración de espermatozoides en particular, empezó a utilizarse hace más de una década. La mayoría de los trabajos realizados hasta el momento en este campo se limitan a analizar los resultados obtenidos al evaluar el semen con los sistemas CASA (Computer-Assisted Sperm Analysis, según sus siglas en inglés) existentes (C. Soler, J. J. de Montserrat, R. Gutiérrez, J. Núñez,

M. Núñez, M. Sancho, F. Pérez-Sánchez, y T.G. Cooper, "Use of the Sperm-Class Analyser for objective assessment of human sperm morphology", lnternational Journal of Andrology, Vol. 26, No. 5, 2003, pp. 262-270) , o bien comparan las medidas proporcionadas por distintos sistemas (J. Z. Chan, W. Krause, y C. Bohring, "Computer assisted analysis of sperm morphology with the aid of lectin staining", Andrologia, Vol. 34, 2002, pp. 379-383) . Otros trabajos analizan la morfometría de la cabeza del espermatozoide de distintas especies o bien estudian las subpoblaciones que aparecen en el semen de cerdo. Sin embargo, no se describe específicamente un método para realizar el estudio de las colas en ovillo presentes en algunos espermatozoides.

El procedimiento de la invención permite realizar la valoración seminal automática en función del número de espermatozoides con colas en ovillo en la imagen digital de una muestra, disminuyendo el tiempo necesario para el análisis, y mejorando además su fiabilidad. Este procedimiento es aplicable a la industria de producción animal, donde el empleo de controles de calidad en los principales parámetros seminales es indispensable para lograr un procesamiento preciso y eficiente de los eyaculados. El procedimiento de detección de espermatozoides con colas en ovillo de la invención es aplicable a distintas especies animales, aunque tiene una especial incidencia en la industria porcina. Por otro lado, en la industria de la reproducción humana el procedimiento de la invención se puede utilizar para valorar la calidad seminal de los pacientes en tecnologías relacionadas con la reproducción asistida.

En el presente documento, se entiende que las operaciones basadas en los tamaños de espermatozoides, cabezas o gotas, se realizan teniendo en cuenta la especie y los aumentos a los que se toma la imagen en cada aplicación concreta. Resulta evidente que no es igual el tamaño de un espermatozoide de cerdo que el de un espermatozoide humano, ni tampoco tiene el mismo tamaño la imagen de un espermatozoide de cerdo a 1 O aumentos que a 20 aumentos. Por otro lado, se empleará de manera general el término "imagen" para hacer referencia tanto a imágenes fijas (o fotografías) como a cada una de las imágenes presentes en una secuencia (o vídeo) .

El procedimiento para la detección de colas en ovillo de espermatozoide de la presente invención comprende las siguientes etapas:

Se adquiere una imagen de la muestra de esperma que se desea analizar, pudiéndose capturar como una imagen fija o procedente de una secuencia de vídeo, utilizando un microscopio acoplado a una cámara digital. La cámara digital está conectada a un ordenador en el cual se analiza la imagen digital adquirida. Preferentemente, las imágenes se capturan en contraste de fases negativo, aunque el sistema también podría funcionar en contraste de fases positivo. La imagen adquirida, por tanto, contiene espermatozoides y artefactos (se denominará artefacto a cualquier objeto de una imagen que no forma parte de un espermatozoide, como restos de suciedad o cuerpos extraños) .

De acuerdo con una realización preferida de la invención, a continuación se realiza un preprocesamiento de la imagen con el objeto de mejorar el contraste o simplemente reducir la profundidad de color de la imagen capturada.

La imagen resultante al término de esta primera etapa se denominará en el presente documento "imagen preprocesada", tanto si se ha realizado una etapa de preprocesamiento como si no se ha hecho.

2. Primera umbralización de la imagen preprocesada.

Seguidamente, la imagen se umbraliza de manera que se eliminen las colas y otros objetos de color más oscuro que el de las cabezas, gotas y los agrupamientos que aparecen en las colas en ovillo. Como la imagen está en campo oscuro, las cabezas, gotas y algunos artefactos aparecen casi en blanco, mientras que las colas presentan niveles de grises sensiblemente más oscuros.

Por lo tanto, aplicando un umbral adecuado a la imagen inicial, se consiguen eliminar las colas y se obtiene una imagen binaria con fondo negro que solo contiene cabezas, gotas, regiones similares a gotas de tamaño grande que forman las colas en ovillo y algunos artefactos, todos en blanco.

3. Obtención de cabezas y gotas.

Habitualmente, la imagen binaria obtenida después de la primera umbralización contiene, además de cabezas y gotas, artefactos que podrían confundirse con cabezas o gotas. En este paso, se eliminan todas las regiones obtenidas previamente cuyo tamaño difiera ostensiblemente del tamaño promedio de una cabeza, de una gota o del ovillo que se forma en las colas. Ese tamaño promedio es diferente para cada especie animal y depende de los aumentos a los que se ha capturado la imagen.

Posteriormente, se eliminan también aquellas regiones cuya forma no es similar a la de los tres objetos anteriores, utilizando para ello la relación de aspecto obtenida como el cociente entre el eje mayor y el eje menor del rectángulo circunscrito a la región.

4. Detección parcial de colas.

5. Unión de colas con cabezas y gotas.

En la umbralización previa es posible que algunas colas no se recuperarán completas y, por lo tanto, no hagan contacto con la cabeza o la región del ovillo. Para obtener una región continua se dilata la imagen previamente obtenida. De esta forma, la cabeza, cola y gota u ovillo final, pertenecientes al mismo espermatozoide, estarán en la misma región.

6. Selección de regiones dilatadas en función del tamaño y la relación de aspecto.

1. Procedimiento de visión artificial para la detección de espermatozoides con 1 O colas en ovillo a partir de una imagen digital inicial de una muestra ( 1) de semen que contiene espermatozoides y artefactos, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

-segmentar la imagen inicial empleando un umbral adecuado para eliminar únicamente las colas de los espermatozoides y otros artefactos;

-seleccionar las cabezas, gotas y ovillos presentes en la imagen eliminando para ello todos los objetos cuyo tamaño o relación de aspecto sea diferente al tamaño promedio y la relación de aspecto de una cabeza de espermatozoide, dado un margen de tolerancia;

-realizar una segunda umbralización, con un umbral superior al primero,

para incluir -parcialmente-las colas de los espermatozoides;

-dilatar la imagen previa para que tanto las cabezas con su posible cola y el ovillo formen una única región, que serán las posibles regiones candidatas para el proceso de selección;

- seleccionar las regiones candidatas eliminando todos los objetos cuyo tamaño o relación de aspecto sea diferente al tamaño promedio y la relación de aspecto de una cabeza con cola en ovillo; -eliminar las regiones candidatas previas en las que no se encuentren cabezas o colas, utilizando para ello la intersección de los objetos que aparecen en la imagen de las regiones candidatas filtradas con la imagen con cabezas, ovillos y gotas filtrados.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, donde el paso de selección de las cabezas, ovillos y gotas candidatas comprende:

-determinar el tamaño promedio de las cabezas, gotas y ovillos en función de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando;

-determinar la relación de aspecto promedio de las cabezas, gotas y ovillos, obtenida como el cociente entre el eje mayor y el eje menor de la región circunscrita a dichos objetos. También se determinará en función de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando;

-establecer un valor de tolerancia tanto para las áreas promedio como para las relaciones de aspecto promedio de manera que no se eliminen cabezas ligeramente más pequeñas o más grandes del promedio;

-eliminar de la lista de objetos a estudiar aquellos cuya área sea mayor o menor del área promedio más o menos la tolerancia; -eliminar de la lista de objetos a estudiar aquellos cuya relación de aspecto difiera de la relación de aspecto promedio en un valor absoluto superior a la tolerancia;

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, donde el paso de obtención de un segundo umbral comprende:

-seleccionar un umbral superior al primero (imagen con fondo oscuro y objeto claro) de manera que sí se incluyan las colas de los espermatozoides presentes en la imagen. El umbral seleccionado dependerá del primero y ambos serán función de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando; 4. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 y 3, donde el paso de la dilatación de la imagen binaria obtenida con el segundo umbral comprende:

-dilatar la imagen obtenida con el segundo umbral utilizando un elemento estructurante con una forma y un tamaño que permitan unir todas las colas con sus correspondientes cabezas. La forma y el tamaño del elemento estructurante dependerán de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando;

5. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, donde el paso de selección de las regiones candidatas comprende:

-determinar el tamaño promedio de las regiones que corresponden a espermatozoides con colas en ovillo en función de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando;

-determinar la relación de aspecto promedio de las regiones que corresponden a espermatozoides con colas en ovillo, obtenida como el cociente entre el eje mayor y el eje menor de la región que comprende tanto la cabeza como la cola con su ovillo o gota. También se determinará en función de los aumentos a los que se ha tomado la imagen y de la especie animal que se esté estudiando;

-establecer un valor de tolerancia para el tamaño promedio de dichas regiones. -establecer un valor de tolerancia para la relación de aspecto promedio de dichas regiones. -eliminar de la lista de objetos a estudiar aquellos cuya área sea mayor o

menor que el área promedio más o menos la tolerancia;

-eliminar de la lista de objetos a estudiar aquellos cuya relación de aspecto sea mayor o menor que la relación de aspecto promedio más o menos la tolerancia, dejando una lista de regiones candidatas a contener una cola en ovillo;

6. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, donde el paso de determinación de las regiones que contienen colas en ovillo comprende:

-realizar la intersección de las regiones presentes en la imagen que contiene las cabezas, gotas y ovillos filtrados por área y relación de aspecto con la imagen que contiene las regiones candidatas filtradas por área y relación de aspecto;

-quedarse únicamente con aquellas cabezas, gotas u ovillos que intersequen completamente con la segunda imagen (regiones candidatas) ;

-seleccionar como regiones que contienen espermatozoides con colas en ovillo, aquellas regiones candidatas filtradas, que hayan intersecado únicamente con dos de las regiones previamente obtenidas (cabezas, gotas u ovillos que intersecaron completamente con alguna región) . Las regiones con una única correspondencia o con más de dos, son eliminadas;

-comprobar que las dos regiones correspondientes con cabezas, gotas u ovillos que intersecaron con una región, corresponden con una cabeza y una gota u ovillo. En otro caso (dos cabezas, dos gotas, dos ovillos o una gota y un ovillo) , se elimina esa región de la lista de espermatozoides con cola en ovillo.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende el paso de mostrar un listado de cabezas con colas en ovillo detectadas.

8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende mostrar una imagen con todas las cabezas con colas en ovillo detectadas.

9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un paso previo de preprocesamiento de la imagen inicial.

1O. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, donde el pre-procesa miento comprende alguna de las siguientes operaciones: conversión de la imagen original a escala de grises o estiramiento del histograma para que el rango dinámico de la imagen corresponda con el rango estático.

11. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa para hacer que un ordenador lleve a la práctica el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Programa de ordenador según la reivindicación 11, incorporado en medios de almacenamiento.

13. Programa de ordenador según la reivindicación 12, soportado en una señal portadora.