一种精子头部形态分析方法、精子形态分析方法及系统

本发明涉及精子形态分析，特别是涉及一种精子头部形态分析方法、精子形态分析方法及系统。

背景技术：

1、

2、精子从结构上分为头部和尾部，尾部分为颈部、中段、主段和末段，颈部(也称为颈段或连接段)为连接头部和尾部的一小段，从染色后的精液图像中，成像采集系统难以识别处理颈部，一般予以忽略，中段前接颈部，长约5～7微米。如图1所示，其为精子的结构划分示意图，精子包括头部、中部和尾部，头部包括顶体和细胞核，顶体覆盖头部前端约2/3，光学显微镜下，染色较浅(使用巴士染色法，光镜下为淡蓝色)，正常精子的顶体面积占整个头部面积的40％-70％，细胞核是头部中在顶体之后的包含精子细胞核的区域，光学显微镜下，染色较深(使用巴士染色法，光镜下为深蓝色)，中部指的是中段，尾部包括主段和末段。精子形态分析是在显微镜下，从染色精液样本标片中随机选取多个适宜视野，观察每个视野内各个精子的形态特征，统计正常精子的占比，以及精子头部、中部、尾部的异常情况，生成具体的精子形态分析报告单，用以评估精液样本潜在生命力。在临床上，目前进行精子形态分析时仍采用传统的人工视觉评估方法，具体流程为：将从检查人员处采集到的精液样本，经过液化、稀释、制片、染色等步骤后，放置于显微镜下，由经验丰富的医生或技术人员进行人工检查，多次对随机选取的适宜视野中的各个精子进行观察，统计其中正常精子的占比，并且统计精子头部形状异常、顶体异常、中部异常和尾部异常情况等，重复此过程，直至分析的总精子数达200个以上。其中，精子头部形状异常指的是锥形、梨形、圆形、不定形等异常精子头部形状；顶体异常指的是顶体占比异常以及顶体区气泡数量、大小异常；中部异常指的是精子中部插入精子头部角度异常、中部宽度过厚或者过薄、精子中部弯折以及精子中部关于精子头部的长对称轴不对称等异常；尾部异常指的是尾部过短、断裂、弯曲等异常。但传统的人工视觉评估方法存在以下缺陷：

3、(1)在显微镜下人工分析每个精子，分析结果的准确度不够，且不够客观，这是由于分析结果取决于医生或技术人员的经验、专业知识、专业精神等因素，经验不足或者专业知识缺乏将影响分析准确度，专业精神不足可能影响分析时的严肃性或者导致分析结果受无关环境因素影响，导致准确度低。而且不同医生或技术人员判别的标准难以完全一致，即使是同一人对于同一精液样本，在不同时间的分析结果也可能不同。

4、(2)人工计数统计费时费力，需要医生对每个视野下所有精子数、正常精子数、各部位异常精子数等分情况进行统计，相当重复繁琐，而且容易产生计数缺失或者重复计数等错误。

5、(3)难以测得每个精子的定量形态学参数，如精子头部的长度、宽度、面积以及顶体面积占比等，即使借助显微镜定标尺换算出显微镜放大比例，也难以逐个精子地测量其详细的定量形态学参数，至多定量分析非常小规模的精子，这将导致准确度低。

6、考虑到精子头部发生异常的概率大，因此亟需一种能够自动对精子头部进行形态分析的技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种精子头部形态分析方法、精子形态分析方法及系统，可自动完成精子头部的形态分析，确定精子头部的异常情况，相较于人工确定精子头部的异常情况的方式，能够显著提高准确性和客观性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种精子头部形态分析方法，包括：

4、获取精液图像；所述精液图像包括若干个精子；

5、对所述精液图像中的精子头部进行检测，并基于检测得到的精子头部对所述精液图像进行裁剪，得到若干张候选精子头部图像；所述候选精子头部图像的数量与检测得到的精子头部的数量相同；

6、对于每一所述候选精子头部图像，对所述候选精子头部图像进行分类，确定所述候选精子头部图像中的精子头部是否为真正的精子头部，若是，则以所述候选精子头部图像作为精子头部图像；

7、对于每一所述精子头部图像，对所述精子头部图像进行语义分割，得到所述精子头部图像的语义分割结果；基于所述语义分割结果进行参数计算，得到所述精子头部图像中的精子头部的形态学参数；所述语义分割结果包括精子头部顶体、精子头部细胞核、精子中部和背景；所述形态学参数包括精子头部长度、精子头部宽度、精子头部长宽比、精子头部面积、精子头部周长、精子头部圆周率、精子头部伸展性、精子头部对称性、精子头部顶体占比、精子中部插入精子头部的角度、精子中部宽度和精子头部顶体气泡数中的至少一项；

8、对于每一所述精子头部图像，对所述精子头部图像进行分类，确定所述精子头部图像中的精子头部的分类结果；所述分类结果包括精子头部初步正常和精子头部初步异常；

9、对于每一所述精子头部图像，根据所述精子头部图像中的精子头部的形态学参数和所述精子头部图像中的精子头部的分类结果确定所述精子头部图像中的精子头部是否正常，完成精子头部形态分析。

10、在一些实施例中，对所述精液图像中的精子头部进行检测，具体包括：

11、利用斑点检测算法对所述精液图像中的斑点进行检测，得到若干个斑点，一个所述斑点代表一个精子头部；其中，所述斑点检测算法的过滤参数包括：最小阈值、最大阈值、阈值间隔、斑点最小面积、斑点最小圆周率、斑点最小凸状率和斑点最小惯性率。

12、在一些实施例中，对所述候选精子头部图像进行分类，具体包括：

13、利用训练好的过滤分类模型对所述候选精子头部图像进行分类；其中，所述训练好的过滤分类模型为基于sge注意力机制增强的resnet50，基于sge注意力机制增强的resnet50是将sge注意力机制插入resnet50中堆叠的瓶颈残差块的主分支中之后所得到的。

14、在一些实施例中，对所述精子头部图像进行语义分割，具体包括：

15、利用训练好的语义分割模型对所述精子头部图像进行语义分割；其中，所述训练好的语义分割模型包括依次连接的编码器和解码器，所述编码器用于对所述精子头部图像进行重构，得到重构图像，所述解码器用于对所述重构图像进行语义分割；所述编码器为masked autoencoder模型，所述解码器为upernet模型语义分割头。

16、在一些实施例中，在基于所述语义分割结果进行参数计算之前，还包括：对所述语义分割结果进行优化，得到优化后的语义分割结果，并以优化后的语义分割结果作为新的语义分割结果；

17、其中，对所述语义分割结果进行优化，得到优化后的语义分割结果，具体包括：

18、新建一个与所述精子头部图像大小相同的空白图像，将所述空白图像中对应于所述语义分割结果中精子头部顶体和精子中部的区域的像素点的像素值设置为255，将所述空白图像中剩余像素点的像素值设置为0，得到二值化图像；

19、对所述二值化图像的连通区域进行检测，得到若干个连通区域；按照面积从大到小的顺序对若干个连通区域进行排序，并选取排序位于前两位的连通区域作为第一连通区域和第二连通区域；

20、计算所述第一连通区域中属于所述精子中部的像素点所占的比例，得到第一比例，计算所述第二连通区域中属于所述精子中部的像素点所占的比例，得到第二比例；判断所述第一比例是否大于所述第二比例；若是，则以所述第一连通区域作为新的精子中部，以所述第二连通区域作为新的精子头部顶体；若否，则以所述第一连通区域作为新的精子头部顶体，以所述第二连通区域作为新的精子中部；新的精子头部顶体、精子头部细胞核、新的精子中部和背景组成优化后的语义分割结果。

21、在一些实施例中，对所述精子头部图像进行分类，具体包括：

22、利用训练好的异常分类模型对所述精子头部图像进行分类；其中，所述训练好的异常分类模型包括若干个并联连接的分类模块和一个融合模块，每一所述分类模块的输出端均连接所述融合模块的输入端；所述分类模块用于对所述精子头部图像进行初步分类，所述融合模块用于对所有所述分类模块的初步分类结果进行融合；所述分类模块为基于sge注意力机制增强的efficientnet-b5，基于sge注意力机制增强的efficientnet-b5是利用sge注意力机制替换efficientnet-b5中堆叠的mbconv模块的se注意力机制之后所得到的。

23、一种精子形态分析方法，包括：

24、利用上述的一种精子头部形态分析方法完成精子头部形态分析；

25、获取中部标记指令，并响应所述中部标记指令完成精子中部形态分析；

26、获取尾部标记指令，并响应所述尾部标记指令完成精子尾部形态分析。

27、在一些实施例中，在完成精子头部形态分析之后，还包括：

28、获取取消标记指令，并响应所述取消标记指令为精子头部取消所述精子头部为真正的精子头部的标记；

29、获取补充检测指令，并响应所述补充检测指令为精子头部添加所述精子头部为真正的精子头部的标记；

30、获取类别修正指令，并响应所述类别修正指令将标记为正常的精子头部的标记修正为异常，或将标记为异常的精子头部的标记修正为正常。

31、在一些实施例中，在完成精子头部形态分析之后，还包括：

32、获取头部修正指令，并响应所述头部修正指令对精子头部形态分析的分析结果进行修正。

33、一种计算机系统，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述一种精子头部形态分析方法的步骤或实现上述一种精子形态分析方法的步骤。

34、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

35、本发明提供一种精子头部形态分析方法、精子形态分析方法及系统，对精液图像依次进行检测、裁剪、过滤分类、语义分割、参数计算、正常/异常分类和综合判断，能够确定精液图像裁剪得到的各个精子头部图像中的精子头部是否正常，自动完成精子头部的形态分析，确定精子头部的异常情况，不需要人工判别、人工计算和人工统计，相较于人工确定精子头部的异常情况的方式，能够显著提高准确性和客观性。在自动完成精子头部形态分析后，获取中部标记指令，并响应中部标记指令完成精子中部形态分析，获取尾部标记指令，并响应尾部标记指令完成精子尾部形态分析，从而能够完成精子形态分析。