JPH0731155B2 - 電気泳動像の自動認識方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気泳動像の自動認識方法およびその装置に
関し、特に、電気泳動像のDNAシーケンスフィルム画像
から自動的にデータの解析および取得を行う装置におい
て、泳動レーンの境界を確実に識別し、自動認識を行う
電気泳動像の自動認識方法および装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

バイオテクノロジーの中心課題として、遺伝物質である
DNA（Deoxyribo Nucleic Acid）の研究が盛んに行われ
ている。DNAの研究では、DNAの構成要素である塩基の配
列を決定し、解析することが重要な課題である。この塩
基配列の決定手段として、ジデオキシ（Dideoxy）法に
よるシーケンシングという手段が広く用いられている。
これは放射線で標識したDNAを電気泳動で展開し、Ｘ線
フィルム上に撮影することによって、肉眼で読み取れる
ようにする方法である。このようにして作成されたフィ
ルムは、DNAシーケンスフィルムと呼ばれ、フィルム上
の黒斑の並びをたどることで、塩基配列を決定できる。
塩基配列の決定は生物学の基礎研究分野から医学，薬
学，農芸化学などの応用まで広く基本的な技法として用
いられるため、作成されるDNAシーケンスフィルムは急
激に増加している。DNAシーケンスフィルムには、１枚
で約2,000〜3,000の塩基が映し出されており、読み取り
には熟練者でも数時間を要する。このため、DNAシーケ
ンスフィルムからDNAの塩基配列を自動的に読み取って
決定するDNAシーケンスフィルム自動認識装置が所望さ
れている。

ところで、DNAシーケンスフィルムのような電気泳動像
の自動計測を行い、自動認識を行う装置において、電気
泳動像レーンの境界識別は、自動認識化のための最も基
本的な技術である。電気泳動像レーンの境界識別は、例
えば、電気泳動像の画像パターンから電気泳動方向と垂
直な方向の変化を表す特性量を全体の電気泳動に対して
求めることにより行う。また、この電気泳動像レーンの
境界識別方式を電気泳動像の小断片ごとに適用した場合
も、境界の判定は個々の特性量の変化により行うように
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、電気泳動像では、電気泳動像の作成工程から
明らかなように、泳動像レーンの境界は必ずしも直線的
でなく、泳動基質の濃度差や温度条件等により、種々の
湾曲，変形を生ずる。また、泳動像の濃度も必ずしも均
質な濃度ではなく、泳動距離が長くなるにつれ濃度が漸
減する。このため、電気泳動像レーンの境界識別が困難
となる。

従来の技術では、この点についての配慮がされておら
ず、泳動像レーンの境界で湾曲，変形が生じている場合
や泳動像の濃度の低下が著しい場合には、境界認識で誤
認識が生じたり、境界認識が不能となるという問題があ
った。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、電気泳動像のDNAシーケンスフィルム
画像から自動的にデータの解析および取得を行う装置に
おいて、泳動レーンの境界を確実に識別し、自動認識を
行う電気泳動像の自動認識方法および装置を提供するこ
とにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明においては、電気泳動
像を取得し、該電気泳動像を自動認識する電気泳動像の
自動認識方法において、前記電気泳動像を電気泳動方向
に展開する小区間に分けて、各々の小区間の画像データ
について、その隣り合う画素間の変化分の絶対値の和か
ら各小区間の境界特性値を求め、該境界特性値を小区間
毎にマッチングを行い、小区間毎の電気泳動方向と直交
する軸の対応関係を示す曲線座標系を求め、該曲線座標
系に沿って境界特性値の積分量を求めて波形合成を行
い、境界位置ごとに極大点を持つ一次元特性値を算出
し、該一次元特性値から周期幅の異なる移動平均を求め
るフィルタリングを行い、ピークをノイズから分離し、
該ピークを前記曲線座標系に沿って展開して泳動レーン
境界形状を求めることを特徴とする。

〔作用〕

前記手段によれば、電気泳動像を取得し、加工する段階
において、電気泳動方向に展開する小区間に分けて、各
々の小区間の画像データについて、その隣り合う画素間
の変化分の絶対値の和を求め、各々の小区間毎に境界特
性値を求め、この境界特性値を小区間同志でマッチング
を行うことで小区間ごとの電気泳動方向と直交する軸の
対応関係を示す曲線座標系を求める。そして、該曲線座
標系に沿って境界特性値の積分量を求める波形合成を行
い、境界位置ごとに極大点を持つ一次元特性値を算出
し、これを周期幅の異なる移動平均を求めるフィルタリ
ングを行ってピークをノイズから分離し、該ピークを曲
線座標系に沿って展開して境界の曲線を求める。

すなわち、電気泳動像の小区間ごとの境界特性値を一
度、一次元的な情報に畳み込み、再度２次元的な境界情
報に復元する。このため、局所的なノイズの影響を受け
にくく、全体像の情報を適確に判断できる。また、境界
特性値のマチッングは値の絶対値の大小に関係なく行え
るので、濃度に変化の影響を受けない。

これにより、境界は曲線座標系に沿って求められるた
め、境界の湾曲，変形に対しても精度良く識別すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例にかかる電気泳動像自動認
識装置の要部構成を示すブロック図である。また、第2a
図および第2b図は、DNAシーケンスフィルムの電気泳動
像から泳動レーン境界判定を行う処理例を示す図であ
る。

なお、本実施例に係る電気泳動像の自動認識装置のハー
ドウェハ構成は、本願出願人が先に出願した特願昭62−
325778号に記載したものと同じであるのでここでは省略
する。

第2a図および第2b図において、10は入力される電気泳動
像のDNAシーケンスフィルムであり、20は電気泳動像のD
NAシーケンスフィルムに泳動レーン境界線を付加した出
力画像例である。また、21は泳動レーン境界線である。
DNAシーケンスフィルム10は、放射性物質や蛍光物質等
で標識した対象物質を基質中で電圧を付加して泳動展開
し、放射線検出用フィルム（Ｘ線フィルム）を感光させ
て、電気泳動像画像が記録されたフィルムとして得られ
たものである。

例えば、ジデオキシ法により得られたDNAシーケンスフ
ィルムの例においては、第2a図および第2b図に示すよう
に、泳動レーンの境界は、交互に高濃度部分が表われる
模様の境界であり、明確な境界線が検出できる訳ではな
い。電気泳動のゆらぎ，幅の変化，濃淡の変化などによ
り境界線の形状の明確な検出ができなくなっている。

このため、本発明の実施例にかかる電気泳動像の自動認
識方法によれば、この泳動レーン境界線の識別処理を、
境界抽出特性値に対して、情報ロスの少ない一次元化を
行うことにより、画像の変形，ノイズ，濃度変化の影響
を受けにくく、識別の精度の高いレーン境界形状の識別
を行う。

第１図のブロック図に、電気泳動像自動認識装置の要部
構成を示す。第１図に示す構成の回路ブロックにより所
定の演算処理を行い、泳動レーン境界を検出する。第１
図を参照して、泳動レーン境界検出の処理を説明する。

DNAシーケンスフィルム10の電気泳動原画像は、CCDスキ
ャナから構成される原画像入力装置11により読み込ま
れ、特性抽出回路12において、電気泳動方向と垂直な方
向に所定数の小区間に分割されて、各々の小区間毎の特
性値が算出される。特性抽出回路12で算出された各々の
小区間毎の特性値は、順次に小区間特性値記憶部13に記
憶される。ここに記憶される小区間特性値データ13a
は、各々の小区間の画像データについて、その隣り合う
画素間の変化分の絶対値を求めることにより算出された
ものである。すなわち、各小区間毎の原画像の濃淡デー
タに対して差分の絶対値を求めることにより算出する。
例えば、隣接する画素間の差の絶対値をとり積分する
方法、隣接する微少領域の数画素の平均値の間の差の
絶対値をとり積分する方法等により、微少領域画素の間
の変化分の差の絶対値を求めることにより算出する。こ
のように算出した小区間特性値データ13aは、電気泳動
原画像の泳動レーンの境界位置にピークを持つ波形デー
タとなっている。しかし、この波形データは未だノイズ
が多く載っており、また、分断されているために電気泳
動原画像の全体の泳動レーン境界を直接に判定すること
はできない。このため、小区間特性値記憶部13に記憶さ
れた小区間特性値データ13aは、次に、マッチング回路1
4に与えられる。マッチング回路14においては、与えら
れた小区間特性値データ13aに対して、DPマッチング処
理を行う。このDPマッチング処理は、例えば、音声波形
や画像データなどのノイズ成分が多い波形のマッチング
を行うのに広く用いられている手法であり、周知の手法
であるので詳細な説明は省略するが、マッチング回路14
は、例えば、小区間特性値13aの各対応点の積の和が最
大になる偏差を出すような処理を、ハードウエアあるい
はソフトウエアにより行う。このマッチング処理によ
り、電気泳動原画像の全体のつながりを示す各点の偏差
に相当する曲線座標系データ15aを求め、曲線座標系デ
ータ記憶部15に格納する。これにより、各々の小区間特
性値データ13aの最適な対応を表す曲線座標系データ15a
を求めることができる。

これらのデータから波形合成回路16は、曲線座標系デー
タ15aの曲線座標系に沿って、複数の各小区間特性値デ
ータ13aの積分を行って波形合成を行い、小区間特性値
データ13aの全体の値を一次元化した合成特性値16aを得
る。この合成特性値16aは、電気泳動像の原画像の泳動
レーン境界に対応する位置に強いピークを持つデータと
なる。合成特性値16aはピークを持つが、未だノイズが
載っており、更にピークを微細なノイズと区別するため
移動平均フィルタ処理を行う。これは、合成特性値16a
を、例えば、半周期幅の移動平均を出力する第１の移動
平均フィルタ17Aと、１周期幅の移動平均を出力する第
２の移動平均フィルタ17Bとに与え、これらのフィルタ
出力の差を差分回路18から得ることにより行う。これに
より、低ノイズ合成特性値波形18aを得ることができ
る。なお、この場合の移動平均を求める周期幅は、原画
像の特性に応じて適宜変更して、最も低ノイズ波形が得
られるようにする。こうして求められた低ノイズ合成特
性値波形18aは、泳動レーン境界に対応する成分だけを
持ち、容易にピーク位置を求めることができる波形とな
っている。

ピーク再展開回路19は、低ノイズ合成特性値波形18aを
曲線座標系データ記憶部15からの曲線座標系に沿ってピ
ーク再展開を行い、求めるべき泳動レーン境界データ21
を得る。この泳動レーン境界データ21により、図示しな
い処理装置により、または、人手によるマニュアル操作
により、原画像の電気泳動像の各レーンの判定を行い、
DNAシーケンスの自動認識を行う。

以上、説明したように、本実施例によれば、合成特性値
は、マッチングを行い得られた曲線座標系に沿って、電
気泳動像の全体の原画像の特徴を一次元化したもので、
泳動レーン境界の変形を正しく識別することができ、ま
た、移動平均フィルタによって周期成分に合致しないノ
イズが効率良く除去される。このため、極めて正確に泳
動レーン境界の判定を行うことができ、DNAシーケンス
の自動認識を容易に行うことができる。なお、電気泳動
原画像としては、ここではDNAシーケンスフィルムにお
ける電気泳動像として説明したが、処理する電気泳動像
は、DNAシーケンス解析，分析，同定を目的とし、標識
として、放射性同位体，蛍光物質，色素を用い、媒体と
してフィルム，感光紙，ゲル，吸着紙，磁性記録体，帯
電性記録体,ICメモリ等を用い、泳動軸を距離，時間と
して得られた電気泳動像を処理するもので良い。また、
電気泳動像の画像データは、アナログ画像データ，ディ
ジタル画像データのいずれであっても良い。

電気泳動原画像は、原画像入力装置のCCDスキャナによ
り、ドットデータとして読み取り、処理装置のコンピュ
ータの画像表示用メモリ上に置くことができる。これに
より、画像の表示と演算を並列して行うことができ、メ
モリ効率を低下させることはない。

以上説明した本実施例の要点をまとめれば、次のように
なる。すなわち、 （１）電気泳動像のパターン画像の自動認識を行う装置
において、電気泳動像原画像データを電気泳動方向に展
開する小区間に分けて、各小区間の差分絶対値の和を求
め、境界特性値を求め、該境界特性値を小区間毎にマッ
チングを行い、分割小区の特性値のマッチング処理を行
う。

（２）マッチング処理により、泳動レーン境界線の形状
方向に沿った曲線座標系を求め、これに沿った境界特性
値の合成波形を求める。

（３）境界特性値に対して異なる周期幅の移動平均を求
めるフィルタを用いて、境界特性値に対して異なる幅の
移動平均の差分を取ることでノイズを除去する。

（４）また、電気泳動原画像は、原画像入力装置のCCD
スキャナにより、ドットデータとして読み取り、処理装
置のコンピュータの画像表示用メモリ上に置き、画像出
力用メモリと画像処理用メモリを共用することにより、
画像の表示と演算を並列して行い、メモリ効率を低下さ
せることなく、処理を行う 以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、電気泳動像の
泳動レーン境界の画像境界が正確に判定できるので、電
気泳動像を自動計測し、自動認識する装置において様々
な泳動パターンに対して安定した識別率を確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる電気泳動像自動認
識装置の要部構成を示すブロック図、 第2a図および第2b図は、DNAシーケンスフィルムの電気
泳動像から泳動レーン境界判定を行う処理例を示す図で
ある。 図中、10……DNAシーケンスフィルム、20……泳動レー
ン境界線を付加した出力画像例、21……泳動レーン境界
線。11……原画像入力装置、12……特性抽出回路、13…
…小区間特性値記憶部、14……マッチング回路、15……
曲線座標系データ記憶部、16……波形合成回路、17A,17
B……移動平均フィルタ、18……差分回路、19……ピー
ク再展開回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気泳動像を所得し、該電気泳動像を自動
   認識する電気泳動像の自動認識方法において、前記電気
   泳動像を電気泳動方向に展開する小区間に分けて、各々
   の小区間の画像データについて、その隣り合う画素間の
   変化分の絶対値の和から各小区間の境界特性値を求め、
   該境界特性値を小区間毎にマッチングを行い、小区間毎
   の電気泳動方向と直交する軸の対応関係を示す曲線座標
   系を求め、該曲線座標系に沿って境界特性値の積分量を
   求めて波形合成を行い、境界位置ごとに極大点を持つ一
   次元特性値を算出し、該一次元特性値から周期幅の異な
   る移動平均を求めるフィルタリングを行い、ピークをノ
   イズから分離し、該ピークを前記曲線座標系に沿って展
   開して泳動レーン境界形状を求めることを特徴とする電
   気泳動像の自動認識方法。
2. 【請求項２】電気泳動像フィルムの画像パターンからDN
   Aシーケンスを自動認識する電気泳動像の自動認識方法
   において、電気泳動像原画像を電気泳動方向と直交する
   方向で小区間に分割し、分割小区間で隣り合う画素間で
   変化分の絶対値の特性値を抽出して、小区間毎の特性値
   を求め、該特性値の各々のマッチングを行い、形状方向
   に沿う曲線座標系を求め、該曲線座標系に沿って特性値
   の波形合成を行い一次元境界特性値とし、該一次元境界
   特性値に対して異なる周期幅の移動平均の差分を取り、
   ピーク値からノイズを除去し、該ピークを曲線座標系に
   沿って展開して境界の形状を求め、電気泳動像原画像の
   泳動レーン境界判定を行い、DNAシーケンスの自動認識
   を行うことを特徴とする電気泳動像の自動認識方法。
3. 【請求項３】電気泳動像フィルムのパターン画像を自動
   認識し、電気泳動像原画像の泳動レーンの境界判定を行
   い、DNAシーケンスを自動認識する装置において、電気
   泳動像原画像を入力する原画像入力装置と、入力した電
   気泳動像原画像を電気泳動方向と直交する方向で小区間
   に分割し、分割小区間で隣り合う画素間で変化分の絶対
   値の特性値を抽出して、複数の小区間特性値を求める特
   性抽出回路と、該小区間特性値の各々のマッチングを行
   い、形状方向に沿う曲線座標系データを求めるマッチン
   グ回路と、該曲線座標系に沿って特性値の合成を行う波
   形合成回路と、境界特性値に対して異なる周期幅の移動
   平均を取る複数の移動平均フィルタと、複数の移動平均
   フィルタの出力の差分をとる差分回路と、差分回路出力
   と曲線座標系データによりピーク再展開を行うピーク再
   展開回路とを備えたことを特徴とする電気泳動像の自動
   認識装置。