一种基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工

本发明属于生物组织的图像分析与疾病检测，具体涉及一种基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工具。背景技术：1、帕金森病(parkinson's disease，简称pd)是一种影响中枢神经系统的慢性神经退化疾病，主要影响运动神经系统，症状通常随时间缓慢出现，早期最明显的症状为颤抖、肢体僵硬、运动功能减退和步态异常，也可能有认知和行为问题。帕金森病的诊断仰赖病史和神经学检查，目前没有检验方法能有效确认帕金森病，只能通过脑部造影排除其他症状相似的疾病，或者通过观察患者服用l-多巴后运动症状的改善来帮助医生确认。现有的方法存在明显的缺点，操作复杂、耗时长，并且十分依赖医生的阅历经验。2、目前，已知罹患帕金森病会造成脑神经元死亡，伴随着神经元线粒体的功能损伤和活性降低。在细胞代谢领域，通过对荧光图像做频谱分析来分析细胞线粒体代谢情况是一种比较成熟的方法。线粒体可进行连续循环的融合与分裂，在细胞的双光子荧光图像中，代谢受损的线粒体会呈现更多的分裂与群簇，更少融合交联在一起，这种特性会导致荧光图像细节的增加。根据这个特性对荧光图像进行频域分析，功率谱密度谱线中高频成分增多就表示荧光图像细节增加，表明线粒体呈现了更多的分裂与群簇，细胞代谢受到阻碍。3、光学相干断层扫描技术(optical coherence tomography，简称oct)是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，已广泛在眼科临床检查中应用。通过oct技术可以快速得到人眼视网膜的高分辨率图像，视网膜作为神经系统的延伸，在罹患帕金森病后，其外丛状层的线粒体也会出现代谢功能损伤。相比于荧光成像技术，oct的图像更易得到，可以进行无创的活体成像，并且在临床检查中的应用已经十分成熟。4、现有的帕金森病诊断方法还十分匮乏，并且都具有一定的局限性。首先，通过服药后病情的改善来确认帕金森病耗时太长，无法做到临床的即时诊断；其次，用新兴的正电子发射断层显像/x线计算机体层成像(pet/ct)技术对帕金森病进行诊断时，需要注射放射性示踪剂，不能做到无标记的成像诊断，成本高且对人体有较大损伤；第三，传统的双光子荧光成像目前只限于对小鼠进行活体成像，无法在临床上对人体尤其是大脑进行荧光成像和细胞代谢分析。技术实现思路1、本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工具。该方法使用临床oct系统对视网膜进行成像，手动对外丛状层进行分割，通过对外丛状层的线粒体进行像素克隆、傅立叶变换、功率谱密度计算和线性拟合，得到外丛状层的线粒体空间群簇指标，根据这项指标建立分类模型，实现帕金森病的辅助检查。该方法避免了使用传统方法诊断帕金森病无法定量化、耗时耗力的缺点，并且使用oct图像进行代谢分析，突破了荧光成像难以实现人类在体代谢分析的难题。2、本发明采用的技术方案是：3、本发明公开了一种基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工具，其特征在于通过光学相干断层扫描(oct)图像分析视网膜外丛状层(opl)线粒体代谢情况，建立辅助检查模型，所述的检查工具包括如下步骤：4、1)通过光学相干断层扫描技术对疾病信息已知的人眼进行辐射状扫描，得到微米级分辨率的视网膜oct图像；5、2)对视网膜oct图像进行插值和裁剪预处理，并手动提取视网膜的外丛状层，去除背景和视网膜其他层的信号，得到外丛状层图像；6、3)将外丛状层图像划分为上下两层，对上、下层的外丛状层图像分别进行频域分析，得到外丛状层上层和下层的功率谱密度谱线；7、4)对功率谱密度谱线进行线性拟合，得到外丛状上层和下层线粒体的空间群簇指标β1和β2，以及β2和β1的差值β3，将它们作为多元特征参量；8、5)根据步骤4)中获得的多元特征参量的数值结果和步骤1)中已知的疾病信息，构建支持向量机模型；9、6)在支持向量机模型中，每一个独立的样本根据其多元参量数值得到得向量所述的多元参量包括外丛状上层和下层线粒体的空间群簇指标β1和β2，以及差值β3，多参量计算结果构成向量其中的vi,ωi,分别为步骤4)计算得到的β1和β2以及β3的数值；10、根据多元参量得到的决策平面方程为：11、12、其中为决策面法向量，b为决策平面的截距，人眼样本是否患有帕金森病的判断条件如下：13、14、yi代表帕金森病已知的疾病状态，yi＝1表示图像为正常人眼的图像，yi＝-1表示图像为帕金森病的人眼图像；15、7)通过大量的多元参量与标签信息进行训练，可得到决策面法向量和截距b，训练具体为求条件最值问题：16、17、其中s.t.表示同时满足，m为样本总数；18、8)经过训练得到决策面法向量和截距b，进而得到一个基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工具。19、作为进一步地改进，本发明所述步骤3)中，将外丛状层图像划分为上下两层，具体为以外丛状层oct图像中存在的低反射带为界限，将外丛状层划分为上层和下层。这条低反射带中线粒体分布很少，低反射带以上的外丛状层上层中，聚集了双极细胞的线粒体，而低反射带以下的外丛状层下层中，聚集了感光细胞的线粒体，两种细胞的线粒体具有不同的形态分布与代谢情况。20、作为进一步地改进，本发明所述步骤3)中，所述的对上下两层的外丛状层图像进行频域分析，具体为先对线粒体像素进行克隆，用线粒体信号填满整个图像，再对填充后的图像进行傅立叶变换得到图像功率谱。需要注意的是，在进行像素克隆时，由于单张图像包含的外丛状层线粒体信号较少，所以将同一人眼样本的多张oct图像一起作为克隆像素的信号源进行克隆，并用于后续的分析。21、作为进一步地改进，本发明所述步骤4)中，对功率谱密度曲线进行线性拟合，直线的斜率值就是外丛状层中线粒体的空间群簇指标，所述的指标代表了线粒体分布的空间群簇情况，反映了细胞代谢的强弱。具体表现为在细胞代谢中，代谢弱的细胞中线粒体更多地分裂而后群簇在一起，此时线粒体空间群簇指标高，而代谢强的细胞中线粒体更多地交联融合，此时线粒体空间群簇指标低。22、作为进一步地改进，本发明所述步骤8)中，经过训练得到决策面法向量截距b＝2.59044859。23、本发明使用光学相干断层扫描技术，基于视网膜外丛状层的线粒体代谢，高精度、快速无创并且可进行在体检查。通过对外丛状层线粒体进行频域的功率谱密度分析，计算线粒体的空间群簇指标，实现对于视网膜外丛状层的代谢分析，利用建立的帕金森病辅助检查工具，辅助医生进行检查，进一步加强对人类帕金森病的病理学了解。24、由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术方案相比具有如下优势：25、本发明公开了一种基于线粒体代谢分析的帕金森病辅助检查工具，用于分析人眼视网膜外丛状层的线粒体代谢状况，诊断由帕金森病引起的代谢异常。本发明可以对线粒体图像进行傅立叶分析得到图像功率谱，再对功率谱曲线进行线性拟合得到代表线粒体群簇程度的特征参量，根据这个参量建立帕金森病辅助检查模型，该模型可以自动进行帕金森病的检查。本发明能提取视网膜外丛状层线粒体的分布信息，针对正常人与帕金森病患者视网膜外丛状层线粒体代谢状况的差别，本发明提出了一个新的检查方法。该方法可以对临床常用的光学相干断层扫描所得到的高分辨图像进行处理与分析，能更准确地分析线粒体代谢状况，相比传统的帕金森诊断方法具有更大的应用潜力。26、1.本发明抛弃了以往对人体脑部进行代谢和结构成像，通过观察脑部代谢情况诊断帕金森病的方法，转而对神经系统的延伸组织——视网膜进行成像和代谢分析。由于脑部的脆弱，对其成像不仅要有足够的穿透深度，还要尽最大努力将损伤控制到极小，相比而言，对视网膜的成像和分析显然更加容易。27、2.本发明通过对视网膜外丛状层的oct图像进行特征提取和分析，得到量化的线粒体空间群簇指标，从该指标分析线粒体的代谢情况。使用oct图像进行代谢分析，打破了以往使用荧光成像或者注射放射性示踪剂的核医学影像进行代谢成像分析的惯例，能实现快速准确、无创、低成本的帕金森病诊断。28、3.本发明对外丛状层的线粒体图像进行频域方面的分析，通过计算功率谱密度和拟合功率谱密度曲线，能更加全局性地判断图像高频低频信息的分布，同时还能根据线粒体的尺寸大小，精确地找到线粒体信息对应的部分功率谱曲线，并对此部分着重进行观察和分析。相比于在空间域层面直接观察和量化线粒体的形态分布，这种频域分析方法更具有全面性和全局性，并且可以针对线粒体信息更有效地量化其空间群簇指标。29、4.本发明对外丛状层的线粒体信号进行频域分析，在进行像素克隆填充时，由于单张图像包含的外丛状层线粒体信号较少，所以将同一人眼样本的多张oct图像一起作为克隆像素的信号源进行克隆，并用于后续的分析。相比于对单张图像进行频域分析，这种方法提高了oct图像的信息利用率，并且计算出的参量数值具有更高的准确性和稳定性，有效增加了检查工具的准确率。30、5.本发明实现了对外丛状层oct图像的分层分析，对外丛状层进行分层的依据是外丛状层的oct图像中存在一条低反射带，这条低反射带中线粒体分布很少，低反射带以上聚集了双极细胞的线粒体，低反射带以下聚集了感光细胞的线粒体，因此外丛状层的上下两层线粒体形态和代谢不同。对外丛状层的上下两层分别进行分析，使得本发明可以对外丛状层上下两层都进行特征参量的计算，并且可以分析特征参量的层间差值，增加了本发明提取图像特征的维度，对揭示外丛状层中更为细节的代谢信息具有重要意义。